WO2015104013A1 - Piston for an internal combustion engine, and method for producing the same - Google Patents

Piston for an internal combustion engine, and method for producing the same Download PDF

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WO2015104013A1
WO2015104013A1 PCT/DE2014/000651 DE2014000651W WO2015104013A1 WO 2015104013 A1 WO2015104013 A1 WO 2015104013A1 DE 2014000651 W DE2014000651 W DE 2014000651W WO 2015104013 A1 WO2015104013 A1 WO 2015104013A1
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WO
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piston
bowl
combustion
wall
depression
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Application number
PCT/DE2014/000651
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Rainer Scharp
Klaus Keller
Daniel Mock
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Mahle International Gmbh
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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 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • 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
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • F02F2003/0061—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping by welding
    • 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
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0076—Pistons  the inside of the pistons being provided with ribs or fins

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine, comprising a piston main body and a piston bowl element, wherein the piston main body has a bottom portion and a part of the well wall of a combustion recess having a dome and a piston skirt, wherein the piston recess element at least a portion of a piston crown and a part of the well wall the combustion bowl, wherein the piston base body and the piston bowl element form a circumferential cooling channel, and wherein the piston body and the piston bowl element in the region of the trough wall of the combustion bowl are non-detachably connected to each other via a laser weld.
  • a generic piston is known, for example, from DE 10 2011 013 113 A1 and is also referred to as "piston with thermally decoupled piston shaft.” Such pistons are characterized by high strength and high heat resistance due to the thermal decoupling of the piston head and piston shaft ,
  • the generic piston has a comparatively low compression height. This has the disadvantage in laser welding that the laser beam must be controlled so that it does not touch the dome of the combustion bowl.
  • the weld is therefore arranged very steeply and in the vicinity of the bottom of the combustion bowl, where the piston base body and the piston bowl element have different material volumes in the region of their joining surfaces. Especially in the case of the piston main body, the material volumes in this area are very different. Therefore, there is a risk that the material of the piston main body and the piston bowl element melts unevenly in the region of the laser weld seam. This leads to stresses in the material structure, which can cause cracking in the piston.
  • the object of the present invention is to develop a generic piston so that the occurrence of stresses in the material structure after laser welding is at least reduced.
  • the average height H of the part of the trough wall is 4% to 12% of the largest diameter of the combustion bowl and that the laser weld includes an angle ⁇ of at least 5 ° with a tangent applied from the laser weld on the dome.
  • the idea according to the invention thus consists in setting the parameters according to the invention of mean height H and angle ⁇ such that, independently of the individual dimensions of the individual piston, the laser weld seam is arranged as close as possible to a region of the depression wall in which its thickness is constant.
  • the essential prerequisite is met that during laser welding, the materials of the piston main body and the piston recess element melt as evenly as possible on both sides of the laser weld, especially over the circumference of the joining surfaces and cool, so that the occurrence of stresses in the laser weld reduces or even is avoided.
  • Another advantage of the idea according to the invention is that the laser weld runs as flat as possible in order to reduce the welding length and the necessary welding energy. At the same time, it is advantageous to arrange the laser weld in as large a distance as possible from the highly loaded bowl edge region.
  • the angle ⁇ can be up to 20 ° in order to effect a sufficient distance of the laser beam from the dome of the combustion bowl.
  • the largest diameter D of the combustion bowl can be for example 100 mm.
  • the height H of the part of the trough wall on the piston main body is 4mm to 12mm.
  • the laser weld is located exactly in the region of the well wall in which its thickness is constant. In this case, the material of both the piston base body and the piston bowl element during laser welding is always uniformly melted on both sides of the laser weld seam.
  • the piston according to the invention may have a cooling channel which is open at the bottom and closed by a closure element.
  • the piston bowl element in addition to the part of the bowl wall, encompasses the entire piston crown, the circumferential top land and the circumferential ring part.
  • closure element is integrally formed on the piston body. Thus, no separate closure element must be made and mounted on the piston.
  • the integrally formed with the piston body body closure element is preferably designed as a circumferential, extending to the piston bowl element flange which bears in a particularly expediently tension-free in an undercut formed on the piston bowl element.
  • the piston according to the invention can also have a closed cooling channel.
  • a piston depression element which, in addition to the part of the depression wall, merely comprises a part of the piston crown, is sufficient.
  • the present invention is particularly suitable for pistons whose compression height is at most 55% of the piston diameter.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a piston according to the invention in section, wherein the right half opposite the left half is shown rotated by 90 °;
  • Figure 2 shows another embodiment of a piston according to the invention in
  • FIG. 3 is an enlarged view of the piston bowl element and the laser weld seam of the piston according to FIG. 2;
  • Figure 4 is a sectional view of the piston along the line IV - IV according to FIG.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a piston 10 according to the invention.
  • the piston 10 has a piston main body 11 and a piston depression element 12. Both components can be made of any metallic material that is suitable for joining the components by laser welding.
  • the piston main body 11 and the piston recess element 12 together form the piston head 13 of the piston 10.
  • the piston base body 11 further forms the piston skirt 14 of the piston 10, which is provided in known manner with piston hubs 15 and hub bores 16 for receiving a piston pin (not shown) and with running surfaces 17.
  • the piston head 13 is further provided with a combustion recess 18.
  • the piston body 11 forms a dome 21 having bottom 19 of the combustion bowl 18.
  • the piston body 11 also forms a part 23 of the trough wall 22 of the combustion bowl 18.
  • the piston recess member 12 forms the remaining part 24 of the trough wall 22 and a part of the piston crown 25.
  • the circumferential top land 26 and the annular grooves provided with annular ring portion 27 of the piston 10 are also formed by the piston body 11.
  • the piston main body 11 and the piston recess element 12 form a circulating at the height of the ring portion 27 cooling channel 28th
  • the piston main body 11 and the piston recess element 12 are connected to one another by laser welding. As a result, 25 laser welds 31, 32 are formed in the trough wall 22 and in the piston crown.
  • the height H of the part 23 of the trough wall 22 formed by the piston main body 11 is 4% to 12% of the largest diameter D of the combustion trough 18.
  • the height H is defined as the distance between one from the lowest point of the combustion trough 18 to the lowest point of the cooling duct 28 extending base line and a point which is arranged centrally on the laser weld 31 (see also Figure 3).
  • the laser weld 31 includes an angle ⁇ of at least 5 ° with a tangent T applied from the laser weld 31 on the dome 21.
  • FIGS. 2 and 3 show a further exemplary embodiment of a piston 110 according to the invention.
  • the piston 110 has a piston main body 111 and a piston depression element 112. Both components can be made of any metallic material that is suitable for laser welding of the components.
  • the piston main body 111 and the piston ring element 112 together form the piston head 113 of the piston 110.
  • the piston main body 111 further forms the piston skirt 114 of the piston 110, which is provided in known manner with piston hubs 115 and hub bores 116 for receiving a piston pin (not shown) and with running surfaces 117.
  • the piston head 113 is further provided with a combustion bowl 118.
  • the piston base body 111 forms the dome 121 having bottom 119 of the combustion bowl 118.
  • the piston body 111 also forms a part 123 of Tray wall 122 of the combustion bowl 118.
  • the piston bowl member 112 forms the remaining portion 124 of the well wall 122 and the piston head 125, the peripheral land 126 and the annular groove provided with annular ring portion 127 of the piston 110th
  • the piston main body 111 and the piston recess element 112 form a downwardly open cooling channel 128, which is closed by a closure element 133.
  • the closure element 133 is embodied as a circumferential, integrally formed on the piston main body 111 and extending to the piston recess element 112.
  • the closure element 133 lies stress-free in an undercut 134 formed on the piston depression element 112 (see in particular FIG. 3).
  • the piston skirt 114 is separated from the ring section 127 by a circumferential annular recess 135. Thus, the piston skirt 114 is thermally decoupled from the piston head 113.
  • the piston main body 111 and the piston bowl element 112 are connected to each other by laser welding. As a result, a laser weld seam 131 is formed in the trough wall 122.
  • the height H of the portion 123 of the well wall 122 formed by the piston body 111 is 4% to 12% of the largest diameter D of the combustion bowl 118.
  • the height H is defined as the distance between a lowest point of the combustion bowl 118 and the lowest point of the cooling passage 128 extending base line and a point which is arranged centrally on the laser weld 131 (see Figure 3).
  • the laser weld seam 131 includes an angle ⁇ of at least 5 ° with a tangent T applied from the laser weld seam 131 on the dome 121.
  • heat affected zones 136, 137 are indicated by dashed lines, in which the material of the piston base body 11, 111 and the piston recess element 12, 112 completely or partially melts with the laser welding.
  • the laser weld seam 31, 131 is arranged in a region of the trough wall 22, 122 in which its thickness, in particular also over the circumference of the joining surfaces of the piston main body and the piston trough element, is substantially constant.
  • the essential prerequisite is met that melt during laser welding, the materials of the piston body 11, 111 and the Kolbenmuldenelements 12, 112 on both sides of the laser weld 31, 131 as uniformly as possible and cool, so that the occurrence of stresses in the laser weld 31st 131 is reduced or even avoided.
  • the piston 110 has support ribs 138 in the cooling channel 128 in order to increase its stability.
  • the support ribs 138 are arranged in the direction of the piston crown 125 and extend into the cooling channel 128.
  • the height h of the support ribs 138 is a maximum of half the total height of the cooling channel 128, so that ensures an unobstructed flow of cooling oil remains. By this construction shaker spaces are formed for the cooling oil, which increase the cooling effect.
  • the supporting ribs 138 are, as shown in Figure 4, radially symmetrical ß at an angle with respect to the piston main axes K H, of 45 ° over the circumference of the cooling channel 128 are arranged distributed and can be prepared by mechanical processing, such as machining, or by forging produced become.

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Abstract

The present invention relates to a piston (10, 110) for an internal combustion engine, having a piston main body (11, 111) and having a piston depression element (12, 112), wherein the piston main body (11, 111) has a base region (19, 119) and has a part (23, 123) of the depression wall (22, 122) of a combustion depression (18, 118) and has a piston skirt (14, 114), said combustion depression having a dome (21, 121), wherein the piston depression element (12, 112) has at least a part of a piston crown (25, 125) and a part (24, 124) of the depression wall (22, 122) of the combustion depression (18, 118), wherein the piston main body (11, 111) and the piston depression element (12, 112) form an encircling cooling duct (28, 128), and wherein the piston main body (11, 111) and the piston depression element (12, 112) are non-detachably connected to one another by way of a laser weld seam (31, 131) in the region of the depression wall (22, 122) of the combustion depression (18, 118). According to the invention, it is provided that, on the piston main body (11, 111), the mean height (H) of the part (23, 123) of the depression wall (22, 122) amounts to 4% to 12% of the greatest diameter (D) of the combustion depression (18, 118), and that the laser weld seam (31, 131) encloses an angle (a) of at least 5° with a tangent (T) applied to the dome (21, 121) proceeding from the laser weld seam (31, 131).

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung  Piston for an internal combustion engine and method for its production
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbengrundkörper und einem Kolbenmuldenelement, wobei der Kolbengrundkörper einen Bodenbereich und einen Teil der Muldenwand einer einen Dom aufweisenden Verbrennungsmulde sowie einen Kolbenschaft aufweist, wobei das Kolbenmuldenelement zumindest einen Teil eines Kolbenbodens und einen Teil der Muldenwand der Verbrennungsmulde aufweist, wobei der Kolbengrundkörper und das Kolbenmuldenelement einen umlaufenden Kühlkanal bilden, und wobei der Kolbengrundkörper und das Kolbenmuldenelement im Bereich der Muldenwand der Verbrennungsmulde über eine Laserschweißnaht unlösbar miteinander verbunden sind. The present invention relates to a piston for an internal combustion engine, comprising a piston main body and a piston bowl element, wherein the piston main body has a bottom portion and a part of the well wall of a combustion recess having a dome and a piston skirt, wherein the piston recess element at least a portion of a piston crown and a part of the well wall the combustion bowl, wherein the piston base body and the piston bowl element form a circumferential cooling channel, and wherein the piston body and the piston bowl element in the region of the trough wall of the combustion bowl are non-detachably connected to each other via a laser weld.
Ein gattungsgemäßer Kolben ist bspw. aus der DE 10 2011 013 113 A1 bekannt und wird auch als„Kolben mit thermisch entkoppeltem Kolbenschaft" bezeichnet. Derartige Kolben zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit und aufgrund der thermischen Entkopplung von Kolbenkopf und Kolbenschaft durch eine hohe Wärmebeständigkeit aus. A generic piston is known, for example, from DE 10 2011 013 113 A1 and is also referred to as "piston with thermally decoupled piston shaft." Such pistons are characterized by high strength and high heat resistance due to the thermal decoupling of the piston head and piston shaft ,
Der gattungsgemäße Kolben weist eine vergleichsweise niedrige Kompressionshöhe auf. Dies hat beim Laserschweißen den Nachteil, dass der Laserstrahl so gesteuert werden muss, dass er den Dom der Verbrennungsmulde nicht berührt. Im gattungsgemäßen Kolben ist die Schweißnaht daher sehr steil und in der Nähe des Bodens der Verbrennungsmulde angeordnet, wo der Kolbengrundkörper und das Kolbenmuldenelement im Bereich ihrer Fügeflächen unterschiedliche Werkstoffvolumina aufweisen. Insbesondere beim Kolbengrundkörper sind die Werkstoffvolumina in diesem Bereich sehr unterschiedlich. Daher besteht die Gefahr, dass der Werkstoff von Kolbengrundkörper und Kolbenmuldenelement im Bereich der Laserschweißnaht ungleichmäßig aufschmilzt. Dies führt zu Spannungen im Werkstoffgefüge, welche Rissbildungen im Kolben verursachen können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass das Auftreten von Spannungen im Werkstoffgefüge nach dem Laserschweißen zumindest reduziert wird. The generic piston has a comparatively low compression height. This has the disadvantage in laser welding that the laser beam must be controlled so that it does not touch the dome of the combustion bowl. In the generic piston, the weld is therefore arranged very steeply and in the vicinity of the bottom of the combustion bowl, where the piston base body and the piston bowl element have different material volumes in the region of their joining surfaces. Especially in the case of the piston main body, the material volumes in this area are very different. Therefore, there is a risk that the material of the piston main body and the piston bowl element melts unevenly in the region of the laser weld seam. This leads to stresses in the material structure, which can cause cracking in the piston. The object of the present invention is to develop a generic piston so that the occurrence of stresses in the material structure after laser welding is at least reduced.
Die Lösung besteht darin, dass am Kolbengrundkörper die mittlere Höhe H des Teils der Muldenwand 4 % bis 12 % des größten Durchmessers der Verbrennungsmulde beträgt und dass die Laserschweißnaht mit einer ausgehend von der Laserschweißnaht am Dom angelegten Tangente einen Winkel α von mindestens 5° einschließt. The solution is that at the piston base body, the average height H of the part of the trough wall is 4% to 12% of the largest diameter of the combustion bowl and that the laser weld includes an angle α of at least 5 ° with a tangent applied from the laser weld on the dome.
Die erfindungsgemäße Idee besteht somit darin, die erfindungsgemäßen Parameter mittlere Höhe H und Winkel α so festzusetzen, dass unabhängig von den individuellen Abmessungen des einzelnen Kolbens die Laserschweißnaht möglichst nahe an einem Bereich der Muldenwand anzuordnen, in dem ihre Dicke konstant ist. Damit ist die wesentliche Voraussetzung dafür erfüllt, dass während des Laserschweißens die Werkstoffe des Kolbengrundkörpers und des Kolbenmuldenelements zu beiden Seiten der Laserschweißnaht, insbesondere über den Umfang der Fügeflächen möglichst gleichmäßig aufschmelzen und abzukühlen, so dass das Auftreten von Spannungen im Bereich der Laserschweißnaht reduziert oder sogar vermieden wird. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Idee besteht darin, dass die Laserschweißnaht möglichst flach verläuft, um die Schweißlänge und die notwendige Schweißenergie zu reduzieren. Zugleich ist es von Vorteil, die Laserschweißnaht in einem möglichst großen Abstand vom hoch belasteten Muldenrandbereich anzuordnen. The idea according to the invention thus consists in setting the parameters according to the invention of mean height H and angle α such that, independently of the individual dimensions of the individual piston, the laser weld seam is arranged as close as possible to a region of the depression wall in which its thickness is constant. Thus, the essential prerequisite is met that during laser welding, the materials of the piston main body and the piston recess element melt as evenly as possible on both sides of the laser weld, especially over the circumference of the joining surfaces and cool, so that the occurrence of stresses in the laser weld reduces or even is avoided. Another advantage of the idea according to the invention is that the laser weld runs as flat as possible in order to reduce the welding length and the necessary welding energy. At the same time, it is advantageous to arrange the laser weld in as large a distance as possible from the highly loaded bowl edge region.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Advantageous developments emerge from the subclaims.
Der Winkel α kann bis zu 20° betragen, um einen ausreichenden Abstand des Laserstrahls vom Dom der Verbrennungsmulde zu bewirken. The angle α can be up to 20 ° in order to effect a sufficient distance of the laser beam from the dome of the combustion bowl.
Der größte Durchmesser D der Verbrennungsmulde kann bspw.100mm betragen. In diesem Fall beträgt die Höhe H des Teils der Muldenwand am Kolbengrundkörper 4mm bis 12mm. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Laserschweißnaht genau in dem Bereich der Muldenwand angeordnet, in dem ihre Dicke konstant ist. In diesem Fall wird der Werkstoff sowohl des Kolbengrundkörpers als auch des Kolbenmuldenelements beim Laserschweißen zu beiden Seiten der Laserschweißnaht immer gleichmäßig aufgeschmolzen. The largest diameter D of the combustion bowl can be for example 100 mm. In this case, the height H of the part of the trough wall on the piston main body is 4mm to 12mm. In a preferred embodiment, the laser weld is located exactly in the region of the well wall in which its thickness is constant. In this case, the material of both the piston base body and the piston bowl element during laser welding is always uniformly melted on both sides of the laser weld seam.
Der erfindungsgemäße Kolben kann einen nach unten offen ausgebildeten und mit einem Verschlusselement verschlossenen Kühlkanal aufweisen. In diesem Fall um- fasst das Kolbenmuldenelement neben dem Teil der Muldenwand den ganzen Kolbenboden, den umlaufenden Feuersteg und die umlaufende Ringpartie. The piston according to the invention may have a cooling channel which is open at the bottom and closed by a closure element. In this case, the piston bowl element, in addition to the part of the bowl wall, encompasses the entire piston crown, the circumferential top land and the circumferential ring part.
Eine bevorzugte Weiterbildung dieses Kolbens besteht darin, dass das Verschlusselement einstückig am Kolbengrundkörper angeformt ist. Damit muss kein separates Verschlusselement hergestellt und am Kolben montiert werden. A preferred development of this piston is that the closure element is integrally formed on the piston body. Thus, no separate closure element must be made and mounted on the piston.
Das mit dem Kolbengrundkörper einstückig ausgebildete Verschlusselement ist vorzugsweise als umlaufender, sich zum Kolbenmuldenelement erstreckender Flansch ausgebildet, der in besonders zweckmäßigerweise in einer am Kolbenmuldenelement ausgebildeten Hinterschneidung spannungsfrei anliegt. The integrally formed with the piston body body closure element is preferably designed as a circumferential, extending to the piston bowl element flange which bears in a particularly expediently tension-free in an undercut formed on the piston bowl element.
Der erfindungsgemäße Kolben kann aber auch einen verschlossen ausgebildeten Kühlkanal aufweisen. In diesem Fall genügt ein Kolbenmuldenelement, das neben dem Teil der Muldenwand lediglich noch einen Teil des Kolbenbodens umfasst. However, the piston according to the invention can also have a closed cooling channel. In this case, a piston depression element which, in addition to the part of the depression wall, merely comprises a part of the piston crown, is sufficient.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Kolben geeignet, deren Kompressionshöhe maximal 55% des Kolbendurchmessers beträgt. The present invention is particularly suitable for pistons whose compression height is at most 55% of the piston diameter.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt, wobei die rechte Hälfte gegenüber der linken Hälfte um 90° gedreht dargestellt ist; An embodiment of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. In a schematic, not to scale representation: Figure 1 shows a first embodiment of a piston according to the invention in section, wherein the right half opposite the left half is shown rotated by 90 °;
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Figure 2 shows another embodiment of a piston according to the invention in
Schnitt, wobei die rechte Hälfte gegenüber der linken Hälfte um 90° gedreht dargestellt ist;  Section, wherein the right half opposite the left half is shown rotated by 90 °;
Figur 3 eine vergrößerte Darstellung des Kolbenmuldenelements und der Laserschweißnaht des Kolbens gemäß Figur 2; FIG. 3 is an enlarged view of the piston bowl element and the laser weld seam of the piston according to FIG. 2;
Figur 4 eine Schnittdarstellung des Kolbens entlang der Linie IV - IV gemäß Figur Figure 4 is a sectional view of the piston along the line IV - IV according to FIG
3.  Third
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbengrundkörper 11 und ein Kolbenmuldenelement 12 auf. Beide Bauteile können aus jedem beliebigen metallischen Werkstoff bestehen, der zum Fügen der Bauteile durch Laserschweißen geeignet ist. Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenmuldenelement 12 bilden zusammen den Kolbenkopf 13 des Kolbens 10. FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a piston 10 according to the invention. The piston 10 has a piston main body 11 and a piston depression element 12. Both components can be made of any metallic material that is suitable for joining the components by laser welding. The piston main body 11 and the piston recess element 12 together form the piston head 13 of the piston 10.
Der Kolbengrundkörper 11 bildet ferner den Kolbenschaft 14 des Kolbens 10, der in an sich bekannter Weise mit Kolbennaben 15 und Nabenbohrungen 16 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) sowie mit Laufflächen 17 versehen ist. The piston base body 11 further forms the piston skirt 14 of the piston 10, which is provided in known manner with piston hubs 15 and hub bores 16 for receiving a piston pin (not shown) and with running surfaces 17.
Der Kolbenkopf 13 ist ferner mit einer Verbrennungsmulde 18 versehen. Hierbei bildet der Kolbengrundkörper 11 den einen Dom 21 aufweisenden Boden 19 der Verbrennungsmulde 18. Der Kolbengrundkörper 11 bildet ferner einen Teil 23 der Muldenwand 22 der Verbrennungsmulde 18. Das Kolbenmuldenelement 12 bildet den verbleibenden Teil 24 der Muldenwand 22 sowie einen Teil des Kolbenbodens 25. Der verbleibende Teil des Kolbenbodens 25, der umlaufende Feuersteg 26 sowie die mit Ringnuten versehene umlaufende Ringpartie 27 des Kolbens 10 werden ebenfalls vom Kolbengrundkörper 11 gebildet. Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenmuldenelement 12 bilden einen auf der Höhe der Ringpartie 27 umlaufenden Kühlkanal 28. The piston head 13 is further provided with a combustion recess 18. Here, the piston body 11 forms a dome 21 having bottom 19 of the combustion bowl 18. The piston body 11 also forms a part 23 of the trough wall 22 of the combustion bowl 18. The piston recess member 12 forms the remaining part 24 of the trough wall 22 and a part of the piston crown 25. Der Remaining part of the piston crown 25, the circumferential top land 26 and the annular grooves provided with annular ring portion 27 of the piston 10 are also formed by the piston body 11. The piston main body 11 and the piston recess element 12 form a circulating at the height of the ring portion 27 cooling channel 28th
Der Kolbengrundkörper 11 und das, Kolbenmuldenelement 12 sind durch Laserschweißen miteinander verbunden. Dadurch sind in der Muldenwand 22 sowie im Kolbenboden 25 Laserschweißnähte 31 , 32 ausgebildet. The piston main body 11 and the piston recess element 12 are connected to one another by laser welding. As a result, 25 laser welds 31, 32 are formed in the trough wall 22 and in the piston crown.
Erfindungsgemäß beträgt die Höhe H des vom Kolbengrundkörper 11 gebildeten Teils 23 der Muldenwand 22 4 % bis 12 % des größten Durchmessers D der Verbrennungsmulde 18. Die Höhe H ist definiert als der Abstand zwischen einer sich vom tiefsten Punkt der Verbrennungsmulde 18 zum tiefsten Punkt des Kühlkanals 28 erstreckenden Grundlinie und einem Punkt, der mittig auf der Laserschweißnaht 31 angeordnet ist (siehe hierzu auch Figur 3). According to the invention, the height H of the part 23 of the trough wall 22 formed by the piston main body 11 is 4% to 12% of the largest diameter D of the combustion trough 18. The height H is defined as the distance between one from the lowest point of the combustion trough 18 to the lowest point of the cooling duct 28 extending base line and a point which is arranged centrally on the laser weld 31 (see also Figure 3).
Erfindungsgemäß schließt die Laserschweißnaht 31 mit einer ausgehend von der Laserschweißnaht 31 am Dom 21 angelegten Tangente T einen Winkel α von mindestens 5° ein. According to the invention, the laser weld 31 includes an angle α of at least 5 ° with a tangent T applied from the laser weld 31 on the dome 21.
Die Figuren 2 und 3 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110. Der Kolben 110 weist einen Kolbengrundkörper 111 und ein Kolbenmuldenelement 112 auf. Beide Bauteile können aus jedem beliebigen metallischen Werkstoff bestehen, der zum Laserschweißen der Bauteile geeignet ist. Der Kolbengrundkörper 111 und das Kolbenringelement 112 bilden zusammen den Kolbenkopf 113 des Kolbens 110. FIGS. 2 and 3 show a further exemplary embodiment of a piston 110 according to the invention. The piston 110 has a piston main body 111 and a piston depression element 112. Both components can be made of any metallic material that is suitable for laser welding of the components. The piston main body 111 and the piston ring element 112 together form the piston head 113 of the piston 110.
Der Kolbengrundkörper 111 bildet ferner den Kolbenschaft 114 des Kolbens 110, der in an sich bekannter Weise mit Kolbennaben 115 und Nabenbohrungen 116 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) sowie mit Laufflächen 117 versehen ist. The piston main body 111 further forms the piston skirt 114 of the piston 110, which is provided in known manner with piston hubs 115 and hub bores 116 for receiving a piston pin (not shown) and with running surfaces 117.
Der Kolbenkopf 113 ist ferner mit einer Verbrennungsmulde 118 versehen. Hierbei bildet der Kolbengrundkörper 111 den einen Dom 121 aufweisenden Boden 119 der Verbrennungsmulde 118. Der Kolbengrundkörper 111 bildet ferner einen Teil 123 der Muldenwand 122 der Verbrennungsmulde 118. Das Kolbenmuldenelement 112 bildet den verbleibenden Teil 124 der Muldenwand 122 sowie den Kolbenboden 125, den umlaufenden Feuersteg 126 sowie die mit Ringnuten versehene umlaufende Ringpartie 127 des Kolbens 110. The piston head 113 is further provided with a combustion bowl 118. Here, the piston base body 111 forms the dome 121 having bottom 119 of the combustion bowl 118. The piston body 111 also forms a part 123 of Tray wall 122 of the combustion bowl 118. The piston bowl member 112 forms the remaining portion 124 of the well wall 122 and the piston head 125, the peripheral land 126 and the annular groove provided with annular ring portion 127 of the piston 110th
Der Kolbengrundkörper 111 und das Kolbenmuldenelement 112 bilden einen nach unten offen ausgebildeten Kühlkanal 128, der mit einem Verschlusselement 133 verschlossen ist. Das Verschlusselement 133 ist als einstückig am Kolbengrundkörper 111 angeformter umlaufender, sich zum Kolbenmuldenelement 112 erstreckender Flansch ausgebildet. Das Verschlusselement 133 liegt in einer am Kolbenmuldenelement 112 ausgebildeten Hinterschneidung 134 spannungsfrei an (siehe insbesondere Figur 3). The piston main body 111 and the piston recess element 112 form a downwardly open cooling channel 128, which is closed by a closure element 133. The closure element 133 is embodied as a circumferential, integrally formed on the piston main body 111 and extending to the piston recess element 112. The closure element 133 lies stress-free in an undercut 134 formed on the piston depression element 112 (see in particular FIG. 3).
Der Kolbenschaft 114 ist durch eine umlaufende ringförmige Ausnehmung 135 von der Ringpartie 127 getrennt. Somit ist der Kolbenschaft 114 vom Kolbenkopf 113 thermisch entkoppelt. The piston skirt 114 is separated from the ring section 127 by a circumferential annular recess 135. Thus, the piston skirt 114 is thermally decoupled from the piston head 113.
Der Kolbengrundkörper 111 und das Kolbenmuldenelement 112 sind durch Laserschweißen miteinander verbunden. Dadurch ist in der Muldenwand 122 eine Laserschweißnaht 131 ausgebildet. The piston main body 111 and the piston bowl element 112 are connected to each other by laser welding. As a result, a laser weld seam 131 is formed in the trough wall 122.
Erfindungsgemäß beträgt die Höhe H des vom Kolbengrundkörper 111 gebildeten Teils 123 der Muldenwand 122 4 % bis 12 % des größten Durchmessers D der Verbrennungsmulde 118. Die Höhe H ist definiert als der Abstand zwischen einer sich vom tiefsten Punkt der Verbrennungsmulde 118 zum tiefsten Punkt des Kühlkanals 128 erstreckenden Grundlinie und einem Punkt, der mittig auf der Laserschweißnaht 131 angeordnet ist (siehe Figur 3). According to the invention, the height H of the portion 123 of the well wall 122 formed by the piston body 111 is 4% to 12% of the largest diameter D of the combustion bowl 118. The height H is defined as the distance between a lowest point of the combustion bowl 118 and the lowest point of the cooling passage 128 extending base line and a point which is arranged centrally on the laser weld 131 (see Figure 3).
Erfindungsgemäß schließt die Laserschweißnaht 131 mit einer ausgehend von der Laserschweißnaht 131 am Dom 121 angelegten Tangente T einen Winkel α von mindestens 5° ein. Zu beiden Seiten der Laserschweißnaht 131 sind so genannte Wärmeeinflusszonen 136, 137 gestrichelt angedeutet, in denen beim Laserschweißen der Werkstoff der Kolbengrundkörpers 11 , 111 und des Kolbenmuldenelements 12, 112 ganz oder teilweise mit aufschmilzt. Wie es insbesondere aus Figur 3 hervorgeht, ist die Laserschweißnaht 31 , 131 in einem Bereich der Muldenwand 22, 122 angeordnet, in dem ihre Dicke, insbesondere auch über den Umfang der Fügeflächen des Kolbengrundkörpers und des Kolbenmuldenelements, im Wesentlichen konstant ist. Dies bedeutet, dass die Volumina der Werkstoffe von Kolbengrundkörper 11 , 111 und Kolbenmuldenelement 12, 112 in den Wärmeeinflusszonen 136, 137 im optimalen Fall konstant sind. Damit schmelzen diese Wärmeeinflusszonen 136, 137 beim Laserschweißen gleichmäßig auf bzw. kühlen gleichmäßig ab. According to the invention, the laser weld seam 131 includes an angle α of at least 5 ° with a tangent T applied from the laser weld seam 131 on the dome 121. On both sides of the laser weld 131 so-called heat affected zones 136, 137 are indicated by dashed lines, in which the material of the piston base body 11, 111 and the piston recess element 12, 112 completely or partially melts with the laser welding. As can be seen in particular from FIG. 3, the laser weld seam 31, 131 is arranged in a region of the trough wall 22, 122 in which its thickness, in particular also over the circumference of the joining surfaces of the piston main body and the piston trough element, is substantially constant. This means that the volumes of the materials of piston base body 11, 111 and piston recess element 12, 112 in the heat-affected zones 136, 137 are constant in the optimal case. As a result, these heat-affected zones 136, 137 uniformly melt or cool uniformly during laser welding.
Damit ist die wesentliche Voraussetzung dafür erfüllt, dass während des Laserschweißens die Werkstoffe des Kolbengrundkörpers 11 , 111 und des Kolbenmuldenelements 12, 112 zu beiden Seiten der Laserschweißnaht 31 , 131 möglichst gleichmäßig aufschmelzen und abkühlen, so dass das Auftreten von Spannungen im Bereich der Laserschweißnaht 31 , 131 reduziert oder sogar vermieden wird. Thus, the essential prerequisite is met that melt during laser welding, the materials of the piston body 11, 111 and the Kolbenmuldenelements 12, 112 on both sides of the laser weld 31, 131 as uniformly as possible and cool, so that the occurrence of stresses in the laser weld 31st 131 is reduced or even avoided.
Bei unterschiedlichen Volumina im Bereich der Wärmeeinflusszonen 136, 137, insbesondere über den Umfang der Fügeflächen von Kolbengrundkörper und Kolbenmuldenelement, würde in Bereichen kleinerer Volumina die Wärmeeinflusszone stärker aufschmelzen, als die in Bereichen größere Volumina. Zugleich würde in Bereichen größerer Volumina die Wärmeeinflusszone schneller abkühlen, als in Bereichen kleinerer Volumina. Diese Ungleichmäßigkeit verursacht das Auftreten von Spannungen an der Laserschweißnaht und in den Wärmeeinflusszonen 136, 137, die zur Rissbildung in der Muldenwand führen. Dieses Risiko wird beim erfindungsgemäßen Kolben 10, 110 zumindest stark reduziert und im günstigsten Fall ganz vermieden. With different volumes in the region of the heat-affected zones 136, 137, in particular over the circumference of the joining surfaces of piston base body and piston bowl element, in areas of smaller volumes the heat-affected zone would melt to a greater extent than the larger volumes in regions. At the same time, in areas of larger volumes, the heat affected zone would cool faster than in areas of smaller volumes. This unevenness causes the occurrence of stresses on the laser weld and in the heat affected zones 136, 137 which cause cracking in the well wall. This risk is at least greatly reduced in the piston 10, 110 according to the invention and avoided altogether in the best case.
Aus den Figuren 3 und 4 ist ferner zu entnehmen, dass der Kolben 110 zur Erhöhung seiner Stabilität im Kühlkanal 128 Stützrippen 138 aufweist. Die Stützrippen 138 sind in Richtung des Kolbenbodens 125 angeordnet und erstrecken sich in den Kühlkanal 128 hinein. Die Höhe h der Stützrippen 138 beträgt maximal die Hälfte der Gesamthöhe des Kühlkanals 128, so dass ein ungehinderter Kühlölstrom gewährleistet bleibt. Durch diese Konstruktion werden Shaker-Räume für das Kühlöl gebildet, welche die Kühlwirkung erhöhen. Die Stützrippen 138 sind, wie in Figur 4 dargestellt, radial symmetrisch mit einem Winkel ß, bezogen auf die Kolbenhauptachsen KH, von 45° über den Umfang des Kühlkanals 128 verteilt angeordnet und können durch mechanische Bearbeitung, wie spanabhebende Bearbeitung, oder durch Schmieden hergestellt werden. It can also be seen from FIGS. 3 and 4 that the piston 110 has support ribs 138 in the cooling channel 128 in order to increase its stability. The support ribs 138 are arranged in the direction of the piston crown 125 and extend into the cooling channel 128. The height h of the support ribs 138 is a maximum of half the total height of the cooling channel 128, so that ensures an unobstructed flow of cooling oil remains. By this construction shaker spaces are formed for the cooling oil, which increase the cooling effect. The supporting ribs 138 are, as shown in Figure 4, radially symmetrical ß at an angle with respect to the piston main axes K H, of 45 ° over the circumference of the cooling channel 128 are arranged distributed and can be prepared by mechanical processing, such as machining, or by forging produced become.

Claims

Patentansprüche Patent claims
Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbengrundkörper (11 , 111) und einem Kolbenmuldenelement (12, 112), wobei der Kolbengrundkörper (11 , 111) einen Bodenbereich (19, 119) und einen Teil (23, 123) der Muldenwand (22, 122) einer einen Dom (21 , 121) aufweisenden Verbrennungsmulde (18, 118) sowie einen Kolbenschaft (14, 114) aufweist, wobei das Kolbenmuldenelement (12, 112) zumindest einen Teil eines Kolbenbodens (25, 125) und einen Teil (24, 124) der Muldenwand (22, 122) der Verbrennungsmulde (18, 118) aufweist, wobei der Kolbengrundkörper (11 , 111) und das Kolbenmuldenelement (12, 112) einen umlaufenden Kühlkanal (28, 128) bilden, und wobei der Kolbengrundkörper (11 , 111) und das Kolbenmuldenelement (12, 112) im Bereich der Muldenwand (22, 122) der Verbrennungsmulde (18, 118) über eine Laserschweißnaht (31 , 131) unlösbar miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolbengrundkörper (11 , 111) die mittlere Höhe (H) des Teils (23, 123) der Muldenwand (22, 122) 4 % bis 12 % des größten Durchmessers (D) der Verbrennungsmulde (18, 118) beträgt und dass die Laserschweißnaht (31 , 131) mit einer ausgehend von der Laserschweißnaht (31 , 131) am Dom (21 , 121) angelegten Tangente (T) einen Winkel (a) von mindestens 5° einschließt. Piston (10, 110) for an internal combustion engine, with a piston base body (11, 111) and a piston bowl element (12, 112), the piston base body (11, 111) having a base region (19, 119) and a part (23, 123). the trough wall (22, 122) of a combustion trough (18, 118) having a dome (21, 121) and a piston skirt (14, 114), the piston bowl element (12, 112) having at least part of a piston crown (25, 125) and a part (24, 124) of the bowl wall (22, 122) of the combustion bowl (18, 118), the piston base body (11, 111) and the piston bowl element (12, 112) forming a circumferential cooling channel (28, 128), and wherein the piston base body (11, 111) and the piston bowl element (12, 112) are inextricably connected to one another in the area of the bowl wall (22, 122) of the combustion bowl (18, 118) via a laser weld seam (31, 131), characterized in that on the piston base body (11, 111), the average height (H) of the part (23, 123) of the trough wall (22, 122) is 4% to 12% of the largest diameter (D) of the combustion trough (18, 118) and that the laser weld seam (31, 131) with a tangent (T) created from the laser weld seam (31, 131) on the dome (21, 121) encloses an angle (a) of at least 5 °.
Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (a) bis zu 20° beträgt. Piston according to claim 1, characterized in that the angle (a) is up to 20°.
Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißnaht (31 , 131) in einem Bereich der Wand (22, 122) der Verbrennungsmulde (18, 118) angeordnet ist, in dem ihre Dicke konstant ist. Piston according to claim 1, characterized in that the laser weld seam (31, 131) is arranged in a region of the wall (22, 122) of the combustion bowl (18, 118) in which its thickness is constant.
Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (128) nach unten offen ausgebildet und mit einem Verschlusselement (133) verschlossen ist und dass das Kolbenmuldenelement (112) neben dem Teil (124) der Wand (122) der Verbrennungsmulde (118) den ganzen Kolbenboden (125), den umlaufenden Feuersteg (126) und die umlaufende Ringpartie (127) umfasst. Piston according to claim 1, characterized in that the cooling channel (128) is designed to be open at the bottom and is closed with a closure element (133) and that the piston bowl element (112) next to the part (124) of the wall (122) of the combustion bowl (118) the entire piston crown (125), the circumferential top land (126) and the circumferential ring section (127).
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (133) einstückig am Kolbengrundkörper (111) angeformt ist. 5. Piston according to claim 4, characterized in that the closure element (133) is integrally formed on the piston base body (111).
6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (133) als umlaufender, sich zum Kolbenmuldenelement (112) erstreckender Flansch ausgebildet ist. 6. Piston according to claim 5, characterized in that the closure element (133) is designed as a circumferential flange extending to the piston recess element (112).
7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (133) in einer am Kolbenmuldenelement (112) ausgebildeten Hinter- schneidung (134) spannungsfrei anliegt. 7. Piston according to claim 6, characterized in that the closure element (133) rests stress-free in an undercut (134) formed on the piston recess element (112).
8. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (28) verschlossen ausaebildet ist und dass das Kolbenmuldenelement (12^ neben dem Teil (24) der Wand (22) der Verbrennungsmulde (18) einen Teil des Kolbenbodens (25) umfasst. 8. Piston according to claim 1, characterized in that the cooling channel (28) is designed to be closed and that the piston bowl element (12^ comprises a part of the piston crown (25) in addition to the part (24) of the wall (22) of the combustion bowl (18). .
9. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass seine Kompressionshöhe maximal 55% des Kolbendurchmessers beträgt. 9. Piston according to claim 1, characterized in that its compression height is a maximum of 55% of the piston diameter.
10. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine radial verlaufende Stützrippe (138) im Kühlkanal angeordnet ist. 10. Piston according to claim 1, characterized in that at least one radially extending support rib (138) is arranged in the cooling channel.
11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens eine radial verlaufende Stützrippe (138) maximal über die halbe Höhe des Kühlkanals erstreckt 11. Piston according to claim 10, characterized in that the at least one radially extending support rib (138) extends at most over half the height of the cooling channel
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