DE10338568B4 - Kolben für Brennkraftmaschine und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Kolben (2) für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenboden (4), mindestens einem Kühlkanal (6), mindestens einem Ringträger (8), mindestens zwei Ölversorgungskanälen (10, 12), sowie einem Kolbenhemd (14) und einem Pleuellager (16), wobei der mindestens eine Kolbenringträger (8) und der mindestens eine Kühlkanal (6) in einem Integralteil (18) integriert sind und dieses in den Kolben (2) eingegossen ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Integralteil (18) gefügt ist aus mindestens zwei Halbschalen (24, 26) umfassend jeweils einen Ringträgerbereich (28) und einen Kühlkanalbereich (30),
dass mindestens ein Ölversorgungskanal (10) in das Integralteil (18) integriert ist, der ausgeformt ist durch Tiefziehen einer der Halbschalen (24, 26).

Description

• Bei modernen Hochleistungsmotoren, insbesondere bei Dieselmotoren, ist es notwendig, aufgrund der thermischen Belastung, den Kolben durch ein Kühlmittel zu kühlen. In der Regel wird hierbei durch eine Kühlmitteldüse im Bereich des unteren Totpunktes bei der Kolbenbewegung das Kühlmittel, bevorzugt Öl, durch einen Ölversorgungskanal in einen Kühlkanal des Kolbens eingespritzt. Der Kühlkanal befindet sich in der Regel im oberen Bereich des Kolbens in der Nähe des Kolbenbodens, wo auch die höchste thermische Belastung auftritt.
• Die DE 199 27 931 A1 beschreibt einen gekühlten Kolben für eine Brennkraftmaschine, der ebenfalls einen Kühlkanal im oberen Bereich des Kolbens aufweist. Dieser Kühlkanal wird durch eine Ölwanne gebildet, die nach dem Gießen des Kolbens in den Kolben eingebracht wird und mit diesem kühlmitteldicht verbunden ist.
• Die DE 14 83 641 A beschreibt ein herkömmliches Verfahren zur Darstellung von Kühlkanälen in Kolben. Hierbei wird während des Gießens des Kolbens ein Salzkern in das Gießwerkzeug, in der Regel eine Kokille, eingelegt. Dieser Salzkern wird umgossen und nach dem Erstarren des Kolbens aus diesem herausgelöst, wobei ein Hohlraum in Form eines Kühlkanales bestehen bleibt. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass aus gießtechnischen Gründen der Salzkern nicht an jedem beliebigen Ort positioniert werden kann und somit der Abstand des auszubildenden Kühlkanals und des zu kühlenden Kolbenbodens oftmals nicht ausreichend ist.
• Die DE 41 12 889 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenkopfes mit einer Kühlung. Hierbei wird in einen bereits gegossenen Kolben im Bereich des Kolbenbodens ein vorgeformtes Blech eingepresst und abgedichtet. Dieses Blech bildet in Verbindung mit dem oberen Bereich des Kolbens einen Hohlraum, der als Kühlkanal genutzt wird. Nachteil dieser Erfindung ist, dass im Betrieb sowohl der Kolben als auch das Blech eine unterschiedliche thermische Ausdehnung aufweisen und dadurch eine Abdichtung des Kühlkanals nicht in jedem Fall gewährleistet ist.
• Die DE 100 07 616 A1 beschreibt einen Ringträger mit Kühlkanal. Als ringförmige Bauteile sind zwei übereinander angeordnete Rohrabschnitte vorgesehen, die unter Ausbildung eines integrierten Kühlkanals durch Reibschweißen miteinander verbunden sind.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen gekühlten Kolben für eine Brennkraftmaschine darzustellen, wobei gegenüber dem Stand der Technik eine effektivere Kühlung des Kolbenbodens gewährleistet ist und andererseits eine bessere Abdichtung des Kühlkanals besteht.
• Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie in einem Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 2.
• Der erfindungsgemäße Kolben für eine Brennkraftmaschine weist einen Kolbenboden auf, der durch einen Kühlkanal kühlbar ist, ferner umfasst der Kolben einen Kolbenringträger (im Folgenden Ringträger genannt) sowie mindestens zwei Ölversorgungskanäle für den Kühlkanal. Ferner umfasst der Kolben ein Kolbenhemd und ein Pleuellager.
• Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Ringträger und mindestens ein Kühlkanal in einem Integralteil integriert sind und dieses Integralteil in den Kolben eingegossen ist. Diese erfindungsgemäße Anordnung bewirkt, dass der Kühlkanal, der am Ringträger befestigt ist oder mit diesem einteilig ausgestaltet ist, besonders günstig in einem Gießwerkzeug positioniert werden kann, was wiederum dazu führt, dass ein Feuersteg zwischen dem Kolbenboden und dem Kühlkanal vergleichsweise dünn ausgestaltet werden kann. Die geringe Dicke des Feuersteges führt zu einem besonders günstigen Wärmeübergang zwischen der thermisch belasteten Zone im Kolbenboden und dem Kühlkanal. Dies wiederum führt zu einer gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserten Kühlung des Kolbenbodens. Durch die verbesserte Kühlung des Kolbenbodens kann wiederum die Belastung des Kolbens erhöht werden, was letztendlich in einer höheren Leistung des Motors resultiert.
• Gemäß der Erfindung wird das Integralteil durch zwei schalenförmige Teile zusammengesetzt. Jedes der schalenförmigen Teile weist sowohl einen Ringträgerbereich als auch einen Kühlkanalbereich auf. Im zusammengefügten Zustand der beiden schalenförmigen Teile bilden jeweils die beiden Kühlkanalbereiche den Kühlkanal und die beiden Ringträgerbereiche den Ringträger aus. Auch in dieser Ausgestaltungsform der Erfindung werden die beiden schalenförmigen Teile durch ein geeignetes Gefügeverfahren zusammengefügt.
• Das Integralteil kann in einer Ausgestaltungsform der Erfindung zusätzlich zu dem Ringträger und dem Kühlkanal noch weiter mindestens einen Ölversorgungskanal aufweisen. Dieser Ölversorgungskanal kann wiederum in Form eines angefügten Rohres am Kühlkanal angebracht sein.
• Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 2. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte:
  Es wird ein Integralteil hergestellt, das einen Ringträger und einen Kühlkanal umfasst. Das Integralteil wird in einem Kolbengießwerkzeug eingelegt und mit einem Gießmetall umgossen. Nach dem Abkühlen des Gießmetalls und dem Entformen des erstarrten Kolbens ist das Integralteil fest in dem Kolben integriert.
• Dabei ist die Herstellung des Integralteils in zweckmäßiger Weise so ausgestaltet, dass zunächst zwei Halbschalen hergestellt werden, die jeweils einen Ringträgerbereich und einen Kühlkanalbereich umfassen. Die beiden Halbschalen werden zu einem Integralteil zusammengefügt. Dabei bilden jeweils die Ringträgerbereiche den Ringträger und die Kühlkanalbereiche den Kühlkanal. Das so hergestellte Integralteil wird wiederum in ein Kolbengießwerkzeug eingelegt und mit dem Gießmetall umgossen.
• Gemäß der Erfindung wird der mindestens eine Ölversorgungskanal nicht durch ein separates angefügtes Rohr, sondern durch ein Tiefziehen der Halbschale ausgeformt.
• Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung zur Darstellung der Ölversorgungskanäle besteht darin, in dem fertig gegossenen Kolben eine Bohrung so einzubringen, dass sie sowohl Kolbenmaterial als auch das Integralteil im Bereich des Kühlkanals durchdringt und somit den Ölversorgungskanal darstellt.
• Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 ein Querschnitt durch einen gekühlten Kolben mit einem Integralteil,
• 2 ein Integralteil zusammengefügt aus zwei Halbschalenteilen.
• In 1 ist schematisch ein Querschnitt durch einen gekühlten Kolben 2 dargestellt. Der Kolben 2 umfasst zum einen einen Kolbenboden 4 sowie ein Kolbenhemd 14 und ein Pleuellager 16. Weiterhin ist in den Kolben 2 ein Integralteil 18 integriert. Das Integralteil 18, das sowohl einen Ringträger 8 als auch einen Kühlkanal 6 umfasst, ist in dem Kolben 2 im Bereich des Kolbenbodens 4 eingegossen. An das Integralteil 18 ist weiterhin ein Rohr 32 angeschweißt, das als Ölauslasskanal dient. Ein Öleinlasskanal 31 ist in dem vorliegenden Beispiel nach 1 in Form einer Bohrung 34 dargestellt. Die Bohrung 34 ist nach dem Gießen des Kolbens eingebracht worden. Dabei verläuft die Bohrung 34 durch Gussmaterial 36 des Kolbens 2 und durch einen unteren Boden des Kühlkanals 6. In einem unteren Bereich weist die Bohrung 34 eine hier nicht dargestellte trichterförmige Aufweitung auf. Diese trichterförmige Aufweitung dient als Sammelbehälter im Öleinlassbereich. Die trichterförmige Aufweitung dient weiter dazu, dass das zugeführtes Öl über einen größeren Kurbelwinkelbereich aufgefangen werden kann und somit eine bessere Ölversorgung für den Kühlkanal 6 gewährleistet wird.
• Zur Herstellung des Kolbens 2 wird das Integralteil 18 in eine Kolbengießform, die hier nicht dargestellt ist, eingelegt. Durch den Ringträger 8 ist beim Einlegen des Integralteils 18 in die Kolbengießform der Abstand zwischen einer Wand der Gießform und dem Kühlkanal 6 genau definiert, wobei durch einen Wandungsbereich 7 zwischen dem Ringträger 8 und dem Kühlkanal 6 wiederum der Abstand 9 zwischen dem Kolbenboden 4 und dem Kühlkanal 6 variiert werden kann. Durch den Einsatz des Integralteils 18 und dessen Ausgestaltung kann sowohl der Abstand 9, als auch ein Feuerstegbereich 19 minimiert werden. Üblicherweise beträgt der Abstand 9 im herkömmlichen Gussverfahren mindestens 3 mm. Durch den Einsatz des Integralteils 18 kann der Abstand 9 auf 2 mm oder weniger verringert werden. Durch den minimierten Abstand 9 wird die Wärmeabfuhr vom Kolbenboden 4 über den Kühlkanal 6 beschleunigt, was wiederum dazu führt, dass der Kolben 2 grundsätzlich höher thermisch belastet werden kann, was wiederum zu einer höheren Leistungsausbeute des Motors führt.
• In 2 ist ein Beispiel zur Darstellung des Integralteils 18 prinzipiell dargestellt. Hierbei werden zwei Halbschalen 24 und 26, die jeweils einen Ringträgerbereich 28 und einen Kühlkanalbereich 30 aufweisen, so zusammengefügt, dass im fertiggefügten Zustand ein abgedichteter Kühlkanal 6 entsteht. Die Halbschalen 24 und 26 werden durch Reibschweißen, Laserschweißen oder Hartlöten gefügt.
• In 2 ist das Verhältnis des Querschnittes des Integralteils 18 zu dessen Durchmesser aus Gründen der besseren Veranschaulichung nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.
• In einem hier nicht dargestellten Prozess kann anschließend noch an das Integralteil 18 ein Rohr 32 angelötet werden.
• Hierzu wird vorher eine, hier nicht dargestellte Bohrung in die Halbschale 24, an die das Rohr 32 angefügt werden kann.
• Es ist jedoch auch möglich, bereits während der Herstellung der Teile 22 oder 24 durch einen Tiefziehprozess einen Ölversorgungskanal auszugestalten. Die Länge des hieraus resultierenden Ölversorgungskanals ist jedoch begrenzt.
• Die Variante zur Herstellung des Integralteils 18, die in der 2 dargestellt ist, ist rein exemplarisch zu verstehen. Dabei können weitere zweckmäßige Verfahren zur Herstellung des Integralteils angewendet werden. Beispielsweise kann das Integralteil durch ein einziges Blech ausgestaltet werden, das um zwei Stifte gewickelt wird, die wiederum den Kühlkanalhohlraum und den Ringträger ausbilden, wobei die Stifte im Nachhinein wieder entfernt werden und das so entstandene Profilteil zu einem Ring gelegt wird und verschweißt wird.
• Bei den Halbschalen 24 und 26 aus 2 lässt sich bevorzugt ein Schmiedeverfahren oder ein Tiefziehverfahren zur Herstellung dieser anwenden. Auch hier können die Materialien auf Eisenbasis oder auf Aluminiumbasis bestehen.
• Die Wahl der Materialien für das Integralteil 18 hängt somit weitgehend auch von der Beschaffenheit und vom Material des Kolbens ab. Bei einem Kolben auf Eisenbasis scheiden Leichtmetalle als Integralteil aus. Hier wird das Integralteil immer aus einem Eisenwerkstoff dargestellt sein oder aus einem Werkstoff, der eine höhere Schmelztemperatur aufweist.
• Bei Aluminiumkolben, die in der Regel bei Brennkraftmaschinen im Automobilsektor zum Einsatz kommen, bieten sich Integralteile auf der Basis von Aluminiumlegierungen an, Integralteile auf Stahlbasis sind jedoch nicht ausgeschlossen. Bei Kol ben auf Magnesiumbasis bieten sich wiederum Integralteile an, die ebenfalls, artgleich auf dieser Materialbasis beruhen.
• Es sei darauf hingewiesen, dass die Ölversorgungskanäle 10, 12, wenn sie in das Integralteil 18 integriert sind, beim Gießen in vorteilhafter Weise als Entlüftung für Kühlkanalkavitäten geeignet sind und somit gießtechnisch sehr vorteilhaft sind.

Claims (2)

1. Kolben (2) für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenboden (4), mindestens einem Kühlkanal (6), mindestens einem Ringträger (8), mindestens zwei Ölversorgungskanälen (10, 12), sowie einem Kolbenhemd (14) und einem Pleuellager (16), wobei der mindestens eine Kolbenringträger (8) und der mindestens eine Kühlkanal (6) in einem Integralteil (18) integriert sind und dieses in den Kolben (2) eingegossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Integralteil (18) gefügt ist aus mindestens zwei Halbschalen (24, 26) umfassend jeweils einen Ringträgerbereich (28) und einen Kühlkanalbereich (30), dass mindestens ein Ölversorgungskanal (10) in das Integralteil (18) integriert ist, der ausgeformt ist durch Tiefziehen einer der Halbschalen (24, 26).
2. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (2) für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, umfassend folgende Schritte: • Herstellen eines Integralteiles (18) umfassend einen Ringträger (8) und einen Kühlkanal (6) durch Herstellen von mindestens zwei Halbschalen (24, 26) mit einem Ringträgerbereich (28) und einem Kühlkanalbereich (30) und Fügen der Halbschalen (24, 26) zu dem Integralteil (18), • Ausbilden mindestens eines Rohres (32) als Ölversorgungskanal (10) durch Tiefziehen einer Halbschale (24, 26), • Einlegen des Integralteils (18) in ein Kolbengießwerkzeug, • Gießen des Kolbens (2) bei gleichzeitigem Umgießen des Integralteils (18).