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WO2013004218A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor Download PDF

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WO2013004218A1
WO2013004218A1 PCT/DE2012/000673 DE2012000673W WO2013004218A1 WO 2013004218 A1 WO2013004218 A1 WO 2013004218A1 DE 2012000673 W DE2012000673 W DE 2012000673W WO 2013004218 A1 WO2013004218 A1 WO 2013004218A1
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WO
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piston
bridge
longitudinal sides
piston according
joining surfaces
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PCT/DE2012/000673
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sascha-Oliver Boczek
Rainer Scharp
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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 
    • F02F3/16—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

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine, having a piston upper part and a piston lower part, which form an outer circumferential cooling channel, with opposite hub connections, on which hubs are provided, which have central axis defining hub bores, wherein the piston upper part and the piston lower part via outer Joining surfaces and inner joining surfaces are interconnected.
  • the present invention has for its object to further develop a generic piston so that a cooling of the underside of the piston crown is ensured without increasing the weight of the piston disproportionately.
  • the solution consists in that a substantially parallel to the central axis (M) running bridge (24, 124) is formed in the piston lower part in the region of the hub connections (18), which has two longitudinal sides (27, 127) which an upper bridge surface (28 ) limit.
  • the inventively provided bridge forms a partially open additional cooling space below the piston crown.
  • the upper bridge surface catches the cooling oil present below the piston crown and, due to the shaker effect, redirects it towards the underside of the piston crown. In this way, an additional cooling of the underside of the piston crown is achieved.
  • the partially open cooling space formed by the bridge provided according to the invention contributes to the fact that the weight of the piston according to the invention is not disproportionately reduced.
  • is increased, as would be the case with a closed refrigerator. Furthermore, heated cooling oil can drain in the direction of the hubs and be replaced by fresh cooling oil.
  • a preferred embodiment provides that the bridge is formed integrally with the piston lower part.
  • For a particularly simple production process for example. Forging is possible.
  • At least the upper bridge surface is arranged above the inner joining surfaces, in order to allow a particularly effective return of the cooling oil in the direction of the underside of the piston crown.
  • the two longitudinal sides of the bridge may extend substantially parallel to each other, but they may also be substantially convex or concave to each other.
  • the piston assembly can be adapted to the requirements of the case particularly well.
  • the two longitudinal sides of the bridge are divergent with respect to the central axis.
  • the lower edges of the longitudinal sides are formed as acute-angled tapered edges.
  • the longitudinal sides can act as cooling oil drainage surfaces and / or the lower edges asdeölabtropfkanten.
  • the piston pin can be additionally lubricated particularly effective.
  • At least the lower piston part is designed as a forged part.
  • the bridge can be forged in one piece with the lower piston part and machined by machining. This manufacturing method is characterized in that it is easy and inexpensive to implement.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a piston according to the invention in
  • FIG. 3 shows the piston according to FIG. 1 in an enlarged partial view
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a piston according to the invention in a representation according to FIG. 3.
  • FIGS 1 to 3 show a first embodiment of a piston 10 according to the invention.
  • the piston 10 according to the invention is composed in the embodiment of a piston upper part 11 and a piston lower part 12.
  • the lower piston part 12 is forged in the embodiment of a steel material.
  • the upper piston part 11 has in the exemplary embodiment a combustion bowl 13, a circumferential top land 14 and a circumferential ring portion 15 with annular grooves for receiving piston rings (not shown).
  • the piston lower part 12 has a piston shaft 16 with running surfaces 16 a, piston hubs 17 and hub connections 18.
  • the piston hubs 17 are set back in a known manner relative to the ring portion 15 in the radial direction inwards.
  • the piston 10 according to the Guidance example thus represents a so-called box piston.
  • the present invention can of course be realized with other types of piston.
  • the piston hubs 17 are provided with hub bores 19 for receiving a piston pin (not shown).
  • the hub bores 19 define a central axis M.
  • the Kol beno berteil 11 and the piston part 12 form a peripheral outer cooling channel 21.
  • the upper piston part 11 and the piston lower part 12 are connected via an outer joint seam 22 and an inner joint seam 23, for example.
  • the outer joint seam 22 is formed from interconnected outer circumferential joining surfaces of the upper piston part 11 and of the lower piston part 12.
  • the inner joint seam 23 is formed from interconnected inner circumferential joining surfaces of the upper piston part 11 and the lower piston part 12, respectively.
  • the lower piston part 12 has a bridge 24 in the region of the hub connections 18.
  • the bridge 24 forms with the bottom 25 of the combustion bowl 13, ie with the underside 25 of the piston head, a partially open internal cooling chamber 26.
  • the bridge 26 is integrally connected to the piston lower part 12. If the piston lower part 12 is a forged part, the bridge 24 can also be forged and subsequently machined by machining.
  • the bridge 24 has two longitudinal sides 27, which extend in the embodiment substantially parallel to each other and define an upper bridge surface 28. In the upper bridge surface 28, an approximately trough-shaped recess 29 is formed in the embodiment.
  • the two longitudinal sides 27 extend in the exemplary embodiment diverging with respect to the central axis M defined by the hub bores 19.
  • the lower edges 31 of the longitudinal sides 27 are formed in the exemplary embodiment as tapering edges. This training can be done, for example, in the course of machining post-processing of the bridge 24.
  • the longitudinal sides 27 are used in the embodiment as the lower edges 31 serve in the embodiment as cooling oil drainage surfaces for the collected and run off in the recess cooling oil, while the lower edges 31 act as drip edges for this cooling oil. In this way, an additional lubrication of the piston pin is achieved.
  • the bridge 24 is arranged completely above the inner joining seam 23.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a piston 110 according to the invention comprising a piston upper part 111 and a piston lower part 112.
  • the piston 110 essentially corresponds to the piston 10 according to FIGS. 1 to 3, so that identical piston structures are provided with the same reference symbols and in this regard to the description the figures 1 to 3 is referenced.
  • the bridge 124 of the piston 110 has longitudinal sides 127, the lower edges 131 of which are arranged below the inner joining seam 23 between the upper piston part 111 and the lower piston part 112. This results in an almost closed inner cooling chamber 126, so that a particularly effective cooling of the bottom 25 of the combustion bowl 13, i. the underside 25 of the piston head, is ensured.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil (11, 111) und einem Kolbenunterteil (12, 112), die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal (21) bilden, mit einander gegenüberliegenden Nabenanbindungen (18), an denen Kolbennaben (17) vorgesehen sind, welche eine Mittelachse (M) definierende Nabenbohrungen (19) aufweisen, wobei das Kolbenoberteil (11, 111) und das Kolbenunterteil (12, 112) über äußere Fügeflächen und innere Fügeflächen miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Kolbenunterteil (12, 112) im Bereich der Nabenanbindungen (18) eine im Wesentlichen parallel zur Mittelachse (M) verlaufende Brücke (24, 124) ausgebildet ist, die zwei Längsseiten (27, 127) aufweist, welche eine obere Brückenfläche (28) begrenzen.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal bilden, mit einander gegenüberliegenden Nabenanbindungen, an denen Naben vorgesehen sind, welche eine Mittelachse definierende Nabenbohrungen aufweisen, wobei das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil über äußere Fügeflächen und innere Fügeflächen miteinander verbunden sind.
Gattungsgemäße Kolben sind vielfach bekannt. Ein Problem ist die ausreichende Kühlung des Kolbens im Motorbetrieb. Bei modernen Verbrennungsmotoren ist die thermische Belastung im Bereich des Kolbenoberteils sehr hoch, so dass insbesondere eine ausreichende Kühlung der Unterseite des Kolbenbodens gewährleistet sein muss.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass eine Kühlung der Unterseite des Kolbenbodens gewährleistet ist, ohne das Gewicht des Kolbens unverhältnismäßig zu erhöhen.
Die Lösung besteht darin, dass im Kolbenunterteil im Bereich der Nabenanbindungen (18) eine im Wesentlichen parallel zur Mittelachse (M) verlaufende Brücke (24, 124) ausgebildet ist, die zwei Längsseiten (27, 127) aufweist, welche eine obere Brückenfläche (28) begrenzen.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Brücke bildet unterhalb des Kolbenbodens einen teilweise offenen zusätzlichen Kühlraum. Die obere Brückenfläche fängt das unterhalb des Kolbenbodens vorhandene Kühlöl auf und leitet es aufgrund des Shaker- Effekts in Richtung der Unterseite des Kolbenbodens zurück. Auf diese Weise wird eine zusätzliche Kühlung der Unterseite des Kolbenbodens erzielt. Der von der erfindungsgemäß vorgesehenen Brücke gebildete teilweise offene Kühlraum trägt dazu bei, dass das Gewicht des erfindungsgemäßen Kolbens nicht unverhältnismäßig er-
|Bestätigungskopie| höht wird, wie dies bei einem geschlossenen Kühlraum der Fall wäre. Ferner kann erwärmtes Kühlöl in Richtung der Naben ablaufen und durch frisches Kühlöl ersetzt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Brücke einstückig mit dem Kolbenunterteil ausgebildet ist. Damit ist ein besonders einfaches Herstellungsverfahren, bspw. Schmieden, möglich.
Vorzugsweise ist zumindest die obere Brückenfläche oberhalb der inneren Fügeflächen angeordnet, um eine besonders wirksame Rückführung des Kühlöls in Richtung der Unterseite des Kolbenbodens zu ermöglichen.
Falls in der oberen Brückenfläche eine Vertiefung ausgebildet ist, kann darin eine größere Menge Kühlöl aufgefangen und die Kühlung der Unterseite des Kolbenbodens weiter verbessert werden.
Die beiden Längsseiten der Brücke können sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken, sie können sich aber auch im Wesentlichen konvex oder konkav zueinander verlaufen. Damit kann der Kolbenaufbau an die Erfordernisse des Einzelfalls besonders gut angepasst werden.
Vorzugsweise verlaufen die zwei Längsseiten der Brücke bezogen auf die Mittelachse divergierend. Insbesondere bei dieser Ausgestaltung ist es von besonderem Vorteil, wenn die Unterkanten der Längsseiten als spitzwinklig zulaufende Kanten ausgebildet sind. In diesem Fall können die Längsseiten als Kühlölablaufflächen und/oder die Unterkanten als Kühlölabtropfkanten wirken. Damit kann besonders wirksam der Kolbenbolzen zusätzlich geschmiert werden.
Falls die Unterkanten der Längsseiten unterhalb der inneren Fügeflächen angeordnet sind, wird ein fast geschlossener innerer Kühlraum gebildet, in dem eine besonders große Menge an Kühlöl aufgefangen werden kann, so dass die Kühlung der Unterseite des Kolbenbodens weiter verbessert wird.
Vorzugsweise ist zumindest das Kolbenunterteil als Schmiedeteil ausgebildet. Insbesondere bei dieser Ausgestaltung kann die Brücke einstückig mit dem Kolbenunterteil geschmiedet und spanend nachbearbeitet sein. Dieses Herstellungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass es einfach und kostengünstig zu verwirklichen ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im
Schnitt;
Fig. 2 der Kolben gemäß Figur 1 in einer um 90° gedrehten Darstellung im
Schnitt;
Fig. 3 der Kolben gemäß Figur 1 in einer vergrößerten Teildarstellung;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer Darstellung gemäß Figur 3.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der erfindungsgemäße Kolben 10 setzt sich im Ausführungsbeispiel zusammen aus einem Kolbenoberteil 11 und einem Kolbenunterteil 12. Das Kolbenunterteil 12 ist im Ausführungsbeispiel aus einem Stahl Werkstoff geschmiedet. Das Kolbenoberteil 11 weist im Ausführungsbeispiel eine Verbrennungsmulde 13, einen umlaufenden Feuersteg 14 sowie eine umlaufende Ringpartie 15 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Das Kolbenunterteil 12 weist einen Kolbenschaft 16 mit Laufflächen 16a, Kolbennaben 17 und Nabenanbindungen 18 auf. Die Kolbennaben 17 sind in an sich bekannter Weise gegenüber der Ringpartie 15 in radialer Richtung nach innen zurückgesetzt. Der Kolben 10 gemäß dem Aus- führungsbeispiel stellt somit einen so genannten Kastenkolben dar. Die vorliegende Erfindung kann selbstverständlich auch mit anderen Kolbentypen verwirklicht werden. Die Kolbennaben 17 sind mit Nabenbohrungen 19 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) versehen. Die Nabenbohrungen 19 definieren eine Mittelachse M. Das Kol beno berteil 11 und das Kolbenunterteil 12 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 21. Das Kolbenoberteil 11 und das Kolben unterteil 12 sind über eine äußere Fügenaht 22 und eine innere Fügenaht 23 miteinander verbunden, bspw. durch Presssitz, durch Passsitz oder mittels eines Schweiß- oder Lötverfahrens, vorzugsweise mittels eines Reibschweißverfahrens. Die äußere Fügenaht 22 ist gebildet aus miteinander verbundenen äußeren umlaufenden Fügeflächen des Kolbenoberteils 11 bzw. des Kolbenunterteils 12. Die innere Fügenaht 23 ist gebildet aus miteinander verbundenen inneren umlaufenden Fügeflächen des Kolbenoberteils 11 bzw. des Kolbenunterteils 12.
Erfindungsgemäß weist das Kolbenunterteil 12 im Bereich der Nabenanbindungen 18 eine Brücke 24 auf. Die Brücke 24 bildet mit der Unterseite 25 der Verbrennungsmulde 13, d.h. mit der Unterseite 25 des Kolbenbodens, einen teilweise offenen inneren Kühlraum 26. Im Ausführungsbeispiel ist die Brücke 26 einstückig mit dem Kolbenunterteil 12 verbunden. Wenn das Kolbenunterteil 12 ein Schmiedeteil ist, kann die Brücke 24 ebenfalls geschmiedet und anschließend spanend nachbearbeitet sein. Die Brücke 24 weist zwei Längsseiten 27 auf, die sich im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken und eine obere Brückenfläche 28 begrenzen. In der oberen Brückenfläche 28 ist im Ausführungsbeispiel eine in etwa muldenförmige Vertiefung 29 eingeformt. Die beiden Längsseiten 27 verlaufen im Ausführungsbeispiel divergierend in Bezug auf die von den Nabenbohrungen 19 definierten Mittelachse M. Die Unterkanten 31 der Längsseiten 27 sind im Ausführungsbeispiel als spitzwinklig zulaufende Kanten ausgebildet. Diese Ausbildung kann bspw. im Zuge der spanenden Nachbearbeitung der Brücke 24 erfolgen. Die Längsseiten 27 dienen im Ausführungsbeispiel als Die Unterkanten 31 dienen im Ausführungsbeispiel als Kühlölablaufflächen für das in der Vertiefung gesammelte und daraus ablaufende Kühlöl, während die Unterkanten 31 als Abtropfkanten für dieses Kühlöl wirken. Auf diese Weise wird eine zusätzliche Schmierung des Kolbenbolzens erreicht. Im Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 bis 3 ist die Brücke 24 vollständig oberhalb der inneren Fügenaht 23 angeordnet.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110 aus einem Kolbenoberteil 111 und einem Kolbenunterteil 112. Der Kolben 110 entspricht im Wesentlichen dem Kolben 10 gemäß den Figuren 1 bis 3, so dass gleiche Kolbenstrukturen mit denselben Bezugszeichen versehen sind und diesbezüglich auf die Beschreibung zu den Figuren 1 bis 3 verwiesen wird.
Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Brücke 124 des Kolbens 110 Längsseiten 127 aufweist, deren Unterkanten 131 unterhalb der inneren Fügenaht 23 zwischen Kolbenoberteil 111 und Kolbenunterteil 112 angeordnet sind. Damit entsteht ein fast geschlossener innerer Kühlraum 126, so dass eine besonders wirksame Kühlung der Unterseite 25 der Verbrennungsmulde 13, d.h. der Unterseite 25 des Kolbenbodens, gewährleistet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil (11 , 1 11) und einem Kolbenunterteil (12, 112), die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal (21) bilden, mit einander gegenüberliegenden Nabenanbindungen (18), an denen Kolbennaben (17) vorgesehen sind, welche eine Mittelachse (M) definierende Nabenbohrungen (19) aufweisen, wobei das Kolbenoberteil (11 , 111) und das Kolbenunterteil (12, 112) über äußere Fügeflächen und innere Fügeflächen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbenunterteil (12, 112) im Bereich der Nabenanbindungen (18) eine im Wesentlichen parallel zur Mittelachse (M) verlaufende Brücke (24, 124) ausgebildet ist, die zwei Längsseiten (27, 127) aufweist, welche eine obere Brückenfläche (28) begrenzen.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (27, 127) einstückig mit dem Kolbenunterteil (12) ausgebildet ist.
3. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die obere Brückenfläche (28) oberhalb der inneren Fügeflächen angeordnet ist.
4. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der oberen Brückenfläche (28) eine Vertiefung (29) ausgebildet ist.
5. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Längsseiten (27, 127) sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken.
6. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Längsseiten (27, 127) sich im Wesentlichen konvex oder konkav zueinander erstrecken.
7. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Längsseiten (27, 127) bezogen auf die Mittelachse (M) divergierend verlaufen.
8. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Unterkanten (31 , 131) der Längsseiten (27, 127) als spitzwinklig zulaufende Kanten ausgebildet sind.
9. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Unterkanten (131) der Längsseiten (127) unterhalb der inneren Fügeflächen angeordnet sind.
10. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Kolbenunterteil (12, 112) als Schmiedeteil ausgebildet ist.
11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (27, 127) einstückig mit dem Kolbenunterteil (12, 112) geschmiedet und spanend nachbearbeitet ist.
PCT/DE2012/000673 2011-07-05 2012-07-04 Kolben für einen verbrennungsmotor Ceased WO2013004218A1 (de)

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