DE102015217614B3

DE102015217614B3 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102015217614B3
Application number: DE102015217614.2A
Authority: DE
Inventors: Harald Mergler; Kay Fröde; Sven Ungermann
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2035-09-16

Abstract

In einem Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit zumindest einem Kühlkanal, zumindest einem Kühlmitteleinlass, zumindest einem Kühlmittelauslass, einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, die miteinander verbunden sind, ist in zumindest einem Kühlmitteleinlass und/oder Kühlmittelauslass eine Hülse vorgesehen, die in axialer Richtung an dem Kolbenoberteil anliegt. Bei einem entsprechenden Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens wird die Hülse vor dem Fügen des Kolbenober- und Kolbenunterteils in die vorgesehene Sacklochbohrung oder Bohrung mit Absatz in das Kolbenunterteil derart eingebracht, dass die Hülse in axialer Richtung an dem Kolbenoberteil anliegt und oder das Sackloch derart aufgebohrt werden kann, dass durch die Hülse Kühlmittel zuführbar ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
STAND DER TECHNIK
Auf dem Gebiet der Kolben für Verbrennungsmotoren ist es bei aus zwei Teilen zusammengefügten Kolben bekannt, typischerweise zwischen der Brennraummulde und dem Ringfeld einen im Wesentlichen ringförmigen Kühlkanal auszubilden, der über zumindest einen Einlass mit Kühlmittel, vorzugsweise Kühlöl, versorgt wird, das den Kühlkanal an zumindest einem Auslass verlässt, um Wärme aus dem Kolben abzuführen.
Der Ein- und/oder Auslass des Kühlkanals kann mit einer Hülse versehen sein, die in den Kühlkanal hineinragt und ggf. auch aus dem Kolbenunterteil hervorsteht. Eine derartige Hülse wird beispielsweise in DE 10 2004 029 927 A1 beschrieben, und WO 00/04286 A1 betrifft einen mit einer Hülse versehenen Kolben.
Ein Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 geht aus der FR 555 731 A hervor. Die DE 37 33 964 A1 , US 1 157 347 A und DE 25 33 556 C2 betreffen ähnliche Kolben mit Hülsen am Kühlmittelein- und/oder -auslass.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen einfach herzustellenden Kolben mit verbesserter Kühlwirkung und ein Verfahren zum Herstellen entsprechender Kolben zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben sowie durch die in Anspruch 8 und 9 beschriebenen Verfahren.
Demzufolge umfasst der Kolben, der bevorzugt aus Stahl ausgeführt ist, ein dem Brennraum zugewandtes Kolbenoberteil und ein zum Kurbelgehäuse hin angeordnetes Kolbenunterteil, die miteinander verbunden sind. Der im Kolben angeordnete Kühlkanal wird durch das Kolbenoberteil und/oder das Kolbenunterteil gebildet und besitzt zumindest einen Kühlmitteleinlass sowie zumindest einen Kühlmittelauslass, wobei in zumindest einem der Ein- beziehungsweise Auslässe eine Hülse vorgesehen ist.
Die Hülse liegt in axialer Richtung an dem Kolbenoberteil an, wodurch die Lage der Hülse in dieser Richtung definiert ist, und daher die Gefahr eines axialen Verschiebens der Hülse während eines späteren Prozessschritts, bspw. dem Auf- beziehungsweise Anbohren des Kühlkanals, verhindert wird. Die exakte Positionierung der Hülse ist von Bedeutung, weil das sofortige Wiederaustreten des Kühlöls verhindert und ein spezifischer Ölstand durch die Höhe der Hülsenoberkante innerhalb des Kühlkanals vorgegeben wird. Damit werden eine effiziente Nutzung des eingefangenen Öles und eine effektive Wärmeabfuhr aus dem Kolben sichergestellt.
Ein Vorteil der beschriebenen Vorgehensweise zur axialen Fixierung der Hülse ist, dass keine zusätzlichen und damit den Herstellungsprozess verteuernden Maßnahmen wie beispielsweise ein Einkleben, Einschrauben, Anschweißen o. ä. vorgesehen werden müssen. Des Weiteren ist diese Art der axialen Positionierung der Hülse gegen einen festen Anschlag, der durch das Kolbenoberteil gebildet wird, sehr exakt definierbar sowie unempfindlicher und robuster als die o. g. Alternativmethoden im Hinblick auf die während des Betriebs auf den Kolben wirkenden (Beschleunigungs-)Kräfte sowie Temperaturänderungen und -differenzen. Alle genannten Vorzüge sind auch bei Ausführungsformen des Kolbens ohne nachträgliches Auf- beziehungsweise Anbohren des Kühlkanals gegeben, da die Hülse in der gleichen Weise axial fixiert wird.
Dadurch, dass der Außendurchmesser der genannten Hülse größer als die radiale Breite des Kühlkanals gewählt wird, kann bei der Gestaltung und Auslegung des Kühlkanals auf relativ einfache Formen und Strukturen zurückgegriffen werden, und damit zusätzlicher Fertigungsaufwand vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die im Kolbenunterteil eingebrachte, durchgängige Bohrung zur Aufnahme der Hülse in einer sich vom Kühlkanal entfernenden Richtung, das heißt in Richtung des Kurbelgehäuses, und weist einen Absatz innerhalb des Kolbenunterteils auf. Dieser Absatz entsteht beispielsweise durch eine Durchmesserverkleinerung der Bohrung und dient als axialer Anschlag für die eingebrachte Hülse. Die Lage der Hülse ist damit in beide axialen Richtungen durch den beschriebenen Absatz und das Kolbenoberteil fest definiert und damit wird ein Verschieben relativ zum Kolben oder ein Durchrutschen der Hülse aus der Bohrung während nachfolgender Fertigungsschritte und/oder im späteren Betrieb wirksam unterbunden.
Ferner ist es bevorzugt, die in dem Kühlmitteleinlass und/oder Kühlmittelauslass eingebrachte Hülse mit zumindest einer radialen Öffnung zu versehen um den benötigten Ölstand und den Ölvolumenstrom innerhalb des Kühlkanals, unabhängig von der Position der Fügeverbindungsfläche und damit unabhängig der Höhe der Hülsenoberkante an die thermischen Anforderungen des Kolbens anzupassen. Insbesondere kann der gesamte Bereich bis zur Hülsenoberkante für die Befestigung der Hülse im Kolbenmaterial genutzt werden, und die radiale Öffnung, die sich als Aussparung von der Hülsenoberkante ausgehend erstrecken kann, kann zur Regulierung des Ölstandes verwendet werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Hülse innerhalb des Kolbenunterteils mindestens zwischen der Fügeverbindungsfläche und dem Absatz innerhalb der Bohrung. In einer verwandten Ausführungsform kann eine verlängerte Hülse ausgehend von der Fügeverbindungsfläche über das Kolbenunterteil in Richtung Kurbelgehäuse hinaus reichen um die eingefangene Ölmenge durch eine bessere Führung beziehungsweise früheres Einfangen des Kühlöls zu erhöhen.
Diese verlängerte Hülse kann vorteilhaft mit zwei unterschiedlich großen Außendurchmessern ausgeführt werden um einen Bund zur axialen Fixierung an dem Absatz im Kolbenunterteil bereitzustellen um ein Durchrutschen der Hülse im Betrieb zu unterbinden.
In einer bevorzugten Lösung kann die Hülse zwischen dem Absatz der Bohrung im Kolbenunterteil und dem Kolbenoberteil axial so positioniert sein, dass die Oberkante der Hülse mit der Fügeverbindungsfläche fluchtet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung verengt sich der Querschnitt der Hülse in Richtung des Kühlkanals und ermöglicht dabei durch die entstehende Trichterform ein weiterhin verbessertes Einfangen und Führen des Öles und kann dadurch die Kühlwirkung des Kühlkanals steigern.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei nach dem Vorbereiten des Kolbenober- und Kolbenunterteils mindestens eine durchgängige Bohrung mit Absatz in dem Kolbenunterteil ausgebildet wird und schließlich die Hülse von oben aus Richtung der späteren Fügeverbindungsfläche darin so eingebracht wird, dass diese mit einer Kante an dem Absatz anliegt. Abschließend werden das Kolbenoberteil und -unterteil bspw. durch Reib- oder Induktionsschweißen derart zusammengefügt, dass die Hülse in axialer Richtung an dem Kolbenoberteil anliegt.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Kolbens ist dadurch gegeben, dass nach dem Vorbereiten des Kolbenober- und Kolbenunterteils mindestens eine Sacklochbohrung in dem Kolbenunterteil ausgebildet wird und schließlich die Hülse von oben aus Richtung der späteren Fügeverbindungsfläche darin so eingebracht wird, dass diese mit einer Kante an dem Bohrungsende anliegt. Nach dem Fügen von Kolbenoberteil und -unterteil wird das Kolbenunterteil aus Richtung des Kurbelgehäuses derart aufgebohrt, dass Kühlöl durch die Hülse in den Kühlkanal zuführbar ist. Die Hülse kann hierbei in axialer Richtung an dem Kolbenoberteil anliegen.
Der Einbringvorgang der Hülse in die Bohrung des Kolbenunterteils aus Richtung der späteren Fügeverbindungsfläche wird vorteilhaft durch Pressen oder Schrumpfeinpressen mit Temperaturdifferenz ausgeführt.
Alle vorangehend und nachfolgend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kolben genannten Merkmale sind auf die erfindungsgemäßen Verfahren anwendbar und umgekehrt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend werden mehrere in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen aus zwei Teilen zusammengefügten Kolben mit einer im Kolbenunterteil eingebrachten Hülse;
2 einen Querschnitt durch einen aus zwei Teilen zusammengefügten Kolben mit einer im Kolbenunterteil eingebrachten Hülse, welche radiale Öffnungen aufweist;
3 einen Querschnitt durch einen aus zwei Teilen zusammengefügten Kolben mit einer im Kolbenunterteil eingebrachten Hülse, die sich aus dem Kolbenunterteil in Richtung Kurbelgehäuse heraus erstreckt;
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt einen Schnitt durch einen exemplarischen Kolben 10 mit einem Kolbenoberteil 1 und einem Kolbenunterteil 2, zusammengefügt an der Fügeverbindungsfläche F, mit einer Brennraummulde 12 und einem Ringfeld 14, zwischen denen ein im Wesentlichen ringförmiger Kühlkanal 16 ausgebildet ist. Die Schnittebene für 1 ist derart gewählt, dass ein Ein- oder Auslasskanal mit eingesetzter Hülse 3 erkennbar ist. Die Abbildung zeigt die Positionierung der Hülse zwischen den beiden Anschlägen, gebildet durch das Kolbenoberteil 1 und den Absatz 21 innerhalb der Bohrung im Kolbenunterteil 2, so dass die Hülse axial zwischen den beiden Kolbenteilen fixiert ist. Es sei erwähnt, dass auch oder ausschließlich der Ein- beziehungsweise Auslass mit einer Hülse 3 versehen werden kann, und dass die Hülse auch als hohle Buchse oder Röhrchen bezeichnet werden kann. Ferner ist diese in dem gezeigten Fall zylindrisch, kann jedoch einen anderen Querschnitt als kreisförmig ausweisen.
Um die in 1 gezeigte Einbausituation der Hülse 3 zu erreichen, wird diese vor dem Fügen der beiden Kolbenteile 1, 2 in die zuvor ausgebildete durchgängige Bohrung mit Absatz 21 oder Sacklochbohrung mit Bohrungsende 21 im Kolbenunterteil 3 von oben, das heißt aus Richtung des späteren Kühlkanals, eingebracht.
Wie in 2 zu erkennen ist, weist der gezeigte Kolben 10 im Wesentlichen identische Merkmale wie in 1 auf. Die Hülse 3 entspricht jedoch einer bevorzugten Ausführungsform, die zumindest eine radiale Öffnung 31 zum Regulieren des Ölstandes und des Ölvolumenstroms im Kühlkanal 16, unabhängig von der Position des Kontaktbereichs zum Kolbenoberteil beziehungsweise der Fügeverbindungsfläche F, aufweist. Die Einbausituation der Hülse 3 ist analog zur vorherigen Variante aus 1 zwischen dem Anschlag und dem Kolbenoberteil.
3 zeigt einen weiteren, identisch aufgebauten Kolben 10 mit einer Hülse 3 gemäß einer alternativen Ausführungsform, welche zwei Abschnitte unterschiedlichen Außendurchmessers aufweist. Diese Hülse erstreckt sich vom Kontaktbereich am Kolbenoberteil 1, der bei der Fügeverbindungsfläche F liegen kann, über den Absatz 21 einer abgesetzten, durchgängigen Bohrung im Kolbenunterteil 2 aus dem Kolbenunterteil 2 in Richtung des Kurbelgehäuses heraus. Der an der Hülse ausgebildete Anschlag liegt am Absatz 21 der abgesetzten Bohrung im Kolbenunterteil 2 an. Eine Hülse 3 gemäß der abgebildeten Bauform kann das Einfangen und Führen des Ölstrahls verbessern und damit die Kühleffizienz steigern. Es sei erwähnt, dass der Hülsenabschnitt außerhalb des Kolbenunterteils durch einen zusätzlichen Fertigungsschritt nach dem Einsetzten der Hülse 3 in das Kolbenunterteil 2 oder nach dem Fügen der beiden Kolbenteile 1, 2 in eine Trichterform mit verengendem Querschnitt in Richtung des Kühlkanals gebracht werden kann.
Des Weiteren ist eine Kombination der in 3 gezeigten Hülse 3 mit einem aus dem Kolbenunterteil austretenden Abschnitt und der in 2 dargestellten radialen Öffnung möglich.

Claims

Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit zumindest einem Kühlkanal, zumindest einem Kühlmitteleinlass, zumindest einem Kühlmittelauslass, einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, die miteinander verbunden sind; wobei in zumindest einem Kühlmitteleinlass und/oder Kühlmittelauslass eine Hülse vorgesehen ist, die in axialer Richtung an dem Kolbenoberteil anliegt; dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse einen größeren Außendurchmesser als die radiale Breite des Kühlkanals aufweist.
Kolben nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass das Kolbenunterteil eine die Hülse aufnehmende Bohrung aufweist, die in einer sich von dem Kühlkanal entfernenden Richtung mit einem Absatz versehen ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Hülse zumindest eine radiale Öffnung aufweist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Hülse sich innerhalb des Unterteils mindestens zwischen der Fügeverbindungsfläche und dem Absatz der abgesetzten Bohrung erstreckt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Hülse sich im Unterteil und in Richtung sich von dem Kühlkanal entfernend aus dem Unterteil heraus erstreckt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Hülse mindestens zwei Abschnitte unterschiedlichen Außendurchmessers aufweist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die Hülse einen sich in Richtung des Kühlkanals verengenden Querschnitt aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten: Vorbereiten eines Kolbenoberteils und Kolbenunterteils; Ausbilden zumindest einer Bohrung mit einem Absatz in dem Kolbenunterteil; Einsetzen der Hülse von der Oberseite her in, die Bohrung in dem Kolbenunterteil; Fügen des Kolbenoberteils und Kolbenunterteils derart, dass die Hülse in axialer Richtung an dem Kolbenoberteil anliegt.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit folgenden Schritten: Vorbereiten eines Kolbenoberteils und Kolbenunterteils; Ausbilden zumindest einer Sacklochbohrung in dem Kolbenunterteil; Einsetzen der Hülse von der Oberseite in die Sacklochbohrung in dem Kolbenunterteil; Fügen des Kolbenoberteils und Kolbenunterteils; Aufbohren des Kühlkanals durch das Kolbenunterteil derart dass durch die Hülse Kühlmittel zuführbar ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse in das Unterteil gepresst oder durch Temperaturdifferenz schrumpfeingepresst wird.