DE102006024098B4

DE102006024098B4 - Kolben mit einer Ringträger-Kühlkanal-Kombination

Info

Publication number: DE102006024098B4
Application number: DE200610024098
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. Mielke
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2026-05-24
Also published as: DE102006024098A1

Abstract

Kolben für eine Brennkraftmaschine, ausgebildet als ein Gusskolben aus Leichtmetall, mit einer Mulde (3) in einem Kolbenboden (2), einem Ringträger (5) sowie zumindest einem umlaufenden, durch einen eingelegten Kern gebildeten Kühlkanal (6), der beabstandet zum Ringträger (5) in dem Kolben (1) integriert ist, wobei der Kühlkanal (6) in Richtung des Kolbenbodens (2) einen sich im Querschnitt verjüngenden, zu einem Ringfeld (4) geneigten Stichkanal (7a, 7b, 7c, 7d, 7e) einschließt, der mittelbar oder unmittelbar bis zu dem Ringträger (5) des Kolbens (1) geführt ist, wobei an einer Oberseite (10) des Ringträgers (5) sich ein Kragen (12) anschließt, der zumindest einen Scheitel (9) des den Hohlraum des Stichkanal (7a bis 7e) bildenden Kerns umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Bildung des Kühlkanals (6) und des Stichkanals (7e) vorgesehene Kern in einem oberen, den Stichkanal (7e) bildenden Abschnitt zumindest einen Durchbruch (19) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, ausgebildet als ein Gusskolben aus Leichtmetall, mit einer Mulde in einem Kolbenboden, einem Ringträger sowie zumindest einem umlaufenden, mittels eines eingelegten Kerns gebildeten Kühlkanal, der beabstandet zum Ringträger in dem Kolben integriert ist.
Stand der Technik
Kolben mit integriertem Kühlkanal, die auch als Kühlkanalkolben bezeichnet werden, sind bekannt. Durch den Kühlkanal zirkuliert ein Kühlmedium, insbesondere das Schmieröl der Brennkraftmaschine, um den Kolbenboden einschließlich der Mulde sowie den Ringträger zu kühlen. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Maßnahmen zur Einbringung eines Kühlkanals in den Kolben bekannt.
Die DE 38 07 986 A1 zeigt einen Gußkolben aus Leichtmetall, bei dem der ringförmige Kühlkanal durch einen wasserlöslichen Salzkern gebildet wird. Der Salzkern wird mittels einer Stützeinrichtung in dem Gießwerkzeug, einer Pressform festgelegt. Aufgrund der großen Abstände von dem Kühlkanal zu dem Ringträger und dem Kolbenboden ist keine ausreichende Kolbenkühlung erzielbar. Die Anforderungen hinsichtlich der Kühlung, die an heutige thermisch hochbelastete Kolben für Brennkraftmaschinen gestellt werden, kann die bekannte Kühlkanalanordnung nicht erfüllen. Aus der DE 42 38 851 A1 ist ein wasserlöslicher Kern für das Kokillengießen eines aus Leichtmetall bestehenden Kolbens für Brennkraftmaschinen bekannt. Zur Fixierung des Salzkerns ist dieser mit Haltestiften versehen, die jeweils in eine Pinole der beweglichen Formhälfte der Kokille eingreifen.
Den gattungsbildenden Stand der Technik stellt die DE 102 18 999 A1 dar.
Aufgabenstellung
Die Nachteile des bekannten Standes der Technik berücksichtigend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kolbenkonzept zu realisieren, mit dem eine verbesserte Kühlung der thermisch hochbelasteten Zonen und Pfade des Kolbens erreichbar ist.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist danach vorgesehen, dass der zur Bildung des Kühlkanals und des Stichkanals vorgesehene Kern in einem oberen, den Stichkanal bildenden Abschnitt zumindest einen Durchbruch aufweist. Damit realisiert die Erfindung vorteilhaft eine Ringträger-Kühlkanalkombination. Aufgrund des reduzierten Querschnitts des Stichkanals gegenüber dem Kühlkanal wird die Bauteilfestigkeit des Kolbens nicht beeinträchtigt.
Gemäß der Erfindung erstreckt sich der Kühlkanal in Verbindung mit dem Stichkanal mittelbar oder unmittelbar bis an den Kolben-Ringträger. Weiterhin stellt sich vorteilhaft eine nahe Lage des Kühlkanals bzw. des Stichkanals zu dem Kolbenboden sowie zu der Kolbenmulde ein. Diese konstruktive Gestaltung reduziert insbesondere die mechanische und thermische Randbelastung der Kolbenmulde sowie der ersten, oberen Ringnut bzw. des Ringträgers und bewirkt eine optimierte Wärmeabfuhr, eine verbesserte Kühlung des Kolbens. Durch eine entsprechende Anpassung des Stichkanalquerschnitts ist das erfindungsgemäße Kühlkanalkonzept auch für heutige, thermisch hochbelastete Kolben sowie für Kolben mit einem vergrößertem Durchmesser der Kolbenmulde einsetzbar.
Durch den erfindungsgemäß vergrößerten Kühlkanal, dessen zugehöriger Stichkanal sich gezielt bis in thermisch und mechanisch hochbelastete Zonen und Pfade des Kolbens erstreckt, vergrößert sich gleichzeitig das Volumen des Kühlkanals. Die Zunahme des Kühlmediums bewirkt eine weitere verbesserte Kolbenkühlung. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Kolbenkühlung verbessert sich weiterhin die Dauerfestigkeit und auch die Belastbarkeit der Kolbenring-Nut-Flanken des Kolbens, der in hochbelasteten Brennkraftmaschinen eingesetzt, eine hohe Lebensdauer sicherstellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 11.
Ein bevorzugtes Auslegungsmerkmal der Erfindung sieht vor, dass der Außendurchmessser des mit dem Kühlkanal in Verbindung stehenden Stichkanals so ausgelegt ist, dass dieser gleich oder nur geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Ringträgers gewählt wird. Dieses Auslegungskriterium ermöglicht einen verbesserten Wärmeübergang von dem Ringträger auf den Stichkanal. Gleichzeitig ermöglicht diese Auslegung eine Befestigung des Ringträgers an dem Kern, der zur Darstellung des mit dem Kühlkanal verbundenen Stichkanals vor dem Gießprozess in die Gießform eingebracht wird.
Um nachteilige Spannungserhöhungen zu vermeiden, verbunden mit einer negativen Rißbildung im Kolbengefüge, ist der Stichkanal an der zum Kolbenboden zeigenden Endzone gerundet gestaltet. Die Gestaltung des Stichkanalscheitels schließt zwei Radien ein, wobei der nach innen, zu einer Symmetrieachse des Kolbens gerichtete Radius größer als der weitere, nach außen zu dem Kolbenringfeld zeigende Radius ausgeführt ist. Diese Auslegung vermeidet einen kleinen, eine nachteilige Spannungserhöhung auslösenden Krümmungsradius in dem oberen Scheitelbereich des Stichkanals. Ein weiteres vorteilhaftes Auslegungskriterium sieht eine Lageübereinstimmung zwischen der Oberseite des Kolben-Ringträgers und dem Scheitel des Stichkanals vor. Auch diese Maßnahme verringert die Gefahr einer Spannungserhöhung.
Alternativ zu einer vollständig umlaufenden Anordnung des Stichkanals bietet es sich außerdem an, dass dem Kühlkanal partiell symmetrisch umfangsverteilte Stichkanäle zugeordnet sind. Diese Auslegung kann sich beispielsweise für Kolben anbieten, deren umlaufender Kühlkanal relativ tief, d. h. dem unteren Bereich des Kolben-Ringfeldes beabstandet eingebracht ist, an dem sich der Stichkanal großer Länge anschließt.
Die Lage und Form des Kühlkanals und des zugehörigen Stichkanals wird von dem eingesetzten Kern definiert, der den Hohlraum der Kanäle ausformt. Eine optimale Position des Kerns gegenüber dem Ringträger kann über geeignete Kontaktzonen bzw. Kontaktstellen zwischen diesen Bauteilen erreicht werden. Bevorzugt ist der Kern so fixiert oder angeordnet, dass dieser den Ringträger aufnimmt. Durch diese Maßnahme kann auf eine gesonderte Ringträgeraufnahme in dem Werkzeug verzichtet werden.
Die Erfindung schließt außerdem eine besondere Form des Ringträgers ein, bei der sich an der Oberseite eine Ausnehmung oder ein Kragen anschließt, die bzw. der in Richtung der Kolbenmitte, der Symmetrieachse des Kolbens ausgerichtet ist. Dieser Kragen ist bevorzugt stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Schweißung an dem Ringträger befestigt. Dabei umschließt der Kragen den oberen Scheitel des den Stichkanal ausformenden Kerns in einer Form, wodurch dieser abformend in den Kragen eingepasst ist, bzw. der Kragen bildet den oberen Scheitel des erfindungsgemäßen zusätzlichen Kühlhohlraums. Der Kragen ist vorzugsweise spanlos aus einem Blech geformt, wobei der verwendete Werkstoff weitestgehend dem thermischen Expansionskoeffizient des Kolbenkörpers entspricht.
Die Wandstärke des Kragens, der dem Ringträger zugeordnet ist, nimmt vorteilhaft mit der Entfernung zum Ringträger kontinuierlich ab und endet dünnwandig. Vorteilhaft schließt der Kragen in einem Übergangsbereich zu dem Ringträger zumindest eine Öffnung, insbesondere eine Bohrung ein, durch die bei dem Gießvorgang des Kolbens ein sich unter dem Kragen bildender Hohlraum ausreichend entlüftet wird. Bedarfsabhängig bietet es sich an, auch mehrere Öffnungen in den Kragen einzubringen. Durch den Kragen oder die Ausnehmung stellt sich eine verlängerte Auflage des Ringträgers an dem Kern ein, die eine gesonderte Aufnahme des Ringträgers im Gießwerkzeug erübrigt.
Zur verbesserten Einbindung kann dem Ringträger an der Unterseite ein vorzugsweise aus Blech gestaltetes, mehr oder weniger eng an dem Kern anliegendes Halteelement zugeordnet werden. Das mit dem Ringträger fest verbundene oder dem Ringträger lose zugeordnete Halteelement vergrößert vorteilhaft die Fläche, über die der Ringträger mit dem Aluminium, dem Gußwerkstoff des Kolbens, verbunden ist. Der thermische Expansionskoeffizient von dem Werkstoff des Halteelements stimmt vorzugsweise überein mit dem des Kolbenkörpers. Das der Unterseite des Ringträgers zugeordnete Halteelement kann zusätzlich oder alternativ zu dem an der Oberseite des Ringträgers befestigten Kragens vorgesehen werden.
Vorteilhaft ist gemäß der Erfindung eine gemeinsame Montage des Ringträgers und des Kerns vorgesehen, die gleichzeitig ein gemeinsames Aufwärmen und Einsetzen in ein Alfinbad einschließt. Um dabei eine Bruchgefahr durch einen Thermoschock auszuschließen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, für den Ringträger einen Werkstoff mit schwacher keramischer Bindung zu verwenden, dazu eignet sich ein aus Fasern und Keramik hergestellter Ringträger, bevorzugt Foseco.
Zur Gewährleistung der erforderlichen Festigkeit von Kolben mit länger ausgelegten Stichkanälen, ist vorzugsweise der Stichkanal in einem dünnwandigen Abschnitt mit einem Durchbruch vorgesehen. Diese Maßnahme ermöglicht eine gegenseitige Abstützung der den Stichkanal begrenzenden Seitenwände, wodurch sich die Steifigkeit des Kolbens verbessert. Entsprechend dazu ist der den Hohlraum für den Stichkanal ausformende Kern, ein Salzkern oder Faserkern, zweiteilig oder mehrteilig gestaltet, wobei im Bereich der Trennfuge zwischen den Kernen der Durchbruch angeordnet ist.
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1: Ein erstes Ausführungsbeispiel eines im Längsschnitt abgebildeten Kolbenausschnitts, der einen Kühlkanal mit einem nach außen geneigt verlaufenden Stichkanal einschließt,
2: ein zweites Ausführungsbeispiel eines im Längsschnitt abgebildeten Kolbenausschnitts,
3: ein drittes Ausführungsbeispiel eines im Längsschnitt abgebildeten Kolbenausschnitts,
4: ein viertes Ausführungsbeispiel eines im Längsschnitt abgebildeten Kolbenausschnitts,
5: ein fünftes Ausführungsbeispiel eines im Längsschnitt abgebildeten Kolbenausschnitts.
Die 1 zeigt in einer weitestgehenden hälftigen Schnittansicht einen Kolben 1, der als Gusskolben aus Leichtmetall hergestellt ist. Der Kolben 1 bildet im Bereich eines Kolbenbodens 2 eine Mulde 3, die auch als Brennraummulde bezeichnet werden kann. Außenseitig schließt der Kolben 1 ein Ringfeld 4 zur Aufnahme von in der 1 nicht abgebildeten Kolbenringen ein. Der obere Kolbenring ist in einem separaten, in dem Kolben 1 eingegossenen Ringträger 5 eingesetzt. Axial beabstandet zu dem Ringfeld 4 ist innerhalb des Kolbens 1 ein ovalförmig gestalteter, umlaufender Kühlkanal 6 integriert, an den sich ein in Richtung des Kolbenbodens 2 ausgerichteter Stichkanal 7a anschließt. Von dem Kühlkanal 6 ausgehend, ist der Stichkanal 7a nach außen in Richtung des Ringfeldes 4 geneigt und endseitig bis nahe an eine Innenseite 8 des Ringträgers 5 geführt. Ein gerundet ausgebildeter Scheitel 9, dessen Lage weitestgehend mit einer Oberseite 10 des Ringträgers 5 übereinstimmt, begrenzt endseitig den Stichkanal 7a. Dabei schließt der Scheitel 9 unterschiedlich ausgelegte Radien ein. Der nach innen zu einer Symmetrieachse des Kolbens 1 bzw. zu der Mulde 3 ausgerichtete Radius „R₂" ist größer ausgelegt als der weitere, dem Ringträger 5 zugeordnete Radius „R₁". Ein strichpunktierter oberer Konturverlauf des Kühlkanals 6 verdeutlicht die unterschiedlichen Gestaltungsformen. Gemäß der Erfindung können in einer ersten Ausführungsform sowohl der Kühlkanal 6 als auch der Stichkanal 7a innerhalb des Kolbens 1 umlaufend integriert werden. Die alternative Ausführungsform umfasst einen umlaufenden Kühlkanal 6, von dem ausgehend umfangsverteilt jeweils zueinander beabstandet Stichkanäle 7a angeordnet sind.
Alle weiteren Ausführungsbeispiele zeigen übereinstimmend mit der 1 eine hälftige Schnittansicht des Kolbens 1. Die nachfolgenden Beschreibungsteile erstrecken sich somit auf Ausführungsformen des Kühlkanals 6 in Verbindung mit unterschiedlich gestalteten Stichkanälen 7b bis 7e.
Gemäß 2 ist der Ringträger 5 mit einem Kragen 12 verbunden. Dieser spanlos, bevorzugt aus einem Blech hergestellte Kragen 12 schließt sich an den Ringträger 5 im Bereich der Oberseite 10 an und verläuft bogenförmig beabstandet zu dem Ringträger 5 in Richtung des Kühlkanals 6. Vorzugsweise ist der Kragen 12 mittels einer Schweißung, gekennzeichnet durch eine Schweißnaht 11, an dem Ringträger 5 befestigt. Der eine Einheit mit dem Ringträger 5 bildende Kragen 12 ist dazu vorgesehen, den Kern, insbesondere einen Salzkern, der den Kühlkanal 6 und/oder den Stichkanal 7b ausformt, im Bereich des Scheitels 9 so zu umschließen, dass dieser in dem Kragen 12 abformend eingepasst ist. Damit verbunden ergibt sich ein unmittelbarer Kontakt über eine im Bereich des Kragens 12 lokal begrenzte Kontaktzone 13 zwischen dem Kern und dem Ringträger 5 vor dem Abgießen bzw. zwischen dem Stichkanal 7b und dem Ringträger 5 nach Fertigstellung des Kolbens 1.
In der 3 ist der Stichkanal 7c über eine gegenüber der 2 vergrößerte Kontaktzone 13 an der Innenseite 8 des Ringträgers 5 abgestützt, die damit eine verbesserte Wärmeabfuhr des Ringträgers 5 sicherstellt. Der Kragen 12 ist gemäß 3 in einer Übergangszone zu dem Ringträger 5, nahe der Schweißnaht 11, mit Öffnungen 14 versehen, durch die während des Gießvorgangs des Kolbens 1 der sich unter dem Kragen 12 bildende Hohlraum 15 ausreichend entlüftet werden kann.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist der Ringträger 5 abgebildet, der zusätzlich zu dem Kragen 12, ein an der Unterseite 16 befestigtes Halteelement 17 einschließt. Das vorzugsweise spanlos aus einem Blech geformte Halteelement 17 ist ebenfalls mittels einer Schweißung, dargestellt durch eine Schweißnaht 18, stoffschlüssig an dem Ringträger 5 befestigt. Die strichpunktierten Linien zeigen mögliche weitere Ausgestaltungen des Kragens 12 und/oder des Halteelementes 17. Diese vereinfacht auch als Bleche zu bezeichnenden Bauteile, der Kragen 12 und das Halteelement 17 können so gestaltet werden, dass diese den Stichkanal 7 nach der Montage vollständig und den Kühlkanal 6 zumindest teilweise außenseitig umschließen.
Die 5 zeigt den Kühlkanal 6 in Verbindung mit dem Stichkanal 7e, zu deren Herstellung zwei getrennte Kerne erforderlich sind. Die Verwendung von zwei Kernen ermöglicht die Realisierung eines Durchbruchs 19, der eine offene Aussparung bzw. eine Trennung der Kerne im Bereich des Stichkanals 7e bewirkt. Durch den Durchbruch 19 sind die innen und außen liegenden Seitenwände des Kühlkanals 7e gegeneinander abgestützt, was die Bauteilfestigkeit des Kolbens 1 im Bereich des Stichkanals 7e verbessert.

1: Kolben
2: Kolbenboden
3: Mulde
4: Ringfeld
5: Ringträger
6: Kühlkanal
7a: Stichkanal
7b: Stichkanal
7c: Stichkanal
7d: Stichkanal
7e: Stichkanal
8: Innenseite
9: Scheitel
10: Oberseite
11: Schweißnaht
12: Kragen
13: Kontaktzone
14: Öffnung
15: Hohlraum
16: Unterseite
17: Halteelement
18: Schweißnaht
19: Durchbruch

Claims

Kolben für eine Brennkraftmaschine, ausgebildet als ein Gusskolben aus Leichtmetall, mit einer Mulde (3) in einem Kolbenboden (2), einem Ringträger (5) sowie zumindest einem umlaufenden, durch einen eingelegten Kern gebildeten Kühlkanal (6), der beabstandet zum Ringträger (5) in dem Kolben (1) integriert ist, wobei der Kühlkanal (6) in Richtung des Kolbenbodens (2) einen sich im Querschnitt verjüngenden, zu einem Ringfeld (4) geneigten Stichkanal (7a, 7b, 7c, 7d, 7e) einschließt, der mittelbar oder unmittelbar bis zu dem Ringträger (5) des Kolbens (1) geführt ist, wobei an einer Oberseite (10) des Ringträgers (5) sich ein Kragen (12) anschließt, der zumindest einen Scheitel (9) des den Hohlraum des Stichkanal (7a bis 7e) bildenden Kerns umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Bildung des Kühlkanals (6) und des Stichkanals (7e) vorgesehene Kern in einem oberen, den Stichkanal (7e) bildenden Abschnitt zumindest einen Durchbruch (19) aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser von dem Stichkanal (7a bis 7e) im Bereich des Ringträgers (5) gleich oder nur geringfügig kleiner als ein Innendurchmesser des Ringträgers (5) ausgelegt ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitestgehende Lageübereinstimmung zwischen einem zwei Radien (R₁) und (R₂) bildenden Scheitel (9) des Stichkanals (7a, 7b) und einer Oberseite (10) des Ringträgers (5) besteht, wobei der zu der Mulde (3) gerichtete Radius (R₂) des Scheitels (9) den nach außen weisenden Radius (R₁) übertrifft.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) symmetrisch umfangsverteilte, mit dem Kühlkanal (6) in Verbindung stehende Stichkanäle (7a) einschließt.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Herstellung des Stichkanals (7a bis 7e) eingelegter Kern über zumindest eine Kontaktzone (13) mit dem Ringträger (5) verbunden ist.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandstärke (s) des Kragens (12) mit der Entfernung zu dem Ringträger (5) kontinuierlich abnimmt.
Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (12) in einem Übergangsbereich zu dem Ringträger (5) zumindest eine Öffnung (14), insbesondere eine Bohrung einschließt.
Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringträger (5) an einer Unterseite (16) mit einem Halteelement (17) verbunden ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringträger (5) und der Kern gemeinsam montiert werden.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringträger (5) aus einem Material schwacher keramischer Bindung, insbesondere aus einem Faserwerkstoff oder Keramik hergestellt ist.
Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern zur Bildung des Kühlkanals (6) einschließlich des Stichkanals (7e) zumindest zweiteilig aufgebaut ist.