-
Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Kolben für Verbrennungsmotoren mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbengrundkörper, wobei das Kolbenoberteil eine Brennraummulde und einen Ringbereich aufweist, in dem wenigstens eine Ringnut vorgesehen ist, und der Kolbengrundkörper über wenigstens einen Kolbenschaft und eine Bohrung zur Aufnahme eines Kolbenbolzens verfügt und wobei das Kolbenoberteil und der Kolbengrundkörper als separate Bauteile ausgeführt sind, die derart miteinander verfügt sind, dass vom Kolbengrundkörper und dem Kolbenoberteil zumindest bereichsweise ein Kühlkanal umfangsseitig begrenzt wird.
-
Mit Hilfe des Kolbens eines Verbrennungsmotors wird die bei der Verbrennung freiwerdende thermische Energie in mechanische Arbeit umgesetzt. Als Teil des Kurbeltriebs wird der Kolben in erster Linie durch Gas- und Massenkräfte sowie durch das auf den Kolben wirkende schwerpunktbezogene Moment von außen belastet. Die Gestaltung des Kolbenbodens, der regelmäßig eine Brennraummulde aufweist, beeinflusst entscheidend die Strömungsverhältnisse und damit die Gemischaufbereitung und Verbrennung in Zylinder. Zur Kühlung eines Kolbens wird üblicherweise das Schmieröl des Motors verwendet, wobei in der Regel darauf geachtet wird, dass die Temperatur im Grund der zur Aufnahme der Kolbenringe vorgesehenen Ringnuten einen Wert von etwa 240°C nicht übersteigt.
-
Es werden zwei Arten der Kühlung eines Kolbens unterschieden. Zum einen ist die so genannte Anspritzkühlung bekannt, bei der der Kolben von unten durch eine Ölbohrung bzw. eine Düse im Pleuel mit einem Ölstrahl angespritzt wird. Bei einer alternativen technischen Lösung ist dagegen innerhalb des Kolbens ein Kühlkanal vorgesehen, durch den eine wesentlich bessere Kühlung realisiert werden kann.
-
Im Zusammenhang mit der Realisierung von Kolben mit Kühlkanälen sind einerseits Aluminiumkolben bekannt, in die durch Einsatz geeigneter Salzkerne beim Gießen Kühlkanäle eingebracht werden. Andererseits werden Stahlkolben mit Kühlkanälen verwendet, die unter Einsatz spanabhebender Herstellungsverfahren produziert worden sind.
-
Um eine verbesserte Kühlwirkung innerhalb eines Kolbens zu erzielen, ist aus der
DE 199 30 630 C1 ein flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungsmotoren bekannt, der einen ringförmigen oder aus mehreren Ringsegmenten bestehenden Kühlkanal aufweist. Der beschriebene Kühlkanal verfügt über einen in seinem Verlauf weitgehend gleich bleibenden Querschnitt, verläuft allerdings in Kolbenlängsrichtung zumindest abschnittsweise wellenförmig. Um gleichzeitig eine zuverlässige Kühlung im Bereich des Ringträgers und der Zonen in der Umgebung der Bolzennabe zu gewährleisten, verläuft der Kühlkanal derart wellenförmig, dass er sich zwischen den zuvor genannten Bereichen erstreckt. Oberhalb der Bolzennabe ist hierbei ein Wellenberg vorgesehen, der zusammen mit den weiteren Wellenbergen auch eine zuverlässige Kühlung des Bereichs mit dem oder den Ringträgern sicherstellt.
-
Des Weiteren ist aus der
DE 10 2007 005 268 A1 ein mehrteiliger Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der über einen Kühlkanal verfügt. Der beschriebene Kolben besteht aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, wobei im Bereich des Kolbenoberteils ein von einem Ringelement gebildetes Ringfeld mit Ringnuten und einem dahinter koaxial und radial umlaufenden Kühlkanal vorhanden ist. Kolbenober- und Kolbenunterteil werden separat gefertigt und weisen geeignete Anlagebereiche auf, an denen das Kolbenober- und das Kolbenunterteil miteinander verschweißt werden.
-
Ausgehend von den aus der Stand der Technik bekannten technischen Lösungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen flüssigkeitsgekühlten Kolben zu schaffen, der einerseits mit verhältnismäßig einfachen Mitteln und kostengünstig herzustellen ist und der andererseits eine besonders zuverlässige Kühlung des Kolbens gewährleistet. Vor allem soll für die Herstellung des anzugebenden Kolbens der Einsatz teurer Herstellungsverfahren weitgehend unnötig sein. Weiterhin soll der Kolben auch starken Beanspruchungen, wie sie beispielsweise in Dieselmotoren auftreten, widerstehen.
-
Die vorstehende Aufgabe wird mit einem Kolben gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur geeigneten Herstellung eines flüssigkeitsgekühlten Kolbens ist darüber hinaus im Anspruch 9 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
-
Erfindungsgemäß ist ein flüssigkeitsgekühlter Kolben für Verbrennungsmotoren mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbengrundkörper, wobei das Kolbenoberteil eine Brennraummulde und einen Ringbereich aufweist, in dem wenigstens eine Ringnut vorgesehen ist, und der Kolbengrundkörper über wenigstens einen Kolbenschaft und eine Bohrung zur Aufnahme eines Kolbenbolzens verfügt und wobei das Kolbenoberteil und der Kolbengrundkörper als separate Bauteile ausgeführt sind, die derart miteinander verfügt sind, dass vom Kolbengrundkörper und dem Kolbenoberteil zumindest bereichsweise ein Kühlkanal umfangseitig begrenzt wird, derart weitergebildet worden, dass der Kolbengrundkörper als Gussbauteil und das Kolbenoberteil als Stahl-Schmiedeteil ausgeführt ist. Ein derart aus zwei Teilen aufgebauter flüssigkeitsgekühlter Kolben zeichnet sich durch das Vorsehen einer Trennfläche im Bereich des Kühlkanals aus, wobei das Unterteil als Gussteil und das Oberteil als Schmiedeteil ausgeführt sind. Vorzugsweise sind das Oberteil und der Grundkörper durch einen gerichteten Fügeprozess, insbesondere durch Induktionsschweißen, miteinander verbunden. Innerhalb des Kolbens wird somit auf bevorzugte Weise ein Kühlkanal geschaffen, der während des Betriebs des Kolbens von Motoröl durchströmbar ist.
-
Eine besondere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Bereich der Fügeflächen des Kolbengrundkörpers sowie des Kolbenoberteils Strukturen vorgesehen sind, die zusätzlich eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen ermöglichen. Auf diese Weise können der Kolbengrundkörper und das Kolbenoberteil bei der Herstellung des flüssigkeitskühlbaren Kolbens zunächst formschlüssig verbunden werden, bevor eine Schweißverbindung, insbesondere durch Induktionsschweißen, hergestellt wird. In geeigneter Weise werden der Kolbengrundkörper und das Kolbenoberteil bei einer derartigen technischen Lösung zunächst fixiert, um daraufhin eine qualitativ hochwertigen Schweißprozess sicher zu stellen.
-
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist der Kühlkanal in Kolbenlängsrichtung wellenförmig ausgeführt, so dass Wellenberge und Wellentäler zumindest annähernd äquidistant zur Längsmittenachse des Kolbens angeordnet sind. Der Kühlkanal verläuft hierbei in Umfangsrichtung des Kolbens, der in seinem Umfangsbereich sowohl über wenigstens eine Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenrings sowie über eine Bohrung zur Lagerung des Kolbenbolzens verfügt. Der Kühlkanal verläuft somit im Bereich des Kolbens hinter der wenigstens einen Ringnut.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung verfügt die Ringnut über wenigstens einen Ringträger. Insbesondere bei Kolben von Dieselmotoren, die wesentlich höheren Verbrennungsdrücken als Kolben in Otto-Motoren ausgesetzt sind, sind oftmals in der ersten Ringnut derartige Ringträger eingegossen. Diese Ringträger stellen sicher, dass diese Ringnut höheren Belastungen in Bezug auf Reib- sowie Schlagverschleiß widersteht.
-
In einer weiteren Ausführungsform verfügt der Kühlkanal über einen Kühlmediumeinlass und einen umfangsseitig diesem Einlass gegenüberliegenden Kühlmediumauslass. Das Kühlmedium, insbesondere Motoröl, strömt hierbei in den Kühlmediumeinlass ein, wird hier in zwei Teilströme aufgeteilt, die dann jeweils auf zwei gegenüberliegenden Seiten in Umfangsrichtung durch die entsprechenden Kühlkanäle zum Kühlmediumauslass strömen.
-
Der erfindungsgemäß ausgeführte, von einem Kühlmedium durchströmbare Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass er aus zwei Bauteilen, von denen eines, der Kolbengrundkörper, ein Gussteil und das andere, das Kolbenoberteil, ein Stahl-Schmiedeteil ist, zusammengesetzt ist. Das Verbinden des Kolbengrundkörpers mit dem Kolbenoberteil erfolgt hierbei durch gerichtetes Fügen, wobei zum gerichteten Fügen bevorzugt ein Induktionsschweißprozess eingesetzt wird. Das Induktionsschweißen ist ein Widerstandspressschweißverfahren, bei dem der Strom für die Widerstandserwärmung durch einen oder mehrere Induktoren in den Bauteilen induziert wird. Durch das Anlegen eines Elektromagnetfeldes werden die zu verschweißenden Werkstücke, hier der Kolbengrundkörper und das Kolbenoberteil, in kurzer Zeit auf die benötigte Temperatur erwärmt. Aufgrund der kurzen Aufheizzeit und des somit kurzen Schweißprozesses bleibt die Erwärmung auf den zu bearbeitenden Bereich beschränkt, was sich vorteilhaft auf das übrige Bauteil auswirkt. Mit automatisierten Induktionsschweißprozessen können Qualitätsschweißungen mit hoher Widerstandsfähigkeit hergestellt werden.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines flüssigkeitsgekühlten Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem ein Kolbengrundkörper mit wenigstens einem Kolbenschaft und einer Bohrung zur Aufnahme eines Kolbenbolzens sowie ein Kolbenoberteil mit einer Brennraummulde und einem Ringbereich, in dem wenigstens eine Ringnut vorgesehen ist, hergestellt werden und der Kolbengrundkörper und das Kolbenoberteil miteinander verfügt werden, ist daher derart weitergebildet worden, dass zunächst der Kolbengrundkörper im Wege eines Gießverfahrens und das Kolbenoberteil durch Schmieden eines Stahlhalbzeugs hergestellt werden und schließlich der gegossene Kolbengrundkörper und das geschmiedete Kolbenoberteil unter Einsatz eines Induktionsschweißverfahrens gerichtet miteinander verfügt werden.
-
Durch das Verbinden eines Gussgrundkörpers mit einem geschmiedeten Stahl-Kolbenoberteil ist es auf bevorzugte Weise möglich, einen flüssigkeitsgekühlten Kolben zu erzeugen. Hierfür sind der Kolbengrundkörper und das Kolbenoberteil derart ausgeführt, dass sie zumindest teilweise einen Kühlkanal des zusammengebauten Kolbens umfangseitig umschließen, wobei die Fügeflächen des Kolbengrundkörpers und des Kolbenoberteils bzw. die Trennebene dieser beiden Bauteile im Bereich des Kühlkanals liegen.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1: Gefügter Stahlkolben mit Kühlkanal sowie
-
2: Verlauf des Kühlkanals in einem Kolben.
-
1 zeigt einen Kolben 1, der aus einem Kolbengrundkörper 2 und einem Kolbenoberteil 3 durch Zusammenfügen der beiden Bauteile 2, 3 gebildet wird. Im oberen, dem Zylinderinnenraum zugewandten Bereich, ist eine Brennraummulde 4 vorgesehen, während der Kolben 1 am Kolbengrundkörper 2 einen Kolbenschaft 5 und eine Bohrung 6 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens aufweist.
-
Im Bereich des Kolbenoberteils 3 verfügt der Kolben 1 umfangseitig über einen Ringbereich 7, in dem Ringnuten 8 umfangseitig eingebracht sind. Die Ringnuten 8, die durch eingegossene Ringträger verstärkt sind, dienen der Aufnahme der Kolbenringe (in dieser Ansicht nicht dargestellt). Weiterhin begrenzen der Kolbengrundkörper 2 und das Kolbenoberteil umfangsseitig einen Kühlkanal 9, der den Kolben 1 in zusammengebautem Zustand durchörtert.
-
Im Betrieb des Verbrennungsmotors und somit des Kolbens 1 durchströmt Motoröl als Kühlmedium den Kühlkanal 9 und sorgt dafür dass die Bauteiltemperatur des Kolbens 1, insbesondere im Ringbereich 7 einen Wert von etwa 240°C nicht überschreitet.
-
Erfindungsgemäß wird der Kolbengrundkörper 2 mittels eines Gießverfahrens, insbesondere durch Feingießen, hergestellt. Das Kolbenoberteil 3 ist dagegen als Stahl-Schmiedeteil ausgeführt. Nach Herstellung des Kolbengrundkörpers 2 sowie des Kolbenoberteils 3 werden diese mit Hilfe eines Induktionsschweißverfahrens gerichtet miteinander verfügt.
-
In Ergänzung zu 1 ist in 2 die Form des Kühlkanals 9 dargestellt, der in einem erfindungsgemäß hergestellten, durch ein Kühlmedium, insbesondere Motoröl, kühlbaren Kolben 1 vorhanden ist. Der Kühlkanal 9 verfügt über einen Öleinlass 10, durch den das Motoröl in den Kühlkanal 9 einströmt. Innerhalb des Öleinlasses 10 wird der Kühlmittelstrom in zwei Teilströme geteilt, die jeweils auf zwei gegenüberliegenden Seiten den Kolben 1 umfangsseitig durchströmen. Im Bereich des Ölauslasses 11 vereinigen sich die Teilströme, so dass schließlich das gesamte durch den Öleinlass 10 als Kühlmedium eingeströmte Motoröl den Kühlkanal 9 über den Ölauslass 11 wieder verlässt.
-
Der Kühlkanal 9 verläuft in Umfangsrichtung zwischen Öleinlass 10 und Ölauslass 11 wellenförmig. Der Wellenform ist hierbei derart ausgeführt, dass Wellenberge und Wellentäler annähernd äquidistant zur Längsmittenachse des Kolbens 1 angeordnet sind. Eine optimale Kühlung des Ringbereiches 7 sowie eines Bereiches um die Bohrung 6 für die Aufnahme des Kolbenbolzens wird durch eine geeignete Anordnung der Wellenberge und der Wellentäler sichergestellt. So ist etwa im bereich der Bohrung 6 für die Aufnahme des Kolbenbolzens ein Wellenberg derart angeordnet, dass der Kühlkanal 9 die Bohrung annähernd in einem Halbkreis umrundet und in diesem bereich zwischen der Bohrung 6 und einer oberen Begrenzungsfläche des Kolbens 1 verläuft.
-
Wesentlich an dem erfindungsgemäß ausgeführten Kolben 1 ist, dass das Kolbenoberteil 3 als geschmiedetes Stahlteil ausgeführt ist, während der Kolbengrundkörper 2 als Gussbauteil ausgeführt ist. Die Kombination eines Gussbauteils mit einem Stahl-Schmiedebauteil zur Herstellung eines Kolbens 1 ermöglicht einerseits eine besonders wirtschaftliche Herstellung eines flüssigkeitskühlbaren Kolbens 1, andererseits wird auf diese Weise die Erzeugung eines besonders geeigneten Kühlkanals, also eines Kühlkanals besonders geeigneter Geometrie gewährleistet. Ein derartiger Kolben 1 eignet sich somit bevorzugt auch für den Einsatz unter hoher Belastung.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kolben
- 2
- Kolbengrundkörper
- 3
- Kolbenoberteil
- 4
- Brennraummulde
- 5
- Kolbenschaft
- 6
- Bohrung für Kolbenbolzen
- 7
- Ringbereich
- 8
- Ringnut
- 9
- Kühlkanal
- 10
- Kühlmitteleinlass
- 11
- Kühlmittelauslass
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19930630 C1 [0005]
- DE 102007005268 A1 [0006]
