EP1546536B1 - Einteiliger kuehlkanalkolben fuer einen verbrennungsmotor - Google Patents

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EP1546536B1 EP03769202A EP03769202A EP1546536B1 EP 1546536 B1 EP1546536 B1 EP 1546536B1 EP 03769202 A EP03769202 A EP 03769202A EP 03769202 A EP03769202 A EP 03769202A EP 1546536 B1 EP1546536 B1 EP 1546536B1
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Peter Kemnitz
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    • 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
    • F02F3/225—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid the liquid being directed into blind holes
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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 one-piece cooling channel piston for an internal combustion engine, comprising a piston head forged from steel, comprising a combustion recess in the piston head, a ring wall with a ring section and a closed cooling channel circulating at the level of the ring section, wherein a piston shaft is connected to the hubs attached to the piston head.
  • Generic one-piece cooling channel piston are for example from the EP 0 799 373 B1 or DE 100 13 395 C1 known.
  • a piston blank is prepared by forging, an annular recess and the downwardly open cooling channel introduced by means of a machining and then finished the outer contour of the piston finished.
  • the axial height of the annular recess corresponds to the EP 0 799 373 B1 at least the axial height of the cooling channel. This is necessary because for the preparation of the downwardly open cooling channel a hook-shaped turning tool must be inserted into the recess and rotated by appropriate axial and radial delivery of the cooling channel in its desired shape.
  • the disadvantage of these pistons is that the height of the hook-shaped turning tool determines the cooling channel height to be achieved and thus the amount of heat to be dissipated from the piston crown due to high wall thicknesses.
  • the recess would have to be increased for the introduction of the turning tool, but would be accompanied by an undesirable increase in the height of the piston.
  • the invention is therefore based on the object of specifying an improved piston concept for a one-piece cooling channel piston, with which a cost-effective production of low piston height is guaranteed and can be counteracted with the effect of a piston deformation due to the effect of high gas pressures and temperatures.
  • the object is achieved in particular by the fact that a cooling channel formed in the piston head distributed on its circumference to the piston crown directed towards holes with such distances from each other, that the existing between the holes piston material forms support ribs for the piston crown.
  • the cooling channel can be formed closer to the piston head or combustion bowl and still has an excellent dimensional stability with a low piston height.
  • the arrangement of the support ribs a kind of chamber formation in the cooling channel, d. H. Generation of shaker chambers, whereby an extension of the residence time of the cooling oil and thus improved heat dissipation of the piston areas to be cooled is achieved.
  • the cooling effect can be further improved by an increased number of bores in the regions of the cooling channel in which the firing jets strike the piston crown.
  • the one-piece cooling channel piston consists of a forged piston head 1 made of steel or malleable Al alloy with a combustion bowl 3 in its piston crown 2, an annular wall 4 with ring portion 11, at the height of the ring section 11 encircling closed cooling channel 7, wherein a piston skirt 9 with the connected to the piston head 1 hubs 12 is connected.
  • the production of the piston takes place after EP 0 799 373 B1 , wherein before closing the cooling channel 7 by means of a cover 13 according to the invention in the cooling channel 7 holes 14 are provided, which are distributed symmetrically distributed on the circumference and in the direction of the piston head 2, that is parallel to the piston longitudinal axis K introduced.
  • the depth h B of the holes 14 is a maximum of a quarter of the total height H of the cooling channel 7, so that an unhindered cooling oil circuit is ensured.
  • the cooling oil inlet 5 and the cooling oil outlet 10 is arranged opposite in a cooling channel cover 13, which consists of a two-part spring element. Through the cooling channel cover 13, the closure of the cooling channel 7 takes place at its end open to the piston skirt 9.
  • FIGS. 3 and 4 show, designated between the holes 14 material areas supporting ribs 8, whose width is determined by the distance of the holes 14.
  • the holes 14 are in the cooling channel 7 circumferentially spaced such that it corresponds to at least half the diameter of the holes 14, wherein the bore diameter are all identical. It is, of course, at the discretion of the skilled person, even different bore diameter then the distance should be half of the largest bore diameter to counteract piston deformation during engine operation.
  • the holes 14 and thus the support ribs 8 are, as in Fig. 4 represented, distributed radially symmetrically over the circumference of the cooling channel 7 arranged.
  • the number of holes 14 and thus the distribution of the support ribs 8 may be designed so that a greater number of support ribs 8 is arranged in pressure-back pressure direction D or GD, as transverse to, ie, a unbalanced circumferential distribution in the cooling channel 7 takes place.
  • the distribution of the bores 14 and thus of the support ribs 8 in the cooling channel 7 when it is characterized according to the quadrant formed by the piston main axes K H I - IV be such that within a quadrant a symmetric ( Fig.
  • the cooling effect can be further improved by an increased number of bores in the regions of the cooling channel 7 in which the firing jets of the ignited fuel strike the piston crown 2. As a result, in the load case, the occurring stress loads of the piston can be better countered.
  • the holes 14 can be realized by round holes, as in the FIGS. 4 and 6 shown, or by elongated holes (not shown), which are aligned with its long side in the direction of the piston center radially outward to the piston wall. With these respective embodiments of the bore arrangements is achieved that they have different distances and thus the formed as a support ribs 8 material is increased. Decisive for the spacing of the bores is that this corresponds from the bore axis to the bore axis circumferentially at least half of the largest bore diameter used.
  • the tips of the holes 14 may be round or, as in Fig. 1 shown to be angled.
  • the axes of the holes 14 can, as Fig. 1 shows, parallel to the piston longitudinal axis K and / or, that is, in combination, to be arranged at an acute angle thereto, the bores preferably in the direction of the piston head 2 and the combustion bowl 3 show.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen einteiligen Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenkopf, der eine Verbrennungsmulde im Kolbenboden, eine Ringwand mit Ringpartie und einen auf Höhe der Ringpartie umlaufenden geschlossenen Kühlkanal umfasst, wobei ein Kolbenschaft mit den am Kolbenkopf angehängten Naben verbunden ist.
  • Gattungsgemäße einteilige Kühlkanalkolben sind beispielsweise aus der EP 0 799 373 B1 oder DE 100 13 395 C1 bekannt. Bei den dort benannten Kühlkanalkolben wird ein Kolbenrohling durch Schmieden hergestellt, eine ringförmige Ausnehmung und der nach unten offene Kühlkanal mittels einer spanabhebender Bearbeitung eingebracht und anschließend die Außenkontur des Kolbens fertig bearbeitet. Die axiale Höhe der ringförmigen Ausnehmung entspricht bei der EP 0 799 373 B1 mindestens der axialen Höhe des Kühlkanals. Das ist erforderlich, da zur Herstellung des nach unten offenen Kühlkanals ein hakenförmiger Drehmeißel in die Ausnehmung eingeführt und durch entsprechende axiale und radiale Zustellung der Kühlkanal in seiner gewünschten Form ausgedreht werden muss.
  • Nachteilig bei diesen Kolben ist, dass durch die Höhe des hakenförmigen Drehmeißels die zu erreichende Kühlkanalhöhe und damit die vom Kolbenboden abzuleitende Wärmemenge infolge hoher Wanddicken bestimmt wird. Um die Kühlkanalhöhe zu vergrößern bzw. die Wanddicke zwischen Kühlkanal und Kolbenboden zu verringern, müsste die Ausnehmung zur Einführung des Drehmeißels vergrößert werden, mit der aber eine unerwünschte Vergrößerung der Bauhöhe des Kolbens einhergehen würde.
  • Andererseits würde die Kolbenstabilität infolge vorgenannter verringerter Wandstärke abnehmen. Damit sind diese vorgenannten Herstellungsverfahren bzw. Kolbenkonstruktionen nicht geeignet, den Kolben hinsichtlich seiner Bauhöhe sowie seiner Stabilität für hohe Zünddrücke und Temperaturen, wie sie bei modernen Dieselmotoren auftreten, zu verbessern.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kolbenkonzept für einen einteiligen Kühlkanalkolben anzugeben, mit dem eine kostengünstige Herstellung geringer Kolbenbauhöhe gewährleistet ist und mit dem wirksam einer Kolbendeformation infolge Einwirkung hoher Gasdrücke und Temperaturen entgegengewirkt werden kann.
  • Gelöst wird die Aufgabe insbesondere dadurch, dass ein im Kolbenkopf eingeformter Kühlkanal auf seinem Umfang verteilt zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen mit derartigen Abständen voneinander aufweist, dass das zwischen den Bohrungen vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen für den Kolbenboden bildet.
  • Bei einem derart hergestellten Kolben kann zumindest ein Teil des Kühlkanals näher in Richtung Kolbenboden bzw. Verbrennungsmulde ausgeformt werden und weist trotzdem eine ausgezeichnete Formstabilität bei einer geringen Kolbenbauhöhe auf. Außerdem erfolgt durch die Anordnung der Stützrippen eine Art Kammerbildung im Kühlkanal, d. h. Erzeugung von Shaker-Räumen, wodurch eine Verlängerung der Verweildauer des Kühlöls und damit verbesserte Wärmeableitung der zu kühlenden Kolbenbereiche erreicht wird. Insbesondere kann durch eine erhöhte Bohrungsanzahl in den Bereichen des Kühlkanals, in denen die Brennstrahlen auf den Kolbenboden treffen, die Kühlwirkung weiter verbessert werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    einen erfindungsgemäßen Kolben im Querschnitt, geschnitten in Bolzen- richtung
    Fig. 2
    einen erfindungsgemäßen Kolben in Unteransicht, geschnitten entlang der Linie II gemäß Fig. 1;
    Fig. 3
    einen erfindungsgemäßen Kolben im Querschnitt, geschnitten quer zur Kolbenbolzenrichtung;
    Fig. 4
    einen erfindungsgemäßen Kolben, geschnitten entlang der Linie IV-IV aus Fig.1;
    Fig. 5
    einen erfindungsgemäßen Kolben in perspektivischer Ansicht.
    Fig. 6
    einen erfindungsgemäßen Kolben, geschnitten entlang der Linie IV-IV aus Fig.1, in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • Der erfindungsgemäße einteilige Kühlkanalkolben besteht aus einem geschmiedeten Kolbenkopf 1 aus Stahl oder schmiedbaren AI-Legierung mit einer Verbrennungsmulde 3 in seinem Kolbenboden 2, einer Ringwand 4 mit Ringpartie 11, einem auf Höhe der Ringpartie 11 umlaufenden geschlossenen Kühlkanal 7, wobei ein Kolbenschaft 9 mit den am Kolbenkopf 1 angehängten Naben 12 verbunden ist. Die Herstellung des Kolbens erfolgt nach der EP 0 799 373 B1 , wobei vor dem Verschließen des Kühlkanals 7 mittels einer Abdeckung 13 erfindungsgemäß im Kühlkanal 7 Bohrungen 14 vorgesehen werden, die auf dem Umfang symmetrisch verteilt angeordnet und in Richtung des Kolbenbodens 2, d. h. parallel zur Kolbenlängsachse K, eingebracht sind. Die Tiefe hB der Bohrungen 14 beträgt maximal ein Viertel der Gesamthöhe H des Kühlkanals 7, sodass ein ungehinderter Kühlölkreislauf gewährleistet bleibt. Durch diese Konstruktion werden Shaker-Räume für das Kühlöl geschaffen, welche die Kühlwirkung erhöhen.
  • Der Kühlölzulauf 5 und der Kühlölauslauf 10 ist in einer Kühlkanalabdeckung 13, die aus einem zweigeteilten Federelement besteht, gegenüberliegend angeordnet. Durch die Kühlkanalabdeckung 13 erfolgt der Verschluss des Kühlkanals 7 an seinem zum Kolbenschaft 9 hin offenen Ende.
  • Wie die Figuren 3 und 4 zeigen, bilden die zwischen den Bohrungen 14 bezeichneten Materialbereiche Stützrippen 8, deren Breite vom Abstand der Bohrungen 14 bestimmt wird. Die Bohrungen 14 sind im Kühlkanal 7 umfangsseitig derart voneinander beabstandet, dass dieser mindestens der Hälfte des Durchmessers der Bohrungen 14 entspricht, wobei die Bohrungsdurchmesser alle identisch sind. Es liegt natürlich im Ermessen des Fachmanns, auch unterschiedliche Bohrungsdurchmesser zu verwenden, wobei dann der Abstand der Hälfte des größten Bohrungsdurchmessers entsprechen sollte, um einer Kolbendeformation im Motorbetrieb entgegenzuwirken.
  • Die Bohrungen 14 und damit die Stützrippen 8 sind, wie in Fig. 4 dargestellt, radial symmetrisch über den Umfang des Kühlkanals 7 verteilt angeordnet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) kann die Anzahl der Bohrungen 14 und damit die Verteilung der Stützrippen 8 so gestaltet sein, dass in Druck-Gegendruckrichtung D bzw. GD eine größere Anzahl von Stützrippen 8 angeordnet ist, als quer dazu, d. h., eine unsymmetrische umfangsseitige Verteilung im Kühlkanal 7 erfolgt. So kann die Verteilung der Bohrungen 14 und damit der Stützrippen 8 im Kühlkanal 7, wenn dieser nach den durch die Kolbenhauptachsen KH gebildeten Quadranten I - IV charakterisiert wird, derart sein, dass innerhalb eines Quadranten eine symmetrische (Fig. 4) oder unsymmetrische bzw. teilsymmetrische Verteilung (Fig. 6) vorgesehen ist, oder die Verteilung abhängig ist von der örtlichen Temperaturverteilung im Kolbenboden. Insbesondere kann durch eine erhöhte Bohrungsanzahl in den Bereichen des Kühlkanals 7, in denen die Brennstrahlen des gezündeten Kraftstoffes auf den Kolbenboden 2 treffen, die Kühlwirkung weiter verbessert werden. Dadurch kann im Lastfall auch den auftretenden Spannungsbelastungen des Kolbens besser entgegnet werden.
  • Die Bohrungen 14 können durch Rundbohrungen realisiert werden, wie in den Figuren 4 und 6 dargestellt, oder durch Langlochbohrungen (nicht dargestellt), die mit ihrer langen Seite in Richtung von der Kolbenmitte nach radial außen zur Kolbenwand ausgerichtet sind. Mit diesen jeweiligen Ausführungsbeispielen der Bohrungsanordnungen wird erreicht, dass diese unterschiedliche Abstände aufweisen und damit das als Stützrippen 8 ausgebildete Material vergrößert wird. Maßgebend für den Abstand der Bohrungen ist es, dass dieser von Bohrungsachse zu Bohrungsachse umfangsseitig wenigstens die Hälfte des größten verwendeten Bohrungsdurchmessers entspricht.
  • Zur weiteren Beeinflussung der Wärmeableitung von der Verbrennungsmulde 3 können die Spitzen der Bohrungen 14 rund oder, wie in Fig. 1 gezeigt, winklig ausgeführt sein.
  • Die Achsen der Bohrungen 14 können, wie Fig. 1 zeigt, parallel zur Kolbenlängsachse K und/oder, d. h. in Kombination, in einem spitzen Winkel dazu angeordnet sein, wobei die Bohrungen bevorzugt in Richtung Kolbenboden 2 bzw. Verbrennungsmulde 3 zeigen.
    • Bezugszeichen
  • Kolbenkopf 1
    Kolbenboden 2
    Verbrennungsmulde 3
    Ringwand 4
    Kühlölzulauf 5
    Kühlkanal 7
    Stützrippen 8
    Kolbenschaft 9
    Kühlölauslauf 10
    Ringpartie 11
    Naben 12
    Kühlkanalabdeckung 13
    Bohrungen 14
    Kolbenlängsachse K
    Kolbenhauptachsen KH
    Kühlkanalhöhe H
    Tiefe der Bohrungen 14 hB

Claims (6)

  1. Einteiliger Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenkopf (1), der eine Verbrennungsmulde (3) im Kolbenboden (2), eine Ringwand (4) mit Ringpartie (11) und einen auf Höhe der Ringpartie (11) umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (7) umfasst, wobei ein Kolbenschaft (9) mit den am Kolbenkopf (1) angehängten Naben (12) verbunden ist, und der zum Kolbenboden hin gerichtete Bohrungen (14) im Kühlkanal aufweist, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Bohrungen (14) umfangsseitig im Kühlkanal (7) in Bereichen eingebracht sind, in denen Brennstrahlen auf dem Kolbenboden treffen, dass die Bohrungen einen spitzen Winkel zur Kolbenachse bilden, und dass die Bohrungen mit derartigen Abständen voneinander beabstandet angeordnet sind, dass das zwischen den Bohrungen (14) vorhandene Kolbenmaterial Stützrippen (8) für den Kolbenboden (2) bildet.
  2. Kolben nach den Ansprüchen 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Bohrungen (14) auf dem Umfang des Kühlkanals (7) voneinander mindestens der Hälfte des Durchmessers der Bohrung (14) beträgt.
  3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) gleiche Durchmesser aufweisen.
  4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (14) eine Tiefe (hB) aufweisen, die maximal ein Viertel der Gesamthöhe (H) des Kühlkanals (7) beträgt.
  5. Kolben nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Achsen der Bohrungen (14) parallel zur Kolbenlängsachse (K) verlaufen.
  6. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Bohrungen (14) unter einem spitzen Winkel zur Kolbenlängsachse (K) verlaufen.
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