DE102006045729A1

DE102006045729A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102006045729A1
Application number: DE200610045729
Authority: DE
Inventors: Christian Hoyng
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (11, 111) und einem Kolbenschaft (16), wobei der Kolbenkopf (11) zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Verbundkörper besteht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Verbundkörper aus mindestens zwei Teilkörpern (21, 22; 121, 122) besteht, die zusammen einen umlaufenden Kühlkanal (24, 124) und/oder eine Ringnut (25, 125) ausbilden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Verbundkörper besteht. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens.
Gattungsgemäße Kolben sind beispielsweise aus der DE 38 23 704 A1 , aus der DE 38 22 031 A1 und aus der DE 10 2004 056 519 A1 bekannt. Demnach kann bspw. der Kolbenkopf ganz oder teilweise aus einem faserverstärkten Verbundmaterial bestehen, oder der Muldenrand der im Kolbenkopf vorgesehenen Verbrennungsmulde kann mit einen faserverstärkten Verbundmaterial bewehrt sein.
Problematisch hierbei ist, dass zur Herstellung des faserverstärkten Verbundmaterials zunächst ein Grünling aus dem Fasermaterial und einem Bindemittel hergestellt und in die gewünschte Form gepresst wird. Dann wird der Grünling gebrannt oder gesintert, wobei das Bindemittel ausgebrannt wird und eine poröse sog. Preform entsteht. Diese Preform wird mit einer Metallschmelze infiltriert, wobei das Fasermaterial mit dem geschmolzenen Metall interagiert und der faserverstärkte Verbundkörper entsteht. Dieses Herstellungsverfahren erlaubt es nicht, den Grünling einer aufwendigen Formgebung zu unterziehen, weil er beim Brennen bzw. Sintern seine Kontur und Form zum Teil erheblich verändern kann. Daher können bisher nur einfach geformte Vollkörper aus faserverstärktem Verbundmaterial in einen Kolben integriert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben bzw. ein Verfahren zu seiner Herstellung derart weiterzubilden, dass auch komplex geformte Bauteile integriert sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 vorgeschlagen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Verbundkörper aus mindestens zwei Teilkörpern besteht, die zusammen einen umlaufenden Kühlkanal und/oder eine Ringnut ausbilden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:

– Mischen mindestens eines Fasermaterials und eines Bindemittels,
– Formen mindestens zweier Grünlinge derart, dass ihre Form mindestens zwei Teilkörpern entspricht, welche zusammen einen umlaufenden Kühlkanal und/oder eine Ringnut ausbilden,
– Brennen der getrockneten Grünlinge zur Herstellung poröser Preforms,
– Einlegen der Preforms in eine Gießform für den Kolben, wobei sie einen Salzkern und/oder einen Ringträger aufnehmen,
– Einbringen einer Metallschmelze in die Gießform, wobei die Preforms mit der Metallschmelze infiltriert werden,
– Entfernen des Salzkerns.

Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl ein umlaufender Kühlkanal als auch eine Ringnut in den Kolbenkopf integriert werden können, obwohl der Kolbenkopf ganz oder teilweise aus einem faserverstärkten Verbundmaterial besteht. Dies ist dadurch möglich, dass der zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Verbundmaterial bestehende Kolbenkopf in mindestens zwei Teilkörper aufgeteilt ist. Die beiden Teilkörper können zusammen einen umlaufenden Kühlkanal bzw. eine außen am Kolbenkopf umlaufende Ringnut bilden. Aufgrund der Tatsache, dass der Kolbenkopf in zumindest einer horizontalen Ebene in mindestens zwei Teilkörper unterteilt ist, wird das Problem umgangen, dass bei der Herstellung der Preform ggf. eine Form- und/oder Konturveränderung unterliegen kann. Bei der Infiltrierung der Preform innerhalb der Gießform für den Kolben wird nämlich aufgrund der Abmessungen der Gießform wieder die gewünschte Kontur des herzustellenden Kolbens erzielt. Gleichzeitig kann in die Gießform je nach Wunsch ein Salzkern für den Kühlkanal eingelegt werden.
Der erfindungsgemäße Kolben vereinigt somit die Vorteile eines faserverstärkten Verbundkörpers mit einem gekühlten Kolben, der ggf. eine durch einen Ringträger verstärkte Ringnut aufweisen kann. Der erfindungsgemäße Kolben kann bei geringer Bauhöhe mit besonders geringem Gewicht ausgeführt sein. Er ist äußerst temperaturbeständig und daher insbesondere für Rennsport-Motoren geeignet.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist in die Ringnut ein Ringträger, bspw. ein aus Niresist-Material bestehender Ringträger, aufgenommen. Damit wird die Temperaturbeständigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens weiter verbessert.
Zur Gewichtsersparnis kann der erfindungsgemäße Kolben insbesondere aus einem Leichtmetallwerkstoff, bspw. auf der Basis von Aluminium, bestehen. Das verwendete Fasermaterial, bspw. auf der Basis von Aluminium und/oder Silizium, ist bspw. ein keramisches Fasermaterial.
Der Kolbenboden des erfindungsgemäßen Kolbens kann eine Verbrennungsmulde aufweisen, die in mindestens einem der Teilkörper ausgebildet ist. Hieraus wird deutlich, dass der individuellen Ausgestaltung des Kolbenbodens eines erfindungsgemäßen Kolbens keine konstruktiven Grenzen gesetzt sind, obwohl er ganz oder teilweise aus faserverstärktem Verbundmaterial besteht.
Beim Gießen des erfindungsgemäßen Kolbens ist insbesondere ein Druckgießverfahren oder Flüssigpressverfahren geeignet, bei dem das geschmolzene Metall unter Druck in die Gießform eingebracht wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
2 den Kolbenkopf des Kolbens gemäß 1 in einer Explosionsdarstellung vor dem Gießen;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbenkopfes für einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Explosionsdarstellung vor dem Gießen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem mit einer Verbrennungsmulde 13 versehenen Kolbenboden 12, einem umlaufenden Feuersteg 14 und einer umlaufenden Ringpartie 15 mit Ringnuten 16 für nicht dargestellte Kolbenringe auf. Unterhalb des Kolbenkopfes 11 sind ein Kolbenschaft 17 sowie Kolbennaben 18 mit Nabenbohrungen 19 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) vorgesehen. Der Kolben 10 besteht aus einem beliebigen metallischen Material einer Leichtmetalllegierung.
Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, besteht der Kolbenkopf 11 aus einem oberen Teilkörper 21 und einem unteren Teilkörper 22. Die Trennebene 23 zwischen dem oberen Teilkörper 21 und dem unteren Teilkörper 22 ist derart im Kolbenkopf 11 angeordnet, dass sie sowohl einen im Kolbenkopf 11 vorgesehenen umlaufenden Kühlkanal 24 als auch im Ausführungsbeispiel die oberste Ringnut 25 schneidet. Demzufolge ist die Verbrennungsmulde 13 sowohl vom oberen Teilkörper 21 als auch vom unteren Teilkörper 22 gebildet.
Obzwar in der Darstellung gemäß den 1 und 2 die Trennebene 23 sowohl den Kühlkanal 24 als auch die oberste Ringnut 25 in etwa mittig schneidet, ist diese Gestaltung nicht zwingend notwendig. Es ist vollkommen ausreichend, dass die Trennebene 23 den Kühlkanal 24 bzw. die oberste Ringnut 25 in einer beliebigen Höhe schneidet. Ferner müssen nicht zwingend sowohl ein Kühlkanal 24 als auch eine Ringnut 25 vorgesehen sein, die von der Trennebene 23 geschnitten werden. Vielmehr kann nur eines von beiden Strukturelementen vorhanden sein, d.h. es genügt, wenn entweder ein derartiger Kühlkanal 24 oder eine derartige Ringnut 25 vorgesehen sind.
Aus den 1 und 2 ist ferner ersichtlich, dass die oberste Ringnut 25 durch einen Ringträger 26, bspw. einen dem Fachmann bekannten Niresist-Ringträger, verstärkt ist, auch wenn dies nicht zwingend notwendig ist.
Die beiden Teilkörper 21, 22 bestehen aus einem faserverstärkten Verbundmaterial. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens 10 werden erfindungsgemäß für die beiden Teilkörper 21, 22 in an sich bekannter Weise Grünlinge aus einem Fasermaterial, bspw. Saffil^®-Fasern (keramische Aluminiumoxid-Fasern) und einem geeigneten Bindemittel hergestellt und bspw. durch Pressen in einer Form in die gewünschte Kontur gebracht, wie sie in der Explosionsdarstellung in 2 zu sehen ist. Die Grünlinge werden in dem Fachmann bekannter Weise gesintert bzw. gebrannt, wodurch poröse sog. Preforms 21' 22' (vgl. 2) erhalten werden, aus denen das Bindemittel weggebrannt ist. Diese Preforms 21', 22' werden in eine Gießform für den erfindungsgemäßen Kolben 10 eingelegt und in an sich bekannter Weise darin fixiert. Wenn der gewünschte Kolben 10 einen umlaufenden Kühlkanal 24 aufweisen soll, wird in die Gießform ferner ein üblicher Salzkern eingelegt, und zwar so, dass er von den in den beiden Preforms 21', 22' vorgesehenen Ausnehmungen 24a, 24b, die später den Kühlkanal 24 bilden, (vgl. 2), umschlossen wird. Wenn ferner die oberste Ringnut 25 verstärkt werden soll, kann in die Gießform ein Ringträger 26 eingelegt werden, der ebenfalls von den Preforms 21', 22' umschlossen wird. Anschließend wird die Gießform geschlossen und das geschmolzene metallische Material vorzugsweise unter Druck in die Gießform eingebracht (Pressgießen, Druckgießen). Die Preforms 21', 22' werden von der Metallschmelze infiltriert, so dass das Fasermaterial mit der Metallschmelze interagiert und der faserverstärkte Verbundkörper entsteht. Dieses Verfahren als solches ist dem Fachmann bekannt. Durch das praktisch gleichzeitige Infiltrieren beider Preforms 21', 22' entstehen die beiden fest miteinander verbundenen Teilkörper 21, 22 (vgl. 1), die zumindest den wesentlichen Teil des Kolbenkopfes 11 bilden. Die beiden Teilkörper 21, 22 sind nicht nur untereinander fest verbunden, sondern der untere Teilkörper 22 ist auch mit dem Kolbenschaft 17 fest verbunden. Diese Verbindung entsteht beim Gießvorgang, indem die Metallschmelze die gesamte Gießform ausfüllt und die beiden Preforms 21', 22' infiltriert, so dass eine innige Verbindung der einzelnen Bestandteile resultiert.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbenkopfes 111 aus einem oberen Teilkörper 121 und einem unteren Teilkörper 122. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Trennebene 123 zwischen dem oberen Teilkörper 121 und dem unteren Teilkörper 122 derart im Kolbenkopf 111 angeordnet, dass sie einen im Kolbenkopf 111 vorgesehenen umlaufenden Kühlkanal 124 in etwa mittig schneidet, im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 2 aber die oberste Ringnut 125 entlang ihrer unteren Ringanlagefläche 125' schneidet. Dies bedeutet auch, dass die Verbrennungsmulde 113, anders als im Ausführungsbeispiel gemäß 2, vollständig im oberen Teilkörper 121 ausgebildet ist.
Auch im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist die oberste Ringnut 125 durch einen Ringträger 26, bspw. einen dem Fachmann bekannten Niresist-Ringträger, verstärkt, auch wenn dies nicht zwingend notwendig ist.
Die Herstellung eines Kolbens mit einem Kolbenkopf 111 gemäß 3 erfolgt unter der Herstellung von Preforms (121', 122') wie oben beschrieben.

Claims

Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (11, 111) und einem Kolbenschaft (16) wobei der Kolbenkopf (11) zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Verbundkörper besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundkörper aus mindestens zwei Teilkörpern (21, 22; 121, 122) besteht, die zusammen einen umlaufenden Kühlkanal (24, 124) und/oder eine Ringnut (25, 125) ausbilden.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Ringnut (25, 125) ein Ringträger (26) aufgenommen ist.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere auf der Basis von Aluminium, besteht.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundkörper Fasern auf der Basis von Aluminium und/oder Silizium enthält.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (12) eine Verbrennungsmulde (13, 113) aufweist, die in mindestens einem Teilkörper (21, 22; 121, 122) ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10, 110) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Mischen mindestens eines Fasermaterials und eines Bindemittels, – Formen mindestens zweier Grünlinge derart, dass ihre Form mindestens zwei Teilkörpern entspricht, welche zusammen einen umlaufenden Kühlkanal und/oder eine Ringnut ausbilden, – Brennen der getrockneten Grünlinge zur Herstellung poröser Preforms (21', 22'; 121', 122'), – Einlegen der Preforms (21', 22'; 121', 122') in eine Gießform für den Kolben (10, 110), wobei sie einen Salzkern und/oder einen Ringträger (26) umschließen, – Einbringen einer Metallschmelze in die Gießform, wobei die Preforms (21', 22'; 121', 122') mit der Metallschmelze infiltriert werden, – Entfernen des Salzkerns.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fasermaterial auf der Basis von Aluminium und/oder Silizium verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leichtmetalllegierung, insbesondere auf der Basis von Aluminium, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10, 110) unter Druck gegossen wird.