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EP0449848A1 - Light plunger piston for internal combustion engines. - Google Patents

Light plunger piston for internal combustion engines.

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Publication number
EP0449848A1
EP0449848A1 EP89912953A EP89912953A EP0449848A1 EP 0449848 A1 EP0449848 A1 EP 0449848A1 EP 89912953 A EP89912953 A EP 89912953A EP 89912953 A EP89912953 A EP 89912953A EP 0449848 A1 EP0449848 A1 EP 0449848A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
pressure side
area
shaft
axis
Prior art date
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Granted
Application number
EP89912953A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0449848B1 (en
Inventor
Emil Ripberger
Juergen Ellermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle GmbH
Original Assignee
Mahle GmbH
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Publication date
Priority claimed from DE3843866A external-priority patent/DE3843866A1/en
Priority claimed from DE3843761A external-priority patent/DE3843761A1/en
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Classifications

    • 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 
    • F02F3/02—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • 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 
    • F02F3/02—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F02F3/025—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion having circumferentially slotted piston skirts, e.g. T-slots
    • 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 
    • F02F3/02—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F02F3/022—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion the pistons having an oval circumference or non-cylindrical shaped skirts, e.g. oval
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/02—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
    • F02B1/04—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder

Definitions

  • the invention relates to a lightweight plunger for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • the piston shaft on the counter-pressure side is designed to be somewhat more flexible overall than on the pressure side.
  • the running play on the counterpressure side can be chosen to be less than the cylinder running surface than on the pressure side.
  • the one on the print page The longer shaft compared to the counter pressure side has the following effects in engine operation:
  • the axis of the bolt axis is dislocated to the pressure side, which causes the piston on its top land to come into contact with the cylinder on the counter-pressure side.
  • the longer shaft prevents the top land from striking in this way and thus increases piston noise.
  • a piston according to the invention is shown in the drawing. Show it
  • Fig. 1 shows a piston in longitudinal section
  • Fig. 2a, b the piston in section along line Ha and Ilb
  • Fig. 3 shows the view of another piston
  • Fig. 4 shows the generatrix of the piston of FIG. 3 in the pressure-counter pressure direction and in the bolt direction on the pressure side of the piston
  • Fig. 5 shows the surface line course of the piston according to Fig. 3 in the pressure-counter pressure direction and in the bolt direction the counter pressure side of the piston
  • FIG. 6 shows a section through the piston along line VI-VI in FIG. 3
  • the piston according to FIG. 1 has a longer shaft on the pressure side DS than the counter pressure side GDS.
  • the wall thickness of the shaft is greater on the pressure side DS than on the counter pressure side GDS, on which a horizontal slot separates the shaft from the piston head within the lowest annular groove.
  • the slot and the thinner wall thickness of the shaft ensure a certain elastic flexibility on the counter-pressure side GDS, which should not be present on the pressure side.
  • the control strips inserted in the interior of the piston skirt of the piston according to FIG. 1 enable the skirt to be guided more closely when the piston is cold. Due to the arrangement of the control strip on the counterpressure side GDS compared to the pressure side closer to the upper shaft end, the play between the upper shaft and cylinder area there can be set lower in the cold state than in the relevant shaft area on the pressure side.
  • the curves DR and DB on the pressure side as well as GR and GB on the pressure side indicate the surface line course in the pressure-counter pressure direction for a piston according to FIG. 3.
  • the straight lines 0 in FIGS. 4 and 5 indicate the cylinder track for the piston. In the areas in which the DR or GR curves touch the respective straight line 0, the clearance between the piston skirt and the cylinder surface is zero. In general, the distance between the curves GR, GB, DR and DB on the one hand and the straight line 0 on the other hand means the play of the piston running surface against the cylinder running surface.
  • the curvature of the curves DR, DB and GR, GB corresponds to the respective piston outer shape.
  • the piston skirt on the counter pressure side has a lower crowning in the upper skirt area than in the comparable area on the pressure side.
  • the narrower guide on the Gegen ⁇ pressure side is determined by the total of the more compliant Aus ⁇ 'piston shaft on this side of the piston formation possible.
  • the higher flexibility is achieved on the one hand by a horizontal slot between the shaft and the piston head and on the other hand by the greater ovality of the piston shaft in the circumferential direction.
  • the resilience of the piston skirt on the counter pressure side can also be increased by the fact that the shaft thickness there is less than in the corresponding area on the pressure side.
  • the stretch-regulating insert strip indicated by the dot-dash line in FIG. 3 lies axially on the counter pressure side higher than the upper shaft edge than on the pressure side.
  • the ribs located in the area of the pressure side of the piston can be made more solid and thus more stable than the ribs in question the counter pressure side. It is also possible that ribs of this type, in the case of hubs which are otherwise freely formed on the piston crown, are only attached to the pressure side, while they can be entirely absent on the counter pressure side.

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Abstract

Un piston plongeur de poids et de dimensions aussi réduits que possible fonctionne avec le moins de bruit possible. A cet effet, la partie supérieure de la tige du piston est séparée de la tête du piston par une fente horizontale ménagée du côté contre-pression d'un plan qui traverse l'axe longitudinal du piston et de l'axe de piston. En outre, la tige peut être plus longue du côté pression que du côté contre-pression.A plunger that is as small as possible in weight and dimensions operates with as little noise as possible. To this end, the upper part of the piston rod is separated from the piston head by a horizontal slot formed on the counter-pressure side of a plane which passes through the longitudinal axis of the piston and of the piston pin. In addition, the rod may be longer on the pressure side than on the back pressure side.

Description

Leichter Tauchkolben für Verbrennungsmotoren Light plunger for internal combustion engines
Die Erfindung betrifft einen leichten Tauchkolben für Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Patent¬ anspruchs 1.The invention relates to a lightweight plunger for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen solchen Kol¬ ben bei möglichst geringem Gewicht und kleinen Abmes¬ sungen in seinem Geräuschverhalten im Motorbetrieb zu verbessern. Gleichzeitig soll der Kolben im Motorbe¬ trieb möglichst geringe Reibleistungsverluste erzeu¬ gen.It is the object of the invention to improve such a piston with its lowest possible weight and small dimensions in terms of its noise behavior in engine operation. At the same time, the piston should generate as little friction loss as possible in engine operation.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ausgestaltung des Kolbens nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved by designing the piston according to the characterizing features of patent claim 1.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen¬ stand der Unteransprüche.Appropriate embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist der Kolben¬ schaft auf der Gegendruckseite insgesamt radial etwas nachgiebiger ausgestaltet als auf der Druckseite. Da¬ durch kann das Laufspiel auf der Gegendruckseite ge¬ genüber der Zylinderlauffläche geringer gewählt wer¬ den als auf der Druckseite. Der auf der Druckseite gegenüber der Gegendruckseite längere Schaft wirkt sich im Motorbetrieb wie folgt aus:As a result of the measures according to the invention, the piston shaft on the counter-pressure side is designed to be somewhat more flexible overall than on the pressure side. As a result, the running play on the counterpressure side can be chosen to be less than the cylinder running surface than on the pressure side. The one on the print page The longer shaft compared to the counter pressure side has the following effects in engine operation:
Im oberen Totpunkt ergibt sich durch die Desachsie- rung der ßolzenachse zur Druckseite ein Kippmoment, das den Kolben an seinem Feuersteg gegendruckseitig mit dem Zylinder in Berührung bringt. Der längere Schaft verhindert durch Reduzierung des Kippwinkels ein solches Anschlagen des Feuersteges und dadurch eine Kolbengeräuscherhöhung.At top dead center, the axis of the bolt axis is dislocated to the pressure side, which causes the piston on its top land to come into contact with the cylinder on the counter-pressure side. By reducing the tilt angle, the longer shaft prevents the top land from striking in this way and thus increases piston noise.
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Kolben dargestellt. Es zeigenA piston according to the invention is shown in the drawing. Show it
Fig. 1 einen Kolben im LängsschnittFig. 1 shows a piston in longitudinal section
Fig. 2a, b den Kolben im Schnitt nach Linie Ha bzw. IlbFig. 2a, b the piston in section along line Ha and Ilb
Fig. 3 die Ansicht eines weiteren KolbensFig. 3 shows the view of another piston
Fig. 4 den Mantellinienverlauf des Kolbens nach Fig. 3 in Druck-Gegendruckrichtu sowie in Bolzenrichtung jeweils auf der Druckseite des KolbensFig. 4 shows the generatrix of the piston of FIG. 3 in the pressure-counter pressure direction and in the bolt direction on the pressure side of the piston
Fig. 5 den Mantellinienverlauf des Kolbens nach Fig. 3 in Druck-Gegendruckrichtu sowie in Bolzenrichtung jeweils auf der Gegendruckseite des KolbensFig. 5 shows the surface line course of the piston according to Fig. 3 in the pressure-counter pressure direction and in the bolt direction the counter pressure side of the piston
Fig. 6 einen Schnitt durch den Kolben nach Linie VI - VI in Fig. 36 shows a section through the piston along line VI-VI in FIG. 3
Fig. 7 Schaftumfangsverlauf auf den Höhen X und Y, jeweils als übereinander gezeichnete Kurven X, Y in übertrieben Darstellung des Kolbens nach Fig. 37 shows the circumference of the shaft at heights X and Y, in each case as curves X, Y drawn one above the other in an exaggerated representation of the piston according to FIG
Der Kolben nach Fig. 1 weist auf der Druckseite DS einen längeren Schaft als der Gegendruckseite GDS auf. Außerdem ist die Wanddicke des Schaftes auf der Druckseite DS größer als auf der Gegendruckseite GDS, auf der innerhalb der untersten Ringnut ein horizon¬ taler Schlitz den Schaft vom Kolbenkopf trennt. Der Schlitz und die geringere Wanddicke des Schaftes sor¬ gen auf der Gegendruckseite GDS für eine gewisse ela¬ stische Nachgiebigkeit, die auf der Druckseite dage¬ gen nicht vorhanden sein soll.The piston according to FIG. 1 has a longer shaft on the pressure side DS than the counter pressure side GDS. In addition, the wall thickness of the shaft is greater on the pressure side DS than on the counter pressure side GDS, on which a horizontal slot separates the shaft from the piston head within the lowest annular groove. The slot and the thinner wall thickness of the shaft ensure a certain elastic flexibility on the counter-pressure side GDS, which should not be present on the pressure side.
Die im Inneren des Kolbenschaftes des Kolbens nach Fig. 1 eingelegten Regelstreifen ermöglichen eine en¬ gere Führung des Schaftes im Kaltzustand des Kolbens. Durch die auf der Gegendruckseite GDS gegenüber der Druckseite näher an dem oberen Schaftende vorgesehene Anordnung des Regelstreifens kann das Spiel ziwschen dortigem oberen Schaft- und Zylinderbereich im Kalt¬ zustand geringer eingestellt werden als in dem be¬ treffenden Schaftbereich auf der Druckseite. In den Fig. 4 und 5 geben bei einem Kolben nach Fig. 3 den Mantellinienverlauf in Druck-Gegendruckrichtung jeweils die Kurven DR und DB auf der Druckseite sowie GR und GB auf der Gegendruckseite an.The control strips inserted in the interior of the piston skirt of the piston according to FIG. 1 enable the skirt to be guided more closely when the piston is cold. Due to the arrangement of the control strip on the counterpressure side GDS compared to the pressure side closer to the upper shaft end, the play between the upper shaft and cylinder area there can be set lower in the cold state than in the relevant shaft area on the pressure side. In FIGS. 4 and 5 the curves DR and DB on the pressure side as well as GR and GB on the pressure side indicate the surface line course in the pressure-counter pressure direction for a piston according to FIG. 3.
Die Geraden 0 in den Fig. 4 und 5 deuten die Zylin¬ derlaufbahn für den Kolben an. In den Bereichen, in denen die Kurven DR bzw. GR die jeweilige Gerade 0 berühren, ist das Spiel zwischen dem Kolbenschaft und der Zylinderlauffläche gleich Null. Generell bedeutet der Abstand zwischen den Kurven GR, GB, DR und DB ei¬ nerseits und den Geraden 0 andererseits das Spiel der Kolbenlauffläche gegenüber der Zylinderlauffläche.The straight lines 0 in FIGS. 4 and 5 indicate the cylinder track for the piston. In the areas in which the DR or GR curves touch the respective straight line 0, the clearance between the piston skirt and the cylinder surface is zero. In general, the distance between the curves GR, GB, DR and DB on the one hand and the straight line 0 on the other hand means the play of the piston running surface against the cylinder running surface.
Die Krümmung der Kurven DR, DB und GR, GB entspricht der jeweiligen Kolbenaußenform. Wie ein Vergleich der Kurven GR und DR zeigt, besitzt der Kolbenschaft auf der Gegendruckseite eine geringere Balligkeit im obe¬ ren Schaftbereich als in dem vergleichbaren Bereich auf der Druckseite. Die engere Führung auf der Gegen¬ druckseite ist durch die insgesamt nachgiebigere Aus¬ bildung des 'Kolbenschaftes auf dieser Kolbenseite möglich. Die höhere Nachgiebigkeit wird zum einen durch einen horizontalen Schlitz zwischen dem Schaft und dem Kolbenkopf und zum anderen durch die größere Ovalität des Kolbenschaftes in Umfangsrichtung er¬ reicht. Erhöht werden kann die Nachgiebigkeit des Kolbenschaftes auf der Gegendruckseite auch noch da¬ durch, daß die Schaftdicke dort geringer ist als in dem entsprechenden Bereich auf der Druckseite.The curvature of the curves DR, DB and GR, GB corresponds to the respective piston outer shape. As a comparison of the curves GR and DR shows, the piston skirt on the counter pressure side has a lower crowning in the upper skirt area than in the comparable area on the pressure side. The narrower guide on the Gegen¬ pressure side is determined by the total of the more compliant Aus¬ 'piston shaft on this side of the piston formation possible. The higher flexibility is achieved on the one hand by a horizontal slot between the shaft and the piston head and on the other hand by the greater ovality of the piston shaft in the circumferential direction. The resilience of the piston skirt on the counter pressure side can also be increased by the fact that the shaft thickness there is less than in the corresponding area on the pressure side.
Um den Kolben nach Fig. 3 sowohl im Kopf- und Schaft- bereich zentrieren zu können, ist er axial auf den Höhen A und B auf seiner Außenoberfläche zumindest bereichsweise gegenüberliegend symmetrisch ausgebil¬ det.3 in both the head and shaft To be able to center the area, it is designed to be symmetrical axially at heights A and B on its outer surface, at least in regions opposite one another.
Der strickpunktiert in Fig. 3 angedeutete dehnungsre- gelnde Einlagestreifen liegt axial auf der Gegen¬ druckseite höher zum oberen Schaftrand als auf der Druckseite.The stretch-regulating insert strip indicated by the dot-dash line in FIG. 3 lies axially on the counter pressure side higher than the upper shaft edge than on the pressure side.
Sind die von dem Kolbenboden ausgehenden in den Kol¬ beninnenraum ragenden Naben zur Aufnahme des Kolben¬ bolzens durch radial verlaufende Rippen gegen den Kolbenschaft abgestützt, so können die im Bereich der Druckseite des Kolbens liegenden Rippen massiver und damit stabiler ausgestaltet sein als die betreffenden Rippen auf der Gegendruckseite. Möglich ist es auch, daß derartige Rippen bei im übrigen frei an dem Kol¬ benboden angeformten Naben überhaupt nur auf der Druckseite angebracht sind, während sie auf der Ge¬ gendruckseite ganz fehlen können. If the hubs protruding from the piston crown into the interior of the piston for receiving the piston pin are supported against the piston skirt by means of radially extending ribs, the ribs located in the area of the pressure side of the piston can be made more solid and thus more stable than the ribs in question the counter pressure side. It is also possible that ribs of this type, in the case of hubs which are otherwise freely formed on the piston crown, are only attached to the pressure side, while they can be entirely absent on the counter pressure side.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Leichter Tauchkolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere Pkw-Otto-Motoren , mit den Abmessun¬ gen1. Light plunger for internal combustion engines, in particular car gasoline engines, with the dimensions
mitWith
L = maximale Länge des KolbensL = maximum length of the piston
D = maximaler Durchmesser des KolbensD = maximum diameter of the piston
H = KompressionshöheH = compression height
A = maximale Schafthöhe unterhalb der unter¬ sten Ringnut in einem Umfangsbereich mit etwa gleicher Schafthöhe von mindestens 45 Grad auf der Druckseite des Kolbens bei etwa symmetrischer Aufteilung dieses Bereiches zu beiden Seiten einer durch die Kolbenlängs¬ achse verlaufenden senkrecht zur Bolzenachse aufgespannten Ebene, T = dia tetraler gegenseitiger Abstand der radial außen liegenden Nabenbohrungsennden,A = maximum stem height below the lowest ring groove in a circumferential area with approximately the same stem height of at least 45 degrees on the pressure side of the piston with an approximately symmetrical division of this area on both sides of a perpendicular to the pin axis through the longitudinal piston axis spanned plane, T = dia tetral mutual distance of the radially outer hub bore ends,
und einem in Kolbenachsrichtung balligen und in Umfangsrichtung ovalen Schaft mit in Druck-Gegen¬ druckrichtung liegender großer Ovalitätsachse so¬ wie insbesondere einer Achse der Nabenbohrungen für den Kolbenbolzen, die geringfügig zur Druck¬ seite des Kolbens versetzt ist (Desachsierung der Bolzenachse) , dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschaft nur in einem auf der Gegen¬ druckseite gelegenen Bereich (GDS-Bereich) einer durch die Bolzen- und Kolbenlängsachse aufge¬ spannten Ebene in seinem oberen Bereich durch ei¬ nen horizontalen Schlitz von dem Kolbenkopf ge¬ trennt ist.and a spherical shaft which is spherical in the piston axis direction and oval in the circumferential direction, with a large ovality axis lying in the pressure-counterpressure direction, and in particular an axis of the hub bores for the piston pin, which is slightly offset from the pressure side of the piston (unlocking of the pin axis), characterized that the piston skirt is separated from the piston head by a horizontal slot only in an area on the counter-pressure side (GDS area) of a plane spanned by the longitudinal axis of the pin and piston in its upper area.
2. Tauchkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschaft in der Polarebene (Ebene senkrecht zur Kolbenachse) im GDS-Bereich eine größere Ovalität als im DS-Bereich aufweist.2. plunger according to claim 1, characterized in that the piston skirt in the polar plane (plane perpendicular to the piston axis) in the GDS area has a greater ovality than in the DS area.
Tauchkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im GDS-Bereich gelegene Schaft in seinem oberen an die unterste Ringnut angrenzenden Be¬ reich weniger ballig ausgeführt ist als im DS-Be¬ reich. Plunger according to claim 1 or 2, characterized in that the shaft located in the GDS area is less spherical in its upper area adjacent to the lowest annular groove than in the DS area.
4. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft im Bereich der Druckseite länger als im Bereich der Gegendruckseite ist.4. plunger according to one of the preceding Ansprü¬ che, characterized in that the shaft in the area of the pressure side is longer than in the area of the counter pressure side.
5. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke auf der Druckseite größer als diejenige auf der Gegendruckseite ist.5. plunger according to one of the preceding Ansprü¬ che, characterized in that the wall thickness on the pressure side is greater than that on the counter pressure side.
6. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Gegendruckseite des Schaftes eine dehnungsregelnde in Schaftu fangsrichtung streifenför ig verlaufende Einlage aus einem Ma¬ terial vorgesehen ist, dessen Wärmeausdehnungsko¬ effizient geringer als derjenige des Schaftmate¬ rials ist.6. Plunger according to one of the preceding claims, characterized in that in the region of the counterpressure side of the shaft, an expansion-regulating strip in the shaft direction starting from a material is provided, the thermal expansion coefficient of which is less than that of the shaft material .
7. Tauchkolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch auf der Druckseite eine dehnungsregelnde streifenförmige Einlage vorgesehen ist, die ge¬ genüber der Einlage auf der Gegendruckseite einen größeren Abstand von dem oberen Schaftende auf¬ weist. 7. Plunger according to claim 3, characterized in that a strain-regulating strip-shaped insert is also provided on the pressure side, which has a greater distance from the upper shaft end compared to the insert on the counter-pressure side.
EP89912953A 1988-12-24 1989-11-29 Light plunger piston for internal combustion engines Expired - Lifetime EP0449848B1 (en)

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DE3843866 1988-12-24
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EP (1) EP0449848B1 (en)
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