DE10163060A1

DE10163060A1 - Leichtmetallkolben

Info

Publication number: DE10163060A1
Application number: DE2001163060
Authority: DE
Inventors: Thomas Steffens; Stephan Beer
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2021-12-22
Also published as: DE10163060B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für einen Verbrennungsmotor mit einem eingegossenen zuvor alfinierten Ringträgerbauteil (2) und mit einem hinter dem Ringfeld angeordneten und ebenfalls eingegossenen in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlkanalbauteil (4); um eine gute Anbindung der Eingussteile an den Umguss zu erreichen, wird der Kolben so ausgebildet, dass zwischen der radial inneren Seite (12) des Ringträgerbauteils (2) und der radial äußeren Seite (13) des Kühlkanalbauteils (4) zumindest abschnittsweise und in der Summe über wenigstens 300 DEG in Umfangsrichtung ein Abstand von 0,7 mm bis höchstens 10% des Kolbendurchmessers vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen hochbelasteten Motor mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit einem eingegossenen, insbesondere zuvor alfinierten Ringträgerbauteil und mit einem hinter dem Ringfeld angeordneten und ebenfalls eingegossenen in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlkanalbauteil.
Bei gattungsgemäßen Leichtmetallkolben war man bestrebt, das Kühlkanalbauteil möglichst unmittelbar an das Ringträgerbauteil angrenzend anzuordnen, um eine effektive Kühlung des Ringträgerbauteils zu erreichen. Es gibt auch Kolben, bei denen das Kühlkanalbauteil die Gestalt eines im Querschnitt C-förmigen nach radial außen offenen Torus aufweist, wobei das Kühlkanalbauteil mit seinen umlaufenden freien Enden direkt mit dem Ringträgerbauteil verbunden ist, so dass das Ringträgerbauteil mit seiner radial inneren Seite den Kühlkanal unmittelbar begrenzt, wodurch eine optimale Kühlung des Ringträgerbauteils erreicht wird.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster GM 76 17 370 sind derartige Anordnungen bekannt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 wird das Kühlkanalbauteil mit dem Ringträgerbauteil durch Lötung oder Schweißung, insbesondere an einzelnen Stellen, verbunden. Hierdurch wird das Kühlkanalbauteil durch das Ringträgerbauteil in der Gießform gehalten, ohne dass weitere Stütz- oder Haltemittel vorgesehen sind. Weitere Hinweise lassen sich dieser Druckschrift nicht entnehmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optimale Anbindung des Ringträgerbauteils, aber auch des Kühlkanalbauteils an das Leichtmetall des Kolbens zu erreichen.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Leichtmetallkolben erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen der radial inneren Seite des Ringträgerbauteils und der radial äußeren Seite des Kühlkanalbauteils zumindest abschnittsweise und in der Summe über wenigstens 300° in Umfangsrichtung ein Abstand von 0,7 mm bis höchstens 10% des Kolbendurchmessers vorgesehen ist.

Es wurde mit der Erfindung erkannt, dass es sich besonders beim Einsatz von alfinierten Ringträgerbauteilen als sehr schwierig herausstellt, die vorhandene Oxidschicht des alfinierten Ringträgerbauteils im flüssigen Leichtmetall der Gusslegierung auszuschwemmen bzw. auszuspülen, was aber eine Voraussetzung für eine metallurgisch einwandfreie Anbindung des Ringträgerbauteils, aber auch des Kühlkanalbauteils an den Umguss ist. Es wurde erfindungsgemäß erkannt, dass hierfür ein Abstand von wenigstens 0,7, insbesondere von wenigstens 0,8 mm, erforderlich ist, um einen möglichst widerstandslosen Durchtrittsspalt für die Leichtmetallschmelze bei steigender Füllung der Gussform zu erreichen. Als Obergrenze des Abstandes werden höchstens 10%, vorzugsweise höchstens 5% des Kolbendurchmessers angesehen. Wenn nämlich das Kühlkanalbauteil unmittelbar an das Ringträgerbauteil angrenzt oder nur ein sehr geringfügiger Abstand vorhanden ist, so verfangen sich dort abgelöste, freigespülte Oxidhäute, die auch von der Schmelzenfront der Gusslegierung herrühren können, und verhindern in diesem Bereich eine gute metallurgische Anbindung der Eingussteile an den Umguss. Erst bei einem Abstand von wenigstens 0,7 mm, der sich zumindest abschnittsweise und in der Summe über wenigstens 300°, vorzugsweise über wenigstens 310°, und ganz besonders bevorzugterweise über wenigstens 320° oder über wenigstens 330° erstreckt, kann eine im Wesentlichen ungestörte Umströmung der Eingussteile durch die Leichtmetallschmelze erfolgen und damit eine metallurgische Anbindung der Eingussteile erreicht werden.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass das Kühlkanalbauteil von dem Ringträgerbauteil an wenigstens zwei oder wenigstens drei Stellen in der Gießform gehalten ist, um das Kühlkanalbauteil nicht mittels weiterer Halteteile in der Gießform fixieren zu müssen, was einen zusätzlichen Aufwand darstellen würde. Solchenfalls erweist es sich im Lichte der Erfindung als besonders vorteilhaft, wenn diese wenigstens zwei oder wenigstens drei Stellen in Umfangsrichtung eine sehr geringe Ausdehnung haben, um den Durchtritt der Schmelze zwischen Kühlkanalbauteil und Ringträgerbauteil nicht zu behindern. Je nach Kolbengröße und Anzahl der Verbindungsstellen sollte deren gesamte Umfangserstreckung in der Summe 60° nicht übersteigen. Sie sollte vorzugsweise zwischen 5° und 30°, insbesondere zwischen 5° und 20° und bevorzugtermaßen zwischen 5° und 10° in Umfangserstreckung liegen. Die Breite einer jeweiligen Anbindungsstelle sollte einige wenige Millimeter, höchstens 5 mm, nicht übersteigen. Im Zweifel erweist es sich als günstiger, eine oder zwei Anbindungsstellen mehr vorzusehen und die Erstreckung der Anbindungsstellen in Umfangsrichtung dafür geringer zu wählen.

In weiterer Ausbildung der Erfindung erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn das Kühlkanalbauteil an wenigstens zwei oder drei Stellen mit dem Ringträgerbauteil über eine radiale Ausstülpung des Kühlkanalbauteil und/oder des Ringträgerbauteils oder über eine Anformung an das Kühlkanalbauteil und/oder an das Ringträgerbauteil verbunden ist.

Es hat sich als besonders vorteilhaft und einfach herstellbar erwiesen, wenn die Anformung an das Kühlkanalbauteil dadurch gebildet ist, dass auf das Kühlkanalbauteil ein ringförmiges Distanzelement aufgeschoben ist. Es wäre aber ebenso vorteilhaft und denkbar, dass um den Außenumfang des Kühlkanalbauteils ein streifenförmiges Distanzelement herumgelegt ist. Es kann auch vor dem Gießvorgang ein mit beiden Teilen verschweißtes ansich beliebig geformtes Distanzelement geringer Umfangserstreckung vorgesehen werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen und aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Kolben im Verbindungsbereich zwischen Kühlkanalbauteil und Ringträgerbauteil;
Fig. 2 eine perspektivische teilweise Ansicht der Anordnung von Kühlkanalbauteil und Ringträgerbauteil nach einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens nach Fig. 1;
Fig. 3 eine perspektivische teilweise Ansicht der Anordnung von Kühlkanalbauteil und Ringträgerbauteil nach einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens;
Fig. 4 eine teilweise Schnittansicht der Anordnung nach Fig. 3;
Fig. 5 eine perspektivische teilweise Ansicht der Anordnung von Kühlkanalbauteil und Ringträgerbauteil nach einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens; und
Fig. 6 eine perspektivische teilweise Ansicht der Anordnung von Kühlkanalbauteil und Ringträgerbauteil nach einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens.
Fig. 1 zeigt eine teilweise Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens durch eine die Kolbenlängsachse 1 einschließende Ebene. Es handelt sich um einen Leichtmetallkolben mit einem eingegossenen zuvor alfinierten Ringträgerbauteil 2 und einem Kühlkanalbauteil 4, welche konzentrisch zueinander verlaufend in einer Ebene senkrecht zur Kolbenlängsachse 1 angeordnet sind. Der Schnitt verläuft durch eine Anbindungsstelle 6 zwischen Kühlkanalbauteil 4 und Ringträgerbauteil 2. An dieser Anbindungsstelle 6 ist das Kühlkanalbauteil über eine noch näher zu beschreibende Anformung 8 an das Kühlkanalbauteil 4 in Form eines auf das rohrförmige Kühlkanalbauteil 4 aufgeschobenen, ringförmigen Distanzelements 10 gebildet. Das Ringträgerbauteil 2 ist an seiner inneren Seite 2 mit dem Distanzelement 10 durch Schweißung oder Lötung verbunden. Diese Verbindung der Bauteile wird vor dem Einlegen der Bauteile in die Gießform hergestellt, so dass der Bauteilverbund nur über eines der Bauteile in der Gießform gehalten zu werden braucht, was die Herstellung des Kolbens erheblich vereinfacht.
Die Erstreckung der Anbindungsstelle 6 in Umfangsrichtung, also senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 1, soll so gering wie möglich sein; sie soll in Abhängigkeit vom Kolbendurchmesser einige weniger Millimeter nicht überschreiten; bei verhältnismäßig großen Kolben könnte eine Umfangserstreckung von höchstens 5 mm eine obere Grenze darstellen. Vorzugsweise ist das Kühlkanalbauteil 4 über drei solcher Anbindungsstellen 6 mit dem Ringträgerbauteil 2 verbunden. Im Zweifel erweist es sich als günstiger, eine oder zwei Anbindungsstellen mehr vorzusehen und die Erstreckung der Anbindungsstellen in Umfangsrichtung dafür geringer zu wählen.
Zwischen den Anbindungsstellen 6 ist nämlich ein radialer Abstand zwischen dem Ringträgerbauteil 2 und dem Kühlkanalbauteil 4 vorgesehen, der anhand der Fig. 2 bis 6 dargestellt und anhand dieser Figuren nachfolgend beschrieben und erörtert werden soll.
Aus Fig. 2 ist dieser Abstand x in radialer Richtung zwischen einer radial inneren Seite 12 des Ringträgerbauteils 2 und der radial äußeren Seite 13 des rohrförmigen Kühlkanalbauteils 4 im Bereich zwischen den Anbindungsstellen 6 dargestellt. Dieser Abstand x beträgt wenigstens 0,7 mm, vorzugsweise wenigstens 0,8 mm, und soll einen möglichst ungehinderten Durchtritt der Leichtmetallschmelze bei steigender Füllung der Gießform ermöglichen. Dies ist deshalb besonders wesentlich, da zum Einen an der Schmelzenfront Oxidhäute vorhanden sein können und zum Anderen beim Umspülen des alfinierten Ringträgerbauteils 2 und auch des Kühlkanalbauteils 4 durch die Schmelze ebenfalls Oxide von der Oberfläche abgelöst werden, was für die Ausbildung einer metallurgischen Bindungszone zwischen Eingussteilen und Umguss auch erwünscht ist. Diese Oxide, Oxidhäute und weitere Bestandteile der Schmelze, die sich gießtechnisch negativ auswirken, sollten nicht in dem Bereich zwischen Ringträgerbauteil und Kühlkanalbauteil hängenbleiben und damit eine optimale Anbindung an den Umguss behindern. Deshalb ist die Vorsehung eines radialen Abstandes von wenigstens 0,7 mm und zwar in Umfangsrichtung über vorzugsweise 330 bis 355°, insbesondere 330 bis 350°, sehr wichtig. Bei dieser Bemessung des Abstands wurde erkannt, dass das vorstehend geschilderte Problem nicht auftritt. Als Obergrenze des Abstandes werden höchstens 10%, vorzugsweise höchstens 5% des Kolbendurchmessers angesehen. Es wird darauf hingewiesen, dass eine optimale Kühlung stets dann erreicht werden kann, wenn das Kühlkanalbauteil so nahe wie möglich an dem Ringträgerbauteil angeordnet wird. Deshalb erweist es sich im Hinblick auf eine optimale Kühlwirkung als vorteilhaft, wenn der Abstand möglichst nahe an dem angegebenen Mindestabstand von 0,7 mm, oder von wenigstens 0,8 mm, liegt, um eine effektive Kühlung des Ringträgerbauteils und des ihn umgebenden Bereichs zu gewährleisten, aber dennoch gießtechnisch günstige Bedingungen herzustellen, um eine metallurgisch einwandfreie Anbindung der Eingussteile an den Umguss zu erreichen. Aus Fig. 2 ist ferner eine perspektivische Darstellung eines auf das rohrförmige Kühlkanalbauteil 4 aufgeschobenen ringförmigen Distanzelements 10 ersichtlich, dessen Oberfläche in der Schnittansicht gekrümmt ausgebildet ist.
Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ansichten einer weiteren Ausführungsform mit einem ebenfalls kreisringförmigen und auf ein ebenfalls rohrförmiges Kühlkanalbauteil 4 aufgeschobenen oder ausgehend von einem Streifen um dieses herumgelegten Distanzelements 14, welches hülsenförmig mit zylindrischer Wandung ausgebildet ist. Die Erstreckung des Distanzelements 14 in Umfangsrichtung in den Fig. 3 und 4 ist nicht maßstabsgetreu. Aus Fig. 4 erkennt man, dass das rohrförmige Kühlkanalbauteil auf Kreisform gebogen und seine Enden auf Stoß aneinander anliegen. Eine Trennfuge 18 wird von dem hülsenförmigen Distanzelement 14 umgeben. Auch bei dieser Ausführungsform ist ein radialer Mindestabstand x gegeben.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, wonach das Kühlkanalbauteil 4 eine radiale Anformung 8 in Form einer Ausstülpung 20 des Kühlkanalbauteils 4 aufweist. Über diese radiale Ausstülpung 20, die in Form einer sickenförmigen Erhebung, die in einer die Kolbenlängsachse einschließenden Ebene verläuft, ausgebildet ist, liegt das Kühlkanalbauteil 4 an einer Anbindungsstelle 6 gegen die radiale Innenseite 12 des Ringträgerbauteils 2 an und kann dort im Klemmsitz oder durch Lötung oder Schweißung festgelegt sein, so dass das Kühlkanalbauteil 4 über das Ringträgerbauteil 2 in der Gießform gehalten werden kann.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, wonach ein torusförmiges Distanzelement 22 mit kreisförmigen Torusquerschnitt über das Kühlkanalbauteil 4 gestülpt ist und eine Anbindungsstelle 6 an das Ringträgerbauteil 2 bildet. Die im Zusammenhang mit den vorstehend beschriebenen Figuren geltende Forderung nach einem Mindestabstand x von wenigstens 0,7 mm, vorzugsweise von wenigstens 0,8 mm, gelten auch hier.
Anhand der Darstellung von Fig. 6 soll noch für alle Ausführungsbeispiele die Umfangsrichtung 22 zeichnerisch angedeutet sein. Um einen ungehinderten und an jeder Stelle effektiven Schmelzendurchtritt zwischen Ringträgerbauteil 2 und Kühlkanalbauteil 4 zu ermöglichen, sollte der Abstand x überall dort gegeben sein, wo keine Anfügungsstelle 6 notwendig ist, und seine Erstreckung in Umfangsrichtung 22 sollte in der Summe möglichst nahe an 360° (unter Abzug der Umfangserstreckung der Anbindungsstellen 6) angenähert sein. In der Praxis erweist sich ein Bereich von 330 bis 355°, insbesondere von 300 bis 350° und vorzugsweise von 340 bis 350°, als vorteilhaft.

Claims

1. Leichtmetallkolben für einen Verbrennungsmotor mit einem eingegossenen zuvor alfinierten Ringträgerbauteil (2) und mit einem hinter dem Ringfeld angeordneten und ebenfalls eingegossenen in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlkanalbauteil (4), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der radial inneren Seite (12) des Ringträgerbauteils (2) und der radial äußeren Seite (13) des Kühlkanalbauteils (4) zumindest abschnittsweise und in der Summe über wenigstens 300° in Umfangsrichtung ein Abstand von 0,7 mm bis höchstens 10% des Kolbendurchmessers vorgesehen ist.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zumindest abschnittsweise und in der Summe über wenigstens 310°, vorgesehen ist.

3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zumindest abschnittsweise und in der Summe über wenigstens 320°, vorgesehen ist.

4. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zumindest abschnittsweise und in der Summe über wenigstens 330°, vorgesehen ist.

5. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zumindest abschnittsweise und in der Summe über wenigstens 330° bis 355° vorgesehen ist.

6. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von 0,7 mm bis höchstens 5% des Kolbendurchmessers beträgt.

7. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Ringträgerbauteil (2) und Kühlkanalbauteil (4) vor dem Eingießen parallel zur Kolbenlängsrichtung (1) gesehen eine lichte Querschnittsfläche bildet.

8. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkanalbauteil (4) an vorzugsweise wenigstens zwei oder an wenigstens drei Stellen (6) mit dem Ringträgerbauteil (2) verbunden ist, insbesondere über eine Schweiß- oder Lötverbindung verbunden ist.

9. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkanalbauteil (4) an vorzugsweise wenigstens zwei oder an an wenigstens drei Stellen (6) mit dem Ringträgerbauteil (2) über eine radiale Ausstülpung (20) des Kühlkanalbauteils (4) und/oder des Ringträgerbauteils oder über eine Anformung (8) an das Kühlkanalbauteil (4) und/oder an das Ringträgerbauteil verbunden ist.

10. Leichtmetallkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anformung (8) an das Kühlkanalbauteil, welche durch ein auf das Kühlkanalbauteil (4) aufgeschobenes ringförmiges Distanzelement (10) gebildet ist.

11. Leichtmetallkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein um den Außenumfang des Kühlkanalbauteils (4) gelegtes streifenförmiges Distanzelement (14).

12. Leichtmetallkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ringträgerbauteil (2) und Kühlkanalbauteil (4) ein vor dem Gießvorgang mit beiden Teilen verschweißtes Distanzelement (10, 14, 22) angeordnet ist.

13. Leichtmetallkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkanalbauteil (4) rohrförmig ausgebildet ist.

14. Leichtmetallkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkanalbauteil (4) aus zusammengefügten Halbschalenelementen gebildet ist.

15. Leichtmetallkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkanalbauteil (4) aus Stahlblech, Kupferblech oder aus einem Metall mit einer Schmelztemperatur > 600°C gefertigt ist.

16. Leichtmetallkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkanalbauteil gegenüber der Ebene des Ringträgerbauteils, welche sich senkrecht zur Kolbenlängsachse erstreckt, in Richtung zum Kolbenboden hin oder vom Kolbenboden weg versetzt angeordnet ist.