DE102012220645B3

DE102012220645B3 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102012220645B3
Application number: DE201210220645
Authority: DE
Inventors: Kay Fröde; Wolfram Cromme; Harald Mergler
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2032-11-14

Abstract

Ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor weist ein Unterteil (12) aus Stahl und ein angegossenes Oberteil (14) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, sowie eine in dem Oberteil (14) ausgebildete Brennraummulde (16) und/oder zumindest einen teilweise durch das Oberteil (14) gebildeten Kühlkanal (18) auf. Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor wird ein Oberteil (14) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung an ein Unterteil (12) aus Stahl angegossen, und in dem Oberteil (14) eine Brennraummulde (16) und/oder zumindest teilweise in dem Oberteil (14) ein Kühlkanal (18) ausgebildet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Kolben von Verbrennungsmotoren sind in besonderer Weise gleichzeitig mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Unter den besonderen Betriebsbedingungen muss die Belastbarkeit des Kolbens gewährleistet sein. In diesem Zusammenhang ist auch für eine ausreichende Kühlung des Kolbens, insbesondere im Bereich des an den Brennraum angrenzenden Kolbenbodens zu sorgen.
Stand der Technik
Als Vorbenutzungsgegenstände sind Stahlkolben bekannt, die aus einer oder mehreren Stahlsorten bestehen. Hierbei können ein Ober- und ein Unterteil beispielsweise durch Induktions- oder Reibschweißen verbunden werden. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Stahl kann es zu unerwünschter Ölverkokung im Kühlkanal und Verzunderungen am Muldenrand kommen.
Aus der DE 10 2010 052 579 A1 ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem ein Unterteil aus Aluminiumguss und ein Oberteil aus Stahlguss aneinander angegossen sind.
Gemäß der DE 471 116 A weist ein aus Gusseisen bestehendes Kolbenunterteil eine aufgegossene Kappe aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf.
Aus der US 1,780,829 A geht ein Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Unterteil aus Stahl und einem angegossenen Oberteil aus Leichtmetall hervor.
Die AT 004 790 U1 betrifft einen ähnlichen Kolben, bei dem das Unterteil zusätzlich ein sogenanntes Shakerblech zur Abgrenzung eines Kühlraums aufweist.
Ergänzend geht aus der WO 2009/040617 A2 ein zweiteiliger Kolben mit einem Kühlkanal und einer Brennraummulde hervor. Schließlich betrifft die DE 195 37 847 A1 ein Bewehrungsteil, dessen Grundwerkstoff austenitisches Gusseisen ist.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen Kolben.
Demzufolge weist dieser ein Unterteil aus Stahl, das insbesondere den Kolbenschaft und die Bolzennaben bildet, und ein angegossenes Oberteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf, von dem insbesondere der Kolbenboden gebildet wird. Ferner ist in dem Oberteil eine Brennraummulde ausgebildet. Alternativ oder ergänzend hierzu weist der erfindungsgemäße Kolben einen zumindest teilweise durch das Oberteil gebildeten Kühlkanal auf.
Durch die besondere Werkstoffkombination kann ein verbesserter Kolben geschaffen werden, indem zum einen die Festigkeit des Stahls für die mechanische Belastbarkeit genutzt wird. Der für das Oberteil vorgesehene Werkstoff Aluminium oder Aluminiumlegierung bietet den Vorteil einer hohen Wärmeleitfähigkeit, so dass insbesondere in Kombination mit dem Kühlkanal für eine vorteilhafte Wärmeabfuhr und -verteilung gesorgt werden kann. Durch die Verwendung von Gießprozessen, die eingeführt und bewährt sind, lässt sich der Kolben kostengünstig herstellen, und es können insbesondere aufwändige Schweißprozesse entfallen. Durch die Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung für das Oberteil lassen sich ferner Gewichtsvorteile erreichen, und das vergleichsweise hohe Gewicht des aus Stahl ausgeführten Unterteils kann in gewissem Umfang kompensiert werden. Es sei ergänzend erwähnt, dass zu der vorteilhaften Wärmeabfuhr und -verteilung auch die in dem Oberteil ausgebildet Brennraummulde beiträgt, da sie die wärmeaufnehmende Fläche vergrößert.
Gemäß der Erfindung ist das Ringfeld zur Aufnahme von Kolbenringen im Oberteil ausgebildet und/oder der Kühlkanal ist vollständig im Oberteil ausgebildet. Da auch das Ringfeld hohen Temperaturen ausgesetzt ist, kann es Vorteile bieten, wenn hier das gut wärmeleitfähige Material Aluminium oder eine Aluminiumlegierung vorgesehen wird. Ferner bietet die vollständige Ausbildung des Kühlkanals in dem Oberteil den Vorteil, dass bekannte Herstellungsverfahren eines Kühlkanals in einem Kolben(oberteil) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, beispielsweise mittels lösbarer Salzkerne, eingesetzt werden können.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist das Ringfeld im Unterteil ausgebildet, was unter bestimmten Voraussetzungen im Hinblick auf die Belastbarkeit bevorzugt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens finden sich in den weiteren Ansprüchen.
Für die Verbindung der beiden Teile des Kolbens im Rahmen eines Gießverfahrens erweist es sich insbesondere im Hinblick auf die Dauerhaftigkeit als vorteilhaft, wenn in dem Unterteil zumindest eine Hinterschneidung ausgebildet ist. Eine oder mehrere Hinterschneidungen können alternativ oder ergänzend in dem Oberteil ausgebildet werden. Da jedoch üblicherweise das Unterteil zunächst erstellt, und das Oberteil hieran angegossen wird, wird die eingangs genannte Maßnahme bevorzugt.
In dem Fall, dass das Ringfeld im Kolbenoberteil ausgebildet ist, kann eine oberste Ringnut beispielsweise mittels einer Hartanodisierung oder als ”forced groove” armiert werden, um die Belastbarkeit in diesem Bereich zu erhöhen.
In jedem Fall werden vorteilhafte Eigenschaften für diejenige bevorzugte Maßnahme erwartet, wonach ein Kolbenboden vollständig im Oberteil ausgebildet ist.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch das im Anspruch 5 beschriebene Verfahren, dessen Einzelheiten sich bereits aus der vorangehenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Kolbens ergeben.
Für das Verfahren wird für diejenige Ausführungsform, bei welcher der Kühlkanal durch die Kombination von Unter- und Oberteil ausgebildet wird, bevorzugt, dass ein schüttbares Material in das Unterteil eingebracht und verdichtet wird. In vorteilhafter Weise kann somit auf die unter Umständen aufwändige Herstellung geeigneter Gießkerne verzichtet werden. Ferner können keine Fehler beim Einlegen des Gießkerns in die Gießform auftreten.
Es sei ferner erwähnt, dass sämtliche vorangehend und nachfolgend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kolben erwähnten Merkmale auf das Verfahren zu dessen Herstellung anwendbar sind, und umgekehrt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden beispielhaft in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kolbens in einer ersten Ausführungsform; und
2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer zweiten Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Wie in 1 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Kolben 10 ein Unterteil 12 aus Stahl und ein Oberteil 14 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf. In dem Oberteil 14 ist eine Brennraummulde 16 vorgesehen, und bei der gezeigten Ausführungsform ist vollständig in dem Oberteil 14 ein ringförmig umlaufender Kühlkanal 18 ausgebildet. Wie in der Figur ferner zu erkennen ist, ist das Material des Oberteils 14 im Bereich des (umgekehrt V-förmigen) Bodens der Brennraummulde 16 im Wesentlichen gleichbleibend dünn, und die Form des Unterteils 12 in diesem Bereich ist hieran angepasst. Somit weist das Unterteil in diesem Bereich ebenfalls eine vergleichsweise geringe Wanddicke auf, die jedoch in etwa das Zwei- bis Dreifache der Wanddicke an dem Oberteil 14 in diesem Bereich ist. Für den an den Seiten zu erkennenden Kolbenschaft, der durch das Unterteil 12 gebildet wird, gilt in etwa die gleiche Wanddicke. Aus 1 geht ferner hervor, dass bei dieser Ausführungsform das Ringfeld 22 vollständig in dem Oberteil 14 ausgebildet ist. Dies gilt in gleicher Weise für den Kolbenboden 26. Eine oberste Ringnut 24 kann hierbei armiert sein.
Auch bei der weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß 2 ist der Kolbenboden 26 vollständig in dem Oberteil ausgebildet, und die vorangehend ausgeführten Materialdicken gelten in etwa in gleicher Weise. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von 1 ist hier jedoch das Ringfeld 22 in dem Unterteil ausgebildet, und der Kühlkanal 18 wird durch die Kombination aus Unter- 12 und Oberteil 14 gebildet.
Hierzu wird das Unterteil 12 mit einer zum späteren Kolbenboden 26 hin offenen Nut zwischen dem Ringfeld 22 und der Begrenzung der Brennraummulde versehen. Wie in der Figur zu erkennen ist, kann hierbei die Breite der Nut zu deren Öffnung hin sich verringernd vorgesehen sein, so dass eine Hinterschneidung 20 entsteht, in die Material des Oberteils 14 eingegossen wird, so dass eine Art Verzahnung entsteht, und die Verbindung zwischen den beiden Teilen des Kolbens besonders fest ausgeführt ist. Der spätere Kühlkanal 18 wird in diesem Fall nicht, wie bei der Ausführungsform von 1, durch einen herauslösbaren Salzkern ausgebildet, sondern durch ein schüttbares Material gebildet, das in die beschriebene Nut des Kolbenunterteils 12 eingebracht und verdichtet wird, so dass der Kühlkanal 18 von Metallmaterial freibleibt und nach dem Lösen und Ausspülen des eingebrachten Materials genutzt werden kann. Es sei jedoch erwähnt, dass auch der Kühlkanal bei der Ausführungsform gemäß 2 durch einen vorgefertigten Salzkern hergestellt werden kann. Es sei ergänzend erwähnt, dass in demjenigen Bereich des Kolbenunterteils 12, der zwischen der Brennraummulde und dem späteren Kühlkanal liegt, ebenfalls im Wesentlichen diejenige Wanddicke vorgesehen wird, die andere Bereiche des Kolbenunterteils aufweisen. Hierdurch können in vorteilhafter Weise Materialansammlungen vermieden und Gewicht eingespart werden. Für den Kühlkanal ergibt sich hierbei im Wesentlichen die Form eines Trapezes mit insbesondere im unteren Bereich abgerundeten Ecken.

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem Unterteil (12) aus Stahl und einem angegossenen Oberteil (14) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, ferner mit einer in dem Oberteil (14) ausgebildeten Brennraummulde (16) und/oder zumindest einem teilweise durch das Oberteil (14) gebildeten Kühlkanal (18), wobei ein Ringfeld (22) und/oder der Kühlkanal (18) vollständig in dem Oberteil (14) ausgebildet sind, oder das Ringfeld (22) im Unterteil (12) ausgebildet ist.
Kolben nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteil (12) zumindest eine Hinterschneidung (20) aufweist.
Kolben nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine oberste Ringnut (24) armiert ist.
Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolbenboden (26) vollständig im Oberteil (14) ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, bei dem ein Oberteil (14) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung an ein Unterteil (12) aus Stahl angegossen wird, und in dem Oberteil (14) eine Brennraummulde (16) und/oder zumindest teilweise in dem Oberteil (14) ein Kühlkanal (18) ausgebildet wird, wobei ein Ringfeld (22) und/oder der Kühlkanal (18) vollständig in dem Oberteil (14) ausgebildet wird, oder das Ringfeld (22) im Unterteil (12) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Kühlkanals (18) ein schüttbares Material in das Unterteil (12) eingebracht und verdichtet wird.