DE10003821C2 - Kolben, insbesondere ein Leichtmetallkolben für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
Kolben, insbesondere ein Leichtmetallkolben für eine BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere einen Leichtmetallkolben für eine
Brennkraftmaschine, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Aus der DE 198 10 883 A1 ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen bekannt, der einen
dachförmigen Boden aufweist. Dieser dachförmige Boden ist durch eine Brennraummulde
begrenzt, wobei zumindest teilweise um die Brennraummulde herum ein Hohlraum
angeordnet ist.
Die dachförmige Ausbildung des Kolbenbodens ist bei Kolben für Brennkraftmaschinen
mit direkter Kraftstoffeinspritzung erforderlich, um eine tiefe Brennraummulde für die
Verwirbelung des eingespritzten Kraftstoffes ausbilden zu können. Dies führt zu
erheblichen Materialanhäufungen im Bereich des Kolbenbodens, wozu hier der Hohlraum
vorgesehen ist, um Gewicht zu sparen und dem Problem der Kopflastigkeit des Kolbens
wirksam zu begegnen.
Aus der DE 198 10 883 A1 ist bekannt, daß der Hohlraum durch Gießen mittels löslicher
Kerne gebildet wird, um die beträchtliche Gewichtsreduzierung im Bereich des dachför
migen Bodens zu erreichen. Weitere Angaben zur Herstellung des Hohlraumes sind der
DE 198 10 883 A1 nicht zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter fertigungstechnischen Aspekten die
Herstellung des Hohlraumes zu verbessern und zu vereinfachen, ohne daß darunter die
Festigkeit des fertigen Kolbens leidet.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patenanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ein löslicher Kern zur Herstellung des Hohlraumes
mit Befestigungsmitteln an einem äußeren Gießeinsatz befestigt ist.
Üblicherweise wird der lösliche Kern (Salzformkörper) mit Stiften auf den Gießkern
aufgesteckt, wobei der Gießkern im wesentlichen den Innenraum des Kolbens bildet und
der Lösliche Kern in diesen einmündet. In dem Innenraum des Kolbens, insbesondere bei
Kolben für die direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen, herrschen aber komplexe
Verhältnisse (insbesondere Abwinklungen und Rundungen), die ein einfaches Befestigen
des Salzkernes erschweren oder je nach Komplexität der Verhältnisse unmöglich
machen, da die Mündungsbereiche der löslichen Formkörper in den Gießkern kompli
zierte geometrische Bereiche sind.
Außerdem ist es sehr schwierig, nach der Herstellung (Gießvorgang) des Kolbens in
diesem Innenraumbereich Bohrungen anzubringen, über die der lösliche Kern ausgespült
wird. Derartige Bohrungen oder die den Figuren der DE 198 10 883 A1 entnehmbaren
Mündungen des nicht dargestellten Formkörpers in den Innenraum befinden sich
außerdem in einem Bereich in dem Innenraum des Kolbens, der für die Festigkeit des
Kolbens kritisch ist und somit zu einer Schwächung dieses Bereiches führt.
Im Gegensatz hierzu bietet die Erfindung die Vorteile, daß der lösliche Kern schnell und
einfach an dem zumindest einen äußeren Gießeinsatz, der neben dem Gießkern zur
Herstellung des Kolbens vorhanden ist, befestigt werden kann. Aufgrund der Lage der
Befestigungsmittel entfällt auch eine Schwächung des Kolbens, da sich diese Lage,
insbesondere in einem Bereich eines Ringfeldes oder eines Fenstereinsatzes, nicht auf
die Festigkeit des Kolbens auswirkt. Die Festigkeit wird auch deshalb nicht beeinträchtigt,
weil die Stifte, mit denen der lösliche Kern an den äußeren Gießeinsätzen befestigt war,
in dem Kolben verbleiben und nach dem Gießen des Kolbens mit überarbeitet (abge
dreht) werden. Es ist auch vorteilhaft, die Stifte so zu positionieren, daß sie von den
später anzubringenden Bohrungen für das Ausspülen des Formkörpers überdeckt werden
und damit verschwinden.
Aufgrund der Erfindung kann also der lösliche Kern einfach an dem äußeren Gießeinsatz
befestigt werden und anschließend der Kolben gegossen werden, wobei dieser dann den
zwecks Gewichtsersparnis erforderlichen Hohlraum aufweist.
Wie schon erwähnt sind in vorteilhafter Weise die Befestigungsmittel, die insbesondere
als Stifte ausgebildet sind, im Bereich des Ringfeldes des Kolbens angeordnet. Da dieses
Ringfeld nach dem Gießvorgang des Kolbens bearbeitet werden muß, stört es nicht, daß
in diesen Bereich die Befestigungsmittel nach dem Entfernen der äußeren Gießeinsätze
über die Kolbenoberfläche hinaus stehen, da sie nach dem Bearbeiten des Ringfeldes
verschwinden. Ein zusätzlicher Bearbeitungsschritt zur Entfernung der Befestigungsmittel
ist also nicht erforderlich.
In Weiterbildung der Erfindung sind nach der Herstellung des Kolbens Bohrungen von
außen in Richtung des Kernes einbringbar, wodurch der lösliche Kern ausspülbar ist.
Auch diese Bohrungen (auch nur eine Bohrung) werden wieder in einem Bereich
vorgenommen, der leicht zugänglich ist und der sich nicht nachteilig auf die Festigkeit des
Kolbens auswirkt. Diese Bohrung wird in vorteilhafter Weise im Bereich des Ringfeldes
eingebracht. In besonders vorteilhafter Weise wird die Bohrung in einer umlaufenden Nut
des Ringfeldes eingebracht, so daß sie später von dem eingesetzten Ölabstreifring
verdeckt wird. Damit hat diese Bohrung weder Einfluß auf die Festigkeit noch auf die
Funktionalität des Kolbens.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung, die vorhanden sein kann, aber nicht
muß, ist vorgesehen, daß der lösliche Kern zumindest einen Fortsatz aufweist, der bis in
den Innenraum des Kolbens reicht. Damit kann auf einfache Art und Weise nach dem
Ausspülen des löslichen Kernes eine Verbindung zwischen dem Innenraum und dem
Hohlraum erzielt werden, so daß beim Betrieb des Kolbens in der Brennkraftmaschine
über diese Verbindung ein Kühlmittel, insbesondere Motoröl, in den Hohlraum geführt
werden kann, um den dachförmigen Boden zu kühlen. Durch diese Maßnahmen sind
insbesondere höhere Verbrennungsdrücke und Temperaturen zwecks Erzielung
verbesserter Verbrennung und damit einhergehend verbesserte Abgaswerte möglich.
Eine beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Kolbens, auf die die Erfindung
jedoch nicht beschränkt ist, ist im folgenden beschrieben und anhand der Figuren
erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen ersten Schnitt durch einen Kolben und
Fig. 2 einen weiteren Schnitt durch den Kolben gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt die beispielhafte Ausführung eines Kolbens 1, der insbesondere bei
Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung Verwendung findet. Der Kolben 1 umfaßt
einen dachförmig ausgebildeten dachförmigen Boden 2, der durch eine Brennraummulde
3 begrenzt ist. Zumindest teilweise um die Brennraummulde 3 ist ein Hohlraum 4 (also im
fertigen Zustand des Kolbens 1) angeordnet. Unterhalb des dachförmigen Bodens 2, in
etwa konzentrisch zu dem Hohlraum 4 ist nach dem Gießvorgang und der anschließen
den Bearbeitung des Kolbens 1 ein Ringfeld 5 vorhanden.
Zur Herstellung des Kolbens 1 wird ein Gießkern verwendet, der zur vereinfachten
Darstellung in der Fig. 1 nicht gezeigt ist, und der sich auf der dem Boden 2 abgewand
ten Seite befindet. Diesem nicht gezeigten Gießkern schließen sich einer oder mehrere
äußere Gießeinsätze 6 an, die die Seiten des Kolbens 1 begrenzen. Vor dem Gießen des
Kolbens werden auf diesen äußeren Gießeinsätzen 6 ein oder mehrere lösliche Kerne 7
über Befestigungsmittel, insbesondere über Stifte 8, befestigt, insbesondere aufgesteckt.
Anschließend erfolgt der Gießvorgang, wobei danach der Gießkern sowie der oder die
äußeren Gießeinsätze 6 entfernt werden. In dem gegossenen Kolben 1 verbleiben der
lösliche Kern 7 sowie die Stifte 8. Die Anzahl der einzusetzenden Befestigungsmittel
sowie deren Form richtet sich nach den konstruktiven Gegebenheiten sowie der Kräfte,
denen der lösliche Kern 7 beim Gießvorgang ausgesetzt ist. Die Befestigungsmittel
müssen dabei so geartet sein, daß der lösliche Kern 7 beim Gießen und beim anschlie
ßenden Erstarren in der vorgesehenen Position verbleiben.
Nach dem Entfernen des Gießkernes sowie der Gießeinsätze 6 kann der Kolben 1 weiter
bearbeitet werden. Zum einem wird die Oberfläche der Kolbens 1 bearbeitet, insbesonde
re abgedreht, damit das Ringfeld 5 entsteht und der Überstand der Stifte 8 verschwindet.
Weiterhin ist es erforderlich, eine oder mehrere Bohrungen 9 in den Kolben 1 einzubrin
gen, wobei über die Bohrungen 9 das Ausspülen des löslichen Kernes 7 ermöglicht wird.
Mit der Bezugsziffer 10 in Fig. 1 ist noch ein Innenraum und mit der Bezugsziffer 11 eine
Kolbenbolzenbohrung bezeichnet, wobei der Innenraum 10 in bekannter Weise das Ende
eines Pleuels aufnimmt.
Bei Betrachtung der linken Hälfte der Fig. 1 ist noch die Alternative gezeigt, daß der
lösliche Kern 7 einen Fortsatz 12 aufweist, wodurch nach Ausspülen des Kernes 7 und
des Fortsatzes 12 eine Verbindung zwischen dem Hohlraum 4 und dem Innenraum 10
erzielt wird. Diese Verbindung kann dazu ausgenutzt werden, um ein Kühlmittel,
insbesondere Öl, aus dem Innenraumbereich 10 in den Hohlraum 4 zu führen, um den
Bereich des dachförmigen Bodens 2 zu kühlen.
Fig. 2 zeigt einen weiteren Schnitt durch den Kolben 1 gemäß Fig. 1, wobei in einziger
Abänderung dargestellt ist, daß die Stifte 8 nicht wie bei Fig. 1 schräg nach unten
angeordnet sind, sondern radial im Bereich des Ringfeldes 5, analog zu der Bohrung 9 in
Fig. 1, angeordnet sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, das die Bohrung 9 so
ausgerichtet ist wie der Stift 8 in Fig. 1. Darüberhinaus könnten Stifte 8 und Bohrungen
9 auch schräg nach oben gerichtet sein.
Die Befestigungsmittel (Stifte) müssen in Auszugsrichtung des äußeren Gießeinsatzes 6
angeordnet sein. Bei einer Auszugsrichtung gemäß Fig. 1, bei der der Gießeinsatz
horizontal ausgezogen wird, sind also auch die Befestigungsmittel horizontal angeordnet.
Erfolgt das Ausziehen der Gießeinsätze 6 vertikal, sind auch die Befestigungsmittel
vertikal angeordnet. Ist die Auszugsrichtung eines als Fenstereinsatz gestalteten
Gießeinsatzes schräg, kann auch das Befestigungsmittel schräg angeordnet sein. In
jedem Fall muß aber die Ausrichtung der Befestigungsmittel mit der Auszugsrichtung des
betroffenen Gießeinsatzes übereinstimmen.
Claims (4)
1. Kolben (1), insbesondere ein Leichmetallkolben für eine Brennkraftmaschine, mit einem
dachförmigen Boden (2), der durch eine Brennraummulde (3) begrenzt ist, und mit einem
zumindest teilweise um die Brennraummulde (3) herum angeordneten Hohlraum (4),
wobei ein löslicher Kern (7) zur Herstellung des Hohlraumes (4) mit Befestigungsmitteln
an zumindest einem äußeren Gießeinsatz (6) befestigt ist und nach der Herstellung des
Kolbens (1) zumindest eine Bohrung (9) im Bereich des Ringfeldes (5) von außen in
Richtung des Kernes (7) einbringbar und der lösliche Kern (7) ausspülbar ist.
2. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel Stifte
(8) sind.
3. Kolben (1) mit einem Ringfeld (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Befestigungsmittel im Bereich des Ringfeldes (5) oder
eines Fenstereinsatzes angeordnet sind.
4. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der lösliche Kern zumindest einen Fortsatz (12) aufweist, der bis in einen Innenraum (10)
des Kolbens (1) reicht.
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