WO2014195288A1 - Kolben einer brennkraftmaschine - Google Patents

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/28—Other pistons with specially-shaped head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F2001/006—Cylinders; Cylinder heads  having a ring at the inside of a liner or cylinder for preventing the deposit of carbon oil particles, e.g. oil scrapers

Definitions

  • the invention relates to a piston of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Pistons of an internal combustion engine can be configured as so-called built-in pistons, which are composed of a piston upper part and of a piston lower part, or as so-called monoblock pistons.
  • DE 35 18 721 C2 and DE 10 2005 013 087 B3 each known pistons are known, which are composed of a piston upper part and a piston lower part, wherein the piston upper part has an axially forward piston crown and a cylindrical outer wall.
  • a so-called combustion chamber depression can be formed in a radially inner region of the piston crown.
  • the cylindrical outer wall has grooves for receiving piston rings.
  • FIG. 1 shows a known from the prior art piston 10 of an internal combustion engine together with a cylinder liner 1 1 associated flame ring 12, wherein the piston 10 in the axial direction forward a piston head 13 which defines a combustion chamber 14 of the respective cylinder sections, and wherein on a cylindrical outer wall 15 of the piston 10 grooves 16 are formed for receiving not shown piston rings.
  • the piston 10 shown in FIG. 1 has a cooling space 17 for cooling the piston 10. 1, an axially forward portion 18 of the piston 10, which extends between the piston head 13 and the axially foremost groove 16 for receiving a piston ring, guided in the flame ring 12 of the cylinder liner 1 1, wherein the distance Z between the piston head 13 and the foremost groove 16 is referred to as Feuersteg Bank.
  • the present invention has the object to provide a novel piston of an internal combustion engine.
  • This object is achieved by a piston according to claim 1.
  • the piston head at the radially outer edge of the piston body is pulled axially reducing the wall thickness.
  • FIG. 2 shows a cross section through a first piston according to the invention together with a flame ring assigned to a cylinder liner;
  • FIG. 4 shows a cross section through a second piston according to the invention together with a flame ring assigned to a cylinder liner; 5 shows a cross section through a third piston according to the invention together with a cylinder ring associated with a flame ring.
  • the present invention relates to a piston of an internal combustion engine, in particular a designed as a diesel engine or gas engine or diesel gas engine engine, such as a marine diesel engine.
  • a piston is also referred to as a plunger.
  • Figs. 2 and 3 show details of a piston 20 according to the invention according to a first embodiment of the invention.
  • the piston 20 may be a piston composed of a piston upper part and a piston lower part or alternatively a so-called monoblock piston.
  • the piston body 21 shown in FIGS. 2 and 3 is the piston top of the built piston 20.
  • the piston 20 includes a cooling space 26 for oil cooling thereof.
  • the piston head 22 is pulled axially rearward on the radially outer edge or on the cylindrical outer wall 24 of the piston body 21 while reducing the wall thickness of the piston body 21, preferably with the formation of a circumferential material recess 30 in the circumferential direction.
  • the wall thickness of the piston body 21 is reduced at the outer edge of the piston head 22, whereby on the one hand the piston 20 can be effectively cooled in this section and on the other hand, a Schadvolumen 31 between the Piston 20 and the flame ring 28 reduced.
  • a local overheating of the piston can be avoided and the efficiency of the internal combustion engine can be increased.
  • the material recess 30 extends from the outer edge or the cylindrical outer wall 24 of the piston body 21 by a first dimension Y in the radial direction inward, further comprising this material recess 30, starting from a not drawn axially rearward section of the axially front piston crown 22 extends rearwardly by a second amount X in the axial direction.
  • These two dimensions X and Y may be identical, but these dimensions X and Y are preferably different from each other.
  • the first dimension Y which extends in the radial direction, at least 2% of the outer diameter of the piston 20 and the piston body 21, preferably, this dimension Y is between 2% and 10% of this outer diameter.
  • the second dimension X which extends in the axial direction, is also preferably at least 2% of the outer diameter of the piston 20 and the piston body 21, preferably, this second dimension X is between 2% and 6% of this outer diameter.
  • the material recess 30 at the outer edge of the piston head 22 is to be distinguished from a combustion bowl, which may be additionally formed on a radially inner portion of the piston head 22.
  • the material recess 30 may be accompanied by different contours of the piston crown 22 at the outer edge thereof.
  • the piston head 22 is contoured curved in the region of the material recess 30, wherein the curvature changes in a turning point 32.
  • the piston head 22 is contoured in the area of the material recess 30, but different radii of curvature are provided.
  • the piston head 22 is contoured in the region of the material recess 30 ramp-like.
  • Fig. 5 is a ramp-like contouring radially inward to form a rounding in the not drawn axially rearward portion of the piston head 22 via.

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Abstract

Kolben (20) für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, mit einem einen definierten Außendurchmesser aufweisenden Kolbenkörper (21), der einen in Axialrichtung vorderen Kolbenboden (22) aufweist, welcher einen Brennraum des Zylinders abschnittsweise definiert, wobei der Kolbenboden (22) am radial äußeren Rand des Kolbenkörpers (21) unter Verringerung der Wandstärke desselben nach axial hinten gezogen ist.

Description

Kolben einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Kolben einer Brennkraftmaschine können als sogenannte gebaute Kolben, die aus einem Kolbenoberteil und aus einem Kolbenunterteil zusammengesetzt sind, bzw. als sogenannte Monoblockkolben ausgeführt sein. Aus der DE 35 18 721 C2 sowie aus der DE 10 2005 013 087 B3 sind jeweils gebaute Kolben bekannt, die aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil zusammengesetzt sind, wobei das Kolbenoberteil einen in Axialrichtung vorderen Kolbenboden und eine zylindrische Außenwand aufweist. Am Kolbenboden kann eine sogenannte Brennraum- mulde in einem radial inneren Bereich des Kolbenbodens ausgebildet sein. Die zylindrische Außenwand weist Nuten zur Aufnahme von Kolbenringen auf. Ein solcher Kolben einer Brennkraftmaschine ist in einer Zylinderlaufbuchse des Zylinders der Brennkraftmaschine geführt, wobei die DE 101 21 852 C2 den grundsätzlichen Aufbau einer solchen Zylinderlaufbuchse zeigt, der ein sogenannter Flamm- ring zugeordnet ist. Ein Abschnitt des Kolbens, der sich zwischen dem Kolbenboden und den Nuten zur Aufnahme der Kolbenringe erstreckt, ist im Bereich des Flammrings der Zylinderlaufbuchse geführt.
Fig. 1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Kolben 10 einer Brenn- kraftmaschine zusammen mit einem einer Zylinderlaufbuchse 1 1 zugeordneten Flammring 12, wobei der Kolben 10 in Axialrichtung vorne einen Kolbenboden 13, welcher einen Brennraum 14 des jeweiligen Zylinders abschnittsweise definiert, und wobei an einer zylindrischen Außenwand 15 des Kolbens 10 Nuten 16 zur Aufnahme nicht gezeigter Kolbenringe ausgebildet sind. Der in Fig. 1 gezeigte Kolben 10 weist einen Kühlraum 17 zur Kühlung des Kolbens 10 auf. Wie Fig. 1 entnommen werden kann, ist ein axial vorderer Abschnitt 18 des Kolbens 10, der sich zwischen dem Kolbenboden 13 und der in Axialrichtung vordersten Nut 16 zur Aufnahme eines Kolbenrings erstreckt, in dem Flammring 12 der Zylinderlaufbuchse 1 1 geführt, wobei der Abstand Z zwischen dem Kolbenboden 13 und der vordersten Nut 16 als Feuersteghöhe bezeichnet wird.
Beim Stand der Technik besteht das Problem, dass sich zwischen dem am
Flammring 12 geführten, vorderen Abschnitt 18 des Kolbens 10 und dem Flamm- ring 12 ein sogenanntes Schadvolumen 19 ausbildet, in welchem sich Kraftstoff sammeln kann, der bei der Verbrennung im Brennraum 14 nicht oder unvollständig verbrannt wird. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine beschränkt.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Kolben einer Brennkraftmaschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch einen Kolben nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist der Kolbenboden am radial äußeren Rand des Kolbenkörpers unter Verringerung der Wandstärke desselben nach axial hinten gezogen.
Durch das nach axial hinten Ziehen des Kolbenbodens am radial äußeren Rand können eine Vielzahl von Vorteilen realisiert werden. So kann das Schadvolumen, welches sich zwischen dem Flammring und dem Kolben ansammeln kann, verringert werden. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert werden. Weiterhin nimmt durch das nach axial hinten Ziehen des Kolbenbodens im Bereich des radial äußeren Rands die Wandstärke des Kolbenkörpers in diesen Bereich ab, so dass der Kolben in diesem Bereich effektiv gekühlt werden kann. Hier können lokale Überhitzungen des Kolbens, die auch als Hotspots bezeichnet werden, vermieden werden. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Kolbenboden am radial äußeren Rand des Kolbenkörpers unter Ausbildung einer in Umfangsrichtung umlaufenden Materialaussparung nach axial hinten gezogen. Dann, wenn der Kolbenboden am radial äußeren Rand unter Ausbildung einer in Umfangsrichtung umlaufenden Materialaussparung nach axial hinten gezogen ist, sind die oben genannten Vorteile besonders ausgeprägt. So kann dann die Wärme vom äußeren Rand des Kolbenbodens effektiv abgeführt und ein Schadvolumen zwischen dem Kolben und dem Flammring besonders effektiv verringert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich die Materialaussparung ausgehend von einem radial äußeren Rand des Kolbenkörpers um ein erstes Maß Y in Radialrichtung nach innen. Ausgehend vom vorderen Kolbenboden des Kolbenkörpers erstreckt sich die Materialaussparung um ein zweites Maß X in Axialrichtung nach hinten. Diese Ausgestaltung der Materialaus- sparung erlaubt eine besonders effektive Kühlung des Kolbens sowie eine besonders effektive Reduzierung des Schadvolumens.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 : einen Querschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten
Kolben zusammen mit einem einer Zylinderlaufbuchse zugeordneten Flammring;
Fig. 2: einen Querschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Kolben zusammen mit einem einer Zylinderlaufbuchse zugeordneten Flammring;
Fig. 3: einen Detail der Fig. 2;
Fig. 4: einen Querschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Kolben zu- sammen mit einem einer Zylinderlaufbuchse zugeordneten Flammring; Fig. 5: einen Querschnitt durch einen dritten erfindungsgemäßen Kolben zusammen mit einem einer Zylinderlaufbuchse zugeordneten Flammring; und
Fig. 6: einen Querschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Kolben zu- sammen mit einem einer Zylinderlaufbuchse zugeordneten Flammring.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer als Dieselmotor oder Gasmotor oder Diesel-Gas-Motor ausgeführten Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel einer Schiffsdieselbrennkraftma- schine. Ein solcher Kolben wird auch als Tauchkolben bezeichnet.
Fig. 2 und 3 zeigen Details eines erfindungsgemäßen Kolbens 20 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dem Kolben 20 kann es sich um einen aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil zusammengesetzten bzw. gebauten Kolben oder alternativ um einen sogenannten Monoblockkolben handeln.
Dann, wenn es sich um einen gebauten Kolben handelt, handelt es sich bei dem in Fig. 2 und 3 gezeigten Kolbenkörper 21 um das Kolbenoberteil des gebauten Kolbens 20.
Der Kolbenkörper 21 des Kolbens 20, bei einem gebauten Kolben das Kolbenoberteil desselben, verfügt in Axialrichtung gesehen vorne über einen Kolbenboden 22, der einen Brennraum 23 eines Zylinders der Brennkraftmaschine ab- schnittsweise begrenzt.
An einer zylindrischen Außenwand 24 des Kolbenkörpers 21 sind Nuten 25 zur Aufnahme nicht gezeigter Kolbenringe ausgeführt. Der Kolben 20 umfasst einen Kühlraum 26 zur Ölkühlung desselben. Der Kolbenkörper 21 des Kolbens 20, bei einem gebauten Kolben das Kolbenoberteil desselben, ist mit einem axial vorderen Abschnitt 27, der sich zwischen dem Kolbenboden 22 und der in Axialrichtung gesehen vordersten Nut 25 zur Auf- nähme eines Kolbenrings erstreckt, in einem Flammring 28 einer Zylinderlaufbuchse 29 geführt.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist der Kolbenboden 22 am radial äußeren Rand bzw. an der zylindrischen Außenwand 24 des Kolbenkörpers 21 unter Verringerung der Wandstärke des Kolbenkörpers 21 nach axial hinten gezogen, vorzugsweise unter Ausbildung einer in Umfangsrichtung umlaufenden Materialaussparung 30.
Hiermit wird, wie einem Vergleich der Fig. 1 und 2 entnommen werden kann, die Wandstärke des Kolbenkörpers 21 am äußeren Rand des Kolbenbodens 22 reduziert, wodurch einerseits der Kolben 20 in diesem Abschnitt effektiv gekühlt werden kann und wodurch sich andererseits ein Schadvolumen 31 zwischen dem Kolben 20 und dem Flammring 28 reduziert. Hiermit kann eine lokale Überhitzung des Kolbens vermieden und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert werden.
Wie in Fig. 3 gezeigt, erstreckt sich die Materialaussparung 30 ausgehend vom äußeren Rand bzw. der zylindrischen Außenwand 24 des Kolbenkörpers 21 um ein erstes Maß Y in Radialrichtung nach innen, wobei sich weiterhin diese Materialaussparung 30 ausgehend von einem nicht nach axial hinten gezogenen Abschnitt des axial vorderen Kolbenbodens 22 um ein zweites Maß X in Axialrichtung nach hinten erstreckt. Diese beiden Maße X und Y können identisch sein, vorzugsweise sind diese Maße X und Y jedoch voneinander verschieden. Vorzugsweise beträgt das erste Maß Y, welches sich in Radialrichtung erstreckt, mindestens 2 % des Außendurchmessers des Kolbens 20 bzw. des Kolbenkörpers 21 , vorzugsweise beträgt dieses Maß Y zwischen 2 % und 10 % dieses Außendurchmessers.
Das zweite Maß X, welches sich in Axialrichtung erstreckt, beträgt ebenfalls vorzugsweise mindestens 2 % des Außendurchmessers des Kolbens 20 bzw. des Kolbenkörpers 21 , vorzugsweise beträgt dieses zweite Maß X zwischen 2 % und 6 % dieses Außendurchmessers.
Die Materialaussparung 30 am äußeren Rand des Kolbenbodens 22 ist von einer Brennraummulde, die zusätzlich an einem radial inneren Abschnitt des Kolbenbodens 22 ausgebildet sein kann, zu unterscheiden.
Vorzugsweise kommt die Erfindung bei Großmotoren zum Einsatz, so zum Beispiel bei Schiffsmotoren, die als Dieselmotor oder Gasmotor oder Diesel-Gas- Motor ausgeführt sein können und deren Kolben 20 einen Außendurchmesser von mindestens 160 mm aufweisen.
Wie Fig. 2 bis 6 entnommen werden kann, kann die Materialaussparung 30 mit unterschiedlichen Konturierungen des Kolbenbodens 22 am äußeren Rand desselben einhergehen. So ist in Fig. 3 der Kolbenboden 22 im Bereich der Materialaussparung 30 gekrümmt konturiert, wobei sich die Krümmung in einem Wendepunkt 32 ändert. Auch in Fig. 6 ist der Kolbenboden 22 im Bereich der Materialausspa- rung 30 gekrümmt konturiert, wobei jedoch unterschiedliche Krümmungsradien vorgesehen sind. In Fig. 4 ist der Kolbenboden 22 im Bereich der Materialaussparung 30 rampenartig konturiert. In Fig. 5 geht eine rampenartige Konturierung radial innen unter Ausbildung einer Abrundung in den nicht nach axial hinten gezogenen Abschnitt des Kolbenbodens 22 über. Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, einen in Axialrichtung vorderen Kolbenboden eines Kolbenkörpers eines Kolbens einer Brennkraftmaschine am radial äußeren Rand unter Ausbildung einer Materialaussparung unter Verringerung der Wandstärke des Kolbenkörpers in diesen Bereich nach axial hin- ten zu ziehen, wodurch der Kolben in diesem Bereich effektiv gekühlt werden kann und wodurch unter Erhöhung des Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine das sogenannte Schadvolumen reduziert werden kann.
Bezugszeichenliste
10 Kolben
1 1 Zylinderlaufbuchse
12 Flammring
13 Kolbenboden
14 Brennraum
15 Außenwand
16 Nut
17 Kühlraum
18 Abschnitt
19 Schadvolumen
20 Kolben
21 Kolbenkörper/Kolbenoberteil
22 Kolbenboden
23 Brennraum
24 Außenwand
25 Nut
26 Kühlraum
27 Abschnitt
28 Flammring
29 Zylinderlaufbuchse
30 Materialaussparung
31 Schadvolumen
32 Wendepunkt

Claims

Ansprüche
1 . Kolben für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, mit einem einen definierten Außendurchmesser aufweisenden Kolbenkörper (21 ), der einen in Axial- richtung vorderen Kolbenboden (22) aufweist, welcher einen Brennraum des Zylinders abschnittsweise definiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (22) am radial äußeren Rand des Kolbenkörpers (21 ) unter Verringerung der Wandstärke desselben nach axial hinten gezogen ist.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (22) am radial äußeren Rand des Kolbenkörpers (21 ) unter Ausbildung einer in Umfangsrichtung umlaufenden Materialaussparung (30) nach axial hinten gezogen ist.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Materialaussparung (30) ausgehend von einem radial äußeren Rand des Kolbenkörpers (21 ) um ein erstes Maß (Y) in Radialrichtung nach innen erstreckt.
4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Maß (Y) mindestens 2% des Außendurchmessers des Kolbenkörpers (21 ), vorzugsweise zwischen 2% und 10% des Außendurchmessers des Kolbenkörpers (21 ), beträgt.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Materialaussparung (30) ausgehend von einem nicht nach axial hinten gezogenen Abschnitt des axial vorderen Kolbenbodens (22) des Kolbenkörpers (21 ) um ein zweites Maß (X) in Axialrichtung nach hinten erstreckt.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Maß (X) mindestens 2% des Außendurchmessers des Kolbenkörpers (21 ), vorzugsweise zwischen 2% und 6% des Außendurchmessers des Kolbenkörpers (21 ), beträgt.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe einen Außendurchmesser von mindestens 160 mm aufweist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass derselben als gebauter Kolben mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil ausgebildet ist, wobei der den Kolbenboden (22) aufweisende Kolbenkörper (21 ) das Kolbenoberteil ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass derselben als Monoblockkolben ausgebildet ist.
10. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (22) in einem radial inneren Abschnitt eine Brennraummulde definiert.
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