DE3917755C2 - Kolben für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
Kolben für eine BrennkraftmaschineInfo
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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 (10)
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.
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