DE102008035697A1

DE102008035697A1 - Piston for internal combustion engine, comprises piston shaft and piston head or piston ring element, which has circulating ring portion or circulating fire land

Info

Publication number: DE102008035697A1
Application number: DE200810035697
Authority: DE
Inventors: Gerhard Berr; Timo Linke
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-02-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenschaft (15) und einem Kolbenkopf oder einem Kolbenringelement (12), der oder das einen umlaufenden Feuersteg (18) und eine umlaufende Ringpartie (20) aufweist, welche mit einer ersten Kompressionsringnut (21), einer zweiten Kompressionsringnut (22) und einer Ölringnut (23) versehen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Kompressionsringnut (21) und der zweiten Kompressionsringnut (22) eine umlaufende Entlastungsnut (24) vorgesehen ist und dass eine Längsachse (L) der Entlastungsnut (24) und die Mittelachse (M) des Kolbens (10, 110) einen spitzen Winkel (alpha) einschließen.The present invention relates to a piston (10, 110) for an internal combustion engine, comprising a piston shaft (15) and a piston head or a piston ring element (12) having a circumferential land (18) and a circumferential ring (20) is provided with a first compression ring groove (21), a second compression ring groove (22) and an oil ring groove (23). According to the invention, a circumferential relief groove (24) is provided between the first compression ring groove (21) and the second compression ring groove (22) and that a longitudinal axis (L) of the relief groove (24) and the center axis (M) of the piston (10, 110) include an acute angle (alpha).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenschaft und einem Kolbenkopf oder einem Kolbenringelement, der oder das einen Kolbenboden, einen umlaufenden Feuersteg und eine umlaufende Ringpartie aufweist, welche mit einer ersten Kompressionsringnut, einer zweiten Kompressionsringnut und einer Ölringnut versehen ist.The The present invention relates to a piston for an internal combustion engine, with a piston skirt and a piston head or a piston ring element, the one or the piston crown, a revolving flank and has a circumferential ring portion, which with a first Kompressionsringnut, a second Kompressionsringnut and a Ölringnut is provided.

In modernen Verbrennungsmotoren können sehr hohe Drücke im Brennraum oberhalb des Kolbenbodens entstehen (bis zu 150–200 bar). Die periodische Erhöhung des Drucks im Motorbetrieb führt zu Spannungen und Verformungen der damit beaufschlagten Bauteile, insbesondere des Kolbenbodens und des ersten Kompressionsrings sowie zum unkontrollierten Abhebens des ersten Kolbenrings. Darüber hinaus ist der Feuersteg gegenüber dem unter dem ersten Kompressionsring angeordneten Ringsteg in der Regel um einen geringen Betrag zurückgesetzt. Dadurch ergibt sich ein minimaler Spalt zwischen der Zylinderlauffläche und dem Feuersteg. Aus diesem Grund kann der erste Kompressionsring derart stark belastet werden, dass er seine Funktion, nämlich die Abdichtung gegen Gas- und Öldurchtritt in Richtung des Kolbenschafts, nicht mehr zufrieden stellend erfüllen kann. Im Extremfall können Gase und Schmierölreste entlang der gesamten Mantelfläche gedrückt werden. So sind zur Steuerung des Ringverhaltens Entlastungsnuten bekannt, die mit ihrem relativ geringem Nutvolumen derartige Gasströme kurzzeitig aufnehmen können, um die beschriebenen Effekte zu verringern. Da durch derartige Nuten jedoch die Mantelfläche des Kolbens verkleinert wird und damit auch die Anlagefläche des Kolbens am Zylinder, ist die Breite bzw. das Volumen der Entlastungsnuten begrenzt. Zudem besteht Gefahr einer vergrößerten Verformung des Kolbens.In modern internal combustion engines can be very high pressures arise in the combustion chamber above the piston crown (up to 150-200 bar). The periodic increase the pressure in engine operation leads to Tensions and deformations of the components acted upon, in particular the piston crown and the first compression ring and the uncontrolled Lifting off the first piston ring. In addition, the lancet is across from the arranged under the first compression ring ring land in the Usually reset by a small amount. This results a minimal gap between the cylinder surface and the top land. Out For this reason, the first compression ring so heavily loaded be that he performs his function, namely the sealing against Gas and oil passage in Direction of the piston shaft, can no longer satisfactorily meet. In extreme cases can Gases and lubricating oil residues along the entire lateral surface depressed become. So are for controlling the ring behavior relief grooves known, with such a relatively small groove volume such gas flows for a short time be able to record, to reduce the effects described. Because such grooves however, the lateral surface of the piston is reduced and thus the contact surface of the Piston on the cylinder, is the width or the volume of the relief grooves limited. In addition, there is a risk of increased deformation of the piston.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, um die vorgenannten Nachteile zu vermeiden, wodurch im Motorbetrieb die durch die Kolbenringe bewirkte Abdichtung gegen Gas- und Öldurchtritt aus dem Brennraum in Richtung Kurbelwelle verbessert werden soll.The Object of the present invention is therefore a generic piston to develop so as to avoid the aforementioned disadvantages, whereby in engine operation caused by the piston rings seal against gas and oil passage should be improved from the combustion chamber in the direction of the crankshaft.

Die Lösung besteht in einem Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Kompressionsringnut und der zweiten Kompressionsringnut eine umlaufende Entlastungsnut vorgesehen ist und dass eine Längsachse der Entlastungsnut und die Mittelachse des Kolbens einen spitzen Winkel einschließen.The solution consists in a piston with the features of claim 1. According to the invention, it is provided between the first compression ring groove and the second compression ring groove a circumferential relief groove is provided and that a longitudinal axis the relief groove and the central axis of the piston make an acute Include angle.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Entlastungsnut dient dazu, den Gasen, die am ersten Kompressionsring vorbei in Richtung Kurbelwelle gedrückt werden, ein zusätzliches Volumen zur Entspannung der Gase zur Verfügung zu stellen, so dass zwischen der ersten und zweiten Kompressionsringnut der auf den zweiten Kompressionsring wirkende Druck reduziert wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der zweite Kompressionsring und alle folgenden Kolbenringe ihre Abdichtfunktion zuverlässig erfüllen können. Die erfindungsgemäße Anordnung der Entlastungsnut ermöglicht es, die axiale Höhe der Mantelfläche des Ringstegs zwischen der ersten Kompressionsringnut und der zweiten Kompressionsringnut zu maximieren, so dass im Motorbetrieb eine ausreichend große Führungsfläche gegenüber der Zylinderlauffläche zur Verfügung steht und dem erfindungsgemäße Kolben eine gute Führung im Zylinder sowie eine besonders große Stabilität verleiht. Zugleich kann ein ausreichend großes Volumen zur Entspannung der Gase zur Verfügung gestellt werden.The provided according to the invention Relief groove serves to expose the gases to the first compression ring pushed over in the direction of the crankshaft, an additional one To provide volume for the relaxation of the gases, so that between the first and second Kompressionsringnut the on the second compression ring acting pressure is reduced. This will ensure that the second compression ring and all the following piston rings can reliably fulfill their sealing function. The inventive arrangement of Relief groove allows it, the axial height the lateral surface the annular ridge between the first Kompressionsringnut and the second To maximize compression ring groove, so that in engine operation a big enough Guide surface opposite the Cylinder surface to disposal stands and the piston according to the invention a good guide in the cylinder and gives a particularly great stability. At the same time a big enough Volume to relax the gases are provided.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.advantageous Further developments emerge from the subclaims.

Der von der Längsachse der Entlastungsnut und die Mittelachse des Kolbens eingeschlossene spitze Winkel beträgt zweckmäßigerweise 20° bis 70°, bevorzugt 40° bis 60°. Allgemein gilt, dass der Winkel umso geringer sein kann, das heißt, dass die Entlastungsnut umso steiler angeordnet sein kann, je größer der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Kompressionsringnut ist. Ein spitzer Winkel ist auch deswegen vorteilhaft, weil sich daraus eine entsprechend große axiale Höhe der Mantelfläche des Ringstegs zwischen der ersten Kompressionsringnut und der Entlastungsnut ergibt. Damit werden im Motorbetrieb die Kolbenführung im Zylinder und die Kolbenstabilität weiter verbessert. Dementsprechend ist es von Vorteil, wenn die axiale Höhe der Mantelfläche des Ringstegs zwischen der ersten Kompressions ringnut und der Entlastungsnut größer ist als die axiale Höhe der Mantelfläche des Ringstegs zwischen der Entlastungsnut und der zweiten Kompressionsringnut.Of the from the longitudinal axis the relief groove and the central axis of the piston trapped tip Angle is expediently 20 ° to 70 °, preferably 40 ° to 60 °. Generally holds that the angle can be the lower, that is, that the relief groove can be arranged the steeper the larger the Distance between the first and second Kompressionsringnut is. An acute angle is also advantageous because of itself from a correspondingly large axial height the lateral surface of the Ring land between the first Kompressionsringnut and the relief groove results. Thus, in the engine operation, the piston guide in the cylinder and the piston stability continue improved. Accordingly, it is advantageous if the axial Height of the lateral surface of the Ring web between the first compression ring groove and the relief groove is larger as the axial height the lateral surface the annular ridge between the relief groove and the second Kompressionsringnut.

Die Tiefe der Entlastungsnut ist vorteilhafterweise größer als ihre Breite, um ein möglichst großes Volumen zur Entspannung der Gase zu schaffen, ohne die axiale Höhe der Mantelfläche des Ringstegs zwischen der ersten Kompressionsringnut und der Entlastungsnut zu sehr zu verringern. Zweckmäßigerweise weist die Entlastungsnut eine geringere Breite auf als die erste Kompressionsringnut und/oder die zweite Kompressionsringnut. Aus dem gleichen Grund kann die Entlastungsnut an ihrem dem Kolbeninneren zugewandten Ende breiter sein als an ihrem der Mantelfläche zugewandten Ende. Ein rechteckförmiger, dreieckförmiger oder trapezförmiger Querschnitt der Entlastungsnut hat sich als besonders praktikabel erwiesen.The Depth of the relief groove is advantageously greater than their width to one as possible big volume to create the relaxation of the gases, without the axial height of the lateral surface of the Ring land between the first Kompressionsringnut and the relief groove too much to diminish. Conveniently, The relief groove has a smaller width than the first one Compression ring groove and / or the second compression ring groove. Out for the same reason, the relief groove can be at the piston interior be facing wider than at her facing the lateral surface The End. A rectangular, triangular or trapezoidal Cross-section of the relief groove has proven to be particularly practical proved.

Der Ringsteg zwischen der Entlastungsnut und der zweiten Kompressionsringnut kann gegenüber dem Kolbendurchmesser zurückgesetzt sein, insbesondere dann, wenn die Entlastungsnut so tief angesetzt ist, dass die axiale Höhe der Mantelfläche dieses Ringstegs besonders gering ist, was die Anfälligkeit für mechanische Beschädigungen während des Motorbetriebs erhöhen könnte. Eine vorteilhafte Ausführung besteht, wenn die Zurücksetzung des Ringsteges maximal die Hälfte der Tiefe der Kompressionsringnut beträgt, da die Abstützungsfläche für den zweiten Kompressionsring weitgehend erhalten bleibt.Of the Ring land between the relief groove and the second Kompressionsringnut can be opposite reset the piston diameter be, especially if the relief groove set so low is that the axial height the lateral surface of this Ring land is particularly low, which is the susceptibility to mechanical damage during the Increase engine operation could. An advantageous embodiment exists when the reset of the Ringsteges maximum half the depth of Kompressionsringnut amounts, since the support surface for the second Compression ring is largely retained.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:embodiments The present invention will be described below with reference to the accompanying drawings explained in more detail. It show in a schematic, not to scale representation:

1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt; 1 a first embodiment of a piston according to the invention in section;

2 eine vergrößerte Teildarstellung der Ringpartie des Kolbens gemäß 1 im Schnitt; 2 an enlarged partial view of the ring portion of the piston according to 1 on average;

3 eine vergrößerte Teildarstellung der Ringpartie einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt. 3 an enlarged partial view of the ring portion of another embodiment of a piston according to the invention in section.

Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbengrundkörper 11 und ein Kolbenringelement 12 auf. Selbstverständlich sind von der vorliegenden Erfindung auch alle anderen denkbaren Kolbenkonstruktionen umfasst, wie bspw. einteilige und zweiteilige Kolben oder Pendelschaftkolben.The 1 and 2 show a first embodiment of a piston according to the invention 10 , The piston 10 has a piston main body 11 and a piston ring member 12 on. Of course, the present invention also includes all other conceivable piston designs, such as, for example, one-piece and two-piece pistons or pendulum piston.

Der Kolbengrundkörper 11 bildet den inneren Bereich eines Kolbenbodens 13; dieser innere Bereich stellt zugleich den Boden einer Brennraummulde 14 dar. An der Unterseite des Kolbenbodens 13 ist in an sich bekannter Weise ein Kolbenschaft 15 angebunden, der mit Nabenbohrungen 17 versehene Bolzennaben 16 aufweist. Der Kolbengrundkörper 11 kann bspw. aus einem Stahlwerkstoff oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein. Das Kolbenringelement 12 bildet den äußeren Bereich des Kolbenbodens 13 mit einem umlaufenden Feuersteg 18 und einer umlaufenden Ringpartie 20 mit Ringnuten für Kolbenringe (nicht dargestellt). Das Kolbenringelement ist aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Stahlwerkstoff hergestellt. Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenringelement 12 bilden ferner gemeinsam einen umlaufenden Kühlkanal 19.The piston body 11 forms the inner area of a piston crown 13 ; At the same time, this inner area represents the bottom of a combustion bowl 14 dar. At the bottom of the piston crown 13 is in a conventional manner a piston skirt 15 Tailored, with hub holes 17 provided bolt hubs 16 having. The piston body 11 can be made, for example, of a steel material or a light metal material. The piston ring element 12 forms the outer area of the piston crown 13 with a circulating flint 18 and a circumferential ring section 20 with annular grooves for piston rings (not shown). The piston ring element is made of a wear and / or temperature-resistant steel material. The piston body 11 and the piston ring member 12 further together form a circumferential cooling channel 19 ,

Die umlaufende Ringpartie 20 weist in an sich bekannter Weise eine erste Kompressionsringnut 21, eine zweite Kompressionsringnut 22 und eine Ölringnut 23 auf. Zwischen der ersten Kompressionsringnut 21 und der zweiten Kompressionsringnut 22 ist eine umlaufende Entlastungsnut 24 in die Ringpartie 20 eingearbeitet, bspw. mittels eines Drehwerkzeugs. Die Entlastungsnut 24 weist im Ausführungsbeispiel einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Tiefe der Entlastungsnut 24 größer ist als ihre Breite. Dementsprechend kann eine Längsachse L der Entlastungsnut 24 definiert werden, welche die Mittelachse M des Kolbens 10 unter einem spitzen Winkel α schneidet, der im Ausführungsbeispiel 55° beträgt, der aber je nach Kolbengeometrie und Anforderungen im Motorbetrieb beliebig gewählt werden kann. Andere Querschnitte der Entlastungsnut 24 sind ebenfalls denkbar, sofern ein ausreichend großes Volumen zur Entspannung der Gase zur Verfügung gestellt wird. Insbesondere dreieckförmige oder trapezförmige Querschnitte sind ebenfalls praktikabel, da auch sie auf einfache Weise bspw. mittels eines Drehwerkzeugs in die Ringpartie 20 eingearbeitet werden können.The circumferential ring part 20 has a first Kompressionsringnut in a conventional manner 21 , a second compression ring groove 22 and an oil ring groove 23 on. Between the first compression ring groove 21 and the second compression ring groove 22 is a circumferential relief groove 24 in the ring section 20 incorporated, for example by means of a turning tool. The relief groove 24 has in the exemplary embodiment a substantially rectangular cross-section, wherein the depth of the relief groove 24 is greater than its width. Accordingly, a longitudinal axis L of the relief groove 24 be defined, which the center axis M of the piston 10 intersects at an acute angle α, which in the embodiment is 55 °, but which can be chosen arbitrarily depending on the piston geometry and requirements in engine operation. Other cross sections of the relief groove 24 are also conceivable, provided a sufficiently large volume for the relaxation of the gases is provided. In particular, triangular or trapezoidal cross-sections are also practicable, since they also in a simple way, for example. By means of a rotary tool in the ring section 20 can be incorporated.

Vor allem aus 2 ist unmittelbar ersichtlich, dass der Winkel α umso geringer gewählt werden kann, das heißt, dass die Entlastungsnut 24 umso steiler angeordnet sein kann, je größer der Abstand zwischen der ersten Kompressionsringnut 21 und der zweiten Kompressionsringnut 22 ist.Especially from 2 is immediately apparent that the angle α can be chosen the lower, that is, the relief groove 24 the steeper the distance between the first compression ring groove, the steeper it can be arranged 21 and the second compression ring groove 22 is.

Zwischen der ersten Kompressionsringnut 21 und der Entlastungsnut 24 ergibt sich ein Ringsteg 25. Die axiale Höhe h1 der Mantelfläche 26 des Ringstegs 25 ist größer als der Abstand zwischen der Oberkante der Entlastungsnut 24 und der ersten Kompressionsringnut 21. Je steiler die Entlastungsnut 24 angeordnet ist, das heißt, je kleiner der Winkel α gewählt ist, desto größer ist die axiale Höhe h1 der Mantelfläche 26 und damit die zwischen Kolben 10 und Zylinder wirkende Lauffläche in diesem Bereich. Dadurch werden im Motorbetrieb die Führung des Kolbens 10 im Zylinder und die Stabilität des Kolbens 10 weiter verbessert.Between the first compression ring groove 21 and the relief groove 24 results in a ring land 25 , The axial height h1 of the lateral surface 26 of the ring walkway 25 is greater than the distance between the top edge of the relief groove 24 and the first compression ring groove 21 , The steeper the relief groove 24 is arranged, that is, the smaller the angle α is selected, the greater the axial height h1 of the lateral surface 26 and hence the between pistons 10 and cylinder acting tread in this area. As a result, in motor operation, the leadership of the piston 10 in the cylinder and the stability of the piston 10 further improved.

Zwischen der Entlastungsnut 24 und der zweiten Kompressionsringnut 22 ergibt sich ferner ein weiterer Ringsteg 27. Die axiale Höhe h2 der Mantelfläche 28 des Ringstegs 27 ist geringer als die axiale Höhe h1 der Mantelfläche 28 des Ringstegs 25. Dies ist nicht von Nachteil, da die hohe Mantelfläche 26 des Ringstegs 25 eine bessere Führung und Stabilität des Kolbens 10 im Motorbetrieb gewährleistet als bspw. zwei etwa gleich hohe Mantelflächen der beiden Ringstege 25, 27, wie sie sich bei einer Entlastungsnut mit horizontal verlaufender Längsachse L ergeben würden.Between the relief groove 24 and the second compression ring groove 22 also results in another ring land 27 , The axial height h2 of the lateral surface 28 of the ring walkway 27 is less than the axial height h1 of the lateral surface 28 of the ring walkway 25 , This is not a disadvantage as the high surface area 26 of the ring walkway 25 a better guidance and stability of the piston 10 guaranteed in the engine operation as, for example, two approximately equally high lateral surfaces of the two ring lands 25 . 27 as they would result in a relief groove with horizontally extending longitudinal axis L.

3 zeigt in einer der 2 entsprechenden Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110, wobei gleiche Strukturelemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Der einzige Unterschied zu dem in den 1 und 2 dargestellten Kolben 10 besteht darin, dass der zwischen der Entlastungsnut 24 und der zweiten Kompressionsringnut 22 angeordnete Ringsteg 127 gegenüber dem Durchmesser des Kolbens 110 zurückgesetzt ist. Dadurch kann die Gefahr mechanischer Beschädigungen des Ringstegs 127 während des Motorbetriebs reduziert werden. Dies könnte dann von Vorteil sein, wenn die Entlastungsnut 24 so tief angesetzt ist, dass die axiale Höhe h2 der Mantelfläche 128 dieses Ringstegs 127 besonders gering ist, d. h. wenn der Ringsteg 127 radial nach außen hin spitz zuliefe. 3 shows in one of the 2 corresponding representation of a further embodiment of a piston according to the invention 110 , wherein the same structural elements with the same reference numerals ver see are. The only difference to that in the 1 and 2 illustrated piston 10 is that between the relief groove 24 and the second compression ring groove 22 arranged ring bridge 127 opposite the diameter of the piston 110 is reset. This can reduce the risk of mechanical damage to the ring land 127 be reduced during engine operation. This could be beneficial if the relief groove 24 is set so low that the axial height h2 of the lateral surface 128 this ringbridge 127 is particularly low, ie when the ring land 127 Tapered radially outward.

Claims

Piston ( 10 . 110 ) for an internal combustion engine, with a piston skirt ( 15 ) and a piston head or a piston ring element ( 12 ), the one or the surrounding Feuersteg ( 18 ) and a circumferential ring section ( 20 ), which with a first compression ring groove ( 21 ), a second compression ring groove ( 22 ) and an oil ring groove ( 23 ), characterized in that between the first Kompressionsringnut ( 21 ) and the second compression ring groove ( 22 ) a circumferential relief groove ( 24 ) is provided and that a longitudinal axis (L) of the relief groove ( 24 ) and the central axis (M) of the piston ( 10 . 110 ) include an acute angle (α).

Piston according to claim 1, characterized in that the angle (α) 20 ° to 70 °, preferably 40 ° to 60 °.

Piston according to claim 1 or 2, characterized in that the depth of the relief groove ( 24 ) is greater than its width.

Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the relief groove ( 24 ) has a smaller width than the first compression ring groove ( 21 ) and / or the second compression ring groove ( 22 ).

Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the relief groove ( 24 ) is wider at its end facing the piston interior than at its end facing the lateral surface.

Piston according to one of claims 3 to 5, characterized in that the relief groove ( 24 ) has a rectangular, triangular or trapezoidal cross-section.

Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the axial height (h1) of the lateral surface ( 26 ) of the ring land ( 25 ) between the first compression ring groove ( 21 ) and the relief groove ( 24 ) is greater than the axial height (h2) of the lateral surface ( 28 . 128 ) of the ring land ( 27 . 127 ) between the relief groove ( 24 ) and the second compression ring groove ( 22 ).

Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the annular web ( 127 ) between the relief groove ( 24 ) and the second compression ring groove ( 22 ) relative to the diameter of the piston ( 110 ) is reset.

Piston according to claim 8, characterized in that the resetting of the annular web ( 127 ) a maximum of half the depth (T) of the compression ring groove ( 22 ) is.