DE19915782A1 - Kolben für Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
Kolben für VerbrennungskraftmaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kolben aus Leichtmetalllegierung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für eine direkt einspritzende Verbrennungskraftmaschine, mit einem ein Ringfeld (10) umfassenden Kolbenkopf (8), einem Kolbenschaft (12) und mit einer Brennraummulde (24), die kolbenbodenseitig von einem Muldenrandbereich (24) begrenzt ist; um den Muldenrandbereich zu verstärken, wird vorgeschlagen, den Kolben so auszubilden, daß der Muldenrandbereich (24) von einem pulvermetallurgisch hergestellten ringförmig geschlossenen Aluminiumbauteil (20, 20') gebildet ist, das an den Kolbenrohling angeschweißt oder angelötet ist und danach durch spanende Bearbeitung des Kolbenkopfs (8) auf Endform gebracht ist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben aus Leichtmetallegierung
für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für eine
solche mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit einem ein
Ringfeld umfassenden Kolbenkopf, einem Kolbenschaft, und mit
einer Brennraummulde, die kolbenbodenseitig von einem
Muldenrandbereich begrenzt ist.
Immer höher werdende Zünddrücke erfordern eine Nabenauslegung
bei den Kolben, welche negative Rückwirkungen auf den
Muldenrandbereich haben. Dies gilt in besonderem Maße für
Kolben aus Leichtmetallegierung für Verbrennungskraftmaschinen
mit direkter Kraftstoffeinspritzung, insbesondere für
Dieselmotoren. Es kann zu Rißbildung im Muldenrandbereich
infolge der Zugspannungen im Kolbenboden kommen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei
hochbelasteten Kolben der vorstehend erwähnten Art den
Muldenrandbereich zu verstärken, damit keine Rißbildung
auftritt.
Diese Erfindung wird durch einen Kolben der genannten Art
gelöst, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß
der Muldenrandbereich von einem pulvermetallurgisch
hergestellten ringförmig geschlossenen Aluminiumbauteil
gebildet ist, das an den Kolbenrohling angeschweißt oder
angelötet ist und danach durch spanende Bearbeitung des
Kolbenkopfs auf Endform gebracht ist.
Unter einem pulvermetallurgisch herstellten Aluminiumbauteil
versteht man kein direkt aus der Schmelze in seine Form
gegossenes Bauteil, sondern die Herstellung des Bauteils aus
einem Pulver. Diese sogenannte Pulvermetallurgie oder auch
P/M-Technologie genannt, erlaubt es, konventionelle
Aluminiumlegierungen zu verbessern. Zur Pulverherstellung sind
tatsächlich zwei Verfahren zur großtechnischen Anwendung
bekannt, nämlich das Reaktionsmahlen oder mechanische Legieren
einerseits und das schnelle Abschrecken überhitzter und
übersättigter Aluminiumschmelzen in einem Verdüsungsprozeß in
Luft, Stickstoff, Argon oder Helium andererseits.
Beim Reaktionsmahlen wird reines Aluminiumpulver oder auch
vorlegiertes Pulver zusammen mit Graphit unter Schutzgas oder
an Luft gemahlen. Während des Mahlvorgangs wird der Graphit
gleichmäßig im Grundwerkstoff verteilt. Gleichzeitig wird
Aluminiumoxid in einer definierten einstellbaren Menge
gebildet. Durch eine Wärmebehandlung wird aus Aluminium und
Graphit Aluminiumcarbid gebildet. Das Aluminiumcarbid sowie
das Aluminiumoxid mit einer Teilchengröße von 20-80 nm
wirken dispersionsverfestigend. Auf diese Weise lassen sich
dispersionsverfestigte Aluminium-Silizium-Legierungen mit
einem Siliziumgehalt von 12-20 Gew.-% erhalten.
Bei dem weiteren Verfahren des schnellen Abschreckens von
Aluminiumschmelzen über Verdüsungsvorgänge lassen sich
Siliziumanteile von weit über 20 Gew.-% bis hin zu 40 Gew.-%
erreichen. Das thermische Ausdehnungsverhalten von
pulvermetallurgisch hergestellten Aluminiumlegierungen
entspricht derjenigen gegossener Aluminiumlegierungen;
letztere sind jedoch nur mit einem Siliziumgehalt von 20 Gew.-
% herstellbar. Legierungen mit sehr hohem Siliziumgehalt von
mehr als 20 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 24-30 Gew.-%
Silizium weisen aber eine bessere Verschleißbeständigkeit auf
als solche mit Siliziumgehalten zwischen 6 und 20 Gew.-%.
Pulvermetallurgisch hergestellte Aluminiumwerkstoffe weisen
eine gute Dauerfestigkeit bei hohen Temperaturen, eine gute
Gefügestabilität und eine deutlich bessere Temperatur-
Wechselbeständigkeit auf. Es ist daher an sich bekannt,
pulvermetallurgisch hergestellte Werkstoffe gezielt an stark
belasteten Bereichen eines Bauteils einzusetzen.
Mit der Erfindung wurde erkannt, daß pulvermetallurgisch
hergestellte Aluminiumwerkstoffe zur Muldenrandverstärkung
eingesetzt werden können, indem ein entsprechend geformtes
ringförmig geschlossenes Bauteil vorzugsweise durch
Elektronenstrahlschweißen gegebenenfalls auch durch
Laserstrahlschweißen an den aus gegossener Aluminiumlegierung
bestehenden Kolbenkopf des im wesentlichen noch unbearbeiteten
Kolbenrohlings angeschweißt wird. Danach wird die
schlußendliche Form der Brennraummulde und des
Muldenrandbereichs sowie des Kolbenkopfs durch spanende
Bearbeitung hergestellt.
Der erfindungsgemäße Gedanke erweist sich als ganz besonders
vorteilhaft, wenn das pulvermetallurgisch hergestellte
ringförmig geschlossene Aluminiumbauteil einen zur Bodenseite
hin ausmündenden Kühlraum oder umlaufenden Kühlkanal abdeckt.
Der Kühlraum oder Kühlkanal wird also entweder beim Gießen des
Aluminiumschafts hergestellt oder er könnte in Form einer
Vordrehkontur nach dem Gießen des Kolbenrohlings spanend
hergestellt werden. Zur Bildung des schlußendlichen Kühlraums
oder Kühlkanals wird die vorstehend erwähnte zur
Kolbenbodenseite hin ausmündende Ausnehmung von dem
pulvermetallurgisch hergestellten ringförmig geschlossenen
Aluminiumbauteil abgedeckt und durch Anschweißen des Bauteils
abgedichtet. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist also eine
besonders kostengünstige Herstellbarkeit von Kühlkanal- bzw.
Kühlraumkolben gegeben, da da eine Verwendung von Kernen beim
Gießprozeß nicht erforderlich ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das
pulvermetallurgisch hergestellte ringförmig geschlossene
Aluminiumbauteil im Querschnitt betrachtet keilförmige Gestalt
auf. Es besteht so die Möglichkeit, daß sich das
Aluminiumbauteil im Muldenrandbereich weit in die
Brennraummulde hineinerstreckt, also einen Teil der
Umfangsmuldenwand begrenzt.
Solchenfalls ist das pulvermetallurgisch hergestellte
ringförmig geschlossene Aluminiumbauteil vorzugsweise gegen
eine kegelmantelabschnittförmige von innen nach radial außen
ansteigende Anlagefläche des Kolbenrohlings angefügt.
Es wäre denkbar, daß sich das pulvermetallurgisch hergestellte
Aluminiumbauteil nur im Bereich des Kolbenbodens erstreckt,
also flächenbündig im Kolbenboden angeordnet ist.
Es kann sich aber auch als vorteilhaft erweisen, wenn das
pulvermetallurgisch hergestellte Aluminiumbauteil nach radial
außen bis zum Kolbenumfang erstreckt ist und somit einen Teil
des Ringfelds bildet. Solchenfalls begrenzt bzw. definiert das
pulvermetallurgisch hergestellte Aluminiumbauteil die erste
Kolbenringnut. Es braucht dann kein Ringträgerbauteil in den
Kolben eingegossen zu werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung
ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, deren
Merkmale jeweils auch für sich allein genommen, Schutz
beansprucht wird. Zwei bevorzugte Ausführungsformen werden
nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung erläutert.
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer ersten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens mit
im Querschnitt keilförmigem pulvermetallurgisch
hergestellten Aluminiumbauteil;
Fig. 2 eine Längsschnittansicht einer weiteren
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens mit
nach radial außen bis zum Kolbenumfang erstrecktem
pulvermetallurgisch herstellten Aluminiumbauteil.
Fig. 1 zeigt eine Längsschnittansicht eines erfindungsgemäß
ausgebildeten Kolbens 2 unter Einschluß der Längsachse 4 des
Kolbens. Angedeutet ist sowohl die Außenumfangskontur 6A des
Kolbenrohlings als auch die schlußendliche Endform 6B nach
spanabhebender Bearbeitung.
Der Kolben 2 umfasst einen Kolbenkopf 8 mit einer
Brennraummulde 9, der auch das Ringfeld 10 einschließt, und
einen Kolbenschaft 12.
Nachdem der Kolben 2 als Kolbenrohling mit der Kontur 6A aus
einer Aluminiumkolbenlegierung gegossen worden ist, wird eine
Vordrehkontur 14 erzeugt, die eine kegelmantelabschnitts
förmige Fläche 16, die nach radial innen abfällt bildet. In
diesem Bearbeitungsschritt wird auch ein Kühlkanal 18
gebildet. Es wäre indessen auch denkbar, daß die Kontur des
Kühlkanals 18 bereits im Gießprozeß hergestellt wurde. Nach
Freidrehen der Vordrehkontur 14 wird ein pulvermetallurgisch
hergestelltes in Umfangsrichtung ringförmig geschlossenes
Aluminiumbauteil 20, dessen Form komplementär zu der
Vordrehkontur 14 ausgebildet ist, gegen die kegelmantelförmige
Fläche 16 angelegt und dort durch Elektronenstrahlschweißen
von der Kolbenbodenseite her befestigt.
Im vorliegenden Fall weist das Aluminiumbauteil 20 einen
komplementär zur der Kühlkanalausnehmung geformten Ansatz 22
auf, mit dem das Aluminiumbauteil zusätzlich verankert ist.
Das pulvermetallurgisch hergestellte Aluminiumbauteil hat
vorzugsweise eine Zusammensetzung AlSix mit x = 20-30,
vorzugsweise 24 bis 28 und mit Zusätzen von . . . Die Größe
der Pulverpartikel, aus denen das Aluminiumbauteil 22
hergestellt ist, beträgt vorzugsweise 20-100 nm.
Nach dem Fügen des Aluminiumbauteils 20 an die Vordrehkontur
14 des Kolbenrohlings kann der Kolben durch spanende
Bearbeitung in seine Endform 6B gebracht werden. Das
pulvermetallurgisch hergestellte Aluminiumbauteil 20 begrenzt
dann mit der angedeuteten unterbrochenen Kontur 24 den
Muldenrandbereich 26 und erstreckt sich tief in die
Brennraummulde 9 hinein und begrenzt die Seitenwand der
Brennraummulde 9.
Die in Fig. 2 dargestellte weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Kolbens 2' unterscheidet sich von derjenigen
nach Fig. 1 dadurch, daß das pulvermetalurgisch hergestellte
Aluminiumbauteil 20' sich in Richtung radial nach außen bis
über die Endform 6B des Kolbenumfangs 30 hinaus erstreckt. Das
Bauteil 20' bildet daher einen Teil des Kolbenumfangs 30. Es
ist im Querschnitt betrachtet nicht keilförmig sondern eher
rechteckförmig ausgebildet und weist einen entsprechenden
Ansatz 22' auf, der komplementär zur ausmündenden Gestalt der
Kühlkanalausnehmung ausgebildet ist.
Es erweist sich des weiteren als besonders vorteilhaft, daß
sich das Aluminiumbauteil 20' im Bereich des Kolbenumfangs 30
über eine Höhe erstreckt, die die erste Ringnut 32
einschließt. Das Bauteil 20' definiert bzw. begrenzt daher die
erste Kolbenringnut 32. Ein separat einzugießendes
Ringträgerbauteil braucht daher nicht verwendet zu werden.
Claims (10)
1. Kolben aus Leichtmetalllegierung für eine
Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für eine direkt
einspritzende Verbrennungskraftmaschine, mit einem ein
Ringfeld (10) umfassenden Kolbenkopf (8), einem
Kolbenschaft (12) und mit einer Brennraummulde (9), die
kolbenbodenseitig von einem Muldenrandbereich (26)
begrenzt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Muldenrandbereich (26) von einem
pulvermetallurgisch hergestellten ringförmig
geschlossenen Aluminiumbauteil (20, 20') gebildet ist,
das an den Kolbenrohling angeschweißt oder angelötet ist
und danach durch spanenden Bearbeitung des Kolbenkopfs
(8) auf Endform gebracht ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
pulvermetallurgisch hergestellte ringförmig geschlossene
Aluminiumbauteil (20, 20') einen zur Bodenseite hin
ausmündenden Kühlraum oder umlaufenden Kühlkanal (18)
abdeckt.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kontur des Kühlkanals (18) gegossen oder durch spanende
Bearbeitung ausgebildet ist.
4. Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das pulvermetallurgisch hergestellte ringförmig
geschlossene Aluminiumbauteil (20, 20') einen Ansatz (22,
22') aufweist, der komplementär zur Ausmündung des
Kühlraums oder Kühlkanals (18) ausgebildet ist und darin
eingreift.
5. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das pulvermetallurgisch hergestellte
ringförmig geschlossene Aluminiumbauteil (20) im
Querschnitt betrachtet keilförmige Gestalt aufweist.
6. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das pulvermetallurgisch hergestellte
ringförmig geschlossene Aluminiumbauteil (20) gegen eine
kegelabschnittförmige von innen nach radial außen
ansteigende Anlagefläche (16) des Kolbenrohlings angefügt
ist.
7. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke des pulvermetallurgisch
hergestellten ringförmig geschlossenen Aluminiumbauteils
(20) in Richtung der Kolbenlängsachse (4) gemessen radial
innen größer ist als radial außen.
8. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich (26) so
ausgebildet ist, dass er die Brennraummulde (9) nach
radial innen übergreift.
9. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sich das pulvermetallurgisch
hergestellte ringförmig geschlossene Aluminiumbauteil
(20') nach radial außen bis zum Kolbenumfang (30)
erstreckt und somit einen Teil des Ringfelds (10) bildet.
10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
erste Ringnut (32) von dem pulvermetallurgisch
hergestellten ringförmig geschlossenen Aluminiumbauteil
(20') begrenzt ist.
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1999
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