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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Kolben für Hubkolbenbrennkraftmaschinen können beispielsweise aus einem mit einem Leichtmetall infiltrierten Carbonwerkstoff hergestellt werden. Solche Kolben sind leichter als herkömmliche Kolben, die aus einem Metallguss hergestellt sind. Die gewichtsreduzierten Kolben können sowohl bei Benzinmotoren als auch bei Dieselmotoren eingesetzt werden. Die gewichtsreduzierten Kolben weisen eine Brennraumoberfläche auf, die aufgrund ihrer Porosität größer als eine Brennraumoberfläche eines herkömmlichen Metallgusskolbens ist. Hierdurch kann eine schnellere und vollständige Verbrennung eines in einen Brennraum eingespritzten, zündfähigen Gemischs aus einem Kraftstoff, Luft und eventuell einem rückgeführten Abgas erfolgen, insbesondere da der Kraftstoff besser verdampft und somit die Anzahl an Tröpfchen in dem in dem Brennraum befindlichen, zündfähigen Gemisch reduziert wird. Hierdurch kann der Wirkungsgrad bzw. die Leistung der Hubkolbenbrennkraftmaschine erhöht werden. Zudem können Feinstaub- und Rußpartikelemissionen der Hubkolbenbrennkraftmaschine bis in die Nähe einer Nachweisgrenze reduziert werden. Auch in dem Brennraum befindliche Ölpartikel können verbrannt werden. Zudem wird ein Kraftstoffverbrauch der Hubkolbenbrennkraftmaschine reduziert. Verbrauchssenkungen zwischen 10 % und 20 % bei Benzinmotoren und zwischen 5 % bis 10 % bei Dieselmotoren sind bereits nachgewiesen worden. Leistungserhöhungen einer Hubkolbenbrennkraftmaschine liegen nachgewiesenermaßen in einem ähnlichen Prozentbereich. Kolben aus einem mit einem Leichtmetall infiltrierten Carbon haben zudem selbstschmierende Eigenschaften. Hierdurch können Wärmeverluste während eines Verdichtungstakts reduziert werden. Eine mittlere Brennraumtemperatur kann beispielsweise bei 600 °C bis 700 °C liegen.
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Prinzipiell sind Kolben aus dem Stand der Technik bekannt, welche aus einem Verbund von Kohlenstoff oder einer Keramik und einem Metall bestehen.
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Die
DE 691 12 314 T2 betriff ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren, bei dem in eine Druckgussform vorgefertigte Teile aus infiltriertem Karbonmaterial eingelegt, fixiert und in einem weiteren Schritt umgossen werden.
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Auch die
DE 10 2004 051 677 A1 betrifft einen Einsatz-Verbundkörper aus Metall und Keramik, insbesondere einen Einsatz-Verbundkörper aus Metall und Keramik, der selbst bei einer hohen Temperatur eine hohe Verbindungsfestigkeit zwischen dem Keramik- und dem Metallmaterial und selbst bei einer tiefen Temperatur eine zuverlässig große Festigkeit aufweist Aus diesem Dokument ist auch die Verwendung von Leichtmetall infiltriertem Kohlenstoff für Brennraumoberflächen beschrieben.
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Die
US 5 408 916 A betrifft eine Kolbenanordnung mit einem Kolbenkörper und einer Auskleidung, der Innenfläche. Die Auskleidung verleiht zusätzliche Festigkeit und Dimensionsstabilität während des Gießens, der maschinellen Bearbeitung, der Motormontage und im Betrieb. Gleichzeitig wird das Kolbengewicht für ein gegebenes Volumen reduziert, ohne dass die Festigkeit beeinträchtigt wird.
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Die
GB 251 127 A beschreibt einen Kolben mit einem Aluminiumkörper mit einem Packungsringträger aus härterem Metall, der während des Gießens befestigt wird.
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Die
FR 573 257 A betrifft einen Kolben aus Aluminium oder Leichtmetall, welcher mit gepressten Blechen verstärkt ist.
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Die
WO 1999/58 839 A1 betrifft eine teilweise aus Grafit hergestellte Kolben-Zylinder-Anordnung mit einem Kolben, der sich mit seinen Gleitabschnitten, die vorzugsweise als geschlossene Ringe ausgebildet sind, gegen die Führungsfläche des Zylinders abstützt.
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Die
DE 35 06 069 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenteils für eine Brennkraftmaschine bei dem das Befestigen eines Keramikteils an einem Maschinenteilkörper aus Metall mittels eines Metallteils erfolgt, dessen Außenumfang einen kleineren Durchmesser als der Außendurchmesser des Keramikteils aufweist und an einem Ende mit einer Ringnut versehen ist.
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Die
DE 35 42 915 C2 beschreibt eine Direktverschraubung eines keramischen Kolbenbodens mit einem metallischen Kolbenmantels mittels eines speziellen Rundgewindes.
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Die
DE 511 422 A betrifft einen Kolben mit als Schale ausgebildetem Hohlraum, der mit dem Zylinderraum durch einen in einem Deckel enthaltenen Drosselquerschnitt verbunden ist, wobei der Deckel in die obere Öffnung der Schale eingesetzt und mit seinem Rand unmittelbar mit der Schalenwand selbst verbunden ist, z. B. durch Einschrauben oder Einschweißen.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen dauerhafteren Kolben der eingangs genannten Art bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 bzw. 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere in den abhängigen Patentansprüchen angegeben, die jeweils für sich genommen oder in verschiedener Kombination miteinander einen weiterbildenden oder vorteilhaften Aspekt der Erfindung darstellen können. Weiterbildungen des Kolbens können dabei Weiterbildungen des Verfahrens entsprechen, und umgekehrt, selbst wenn im Folgenden hierauf im Einzelfall nicht explizit hingewiesen wird.
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Ein erfindungsgemäßer Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine ist zumindest teilweise und zumindest im Bereich der Brennraumoberfläche aus einem mit einem Metall oder einer Metalllegierung infiltrierten Kohlenstoff hergestellt. Dabei besitzt der Kolben wenigsten ein Verstärkungsbauteil und ein Verbindungsbauteil, welches aus Metall gebildet ist und den mit einem Metall oder einer Metalllegierung infiltrierten Kohlenstoff verstärkt.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass ein mit einem Metall infiltrierter Kohlenstoff eine geringere Festigkeit als ein herkömmlicher Metallgießwerkstoff oder Stahlwerkstoff aufweist. Daher konnte sich bislang die Verwendung eines Kolbens, der aus einem Metall infiltrierten Kohlenstoffs hergestellt ist, nicht für die Großserie von hochbeanspruchten, leistungsstarken Hubkolbenbrennkraftmaschinen durchsetzen. Auch konnten bislang keine gleichmäßigen Belastungseigenschaften eines aus einem mit einem Metall infiltrierten Kohlenstoff hergestellten Kolbens für die Großserie gewährleitet werden.
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Der Erfindungsgemäße Kolben kann dabei aus einem Kolbenkörper, welcher zumindest das Kolbenhemd umfasst und einer Baueinheit, welche die Brennraumoberfläche ausbildet, zusammengesetzt sein. Erfindungsgemäß wird die Dauerhaftigkeit des Kolbens dadurch erhöht, dass an bzw. in dem Kolbenkörper und an oder in der Baueinheit, welche die Brennraumoberfläche ausbildet, ein Verstärkungsbauteil und ein Verbindungsbauteil angeordnet ist, dass den mit einem Metall oder einer Metalllegierung infiltrierten Kohlenstoff verstärkt.
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Hierdurch kann ein erfindungsgemäßer Kolben in Großserie auch in leistungsstarke Hubkolbenbrennkraftmaschinen eingebaut werden.
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Ein Stahlkolben oder Titankolben kann auch mit einem infiltrierten Kohlenstoff-Inlay versehen sein, wobei zur Reibungsreduzierung zudem das Kolbenhemd mit einer reibungsmindernden Nanostruktur oder/und einer Reibung mindernden Kohlenstoffbeschichtung versehen sein kann. Das Kohlenstoff-Inlay stellt dann das Bauteil mit der Brennraumoberfläche dar.
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Mit dem erfindungsgemäßen Kolben kann ein Verdichtungsverhältnis eines Ottomotors beispielsweise auf 1:13 bis 1:14 erhöht werden, wohingegen ein Verdichtungsverhältnis eines Dieselmotors auf 1:13 bis 1:14 verringert werden kann. Hierdurch kann eine Vereinheitlichung der Konstruktion von Ottomotoren und Dieselmotoren erreicht werden.
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Der Kolbenkörper kann aus Stahl, aus Titan oder aus einem mit einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium, infiltrierten Kohlenstoff hergestellt sein.
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Die Hubkolbenbrennkraftmaschine kann einen Ottomotor oder einen Dieselmotor aufweisen. Die Hubkolbenbrennkraftmaschine kann mit einem Kraftstoff in Form von Dieselkraftstoff, Motorbenzin oder einem gasförmigen Kraftstoff versorgt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verstärkungsbauteil das Verbindungsbauteil aus Stahl hergestellt. Hierdurch kann eine optimale Verstärkung des mit einem Metall oder einer Metalllegierung infiltrierten Kohlenstoffs erreicht werden. Alternativ kann das Verstärkungsbauteil oder Verbindungsbauteil aus Gusseisen oder Titan hergestellt sein. Das Verstärkungsbauteil oder das Verbindungsbauteil kann ein Verbundkörper sein, der aus wenigstens zwei verschiedenen Werkstoffen hergestellt ist. Das Verstärkungsbauteil kann einen Schichtaufbau aufweisen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verstärkungsbauteil und oder das Verbindungsbauteil hülsenförmig ausgebildet und koaxial zu dem Kolbenhemd angeordnet. Ein Außendurchmesser des Verstärkungsbauteils ist bevorzugt kleiner als ein Außendurchmesser des Kolbenhemds bzw. ein Außendurchmesser des Verbindungsbauteils ist bevorzugt größer als der Außendurchmesser des Bauteils, welches die Brennraumoberfläche ausbildet. Diese symmetrische Anordnung des Verstärkungsbauteils bzw. Verbindungsbauteils relativ zu dem Kolbenkörper geht mit einer gleichmäßigen und optimalen Verstärkung des Kolbens einher.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Kolbenkörper einen unteren Abschnitt, der das Kolbenhemd ausbildet, und einen stoffschlüssig mit dem unteren Abschnitt verbundenen oberen Abschnitt, der einen Feuersteg des Kolbens ausbildet, aufweist, wobei radial außen zwischen dem unteren Abschnitt und dem oberen Abschnitt eine umlaufende Nut ausgebildet ist, in der ein ringförmiges Verstärkungsbauteil aus Metall oder einer Metalllegierung angeordnet ist, an dem radial außen eine umlaufende Nut zur Aufnahme eines Kolbenrings ausgebildet ist. Auch durch das ringförmige Verstärkungsbauteil kann der Kolbenkörper optimal verstärkt werden. Da das ringförmige Verstärkungsbauteil den Kolbenring trägt, kommt dieser nicht in einen unmittelbaren Kontakt mit dem Kolbenkörper. Hierdurch wird vermieden, dass der Kolbenkörper durch einen körperlichen Kontakt mit einem Kolbenring verschleißt, so dass die Dauerhaftigkeit des Kolbens erhöht wird. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem unteren Abschnitt und dem oberen Abschnitt des Kolbenkörpers kann beispielsweise unter Verwendung eines Druckgussverfahrens erfolgen.
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Vorteilhafterweise umfasst der Kolben eine kraftschlüssig mit dem Kolbenkörper verbundene Baueinheit, die eine Brennraumoberfläche des Kolbens ausbildet und zumindest teilweise aus mit einem Metall oder einer Metalllegierung infiltrierten Kohlenstoff hergestellt ist, wobei an dem Kolbenkörper eine zur Baueinheit hin offene Gewindebohrung ausgebildet ist, und wobei ein mit einem Außengewinde versehener Verbindungsabschnitt der Baueinheit in die Gewindebohrung eingeschraubt ist. Das Verbindungsbauteil ist dabei aus einem Metall ausgebildet und dient wie das Verstärkungsbauteil dazu, den aus mit einem Metall oder einer Metalllegierung infiltrierte Kohlenstoff zu verstärken.
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Ein entsprechender Kolben kann im Zuge einer Neuherstellung oder durch eine Umrüstung bzw. Nachrüstung eines bereits vorhandenen Kolbens hergestellt werden. Werden bestehende Kolben, wie zum Beispiel Stahlkolben umgerüstet, so wird die aus einem Kohlenstoff hergestellt Brennraumoberfläche in Form eines Inlays in den Kolben eingebracht und durch das Verbindungsbauteil verstärkt und über z.B. eine Schraubverbindung mit dem restlichen Kolben verbunden.
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Ein Innengewinde der Gewindebohrung kann in einem Gießverfahren oder durch Gewindeschneiden ausgebildet werden. Durch das Einschrauben des Verbindungsabschnitts der Baueinheit in die Gewindebohrung des Kolbenkörpers wird ein Kraftschluss zwischen der Baueinheit und dem Kolbenkörper hergestellt. Die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Kolbenkörper und der Baueinheit kann bei Bedarf gelöst werden, beispielsweise um den Kolben im Zuge einer Umrüstung oder Reparatur mit einer neuen Baueinheit bestücken zu können.
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Alternativ oder additiv kann der Verbindungsabschnitt zumindest bereichsweise mit dem Kolbenkörper verklebt sein. Durch Letzteres kann verhindert werden, dass sich die kraftschlüssige Verbindung zwischen der Baueinheit und dem Kolbenkörper im Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine löst. Die Verklebung kann beispielsweise im Bereich der zusammenwirkenden Gewinde und/oder zwischen einander zugewandten, axialen Stirnflächen der Baueinheit und des Kolbenkörpers angeordnet sein. Die Baueinheit kann auch vollflächig mit dem Kolbenboden verklebt sein. Zur Verklebung kann ein Klebstoff verwendet werden, der elastisch und bis zu einer Temperatur von etwa 1000 °C temperaturbeständig ausgebildet ist.
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Miteinander verklebte Oberflächenbereiche des Verbindungsabschnitts und/oder des Kolbenkörpers können zumindest teilweise aufgeraut oder mit Hinterschneidungen versehen sein. Hierdurch wird die Oberfläche zwischen dem Klebstoff und dem jeweiligen Oberflächenbereich vergrößert, wodurch die Verklebung verstärkt bzw. robuster wird. Sind Hinterschneidungen an einem Oberflächenbereich vorhanden, kann der Klebstoff diese formschlüssig hintergreifen, wodurch die Verbindung zwischen dem Klebstoff und dem Oberflächenbereich verstärkt wird. Eine Aufrauhung eines Oberflächenabschnitts kann durch eine mechanische Materialabtragung, durch Laserablation oder eine andere Bearbeitungsart erfolgen.
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Der Kolben kann wenigstens ein an der Baueinheit und dem Kolbenkörper angreifendes mechanisches Sicherungsmittel aufweisen, über das die Baueinheit gegen ein Verdrehen relativ zu dem Kolbenkörper gesichert ist. Hierdurch kann zuverlässig sichergestellt werden, dass sich die Baueinheit nicht relativ zu dem Kolbenkörper verdreht, was mit einer nachteiligen Lösung der kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Baueinheit und dem Kolbenkörper einhergehen würde. Das mechanische Sicherungsmittel kann beispielsweise eine Verstiftung sein, wobei wenigstens ein radial verlaufender, an der Baueinheit und dem Kolbenkörper angreifender Metallstift die Baueinheit drehfest an den Kolbenkörper koppelt. Unter einer Verdrehung ist in diesem Zusammenhang eine Verdrehung der Baueinheit um eine axiale Längsmittelachse des zylinderförmigen Kolbens relativ zu dem Kolbenkörper zu verstehen.
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Die Formgebung der Baueinheit kann der Formgebung eines Abschnitts des Kolbenkörpers entsprechen, der zur Anordnung der Baueinheit an dem Kolbenkörper vorab von dem Kolbenkörper entfernt oder bei seiner Herstellung weggelassen worden ist. Dieser entfernte Negativabschnitt kann zusätzlich zu dem Negativ der Gewindebohrung noch einen radial außen die Gewindebohrung umschließenden Materialabschnitt umfassen. Entsprechend kann die Baueinheit einen radial nach außen weisenden Kragen aufweisen, dessen Formgebung der Formgebung des Materialabschnitts des entfernten oder weggelassenen Negativabschnitts des Kolbenkörpers entspricht. Hierdurch kann die Baueinheit zumindest teilweise formschlüssig in den Kolbenkörper eingefügt werden.
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Die Baueinheit kann aus einem Werkstoff monolithisch hergestellt sein. Dies geht mit einer Minimierung der zur Ausbildung des Kolbens benötigten Bauteilanzahl einher. Die Baueinheit kann beispielsweise unter Verwendung eines Gießverfahrens hergestellt werden. Alternativ kann die Baueinheit wenigstens zweiteilig ausgebildet sein.
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Es ist des Weiteren von Vorteil, wenn das Verbindungsbauteil topfförmig ausgebildet ist. Das Verbindungsbauteil kann zumindest teilweise aus Titan oder Stahl hergestellt sein. Insbesondere kann das Verbindungsbauteil aus einem hochlegierten Stahl hergestellt sein.
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Erfindungsgemäß umfasst die Baueinheit ein mit dem Verbindungsbauteil verbundenes Bauteil aus einem mit einem Metall oder einer Metalllegierung infiltrierten Kohlenstoff, das die Brennraumoberfläche ausbildet. Der Werkstoff des Bauteils kann ein mit Kohlenstoff versetzter Aluminiumgießwerkstoff sein. Hierdurch kann die Baueinheit durch ein Ausgießen des Verbindungsbauteils mit dem Aluminiumgießwerkstoff hergestellt werden. In den Aluminiumgießwerkstoff können katalytisch wirkende Partikel eingeschlossen sein. Die die Brennraumoberfläche ausbildende Oberfläche des Bauteils kann zur Vergrößerung dieser Oberfläche mit einer Oberflächenstrukturierung versehen sein. Alternativ kann das Verbindungsbauteil durch ein Schrumpfverfahren mit dem Bauteil verbunden werden. Hierbei kann das Verbindungsbauteil vorab erwärmt und hierdurch derart aufgeweitet werden, dass das Bauteil zumindest teilweise in eine Aufnahme des aufgeweiteten Verbindungsbauteils eingefügt werden kann. Anschließend wird das Verbindungsbauteil aktiv oder passiv abgekühlt, wodurch es sich zusammenzieht und hierdurch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen sich und dem Bauteil herstellt. Dabei kann die Aufnahme an dem Verbindungsbauteil in einem Axialschnitt beispielsweise kegelstumpfförmig oder bauchig ausgebildet sein. Das Bauteil kann alternativ in das Verbindungsbauteil eingeschraubt werden, wozu an dem Bauteil und dem Verbindungsbauteil entsprechende Gewinde vorzusehen sind.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Kolben ein topfförmig ausgebildetes Metallelement, das zumindest teilweise formschlüssig in einer zu einem an dem Kolben angreifenden Pleuel der Hubkolbenbrennkraftmaschine hin offene axiale Aufnahme des Kolbenkörpers angeordnet ist. Auch hierdurch kann der Kolbenkörper verstärkt werden. Das Metallelement kann zumindest teilweise aus Stahl oder Titan hergestellt sein.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine umfasst die Schritte:
- - Herstellen eines Kolbenkörpers, der zumindest ein Kolbenhemd des Kolbens ausbildet,
- - Herstellen einer Aussparung in dem Kolbenkörper zur Aufnahme einer Baueinheit, welche eine Brennraumoberfläche ausbildet,
- - Herstellen einer Baueinheit aus einem Bauteil, das aus einem mit einem Metall oder einer Metalllegierung infiltrierten Kohlenstoff besteht und einem Verbindungsbauteil aus Metall, welches das Bauteil stärkt,
- - Befestigen der Baueinheit in der Aussparung des Kolbenkörpers.
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Mit dem Verfahren sind die oben mit Bezug auf den Kolben genannten Vorteile entsprechend verbunden. Insbesondere kann der Kolben gemäß einer der oben genannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden. Die Herstellung des Kolbenkörpers kann unter Verwendung eines Gießverfahrens erfolgen. Das Anbringen des Verstärkungsbauteils und des Verbindungsbauteils an dem Kolbenkörper kann unter Verwendung eines Gießverfahrens, insbesondere durch Druckgießen oder Umgießen, oder durch ein Schrumpfverfahren oder durch Verkleben erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird mit dem Kolbenkörper eine Baueinheit verbunden, die eine Brennraumoberfläche des Kolbens ausbildet und zumindest angrenzend an die Brennraumoberfläche aus mit einem Metall oder einer Metalllegierung infiltrierten Kohlenstoff hergestellt wird, wobei an dem Kolbenkörper eine zur Baueinheit hin offene Gewindebohrung und an einem Verbindungsabschnitt der Baueinheit ein Außengewinde ausgebildet wird, und wobei der Verbindungsabschnitt in die Gewindebohrung eingeschraubt wird. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Kolbens genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Baueinheit durch ein Verbinden eines Verbindungsbauteils aus Metall oder einer Metalllegierung, das den Verbindungsabschnitt ausbildet, mit einem Bauteil aus einem mit einem Metall oder einer Metalllegierung infiltrierten Kohlenstoff, das die Brennraumoberfläche ausbildet, hergestellt. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Kolbens genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass ein topfförmig ausgebildetes Metallelement derart mit dem Kolbenkörper verbunden wird, dass das Metallelement zumindest teilweise formschlüssig in einer zu einem an dem Kolben angreifenden Pleuel der Hubkolbenbrennkraftmaschine hin offene axiale Aufnahme angeordnet ist. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Kolbens genannten Vorteile entsprechend verbunden. Das Metallelement kann durch Eingießen eines Leichtmetalls, insbesondere Aluminium, in die pleuelseitige Aufnahme des Kolbenkörpers ausgebildet werden.
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Vorteilhafterweise wird der Kolben unter Verwendung eines Gießverfahrens oder eines Schrumpfverfahrens hergestellt. Insbesondere können Bauteile des Kolbens mittels eine solchen Verfahrens auch miteinander verbunden werden. Hierbei können Bauteile des Kolbens, die aus einem Kohlenstoff hergestellt sind, vorab oder während des Gießverfahrens, insbesondere Druckgießverfahrens, mit einem Metall oder einer Metalllegierung infiltriert werden. Hierzu können diese Bauteile in ein Gießwerkzeug eingelegt werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in unterschiedlicher Kombination miteinander einen weiterbildenden oder vorteilhaften Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Kolben im Längsschnitt;
- 2 eine schematische Darstellung eines Verbindungsbauteils eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Kolben im Längsschnitt;
- 3 eine schematische Darstellung eines Verbindungsbauteils eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Kolben im Längsschnitt;
- 4 eine schematische Darstellung eines Verbindungsbauteils eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Kolben im Längsschnitt;
- 5 eine schematische Darstellung eines Bauteils eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Kolben im Längsschnitt;
- 6 eine schematische Darstellung eines Bauteils eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Kolben im Längsschnitt; und
- 7 eine schematische Darstellung eines Bauteils eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Kolben im Längsschnitt.
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In den Figuren sind funktionsgleiche bzw. gleiche Bestandteile mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Kolben 1 für eine nicht gezeigte Hubkolbenbrennkraftmaschine im Längsschnitt.
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Der Kolben 1 umfasst einen Kolbenkörper 2, der aus einem mit einem Metall, insbesondere einem Leichtmetall, oder einer Metalllegierung infiltrierten Kohlenstoff hergestellt ist und ein Kolbenhemd 3 des Kolbens 1 ausbildet. Des Weiteren umfasst der Kolben 1 ein teilweise in den Kolbenkörper 2 eingebettetes Verstärkungsbauteil 4 aus Metall oder einer Metalllegierung. Das Verstärkungsbauteil 4 kann insbesondere aus Stahl hergestellt sein. Das Verstärkungsbauteil 4 ist hülsenförmig ausgebildet und koaxial zu dem Kolbenhemd 3 angeordnet. Ein Außendurchmesser des Verstärkungsbauteils 4 ist kleiner als ein Außendurchmesser des Kolbenhemds 3.
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Der Kolbenkörper 2 umfasst einen unteren Abschnitt 5, der das Kolbenhemd 3 ausbildet, und einen stoffschlüssig mit dem unteren Abschnitt 5 verbundenen oberen Abschnitt 6, der einen Feuersteg 7 des Kolbens 1 ausbildet. Radial außen ist zwischen dem unteren Abschnitt 5 und dem oberen Abschnitt 6 eine umlaufende Nut 8 ausgebildet, in der ein ringförmiges Verstärkungsbauteil 9 aus Metall, insbesondere Stahl oder Titan, oder einer Metalllegierung angeordnet ist. An dem Verstärkungsbauteil 9 ist radial außen eine umlaufende Nut 10 zur Aufnahme eines nicht gezeigten Kolbenrings ausgebildet.
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Der Kolben 1 umfasst zudem eine kraftschlüssig mit dem Kolbenkörper 2 verbindbare, nicht gezeigte Baueinheit, die eine Brennraumoberfläche des Kolbens 1 ausbildet und zumindest angrenzend an die Brennraumoberfläche aus mit einem Metall oder einer Metalllegierung infiltrierten Kohlenstoff hergestellt ist. An dem Kolbenkörper 2 ist eine zur Baueinheit hin offene Gewindebohrung 11 ausgebildet. Ein mit einem Außengewinde versehener, nicht gezeigter Verbindungsabschnitt der Baueinheit ist in die Gewindebohrung 11 einschraubbar. Die Baueinheit umfasst ein nicht gezeigtes Verbindungsbauteil 14, 22, 23 aus Metall, insbesondere Stahl oder Titan, oder einer Metalllegierung, das den Verbindungsabschnitt ausbildet. Das Verbindungsbauteil 14, 22, 23 kann entsprechend der 2, 3 oder 4 ausgebildet sein. Die Baueinheit umfasst zudem ein mit dem Verbindungsbauteil 14, 22, 23 verbundenes, nicht gezeigtes Bauteil aus einem mit einem Metall, insbesondere einem Leichtmetall, oder einer Metalllegierung infiltrierten Kohlenstoff, das die Brennraumoberfläche ausbildet. Das Bauteil kann entsprechend der 5, 6 oder 7 ausgebildet sein. An die Gewindebohrung 11 schließt sich eine an dem Kolbenkörper 2 bzw. dem oberen Abschnitt 6 angeordnete Aufnahme 15 an, deren Funktion im Zusammenhang mit den 2 bis 4 deutlich wird.
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Der Kolben 1 umfasst ferner ein topfförmig ausgebildetes Metallelement 12, das teilweise formschlüssig in einer zu einem an dem Kolben 1 angreifenden, nicht gezeigten Pleuel der Hubkolbenbrennkraftmaschine hin offene axiale Aufnahme 13 des Kolbenkörpers 2 bzw. unteren Abschnitts 5 angeordnet ist. Das Metallelement 12 kann aus Stahl oder Titan hergestellt sein.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbindungsbauteils 14 eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen nicht weitergehender gezeigten, erfindungsgemäßen Kolben 1 für eine nicht gezeigte Hubkolbenbrennkraftmaschine im Längsschnitt.
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Das topfförmig ausgebildete Verbindungsbauteil 14 umfasst ein Außengewinde 16, das in die Gewindebohrung des in 1 gezeigten Kolbenkörpers 2 einschraubbar ist. An dem Verbindungsbauteil 14 sind mehrere radiale Durchgangsbohrungen 17 angeordnet, die mit dem Werkstoff des nicht gezeigten Bauteils des Kolbens 1, das die Brennraumoberfläche des Kolbens 1 ausbildet, ausgefüllt werden können, um eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Verbindungsabschnitt 14 herstellen zu können. Des Weiteren ist eine Innenfläche des Verbindungsbauteils 14 mit einer Vielzahl an umlaufenden Hinterschneidungen 18 versehen, die ebenfalls zur Ausbildung eines Formschlusses zwischen dem in das Verbindungsbauteil 14 eingegossenen Bauteil dienen. Ein Boden 19 des Verbindungsbauteils 14 weist zur Gewichtsreduzierung eine zentrale Öffnung 20 auf. Das Verbindungsbauteil 14 umfasst ferner einen radial nach außen weisenden, umlaufenden Kragen 21, der formschlüssig in die an dem oberen Abschnitt des in 1 gezeigten Kolbenkörpers 2 einfügbar ist. Der Kragen 21 bildet eine Aufnahme 26 aus, deren Funktion aus den 5 bis 7 und der zugehörigen Beschreibung deutlich wird.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbindungsbauteils 22 eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen nicht weitergehender gezeigten, erfindungsgemäßen Kolben 1 für eine nicht gezeigte Hubkolbenbrennkraftmaschine im Längsschnitt.
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Das Verbindungsbauteil 22 unterscheidet sich allein dadurch von dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, dass an dem Boden 19 des Verbindungsbauteils 22 keine zentrale Öffnung 20 angeordnet ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Übrigen auf die obige Beschreibung zu 2 verwiesen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbindungsbauteils 23 eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen nicht weitergehender gezeigten, erfindungsgemäßen Kolben 1 für eine nicht gezeigte Hubkolbenbrennkraftmaschine im Längsschnitt.
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Das Verbindungsbauteil 23 unterscheidet sich allein dadurch von dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel, dass an dem Verbindungsbauteil 23 keine radialen Durchgangsbohrungen 17 angeordnet sind. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Übrigen auf die obige Beschreibung zu 2 verwiesen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Bauteils 24 eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen nicht weitergehender gezeigten, erfindungsgemäßen Kolben 1 für eine nicht gezeigte Hubkolbenbrennkraftmaschine im Längsschnitt.
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Das Bauteil 24 wird insbesondere bei einem Dieselmotor eingesetzt. Das Bauteil 24 ist aus einem mit einem Metall, insbesondere einem Leichtmetall, oder einer Metalllegierung infiltrierten Kohlenstoff hergestellt und bildet die Brennraumoberfläche des Kolbens aus. Das Bauteil 24 kann in ein Verbindungsbauteil 14, 22, 23 entsprechend der 2, 3 oder 4 eingegossen werden, um die Baueinheit des Kolbens auszubilden. Das Bauteil 24 umfasst eine bauchig ausgebildete zentrale Aufnahme 25. Das Bauteil 24 umfasst ferner einen radial nach außen weisenden, umlaufenden Kragen 27, der formschlüssig in der durch den Kragen 21 ausgebildeten Aufnahme 26 des Verbindungsbauteils 14, 22, 23 gemäß einer der 2 bis 4 anordbar ist.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Bauteils 28 eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen nicht weitergehender gezeigten, erfindungsgemäßen Kolben 1 für eine nicht gezeigte Hubkolbenbrennkraftmaschine im Längsschnitt.
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Das Bauteil 28 kann insbesondere bei einem Ottomotor eingesetzt werden. Das Bauteil 28 unterscheidet sich allein dadurch von dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel, dass an dem Bauteil 28 keine zentrale Aufnahme 25 angeordnet ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Übrigen auf die obige Beschreibung zu 5 verwiesen.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Bauteils 29 eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen nicht weitergehender gezeigten, erfindungsgemäßen Kolben 1 für eine nicht gezeigte Hubkolbenbrennkraftmaschine im Längsschnitt.
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Das Bauteil 29 unterscheidet sich dadurch von dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel, dass an dem Bauteil 29 ein konvex gewölbter Vorsprung 30 angeordnet ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Übrigen auf die obige Beschreibung zu 5 verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Kolbenkörper
- 3
- Kolbenhemd
- 4
- Verstärkungsbauteil
- 5
- unterer Abschnitt von 3
- 6
- oberer Abschnitt von 3
- 7
- Feuersteg
- 8
- Nut von 3
- 9
- Verstärkungsbauteil
- 10
- Nut von 9
- 11
- Gewindebohrung
- 12
- Metallelement
- 13
- Aufnahme von 2, 5
- 14
- Verbindungsbauteil
- 15
- Aufnahme von 2, 6
- 16
- Außengewinde
- 17
- radiale Durchgangsbohrung
- 18
- Hinterschneidung
- 19
- Boden von 14, 22, 23
- 20
- zentrale Öffnung von 19
- 21
- Kragen von 14, 22, 23
- 22
- Verbindungsbauteil
- 23
- Verbindungsbauteil
- 24
- Bauteil
- 25
- zentrale Aufnahme von 24
- 26
- Aufnahme an 21
- 27
- Kragen von 24, 28, 29
- 28
- Bauteil
- 29
- Bauteil
- 30
- Vorsprung von 29
