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Erklärung zu verwandten Fällen
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen Anmeldung Serien-Nr. 61/390 373, eingereicht am 6. Oktober 2010, mit dem Titel Diesel Piston With Bi-Metallic Dome, welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen und Verfahren zum Gießen von Motorkomponenten und im Spezielleren einen hoch entwickelten Bimetallkolben und eine Möglichkeit, denselben herzustellen.
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Kolben, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden, bestehen typischerweise aus einem Kopf (auch als Kuppel bezeichnet), Schäften und einer oder mehreren Ringnuten und einem oder mehreren Stegen zwischen den Nuten. Während sie hohen Verbrennungstemperaturen und Drücken während des Motorbetriebes ausgesetzt sind, schreiben zunehmend strenge Abgas- und Effizienzanforderungen vor, dass zukünftige Kolben gebaut sein müssen, um noch anspruchsvolleren Betriebsbedingungen standzuhalten. Dies wiederum wird die Verwendung von Materialien, die für höhere Temperaturen tauglich sind, und robusten Konstruktionen erforderlich machen. Dies trifft insbesondere auf Kolben zu, die in Dieselmotoren verwendet werden, welche außer, dass sie die vorherrschende Motorform für größere Nutzfahrzeuge darstellen, in zunehmendem Maß verwendet werden, um Personenkraftfahrzeuge zu betreiben.
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Während zu erwarten ist, dass all die verschiedenen oben erwähnten Kolbenkomponenten zusätzlichen Belastungen unterworfen werden, da mehr Leistung aus kleineren Strukturen herausgeholt wird, ist es die Kuppel, von der zu erwarten ist, dass sie dadurch, dass sie direkt dem Verbrennungsprozess ausgesetzt ist, besonders gefährdet gegenüber thermomechanischen Schäden ist. Unglücklicherweise neigen die Leichtmetalllegierungen, die typischerweise für Kolben verwendet werden, dazu, eine begrenzte mechanische und Temperaturbeständigkeit aufzuweisen. Zum Beispiel macht Aluminiumlegierungen, während sie herkömmlicherweise zur Gewichtsreduktion in Dieselmotorkolben verwendet wurden, ihre begrenzte thermische und mechanische Haltbarkeit inkompatibel für die Höhertemperaturanforderungen eines vollständigeren (und damit Höhertemperatur)-Verbrennungsprozesses. Stahlkolben besitzen die Fähigkeit, der extremen Umgebung standzuhalten; allerdings sind sie schwerer als Aluminiumkolben. Dieses Gewichtsproblem wird verschärft durch die hohe Rate der Drehzahl und Beschleunigung in Verbindung mit der Kolbenbewegung, was bedeutet, dass die Nebenstrukturen unter Umständen mit einer noch nachteiligeren Gewichtsbeeinflussung zusätzlich verstärkt werden müssen.
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Es wurden Versuche unternommen, die Hitzebeständigkeit von hochtemperaturbeständigen Materialien mit dem geringeren Gewicht von Materialien auf Aluminiumbasis in Dieselkolben zu kombinieren. Allerdings haben, wenngleich Verbundstoffkolben den oben genannten Zielen gerecht werden mögen, die Schwierigkeiten in Verbindung mit deren Fertigung viele ihrer Vorteile zunichte gemacht. Dies insbesondere deshalb, da Kolben lange Zeit als Gussteile mit gewissen maschinellen Bearbeitungen oder ähnlichen Veränderungen nach dem Gießen hergestellt wurden. Als solches war es schwierig, den vorgegebenen kostengünstigen Ansatz des Gießens mit der Flexibilität einer maßgeschneiderten Materialanordnung in dem Kolben zu kombinieren.
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Gegenwärtig wird der Kolben mit dem Speiser an einer Seite der Kuppel gegossen, was eine Eigenschaftsabweichung um die Kuppel herum zur Folge hat. Das Gießverfahren kann geändert werden, um den Kolben so zu beschicken, dass sich der Speiser in einer typischeren Position wie z. B. der Mitte der Kuppel befindet. In einer weiteren Alternative kann der Muldenrand mittels WIG oder Laser umgeschmolzen werden. Während damit eine besonders gut verfeinerte Mikrostruktur in dem fraglichen Kuppelbereich erzielt werden kann, gibt es keinen Isolationsvorteil gegenüber der Verbrennungswärme.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Dieselkolbens. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass ein Muster für den Kolben vorgesehen wird, der eine Kuppel umfasst; eine Kolbenform um das Muster herum gebildet wird, wobei die Form ein Kornmaterial und ein Bindemittel umfasst; das Muster aus der Kolbenform entfernt wird; ein Bimetallring in der Kolbenform an einer oberen Fläche der Kuppel angeordnet wird; eine Metallschmelze in die Kolbenform mit dem Bimetallring eingeleitet wird; die Kolbenform mit einem Lösungsmittel für das Bindemittel in Kontakt gebracht wird und das Bindemittel und das Korn entfernt werden; die Metallschmelze abgekühlt wird; und die Metallschmelze erstarren gelassen wird, um den Kolben zu bilden, wobei der Bimetallring zumindest einen Abschnitt der oberen Fläche der Kuppel bildet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Dieselkolben. In einer Ausführungsform umfasst der Dieselkolben einen Körper und eine Kuppel, wobei zumindest ein Abschnitt einer oberen Fläche der Kuppel einen Bimetallring umfasst, der Bimetallring eine erste Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und eine zweite Schicht aus Edelstahl umfasst, und wobei die zweite Schicht zumindest einen Abschnitt der oberen Fläche der Kuppel bildet, die erste Schicht mit dem Körper verbunden ist und der Körper Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfasst.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Dieselkolbens mit einer herkömmlichen metallischen Kuppel gemäß dem Stand der Technik von oben ist;
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2 eine aufgeschnittene Ansicht des Dieselkolbens von 1 ist; und
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3 eine aufgeschnittene Ansicht eines Kolbens gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, wobei zumindest ein flacher Teil der Kuppel aus einem Bimetallmaterial gebildet ist.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Es kann ein Ablationsgießansatz verwendet werden, um einen Kolben mit einer wie gegossenen Kuppel herzustellen, die ein geschichtetes Material umfasst. Die Verwendung des Ablationsgießens bietet die Möglichkeit, den Kolben mit einer endformnahen Kuppel ohne die beträchtliche maschinelle Bearbeitung, welche andere Gießverfahren erfordern, zu gießen. Auf diese Weise kann eine Bimetallgussfläche über zumindest Abschnitte der Kolbenkuppel hinweg angeordnet werden. In einer Form kann der Abschnitt den flachen Bereich von dem äußeren Kolbenumfang zu dem Muldenrand umfassen. Dies könnte insofern vorteilhaft sein, als es, indem die Aufbringung des Schichtstoffes nur auf einen flachen Absatz der Kuppel begrenzt wird, Bereiche verstärkt, die anfällig für hohe thermische Spannungen sind, und bietet einige Isolationsvorteile, während es Gewichtszunahmen bei einem Minimum hält.
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In einer Form kann eine höhertemperaturbeständige Schicht aus Edelstahl als eine der Schichtstoffschichten verwendet werden, während ein Material auf Aluminiumbasis als eine andere dienen kann. Zusätzlich zu der erhöhten Beständigkeit gegenüber thermischer Belastung relativ zu dem Aluminium wird der rostfreie Stahl der Kuppel ein Maß an Steifigkeit verleihen und wegen seiner geringeren thermischen Leitfähigkeit relativ zu dem darunter liegenden Aluminium wird er als eine thermische Sperre wirken, die verhindert, dass sich thermische Ermüdungsrisse an dem Muldenrand bilden. Das Edelstahlmaterial kann auch ein gewisses Maß an Isolation der Ringnuten gegenüber der Verbrennungswärme bereitstellen.
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In einer speziellen Form ist der Schichtstoff als ein Kuppeleinsatz ausgebildet. Die Verwendung eines eingegossenen Einsatzes eliminiert die Notwendigkeit eines Laser- oder Wolfram-Inertgas(WIG)-Umschmelzens, welches typischerweise verwendet wird, um eine örtlich sehr begrenzte Feinheit zu erzielen.
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In einer weiteren Form kann ein Gießverfahren verwendet werden, um die Mulde selbst zu bilden. In einer Form kann die Form aus Sand hergestellt sein, der zum Ablationsgießen geeignet ist, sodass komplexe Kuppelformen, einschließlich jener mit einspringenden Merkmalen, einfach und kostengünstig gefertigt werden können.
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Zuerst Bezug nehmend auf die 1 und 2 können die Legierungen, die für die Kuppeln herkömmlicher Dieselkolben verwendet werden, anfällig für Frühausfälle sein, insbesondere an Stellen, wo die Temperaturregimes und Fertigungsbeschränkungen gegebenenfalls nicht ausreichend sind. Heutige Kolben sind einer Rissbildung, untere anderem infolge von Wärme und mikrostrukturellen Veränderungen, unterworfen. Es sind Risse 10 in dem Rand vorhanden.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 3 ist ein Dieselkolben 50 gemäß eifern Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dieser Ausführung können die obere Fläche der Kuppel im Allgemeinen und der allgemein ebene äußere Umfang im Speziellen einen Bimetallring 55 umfassen. In einer Ausführungsform ist der Bimetallring 55 ein Schichtstoff, der eine untere Schicht 60 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, und eine obere Schicht 65 aus einem hitzebeständigeren Material wie z. B. Edelstahl umfasst. Die Gesamtdicke des Bimetallschichtstoffes würde etwa 4 bis etwa 6 mm betragen, wobei der Aluminiumabschnitt etwa 10–20% der Gesamtdicke ausmachen würde. Der Schichtstoffring könnte durch Pressen hergestellt sein. In einer weiteren Ausführungsform könnte ein Edelstahlring (etwa 4 bis etwa 6 mm dick) mit einer dünnen Schicht aus Aluminium (z. B. weniger als etwa 100 Mikrometer oder zwischen etwa 25 und etwa 50 Mikrometer) beschichtet sein.
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Der Schichtstoff 55 kann mit dem Rest des Kolbens 70 gegossen werden, indem der Schichtstoff 55 in der Sandform als ein Einsatz angeordnet wird. Eine Seite 60 des Schichtstoffeinsatzes 55 wird eine Aluminiumlegierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt sein, die metallurgisch an die verwendete Kolbenlegierung binden wird. Die Schichtstoffdicke wird hinreichend sein, um sicherzustellen, dass das Edelstahlmaterial 65 den Muldenrand umgibt. Optional kann eine geringfügige maschinelle Kantenbearbeitung erfolgen, um eine abgerundetere Kante zur Spannungskonzentrationsreduktion vorzusehen. Die Edelstahlschicht 65 wird nicht nur einen thermischen Vorteil bereitstellen, wie oben erläutert, sondern auch ihre Oberflächengüte sollte sehr gut sein, was zusätzlich das Vorhandensein von Spannungskonzentrationsauslösern minimiert.
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Die Verwendung des Ablationsgießverfahrens sollte überall eine viel feinere Mikrostruktur mit daraus folgenden verbesserten Kolbeneigenschaften zur Folge haben. Beispielsweise führt die schnellere Abkühlung in Verbindung mit dem Ablationsgießen zu feineren Mikrostrukturen und besseren mechanischen Eigenschaften (wie durch einen kleineren sekundären Dendritenarmabstand (SDAS) zum Ausdruck gebracht).
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Ein Ablationsgießansatz kann auch verwendet werden, um einen Kolben mit einer Kuppel, die eine hinterschnittene Brennraummulde im Gusszustand und einen optionalen inneren Kühlkanal beinhaltet, herzustellen. Die Ablation verwendet anorganische (d. h. wasserlösliche) Kerne, und es wird Wasser auf die Form gesprüht, welches langsam hinwegspült (daher der Ausdruck „Ablation”) und das Gussteil schnell abkühlt. Die schnelle Abkühlung hat bessere Materialeigenschaften zur Folge. Das Ablationsgießen gestattet die Erzeugung von komplexen Teilen mit einer feinen Erstarrungsmikrostruktur. Die Anwendung von Wasser erlaubt es, das Erstarren und Abkühlen der Komponente getrennt voneinander zu steuern (z. B. indem Wasser auf spezifische Gebiete des Gussteiles vor anderen angewendet wird oder indem unterschiedliche Mengen an Wasser auf unterschiedliche Gebiete angewendet werden). Durch Bereitstellung der hohen Erstarrungsraten und der verfeinerten Mikrostruktur, die oft erforderlich sind, um die besseren mechanischen Eigenschaften durch den Querschnitt (wie z. B. Zug- und Ermüdungseigenschaften bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen) zu erzielen, gestattet es das Ablationsgießen, sowohl komplexe Formen wie z. B. jene, die dünne wie auch dicke Teilstücke kombinieren, als auch jene mit komplexen inneren Kernen zu bilden. Die Eigenschaften durch den Querschnitt sind überlegen im Vergleich zu jenen, die mit einem Umschmelzen des Muldenrandes hergestellt werden, was nur für die wünschenswerte feine Mikrostruktur bis zu einer Tiefe nur geringfügig unter der Oberfläche (z. B. wenige mm) sorgt.
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Das Ablationsgießverfahren ist allgemein in dem
U.S.-Patent Nr. 7 121 318 beschrieben, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Es wird ein Muster aus einem Material gebildet und es wird eine Form um zumindest einen Abschnitt des Musters herum gebildet. Die Form besteht aus einem Kornmaterial und einem Bindemittel. Das Muster wird aus der Form entfernt und danach wird eine Metallschmelze in die Form eingeleitet. Die Form wird mit einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht und die Metallschmelze wird abgekühlt, sodass sie zumindest teilweise erstarrt, um ein Gussteil zu bilden. Der Abkühlschritt umfasst, dass eine Hülle aus erstarrtem Metall um die Metallschmelze herum mit dem Lösungsmittel in Kontakt gebracht wird.
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Das Ablationsgießen wurde nicht zum Gießen von Dieselkolben im Allgemeinen und im Spezielleren von Dieselkolben mit einer hinterschnittenen Brennraummulde verwendet.
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Die Verwendung des Ablationsgießens bietet die Möglichkeit, den Kolben mit einer endformnahen Kuppel ohne die beträchtliche maschinelle Bearbeitung, welche andere Verfahren erfordern, zu gießen. Somit können die Kuppel und die Brennraummulde gleichzeitig gegossen werden. In einer speziellen Form würden die hinterschnittene Mulde und die inneren Kanäle mithilfe einer Einmal-Kornform hergestellt werden, die mittels herkömmlicher Kerntechnologie mit zurückziehbaren Werkzeugen in dem Formwerkzeug hergestellt werden könnte. Im gegenständlichen Kontext umfasst die Kornform des Formmediums Quarzsand, Zirkonoxidsand, Chromitsand, keramische Mikrokugeln oder dergleichen, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
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Zu den Vorteilen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung gehören reduzierte Kosten für die maschinelle Bearbeitung, eine verfeinerte Mikrostruktur im Gusszustand für verbesserte mechanische Eigenschaften, wobei die Vorteile eines Sandformgebungs(oder eines verwandten)-Verfahrens genutzt werden, um einen hinterschnittenen Bereich in der Kuppel maßzuschneidern, das Gussteilgewicht zu reduzieren und die Notwendigkeit eines inneren Salzkerns zu eliminieren. Der traditionelle Salzkern könnte durch einen Kornkern aus dem gleichen Material wie die Kolbenform ersetzt sein.
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In einer Form kann das Sandgießen verwendet werden, um den Kolben der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. Dieser Prozess würde die massiven Speiser, die typischerweise beim Kokillengießen verwendet werden, deutlich reduzieren, was eine verbesserte Materialausbeute zur Folge hat. Des Weiteren macht es die beim Ablationsgießen dazu gehörende hohe Abkühlrate einfacher, den Prozess maßzuschneidern, um eine verfeinerte Mikrostruktur mit verbesserten Materialeigenschaften zu erzielen. Diese verbesserten Materialeigenschaften sollten einen festeren Kolben insgesamt wie auch die benötigte Kolbenmuldenrandfestigkeit (ohne dieses Gebiet umschmelzen zu müssen) bereitstellen, um strenge Kopfdichtungsprüftests konsequent zu bestehen.
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In einer speziellen Form kann die Form aus Sand gebildet sein, der zum Ablationsgießen geeignet ist, sodass komplexe Kuppelformen einschließlich jener mit Hinterschneidungs- und inneren Kühlkanalmerkmalen einfach und kostengünstig gefertigt werden können. Als solche kann eine Sandform als Teil des Ablationsprozesses verwendet werden.
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Eine verbesserte Materialausbeute kann realisiert werden, indem die großen Speiser eliminiert werden, die oft als Teil eines Kokillengießschrittes verwendet werden. Im Speziellen kann durch Verwenden des Ablationsgießansatzes die inhärent hohe Abkühlrate zulassen, dass der Kolben, der gebildet wird, eine homogene Mikrostruktur und zugehörige strukturelle Eigenschaften aufweist.
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Zusätzlich zu der feineren Mikrostruktur und den verbesserten Kolbeneigenschaften gestattet es die Verwendung des Ablationsprozesses, viel feinere Details einschließlich komplizierte Kühldurchgänge in das Teil zu gießen. Der Prozess reduziert oder eliminiert die Notwendigkeit einer maschinellen Bearbeitung nach dem Gießen in dem Gebiet um die Kuppel herum, insbesondere was den hinterschnittenen Bereich betrifft. Da das Ablationsgießen serienreif ist, ist die Übertragung auf die Fertigung großer Kolbenmengen oder verwandter Komponenten vergleichsweise einfach. Es könnte eine Einmal-Kornform verwendet werden, um zuzulassen, dass die Brennraummulde der Kolbenkuppel und eine Schmier- und Kühlölgalerie als Teil des Gussteiles gebildet werden.
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Die Verwendung des Ablationsgießens für Dieselkolben ist dabei hilfreich, eine beträchtliche mikrostrukturelle Verfeinerung durch Reduzieren oder Beseitigen der Notwendigkeit einer kostspieligen sekundären Bearbeitung wie z. B. maschinelles Bearbeiten oder Umschmelzen zu erreichen. In Fällen, in denen eine verfeinerte Mikrostruktur erwünscht ist, wie z. B. bei der Muldenkante oder anderen komplexen 3D-Bereichen des Kolbens, kann ein Wolfram-Inertgas(WIG)- oder Laserumschmelzen lokal (im Kuppelhinterschneidungsbereich) durchgeführt werden. Eine nachfolgende maschinelle Bearbeitung, wie z. B., um eine einwandfreie Form der Muldenkante zu erhalten, kann ebenso reduziert oder eliminiert werden.
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Die Erfindung nutzt den Ablationsgießprozess, um die Notwendigkeit großer Speiser an der Kolbenkuppel zu eliminieren. Das Vermögen, die Kuppel rascher und gleichmäßiger abzukühlen, sollte die mechanischen Eigenschaften verbessern. Insbesondere die Einmal-Kornform sollte es zulassen, dass die Brennraummulde im Gusszustand gebildet wird. Des Weiteren kann das Kornformmaterial auch verwendet werden, um die Ölgalerie hinter der oberen Ringnut zu bilden, um die Notwendigkeit eines Salzkerns zu eliminieren. Dies gestattet auch eine rasche Prototypherstellung von Kolben, was allgemeine Entwicklungstests verbessern kann.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „bevorzugt”, „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und Einzelkomponenten unabhängig davon zu repräsentieren, ob die Komponenten mit weiteren Komponenten kombiniert sind. Eine „Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, in dem eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist, etc. umfassen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „im Wesentlichen” hierin verwendet wird, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, einer beliebigen quantitativen Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen”, wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
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Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird für Fachleute offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7121318 [0022]
- US 7164963 [0024]
- US 7618823 [0024]
- US 7225049 [0024]
