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WO2009000420A1 - Piston for an internal combustion engine, and method for producing it - Google Patents

Piston for an internal combustion engine, and method for producing it Download PDF

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Publication number
WO2009000420A1
WO2009000420A1 PCT/EP2008/004653 EP2008004653W WO2009000420A1 WO 2009000420 A1 WO2009000420 A1 WO 2009000420A1 EP 2008004653 W EP2008004653 W EP 2008004653W WO 2009000420 A1 WO2009000420 A1 WO 2009000420A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston
combustion chamber
covering part
main body
lining part
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2008/004653
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Erwin Schmidt
Siegfried Sumser
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.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of WO2009000420A1 publication Critical patent/WO2009000420A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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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 
    • F02F3/02Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F02F3/04Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion having expansion-controlling inserts
    • F02F3/045Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion having expansion-controlling inserts the inserts being located in the crown
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009Cylinders, pistons
    • 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 
    • F02F3/10Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12Pistons  having surface coverings on piston heads
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0603Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston at least part of the interior volume or the wall of the combustion space being made of material different from the surrounding piston part, e.g. combustion space formed within a ceramic part fixed to a metal piston head

Definitions

  • Piston for an internal combustion engine and method for its
  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine specified in the preamble of claim 1. Art. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a piston specified in the preamble of claim 7 Art.
  • the object of the present invention is therefore to improve a piston and a method for the production thereof so that, on the one hand, a particularly high resistance and, on the other hand, a particularly simple production of the piston can be realized.
  • This object is achieved by a piston and a method for its preparation with the features of claims 1 and 7, respectively.
  • Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the respective dependent claims.
  • the further component is formed as a covering part, which completely forms the combustion chamber facing the piston surface of the piston.
  • a lining part which completely covers or forms at least the piston surface facing the combustion chamber. The complete coverage thus ensures that the combustion chamber resulting thermal and mechanical stress can be absorbed by the piston accordingly.
  • the lining part - as will be explained in more detail below - be made relatively thin relative to the piston diameter of the piston, so that a total of both a simple production of the lining part itself as well as the piston can be realized in total.
  • the covering part and the piston body is made of a same base alloy, wherein the covering part is subjected to a tempering process - for example, a thermal and possibly also chemical and material-technical tempering.
  • a tempering process for example, a thermal and possibly also chemical and material-technical tempering.
  • the covering part is provided on its side facing the piston main body with connecting means - for example in the form of a surface structure or in the form of anchors. In this way, a particularly reliable connection of the lining part to the piston main body can be achieved.
  • the lining part has a shell thickness, which is based on a piston diameter according to the formula 1% ⁇ S / D ⁇ 10%. If the shell thickness of the lining part lies in the specified value range, then on the one hand a particularly simple production of the lining part itself can be realized and on the other hand a good and reliable connection to the piston main body.
  • the outer peripheral side of the piston is formed at least partially by the lining part.
  • the lining part it is possible, for example, to easily map piston ring grooves of the piston in the region of the covering part.
  • the production of the lining part itself is preferably carried out in a casting or ümformmaschinen, depending on how complex, for example, the intended on the piston body facing side connecting means should be formed.
  • Figure 1 is a partial sectional and partial side view of a piston for an internal combustion engine, which consists of a piston body and a completely forming the combustion chamber facing the piston surface forming part.
  • FIG. 2 shows a partial sectional and partial side view of the piston according to FIG. 1, wherein the covering part is shown in an alternative embodiment and at least partially also forms the outer peripheral side of the piston;
  • Fig. 3 is a partial sectional and partial side view of the piston according to FIGS. 1 and 2, wherein the covering part is shown in a third embodiment, which mediates a Moderator layer is connected to the piston body.
  • FIGS. 1 to 3 each show a piston for an internal combustion engine, which is shown in a partial side view to the left of a central axis m of the piston in a partial sectional view and to the right of the central axis m.
  • the piston is provided for a truck diesel engine.
  • the piston could also be used in other internal combustion engines.
  • the piston in particular comprises a piston head 10, the piston surface 12 of which faces a combustion chamber 14, not shown, of the internal combustion engine. It is common to all three embodiments according to FIGS. 1 to 3 that the piston surface 12 of the piston facing the combustion chamber is formed by a component in the form of a lining part 16 whose shape and specific embodiment will be explained in more detail below.
  • the lining part 16 is inseparably connected to or carried by a piston main body 18, which in turn has on its side facing away from the piston surface 12 and the combustion chamber 14 a non-recognizable piston pin bearing for connecting the piston with an associated connecting rod.
  • the lining part 16 is adapted to the increasing thermal and mechanical stresses.
  • formed as a piston cup lining part 16 is a thermal and possibly also chemical and material engineering Annealing process has been suspended, which leads to an adapted and possibly very fine structure with the highest strength.
  • the lining part 16 is made in the present embodiments, due to the desirable same thermal expansion almost from the same base material or from the same base alloy as the piston body 18.
  • the lining part 16 is cast in the present embodiments in the casting process of the piston main body 18 directly or molded.
  • the covering part 16 has connecting means 22, which in the embodiment according to FIG. 1 form a surface structure 24.
  • the covering part 16 at the connecting surface to the piston main body 18 has a very high accessible surface, for example, by the surface structure 24 or by a specific porosity.
  • a further connection means 22 is provided in the form of a central anchorage 26 which is provided in the region of the central axis m of the piston and via the casting process to a positive connection between the lining part 16 and the piston body 18 ,
  • a region 28, in which a piston ring groove 30 of the piston is formed is additionally used as connecting means.
  • Fig. 2 shows an embodiment in which an outer peripheral side of the piston or piston crown at least partially - namely over a certain height - is formed by the lining part 16.
  • the formed as a piston cup Covering part 16 over a predominant area has a shell thickness S, which is based on a piston diameter D according to the formula 1% ⁇ S / D ⁇ 10%. This usually results in a shell thickness S of the lining part 16 of less than one millimeter to more than 10 millimeters in the present interest car or truck pistons. It can also be seen from FIGS. 1 to 3 that the shell thickness S of the covering part 16 is provided at least where not directly a connecting means 22 for connection to the piston main body 18 or a radius or corner region is arranged. It can also be seen from FIGS. 1 to 3 that the covering part 16 is not flat, but at least one combustion recess 32 is formed, inter alia.
  • the lining part 16 is thus initially produced.
  • the production of the shells or lining parts, which may extend into the piston eye, z. B. also take place with a lost wax process, in which the lining parts 16 are manufactured as precision castings with little Nachbearbeitungsaufwand.

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Abstract

The invention relates to a piston for an internal combustion engine having a piston basic body (18) which is connected non-releasably to a further component (16) which faces an associated combustion chamber (14), wherein the further component is configured as a lining part (16) which completely forms that piston surface (12) of the piston which faces the combustion chamber (14).

Description

Kolben für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zu dessen Piston for an internal combustion engine and method for its

Herstellungmanufacturing

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Kolbens der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegebenen Art.The invention relates to a piston for an internal combustion engine specified in the preamble of claim 1. Art. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a piston specified in the preamble of claim 7 Art.

Seit vor etwa 10 Jahren insbesondere bei Nutzfahrzeugmotoren die Reduzierung der NOx-Grenzwerte zunehmend diskutiert wurde, sind die so genannten Abgasrückführungs-Raten bedeutend angehoben worden. Die Anhebung dieser Abgasrückführungs-Raten bedeutet beispielsweise für Aufladeaggregate eine Forderung nach immer höheren Ladedrücken, um keine allzu großen Verluste an spezifischer Leistung der Motoren hinnehmen zu müssen. Parallel zu den steigenden Abgasrückführungs-Raten und Aufladegraden müssen deshalb - um die spezifische Leistung zu halten - die maximalen Zylinderdrücke angehoben werden. Mittlerweile liegen diese beispielsweise bei Brennkraftmaschinen für Nutzfahrzeuge deutlich über 200 bar, wobei im nächsten Schritt Zylinderdrücke bis oberhalb von 250 bar möglich sein sollen.Since about 10 years ago, especially in commercial vehicle engines, the reduction of NOx limits was increasingly discussed, the so-called exhaust gas recirculation rates have been significantly increased. The increase in these exhaust gas recirculation rates means, for example for turbochargers a demand for ever higher boost pressures in order not to have to accept too large losses of specific power of the engines. Parallel to the increasing exhaust gas recirculation rates and supercharging levels, therefore, in order to keep the specific power, the maximum cylinder pressures must be increased. Meanwhile, these are for example in internal combustion engines for commercial vehicles well above 200 bar, in the next step, cylinder pressures should be possible to above 250 bar.

Neben den hochbelasteten Teilen des Kurbeltriebs stehen somit insbesondere auch die Eigenschaften der Kolben im Brennpunkt der Entwicklungsaktivitäten, um die zukünftigen Motoreigenschaften von Seiten der Thermodynamik und Mechanik bereitstellen zu können.In addition to the highly stressed parts of the crank mechanism, the characteristics of the pistons are therefore also the focal point of development activities, especially the future ones To provide motor properties from the side of thermodynamics and mechanics.

Um den hohen Kolbenbeanspruchungen gerecht zu werden, ist es dabei beispielsweise aus der EP 1 466 383 Al bereits als bekannt zu entnehmen, einen Kolbengrundkörper unlösbar mit einem weiteren Bauteil in Form eines Einsatzes zu verbinden, welcher einem zugeordneten Brennraum zugewandt ist. Dieser Einsatz wird dabei durch ein Schweißverfahren, insbesondere ein Tiefschweißverfahren, umschmolzen und somit unlösbar in den Kolbengrundkörper integriert.In order to cope with the high piston stresses, it is already known, for example from EP 1 466 383 A1, to permanently connect a piston main body to another component in the form of an insert, which faces an associated combustion chamber. This insert is reflowed by a welding process, in particular a deep welding process, and thus permanently integrated into the piston body.

Darüber hinaus ist es aus der EP 1 386 687 Al bereits als bekannt zu entnehmen, dass der Kolben einer Schmelzbehandlung unterzogen wird, um somit in einem dem Brennraum zugewandten Muldenrandbereich die thermische Beständigkeit zu verbessern.Moreover, it is already known from EP 1 386 687 A1 that the piston is subjected to a melting treatment in order thus to improve the thermal stability in a bowl rim region facing the combustion chamber.

Schließlich ist es aus der DE 102 44 513 Al bereits als bekannt zu entnehmen, den Kolben mehrteilig auszugestalten. Dabei ist der Kolbenboden und das Kolbenhemd einem der Bauteile zugeordnet, welches in einem Schweiß- oder Lötverfahren mit einem zweiten Bauteil verbunden ist, welches seinerseits die Lagerung des Kolbenbolzens bzw. des Pleuels übernimmt .Finally, it is already known from DE 102 44 513 Al to design the piston in several parts. In this case, the piston crown and the piston skirt are assigned to one of the components, which is connected in a welding or soldering process to a second component, which in turn assumes the bearing of the piston pin or of the connecting rod.

Als nachteilig bei diesem mehrteilig gebauten Kolben ist jedoch der Umstand anzusehen, dass dieser äußerst aufwändig zu fertigen ist.A disadvantage of this multi-part piston, however, is the fact that this is extremely expensive to manufacture.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kolben sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung so zu verbessern, dass sich einerseits eine besonders hohe Beständigkeit und andererseits eine besonders einfache Herstellung des Kolbens realisieren lassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolben sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 7 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object of the present invention is therefore to improve a piston and a method for the production thereof so that, on the one hand, a particularly high resistance and, on the other hand, a particularly simple production of the piston can be realized. This object is achieved by a piston and a method for its preparation with the features of claims 1 and 7, respectively. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the respective dependent claims.

Um einen Kolben zu schaffen, welcher beispielsweise besonders thermisch beständig und dabei relativ einfach herstellbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das weitere Bauteil als Belagteil ausgebildet ist, welches vollständig die dem Brennraum zugewandte Kolbenoberfläche des Kolbens bildet. Mit anderen Worten ist es somit erfindungsgemäß vorgesehen, ein Belagteil einzusetzen, welches zumindest die dem Brennraum zugewandte Kolbenoberfläche vollständig bedeckt bzw. diese bildet. Die vollständige Bedeckung sorgt somit dafür, dass die vom Brennraum herrührende thermische und mechanische Beanspruchung durch den Kolben entsprechend aufgenommen werden kann. Dabei kann das Belagteil - wie im Folgenden noch näher erläutert werden wird - bezogen auf den Kolbendurchmesser des Kolbens relativ dünn gestaltet werden, so dass sich insgesamt sowohl eine einfache Fertigung des Belagteils selbst wie auch des Kolbens insgesamt realisieren lässt.In order to create a piston which, for example, is particularly thermally resistant and relatively easy to produce, it is inventively provided that the further component is formed as a covering part, which completely forms the combustion chamber facing the piston surface of the piston. In other words, it is thus provided according to the invention to use a lining part which completely covers or forms at least the piston surface facing the combustion chamber. The complete coverage thus ensures that the combustion chamber resulting thermal and mechanical stress can be absorbed by the piston accordingly. Here, the lining part - as will be explained in more detail below - be made relatively thin relative to the piston diameter of the piston, so that a total of both a simple production of the lining part itself as well as the piston can be realized in total.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Belagteil und der Kolbengrundkörper aus einer gleichen Grundlegierung hergestellt, wobei das Belagteil einem Vergütungsverfahren - beispielsweise einem thermischen und gegebenenfalls auch chemischen und Werkstofftechnischen Vergütungsverfahren - unterzogen ist. Der Vorteil einer gleichen Grundlegierung besteht dabei insbesondere darin, dass beide Teile eine etwa gleiche Wärmeausdehnung aufweisen, so dass sich bei der geplanten unlösbaren Verbindung der beiden Bauteile keine unerwünschten Spannungen ergeben.In a further embodiment of the invention, the covering part and the piston body is made of a same base alloy, wherein the covering part is subjected to a tempering process - for example, a thermal and possibly also chemical and material-technical tempering. The advantage of a same base alloy consists in particular in the fact that both parts have an approximately equal thermal expansion, so that in the planned insoluble connection of the two components no unwanted voltages result.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich darüber hinaus als vorteilhaft gezeigt, wenn das Belagteil auf seiner dem Kolbengrundkörper zugewandten Seite mit Verbindungsmitteln - beispielsweise in Form einer Oberflächenstruktur oder in Form von Verankerungen - versehen ist. Hierdurch kann eine besonders zuverlässige Verbindung des Belagteils mit dem Kolbengrundkörper erreicht werden.In a further embodiment of the invention, it has also proven to be advantageous if the covering part is provided on its side facing the piston main body with connecting means - for example in the form of a surface structure or in the form of anchors. In this way, a particularly reliable connection of the lining part to the piston main body can be achieved.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als zudem vorteilhaft gezeigt, wenn das Belagteil eine Schalendicke aufweist, welche sich bezogen auf einen Kolbendurchmesser nach der Formel 1% < S/D < 10% bemisst. Liegt die Schalendicke des Belagteils in dem angegebenen Wertebereich, so lässt sich einerseits eine besonders einfache Fertigung des Belagteils selbst realisieren und andererseits eine gute und zuverlässige Verbindung zum Kolbengrundkörper.In a further embodiment of the invention, it has also proven to be advantageous if the lining part has a shell thickness, which is based on a piston diameter according to the formula 1% <S / D <10%. If the shell thickness of the lining part lies in the specified value range, then on the one hand a particularly simple production of the lining part itself can be realized and on the other hand a good and reliable connection to the piston main body.

Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn zwischen dem Belagteil und dem Kolbendurchmesser eine Moderatorschicht vorgesehen ist. Somit können die beiden Bauteile in gewissen Grenzen eine thermische Relativdehnung zueinander vollführen.As a further advantage, it has been shown when a moderator is provided between the lining part and the piston diameter. Thus, the two components can perform within certain limits, a thermal relative expansion to each other.

Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn auch die Außenumfangsseite des Kolbens zumindest bereichsweise durch das Belagteil gebildet ist. Somit ist es beispielsweise möglich, auf einfache Weise auch Kolbenringnuten des Kolbens im Bereich des Belagteils abzubilden.Finally, it has proven to be advantageous if the outer peripheral side of the piston is formed at least partially by the lining part. Thus, it is possible, for example, to easily map piston ring grooves of the piston in the region of the covering part.

Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kolben beschriebenen Vorteile gelten in ebensolcher Weise für das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens gemäß Patentanspruch 7. Dieses Verfahren zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass das Belagteil in einfacher Weise beim Gießen des Kolbengrundkörpers mit diesem verbunden werden kann. Somit ergibt sich auf einfache Weise die erwünschte unlösbare Verbindung.The advantages described above in connection with the piston according to the invention apply equally to the method for producing a piston according to Claim 7. This method is further characterized by the fact that the covering part can be connected in a simple manner during casting of the piston body with this. This results in a simple way the desired permanent connection.

Die Herstellung des Belagteils selbst erfolgt bevorzugterweise in einem Gieß- oder ümformverfahren, je nachdem, wie aufwändig beispielsweise die auf der dem Kolbengrundkörper zugewandten Seite vorgesehenen Verbindungsmittel ausgebildet sein sollen.The production of the lining part itself is preferably carried out in a casting or ümformverfahren, depending on how complex, for example, the intended on the piston body facing side connecting means should be formed.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of three preferred embodiments and from the drawings; these show in:

Fig. 1 eine teilweise Schnitt- und teilweise Seitenansicht auf einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, welcher aus einem Kolbengrundkörper und einem vollständig die dem Brennraum zugewandte Kolbenoberfläche bildenden Belagteil besteht;Figure 1 is a partial sectional and partial side view of a piston for an internal combustion engine, which consists of a piston body and a completely forming the combustion chamber facing the piston surface forming part.

Fig. 2 eine teilweise Schnitt- und teilweise Seitenansicht auf den Kolben gemäß Fig. 1, wobei das Belagteil in einer alternativen Ausführungsform gezeigt ist und zumindest bereichsweise auch die Außenumfangsseite des Kolbens bildet; und in2 shows a partial sectional and partial side view of the piston according to FIG. 1, wherein the covering part is shown in an alternative embodiment and at least partially also forms the outer peripheral side of the piston; and in

Fig. 3 eine teilweise Schnitt- und teilweise Seitenansicht auf den Kolben gemäß den Fig. 1 und 2, wobei das Belagteil in einer dritten Ausführungsform gezeigt ist, welches unter Vermittlung einer Moderatorschicht mit dem Kolbengrundkörper verbunden ist.Fig. 3 is a partial sectional and partial side view of the piston according to FIGS. 1 and 2, wherein the covering part is shown in a third embodiment, which mediates a Moderator layer is connected to the piston body.

In den Fig. 1 bis 3 ist jeweils ein Kolben für eine Brennkraftmaschine erkennbar, welche jeweils links einer Mittelachse m des Kolbens in einer teilweisen Schnittansicht und rechts der Mittelachse m in einer teilweisen Seitenansicht dargestellt ist. In den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist der Kolben für einen Lastkraftwagen-Dieselmotor vorgesehen. Als im Rahmen der Erfindung mit umfasst ist es jedoch zu betrachten, dass der Kolben auch bei anderen Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen könnte.FIGS. 1 to 3 each show a piston for an internal combustion engine, which is shown in a partial side view to the left of a central axis m of the piston in a partial sectional view and to the right of the central axis m. In the present embodiments, the piston is provided for a truck diesel engine. As included in the scope of the invention, however, it should be considered that the piston could also be used in other internal combustion engines.

Der Kolben umfasst insbesondere einen Kolbenboden 10, dessen Kolbenoberfläche 12 einem nicht weiter dargestellten Brennraum 14 der Brennkraftmaschine zugewandt ist. Allen drei Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis 3 ist es dabei gemeinsam, dass die dem Brennraum zugewandte Kolbenoberfläche 12 des Kolbens durch ein Bauteil in Form eines Belagteils 16 gebildet ist, dessen Form und konkrete Ausgestaltung im Weiteren noch näher erläutert werden wird. Das Belagteil 16 ist dabei mit einem Kolbengrundkörper 18 unlösbar verbunden bzw. von diesem getragen, welcher seinerseits auf seiner der Kolbenoberfläche 12 bzw. dem Brennraum 14 abgewandten Seite 20 eine nicht weiter erkennbare Kolbenbolzenlagerung zur Verbindung des Kolbens mit einem zugehörigen Pleuel aufweist.The piston in particular comprises a piston head 10, the piston surface 12 of which faces a combustion chamber 14, not shown, of the internal combustion engine. It is common to all three embodiments according to FIGS. 1 to 3 that the piston surface 12 of the piston facing the combustion chamber is formed by a component in the form of a lining part 16 whose shape and specific embodiment will be explained in more detail below. The lining part 16 is inseparably connected to or carried by a piston main body 18, which in turn has on its side facing away from the piston surface 12 and the combustion chamber 14 a non-recognizable piston pin bearing for connecting the piston with an associated connecting rod.

Um den thermischen und mechanischen Beanspruchungen bei Zylinderdrücken bis beispielsweise über 250 bar gerecht zu werden, ist das Belagteil 16 an die steigenden thermischen und mechanischen Beanspruchungen angepasst. Hierzu ist das als Kolbenschale ausgebildete Belagteil 16 einem thermischen und gegebenenfalls auch chemischen und werkstofftechnischen Vergütungsverfahren ausgesetzt worden, das zu einem angepassten und gegebenenfalls sehr feinen Gefüge mit höchster Festigkeit führt. Das Belagteil 16 ist dabei in den vorliegenden Ausführungsbeispielen aufgrund der wünschenswerten gleichen Wärmeausdehnung nahezu aus dem gleichen Grundwerkstoff bzw. aus der gleichen Grundlegierung wie der Kolbengrundkörper 18 hergestellt.In order to meet the thermal and mechanical stresses at cylinder pressures up to, for example, over 250 bar, the lining part 16 is adapted to the increasing thermal and mechanical stresses. For this purpose, formed as a piston cup lining part 16 is a thermal and possibly also chemical and material engineering Annealing process has been suspended, which leads to an adapted and possibly very fine structure with the highest strength. The lining part 16 is made in the present embodiments, due to the desirable same thermal expansion almost from the same base material or from the same base alloy as the piston body 18.

Das Belagteil 16 wird bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen bei dem Gießvorgang des Kolbengrundkörpers 18 direkt mit eingegossen bzw. angegossen. Aus diesem Grund weist das Belagteil 16 Verbindungsmittel 22 auf, welche bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 eine Oberflächenstruktur 24 bilden. Mit anderen Worten weist das Belagteil 16 an der Verbindungsfläche zum Kolbengrundkörper 18 eine sehr hohe zugängliche Oberfläche zum Beispiel durch die Oberflächenstruktur 24 oder durch eine gezielte Porosität auf. Aus Fig. 1 ist darüber hinaus erkennbar, dass ein weiteres Verbindungsmittel 22 in Form einer zentralen Verankerung 26 vorgesehen ist, welche im Bereich der Mittelachse m des Kolbens vorgesehen ist und über den Gießvorgang zu einer formschlüssigen Verbindung zwischen dem Belagteil 16 und dem Kolbengrundkörper 18 führt.The lining part 16 is cast in the present embodiments in the casting process of the piston main body 18 directly or molded. For this reason, the covering part 16 has connecting means 22, which in the embodiment according to FIG. 1 form a surface structure 24. In other words, the covering part 16 at the connecting surface to the piston main body 18 has a very high accessible surface, for example, by the surface structure 24 or by a specific porosity. From Fig. 1 it is also apparent that a further connection means 22 is provided in the form of a central anchorage 26 which is provided in the region of the central axis m of the piston and via the casting process to a positive connection between the lining part 16 and the piston body 18 ,

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird als Verbindungsmittel zusätzlich ein Bereich 28 genutzt, in welchem eine Kolbenringnut 30 des Kolbens eingeformt ist. Mit anderen Worten zeigt Fig. 2 eine Ausführungsform, bei welcher eine Außenumfangsseite des Kolbens bzw. Kolbenbodens zumindest bereichsweise - nämlich über eine bestimmte Höhe - durch das Belagteil 16 gebildet ist.In the embodiment according to FIG. 2, a region 28, in which a piston ring groove 30 of the piston is formed, is additionally used as connecting means. In other words, Fig. 2 shows an embodiment in which an outer peripheral side of the piston or piston crown at least partially - namely over a certain height - is formed by the lining part 16.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis 3 ist darüber hinaus erkennbar, dass das als Kolbenschale ausgebildete Belagteil 16 über einen überwiegenden Bereich eine Schalendicke S aufweist, welche sich bezogen auf einen Kolbendurchmesser D nach der Formel 1% < S/D < 10% bemisst. Dabei ergibt sich üblicherweise eine Schalendicke S des Belagteils 16 von weniger als einem Millimeter bis über 10 Millimeter bei den vorliegend interessierenden PKW- bzw. LKW- Kolben. Aus den Fig. 1 bis 3 ist darüber hinaus erkennbar, dass die Schalendicke S des Belagteils 16 zumindest dort vorgesehen ist, wo nicht unmittelbar ein Verbindungsmittel 22 zur Verbindung mit dem Kolbengrundkörper 18 oder ein Radiusoder Eckbereich angeordnet ist. Aus den Fig. 1 bis 3 ist darüber hinaus erkennbar, dass das Belagteil 16 nicht eben ausgebildet ist, sondern unter anderem wenigstens eine Verbrennungsmulde 32 eingeformt ist.In addition, in the embodiments according to FIGS. 1 to 3 it can be seen that the formed as a piston cup Covering part 16 over a predominant area has a shell thickness S, which is based on a piston diameter D according to the formula 1% <S / D <10%. This usually results in a shell thickness S of the lining part 16 of less than one millimeter to more than 10 millimeters in the present interest car or truck pistons. It can also be seen from FIGS. 1 to 3 that the shell thickness S of the covering part 16 is provided at least where not directly a connecting means 22 for connection to the piston main body 18 or a radius or corner region is arranged. It can also be seen from FIGS. 1 to 3 that the covering part 16 is not flat, but at least one combustion recess 32 is formed, inter alia.

Aus Fig. 3 ist insbesondere erkennbar, dass bei der Kolbenoptimierung hinsichtlich niederer Gesamtdichten und maximaler Werkstoffausnutzungen auch Werkstoffkombinationen (z. B. Aluminium, Stahl, Titan, Kohlenstoff, Verbundwerkstoff mit Armierungen) denkbar sind, die gewisse thermische Relativdehnungen zueinander aufweisen. Wird hier - wie in Fig. 3 angedeutet ist - eine maximale Dehnungsgrenze des Belagteils 16 und des Kolbengrundkörpers 18 überschritten, kann zwischen den beiden Teilen eine Moderatorschicht 34 vorgesehen sein, die einen rissfreien Verzug der beiden Partner von Kolbenschale bzw. Belagteil 16 und Kolbengrundkörper 18 zueinander bei gewünschter Festigkeit erlaubt .It can be seen in particular from FIG. 3 that in the case of piston optimization with regard to low overall densities and maximum material utilization, combinations of materials (eg aluminum, steel, titanium, carbon, composite material with reinforcements) are also conceivable which have certain thermal relative expansions to one another. If here - as indicated in FIG. 3 - a maximum expansion limit of the lining part 16 and of the piston main body 18 is exceeded, a moderator layer 34 can be provided between the two parts, which ensures a crack-free distortion of the two partners of the piston shell or lining part 16 and the piston main body 18 allowed each other at the desired strength.

Bei dem Verfahren zum Herstellen des vorbeschriebenen Kolbens wird somit zunächst das Belagteil 16 hergestellt. Die Fertigung der Schalen bzw. Belagteile, die bis in das Kolbenauge hineinreichen dürfen, kann z. B. auch mit einem Wachsausschmelzverfahren erfolgen, bei welchem die Belagteile 16 als Feingussteile mit geringem Nachbearbeitungsaufwand hergestellt werden. Bei Schalenformen des Belagteils 16 ohne Hinterschnitt, wie dies beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, können hingegen auch Umformtechniken mittels Schmieden und Pressen sehr kostengünstig und unter Gewährleistung höchster Festigkeit eingesetzt werden.In the method for producing the above-described piston, the lining part 16 is thus initially produced. The production of the shells or lining parts, which may extend into the piston eye, z. B. also take place with a lost wax process, in which the lining parts 16 are manufactured as precision castings with little Nachbearbeitungsaufwand. In shell shapes of the covering member 16 without undercut, as shown for example in Fig. 1, however, also forming techniques by means of forging and pressing can be used very inexpensively and ensuring maximum strength.

Im Anschluss an die Vorfertigung des jeweiligen Belagteils 16 wird dieses beim Gießen des Kolbengrundkörpers 18 mit diesem verbunden bzw. ein- oder angegossen. Somit entsteht die gewünschte unlösbare Verbindung zwischen dem Belagteil 16 und dem Kolbengrundkörper 18.Subsequent to the prefabrication of the respective lining part 16, this is connected or cast on or cast when casting the piston main body 18. Thus, the desired permanent connection between the lining part 16 and the piston body 18 is created.

Insgesamt ist somit aus den Fig. 1 bis 3 erkennbar, dass durch das Belagteil 16 in Form der Kolbenschale die Kolbenoberfläche 12 des Kolbens, welche dem Brennraum 14 zugewandt ist, vollständig durch das Belagteil 16 gebildet wird. Hierdurch können insbesondere die steigenden thermischen und mechanischen Beanspruchungen innerhalb des Brennraums 14 erfüllt werden. Overall, it can thus be seen from FIGS. 1 to 3 that the piston surface 12 of the piston, which faces the combustion chamber 14, is completely formed by the lining part 16 by the lining part 16 in the form of the piston shell. As a result, in particular the increasing thermal and mechanical stresses within the combustion chamber 14 can be met.

Claims

Patentansprüche claims 1. Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbengrundkörper (18), welcher mit einem einem zugeordneten Brennraum (14) zugewandten weiteren Bauteil (16) unlösbar verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Bauteil als Belagteil (16) ausgebildet ist, welches vollständig die dem Brennraum (14) zugewandte Kolbenoberfläche (12) des Kolbens bildet.1. Piston for an internal combustion engine having a piston main body (18) which is inextricably connected to an associated combustion chamber (14) facing another component (16), characterized in that the further component is formed as a covering part (16) which completely the piston chamber (12) facing the combustion chamber (14). 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Belagteil (16) und der Kolbengrundkörper (18) aus dem gleichen Grundlegierung hergestellt sind, wobei das Belagteil (16) einem Vergütungsverfahren unterzogen ist .2. Piston according to claim 1, characterized in that the covering part (16) and the piston base body (18) are made of the same basic alloy, wherein the covering part (16) is subjected to a tempering process. 3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Belagteil (16) auf seiner dem Kolbengrundkörper (18) zugewandten Seite mit Verbindungsmitteln (22) versehen ist.3. Piston according to claim 1 or 2, characterized in that the covering part (16) is provided on its the piston base body (18) facing side with connecting means (22). 4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Belagteil (16) eine Schalendicke (S) aufweist, welche sich bezogen auf einen Kolbendurchmesser (D) nach der Formel 1% < S/D < 10% bemisst.4. Piston according to one of claims 1 to 3, characterized in that the lining part (16) has a shell thickness (S), which is based on a piston diameter (D) according to the formula 1% <S / D <10%. 5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Belagteil (16) und dem Kolbengrundkörper (18) eine Moderatorschicht (34) vorgesehen ist.5. Piston according to one of claims 1 to 4, characterized in that between the lining part (16) and the piston main body (18) is provided a moderator layer (34). 6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenumfangsseite des Kolbens zumindest bereichsweise durch das Belagteil (16) gebildet ist.6. Piston according to one of claims 1 to 5, characterized in that an outer peripheral side of the piston is at least partially formed by the lining part (16). 7. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, bei welchem ein Kolbengrundkörper (18) mit einem einem zugeordneten Brennraum (14) zugewandten weiteren Bauteil (16) unlösbar verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (18) mit einem Belagteil (16) verbunden wird, welches vollständig die dem Brennraum (14) zugewandte Kolbenoberfläche (12) des Kolbens bildet.7. A method for producing a piston for an internal combustion engine, in which a piston main body (18) with an associated combustion chamber (14) facing another component (16) is inextricably linked, characterized in that the piston body (18) with a lining part (16 ), which completely forms the piston surface (12) of the piston facing the combustion chamber (14). 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Belagteil (16) beim Gießen des Kolbengrundkörpers (18) mit diesem verbunden wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the covering part (16) during casting of the piston main body (18) is connected thereto. 9. Kolben nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Belagteil (16) als Halbzeugteil in einem Gieß oder Umformverfahren vorgefertigt wird. 9. Piston according to claim 7 or 8, characterized in that the covering part (16) is prefabricated as a semi-finished part in a casting or forming process.
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