DE102004057284A1

DE102004057284A1 - Leichtbaukolben für thermisch hochbelastete Kolben

Info

Publication number: DE102004057284A1
Application number: DE102004057284A
Authority: DE
Inventors: Peter Prof. Dr. West Bloomfield Hofbauer
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Advanced Propulsion Technologies Inc
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2006-06-14
Also published as: US7895936B2; WO2006056315A1; US20080134879A1

Abstract

Kolben einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Oberteil (1) und Unterteil (3) aus jeweils einer Leichtmetalllegierung (15) und zugehöriges Verfahren zur Erhöhung einer thermischen Belastbarkeit eines thermisch hochbelasteten gebauten Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine, wobei wenigstens ein Isolierelement, insbesondere ein Spalt (7), zwischen dem Unterteil (3) und dem Oberteil (1) vorhanden ist, zu dem benachbart als ein Bauteil wenigstens ein Kolbenringträger (6) aus einem anderen Material als das Oberteil (1) und das Unterteil (3) insbesondere aus Stahl oder Grauguss angeordnet ist, und wobei ein in den Kolbenboden (2) eingeleiteter Wärmestrom mittels des Isolierelementes dabei behindert wird, über den Kolbenringträger (6) abzufließen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Oberteil und einem Unterteil aus jeweils einer Leichtmetalllegierung, sowie zugehörige Verfahren.
Ein Leichtbaukolben stellt insbesondere bei hoher thermischer Belastung hohe Anforderungen an eine Einhaltung thermischer Belastungsgrenzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermische Belastbarkeit eines thermisch hochbelasteten Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine zu verbessern und dabei eine leichte Bauweise zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Kolben nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Zusammenbau eines Kolbens nach Anspruch 11 und ein Verfahren zur Beeinflussung einer Wärmeableitung nach Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei einem erfindungsgemäßen vorzugsweise aus mehreren Teilen gebauten Kolben einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Oberteil und einem Untereil aus jeweils einer Leichtmetalllegierung sind Oberteil und Unterteil so miteinander verbunden, dass zwischen dem Unterteil und dem Oberteil wenigstens ein Isolierelement vorhanden ist, zu dem benachbart als ein Bauteil wenigstens ein Kolbenringträger aus einem anderen Material als das Oberteil und das Unterteil, insbesondere aus Stahl oder Grauguss, angeordnet ist, der zumindest einen Kolbenring hält.
Das Oberteil umfasst dabei insbesondere einen Kolbenboden. Das Unterteil umfasst insbesondere einen Kolbenschaft. Der Kolbenringträger ist vorzugsweise in einer Aussparung oder einer Nut im Unterteil aufgenommen. Alternativ ist der Kolbenringträger zwischen Ober- und Unterteil eingesetzt. Bevorzugt umfasst das Unterteil auch mehrere Kolbenringträger. Bei einem in einem Kolbenringträger gehaltenen Ring handelt es sich dabei insbesondere um einen geläufigen Verdichtungsring.
Zur Erzielung einer leichten Bauweise ist vorgesehen, dass die Leichtmetalllegierung Aluminium und/oder Beryllium und/oder Magnesium aufweist. Beispielsweise enthält die Leichtmetalllegierung als Hauptanteil Aluminium und/oder Beryllium und weitere Anteile beispielsweise von Magnesium und/oder Kupfer und/oder Silizium und/oder Nickel und/oder Zink. Die Gewichtsanteile liegen vorzugsweise zwischen 70 und 100% für Alu minium, zwischen 0 und 30% für Silizium, zwischen 0 und 15% für Magnesium, zwischen 0 und 15% für Kupfer, zwischen 0 und 10% für Zink sowie zwischen 0 und 10% für Nickel. Alternativ enthält die Leichtmetalllegierung vorzugsweise einen Hauptanteil Beryllium zwischen 60 und 100% Beryllium mit 0 und 40% Aluminium und/oder Kupfer und/oder Silizium und/oder Nickel. Alternativ enthält die Leichtmetalllegierung vorzugsweise einen Hauptanteil Magnesium sowie weitere Anteile von insbesondere Aluminium und/oder Kupfer und/oder Silizium und/oder Nickel. Die Gewichtsanteile liegen vorzugsweise zwischen 70 und 100% für Magnesium, zwischen 0 und 30% für Silizium, zwischen 0 und 20% für Aluminium, zwischen 0 und 15% für Kupfer, zwischen 0 und 10% für Zink sowie zwischen 0 und 10% für Nickel. Vorzugsweise wird für das Ober- und Unterteil des Kolbens die gleiche Leichtmetalllegierung verwendet. Insbesondere zu einer Berücksichtigung spezieller Materialanforderungen können jedoch auch unterschiedliche Leichtmetalllegierungen für Ober- und Unterteil verwendet werden.
Das Isolierelement kann auf verschiedene Weise realisiert sein. Insbesondere weist das Isolierelement eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit, als die für den Kolben verwendete Leichtmetalllegierung auf. Beispielsweise ist das Isolierelement aus Keramik gefertigt, insbesondere aus einer Zirkonoxidkeramik. Beispielsweise ist das Isolierelement aus einem titanhaltigem Metall oder aus Stahl gefertigt. Des weiteren ist das Isolierelement beispielsweise aus einem geschäumten Metall oder mit mikroporösem (z.B.: microporous silica) Füllung gefertigt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Isolierelement ein Spalt. Im folgenden werden verschiedene Ausgestaltungen des Spaltes beschrieben, wobei dort sinngemäß anstelle eines Spaltes ebenso ein Isolierelement aus insbesondere einem der vorgenannten Materialien verwendet werden kann.
Der zwischen Ober- und Unterteil vorhandene Spalt kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Vorzugsweise ist der Spalt so ausgestaltet, dass eine thermische Isolation zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenringträger erzielt wird. Dazu ist der Spalt – beispielsweise – bezogen auf eine axiale Hauptrichtung des Kolbens – radial zwischen Kolbenboden und Kolbenringträger ausgeführt. Abweichend davon kann der Spalt auch lediglich mit einer radialen Komponente schräg oder unregelmäßig schräg verlaufen. Insbesondere kann der Spalt bis zur Kolbenmantelfläche geführt sein. Bevorzugt durchbricht der Spalt die Kolbenmantelfläche, so dass der Spalt nach außen offen ist. Alternativ oder zusätzlich wird ein Spalt in axialer Richtung ausgeführt. Eine axiale Komponente des Spalts erstreckt sich dabei vorzugsweise vom Kolbenboden bis zum Bereich des Kolben ringträgers. Ebenso kann der Spalt hier auch lediglich mit einer axialen Komponente schräg oder unregelmäßig schräg verlaufen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird ein aus einem radialen und einem axialen Abschnitt zusammengesetzter Spalt verwendet. Beispielsweise bildet der Spalt einen Zylinderring, der im oberen Bereich schräg, insbesondere rechtwinklig, nach außen aufgeweitet ist. In einer weiteren Variante werden mehrere Spaltanordnungen miteinander kombiniert.
Insbesondere ermöglicht eine derartige Anordnung eines Isolierelementes, insbesondere eines Spaltes, eine Temperatur des Kolbenringträgers und somit eines darin gehaltenen Kolbenringes zu begrenzen, um beispielsweise einen Verschleiß des Kolbenringträgers zu minimieren.
Für eine alternative oder zusätzliche Beeinflussung eines Wärmetransports im Kolben ist beispielsweise zwischen dem Oberteil und einem Kolbenringträger und/oder Unterteil wenigstens ein thermisch isolierender Ring angeordnet. Der thermisch isolierende Ring ist dabei beispielsweise im Unterteil zwischen dem Kolbenringträger und dem Oberteil angeordnet. Beispielsweise ist der Kolbenringträger in einer Nut oder einer Ausnehmung aufgenommen. In einer anderen Ausgestaltung ist der thermisch isolierende Ring im Oberteil untergebracht. Beispielsweise ist der thermisch isolierende Ring auch hier in einer Nut oder einer Ausnehmung angeordnet. Vorzugsweise wird der thermisch isolierende Ring anstelle eines Teils eines radialen Spaltabschnitts eingesetzt. Insbesondere erhöht ein thermisch isolierender Ring eine mechanische Stabilität einer mit einem Spalt ausgeführten zwei- oder mehrteiligen Kolbenkonstruktion. Zur Erzielung einer thermischen Isolationswirkung des Rings können verschiedene Varianten verwendet werden. In einer ersten Variante wird ein thermisch isolierender Ring aus einem Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit verwendet. Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Material zur Herstellung des thermisch isolierenden Ringes Titan aufweist. Vorzugsweise wird alternativ eine Titanlegierung eingesetzt, welche ebenso wie Titan eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die für den Kolben verwendete Leichtmetalllegierung aufweist. In einer anderen Ausgestaltung ist der thermisch isolierende Ring aus einer Keramik gefertigt. Bevorzugt wird eine Zirkonoxyd-Keramik verwendet.
In einer zweiten Variante wird ein Ring verwendet, der als Hohlkörper ausgeführt ist. In einer Abwandlung kann auch ein thermisch isolierender Ring mit einem U-förmigen und somit offenen Querschnitt verwendet werden. Ebenso wie bei der Verwendung eines Hohlkörpers wird die Wärmeleitfähigkeit durch einen Luftspalt verringert. Gleichzeitig ermöglicht der thermisch isolierende Ring jedoch im Vergleich zu einem gewöhnlichen Spalt eine Erhöhung einer mechanischen Stabilität der Kolbenkonstruktion. Als Material für einen Ring der zweiten Variante wird bevorzugt Metall, besonders bevorzugt Titan oder eine titanhaltige Legierung, verwendet. Alternativ kann auch eine Keramik, bevorzugt eine Zirkonoxyd-Keramik, verwendet werden.
Für eine Verbindung von Ober- und Unterteil ist vorgesehen, dass das Oberteil mit dem Unterteil verschraubt ist. Vorzugsweise sind Ober- und Unterteil im Bereich der Verschraubung dazu so ausgestaltet, dass das Oberteil als innerer Kolbenschaft in einem äußeren Kolbenschaft des Unterteils konzentrisch angeordnet werden kann.
In einer weiteren Variante ist das Oberteil mit dem Unterteil verschweißt. Beispielsweise wird hierzu ein Widerstandsschweißverfahren oder schweißen mit Laser oder Elektronenstrahl eingesetzt. Besonders wirtschaftlich ist Reibschweißen der im Bereich der Schweißung rotationssymetrischen Ober- und Unterteile.
Für eine verbesserte Kühlung des Kolbens ist vorgesehen, dass er einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlraum umfasst, dessen untere Begrenzung ein auf einer einem Brennraum abgewandten Seite eines Kolbenbodens unterhalb desselbigen angebrachtes Begrenzungselement, insbesondere ein Blech ist. Bevorzugt wird der Kühlraum von Öl durchströmt. Es kann jedoch auch ein anderes Kühlmittel verwendet werden. Zur Kühlung erfolgt beispielsweise eine Kühlmitteleinspritzung durch eine Eintrittsöffnung in den Kühlraum. Vorzugsweise ist wenigstens eine Austrittsöffnung vorgesehen, aus der das zur Kühlung verwendete Kühlmittel wieder aus dem Kühlraum heraustreten kann. Insbesondere für eine Lenkung eines Kühlmittelflusses kann das Blech in besonderer Weise, beispielsweise in Mäanderform, geprägt sein, oder beispielsweise Kühlkanäle aufweisen. Eine Befestigung des Blechs erfolgt bevorzugt mittels einer Klemmung, besonders bevorzugt zwischen Ober- und Unterteil des Kolbens. In einer anderen Ausgestaltung wird das Blech unter Zuhilfenahme seiner eigenen Federspannung unterhalb des Kolbenbodens eingeklemmt. Beispielsweise wird das Blech dazu in eine dafür vorgesehene Nut eingeklemmt. Eine Kühlung mit einem Kühlmittel kann auf diese Weise mit einem leichten und einfach herstellbaren Bauteil realisiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Kühlraum einteilig. Dadurch enthält der Kühlraum keine innere Begrenzung für das Kühlmittel. Des weiteren ist der einteilige Kühlraum einfach zu realisieren. Auch in der einteiligen Ausführung wird vorzugsweise durch eine Ein- und eine Austrittsöffnung ein kontinuierlicher Austausch eines Kühlmittels vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung ist bei einem Verfahren zum Zusammenbau eines Kolbens vorgesehen, dass das Oberteil und das Unterteil zusammengesetzt und verbunden werden, wobei dabei wenigstens ein thermisch isolierender Ring und/oder wenigstens der Kolbenringträger dazwischen eingespannt wird. Insbesondere wird damit ein einfaches Verfahren für eine leichte Montage bereitgestellt. Ein Kolbenringträger oder ein thermisch isolierender Ring wird beispielsweise in einer Ausnehmung auf das Unterteil aufgesetzt und anschließend mit dem darauf aufgesetzten Oberteil zwischen Oberteil und Unterteil eingespannt. Alternativ wird ein Kolbenringträger oder ein thermisch isolierender Ring auf beispielsweise eine Ausnehmung auf das Oberteil aufgesetzt und entsprechend mit dem darauf aufgesetzten Unterteil zwischen Ober- und Unterteil eingespannt. Analog werden insbesondere mehrere Ringe, beispielsweise mehrere Kolbenringträger, oder ein thermisch isolierender Ring und ein Kolbenringträger oder mehrere thermisch isolierende Ringe eingespannt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird wenigstens ein Kolbenringträger und/oder ein thermisch isolierender Ring auf einen Kolbenmantel aufgeschrumpft. Beispielsweise werden Kolbenringträger und/oder ein thermisch isolierender Ring sowie der Kolbenmantel abgekühlt und im abgekühlten Zustand der Kolbenringträger und/oder der thermisch isolierende Ring beispielsweise auf eine Ausnehmung auf den Kolbenmantel aufgesteckt. Bei Wiedererwärmung auf Umgebungstemperatur stellt sich durch die unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten eine feste Verbindung ein. Der lineare Ausdehnungskoeffizient ist dabei beispielsweise in der Größenordnung 22 × 10^–6 /K, insbesondere zwischen 15 × 10^–6 /K und 30 × 10^–6 /K, für eine Aluminiumlegierung, wohingegen er für Grauguss lediglich ca. 10 × 10^–6 /K, insbesondere zwischen 5 × 10^–6 /K und 15 × 10^–6 /K beträgt.
Zur Bereitstellung des Kühlraums ist ein Verfahren zum Zusammenbau eines Kolbens vorgesehen. Dabei werden das Oberteil und das Unterteil zusammengesetzt und verbunden, wobei ein Blech auf einer einem Brennraum abgewandten Seite eines Kolbenbodens unterhalb desselbigen so eingespannt wird, dass ein von einem Kühlmittel durchströmender Kühlraum gebildet wird. Vorzugsweise wird das Blech in den Kolbenschaft auf eine dort befindliche Auskragung gelegt und anschließend mit dem darauf aufgesetzten Oberteil zwischen Ober- und Unterteil eingespannt. Analog können bei entsprechender Ausgestaltung Ober- und Unterteil sinngemäß auch vertauscht werden. Insbesondere wird damit eine einfache Montage des ermöglicht. Bevorzugt ist dieses Verfahren zum Zusammenbau mit dem oben beschriebenen Verfahren zum Zusammenbau, bei dem ein Kolbenringträger und/oder ein thermisch isolierender Ring eingespannt werden, kombi nierbar. Insbesondere kann damit in einem einzigen Montageverfahrensgang sowohl das Blech als auch ein Kolbenringträger und/oder ein thermisch isolierender Ring gleichzeitig mit der Verbindung von Ober- und Unterteil des Kolbens montiert werden.
Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung ist ein Verfahren zur Beeinflussung einer Wärmeableitung eines ein Oberteil und ein Unterteil jeweils aus einer Leichtbaulegierung umfassenden Kolbens bei der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, wobei ein bei einem Verbrennungsvorgang in einen Kolbenboden eingeleiteter Wärmestrom mittels wenigstens eines Isolierelementes, insbesondere eines Spalts, im Kolben, insbesondere zwischen Ober- und Unterteil, dabei behindern wird, über wenigstens einen Kolbenringträger mit wenigstens einem darin gehaltenen Kolbenring in einen dem Kolben zugeordneten Zylinder abzufließen. Insbesondere wird durch das Isolierelement mit seiner vorzugsweise sehr geringen Wärmeleitfähigkeit ein Wärmepfad unterbrochen. Bevorzugt ermöglicht dieses Verfahren eine Begrenzung einer Temperatur des Kolbenringträgers und somit des Kolbenrings. Insbesondere ist das Isolierelement dabei so angeordnet, dass ein Wärmepfad vom Kolbenboden zum Kolbenringträger unterbrochen wird.
In einer Weiterbildung dieses Verfahrens wird der in den Kolbenboden eingeleitete Wärmestrom insbesondere zusätzlich mittels wenigstens eines thermisch isolierenden Rings dabei behindert, über den Kolbenringträger mit dem darin gehaltenen Kolbenring in einen dem Kolben zugeordneten Zylinder abzufließen. Insbesondere wird dabei ein erhöhter Wärmewiderstand in Richtung des Wärmepfades vom Kolbenboden zum Kolbenringträger gewährleistet.
Gemäß einem weiteren Gedanken ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil des in den Kolbenboden eingeleiteten Wärmestroms mittels des Isolierelementes, insbesondere des Spaltes, in eine unterhalb des Kolbenbodens angeordnete Kühlung geleitet wird. Beispielsweise stellt das Isolierelement eine Berandung eines Wärmepfades dar, so dass eine Lenkung des Wärmestroms ermöglicht wird. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, bestimmte Regionen des Kolbens, bevorzugt den Bereich des Kolbenringträgers, einer geringeren Temperaturbelastung auszusetzen. Besonders bevorzugt wird der Wärmestrom in die Kühlung, beispielsweise eine Ölkühlung, geleitet, wo ein besonders guter Abtransport der Wärmemenge möglich ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung exemplarisch dargestellt. Die Merkmale sind dort jeweils jedoch nicht auf die dortige Ausgestaltung beschränkt. Vielmehr sind die jeweils in der Zeichnung oder/und in der Beschreibung einschließlich der Figurenbeschreibung angegebenen Merkmale jeweils zu Weiterbildungen kombinierbar. Es zeigen:
1: einen Längsschnitt eines ersten Kolbens,
2: eine axiale Projektion charakteristischer Radien des ersten Kolbens,
3: einen Bereich eines Kolbenringträgers eines Kolbens,
4: einen Längsschnitt eines zweiten Kolbens und
5: eine Verteilung eines Wärmestromes in einem Kolben,
1 zeigt einen Längsschnitt eines ersten Kolbens. Bei dem in 1 gezeigten Kolbenschnitt handelt es sich um einen längs einer axialen Hauptachse des Kolbens durchgeführten Schnitt. Des Weiteren ist der Schnitt längs einer Bolzenachse durchgeführt, so dass Bolzenaugen des Kolbens im gezeigten Schnitt nicht sichtbar sind.
Der Kolben umfasst ein Oberteil 1, welches einen Kolbenboden 2 umfasst, sowie ein Unterteil 3, welches einen Kolbenschaft 4 umfasst. Oberteil 1 und Unterteil 3 sind mit einer Verbindung 5 aneinander befestigt. Die Verbindung 5 ist in diesem Beispiel als Schraubverbindung ausgeführt. Es kann jedoch auch eine Schweißverbindung oder eine nachträglich verschweißte Schraubverbindung verwendet werden.
Zwischen Oberteil 1 und Unterteil 3 befindet sich im Bereich eines Kolbenringträgers 6 ein Spalt 7. Der Spalt 7 erstreckt sich dabei in einem ersten Abschnitt parallel zum Kolbenschaft 4, so dass der Spalt 7 in diesem Abschnitt einen zylinderringförmigen Spalt bildet. In einem zweiten Abschnitt ist der Spalt 7 radial ausgeführt, so dass er das Oberteil 1 mit dem Kolbenboden 2 vom Unterteil 3 mit dem Kolbenringträger 6 voneinander trennt. In diesem zweiten Bereich des Spalts 7 ist ein thermisch isolierender Ring eingesetzt. Der thermisch isolierende Ring 8 trennt somit den Kolbenringträger 6 vom Kolbenboden 2. Der thermisch isolierende Ring 8 ist in diesem Beispiel mit einem rechteckigen, nach unten offenen U-förmigen Querschnitt ausgeführt, so dass ein Luftspalt resultiert. Zur Aufnahme des Kolbenringträgers 6 und des thermisch isolierenden Ringes 8 im Kolbenschaft 4 ist eine entsprechende Ausnehmung 9 im Kolbenschaft 4 vorgesehen. Eine Befestigung des Kolbenringträgers und/oder des thermisch isolierenden Ringes erfolgt beispielsweise durch Aufschrumpfen.
Zur verbesserten Wärmeabfuhr ist unterhalb des Kolbenbodens 2 eine Ölkühlung 10 vorgesehen. Ein unterer Abschluss eines Ölkühlraums wird dabei von einem zwischen einer Auskragung 12 des Kolbenschafts 4 und dem Oberteil 1 eingespannten Blech 11 gebildet. Für einen Zu- und einen Abfluss des Öls ist jeweils eine erste Öffnung 13 und eine zweite Öffnung 14 vorgesehen. Im gezeigten Beispiel sind diese Öffnungen durch Bohrungen realisiert. Während eines Betriebes wird Öl durch die erste Öffnung 13 eingespritzt. Das eingespritzte Öl verteilt sich auf der Unterseite des Kolbenbodens 2 und läuft durch die zweite Öffnung und/oder die erste Öffnung wieder ab.
Als Material für das Oberteil 1, das Unterteil 3 und das Blech 11 wird jeweils eine Leichtmetalllegierung 15 verwendet. Der Kolbenringträger 6 ist aus Grauguss hergestellt und der thermisch isolierende Ring 8 ist aus Titan hergestellt.
Im folgenden werden gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen und Bezeichnungen versehen.
2 zeigt eine axiale Projektion charakteristischer Radien des ersten Kolbens. Die Projektion erfolgt hier in der axialen Hauptrichtung des in der 1 gezeigten ersten Kolbens. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es sich nicht um einen Schnitt handelt, sondern lediglich um eine Projektion charakteristischer Radien verschiedener Konstruktionsmerkmale. Insbesondere zeigt diese Darstellung den axialen Anteil des Spaltes 7, der hier in der Projektion als Zylinderring wiedergegeben ist. Des weiteren sind Projektionen der ersten 13 und der zweiten 14 Öffnung für einen Zu- und/oder Abfluss des Öls zu sehen.
3 zeit einen Bereich des Kolbenringträgers des ersten in 1 gezeigten Kolbens. Zwischen dem Oberteil 1, welches den Kolbenboden 2 umfasst, und dem Unterteil 3 des Kolbens, befindet sich der Spalt 7. In die Ausnehmung 9 ist der Kolbenringträger 6 und der thermisch isolierende Ring 8 eingesetzt. Der thermisch isolierende Ring 8 ist mit einem U-förmigen, nach unten geöffneten Querschnitt ausgestattet.
4 zeigt einen Längsschnitt eines zweiten Kolbens. Der zweite Kolben entspricht im wesentlichen dem in 1 gezeigten ersten Kolben, weist jedoch im Unterschied dazu eine zweite Ölkühlung 16 auf. Diese zweite Ölkühlung 16 ist zwischen einem Kolbenringträger 6 und einem Spalt zwischen Oberteil 1 und Unterteil 3 des Kolbens angeordnet. Sie befindet sich direkt hinter dem Kolbenringträger 6, so dass dessen direkte Ölkühlung er möglicht wird. Die zweite Ölkühlung 16 ist unabhängig einer ersten Ölkühlung 17, die unterhalb eines Kolbenbodens 2 durch ein begrenzendes Blech 11 gebildet wird. Insbesondere wird durch die zweite Ölkühlung 16 eine weiter verbesserte Temperaturkontrolle des Kolbenringträgers 6 erreicht. Entgegen der hier gezeigten Darstellung kann die Ölkühlung auch so ausgestaltet sein, dass sie den Spalt 7 mit einnimmt oder ersetzt. Ebenso kann die zweite Ölkühlung 16 so ausgestaltet sein, dass die auch eine direkte Kühlung des thermisch isolierenden Ringes 8 ermöglicht. Des weiteren kann sich die zweite Ölkühlung 16 auch weiter nach unten in den Bereich einer Verbindung zwischen Ober- 1 und Unterteil 3 des Kolbens erstrecken. Die zweite Ölkühlung 16 wird im gezeigten Beispiel durch einen Hohlraum im Unterteil 3, der aus einer Leichtmetalllegierung 15 gefertigt ist, gebildet. Alternativ wird der Hohlraum zwischen zwei Teilen des Kolbens, beispielsweise zwischen Ober- 1 und Unterteil 3 gebildet.
5 zeigt eine Verteilung eines Wärmestromes in einem Kolben, der dem in 1 gezeigten ersten Kolben entspricht. Ein in einen Kolbenboden 2 während eines Kraftstoffverbrennungsvorganges eingeleiteter Wärmestrom 18 wird mittels eines Spalts 7 dabei behindert, über einen Kolbenringträger 6 mit einem darin gehaltenen und hier nicht dargestellten Kolbenring in einen hier ebenfalls nicht gezeigten dem Kolben zugeordneten Zylinder abzufließen. Des weiteren wird der Wärmestrom durch einen thermisch isolierenden Ring 8, der eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als eine zum Bau des Kolbens verwendete Leichtmetalllegierung 15 aufweist, dabei behindert, über den Kolbenringträger 6 abzufließen. Bevorzugt erfolgt eine Wärmeableitung des Wärmestroms 18 in eine Ölkühlung 10, welche durch ein unterhalb des Kolbenbodens angebrachtes Blech 11 gebildet wird. Ein über den Kolbenringträger 6 abfließender Wärmestrom 19 wird mittels des Spaltes 7 und des thermisch isolierenden Ringes 8 gezwungen, einen Wärmepfad über die Verbindung 5 zwischen einem Oberteil 1 und einem Unterteil 3 des Kolbens zu nehmen.

Claims

Kolben einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Oberteil (1) und einem Unterteil (3) aus jeweils einer Leichtmetalllegierung (15), die so miteinander verbunden sind, dass wenigstens ein Isolierelement zwischen dem Unterteil (3) und dem Oberteil (1) vorhanden ist, zu dem benachbart als ein Bauteil wenigstens ein Kolbenringträger (6) aus einem anderen Material als das Oberteil (1) und das Unterteil (3) insbesondere aus Stahl oder Grauguss, angeordnet ist, der zumindest einen Kolbenring hält.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetalllegierung (15) Aluminium und/oder Magnesium und/oder Beryllium aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierelement ein Spalt (7) ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kolbenringträger (6) und dem Oberteil (1) und/oder Unterteil (2) wenigstens ein thermisch isolierender Ring (8) angeordnet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch isolierende Ring (8) aus Titan gefertigt ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch isolierende Ring (8) aus einer Keramik gefertigt ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (1) mit dem Unterteil (3) verschraubt ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (1) mit dem Unterteil (3) verschweißt ist oder eine nachträglich verschweißte Schraubverbindung verwendet wird.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlraum umfasst, dessen untere Begrenzung ein auf einer einem Brennraum abgewandten Seite eines Kolbenbodens (2) unterhalb desselbigen angebrachtes Begrenzungselement, insbesondere ein Blech (11) ist.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlraum einteilig ist.
Verfahren zum Zusammenbau eines Kolbens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (1) und das Unterteil (3) zusammengesetzt und verbunden werden, wobei dabei wenigstens der thermisch isolierende Ring (8) und/oder wenigstens der Kolbenringträger (6) dazwischen eingespannt wird.
Verfahren zum Zusammenbau eines Kolbens nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element, insbesondere ein Blech (11), auf einer einem Brennraum abgewandten Seite eines Kolbenbodens (2) unterhalb desselbigen so eingespannt wird, dass ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Kühlraum gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kolbenringträger (6) auf einen Kolbenmantel aufgeschrumpft wird.
Verfahren zur Beeinflussung einer Wärmeableitung eines ein Oberteil (1) und ein Unterteil (3) jeweils aus einer Leichtbaulegierung (15) umfassenden Kolbens einer Verbrennungskraftmaschine, wobei ein bei einem Verbrennungsvorgang in einen Kolbenboden (2) eingeleiteter Wärmestrom mittels wenigstens Isolierelementes, insbesondere eines Spalts (7), im Kolben, insbesondere zwischen Ober- (1) und Unterteil (3), dabei behindert wird, über wenigstens einen Kolbenringträger (6) mit wenigstens einem darin gehaltenen Kolbenring in einen dem Kolben zugeordneten Zylinder abzufließen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Kolbenboden (2) eingeleitete Wärmestrom mittels wenigstens eines thermisch isolierenden Rings (8) dabei behindert wird, über wenigstens einen Kolbenringträger (6) mit wenigstens einem darin gehaltenen Kolbenring in einen dem Kolben zugeordneten Zylinder abzufließen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des in den Kolbenboden (2) eingeleiteten Wärmestroms mittels des Isolierelementes, insbesondere des Spaltes (7), in eine unterhalb des Kolbenbodens (2) angeordnete Ölkühlung geleitet wird.