WO2011131266A1 - KOLBENOBERTEIL EINES GEBAUTEN ODER GESCHWEIßTEN KOLBENS MIT ERWEITERTEN KÜHLRÄUMEN - Google Patents

KOLBENOBERTEIL EINES GEBAUTEN ODER GESCHWEIßTEN KOLBENS MIT ERWEITERTEN KÜHLRÄUMEN Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a one-piece and two-piece piston of an internal combustion engine and method for producing such piston according to the respective preambles of the independent claims.
  • the combustion temperatures and the combustion pressures are raised to optimize the combustion, whereby in particular the piston upper part is subjected to high thermal stress.
  • the operating temperature of the piston of such internal combustion engines may exceed the permissible limits of the piston material, associated with the risk of heat aging, in which the alloy of the piston material loses strength and dimensional stability.
  • pistons are used, in which an annular cooling channel is integrated, in which a portion of the lubricating oil of the internal combustion engine is injected via an injection nozzle as a coolant, flows through the cooling channel and then exits.
  • DE 197 50 021 A1 discloses a cooling channel piston which, in the region of the annular field, encloses an annular cooling channel radially offset from a lateral surface.
  • the coolant flowing through the cooling channel causes heat dissipation, the effectiveness of this liquid cooling being substantially determined by the volume flow rate of the cooling medium through the cooling channel.
  • DE 41 18 400 A1 shows a built piston, starting from the cooling channel, extending in the direction of the piston crown cooling slots with mutually parallel walls.
  • the invention is based on the object to optimize the cooling effect of the piston upper part of a one-piece and a two-part piston in thermally highly stressed zones by a cost-effective measure and, accordingly, to provide a piston and method for producing such piston.
  • the present invention provides a piston top part of a one-piece and a two-part piston with integrated recesses according to the features of patent claims 1 and 2, as well as methods for producing the recesses according to the features of claims 12, 13 and 14.
  • the two-part piston is designed as a liquid-cooled piston, consisting of a piston lower part and a piston bowl having a combustion bowl. These piston components are supported via radially mutually spaced, forming a separation plane joining webs and preferably cohesively, preferably by means of a welded joint, or preferably by friction, preferably joined by means of a screw connection.
  • the assembled piston of a piston upper part and lower piston part is preferably assembled, for example by means of screw connection, or preferably welded together, for example by means of welded connection.
  • Cooling channel introduced which is connected via connecting channels with an inner cooling chamber.
  • the upper piston part closes in the direction of a piston crown aligned, executed as a blind hole, connected to the cooling channel recesses.
  • the liquid-cooled piston of an internal combustion engine consists of a piston lower part and a piston bowl having a combustion bowl, wherein the piston is designed as a one-piece piston having no separation plane.
  • the invention while maintaining defined wall thicknesses compared to previously known solutions increases the flowed through by the coolant, in the depth extended cooling space and thus optimizes the cooling of the piston upper part.
  • a preferred structural shape of the recess according to the invention is spaced from a central contour of the trough-shaped introduced in the piston head combustion chamber trough.
  • an extension of the cooling channel forming recess is advantageously not limited by design constraints, such as the location and arrangement of the separation plane between the piston bottom and the piston top or the cooling channel, but can, for example, specifically expand in the direction of the combustion bowl .
  • the inventively designed recesses are preferably determined for piston heads with a relatively small combustion bowl diameter in order to optimally cool the adjusting large wall thicknesses and accumulations of material in the piston crown. Thus, coking up to a burnup and a reduction in strength of the material can be avoided.
  • the exhaust gas requirements (Tier 3 and IMO) for built-up pistons with a small combustion bowl diameter can be achieved.
  • the type of the piston lower part and of the piston upper part are also designed to be suitable, as described above.
  • the size and the extent of the recess is not limited by the outer diameter of the joining webs or the support surfaces in the region of the separation plane between the piston upper part and the piston lower part.
  • the measure according to the invention makes it possible to expand the recess according to the invention intended for cooling to a zone in which there is a high thermal load.
  • the cross-sectional profile in the recess base thus exceeds the cross-sectional profile in the region of a transition of the recess to the cooling channel due to the conical expansion.
  • the piston head includes a plurality of circumferentially distributed positioned, with the cooling passage in communication recesses. This designed as a blind hole, the cooling chamber targeted magnifying recesses cause improved, efficient cooling of the piston top.
  • the recesses lead at least locally to reduced wall thicknesses of the piston upper part, as compared to the combustion chamber trough, the ring field, the top land and the piston crown. Due to tuned wall thicknesses between the inventively executed recesses and the adjacent thermal heavily stressed zones, a structurally stable, highest requirements holding piston upper part is realized.
  • the measure according to the invention reduces the component temperature to a level below the flash point of conventional cooling oils, which at the same time reduces the risk of coking for the preferably used as a coolant lubricating oil of the internal combustion engine.
  • Due to the significantly improved heat dissipation and thus cooling effect of the recess according to the invention the piston upper part and consequently the entire piston for higher combustion temperatures and combustion pressures, i. can be used in internal combustion engines with high power density.
  • the bulky designed, cost-producible recesses advantageously reduce the weight of the upper piston part, especially for small Brennraummulden- diameters.
  • a preferred embodiment of the invention according to the invention over the longitudinal extent conically widening recesses provides that these are circumferentially distributed in the piston upper part designed in particular as slots, holes or channels.
  • webs formed by the material of the piston upper part are provided between the recesses and the cooling channel.
  • walls or support ribs may be used, wherein the walls or support ribs differ by their respective shape of the webs.
  • the adjacent recesses designed according to the invention are oppositely introduced alternately in matching or divergent geometrical sizes and / or inclinations to one another in the piston upper part. This measure allows a targeted extension of the recesses into thermally highly loaded zones, without the risk of component weakening.
  • the walls of the recess are inclined at an inclination angle " ⁇ , ⁇ " between 0 ° to 40 °, preferably of ⁇ 15 ° to a piston longitudinal axis, in order to achieve largely matching wall thicknesses with respect to the thermally heavily loaded zones Adjusted piston head, it is still appropriate to interpret the inclination angle of opposite walls, in particular an inner wall and an outer wall, coincident or divergent.
  • the invention includes a beveled recess base. Due to the recesses in the cooling channel, there is also an increased turbulence of the coolant in the cooling channel. By adjusting the surface of the recess bottom and a reduction of the diameter of the recess bottom, it is possible to reduce or optimize the emissions during operation of the piston. Adjusting the graded transition also reduces emissions during operation.
  • an adaptation of the cooling space to the shape of the trough of the combustion bowl can take place.
  • the adaptation and configuration of the recess base is possible by means of the shape of the casting body, the shape of which in certain areas is the negative shape of the shape of the recess base.
  • a further embodiment of the invention envisages arranging the recesses formed preferably as channels, bores or slots circumferentially symmetrically or asymmetrically in the piston upper part.
  • the position, orientation and size of the recess can be adapted to the different thermal loads. For example, it makes sense to design the cooling chamber or cross-sectional volume of the recess on the pressure side (DS) differently from the corresponding cross-sectional volume on the counter-pressure side (GDS) of the piston upper part.
  • the location and interpretation of Recess is such that a weakening of the strength of the piston upper part is avoided.
  • a mold body corresponding to the shape of the recesses preferably a salt core, is fixed in position in the casting mold intended for the piston top part. After casting and cooling of the upper piston part of the mold body is removed by rinsing.
  • a mold body corresponding to the shape of the recesses preferably a salt core
  • a piston upper part and a piston lower part After casting and cooling of the one-piece piston of the mold body is removed by rinsing.
  • Another alternative method for producing the recesses provides mechanical, three-dimensional machining.
  • a turning and milling machining are introduced with the cavities for the representation of recesses in the piston upper part. It also makes sense to represent the recesses by means of a milling or drilling tools.
  • FIG. 1 shows a piston upper part in a longitudinal section with a recess designed according to the invention
  • Figure 2 a detail of the piston top part according to Figure 1 in an enlarged
  • Figure 3 the top view of a piston upper part with a plurality of slit-shaped
  • Figure 4 a three-dimensional view of cooling slots in a piston upper part
  • Figure 5 a perspective view of a piston upper part with extended
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a piston upper part 1, which is, for example, a component produced from a steel alloy by means of a forging process.
  • the piston upper part 1 can also be made of aluminum, of an aluminum alloy or of an iron alloy.
  • the piston upper part 1 can also be produced by means of any other forming process or molding process.
  • the piston upper part 1, together with a piston lower part, not shown in FIG. 1, forms a two-part piston, which is, for example, friction-fitted or cohesively welded, which is liquid-cooled.
  • the piston upper part 1 is supported on corresponding joint webs of the piston lower part.
  • an annular cooling channel 11 is provided in the region of the separation plane 4, which extends into the lower part of the piston and by the coolant in the operating condition of the engine, in particular lubricating oil of the internal combustion engine, circulates.
  • the cooling medium enters the cooling channel 11 via an inlet and leaves the cooling channel
  • the cooling channel 11 communicates with a plurality of circumferentially distributed introduced, aligned in the direction of the piston head 6 recesses 12 in connection. These circumferentially distributed, blind hole introduced recesses 12 are formed as channels, holes and / or slots and increase the acted upon by the coolant cooling space in the piston top 1. To ensure sufficient rigidity of the piston head 1 are in a transition region between the cooling channel 11 and the recesses 12th Webs 13 provided.
  • the recesses 12 extend conically up to a maximum at a recess bottom 14. Via connecting channels 15 which are positioned on the circumference, the recesses 12 are connected to a central internal cooling space 16 positioned below the combustion bowl 7.
  • Figure 2 illustrates the geometric design of the recess 12 in an enlarged illustration.
  • the circumferentially distributed in the piston upper part 1 recesses 12 may alternatively be designed as limited circumferential cavities.
  • the recess 12 is introduced according to the embodiment subsequently in the production by means of the forging method by means of a mechanical three-dimensional machining process in the piston upper part 1.
  • the recess 12 in the case of a piston upper part 1 produced by means of a casting method, it is suitable to mold the recess 12 into the piston upper part 1 by means of a casting mold.
  • the land 9 and the trough edge 8 of the combustion bowl 7, the recess 12 forms a stepped recess base 14.
  • the dome-like, a trough vault forming recess base. 14 includes a doubly rounded contour enclosing the radius "R.” The number of cuts allows the depth of the recess bottom 14 located between the radii "R" in the recess 12 to be adjusted.
  • the piston longitudinal axis 5 each inclined.
  • the inclination angle ⁇ of the inner wall 17 and the inclination angle ß of the outer wall 18, wherein the inner wall 17 and the outer wall 18 are inclined opposite to each other, may be the same or different from each other.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a piston upper part 1 according to the invention.
  • the same components are provided with the same reference numerals and new components are named with new reference numerals.
  • FIG. 3 shows the plan view of the piston upper part 1 of a two-part piston in the direction of the two joining webs 2, 3.
  • the piston upper part 1 has a plurality of slot-shaped recesses 19 arranged tangentially with a certain radius around the piston longitudinal axis 5, in the example five slot-shaped recesses 19 according to FIG on.
  • the tangential circulation around the piston longitudinal axis 5 is also known under the term of the radial circulation about the piston longitudinal axis 5.
  • the inner cooling chamber 16 is shown in addition, around which the five slot-shaped recesses 19 are arranged circumferentially distributed.
  • the slot-shaped recesses 19 are not connected to each other, so that in each case a distance in the form of webs 20 between the respective slot-shaped recesses 19 exists.
  • FIG. 4 shows two cooling slots 21, 22 with shaft cooling in a piston upper part 1 of a two-part piston, wherein the two cooling slots 21, 22 are assigned to the illustrated recess 12. It is possible to downsize the bowl diameter of the respective cooling slot 21, 22 or to introduce a step trough. By cooling the shaft, on the one hand, an enlargement of the cooling surface and a turbulence is achieved.
  • the inner cooling chamber 16 is shown.
  • FIG. 5 shows two extended cooling slots 21, 22 with a smoothed surface, wherein the two cooling slots 21, 22 are assigned to the illustrated recess 12. It is possible to reduce the bowl diameter or to process the trough used to reduce emissions. By varying the slot depth of the respective cooling slots 21, 22 of the recess 12, it is possible that an adaptation of the cooling space takes place to the trough shape of the combustion chamber trough 7. The degree of smoothing is achieved by the number of slots between cooling slot 21 and cooling slot 22. In Figure 5, in addition to clarification, the inner cooling chamber 16 is shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein bevorzugt gebauter oder geschweißter flüssigkeitsgekühlter Kolben, der aus einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde (7) aufweisenden Kolbenoberteil (1) besteht. Diese Kolbenbauteile sind über radial zueinander beabstandete, gemeinsam eine Trennungsebene (4) bildende Fügestege (2,3) abgestützt und vorzugsweise stoffschlüssig, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, oder vorzugsweise reibschlüssig, bevorzugt mittels einer Schraubenverbindung, zusammengefügt. Das Kolbenoberteil (1) umfasst zur Aufnahme von Kolbenringen ein Ringfeld (10) und schließt einen ringförmigen, sich bis in das Kolbenunterteil erstreckenden Kühlkanal (11) ein, der über Verbindungskanäle (15) mit einem inneren Kühlraum (16) in Verbindung steht. An den Kühlkanal schließen sich in Richtung eines Kolbenbodens (6) ausgerichtete, als Sackloch ausgeführte Ausnehmungen (12) an, die von dem Kühlkanal (11) ausgehend bis zu einem Ausnehmungsgrund (14) der jeweiligen Ausnehmung (12) konisch aufgeweitet gestaltet sind. Der Ausnehmungsgrund (14) kann stark wellenförmig (vergrößerte Oberfläche) oder fein wellenförmig ausgeführt werden. Der Kolben kann auch als einteiliger Kolben mit einem Kolbenoberteil (1) und einem Kolbenunterteil ohne eine Trennungsebene (4) ausgeführt sein.

Description

Kolbenoberteil eines gebauten oder geschweißten Kolbens mit erweiterten Kühlräumen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen einteiligen und zweiteiligen Kolben einer Brennkraftmaschine und Verfahren zur Herstellung solcher Kolben gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten bzw. zur Erreichung von Emissionszielen und Verbrauchszielen werden zur Optimierung der Verbrennung die Verbrennungstemperaturen und die Verbrennungsdrücke angehoben, wodurch insbesondere das Kolbenoberteil thermisch stark beansprucht wird. Die Betriebstemperatur des Kolbens derartiger Brennkraftmaschinen kann die zulässigen Grenzen von dem Kolbenwerkstoff überschreiten, verbunden mit der Gefahr einer Wärmealterung, bei der die Legierung des Kolbenwerkstoffs an Festigkeit und Formsteifigkeit verliert. Um die thermischen Belastungen des Kolbens zu minimieren, werden Kolben eingesetzt, in denen ein ringförmiger Kühlkanal integriert ist, in dem als Kühlmittel eine Teilmenge von dem Schmieröl der Brennkraftmaschine über eine Einspritzdüse eingespritzt wird, den Kühlkanal durchströmt und dann austritt. Die DE 197 50 021 A1 offenbart einen Kühlkanalkolben, der im Bereich des Ringfeldes radial versetzt zu einer Mantelfläche einen ringförmigen Kühlkanal einschließt. Das durch den Kühlkanal strömende Kühlmittel bewirkt eine Wärmeabfuhr, wobei die Wirksamkeit dieser Flüssigkeitskühlung wesentlich von dem Volumendurchsatz des Kühlmediums durch den Kühlkanal bestimmt wird. Mit zunehmender spezifischer Leistung der Brennkraftmaschine ist es erforderlich, bekannte Konzepte von flüssigkeitsgekühlten Kolben zu optimieren. Zusätzlich zu einem ringförmigen Kühlkanal ist es daher erforderlich, weitere Bereiche des Kolbens gezielt mit Kühlmittel zu beaufschlagen. Zur Realisierung dieser Maßnahme zeigt die DE 41 18 400 A1 einen gebauten Kolben, der vom Kühlkanal ausgehend, in Richtung des Kolbenbodens verlaufende Kühlschlitze mit zueinander parallel verlaufenden Wandungen einschließt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Kühlwirkung des Kolbenoberteils eines einteiligen und eines zweiteiligen Kolbens in thermisch hochbelasteten Zonen durch eine kostengünstige Maßnahme zu optimieren und dementsprechend einen Kolben und Verfahren zur Herstellung solcher Kolben anzugeben.
Ausgehend von dem Stand der Technik stellt die vorliegende Erfindung ein Kolbenoberteil eines einteiligen und eines zweiteiligen Kolbens mit integrierten Ausnehmungen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und 2, sowie Verfahren zur Herstellung der Ausnehmungen gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 12, 13 und 14 bereit.
Der zweiteilige Kolben ist als ein flüssigkeitsgekühlter Kolben, bestehend aus einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde aufweisenden Kolbenoberteil, ausgeführt. Diese Kolbenbauteile sind über radial zueinander beabstandete, eine Trennungsebene bildende Fügestege abgestützt und vorzugsweise stoffschlüssig, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, oder vorzugsweise reibschlüssig, bevorzugt mittels einer Schraubenverbindung, zusammengefügt. Somit ist der zusammengefügte Kolben aus einem Kolbenoberteil und Kolbenunterteil vorzugsweise zusammengebaut, beispielsweise mittels Schraubenverbindung, oder vorzugsweise zusammengeschweißt, beispielsweise mittels Schweißverbindung. In dem Kolbenoberteil ist ein ringförmiger, sich bis in das Kolbenunterteil erstreckender Kühlkanal eingebracht, der über Verbindungskanäle mit einem inneren Kühlraum in Verbindung steht. Zur Kühlraumvergrößerung schließt das Kolbenoberteil in Richtung eines Kolbenbodens ausgerichtete, als Sackloch ausgeführte, mit dem Kühlkanal verbundene Ausnehmungen ein.
Gemäß dem Patentanspruch 2 ist es auch möglich, dass der flüssigkeitsgekühlte Kolben einer Brennkraftmaschine aus einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde aufweisenden Kolbenoberteil besteht, wobei der Kolben als ein einteiliger Kolben ausgeführt ist, der keine Trennungsebene aufweist.
Zur Lösung der Problemstellung ist gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 und Anspruch 2 vorgesehen, die zumindest eine von dem Kühlkanal ausgehende, umlaufend eingebrachte Ausnehmung in dem Kolbenoberteil so auszubilden, dass deren Wandungen sich konisch ansteigend aufweiten. Aufgrund der sich einstellenden Spreizung der Wandungen stellt sich ein maximaler Querschnitt in dem Bereich größter Tiefe der Ausnehmung ein. Vorteilhaft vergrößert die Erfindung unter Einhaltung definierter Wandstärken gegenüber bisher bekannten Lösungen den von dem Kühlmittel durchströmten, in der Tiefe erweiterten Kühlraum und optimiert somit die Kühlung des Kolbenoberteils. Eine bevorzugte konstruktive Formgebung der erfindungsgemäßen Ausnehmung folgt beabstandet einer zentrischen Kontur der wannenförmig in dem Kolbenboden eingebrachten Brennraummulde. Verbunden mit einem großvolumigen, die Kühlmittelaufnahme vergrößernden Hohlraum der Ausnehmung kann die Shakerwirkung verbessert und folglich die Kühlwirkung gesteigert werden. Die Größe und die Erstreckung der erfindungsgemäßen, eine Erweiterung des Kühlkanals bildende Ausnehmung ist vorteilhaft nicht durch konstruktiv bedingte Vorgaben, beispielsweise die Lage und Anordnung der Trennungsebene zwischen dem Kolbenunterteil und dem Kolbenoberteil oder dem Kühlkanal begrenzt, sondern kann sich beispielsweise gezielt in Richtung der Brennraummulde erweitern. Die erfindungsgemäß gestalteten Ausnehmungen sind bevorzugt für Kolbenoberteile mit einem relativ kleinen Brennraummulden- Durchmesser bestimmt, um die sich einstellenden großen Wandstärken und Materialanhäufungen in dem Kolbenboden optimal zu kühlen. Damit kann eine Verkokung bis zu einem Abbrand sowie eine Festigkeitsminderung des Werkstoffs vermieden werden. Vorteilhaft können in Verbindung mit den Maßnahmen zur Optimierung der Kühlung des Kolbenoberteils die Abgasforderungen (Tier 3 und IMO) für gebaute Kolben mit einem kleinen Brennraummulden-Durchmesser erreicht werden. Vorteilhaft bietet es sich an, das erfindungsgemäß gestaltete Kolbenoberteil mit vorhandenen erprobten Kolbenunterteilen zu kombinieren. Bei einem als einteilig ausgeführten flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine ist die Art des Kolbenunterteils und des Kolbenoberteils ebenso, wie vorhergehend beschrieben, passend gestaltet.
Gemäß der Erfindung wird die Größe und die Erstreckung der Ausnehmung nicht durch den äußeren Durchmesser der Fügestege beziehungsweise der Abstützflächen im Bereich der Trennungsebene zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil begrenzt. Vielmehr ermöglicht die erfindungsgemäße Maßnahme die zur Kühlung bestimmte erfindungsgemäße Ausnehmung bis in thermisch hochbelasteten Zone auszudehnen. Das Querschnittsprofil in dem Ausnehmungsgrund übertrifft aufgrund der konischen Aufweitung folglich das Querschnittsprofil im Bereich eines Übergangs der Ausnehmung zu dem Kühlkanal. Bevorzugt schließt der Kolbenboden mehrere umfangsverteilt positionierte, mit dem Kühlkanal in Verbindung stehende Ausnehmungen ein. Diese als Sackloch ausgeführten, den Kühlraum gezielt vergrößernden Ausnehmungen bewirken eine verbesserte, effiziente Kühlung des Kolbenoberteils. Dabei führen die Ausnehmungen zumindest lokal zu reduzierten Wandstärken des Kolbenoberteils, wie gegenüber der Brennraummulde, dem Ringfeld, dem Feuersteg sowie dem Kolbenboden. Bedingt durch abgestimmte Wandstärken zwischen den erfindungsgemäß ausgeführten Ausnehmungen und den benachbarten thermisch stark beanspruchten Zonen wird ein strukturfestes, höchsten Anforderungen standhaltendes Kolbenoberteil realisiert.
Die erfindungsgemäße Maßnahme reduziert die Bauteiltemperatur auf ein Niveau unterhalb von dem Flammpunkt üblicher Kühlöle, wodurch sich gleichzeitig die Gefahr einer Verkokung für das bevorzugt als Kühlmittel eingesetzte Schmieröl der Brennkraftmaschine verringert. Außerdem besteht keine Gefahr, dass sich eine isolierende, die Kühlwirkung herabsetzende Ölkohleschicht bildet, sowie eine nachteilige thermische Kolben-Deformation aufgrund einer abgesenkten Festigkeit des Kolbenwerkstoffs einstellt. Durch die entscheidend verbesserte Wärmeabfuhr und damit Kühlwirkung der erfindungsgemäßen Ausnehmung ist das Kolbenoberteil und folglich der gesamte Kolben für höhere Verbrennungstemperaturen und Verbrennungsdrücke, d.h. in Brennkraftmaschinen mit hoher Leistungsdichte einsetzbar. Außerdem verringern die großvolumig gestalteten, kostengünstig herstellbaren Ausnehmungen insbesondere bei kleinen Brennraummulden- Durchmessern vorteilhaft das Gewicht des Kolbenoberteils.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäß sich über die Längserstreckung konisch aufweitenden Äusnehmungen sieht vor, dass diese im Kolbenoberteil umfangsverteilt insbesondere als Schlitze, Bohrungen oder Kanäle gestaltet sind. Dabei sind zwischen den Ausnehmungen und dem Kühlkanal von dem Material des Kolbenoberteils gebildete Stege vorgesehen. Alternativ zu den Stegen können auch Wandungen oder Stützrippen verwendet werden, wobei sich die Wandungen oder Stützrippen durch ihre jeweilige Form von den Stegen unterscheiden. Zur Erzielung einer hohen Strukturfestigkeit des Kolbenoberteils bietet es sich an, die konisch aufgeweiteten Ausnehm ungen als tortenförmige Kühlraumkammern mit einer Wabenstruktur auszubilden, die gleichzeitig die Kühleigenschaften positiv beeinflusst und die zu einer Vergrößerung der Kühloberfläche führt. Zusätzlich wird dadurch auch der Kühlraum räumlich erweitert. Einer weiteren konstruktiven Auslegung gemäß werden die erfindungsgemäß gestalteten, benachbarten Ausnehmungen entgegengesetzt wechselweise in übereinstimmenden oder voneinander abweichenden geometrischen Größen und/oder Neigungen zueinander in dem Kolbenoberteil eingebracht. Diese Maßnahme ermöglicht eine gezielte Erstreckung der Ausnehmungen bis in thermisch hoch belastete Zonen, ohne die Gefahr einer Bauteilschwächung.
Gemäß einer bevorzugten Auslegung sind zur Erzielung weitestgehend übereinstimmender Wandstärken gegenüber den thermisch stark belasteten Zonen die Wandungen der Ausnehmung in einem Neigungswinkel„a, ß" zwischen 0° bis 40°, vorzugsweise von < 15° zu einer Kolbenlängsachse geneigt ausgerichtet. Dem konstruktiven Aufbau des Kolbenbodens angepasst, bietet es sich weiterhin an, die Neigungswinkel von gegenüberliegenden Wandungen, insbesondere einer inneren Wandung und einer äußeren Wandung, übereinstimmend oder voneinander abweichend auszulegen.
Zur kostenoptimierten Fertigung und Vermeidung einer Bauteilschwächung ist vorgesehen, die sich konisch spreizenden Ausnehmungen jeweils mit einem gerundeten, die Strukturfestigkeit positiv beeinflussenden Ausnehmungsgrund zu versehen. Für die gerundete Kontur ist bevorzugt ein Radius„R" zwischen 1 ,5 mm und D/2 (D = maximaler Durchmesser des verwendeten Werkzeugs für das spanabhebende Verfahren, beispielsweise eines Fräswerkzeugs, für die gerundete Kontur) vorgesehen. Alternativ dazu bietet es sich an, den Ausnehmungsgrund mit einer doppelt gerundeten, ein kuppelartiges Muldengewölbe bildenden Kontur zu versehen. Weiterhin kann zur Anpassung an den konstruktiven Aufbau des Kolbenbodens der doppelt gerundete Ausnehmungsgrund gestuft gestaltet werden. Der Ausnehmungsgrund kann dabei als stark wellenförmige Oberfläche, wodurch eine vergrößerte Oberfläche erzeugt wird, oder als eine fein wellenförmige Oberfläche ausgeführt werden. Durch zusätzliche spanabhebende Fertigungsschritte, beispielsweise Frässchnitte, wird der gestufte Übergang zwischen den Wölbungen verringert, wodurch die Oberfläche der Wölbungen qualitativ durch eine geringere Welligkeit auf der Oberfläche verbessert wird und wodurch die Größe der Oberfläche verringert wird. Somit ist es möglich, durch eine größere Anzahl der Schnitte eine feinwellige Oberfläche zu erzeugen. Alternativ zu einer gerundeten Endkontur schließt die Erfindung einen abgeschrägt ausgebildeten Ausnehmungsgrund ein. Durch die Ausnehmungen in dem Kühlkanal kommt es zusätzlich auch zu einer verstärkten Verwirbelung des Kühlmittels in dem Kühlkanal. Durch eine Anpassung der Oberfläche des Ausnehmungsgrundes und eine Verkleinerung des Durchmessers des Ausnehmungsgrundes ist es möglich, die Emissionen bei dem Betrieb des Kolbens zu verringern bzw. zu optimieren. Auch können durch die Anpassung des gestuften Übergangs die Emissionen beim Betrieb verringert werden. Durch die Variation der Tiefe der Ausnehmung, von dem Kolbenunterteil in Richtung Kolbenoberteil gesehen, kann eine Anpassung des Kühlraums an die Form der Mulde der Brennraummulde erfolgen. Bei einem einteiligen Kolben ist die Anpassung und Ausgestaltung des Ausnehmungsgrundes mittels der Form des Gießformkörpers möglich, dessen Form in bestimmten Bereichen die Negativ-Form der Form des Ausnehmungsgrundes ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die bevorzugt als Kanäle, Bohrungen oder Schlitze ausgebildeten Ausnehmungen umfangsseitig symmetrisch oder unsymmetrisch in dem Kolbenoberteil anzuordnen. Die Lage, Ausrichtung und Größe der Ausnehmung kann dabei den unterschiedlichen thermischen Belastungen angepasst werden. Beispielsweise bietet es sich an, das Kühlraum- bzw. Querschnittsvolumen der Ausnehmung auf der Druckseite (DS) gegenüber dem entsprechenden Querschnittsvolumen auf der Gegendrucksseite (GDS) des Kolbenoberteils voneinander abweichend auszulegen. Die Lage und Auslegung der Ausnehmung erfolgt so, dass eine Schwächung der Festigkeit des Kolbenoberteils vermieden wird.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 12 sind zur Herstellung der Ausnehmungen folgende Schritte vorgesehen. Zunächst wird ein der Form der Ausnehmungen entsprechender Gießformkörper, vorzugsweise ein Salzkern, in die für das Kolbenoberteil bestimmte Gießform lagefixiert. Nach erfolgtem Guss und Erkalten des Kolbenoberteils wird der Gießformkörper durch Ausspülen entfernt.
Gemäß einem weiteren alternativen erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 13 sind zur Herstellung der Ausnehmungen folgende Schritte bei einem einteiligen Kolben vorgesehen. Zunächst wird ein der Form der Ausnehmungen entsprechender Gießformkörper, vorzugsweise ein Salzkern, in die für den einteiligen Kolben, der ein Kolbenoberteil und ein Kolbenunterteil aufweist, bestimmte Gießform lagefixiert. Nach erfolgtem Guss und Erkalten des einteiligen Kolbens wird der Gießformkörper durch Ausspülen entfernt.
Ein weiteres alternatives Verfahren zur Herstellung der Ausnehmungen sieht eine mechanische, dreidimensionale zerspannende Bearbeitung vor. Dazu eignet sich bevorzugt eine Dreh- und Fräsbearbeitung, mit der Hohlräume zur Darstellung von Ausnehmungen in dem Kolbenoberteil eingebracht werden. Außerdem bietet es sich an, die Ausnehmungen mittels einer Fräsung oder mit Bohrwerkzeugen darzustellen.
Ein beispielhaft ausgestaltetes Kolbenoberteil gemäß der Erfindung, auf den diese jedoch nicht beschränkt ist, ist im Folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
Es zeigen: Figur 1 : ein Kolbenoberteil in einem Längsschnitt mit einer erfindungsgemäß gestalteten Ausnehmung,
Figur 2: ein Detail des Kolbenoberteils gemäß Figur 1 in einem vergrößerten
Maßstab,
Figur 3: die Draufsicht auf ein Kolbenoberteil mit mehreren schlitzförmigen
Ausnehmungen,
Figur 4: eine räumliche Darstellung von Kühlschlitzen in einem Kolbenoberteil und
Figur 5: eine räumliche Darstellung eines Kolbenoberteils mit erweiterten
Kühlschlitzen.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Kolbenoberteil 1 , bei dem es sich beispielsweise um ein aus einer Stahllegierung mittels eines Schmiedeverfahrens hergestelltes Bauteil handelt. Alternativ kann das Kolbenoberteil 1 auch aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Eisenlegierung hergestellt werden. Alternativ kann das Kolbenoberteil 1 auch mittels eines beliebigen anderen Umformverfahrens oder Urformverfahrens hergestellt werden. Das Kolbenoberteil 1 bildet gemeinsam mit einem in Figur 1 nicht abgebildeten Kolbenunterteil einen beispielsweise reibschlüssig gebauten oder stoffschlüssig geschweißten zweiteiligen Kolben, der flüssigkeitsgekühlt ist. Über zwei radial zueinander versetzte, umlaufende Fügestege 2, 3 ist das Kolbenoberteil 1 an korrespondierenden Fügestegen des Kolbenunterteils abgestützt. Alle Fügestege bilden gemeinsam eine Trennungsebene 4, über die das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil 1 mittels einer reibschlüssigen Verbindung, bevorzugt mittels einer Schraubenverbindung, oder mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, dauerfest miteinander verbunden sind. Zum anderen ist das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil 1 mittels der Trennungsebene 4 formschlüssig aufeinander aufliegend. Konzentrisch zu einer Kolbenlängsachse 5 ist in einem Kolbenboden 6 des Kolbenoberteils 1 eine Brennraummulde 7 eingebracht, die außenseitig von einem gestuften Muldenrand 8 begrenzt ist. Das Kolbenoberteil 1 wird von einem sich an den Kolbenboden 6 anschließenden Feuersteg 9 umschlossen, an den sich ein zur Aufnahme von Kolbenringen bestimmtes Ringfeld
10 anschließt. Zur Kühlung des Kolbenoberteils 1 ist im Bereich der Trennungsebene 4 ein ringförmiger Kühlkanal 11 vorgesehen, der sich bis in das Kolbenunterteil erstreckt und durch den im Betriebszustand der Brennkraftmaschine Kühlmittel, insbesondere Schmieröl der Brennkraftmaschine, zirkuliert. Dazu tritt das Kühlmedium über einen Einlass in den Kühlkanal 11 ein und verlässt den Kühlkanal
11 über mehrere Verbindungskanäle 15, auch bekannt unter dem Namen Übertrittsbohrungen, über einen Auslass. Der Kühlmittelzulauf kann alternativ auch über die Kolbenmitte, das heißt den innen Kühlraum 16, erfolgen. Dabei wird das Kühlmittel über die Verbindungskanäle 15 in den Kühlkanal 11 geleitet und fließt anschließend aus dem Kühlkanal 11 über Ablaufbohrungen ab. Der Kühlkanal 11 steht mit mehreren umfangsverteilt eingebrachten, in Richtung des Kolbenbodens 6 ausgerichteten Ausnehmungen 12 in Verbindung. Diese umfangsverteilt angeordneten, sacklochartig eingebrachten Ausnehmungen 12 sind als Kanäle, Bohrungen und/oder Schlitze ausgebildet und vergrößern den von dem Kühlmittel beaufschlagten Kühlraum im Kolbenoberteil 1. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Steifigkeit des Kolbenbodens 1 sind in einem Übergangsbereich zwischen dem Kühlkanal 11 und den Ausnehmungen 12 Stege 13 vorgesehen. Von dem Kühlkanal 11 ausgehend erweitern sich die Ausnehmungen 12 konisch bis zu einem Maximum an einem Ausnehmungsgrund 14. Über umfangsseitig positionierte Verbindungskanäle 15 sind die Ausnehmungen 12 mit einem zentralen, unterhalb der Brennraummulde 7 positionierten inneren Kühlraum 16 verbunden. Figur 2 verdeutlicht die geometrische Gestaltung der Ausnehmung 12 in einer vergrößerten Abbildung. Die umfangsverteilt in dem Kolbenoberteil 1 eingebrachten Ausnehmungen 12 können alternativ auch als begrenzt umlaufende Hohlräume gestaltet werden. Bevorzugt wird die Ausnehmung 12 gemäß dem Ausführungsbeispiel nachträglich bei der Herstellung mittels des Schmiedeverfahrens mittels einer mechanischen dreidimensionalen zerspannenden Bearbeitung im Kolbenoberteil 1 eingebracht. Alternativ dazu bietet es sich bei einem mittels eines Gießverfahrens hergestellten Kolbenoberteil 1 an, die Ausnehmung 12 mittels eines Gießformkörpers in das Kolbenoberteil 1 einzuformen . Zur Darstellung weitestgehend übereinstimmender Wandstärken zu den Außenkonturen des Kolbenoberteils 1 , beispielsweise gegenüber dem Kolbenboden 6, dem Feuersteg 9 sowie dem Muldenrand 8 der Brennraummulde 7, bildet die Ausnehmung 12 einen gestuften Ausnehmungsgrund 14. Der domartig, ein Muldengewölbe bildende Ausnehmungsgrund. 14 schließt eine doppelt gerundete, den Radius „R" einschließende Kontur ein. Durch die Anzahl der Schnitte kann die Tiefe des zwischen den Radien„R" befindliche Ausnehmungsgrund 14 in der Ausnehmung 12 eingestellt werden. Insbesondere zur Anpassung an den konstruktiven Aufbau des Kolbenoberteils 1 sowie nahezu übereinstimmender Wandstärken gegenüber den thermisch stark belasteten Zonen sind die zur Kolbenlängsachse 5 in radialer Richtung näher liegende innere Wandung 17 und die zur Kolbenlängsachse 5 in radialer Richtung weiter weg liegende äußere Wandung18 der Ausnehmung 12 zu der Kolbenlängsachse 5 jeweils geneigt. Der Neigungswinkel α der inneren Wandung 17 und der Neigungswinkel ß der äußeren Wandung 18, wobei die innere Wandung 17 und die äußer Wandung 18 entgegengesetzt zueinander geneigt sind, können dabei gleich oder voneinander abweichend ausgelegt sein.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbenoberteils 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen und neue Bauteile sind mit neuen Bezugsziffern benannt. Figur 3 zeigt die Draufsicht auf das Kolbenoberteil 1 eines zweiteiligen Kolbens in Richtung der beiden Fügestege 2, 3. Das Kolbenoberteil 1 weist mehrere mit einem bestimmten Radius um die Kolbenlängsachse 5 tangential angeordnete schlitzförmige Ausnehmungen 19, im Beispiel fünf schlitzförmige Ausnehmungen 19, gemäß Figur 3 auf. Bekannt ist der tangentiale Umlauf um die Kolbenlängsachse 5 auch unter dem Begriff des radialen Umlaufs um die Kolbenlängsachse 5. Alternativ ist es möglich, dass das Kolbenoberteil 1 mehr als fünf oder weniger als fünf schlitzförmige Ausnehmungen 19 aufweist.
In Figur 3 ist zur Verdeutlichung zusätzlich der innere Kühlraum 16 mit dargestellt, um den die fünf schlitzförmigen Ausnehmungen 19 umfangsverteilt angeordnet sind. Dabei sind die schlitzförmigen Ausnehmungen 19 nicht miteinander verbunden, so dass jeweils ein Abstand in Form von Stegen 20 zwischen den jeweiligen schlitzförmigen Ausnehmungen 19 existiert.
In Figur 4 sind zwei Kühlschlitze 21 , 22 mit Wellenkühlung in einem Kolbenoberteil 1 eines zweiteiligen Kolbens dargestellt, wobei die beiden Kühlschlitze 21 , 22 der dargestellten Ausnehmung 12 zugeordnet sind. Es ist dabei möglich den Muldendurchmesser des jeweiligen Kühlschlitzes 21 , 22 noch zu verkleinern oder eine Stufenmulde einzubringen. Durch die Wellenkühlung wird zum einen eine Vergrößerung der Kühloberfläche und eine Verwirbelung erreicht. In Figur 4 ist zusätzlich zur Verdeutlichung auch der innere Kühlraum 16 mit dargestellt.
In Figur 5 sind zwei erweitere Kühlschlitze 21 , 22 mit geglätteter Oberfläche dargestellt, wobei die beiden Kühlschlitze 21 , 22 der dargestellten Ausnehmung 12 zugeordnet sind. Es ist dabei möglich, den Muldendurchmesser noch zu verkleinern oder die Stufenmulde zu bearbeiten, die zu einer Verringerung von Emissionen verwendet werden. Durch die Variation der Schlitztiefe der jeweiligen Kühlschlitze 21 , 22 der Ausnehmung 12 ist es möglich, dass eine Anpassung des Kühlraums an die Muldenform der Brennraummulde 7 erfolgt. Der Grad der Glättung wird durch die Anzahl der Schlitze zwischen Kühlschlitz 21 und Kühlschlitz 22 erreicht. In Figur 5 ist zusätzlich zur Verdeutlichung auch der innere Kühlraum 16 mit dargestellt.
Bezugszeichenliste
1 Kolbenoberteil
2 Fügesteg
3 Fügesteg
4 Trennungsebene
5 Kolbenlängsachse
6 Kolbenboden
7 Brennraummulde
8 Muldenrand
9 Feuersteg
10 Ringfeld
11 Kühlkanal
12 Ausnehmung
13 Steg
14 Ausnehmungsgrund
15 Verbindungskanal
16 Innerer Kühlraum
17 Innere Wandung
18 Äußere Wandung
19 schlitzförmige Ausnehmung
20 Steg
21 Kühlschlitz
22 Kühlschlitz

Claims

Patentansprüche
1. Kolben einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein flüssigkeitsgekühlter Kolben, bestehend aus einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde (7) aufweisenden Kolbenoberteil (1), die über radial zueinander beabstandete, eine Trennungsebene (4) bildende Fügestege (2, 3) abgestützt und zusammengefügt sind, wobei in dem Kolbenoberteil (1) ein ringförmiger, sich bis in das Kolbenunterteil erstreckender Kühlkanal (11) eingebracht ist, der über Verbindungskanäle (15) mit einem inneren Kühlraum (16) in Verbindung steht, sowie in Richtung eines Kolbenbodens (6) ausgerichtete, als Sackloch ausgeführte, Kühlräume bildende Ausnehmungen (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) von dem Kühlkanal (11) ausgehend bis zu einem Ausnehmungsgrund (14) der jeweiligen Ausnehmung (12) konisch aufweitend gestaltet sind.
2. Kolben einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein einteiliger flüssigkeitsgekühlter Kolben, mit einem Kolbenunterteil und einem eine Brennraummulde (7) aufweisenden Kolbenoberteil (1), wobei in dem Kolbenoberteil (1) ein ringförmiger Kühlkanal (11) eingebracht ist, der über Verbindungskanäle (15) mit einem inneren Kühlraum (16) in Verbindung steht, sowie in Richtung eines Kolbenbodens (6) ausgerichtete, als Sackloch ausgeführte, Kühlräume bildende Ausnehmungen (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) von dem Kühlkanal (11) ausgehend bis zu einem Ausnehmungsgrund (14) der jeweiligen Ausnehmung (12) konisch aufweitend gestaltet sind.
3. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (1) und das Kolbenunterteil stoffschlüssig, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, oder reibschlüssig, bevorzugt mittels einer Schraubenverbindung, zusammengefügt sind.
4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die umfangsverteilt in dem Kolbenoberteil (1) eingebrachten, konisch ansteigend ausgeführten Ausnehmungen (12) als Bohrungen, Kanäle und / oder Schlitze, ausgebildet sind.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausnehmungen (12) und dem Kühlkanal (11) von einem Material des Kolbenoberteils (1) gebildete Stege (13, 20) vorgesehen sind.
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die umfangsverteilt in dem Kolbenoberteil (1) eingebrachten Ausnehmungen (12) eine Wabenstruktur bilden.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kolbenoberteil (1) benachbart eingebrachte Ausnehmungen (12) wechselweise radial nach innen oder radial nach außen geneigt angeordnet sind.
8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) entgegengesetzt geneigte Wandungen, insbesondere eine innere Wandung (17) und eine äußere Wandung (18), aufweisen, deren übereinstimmender oder voneinander abweichender Neigungswinkel„a, ß" zwischen 0° bis 40° beträgt.
9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) einen gerundet oder abgeschrägt gestalteten Ausnehmungsgrund (14) mit einem Radius „R" zwischen 1 ,5 mm und D/2 aufweisen.
10. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) einen doppelt gerundeten und/oder gestuft gerundeten Ausnehmungsgrund (14) einschließen.
11. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die als Bohrung, Kanal oder Schlitz ausgeführten konisch aufgeweiteten Ausnehmungen (12) umfangsseitig symmetrisch oder unsymmetrisch in dem Kolbenoberteil (1) integriert sind.
12. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenoberteils (1) von einem flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine, das mit einem Kolbenunterteil zusammengefügt wird, wobei das Kolbenoberteil (1) eine Brennraummulde (7) sowie einen Kühlkanal (11) aufweist, der mit in Richtung eines Kolbenbodens (6) ausgerichteten, als Sackloch ausgeführten Ausnehmungen (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Ausnehmungen (12) folgende Schritte vorgesehen sind,
Einlegen eines der Form der Ausnehmung (12) entsprechenden Gießformkörpers, der vor einem Gießprozess in einer für das Kolbenoberteil (1) bestimmten Gießform positioniert ist;
Entfernen des Gießformkörpers nach erfolgtem Guss und Erkalten des Kolbenoberteils (12) durch Ausspülen.
13. Verfahren zur Herstellung von einem einteiligen flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenoberteil (1) und einem Kolbenunterteil, wobei das Kolbenoberteil (1) eine Brennraummulde (7) sowie einen Kühlkanal (11) aufweist, der mit in Richtung eines Kolbenbodens (6) ausgerichteten, als Sackloch ausgeführten Ausnehmungen (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Ausnehmungen (12) folgende Schritte vorgesehen sind,
Einlegen eines der Form der Ausnehmung (12) entsprechenden Gießformkörpers, der vor einem Gießprozess in einer für das Kolbenoberteil (1) des einteiligen Kolbens bestimmten Gießform positioniert ist;
Entfernen des Gießformkörpers nach erfolgtem Guss und Erkalten des Kolbenoberteils (12) des einteiligen Kolbens durch Ausspülen.
14. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenoberteils (1) von einem flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine, das mit einem Kolbenunterteil zusammengefügt wird, wobei das Kolbenoberteil (1) eine Brennraummulde (7) sowie einen Kühlkanal (11) aufweist, der mit in Richtung eines Kolbenbodens (6) ausgerichteten, als Sackloch ausgeführten Ausnehmungen (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Ausnehmungen (12) in dem Kolbenoberteil (1) mittels einer mechanischen, dreidimensionalen zerspanenden Bearbeitung erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (1) vor Einbringung der Ausnehmungen (12) mittels eines Umformverfahrens, vorzugsweise mittels eines Schmiedeverfahrens, hergestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 12, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (1) und das Kolbenunterteil stoffschlüssig, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, oder reibschlüssig, bevorzugt Schraubenverbindung, zusammengefügt wird.
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US13/642,001 US8973548B2 (en) 2010-04-19 2011-02-02 Piston upper part of an assembled or welded piston with extended cooling spaces
EP11703395.1A EP2561205B1 (de) 2010-04-19 2011-02-04 KOLBENOBERTEIL EINES GEBAUTEN ODER GESCHWEIßTEN KOLBENS MIT ERWEITERTEN KÜHLRÄUMEN
KR1020127026972A KR101867631B1 (ko) 2010-04-19 2011-02-04 냉각 공간이 확대된 조립 또는 용접된 피스톤의 피스톤 상부
CN201180014411.0A CN102859165B (zh) 2010-04-19 2011-02-04 组装的或焊接的活塞的具有扩大的冷却室的活塞上部

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140090625A1 (en) * 2011-04-18 2014-04-03 Achates Power, Inc. Piston Thermal Management in an Opposed-Piston Engine
US10221807B2 (en) * 2012-06-27 2019-03-05 Ks Kolbenschmidt Gmbh Particular arrangement of a cooling duct connecting bore of a cooling duct

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011119525A1 (de) * 2011-11-26 2013-05-29 Mahle International Gmbh Kolben für einen Verbrennungsmotor
CN105121823B (zh) * 2013-02-18 2018-01-30 费德罗-莫格尔公司 形状复杂的活塞油道与由铸造金属或粉末金属工艺制成的活塞冠部
CN103925104B (zh) * 2014-05-07 2016-06-08 广西玉柴机器股份有限公司 活塞冷却结构
DE102015004688A1 (de) * 2015-04-10 2016-10-13 Caterpillar Motoren Gmbh & Co. Kg Kolbenkrone mit Injektortasche für Verbrennungsmotoren
DE102015006642A1 (de) * 2015-05-22 2016-11-24 Caterpillar Motoren Gmbh & Co. Kg Kolbenbodenbereitstellende baugruppe
US9797337B2 (en) 2015-07-10 2017-10-24 Mahle International Gmbh Oil-cooled piston for an internal combustion engine
US10294887B2 (en) 2015-11-18 2019-05-21 Tenneco Inc. Piston providing for reduced heat loss using cooling media
EP3452712A1 (de) * 2016-05-04 2019-03-13 KS Kolbenschmidt GmbH Kolben
DE102016225632A1 (de) * 2016-12-20 2018-06-21 Mahle International Gmbh Kolben einer Brennkraftmaschine
US11067033B2 (en) 2017-05-17 2021-07-20 Tenneco Inc. Dual gallery steel piston
US10648425B2 (en) * 2017-08-23 2020-05-12 Tenneco Inc. Piston with broad ovate gallery
CN109519298B (zh) * 2017-09-19 2021-04-23 强莉莉 一种组合式活塞
US20200080587A1 (en) * 2018-09-12 2020-03-12 Pai Industries, Inc. Forged Steel Cross-Head Piston
US11326549B2 (en) * 2020-01-21 2022-05-10 Ford Global Technologies, Llc 218-0266 volcano-shaped inlet of piston oil-cooling gallery
CN114278455B (zh) * 2020-09-27 2023-12-19 马勒汽车技术（中国）有限公司 具有分流式内冷流道的活塞
DE102021203241A1 (de) * 2021-03-30 2022-10-06 Mahle International Gmbh Kolben für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zur Herstellung des Kolbens
DE102021128792B3 (de) 2021-11-05 2022-07-07 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Kolben für einen Hubkolbenmotor, entsprechender Motor und Kraftfahrzeug mit einem solchen

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4118400A1 (de) 1990-06-29 1992-01-02 Kolbenschmidt Ag Gebauter, oelgekuehlter kolben fuer dieselmotoren
DE19603589A1 (de) * 1996-02-01 1997-08-07 Kolbenschmidt Ag Pendelschaftkolben
DE19750021A1 (de) 1997-11-12 1999-05-20 Mahle Gmbh Gekühlter Ringträger
GB2349195A (en) * 1999-04-19 2000-10-25 Seneca Tech Ltd Piston with integral coolant ring gallery
DE10244512A1 (de) * 2002-09-25 2004-04-15 Mahle Gmbh Mehrteiliger gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE411840C (de) * 1924-09-07 1925-04-14 Grimme Vorrichtung zur Rueckuebertragung eines Wertes aus einem in einem Schlitten angeordneten Zaehlwerk in das dieses Werk antreibende Einstellwerk
US2882106A (en) * 1954-06-24 1959-04-14 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Piston for internal combustion engines
US3240193A (en) * 1964-07-30 1966-03-15 Gen Motors Corp Piston and piston cooling means
DE1245640B (de) * 1964-11-25 1967-07-27 Mahle Kg Kolben fuer Brennkraftmaschinen
US3613521A (en) * 1968-11-07 1971-10-19 Komatsu Mfg Co Ltd Piston for internal combustion engine
DE2919638A1 (de) * 1979-05-16 1980-11-20 Schmidt Gmbh Karl Kolben fuer brennkraftmaschinen
US4502422A (en) * 1982-12-27 1985-03-05 General Motors Corporation High output oil cooled floating piston
DE3518721C3 (de) * 1985-05-24 1997-09-04 Man B & W Diesel Ag Ölgekühlter, mehrteiliger Tauchkolben einer Brennkraftmaschine
US5107807A (en) * 1989-09-28 1992-04-28 Nissan Motor Company, Ltd. Piston for internal combustion engine
GB2366607B (en) * 2000-09-06 2004-06-09 Federal Mogul Bradford Ltd Piston for internal combustion engine
EP1515816B1 (de) * 2002-06-25 2005-10-19 Mahle Gmbh Verfahren zur herstellung eines gekühlten ringträgers
DE10244511A1 (de) * 2002-09-25 2004-04-15 Mahle Gmbh Mehrteiliger gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor
DE10244513A1 (de) * 2002-09-25 2004-04-08 Mahle Gmbh Mehrteiliger gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102004057625A1 (de) * 2004-11-30 2006-06-01 Mahle International Gmbh Zweiteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor
DE102005061075A1 (de) * 2005-12-21 2007-06-28 Mahle International Gmbh Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102006024098B4 (de) * 2006-05-23 2009-04-09 Ks Kolbenschmidt Gmbh Kolben mit einer Ringträger-Kühlkanal-Kombination
DE102007013183A1 (de) * 2006-07-07 2008-01-17 Ks Kolbenschmidt Gmbh Kühlkanalkolben für eine Brennkraftmaschine
DE102007018932A1 (de) * 2007-04-21 2008-10-23 Ks Kolbenschmidt Gmbh Belastungsoptimierter Innenraum eines Kolbens
JP4510061B2 (ja) * 2007-09-18 2010-07-21 理研鍛造株式会社 内燃機関用ピストンの製造方法
DE102008056203A1 (de) * 2008-11-06 2010-05-12 Mahle International Gmbh Mehrteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4118400A1 (de) 1990-06-29 1992-01-02 Kolbenschmidt Ag Gebauter, oelgekuehlter kolben fuer dieselmotoren
DE19603589A1 (de) * 1996-02-01 1997-08-07 Kolbenschmidt Ag Pendelschaftkolben
DE19750021A1 (de) 1997-11-12 1999-05-20 Mahle Gmbh Gekühlter Ringträger
GB2349195A (en) * 1999-04-19 2000-10-25 Seneca Tech Ltd Piston with integral coolant ring gallery
DE10244512A1 (de) * 2002-09-25 2004-04-15 Mahle Gmbh Mehrteiliger gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140090625A1 (en) * 2011-04-18 2014-04-03 Achates Power, Inc. Piston Thermal Management in an Opposed-Piston Engine
US9464592B2 (en) * 2011-04-18 2016-10-11 Achates Power, Inc. Piston thermal management in an opposed-piston engine
US10174713B2 (en) 2011-04-18 2019-01-08 Achates Power, Inc. Piston thermal management in an opposed-piston engine
US10221807B2 (en) * 2012-06-27 2019-03-05 Ks Kolbenschmidt Gmbh Particular arrangement of a cooling duct connecting bore of a cooling duct

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