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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, und insbesondere einen zusammengesetzten Kolbenkörper mit einem Schalenteil und einem Schürzenteil, die aus ungleichen Materialien bestehen, und verbesserte Temperaturbeständigkeit aufweisen.
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Hintergrund
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Eine große Anzahl unterschiedlicher Betriebsstrategien und Komponentenkonstruktionen sind auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren bekannt. Forschung und Entwicklung in Bezug auf die Art, in der Faktoren wie Kraftstoffversorgung, Abgasrückführung, Turboaufladung und variable Ventilsteuerung variiert werden können, um unterschiedliche Ergebnisse zu erzeugen, haben sich über Jahrzehnte weiterentwickelt. Zusätzlich zur Variation dieser und weiterer Betriebsparameter wurde ein großer Teil des Forschungs- und Prüfaufwands auf die unterschiedlichen Arten aufgewendet, in der Motorkomponenten, wie etwa Kolben, geformt und proportioniert werden können, und aus verschiedenen Materialien ausgebildet werden können. Eine Motivation, die Fortschritte in der Verbrennungstechnologie und der damit verbundenen Forschung antreibt, war der Wunsch, relative Mengen bestimmter Emissionen in Motorabgasen zu verringern, etwa Stoffpartikel und Stickoxide oder NOx. Weitere Motivationen betreffen die Verbesserung und die Optimierung der Leistung, die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs oder auch weitere Ziele.
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Es ist schon lange bekannt, dass der Motorlastzyklus, allgemein als die Muster der Verwendung eines Motors unter aktuellen Einsatzbedingungen vor Ort verstanden, die Art beeinflussen kann, in der Motorkomponenten arbeiten und realen Einsatzbedingungen standhalten. Der Lastzyklus beeinflusst auch das Ausmaß und die Weise, in der Abgasemissionen, Kraftstoffverbrauch, und andere Leistungsvariablen auf Einstellungen der verschiedenen steuerbaren Betriebsparameter ansprechen. Einige Motoren werden unter sog. niedrigen Leerlauf- oder mittleren Leerlaufbedingungen mit nur relativ geringen Variationen in Motordrehzahl oder Motorlast in dem normalen oder erwarteten Motorlastzyklus betrieben. So können Techniker Motorkomponenten konstruieren und Betriebsparameter und Erwartungen festlegen, die auf den relativ stabilen Betriebspunkten basieren, die erwartet werden.
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Andere Motorlastzyklen sind dynamischer, wobei die Motordrehzahl oder Motorlast, oder beide, routinemäßig variiert werden, manchmal in beträchtlichem Ausmaß. Ein Dieselverbrennungsmotor in einer Transitlokomotive könnte zum Beispiel die Motordrehzahl oder Motorlast bis oder nahezu bis zu einer Nennmotordrehzahl oder Motorlast zwischen Halten oder Stationen erhöhen, aber auf niedrige Leerlaufbedingungen absenken, während die Lokomotive für den Ein- und Ausstieg angehalten wird. Man kann sich vorstellen, dass der Motor der Transitlokomotive relativ rasche und weite Schwankungen in solchen Faktoren wie Temperatur und Zylinderinnendruck erfährt. Noch andere Motorlastzyklen können weniger vorhersehbar sein, und der Motor kann längere Zeitperioden mit hoher Leerlaufdrehzahl arbeiten, relativ lange mit niedriger Leerlaufdrehzahl, und dann für eine gewisse Zeitperiode rasch zwischen hohen Drehzahlen und Lasten und niedrigen Drehzahlen und Lasten hoch- oder heruntergefahren werden.
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Die Bemühungen, die verschiedenen unterschiedlichen Muster des Motorbetriebs und Lastzyklus zu berücksichtigen, haben zumindest zum Teil zu der großen Anzahl von Motorbetriebsstrategien und Komponentenkonstruktionen geführt, die in der Technik bekannt sind. Für bestimmte Motoren, die relativ rauen Betriebsbedingungen unterliegen, und insbesondere häufigen Temperaturschwankungen, hat ein Gebiet der Forschungs- und Entwicklungsinteressen Verbesserungen in der Kolbengeometrie und Materialien umfasst, die hohen Temperaturen und/oder anderen intensiven, thermische Ermüdung induzierenden Bedingungen standhalten. Weitere Forschungsansätze haben Kolben in Betracht gezogen, die für Bedingungen relativ extremer mechanischer Belastung gut geeignet sind. Das der Anmelderin des vorliegenden Dokuments erteilte
US-Patent Nr. 6,155,157 an Jarrett betrifft einen Kolben, der aus zwei Teilen gebildet wird, die dazu strukturiert sind, die Lebensdauer des Kolbens zu erhöhen, wo erhöhte Verbrennungskräfte zu erwarten sind. Jarrett schlägt einen Kolben mit einem Kopfelement und einem separaten Schürzenelement vor, die durch Reibungsschweißen miteinander verbunden werden. Der Verbrennungskraft, die auf einen Schalenabschnitt des Kopfelements wirkt, widersteht eine Stützoberfläche eines Ringbands. Das Schürzenelement soll dem Biegemoment der Verbrennungskräfte an dem Kopfelement widerstehen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt umfasst ein Kolben für einen Verbrennungsmotor einen zusammengesetzten Kolbenkörper, der eine Längsachse definiert und einen Schalenteil, einen Schürzenteil und eine Schweißung umfasst, die den Schalenteil mit dem Schürzenteil verbindet. Der Schalenteil umfasst ein erstes axiales Ende mit einer darin ausgebildeten Brennraummulde, und einen ringförmigen Kolbenrand, der sich in Umfangsrichtung um die Brennraummulde herum erstreckt, und ein zweites axiales Ende, das eine erste ringförmige Wand umfasst, die sich in einer ersten axialen Richtung erstreckt. Der Schürzenteil umfasst ein erstes axiales Ende mit einer zweiten ringförmigen Wand, die sich in einer zweiten axialen Richtung erstreckt, und ein zweites axiales Ende, das eine Kolbenschürze und eine darin ausgebildete Kolbenbolzenbohrung umfasst. Die Schweißung erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Längsachse herum, und axial zwischen der ersten ringförmigen Wand und der zweiten ringförmigen Wand. Der zusammengesetzte Kolbenkörper ist aus einem gegen niedrige Temperaturen beständigen Stahl in dem Schürzenteil, und einem gegen höhere Temperaturen beständigen Stahl in dem Schalenteil gebildet. Der gegen höhere Temperaturen beständige Stahl weist eine martensitische Mikrostruktur auf und enthält etwa 10 Gew.-% oder mehr an Chrom, und einen Rest aus Eisen, Kohlenstoff und optionalen Legierungselementen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Kolben für einen Verbrennungsmotor einen zusammengesetzten Kolbenkörper, der eine Längsachse definiert und einen Schalenteil und einen Schürzenteil umfasst. Der Schalenteil umfasst ein erstes axiales Ende mit einer darin ausgebildeten Brennraummulde und einen ringförmigen Kolbenrand, der sich in Umfangsrichtung um die Brennraummulde herum erstreckt. Der Schalenteil umfasst des Weiteren ein zweites axiales Ende mit einer ersten ringförmigen Wand, die sich in einer ersten axialen Richtung erstreckt. Der Schürzenteil umfasst ein erstes axiales Ende mit einer zweiten ringförmigen Wand, die sich in einer zweiten axialen Richtung erstreckt, und ein zweites axiales Ende, das eine Kolbenschürze und eine darin ausgebildete Kolbenbolzenbohrung umfasst. Der Schalenteil weist eine höhere Temperaturbeständigkeit auf und ist aus einem martensitischen Edelstahl ausgebildet, und der Schürzenteil weist eine niedrigere Temperaturbeständigkeit auf und ist aus einem niedriglegierten Stahl ausgebildet. Der Kolben umfasst des Weiteren eine Schweißung, die sich in Umfangsrichtung um die Längsachse und axial zwischen der ersten ringförmigen Wand und der zweiten ringförmigen Wand erstreckt, um eine verbundene Schnittstelle des martensitischen Edelstahls und des niedriglegierten Stahls auszubilden, die den Schalenteil an dem Schürzenteil befestigt.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor das Positionieren eines Schalenteils, der aus einem martensitischen Edelstahl besteht, relativ zu einem Schürzenteil, der aus einem niedriglegierten Stahl besteht, so dass eine erste ringförmige Wand des Schalenteils koaxial mit einer zweiten ringförmigen Wand des Schürzenteils ausgerichtet ist. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Inkontaktbringen des Schalenteils mit dem Schürzenteil, so dass die erste ringförmige Wand des Schalenteils gegen die zweite ringförmige Wand des Schürzenteils anliegt, und Verschweißen des Schalenteils und des Schürzenteils, um eine verbundene Schnittstelle des martensitischen Edelstahls und des niedriglegierten Stahls zu bilden, die den Schalenteil an dem Schürzenteil befestigt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht eines Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform;
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2 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht eines Kolbens, der zur Verwendung mit dem Verbrennungsmotor von 1 geeignet ist;
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3 ist eine schematische Ansicht eines Kolbens in einer Phase der Herstellung; und
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4 ist eine schematische Ansicht eines Kolbens in einer weiteren Phase der Herstellung.
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Detaillierte Beschreibung
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Unter Bezugnahme auf 1 ist dort ein Verbrennungsmotor 10 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Der Verbrennungsmotor 10 (im Folgenden "Motor 10") kann ein kompressionsgezündeter Dieselmotor sein, der ein Motorgehäuse 12 und einen Motorkopf 14 umfasst, der mit dem Motorgehäuse 12 gekoppelt ist. Eine Vielzahl von Gasaustauschventilen 16 kann zumindest zum Teil innerhalb des Motorkopfs 14 positioniert sein, und auf herkömmliche Weise beweglich sein, um Luft in einen Zylinder 20 einzulassen, der in dem Motorgehäuse 12 ausgebildet ist, und Abgas aus dem Zylinder 20 auszustoßen, in Übereinstimmung mit einem herkömmlichen Viertakt-Motorzyklus. In der Veranschaulichung in 1 könnte jedes der Gasaustauschventile 16 als ein Einlassventil oder ein Auslassventil verstanden werden. Der Motor 10 kann des Weiteren direkt eingespritzt werden und umfasst zu diesem Zweck eine Kraftstoffeinspritzdüse 18, die innerhalb des Motorkopfs 14 positioniert ist und sich in den Zylinder 20 zur Direkteinspritzung eines Kraftstoffs erstreckt. Der Motor 10 ist in der Regel ein Mehrzylindermotor mit 4, 6, 8, 10 oder mehr Motorzylindern, obwohl nur ein Zylinder 20 in 1 abgebildet ist. Jeder einer Vielzahl von Zylindern, die in dem Motorgehäuse 12 ausgebildet sind, kann zumindest einem Einlassventil und zumindest einem Auslassventil und einer Kraftstoffeinspritzdüse zugeordnet sein. In anderen Ausführungsformen könnte eine Anschlusseinspritzungskonstruktion oder eine andere Kraftstoffeinspritzungs- oder Kraftstoffzufuhrstrategie verwendet werden.
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Ein Kolben 22 ist innerhalb des Zylinders 20, analog zu jedem der anderen Kolben und Zylinder, die Teil des Motors 10 sein könnten, zwischen einer oberen Totpunktstellung und einer unteren Totpunktstellung in einer allgemein herkömmlichen Weise beweglich. Der Kolben 22 kann mit einem Kolbenbolzen 34 gekoppelt sein, der seinerseits mit einer Pleuelstange 36 gekoppelt ist, die auf ebenfalls allgemein herkömmliche Weise mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist. Die Kolbenringe 38 sind auf dem Kolben 22 positioniert dargestellt. Obwohl in 1 keine Zylinderlaufbuchse dargestellt ist, wird dem Fachmann klar sein, dass in der Regel eine Zylinderlaufbuchse verwendet werden wird. Der Motor 10 umfasst auch eine Ölsprühvorrichtung 40, die positioniert und orientiert ist, um auf bekannte Weise Öl zur Kühlung und Schmierung auf eine Unterseite des Kolbens 22 zu sprühen. Der Kolben 22 umfasst einen zusammengesetzten Kolbenkörper 24, der eine Längsachse 26 definiert und einen Schalenteil 28, einen Schürzenteil 30 und eine Schweißung 32 umfasst, die den Schalenteil 28 mit dem Schürzenteil 30 verbindet. Der Fachmann wird allgemein mit dem Bereich von Betriebsbedingungen vertraut sein, die ein Verbrennungsmotor während des Betriebs erfahren kann, und die Verdichtungsverhältnisse von mehr als 12:1 und Temperaturen innerhalb eines Motorzylinders umfassen können, die regelmäßig 500 °C überschreiten. Obwohl der Motor 10 und die darin verwendeten Komponenten nicht auf eine bestimmte betriebliche Strategie oder einen Satz von Betriebsbedingungen beschränkt sind, können die Lehren der vorliegenden Offenbarung vorteilhaft Anwendung in Motoren finden, die häufige thermische Zyklen von über 500 °C erfahren. Wie aus der folgenden Beschreibung weiter klar werden wird, kann der Kolben 22 auf einzigartige Weise durch Materialauswahl, Verteilung und Kolbenkonfiguration ausgestaltet sein, um harschen Betriebsbedingungen standzuhalten, insbesondere in Bezug auf die oben erwähnten thermischen Zyklen. Der Motor 10 kann ein Motor mit relativ großer Bohrung sein, mit einem Motorzylinderdurchmesser von etwa 150 mm bis etwa 200 mm, und insbesondere etwa 170 mm, obwohl die vorliegende Offenbarung in dieser Hinsicht nicht begrenzt ist.
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Nun auch bezugnehmend auf 2 wird dort eine geschnittene Ansicht des Kolbens 22 dargestellt, die zusätzliche Merkmale veranschaulicht. Wie oben angemerkt kann der Kolben 22, insbesondere der zusammengesetzte Kolbenkörper 24, aus separaten Teilen ausgebildet sein, nämlich dem Schalenteil 28 und dem Schürzenteil 30. Der Schalenteil 28 umfasst ein erstes axiales Ende 44 mit einer darin ausgebildeten Brennraummulde 46, und einen ringförmigen Kolbenrand 52, der sich in Umfangsrichtung um die Brennraummulde 46 herum erstreckt. Der Schalenteil 28 umfasst des Weiteren ein zweites axiales Ende 58 mit einer ersten ringförmigen Wand 72, die sich in einer ersten axialen Richtung erstreckt. Die erste axiale Richtung könnte so verstanden werden, dass sie in der Veranschaulichung von 2 zum Fußende der Seite hin weist. Der Schalenteil 28 umfasst des Weiteren eine weitere ringförmige Wand, die hierin als eine dritte ringförmige Wand 60 beschrieben wird. Es kann angemerkt werden, dass die dritte ringförmige Wand 60 eine Vielzahl von darin ausgebildeten Kolbenringnuten 42 umfasst, und dem Fachmann wird klar sein, dass Kolbenringe in einer allgemein herkömmlichen Weise in die Nuten 42 eingepasst sein können. Der Schürzenteil 30 umfasst ein erstes axiales Ende 62 mit einer zweiten ringförmigen Wand 74 und einer vierten ringförmigen Wand 64, die sich jeweils in eine zweite axiale Richtung erstrecken, die der ersten axialen Richtung entgegengesetzt ist, sowie ein zweites axiales Ende 66, das eine Kolbenschürze 68 und eine in der Kolbenschürze 68 ausgebildete Kolbenbolzenbohrung 70 umfasst. Es sollte klar sein, dass die Begriffe ”erste/s/r”, ”zweite/s/r”, ”dritte/s/r” und ”vierte/s/r” auf nicht einschränkende Weise zu verstehen sind, und zum Beispiel jede der Bezugszahlen 72, 74, 60, 62 so verstanden werden könnte, dass sie sich auf eine erste ringförmige Wand, eine zweite ringförmige Wand, und so weiter, bezieht.
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In der Schnittebene von 2 ist ein großer Teil der Kolbenschürze 68 nicht sichtbar; es sollte jedoch klar sein, dass sich die Kolbenschürze 68 auf allgemein bekannte Weise in Umfangsrichtung um die Längsachse 26 herum erstreckt. Es ist zu sehen, dass sich die Schweißung 32 ebenfalls in Umfangsrichtung um die Längsachse 26 herum erstreckt, sowie axial zwischen der ringförmigen Wand 60 und der ringförmigen Wand 64. Es ist zu sehen, dass sich die Schweißung 132 in Umfangsrichtung um die Längsachse 26 herum erstreckt, sowie axial zwischen der ringförmigen Wand 72 und der ringförmigen Wand 74. Es ist zu sehen, dass ein Schweißwulst (nicht beziffert) jeder der Schweißungen 32 und 132 zugeordnet sein kann, und in variablem Ausmaß in einem Kolben gemäß der vorliegenden Offenbarung vorliegen kann, der fertiggestellt und für den Einsatz vorbereitet wird, in Abhängigkeit von dem Ausmaß, in welchem der Kolben nach dem Zusammenfügen des Schalenteils und des Schürzenteils noch maschinell nachbearbeitet wird, die dies im Folgenden noch erläutert wird. Aus 2 ist auch ersichtlich, dass die Schweißung 132 sich an einer radial inneren Position befindet, und die Schweißung 32 sich an einer radial äußeren Position befindet, und sich in der illustrierten Ausführungsform auch an verschiedenen axialen Positionen befinden. Jede der Schweißungen 32 und 132 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Längsachse 26 herum und kann die Form einer Reibungsschweißung aufweisen, wie dies im Folgenden noch erläutert wird. In jedem Fall sollte klar sein, dass jede der Schweißungen 32 und 132 eine verbundene Schnittstelle aus Materialien des Schalenteils 28 und des Schürzenteils 30 bildet, die auf eine Weise und aus Gründen, die im Folgenden noch erläutert werden, in der Regel aus unähnlichen Materialien bestehen. Eine Ölgalerie 76 erstreckt sich zwischen der radial inneren Position der Schweißung 132 und der radial äußeren Position der Schweißung 32 sowie in Umfangsrichtung um die Längsachse 26 herum. Eine rückseitige Kühlungsoberfläche 78 erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Längsachse 26 herum und befindet sich allgemein zumindest einem Teil der Brennraummulde 46 entgegengesetzt, und dient dazu, zusammen mit weiteren freiliegenden Oberflächen, die die Ölgalerie 76 ausbilden, Wärme von dem Schalenteil 28 an Öl abzuführen, das durch die Ölgalerie 76 transportiert wird. Wie ebenfalls in 2 dargestellt kann sich ein Öleinlass 80 durch den Schürzenteil 30 erstrecken, um zu ermöglichen, dass ein Ölsprühnebel von der Ölsprühvorrichtung 40 in die Ölgalerie 76 geliefert wird, und auch ein Ölauslass 82 kann sich durch den Schürzenteil 30 erstrecken, um zu ermöglichen, dass Öl, das zumindest einen Abschnitt der Ölgalerie 76 passiert hat, ablaufen kann.
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In einer praktischen Implementierungsstrategie kann die Brennraummulde 46 ein nicht gleichförmiges Profil aufweisen, wie es allgemein in 2 abgebildet ist und durch ein Profil einer Brennraummuldenoberfläche 50 definiert wird. Ein zentraler Kegel 48 kann allgemein einen Scheitel bilden, der von der Längsachse 26 geschnitten wird, und von dem zentralen Kegel 48 kann sich die Schalenoberfläche 50 anfänglich nach außen und unten erstrecken und sich dann nach oben krümmen, um schließlich zu beginnen, sich zurück radial nach innen zu erstrecken, so dass die Brennraummulde 46 ein reentrantes Profil aufweist. In zumindest einigen Fällen kann das reentrante Profil der Brennraummulde 46 die Mischung von eingespritztem Kraftstoff und Luft verbessern. Eine scharfe Lippe 54 kann sich in Umfangsrichtung um die Längsachse 26 herum erstrecken und befindet sich radial zwischen einer radial äußeren Begrenzung der Brennraummulde 46 und einer radial inneren Begrenzung des ringförmigen Randes 52 innerhalb einer für thermische Ermüdung anfälligen Zone des zusammengesetzten Kolbenkörpers 24. Es ist ersichtlich, dass der ringförmige Rand 52 ein radiales Profil aufweist, das sich von einer Außenfläche 56 des Kolbenkörpers bis zur scharfen Lippe 54 erstreckt. In zumindest einigen Fällen kann die scharfe Lippe 54, im Gegensatz zu einer Lippe mit glattem Radius, die Verringerung der Entstehung bestimmter Emissionen wie etwa Stoffpartikel unterstützen. Das radiale Profil des ringförmigen Randes 52 kann dabei helfen, zumindest in bestimmten Fällen das Herausdrücken von Gasen aus dem Spaltvolumen zwischen dem ringförmigen Rand 52 und dem Motorkopf 14 zu ermöglichen. Diese verschiedenen Merkmale des Kolbens 22 können das Ausmaß beeinflussen, in dem Wärme aus dem Material, das den Schalenteil 28 bildet, abgeführt wird, und das Ausmaß, in dem die verschiedenen Merkmale für Verschleiß oder Beschädigung während des Betriebs anfällig sind, etwa für Versagen durch thermische Ermüdung.
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Wie oben erläutert ist der Kolben 22 aufgebaut, um unter bestimmten harschen Bedingungen betrieben zu werden, insbesondere unter relativ hohen Drücken und Temperaturen in Motoren mit relativ hohen PS-Zahlen und hoher Leistungsdichte. Es wurde beobachtet, dass Kolben, die in solchen Umgebungen arbeiten, über die Zeit eine thermische Ermüdung des Materials erfahren; insbesondere das Material in der Kolbenschale und von Teilen der Brennraummulde und/oder des Kolbenrands können thermische Ermüdung erfahren und schließlich versagen. Ein damit verbundenes Problem kann Korrosion in Form von Oxidation sein, die bei hohen Temperaturen in relativ großem Umfang auftreten kann. In beiden Fällen kann schließlich ein Versagen des Kolbens auftreten, was potenziell zu einem katastrophalen Versagen des Motors führt. Teile des Kolbenkörpers 24, und insbesondere Teile der Brennraummulde 46 in radial äußeren Bereichen, sowie Teile des Kolbenrands 52 an radial inneren Positionen, einschließlich der Lippe 54, können als Stellen betrachtet werden, die für thermische Ermüdung anfällig sind. In dem Kolben 22 ermöglichen Auswahl und Positionierung von Material mit hoher Temperaturbeständigkeit eine höhere Lebensdauer des Kolbens 22 im Vergleich zu herkömmlichen Kolben, die in solche Umgebungen platziert werden.
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In einer praktischen Implementierungsstrategie ist der zusammengesetzte Kolbenkörper 24 aus einem gegen niedrige Temperaturen beständigen Stahl in dem Schürzenteil 30, und einem gegen höhere Temperaturen beständigen Stahl in dem Schalenteil 28 gebildet. Der gegen höhere Temperaturen beständige Stahl kann eine martensitische Mikrostruktur aufweisen und etwa 10 Gew.-% oder mehr an Chrom enthalten, und einen Rest aus Eisen, Kohlenstoff und optionalen Legierungselementen. Es sollte klar sein, dass die vorliegende Offenbarung und die Beschreibung der Zusammensetzung des zusammengesetzten Kolbenkörpers 24 Spurenelemente oder Verunreinigungen nicht ausschließt, wie dies dem Fachmann klar sein wird. In einer weiteren praktischen Implementierungsstrategie kann der gegen höhere Temperaturen beständige Stahl etwa 10 Gew.-% bis etwa 14 Gew.-%. Chrom enthalten, und insbesondere auch etwa 11,5 % bis etwa 13,5 Gew.-% Chrom enthalten. Der gegen höhere Temperaturen beständige Stahl kann des Weiteren einen martensitischen Edelstahl wie etwa einen martensitischen Edelstahl vom Typ 410 umfassen; hierin werden jedoch auch noch weitere Typen in Betracht gezogen, darunter Typ 422 und potenziell auch noch weitere. So, wie der Begriff "temperaturbeständig" hierin verwendet wird, und ob ein bestimmter Materialtyp als "gegen hohe Temperaturen beständig" oder "gegen höhere Temperaturen beständig" verstanden wird, kann empirisch bestimmt werden, oder durch objektive Analyse der Materialeigenschaften. Ein gegen höhere Temperaturen beständiger Stahl wird in der Regel in der Lage sein, einer länger anhaltenden Erwärmung auf eine Temperatur von etwa 600 °C bis etwa 700 °C oder ggf. höher standzuhalten, ohne eine dauerhafte Veränderung struktureller Art oder der Materialeigenschaften zu erfahren. Der gegen höhere Temperaturen beständige Stahl kann einen Bereich des Kohlenstoffgehalts von in manchen Fällen etwa 1 Gew.-% oder weniger, potentiell von 0,3 Gew.-% oder weniger, oder auch in einem weiteren Umfang oder Bereich aufweisen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf einen bestimmten Kohlenstoffgehalt begrenzt. Der gegen höhere Temperaturen beständige Stahl kann des Weiteren wesentlich weniger Nickel enthalten als bestimmte andere bekannte Kolbenmaterialien enthalten, und in bestimmten Ausführungsformen kann er weniger als 2 Gew.-% Nickel enthalten. Noch spezieller kann der gegen höhere Temperaturen beständige Stahl nicht mehr als Spuren von Nickel enthalten.
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Zusätzlich zu den oben erwähnten Parametern der Materialzusammensetzung können bestimmte weitere Parameter und insbesondere die thermische Ausdehnung und die Wärmegradienteneigenschaften des gegen höhere Temperaturen beständigen Stahls zum Zweck der Verringerung der thermischen Ermüdung und Verlängerung der Lebensdauer ausgenützt werden. Insbesondere kann der gegen höhere Temperaturen beständige Stahl einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweisen, der geringer als 12 × 10–6 m/m/K ist. In einer weiteren praktischen Implementierungsstrategie kann der CTE etwa 10 × 10–6 m/m/K oder weniger betragen. Der niedriglegierte Stahl, aus dem der Schürzenteil 30 gebildet ist, kann einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Unter allgemeiner Bezugnahme auf die Zeichnungen, aber nun insbesondere auf 3, wird dort eine Schweißvorrichtung 200 in Form einer Reibungsschweißvorrichtung mit einem ersten Einspannmechanismus 210 gezeigt, der so dargestellt ist, wie er den Schürzenteil 30 darin eingespannt haben könnte, sowie mit einem zweiten Einspannmechanismus 210, der so dargestellt ist, wie er den Schalenteil 28 darin eingespannt haben könnte. In dem Schalenteil 28 sind die ringförmigen Wände 60 und 72 dargestellt, sowie die ringförmigen Wände 74 und 64 in dem Schürzenteil 30. Bei Bezugszeichen X ist eine schematische Darstellung einer martensitischen Mikrostruktur dargestellt, und bei Bezugszeichen Y ist eine schematische Veranschaulichung einer unterschiedlichen Mikrostruktur dargestellt, etwa einer austenitischen Mikrostruktur oder einer ferritischen Mikrostruktur, die sich beide von der martensitischen Mikrostruktur wie dargestellt unterscheiden. In anderen Fällen könnten die Mikrostrukturen des Schürzenteils 30 martensitisch sein.
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In 3 ist die Vorrichtung 200 auf eine Weise abgebildet, die den Einspannmechanismus 210 als drehbar und so darstellt, wie er erscheinen könnte, wenn der Schalenteil 28 und der Schürzenteil 30 allgemein koaxial um eine Achse 226 herum positioniert sind. In alternativen Implementierungen könnte der Schalenteil 28 gedreht werden, während der Schürzenteil 30 feststehend gehalten wird, statt die Schweißvorrichtung 200 so einzurichten, dass der Schürzenteil 30 gedreht wird, während der Schalenteil 28 feststehend gehalten wird. Eine Reihe von unterschiedlichen Parametern in Bezug auf das Reibungsschweißen des Schalenteils 28 und des Schürzenteils 30 zur Bildung des Kolbenkörpers 24 könnten variiert werden, wobei dies innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung liegt. Vor dem Reibungsverschweißen des Schürzenteils 30 und des Schalenteils 28 können die jeweiligen Teile so positioniert werden, dass die ringförmige Wand 72 oder 60, die beide als eine erste ringförmige Wand betrachtet werden könnten, jeweils in koaxialer Ausrichtung mit der ringförmigen Wand 74 oder 62 des Schürzenteils 30 sind, die beide als eine zweite ringförmige Wand betrachtet werden könnten. Wie in 3 dargestellt können der Schalenteil 28 und der Schürzenteil 30 während der Drehung miteinander in Kontakt gebracht werden, so dass die ringförmige Wand 72 und die ringförmige Wand 60 an der ringförmigen Wand 74 und 62 anliegen. In Übereinstimmung mit den bekannten Prinzipien des Reibungsschweißens können der Schalenteil 28 und der Schürzenteil 30 miteinander verschweißt werden, indem einer von Schalenteil 28 und Schürzenteil 30 relativ zu dem anderen von Schalenteil 28 und Schürzenteil 30 gedreht wird, um eine verbundene Schnittstelle des martensitischen Edelstahls des Schalenteils 28 und des niedriglegierten Stahls des Schürzenteils 30 auszubilden, wodurch der Schalenteil 28 an dem Schürzenteil 30 befestigt wird. Es könnten auch andere Schweißtechniken verwendet werden, um die Komponenten des Kolbens 22 miteinander zu verschweißen, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen; und es könnten auch andere Techniken als Reibungsschweißen verwendet werden. Nach dem Verschweißen des Schürzenteils 30 und des Schalenteils 28 kann der Kolbenkörper 24 maschinell nachbearbeitet werden, um überschüssige Schweißwülste zu entfernen, und kann dann gemäß weiterer bekannter Bearbeitungstechniken bearbeitet werden, darunter Wärmebehandlung zur Entlastung von Restspannungen in den Schweißungen 32 und 132 oder ggf. anderen Schweißungen.
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Die vorliegende Beschreibung dient rein dem Zweck der Darstellung und sollte nicht dahingehend verstanden werden, dass sie den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einschränkt. Dem Fachmann wird klar sein, dass verschiedene Abwandlungen der hierin offenbarten Ausführungsformen gemacht werden können, ohne vom vollen und fairen Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei Prüfung der beigefügten Zeichnungen und der folgenden Ansprüche klar werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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