DE20111527U1 - Kühlbarer Ringträger für innengekühlte Kolbenringe - Google Patents

Description

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Beschreibung

Kühlbarer Ringträger für innengekühlte Kolbenringe

Die Erfindung betrifft kühlbare Ringträger für innengekühlte Kolbenringe bestehend aus einem als Kreisring ausgeführten Ringkörper und einem Kühlkanalblech, wobei das Kühlkanalblech ein Bestandteil des Kühlkanals ist.

Die DE 40 40 611 C2 (Jet-Kolbenkühlung) und die DE 44 38 703 Al (Leichtmetallkolben mit Kühlkanal für Verbrennungsmotoren) beschreiben eine Kolbenkühlung, bei der sich im Körper des Kolbens ein Hohlraum als Kühlraum befindet. Ein zusätzliches Element ist nicht notwendig, allerdings ist damit eine nicht einfache und ökonomische Realisierung eines Hohlraumes im Körper des Kolbens gegeben.

In der DE 41 31 275 C2 (Gebauter flüssigkeitsgekühlter Kolben) wird ein kühlbarer Kolben beschrieben, der aus mehreren Teilen besteht und montiert ist. Die Teile besitzen kühlkanalbildende Ausnehmungen und sind über Verbindungselemente, wie Schraubenverbindungen, miteinander verbunden. Die Herstellung der Kolben ist mit Montagearbeiten verbunden und durch die Anwendung kraftschlüssiger Verbindungen sind höhere Aufwendungen für die Dichtheit der Kühlkanäle notwendig. In DE 42 08 037 Al (Mehrteiliger, gekühlter Kolben für Verbrennungsmotoren) wird der Kühlkanal aus einer durch eine zweigeteilte Tellerfeder abgeschlossenen Nut im Kolbenkörper gebildet. Die Dichtheit soll dabei über die Tellerfeder sichergestellt werden, wobei wiederum erhöhte konstruktive Aufwendungen notwendig sind. In der DE 197 01 085 Al (Verfahren und Anordnung zum Herstellen eines Ringträgerkolbens) wird ein Kühlkanal hinter einem Ringträger ausgebildet. Dazu ist ein Kern zur Bildung des Kühlkanals in die Gießform eingebracht, der nach außen durch das Einbringen des Ringträgers abgeschlossen ist. Damit sind wiederum erhöhte Aufwendungen für die Dichtheit des Kühlkanals notwendig.

Schließlich wird in der DE 199 33 036 Al (Kühlkanalkolben für eine Verbrennungskraftmaschine) ein Kühlkanal aus einem Ringträgerbauteil mit zwei Nuten und dem Kolben selbst ausgebildet. Das Ringträgerbauteil muss wiederum dicht mit dem Kolben verbunden sein, damit kein Kühlmittel in den Verbrennungsraum gelangen kann.

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Bestandteile kühlbarer Ringträger für innengekühlte Kolbenringe mit hoher Qualität dicht zu verbinden.

Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die kühlbaren Ringträger für innengekühlte Kolbenringe bestehend aus einem als Kreisring ausgeführten Ringkörper und einem Kühlkanalblech, wobei das Kühlkanalblech ein Bestandteil des Kühlkanals ist, zeichnen sich insbesondere durch seine einfache Handhabbarkeit aus. Die Bestandteile in Form des Ringkörpers als Gusskörper und des Kühlkanalbleches bestehend aus einem Edelstahl werden mittels Laserstrahlen eines Lasers im cw-Betrieb miteinander verbunden. Das Kühlkanalblech ist U-förmig ausgebildet. Wenigstens eine Kante des Ringkörpers und das Kühlkanalblech bilden bei durch die Verbindung der Endenbereiche der Schenkel des Kühlkanalbleches mit dieser Kante des Ringkörpers einen Hohlraum für das Kühlmittel. Damit ist eine sehr einfache Realisierung des kühlbaren Ringträgers für innengekühlte Kolbenringe gegeben. Ein wesentlicher Vorteil dieses kühlbaren Ringträgers besteht darin, dass bei der Verbindung dessen Bestandteile zum Einen keine Zusatzwerkstoffe notwendig sind und dass zum Anderen unter normalen Umgebungsbedingungen gearbeitet werden kann. Damit ist eine sehr ökonomische Fertigung der kühlbaren Ringträger gegeben. Weitere Bestandteile oder Werkstoffe werden nicht benötigt. Der Laserstrahl wird dazu über die übereinander angeordneten Kantenbereiche des Kühlkanalbleches und des Ringkörpers mit einem Versatz geführt, so dass die unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten der Bestandteile bei der Ausbildung der Schweißnaht ausgeglichen werden.

Weiterhin ist der Verfanrweg des kühlbaren Ringträgers oder der Laserstrahlen gegenüber dem kühlbaren Ringträger größer 360°. Damit wird die sich noch nicht vollständig ausbildende Schweißnaht während der Aufwärmphase nach dem Einschalten des Lasers nach dessen Positionierung bei gleichzeitiger Bewegung des kühlbaren Ringträgers oder der Laserstrahlen gegenüber dem kühlbaren Ringträger ausgeglichen. Eine ansonsten am Anfang notwendige größere Leistung wird vermieden, so dass gleichzeitig eine dadurch hervorgerufene Gefahr eines Durchbrennens mit daraus sich ergebenden Löchern weitestgehend vermieden wird. Resultat sind dichte Verbindungen und damit ein dichter Hohlraum fur das Kühlmittel zwischen dem Kühlkanalblech und dem Ringkörper des kühlbaren Ringträgers für innengekühlte Kolbenringe. Ein weiterer Vorteil der kühlbaren Ringträger besteht darin, dass diese vor dem Einbringen in den Kolben auf Dichtheit geprüft werden können. Nur dichte kühlbare Ringträger werden bei der Herstellung des Kolbens eingesetzt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Günstige Leistungen des Lasers sind nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 2 größer/gleich 900 W und kleiner/gleich 1800 W. Dadurch werden die zu schweißenden Bereiche des Ringkörpers und des Kühlkanalbleches so aufgeschmolzen, dass sich als Resultat eine dichte Schweißnaht ergibt.

Vorschubgeschwindigkeiten nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 3 gleich/größer 20 mm/s und kleiner/gleich 100 mm/s ergeben eine dichte Schweißnaht zwischen dem Ringkörper und dem Kühlkanalblech.

Öffnungen und/oder rohrförmige Körper nach den Weiterbildungen der Schutzansprüche 4 und gewährleisten vorteilhaft erweise das Zufuhren und Abführen des Kühlmittels. Das Einbringen einer Öffnung insbesondere durch eine Bohrung stellt dabei die einfachste Variante dar. Mit einer Bohrung wird ein Hohlraum nach außen zugänglich und eventuell vorhandene

weitere Hohlräume miteinander verbunden.

Das Anbringen eines oder mehrerer rohrförmiger Körper erhöht den Aufwand, aber diese rohrförmigen Körper können gleichzeitig als positionsbestimmende Elemente während der Herstellung des Kolbens dienen. Der Kolben wird gegossen, so dass die rohrförmigen Körper gleichzeitig die Position des wenigstens einen kühlbaren Ringträgers in der Gussform gewährleisten. Weitere positionsbestimmende Elemente für die kühlbaren Ringträger in der Gussform sind nicht notwendig, so dass eine sehr ökonomische Realisierung gegeben ist. Mit einer derartigen Realisierung des Kolbens ist der Hohlraum des Ringträgers oder des ersten Ringträgers leicht von außen zugänglich und der Hohlraum des wenigstens einen Ringträgers im Kolben kann leicht in einen Kühlkreislauf eingebunden werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines kühlbaren Ringträgers für innengekühlte Kolbenringe, Fig. 2 eine prinzipielle Schnittdarstellung eines kühlbaren Ringträgers für innengekühlte

Kolbenringe und
Fig. 3 eine prinzipielle Schnittdarstellung mehrerer kühlbarer Ringträger in einem Kolben mit Öffnungen zum Zu- und/oder Abführen des Kühlmittels.

Ein kühlbarer Ringträger 1 (Darstellung in der Fig. 1) für innengekühlte Kolbenringe besteht im Wesentlichen aus einem Ringkörper 2 und einem Kühlkanalblech 3. Der Ringkörper 2 ist ein Gusskörper z.B. ein austenitischer Guss als &Agr;-Grafit oder &Egr;-Grafit. Das Kühlkanalblech 2 ist kreisringförmig ausgebildet, besitzt im Querschnitt überwiegend ein U-Form und besteht aus einem Edelstahl. Das Kühlkanalblech 2 befindet sich im Innenraum des Ringkörpers 2. Die Endenbereiche der Schenkel des Kühlkanalbleches 3 sind mit wenigstens einer Kante des Ringkörpers 2 so verbunden, dass die Innenfläche des Kühlkanalbleches 3 und die Kante des Ringkörpers 2 einen ringförmigen Hohlraum 5 begrenzen. Dieser Hohlraum 5 ist der Kühlkanal für ein

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flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel, das durch diesen Kühlkanal strömt. In der Fig. 2 ist prinzipiell ein Querschnitt des kühlbaren Ringträgers 1 einschließlich des sich ausbildenden Kühlkanals dargestellt. Das Kühlkanalblech 3 und der Ringkörper 2 sind mittels Schweißnähten 4 miteinander fest und dicht verbunden. Zur Anwendung kommt ein Nd: YAG- oder Hochleistungsdiodenlaser im cw-Betrieb (cw - continous wave, zeitlich konstante Strahlung) mit einer Leistung von größer/gleich 900 W und kleiner/gleich 1800 W. Die Laserstrahlen werden über die Verbindungsstellen mit einem Versatz in Richtung des Ringkörpers 2 geführt. Dieser Versatz ist z.B. größer/gleich 0,1 mm und kleiner/gleich 0,2 mm zugunsten des Ringkörpers 2 als Gusskörper. Nach der Positionierung des Anfangsbereiches der Verbindungsstelle zwischen dem Ringkörper 2 und dem Kühlkanalblech 3 wird der Laser eingeschalten. Damit ergibt sich bei gleichzeitigem Start der Bewegung des Ringkörpers 2 einschließlich des Kühlkanalbleches 3 gegenüber den Laserstrahlen oder in einer Ausführungsform der Bewegung der Laserstrahlen gegenüber dem Ringkörper 2 einschließlich des Kühlkanalbleches 3 durch die damit verbundene Einschaltverzögerung der Laserstrahlen eine sich nicht vollständig ausbildende Schweißnaht 4 in diesem Bereich. Um eine vollständige und geschlossene Schweißnaht 4 zu erzielen ist der Verfahrweg größer 360°, z.B. 385°. Die Vorschubgeschwindigkeit des Ringträgers 2 einschließlich des Kühlkanalbleches 3 ist gleich/größer 20 mm/s und kleiner/gleich 100 mm/s. Während des Schweißens wird kein zusätzlicher Werkstoff zugeführt. Das Schweißen selbst erfolgt bei normalen Umgebungsbedingungen, dass heißt nicht mit einem Schutzgas. In weiteren Ausführungsformen können zum Einen Werkstoffe z.B. in einer Drahtform zugeführt und/oder zum Anderen mit einem Schutzgas gearbeitet werden.

Der Hohlraum 5 eines kühlbaren Ringträgers 1 ist über wenigstens einen rohrförmigen Körper zugänglich. Dazu umschließt ein Endenbereich des rohrförmigen Körpers eine Öffnung in der Wandung des Kühlkanalbleches 3. Mindestens ein rohrförmiger Körper kann weiterhin auch der Verbindung mehrerer Hohlräume 5 mehrerer kühlbarer Ringträger 1 eingesetzt werden. In einer weiteren Ausfuhrungsform ist der Hohlraum 5 wenigstens eines kühlbaren Ringträgers 1 im Kolben 6 durch eine engebrachte Öffnung, insbesondere Bohrung, nach außen offen.

In einer weiteren Ausfuhrungsform einer Anwendung sind mehrere kühlbare Ringträger 1 in dem Kolben 6 als weiterer Gusskörper übereinander angeordnet (Darstellung in der Fig. 3). Die Verbindung der Hohlräume 5 der kühlbaren Ringträger 1 basiert auf wenigstens einer eingebrachten Öffnung 7 im Kolben 6 und in den Wandungen der Kühlkanalbleche 3 insbesondere als Bohrung, die weiterhin an einer Stelle dieses Gusskörpers nach außen endet. Dieses Ende oder wenigstens eine weiteres Ende einer weiteren Bohrungen sind der Ein- und der Austritt des Kühlmittels. In einer anderen Ausführungsform einer Anwendung können die Hohlräume 5 mehrerer übereinander angeordneter kühlbarer Ringträger 1 über dazwischen angeordnete rohrförmige Körper miteinander verbunden sein. Diese rohrförmigen Körper bilden die Öffnung Ein rohrfbrmiger Körper stellt dabei die Öffnung 7 nach außen dar. Diese oder weiter Öffnungen sind so angeordnet, dass der Ein- und/oder Austritt für das Kühlmittel vorhanden ist.

Claims (5)

1. Kühlbarer Ringträger für innengekühlte Kolbenringe bestehend aus einem als Kreisring ausgeführten Ringkörper und einem Kühlkanalblech, wobei das Kühlkanalblech ein Bestandteil des Kühlkanals ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Endenbereiche der Schenkel des kreisringförmigen und im Querschnitt überwiegend eine U-Form darstellenden Kühlkanalbleches (3) bestehend aus einem Edelstahl durch Laserstrahlen eines Lasers im cw-Betrieb

- zum Ersten unter normalen Umgebungsbedingungen oder Zuführung eines Gases,

- zum Zweiten mit oder ohne Zuführung eines Zusatzwerkstoffes,

- zum Dritten mit einem Versatz in Richtung des Ringkörpers (2) als ein Gusskörper und

- zum Vierten mit einem Verfahrweg des kühlbaren Ringträgers (1) oder auf dem kühlbaren Ringträger (1) jeweils größer 360° erzeugten Schweißnähten (4) mit Kantenbereichen des Ringkörpers (2) so verbunden sind, dass das Kühlkanalblech (3) und wenigstens die den Innenraum des Ringkörpers (2) begrenzende Fläche einen Hohlraum (5) als Kühlkanal begrenzen.

2. Kühlbarer Ringträger nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Lasers größer/gleich 900 W und kleiner/gleich 1800 W ist.

3. Kühlbarer Ringträger nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit gleich/größer 20 mm/s und kleiner/gleich 100 mm/s ist.

4. Kühlbarer Ringträger nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (5) eines kühlbaren Ringträgers (1) über mindestens eine Öffnung im Kühlkanalblech (3) und die Wandung eines im Endenbereich eines diese Öfihung umschließenden rohrförmigen Körper und/oder dass der Hohlraum (5) eines im Kolben (6) angeordneten kühlbaren Ringträgers (1) über mindestens eine in den Kolben (6) und in das Kühlkanalblech (3) eingebrachte Öffnung (7) nach außen offen ist.

5. Kühlbarer Ringträger nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (5) mehrerer übereinander angeordneter kühlbarer Ringträger (1) über Öffnungen im Kühlkanalblech (3) und rohrförmige Körper, dessen Endenbereich diese Öffnung umschließt, und/oder dass die Hohlräume (5) mehrerer in einem Kolben (6) angeordneter kühlbarer Ringträger (1) über mindestens eine in den Kolben (6) und in das Kühlkanalblech eingebrachte Öfihung (7) miteinander verbunden sind und dass die Hohlräume (5) über mindestens ein rohrförmigen Körper oder mindestens die Öffnung (7) wenigstens nach einer Seite des Kolbens (6) offen sind.