EP3807514A1 - Gegossener kolben für einen verbrennungsmotor, aus einem material auf eisenbasis - Google Patents

Gegossener kolben für einen verbrennungsmotor, aus einem material auf eisenbasis

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EP3807514A1
EP3807514A1 EP19729519.9A EP19729519A EP3807514A1 EP 3807514 A1 EP3807514 A1 EP 3807514A1 EP 19729519 A EP19729519 A EP 19729519A EP 3807514 A1 EP3807514 A1 EP 3807514A1
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window
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internal combustion
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Rainer Weiss
Michael Seiffert
Mark Day
Georg HOPP
Florian SIGEL
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Federal Mogul Nuernberg GmbH
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    • F05C2201/0448—Steel

Definitions

  • the invention relates to a cast piston for an internal combustion engine, made of an iron-based material.
  • Pistons of internal combustion engines generally have the requirements that they are designed with the lowest possible weight and at the same time withstand the loads during operation.
  • Pistons made of steel in particular are usually forged in one or two parts.
  • Light alloy pistons made of aluminum alloys are usually cast.
  • the invention has for its object a piston for an internal combustion engine
  • the stem walls are the sections of the cylinder surface with which the piston is in sliding contact with one another during operation
  • Cylinder liner is. Regarding the piston pin hub, it should be mentioned that it is preferably closed, in other words with no interruptions except for a lifting groove. It should also be emphasized that the piston according to the invention is preferably cast in one piece, preferably has a cooling channel, and is preferably used as a diesel piston.
  • the impulse transmitted to the cylinder bore is reduced so that noise emissions are reduced.
  • the necessary strength can still be ensured by FE analysis.
  • the shaft wall is cut concavely, so that a concave structure remains on the shaft wall.
  • Circumferential direction due to the window (s) at their narrowest point, compared to the widest point is reduced by at least 40%.
  • at least one of the existing windows, preferably all windows are formed predominantly in that half of the side wall along the piston stroke axis that is closer to the piston head, which delimits the combustion chamber.
  • the window can have an extension of at least 40%, preferably at least 60% of the shaft or side wall height at its "highest” point and / or begin immediately at the upper end thereof.
  • spheroidal graphite cast iron in other words nodular cast iron, is currently preferred.
  • This material advantageously has a low specific weight, which is in particular lower than that of forged steels.
  • cast steel may be preferred as the material, which has a higher density, but in return a higher strength. This can
  • the material of the piston according to the invention that it has a lower thermal conductivity than steel, so that the heating process of the
  • Fig. 1 is a side view of the piston according to the invention in
  • Fig. 2 is a side view of the piston of Fig. 1 from a
  • the piston 10 according to the invention has an annular field 12 on the one hand and the other
  • both side walls 16 which are connected by side walls 16 which carry the piston pin bosses 22.
  • both side walls 16 that is to say also that side wall which faces away from the viewer according to FIG. 1, are two
  • Piston pin hub 22 are formed in the upper region of the side wall 16. On its upper side, the windows 18, 20 directly adjoin the lower groove cheek of the lowest
  • Ring groove on, and their boundary extends essentially in a plane perpendicular to the piston stroke axis.
  • the boundaries of the windows 18, 20 each rise obliquely in the direction of the piston pin axis, and the lateral boundary on the side of the piston pin hub 22 extends (as shown in FIG. 1) from the bottom upward to the outside.
  • H On the other hand, H.
  • the smaller window 18 On the side of the stem wall 14, the smaller window 18 has an essentially extending in the direction of the piston stroke axis
  • the window 20 is clearly asymmetrical to the window 18 and is sufficient
  • Piston stroke axis, and the lower edges of the side walls 16 are rounded at least slightly concave, this concave rounding being more extensive on the pressure side in the example shown, that is to say provided with a smaller radius of curvature than on the counter pressure side.
  • Piston according to the invention should also be mentioned that it is a

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Abstract

Ein gegossener Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, aus einem Material auf Eisenbasis, weist in zumindest einer Seitenwand (16), die eine Kolbenbolzennabe (22) trägt, Fenster (18, 20) auf, die zueinander auf der Seite von Schaftwänden (14) asymmetrisch sind.

Description

Gegossener Kolben für einen Verbrennungsmotor, aus einem
Material auf Eisenbasis
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen gegossenen Kolben für einen Verbrennungsmotor, aus einem Material auf Eisenbasis.
An Kolben von Verbrennungsmotoren bestehen im Allgemeinen die Anforderungen, dass diese mit möglichst geringem Gewicht ausgeführt sind und gleichzeitig den Belastungen während des Betriebs standhalten.
STAND DER TECHNIK
Insbesondere Kolben aus Stahl werden üblicherweise in ein- oder zweiteiliger Ausführung geschmiedet. Leichtmetallkolben aus Aluminiumlegierungen werden üblicherweise gegossen.
Aus der US 7,406,941 B2 ist ein gegossener Stahlkolben bekannt, der im Bereich von Seitenwänden, welche die
Kolbenbolzennaben tragen, Aussparungen aufweist. Ein
ähnlicher Kolben geht aus der DE 10 2013 215538 B4 hervor.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Koben für einen Verbrennungsmotor
insbesondere im Hinblick auf den Herstellungsaufwand und/oder die Reibung und/oder die Geräuschemissionen zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen Kolben.
Demzufolge ist dieser aus einem Material auf Eisenbasis gegossen und weist in zumindest einer Seitenwand, die eine Kolbenbolzennabe trägt, Fenster, mit anderen Worten
Durchbrüche oder durchgehende Aussparungen auf, die
zueinander zumindest auf der Seite der Schaftwände
asymmetrisch sind. Bei den Schaftwänden handelt es sich um diejenigen Abschnitte von Zylindermantelflächen, mit denen der Kolben im Betrieb im Gleitkontakt mit einer
Zylinderbohrung oder einer darin eingesetzten
Zylinderlaufbuchse ist. Zu der Kolbenbolzennabe sei erwähnt, dass diese bevorzugt geschlossen ist, mit anderen Worten mit Ausnahme einer Aushebenut keine Unterbrechungen aufweist. Ferner sei betont, dass der erfindungsgemäße Kolben bevorzugt einteilig gegossen ist, bevorzugt einen Kühlkanal aufweist, und bevorzugt als Dieselkolben eingesetzt wird.
Durch die beschriebene, asymmetrische Ausbildung der Fenster kann zum einen, abhängig von den Belastungen auf der Druck- und Gegendruckseite verglichen mit den bislang bekannten Kolben zusätzliches Gewicht eingespart werden. Gleichzeitig kann durch geeignete Untersuchungen sichergestellt werden, dass die Anforderungen im Hinblick auf die Belastungen im Betrieb jeweils erfüllt werden. In diesem Zusammenhang wird Gießen als das Herstellungsverfahren besonders vorteilhaft eingesetzt, weil es höhere Freiheitsgrade bei der Formgebung und Ausbildung von komplexen Geometrien ermöglicht, so dass insgesamt kostengünstig eine spannungsoptimierte Kolbenform erzeugt werden kann, und teure und aufwändige spanende
Bearbeitung reduziert werden kann.
Ein weiterer, vorteilhafter Effekt der beschriebenen Fenster besteht darin, dass die Nachgiebigkeit des Schafts im Bereich oberhalb der Bolzenachse erhöht wird. Durch die sich hieraus ergebende umfangreichere Deformation des Schafts beim
Anlagewechsel wird der auf die Zylinderbohrung übertragene Impuls reduziert, so dass Geräuschemissionen verringert werden. Beispielsweise durch FE-Analyse kann weiterhin die notwendige Festigkeit sichergestellt werden. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch die Verwendung eines Werkstoffs auf Eisenbasis, der eine höhere Festigkeit aufweist als üblicherweise beim Gießen verwendete Aluminiumwerkstoffe.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn ein Fenster, auf zumindest einer Seite des Kolbens und zumindest einer Seite der Kolbenbolzenbohrung, bevorzugt der Gegendruckseite, bis in die Schaftwand reicht. Mit anderen Worten ist die
zylindrische Schaftwandfläche in diesem Bereich
angeschnitten, so dass sich der Tragbereich des Kolbens, mit anderen Worten die Kontaktfläche zwischen Kolbenschaft und Zylinderwand verringert. Dies reduziert die Reibung, und als Konsequenz in vorteilhafter Weise den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen. Es sei erwähnt, dass es trotz der bevorzugten Ausbildung der beschriebenen Maßnahme auf der Gegendruckseite Situationen im Hinblick auf den Einsatz des Kolbens und die daraus resultierende Belastung geben kann, bei denen die beschriebene Gestaltung auf der Druckseite oder beiden Seiten bevorzugt wird.
Für eine harmonische Gestaltung des jeweiligen Fensters wird bevorzugt, dass die Schaftwand konkav angeschnitten ist, somit an der Schaftwand eine konkave Struktur verbleibt.
Besonders umfangreich können die beschriebenen Vorteile genutzt werden, wenn die Breite der Schaftwand in
Umfangsrichtung infolge des oder der Fenster (s) an ihrer schmälsten Stelle, verglichen mit der breitesten Stelle um zumindest 40% verringert ist. Für die Anordnung der Fenster hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest eines der vorhandenen Fenster, bevorzugt sämtliche Fenster, überwiegend in derjenigen Hälfte der Seitenwand, entlang der Kolbenhubachse, ausgebildet sind, die näher zum Kolbenboden liegt, der den Brennraum begrenzt.
Besonders bevorzugt wird eine Gestaltung, bei der sich das Fenster lediglich geringfügig in die untere Hälfte erstreckt. Beispielsweise kann das Fenster an seiner „höchsten" Stelle eine Erstreckung über mindestens 40%, bevorzugt mindestens 60% der Schaft- oder Seitenwandhöhe aufweisen und/oder unmittelbar am oberen Ende derselben beginnen.
Im Hinblick auf das Material des erfindungsgemäßen Kolbens wird derzeit zum einen Gusseisen mit Kugelgraphit, mit anderen Worten Sphäroguss bevorzugt. Dieser Werkstoff weist in vorteilhafter Weise ein geringes spezifisches Gewicht auf, das insbesondere geringer ist als das von Schmiedestählen.
In bestimmten Situationen kann jedoch Stahlguss als Werkstoff bevorzugt sein, der zwar eine höhere Dichte aufweist, jedoch im Gegenzug eine höhere Festigkeit. Hierdurch können
zusätzlich Wanddicken verringert, und das Gewicht insgesamt gesenkt werden. Unabhängig vom Material wird derzeit Sandguss als Gießverfahren bevorzugt, wenngleich auch Kokillenguss denkbar ist.
Ferner wird für den Werkstoff des erfindungsgemäßen Kolbens bevorzugt, dass er eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Stahl aufweist, so dass der Aufheizprozess des
Verbrennungsmotors in der Warmlaufphase beschleunigt werden kann. Hierdurch erreicht der Motor schneller die
Betriebstemperatur und damit den effizienten Betriebsbereich, so dass Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen weiter verringert werden können. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines beispielhaft in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kolbens in
Richtung der Kolbenbolzenachse; und
Fig. 2 eine Seitenansicht des Kolbens von Fig. 1 aus einer
Richtung senkrecht hierzu.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Kolben 10 zum einen ein Ringfeld 12 und zum anderen
Schaftwände 14 auf, die durch Seitenwände 16 verbunden sind, welche die Kolbenbolzennaben 22 tragen. In dem gezeigten Fall sind beide Seitenwände 16, also auch diejenige Seitenwand, die gemäß Fig. 1 vom Betrachter abgewandt ist, mit zwei
Fenstern 18, 20 versehen, die zu beiden Seiten der
Kolbenbolzennabe 22 im jeweils oberen Bereich der Seitenwand 16 ausgebildet sind. An ihrer Oberseite grenzen die Fenster 18, 20 unmittelbar an die untere Nutwange der untersten
Ringnut an, und ihre Begrenzung verläuft im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Kolbenhubachse. An ihrer Unterseite verlaufen die Begrenzungen der Fenster 18, 20 jeweils in Richtung der Kolbenbolzenachse schräg ansteigend, und die seitliche Begrenzung auf Seiten der Kolbenbolzennabe 22 verläuft (gemäß der Darstellung in Fig. 1) von unten nach oben nach außen geneigt. Auf der anderen Seite, d. h. der Seite der Schaftwand 14 weist das kleinere Fenster 18 eine im Wesentlichen in Richtung der Kolbenhubachse verlaufende
Begrenzung auf, und sämtliche Übergänge zwischen den
beschriebenen Begrenzungen sind gerundet ausgeführt, um eine Spanungsoptimierung zu gewährleisten, und die Anfälligkeit für Risse zu reduzieren.
Insbesondere auf der rechten Seite gemäß Fig. 1, die
typischerweise die Gegendruckseite sein könnte, zeigt sich bei dem dortigen Fenster 20 die Besonderheit des
erfindungsgemäßen Kolbens. Hier ist das Fenster 20 deutlich asymmetrisch zu dem Fenster 18 ausgebildet und reicht
insbesondere bis in den Bereich der Schaftwand 14.
Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Schaftwand 14 somit in diesem Bereich konkav angeschnitten, und ihr
Tragbereich verringert sich insbesondere in ihrer oberen Hälfte erheblich. Hierdurch können die oben beschriebenen Wirkungen erzielt werden. Die Form des Fensters bei der
Betrachtungsrichtung gemäß Fig. 2, das heißt senkrecht zur Kolbenbolzenachse, kann im unteren Bereich als parallel zu einer Ebene senkrecht zur Kolbenhubachse, und im weiteren Verlauf mit vergleichsweise großem Krümmungsradius und zumindest bereichsweise parallel zur Kolbenhubachse
beschrieben werden. Aus den genannten Gründen sind jegliche Übergänge gerundet ausgeführt. Im unteren Bereich ist die Schaftwand 14 mit seitlichen Rändern parallel zur
Kolbenhubachse ausgeführt. Dies gilt bevorzugt auch für die andere, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht
angeschnittene Seitenwand. Die unteren Ränder derselben sind bevorzugt parallel zu einer Ebene senkrecht zur
Kolbenhubachse, und die unteren Ränder der Seitenwände 16 sind zumindest geringfügig konkav gerundet, wobei diese konkave Rundung bei dem gezeigten Beispiel auf der Druckseite umfangreicher, das heißt mit einem kleineren Krümmungsradius versehen ist, als auf der Gegendruckseite. Zu dem
erfindungsgemäßen Kolben sei noch erwähnt, dass er eine
Brennraummulde und/oder einen Kühlkanal aufweisen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Gegossener Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, aus einem Material auf Eisenbasis, der in zumindest einer Seitenwand (16), die eine Kolbenbolzennabe (22) trägt, Fenster (18, 20) aufweist, die zueinander auf der Seite von Schaftwänden (14) asymmetrisch sind.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf zumindest einer Seite, bevorzugt der Gegendruckseite, zumindest ein Fenster (20) in die Schaftwand (14) reicht .
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftwand (14) konkav ausgeschnitten ist.
4. Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite der Schaftwand (14) in Umfangsrichtung infolge des oder der Fenster (s) (20) um zumindest 30% verringert ist.
5. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Fenster (18, 20) überwiegend in einer Hälfte der Seitenwand (16) ausgebildet ist, die näher zu einem Kolbenboden ist.
6. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Fenster (18, 20) eine Erstreckung von mindestens 40% der Höhe der Seitenwand (16) in Richtung der Kolbenhubachse aufweist.
7. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Fenster (18, 20) an einem in Richtung des Kolbenbodens gelegenen Ende der Seitenwand (16) beginnt.
8. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus Sphäroguss oder Stahlguss ausgeführt ist.
9. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Kolbens (10) eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Stahl aufweist.
EP19729519.9A 2018-06-13 2019-06-06 Gegossener kolben für einen verbrennungsmotor, aus einem material auf eisenbasis Pending EP3807514A1 (de)

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