DE102009025063A1 - Light metal piston with multiple omega combustion bowl - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellten Kolben (1) einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenoberteil (2), das im Bereich eines Kolbenbodens (3) eine Brennraummulde (4a) aufweist. Außenseitig umfasst das Kolbenoberteil (2) ein zur Aufnahme von Kolbenringen bestimmtes Ringfeld (5), an das sich ein Kolbenschaft (6) anschließt, in dem diametral gegenüberliegende Nabenbohrungen (7) eingebracht sind. Zur Bildung einer Merhfach-Omega-Brennraummulde (8) ist der Muldenrand (10a) von einer radial beabstandeten, in dem Kolbenboden (3) eingebrachten gerundeten Ausnehmung umschlossen.The invention relates to a piston (1) of a diesel internal combustion engine produced from a light metal material, in particular aluminum or an aluminum alloy, having a piston upper part (2) which has a combustion bowl (4a) in the region of a piston head (3). On the outside, the piston upper part (2) comprises a ring field (5) intended for receiving piston rings, to which a piston shaft (6) adjoins, in which diametrically opposite hub bores (7) are introduced. In order to form a omega-omega combustion bowl (8), the bowl rim (10a) is surrounded by a radially spaced-out rounded recess introduced into the piston head (3).
Description
Die Erfindung betrifft einen aus einem Leichmetallwerkstoff, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellten Gußkolben einer Diesel-Brennkraftmaschine. Der Kolben umfasst ein Kolbenoberteil, das im Bereich eines Kolbenbodens eine omegaförmige Brennraummulde aufweist sowie außenseitig ein Ringfeld zur Aufnahme von Kolbenringen. An das Kolbenoberteil schließt sich ein Kolbenschaft an, in dem diametral gegenüberliegende Nabenbohrungen eingebracht sind.The The invention relates to a made of a lightweight metal material, in particular cast pistons made of aluminum or an aluminum alloy Diesel engine. The piston comprises a piston upper part, which has an omega-shaped combustion bowl in the region of a piston crown and on the outside a ring field for receiving piston rings. The piston upper part is followed by a piston skirt, introduced in the diametrically opposite hub bores are.
Die
Gestaltung der Kolbenmulde beeinflusst maßgeblich das Betriebs-
und Abgasverhalten einer Diesel-Brennkraftmaschine. Die unterschiedlichen Anforderungen
zwischen dem Teillast- und dem Volllastbetrieb einer Brennkraftmaschine
erfordern einen Kompromiss bei der Auslegung der Kolbenmulde. Hierbei
hat sich die sogenannte Omega-Muldenform als besonders geeignet
herausgestellt, die im Kolbenboden eine symmetrisch gewölbte
Kolbenmulde bildet. In der
Infolge der Leistungssteigerung von Diesel-Brennkraftmaschinen wird der Kolbenboden, insbesondere die Brennraummulde von Leichtmetallkolben einer erhöhten Beanspruchung durch die mechanische Belastung des Gasdrucks und des erhöhten Temperaturniveaus sowie den Spannungen aus den Temperaturgradienten ausgesetzt. Andererseits besteht die Forderung, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Kolben zu steigern. Dabei unterliegt insbesondere der Muldenrand der Brennraummulde einem kritischen Beanspruchungszustand, da die beschleunigte Gasströmung den Wärmeübergang in dieser Zone verstärkt. Dadurch steigt die Temperatur des Muldenrandes und führt zusammen mit der großen Tangentialspannung aus der Temperaturverteilung zu einer überelastischen Beanspruchung.As a result The increase in performance of diesel internal combustion engines is the Piston bottom, in particular the combustion bowl of light metal piston an increased stress due to the mechanical load of gas pressure and elevated temperature level as well exposed to the stresses from the temperature gradient. On the other hand exists the requirement, the reliability and life of the Increase piston. In particular, the trough edge is subject to this the combustion chamber trough a critical state of stress, since the accelerated gas flow heat transfer reinforced in this zone. This increases the temperature of the Muldenrandes and leads together with the large Tangential stress from the temperature distribution to an over-elastic Stress.
Herkömmliche für Diesel-Brennkraftmschinen bestimmte Kolben aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung unterliegen im Betriebszustand an dem heißen Randbereich der Brennraummulde einer erhöhten LCF(Low Cycle Fatigue)-Belastung, die ein Maßstab für die Werkstoffermüdung unter niederfrequenter Schwelllast darstellt, was sich oftmals in nicht akzeptablen Thermoschock-Anrissen zeigt. Diese Anrisse, insbesondere senkrecht zum Brennraummuldenrand verlaufende Ermüdungsrisse werden durch eine plastische Deformation des heißen Randbereichs der Brennraummulde während des Aufheizvorgangs verursacht. Der Muldenrand dehnt sich aufgrund hoher Temperatur aus, während das dahinter liegende Gefüge mit einem geringeren Tempreaturniveau eine Werkstoffausdehnung blockiert, mit der Folge einer Plastifizierung. Im Abkühlvorgang des Kolbenbodens zieht sich der Randbereich der Brennraummulde in seine Ausgangsform zurück, wodurch sich im Werkstoffgefüge Zugspannungen einstellen, die zulässige Grenzwerte des Werkstoffs überschreiten mit der Folge einer Rissbildung.conventional pistons of aluminum intended for diesel internal combustion engines or an aluminum alloy are subject in the operating state of the hot edge area of the combustion bowl of an elevated LCF (Low Cycle Fatigue) load, which is a benchmark for the material fatigue under low-frequency threshold load which often results in unacceptable thermal shock cracks shows. These cracks, in particular perpendicular to the combustion bowl rim running fatigue cracks are caused by a plastic Deformation of the hot edge area of the combustion bowl caused during the heating process. The trough edge expands due to high temperature, while behind it lying structure with a lower Tempreaturniveau a Material expansion blocked, resulting in a plasticization. In the cooling process of the piston crown, the edge area pulls the combustion chamber back to its original shape, whereby to set tensile stresses in the material structure, the permissible Limit values of the material exceed with the consequence of a Cracking.
Zur
Vermeidung von derartigen Anrissen im Randbereich der Brennraummulde
ist es bekannt, beispielsweise lokal konzentriert temperaturfeste Werkstoffe
oder Faserkörper anzuordnen. Aus der
Um
die Eigenschaften des Muldenrandbereichs hinsichtlich Temperaturschock
und Rissgefahr zu verbessern sind weiterhin Umschmelzverfahren bekannt.
Diese Verfahren beruhen darauf, dass ein in den Werkstoff eindringender
Ladungsträgerstrahl eine kleine, unmittelbar in seinem
Bereich liegende Werkstoffmenge zur lokalen Erzeugung eines feinkörnigen
Gefüges aufschmilzt, während die Umgebung der
Schmelzzone kalt bleibt und das aufgeschmolzene Material nach dem
Entfernen des Ladungsträgers abkühlt und sofort
wieder erstarrt. Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit einer verbesserten thermischen Ermüdungsfestigkeit im Randbereich der Brennraummulde zu realisieren.Of the Invention is based on the object, a piston with an improved Thermal fatigue strength in the edge region of the combustion bowl to realize.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung umfasst einen Kolbenboden mit einer Mehrfach-Omega-Brennraummulde. Der Muldenrand der vorzugsweise zentral positionierten Brennraummulde ist dazu von zumindest einer zu dem Randbereich der Brennraummulde radial beabstandeten, rotationssymmetrisch im Kolbenboden eingebrachten Ausnehmung umschlossen.These The object is solved by the features of claim 1. The embodiment according to the invention comprises a Piston bottom with a multi-omega combustion bowl. The trough edge the preferably centrally positioned combustion bowl is to from at least one radially to the edge region of the combustion bowl spaced, rotationally symmetric introduced in the piston crown Enclosed recess.
Das konstruktive Konzept gemäß der Erfindung verbessert die elastische Verformung des Muldenrandbereichs unter thermischer Belastung, wodurch sowohl die LCF-Belastung, die thermische Ermüdungsfestigkeit, als auch die thermoschockabhängige Bauteillebensdauer und damit die gesamte Lebensdauer des Kolbens entscheidend gesteigert werden.The design concept according to the invention improves the elastic deformation of the trough edge area under thermal stress, whereby both the LCF load, the thermal fatigue strength, as well as the thermal shock-dependent component life and thus the entire Life of the piston can be significantly increased.
Diese die Dauerfestigkeit des Kolbens positiv beeinflussende, kostengünstig realisierbare Maßnahme steigert neben der Lebensdauer auch die Wirtschaftlichkeit des Kolbens. Die vorgeschlagenen erfindungsgemäßen kostengünstig umsetzbaren Maßnahmen tragen entscheidend dazu bei, einer Rissbildung bzw. einer Plastifizierung des Grundgefüges im Randbereich der Brennraummulde entgegenzuwirken. Die ergänzende Ausnehmung in Verbindung mit der zentralen Brennraummulde zur Bildung einer Mehrfach-Omega-Brennraummulde, bewirkt eine verbeserte Elastizität, wodurch sich der Randbereich ohne Gefahr einer plastischen Verformung thermisch ausdehnen kann.These the fatigue strength of the piston positively influencing, cost feasible measure increases in addition to the life also the economy of the piston. The proposed invention cost-effective measures contribute decisively in addition, a cracking or plasticization of the basic structure Counteract in the edge region of the combustion bowl. The supplementary Recess in connection with the central combustion bowl for formation a multi-omega combustion bowl, improves the elasticity, whereby the edge area without risk of plastic deformation thermally expand.
Außerdem bewirkt die Erfindung eine thermo-mechanische Entlastung von Muldenrandbereichen, da sich die kritische, thermisch hoch belastete Randzone der Brennraummulde bei der Aufheizung deutlich mehr elastisch verformen kann. Das Entstehen plastischer Verformungen bei der Temperaturausdehnung als Ausgangsursache für Thermoschock-Anrisse wird damit weitestgehend verhindert. Folglich stellt sich durch die Erfindung für die Muldenränder bzw. Randzonen bzw. Randbereiche der Brennraummulde oder Brennraummulden vorteilhaft eine höhere LCF-Belastung ein sowie eine verbesserte Beständigkeit gegenüber extremen Temperaturwechseln. Innerhalb dieser Relationen von konstruktiv ausgeführten Omega-Mulden gemäß der Erfindung, ist auch ein optimaler Schutz der Muldenränder gegen Thermoschock-Anrisse gewährleistet.Furthermore causes the invention a thermo-mechanical relief of Muldenrandbereichen, since the critical, thermally highly loaded edge zone of the combustion bowl can deform much more elastically during heating. The emergence plastic deformations in the temperature expansion as a source of origin For thermal shock cracks is thus largely prevented. consequently arises through the invention for the trough edges or edge zones or edge regions of the combustion bowl or combustion bowls advantageously a higher LCF load and an improved Resistance to extreme temperature changes. Within these relations of structurally executed Omega-troughs according to the invention is also a optimal protection of the trough edges against thermal shock cracks guaranteed.
Zur Darstellung einer Doppel-Omega-Brennraummulde ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die einen zylindrisch zu einer Längsachse der Brennraummulde verlaufenden Muldenrand aufweisende insbesondere zentral positionierte Brennraummulde von einer in dem Kolbenboden eingebrachten Ausnehmung in Form eines Hinterschnitts oder einer nutförmigen, als Umlaufnut ausgebildeten, gerundeten Vertiefung umschlossen ist.to Illustration of a double-omega combustion bowl is provided according to the invention, that the one extending cylindrically to a longitudinal axis of the combustion chamber trough Well edge having in particular centrally positioned combustion bowl of a recess introduced in the piston crown in the form of a Undercut or a groove-shaped, formed as a circumferential groove, rounded depression is enclosed.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung schließt die Gestaltung einer Triple-Omega-Brennraummulde ein. Der Muldenrand dieser Brennraummulde weist kolbenbodenseitig eine eingezogene, radial nach innen ausgerichtete, eine einem Balkon vergleichbare Kontur auf, die einen Hinterschnitt bildet. Dieser Muldenrand ist von zwei zueinander beabstandeten, in dem Kolbenboden eingebrachten Ausnehmungen umschlossen. Durch diesen eine Triple-Omega-Brennraummulde bildenden Aufbau kann sich der Muldenrand bzw. die Muldenränder in einem noch größeren Umfang thermisch ausdehnen, ohne Gefahr einer nachteilig plastischen Verformung.A further embodiment of the invention includes the design of a triple omega combustion bowl. The trough edge this combustion bowl has a piston bottom, a retracted, radially inward-facing, one comparable to a balcony Contour that forms an undercut. This trough edge is of two mutually spaced, introduced in the piston crown Recesses enclosed. Through this a triple omega combustion bowl bildenden structure may be the trough edge or the trough edges to thermally expand to an even greater extent, without risk of disadvantageous plastic deformation.
Als Ausnehmungen für eine Triple-Omega-Brennraummulde schließt die Erfindung Umlaufnuten oder Hinterschnitte ein, die sowohl umlaufend geschlossen als auch wechselweise partiell unterbrochen ausgespart in dem Kolbenboden eingebracht sind. Damit ist die Möglichkeit geschaffen, die Triple-Omega-Brennraummulde beispielsweise an die umfangsbezogen unterschiedlichen thermischen Kolbenbelastungen im Betriebszustand anzupassen.When Recesses for a triple-omega combustion bowl concludes the invention circulation grooves or undercuts, which closed both circumferentially as well as alternately partially interrupted recessed in the piston crown are introduced. This creates the opportunity the triple omega combustion bowl, for example, to the perimeter different thermal piston loads in the operating state adapt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erfindungsgemäß zusätzlich eingebrachte Umlaufnut bzw. nutförmige Vertiefung so in den Kolbenboden eingebracht ist, dass sich ein gestufter Abschnitt einstellt. Für eine Triple-Omegamulde können bedarfsabhängig die zwei Umlaufnuten oder nutförmigen Vertiefungen gestuft und/oder in abweichenden oder unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet sein werden.A preferred embodiment of the invention provides that the invention additionally introduced Circumferential groove or groove-shaped depression in the piston head is introduced, that sets a stepped portion. For a triple omega trough can be demand-based the two recirculating grooves or groove-shaped recesses stepped and / or in different or different distances from each other will be arranged.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bietet es sich an, die Umlaufnut, nutförmige Vertiefung oder den Hinterschnitt zur Schaffung einer mehrstufigen Omega-Kolbenmulde mit einem hochelastischen Werkstoff auszufüllen. Diese Maßnahme bietet den Vorteil, dass die zusätzlich eingebrachten nutförmigen Vertiefungen keinen negativen Einfluss auf den Verbrennungsprozess nehmen und beispielsweise die Gasströmung beeinflussen.In a further advantageous embodiment of the invention provides it is, the circulation groove, groove-shaped depression or the Undercut to create a multi-stage omega piston recess to be filled with a highly elastic material. These Measure offers the advantage that the additional introduced groove-shaped depressions no negative impact take on the combustion process and for example the gas flow influence.
Durch eine Variation von gestuft angeordneten nutförmigen Vertiefungen, Hinterschnitten oder Umlaufnuten, zur Schaffung einer Triple-Omega-Brennraummulde ermöglicht eine Einflussnahme auf die Kontur, das Profil des Kolbenbodens.By a variation of stepped grooved depressions, Undercuts or recirculating grooves to create a triple omega combustion bowl allows influencing the contour, the profile of the piston crown.
Bevorzugt beträgt das Verhältnis der Durchmesser zwischen der zentralen Brennraummulde und der ersten Umlaufnut oder der ersten nutförmigen Ausnehmung 0,55 bis 1,1. Weiterhin ist erfindungsgemäß für eine Triple-Omega-Brennraummulde ein Verhältnis der Durchmesser von der ersten Umlaufnut oder dem ersten Hinterschnitt und der zweiten Umlaufnut oder dem zweiten Hinterschnitt von 0,3 bis 1,0 vorgesehen. Ein weiteres erfindungsgemäßes Auslegungskriterium sieht vor, dass die Umlaufnuten, die nutförmige Vertiefungen oder die Hinterschnitte eine Tiefe „y1, y2” von vorzugsweise 0,5 bis 3% des Kolbendurchmessers aufweisen. Für die Radien „r1” und „r2” in den Scheitelpunkten zwischen den einzelnen Brennraummulden ist ein bevorzugtes Maß zwischen 0,5 bis 5 mm vorgesehen.The ratio of the diameters between the central combustion bowl and the first circumferential groove or the first groove-shaped recess is preferably 0.55 to 1.1. Furthermore, according to the invention, a ratio of the diameters of the first circumferential groove or the first undercut and the second circumferential groove or the second undercut of 0.3 to 1.0 is provided for a triple-omega combustion bowl. A further design criterion according to the invention provides that the circulating grooves, the groove-shaped depressions or the undercuts have a depth "y 1 , y 2 " of preferably 0.5 to 3% of the piston diameter. For the radii "r1" and "r2" in the vertices between the individual combustion bowls, a preferred dimension between 0.5 to 5 mm is provided.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.in the The following is the invention with reference to embodiments explained in more detail with reference to the drawings.
Es zeigen:It demonstrate:
Die
Die
Die
Doppel-Omega-Brennraummulde
Die
Gemäß den
Die
Umlaufnuten
- 11
- Kolbenpiston
- 22
- KolbenoberteilPiston crown
- 33
- Kolbenbodenpiston crown
- 4a4a
- BrennraummuldeCombustion bowl
- 4b4b
- BrennraummuldeCombustion bowl
- 55
- Ringfeldring box
- 66
- Kolbenschaftpiston shaft
- 77
- Nabenbohrunghub bore
- 88th
- BrennraummuldeCombustion bowl
- 99
- Umlaufnutcircumferential groove
- 10a10a
- Muldenrandbowl edge
- 10b10b
- Muldenrandbowl edge
- 11a11a
- Scheitelpunktvertex
- 11b11b
- Scheitelpunktvertex
- 1212
- BrennraummuldeCombustion bowl
- 1313
- Längsachselongitudinal axis
- 1414
- Kompressionsvorsprungcompression lead
- 1515
- Balkonbalcony
- 1616
- Hinterschnittundercut
- 1717
- Hinterschnittundercut
- 1818
- Scheitelpunktvertex
- 1919
- Umlaufnutcircumferential groove
- 2020
- Umlaufnutcircumferential groove
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20131228 |