DE102007013183A1

DE102007013183A1 - Kühlkanalkolben für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007013183A1
Application number: DE102007013183A
Authority: DE
Inventors: Reiner Feeser
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2008-01-17
Also published as: EP2038078A1; US20090241769A1; US8485088B2; WO2008003401A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines einteiligen, leichtgewichtigen Kolbens (1) aus Stahl mit kleiner Kompressionshöhe (S) für eine Brennkraftmaschine, der in einem Schaftfensterbereich (16) zumindest eine Aussparung (17) einschließt. Mittels eines Schmiede- oder eines Gießverfahrens wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Kolbenrohling hergestellt. Zur Bildung eines zwischen einem Ringfeld (5) und einer Brennraummulde (3) angeordneten Kühlkanals (7) wird in einem Kolbenbodenbereich (11) ein einstückig mit einer Wandung (8) eines Kühlkanals (7) verbundener Ringabschnitt (10) umgeformt. Durch eine Schweißung erfolgt eine Abdichtung einer Fuge (12), die sich zwischen dem Ringabschnitt (10) und einer äußeren Wandung (9) des Kühlkanals (7) einstellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Kolbens aus Stahl für eine Brennkraftmaschine. Der eine kleine Kompressionshöhe aufweisende Kolben schließt einen zu einem Ringfeld benachbarten Kühlkanal ein. In einem Verfahrensschritt wird mittels eines Schmiede- oder Gießverfahrens ein Kolbenrohling hergestellt, bevor zur Bildung eines Kühlkanals ein Wandungsabschnitt des Kühlkanals umgeformt wird.
Die EP 1 452 250 A2 bezieht sich auf Schmiedeverfahren zur Herstellung eines einteiligen Kolbens aus Stahl. Zur Bildung eines Kühlkanals wird mit diesem Verfahren im Bereich eines Feuerstegs ein umlaufender, nach außen stehender Bund geformt, der einer ebenfalls umlaufenden Ausnehmung zugeordnet ist. In einem weiteren Arbeitsschritt wird zur Bildung eines geschlossenen Kühlkanals der Bund durch eine Einbiegung umgeformt.
Aus der DE 37 13 191 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Kopfes eines Kolbens bekannt, bei dem ein Verfahrensschritt das Umformen oder Umbiegen des Ringabschnitts in eine endgültige Lage einschließt. Dieser Kolben umfasst einen außenseitig angeordneten Kühlkanal mit einem relativ kleinen Querschnitt, der nur lokal und damit keine ausreichende großflächige Kühlwirkung des Kolbens sicherstellt.
Weiterhin sind Stahlkolben für Nutzfahrzeuge bekannt, bei denen der Kühlkanal mit einem Abdeckblech verschlossen wird. Diese Maßnahme ist nur bei offenen und gut zugänglichen Kühlkanälen möglich und erfordert zudem einen hohen Aufwand an mechanischer Zerspanarbeit. Weiterhin schränkt das Ausdrehen des Kühlkanals an dem fertigen Bauteil die konstruktiven Freiheiten ein. PKW-Stahlkolben werden versuchsweise mit einem verlorenen Kern, insbesondere einem Keramikkern gießtechnisch hergestellt. Dieses prozessbedingt aufwändige und kostenintensive Verfahren erfordert nachteilig komplexe Werkzeuge zur Herstellung der Rohlinge.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem bekannten Stand der Technik, einen hochbelastbaren gewichts- und kostenoptimierten Kühlkanalkolben zu realisieren, der einen vergrößerten Kühlkanal einschließt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß schließt der Kolben zwischen einem Ringfeld und einer Brennraummulde einen Kühlkanal ein, der durch Umformen oder Einbiegen eines Kolbenbodenbereichs geschlossen wird. Die Anordnung des mittels einer Einschmiedung, einer mechanischen Bearbeitung, hergestellten Kühlkanals, der axial zu dem Ringfeld und der Brennraummulde beabstandet ist, bewirkt eine wirksame Kühlmittelbeaufschlagung, verbunden mit einer optimalen Kühlwirkung der Kolbenbereiche größter thermischer Belastung wie Kolben-Ringfeld, Brennraummulde sowie zumindest einer Randzone des Feuerstegs. Zur Realisierung eines vorteilhaft vergrößerten Kühlkanalvolumens ermöglicht die erfindungsgemäße Kühlkanalgestaltung dünne, den Wärmeübergang verbessernde Wandstärken, wodurch ein Kolben mit einer optimalen Kühlwirkung darstellbar ist. Die Lage sowie die Gestaltung des erfindungsgemäßen Kühlkanals bewirken eine gewünschte verringerte Kompressionshöhe, wodurch sich gleichzeitig eine gewünschte reduzierte Kolbenmasse einstellt. Weiterhin schließt die Erfindung in einem Schaftfensterbereich des Kolbens zumindest eine Aussparung und/oder einen Durchbruch ein, um eine weitere Gewichtsreduzierung des Kolbens zu erreichen.
Der leichtgewichtige Kolbenrohling aus Stahl wird gemäß der Erfindung in einem Arbeitsgang durch ein Schmiedeverfahren hergestellt. Durch ein anschließendes Umformen oder Einbiegen eines Kolbenbodenbereichs wird der Kühlkanal geschlossen, bevor eine sich einstellende Fuge mittels einer Schweißnaht abgedichtet wird. Dazu bedarf es weder Kerneinlagen, eines Reibschweißverfahrens noch des Einlegens oder Anbringens von Blechteilen. Die erfindungsgemäße Herstellung, die vorteilhaft auch auf ein Gießverfahren übertragbar ist, beinhaltet aufgrund der reduzierten Prozesse ein großes Einsparpotential. Das erfindungsgemäße Konzept vereinfacht bzw. optimiert die Herstellung von einteiligen Stahlkolben, die bevorzugt für schnellaufende, hochbelastbare Dieselbrennkraftmaschinen bestimmt sind, die ein Leistungsniveau von > 80 KW/L erreichen, wobei sich Zünddrücke von > 200 bar einstellen.
Weitere vorteilhafte konstruktive Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der unabhängigen, nachfolgend erläuterten Ansprüche.
Eine bevorzugte Gestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens sieht vor, eine innere, der Brennraummulde zugeordnete Wandung des Kühlkanals zu verlängern. Der einen Ringabschnitt bildende, verlängerte Wandungsabschnitt ist nach dem Umformen bzw. dem Einbiegen mit einem freien Ende einer Stufe der äußeren Wandung des Kolbens zugeordnet. Vorteilhaft ist dazu der Ringabschnitt formschlüssig an der Außenwandung abgestützt. Dazu bietet es sich an, die äußere Wandung des Kolbens mit einem gestuften Abschnitt zu versehen, an dem der Ringabschnitt lagepositioniert ist.
Im Bereich des Schaftfensterbereichs schließt der Kolben erfindungsgemäß eine Anordnung von Aussparungen oder Durchbrüchen ein, als weitere Maßnahme zur Reduzierung der Kolbenmasse. Bevorzugt sind dazu versetzt zu einer Bolzennabe symmetrisch umfangsverteilte Bohrungen in den Schaftfensterbereich eingebracht, über die, ohne die Festigkeit des Kolbens zu gefährden, eine wirksame Gewichtsreduzierung erzielbar ist.
Der sich zumindest über eine Länge des Ringfeldes erstreckende Kühlkanal bildet bevorzugt ein weitestgehend rechteckförmiges Querschnittsprofil. Diese Gestaltung vergrößert vorteilhaft das Durchströmvolumen und damit die Kühlmittelaufnahme, wodurch die Kühlwirkung des Kolbens deutlich gesteigert werden kann. Außerdem verringert der großvolumig gestaltete Kühlkanal das Kolbengewicht. Gleichzeitig vergrößert diese Formgebung des Kühlkanals einen Freiheitsgrad zur Platzierung von Öffnungen zum Eintritt und Austritt des Kühlmittels in den Kühlkanal unter dem Gesichtspunkt einer optimalen Beaufschlagung.
Ein weiteres Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung sieht vor, die Wandungen des Kühlkanals mit nahezu gleicher Wandstärke auszulegen. Bedingt durch abgestimmte, weitestgehend übereinstimmende Wandstärken des Kühlkanals, kann ein strukturfester, höchsten Anforderungen standhaltender Kolben realisiert werden.
Die Auslegung sowie das Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Kolbens ermöglicht eine bevorzugte kleine Kompressionshöhe, die unmittelbar die Kolbenmasse beeinflußt. Vorteilhaft kann mit dem erfindungsgemäßen Kolben die Kompressionshöhe (S) von ≤ 0,7 × Kolbendurchmesser (D) realisiert werden.
Die nachfolgende Beschreibung erläutert ein in den 1 bis 3 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Kühlkanalkolbens.
Es zeigen:
1: einen erfindungsgemäßen Kühlkanalkolben nach Umformung einer Wandung des Kühlkanals,
2: einen vergrößert abgebildeten Ausschnitt des Kolbens gemäß 1,
3: den Kühlkanalkolben gemäß 1 nach Fertigstellung.
Die 1 zeigt einen einteiligen, als Kühlkanalkolben gestalteten Kolben 1 in einer Perspektive in Verbindung mit einem Teilausschnitt. Der mittels eines Schmiede- oder Gießverfahrens hergestellte Kolben 1 ist als ein Kolbenrohling dargestellt, der zentrisch in einem Kolbenboden 2 eine vor oder fertiggeformte Brennraummulde 3 bildet. An den Kolbenboden 2 schließt sich an einem Außenmantel des Kolbens 1 ein in 3 abgebildeter Feuersteg 4 an, dem ein Ringfeld 5 sowie ein Schaft 6 folgt. Ein in dem Kolben 1 integrierter, umlaufend angeordneter Kühlkanal 7 wird seitlich von einer inneren, der Brennraummulde 3 zugeordneten Wandung 8 und einer äußeren, dem Ringfeld 5 zugeordneten Wandung 9 begrenzt. Ein einstückig mit der inneren Wandung 8 verbundener, durch eine Umformung abgewinkelter Ringabschnitt 10 verschließt den Kühlkanal 7 und bildet dabei gleichzeitig einen Kolbenbodenbereich 11. Ein freies Ende des Ringabschnitts 10 ist unter Bildung einer Fuge 12 an einer Stufe 13 der äußeren Wandung 9 abgestützt. Eine Abdichtung der Fuge 12 erfolgt mittels einer Schweißung oder Hartlötung. Der Schaft 6 des Kolbens 1 schließt zwei diametral gegenüberliegende Bolzennaben 14 ein, die jeweils eine Nabenbohrung 15 einschließt. Versetzt zu den Bolzennaben 14 sind in einem Schaftfensterbereich 16 des Schafts 6 weiterhin symmetrisch umfangsverteilte Aussparungen 17 zur Gewichtseinsparung eingebracht.
In der 2 ist ein Ausschnitt des Kolbens 1 als Kolbenrohling in einem vergrößerten Maßstab abgebildet. Die innere Wandung 8 des Kühlkanals 7 ist danach durch den Ringabschnitt 10 verlängert, der in einem anschließenden Verfahrensschritt bis zur Anlage an die Stufe 13 der Wandung 9 eingebogen bzw. umgeformt wird.
Der Kolben 1 als Fertigteil ist in 3 abgebildet. Diese Darstellung zeigt weitere Details des Kolbens 1, wie das für Kolbenringe bestimmte Ringfeld 5, das sich an den Feuersteg 4 anschließt. Der Kühlkanal 7 besitzt eine Längserstreckung, die weitestgehend mit der Länge des Ringfeldes 5 übereinstimmt und zumindest eine Randzone des Feuerstegs 4 einschließt. Weiterhin verdeutlicht diese Darstellung die Gestaltung des Kühlkanals 7, der von Wandungen 8, 9, 10 sowie 19 nahezu gleicher Wandstärke umschlossen ist sowie in diesem Fall ein weitestgehend rechteckförmiges Querschnittsprofil aufweist, bzw. durch die geometrische Form der fertiggedrehten Mulde 3, des Kolbenbodens 11, des Ringfeldes 5 und der Innenform 19 durch Einhaltung gleichmäßig dünner Wandungen gebildet wird. Insbesondere die Anordnung des Kühlkanals 7 bewirkt eine gewünschte verringerte, ein Abstandsmaß zwischen einer Nabenachse 18 und dem Kolbenboden 2 definierende Kompressionshöhe „S".

1: Kolben
2: Kolbenboden
3: Brennraummulde
4: Feuersteg
5: Ringfeld
6: Schaft
7: Kühlkanal
8: Wandung
9: Wandung
10: Ringabschnitt
11: Kolbenbodenbereich
12: Fuge
13: Stufe
14: Bolzennabe
15: Nabenbohrung
16: Schaftfensterbereich
17: Aussparung
18: Nabenachse
19: Kolbeninnenform

Claims

Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Kolbens (1) aus Stahl mit kleiner Kompressionshöhe für eine Brennkraftmaschine, der einen zu einem Ringfeld (5) benachbarten Kühlkanal (7) einschließt, wobei mittels eines Schmiede- oder eines Gießverfahrens in einem ersten Verfahrensschritt ein Kolbenrohling hergestellt wird und zur Bildung eines Kühlkanals (7) eine verlängerte Wandung (8) des Kühlkanals (7) umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem Ringfeld (5), der Innenform (19) und einer Brennraummulde (3) angeordnete Kühlkanal (7) durch Umformen oder Einbiegen eines Kolbenbodenbereichs (11) geschlossen und eine sich einstellende Fuge (12) mittels einer Schweißung oder Hartlötung abgedichtet wird und in einem Schaftfensterbereich (16) der Kolben (1) zumindest eine Aussparung (17) einschließt.
Kolben (1), vorzugsweise hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine freies Ende einer inneren, der Brennraummulde (3) zugeordneten, als ein Ringabschnitt (10) gestalteten Wandung (8) des Kühlkanals (7) durch Umformen mit einer äußeren Kolbenwandung (9) zusammenwirkt.
Kolben (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringabschnitt (10) an einem gestuften Abschnitt der äußeren Kolbenwandung (9) abgestützt ist.
Kolben (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zu einer Bolzennabe (14) versetzte Schaftfensterbereich (16) zur Bildung von Aussparungen (7) symmetrisch umfangsverteilt eingebrachte Bohrungen einschließt.
Kolben (1) nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der sich zumindest über eine Länge des Ringfeldes (5) erstreckende Kühlkanal (7) ein weitestgehend rechteckförmiges Querschnittsprofil mit gleichmäßig dünnen Wandstärken zu den begrenzenden Außengeometrien aufweist.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (7) von Wandungen (8, 9, 10, 19) nahezu gleicher Wandstärke eingeschlossen ist.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Auslegung des Kolbens (1) eine Kompressionshöhe (S) von ≤ 0,7 × Durchmesser (D) des Kolbens (1) vorgesehen ist.