DE102012213532A1

DE102012213532A1 - Kolben für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012213532A1
Application number: DE102012213532.4A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heinold; Torsten Kunz; Marc Bareis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-01-02
Also published as: WO2014001523A2; WO2014001523A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (10; 10a) für eine Brennkraftmaschine, mit einem ersten, einen Kolbenboden (16) aufweisenden Kolbenteil (11; 11a) und einem zweiten, mit dem ersten Kolbenteil (11; 11a) verbundenen Kolbenteil (12; 12a). Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Kolbenboden (16) im ersten Kolbenteil (11; 11a) im Bereich einer einen Hinterschnitt aufweisenden Ausnehmung (14) angeordnet ist, und dass die beiden Kolbenteile (11; 11a, 12; 12a) in einer horizontalen Trennebene (17) miteinander verbunden sind, die in Bezug zu einer Längsachse (13) zumindest teilweise in Höhe der Ausnehmung (14) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2004 028 459 A1 bekannt. Hierbei sind die beiden, ggf. aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Kolbenteile in einer horizontal verlaufenden Trennebene miteinander verbunden, wobei die Verbindung über eine Schrumpfverbindung erfolgt. Das obere, einen Kraftstoffinjektor zugewandte Kolbenteil weist einen Kolbenboden mit einer Mulde auf. Weiterhin ist aus der DE 196 21 635 B4 ein Kolben mit einem Kolbenboden bekannt, der in einer Ausnehmung ausgebildet ist, die einen Hinterschnitt ausbildet. Die Herstellung eines derartigen Kolbens ist durch die Form der Ausnehmung relativ aufwändig.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine fertigungstechnisch besonders vorteilhafte Fertigung ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kolben für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Kolbenboden im ersten Kolbenteil im Bereich einer einen Hinterschnitt aufweisenden Ausnehmung angeordnet ist, und dass die beiden Kolbenteile in einer horizontalen Trennebene miteinander verbunden sind, die zumindest teilweise im Bereich der Ausnehmung angeordnet ist. Eine derartige Anordnung der Trennebene bei einem zweiteiligen Kolben ermöglicht eine besonders günstige bzw. einfache Herstellbarkeit dieser beiden Kolbenteile sowie der Ausnehmung, da die Kolbenteile nach deren Verbindung die gewünschte Ausnehmung mit dem Hinterschnitt ausbilden. Die Ausnehmung ist somit horizontal geteilt ausgebildet.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die beiden Kolbenteile aus dem gleichen Material (insbesondere aus Aluminium) bestehen, und dass das erste Kolbenteil in eine Ausnehmung mit einem radial umlaufenden Rand des zweiten Kolbenteils eingesetzt ist. Eine derartige Ausführung hat den Vorteil eines besonders geringen Gewichts und einer besonders guten Wärmeableitung aus dem Bereich des Muldenkragens. Darüber hinaus ist bei Verwendung einer zusätzlichen Schraubverbindung das Setzverhalten der Schraubverbindung besonders einfach beherrschbar.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist es jedoch vorgesehen, dass die beiden Kolbenteile aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Dadurch können die beiden Kolbenteile nach den jeweils spezifischen Anforderungen optimiert werden. So ist es insbesondere vorgesehen, dass das Material des dem Brennraum zugewandten ersten Kolbenteils gegenüber dem Material des zweiten Kolbenteils eine höhere Festigkeit und Temperaturbeständigkeit aufweist, und dass das Material des zweiten, dem Brennraum abgewandten Kolbenteils gegenüber dem Material des ersten Kolbenteils eine geringere Dichte aufweist und sich somit durch ein besonders geringes Gewicht auszeichnet.
Um den Wärmeeintrag in den eine relativ geringe Wanddicke aufweisenden Kolbenkragen zu verringern, ist es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Kolbenkragen im ersten Kolbenteil mit einer hitzebeständigen Beschichtung, insbesondere aus Keramik bestehend, versehen ist.
In einer ersten Verbindungstechnik für die beiden Kolbenteile wird vorgeschlagen, dass die beiden Kolbenteile durch eine Schrumpfverbindung miteinander verbunden sind, und dass die Materialien der beiden Kolbenteile unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, derart, dass bei einer Erhöhung der Temperatur eine erhöhte Festigkeit der Schrumpfverbindung verursacht wird. Eine derartig erhöhte Festigkeit der Schrumpfverbindung lässt sich beispielsweise dadurch erzielen, dass das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisende Kolbenteil einen radial umlaufenden Steg aufweist, der in eine entsprechend geformte Nut, eine Bohrung oder einen Absatz an dem einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Kolbenteil eingreift. Bei einer Erwärmung der beiden Kolbenteile um die gleiche Temperatur dehnt sich somit der stegförmige Bereich des zuerst genannten Kolbenteils stärker aus als der Bereich des zweiten Kolbenteils, wodurch zwischen den beiden Kolbenteilen eine vergrößerte radial wirkende Spannung und somit eine erhöhte Festigkeit erzielt wird.
In alternativer, oder ggf. zusätzlich zur Schrumpfverbindung vorgesehener Ausgestaltung ist es möglich, die beiden Kolbenteile durch eine Schraubverbindung miteinander zu verbinden. Eine derartige Schraubverbindung weist dabei üblicherweise mehrere, in gleichmäßigen Winkelabständen auf einem Lochkreis zueinander angeordnete Schrauben auf.
Um zu vermeiden, dass während des Verbrennungsprozesses mit einer damit verbundenen Axialbelastung auf die Trennebene zwischen den Kolbenteilen Verbrennungsgase in den Bereich der Trennebene gelangt, ist es in einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung der Kolbenteile bei Verwendung einer Schraubverbindung vorgesehen, dass im Bereich der Trennebene an einer Stirnfläche eines Kolbenteils eine vorzugsweise radial umlaufende Beißkante ausgebildet ist, die gegen eine Stirnfläche des anderen Kolbenteils anliegt, und dass die Beißkante die Ausnehmung mit einem vorzugsweise geringem Abstand umgibt, derart, dass die Schraubverbindung radial außerhalb der Beißkante angeordnet ist.
In wiederum alternativer oder zusätzlicher Möglichkeit, die beiden Kolbenteile miteinander zu verbinden, wird vorgeschlagen, dass die beiden Kolbenteile durch eine Schweißverbindung miteinander verbunden sind.
Ein erfindungsgemäßer Kolben lässt sich besonders vorteilhaft bei direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen, insbesondere selbstzündenden Brennkraftmaschinen verwenden. Durch die bei derartigen Brennkraftmaschinen auftretenden relativ hohen Einspritzdrücke, beispielsweise Einspritzdrücke von über 1800bar, ermöglicht es die einen Hinterschnitt aufweisende Ausnehmung ein besonders effektives Brennverfahren durchzuführen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:
1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben für eine Brennkraftmaschine unter Verwendung zweier miteinander verbundener Kolbenteile,
2 eine perspektivische Ansicht auf ein unteres Kolbenteil, wie es bei dem Kolben gemäß 1 verwendet wird,
3 eine perspektivische Ansicht auf ein oberes Kolbenteil, wie es bei einem Kolben gemäß 1 verwendet wird,
4 einen Längsschnitt durch einen gegenüber 1 abgewandelten Kolben, dessen beide Kolbenteile durch eine kombinierte Schrumpfund Schraubverbindung miteinander verbunden sind,
5 ein Detail der 4 in vergrößerter Darstellung und
6 einen abgewandelten Kolben, bei dem die beiden Kolbenteile aus dem gleichen Material bestehen, im Längsschnitt.
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Kolben 10 zur Verwendung in einer vorzugsweise direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, dargestellt. Der Kolben 10 weist zwei miteinander verbundene Kolbenteile 11, 12 auf. Die beiden Kolbenteile 11, 12 sind in Bezug zu einer Längsachse 13 des Kolbens 10 in einer horizontalen Trennebene 17 miteinander verbunden.
Der Kolben 10 weist auf der einem nicht dargestellten Kraftstoffinjektor zugewandten Seite eine Ausnehmung 14 auf, die einen in etwa rund ausgebildeten Eintrittsbereich 15 aufweist, der sich in Richtung der Längsachse 13 zum zweiten Kolbenteil 12 hin in Art eines Hinterschnitts radial aufweitet. Der den Eintrittsbereich 15 begrenzende Kolbenkragen 21 kann zumindest bereichsweise mit einer vorzugsweise zumindest im Wesentlichen aus Keramik bestehenden Beschichtung versehen werden, die in den Figuren nicht erkennbar ist. Auf der dem zweiten Kolbenteil 12 zugewandten Seite weist die Ausnehmung 14 beispielhaft einen leicht kegelförmig ausgebildeten Kolbenboden 16 auf. Bezüglich der genauen geometrischen Ausbildung einer derartigen Ausnehmung 14 an einem Kolben 10 wird auf die nachveröffentlichte DE 10 2011 090 005 A1 der Anmelderin verwiesen, die insofern Bestandteil dieser Anmeldung sein soll.
Die Trennebene 17 zwischen den beiden Kolbenteilen 11, 12 umfasst zwei ringförmige Bereiche 18, 19, die über einen parallel zur Längsachse 13 angeordneten Verbindungsabschnitt 20 miteinander verbunden sind. Der Bereich 19 ist in Bezug zur Längsachse 13 in Höhe der Ausnehmung 14 angeordnet bzw. mündet radial in dieser. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft der Bereich 19 in etwa in der mittleren Höhe der Ausnehmung 14. Wie am besten anhand der 2 erkennbar ist, weist das zweite Kolbenteil 12 einen radial umlaufenden Steg 22 auf.
Die beiden Kolbenteile 11, 12 bestehen vorzugsweise aus unterschiedlichen Materialien. Insbesondere besteht das erste Kolbenteil 11 aus einem Material, das gegenüber dem Material des zweiten Kolbenteils 12 eine größere Festigkeit sowie eine größere Wärmebeständigkeit aufweist. Hierbei kommen insbesondere Stähle bzw. legierte Stähle zur Anwendung. Das zweite Kolbenteil 12 besteht demgegenüber aus einem Material, das gegenüber dem Material des ersten Kolbenteils 11 eine geringere Dichte aufweist. Hierfür kommen insbesondere Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen in Frage.
Die beiden Kolbenteile 11, 12 sind bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung mittels einer Schrumpfverbindung im Bereich des Stegs 22 miteinander verbunden. Hierzu umfasst das erste Kolbenteil 11 das zweite Kolbenteil 12 im Bereich des Stegs 22 mit einem Abschnitt 23 radial. Darüber hinaus ist es in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Geometrie der Schrumpfverbindung bzw. die Materialien der beiden Kolbenteile 11, 12 derart aufeinander abgestimmt sind, dass eine Erhöhung der Temperatur an den beiden Kolbenteilen 11, 12 zu der Festigkeit der Schrumpfverbindung durch eine größeren Fläcehnpressung an der Schrumpfverbindung führt.
In den 4 und 5 ist in alternativer oder zusätzlicher Verwendung zu einer Schrumpfverbindung zwischen den beiden Kolbenteilen 11, 12 der Fall dargestellt, bei der die beiden Kolbenteile 11, 12 mittels einer Schraubverbindung 24 miteinander verbunden sind. Hierzu umfasst die Schraubverbindung 24 beispielhaft sechs, auf einem gemeinsamen Lochkreis angeordnete Schrauben 25, die unter Verwendung von Sperrkantringen 26 die beiden Kolbenteile 11, 12 miteinander axial verbinden. Hierzu ist in dem ersten Kolbenteil 11 jeweils eine Gewindebohrung 27, und in dem zweiten Kolbenteil 12 eine Durchgangsbohrung 28 ausgebildet. Die Schrauben 25 sind von der Seite des zweiten Kolbenteils 12 her in Richtung der Gewindebohrungen 27 einführbar und radial innerhalb der beiden Kolbenteile 11, 12 angeordnet. Vorzugsweise verlaufen die Längsachsen der Schrauben 25 parallel zur Längsachse 13 des Kolbens 10.
Um insbesondere bei der (ausschließlichen) Ausbildung einer Schraubverbindung 24 zwischen den beiden Kolben 11, 12 eine erhöhte Dichtigkeit in der Trennebene zwischen den beiden Kolbenteilen 11, 12 zu ermöglichen, weist beispielhaft das erste Kolbenteil 11 an einer in Wirkverbindung mit dem zweiten Kolbenteil 12 angeordneten Stirnfläche 29 eine radial umlaufende Beißkante 30 auf, die sich bei Verwendung eines Materials für das zweite Kolbenteil 12, das weicher ist als das Material des ersten Kolbenteils 11 beim Ausbilden der Schraubverbindung 24 in die gegenüberliegende Stirnfläche 31 des zweiten Kolbenteils 12 eingräbt. Die Beißkante 30 ist nah zur Ausnehmung 14 angeordnet, so dass die Schrauben 25 radial außerhalb der Beißkante 30 angeordnet sind.
Anstelle der Schraubverbindung 24 zwischen den beiden Kolbenteilen 11, 12 kann auch eine Schweißverbindung verwendet werden. Diese Schweißverbindung kann ggf. zusätzlich zu der angesprochenen Schrumpfverbindung zwischen den beiden Kolbenteilen 11, 12 verwendet werden. Die Schweißverbindung umfasst, wie lediglich anhand der 4 in der linken Figurenseite dargestellt sein soll, eine radial umlaufende Schweißnaht 33, die beispielhaft an der Außenseite des Kolbens 10 im Bereich der Trennebene der beiden Kolbenteile 11, 12 ausgebildet ist. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, eine derartige Schweißnaht 33 an dafür geeigneter Stelle anzuordnen, insbesondere nicht am Außenumfang des Kolbens 10.
In der 6 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Kolben 10a dargestellt, bei dem beide Kolbenteile 11a, 12a aus ein und demselben Material, insbesondere aus Aluminium, bestehen. Hierbei ist das erste Kolbenteil 11a als Einlegeteil in das zweite Kolbenteil 12a ausgebildet. Hierzu weist das zweite Kolbenteil 12a eine Ausnehmung mit einem Bohrungsabschnitt 34 in Art einer Senkbohrung auf, so dass am zweiten Kolbenteil 12a ein radial umlaufender Randbereich 35 und ein Bohrungsgrund 36 entsteht, der gleichzeitig die Trennebne 17 ausbildet. Der Bohrungsgrund 36 ist dabei in etwa in mittlerer Höhe der Ausnehmung 14 angeordnet. In dem Bohrungsabschnitt 34 ist unter Ausbildung einer Schrumpfverbindung das erste Kolbenteil 11a angeordnet. Vorzugsweise ist eine zusätzliche Schraubverbindung 24a mit Schrauben 25a vorgesehen, die die beiden Kolbenteile 11a, 12a axial miteinander verspannt.
Der soweit beschriebene Kolben 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004028459 A1 [0002]
DE 19621635 B4 [0002]
DE 102011090005 A1 [0023]

Claims

Kolben (10; 10a) für eine Brennkraftmaschine, mit einem ersten, einen Kolbenboden (16) aufweisenden Kolbenteil (11; 11a) und einem zweiten, mit dem ersten Kolbenteil (11) verbundenen Kolbenteil (12; 12a), dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (16) im ersten Kolbenteil (11; 11a) im Bereich einer einen Hinterschnitt aufweisenden Ausnehmung (14) angeordnet ist, und dass die beiden Kolbenteile (11; 11a, 12; 12a) in einer horizontalen Trennebene (17) miteinander verbunden sind, die in Bezug zu einer Längsachse (13) zumindest teilweise in Höhe der Ausnehmung (14) angeordnet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolbenteile (11a, 12a) aus dem gleichen Material bestehen, und dass das erste Kolbenteil (11a) in eine Ausnehmung (34) mit einem radial umlaufenden Rand (35) des zweiten Kolbenteils (12a) eingesetzt ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolbenteile (11, 12) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des ersten Kolbenteils (11) gegenüber dem Material des zweiten Kolbenteils (12) eine höhere Festigkeit und Temperaturbeständigkeit aufweist, und dass das Material des zweiten Kolbenteils (12) gegenüber dem Material des ersten Kolbenteils (11) eine geringere Dichte aufweist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich eines Kolbenkragens (21) im ersten Kolbenteil (11; 11a) zumindest bereichsweise mit einer hitzebeständigen Beschichtung, insbesondere aus Keramik bestehend, versehen ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolbenteile (11; 11a, 12; 12a) durch eine Schrumpfverbindung miteinander verbunden sind, und dass die Materialen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, derart, dass bei einer Erhöhung der Temperatur eine erhöhte Festigkeit der Schrumpfverbindung verursacht wird.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolbenteile (11; 11a, 12; 12a) mittels einer Schraubverbindung (24; 24a) miteinander verbunden sind.
Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Trennebene (17) an einer Stirnfläche (29) eines Kolbenteils (11) eine vorzugsweise radial umlaufende Beisskante (30) ausgebildet ist, die gegen eine Stirnfläche (31) des anderen Kolbenteils (12) anliegt, und dass die Beisskante (30) die Ausnehmung (14) vorzugsweise mit geringem Abstand umgibt, derart, dass die Schraubverbindung (24) radial außerhalb der Beisskante (30) angeordnet ist.
Kolben nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrauben (25) der Schraubverbindung (24) parallel zur Längsachse (13) des Kolbens (10) angeordnet sind von der der Ausnehmung (14) abgewandten Seite in das zweite Kolbenteil (12) einführbar sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolbenteile (11, 12) durch eine Schweißverbindung (33) miteinander verbunden sind.