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WO2018095601A1 - Stahlkolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Stahlkolben für einen verbrennungsmotor Download PDF

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WO2018095601A1
WO2018095601A1 PCT/EP2017/070830 EP2017070830W WO2018095601A1 WO 2018095601 A1 WO2018095601 A1 WO 2018095601A1 EP 2017070830 W EP2017070830 W EP 2017070830W WO 2018095601 A1 WO2018095601 A1 WO 2018095601A1
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WO
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piston
shaft surface
shaft
internal combustion
combustion engine
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Meske
Lukas Merz
Michael Kraemer
Christoffer SCHMOLL
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Nuernberg GmbH
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    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
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    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a steel piston for a
  • the width of the shaft surfaces usually results from the installation space conditions, in the interior of the piston through the small connecting rod eye and the ⁇ l moussedüsenposition
  • the invention is based on the object to provide an improved in terms of friction and fuel consumption steel piston.
  • Shaft surface results from the position of the oil spray nozzle, wherein on the side with oil spray nozzle preferably the unchanged, wider shaft surface is provided and the
  • the steel piston according to the invention is used in heavy-duty diesel engines. extensive
  • adekanalauslas s is provided, which is preferably arranged on the side of the smaller shaft surface. Regardless of thedekanalauslass
  • Piston-headed end is wider than at the end
  • shank surfaces are characterized by so-called
  • connection of at least one shaft surface can be carried out obliquely, which is advantageous for the rigidity of the connection.
  • the steel piston according to the invention consists of at least two components joined by friction welding.
  • the piston base can be made by forging or casting. In the case of the forging process, a draft angle is to be provided. This results in an embodiment of the shank surfaces in which the shank surfaces are each wider at their end directed towards the piston head end than at the opposite end.
  • the invention is based on a in the
  • Fig. 1 is a bottom view of the piston according to the invention.
  • Fig. 2 is a side view of the piston according to the invention.
  • a shaft surface 12 which is provided in the example shown on the counter-pressure side, and a shaft surface 14 on the pressure side through
  • the shaft surface 12 on the counter-pressure side is significantly smaller, in particular narrower, as can be seen in addition in the side view of FIG. However, it can also be the shaft surface 14 on the Pressure side to be made smaller, if the position of the oil spray nozzle is located on the counter-pressure side.
  • a cooling duct outlet s 16 is arranged substantially centrally, while the
  • Cooling duct inlet 24 is provided laterally.
  • the skirt wall has a convexity 22 on its inside at the lower end on this side. However, it preferably extends over the entire "height" of the skirt wall in the direction of the piston axis.
  • the shaft wall is substantially thickened in the middle or bulged to the inside.
  • the convexity extends over approximately one third of the width of the shaft surface 14, for example, and, like the two transitions to the wall thickness of the shaft surface 14, is rounded.
  • Shaft surface 12 is slightly wider at its end directed to the piston head 18 end than at the opposite end. However, with the exception of the significantly beveled lower end, the circumferentially measured width at the upper end is at most 120% of the width at the lower end. Incidentally, the lateral edges of at least one, preferably two shank surfaces 12, 14 are largely rectilinear. Finally, in the example shown, the larger shaft surface 14 has a substantially coincident width at the upper and lower ends.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

Ein Stahlkolben (10) für einen Verbrennungsmotor weist einen Kühlkanal und Schaftflächen (12, 14) auf, mit denen der Kolben (10) im Einbauzustand auf einer Druck- und einer Gegendruckseite an einer Zylinderbohrung oder einer Zylinderlaufbuchse anliegt, wobei eine Schaftfläche (12) eine um 25-50% geringere Breite aufweist als die andere Schaftfläche (14).

Description

Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Stahlkolben für einen
Verbrennungsmotor .
Stand der Technik
Insbesondere für heavy-duty Verbrennungsmotoren werden häufig Stahlkolben eingesetzt, die in der Regel rotationssymmetrisch bezüglich der Kolbenachse ausgeführt sind. Als Beispiel sei der Kolben gemäß der US 2012/0037112 AI genannt. Ergänzend geht aus der US 8,220,432 B2 ein Kolben hervor, der im
Hinblick auf seine Schaftflächen asymmetrisch ist.
Die Breite der Schaftflächen ergibt sich üblicherweise aus den Bauraumbedingungen, die im Innenbereich des Kolbens durch das kleine Pleuelauge und die Ölspritzdüsenposition
vorgegeben sind. Aufgrund der hohen Zylinderspitzendrücke ist das kleine Pleuelauge bei Heavy-Duty Kolben relativ breit. Neben dem durch die Pleuelschwenkbewegung verbrauchten
Bauraum wird die Ölspritzdüse platziert, wodurch die innere Mindestbreite der Schaftflächen vorgegeben ist. Damit ergibt sich eine Schaftbreite, welche 70-80% des Kolbendurchmessers beträgt. Die Verbindungswände zwischen Schaftfläche und Kolbennabe wird üblicherweise gerade ausgeführt. Bei Kolben ohne Ventiltaschen und ohne Desachsierung der Bolzenbohrung erlaubt eine rotationssymmetrische Gestaltung bezüglich der Kolbenachse einen verdrehsicheren Einbau im Motor .
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen im Hinblick auf Reibung und Kraftstoffverbrauch verbesserten Stahlkolben zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Stahlkolben.
Demzufolge weist dieser Schaftflächen auf, von denen eine um 25-50% schmäler ist als die andere. Besonders bevorzugt wird eine Verringerung der Schaftbreite um 30-35%, insbesondere etwa 33% . Hierdurch wird eine Verringerung der
hydrodynamischen Reibung erzielt, die nach Erkenntnis der Erfinder im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch relevant ist. Die Auswahl der in ihrer Breite zu reduzierenden
Schaftfläche ergibt sich aus der Lage der Ölspritzdüse, wobei auf der Seite mit Ölspritzdüse bevorzugt die unveränderte, breitere Schaftfläche vorgesehen wird und die
gegenüberliegende Schaftfläche die zu reduzierenden Seite darstellt. Gemäß der Erfindung wird die bei Stahlkolben üblicherweise vorgesehene Rotationssymmetrie aufgegeben, wobei die Anforderungen durch den erfindungsgemäßen
Stahlkolben weiterhin erfüllt werden, und in vorteilhafter Weise nicht nur die Reibung, sondern auch das Gewicht verringert werden kann.
Hierdurch lässt sich beispielsweise der Kraftstoffverbrauch senken. Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Stahlkolben in heavy-duty Dieselmotoren eingesetzt. Umfangreiche
Simulationsrechnungen haben gezeigt, dass die Reibung eines Heavy-Duty Stahlkolbens in einem üblichen Betriebspunkt für eine Autobahnfahrt überwiegend durch den hydrodynamischen Anteil bestimmt wird. Die hydrodynamische Reibung hängt neben weiteren Faktoren stark von der Größe der Kontaktflächen ab. Daher wird eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durch eine Reduktion der Breite der Schaftkontaktflächen des
Kolbens erreicht.
Nachdem der erfindungsgemäße Stahlkolben zumindest einen Kühlkanal aufweist, ist ein Kühlkanalauslas s vorzusehen, der bevorzugt auf der Seite der kleineren Schaftfläche angeordnet wird. Unabhängig davon wird der Kühlkanalauslass
erfindungsgemäß zentral vorgesehen, so dass in vorteilhafter Weise das ausfließende Öl auf das schwenkende Pleuel gelangt und somit teilweise in Richtung des kleinen Pleuelauges transportiert wird, so dass hier in vorteilhafter Weise eine Schmierung erfolgt. Durch diese Anordnung kann ferner in vorteilhafter Weise eine weitere Auslass- oder
Drainagebohrung entfallen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Insbesondere im Hinblick auf die Entformung, beispielsweise aus einem Schmiedegesenk, werden Ausführungsformen bevorzugt, bei denen die kleinere Schaftfläche an ihrem zu dem
Kolbenboden gerichteten Ende breiter ist, als an dem
entgegengesetzten Ende.
Typischerweise sind die Schaftflächen durch sogenannte
Verbindungswände mit der Bolzennabe verbunden. Durch die hier beschriebene Erfindung lässt sich die Anbindung zumindest einer Schaftfläche schräg ausführen, was für die Steifigkeit der Anbindung vorteilhaft ist.
Im Hinblick auf die Steifigkeit der breiteren Schaftfläche, die bevorzugt auf der Druckseite vorgesehen ist, bietet es Vorteile, wenn diese zumindest eine Konvexität, eine
Verdickung oder eine Ausbauchung aufweist.
Schließlich wird für den erfindungsgemäßen Stahlkolben bevorzugt, dass er aus zumindest zwei durch Reibschweißen verbundenen Komponenten besteht. Das Kolbenunterteil kann hierbei durch Schmieden oder Gießen gefertigt werden. Beim Fertigungsverfahren Schmieden ist eine Entformungsschräge vorzusehen. Dadurch ergibt sich eine Ausführungsform der Schaftflächen, bei denen die Schaftflächen jeweils an ihrem zu dem Kolbenboden gerichteten Ende breiter sind, als an dem entgegengesetzten Ende.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert .
Es zeigen:
Fig. 1 eine Unteransicht des erfindungsgemäßen Kolbens; und
Fig. 2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kolbens.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, sind eine Schaftfläche 12, die bei dem gezeigten Beispiel auf der Gegendruckseite vorgesehen ist, und eine Schaftfläche 14 auf der Druckseite durch
Verbindungswände 20 mit einer Kolbennabe 26, welche die Kolbenbolzenbohrung aufweist, verbunden. Die Schaftfläche 12 auf der Gegendruckseite ist deutlich kleiner, insbesondere schmäler, wie ergänzend in der Seitenansicht von Fig. 2 erkennbar. Es kann jedoch auch die Schaftfläche 14 auf der Druckseite kleiner ausgeführt werden, wenn die Position der Ölspritzdüse auf der Gegendruckseite liegt.
In Fig. 1 ist ergänzend zu sehen, dass ein Kühlkanalauslas s 16 im Wesentlichen zentral angeordnet ist, während der
Kühlkanaleinlass 24 seitlich vorgesehen ist. Im Hinblick auf die Druckseite ist in Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform dergestalt gezeigt, dass die Schaftwand an dieser Seite an ihrer Innenseite am unteren Ende eine Konvexität 22 aufweist. Sie erstreckt sich jedoch bevorzugt über die gesamte "Höhe" der Schaftwand in Richtung der Kolbenachse. Mit anderen Worten, ist die Schaftwand im Wesentlichen mittig verdickt oder zur Innenseite ausgebaucht. Die Konvexität erstreckt sich beispielsweise über etwa ein Drittel der Breite der Schaftfläche 14 und ist, ebenso wie die beiden Übergänge zu der Wanddicke der Schaftfläche 14, gerundet ausgeführt.
Insoweit entsteht zu beiden Seiten der Konvexität 22 jeweils eine Konkavität.
In Fig. 2 ist ergänzend erkennbar, dass die kleinere
Schaftfläche 12 an ihrem zu dem Kolbenboden 18 gerichteten Ende etwas breiter ist als am entgegengesetzten Ende. Mit Ausnahme des deutlich abgeschrägten unteren Endes beträgt jedoch die in Umfangsrichtung gemessene Breite am oberen Ende maximal 120% der Breite am unteren Ende. Im Übrigen verlaufen die seitlichen Ränder von zumindest einer, bevorzugt beiden Schaftflächen 12, 14 weitgehend geradlinig. Schließlich weist die größere Schaftfläche 14 bei dem gezeigten Beispiel am oberen und unteren Ende eine im Wesentlichen übereinstimmende Breite auf.

Claims

Patentansprüche
1. Stahlkolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit zumindest einem Kühlkanal und Schaftflächen (12, 14), mit denen der Kolben (10) im Einbauzustand auf einer Druck- und einer Gegendruckseite an einer Zylinderbohrung oder einer Zylinderlaufbuchse anliegt,
wobei eine Schaftfläche (12) eine um 25-50% geringere Breite aufweist als die andere Schaftfläche, und
ein Kühlkanalauslass (16) zentral auf der Seite der schmäleren Schaftfläche angeordnet ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schmälere Schaftfläche (12) an einem zu einem Kolbenboden (18) gerichteten Ende breiter ist als an einem zu dem
Kolbenboden (18) entgegengesetzten Ende.
3. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftflächen (12, 14) mit einer Kolbennabe (26) durch Verbindungswände (20) verbunden sind, und zumindest eine Verbindungswand (20) zwischen Schaftfläche (12, 14) und der Kolbennabe (26) schräg ausgeführt ist.
4. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die breitere Schaftfläche (14) zumindest eine Konvexität (22) auf der Innenseite aufweist.
5. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus zumindest zwei durch
Reibschweißen verbundenen Komponenten besteht.
PCT/EP2017/070830 2016-11-28 2017-08-17 Stahlkolben für einen verbrennungsmotor Ceased WO2018095601A1 (de)

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