-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenunterteil und einem Kolbenoberteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen Kolben sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens.
-
Aus der
WO 2010/009779 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenoberteil und einem damit verbundenen Kolbenunterteil bekannt. Das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil begrenzen dabei einen innenliegenden, ringförmigen Kühlkanal, in welchem Kühlöl zur Kühlung des Kolbens während des Betriebs der Brennkraftmaschine zirkuliert. Das Kolbenoberteil ist mittels einer Reibschweißung mit dem Kolbenunterteil verbunden, wobei im Kolbenunterteil eine Einlassöffnung sowie eine Auslassöffnung vorgesehen sind, über welche ein Kühlmittelzufluss und ein Kühlmittelabfluss in den Kühlkanal bzw. aus diesem heraus erfolgt. In die Einlassöffnung ist dabei mit einem gewissen Überstand ein Strömungsrohr eingesteckt und oberhalb einer Kontaktgeometrie zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil und der zugehörigen Schweißwulst der Reibschweißung positioniert. Das Überstandsmaß ist dabei derart gewählt, dass ein für die Wirksamkeit der Kolbenkühlung entscheidender Kühlmittelaustausch uneingeschränkt erhalten bleibt und sich insbesondere nicht durch die Schweißwulst im Verbindungsbereich reduziert.
-
Aus der
DE 10 2004 029 927 A1 ist ein weiterer Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Kühlkanal, der einen Boden und zumindest eine Einlassöffnung sowie eine Auslassöffnung aufweist. Im Bereich zumindest einer dieser Öffnungen ist dabei ein eingestecktes Rohr bzw. ein eingesteckter Kragen vorgesehen, der sich oberhalb des Bodens des Kühlkanals erstreckt und dadurch einen Mindestfüllstand an Kühlmittel im Kühlkanal gewährleistet. Das Rohr ist dabei wiederum als separates Bauteil ausgebildet und muss nachträglich eingebaut werden.
-
Schließlich ist aus der
DE 37 02 272 A1 ein weiterer Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt mit einem Kühlkanal zur Aufnahme von Kühlmittel. Um einerseits eine vorbestimmte Mindestkühlölmenge innerhalb des Kühlkanals gewährleisten zu können und andererseits gleichzeitig ein Überschreiten einer festgelegten maximalen Kühlölmenge sicher vermeiden zu können, sind in einzelnen Abflussöffnungen in Axialrichtung des Kolbens in unterschiedlicher Höhe Rohrstutzen positioniert, die unterschiedliche weit in den Kühlkanal hineinragen. Auch diese Rohrstutzen werden nachträglich eingebaut.
-
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine vereinfachte und dadurch auch kostengünstige Fertigung auszeichnet. Die Erfindung beschäftigt sich weiterhin mit dem Problem, ein geeignetes Herstellungsverfahren für einen derartigen Kolben anzugeben.
-
Diese Probleme werden erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenunterteil und einem Kolbenoberteil und einem durch diese beiden Kolbenteile begrenzten Kühlkanal, an zumindest einer Einlassöffnung und/oder an zumindest einer Auslassöffnung des Kühlkanals am Kolbenunterteil einen Ringwulst oder eine rampenartige Erhöhung vorzusehen, der/die ein Absinken eines Kühlmittelpegels unter ein vordefiniertes Niveau, das heißt unter eine vordefinierte Mindestfüllmenge, unterbindet und der/die gleichzeitig einstückig mit dem Kolbenunterteil ausgebildet ist und dadurch zusammen mit diesem hergestellt werden kann. Dabei können das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil separat zueinander ausgebildet sein und erst in einem späteren Fertigungsschritt miteinander verbunden, insbesondere mittels einer Reibschweißverbindung oder einer Laserschweißung, miteinander verbunden werden. Denkbar ist aber selbstverständlich auch, dass der Kolben insgesamt einstückig ausgebildet ist, so dass das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil aus einem Stück hergestellt sind. Der Kühlkanal ist dabei innen liegend und geschlossen im Kolben angeordnet und wird – wie eingangs erwähnt – durch das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil begrenzt. Über die zumindest eine am Kolbenunterteil angeordnete Einlassöffnung sowie über die zumindest eine ebenfalls am Kolbenunterteil angeordnete Auslassöffnung, erfolgen ein Kühlmittelzufluss sowie ein Kühlmittelabfluss in den Kühlkanal bzw. aus diesem heraus. Erfindungsgemäß sind/ist dabei die zumindest eine Einlassöffnung und/oder die zumindest eine Auslassöffnung von dem Ringwulst umgeben, der ein völliges und damit unerwünschtes Leerlaufen des Kühlkanals zuverlässig verhindert. Alternativ kann auch eine rampenartige Erhöhung im Bereich der Einlassöffnung oder der Auslassöffnung vorgesehen sein, die sich insbesondere über die gesamte Breite des Kühlkanals erstreckt und dadurch ebenfalls ein unerwünschtes Leerlaufen des Kühlkanals verhindert. Gleichzeitig kann der Ringwulst oder die rampenartige Erhöhung auch als Begrenzung einer Maximalmenge in der Art eines Überlaufs dienen, da bei einem weiteren Ansteigen des Kühlmittelpegels innerhalb des Kühlkanals über die Höhe des Ringwulstes oder der rampenartigen Erhöhung ein Abfließen des Kühlmittels erfolgen kann. Durch die einstückige Ausbildung des Ringwulsts bzw. der rampenartigen Erhöhung mit dem Kolbenunterteil entfällt ein nachträgliches Fertigen bzw. Montieren eines derartigen Ringwulstes bzw. eines entsprechendes Rohrstutzen an der Einlassöffnung bzw. der Auslassöffnung, wodurch insbesondere nachträgliche Montagekosten deutlich reduziert werden können. Der Ringwulst oder die rampenartige Erhöhung, der/die erfindungsgemäß einstückig mit dem Kolbenunterteil ausgebildet ist, kann beispielsweise zusammen mit dem Kolbenunterteil gegossen oder aus dem Material des Kolbenunterteils mit einem entsprechenden Schmiedewerkzeug geschmiedet werden. Ebenso ist ein Herstellen des Ringwulstes bzw. der rampenartigen Erhöhung mittels Fließbohrens denkbar, bei welchem das zu bearbeitende Material plastifiziert wird. Dies wird erreicht durch Axialkraft und hohe Drehzahl, wodurch Reibung entsteht. Diese Reibung verursacht eine lokale Hitze von mehreren hundert Grad und in Verbindung mit einer hohen Flächenpressung wird die Plastifizierung des Materials erreicht. Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich jedoch nicht nur die Montage und damit die Fertigungskosten für einen derartigen Kolben reduzieren, sondern vielmehr reduzieren sich auch die Teilevielfalt und damit die Lager- und Logistikkosten.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist zumindest das Kolbenunterteil aus Metall gegossen, wobei der zumindest eine Ringwulst oder die rampenartige Erhöhung mittels eines Sand- oder eines Salzkerns hergestellt ist. Das Ausbilden des Ringwulstes oder der rampenartigen Erhöhung kann somit auf denkbar einfache Weise durch eine entsprechende Negativausnehmung im Salzkern bzw. im Sandkern erfolgen, so dass der Ringwulst oder die rampenartige Erhöhung vorzugsweise nachbearbeitungsfrei zusammen mit dem Kolbenunterteil gegossen werden kann. Nach dem Erkalten des Kolbenunterteils wird der Sand- oder Salzkern herausgespült, wodurch das Kolbenunterteil vorzugsweise bereits endfertig hergestellt ist. Eine weitere Nachbearbeitung und insbesondere ein teures Montieren eines entsprechenden Rohrstutzens in der Einlassöffnung bzw. der Auslassöffnung kann mit dem erfindungsgemäßen Kolbenunterteil entfallen.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist der zumindest eine Ringwulst oder die rampenartige Erhöhung an der Einlassöffnung in Axialrichtung des Kolbens gesehen höher als der Ringwulst oder die rampenartige Erhöhung an der zumindest einen Auslassöffnung. Über die einzelnen Höhen der Ringwülste bzw. der rampenartigen Erhöhungen ist dabei generell eine im Kühlkanal des Kolbens verbleibende Mindestkühlmittelmenge einstellbar, wobei zusätzlich über beispielsweise unterschiedliche Höhen der einzelnen Ringwülste/Erhöhungen ein Kühlmittelfluss von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung beeinflusst, insbesondere beschleunigt, werden kann. Wird demgemäß der Ringwulst oder die rampenartige Erhöhung an der Einlassöffnung hinsichtlich seiner/ihrer Höhe größer ausgebildet, so kann damit ein natürliches Gefälle von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung erzeugt und damit eine gerichtete Kühlmittelströmung geschaffen werden. Gleichfalls können unterschiedlich hoch ausgebildete Ringwülste/Erhöhungen auch als sogenannte Poka-Joke-Maßnahme genutzt werden, die insbesondere einen Falscheinbau eines Salzkerns oder eines Sandkerns verhindern. Selbstverständlich kann auch der Einsatz von Ringwulst und Erhöhung vorgesehen sein.
-
Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens anzugeben, bei welchem alternativ zumindest das Kolbenunterteil gegossen und dabei der zumindest eine Ringwulst oder die rampenartige Erhöhung mittels eines Sand-/Salzkerns geformt bzw. ausgenommen wird, oder bei dem der zumindest eine Ringwulst oder die rampenartige Erhöhung an der Einlassöffnung und/oder an der Auslassöffnung mittels eines entsprechenden Schmiedewerkzeugs geschmiedet und dadurch ebenfalls aus einem Stück zusammen mit dem Kolbenunterteil hergestellt wird. Je nach angewendetem Verfahren kann dabei zumindest das Kolbenunterteil oder auch der gesamte Kolben aus Stahl oder aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium, hergestellt werden.
-
Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit eine derartige Ringwulst/Erhöhung im Inneren eines Kühlkanals zu erzeugen, ist das sogenannte Flowdrill-Verfahren (Fließbohr-Verfahren), bei dem mit einem speziellen Bohrer eine Bohrung gebohrt und gleichzeitig das Grundmaterial durch Reibung erwärmt und in Bohrrichtung durchgewölbt wird, so dass sich eine entsprechende Ringwulst/Erhöhung aus dem Grundmaterial ausformt. Durch dieses Verfahren kann ohne dass ein zusätzlicher Arbeitsgang notwendig wird die Ein- und Auslassöffnung, in diesem Fall die Ein- und Auslassbohrung, und eine oder mehrere Ringwülste im Inneren des Kühlkanals erzeugt werden.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
-
Dabei zeigen, jeweils schematisch:
-
1 eine Schnittdarstellung durch eine erste mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens,
-
2 eine Schnittdarstellung bei einer weiteren möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens, hier eines gebauten Kolbens.
-
Entsprechend den 1 und 2, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 für eine im Übrigen nicht gezeigte Brennkraftmaschine ein Kolbenoberteil 2 sowie ein Kolbenunterteil 3 auf. Bei der gemäß der 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 1 sind dabei das Kolbenoberteil 2 und das Kolbenunterteil 3 über eine Reibschweißnaht 4 miteinander verschweißt. Der gemäß der 2 dargestellte Kolben 1 ist hingegen als gebauter Kolben ausgebildet, wobei das Kolbenoberteil 2 und das Kolbenunterteil 3 über eine Schraube 5 miteinander verschraubt sind. Generell ist es dabei aber auch möglich, dass der erfindungsgemäße Kolben 1 als einstückiger Kolben ausgebildet ist, so dass das Kolbenoberteil 2 und das Kolbenunterteil 3 nicht separat hergestellt und anschließend miteinander verbunden werden, sondern gemeinsam hergestellt werden und dadurch aus einem Stück geformt, insbesondere gegossen oder geschmiedet, sind.
-
Allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens 1 ist dabei gemein, dass dieser einen innenliegenden, vorzugsweise ringförmigen, Kühlkanal 6 zur Kühlung des Kolbens 1 während des Betriebs der Brennkraftmaschine aufweist. In dem Kühlkanal 6 zirkuliert dabei während des Betriebs der Brennkraftmaschine ein Kühlmittel, insbesondere ein Kühlöl. Eine Ver- und Entsorgung des Kühlkanals 6 mit entsprechendem Kühlmittel erfolgt dabei über zumindest eine am Kolbenunterteil 3 angeordnete Einlassöffnung 7 sowie zumindest eine ebenfalls am Kolbenunterteil 3 angeordnete Auslassöffnung 8. Erfindungsgemäß sind/ist nun die zumindest eine Einlassöffnung 7 und/oder die zumindest eine Auslassöffnung 8 von einem Ringwulst 9 oder einer rampenartigen Erhöhung 9' umgeben, der/die ein Absinken des Kühlmittelpegels innerhalb des Kühlkanals 6 unter ein vordefiniertes Niveau, das heißt unter die Oberkante des Ringwulstes 9 unterbindet, und der/die gleichzeitig einstückig mit dem Kolbenunterteil 3 ausgebildet ist. Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik vergleichbaren Kolben, bei welchen in die Einlassöffnungen bzw. Auslassöffnungen separate Rohrstutzen eingeführt bzw. eingebracht sind, kann dies beim erfindungsgemäßen Kolben 1 entfallen, wodurch dieser insbesondere im Hinblick auf einen Montageaufwand deutlich weniger aufwändig und damit deutlich kostengünstiger ausgebildet werden kann. Die rampenartige Erhöhung 9' kann sich dabei über die gesamte Breite des Kühlkanals erstrecken.
-
Der die Einlassöffnung 7 bzw. die Auslassöffnung 8 ringförmig umgebende Ringwulst 9 oder die rampenartigen Erhöhung 9' kann dabei auf unterschiedlichste Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann dieser/diese mittels eines Sand- oder Salzkerns hergestellt werden, sofern zumindest das Kolbenunterteil 3 des Kolbens 1 gegossen wird. Der entsprechend geformte Sand- oder Salzkern stellt dabei eine Negativform des später zu gießenden Ringwulstes 9 oder der rampenartigen Erhöhung 9' dar. Wird das Kolbenunterteil 3 hingegen geschmiedet, ist denkbar, dass der zumindest eine Ringwulst 9 oder die Erhöhung 9' mittels eines entsprechenden Schmiedewerkzeugs hergestellt, das heißt geschmiedet wird. An dieser Stelle sei nochmals angefügt, dass die gemäß den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens 1 lediglich rein exemplarisch zu verstehen sind, so dass der Kolben 1 kein separat zum Kolbenoberteil 2 ausgebildetes Kolbenunterteil 3 aufweisen muss, welches anschließend mit dem Kolbenoberteil 2 verbunden, insbesondere verschweißt oder verschraubt werden muss. Vielmehr kann der erfindungsgemäße Kolben 1 auch einstückig ausgebildet sein, das heißt aus einem Guss hergestellt werden, wobei dann der erfindungsgemäße Ringwulst 9 oder die Erhöhung 9' mittels eines entsprechend geformten Sand-/Salzkern hergestellt wird.
-
Betrachtet man die unterschiedlichen Ringwülste 9 oder die Erhöhungen 9' insbesondere in der 2, so kann man erkennen, dass der Ringwulst 9 oder die Erhöhung 9' an der Einlassöffnung 7 in Axialrichtung 10 gesehen deutlich höher ist als der Ringwulst 9 oder die rampenartige Erhöhung 9' an der zumindest einen Ausöffnung 8. Hierdurch lässt sich eine gezielte Strömung des Kühlmittels, beispielsweise des Kühlöls von der Einlassöffnung 7 hin zur Auslassöffnung 8 erreichen und beeinflussen. Selbstverständlich kann selbstverständlich der erfindungsgemäße Kolben 1 aus Stahl oder aus Leichtmetall, insbesondere auch aus Aluminium, hergestellt sein, wobei selbstverständlich auch eine Kombination der beiden Werkstoffe denkbar ist.
-
Generell vereinfacht sich das Fertigen des erfindungsgemäßen Kolbens 1 erheblich, da ein nachträgliches Herstellen einer Überhöhung an der Einlassöffnung 7 und/oder an der Einlassöffnung 8, beispielsweise durch Einfügen eines separaten Rohrstutzens, entfallen kann. Hierdurch werden nicht nur die Nacharbeiten reduziert, sondern zugleich auch die Teilevielfalt und verbunden damit die daraus resultierenden Lager- und Logistikkosten.
-
Je nach gewünschtem Mindestpegel innerhalb des Kühlkanals 6 kann der Ringwulst 9 oder die Erhöhung 9' individuell hinsichtlich seiner/ihrer Höhe gestaltet werden, so dass ein vergleichsweise in Axialrichtung 10 hoher Ringwulst 9 oder eine Erhöhung 9' sowohl an der Einlassöffnung 7 als auch an der Auslassöffnung 8 einen vergleichsweise hohen Mindestpegel an Kühlmittel im Kühlkanal 6 bedeutet, wohingegen ein vergleichweise niedriger Ringwulst 9 oder Erhöhung 9' zu einem geringen Mindestpegel an Kühlmittel im Kühlkanal 6 führt.
-
Insbesondere bei mehrteiligen Kolben 1, bei welchen die zunächst separaten Kolbenoberteile 2 mit den entsprechenden Unterteilen 3 verbunden werden, kann der Ringwulst 9 oder die Erhöhung 9' auch mittels Schmiedeverfahren hergestellt werden, wohingegen er alternativ selbstverständlich auch zusammen mit dem Kolbenunterteil 3 gegossen werden kann, insbesondere auch dann, wenn der Kolben 1 nicht als mehrteiliger, sondern als einstückiger Kolben 1 ausgebildet ist. Eine entsprechende Anpassung der zum Gießen erforderlichen Salz- oder Sandkerne ist dabei vergleichsweise einfach möglich. Selbstverständlich ist auch dankbar, dass das Kolbenunterteil 3 gegossen oder geschmiedet wird, wobei die zumindest eine Einlassöffnung 7 und/oder die zumindest eine Auslassöffnung 8 sowie der zugehörige Ringwulst 9 oder die rampenartige Erhöhung 9' mittels Fließbohren hergestellt wird.
-
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
-
- WO 2010/009779 A1 [0002]
- DE 102004029927 A1 [0003]
- DE 3702272 A1 [0004]
