DE102008031864A1

DE102008031864A1 - Einlegteil für einen Kolben eines Verbrennungsmotors sowie mit dem Einlegeteil versehener Kolben oder Kolbenkopf

Info

Publication number: DE102008031864A1
Application number: DE200810031864
Authority: DE
Inventors: Helmut Kollotzek; Sven Schilling; Jürgen Rudi
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2008-07-05
Filing date: 2008-07-05
Publication date: 2010-01-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einlegeteil (10) für einen Kolben eines Verbrennungsmotors, wobei der Kolben einen Kolbenkopf (21) aufweist, der mit einem eine Verbrennungsmulde (23) aufweisenden Kolbenboden (22), einem umlaufenden Feuersteg (24) und einer umlaufenden Ringpartie sowie einem in Höhe der Ringpartie angeordneten umlaufenden Kühlkanal (12) versehen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Einlegeteil (10) als mehrstückiges Bauteil ausgebildet ist, das aus einem separaten Ringträgerteil (11) sowie einem separaten Muldengrundteil (13) zusammengesetzt ist, die radial voneinander beabstandet angeordnet und mittels zweier axial einander gegenüberliegender Abdeckungen (15a, 15b) derart miteinander verbunden sind, dass ein umlaufender Kühlkanal (12) gebildet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Kolben bzw. Kolbenkopf (21) mit einem derartigen Einlegeteil (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einlegeteil für einen Kolben eines Verbrennungsmotors, wobei der Kolben einen Kolbenkopf aufweist, der mit einem eine Verbrennungsmulde aufweisenden Kolbenboden, einem umlaufenden Feuersteg und einer umlaufenden Ringpartie sowie einem in Höhe der Ringpartie angeordneten umlaufenden Kühlkanal versehen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen derartigen Kolben oder Kolbenkopf für einen Verbrennungsmotor.
In modernen Verbrennungsmotoren sind die Kolben einer hohen thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt. Insbesondere Kolben für Dieselmotoren, die in der Regel aus einer Leichtmetalllegierung, bspw. einer Aluminiumlegierung gegossen sind, weisen mehrere hoch beanspruchte Bereiche auf. Dazu gehört insbesondere der Bereich der obersten Ringnut. Es ist bekannt, den Bereich der obersten Ringnut mittels eines gesonderten Ringträgers zu stabilisieren, der auch eine Kühlkanalstruktur aufweisen kann (vgl. DE 197 50 021 A1 ).
Derartige Verstärkungen des Kolbens werden durch Eingießen von Einlegeteilen in den Kolben hergestellt. Problematisch ist hierbei, die Einlegeteile lagegenau und mit möglichst wenig Spiel in der Kolbengießform zu fixieren und zugleich einen Salzkern für den Kühlkanal möglichst lagegenau in der Kolbengießform anzuordnen und zu fixieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Einlegeteil bereitzustellen, das mit wenig Aufwand möglichst lagegenau in der Kolbengießform fixiert werden kann und einen im Betrieb hoch belasteten Bereich eines Kolbens bzw. Kolbenkopfes wirksam verstärkt.
Die Lösung besteht in einem Einlegeteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Kolbenkopf bzw. einem Kolben mit den Merkmalen des Patentan spruchs 9 bzw. 15. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Einlegeteil als mehrstückiges Bauteil ausgebildet ist, das aus einem separaten Ringträgerteil sowie einem separaten Muldengrundteil zusammengesetzt ist, die radial voneinander beabstandet angeordnet und mittels zweier axial einander gegenüberliegender Abdeckungen derart miteinander verbunden sind, dass ein umlaufender Kühlkanal gebildet ist. Der erfindungsgemäße Kolben bzw. Kolbenkopf zeichnet sich dadurch aus, dass er ein Einlegeteil enthält, welches als mehrstückiges Bauteil ausgebildet ist, das aus einem separaten Ringträger sowie einem separaten Muldengrundteil zusammengesetzt ist, die radial voneinander beabstandet angeordnet und mittels zweier axial einander gegenüberliegender Abdeckungen derart miteinander verbunden sind, dass ein umlaufender Kühlkanal gebildet ist.
Das erfindungsgemäße Einlegeteil zeichnet sich dadurch aus, dass es Strukturen aufweist, die im fertigen Kolben sowohl als Verstärkungen für einen hoch belasteten Bereich als auch als Kühlkanal dienen. Somit braucht nur noch ein einziges Einlegeteil in der Gießform angeordnet und lagegenau fixiert zu werden, um sowohl die oberste Ringnut wirksam zu verstärken als auch auf besonders einfache Weise einen Kühlkanal in den Kolben bzw. Kolbenkopf einzubringen. Das erfindungsgemäße Einlegeteil kann auf an sich bekannte Weise einfach und lagegenau in der Gießform für den Kolben bzw. Kolbenkopf angeordnet und befestigt werden, nämlich in der gleichen Weise, wie im Stand der Technik ein Ringträgerrohling in einer Gießform angeordnet und fixiert wird. Folglich wird der Aufwand zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens bzw. Kolbenkopfes erheblich reduziert.
Da das erfindungsgemäße Einlegeteil mit einem Kühlkanal versehen ist, ist kein gesonderter Salzkern für die Gießform mehr erforderlich. Außerdem wird der Kühlkanal zwangsläufig mit der gleichen Lagegenauigkeit in der Gießform angeordnet wie das erfindungsgemäße Einlegeteil selbst. Das erfindungsgemäße Einlegeteil wird, wie oben beschrieben, über seine einem Ringträgerrohling entsprechende Struktur in der Gießform fixiert. Dies geschieht mit einer größeren Lagegenauigkeit als beim Einlegen eines Salzkerns, so dass der Kühlkanal im fertigen Kolben bzw. Kolbenkopf eine größere Lagegenauigkeit aufweist als es im Stand der Technik bisher möglich ist. Im Übrigen kann der Kühlkanal im erfindungsgemäßen Einlegeteil besonders nahe an der obersten Ringnut positioniert werden, wodurch sich automatisch ein besonders geringer Abstand auch zum Muldenrand und zum Muldengrund ergibt. Auf diese Weise wird eine bessere Kühlwirkung sowohl im Bereich der thermisch besonders stark belasteten obersten Ringnut als auch im Bereich der Verbrennungsmulde erzielt.
Zusammenfassend ergeben sich also zahlreiche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik: Erhebliche Vereinfachung des Gießverfahrens für den erfindungsgemäßen Kolben und zugleich effektive Verstärkung der obersten Ringnut, Minimierung der Lagetoleranz für den Kühlkanal, optimierte Positionierung des Kühlkanals und damit gute Kühlung der obersten Ringnut und der Verbrennungsmulde.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Abdeckungen sind zweckmäßigerweise mittels Schweißen, Kleben oder Löten und/oder Formschlusses mit dem Ringträgerteil und dem Muldengrundteil verbunden.
Das Muldengrundteil des erfindungsgemäße Einlegeteils kann in einer bevorzugten Ausführungsform eine zumindest teilweise Muldengrundverstärkung bilden, wodurch die thermische und mechanische Beständigkeit der Verbrennungsmulde verbessert wird. In vergleichbarer Weise kann ein zusätzlicher Muldenbereich für eine Muldenrandverstärkung vorgesehen sein.
Das erfindungsgemäße Einlegeteil kann ferner Strukturen zur formschlüssigen Verbindung mit dem Kolben bzw. Kolbenkopf aufweisen, welche die kraftschlüssige Verbindung zwischen Einlegeteil und Kolben ergänzen.
Die das erfindungsgemäße Einlegeteil bildenden Teile können aus einem beliebigen Werkstoff bestehen. Geeignet sind bspw. faserverstärkte Werkstoffe und insbesondere Werkstoffe, wie sie zur Herstellung der an sich bekannten Ringträger verwendet werden. Dazu gehört vor allem eine als NiResist bekannte Form des austenitischen Gusseisens. In diesem Fall ist es zweckmäßig, das erfindungsgemäße Einlegeteil vor dem Eingießen in den Kolben bzw. Kolbenkopf einem an sich bekannten Alfinierungsverfahren zu unterziehen.
Die das erfindungsgemäße Einlegeteil bildenden Bauteile können bspw. als Gießteile oder Drehteile ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße Kolben bzw. Kolbenkopf ist bspw. aus einer Aluminiumlegierung gegossen und in dieser Form für alle Motoren, insbesondere jedoch für Dieselmotoren geeignet.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einlegeteils im Schnitt;
2 eine Teilansicht eines fertig bearbeiteten erfindungsgemäßen Kolbenkopfes mit einem Einlegeteil gemäß 1 im Schnitt.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Einlegeteils 10. Das Einlegeteil 10 umfasst ein umlaufendes Ringträgerteil 11 mit einem umlaufenden Steg 14. Ferner umfasst es ein Muldengrundteil 13, das mit radialem Abstand zum Ringträgerteil 11 angeordnet sind. Das Ringträgerteil 11 und das Muldengrundteil 13 sind über zwei axial einander gegenüberliegende, ringförmige Abdeckungen 15a, 15b miteinander verbunden. Dadurch ist ein umlaufender Kühlkanal 12 gebildet. Die Abdeckungen 15a, 15b bestehen vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, zweckmäßigerweise aus Stahlblech. Andere Werkstoffe wie NiResist-Werkstoffe, Aluminium und dessen Legierungen oder Kupfer und dessen Legierungen sind selbstverständlich denkbar.
Das Muldengrundteil 13 kann, wie es in 1 strichpunktiert angedeutet ist, einen zusätzlichen Muldenbereich 13a aufweisen, der im späteren Kolbenkopf eine Muldenrandverstärkung bilden kann.
Das Ringträgerteil 11 und das Muldengrundteil 13 sind im Ausführungsbeispiel aus einem sog. NiResist-Werkstoff gegossen. Unter NiResist-Werkstoffen werden austenitische Gusseisenwerkstoffe, insbesondere solche mit Lamellen- oder Kugelgraphit verstanden. Das Einlegeteil 10 kann bei Bedarf nachbearbeitet werden.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des Einlegeteils 10 wird erfindungsgemäß in einen Kolben oder Kolbenkopf für einen Verbrennungsmotor eingegossen. Der Kolben bzw. Kolbenkopf kann bspw. aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung bestehen. In diesem Fall wird das Einlegeteil 10 vor dem Vergießen in an sich bekannter Weise alfiniert, bspw. in eine Aluminium-Silizium-Schmelze getaucht, wodurch sich eine aus Eisenaluminiden bestehende sogenannte Alfin-Schicht auf der Oberfläche des Einlegeteils 10 bildet. Diese Alfin-Schicht dient als Bindeschicht zwischen dem Werkstoff des Kolbens bzw. Kolbenkopfes und dem Werkstoff des Einlegeteils 10.
Das so vorbereitete Einlegeteil 10 wird in die Gießform des herzustellenden Kolbens bzw. Kolbenkopfes eingesetzt und lagegenau gehalten, wobei der umlaufende Steg 14 als Auflagemittel dient. Diese Maßnahmen sind an sich bekannt, da konventionelle Ringträgerrohlinge auf dieselbe Weise in einer Kolbengießform gehalten sind. Nun wird das Einlegeteil 10 mit dem Kolbenwerkstoff umgossen, so dass ein Rohling 16 erhalten wird. Die Konturen des resultierenden Rohlings 16 im Bereich des späteren Kolbenkopfs sind in 2 strichpunktiert angedeutet.
Der Rohling 16 wird nun zum fertigen Kolben bzw. Kolbenkopf nachbearbeitet. Dabei wird gleichzeitig das Einlegeteil 10 mit bearbeitet, um die endgültigen Strukturen des Kolbens bzw. Kolbenkopfes zu erzeugen. 2 zeigt ausschnittsweise ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbenkopfs 21. Der Kolbenkopf 21 ist mit einem eine Verbrennungsmulde 23 aufweisenden Kolbenboden 22, einem umlaufenden Feuersteg 24 und einer umlaufenden Ringpartie (nicht dargestellt) versehen.
Das Einlegeteil 10 wird derart nachbearbeitet, dass das Ringträgerteil 11 in 1 nun einen an sich bekannten Ringträger 25 bildet, der in der obersten Ringnut der Ringpartie angeordnet ist. In Höhe der Ringpartie und eng benachbart zur Verbren nungsmulde 23 ist ferner der umlaufende Kühlkanal 12 angeordnet. Das Muldengrundteil 13 des in 1 dargestellten Einlegeteils 10 wurde so nachbearbeitet, dass eine teilweise Muldengrundverstärkung 28 resultiert. Ferner kann bei geeigneter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Einlegeteils 10 mit einem zusätzlichen Muldenbereich 13a eine umlaufende Muldenrandverstärkung resultieren.
Nicht dargestellt ist ferner, dass das Ringträgerteil und/oder das Muldengrundteil mit zusätzlichen Strukturen versehen sein können, um eine zusätzliche formschlüssige Verbindung zwischen dem Einlegeteil und dem Kolbenkopf zu erhalten. Das Ringträgerteil und/oder das Muldengrundteil können bspw. mit gleichmäßig über ihren Umfang verteilten Strukturen in Form von sich axial erstreckenden Durchbrüchen oder radialen Ausnehmungen versehen sein. Beim Eingießen des Einlegeteils in den Kolbenkopf werden diese Durchbrüche bzw. Ausnehmungen mit dem Werkstoff des Kolbenkopfes durchsetzt, woraus eine zusätzliche formschlüssige Verbindung zwischen dem Einlegeteil und dem Kolbenkopf resultiert. Das Muldengrundteil und/oder das Ringträgerteil können aber auch entlang ihrer Außenflächen mit Hinterschnitten oder Vorsprüngen versehen sein. In vergleichbarer Weise kann der Muldenbereich in seinem unteren inneren Bereich einen umlaufenden Vorsprung oder Hinterschnitt aufweisen. Diese Strukturen können eingegossen oder durch spanende Nachbearbeitung in das Ringträgerteil bzw. das Muldengrundteil eingebracht sein und bewirken ebenfalls eine zusätzliche formschlüssige Verbindung des Einlegeteils mit dem Kolbenkopf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19750021 A1 [0002]

Claims

Einlegeteil (10) für einen Kolben eines Verbrennungsmotors, wobei der Kolben einen Kolbenkopf (21) aufweist, der mit einem eine Verbrennungsmulde (23) aufweisenden Kolbenboden (22), einem umlaufenden Feuersteg (24) und einer umlaufenden Ringpartie sowie einem in Höhe der Ringpartie angeordneten umlaufenden Kühlkanal (12) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (10) als mehrstückiges Bauteil ausgebildet ist, das aus einem separaten Ringträgerteil (11) sowie einem separaten Muldengrundteil (13) zusammengesetzt ist, die radial voneinander beabstandet angeordnet und mittels zweier axial einander gegenüberliegender Abdeckungen (15a, 15b) derart miteinander verbunden sind, dass ein umlaufender Kühlkanal (12) gebildet ist.
Einlegeteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckungen (15a, 15b) mittels Schweißen, Kleben oder Löten und/oder eines Formschlusses mit dem Ringträgerteil (11) und dem Muldengrundteil (13) verbunden sind.
Einlegeteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Muldengrundteil (13) einen zusätzlichen Muldenbereich (13a) für eine Muldenrandverstärkung aufweist.
Einlegeteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Strukturen zur formschlüssigen Verbindung mit dem Kolben aufweist.
Einlegeteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckungen (15a, 15b) aus Stahl, aus Aluminium oder Aluminiumlegierung oder Kupfer oder Kupferlegierung bestehen.
Einlegeteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Muldengrundteil (13) und das Ringträgerteil (11) aus einem faserverstärkten Werkstoff bestehen.
Einlegeteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Muldengrundteil (13) und das Ringträgerteil (11) aus austenitischem Gusseisen bestehen.
Einlegeteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einem Alfinierungsverfahren unterzogen ist.
Kolbenkopf (21) eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolbenkopf (21) mit einem eine Verbrennungsmulde (23) aufweisenden Kolbenboden (22), einem umlaufenden Feuersteg (24) und einer umlaufenden Ringpartie sowie einem in Höhe der Ringpartie angeordneten umlaufenden Kühlkanal (12) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkopf (21) ein Einlegeteil (10) enthält, welches als mehrstückiges Bauteil ausgebildet ist, das aus einem separaten Ringträger (25) sowie einem separaten Muldengrundteil (13) zusammengesetzt ist, die radial voneinander beabstandet angeordnet und mittels zweier axial einander gegenüberliegender Abdeckungen (15a, 15b) derart miteinander verbunden sind, dass ein umlaufender Kühlkanal (12) gebildet ist.
Kolbenkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckungen (15a, 15b) mittels Schweißen, Kleben oder Löten, oder mittels Formschluss mit dem Muldengrundteil (13) und dem Ringträger (25) verbunden sind.
Kolbenkopf nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (10) eine zumindest teilweise Muldengrundverstärkung (28) bildet.
Kolbenkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (10) eine Muldenrandverstärkung bildet.
Kolbenkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkopf und das Einlegeteil formschlüssig miteinander verbunden sind.
Kolbenkopf nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Leichtmetalllegierung gegossen ist.
Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben einen Kolbenkopf (21) aufweist, der mit einem eine Verbrennungsmulde (23) aufweisenden Kolbenboden (22), einem umlaufenden Feuersteg (24) und einer umlaufenden Ringpartie sowie einem in Höhe der Ringpartie angeordneten umlaufenden Kühlkanal (12) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben ein Einlegeteil (10) enthält, welches als mehrstückiges Bauteil ausgebildet ist, das aus einem separaten Ringträger (25) sowie einem separaten Muldengrundteil (13) zusammengesetzt ist, die radial voneinander beabstandet angeordnet und mittels zweier axial einander gegenüberliegender Abdeckungen (15a, 15b) derart miteinander verbunden sind, dass ein umlaufender Kühlkanal (12) gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckungen (15a, 15b) mittels Schweißen, Kleben oder Löten oder mittels Formschluss mit dem Muldengrundteil (13) und dem Ringträger (25) verbunden sind.
Kolben nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (10) eine zumindest teilweise Muldengrundverstärkung (28) bildet.
Kolben nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (10) eine Muldenrandverstärkung bildet.
Kolben nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben und das Einlegeteil formschlüssig miteinander verbunden sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Leichtmetalllegierung gegossen ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 15 bis 20, nämlich aus einer Aluminiumlegierung gegossener Kolben für Dieselmotoren.