DE102012203570A1

DE102012203570A1 - Gegossener Leichtmetallkolben, insbesondere ein Aluminiumkolben

Info

Publication number: DE102012203570A1
Application number: DE102012203570A
Authority: DE
Inventors: Jochen Adelmann; Ralf Braig; Michael Marquardt
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2013-09-12
Also published as: BR112014021986B1; BR112014021986A2; JP2015511674A; CN104160127B; CN104160127A; WO2013131937A1; US10655561B2; US20150027400A1; EP2823166A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen gegossenen Leichtmetallkolben (1), insbesondere einen Aluminiumkolben (1) für eine Brennkraftmaschine (16) mit einem Kolbenboden (2) und einem sich daran anschließenden Kolbenschaft (3), der zwei auf der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwände (4, 5) sowie zwei diese Schaftwände (4, 5) verbindende Kastenwände (6, 7) aufweist, die in Richtung des Kolbenbodens (2) konisch aufeinander zulaufen. Erfindungswesentlich ist dabei, – dass der Kolben (1) einen ringförmig umlaufenden Kühlkanal (9) aufweist, – dass eine Dicke (d) des Kolbenbodens (2) maximal 4,5 mm beträgt. Hierdurch lässt sich ein leistungsstarker, leichter Kolben (1) herstellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen gegossenen Leichtmetallkolben, insbesondere einen Aluminiumkolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenboden und einem sich daran anschließenden Kolbenschaft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einem derartigen Kolben ausgestattete Brennkraftmaschine.
Aus der DE 10 2007 020 447 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei welchem die auf der Druckseite angeordnete Schaftwand in Umfangsrichtung des Kolbens kürzer ist als die auf der Gegendruckseite angeordnete Schaftwand. Hierdurch soll sich der Effekt einstellen, dass kaum noch Risse im Bereich der Verbindung zwischen den Kastenwänden und dem Schaft auf der Druckseite auftreten.
Aus der DE 10 2009 032 379 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden, einem Feuersteg mit einer umlaufenden Ringpartie und mit einem Kolbenschaft bekannt, der zwei auf der Druckseite und der Gegendruckseite angeordnete Schaftwände und zwei diese Schaftwände verbindende Kastenwände aufweist. Die auf der Druckseite angeordnete Schaftwand ist dabei in Umfangsrichtung des Kolbens betrachtet kürzer als die auf der Gegendruckseite angeordnete Schaftwand. Zur Reduzierung der Beanspruchung des Kolbens verlaufen die druckseitigen Kastenwände geradlinig und schräg, wobei der Abstand der Kastenwände im Bereich der Bolzennaben größer ist als im Bereich der druckseitigen Schaftwand.
Generell geht der Trend der aktuellen Motorenentwicklung in Richtung einer CO₂-Reduzierung, was durch eine Form des sogenannten „Downsizing“ umgesetzt wird. Da dabei auch die oszillierende Masse der Kolben in Verbrennungsmotoren eine Rolle spielt, werden zudem zunehmend Leichtbaukolben eingesetzt, die darüber hinaus höhere thermomechanische Belastungen ertragen können. Bei Leichtbaukolben besteht die Hauptaufgabe darin, die Konstruktion belastungsoptimiert auszuführen, um Rissbildungen an hochbelasteten Stellen, die beispielsweise dem Kolbenboden oder den hoch beanspruchten, druckseitigen Kastenwänden zu vermeiden und gleichzeitig den Forderungen nach deutlicher Gewichtsreduzierung und dadurch einer Reduzierung der CO₂-Emissionen gerecht zu werden. Gleichzeitig müssen derartige Leichtbaukolben weitere wichtige Funktionseigenschaften, wie beispielsweise Fresssicherheit, geringe Schaftreibung und hohe Laufruhe aufweisen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Leichtbaukolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch ein reduziertes Gewicht und eine erhöhte Belastungsfähigkeit auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen gegossenen Leichtmetallkolben, insbesondere einen Aluminiumkolben, für eine Brennkraftmaschine im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten gegossenen Aluminiumkolben, durch einen zusätzlichen Kühlkanal besser kühlen und dadurch noch leichter ausbilden zu können, um hierdurch die für die Bewegung des Kolbens erforderliche Arbeit zu reduzieren. Der gegossene Leichtmetallkolben, insbesondere der Aluminiumkolben, weist dabei in bekannter Weise einen einem Brennraum zugewandten Kolbenboden sowie einen sich daran anschließenden Kolbenschaft auf, der zwei auf der Druckseite und der Gegendruckseite angeordnete Schaftwände zur Führung sowie zwei diese Schaftwände verbindende Kastenwände besitzt. Die Kastenwände sind dabei schräg zueinander angeordnet und laufen in Richtung des Kolbenbodens konisch aufeinander zu. Ein derartiger Leichtmetallkolben ist beispielsweise bereits aus der DE 10 2007 020 447 A1 unter dem Namen Mahle Evotec^® bekannt. Erfindungsgemäß weist nun ein derartiger Leichtmetallkolben zusätzlich und erstmalig einen ringförmig umlaufenden Kühlkanal auf, der eine effektive Kühlung des Kolbens insbesondere in einem Übergangsbereich zwischen dem Kolbenboden und einer umlaufenden Ringpartie ermöglicht, wobei eine Dicke des Kolbenbodens zusätzlich auf maximal 4,5 mm beschränkt ist. Durch den ringförmig umlaufenden Kühlkanal und die Reduzierung der Dicke des Kolbenbodens kann der erfindungsgemäße gegossene Leichtmetallkolben im Vergleich zu den bisher bekannten Kolben mit Kühlkanal, hinsichtlich seines Gewichtes deutlich reduziert werden, wobei der hinsichtlich seiner Dicke reduzierte Kolbenboden eine bessere Wärmeabfuhr und dadurch auch eine bessere Kühlung mittels einer bekannten Anspritzkühlung ermöglicht. Der ringförmig umlaufende Kühlkanal sorgt für die in der Ringpartie erforderliche Kühlung, was bei bisher bekannten Leichtmetallkolben aufgrund des fehlenden Kühlkanals in dieser Form nicht möglich war. Aufgrund der schräg stehenden Kastenwände kann trotz des dünneren Kolbenbodens die erforderliche Festigkeit problemlos erreicht werden, wobei die Grenzen der Dicke des Kolbenbodens üblicherweise durch den jeweils angewandten Gießprozess gesetzt sind. Im Folgenden wird oftmals lediglich der Begriff "Kolben" als Oberbegriff für gegossene Leichtmetallkolben, insbesondere Aluminiumkolben verwendet.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung beträgt die Dicke des Kolbenbodens maximal 3,5 mm, bevorzugt sogar nur 2 oder 3 mm. Ein derartig dünner Kolbenboden ist im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Kolbenböden deutlich hinsichtlich seines Gewichtes reduziert, wobei aufgrund der geringen Dicke eine von unten einwirkende Anspritzkühlung für eine schnelle Wärmeabfuhr und damit für eine effektive Kühlung des Kolbenbodens sorgt.
Zweckmäßig ist der Kühlkanal mittels eines Salzkerns hergestellt. Derartige Salzkerne werden beim Gießen von Leichtmetallkolben/Aluminiumkolben bereits langjährig eingesetzt und sind daher ein erprobtes und bewährtes Mittel zur Herstellung derartiger hohler Kühlkanalstrukturen. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass der Kühlkanal beispielsweise mittels eines Sandkerns hergestellt wird. Durch derartige Salz- bzw. Sandkerne lassen sich auch vergleichsweise feine Kühlkanalstrukturen erzeugen, so dass der erfindungsgemäße Kühlkanal individuell, beispielsweise mit variierendem Durchmesser, hergestellt werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung laufen die beiden Kastenwände in Richtung der druckseitigen Schaftwand aufeinander zu. Eine Druckseite und eine Gegendruckseite wird beim erfindungsgemäßen Kolben deswegen unterschieden, weil immer dann, wenn bei der Zündung im Brennraum der entstehende Gasdruck auf den Kolbenboden wirkt, der Kolben durch das schrägstehende Pleuel zur Seite gedrückt oder gekippt wird, mit der Folge, dass eine der beiden Schaftwände in ihrer Lauffläche gegen die innere Wandung der Zylinderbohrung gedrückt wird. Diese Schaftwand wird als auf der Druckseite angeordnete Schaftwand bezeichnet. Durch den erfindungsgemäßen Verlauf der beiden Kastenwände lässt sich nicht nur die Gefahr von Rissbildung in den Kastenwänden reduzieren, sondern gegebenenfalls auch in den daran angeschlossenen Schaftwänden. Die an der Druckseite angeordnete Schaftwand kann dabei in ihrem mittigen Bereich dünner ausgebildet sein, als in ihren den Kastenwänden zugeordneten Randbereichen, was beispielsweise sogar so weit gehen kann, dass die an der Druckseite angeordnete Schaftwand in ihrem mittigen Bereich um bis zu 50 % dünner ausgebildet ist als in ihren den Kastenwänden zugeordneten Randbereichen, wodurch wiederum eine erhebliche Reduzierung der bewegten Masse des erfindungsgemäßen Kolbens erreicht werden kann. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Zunahme der Dicke der Schaftwand von ihrem mittigen Bereich zu ihren äußeren Randbereichen stetig verläuft, wodurch die Spannungsbelastung innerhalb der Schaftwand gleichmäßig verteilt wird.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem derartigen Kolben auszustatten und zusätzlich pro Leichtmetallkolben zumindest zwei Anspritzdüsen zur Kolbenkühlung vorzusehen, wovon eine auf einen Eingang/Zulauf des Kühlkanals des Kolbens und die andere auf den Kolbenboden gerichtet ist. Die eine Anspritzdüse fördert somit Kühlfluid, das heißt Motoröl, in den Kühlkanal, wo es insbesondere dazu beiträgt, die Ringpartie des Leichtmetallkolbens/Aluminiumkolbens zu kühlen. Die andere Anspritzdüse ist vorzugsweise auf den Kolbenboden gerichtet und kühlt diesen somit durch direktes Anspritzen mit Öl von unten. Aufgrund der geringen Dicke des Kolbenbodens kann dieser effektiv gekühlt werden, da die im Brennraum entstehende Wärme den Kolbenboden vergleichsweise schnell durchdringt und damit vom angespritzten Öl abgeführt werden kann. Selbstverständlich ist dabei auch denkbar, dass der Kolbenboden von unten durch von einer sich drehenden Kurbelwelle abspritzendes Öl zusätzlich gekühlt wird, insbesondere sofern die Kurbelwelle in einen Ölsumpf des Kurbelwellengehäuses eintaucht. Alles in allem kann somit eine Brennkraftmaschine mit vergleichsweise leichten aber trotzdem leistungsfähigen Kolben geschaffen werden, die deutlich weniger Energie zur translatorischen Hin- und Herbewegung der Kolben aufgrund deren reduziertem Gewicht erfordert.
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 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Seitenansicht,
2 eine Ansicht auf den erfindungsgemäßen Kolben von unten,
3 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A,
4 eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Kolben entlang der Schnittebene B-B.
Entsprechend den 1 bis 4, weist ein erfindungsgemäßer, gegossener Leichtmetallkolben 1, insbesondere ein Aluminiumkolben 1, 1' für eine Brennkraftmaschine 16 (vgl. 3) einen einem Brennraum 17 zugewandten Kolbenboden 2 sowie einen sich daran anschließenden Kolbenschaft 3 auf. Der Kolbenschaft 3 besitzt zwei auf der Druckseite DS und der Gegenseite GDS angeordnete Schaftwände 4, 5 sowie zwei diese Schaftwände 4, 5 verbindende Kastenwände 6, 7. Die Kastenwände 6, 7 sind dabei, wie dies gemäß der 4 eindeutig gezeigt ist, in Richtung des Kolbenbodens 2 konisch zueinander ausgerichtet, das bedeutet, dass sie in Richtung des Kolbenbodens 2 aufeinander zulaufen. Durch diese Schrägstellung der beiden Kastenwände 6, 7 kann trotz einer reduzierten Dicke d des Kolbenbodens 2 eine ausreichende Festigkeit des Leichtmetallkolbens 1 erreicht werden. Im Bereich der Kastenwände 6, 7 sind dabei noch jeweils eine Bolzennabe 8 zur Verbindung des Kolbens 1 mit einem nicht gezeigten Pleuel vorgesehen. Erfindungsgemäß besitzt nun der Kolben 1 einen zumindest teilweise ringförmig umlaufenden Kühlkanal 9, der gemäß den 3 und 4 insbesondere einen Übergangsbereich zwischen dem Kolbenboden 2 und einer Ringpartie 10 zusätzlich kühlt. Im Bereich der Ringpartie 10 sind beispielsweise ein umlaufender Feuersteg 11 sowie verschiedene Ringnuten 12 zur Aufnahme von beispielsweise nicht gezeigten Kolbenringen vorgesehen. Als weiteres erfindungswesentliches Merkmal beträgt die Dicke d des Kolbenbodens 2 maximal 4,5 mm. Die Dicke d des Kolbenbodens 2 beträgt vorzugsweise maximal 3,5 mm, bevorzugt sogar maximal 3 mm oder maximal 2 mm. Durch die erfindungsgemäße Kombination des vergleichsweise dünnen Kolbenbodens 2 mit dem zusätzlich angeordneten Kühlkanal 9 kann ein besonders leichter, das heißt hinsichtlich seines Gewichtes reduzierter Kolben 1 geschaffen werden, der aufgrund der geringeren bewegten Masse energieeffizienter zu betreiben ist.
Betrachtet man die 2, so kann man erkennen, dass die auf der Druckseite DS angeordnete Schaftwand 4 in Umfangsrichtung des Kolbens 1 kürzer ausgebildet ist als die auf der Gegendruckseite GDS angeordnete Schaftwand 5, wobei die beiden Kastenwände 6, 7 in Richtung der druckseitigen Schaftwand 4 aufeinander zulaufen. Hierdurch ist insbesondere die Gefahr einer Rissbildung im Bereich der Kastenwände 6, 7 und im Bereich der Schaftwände 4, 5 minimiert. Die beiden Kastenwände 6, 7 verlaufen dabei in Richtung der gegendruckseitigen Schaftwand 5 voneinander weg, wobei selbstverständlich auch ein aufeinander zulaufen der beiden Kastenwände 6, 7 in Richtung der gegendruckseitigen Schaftwand 5 denkbar ist, so dass in diesem Fall die beiden Kastenwände 6, 7 bikonvex zueinander angeordnet sind.
Der Kühlkanal 9 kann beim Gießen des Leichtmetallkolbens 1, insbesondere des Aluminiumkolbens 1' mittels eines Salzkerns oder aber auch mittels eines Sandkerns in gewohnter Weise hergestellt werden. Um Kühlmittel, insbesondere Kühlöl in den Kühlkanal 9 einleiten bzw. aus diesem wieder entfernen zu können, weist dieser einen Zulauf 13 sowie einen Ablauf 14 auf, die in der 2 dargestellt sind. Selbstverständlich können dabei Zu- und Ablauf 13, 14 auch umgekehrt angeordnet sein. Das zur Kolbenkühlung in den Kühlkanal 9 einzuleitende Kühlmittel, beispielsweise Motoröl, kann beispielsweise von zwei Anspritzdüsen 15 und 15' ausgestoßen werden, wobei die Anspritzdüse 15 beispielsweise auf den Zulauf 13 des Kühlkanals 9 gerichtet ist, wogegen die Anspritzdüse 15' direkt auf eine Unterseite des Kolbenbodens 2 gerichtet ist und dadurch diesen direkt kühlt. Aufgrund der geringen Dicke d des Kolbenbodens 2 kann die aus dem Brennraum 17 übertragene Wärme durch das angespritzte Öl vergleichsweise schnell abgeführt und dadurch der Kolben 1, 1' effektiv gekühlt werden. Hierbei ist selbstverständlich zusätzlich denkbar, dass eine unterhalb des Kolbens 1, 1' rotierende Kurbelwelle Öl auf die Unterseite des Kolbenbodens 2 spritzt und diesen dadurch zusätzlich kühlt.
Zusammenfassend lassen sich die wesentlichen Merkmale des erfindungsgemäßen Kolbens 1, 1' wie folgt charakterisieren: Durch einen äußerst dünnen Kolbenboden 2 verbunden mit einem zusätzlich angeordneten Kühlkanal 9 lässt sich der erfindungsgemäße Kolben 1, 1' trotz geringem Gewicht mit höherer Festigkeit darstellen. Die schrägstehenden Kastenwände 6, 7 bewirken die erforderliche Steifigkeit und Festigkeit für eine hohe Lebensdauer des Kolbenbodens und ermöglichen somit geringe Bodenwandstärken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007020447 A1 [0002, 0007]
DE 102009032379 A1 [0003]

Claims

Gegossener Leichtmetallkolben (1), insbesondere ein Aluminiumkolben (1') für eine Brennkraftmaschine (16) mit einem Kolbenboden (2) und einem sich daran anschließenden Kolbenschaft (3), der zwei auf der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwände (4, 5) sowie zwei diese Schaftwände (4, 5) verbindende Kastenwände (6, 7) aufweist, die in Richtung des Kolbenbodens (2) konisch aufeinander zulaufen, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kolben (1, 1') einen ringförmig umlaufenden Kühlkanal (9) aufweist, – dass eine Dicke (d) des Kolbenbodens (2) maximal 4,5 mm beträgt.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) des Kolbenbodens (2) maximal 3,5 mm beträgt.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Druckseite (DS) angeordnete Schaftwand (4) in Umfangsrichtung des Kolbens (1) kürzer ausgebildet ist als die auf der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand (5).
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kastenwände (6, 7) in Richtung der druckseitigen Schaftwand (4) aufeinander zulaufen.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass die beiden Kastenwände (6, 7) in Richtung der gegendruckseitigen Schaftwand (5) voneinander weglaufen, oder – dass die beiden Kastenwände (6, 7) in Richtung der gegendruckseitigen Schaftwand (5) aufeinander zulaufen.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (9) mittels eines Salz- oder Sandkerns hergestellt ist.
Brennkraftmaschine (16) mit zumindest einem gegossenen Leichtmetallkolben (1), insbesondere mit zumindest einem Aluminiumkolben (1') nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Anspritzdüsen (15, 15') zur Kolbenkühlung vorgesehen sind, wovon eine Anspritzdüse (15) auf einen Zulauf (13) des Kühlkanals (9) und die andere Anspritzdüse (15') auf den Kolbenboden (2) gerichtet ist.