DE102004051677A1

DE102004051677A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102004051677A1
Application number: DE200410051677
Authority: DE
Inventors: Gerhard Heinz
Original assignee: Individual
Current assignee: Heinz Gerhard 06847 Dessau De
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren sowie den Kolben selbst. Hinsichtlich des Herstellungsverfahren werden zunächst in einem ersten Schritt in eine Druckgussform vorgefertigte, aus gegebenenfalls infiltriertem Karbonmaterial hergestellte Teile (2, 3.1, 3.2) eingelegt und fixiert, und in einem zweiten Schritt werden die Teile (2, 3.1, 3.2) vorzugsweise elektrisch vorgeheizt. In einem dritten Schritt wird das flüssige Metall im Druckgussvorgang mit entsprechender Temperatur und entsprechendem Druck in die Druckgussform eingebracht, wobei in einem vierten und letzten Schritt der aus den Materialien gebildete fertige homogene Kolben (1) aus der Druckgussform herausgenommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren, sowie einen nach dem Verfahren hergestellten Kolben.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung von Kolben für Verbrennungsmotoren bekannt, wobei der so genannte Kolbenrohling hierbei in einer Großserie im Druckguss-, Strangguss-, Sandguss- und Schleudergussverfahren, aber auch beispielsweise im Schmiedeverfahren hergestellt wird. Mittels nummerisch gesteuerter Maschinen, wie Drehbänken oder Fräsmaschinen erfolgt die Fertigbearbeitung des Kolbenrohlings. So ist beispielsweise aus dem Stand der Technik ein Karbon-Kolbenrohling bekannt, der aus infiltriertem Karbonmaterial hergestellt wird. Der gemäß der DE 103 44 737 bekannte Kolben besteht dabei vorzugsweise aus einer Zusammensetzung, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht. Um insbesondere den Kolben die hinreichende Stabilität zu verleihen, sind die offenporigen Kohlenstoff/Grafitstrukturen mit einer als Stützmatrix bildenden Leichtmetallstruktur versetzt.
Bei diesem nach dem Stand der Technik bekannten Karbon-Kolben wird es als Nachteil angesehen, dass derartige bekannte Kolben in Einzelanfertigung herzustellen sind, wobei ein hoher Verbrauch an Karbonmaterial gegeben ist, und wobei die Fertigung eines derartigen Kolbens mit einer hohen Arbeitsintensität verbunden ist.
Hieraus ergibt sich die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, die Herstellung eines infiltrierten Karbon-Kolbens einer Großserienproduktion zugänglich zu machen, unter Einsparung von Karbonmaterial sowie Reduzierung an Arbeitsintensität.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren gelöst, wobei zunächst in einem ersten Schritt in eine Druckgussform vorgefertigte, aus gegebenenfalls infiltriertem Karbonmaterial hergestellte Teile eingelegt und fixiert werden, und in einem zweiten Schritt die Teile vorzugsweise elektrisch vorgeheizt werden, und in einem dritten Schritt das flüssige Metall im Druckgussvorgang mit entsprechender Temperatur und entsprechendem Druck in die Druckgussform eingebracht wird, und wobei in einem vierten Schritt der aus den Materialien gebildete fertige homogene Kolben aus der Druckgussform herausgenommen wird. Aufgrund dieser Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich geworden, dass die Herstellung eines infiltrierten Karbon-Kolbens der Druckgusstechnologie zugänglich gemacht wird. Dadurch bedingt ist eine Karbon-Kolbenherstellung in Großserienproduktion möglich, wobei insbesondere durch die Trennung der Funktionsteile Karbonmaterial eingespart werden kann.
Dabei kann in vorteilhafter Weise eine Infiltration des porösen Karbonmaterials auch während des Druckgussverfahrens erfolgen. Gemäß der Verfahrensschritte wird auf dem Boden der Druckgussform oder als Verschluss der Druckgussform zunächst ein aus Karbonmaterial gefertigtes Kolbenoberteil eingebracht, und wobei an den Wänden der Druckgussform ebenfalls aus Karbonmaterial gefertigte Halbschalen fixierend eingebracht werden, bevor das flüssige Metall im Druckgussvorgang eingepresst wird.
Hierzu besteht der nach dem Verfahren hergestellte Kolben aus einem aus Metall geformten Grundkörper in bzw. an dem ein aus Karbonmaterial, die Verbrennungsfläche bildendes Oberteil eingefasst ist. In der Verbrennungsfläche des aus Karbonmaterial gebildeten Oberteils sind neben Quetschflächenbereichen Verbrennungsmulden eingelassen. Aufgrund dieser Ausbildung wird erreicht, dass ein derartig gefertigter Kolben insbesondere die Vorzüge eines ausschließlich aus Karbonmaterial gefertigten Kolbens aufweist. Hierzu wird weiter vorgeschlagen, dass an dem Grundkörper seitliche Ausbuchtungen angeordnet sind, zur Aufnahme von vorzugsweise aus Karbonmaterial gebildeten Halbschalen. Die Halbschalen ragen zur Führung des Kolbens in der Zylinderbuchse über den Mantel des Grundkörpers hinaus. Somit wird die Gleitfähigkeit des Karbonmaterials in vorteilhafter Weise in der Zylinderbuchse genutzt. Das Oberteil des Kolbens ist dabei aus einer Zylinderscheibe aus Karbonmaterial gefertigt, die an dem Grundkörper aus Metall angesetzt ist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist im Grundkörper unterhalb der Zylinderscheibe aus Karbonmaterial ein Feuersteg im Druckgussmaterial angeordnet, wobei unterhalb des Feuersteges eine erste Nut für einen ersten Verdichtungsring und unter einer Distanz eines Steges zur ersten Nut eine zweite Nut für einen weiteren Verdichtungsring angeordnet ist. Unterhalb der beiden Verdichtungsringe ist eine weitere Nut angeordnet, die für die Aufnahme eines Ölabstreifringes bestimmt ist.
Der Grundkörper des Kolbens besteht aus einer für Druckguss geeigneten Legierung bzw. Kolbenlegierung und wird im Druckgussvorgang zusammen mit dem Oberteil und den beiden Halbschalen zum fertigen Kolben gebildet. Der so homogen herstellte Körper ist derart ausgebildet, dass der aus Druckguss gebildete Grundkörper im eingesetzten Zustand des Kolbens in der Zylinderbuchse keine Berührung mit der Zylinderwand aufweist. Die aus Karbonmaterial hergestellten Teile, Kolbenoberteil und Halbschalen, sind derart dimensioniert, dass sie an den Wänden der Zylinderbuchse anliegen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Oberfläche der Verbrennungsfläche des Kolbens mit einem katalytisch wirkenden Stoff beschichtet. Somit kann im Verbrennungsraum ein dem Fischer-Trobsch-Verfahren ähnliches und gleiches Hochtemperatur-Brennverfahren ablaufen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachstehenden 1 und 2 näher erläutert, dabei zeigen:
1: Eine geschnittene Ansicht des erfindungsgemäßen Kolbens; und
2: Eine explosionsartige Darstellung der den Kolben bildenden Teile.
Die 1 zeigt in der geschnittenen Seitenansicht einen Kolben 1, der nach dem Verfahren wie folgt hergestellt wird. Zunächst werden in einem ersten Schritt in eine nicht näher dargestellte Druckgussform vorgefertigte aus gegebenenfalls infiltriertem Karbonmaterial hergestellte Teile 2, 3.1 und 3.2 in die Druckgussform eingelegt. In der Druckgussform werden diese aus Karbonmaterial gefertigten Teile 2, 3.1 und 3.2 fixiert, so dass sie entsprechend die Lage in der Druckgussform erhalten, wie sie in der geschnittenen Ansicht der 1 zu erkennen sind. Dann werden in einem zweiten Schritt diese Teile 2, 3.1 und 3.2 vorzugsweise elektrisch vorgeheizt. In einem dritten Schritt wird dann das den Grundkörper 4 bildende flüssige Metall in die Druckgussform mit entsprechender Temperatur und entsprechendem Druck eingebracht.
Es versteht sich von selbst, dass, wenn das Metall soweit ausgehärtet ist, in einem vierten Schritt der fertige homogene Kolben 1 aus der Druckgussform herausgenommen werden kann. Es versteht sich nun auch, dass sich aufgrund dieser Verfahrensabfolge das Kolbenoberteil 5 in den Grundkörper 4 einbinden lässt, so dass eine unter Formschluss gebildete Einbindung des Kolbenoberteils 5 in dem Grundkörper 4 ermöglicht wird. Dabei kann die Infiltration des porösen Karbonmaterials während des Druckgussvorganges erfolgen. Das flüssige Metall kann somit in die offenporige Kohlenstoff/-Grafitstruktur eindringen, so dass sich die durchsetzenden Kanäle mit einer aus Stützmatrix bildenden Leichtmetallstruktur durchsetzen.
Das Kolbenoberteil 5 wird zunächst aus dem Karbonmaterial gefertigt, und wobei an den Wänden der Druckgussform ebenfalls die aus Karbonmaterial gefertigten Halbschalenteile 3.1 und 3.2 fixierend eingebracht werden, bevor das flüssige Metall im Druckgussvorgang eingebracht wird. Somit ergibt sich eine Einbindung der Teile 2, 3.1 und 3.2 in dem Grundkörper 4.
Wie aus der Zusammenschau der 1 und 2 zu erkennen ist, besteht der Kolben 1 aus einem aus Metall geformten Grundkörper 4 in bzw. an dem ein aus Karbonmaterial, die Verbrennungsfläche 6 bildendes Kolbenoberteil 5 eingefasst ist. Dabei sind in der Verbrennungsfläche 6 des aus Karbonmaterial gebildeten Kolbenoberteils 5 neben Quetschflächenbereichen 7 Verbrennungsmulden 8 eingelassen. Wie insbesondere aus der 2 aus der Perspektive deutlich wird, sind an dem Grundkörper 4 seitlich Ausbuchtungen 9.1 und 9.2 eingeformt, in denen insbesondere vorzugsweise die aus Karbonmaterial gebildeten Halbschalen 3.1 und 3.2 eingelassen sind. Die Halbschalen 3.1 und 3.2 sind derart ausgebildet, dass sie zur Führung des Kolbens 1 in der Zylinderbuchse über den Mantel des Grundkörpers 4 hinausragen. Wie aus der 1 und 2 auch in der Zusammenschau zu erkennen ist, ist das aus Karbonmaterial gefertigte Kolbenoberteil 5 aus einer Zylinderscheibe gefertigt, an der unterhalb ein Kragenbereich 10 angeformt ist, der in Formschlussverbindung mit dem Grundkörper 4 tritt, wenn das flüssige Metall in die von dem Kolbenoberteil 5 abgeschlossene Form eindringt.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kolbens 1 ist im Grundkörper 4 unterhalb der Zylinderscheibe ein Feuersteg 11 im Druckgussmaterial angeordnet, wobei unterhalb des Feuerstegs 11 eine erste Nut 12 für einen ersten nicht näher dargestellten Verdichtungsring angeordnet ist. Unter einer Distanz eines Steges 13 zur ersten Nut 12 ist eine zweite Nut 14 für einen weiteren ebenfalls nicht näher dargestellten Verdichtungsring angeordnet. Unterhalb der beiden Nuten 12, 14 für die Verdichtungsringe ist eine weitere Nut 15 angeordnet, die insbesondere dazu bestimmt ist, einen ebenfalls nicht näher dargestellten Ölabstreifring aufzunehmen. In dem Kolbenkörper 4 kann, wie insbesondere in den 1 und 2 ebenfalls zu erkennen ist, ein Kolbenauge 16 eingeformt sein.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Oberfläche der Verbrennungsfläche 6 des Kolbens 1 mit einem katalytisch wirkenden Stoff beschichtet. Somit kann im Verbrennungsraum ein dem Fischer-Trobsch-Verfahren ähnliches und gleiches Hochtemperatur-Brennverfahren ablaufen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst in einem ersten Schritt in eine Druckgussform vorgefertigte, aus gegebenenfalls infiltriertem Karbonmaterial hergestellte Teile (2, 3.1, 3.2) eingelegt und fixiert werden, und in einem zweiten Schritt die Teile (2, 3.1, 3.2) vorzugsweise elektrisch vorgeheizt werden, und in einem dritten Schritt das flüssige Metall im Druckgussvorgang mit entsprechender Temperatur und entsprechendem Druck in die Druckgussform eingebracht wird, und wobei in einem vierten Schritt der aus den Materialen gebildete fertige homogene Kolben (1) aus der Druckgussform herausgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Infiltration des porösen Karbonmaterials während des Druckgussvorganges erfolgen kann.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Boden bzw. zur Schließung der Druckgussform zunächst ein aus Karbonmaterial gefertigtes Kolbenoberteil (5) eingebracht wird, und wobei an den Wänden der Druckgussform ebenfalls aus Karbonmaterial gefertigte Halbschalenteile (3.1) und (3.2) fixierend eingebracht werden bevor das flüssige Metall im Druckgussvorgang eingepresst wird.
Kolben hergestellt nach dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) aus einem aus Metall geformten Grundkörper (4) besteht, in bzw. an dem ein aus Karbonmaterial, die Verbrennungsfläche (6) bildendes Kolbenoberteil (5) eingefasst ist.
Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbrennungsfläche (6) des aus Karbonmaterial gebildeten Kolbenoberteils (5) neben Quetschflächenbereichen (7) Verbrennungsmulden (8) eingelassen sind.
Kolben nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Grundkörper (4) seitlich Ausbuchtungen (9.1) und (9.2) angeordnet sind zur Aufnahme von vorzugsweise aus Karbonmaterial gebildeten Halbschalenteilen (3.1) und (3.2).
Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbschalenteile (3.1) und (3.2) zur Führung des Kolbens (1) in der Zylinderbuchse über den Mantel des Grundkörpers (4) hinausragen.
Kolben nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aus Karbonmaterial gefertigte Kolbenoberteil (5) aus einer Zylinderscheibe gefertigt ist.
Kolben nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Grundkörper (4) unterhalb der Zylinderscheibe ein Feuersteg (11) im Druckgussmaterial angeordnet ist.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Feuerstegs (11) eine erste Nut (12) für einen ersten Verdichtungsring angeordnet ist.
Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass unter einer Distanz eines Steges (13) zur ersten Nut (12) eine zweite Nut (14) für einen weiteren Verdichtungsring angeordnet ist.
Kolben nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der beiden Nuten (12) und (14) für die Verdichtungsringe eine weitere Nut (15) zur Aufnahme eines Ölabstreifringes angeordnet ist.
Kolben nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Verbrennungsfläche (6) des Kolbens (1) mit einem katalytisch wirkenden Stoff beschichtet ist.