DE102008028197A1

DE102008028197A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102008028197A1
Application number: DE200810028197
Authority: DE
Inventors: Eduard Groh
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2009-12-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenschaft (12) und einem gegossenen Kolbenkopf (11) mit einem Kolbenboden, einem Feuersteg (14), einer Ringpartie (15) und einem im Kolbenkopf (11) in Höhe der Ringpartie (15) umlaufenden Kühlkanal (16). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Oberfläche (17) des Kühlkanals (16) umlaufende Rillen (21) aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenschaft und einem gegossenen Kolbenkopf mit einem Kolbenboden, einem Feuersteg, einer Ringpartie und einem im Kolbenkopf in Höhe der Ringpartie umlaufenden Kühlkanal. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens, bei dem ein ringförmiger Salzkern in eine Gussform verbracht und in der Gussform umgossen wird.
Es ist bekannt, bei der Herstellung eines gegossenen Kolbens bzw. eines gegossenen Kolbenkopfes den umlaufenden Kühlkanal dadurch herzustellen, dass in die Gussform ein Salzkern eingelegt wird, der anschließend in der Gussform umgossen wird. Der Salzkern wird nach dem Gießen entfernt, indem der Kühlkanal durch die Zulauf- bzw. Ablauföffnung für das Kühlmittel hindurch mit Wasser ausgespült wird (vgl. hierzu DE 10 2004 006 600 A1 ).
Hierbei wird immer wieder beobachtet, dass sich während des Gießvorgangs im Gießwerkstoff Blasen im Bereich der Oberfläche des Kühlkanals bilden. Diese Blasen führen einerseits zu einer strukturellen Schwächung des resultierenden Kolbens aufgrund einer erhöhten Neigung zur Rissbildung. Andererseits wird eine verstärkte Oxidbildung im Bereich der Blasen beobachtet, die vermutlich auf den in den Blasen eingeschlossenen Luftsauerstoff zurückzuführen ist. Dadurch können sich im Bereich des Kühlkanals Oxide ablagern, die ebenfalls Rissbildungen verursachen können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, um die Neigung zur Blasenbildung zu reduzieren oder ganz zu unterdrücken.
Die Lösung besteht in einem Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und in einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Oberfläche des Kühlkanals umlaufende Rillen aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberfläche des Salzkerns vor dem Verbringen in die Gussform mit umlaufenden Erhöhungen versehen wird, indem umlaufende Vertiefungen in die Oberfläche eingebracht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird beobachtet, dass die Blasenbildung signifikant zurückgeht bzw. ganz unterdrückt wird. Der auf die Blasenbildung zurückzuführende Ausschuss kann reproduzierbar von etwa 10% auf praktisch 0% reduziert werden. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur des Salzkerns ein verbessertes, insbesondere gleichmäßigeres Fließverhalten des geschmolzenen Werkstoffs bewirkt und die eingeschlossene Luft rascher und gleichmäßiger abgeführt wird. Der Kühlkanal des erfindungsgemäßen Kolbens weist eine der Oberflächenstruktur des Salzkerns entsprechende spiegelbildliche Oberflächenstruktur auf. Je nach Werkstoff und Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Kolbens können grobe und feine Oberflächenstrukturen mit einer geringeren oder größeren Anzahl von Rillen bzw. einer größeren oder geringeren Tiefe der Rillen gewählt werden, ohne dass der erfindungsbedingt zu beobachtende Rückgang der Blasenbildung signifikant beeinflusst wird. Dies führt zu einer besonders großen Anwendungsbreite des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Kolbens.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zweckmäßigerweise verlaufen die umlaufenden Erhöhungen an der Oberfläche des Salzkerns parallel zueinander, um den gleichmäßigen Fluss der Schmelze während des Gießprozesses noch weiter zu verbessern. Die umlaufenden Erhöhungen können hierbei im Querschnitt bspw. etwa U-förmig oder V-förmig sein.
Die Höhe der umlaufenden Erhöhungen auf der Oberfläche des Salzkerns beträgt bspw. etwa 10 μm bis 40 μm, vorzugsweise 15 μm bis 25 μm. Dies hängt im Wesentli chen davon ab, ob je nach den Anforderungen des Einzelfalls eine gröbere oder feinere Oberflächenstruktur gewünscht wird.
Zur weiteren Optimierung des Werkstoffflusses während des Gießprozesses können auf der Oberfläche des Salzkerns quer verlaufende Erhöhungen vorgesehen sein, welche die umlaufenden Erhöhungen kreuzen. Daraus resultiert beim erfindungsgemäßen Kolben eine Oberflächenstruktur des Kühlkanals mit umlaufenden Rillen und Querrillen, die eine besonders gleichmäßige Verteilung des Werkstoffs bewirkt und die Blasenbildung weiter unterdrückt. Die Querrillen können eine geringere Tiefe aufweisen als die umlaufenden Rillen.
Die umlaufenden Erhöhungen können auf der gesamten Oberfläche des Salzkerns vorgesehen sein. Eine signifikante Unterdrückung der Blasenbildung wird jedoch bereits dann beobachtet, wenn nur ein Bereich der Oberfläche des Salzkerns erfindungsgemäß strukturiert ist, so dass aus verfahrensökonomischen Gründen auf eine Strukturierung der gesamten Oberfläche des Salzkerns verzichtet werden kann. Die umlaufenden Erhöhungen können sich bspw. ausgehend von dem den Zenit des späteren Kühlkanals definierenden Pol bis in Richtung des Äquators auf der Oberfläche des Salzkerns erstrecken. Dabei können die umlaufenden Erhöhungen bis zur Äquatorlinie vorgesehen sein, sie können aber auch schon oberhalb der Äquatorlinie enden. Eine besonders bevorzugte Oberflächenstruktur besteht darin, dass der innere mit umlaufenden Erhöhungen versehene Teil der Oberfläche des Salzkerns (der später den von der Ringpartie abgewandten Teil der Oberfläche des Kühlkanals bildet) größer oder kleiner ist als der äußere mit umlaufenden Erhöhungen versehene Teil der Oberfläche des Salzkerns (der später den der Ringpartie zugewandten Teil der Oberfläche des Kühlkanals bildet).
Die vorstehenden Erläuterungen gelten selbstverständlich sinngemäß auch für die zum Salzkern spiegelbildliche Oberflächenstruktur des Kühlkanals des erfindungsgemäßen Kolbens mit den erfindungsgemäß vorgesehenen umlaufenden Rillen und ggf. vorgesehenen Querrillen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann sowohl ein vollständiger Kolben als auch ein Kolbenkopf hergestellt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens;
2 eine vergrößerte Teilansicht eines weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 und einen sich daran axial anschließenden Kolbenschaft 12 auf. Der Kolbenkopf 11 weist eine Verbrennungsmulde 13 sowie einen umlaufenden Feuersteg 14 und eine umlaufende Ringpartie 15 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel ein einteilig gegossener Kolben aus einem beliebigen geeigneten metallischen Werkstoff. Die vorliegende Erfindung umfasst jedoch auch einen zweiteiligen Kolben mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei zumindest der Kolbenkopf aus einem beliebigen geeigneten metallischen Werkstoff gegossen ist.
Im Kolbenkopf 11 ist in Höhe der Ringpartie 15 ein umlaufender Kühlkanal 16 vorgesehen. Der Kühlkanal 16 weist in an sich bekannter Weise in seinem axial nach unten gerichteten Wandbereich Zulauf- bzw. Ablaufkanäle für Kühlmittel auf (nicht dargestellt).
Die Oberfläche 17 des Kühlkanals 16 ist erfindungsgemäß strukturiert. Im Ausführungsbeispiel beschränkt sich die Strukturierung auf den oberen Bereich der Oberfläche 17, ausgehend vom Zenit 18 des Kühlkanals 16 in Richtung seines Äquators 19. Die Oberfläche 17 des Kühlkanals 16 weist parallel zur Ringpartie 15 umlaufende, im Ausführungsbeispiel parallel zueinander verlaufende Rillen 21 auf. Die Rillen 21 erstrecken sich im Ausführungsbeispiel ausgehend vom Zenit 18 auf dem der Ringpartie 15 abgewandten Teil der Oberfläche 17 bis etwa auf die Höhe der Verbrennungsmulde 13. Auf dem der Ringpartie 15 zugewandten Teil der Oberfläche 17 erstrecken sich die Rillen 21 im Ausführungsbeispiel ausgehend vom Zenit 18 über den Äquator 19 hinaus. Der strukturierte Bereich der Oberfläche 17 des Kühlkanals 16 ist also ausgehend vom Zenit 18 asymmetrisch gestaltet und auf der Innenseite der Oberfläche 17 des Kühlkanals 16 weiter nach unten gezogen als auf der Außenseite. Diese Darstellung ist selbstverständlich lediglich beispielhaft. Die Oberfläche 17 des Kühlkanals 16 kann, je nach den Anforderungen des Einzelfalls, in beliebigen Bereichen strukturiert sein.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110, wobei lediglich der obere Bereich des Kühlkanals 16 vergrößert dargestellt ist. Mit 1 übereinstimmende Bezugszeichen bezeichnen die mit dem Kolben 10 gemäß 1 bereits beschriebenen übereinstimmenden Strukturen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Oberfläche 17 des Kühlkanals 16 des Kolbens 110 einen anderen strukturierten Bereich aufweist. Ausgehend vom Zenit 18 des Kühlkanals 16 erstrecken sich die Rillen 21 auf dem der Ringpartie 15 abgewandten Teil der Oberfläche 17 bis unterhalb der Verbrennungsmulde 13. Auf dem der Ringpartie 15 zugewandten Teil der Oberfläche 17 erstrecken sich die Rillen 21 bis etwa in Höhe des oberen Teils der Ringpartie 15. Der asymmetrisch gestaltete strukturierte Bereich der Oberfläche 17 des Kühlkanals 16 ist also ausgehend vom Zenit 18 auf der Außenseite der Oberfläche 17 des Kühlkanals 16 weiter nach unten gezogen als auf der Innenseite.
Dank der vergrößerten Darstellung ist zu erkennen, dass im Ausführungsbeispiel der Querschnitt der Rillen 21 in etwa V-förmig ist. Andere Querschnitte, bspw. U-förmige oder runde Querschnitte, sind selbstverständlich ebenfalls geeignet. Die Tiefe der Rillen 21 beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 0,15 mm, kann jedoch insbesondere im Bereich von 0,10 mm bis 0,3 mm variieren.
Die Strukturierung der Oberfläche 17 des Kühlkanals 16 kann je nach Wunsch in zahlreichen weiteren Varianten ausgeführt sein, die hier nicht im Einzelnen darge stellt sind. Die Strukturierung kann feiner oder gröber sein, bspw. mit zahlreichen und/oder flacheren Rillen 21 oder mit wenigen und/oder tieferen Rillen 21. Auch innerhalb des strukturierten Bereichs eines Kolbens kann die Strukturierung gröber oder feiner gewählt werden, bspw. gröber im Bereich des Zenits und feiner im Bereich des Äquators. Die strukturierten Bereiche der Oberfläche 17 des Kühlkanals 16 können in ihrer Größe und Anordnung auf der Oberfläche 17 unterschiedlich gestaltet sein, um unterschiedlichen Anforderungen an den jeweiligen Kolben zu genügen.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens 10, 110 erfolgt unter Verwendung eines Salzkerns mit einer entsprechend strukturierten Oberfläche. Zur Veranschaulichung ist in 2 ein Kolben 110 in einem Verfahrensstadium nach dem Gießen und Aushärten dargestellt, in dem der Salzkern 30 noch vorhanden ist (in 2 punktiert angedeutet), also noch nicht aus dem Kühlkanal 16 ausgespült ist. Die erfindungsgemäß strukturierte Oberfläche 31 des Salzkerns 30 stellt sozusagen ein Negativ der Strukturierung der Oberfläche 17 des Kühlkanals 16 dar.
Der Salzkern 30 wird in an sich bekannter Weise durch Pressen eines geeigneten Werkstoffs und Nachbearbeiten des resultierenden Rohlings hergestellt. Erfindungsgemäß wird die Oberfläche 31 des Salzkerns 30 im Verlauf der Nachbearbeitung des Rohlings strukturiert. Dies kann insbesondere durch einen modifizierten Vorschub des zur Nachbearbeitung verwendeten Werkzeugs oder durch entsprechende profilierte Schneidplatten am zur Nachbearbeitung verwendeten Werkzeug erfolgen. In diesen Fällen ist kein zusätzlicher Bearbeitungsschritt notwendig.
Die Strukturierung der Oberfläche 31 des Salzkerns 30 erfolgt durch Einbringen von Vertiefungen 32. Dadurch werden umlaufende Erhöhungen 33 gebildet, die den bereits beschriebenen umlaufenden Rillen 21 im resultierenden Kühlkanal 16 entsprechen. Um die Anordnung der umlaufenden Erhöhungen 33 mit der im Einzelfall gewünschten Positionierung der umlaufenden Rillen 21, wie in den 1 und 2 beispielhaft dargestellt, zu korrelieren, wird an der Oberfläche 31 des Salzkerns 30 ein Pol 34 definiert, der dem Zenit 18 des resultierenden Kühlkanals 10, 110 entspricht. Ausgehend vom Pol 34 werden die umlaufenden Erhöhungen 33 so auf der Oberfläche 31 des Salzkerns 30 vorgesehen, dass sich die gewünschte Variante der Strukturierung der Oberfläche 17 des resultierenden Kühlkanals 16 ergibt, insbesondere hinsichtlich Größe, Anordnung und Feinheit der Strukturierung, d. h. Anzahl und Höhe der Erhöhungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004006600 A1 [0002]

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenschaft (12) und einem gegossenen Kolbenkopf (11) mit einem Kolbenboden, einem Feuersteg (14), einer Ringpartie (15) und einem im Kolbenkopf (11) in Höhe der Ringpartie (15) umlaufenden Kühlkanal (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (17) des Kühlkanals (16) umlaufende Rillen (21) aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufenden Rillen (21) parallel zueinander verlaufen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufenden Rillen (21) im Querschnitt etwa U-förmig oder V-förmig sind.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der umlaufenden Rillen (21) 0,1 mm bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,15 mm beträgt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Querrillen vorgesehen sind, welche die umlaufenden Rillen (21) verbinden.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querrillen eine geringere Tiefe aufweisen als die umlaufenden Rillen (21).
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufenden Rillen (21) auf der gesamten Oberfläche (17) des Kühlkanals (16) vorgesehen sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufenden Rillen (21) ausgehend vom Zenit (18) des Kühlkanals (16) in Rich tung des Äquators (19) auf der Oberfläche (17) des Kühlkanals (16) angeordnet sind.
Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufenden Rillen (21) auf der gesamten vom Zenit (18) bis zum Äquator (19) des Kühlkanals (16) reichenden Oberfläche (17) des Kühlkanals (16) vorgesehen sind.
Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufenden Rillen (21) ausgehend vom Zenit (18) auf einem Bereich der vom Zenit (18) bis zum Äquator (19) des Kühlkanals (16) reichenden Oberfläche (17) des Kühlkanals (16) vorgesehen sind.
Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Zenit (18) der der Ringpartie (15) abgewandte mit umlaufenden Rillen (21) versehene Teil der Oberfläche (17) des Kühlkanals (16) größer oder kleiner ist als der der Ringpartie (16) zugewandte mit umlaufenden Rillen (21) versehene Teil der Oberfläche (17) des Kühlkanals (16).
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, nämlich ein einteiliger gegossener Kolben oder ein zweiteiliger Kolben mit gegossenem Kolbenkopf.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenschaft (12) und einem gegossenen Kolbenkopf (11) mit einem Kolbenboden, einem Feuersteg (14), einer Ringpartie (15) und einem im Kolbenkopf (11) in Höhe der Ringpartie (15) umlaufenden Kühlkanal (16), wobei ein ringförmiger Salzkern (30) in eine Gussform verbracht und in der Gussform umgossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (31) des Salzkerns (30) vor dem Verbringen in die Gussform mit umlaufenden Erhöhungen (33) versehen wird, indem umlaufende Vertiefungen (32) in die Oberfläche (31) des Salzkerns (30) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (31) des Salzkerns (30) mit parallel zueinander verlaufenden umlaufenden Erhöhungen (33) versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (31) des Salzkerns (30) mit im Querschnitt etwa U-förmigen oder V-förmigen Erhöhungen (33) versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (31) des Salzkerns (30) mit umlaufenden Erhöhungen (33) mit einer Höhe von 0,1 mm bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,15 mm, versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass quer verlaufende Vertiefungen in die Oberfläche (31) des Salzkerns (30) eingebracht werden, so dass quer verlaufende Erhöhungen resultieren, welche die umlaufenden Erhöhungen (33) kreuzen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die quer verlaufenden Erhöhungen mit einer geringeren Höhe als die umlaufenden Erhöhungen (33) vorgesehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Oberfläche (31) des Salzkerns (30) mit umlaufenden Erhöhungen (33) versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (31) des Salzkerns (30) ausgehend von dem den Zenit (18) des herzustellenden Kühlkanals (16) definierenden Pol (34) in Richtung des Äquators mit umlaufenden Erhöhungen (33) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufenden Erhöhungen (33) entlang der gesamten vom Pol (34) bis zum Äquator reichenden Oberfläche (31) des Salzkerns (30) vorgesehen werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufenden Erhöhungen (33) ausgehend vom Pol (34) auf einem Bereich der vom Pol (34) bis zum Äquator reichenden Oberfläche (31) des Salzkerns (30) vorgesehen werden.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Pol (34) der innere mit umlaufenden Erhöhungen (33) versehene Teil der Oberfläche (31) des Salzkerns (30) größer oder kleiner ist als der äußere mit umlaufenden Erhöhungen (33) versehene Teil der Oberfläche (31) des Salzkerns (30).
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein einteiliger Kolben (10) oder ein Kolbenkopf (11) für einen zweiteiligen Kolben hergestellt wird.