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EP2027381B1 - Mehrteiliger gekühlter kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Mehrteiliger gekühlter kolben für einen verbrennungsmotor Download PDF

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Publication number
EP2027381B1
EP2027381B1 EP07785519A EP07785519A EP2027381B1 EP 2027381 B1 EP2027381 B1 EP 2027381B1 EP 07785519 A EP07785519 A EP 07785519A EP 07785519 A EP07785519 A EP 07785519A EP 2027381 B1 EP2027381 B1 EP 2027381B1
Authority
EP
European Patent Office
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piston
cooling channel
upper region
threaded bolt
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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Application number
EP07785519A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2027381A2 (de
Inventor
Rainer Scharp
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 International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2027381A2 publication Critical patent/EP2027381A2/de
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/0015Multi-part pistons
    • F02F3/0023Multi-part pistons the parts being bolted or screwed together
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/16Pistons  having cooling means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/16Pistons  having cooling means
    • F02F3/20Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid

Definitions

  • the invention relates to a multi-part piston for an internal combustion engine according to the preamble of claim.
  • a multi-part cooled piston for an internal combustion engine which consists of a piston upper part and a piston lower part.
  • a threaded bolt is arranged, and in the upper region of the piston lower part a threaded bore is introduced, so that the two piston parts on the threaded bolt and the threaded bore are screwed together.
  • the upper portion of the piston lower part is in this case formed so thin-walled that it deforms plate spring-like when screwing piston upper part and piston lower part, so that on the threaded bolt and the threaded bore a bias is applied, which consolidates and secures the screw connection formed thereby.
  • the disadvantage here is that in the deformation of the upper portion of the piston lower part near the threaded hole voltage-related cracks can occur, which solve the screw and damage to the piston and thus the engine, in which the piston is installed, can lead.
  • the invention is based on the problem to avoid the mentioned disadvantage of the prior art.
  • the problem is solved with the standing in the characterizing part of claim characteristics.
  • a multi-part cooled piston 1 which consists of a piston upper part 2 with a combustion bowl 3 and with an annular wall 4 with ring portion 5 and a piston base 6, a box-shaped piston shaft 7 and two associated pin bosses 8, each with a pin bore 9 has for receiving a piston pin, not shown in the figure.
  • the upper piston part 2 and the lower piston part 6 delimit an outer annular cooling channel 10 and an inner cooling channel 11 arranged concentrically therewith, wherein the outer cooling channel 10 has at least one inflow opening 12 for introducing cooling oil and is connected to the inner cooling channel 11 via at least one overflow channel 13 ,
  • the overflow channel 13 may be formed as a bore.
  • the inner cooling channel 11 has at least one drain hole 14, via which the cooling oil can escape from the inner cooling channel 11.
  • the upper piston part 2 and the lower piston part 6 can be made of steel.
  • the piston upper part 2 supports, on the one hand, an annular support surface 15 arranged on its underside on an upper support surface 16 of an annular support rib 17 of the piston lower part 6 and, on the other hand, a cross-sectional surface 18 located on the underside of the annular wall 4 on an upper cross-sectional surface 19 of an annular one Supporting web 20 of the piston lower part 6.
  • the support surfaces 15 and 16 form an inner, planar and horizontally arranged, or roof or plate-shaped support 21 and the cross-sectional surfaces 18 and 19 to the inner support 21 coaxially arranged and horizontally lying, or also roof. or dish-shaped outer pad 22.
  • the support web 20 is viewed in section as a radially inwardly and upwardly directed step, so that the piston upper part 2 via a in the inside the lower end of the annular wall 4 introduced and complementary to the support web 20 shaped recess 23 can be centered relative to the piston lower part 6 by the recess 23 of the annular wall 4 of the piston upper part 2 is pushed onto the support web 20 of the piston lower part 6.
  • the inner diameter of the recess 23 is larger by a certain tolerance than the outer diameter of the cylindrical end face 24 of the support web 20, so that a trouble-free mounting of the piston upper part 2 is ensured on the piston lower part 6.
  • the underside of the upper piston part 2 has a centrally located and coaxial with the piston axis 25 blind hole 26 with internal thread 28.
  • the region 31 between the annular support rib 17 of the piston lower part 6, which defines the inner cooling channel 11 together with the piston upper part 2, is formed relatively thin-walled and is provided in its center with a coaxial with the piston axis 25 and upwardly directed threaded bolt 29, the upper End 27 has an external thread 30 which fits into the internal thread 28 of the blind hole 26.
  • the upper piston part 2 is centered over the recess 23 and the support web 20 relative to the lower piston part 6 and then rotated about the piston axis 25, wherein the blind hole 26 is screwed onto the threaded bolt 29.
  • the elasticity of the relatively thin-walled region 31 causes it to deform like a disk spring when the piston top and bottom are screwed together, ie, the inner center of the region 31 provided with the threaded bolt 29 bulges in the direction of the piston upper part 2.
  • the tensile stress exerted on the unthreaded shank 32 of the threaded bolt 29 during assembly leads to an elastic extension of the shank 29.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 102 57 022 A1 ist ein mehrteiliger gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil besteht. Auf der Unterseite des Kolbenoberteils ist ein Gewindebolzen angeordnet, und in den oberen Bereich des Kolbenunterteils ist eine Gewindebohrung eingebracht, sodass die beiden Kolbenteile über den Gewindebolzen und die Gewindebohrung miteinander verschraubbar sind. Der obere Bereich des Kolbenunterteils ist hierbei derart dünnwandig ausgebildet, dass er sich beim Zusammenschrauben von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil tellerfederartig verformt, sodass auf den Gewindebolzen und die Gewindebohrung eine Vorspannung ausgeübt wird, die die hierdurch gebildete Schraubverbindung festigt und sichert. Nachteilig ist hierbei, dass bei der Verformung des oberen Bereiches des Kolbenunterteils nahe der Gewindebohrung spannungsbedingte Risse auftreten können, die die Schraubverbindung lösen und zu einer Beschädigung des Kolbens und damit des Motors, in den der Kolben eingebaut ist, führen können.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, den erwähnten Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden. Gelöst wird die Aufgabe mit den im Kennzeichen des Patentanspruches stehenden Merkmalen.
  • Dadurch, dass an den dünnwandigen und tellerfederartig verformbaren Bereich des Kolbenunterteils ein Gewindebolzen angeformt ist, werden bei der Montage des Kolbens und bei der damit einhergehenden Verformung dieses Bereiches in Richtung Kolbenboden die dabei entstehenden Zugumfangsspannungen verringert, wodurch spannungsbedingte Risse in diesem Bereich weitgehend vermieden werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Sie zeigt ein aus zwei Hälften bestehendes Schnittbild des erfindungsgemäßen Kolbens, wobei die linke Hälfte einen Halbschnitt des Kolbens in Richtung des Kolbenbolzens und die rechte Hälfte einen Halbschnitt des Kolbens in Druck-Gegendruck-Richtung darstellen.
  • In der Figur ist ein mehrteiliger gekühlter Kolben 1 dargestellt, der aus einem Kolbenoberteil 2 mit einer Verbrennungsmulde 3 und mit einer Ringwand 4 mit Ringpartie 5 und aus einem Kolbenunterteil 6 besteht, das einen kastenförmigen Kolbenschaft 7 und zwei damit verbundene Bolzennaben 8 mit je einer Bolzenbohrung 9 zur Aufnahme eines in der Figur nicht dargestellten Kolbenbolzens aufweist. Das Kolbenoberteil 2 und das Kolbenunterteil 6 begrenzen einen äußeren ringförmigen Kühlkanal 10 und einen konzentrisch dazu angeordneten, inneren Kühlkanal 11, wobei der äußere Kühlkanal 10 mindestens eine Zuflussöffnung 12 zum Einleiten von Kühlöl aufweist und über mindestens einen Überlaufkanal 13 mit dem inneren Kühlkanal 11 verbunden ist. Der Überlaufkanal 13 kann als Bohrung ausgebildet sein. Der innere Kühlkanal 11 weist mindestens eine Ablaufbohrung 14 auf, über die das Kühlöl aus dem inneren Kühlkanal 11 austreten kann. Hergestellt werden können das Kolbenoberteil 2 und das Kolbenunterteil 6 aus Stahl.
  • Das Kolbenoberteil 2 lagert zum einen über eine auf dessen Unterseite angeordnete, ringförmige Auflagefläche 15 auf einer oberen Auflagefläche 16 einer ringförmigen Tragrippe 17 des Kolbenunterteils 6 und zum anderen über eine sich auf der Unterseite der Ringwand 4 befindliche Querschnittsfläche 18 auf einer oberen Querschnittsfläche 19 eines ringförmigen Tragsteges 20 des Kolbenunterteiles 6. Hierbei bilden die Auflageflächen 15 und 16 eine innere, ebene und horizontal angeordnete, beziehungsweise dach- oder tellerförmig ausgebildete Auflage 21 und die Querschnittsflächen 18 und 19 eine zur inneren Auflage 21 koaxial angeordnete und horizontal liegende, beziehungsweise ebenfalls dach- oder tellerförmig ausgebildete, äußere Auflage 22.
  • Der Tragsteg 20 ist im Schnitt betrachtet als eine nach radial innen und aufwärts gerichtete Stufe ausgebildet, sodass das Kolbenoberteil 2 über eine in die Innenseite des unteren Endes der Ringwand 4 eingebrachte und komplementär zum Tragsteg 20 geformte Ausnehmung 23 gegenüber dem Kolbenunterteil 6 zentriert werden kann, indem die Ausnehmung 23 der Ringwand 4 des Kolbenoberteils 2 auf den Tragsteg 20 des Kolbenunterteils 6 geschoben wird. Hierbei ist es erforderlich, dass der Innendurchmesser der Ausnehmung 23 um ein bestimmtes Toleranzmaß größter ist als der Außendurchmesser der zylinderförmigen Stirnseite 24 des Tragsteges 20, damit eine problemlose Montage des Kolbenoberteils 2 auf das Kolbenunterteil 6 gewährleistet ist.
  • Die Unterseite des Kolbenoberteils 2 weist eine mittig und koaxial zur Kolbenachse 25 angeordnete Sacklochbohrung 26 mit Innengewinde 28 auf. Der Bereich 31 zwischen der ringförmigen Tragrippe 17 des Kolbenunterteils 6, der gemeinsam mit dem Kolbenoberteil 2 den inneren Kühlkanal 11 begrenzt, ist relativ dünnwandig ausgebildet und ist in seiner Mitte mit einem koaxial zur Kolbenachse 25 angeordneten und nach oben gerichteten Gewindebolzen 29 versehen, dessen oberes Ende 27 ein Außengewinde 30 aufweist, das in das Innengewinde 28 der Sacklochbohrung 26 passt.
  • Bei der Montage des Kolbens 1 wird das Kolbenoberteil 2 über die Ausnehmung 23 und den Tragsteg 20 gegenüber dem Kolbenunterteil 6 zentriert und dann um die Kolbenachse 25 gedreht, wobei die Sacklochbohrung 26 auf den Gewindebolzen 29 aufgeschraubt wird. Hierbei bewirkt die Elastizität des relativ dünnwandigen Bereiches 31, dass dieser sich beim Zusammenschrauben von Kolbenober und -unterteil wie eine Tellerfeder verformt, d.h., dass sich das innere, mit dem Gewindebolzen 29 versehene Zentrum des Bereiches 31 in Richtung Kolbenoberteil 2 aufwölbt. Zusätzlich führt die bei der Montage auf den gewindelosen Schaft 32 des Gewindebolzens 29 ausgeübte Zugspannung zu einer elastischen Verlängerung des Schaftes 29. Diese Verformungen sowohl des Bereiches 31 als auch des Schaftes 32 des Gewindebolzen 29 üben auf die Schraubverbindung (28, 30) eine Vorspannung aus, die insbesondere im Motorbetrieb eine feste Schraubverbindung zwischen dem Kolbenoberteil 2 und dem Kolbenunterteil 6 gewährleistet.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Kolben
    2
    Kolbenoberteil
    3
    Verbrennungsmulde
    4
    Ringwand
    5
    Ringpartie
    6
    Kolbenunterteil
    7
    Kolbenschaft
    8
    Bolzennabe
    9
    Bolzenbohrung
    10
    äußerer Kühlkanal
    11
    innerer Kühlkanal
    12
    Zuflussöffnung
    13
    Überlaufkanal, Bohrung
    14
    Ablaufbohrung
    15
    Auflagefläche des Kolbenoberteils 2
    16
    Auflagefläche des Kolbenunterteils 6
    17
    Tragrippe
    18
    Querschnittsfläche des Kolbenoberteils 2
    19
    Querschnittsfläche des Kolbenunterteils 6
    20
    Tragsteg
    21
    innere Auflage
    22
    äußere Auflage
    23
    Ausnehmung der Ringwand 4
    24
    Stirnseite des Tragsteges 20
    25
    Kolbenachse
    26
    Sacklochbohrung
    27
    Ende des Gewindebolzens 29
    28
    Innengewinde der Sacklochbohrung 26
    29
    Gewindebolzen
    30
    Außengewinde des Gewindebolzens 29
    31
    Bereich zwischen der Tragrippe 17
    32
    Schaft des Gewindebolzens 29

Claims (1)

  1. Mehrteiliger, gekühlter Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor bestehend aus einem Kolbenoberteil (2), das eine Ringwand (4) mit Ringpartie (5) aufweist, und aus einem Kolbenunterteil (6), das einen kastenförmigen Kolbenschaft (7) mit zwei Bolzennaben (8) aufweist, wobei das Kolbenunterteil (6) mit dem Kolbenoberteil (2) einen äußeren, ringförmigen (10) und zudem einen konzentrisch dazu angeordneten, inneren ringförmigen Kühlkanal (11) bildet, wobei der innere Kühlkanal (11) von einem oberen Bereich (31) des Kolbenunterteils (6) abgedeckt wird, der derart dünnwandig ausgebildet ist, dass er tellerfederartig verformbar ist, und wobei in die Unterseite des Kolbenoberteils (2) eine mittig und koaxial zur Kolbenachse (25) angeordnete Sacklochbohrung (26) mit Innengewinde (28) eingebracht ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der obere Bereich (31) des Kolbenunterteils (6) einen mittig und koaxial zur Kolbenachse (25) angeordneten, nach oben gerichteten und einstückig aus dem oberen Bereich (31) des Kolbenunterteils (6) ausgeformten Gewindebolzen (29) mit Außengewinde (30) aufweist, wobei das Innengewinde (28) auf das Außengewinde (30) passt, sodass das Kolbenoberteil (2) über die Sacklochbohrung (26) und über den Gewindebolzen (29) mit dem Kolbenunterteil (6) verschraubbar ist.
EP07785519A 2006-06-13 2007-06-08 Mehrteiliger gekühlter kolben für einen verbrennungsmotor Not-in-force EP2027381B1 (de)

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