DE3917755C2

DE3917755C2 - Kolben für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3917755C2
Application number: DE3917755A
Authority: DE
Inventors: Eiji Okamura; Hiroyuki Watanabe; Hirofumi Kato; Hisakazu Muta
Original assignee: Atsugi Motor Parts Co Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 1988-05-31
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2009-06-01
Also published as: US5042364A; GB8912437D0; GB2220044B; GB2220044A; DE3917755A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für eine Brennkraftmaschine und richtet sich insbesondere auf einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, deren Schmierungs system eine Düse zum Einspritzen von Schmierstoff in eine Zylinderbohrung aufweist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die JP-GM-OS 57-89 812 beschreibt eine Anordnung für die Schmierung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine. Zu dieser Anordnung gehört eine in die Bohrung eines Zylinders der Brennkraftmaschine hineinragende Düse zum Einspritzen von Schmierstoff in die Zylinderbohrung. Diese Schmierstoff- Einspritzdüse ist um ein Stück über der Höhe angeordnet, in welcher sich der untere Rand des Mantels des Kolbens in der unteren Totpunktstellung befindet.

Damit sich der Kolben bis in die untere Totpunktstellung bewegen kann, ist im unteren Rand des Kolbenmantels ein Ausschnitt gebildet, in welchem die Schmierstoffeinspritz düse Aufnahme findet, wenn sich der Kolben im Bereich der unteren Totpunktstellung bewegt. Dank einer solchen Ausbil dung des Kolbens ist es nicht notwendig, den Zylinder der Brennkraftmaschine höher zu bauen, um Platz für den Einbau der Schmierstoffeinspritzdüse zu schaffen, wodurch sich die Gesamthöhe des Zylinderblocks insgesamt verringern läßt. Andererseits ist jedoch die Stärke und Festigkeit eines solchen Kolbens im Bereich des Ausschnitts erheblich herabgesetzt. In diesem Bereich kann es daher zur Konzen tration von Spannungen kommen, welche zur Bildung von Rissen und zum Bruch des Kolbens führen können.

Aus der DE 33 21 212 A1 ist ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, in dessen thermisch hochbelasteten Zonen und/oder zur thermischen Isolierung eine aus einem Keramikwerkstoff bestehende Einlage eingegossen ist. Um eine feste Verbindung zwischen dem Leichtmetallwerkstoff und der Einlage zu schaffen, sind im Umgußbereich der Einlage hochfeste Fasern im Leichtmetallwerkstoff eingelagert. Als thermisch hochbelastete Zone ist hierbei die Oberseite des Kolbens anzusehen, die dem Verbrennungsraum des Zylinders zugeordnet ist.

Aus der US 3 709 109 ist ein Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einer Schmierstoffeinspritzdüse zum Einspritzen von Schmierstoff in eine Zylinderbohrung bekannt, mit einem einen Kolbenmantel aufweisenden Kolbenkörper und einem in einem Randbereich des Kolbenmantels gebildeten Ausschnitt für die Aufnahme der Schmierstoffeinspritzdüse in einer Stellung des Kolbens im Bereich des unteren Totpunkts, wobei der Ausschnitt in einem unteren Randbereich des Kolbenmantels ausgebildet ist.

Zwar sind in den dortigen Fig. 1 und 5 eine Art Ausschnitt im unteren Bereich des Kolbenmantels zu sehen, in der dazugehörigen Beschreibung ist jedoch nicht ersichtlich, wie dieser Ausschnitt ausgebildet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß auch bei Vorsehen einer Ausnehmung in der Kolbenwand eine Herabsetzung der Stärke und Festigkeit des Kolbens nicht auftritt, und daß eine Konzentration von Spannungen, welche zur Bildung von Rissen und zum Bruch des Kolbens führen können, durch konstruktive Maßnahmen aufgenommen wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist die Verstärkung in der Weise ausgebildet, daß der Kolbenmantel im Umfangsbereich des Ausschnitts eine größere Wandstärke aufweist als in den übrigen Bereichen.

In einer Ausführungsform ist die Verstärkung aus einer faserverstärkten Einlage gebildet, welche in dem den Ausschnitt aufweisenden Bereich des Kolbenmantels ange ordnet ist. Die faserverstärkte Einlage ist in den Kolben mantel eingeschrumpft und dadurch einstückig mit diesem verbunden. Vorzugsweise ist die faserverstärkte Einlage aus einem faserverstärkten Aluminium-Verbundmaterial gebildet, insbesondere aus einem Tonerde-Silizium-Faserverbundmaterial.

Zur Ausbildung der Einlage kann das Tonerde-Silizium-Faser verbundmaterial mit einer vorbestimmten Dichte zu der jeweils gewünschten Form gepreßt werden.

In einer anderen Ausführungsform besteht die Verstärkung aus einem vorgeformten Einsatz aus einem Werkstoff, welcher eine höhere Festigkeit aufweist als der für die übrigen Bereiche des Kolbenmantels verwendete Werkstoff. Der vorge formte Einsatz kann z.B. aus einer Al-Cu-Legierung sein, während der Kolbenkörper im übrigen aus einer Al-Si-Legie rung ist. In der praktischen Ausführung kann der vorge formte Einsatz in den Kolbenkörper eingeschrumpft und auf diese Weise einstückig damit verbunden werden. Es ist jedoch auch möglich, den vorgeformten Einsatz durch Verschweißen einstückig mit dem übrigen Kolbenkörper zu verbinden.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht von Teilen einer Brennkraft maschine mit einem Kolben in einer ersten Ausfüh rungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Kolbens,

Fig. 3 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht des Kolbens von unten in Richtung des Pfeils A in Fig. 2,

Fig. 5 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Kolbens in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 6 eine Ansicht des in Fig. 5 gezeigten Kolbens von unten,

Fig. 7 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Kolbens in einer dritten Ausführungsform,

Fig. 8 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Kolbens in einer vierten Ausführungsform,

Fig. 9 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie IX-IX in Fig. 8 und

Fig. 10 eine Fig. 9 entsprechende Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform.

Eine in Fig. 1 bis 4 gezeigte erste Ausführungsform eines Kolbens 10 ist für einen Ottomotor mit Turbolader bestimmt. Der Kolben 10 hat einen aus einer Aluminiumlegierung gefertigten Kolbenkörper 11 und ist gleitverschieblich in einer Zylinderbohrung 14 eines Zylinderblocks 12 geführt. Nahe dem unteren Rand 14a der Zylinderbohrung 14 ist an der Unterseite 12a des Zylinderblocks 12 eine Schmierstoff einspritzdüse 13 angebracht. Die Schmierstoffeinspritzdüse 13 hat eine Austrittsöffnung 13a, welche innerhalb der Zylinderbohrung 14 aufwärts gerichtet ist, um einen Schmierstoff in Richtung auf den Kolben 10 einzuspritzen.

Der Kolbenkörper 11 hat einen Kolbenmantel 15, in dessen unterem Randbereich ein Ausschnitt 17 für die Aufnahme der Schmierstoffeinspritzdüse 13 ausgebildet ist. Der Aus schnitt 17 ist im wesentlichen bogenförmig ausgerundet und in einem Axialbereich nahe einem Kolbenbolzenauge 16 ange ordnet. Dabei ist der Ausschnitt 17 derart ausgerichtet, daß die Schmierstoffeinspritzdüse 13 darin Aufnahme findet, wenn sich der Kolben im Bereich der unteren Totpunktstellung befindet.

Wie man in Fig. 2 bis 4 erkennt, ist im Bereich des Aus schnitts 17 ein Verstärkungsbereich 18 ausgebildet, dessen Wandstärke T2 größer ist als die Wandstärke T1 der übrigen Bereiche des Kolbenmantels 15. Dieser Verstärkungsbereich 18 dient der Verstärkung des unteren Rand bereichs des Kolbenmantels 15 um den Ausschnitt 17 herum.

In der dargestellten Ausführungsform dient der mittels der Düse eingespritzte Schmierstoff der wirksamen Kühlung des Kolbenkörpers 11. Dabei ermöglicht das Vorhandensein des Ausschnitts 17 im unteren Rand des Kolbenmantels 15 wie in der bekannten Ausführung die Bewegung des Kolbens bis in die untere Totpunktstellung ohne Behinderung durch die Schmierstoffeinspritzdüse 13. Dies ermöglicht eine entsprechende Verkürzung der axialen Länge der Zylinderbohrung bei Erzielung des notwendigen Kolbenhubs, und damit eine Verringerung der Gesamthöhe des Zylinderblocks. In der dargestellten Ausführungsform ist die Steifigkeit des Kolbenmantels durch den Verstärkungsbereich 18 erhöht, so daß er eine ausreichende Festigkeit gegenüber seitlichen Drücken aufweist. Dadurch ist eine Konzentration von Spannungen in den Randbereichen des Ausschnitts 17 ver mieden. Durch diese Vermeidung von Spannungskonzentrationen in dem den Ausschnitt aufweisenden Randbereich des Kolbens ist der Gefahr der Rißbildung wirksam vorgebeugt.

In einer in Fig. 5 und 6 dargestellten zweiten Ausführungs form sind Teile, die in der ersten Ausführungsform dargestellt waren und einander entsprechen oder gleichen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Diese Ausführungsform weist eine aus einem faserverstärkten Werkstoff gebildete Verstärkung in Form einer Einlage 19 auf. Ein zweckmäßiger Werkstoff für die Ausbildung der Einlage 19 ist z.B. ein Tonerde-Silizium-Faserverbundwerkstoff mit der folgenden Zusammensetzung:

Al₂O₃
95 Gew.-%
SiO₂	5 Gew.-%

Der Tonerde-Silizium-Faserverbundwerkstoff wird auf eine Dichte von 0,7 g/cm³ eingestellt. Ein solches Faserverbund material wird zu einer zylindrischen Gestalt vorgeformt, um die Verstärkung in Form einer Einlage 19 auszubilden, welche dann in eine Gießform eingelegt wird. Anschließend wird dann eine Aluminiumlegierung (AC8A) in die Gießform einge tragen, um den Kolbenkörper im Druckgußverfahren herzu stellen. In dieser Weise wird die aus dem Faserverbund werkstoff gebildete Einlage 19 einstückig mit dem Kolbenkörper verbunden.

In ähnlicher Weise wie in der zuerst beschriebenen Ausfüh rungsform verleiht die Einlage 19 dem mit dem Ausschnitt 17 versehenen Bereich des Kolbenmantels 15 eine erhöhte Steifigkeit und Festigkeit gegenüber seitlichen Drücken, so daß einer Konzentration von Spannungen vorgebeugt ist. Da in dieser Ausführungsform die Ausbildung örtlich ver schiedener Wandstärken vermieden ist, ist eine im wesent lichen gleichmäßige Gewichtsverteilung erzielbar. Das beschriebene Verfahren, für die Verstärkung eine vorge formte Einlage 19 aus einem Faserverbundwerkstoff zu verwenden, ermöglicht darüber hinaus die Einhaltung einer gleich mäßigen Dichte der Verstärkung und trägt in vorteilhafter Weise zur Wirtschaftlichkeit der Fertigung bei.

In der in Fig. 7 gezeigten dritten Ausführungsform der Erfindung ist im unteren Randbereich des Kolbenmantels 15 des Kolbenkörpers 11 ein im wesentlichen etwa quadratischer Ausschnitt 15a gebildet, dessen Abmessungen beträchtlich größer sind als die des für die Aufnahme der Schmierstoff einspritzdüse 13 notwendigen Ausschnitts 17. Der für die Aufnahme der Schmierstoffeinspritzdüse vorgesehene Ausschnitt 17 ist in einem getrennt vom Kolbenkörper 11 gefertigten Einsatz 21 ausgebildet, dessen äußere Abmes sungen und Form denjenigen des Ausschnitts 15a im Kolbenmantel 15 entsprechen.

Der den Ausschnitt 17 definierende Einsatz 20 kann aus einer Eisenlegierung, insbesondere einer Eisenlegierung mit einem hohen Anteil an Ni, wahlweise auch aus einer Titanlegierung oder einer ähnlichen Legierung sein. Das für den Einsatz 20 verwendete Material soll möglichst ein geringes Gewicht mit einer hohen Festigkeit vereinen. Der den Ausschnitt 17 definierende Einsatz 20 wird bei der Herstellung des Kolbenkörpers 11 in diesen eingeschrumpft und dadurch zu einem einstückigen Körper mit diesem ver bunden. Zu diesem Zweck wird der vorgefertigte Einsatz 20 an einer dafür vorgesehenen Stelle in eine Gießform einge setzt, worauf dann eine Schmelze einer Aluminiumlegierung in die Form eingetragen wird, um den Kolbenkörper fertig zustellen.

Der in dieser Ausführungsform aus einem Werkstoff von niedrigem Gewicht und hoher Festigkeit gefertigte und in den Kolbenkörper eingeschrumpfte Einsatz 20 bildet eine wirksame Verstärkung für den mit dem Ausschnitt 17 verse henen Bereich des Kolbenmantels 15, so daß einer Konzen tration von Spannungen in diesem Bereich wirksam vorgebeugt ist. Das beschriebene Verfahren, den vorgefertigten Einsatz 20 in den Kolbenkörper einzugießen bzw. einzuschrumpfen, trägt in vorteilhafter Weise zur Wirtschaftlichkeit der Fertigung bei.

Anstatt den den Ausschnitt 17 definierenden Einsatz 20 durch Eingießen oder Einschrumpfen einstückig mit dem Kolben körper zu verbinden, ist es jedoch auch möglich, den Einsatz 20 und den Kolbenkörper 11 getrennt voneinander zu fertigen und die beiden Teile dann miteinander zu verschweißen oder sonstwie miteinander zu verbinden.

In der in Fig. 8 und 9 gezeigten vierten Ausführungsform der Erfindung ist der Kolbenkörper 11 aus einer Al-Si- Legierung geformt und im unteren Randbereich seines Kolben mantels 15 mit einem im wesentlichen quadratischen Aus schnitt 15a versehen. Der Ausschnitt 17 für die Aufnahme der Schmierstoffeinspritzdüse 13 ist in einem aus einer Al-Cu-Legierung geformten Einsatz 21 ausgebildet, dessen äußere Abmessungen und Form denen des Ausschnitts 15a entsprechen.

Der Einsatz 21 ist wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durch Eingießen bzw. Einschrumpfen in den Kolbenkörper 11 einstückig mit diesem verbunden (Fig. 9). In der in Fig. 10 dargestellten abgewandelten Ausführungs form kann der Einsatz 21 mit dem Kolbenkörper 11 ver schweißt sein.

In beiden Fällen sind in der vierten Ausführungsform im wesentlichen die gleichen Vorteile erzielbar wie in den voraufgegangenen Ausführungsformen. Dabei bietet die Fertigung des Einsatzes 21 aus einer Al-Cu-Legierung den weiteren Vorteil, daß sich der Einsatz 21 besonders einfach und sicher mit dem Kolbenkörper 11 verbinden läßt.

Die Erfindung ist nicht auf Einzelheiten der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt, sie erlaubt vielmehr die verschiedensten Abwandlungen derselben im Rahmen des Erfindungsgedankens.

Claims

1. Kolben (10) für eine Brennkraftmaschine mit einer Schmierstoffeinspritzdüse (13) zum Einspritzen von Schmierstoff in eine Zylinderbohrung, mit einem, einen Kolbenmantel (15) aufweisenden Kolbenkörper (11) und einem in einem Randbereich des Kolbenmantels (15) gebildeten Ausschnitt (17) für die Aufnahme der Schmierstoffeinspritzdüse (13) in einer Stellung des Kolbens (10) im Bereich des unteren Totpunkts, wobei der Ausschnitt (17) in einem unteren Randbereich des Kolbenmantels (15) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstärkung für einen den Ausschnitt (17) umgebenden Verstärkungsbereich (18) gebildet ist, dessen Wandstärke (T2) größer ist als die Wandstärke (T1) der übrigen Bereiche des Kolbenmantels (15).

2. Kolben (10) für eine Brennkraftmaschine mit einer Schmierstoffeinspritzdüse (13) zum Einspritzen von Schmierstoff in eine Zylinderbohrung, mit einem, einen Kolbenmantel (15) aufweisenden Kolbenkörper (11) und einem in einem Randbereich des Kolbenmantels (15) gebildeten Ausschnitt (17) für die Aufnahme der Schmierstoffeinspritzdüse (13) in einer Stellung des Kolbens (10) im Bereich des unteren Totpunkts, wobei der Ausschnitt (17) in einem unteren Randbereich des Kolbenmantels (15) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstärkung durch eine faserverstärkte Einlage (19) in dem den Ausschnitt (17) umgebenden Bereich des Kolbenmantels (15) vorgesehen ist.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die faserverstärkte Einlage (19) durch Einschrumpfen einstückig mit dem übrigen Kolbenmantel (15) verbunden ist.

4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die faserverstärkte Einlage (19) aus einem faserverstärkten Aluminium-Verbundmaterial gebildet ist.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die faserverstärkte Einlage (19) aus einem Tonerde-Silizium-Faserverbundmaterial gebildet ist.

6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (19) durch Einstellen des Tonerde-Silizium-Faserverbundmaterials auf eine vorbestimmte Dichte und Vorformen desselben zu einer gewünschten Form gefertigt ist.

7. Kolben (10) für eine Brennkraftmaschine mit einer Schmierstoffeinspritzdüse (13) zum Einspritzen von Schmierstoff in eine Zylinderbohrung, mit einem, einen Kolbenmantel (15) aufweisenden Kolbenkörper (11) und einem in einem Randbereich des Kolbenmantels (15) gebildeten Ausschnitt (17) für die Aufnahme der Schmierstoffeinspritzdüse (13) in einer Stellung des Kolbens (10) im Bereich des unteren Totpunkts, wobei der Ausschnitt (17) in einem unteren Randbereich des Kolbenmantels (15) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstärkung durch einen den Ausschnitt (17) umgebenden Verstärkungsbereich vorgesehen ist, die einen vorgeformten Einsatz (20, 21) aus einem Werkstoff aufweist, welcher eine höhere Festigkeit hat als der für den übrigen Teil des Kolbenkörpers (11) verwendete Werkstoff.

8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (20, 21) aus einer AlCu-Legierung gefertigt ist und daß der übrige Teil des Kolbenkörpers (11) aus einer AlSi-Legierung geformt ist.

9. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgefertigte Einsatz (20, 21) durch Einschrumpfen in den übrigen Kolbenkörper (11) einstückig mit diesem verbunden ist.

10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgefertigte Einsatz (21) durch Verschweißen einstückig mit dem übrigen Kolbenkörper (11) verbunden ist.