DE102017202462A1 - Method for producing a piston - Google Patents

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Thomas Hackh
Daniel Mock
Viktor Zeiser
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (1) für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kolben (1) einen Kolbenkopf (2) und ein Kolbenhemd (18) aufweist, in dem eine Verbindungsleitung (8) vorgesehen ist, welche über eine Öffnung (9) mit der Umgebung fluidisch verbunden ist, wobei die Öffnung (9) durch ein Verschlusselement (11) verschlossen wird. Erfindungswesentlich ist hierbei, dass das Verschlusselement (11) durch Kondensatorentladungsschweißen mit dem Kolben (1) verschweißt wird. Hierdurch wird eine stabile Verbindung zwischen dem Verschlusselement (11) und dem Kolben (1) sowie ein fluiddichtes Verschließen der Öffnung (9) unter möglichst geringer Beschädigung des Kolbens (1) bzw. des Verschlusselements (11) erreicht.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen solchen Kolben (1).

Figure DE102017202462A1_0000
The present invention relates to a method for producing a piston (1) for an internal combustion engine, wherein the piston (1) comprises a piston head (2) and a piston skirt (18), in which a connecting line (8) is provided, which via an opening (9) is fluidically connected to the environment, wherein the opening (9) is closed by a closure element (11). Essential to the invention here is that the closure element (11) by capacitor discharge welding to the piston (1) is welded. In this way, a stable connection between the closure element (11) and the piston (1) and a fluid-tight closure of the opening (9) with minimal damage to the piston (1) and the closure element (11) is achieved.
The invention further relates to such a piston (1).
Figure DE102017202462A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft desweiteren einen solchen Kolben.The present invention relates to a method of manufacturing a piston for an internal combustion engine. The invention further relates to such a piston.

Kolben kommen in Brennkraftmaschinen zum Einsatz, wo sie hubverstellbar in Zylindern angeordnet sind und jeweils einen Brennraum begrenzen. Im Betrieb der Brennkraftmaschine übertragen die Kolben die frei werdende Energie an eine Abgriffseinheit, insbesondere eine Kurbelwelle, an der ein entsprechendes Moment abgegriffen werden kann. Erwünschte Leistungs- sowie Effizienzsteigerungen derartiger Brennkraftmaschinen führen dazu, dass ein solcher Kolben immer extremeren thermodynamischen Bedingungen, insbesondere erhöhten Temperaturen, ausgesetzt ist.Pistons are used in internal combustion engines, where they are arranged adjustable in cylinders and each defining a combustion chamber. During operation of the internal combustion engine, the pistons transmit the energy released to a tapping unit, in particular a crankshaft, at which a corresponding torque can be tapped. Desirable increases in performance and efficiency of such internal combustion engines cause such a piston is always exposed to more extreme thermodynamic conditions, especially elevated temperatures.

Aus der DE 10 2011 114 105 A1 ist ein solcher Kolben bekannt. Der Kolben weist einen Kolbenkopf mit einer dem Brennraum zugewandten Brennraummulde sowie einen Kolbenschaft auf, wobei im Kolbenkopf ein umlaufender Kühlkanal zum Kühlen des Kolbens vorgesehen ist. Hierdurch kann der Kolben erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden. Zudem weist der Kolben zumindest eine Bohrung auf, die sich durch den Kolbenschaft erstreckt und den Kühlkanal über eine Öffnung mit der Umgebung verbindet. Über die Öffnung und die Bohrung kann ein Kühlmittel in den Kühlkanal eingebracht werden. Die Öffnung wird im Anschluss mit Hilfe eines Verschlusselements verschlossen. Die DE 10 2011 114 105 A1 schlägt hierbei das Einpressen des Verschlusselements in die Öffnung oder das Verschweißen des Verschlusselements mit dem Kolben vor.From the DE 10 2011 114 105 A1 Such a piston is known. The piston has a piston head with a combustion chamber trough facing the combustion chamber and a piston shaft, wherein a circumferential cooling channel for cooling the piston is provided in the piston head. As a result, the piston can be exposed to elevated temperatures. In addition, the piston has at least one bore which extends through the piston shaft and connects the cooling channel via an opening with the environment. A coolant can be introduced into the cooling channel via the opening and the bore. The opening is subsequently closed by means of a closure element. The DE 10 2011 114 105 A1 suggests in this case the pressing of the closure element into the opening or the welding of the closure element with the piston.

Das Einpressen des Verschlusselements in die Öffnung kann im Betrieb des Kolbens dazu führen, dass im Bereich der Öffnung Leckagen entstehen, welche zu einem unerwünschten Ausströmen von Kühlmittel aus dem Kolben führen können. Sofern sich dieses mit dem Öl im Kurbelgehäuse mischt, können solche Leckagen zu einer Beschädigung des Kolbens und/oder der zugehörigen Brennkraftmaschine führen.The pressing of the closure element in the opening can cause during operation of the piston to cause leakage in the region of the opening, which can lead to an undesirable leakage of coolant from the piston. If this mixes with the oil in the crankcase, such leaks can lead to damage to the piston and / or the associated internal combustion engine.

Das gängige Verschweißen des Verschlusselements mit dem Kolben führt durch den hierfür notwendigen Wärmeeintrag zu einer Strukturänderung des Verschlusselements und/oder des Kolbens, die insbesondere durch die hohe Last und/oder hohen Temperaturen im Betrieb der Brennkraftmaschine zu Beschädigungen des Kolbens und/oder zur Entstehung von Leckagen im Bereich der Öffnung führen können, welche wiederum ein Ausströmen von Kühlmittel durch die Leckagen zur Folge haben können.The usual welding of the closure element with the piston leads through the necessary heat input to a structural change of the closure element and / or the piston, in particular by the high load and / or high temperatures during operation of the internal combustion engine to damage the piston and / or the formation of Leaks can lead in the region of the opening, which in turn can cause a leakage of coolant through the leaks.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens der eingangs genannten Art sowie für einen solchen Kolben verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch eine einfache Herstellung und/oder erhöhte Stabilität des Kolbens auszeichnen.The present invention is therefore concerned with the task of providing a method for producing a piston of the aforementioned type and for such a piston improved or at least alternative embodiments, which are characterized in particular by a simple production and / or increased stability of the piston.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verschlusselement mit einem Kolben durch ein Widerstandsschweißverfahren zu verschweißen, wobei das Verschlusselement zum Verschließen einer eine Verbindungsleitung des Kolbens mit der Umgebung verbindenden Öffnung dient. Erfindungsgemäß kommt dabei das bisher im Bereich der Herstellung von Kolben fachfremde Kondensatorentladungsschweißen zum Verbinden des Verschlusselements mit dem Kolben und somit zum Verschließen der Öffnung zum Einsatz. Hierbei wird zumindest ein aus wenigstens einem Kondensator stammender elektrischer Stromimpuls durch einen Verbindungsbereich zwischen dem Kolben und dem Verschlusselement geschickt, der einen im Wesentlichen auf den Verbindungsbereich beschränkten Wärmeeintrag zur Folge hat, so dass einerseits eine stabile und fluiddichte Verbindung zwischen dem Verschlusselement und dem Kolben zustande kommt und andererseits durch das Schweißen bedingte strukturelle Änderungen des Kolbens und/oder des Verschlusselements reduziert und/oder im Wesentlichen auf den Verbindungsbereich beschränkt sind. Somit werden/wird ein fluiddichtes Verschließen der Öffnung mit einer verlängerten Lebensdauer und/oder eine erhöhte Stabilität, insbesondere mechanische und/oder thermische Stabilität, des Kolbens und/oder des Verschlusselements erreicht. Dem Erfindungsgedanken entsprechend wird dabei zunächst ein Kolben bereitgestellt, der einen Kolbenkopf und ein Kolbenhemd aufweist. Ferner weist der Kolben zumindest eine solche Verbindungsleitung auf, welche sich durch den Kolben erstreckt und über die Öffnung mit der Umgebung verbunden ist. Anschließend wird die Öffnung mit einem solchen Verschlusselement verschlossen, indem das Verschlusselement mit dem Kolben durch Kondensatorentladungsschweißen verschweißt wird.The present invention is based on the general idea of welding a closure element to a piston by a resistance welding process, the closure element serving to close an opening connecting a connecting line of the piston with the environment. In accordance with the invention, capacitor discharge welding, which was previously specialized in the production of pistons, is used to connect the closure element to the piston and thus to close the opening. In this case, at least one electrical current pulse originating from at least one capacitor is sent through a connection region between the piston and the closure element, which results in a heat input which is essentially limited to the connection region, so that on the one hand a stable and fluid-tight connection between the closure element and the piston is achieved and on the other hand reduced by the welding structural changes of the piston and / or the closure element and / or are substantially limited to the connection area. Thus, a fluid-tight closing of the opening with a prolonged service life and / or increased stability, in particular mechanical and / or thermal stability, of the piston and / or the closure element is achieved. In accordance with the concept of the invention, a piston is initially provided which has a piston head and a piston skirt. Furthermore, the piston has at least one such connecting line, which extends through the piston and is connected via the opening with the environment. Subsequently, the opening is closed with such a closure element by the closure element is welded to the piston by capacitor discharge welding.

Die Verbindungsleitung kann eine in den Kolben, insbesondere in das Kolbenhemd, eingebrachte Bohrung sein.The connecting line can be a bore introduced into the piston, in particular into the piston skirt.

Die Verbindungsleitung kann im Kolben einem beliebigen Zweck dienen. Die Verbindungsleitung kann insbesondere dem Kühlen des Kolbens dienen. Vorstellbar ist es, die Verbindungsleitung über die Öffnung mit einem Kühlmittel zu befüllen. Vorstellbar ist es zudem, auch andere Räume innerhalb des Kolbens, beispielsweise einen im Kolbenkopf umlaufenden Kühlkanal, über die Öffnung und die Verbindungsleitung mit einem Kühlmittel zu befüllen. Dementsprechend kann zumindest eine solche Verbindungsleitung fluidisch mit dem Kühlkanal verbunden sein, insbesondere in den Kühlkanal münden. Das Verschließen der Öffnung erfolgt hierbei nach dem Befüllen mit dem jeweiligen Kühlmittel.The connecting line can serve in the piston for any purpose. The connecting line can in particular serve the cooling of the piston. It is conceivable, the connecting line via the opening with a coolant to fill. It is also conceivable, other rooms within the piston, for example, a circulating in the piston head cooling channel to fill via the opening and the connecting line with a coolant. Accordingly, at least one such connecting line can be fluidically connected to the cooling channel, in particular open into the cooling channel. The closing of the opening takes place here after filling with the respective coolant.

Im Kolbenhemd ist vorzugsweise eine Nabe vorgesehen, die dem Verbinden des Kolbens mit einer Kurbelwelle, beispielsweise über einen Pleuel, dient. Vorstellbar ist es, das Kolbenhemd derart herzustellen bzw. auszubilden, dass es im Betrieb außerhalb der Naben an einem zugehörigen Zylinder anliegt.In the piston skirt a hub is preferably provided, which serves to connect the piston to a crankshaft, for example via a connecting rod. It is conceivable to manufacture or form the piston skirt in such a way that, during operation, it bears against an associated cylinder outside the hubs.

Zu denken ist an Varianten, bei denen das Kolbenhemd wenigstens einen im Betrieb bzw. in montiertem Zustand am Zylinder anliegenden Kolbenschaft und zumindest einen Kolbenkasten aufweist, der nach innen versetzt angeordnet ist und die Nabe bzw. die Nabe ausbildende Durchbrüche aufweist. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Öffnung in einem solchen Kolbenkasten angeordnet ist.It is to be contemplated variants in which the piston skirt has at least one in operation or in the assembled state on the cylinder piston skirt and at least one piston box, which is arranged offset inwardly and has the hub or the hub forming apertures. It is preferred if the opening is arranged in such a piston box.

Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Verschlusselement zum Kondensatorentladungsschweißen mit einer vorgegebenen Kraft gegen den Kolben gedrückt und zumindest ein elektrischer Stromimpuls durch den Verbindungsbereich zwischen dem Kolben und dem Verschlusselement geschickt. Hierdurch kann die Verbindung, insbesondere hinsichtlich der Stabilität, verbessert werden.In preferred embodiments, the closure element for capacitor discharge welding is pressed against the piston with a predetermined force and at least one electrical current pulse is sent through the connection region between the piston and the closure element. As a result, the compound, in particular in terms of stability, can be improved.

Prinzipiell können zum Verbinden des Verschlusselements mit dem Kolben beliebig viele Stromimpulse, welche jeweils eine beliebige Dauer aufweisen und zeitlich voneinander beliebig beabstandet sind, zum Einsatz kommen. In principle, any number of current pulses which each have an arbitrary duration and are temporally spaced from one another as desired can be used for connecting the closure element to the piston.

Bevorzugt ist es, wenn zumindest ein solcher Stromimpuls mit einer Dauer von weniger als 20 ms verwendet wird. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn wenigstens ein solcher Stromimpuls mit einer Dauer von 10 ms verwendet wird. Hierdurch wird der Bereich des Wärmeeintrags und somit der Bereich, in dem strukturelle Änderungen des Kolbens und/oder des Verschlusselements erfolgen, zumindest reduziert.It is preferred if at least one such current pulse with a duration of less than 20 ms is used. It is particularly preferred if at least one such current pulse is used with a duration of 10 ms. As a result, the region of the heat input and thus the region in which structural changes take place in the piston and / or the closure element are at least reduced.

Gemäß vorteilhafter Varianten kommen zumindest zwei Stromimpulse zum Einsatz. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn genau zwei Stromimpulse zum Einsatz kommen. Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Stromimpulse in einem Abstand von jeweils zwischen 0,1 s und 1 s verwendet werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die nacheinander folgenden Stromimpulse 0,5 s voneinander beabstandet sind. Diese Maßnahmen führen jeweils zu einer Optimierung hinsichtlich einer möglichst effizienten Wärmeeintragung und einem möglichst geringen Bereich der Wärmeeintragung im Kolben und/oder im Verschlusselement.According to advantageous variants, at least two current pulses are used. It is particularly advantageous if exactly two current pulses are used. It is also advantageous if the current pulses are used at a distance of between 0.1 s and 1 s in each case. It is particularly preferred if the successive current pulses are spaced apart for 0.5 s. These measures each lead to an optimization with regard to the most efficient possible heat input and the smallest possible range of heat input in the piston and / or in the closure element.

Als vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, bei denen zumindest ein solcher Stromimpuls, vorzugsweise alle Stromimpulse, mit einer Stromstärke zwischen 8 kA und 12 kA verwendet werden. Als besonders vorteilhaft erweisen sich Varianten, bei denen eine Stromstärke von 10 kA verwendet wird. Hierdurch kann der Wärmeeintrag in optimaler Weise zum Verschweißen des Verschlusselements mit dem Kolben führen.Embodiments in which at least one such current pulse, preferably all current pulses, having an amperage between 8 kA and 12 kA prove to be advantageous. Variants in which a current of 10 kA is used prove to be particularly advantageous. As a result, the heat input can optimally lead to the welding of the closure element to the piston.

Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Verschlusselement mit einer Kraft zwischen 1,5 kN und 3,5 kN gegen den Kolben gedrückt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Verschlusselement mit einer Kraft von 2,5 kN gegen den Kolben gedrückt wird. Dies führt insbesondere zu einer stabileren Verbindung des Verschlusselements mit dem Kolben.In preferred embodiments, the closure element is pressed against the piston with a force between 1.5 kN and 3.5 kN. It is particularly preferred if the closure element is pressed against the piston with a force of 2.5 kN. This leads in particular to a more stable connection of the closure element to the piston.

Vorteilhaft wird der Kühlkanal vor dem Verschließen der Öffnung mit dem Verschlusselement mit einem Kühlmittel befüllt. Hierbei kann ein beliebiges Kühlmittel, bspw. eine wasserhaltige Mischung und dgl. zum Einsatz kommen. Vorstellbar ist es auch, als Kühlmittel Natrium oder Kalium oder eine Mischung aus Natrium und Kalium zu verwenden.Advantageously, the cooling channel is filled before closing the opening with the closure element with a coolant. Here, any coolant, for example. A water-containing mixture and the like. Be used. It is also conceivable to use as coolant sodium or potassium or a mixture of sodium and potassium.

Das Verfahren wird bevorzugt derart durchgeführt, dass ein Wärmeeinflussbereich bzw. eine Wärmeeinflusszone, in der durch das Kondensatorentladungsschweißen bedingte Strukturänderungen des Kolbens und des Verschlusselements stattfinden, kleiner als 400 µm, insbesondere kleiner als 200 µm, ist. Diese Erstreckung bezieht sich vorzugsweise auf eine quer zum Kontaktbereich zwischen dem Kolben und dem Verschlusselement verlaufende Tiefe der Wärmeeinflusszone. Eine solche Verbindung besitzt durch den geringen Wärmeeinflussbereich eine ausreichende mechanische Festigkeit. Durch die Wahl dieses Schweißverfahrens wird zudem die für die Realisierung der Verbindung benötigte Energie optimiert, insbesondere reduziert, was sich ebenfalls durch den geringen Wärmeeinflussbereich zeigt.The method is preferably carried out in such a way that a heat-influencing region or a heat-affected zone in which structural changes of the piston and the closure element are caused by the capacitor discharge welding is less than 400 μm, in particular less than 200 μm. This extension preferably relates to a depth of the heat-affected zone running transversely to the contact region between the piston and the closure element. Such a compound has sufficient mechanical strength due to the low heat-affected area. By choosing this welding method, the energy required for the realization of the connection is also optimized, in particular reduced, which is also reflected by the low heat-affected area.

Es versteht sich, dass neben dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein derartig hergestellter Kolben zum Umfang dieser Erfindung gehört.It goes without saying that in addition to the method according to the invention, a piston produced in this way also belongs to the scope of this invention.

Der Kolbenkopf des Kolbens kann eine Brennraummulde aufweisen, die beim in einer zugehörigen Brennkraftmaschine montierten Zustand einen Brennraum der Brennkraftmaschine begrenzt. Bevorzugt ist es dabei, wenn die Öffnung auf der von der Brennraummulde abgewandten Seite des Kolbens angeordnet ist. The piston head of the piston may have a combustion bowl, which limits a combustion chamber of the internal combustion engine when mounted in an associated internal combustion engine. It is preferred if the opening on the of the combustion chamber trough facing away from the piston is arranged.

Vorstellbar ist es, dass der Kolbenkopf eine außenseitig umlaufende Ringpartie zum Aufnehmen wenigstens eines Kolbenrings aufweist. Bevorzugt ist es dabei, wenn der Kühlkanal im Bereich der Ringpartie im Kolbenkopf angeordnet ist.It is conceivable that the piston head has an outer peripheral ring portion for receiving at least one piston ring. It is preferred if the cooling channel is arranged in the region of the ring part in the piston head.

Der Kolben und das Verschlusselement können prinzipiell aus beliebigen Materialien hergestellt sein, sofern sie sich mit dem Kondensatorentladungsschweißen verschweißen lassen. Sie sind jeweils insbesondere aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt.The piston and the closure element can in principle be made of any materials, provided that they can be welded to the capacitor discharge welding. They are each made in particular of a metal or a metal alloy.

Das Verschlusselement kann prinzipiell eine beliebige Form aufweisen, sofern sich die Öffnung mit dem Verschlusselement fluiddicht verschließen lässt. Vorstellbar ist es, dass das Verschlusselement einen Schaft und einen Kopf aufweist, wobei der Schaft innerhalb der Öffnung angeordnet ist und der Kopf außenseitig am Kolben anliegt.The closure element can in principle have any desired shape, provided that the opening can be sealed fluid-tight with the closure element. It is conceivable that the closure element has a shaft and a head, wherein the shaft is disposed within the opening and the head rests on the outside of the piston.

Vorstellbar ist es auch, dass das Verschlusselement in die Öffnung bzw. der Verbindungsleitung derart angeordnet, insbesondere versenkt, ist, dass das Verschlusselement außenseitig bündig mit dem Kolben abschließt.It is also conceivable that the closure element is arranged in the opening or the connecting line in such a way, in particular recessed, that the closure element is flush with the outside of the piston.

Es versteht sich, dass auch eine Verwendung von Kondensatorentladungsschweißen zum Verschweißen eines solchen Verschlusselements mit einem solchen Kolben zum Umfang dieser Erfindung gehört.It should be understood that use of capacitor discharge welding to weld such a closure member to such a piston is also within the scope of this invention.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematisch,

  • 1 einen Schnitt durch einen Kolben mit einem Verschlusselement,
  • 2 den Schnitt aus 1 im Bereich des Verschlusselements und bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
  • 3 eine vergrößerte Darstellung des in 2 mit III bezeichneten Bereichs,
  • 4 eine Darstellung des Kolbens bei einem weiteren Ausführungsbeispiel,
  • 5 einen Schnitt des Kolbens aus 4 im Bereich des Verschlusselements.
Show, in each case schematically,
  • 1 a section through a piston with a closure element,
  • 2 the cut out 1 in the region of the closure element and in another embodiment,
  • 3 an enlarged view of the in 2 area designated III,
  • 4 a representation of the piston in a further embodiment,
  • 5 a section of the piston 4 in the region of the closure element.

Ein Kolben 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine weist, wie in 1 zu sehen ist, einen Kolbenkopf 2 sowie ein mit dem Kolbenkopf 2 verbundenes Kolbenhemd 18 auf. Das Kolbenhemd 18 weist im gezeigten Beispiel einen Kolbenschaft 24 und einen Kolbenkasten 25 auf. Der Kolbenkasten 25 weist zumindest eine Kastenwand 19 und der Kolbenschaft 24 zumindest eine Schaftwand 3 auf, wobei im gezeigten Beispiel zwei Schaftwände3 und zwei Kastenwände 19 vorgesehen sind. Der Kolbenkopf 2 weist stirnseitig eine Brennraummulde 4 auf, welche einen im Übrigen nicht gezeigten Brennraum der Brennkraftmaschine begrenzt. Das Kolbenhemd 18 ist auf der von der Brennraummulde 4 abgewandten Seite des Kolbenkopfs 2 angeordnet. Kolbenkopf 2 und Kolbenhemd 18 sind vorzugsweise materialeinheitlich, insbesondere monolithisch, bspw. aus Aluminium, einer Legierung, Stahl und dgl., hergestellt. Der Kolbenkopf 2 weist außenseitig eine umlaufende Ringpartie 5 auf, in der zumindest eine nach außen offene Nut 6 zum Aufnehmen eines nicht gezeigten Kolbenrings vorgesehen ist, wobei beim in 1 gezeigten Beispiel mehrere solche Nuten 6 vorgesehen sind. Im Bereich der Ringpartie 5 ist innerhalb des Kolbenkopfs 2 ein umlaufender Kühlkanal 7 vorgesehen. Im Kolbenhemd 18 bzw. in den Kastenwänden 19 ist eine Nabe 17 vorgesehen, die der Verbindung des Kolbens 1 mit einer nicht gezeigten Kurbelwelle, bspw. über einen nicht dargestellten Pleuel, dient. Die Nabe 17 ist durch gegenüberliegende Durchbrüche 20 in den Kastenwänden 19 ausgebildet ist, von denen in der Schnittebene gemäß der 1 lediglich eine Kolbenwand 19 und ein Durchbruch 20 zu sehen sind. Der Kolben 1 weist zudem zumindest eine Verbindungsleitung 8 auf, die sich auf der von der Brennraummulde 4 abgewandten Seite des Kühlkanals 7 vom Kühlkanal 7 bezüglich einer Kolbenachse 23 des Kolbens 1 axial weg erstreckt. Beim gezeigten Beispiel sind zwei solche Verbindungsleitungen 8 zu sehen. Beide sichtbare Verbindungsleitungen 8 sind im gezeigten Beispiel fluidisch mit dem Kühlkanal 7 verbunden und münden in diesen, wobei eine der Verbindungsleitungen 8 über eine auf der von der Brennraummulde 4 abgewandten Seite des Kolbens 1, insbesondere im Bereich der sichtbaren Kastenwand 19, angeordnete Öffnung 9 mit der Umgebung verbunden ist. Somit ist auch der Kühlkanal 7 über die Verbindungsleitung 8 und die Öffnung 9 mit der Umgebung verbunden. Der Kühlkanal 7 und/oder die Verbindungsleitungen 8 können über die Öffnung 9 mit einem Kühlmittel 10 befüllt werden. Das Kühlmittel 10 kann prinzipiell ein beliebiges sein. Insbesondere kann das Kühlmittel 10 Natrium und/oder Kalium enthalten. Die jeweilige Verbindungsleitung 8, insbesondere die über die Öffnung 9 mit der Umgebung verbundene Verbindungsleitung 8, kann als eine Bohrung 22 in den Kolben 1 eingebracht sein.A piston 1 an otherwise not shown internal combustion engine has, as in 1 you can see a piston head 2 as well as one with the piston head 2 connected piston shirt 18 on. The piston shirt 18 has a piston stem in the example shown 24 and a piston box 25 on. The piston box 25 has at least one box wall 19 and the piston shaft 24 at least one shaft wall 3 on, in the example shown two Schäftwände3 and two box walls 19 are provided. The piston head 2 has a combustion bowl on the front side 4 on, which limits an otherwise not shown combustion chamber of the internal combustion engine. The piston shirt 18 is on the from the combustion chamber 4 opposite side of the piston head 2 arranged. piston head 2 and piston shirt 18 are preferably of the same material, in particular monolithic, for example of aluminum, an alloy, steel and the like., Produced. The piston head 2 has on the outside a circumferential ring section 5 on, in the at least one outwardly open groove 6 is provided for receiving a piston ring, not shown, wherein when in 1 shown example, several such grooves 6 are provided. In the area of the ring section 5 is inside the piston head 2 a circumferential cooling channel 7 intended. In the piston shirt 18 or in the box walls 19 is a hub 17 provided that the connection of the piston 1 with a crankshaft, not shown, for example. Via a connecting rod, not shown, is used. The hub 17 is through opposite breakthroughs 20 in the box walls 19 is formed, of which in the sectional plane according to the 1 only a piston wall 19 and a breakthrough 20 you can see. The piston 1 also has at least one connection line 8th on, based on that of the combustion chamber 4 opposite side of the cooling channel 7 from the cooling channel 7 with respect to a piston axis 23 of the piston 1 extends axially away. In the example shown are two such connecting lines 8th to see. Both visible connection lines 8th In the example shown, they are fluidic with the cooling channel 7 connected and open into these, being one of the connecting lines 8th one on the one from the combustion bowl 4 opposite side of the piston 1 , especially in the area of the visible box wall 19 , arranged opening 9 with the Environment is connected. Thus, also the cooling channel 7 over the connecting line 8th and the opening 9 connected to the environment. The cooling channel 7 and / or the connecting lines 8th can over the opening 9 with a coolant 10 be filled. The coolant 10 can in principle be any. In particular, the coolant 10 Contain sodium and / or potassium. The respective connection line 8th , In particular, via the opening 9 connected to the environment connecting line 8th , can be considered a bore 22 in the piston 1 be introduced.

Die Öffnung 9 wird nach dem Befüllen des Kolbens 1 mit dem Kühlmittel 10 mit Hilfe eines Verschlusselements 11 fluiddicht verschlossen. Zum Verschließen der Öffnung 9 wird das Verschlusselement 11 erfindungsgemäß durch Kondensatorentladungsschweißen mit dem Kolben 1, insbesondere mit der Kastenwand 19, verschweißt. Hierzu wird das Verschlusselement 11 mit einer Kraft, von vorzugsweise zwischen 1,5 kN und 3,5 kN, insbesondere von 2,5 kN, gegen den Kolben 2 gedrückt. Anschließend wird zumindest ein elektrischer Stromimpuls durch einen Verbindungsbereich 12 zwischen dem Kolben 2 und dem Verschlusselement 11 geschickt. Der jeweilige Stromimpuls hat dabei vorzugsweise eine Stromstärke zwischen 8 kA und 12 kA, insbesondere von 10 kA. Der jeweilige Stromimpuls dauert dabei weniger als 20 ms. Vorzugsweise dauert der jeweilige Stromimpuls 10 ms. Besonders bevorzugt kommen zumindest zwei solche Stromimpulse, vorteilhaft genau zwei solche Stromimpulse, zum Einsatz, welche einen Abstand von 0,1 s bis 1 s, insbesondere von 0,5 s zueinander haben. Im Ergebnis führen diese Maßnahmen jeweils zu einer stabilen Verbindung zwischen dem Verschlusselement 11 und dem Kolben 1 sowie zu einem stabilen, fluiddichten Verschließen der Öffnung 9 durch das Verschlusselement 11. Darüber hinaus ist eine Wärmeeinflusszone 16 (siehe 2 und 3), in der es bedingt durch das Kondensatorentladungsschweißen zu Strukturänderungen des Verschlusselements 11 und/oder des Kolbens 1, insbesondere einem Verschmelzen des Verschlusselements 11 mit dem Kolben 1, kommt, optimiert, wobei diese Wärmeeinflusszone 16 in einer quer zum Kontaktbereich zwischen Kolben 1 und Verschlusselement 11 verlaufenden Tiefe 21 vorzugsweise kleiner als 400 µm, insbesondere kleiner als 200 µm, ist.The opening 9 will after filling the piston 1 with the coolant 10 with the help of a closure element 11 sealed fluid-tight. To close the opening 9 becomes the closure element 11 according to the invention by capacitor discharge welding with the piston 1 , especially with the box wall 19 , welded. For this purpose, the closure element 11 with a force, preferably between 1.5 kN and 3.5 kN, in particular 2.5 kN, against the piston 2 pressed. Subsequently, at least one electrical current pulse is passed through a connection region 12 between the piston 2 and the closure element 11 cleverly. The respective current pulse preferably has a current intensity between 8 kA and 12 kA, in particular of 10 kA. The respective current pulse lasts less than 20 ms. Preferably, the respective current pulse lasts 10 ms. Particularly preferably, at least two such current pulses, advantageously exactly two such current pulses, are used which have a distance of 0.1 s to 1 s, in particular of 0.5 s from one another. As a result, these measures each lead to a stable connection between the closure element 11 and the piston 1 as well as a stable, fluid-tight closure of the opening 9 through the closure element 11 , In addition, there is a heat affected zone 16 (please refer 2 and 3 ), in which due to the capacitor discharge welding to structural changes of the closure element 11 and / or the piston 1 , in particular a fusion of the closure element 11 with the piston 1 , comes, optimizes, this heat affected zone 16 in a transverse to the contact area between pistons 1 and closure element 11 running depth 21 preferably less than 400 microns, in particular less than 200 microns, is.

Beim in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Verschlusselement 11 als ein in der Öffnung 9 versenktes bzw. aufgenommenes Verschlusselement 11 ausgebildet, das im mit dem Kolben 1 verschweißten Zustand bündig an der Außenseite des Kolbens 1 abschließt. Das Verschlusselement 11 ist also insbesondere bolzenartig bzw. als ein Bolzen 13 ausgebildet.When in 1 embodiment shown is the closure element 11 as one in the opening 9 sunk or received closure element 11 trained in that with the piston 1 welded state flush with the outside of the piston 1 concludes. The closure element 11 So is in particular bolt-like or as a bolt 13 educated.

Die 2 und 3 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel des Kolbens 1, wobei in 3 eine vergrößerte Ansicht des in 2 mit III bezeichneten Bereichs dargestellt ist. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere durch die Ausbildung des Verschlusselements 11, das einen Schaft 14 sowie einen Kopf 15 aufweist. Dabei ist der Schaft 14 des Verschlusselements 11 in der Verbindungsleitung 8 bzw. der Öffnung 9 angeordnet, während der Kopf 15 außenseitig am Kolben 1 anliegt. In den 2 und 3 ist zu erkennen, dass die Wärmeeinflusszone 16 im Verbindungsbereich 12 angeordnet ist. Die Wärmeeinflusszone 16 entsteht durch den Wärmeeintrag beim Kondensatorentladungsschweißen, dadurch, dass es zu strukturellen Änderungen des Verschlusselements 11 und/oder des Kolbens 1 kommt. Hierbei kommt es in der Wärmeeinflusszone 16 insbesondere zu einem Schmelzen des Verbindungselements 11 und/oder des Kolbens 1, das zu einer stabilen Verbindung zwischen dem Verschlusselement 11 und dem Kolben 1 führt. Insbesondere in 3 ist dabei zu erkennen, dass die Wärmeeinflusszone 16 sehr klein ist. Die Wärmeeinflusszone 16 erstreckt sich, wie vorstehend bereits erwähnt wurde, über eine Tiefe von weniger als 400 µm, insbesondere als 200 µm.The 2 and 3 show another embodiment of the piston 1 , where in 3 an enlarged view of the in 2 III area is shown. This embodiment differs from that in FIG 1 shown embodiment in particular by the formation of the closure element 11 that a shaft 14 as well as a head 15 having. Here is the shaft 14 the closure element 11 in the connection line 8th or the opening 9 arranged while the head 15 on the outside of the piston 1 is applied. In the 2 and 3 it can be seen that the heat affected zone 16 in the connection area 12 is arranged. The heat affected zone 16 is caused by the heat input in the capacitor discharge welding, thereby causing structural changes of the closure element 11 and / or the piston 1 comes. This occurs in the heat affected zone 16 in particular to a melting of the connecting element 11 and / or the piston 1 leading to a stable connection between the closure element 11 and the piston 1 leads. In particular in 3 can be seen that the heat affected zone 16 is very small. The heat affected zone 16 extends, as already mentioned above, over a depth of less than 400 .mu.m, in particular as 200 microns.

Eine solche Wärmeeinflusszone 16 existiert auch beim in 1 gezeigten Beispiel, obwohl diese darstellungsbedingt nicht sichtbar ist.Such a heat affected zone 16 exists also in the 1 shown example, although this is not visible due to the presentation.

In den 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kolbens 1 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass die sichtbaren Verbindungsleitungen 8 in keiner fluidischen Verbindung mit dem Kühlkanal 7 stehen. Die Verbindungsleitungen 8 verlaufen geneigt zur Kolbenachse 23. Die jeweilige Verbindungsleitung 8 ist an einem Ende über die in der Kastenwand 19 angeordnete Öffnung 9 mit der Umgebung verbunden, wogegen das andere Ende geschlossen und unterhalb der Brennraummulde 4 angeordnet ist. Die jeweilige Verbindungsleitung 8 wird mit einem Kühlmittel 10 befüllt, das das gleiche oder ein anderes als das Kühlmittel 10 im Kühlkanal 7 sein kann. Nach dem Befüllen der jeweiligen Verbindungsleitung 8 wird die zugehörige Öffnung 9, wie in 5 zu sehen ist, mit einem solchen Verschlusselement 11 fluiddicht verschlossen, wobei das Verschlusselement 11 in 5 zum besseren Verständnis außerhalb des Kolbens 1 dargestellt ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird dabei das Verschlusselement 11 mittels Kondensatorentladungsschweißen mit dem Kolben 1 bzw. der Kastenwand 19 verbunden. Dabei bildet sich, obwohl nicht dargestellt, ebenfalls eine solche Wärmeeinflusszone 16.In the 4 and 5 is another embodiment of the piston 1 shown. This embodiment differs from that in FIG 1 shown embodiment in particular by the fact that the visible connecting lines 8th in no fluid communication with the cooling channel 7 stand. The connection lines 8th run inclined to the piston axis 23 , The respective connection line 8th is at one end over in the box wall 19 arranged opening 9 connected to the environment, while the other end is closed and below the combustion bowl 4 is arranged. The respective connection line 8th is with a coolant 10 filled, the same or different than the coolant 10 in the cooling channel 7 can be. After filling the respective connecting line 8th becomes the associated opening 9 , as in 5 can be seen with such a closure element 11 sealed fluid-tight, wherein the closure element 11 in 5 for better understanding outside the piston 1 is shown. Also in this embodiment is the closure element 11 by means of capacitor discharge welding with the piston 1 or the box wall 19 connected. Although not shown, such a heat-affected zone also forms 16 ,

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011114105 A1 [0003]DE 102011114105 A1 [0003]

Claims (10)

Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (1) für eine Brennkraftmaschine, wobei ein Kolben (1) bereitgestellt wird, der aufweist: - einen Kolbenkopf (2) und ein Kolbenhemd (18), - eine sich durch den Kolben (1) erstreckende und über eine Öffnung (9) mit der Umgebung verbundene Verbindungsleitung (8), wobei die Öffnung (9) durch ein Verschlusselement (11) verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (11) durch Kondensatorentladungsschweißen mit dem Kolben (1) verschweißt wird.Method for producing a piston (1) for an internal combustion engine, wherein a piston (1) is provided which comprises: a piston head (2) and a piston skirt (18), one extending through the piston (1) and one over the piston Opening (9) connected to the environment connecting line (8), wherein the opening (9) is closed by a closure element (11), characterized in that the closure element (11) by capacitor discharge welding to the piston (1) is welded. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Kondensatorentladungsschweißen das Verschlusselement (11) mit einer Kraft gegen den Kolben (1) gedrückt und zumindest ein elektrischer Stromimpuls durch einen Verbindungsbereich (12) zwischen dem Kolben (1) und dem Verschlusselement (11) geschickt wird.Method according to Claim 1 characterized in that, for capacitor discharge welding, the closure element (11) is pressed against the piston (1) with a force and at least one electrical current pulse is sent through a connection region (12) between the piston (1) and the closure element (11). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Stromimpuls mit einer Dauer von kürzer als 20 ms, insbesondere von 10 ms, verwendet wird.Method according to Claim 2 , characterized in that at least one current pulse having a duration of less than 20 ms, in particular of 10 ms, is used. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Stromimpulse in einem Abstand von jeweils zwischen 0,1 s und 1 s, insbesondere von 0,5 s, verwendet werden.Method according to Claim 2 or 3 , characterized in that at least two current pulses at a distance of between 0.1 s and 1 s, in particular of 0.5 s, are used. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Stromimpuls mit einer Stromstärke zwischen 8 kA und 12 kA, insbesondere 10 kA, verwendet wird.Method according to one of Claims 2 to 4 , characterized in that at least one current pulse having a current intensity between 8 kA and 12 kA, in particular 10 kA, is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (11) mit einer Kraft zwischen 1,5 kN und 3,5 kN, insbesondere 2,5 kN, gegen den Kolben (1) gedrückt wird.Method according to one of Claims 2 to 5 , characterized in that the closure element (11) with a force between 1.5 kN and 3.5 kN, in particular 2.5 kN, against the piston (1) is pressed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (8) oder der Kolben (1) über die Verbindungsleitung (8) vor dem Verschließen der Öffnung (9) durch das Verschlusselement (11) mit einem Kühlmittel (10), insbesondere mit Natrium und/oder Kalium, befüllt wird.Method according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the connecting line (8) or the piston (1) via the connecting line (8) before closing the opening (9) by the closure element (11) with a coolant (10), in particular with sodium and / or potassium , is filled. Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kolben gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.Piston (1) for an internal combustion engine, wherein the piston according to the method of one of Claims 1 to 7 is made. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkopf (2) eine Brennraummulde (4) aufweist, wobei die Öffnung (9) auf der von der Brennraummulde (4) abgewandten Seite des Kolbens (1) angeordnet ist.Piston after Claim 8 , characterized in that the piston head (2) has a combustion chamber trough (4), wherein the opening (9) on the side facing away from the combustion chamber trough (4) side of the piston (1) is arranged. Kolben nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) einen im Kolbenkopf (2) umlaufenden Kühlkanal (7) aufweist, der fluidisch mit zumindest einer solchen Verbindungsleitung (8) verbunden ist.Piston after Claim 8 or 9 , characterized in that the piston (1) in the piston head (2) encircling cooling channel (7) which is fluidly connected to at least one such connecting line (8).
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