DE3631279A1 - Piston for an internal combustion engine - Google Patents

Piston for an internal combustion engine

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Abstract

A complete insulation of the combustion chamber by means of materials with a low thermal conductivity led to previously unexpected effects, that is to an undesirable increase of the fuel consumption and the NOx content of the exhaust gases. Since insulation, however, especially of the piston, brings advantages in terms of the heat to be dissipated, because the running characteristics are thereby improved, the piston according to the invention offers an optimum compromise with regard to the insulation. The piston (1), which contains a combustion chamber recess (7), with the exception of the combustion chamber recess comprises at least one layer of material of low thermal conductivity (9, 11, 18) with a dense surface (Fig. 1). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Verbrennungs­ kraftmaschine, bestehend aus einem Kolbenschaft, auf dem ein Kolbenboden befestigt ist, der eine Brennraum­ mulde enthält.The invention relates to a piston for a combustion Engine consisting of a piston skirt on which a piston crown is attached to a combustion chamber trough contains.

Überlegungen hinsichtlich der Optimierung von Verbren­ nungsabläufen in Verbrennungskraftmaschinen führten dazu, die Brennräume der Zylinder von den übrigen Motorenteilen zu isolieren. Der Wirkungsgrad des Motorprozesses sollte erhöht werden, weil der an das Kühlsystem abgeführte An­ teil der Verbrennungswärme auf ein Minimum herabgesetzt wird. Der spezifische Kraftstoffverbrauch sowie die Schad­ stoffemission sollten vermindert werden.Considerations for optimizing combustion processes in internal combustion engines led to the combustion chambers of the cylinders of the other engine parts isolate. The efficiency of the engine process should be increased because of the to the cooling system part of the heat of combustion is reduced to a minimum becomes. The specific fuel consumption as well as the damage emissions should be reduced.

Eine der konstruktiven Lösungen besteht darin, den Kolben­ boden aus einem Werkstoff geringer Wärmeleitfähigkeit zu fertigen. Der Kolbenboden besteht dabei in der Regel aus einem Keramikteil, in dem auch, je nach Bauart, eine Brennraummulde eingearbeitet sein kann. Ein Beispiel für solch eine ausgeführte Kolbenbodenisolierung mit einem auf den Kolbenschaft aufgesetzten Kolbenboden aus Keramik ist in der DE-OS 27 57 668 beschrieben. One of the constructive solutions is the piston floor made of a material with low thermal conductivity manufacture. The piston crown usually consists of a ceramic part, in which, depending on the design, a Combustion chamber trough can be incorporated. An example for such a piston head insulation with a the piston skirt is made of ceramic described in DE-OS 27 57 668.  

Untersuchungen der Anmelderin haben aber ergeben, daß die oben angeführten Überlegungen und die theoretischen Be­ rechnungen nicht mit Versuchsergebnissen übereinstimmen. Bei der Brennraumisolierung mit keramischem Werkstoff stieg der Kraftstoffverbrauch an und ein unerwünschter An­ stieg des NOx-Gehalts der Abgase wurde ebenfalls festge­ stellt.Investigations by the applicant have shown, however, that the considerations above and the theoretical Be calculations do not match test results. When insulating the combustion chamber with ceramic material fuel consumption increased and an undesirable increase The NOx content of the exhaust gases was also increased poses.

Beide Effekte werden auf eine Änderung des Gemischbildungs­ und Verbrennungsablaufes zurückgeführt, die durch die stark erhöhten Oberflächentemperaturen im Bereich der mit Keramik oder sonstigen, schlecht wärmeleitfähigen Werk­ stoffen ausgekleideten Mulde hervorgerufen wird. Die Grün­ de liegen in dem nichtlinearen überproportionalen Anstieg des Wärmeübergangskoeffizienten bei hohen Brennraumwand- Temperaturen.Both effects are due to a change in mixture formation and combustion process, which is caused by the greatly increased surface temperatures in the range of Ceramics or other work with poor thermal conductivity fabric-lined hollow is caused. The green de lie in the non-linear disproportionate increase of the heat transfer coefficient with high combustion chamber wall Temperatures.

Andererseits ist aber eine Wärmeisolation, besonders des Kolbenbodens, erwünscht. Diese Isolation bewirkt eine thermische Entlastung des Kolbens, insbesondere sinkt die als kritisch angesehene Temperatur der ersten Ringnut. Die Leistung des Motors kann deshalb gesteigert werden und der Kolbenlauf verbessert sich.On the other hand, there is thermal insulation, especially that Piston crown, desired. This isolation causes one thermal relief of the piston, in particular the the critical temperature of the first ring groove. The Motor performance can therefore be increased and the Piston run improves.

Aufgabe der Erfindung ist es, aufgrund der gegensätzlichen Wirkungen der Kolbenisolierung den Kolbenboden einer Ver­ brennungskraftmaschine so zu gestalten, daß gute Laufei­ genschaften erreicht werden, ohne Verschlechterung der Verbrennungs- und Abgasqualität.The object of the invention is based on the opposite Effects of piston insulation on the piston crown of a ver to design the internal combustion engine so that good running egg properties can be achieved without worsening the Combustion and exhaust gas quality.

Die Aufgabe wird mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. The task is accomplished using the distinctive features of claim 1 solved.  

Erfindungsgemäß besteht der Kolbenboden mit Ausnahme der Brennraummulde aus mindestens einer Werkstoffschicht ge­ ringer Wärmeleitfähigkeit mit dichter Oberfläche. Die Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit bewirkt, daß in den Bereichen, wo sie aufgebracht ist, die in den Kol­ ben eingebrachte Wärme stark reduziert wird. Dadurch er­ gibt sich eine geringere thermische Belastung des Kolbens, besonders im Bereich der Kolbenringe.According to the invention, the piston crown, with the exception of Combustion chamber trough made of at least one material layer ringer thermal conductivity with dense surface. The Material layer of low thermal conductivity causes in the areas where it is applied, which in the col heat is greatly reduced. Thereby he there is less thermal stress on the piston, especially in the area of piston rings.

Die Brennraummulde, die der höchsten thermischen Belastung ausgesetzt ist, ist nicht isoliert, so daß die entstehende Wärme gut abgeführt werden kann. Dadurch vermindert sich in vorteilhafter Weise die Temperatur der Brennraummulde unter die Temperatur einer isolierten Brennraummulde. Das hat eine positive Auswirkung auf die Gemischbildung und den Verbrennungsablauf. Der Brennstoffverbrauch und die Schadstoffemission sinken gegenüber dem Kolben mit iso­ lierter Brennraummulde.The combustion chamber trough, the one with the highest thermal load is not isolated, so that the resulting Heat can be dissipated well. This reduces advantageously the temperature of the combustion chamber trough below the temperature of an insulated combustion bowl. The has a positive effect on mixture formation and the combustion process. The fuel consumption and the Pollutant emissions decrease compared to the piston with iso lined combustion chamber bowl.

Die Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit kann aus einem Metall bestehen, wie beispielsweise Eisenlegierungen, die für den Einsatz in dem Brennraum einer Verbrennungs­ kraftmaschine geeignet sind und gleichzeitig die Eigen­ schaft einer geringern Wärmeleitfähigkeit aufweisen.The material layer with low thermal conductivity can be made of a metal, such as iron alloys, those for use in the combustion chamber of a combustion engine are suitable and at the same time own have a lower thermal conductivity.

Die Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit kann aber auch aus einem keramischen Werkstoff bestehen. Dieser ke­ ramische Werkstoff kann als eine Spritzschicht aufgebracht werden oder als eine Platte auf dem Kolbenschaft aufge­ schraubt werden. In vorteilhafter Weise lassen sich durch Spritzen aufzubringende Werkstoffe leicht verarbeiten, während sich die zu Platten geformten keramischen Werk­ stoffe, die beispielsweise aufgeschraubt sind, nach einer Beschädigung leicht auswechseln lassen.The material layer of low thermal conductivity can also consist of a ceramic material. This ke ramische material can be applied as a spray layer be or as a plate on the piston skirt be screwed. Advantageously, Process materials to be sprayed easily,  while the ceramic work formed into panels substances that are screwed on, for example Have damage easily replaced.

Die Oberfläche der Werkstoffschichten geringer Wärmeleit­ fähigkeit, die den Brennraum begrenzen, sollen eine dichte und glatte Oberfläche aufweisen. Dadurch wird sehr stark die Möglichkeit verringert, daß sich Verbrennungsrückstän­ de auf der Oberfläche festsetzen und die Wärmeleitfähig­ keit beeinflussen.The surface of the material layers with low thermal conductivity Ability to limit the combustion chamber should be a tight and have a smooth surface. This makes it very strong reduces the possibility of combustion residues de fix on the surface and the thermal conductivity influence.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Kolbenboden aus einer schichtweisen Kombination der Werkstoffschichten geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen. Beispielsweise ist es möglich, metallische und keramische Werkstoffschichten miteinander zu kombinieren, um einerseits dadurch eine op­ timale Isolationswirkung zu erreichen und andererseits ei­ ne bestimmte, erwünschte Festigkeit.In one embodiment of the invention, the piston crown from a layer-by-layer combination of the material layers low thermal conductivity exist. For example it is possible to use metallic and ceramic material layers to combine with each other to create an op to achieve maximum isolation effect and on the other hand ei ne certain desired strength.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Erfindung ist die lösbare Verbindung der Werkstoffschichten geringer Wärme­ leitfähigkeit mit dem Kolbenschaft. Bei Verschleiß oder Beschädigung lassen sich die Werkstoffschichten somit leicht auswechseln.An advantageous embodiment of this invention is Detachable connection of the material layers of low heat conductivity with the piston skirt. With wear or The material layers can thus be damaged easy to replace.

Zur Erhöhung der Isolationswirkung kann sich mindestens zwischen der Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit, die dem Kolbenschaft am nächsten liegt, und dem Kolben­ schaft ein allseits geschlossener, mit Luft gefüllter Spalt befinden. To increase the insulation effect can at least between the material layer of low thermal conductivity, closest to the piston skirt and the piston shaft is closed on all sides, filled with air Gap.  

Luft ist ein besonderes schlechter Wärmeleiter. Somit ha­ ben die Luftspalte zwischen den einzelnen Werkstoffschich­ ten eine zusätzliche Isolationswirkung. Diese Luftspalte zwischen den einzelnen Werkstoffschichten behindern vor­ teilhafterweise den Wärmeübergang von einer Werkstoff­ schicht auf die andere. Die Isolationswirkung wird so mit einem geringen Aufwand gesteigert.Air is a particularly bad heat conductor. So ha ben the air gaps between the individual material layer an additional insulation effect. This air gap hinder between the individual layers of material partly the heat transfer from a material layer on top of the other. The insulation effect is so increased with little effort.

Anhand zweier Ausführungsbeispiele wird der erfindungsge­ mäße Kolben mit seinen kennzeichnenden Merkmale in weite­ rer vorteilhafter Ausgestaltung näher erläutert.Based on two embodiments, the fiction, moderate piston with its characteristic features in wide rer advantageous embodiment explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen Kolben einer Verbrennungskraftmaschine mit ei­ ner Brennraummulde, bei dem der Kolbenboden aus Werkstoffschichten geringer Wärmeleitfähigkeit be­ steht; Figure 1 shows a piston of an internal combustion engine with egg ner combustion chamber, in which the piston crown is made of layers of material with low thermal conductivity BE.

Fig. 2 zeigt ebenfalls einen Kolben für eine Verbrennungs­ kraftmaschine mit einer Brennraummulde. Bei diesem Kolben besteht auch der Feuersteg aus einer Werk­ stoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit. Fig. 2 also shows a piston for an internal combustion engine with a combustion chamber trough. With this piston, the top land also consists of a layer of material with low thermal conductivity.

Fig. 1 zeigt einen Kolben, bei dem die Wärmeisolation als Werkstoffschichten geringer Wärmeleitfähigkeit auf dem Kolbenschaft aufgeschraubt worden sind. Fig. 1 shows a piston in which the heat insulation as material layers of low thermal conductivity have been screwed onto the piston skirt.

Der Kolben 1 weist ein Bolzenauge 2 auf, in dem die hier nicht dargestellte Pleuelstange befestigt ist. Der Kolben­ schaft 3 weist Ringnuten 4, 5 und 6 auf, in denen die Kol­ benringe, die hier ebenfalls nicht dargestellt sind, ein­ gelegt werden. Die besonders ausgestaltete Nut 4 nimmt beispielsweise den Kompressionsring auf, während die Nuten 5 und 6 Ölabstreifringe aufnehmen. The piston 1 has a pin eye 2 in which the connecting rod, not shown here, is fastened. The piston shaft 3 has annular grooves 4 , 5 and 6 , in which the Kol benrings, which are also not shown here, are placed. The specially designed groove 4 receives, for example, the compression ring, while the grooves 5 and 6 accommodate oil control rings.

In dem Kolbenboden 8 befindet sich zentral die Brennraum­ mulde 7, die symmetrisch zu der Mittelachse des Kolbens angelegt ist.In the piston crown 8 is the combustion chamber trough 7 , which is symmetrical to the central axis of the piston.

Der Kolbenboden 8 besteht aus zwei Werkstoffschichten ge­ ringer Wärmeleitfähigkeit. Die oberste Schicht ist eine Keramikschicht 9. Es ist eine Platte, die an ihrer Unter­ seite eine Vielzahl von Stegen 10 aufweist, mit der sie sich auf eine zweite Werkstoffschicht, eine Eisenlegierung 11, abstützt. Zwischen den Stegen befindet sich ein mit Luft gefüllter Spalt 12, der der weiteren Isolierung zwi­ schen der Keramikplatte und der Platte aus der Eisenlegie­ rung dient. Die Stege 10 verhindern, daß bei der hohen Druck- und Temperaturbelastung die Platte bricht. Unter­ halb der Platte 11 aus der Eisenlegierung befindet sich ebenfalls ein mit Luft gefüllter Spalt 13 zur Isolierung gegenüber dem Kolbenschaft 3.The piston crown 8 consists of two layers of material ge low thermal conductivity. The top layer is a ceramic layer 9 . It is a plate which has a plurality of webs 10 on its underside, with which it is supported on a second material layer, an iron alloy 11 . Between the webs there is an air-filled gap 12 , which serves for further insulation between the ceramic plate and the plate made of iron alloy. The webs 10 prevent the plate from breaking under the high pressure and temperature load. Under half of the iron alloy plate 11 there is also an air-filled gap 13 for insulation from the piston skirt 3 .

Eine Schraubverbindung 16 sorgt für eine Befestigung der einzelnen Werkstoffschichten 9 und 11 mit dem Kolbenschaft 3. Hier liegt eine lösbare Verbindung vor, wodurch sich die einzelnen Werkstoffschichten bei Verschleiß leicht auswechseln lassen.A screw connection 16 ensures that the individual material layers 9 and 11 are fastened to the piston skirt 3 . There is a detachable connection here, which means that the individual layers of material can be easily replaced when worn.

Ein Ringkanal für Kühlöl 17 sorgt für eine zusätzliche Ab­ führung der Wärme von der Wandung der Brennraummulde 7. Aufgrund der guten Wärmeabfuhr aus der Brennraummulde sinkt die Temperatur in deren Wandung, so daß sich ein be­ sonders günstiger Temperaturbereich für die Gemischbildung und den Verbrennungsablauf einstellt.An annular channel for cooling oil 17 provides additional heat from the wall of the combustion chamber trough 7 . Due to the good heat dissipation from the combustion chamber trough, the temperature in the wall drops, so that a particularly favorable temperature range for the mixture formation and the combustion process is established.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Kolbens. Die mit der in Fig. 1 übereinstimmenden Merkmale sind mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeich­ net. Fig. 2 shows a further embodiment of the piston according to the Invention. The features corresponding to those in Fig. 1 are identified by the same reference numerals.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt nicht nur eine Isolation des Kolbenbodens, sondern auch des seitlichen Feuerstegs. Bei der Werkstoffschicht geringer Wärmeleit­ fähigkeit 18 handelt es sich im vorliegenden Fall um eine Eisenlegierung. Die Werkstoffschicht hat eine Ringform mit L-förmigem Querschnitt. Dieser Ring ist auf dem Kolben­ schaft 3 aufgeschraubt. Damit dieser Ring nicht von dem Kolbenschaft heruntergedrückt wird, sind die Seitenwände der Brennraummulde 7 so weit hochgezogen, daß sie die in­ nere Kante des Ringes abdecken.In the present exemplary embodiment, not only is the piston crown insulated, but also the lateral top land. The material layer of low thermal conductivity 18 is an iron alloy in the present case. The material layer has a ring shape with an L-shaped cross section. This ring is screwed onto the piston shaft 3 . So that this ring is not pressed down by the piston skirt, the side walls of the combustion chamber trough 7 are pulled up so far that they cover the inner edge of the ring.

In Abwandlung dieser Ausführung ist es denkbar, daß der Ring 18 aus einem Werkstoff geringer Wärmeleitfähigkeit auch aus mehreren Schichten verschiedener Werkstoffe be­ stehen kann. Es ist außerdem denkbar, daß sich zwischen diesen Werkstoffschichten Luftspalte befinden, um dadurch die Wärmeleitung noch stärker zu unterbinden.In a modification of this embodiment, it is conceivable that the ring 18 can be made of a low thermal conductivity material from several layers of different materials be. It is also conceivable that there are air gaps between these layers of material, in order to prevent the heat conduction even more.

Claims (6)

1. Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einem Kolbenschaft auf dem ein Kolbenboden befestigt ist, der eine Brennraummulde enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (8) mit Aus­ nahme der Brennraummulde (7) aus mindestens einer Werk­ stoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit mit dichter Ober­ fläche besteht.1. Piston for an internal combustion engine, consisting of a piston skirt on which a piston crown is attached which contains a combustion chamber trough, characterized in that the piston crown ( 8 ) with the exception of the combustion chamber trough ( 7 ) from at least one material layer of low thermal conductivity with a tight upper area exists. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit aus einem Metall (11, 18) besteht.2. Piston according to claim 1, characterized in that the material layer of low thermal conductivity consists of a metal ( 11 , 18 ). 3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit aus keramischem Werkstoff (9) besteht.3. Piston according to claim 1, characterized in that the material layer of low thermal conductivity consists of ceramic material ( 9 ). 4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (8) aus einer schichtweisen Kombination der in den vorhergehenden An­ sprüchen genannten Werkstoffe (9, 11) besteht.4. Piston according to one of claims 1 to 3, characterized in that the piston head ( 8 ) consists of a layered combination of the materials mentioned in the preceding claims ( 9 , 11 ). 5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffschicht bzw. Werkstoffschichten (9, 11, 18) mit dem Kolbenschaft (3) lösbar verbunden ist bzw. sind.5. Piston according to one of claims 1 to 4, characterized in that the material layer or layers ( 9 , 11 , 18 ) with the piston skirt ( 3 ) is or are releasably connected. 6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens zwischen der Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit (11) und dem Kolbenschaft (3) ein allseits geschlossener, mit Luft ge­ füllter Spalt (13) befindet.6. Piston according to one of claims 1 to 5, characterized in that there is at least between the material layer of low thermal conductivity ( 11 ) and the piston skirt ( 3 ) an all-round, air-filled gap ( 13 ).
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