EP1984613B1 - Mehrteiliger stahlkolben für einen verbrennungsmotor mit einem kühlkanal - Google Patents

Mehrteiliger stahlkolben für einen verbrennungsmotor mit einem kühlkanal Download PDF

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EP1984613B1
EP1984613B1 EP07703220.9A EP07703220A EP1984613B1 EP 1984613 B1 EP1984613 B1 EP 1984613B1 EP 07703220 A EP07703220 A EP 07703220A EP 1984613 B1 EP1984613 B1 EP 1984613B1
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Rainer Freeser
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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
    • 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 invention relates to a piston for an internal combustion engine with a cooling channel according to the features of the preamble of claim 1.
  • Pistons with a cooling channel for internal combustion engines are known in principle.
  • cooling channel piston said piston is provided behind the ring field coaxially and radially circumferentially, a cooling passage, circulated by the engine oil for cooling the upper portion of the piston.
  • the former design has been proven in practice, but the disadvantage that a complete removal of the lost core is required to prevent the ingress of foreign bodies, which have formed the lost core, in the engine oil circuit of the internal combustion engine.
  • the second-mentioned method has the disadvantage that in this way quite high-build piston arise because the radially encircling depression must be introduced with a corresponding tool from below.
  • the piston consists of a piston upper part and a piston lower part.
  • a ring field formed by a ring element with annular grooves, a coaxial and radially encircling cooling channel behind it, and in particular a combustion bowl are provided.
  • the lower piston part has at least one piston shaft and a corresponding pin bore.
  • the contact areas of the ring element are designed at least once paragraph-shaped on the piston body and the ring element is permanently attached to the piston body.
  • the invention is therefore based on the object to improve a generic piston to the effect that the initially described disadvantages are avoided.
  • This object is achieved in that protrudes from the piston body an upper web and a comparatively larger diameter lower web, both of which are designed radially encircling, wherein the downwardly facing peripheral edge of the ring member rests with a shoulder on the lower web.
  • the heel-shaped design of the abutment areas has the advantage that the ring element is guided both during placement and after attachment to the piston body and is guided guided, so that tilting can be avoided.
  • the heel-shaped abutment areas also increase the strength of the piston crown and the upper piston part, after the ring element has been permanently attached to the piston body. Through this both form-fitting and material-locking connection easier assembly and increased strength is given.
  • Another advantage of the invention is to be seen in that the wall thicknesses of the betelligten components, in particular of the ring member and the piston body (in particular the wall thickness in the transition region from the cooling channel to a combustion bowl) over the prior art can be reduced, as for placing the ring element on the piston body only small forces are required, which are significantly lower than those forces that would be required, as if the ring member to be bolted to the piston body.
  • the desired and sufficiently large cross-section of the cooling channel can be realized in advance by appropriate shaping of both the Kobengrund stressess and the ring element with the piston according to the invention thus achieved several advantages, namely Festlgkeitsslessness mecanic, easier production and assembly, lower piston height and also a weight savings Reason of the described reductions in wall thicknesses.
  • piston upper part 2 a ring field with a plurality of annular grooves 4 and a radially surrounding cooling channel 5 arranged behind it is provided in a manner known per se. Not necessarily also a combustion chamber trough 6 is arranged behind the cooling channel 5. Depending on the design of the piston 1, such a combustion bowl 6 is present or not. In addition or as an alternative to a combustion bowl 6, one or more valve pockets may also be present.
  • the piston lower part 3 has, in a manner also known per se, at least one piston shaft 7, in particular a cylinder-shaped piston skirt, and a pin bore 8 for receiving a piston pin.
  • the downwardly facing peripheral edge of the ring element 9 rests with a shoulder on the lower web 11. As a result, the final position of the ring element 9 is predetermined on the piston body.
  • the lower web 11 on which the lower peripheral edge of the ring element 9 rests, designed paragraph-shaped.
  • the lower web 11 protrudes almost horizontally from the piston main body, on the one hand to pretend the position of the ring member 9 on the piston body and on the other hand the height to reduce the piston, since in this embodiment, the piston skirt and the piston hub can go out almost perpendicular and at right angles from the lower web 11.
  • a joining process in which the upper and lower joint 12, 13 are processed so that the ring member 9 is permanently connected to the piston body comes in a particularly advantageous manner, a welding process or a soldering process in question. Due to the thin wall thicknesses to be welded in the region of the webs 10, 11 and to achieve a low distortion and small heat-affected zones, the welding processes laser welding, electron beam welding, plasma welding or TIG orbital welding are suitable. If high carbon contents of the steels to be used are used for the ring element and the piston main body, an additional material should be selected which, in addition to the required strength, also has sufficient toughness and deformability.
  • a piston which can be used for the operation of high-speed, high-pressure diesel engines with outputs greater than 80 kW per liter and ignition pressures above 200 bar.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kühlkanal gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
  • Kolben mit einem Kühlkanal für Verbrennungsmotore sind grundsätzlich bekannt. Bei solchen, auch Kühlkanalkolben genannten Kolben ist hinter dem Ringfeld koaxial und radial umlaufend, ein Kühlkanal vorgesehen, durch den Motoröl zur Kühlung des oberen Bereiches des Kolbens zirkuliert.
  • Es ist bekannt, solche Kühlkanäle durch einen verlorenen Kern herzustellen.
  • Außerdem ist es bekannt, einen zugänglichen Bereich des Kolbenbodens mit einer umlaufenden Vertiefung zu versehen, die anschließend mit einem Verschlusselement, wie z.B. einem Blechstreifen, verschlossen wird.
  • Die erstgenannte Konstruktion hat sich in der Praxis zwar bewährt, aber den Nachteil, dass ein vollständiges Entfernen des verlorenen Kerns erforderlich ist, um das Eindringen von Fremdkörpern, die den verlorenen Kern gebildet haben, in den Motoröl-Kreislauf des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Die zweitgenannte Methode hat den Nachteil, dass hierdurch recht hoch bauende Kolben entstehen, da die radial umlaufende Vertiefung mit einem entsprechenden Werkzeug von unten eingebracht werden muss.
  • Um diese beschriebenen Nachteile zu vermeiden, ist aus der DE 103 25 914 A1 oder der DE 100 47 258 C2 schon bekannt geworden, an einem Kolbengrundkörper ein Ringelement anzufügen.
  • Bei der DE 103 25 914 A1 ist vorgesehen, dass das Ringelement mittels einer Schraubverbindung an dem lialbengrundkörper befestigt wird. Dies hat aber den Nachteil, dass sowohl der Kolbengrundkörper als auch das Ringelement nach ihrer jeweiligen getrennten Herstellung aufwändig bearbeitet werden müssen, da am Kolbengrundkörper ein Außengewinde und korrespondierend dazu am Ringelement ein Innengewinde geschnitten werden müssen. Da im Stand der Technik der Kolbengrundkörper aus geschmiedetem Stahl besteht, kann dessen Außengewinde nicht mit Herstellung des Kolbengrundkörpers eingebracht werden, sondern dies muss nachträglich erfolgen. Da geschmiedeter Stahl aber die für Verbrennungsmotoren erforderliche Festigkeit und Zähigkeit aufweist, ist dies ein umständlicher und lang andauernder Prozess, der die Herstellungskosten eines solchen Kolbens in nachteiliger Weise erhöht. Außerdem kann es beim Aufschrauben des Ringelementes auf den Kolbengrundkörper sehr schnell zu Verkantungen kommen, so dass dadurch die Gefahr besteht, dass entweder der Kolbengrundkörper oder das Ringelement oder beide Bauteile nicht mehr brauchbar sind.
  • Bei der DE 100 47 258 C2 liegt das Ringelement stumpf an dem Kolbengrundkörper an, so dass beim Aufsetzen keine Führung gegeben ist und nach dem Fügen die Steifigkeit nicht ausreichend hoch ist.
  • Aus der DE 101 28 737 A1 ist ein Kolben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Gemäß der DE 101 28 737 A1 besteht der Kolben aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil. Im Bereich des Kolbenoberteils sind ein von einem Ringelement gebildetes Ringfeld mit Ringnuten, ein dahinter koaxial und radial umlaufender Kühlkanal und insbesondere eine Brennraummulde vorhanden. Das Kolbenunterteil weist zumindest einen Kolbenschaft und eine entsprechende Bolzenbohrung auf. Dabei sind die Anlagebereiche des Ringelementes an dem Kolbengrundkörper zumindest einmal absatzförmig gestaltet und das Ringelement ist unlösbar an dem Kolbengrundkörper angefügt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemäßen Kolben dahingehend zu verbessern, dass die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden.
  • Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, dass aus dem Kolbengrundkörper ein oberer Steg und ein demgegenüber durchmessergrößerer unterer Steg herausragt, die beide radial umlaufend gestaltet sind, wobei der nach unten weisende umlaufende Rand des Ringelementes mit einem Absatz auf dem unteren Steg aufliegt. Die absatzförmig Gestaltung der Anlagebereiche hat den Vorteil, dass das Ringelement sowohl beim Aufsetzen als auch nach dem Anbringen an dem Kolbengrundkörper geführt wird und geführt gelagert ist, so dass Verkantungen vermieden werden. Die absatzförmigen Anlagebereiche erhöhen darüber hinaus die Festigkeit des Kolbenbodens bzw. des Kolbenoberteils, nachdem das Ringelement unlösbar an dem Kolbengrundkörper angefügt worden ist. Durch diese sowohl formschlüssige als auch materialschlüssige Verbindung ist eine einfachere Montage und eine erhöhte Festigkeit gegeben. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Wandstärken der betelligten Bauelemente, insbesondere des Ringelements und des Kolbengrundkörpers (insbesondere die Wandstärke im Übergangsbereich von dem Kühlkanal zu einer Brennraummulde) gegenüber dem Stand der Technik verringert werden können, da zum Aufsetzen des Ringelementes auf den Kolbengrundkörper nur geringe Kräfte erforderlich sind, die deutlich geringer ausfallen als diejenigen Kräfte, die erforderlich wären, als wenn das Ringelement auf dem Kolbengrundkörper festgeschraubt werden soll. Außerdem lässt sich durch entsprechende Formgebung sowohl des Kobengrundkörpers als auch des Ringelements schon vorab der gewünschte und ausreichend große Querschnitt des Kühlkanals realisieren, Mit dem erfindungsgemäßen Kolben werden also mehrere Vorteile erzielt, nämlich Festlgkeitssteigerung, einfachere Herstellung und Montage, geringere Kolbenhöhe und auch eine Gewichtsersparnis auf Grund der geschilderten Verringerungen der Wandstärken.
  • Ein Ausführungsbeisplel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, ist in den beiden Figuren 1 und 2 gezeigt und im Folgenden beschrieben:
    • In diesen Figuren ist ein Kolben 1 gezeigt, der aus einem Kolbenoberteil 2 und einem Kolbenunterteil 3 besteht. Der fertige Kolben 1 kann einstückig sein oder aus den zunächst voneinander getrennten Teilen 2, 3 bestehen, die zusammengefügt werden. Außerdem ist es denkbar, dass die Erfindung auch bei einem Kolbenkopf eines Pendelschaftkolbens angewendet wird.
  • Im Kolbenoberteil 2 ist in an sich bekannter Weise ein Ringfeld mit mehreren Ringnuten 4 und einem dahinter angeordneten radial umlaufenden Kühlkanal 5 vorhanden. Nicht zwingend ist ebenfalls hinter den Kühlkanal 5 eine Brennraummulde 6 angeordnet. Je nach Bauart des Kolbens 1 ist eine solche Brennraummulde 6 vorhanden oder nicht. Ergänzend oder alternativ zu einer Brennraummulde 6 können auch eine oder mehrere Ventiltaschen vorhanden sein. Das Kolbenunterteil 3 weist in ebenfalls an sich bekannter Weise zumindest einen Kolbenschaft 7, insbesondere einen zylinderförmig ausgestalten Kolbenschaft, sowie eine Bolzenbohrung 8 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens auf.
  • Nach der Herstellung eines Kolbengrundkörpers weist dieser einen oberen Steg 10 und einen unteren Steg 11 auf, die beide radial umlaufend gestaltet sind, wobei in besonders vorteilhafter Weise der obere Steg 10 im Durchmesser kleiner ist als der untere Steg 11. Dadurch ist es möglich, dass ein Ringelement 9, das separat von dem Kolbengrundkörper hergestellt worden ist, von oben (bei Betrachtung der Figur 1) über das Kolbenoberteil 2 des Kolbengrundkörpers aufzusetzen. Hierbei ist es in erfindungsgemäßer Weise von Vorteil, dass die Anlagebereiche des Ringelementes 9 an dem Kolbengrundkörper im Bereich sowohl einer oberen Fügestelle 12 als auch im Bereich einer unteren Fügestelle 13 zumindest einmal absatzförmig gestaltet sind.
  • Außerdem ist es vorgesehen, dass der nach unten weisende umlaufende Rand des Ringelementes 9 mit einem Absatz auf den unteren Steg 11 aufliegt. Dadurch ist die endgültige Lage des Ringelementes 9 an dem Kolbengrundkörper vorgegeben.
  • Zur Erhöhung der Festigkeit nach dem Fügen des Ringelementes 9 an den Kolbengrundkörper und zur Verbesserung der Führung beim Aufsetzen des Ringelementes 9 an den Kolbengrundkörper ist der obere Steg 10 und der korrespondierende Bereich des Ringelementes 9 mit einem Absatz 14 versehen. Ebenso ist der untere Steg 11, auf dem der untere umlaufende Rand des Ringelementes 9 aufliegt, absatzförmig gestaltet. Von besonderem Vorteil ist die Gestaltung dieses Absatzes als Feder-Nut-Bereich 15. Hierzu ist weiterhin vorgesehen, dass der untere Steg 11 nahezu waagerecht von dem Kolbengrundkörper absteht, um einerseits die Lage des Ringelementes 9 an dem Kolbengrundkörper vorgeben zu können und andererseits die Bauhöhe des Kolbens zu reduzieren, da bei dieser Ausgestaltung der Kolbenschaft bzw. die Kolbennaben nahezu senkrecht und im rechten Winkel von dem unteren Steg 11 ausgehen können.
  • Nachdem das Ringelement 9 in der beschriebenen Art und Weise auf den Kolbengrundkörper aufgesetzt und durch Formschluss festgelegt worden ist, erfolgt ein Fügeprozess, in dem die obere und untere Fügestelle 12, 13 derart bearbeitet werden, dass das Ringelement 9 unlösbar mit dem Kolbengrundkörper verbunden wird. Hier kommt in besonders vorteilhafter Weise ein Schweißprozess oder ein Lötprozess in Frage. Auf Grund der dünnen zu verschweißenden Wandstärken im Bereich der Stege 10, 11 und zur Erzielung eines geringen Verzuges und kleiner Wärmeeinflusszonen bieten sich die Schweißprozesse Laserschweißen, Elektronikstrahlschweißen, Plasmaschweißen oder das WIG-Orbitalschweißen an. Werden hohe Kohlenstoffgehalte der zu verwendenden Stähle für Ringelement und Kolbengrundkörper verwendet, sollte ein Zusatzwerkstoff ausgewählt werden, der neben der erforderlichen Festigkeit auch eine ausreichende Zähigkeit und Verformbarkeit aufweist.
  • In besonders vorteilhafter Weise lässt sich mit der vorliegenden Erfindung ein Kolben realisieren, der für den Betrieb von schnell laufenden, hoch belasteten Dieselmotoren mit Leistungen größer als 80 kW pro Liter und Zünddrücken oberhalb 200 bar einsetzbar ist.
    • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Kolben
    2.
    Kolbenoberteil
    3.
    Kolbenunterteil
    4.
    Ringnut
    5.
    Kühlkanal
    6.
    Brennraummulde
    7.
    Kolbenschaft
    8.
    Bolzenbohrung
    9.
    Ringelement
    10.
    oberer Steg
    11.
    unterer Steg
    12.
    obere Fügestelle
    13.
    untere Fügestelle
    14.
    Absatz
    15.
    Feder-Nut-Bereich
    16.
    Kolbenboden

Claims (4)

  1. Kolben (1), der aus einem Kolbenoberteil (2) und einem Kolbenunterteil (3) besteht, wobei im Bereich des Kolbenoberteils (2) ein von einem Ringelement (9) gebildetes Ringfeld mit Ringnuten (4), ein dahinter koaxial und radial umlaufende Kühlkanal (5) und insbesondere eine Brennraummulde (6) vorhanden sind und das Kolbenunterteil (3) zumindest einen Kolbenschaft (7) und eine entsprechende Bolzenbohrung (8) aufweist, wobei die Anlagebereiche des Ringelementes (9) an dem Kolbengrundkörper zumindest einmal absatzförrnig gestaltet sind und das Ringelement (9) unlösbar an dem Kolbengrundkörper angefügt ist, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Kolbengrundkörper ein oberer Steg (10) und ein demgegenüber durchmessergrößerer unterer Steg (11) herausragt, die beide radial umlaufend gestaltet sind, wobei der nach unten weisende umlaufende Rand des Ringelementes (9) mit einem Absatz auf dem unteren Steg (11) aufliegt.
  2. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absatz, mit dem der nach unten weisende umlaufende Rand des Ringelementes (9) auf dem unteren Steg (11) aufliegt, als Feder-Nut-Bereich ausgebildet ist.
  3. Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekonnzeichnet, dass der untere Steg (11) nahezu waagerecht von dem Kolbengrundkörper absteht.
  4. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (9) rotationssymetrisch ist und den gesammten Ringfeldbereich und den äußeren Rand des Kolbenbodens (16) bildet.
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