DE102011107774A1

DE102011107774A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102011107774A1
Application number: DE102011107774A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Bischofberger
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2013-01-17
Also published as: WO2013010528A1; CN103688035A; US9416750B2; US20140230775A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (17), der einen Kolbenboden (12, 32), einen Feuersteg (13), eine Ringpartie (14) und eine Verbrennungsmulde (16) mit einem Muldenboden (16a), einer Muldenwand (16b, 27, 127) sowie einer aus einem ringförmigen Bauteil (24, 124) gebildeten Einsatz aufweist, die mittels eines Hinterschnitts (28) im Kolbenkopf (17) gehalten ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bauteil (24, 124) eine muldenseitige Innenwand (27, 127) aufweist, die unter Ausbildung eines spitz zulaufenden umlaufenden Rands (29, 129) bündig und stetig mit der Muldenwand (16b) oder dem Muldenboden (16a) ausläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf, der einen Kolbenboden, einen Feuersteg, eine Ringpartie und eine Verbrennungsmulde mit einem Muldenboden, einer Muldenwand sowie einer aus einem ringförmigen Bauteil gebildeten Einsatz aufweist, die mittels eines Hinterschnitts im Kolbenkopf gehalten ist.
Ein gattungsgemäßer Kolben ist aus den Druckschriften DE-AS 1 032 600 und DE 43 40 267 A1 bekannt. Diese Kolben weisen eine Muldenrandverstärkung auf, die aus einem ringförmigen Bauteil gebildet und mittels eines Hinterschnitts im Kolbenkopf gehalten ist.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass bei Temperaturwechselbeanspruchung des Kolbens im Motorbetrieb hinter dem Bauteil Risse im Werkstoff des Kolbenkopfes auftreten können, die zum vorzeitigen Versagen des Kolbens führen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass die Gefahr der Rissbildung im Kolbenkopf im Bereich des die Muldenrandverstärkung bildenden Bauteils reduziert wird.
Die Lösung besteht darin, dass das Bauteil eine muldenseitige Innenwand aufweist, die bündig und stetig mit dem Muldenboden ausläuft.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des die Muldenrandverstäkung bildenden Bauteils im Kolbenkopf reduziert die Gefahr der Spaltbildung im Bereich des Muldenbodens, die aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe von Kolbenkopf und Bauteil durch Wechseltemperaturbeanspruchung des Kolbens im Motorbetrieb auftritt. Unabhängig von den verwendeten Werkstoffen und ihren Temperaturkoeffizienten führt die Ausdehnung des Kolbenkopfwerkstoffs, des Bauteilwerkstoffs oder beider Werkstoffe immer dazu, dass das Bauteil stets fest und plan gegen den Kolbenkopf gepresst wird. Beim Erkalten des Kolbens wird eine Spaltbildung im Bereich der Muldenwand oder des Muldenbodens aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Bauteils in diesem Bereich vermieden.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung weist das Bauteil eine Stirnfläche und eine feuerstegseitige Außenfläche auf, die radial nach außen unter Ausbildung eines spitzen Winkels stetig zum Kolbenboden auslaufen, und dass die Stirnfläche bündig zum Kolbenboden angeordnet ist. Mit dieser Maßnahme wird zusätzlich eine durch Wechseltemperaturbeanspruchung hervorgerufene Spaltbildung im Bereich des Kolbenbodens vermieden.
Die Muldenwand der Verbrennungsmulde kann, abhängig von den Anforderungen des Einzelfalls, teilweise oder vollständig von dem Bauteil gebildet sein.
Vorzugsweise geht die muldenseitige Innenfläche mittels einer Abrundung in die Stirnfläche des Bauteils über. Die dadurch gebildete Muldenrandverrundung reduziert die Gefahr von Rissbildungen im Bauteil in diesem Bereich bei hoher Temperaturbeanspruchung des Muldenrandes.
Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einem auf Kohlenstoff basierenden Werkstoff, wie synthetisch hergestellte polygranulare Kohlenstoffe oder Grafite, insbesondere Gesenk gepresste Kohlenstoffe und Grafite. Dieser Werkstoff ist sowohl leicht als auch temperaturwechselbeständig.
Der Kolbengrundkörper kann insbesondere aus einer Leichtmetalllegierung auf der Basis von Aluminium bestehen. Diese Werkstoffe haben einen besonders hohen Temperaturausdehnungskoeffizienten, so dass die vorliegende Erfindung besonders für diese Kolbentypen gut geeignet ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden 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 in einer vergrößerten Teildarstellung im Schnitt.
1 zeigt ein erstes besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10 im Schnitt. Der Kolben 10 weist einen im Ausführungsbeispiel einteiligen Kolbengrundkörper 11 auf, der im Ausführungsbeispiel aus einer Leichtmetalllegierung auf der Basis von Aluminium hergestellt ist. Die vorliegende Erfindung kann selbstverständlich mit allen ein- oder mehrteiligen Kolbentypen verwirklicht werden. Der Kolbengrundkörper 11 weist einen Teil 12 eines Kolbenbodens, einen umlaufenden Feuersteg 13 sowie eine umlaufende Ringpartie 14 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Ferner ist etwa in Höhe der Ringpartie 14 ein umlaufender Kühlkanal 15 vorgesehen. Der Kolbengrundkörper 11 weist ferner den Boden 16a einer Verbrennungsmulde 16 auf. Der Kolbengrundkörper 11 bildet somit einen großen Teil des Kolbenkopfes 17 des Kolbens 10.
Der Kolbengrundkörper 11 bildet ferner den Kolbenschaft 21 des erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolbenschaft 21 weist in an sich bekannter Weise Naben 22 und Nabenbohrungen 23 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf.
Im Kolbenkopf 17 ist ferner ein ringförmiges Bauteil 24 aufgenommen. Das Bauteil 24 weist eine Stirnfläche 25, eine feuerstegseitige Außenfläche 26 sowie eine muldenseitige Innenfläche 27 auf. Das Bauteil 24 ist im Ausführungsbeispiel in an sich bekannter Weise aus einem auf Kohlenstoff basierenden Werkstoff hergestellt, wie synthetisch hergestellte polygranulare Kohlenstoffe oder Grafite, insbesondere Gesenk gepresste Kohlenstoffe und Grafite- definiert durch eine Korngröße von kleiner 1000 μm, einer Dauerfestigkeit von min. 10 MPa, einer Wärmeleitfähigkeit von 10 bis 100 W/mK, einem E-Modul von 10 bis 20 GPa und einer Dichte von 1,7 bis 2,2 g/cm³.
Das Bauteil 24 ist mittels eines Hinterschnitts 28 im Kolbenkopf 17 derart gehalten, dass seine muldenseitige Innenfläche 27 im Ausführungsbeispiel die vollständige Muldenwand der Verbrennungsmulde 16 bildet.
Die muldenseitige Innenfläche 27 des Bauteils 24 läuft bündig und stetig mit dem Muldenboden 16a der Verbrennungsmulde 16 aus. Hierbei bilden die feuerstegseitige Außenfläche 26 und die muldenseitige Innenfläche 27 des Bauteils 24 einen spitz zulaufenden, umlaufenden Rand 29. Mit dieser Maßnahme wird eine durch Wechseltemperaturbeanspruchung hervorgerufene Spaltbildung im Bereich des Muldenbodens 16a vermieden.
Bei der in 1 gezeigten besonders bevorzugten ersten Ausführungsform des Kolbens 10 ist das Bauteil 24 so im Kolbenkopf 17 angeordnet, dass seine Stirnfläche 25 und seine feuerstegseitige Außenfläche 26 radial nach außen unter Ausbildung eines spitz zulaufenden umlaufenden Rands 31 stetig auslaufen. Hierbei ist die Stirnfläche 25 bündig zum vom Kolbengrundkörper 11 gebildeten Teil 12 des Kolbenbodens angeordnet. Die Stirnfläche 25 des Bauteils 24 und der vom Kolbengrundkörper 11 gebildete Teil 12 des Kolbenbodens bilden somit einen vollständigen Kolbenboden 32 des Kolbens 10.
Die muldenseitige Innenfläche 27 des Bauteils 24 geht im Ausführungsbeispiel mittels einer Abrundung 33 in die Stirnfläche 25 des Bauteils 24 über. Die dadurch gebildete Muldenrandverrundung reduziert die Gefahr von Rissbildungen im Bauteil in diesem Bereich bei hoher Temperaturbeanspruchung des Muldenrandes.
Der Kolben 10 wird in an sich bekannter Weise durch Eingießen des Bauteils 24 in den Kolbenkopf 17 hergestellt. Der dafür verwendete Schwerkraftguss bewirkt, dass keine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kolbenkopf 17 und Einbauteil 24, sondern nur eine form- und kraftschlüssige Verbindung hergestellt ist.
2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens 110 in einer vergrößerten Detaildarstellung im Schnitt. Der Kolben 110 entspricht im Wesentlichen dem Kolben 10 gemäß 1. Daher sind übereinstimmende Strukturelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die Beschreibung zu 1 verwiesen.
Der wesentliche Unterschied zwischen dem Kolben 10 gemäß 1 und dem Kolben 110 gemäß 2 besteht darin, dass das ringförmige Bauteil 124 eine muldenseitige Innenfläche 127 aufweist, die bündig und stetig mit einer Muldenwand 16b der Verbrennungsmulde 16 ausläuft. Hierbei bilden die feuerstegseitige Außenfläche 126 und die muldenseitige Innenfläche 127 des Bauteils 124 einen spitz zulaufenden, umlaufenden Rand 129. Das Bauteil 124 bildet somit nur einen Teil der Muldenwand der Verbrennungsmulde 16. Mit dieser Maßnahme wird eine durch Wechseltemperaturbeanspruchung hervorgerufene Spaltbildung im Bereich der Muldenwand 16b vermieden.
Der Kolben gemäß 2 weist ferner ein an sich bekanntes Ringträgerelement 134 auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1032600 [0002]
DE 4340267 A1 [0002]

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (17), der einen Kolbenboden (12, 32), einen Feuersteg (13), eine Ringpartie (14) und eine Verbrennungsmulde (16) mit einem Muldenboden (16a), einer Muldenwand (16b, 27, 127) sowie einer aus einem ringförmigen Bauteil (24, 124) gebildeten Einsatz aufweist, die mittels eines Hinterschnitts (28) im Kolbenkopf (17) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (24, 124) eine muldenseitige Innenwand (27, 127) aufweist, die unter Ausbildung eines spitz zulaufenden umlaufenden Rands (29, 129) bündig und stetig mit der Muldenwand (16b) oder dem Muldenboden (16a) ausläuft.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (24, 124) eine Stirnfläche (25) und eine feuerstegseitige Außenfläche (26, 126) aufweist, die radial nach außen unter Ausbildung eines spitz zulaufenden umlaufenden Randes (31) stetig zum Kolbenboden (12) auslaufen, und dass die Stirnfläche (25) bündig zum Kolbenboden (12) angeordnet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Muldenwand (16b, 27, 127) der Verbrennungsmulde (16) teilweise oder vollständig von dem Bauteil (24, 124) gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die muldenseitige Innenfläche (27, 127) mittels einer Abrundung (33) in die Stirnfläche (25) des Bauteils (24, 124) übergeht.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (24, 124) aus einem Werkstoff auf der Basis von Gesenk gepresstem Kohlenstoff oder Grafit besteht, definiert durch eine Korngröße von kleiner 1000 μm, einer Dauerfestigkeit von min. 10 MPa, einer Wärmeleitfähigkeit von 10 bis 100 W/mK, einem E-Modul von 10 bis 20 GPa und einer Dichte von 1,7 bis 2,2 g/cm³.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (24) durch Form- und Kraftschluss an den Kolbengrundkörper (11) angebunden ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (11) aus einer Leichtmetalllegierung auf der Basis von Aluminium besteht.