DE2730120A1

DE2730120A1 - Gekuehlter brennkraftmaschinenkolben

Info

Publication number: DE2730120A1
Application number: DE19772730120
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Moebus
Original assignee: Karl Schmidt GmbH
Current assignee: Karl Schmidt GmbH
Priority date: 1977-07-04
Filing date: 1977-07-04
Publication date: 1979-01-25
Also published as: JPS5428949A; DE2860397D1; BR7804259A; EP0000592A1; EP0000592B1

Description

Gekühlter Brennkraftmaschinenkolben

Die Erfindung betrifft einen gekühlten, ganz oder teilweise aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Brennkraftmaschinenkolben, insbesondere für Dieselmotoren, mit einem im Kolbenkopf hinter der Ringpartie wenigstens im Bereich der ersten Ringnute ringförmig umlaufenden Kühlkanal, bei dem die freihängenden Bolzennaben durch Rippen mit der Innenseite des Kolbenbodens und dem Kolbenschaft verbunden und im Kolbenschaft gegenüber den Bolzenaugen Durchbrechungen angeordnet sind, wobei der Kühlkanal über entsprechende, im wesentlichen parallel zur Kolbenlängsachse verlaufende Kühlmittelzu- bzw. -ablaufleitungen mit dem Kühlmitteltimlauf system verbunden ist.

Da Gußeisen mit Kugelgraphit ausgezeichnete mechanische und technologische Eigenschaften sowie eine gute Bearbeitbarkeit und im gehärteten Zustand einen hohen Verschleißwiderstand aufweist, außerdem eine gleich gute Fließfähigkeit sowie eine Vergießbarkeit wie Grauguß besitzt, haben sich in neuerer Zeit aus diesem Werkstoff bestehende Kolben für hochaufgeladene moderne Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren,durchsetzen können. Die maximal zulässige Temperatur des Kolbenbodens solcher Kolben beträgt ca. 500⁰C.

Die Temperaturen am Feuersteg sowie insbesondere in der ersten Ringnute sind dementsprechend hoch, so daß bei nicht zwangsgekühlten Kolben schon bei relativ niedrigem Mitteldruck die Gefahr des Festbrennens der Kolbenringe, vorzugsweise des ersten Kolbenrings, besteht. Aus diesem Grunde kommen Kolben aus Gußeisen mit Kugelgraphit für hochaufgeladene moderne Brennkraftmaschinen nur dann in Frage, wenn sie sehr intensiv kühlbar sind. Die intensivste Kühlung läßt sich mit im Kolbenkopf eingegossenen Kühlkanälen erzielen, die von einem zwangsgefdhrten Kühlmittel durchflossen v/erden. Die Zufuhr des Kühlmittels erfolgt in der Regel über das System Kurbelwelle und Pleuelstange oder über gehäusefeste Spritzdüsen.

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Ein solcher einteilig gegossener Brennkraftmaschinenkolben ist "beispielsweise in der DT-OS 21 06 923 beschrieben, bei dem die freihängenden Bolzennaben durch Rippen mit dem Kolbenboden und dem Kolbenschaft verbunden sind. Die Herstellung eines solchen einteiligen Kolbens bedarf allerdings eines ganz beachtlichen Aufwands in der Gießerei, da der Kolben nur unter Verwendung eines mehrteiligen Kerns, dessen Einzelteile beispielsweise nach dem Formmaskenverfahren hergestellt und zum Kern zusammengeklebt sind, gegossen werden kann. Dadurch entstehen Kernversätze und damit Ungenauigkeiten, die bei den geforderten Maß- und Gewichtstoleranzen zu Ausschuß führen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Brennkraftmaschinenkplben der eingangs beschriebenen Bauart so auszubilden, daß dieser im Kokillenguß- oder im üblichen Sandgußverfahren unter weitgehender Vermeidung von komplizierten Kernen bzw. aus geschmiedetem oder gewalztem Vormaterial gefertigt v/erden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der Kolben aus mehreren Teilen besteht, die im Bereich der Trennebenen über intermetallische Zwischenschichten fest miteinander verbunden sind. Vorzugsweise besteht der Kolben wenigstens aus einem Ober- und einen Unterteil.

IJach einem weiteren Erfindungsnerkmal verläuft die Trennebene in Höhe des Kühlkanals. Dadurch wird eine mechanische Bearbeitung des KUhlkanals ermöglicht, welche die Kerbspannungen in der Kühlkanaloberfläche herabsetzt und eine einfache Kontrolle dor Hohlräume vor den Zusammenfügen erlaubt.

Die Trennebenen sind in mindestens swei Stufen abgesetzt, damit eine einfache Zentrierung möglich ist und/oder die Trennebene in spannungsarme Zonen gelegt werden kann.

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Es ist auch möglich, die Trennebenen geneigt zur Horizontalen oder parallel zur KoIbenlängsachse verlaufend anzuordnen.

Wenigstens eines der Teile des Kolbens besteht aus Gußeisen mit Kugelgraphit, Stahl, Beryllium-Bronze oder einer v/armfesten Legierung wie Stellit oder Himonic. Diese Werkstoffe können selbstverständlich auch miteinander kombiniert v/erden.

Treten in Sonderfällen bei stark hinterschnittenen Kolbenbrennräumen höhere Spitzenteaperatüren auf, dann v/erden in der erfindungsgemäßen Ausführung hochvmrmfeste, gut wärmeleitende und duktile Werkstoffe für das Oberteil verwendet, während darunterliegonde Teile weiterhin aus Gußeisen nit Kugelgraphit bestehen.

Im Rahmen der Ausgestaltung der Erfindung sind die einseinen Teile des Kolbens über aus Kupfer, Kupferlegierungen, Silber oder Silberlegioningen bestehende Zwischenschichten miteinander verbunden.

Der erfindungsgenüß gestaltete Brennkraftmaschinenlcolben wird in der 7eise hergestellt, daß alle getrennt gefertigten Teile des Kolbens unter Einlegen von Iletallfolien zusammengesetzt und einer Temperatur von 900 bis 1200⁰C, vorzugsweise 1100⁰C, für eine Zeit von 2 bis 50 llinuten, vorzugsweise 5 bis 15 I limit en, ausgesetzt werden. Durch die Ofenlötung diffundiert das Lot in die äußeren Bereiche der Kontaktflächen der Kolbenwerkstoffe ein und schafft eine feste Verbindung.

Es ist auch möglich, die unter Einlegen von Iletallfolien zusammengesetzten Teile des Kolbens durch Schweißen mittels Ladungsträgerstrahlen zu verbinden.

In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel dos erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenkolbens dargestellt. Der aus Gußeisen mit Kugelgraphit bestehende Kolben mit Zwangskühlung besitzt

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freihängende Bolzennaben 1, die über die Rippen 2 mit der Unterseite des Kolbenlcopfes 3 und über die Rippen 4 mit dem Kolbenschaft 5 verbunden sind. Im Kolbenschaft 5 sind gegenüber dem Bolzenauge 6 Durchbrechungen 7 angeordnet. Im Kolbenkopf 3 befindet sich ein ringförmiger Kühlkanal 8, der über in der Rippe 2 angeordnete Abnahme- bzw. Abgabekanäle mit den korrespondierenden Abnahme- 9 und Abgabe-Öffnungen für die Zu- bzw. Ableitung des Kühlkanals mit den Bolzennaben 1 verbunden ist. Der aus Feuersteg 11 und erster Ringnute bestehende Oberteil des Kolbens und der aus Kolbenschaft 5 und den Ringnuten 13, 14, 15 gebildete Unterteil des Kolbens sind getrennt voneinander hergestellt und über eine Kupferzwischenschicht 16 von 0,1 mm Dicke hart miteinander verlötet. Die Trennebene verläuft in abgestufter Form in Höhe des Kühlkanals.

In der Fig. 2 ist ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäß aus drei Teilen bestehenden Brennkraftnaschinenkolbens mit Spritzkühlung und Brennraummulde dargestellt. Die Teile 17, 18, 20, die aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, sind teilweise mittels Ladungsträgerstrahlen miteinander verbunden und teilweise miteinander verlötet. Das aus einem v/armfesten Schmiedewerkstoff hergestellte Oberteil 17 ist mittels Ladungsträgerstrahlen mit dem Hittelteil 18 aus Gußeisen mit Kugelgraphit über die Trennebene 19 verschweißt. Das Mittelteil 18 stützt sich auf das aus Gußeisen mit Kugelgraphit gegossene Unterteil 20 ab, welches mit dem Zwischenteil 18 durch in der abgesetzten Trennebene 21 verlaufende intermetallische Zwischenschicht verbunden ist. Dabei ist die Trennebene 21 zwischen Mittelteil 18 und Unterteil 20 so angeordnet, da3 der in Ober- und Ilittelteil angebrachte Kühlkanal 22 eine einfache geometrische Form erhält, welche mit einfachen Werkzeugen und geringstem Aufwand herstellbar ist. Im Unterteil 20 sind die vertikalen Rippen 23 und die horizontalen, mit dem Bolzenauge 25 verbundenen Rippen 24 angeordnet. Die Kühlmittelzufuhr bzw. -abfuhr erfolgt über die

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in den Rippen 23 eingegossenen Kanälen 26, 27.

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen darin, daß Kolben der eingangs genannten Bauart auf vergleichsweise einfache Art und V/eise herstellbar sind.

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Leerseite

Claims

Karl Schmidt GmbH 1. Juli 1977

Christian-Schmidt-Straße 8/12 Drü/CPA 7107 Meckarsuln

Patentansprüche

Gekühlter, ganz oder teilv/eise aus einem Eisenwerkstoff bestehender 3rennkraftmaschinonkolben, insbesondere für Dieselmotoren, mit einem im Kolbenkopf hinter der Ringpartie wenigstens im Bereich der ersten Ringnute ringförmig umlaufenden Kühlkanal, bei den die freihängenden Bolzennaben durch Rippen mit der Innenseite des Kolbenbodens und dem Kolbenschaft verbunden und im Kolbenschaft gegenüber den Bolaenaugen Durchbrechungen angeordnet sind, wobei der Kühlkanal über entsprechende, im wesentlichen parallel zur Kolbenachse verlaufende Kühlmittelzu- bzw. -ablaufleitungen mit dem Kühlmittelumlaufsys tem verbunden ist, dadurch gekennzeiclinet, daß der Kolben aus nehreren im Bereich der Trennebenen (16, 19, 21) über eine intermetallische Zwischenschicht fest miteinander verbundenen Teilen (3, 5, 17» 18, 20) besteht.
2. Brennkraftnaschinenkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben wenigstens aus einen Oberteil (3) und einem Unterteil (5) besteht.
3. Brennkraftmaschinankolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennebene (16, 21) in Höhe des Kühlkanals angebracht ist.
4. Brennkraftmaschinenkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennebene (16, 21) in mindestens zwei Stufen abgesetzt ist.

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5. Brennlcrai tmaschinenkolben nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis h, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennebene (16, 17, 21) zur Horizontalen geneigt ist.
6. Brennkraftmaschinenkolben nach eineu oder mehreren der Ansprüche 1 bis h, dadurch gekennzelehneb, daß die Trennebene
(16, 17, 2 1) parallel zur Kolbenlängsachse verlaufend angeordnet ist.
7. Brennkraftmaschinenkolben nach einem oder nolircren der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnot, daß wenigstens oino.s der Teile dos Kolbons aus Gußeisen mit Kugelgraphit, Stahl,
Beryllium-Bronze oder warnifesten legierungen wie S tell it oder Minonic besteht.
O. Brennkraf t^rnaschlrionkolben nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für das Oberteil (3) bz\-;. für das die Kolbenringnuten oder einen Teil von diesen beinhaltende Kolben toil vorzugsv/eise ein Werkstoff gowählt wird, der induktiv härtbar ist und die liutenflauken
mindestens der obersten der die Zolbenringe tragenden Unten
(12) gehärtet sind.
9. Brennkraftnaschinenkolben nach einem oder mehreren dor Ansprüche 1 bis 0, dadurch .Tokennzexchnot, da!5 die 'Ά/ischonschicht aus Kupfer oder Kupfarlegierungen besteht.
10. Brennkraftaaschiner.kolben nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 0, dadurch ;;eke.nnzeichne 1 ₁ daß die Zv/ischenschicht aus Silber oder einer Silberlegierung besteht.
11. Verfahren zur Herstellung des Kolbens nach den Ansprüchen

1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Teile unter Einlegen von Iletallfolien zusammengesetzt und bei
einer Temperatur von 900 bis 1200⁰C, vorzugsweise 1100⁰C,

2 bis 30 Minuten, vorzugsweise 5 bis' 15 liinuten, in inerter
Atmosphäre erwärmt werden.

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12. Verfahren zur Herstellung des Brennlcraftrnaschinenkolbens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung durch eine Schweißung mit Ladungsträgerstrahlen erfolgt.

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