EP1180592A2 - Stahlkolben - Google Patents

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EP1180592A2
EP1180592A2 EP01117240A EP01117240A EP1180592A2 EP 1180592 A2 EP1180592 A2 EP 1180592A2 EP 01117240 A EP01117240 A EP 01117240A EP 01117240 A EP01117240 A EP 01117240A EP 1180592 A2 EP1180592 A2 EP 1180592A2
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EP
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piston
gap
ring section
base part
section
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Ulrich Landau
Werner Landvatter
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KS Kolbenschmidt GmbH
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KS Kolbenschmidt GmbH
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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 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/04—Heavy metals
    • F05C2201/0433—Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0448—Steel

Definitions

  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine according to the features of The preamble of claim 1.
  • a piston for an internal combustion engine is known from EP 0 804 680 B1, in which a Ring section or a lower part of the ring section via a welding or soldering process is connected to the piston crown or an upper part of the ring section.
  • the Ring section and the piston crown (base part) creates a circumferential, downward free Space that is closed by a component so that a cooling channel is created.
  • a piston is also known from DE 36 43 039 A1 or DE 198 46 152 A1 which a ring section is welded to a base part of the piston.
  • This piston points several bores directed into the cooling channel, through which the cooling channel connects with a Cooling medium, especially engine oil, is supplied.
  • This cooling medium is used with appropriate Agents injected into the interior of the piston and the cooling channel through the holes fed. The drainage also takes place through these holes.
  • the purpose of the cooling channel is that through the cooling medium flowing through the cooling channel, especially engine oil, the piston crown area is cooled to protect it from damage to protect due to high combustion chamber temperatures.
  • the cooling channel it is necessary to provide the cooling channel with an opening through which the cooling medium can flow into the cooling channel. So make the DE 36 43 039 A1 or DE 198 46 152 A1 between the cooling channel and the interior of the piston Holes represent an additional manufacturing step. At the same time, these holes are located at a point in the piston that weakens the strength of the piston.
  • the invention is therefore based on the object of a piston for an internal combustion engine to simplify its manufacture without reducing the stability.
  • the cooling medium can exit the cooling channel through this opening (this gap) be removed so that in addition to the opening for the supply of the cooling medium to additional Bores in the piston can be omitted.
  • the cooling medium is supplied advantageously at least one opening, which is also provided in the ring section is. This means that all openings, regardless of their geometric shape, are in one area arranged of the piston, through which the strength of the piston is not impaired. The Arrangement of an opening in the base part can thus be avoided.
  • the gap is created by the attachment and the shape of the Ring section with respect to the base part. This means that the ring section and the Corresponding areas of the base part are matched to one another in such a way that Attachment of the ring section the gap is created by itself. Work steps for introduction the gap is thus completely eliminated.
  • the further opening in particular the Gap, introduced after the attachment of the ring section to the base part. That means, that the shape of the ring section and the corresponding shape of the base part so are coordinated with one another that after the ring section has been fitted, the cooling channel is largely or completely closed.
  • the at least one further opening (of the gap) can be multiple holes or circumferential gaps. hereby a further step is required, but this is therefore accepted can be because the opening in order to supply the cooling medium in one area of the piston is arranged, through which the piston crown area is not weakened.
  • the ring section is attached by means of a welding process attachable to the base part. This can be done in a simple and known manner Ring section are attached to the base part after its manufacture. Base part and For example, ring sections can both be produced using the casting process.
  • the piston is preferably made of steel.
  • a weld joint is arranged in alignment with the gap. This has the advantage that the joint and the gap area of the base part before attachment of the ring section can be processed with the same dimension.
  • FIG. 1 shows sections of the base area of a piston for an internal combustion engine. It is a pendulum-shaft piston. The rest of the piston design it does not matter, for the sake of completeness the construction of a piston on the Figure 1 together with the associated description of EP 0 804 680 B1 and Figure 1 together with the associated Description of DE 198 46 152 A1 is referred.
  • the piston shown in FIG. 1 has a base part 1, a combustion chamber trough 2 being present in the base region.
  • a prefabricated ring section 3, which later carries the piston rings, is attached to the base part by means of a welding process in the area of a weld joint 4.
  • the ring section 3 has a web 5 which is directed in the direction of the base part 1, but does not come into contact with it, so that the web 5 and the corresponding region of the base part 1 form a gap 6.
  • Cooling medium such as engine oil, can be fed via this gap 6 to a cooling channel 7, which is likewise formed by the shape of the base part 1 and the ring section 3.
  • the gap 6 is shown larger in the figures for the purpose of clarifying the geometric configuration than in reality.
  • the gap 6, that is to say the gap dimension, or else the size of the one or more openings, is to be selected so that an optimal volume flow into the cooling channel 7 and in particular through the gap 6 is given. Because it is desirable that the cooling medium remains in the cooling channel 7 for a sufficiently long time to absorb the heat and be removed again in good time.
  • the ring section 3 can be pushed into its end position from below, that is to say over the piston skirt, since the inner diameter of the ring section 3 in the region of the web 5 does not allow the ring section 3 to be pushed over the bottom region. This is possible with pendulum-shaft pistons because the diameter in the area of the piston skirt is smaller than the inner diameter in the area of the web 5.
  • Figure 2 shows a similar construction of a piston as in Figure 1, but with the difference that both the base part 1 and the ring portion 3 each have mutually facing projections 8 and 9, which form the gap 6.
  • the projections 8 and 9 can be of the same or different lengths.
  • the weld joint 4 and the gap 6 are in alignment, so that this simplifies the processing of the components involved.
  • a structure shown in Figure 2 can be realized both with pendulum-shaft and monoblock pistons, since the inside diameter in the area of the projection 9 (after the final assembly of the ring section 3 on the base part 1) is in any case the same or larger than the diameter of the bottom area without the ring section 3.
  • the ring section has at least one opening, via which the cooling medium in the internal combustion engine by means of suitable means in the cooling channel is injected. This opening and the means are definitely there.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kolben aus einem Basisteil (1) und einem daran angebrachten Ringabschnitt (3) besteht und das Basisteil (1) mit dem Ringabschnitt (3) einen Kühlkanal (7) bildet. Dem Kühlkanal (7) wird über eine Öffnung ein Kühlmedium zugeführt. Dieser Kolben ist dadurch gekennzeichnet, daß nach der Endbearbeitung des Kolbens zwischen dem Basisteil (1) und dem Ringabschnitt (3) zumindest eine Öffnung, insbesondere ein umlaufender Spalt (6), vorhanden ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Aus der EP 0 804 680 B1 ist ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem ein Ringabschnitt oder ein unterer Teil des Ringabschnittes über ein Schweiß- oder Lötverfahren mit dem Kolbenboden bzw. einem oberen Teil des Ringabschnittes verbunden ist. Durch den Ringabschnitt und den Kolbenboden (Basisteil) entsteht ein umlaufender, nach unten freier Raum, der durch ein Bauteil verschlossen wird, so daß ein Kühlkanal entsteht.
Aus der DE 36 43 039 A1 oder der DE 198 46 152 A1 ist ebenfalls ein Kolben bekannt, bei dem ein Ringabschnitt an ein Basisteil des Kolbens angeschweißt wird. Eine umlaufende Wand des Basisteils und das mit dem Basisteil verschweißte Bauteil bilden gemeinsam eine radial-äußere und axial-untere Begrenzungswand eines Kühlkanals. Dieser Kolben weist mehrere in den Kühlkanal gerichtete Bohrungen auf, über welche der Kühlkanal mit einem Kühlmedium, insbesondere Motoröl, versorgt wird. Dieses Kühlmedium wird mit entsprechenden Mitteln in den Kolbeninnenbereich gespritzt und über die Bohrungen dem Kühlkanal zugeführt. Der Abfluß erfolgt ebenfalls über diese Bohrungen.
Der Kühlkanal hat den Zweck, daß durch das den Kühlkanal durchströmende Kühlmedium, insbesondere Motoröl, der Kolbenbodenbereich gekühlt wird, um ihn vor Beschädigungen infolge hoher Brennraumtemparaturen zu schützen. Bei den bekannten Bauarten der Kolben ist es erforderlich, den Kühlkanal mit einer Öffnung zu versehen, durch welche das Kühlmedium in den Kühlkanal strömen kann. So stellen die bei der DE 36 43 039 A1 oder der DE 198 46 152 A1 zwischen dem Kühlkanal und dem Innenbereich des Kolbens vorhandenen Bohrungen einen zusätzlichen Herstellungsschritt dar. Gleichzeitig befinden sich diese Bohrungen an einer Stelle im Kolben, die die Festigkeit des Kolbens schwächt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine hinsichtlich seiner Herstellung zu vereinfachen, ohne daß die Stabilität verringert wird.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Es ist vorgesehen, daß nach der Endbearbeitung des Kolbens zwischen dem Basisteil und dem Ringabschnitt zumindest eine weitere Öffnung, insbesondere ein umlaufender Spalt, vorhanden ist. Durch diese Öffnung (diesen Spalt) kann das Kühlmedium aus dem Kühlkanal abgeführt werden, so daß außer der Öffnung für die Zufuhr des Kühlmediums auf zusätzliche Bohrungen im Kolben verzichtet werden kann. Die Zufuhr des Kühlmediums erfolgt in vorteilhafter über zumindest eine Öffnung, die ebenfalls in dem Ringabschnitt vorgesehen ist. Dadurch sind sämtliche Öffnungen, gleich welcher geometrischer Form, in einem Bereich des Kolbens angeordnet, durch den die Festigkeit des Kolbens nicht beeinträchtigt ist. Die Anordnung einer Öffnung im Basisteil kann damit vermieden werden.
In Weiterbildung der Erfindung entsteht der Spalt durch die Anbringung und die Form des Ringabschnittes in Bezug auf das Basisteil. Das bedeutet, daß der Ringabschnitt und der korrespondierende Bereich des Basisteils derart aufeinander abgestimmt sind, daß nach Anbringung des Ringabschnittes der Spalt von alleine entsteht. Arbeitsschritte zur Einbringung des Spaltes entfallen damit gänzlich.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird die weitere Öffnung, insbesondere der Spalt, nach der Anbringung des Ringabschnittes an dem Basisteil eingebracht. Das bedeutet, daß die Form des Ringabschnittes und die korrespondierende Form des Basisteils so aufeinander abgestimmt sind, daß nach Anbringung des Ringabschnittes der Kühlkanal weitestgehend oder vollständig geschlossen ist. Anschließend erfolgt die Einbringung der zumindest einen weiteren Öffnung (des Spaltes), wobei es sich auch anstelle eines umlaufenden Spaltes um mehrere Bohrungen oder teilumfängliche Spalten handeln kann. Hierdurch wird zwar ein weiterer Arbeitsschritt erforderlich, der jedoch deshalb in Kauf genommen werden kann, weil die Öffnung zwecks Zuführung des Kühlmediums in einem Bereich des Kolbens angeordnet ist, durch welchen der Kolbenbodenbereich nicht geschwächt wird.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Ringabschnitt mittels eines Schweißverfahrens an dem Basisteil anbringbar. Damit kann auf einfache und an sich bekannte Art und Weise der Ringabschnitt nach seiner Herstellung an dem Basisteil angebracht werden. Basisteil und Ringabschnitt können beispielsweise beide im Gießverfahren hergestellt werden. Der Kolben besteht vorzugsweise aus Stahl.
In Weiterbildung der Erfindung ist eine Schweißfuge in einer Flucht mit dem Spalt angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß der Fugen- und der Spaltbereich des Basisteiles vor Anbringung des Ringabschnittes mit dem gleichen Maß bearbeitet werden kann.
Zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, sind im folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
Es zeigen:
Figur 1:
einen Kolben, bei dem ein Ringabschnitt einen Steg aufweist und
Figur 2:
einen Kolben, bei dem sowohl der Ringabschnitt als auch das Basisteil einen Vorsprung aufweisen.
Figur 1 zeigt ausschnittsweise den Bodenbereich eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine. Es handelt sich hierbei um einen Pendelschaftkolben. Auf die übrige Bauart des Kolbens kommt es nicht an, wobei der Vollständigkeit halber auf den Aufbau eines Kolbens auf die Figur 1 nebst zugehöriger Beschreibung der EP 0 804 680 B1 bzw. die Figur 1 nebst zugehöriger Beschreibung der DE 198 46 152 A1 verwiesen wird.
Der in Figur 1 gezeigte Kolben weist ein Basisteil 1 auf, wobei im Bodenbereich eine Brennraummulde 2 vorhanden ist. Ein vorgefertigter Ringabschnitt 3, der später die Kolbenringe trägt, wird mittels eines Schweißverfahrens im Bereich einer Schweißfuge 4 an dem Basisteil angebracht. Der Ringabschnitt 3 weist einen Steg 5 auf, der in Richtung des Basisteiles 1 gerichtet ist, aber an diesem nicht zur Anlage kommt, so daß der Steg 5 und der korrespondierende Bereich des Basisteiles 1 einen Spalt 6 bilden. Über diesen Spalt 6 kann einem Kühlkanal 7, der ebenfalls durch die Form des Basisteiles 1 und des Ringabschnittes 3 gebildet ist, Kühlmedium, wie Motoröl, zugeführt werden. Der Spalt 6 ist in den Figuren zwecks Verdeutlichung der geometrischen Ausgestaltung größer dargestellt als in der Realität. Der Spalt 6, das heißt das Spaltmaß, oder aber auch die Größe der einen Öffnung oder mehrerer Öffnungen, ist dabei so zu wählen, daß ein optimaler Volumenfluß in den Kühlknanal 7 hinein und insbesondere über den Spalt 6 heraus gegeben ist. Denn es ist anzustreben, daß das Kühlmedium ausreichend lange Zeit im Kühlkanal 7 verbleibt, um die Wärme aufzunehmen, und rechtzeitig wieder abgeführt wird.
Der Ringabschnitt 3 kann von unten, also über den Kolbenschaft, in seine Endposition geschoben werden, da der Innendurchmesser des Ringabschnittes 3 im Bereich des Steges 5 es nicht gestattet, den Ringabschnitt 3 über den Bodenbereich zu schieben. Dies ist bei Pendelschaftkolben möglich, da der Durchmesser im Bereich des Kolbenschaftes kleiner ist als der Innendurchmesser im Bereich des Steges 5.
Figur 2 zeigt einen ähnlichen Aufbau eines Kolbens wie in Figur 1, jedoch mit dem Unterschied, daß sowohl das Basisteil 1 als auch der Ringabschnitt 3 jeweils einander zugewandte Vorsprünge 8 und 9 aufweisen, die den Spalt 6 bilden. Die Vorsprünge 8 und 9 können gleich oder unterschiedlich lang sein. In bevorzugter Ausgestaltung liegen die Schweißfuge 4 und der Spalt 6 in einer Flucht, so daß dadurch die Bearbeitung der beteiligten Bauteile vereinfacht wird.
Ein in Figur 2 gezeigter Aufbau ist realisierbar sowohl bei Pendelschaft- als auch bei Monoblockkolben, da der Innendurchmesser im Bereich des Vorsprunges 9 (nach der Endmontages des Ringabschnittes 3 auf dem Basisteil 1) auf jeden Fall gleich oder größer ist als der Durchmesser des Bodenbereiches ohne den Ringabschnitt 3. Bei Betrachtung der Figur 2 bedeutet dies, daß, wenn eine senkrechte Linie durch die Schweißfuge 4 gezogen wird, die Stirnseite des Vorsprunges 8 maximal von rechts und die Stirnseite des Vorsprunges 9 maximal von links, unter Bildung des Spaltes 6, an die senkrechte Linie heranreicht. Dies entspricht insbesondere den geometrischen Verhältnissen bei Monoblockkolben, da bei dieser Bauart der Ringabschnitt 3 nur, bei Betrachtung der Figur 2, von oben über den Kolbenbodenbereich aufgeschoben werden kann, wobei die Stirnseite des Vorsprunges 9 nicht nach rechts die senkrechte Linie überschreiten darf. Hingegen kann die Stirnseite des Vorsprunges 9 sowohl bei Pendelschaftkolben als auch bei Monoblockkolben die senkrechte Linie nach links überschreiten.
In den Figuren ist nicht gezeigt, daß der Ringabschnitt eine zumindest Öffnung aufweist, über die das Kühlmedium mittels geeigneter Mittel in der Brennkraftmaschine in den Kühlkanal eingespritzt wird. Diese Öffnung und die Mittel sind aber auf jeden Fall vorhanden.

Claims (7)

  1. Kolben für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kolben zumindest aus einem Basisteil (1) und einem daran angebrachten Ringabschnitt (3) besteht und das Basisteil (1) mit dem Ringabschnitt (3) einen Kühlkanal (7) bildet, wobei dem Kühlkanal (7) über eine Öffnung ein Kühlmedium zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Endbearbeitung des Kolbens zwischen dem Basisteil (1) und dem Ringabschnitt (3) zumindest eine weitere Öffnung, insbesondere ein umlaufender Spalt (6), vorhanden ist.
  2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (6) durch die Anbringung und die Form des Ringabschnittes (3) in Bezug auf das Basisteil (1) entsteht.
  3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Öffnung, insbesondere der Spalt (6), nach der Anbringung des Ringabschnittes (3) an dem Basisteil (1) eingebracht wird.
  4. Kolben nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringabschnitt (3) mittels eines Schweißverfahrens an dem Bauteil (1) anbringbar ist.
  5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schweißfuge (4) in einer Flucht mit dem Spalt (6) angeordnet ist.
  6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest an dem Ringabschnitt (3) ein in Richtung des Basisteiles (1) ausgerichteter Vorsprung (5) angeordnet ist, der zusammen mit der Wandung des Basisteiles (1) die weitere Öffnung, insbesondere den Spalt (6), bildet.
  7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil (1) einen den Spalt (6) zusammen mit dem Vorsprung (5) bildenden Vorsprung (8) aufweist.
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