DE102007061601A1

DE102007061601A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102007061601A1
Application number: DE102007061601A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Grahle; Wilfried Sander; Joachim Schulz; Andreas Seeger Van Nie
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2009-06-25
Also published as: WO2009079988A1; EP2229522A1; JP5502748B2; BRPI0821785A2; KR101510916B1; US8950375B2; CN101903633A; US20120024255A1; KR20100093606A; US20150152807A1; JP2011506830A; US8074617B2; US20090194059A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenunterteil (11, 111) und einem auf dem Kolbenunterteil (11, 111) angeordneten Kolbenoberteil (12, 112), welches einen um seinen Umfang umlaufenden Feuersteg (25, 125) und eine um seinen Umfang umlaufende Ringpartie (26, 126) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest das Kolbenoberteil (12, 112) aus einem Sinterwerkstoff besteht. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens (10, 110).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenunterteil und einem auf dem Kolbenunterteil angeordneten Kolbenoberteil, welches einen um seinen Umfang umlaufenden Feuersteg und eine um seinen Umfang umlaufende Ringpartie aufweist.
Ein aus der DE 103 40 292 A1 bekannter Kolben besteht aus einem im Wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper, der im radial äußeren Bereich des Kolbenbodens ein Ringelement aufweist, das mit dem Grundkörper einen Kühlkanal bildet. Das Ringelement nimmt einen Ringträger für einen Verdichtungsring auf.
Aufgrund der vielfältigen Anforderungen an Kolben für moderne Verbrennungsmotoren werden neue Herstellungsverfahren angestrebt, mit denen mit möglichst geringem Aufwand Kolben mit variablem Aufbau erhalten werden können, die an die jeweiligen Anforderungen im Motorbetrieb möglichst gut angepasst sind.
Die Lösung besteht in einem Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest das Kolbenoberteil aus einem Sinterwerkstoff besteht. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest das Kolbenoberteil durch Pressen und Sintern hergestellt wird, dass das Kolbenunterteil durch Pressen und Sintern oder Gießen oder Umformen hergestellt wird und dass das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil mittels eines Lotwerkstoffes zusammengefügt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Kolben entfällt also nicht nur die Schraubverbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil. Die Ausgestaltung zumindest des Kol benoberteils als gesintertes Bauteil erlaubt es, die Strukturen und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Kolbens, wie bspw. Gewicht, Bauhöhe, Kühlung etc. wesentlich variabler als bisher zu gestalten. Insbesondere können pulverförmige Sinterwerkstoffe mit beliebig wählbarer Zusammensetzung zum Einsatz kommen, die zu einem Formteil gepresst und dann zum fertigen Kolbenoberteil bzw. zu fertigen Kolbenoberteilen und Kolbenunterteilen gesintert werden. Auf diese Weise können insbesondere äußerst vielfältige Gefügestrukturen auf besonders einfache Weise verwirklicht werden, bspw. von ferritischen bis austenitischen Zuständen und deren Mischungen (Duplex). Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich zudem durch besondere Wirtschaftlichkeit aus.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kolbenunterteil aus einem geschmiedeten oder gegossenen Werkstoff, insbesondere einem Stahlwerkstoff hergestellt, während das Kolbenoberteil vorzugsweise aus einem gesinterten Stahlwerkstoff hergestellt ist. Derartige Werkstoffe zeichnen sich durch eine besonders große thermische Beständigkeit aus, was insbesondere bei der Verwendung in Dieselmotoren von Vorteil ist. Der Sinterwerkstoff des Kolbenoberteils und ggf. eines gesinterten Kolbenunterteils kann zur Erhöhung seiner Wärmeleitfähigkeit mit einem metallischen Werkstoff infiltriert sein. Dadurch wird die Wärmeableitung aus dem Kolben verbessert und die Bauteiltemperatur gesenkt.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil mittels eines Lotwerkstoffes miteinander verbunden sind. Der Lotwerkstoff dringt dabei durch Kapillarwirkung sowohl in die Zwischenräume zwischen dem Kolbenunterteil und dem Kolbenoberteil als auch in die Poren zumindest des gesinterten Kolbenoberteils ein. Damit wird eine besonders feste, mechanisch hochbelastbare Verbindung zwischen dem Kolbenunterteil und dem Kolbenoberteil hergestellt. Als Lotwerkstoffe eignen sich bspw. Kupfer, Kupferlegierungen, Nickel oder Nickellegierungen. Zur Optimierung der Verbindung zwischen Kolbenunterteil und Kolbenoberteil sind bevorzugt innere und äußere, miteinander korrespondieren de Fügeflächen vorgesehen, wobei der Lotwerkstoff zweckmäßigerweise im Bereich der Fügeflächen vorgesehen ist.
In besonders zweckmäßiger Weise kann der im Einzelfall verwendete Sinterwerkstoff mit dem Lotwerkstoff infiltriert werden. Dabei können das Sintern des Sinterwerkstoffs und das Zusammenfügen von Kolbenunterteil und Kolbenoberteil in einem einzigen Fertigungsschritt stattfinden. Insbesondere bei unterschiedlicher Kapillarwirkung der Poren des Sinterwerkstoffs einerseits und der Zwischenräume zwischen Kolbenunterteil und Kolbenoberteil andererseits kann es zweckmäßig sein, zur Infiltrierung des Sinterwerkstoffs einen metallischen Werkstoff zu verwenden, dessen Schmelztemperatur niedriger ist als die Schmelztemperatur des Lotwerkstoffs, um eine zuverlässige und vollständige Infiltrierung des Sinterwerkstoffs sicherzustellen. Das Infiltrieren des Sinterwerkstoffs und das Zusammenfügen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil finden dann während der Erwärmung bei unterschiedlichen Temperaturstufen statt.
Der Kolbenboden kann in an sich bekannter Weise mit einer je nach Motorkonstruktion beliebig ausgestalteten Verbrennungsmulde versehen sein. Diese Verbrennungsmulde kann je nach den Anforderungen des Einzelfalls entweder nur vom Kolbenoberteil oder sowohl vom Kolbenoberteil als auch vom Kolbenunterteil gebildet sein.
Zur Verbesserung der Kühlwirkung können das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil einen äußeren umlaufenden Kühlkanal einschließen. Zusätzlich kann ein innerer Kühlraum oder ein innerer umlaufender Kühlkanal vorgesehen sein. Die Wärmeableitung erfolgt dann aus dem Kolben, insbesondere aus dem Kolbenbodenbereich in Richtung des Kühlkanals bzw. der Kühlkanäle.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 weist Kolbenunterteil 11 auf, das im Ausführungsbeispiel aus einem geschmiedeten oder gegossenen metallischen Werkstoff hergestellt ist. Geeignet sind bspw. Schmiedestähle wie AFP-Stähle, bspw. 38MnVS6 oder Vergütungsstähle wie bspw. 42CrMo4. Der Kolben 10 weist ferner ein Kolbenoberteil 12 auf, das aus einem Sinterwerkstoff, insbesondere einem gesinterten Stahlwerkstoff hergestellt ist. Geeignet sind bspw. Legierungen aus Eisen und Kohlenstoff oder Legierungen aus Eisen, Kohlenstoff und Molybdän. Mit diesen Legierungen lassen sich insbesondere ferritischen Gefügestrukturen erzielen. Der Kohlenstoffgehalt beträgt vorzugsweise 0,4–0,8%, der Molybdängehalt beträgt vorzugsweise 0,0–2,0%, insbesondere 0,8–1,6%.
Das Kolbenunterteil 11 weist einen Kolbenschaft 20 sowie den zentralen oder inneren Bereich 13 eines Kolbenbodens 14 auf, der in an sich bekannter Weise mit einer Verbrennungsmulde 15 versehen ist. Unterhalb des Kolbenbodens 14 sind Naben 16 vorgesehen, die mit Nabenbohrungen 17 zum Durchtritt eines nicht dargestellten Kolbenbolzens versehen sind.
Das Kolbenoberteil 12 weist ein umlaufendes, im Wesentlichen zylindrisches Ringelement 24 auf, das in an sich bekannter Weise an seiner Mantelfläche mit einem Feuersteg 25 und einer Ringpartie 26 mit mehreren Ringnuten zur Aufnahme von nicht dargestellten Kolbenringen versehen ist. Das untere freie Ende des Ringelements 24 bildet eine äußere Fügefläche 27, die sich auf einer korrespondierenden Fügefläche 28 des Kolbenunterteils 11 abstützt.
Das Ringelement 24 weist ferner einen sich radial nach innen erstreckenden umlaufenden Rand 29 auf, der den äußeren ringförmigen Bereich des Kolbenbodens 14 bildet. Das untere freie Ende des Rands 29 bildet eine innere Fügefläche 31, die sich auf einer korrespondierenden Fügefläche 32 des Kolbenunterteils 11 abstützt.
Das Kolbenunterteil 11 und das Kolbenoberteil 12 sind mittels eines Lotwerkstoffs zusammengefügt, der entlang der Fügeflächen 27, 28 bzw. 31, 32 vorgesehen ist. Geeignet sind bspw. Kupfer oder Kupferlegierungen bzw. Nickel oder Nickellegierungen. Der Schmelzpunkt des Lotwerkstoffes ist niedriger als der Schmelzpunkt des Werkstoffes des Kolbenunterteils 11 und niedriger als der Schmelzpunkt des Werkstoffes des Kolbenoberteils 12. Der Schmelzpunkt des Lotwerkstoffes ist zugleich höher als die am Kolben 10 auftretende maximale Betriebstemperatur.
Das Ringelement 24 sowie der umlaufende Rand 29 des Kolbenoberteils 12 bzw. eine in das Kolbenunterteil 11 eingebrachte umlaufende Ausnehmung 33 bilden einen äußeren umlaufenden Kühlkanal 34.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110. Der Kolben 110 weist ein Kolbenunterteil 111 auf, das im Ausführungsbeispiel aus demselben Werkstoff besteht wie das Kolbenunterteil 11 des Kolbens 10 aus 1. Der Kolben 110 weist ferner ein Kolbenoberteil 112 auf, welches im Ausführungsbeispiel ebenfalls aus demselben Werkstoff besteht wie das Kolbenoberteil 12 des Kolbens 10 aus 1. Das Kolbenunterteil 111 weist ferner ebenfalls einen Kolbenschaft 120 sowie mit Nabenbohrungen 117 versehene Naben 116 auf.
Das Kolbenoberteil 112 weist einen Kolbenboden 114 auf, der in an sich bekannter Weise mit einer Verbrennungsmulde 115 versehen ist. Die Verbrennungsmulde 115 ist in diesem Ausführungsbeispiel allein im Kolbenoberteil 112 ausgebildet. Der Kolbenboden 114 wird von einem umlaufenden, im Wesentlichen zylindrischen Ringelement 124 begrenzt. Das Ringelement 124 ist in an sich bekannter Weise an seiner Mantelfläche mit einem Feuersteg 125 und einer Ringpartie 126 mit mehreren Ringnuten zur Aufnahme von nicht dargestellten Kolbenringen versehen. Das untere freie Ende des Ringelements 124 bildet eine Fügefläche 127, die sich auf einer korrespondierenden Fügefläche 128 des Kolbenunterteils 111 abstützt.
Das Kolbenoberteil 112 weist unterhalb der Verbrennungsmulde 115 zwei weitere Fügeflächen auf. Zum einen ist eine innere umlaufende Fügefläche 131 vorgesehen, die sich auf einer korrespondierenden inneren umlaufenden Fügefläche 132 des Kolbenunterteils 11 abstützt. Ferner ist eine zentrale Fügefläche 135 vorgesehen, die sich auf einer korrespondierenden Fügefläche 136 des Kolbenunterteils 111 abstützt.
Das Kolbenunterteil 111 und das Kolbenoberteil 112 sind mittels eines Lotwerkstoffs zusammengefügt, der entlang der Fügeflächen 127, 128 bzw. 131, 132 sowie 135, 136 vorgesehen ist. Geeignet sind bspw. Kupfer oder Kupferlegierungen bzw. Nickel oder Nickellegierungen. Der Schmelzpunkt des Lotwerkstoffes ist niedriger als der Schmelzpunkt des Werkstoffes des Kolbenunterteils 111 und niedriger als der Schmelzpunkt des Werkstoffes des Kolbenoberteils 112. Der Schmelzpunkt des Lotwerkstoffes ist zugleich höher als die am Kolben 110 auftretende maximale Betriebstemperatur.
Eine in das Kolbenoberteil 112 zwischen dem Ringelement 124 und der Verbrennungsmulde 115 vorgesehene umlaufende Ausnehmung 133a bzw. eine im Kolbenunterteil 111 vorgesehenen korrespondierende umlaufende Ausnehmung 133b bilden einen äußeren umlaufenden Kühlkanal 134. Zwischen den inneren umlaufenden Fügeflächen 131, 132 und den zentralen Fügeflächen 135, 136 ist ferner ein innerer umlaufender Kühlkanal 137 ausgebildet. Wenn auf die Fügeflächen 135, 136 verzichtet wird, entsteht statt des inneren umlaufenden Kühlkanals ein zentraler Kühlraum (nicht dargestellt).
Zur Montage des erfindungsgemäßen Kolbens 10, 110 werden das Kolbenunterteil 11, 111 und das Kolbenoberteil 12, 112 mittels des Lotwerkstoffs in an sich bekannter Weise zusammengefügt. Hierzu wird der Lotwerkstoff mit den Fügeflächen in Kontakt gebracht und zusammen mit dem Kolbenunterteil 11, 111 und dem Kolbenoberteil 12, 112 bis zum Schmelzen des Lotwerkstoffs erwärmt. Der Lotwerkstoff dringt dabei aufgrund der Kapillarwirkung sowohl in die Zwischenräume zwischen den Fügeflächen als auch in die Poren des Sinterwerkstoffs des Kolbenoberteils 12, 112 bzw. der Sinterwerkstoffe beider Teile des Kolbens 10, 110 ein. Dabei kann zweckmäßigerweise das Sintern zumindest des Kolbenoberteils 12, 112 und das Zu sammenfügen von Kolbenunterteil 11, 111 und Kolbenoberteil 12, 112 in ein und demselben Fertigungsschritt, bspw. in demselben Ofendurchlauf erfolgen. Das an sich bekannte Pressen des pulverförmigen Werkstoffs zu Formteilen noch geringer Festigkeit, aus welchen schließlich das Kolbenoberteil 12, 112 bzw. beide Bauteile des Kolbens 10, 110 resultieren, ist hierbei dem kombinierten Sinter- und Fügeprozess vorgeschaltet. Daraus ergibt sich ein besonders kostengünstiges Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Kolben 10, 110.
Nach dem Erkalten resultiert eine feste, mechanisch hochbelastbare Verbindung zwischen dem Kolbenunterteil 11, 111 und dem Kolbenoberteil 12, 112.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10340292 A1 [0002]

Claims

Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenunterteil (11, 111) und einem auf dem Kolbenunterteil (11, 111) angeordneten Kolbenoberteil (12, 112), welches einen um seinen Umfang umlaufenden Feuersteg (25, 125) und eine um seinen Umfang umlaufende Ringpartie (26, 126) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Kolbenoberteil (12, 112) aus einem Sinterwerkstoff besteht.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (11, 111) aus einem geschmiedeten oder gegossenen Werkstoff besteht.
Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (11,111) aus einem geschmiedeten oder gegossenen Stahlwerkstoff und das Kolbenoberteil (12, 112) aus einem gesinterten Stahlwerkstoff besteht.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff von einem metallischen Werkstoff infiltriert ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (11, 111) und das Kolbenoberteil (12, 112) mittels eines Lotwerkstoffs miteinander verbunden sind.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Lotwerkstoff Kupfer oder eine Kupferlegierung oder Nickel oder eine Nickellegierung vorgesehen ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (11, 111) und das Kolbenoberteil (12, 112) innere und äußere, miteinander korrespondierende, Fügeflächen (27, 28; 127, 128; 31, 32; 131, 132; 135, 136) aufweisen.
Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (11,111) und das Kolbenoberteil (12, 112) mittels eines im Bereich der Fügeflächen (27, 28; 127, 128; 31, 32; 131, 132; 135, 136) angeordneten Lotwerkstoffs miteinander verbunden sind.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Verbrennungsmulde (15, 115) aufweist.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmulde (15) sowohl vom Kolbenunterteil (11) als auch vom Kolbenoberteil (12) gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmulde (115) im Kolbenoberteil (112) ausgebildet ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (11, 111) und das Kolbenoberteil (12, 112) einen äußeren umlaufenden Kühlkanal (35, 135) einschließen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (111) und das Kolbenoberteil (112) einen inneren Kühlraum oder einen inneren umlaufenden Kühlkanal (137) einschließen.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10, 110) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenunterteil (11, 111) und einem auf dem Kolbenunterteil (11, 111) angeordneten Kolbenoberteil (12, 112), welches einen um seinen Umfang umlaufenden Feuersteg (25, 125) und eine um seinen Umfang umlaufende Ringpartie (26, 126) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Kolbenoberteil (12, 112) durch Pressen und Sintern hergestellt wird, dass das Kolbenunterteil (11, 111) durch Pressen und Sintern oder Gießen oder Umfor men hergestellt wird und dass das Kolbenunterteil (11, 111) und das Kolbenoberteil (12, 112) anschließend zusammengefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (11, 111) aus einem geschmiedeten oder gegossenen Stahlwerkstoff und das Kolbenoberteil (12, 112) aus einem gesinterten Stahlwerkstoff hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (11, 111) und das Kolbenoberteil (12, 112) mittels eines Lotwerkstoffs zusammengefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Lotwerkstoff Kupfer oder eine Kupferlegierung oder Nickel oder eine Nickellegierung verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff mit einem metallischen Werkstoff infiltriert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff mit dem Lotwerkstoff infiltriert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff mit einem metallischen Werkstoff infiltriert wird, dessen Schmelzpunkt niedriger ist als der Schmelzpunkt des Lotwerkstoffs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern und das Zusammenfügen von Kolbenunterteil (11, 111) und Kolbenoberteil (12, 112) im gleichen Fertigungsschritt vorgenommen werden.