DE102009025063A1

DE102009025063A1 - Leichtmetallkolben mit Mehrfach-Omega-Brennraummulde

Info

Publication number: DE102009025063A1
Application number: DE102009025063A
Authority: DE
Inventors: Volker Gniesmer
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-30
Also published as: EP2440760A1; WO2010142389A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellten Kolben (1) einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenoberteil (2), das im Bereich eines Kolbenbodens (3) eine Brennraummulde (4a) aufweist. Außenseitig umfasst das Kolbenoberteil (2) ein zur Aufnahme von Kolbenringen bestimmtes Ringfeld (5), an das sich ein Kolbenschaft (6) anschließt, in dem diametral gegenüberliegende Nabenbohrungen (7) eingebracht sind. Zur Bildung einer Merhfach-Omega-Brennraummulde (8) ist der Muldenrand (10a) von einer radial beabstandeten, in dem Kolbenboden (3) eingebrachten gerundeten Ausnehmung umschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft einen aus einem Leichmetallwerkstoff, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellten Gußkolben einer Diesel-Brennkraftmaschine. Der Kolben umfasst ein Kolbenoberteil, das im Bereich eines Kolbenbodens eine omegaförmige Brennraummulde aufweist sowie außenseitig ein Ringfeld zur Aufnahme von Kolbenringen. An das Kolbenoberteil schließt sich ein Kolbenschaft an, in dem diametral gegenüberliegende Nabenbohrungen eingebracht sind.
Die Gestaltung der Kolbenmulde beeinflusst maßgeblich das Betriebs- und Abgasverhalten einer Diesel-Brennkraftmaschine. Die unterschiedlichen Anforderungen zwischen dem Teillast- und dem Volllastbetrieb einer Brennkraftmaschine erfordern einen Kompromiss bei der Auslegung der Kolbenmulde. Hierbei hat sich die sogenannte Omega-Muldenform als besonders geeignet herausgestellt, die im Kolbenboden eine symmetrisch gewölbte Kolbenmulde bildet. In der DE 196 21 635 A1 ist ein Kolben für eine Diesel-Brennkraftmaschine mit einer derartigen Brennraummulde offenbart.
Infolge der Leistungssteigerung von Diesel-Brennkraftmaschinen wird der Kolbenboden, insbesondere die Brennraummulde von Leichtmetallkolben einer erhöhten Beanspruchung durch die mechanische Belastung des Gasdrucks und des erhöhten Temperaturniveaus sowie den Spannungen aus den Temperaturgradienten ausgesetzt. Andererseits besteht die Forderung, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Kolben zu steigern. Dabei unterliegt insbesondere der Muldenrand der Brennraummulde einem kritischen Beanspruchungszustand, da die beschleunigte Gasströmung den Wärmeübergang in dieser Zone verstärkt. Dadurch steigt die Temperatur des Muldenrandes und führt zusammen mit der großen Tangentialspannung aus der Temperaturverteilung zu einer überelastischen Beanspruchung.
Herkömmliche für Diesel-Brennkraftmschinen bestimmte Kolben aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung unterliegen im Betriebszustand an dem heißen Randbereich der Brennraummulde einer erhöhten LCF(Low Cycle Fatigue)-Belastung, die ein Maßstab für die Werkstoffermüdung unter niederfrequenter Schwelllast darstellt, was sich oftmals in nicht akzeptablen Thermoschock-Anrissen zeigt. Diese Anrisse, insbesondere senkrecht zum Brennraummuldenrand verlaufende Ermüdungsrisse werden durch eine plastische Deformation des heißen Randbereichs der Brennraummulde während des Aufheizvorgangs verursacht. Der Muldenrand dehnt sich aufgrund hoher Temperatur aus, während das dahinter liegende Gefüge mit einem geringeren Tempreaturniveau eine Werkstoffausdehnung blockiert, mit der Folge einer Plastifizierung. Im Abkühlvorgang des Kolbenbodens zieht sich der Randbereich der Brennraummulde in seine Ausgangsform zurück, wodurch sich im Werkstoffgefüge Zugspannungen einstellen, die zulässige Grenzwerte des Werkstoffs überschreiten mit der Folge einer Rissbildung.
Zur Vermeidung von derartigen Anrissen im Randbereich der Brennraummulde ist es bekannt, beispielsweise lokal konzentriert temperaturfeste Werkstoffe oder Faserkörper anzuordnen. Aus der US 4,334,507 ist bekannt, den Muldenrand einer Brennraummulde mit einer Bewehrung aus gesintertem, porösem Chrom-Nickelstahl zu verstärken, der bei der Kolbenherstellung unter Druck mit der Schmelze infiltriert wird. Gemäß der DE 34 30 056 werden zur Bewehrung des Muldenrandes Fasern aus Al₂O₃-Fasern eingesetzt.
Um die Eigenschaften des Muldenrandbereichs hinsichtlich Temperaturschock und Rissgefahr zu verbessern sind weiterhin Umschmelzverfahren bekannt. Diese Verfahren beruhen darauf, dass ein in den Werkstoff eindringender Ladungsträgerstrahl eine kleine, unmittelbar in seinem Bereich liegende Werkstoffmenge zur lokalen Erzeugung eines feinkörnigen Gefüges aufschmilzt, während die Umgebung der Schmelzzone kalt bleibt und das aufgeschmolzene Material nach dem Entfernen des Ladungsträgers abkühlt und sofort wieder erstarrt. Die DE 21 245 595 offenbart ein derartiges Umschmelzverfahren. Nachteilig wird mit diesem Verfahren nur eine kleine, nicht ausreichende unmittelbar im Bereich des Ladungsträgerstrahls befindliche Werkstoffzone aufgeschmolzen. Außerdem erhöhen derartige Einsatzkörper das Gewicht des Leichtmetallkolbens und besitzen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit einer verbesserten thermischen Ermüdungsfestigkeit im Randbereich der Brennraummulde zu realisieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung umfasst einen Kolbenboden mit einer Mehrfach-Omega-Brennraummulde. Der Muldenrand der vorzugsweise zentral positionierten Brennraummulde ist dazu von zumindest einer zu dem Randbereich der Brennraummulde radial beabstandeten, rotationssymmetrisch im Kolbenboden eingebrachten Ausnehmung umschlossen.
Das konstruktive Konzept gemäß der Erfindung verbessert die elastische Verformung des Muldenrandbereichs unter thermischer Belastung, wodurch sowohl die LCF-Belastung, die thermische Ermüdungsfestigkeit, als auch die thermoschockabhängige Bauteillebensdauer und damit die gesamte Lebensdauer des Kolbens entscheidend gesteigert werden.
Diese die Dauerfestigkeit des Kolbens positiv beeinflussende, kostengünstig realisierbare Maßnahme steigert neben der Lebensdauer auch die Wirtschaftlichkeit des Kolbens. Die vorgeschlagenen erfindungsgemäßen kostengünstig umsetzbaren Maßnahmen tragen entscheidend dazu bei, einer Rissbildung bzw. einer Plastifizierung des Grundgefüges im Randbereich der Brennraummulde entgegenzuwirken. Die ergänzende Ausnehmung in Verbindung mit der zentralen Brennraummulde zur Bildung einer Mehrfach-Omega-Brennraummulde, bewirkt eine verbeserte Elastizität, wodurch sich der Randbereich ohne Gefahr einer plastischen Verformung thermisch ausdehnen kann.
Außerdem bewirkt die Erfindung eine thermo-mechanische Entlastung von Muldenrandbereichen, da sich die kritische, thermisch hoch belastete Randzone der Brennraummulde bei der Aufheizung deutlich mehr elastisch verformen kann. Das Entstehen plastischer Verformungen bei der Temperaturausdehnung als Ausgangsursache für Thermoschock-Anrisse wird damit weitestgehend verhindert. Folglich stellt sich durch die Erfindung für die Muldenränder bzw. Randzonen bzw. Randbereiche der Brennraummulde oder Brennraummulden vorteilhaft eine höhere LCF-Belastung ein sowie eine verbesserte Beständigkeit gegenüber extremen Temperaturwechseln. Innerhalb dieser Relationen von konstruktiv ausgeführten Omega-Mulden gemäß der Erfindung, ist auch ein optimaler Schutz der Muldenränder gegen Thermoschock-Anrisse gewährleistet.
Zur Darstellung einer Doppel-Omega-Brennraummulde ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die einen zylindrisch zu einer Längsachse der Brennraummulde verlaufenden Muldenrand aufweisende insbesondere zentral positionierte Brennraummulde von einer in dem Kolbenboden eingebrachten Ausnehmung in Form eines Hinterschnitts oder einer nutförmigen, als Umlaufnut ausgebildeten, gerundeten Vertiefung umschlossen ist.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung schließt die Gestaltung einer Triple-Omega-Brennraummulde ein. Der Muldenrand dieser Brennraummulde weist kolbenbodenseitig eine eingezogene, radial nach innen ausgerichtete, eine einem Balkon vergleichbare Kontur auf, die einen Hinterschnitt bildet. Dieser Muldenrand ist von zwei zueinander beabstandeten, in dem Kolbenboden eingebrachten Ausnehmungen umschlossen. Durch diesen eine Triple-Omega-Brennraummulde bildenden Aufbau kann sich der Muldenrand bzw. die Muldenränder in einem noch größeren Umfang thermisch ausdehnen, ohne Gefahr einer nachteilig plastischen Verformung.
Als Ausnehmungen für eine Triple-Omega-Brennraummulde schließt die Erfindung Umlaufnuten oder Hinterschnitte ein, die sowohl umlaufend geschlossen als auch wechselweise partiell unterbrochen ausgespart in dem Kolbenboden eingebracht sind. Damit ist die Möglichkeit geschaffen, die Triple-Omega-Brennraummulde beispielsweise an die umfangsbezogen unterschiedlichen thermischen Kolbenbelastungen im Betriebszustand anzupassen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erfindungsgemäß zusätzlich eingebrachte Umlaufnut bzw. nutförmige Vertiefung so in den Kolbenboden eingebracht ist, dass sich ein gestufter Abschnitt einstellt. Für eine Triple-Omegamulde können bedarfsabhängig die zwei Umlaufnuten oder nutförmigen Vertiefungen gestuft und/oder in abweichenden oder unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet sein werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bietet es sich an, die Umlaufnut, nutförmige Vertiefung oder den Hinterschnitt zur Schaffung einer mehrstufigen Omega-Kolbenmulde mit einem hochelastischen Werkstoff auszufüllen. Diese Maßnahme bietet den Vorteil, dass die zusätzlich eingebrachten nutförmigen Vertiefungen keinen negativen Einfluss auf den Verbrennungsprozess nehmen und beispielsweise die Gasströmung beeinflussen.
Durch eine Variation von gestuft angeordneten nutförmigen Vertiefungen, Hinterschnitten oder Umlaufnuten, zur Schaffung einer Triple-Omega-Brennraummulde ermöglicht eine Einflussnahme auf die Kontur, das Profil des Kolbenbodens.
Bevorzugt beträgt das Verhältnis der Durchmesser zwischen der zentralen Brennraummulde und der ersten Umlaufnut oder der ersten nutförmigen Ausnehmung 0,55 bis 1,1. Weiterhin ist erfindungsgemäß für eine Triple-Omega-Brennraummulde ein Verhältnis der Durchmesser von der ersten Umlaufnut oder dem ersten Hinterschnitt und der zweiten Umlaufnut oder dem zweiten Hinterschnitt von 0,3 bis 1,0 vorgesehen. Ein weiteres erfindungsgemäßes Auslegungskriterium sieht vor, dass die Umlaufnuten, die nutförmige Vertiefungen oder die Hinterschnitte eine Tiefe „y₁, y₂” von vorzugsweise 0,5 bis 3% des Kolbendurchmessers aufweisen. Für die Radien „r1” und „r2” in den Scheitelpunkten zwischen den einzelnen Brennraummulden ist ein bevorzugtes Maß zwischen 0,5 bis 5 mm vorgesehen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1: in einem Halbschnitt einen erfindungsgemäß gestalteten Kolben mit einer Doppel-Omega-Brennraummulde,
2: einen Ausschnitt des Kolbens gemäß 1, der eine Doppel-Omega-Brennraummulde als Einzelheit zeigt,
3: in einer vergrößerten Darstellung eine Triple-Omega-Brennraummulde als Einzelheit,
4: eine der 2 vergleichbare Darstellung einer Doppel-Omega-Brennraummulde mit einer Umlaufnut,
5: eine Triple-Omega-Brennraummulde als Einzelheit, wobei die äußeren Brennraummulden als Umlaufnuten ausgeführt sind,
6: eine Triple-Omega-Brennraummulde gemäß 5, deren äußere Brennraummulden von einem elastischen Werkstoff ausgefüllt sind.
Die 1 zeigt einen Kolben 1 aus Aluminium bzw. aus einer Aluminiumlegierung, der ein Kolbenoberteil 2 umfasst, das im Bereich eines Kolbenbodens 3 eine zentrale Brennraummulde 4a einschließt sowie außenseitig zur Aufnahme von in den 1 und 2 nicht dargestellten Kolbenringen ein Ringfeld 5. An das Kolbenoberteil 2 schließt sich ein Kolbenschaft 6 an, in dem zwei diametral gegenüberliegende Nabenbohrungen 7 eingebracht sind. Zur Bildung einer Doppel-Omega-Brennraummulde 8 ist ein zylindrisch verlaufender, zu einer Längsachse 13 rotationssymmetrisch angeordneter Muldenrand 10a der Brennraummulde 4a von einer als gerundete, nutförmige Vertiefung ausgebildeten Umlaufnut 9 radial beabstandet umschlossen. Die einen in Richtung des Kolbenbodens 3 ausgerichteten, gewölbt und abgerundet ausgebildenden Kompressionsvorsprung 14 aufweisende Brennraummulde 4a ist dabei durch einen schmal dimensionierten, einen Scheitelpunkt 11a bildenden Vorsprung von der Umlaufnut 9 getrennt.
Die 2 bis 6 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäß gestalteten Mehrfach-Omega-Brennraummulden, wobei übereinstimmende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich auf unterschiedliche Details der erfindungsgemäßen Mehrfach-Brennraummulden.
Die Doppel-Omega-Brennraummulde 8 gemäß 2 schließt die Brennraummulde 4b ein, mit einem kolbenbodenseitig als Hinterschnitt ausgeführten, einen Balkon 15 bildenden Muldenrand 10b. Als zweite Brennraummulde ist in dem Kolbenboden 3 als nutförmige Vertiefung eine Umlaufnut 9 vorgesehen, welche durch den axial vorspringenden Balkon 15 und den sich daran anschließenden Scheitelpunkt 11b von der Brennraummulde 4b getrennt ist.
Die 3 zeigt eine Triple-Omega-Brennraummulde 12. Dabei ist die zentrische, um die Längsachse 13 angeordnete Brennraummulde 4b von zwei weiteren Brennraummulden umschlossen. An den Scheitelpunkt 11b schließen sich zur Bildung einer zweiten und dritten Brennraummulde jeweils radial beabstandete und zueinander höhenversetzt angeordnete Hinterschnitte 16, 17 an, die durch den Scheitelpunkt 18 getrennt sind. Als Hinterschnitte 16, 17 eignen sich beispielsweise gerundet ausgeführte Ausnehmungen. Die Triple-Omega-Brennraummulde 12 kann konstruktiv an unterschiedliche Erfordernisse angepasst werden. Sowohl die einzelnen Durchmesser „D_B” für die Brennraummulde 4a als auch die Durchmesser „D₁, D₂” für die als Hinterschnitte 16, 17 gestalteten zusätzlichen Brennraummulden können den jeweiligen Anforderungen, insbesondere den thermischen Belastungen und/oder der Werkstoffbeschaffenheit angepasst werden. Weiterhin kann auch die axiale Lage zwischen den einzelnen Hinterschnitten 16, 17 sowie in Verbindung mit der Brennraummulde 4a variabel ausgelegt werden. Dabei bestimmt das Maß „S₁” den Abstand zwischen der Brennraummulde 4a und dem Scheitelpunkt 11b und damit der Lage des Hinterschnitts 16. Das Maß „S₂” definiert einen Abstand zwischen dem Kolbenboden 3 und dem Scheitelpunkt 18. Die geometrische Auslegung bezieht sich außerdem auf eine variable Gestaltung der Tiefen für die Hinterschnitte 16, 17, gekennzeichnet durch „y₁; y₂”. Die Scheitelpunkte 11b, 18 sind zur Bildung von gerundeten Übergängen als Radien R₁ _, R₂ gestaltet, die gleich oder zueinander abweichend ausgelegt sind.
Gemäß den 4 bis 6 sind der Doppel-Omega-Brennraummulde 8 sowie der Triple-Omega-Brennraummulde 12 alternativ zu den 1 bis 3 rotationssymmetrisch angeordnete Umlaufnuten 19, 20 zugeordnet. Diese weitestgehend ein U-förmiges Querschnittsprofil bildenden Umlaufnuten 19, 20 stimmen von der Lage und der geometrischen Anordnung mit den Hinterschnitten 16, 17, gemäß den 2 und 3 bzw. der als nutförmige Vertiefung gestalteten Umlaufnut 9 in 1. nahezu überein.
Die Umlaufnuten 19, 20 der Triple-Omega-Brennraummulde 12 gemäß 6 sind mit einem hochelastischen Werkstoff ausgefüllt, wodurch sich zwar eine gestufte, aber ansonsten keine Unterbrechung aufweisende Kontur außerhalb der zentralen Brennraummulde 4b einstellt. Damit unterbleibt eine Beeinflussung der Gasströmung während des Verbrennungsprozesses. Andererseits ermöglicht der hochelastische Werkstoff eine elastische Dehnung bei Temperaturwechseln. Alternativ zu der 6 bietet es sich an, Hinterschnitte 16, 17 einer Triple-Omega-Brennraummulde 12 oder eine als nutförmige Vertiefung ausgebildete Umlaufnut 9 der Doppel-Omega-Brennraummulde 8 mit einem geeigneten hochelastischen Werkstoff auszufüllen.

1: Kolben
2: Kolbenoberteil
3: Kolbenboden
4a: Brennraummulde
4b: Brennraummulde
5: Ringfeld
6: Kolbenschaft
7: Nabenbohrung
8: Brennraummulde
9: Umlaufnut
10a: Muldenrand
10b: Muldenrand
11a: Scheitelpunkt
11b: Scheitelpunkt
12: Brennraummulde
13: Längsachse
14: Kompressionsvorsprung
15: Balkon
16: Hinterschnitt
17: Hinterschnitt
18: Scheitelpunkt
19: Umlaufnut
20: Umlaufnut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19621635 A1 [0002]
- US 4334507 [0005]
- DE 3430056 [0005]
- DE 21245595 [0006]

Claims

Kolben (1), gebildet aus einem Leichmetallwerkstoff, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung einer Diesel-Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenoberteil (2), das im Bereich eines Kolbenbodens (3) eine omegaförmige Brennraummulde (4a, 4b) aufweist sowie außenseitig ein Ringfeld (5) zur Aufnahme von Kolbenringen und einen sich an das Kolbenoberteil (2) anschließenden Kolbenschaft (6), in dem diametral gegenüberliegende Nabenbohrungen (7) eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer Mehrfach-Omega-Brennraummulde (4a, 4b) ein Muldenrand (10a, 10b) der Brennraummulde (4a, 4b) von zumindest einer zu dem Muldenrand (10a, 10b) radial beabstandeten, in dem Kolbenboden (3) rotationssymmetrisch eingebrachten, weitestgehend umlaufenden Ausnehmung umschlossen ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrisch zu einer Längsachse (13) der Brennraummulde (4a) verlaufende Muldenrand (10a) bzw. die Muldenwandung zur Bildung einer Doppel-Omega-Brennraummulde (8) von einem in dem Kolbenboden (3) eingebrachten Hinterschnitt oder einer nutförmigen als Umlaufnut (9) ausgebildeten Vertiefung umschlossen ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Muldenrand (10b) der zentralen Brennraummulde (4b) eine eingezogene, radial nach innen ausgerichtete Kontur aufweist, die kolbenbodenseitig einen als Hinterschnitt ausgebildeten Balkon (15) bildet.
Kolben (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Muldenrand (10b) zur Bildung einer Triple-Omega-Brennraummulde (12) von zwei in dem Kolbenboden (3) eingebrachten, radial beabstandeten Ausnehmungen umschlossen ist, die als Hinterschnitt (16, 17) oder als Umlaufnut (9) ähnlich einer nutförmigen Vertiefung ausgebildet sind.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei in dem Kolbenboden (3) eingebrachten, radial beabstandeten Umlaufnuten (9) oder Hinterschnitte (16, 17) zueinander versetzt und axial gestuft angeordnet sind.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei in dem Kolbenboden (3) angeordneten Umlaufnuten (9) oder Hinterschnitte (16, 17) übereinstimmend umlaufend geschlossen sind oder wechselweise partielle Unterbrechungen aufweisen.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufnut (9) oder der Hinterschnitt (16, 17) der Doppel-Omega-Brennraummulde (8) oder der Triple-Omega-Brennraummulde (12) mit einem hochelastischen Werkstoff ausgefüllt ist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von 0,55 bis 1,1 zwischen dem Durchmesser (D_B, D₁) der Brennraummulde (4b) und der ersten Umlaufnut (9) oder dem ersten Hinterschnitt (16) vorgesehen ist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von 0,3 bis 1,0 zwischen dem Durchmesser (D₁, D₂) von der ersten Umlaufnut (9) oder dem ersten Hinterschnitt (16) und dem zweiten Hinterschnitt (17) vorgesehen ist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufnut (9) oder der Hinterschnitt (16, 17) eine Tiefe „Y₁, Y₂” von ≥ 0, vorzugsweise 0,5 bis 3% von dem Durchmesser „D_k” des Kolbens (1) aufweist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die gerundet gestalteten Scheitelpunkte (11a, 11b, 18) der Doppel-Omega-Brennraummulde (8) oder der Tripie-Omega-Brennraummulde (12) Radien „R₁, R₂” zwischen 0,5 bis 5 mm vorgesehen sind.