DE10009875C1 - Gekühlter Ringträger - Google Patents

Abstract

Ausgehend von einem gekühlten Ringträger (2) für einen Kolben (1) einer Brennkraftmaschine, wobei der Kolben (1) den Ringträger (2) sowie ein einen Kühlkanal (3) bildendes Kühlkanalblech (4) aufweist, wird die Aufgabe, die Herstellung des Ringträgers zu vereinfachen, dadurch gelöst, dass der Ringträger (2) und Kühlkanalblech (4) einstückig ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen gekühlten Ringträger für einen Kolben einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Bei hoch belasteten Brennkraftmaschinen kommt es aufgrund hoher Brennraumtemperaturen, die erforderlich sind, um vorgeschriebene Abgaswerte einhalten zu können, zu einer starken Aufheizung im Kopfbereich des Kolbens. Um eine unzulässige Temperatur zu vermeiden, ist es bekannt, im Kopfbereich des Kolbens einen Kühlkanal anzuordnen. Einen derart ausgestalteten Kolben zeigt die DE 197 50 021 A1. Dieser Kolben weist in seinem Kopfbereich einen gekühlten Ringträger auf, der eine radial nach innen weisende kreiszylindrische Fläche zeigt. An dieser Fläche ist durch Schweißen oder Löten ein aus Blechen geformter Kühlkanal befestigt, wobei beim Betrieb des Kolbens in diesen Kühlkanal ein Kühlmittel zur Kühlung des Ringträgers und des Kopfbereiches des Kolbens eingeführt werden kann.

Ein derartiger Ringträger mit einem zusätzlich angebrachten Blechkühlkanal hat jedoch den Nachteil, daß zwei Bauteile (Ringträger und Kühlkanalblech) in verschiedenen separaten Fertigungsschritten hergestellt werden müssen. Zunächst wird der Ringträger aus Gußmaterial hergestellt und mit anschließender spanender Bearbeitung auf Endmaß gebracht. Gleiches gilt für den Blechkühlkanal. Er muß zunächst hergestellt werden, auf Maß gebracht werden und so bearbeitet werden, das der Winkel α zwischen der nach innen weisenden Fläche des Ringträgers und dem Blechkühlkanal im Bereich seiner den Ringträger kontaktierenden Kanten bzw. Flächen kleiner als 45 Grad ist. Danach müssen beide Teile (Ringträger und Blechkühlkanal) präzise gefügt werden, um anschließend mittels Laserstrahl verschweißt werden zu können, wodurch erst der eigentliche Kühlkanal entsteht. Danach ist es noch erforderlich, zu überprüfen, ob die Schweißnaht gasdicht ist, um das Austreten von Sauerstoff bzw. Wasserstoff und damit eine Oxidations- bzw. Explosionsgefahr beim Gießvorgang auszuschließen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die geschilderten hohen Fertigungskosten zu vermeiden und die Herstellung eines gekühlten Ringträgers zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Ringträger und das Kühlkanalblech einstückig, insbesondere aus einem Material, ausgebildet sind.

Wenn der Ringträger und das Kühlkanalblech eine Baueinheit bilden, reduziert sich bei der Fertigung die Teileanzahl von zwei auf ein Bauteil, so daß sich der Handhabungsaufwand verringert und dadurch eine wesentliche Durchlaufzeit-Reduzierung bei der Serienproduktion von Kolben erzielt wird. Damit einher geht die Aufweitung der Fertigungstoleranzen für den gekühlten Ringträger, da eine Präzisionspassung und -schweißung zwischen dem Ringträger und dem Kühlkanalblech entfällt. Da keine Schweißnaht vorliegt, kann auch die Dichtheitsprüfung vor dem Einbau in das Gießwerkzeug entfallen, wobei der Kühlkanal gezielt entlüftet oder Inertatmosphäre alfiniert oder vergossen wird.

Neben den fertigungstechnischen Vorteilen ergeben sich konstruktive Vorteile, da zunächst eine freie, beliebige Gestaltung des Querschnittes des Kühlkanales möglich ist, da die gemäß dem Stand der Technik erforderliche Passung und schwierige Laserschweißung zwischen der dünnen Blechkühlkanalwand und dem dickeren Ringträger entfällt. Weiterhin wird eine Gewichtsersparnis erzielt, da der erfindungsgemäße gekühlte Ringträger mit weniger Material auskommt als der Ringträger gemäß dem Stand der Technik. Hinzu kommt noch der Vorteil der höheren Formbeständigkeit des Ringträgers, also die höhere Formbeständigkeit des Kolbens in seinem Kopfbereich, da die einstückige Ausbildung äußerst stabil ist.

Darüber hinaus bleiben bei dem erfindungsgemäß ausgestalteten gekühlten Ringträger alle Vorteile hinsichtlich der Funktionalität, insbesondere den Kühleigenschaften, des bisher bekannten gekühlten Ringträgers erhalten.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Ringträger von den beiden Enden des Kühlkanalbleches gebildet. In dieser einfachen Ausgestaltung wird das Kühlkanalblech in eine vorbestimmte Form gebracht, wobei diese Form sowohl den Kühlkanal als auch den Ringträger bildet. Diese Form kann beispielsweise durch Strangpressen erzielt werden, wobei hier der Vorteil gegeben ist, daß keine Fügespalte (Stoßfugen) bzw. Schweißnähte vorhanden sind und somit auch keine Undichtigkeiten, die sich nachteilig beim Gießen (Explosionsgefahr) auswirken, vorhanden sind.

Beim Strangpressen wird der Ringträger bzw. das Kühlkanalblech erst in die Querschnittsform, gebracht und dann in Rundform gebogen.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Kühlkanalblech derart zum Kühlkanal geformt, daß ein einen Fügespalt bildendes freies Ende des Kühlkanalbleches unter Krafteinwirkung an dem am Ringträger angelegten Bereich anliegt. Zum einen wird dadurch die Festigkeit erhöht; zum anderem entfällt wieder die Dichtheitsprüfung, da aufgrund der Anlage unter Krafteinwirkung sichergestellt ist, daß kein Gas aus dem Kühlkanal unkontrolliert austreten kann.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Ringträger mit einer Blechfahne herstellbar, wobei die Blechfahne nach ihrer Umformung das den Kühlkanal bildende Kühlkanalblech ist. Dadurch kann auf einfache Art und Weise der gesamte Ringträger mit einer Blechfahne in einem Vorgang (z. B. Gießen oder Walzen) hergestellt werden, wobei nach Herstellung der Fahne diese so umgeformt wird (z. B. durch Bördeln), das aus der Blechfahne der Kühlkanal entsteht. Anschließend kann dieses längsgestreckte Gebilde in Rundform gebracht werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, den Ringträger mit der Blechfahne zunächst in Rundform zu bringen und anschließend die Blechfahne zu dem Kühlkanal umzuformen. Die Verwendung von Rohrabschnitten und deren Bearbeitung in Rundform ist hier auch denkbar.

In Weiterbildung der Erfindung weist das Material der Einheit Ringträger/Kühlkanalblech den annähernd gleichen Ausdehnungskoeffizienten auf wie das Material des Kolbens. Dadurch entfallen Probleme beim Gießvorgang des Kolbens, die bei verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten auftreten können. Außerdem ist der Kolben beim Betrieb der Brennkraftmaschine äußerst formstabil, da die Ausdehnung nicht durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten beeinträchtigt wird. Als Material für die einstückige Baueinheit Ringträger/Kühlkanalblech kommen alle Metalle, insbesondere V2A -, V3A -, und V4A-Stahl, Gußeisen, Nicht-Eisen-Metalle und Sintermetalle sowie entsprechende Legierungen in Betracht. Darüber hinaus ist es denkbar, diese Baueinheit auch aus Keramik oder aus Kunststoff herzustellen. In vorteilhafter Weise ist das Material dieser Baueinheit dem verwendeten Material für den Kolben ähnlich oder gleich, unter Berücksichtigung der z. B. an den Ringträger gestellten Erfordernisse wie Haltbarkeit und Temperaturbeständigkeit.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, sind im folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1: einen gekühlten Ringträger,

Fig. 2: einen gekühlten Ringträger, bei dem der Ringträger aus den beiden Enden des Kühlkanalbleches gebildet ist und die

Fig. 3 bis 6 verschiedene Ausgestaltungen des Kühlkanals.

Fig. 1 zeigt ausschnittsweise einen Kolben 1 (weit schraffierter Teil). In diesem Kolben 1 ist ein Ringträger 2 vorhanden, wobei sich dieser Ringträger 2 in Kopfbereich des Kolbens, also dem Brennraum zugewandt, befindet. Ein Kühlkanal 3 wird gebildet durch ein einstückig an dem Ringträger 2 vorhandenes Kühlkanalblech 4, das mit seinem freien Ende im Bereich eines Fügespaltes 5 wieder an dem Ringträger 2 anliegt.

Der in Fig. 2 gezeigte Ringträger 2 ist gebildet aus den beiden Enden 2.1 und 2.2 eines einen Kühlkanal 3 bildenden Kühlkanalbleches 4. Dieser in Fig. 2 fein schraffiert dargestellte Ringträger 2 ist einstückig mit dem Kühlkanalblech 4 beispielsweise durch Strangpressen hergestellt. Ein Fügespalt 5, der entsteht, wenn das Kühlkanalblech 4 derart umgeformt wird, daß dadurch der Kühlkanal 3 gebildet wird, ist durch Krafteinwirkung dichtend abgeschlossen, so daß der Kühlkanal 3 einerseits dicht ist und andererseits vermieden wird, daß beim Gießen des Kolbens Gußmaterial in den Kühlkanal 3 eindringt. Bestehen Kolben 1 und Ringträger 2 aus gleichen bzw. ähnlichen Material mit gleichen bzw. ähnlichen Zerspanungseingenschaften, vereinfacht sich die Bearbeitung nach dem Gießvorgang im Bereich dieses Ringträgers 2.

In den Fig. 3 bis 6 sind verschiedene Ausgestaltungen des Kühlkanales 3 gezeigt, womit dokumentiert ist, daß sich mit dem erfindungsgemäßen gekühlten Ringträger verschiedene geometrische Ausführungen erzielen lassen, die auf den jeweiligen Einsatz bzw. auf die jeweiligen Materialien des Kolbens 1 bzw. des Ringträgers abstimmbar sind.

In den Fig. 3 und 4 ist eine in etwa waagerecht liegende rechteckige Form des Kühlkanales 3 realisiert. In Fig. 3 geht das Kühlkanalblech 4 von dem oberen Teil des Ringträgers 2 aus und endet mit seinem freien Ende am unteren Bereich des Ringträgers 2 an dem Fügespalt 5. Hier ist also das Kühlkanalblech derart zum Kühlkanal 3 geformt, daß ein den Fügespalt 5 bildendes freies Ende des Kühlkanalbleches 4 unter Krafteinwirkung an den angelegten Bereich, hier der untere Teil des Ringträgers 2, anliegt. Aufgrund dieser Anlage unter Krafteinwirkung wird der Kühlkanal 3 wiederum zuverlässig dichtend abgeschlossen.

Bei der Fig. 4 geht das Kühlkanalblech 4 von dem unteren Teil des Ringträgers 2 aus und kommt im oberen Bereich des Ringträgers 2 im Bereich des Fügespaltes 5 zur Anlage. Von Vorteil ist, wenn das freie Ende des Kühlkanalbleches 4 im Bereich des Fügespaltes 5 in einem gewissen Bereich planparallel zu der Anlagefläche des Ringträger 2 zur Anlage kommt.

In den Fig. 5 und 6 ist gezeigt, daß das Kühlkanalblech 4 von dem oberen (Fig. 5) bzw. von dem unteren (Fig. 6) Bereich des Ringträgers 2 ausgeht und innerhalb der Höhen­ erstreckung des Ringträgers an diesem wieder zur Anlage kommt. Dadurch ergibt sich ein in etwa senkrecht liegender rechteckiger Kühlkanal

Die in den Fig. 1 bis 6 gezeigten Ausführungen des Kühlkanales 3 sind beispielhaft, so daß je nach geometrischen Verhältnissen und Anforderungen an den Kolben 1 auch andere Formen des Kühlkanales 3, wie z. B. runde oder ovale Formen, darstellbar sind.

Claims (5)

1. Gekühlter Ringträger (2) für einen Kolben (1) einer Brennkraftmaschine, wobei der Kolben (1) den Ringträger (2) sowie ein einen Kühlkanal (3) bildendes Kühlkanalblech (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringträger (2) und das Kühlkanalblech (4) einstückig ausgebildet sind.

2. Gekühlter Ringträger (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringträger (2) von den beiden Enden (2.1, 2.2) des Kühlkanalbleches (4) gebildet ist.

3. Gekühlter Ringträger (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkanalblech (4) derart zu dem Kühlkanal (3) geformt ist, daß ein einen Fügespalt (5) bildendes freies Ende des Kühlkanalbleches (4) unter Krafteinwirkung an dem am Ringträger (2) angelegten Bereich anliegt.

4. Gekühlter Ringträger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringträger (2) mit einer Blechfahne herstellbar ist, wobei die Blechfahne nach ihrer Umformung das den Kühlkanal (3) bildendes Kühlkanalblech (4) ist.

5. Gekühlter Ringträger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Einheit Ringträger (2) und Kühlkanalblech (4) den annähernd gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Material des Kolbens (1).