DE102018203411A1

DE102018203411A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie Verfahren zur Herstellung eines Kolbens

Info

Publication number: DE102018203411A1
Application number: DE102018203411.7A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Henzold; Michael Seiffert; Andreas Brahner
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor weist zumindest einen Kühlkanal (18) auf, der zumindest einen aus Kolbenmaterial ausgebildeten Ein- (20) und/oder Auslass (22) aufweist, dessen Öffnung gegenüber dem Niveau des Kühlkanals (18) in Richtung des Kolbenbodens erhaben ist, und der an der Kolbenunterseite, näher zum Kolbenboden als eine vollständige Kolbenbolzenbohrung eine Trichterform (24) aufweist.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Kühlkanal wird der Bereich zwischen zumindest einem Ein- (20) und/oder einem Auslass (22) auf der Seite eines Kolbenbodens vertieft.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens.
STAND DER TECHNIK
Um die Kolbentemperatur während des Betriebs zu senken ist es insbesondere bei Dieselkolben üblich, in diese einen Kühlkanal zu integrieren, in den Kühlmittel, insbesondere Kühlöl eingespritzt wird. Hierbei ist es wünschenswert, dass möglichst viel Kühlöl in den Kühlkanal gelangt und dort möglichst lange verbleibt, um möglichst umfangreich Wärme aufzunehmen.
Als Vorbenutzungsgegenstände sind Kolben bekannt, bei denen in die Ein- und/oder Auslassöffnungen an der Unterseite Trichter eingesetzt sind, die ein Röhrchen aufweisen können, das über das Niveau des Kühlkanals vorsteht, so dass eine Art Barriere gebildet wird, die ein vorzeitiges Entweichen des Kühlöls verhindert. Ferner sorgt der beschriebene Trichter dafür, dass möglichst umfangreich Kühlöl in den Kühlkanal gelangt. Ein derartiges, separates Teil muss jedoch gesondert gefügt werden, und es kann sich im Betrieb lösen, so dass sich zum einen Nachteile bei der Herstellung und zum anderen das Risiko ergibt, dass sich ein relativ großes, metallisches Bauteil im Motor befinden kann.
Aus der GB 916 696 A geht ein Kolben mit einem integrierten, am unteren Ende trichterförmigen Zulauf hervor. Ferner ist erkennbar, dass die Umgebung der Zulauföffnung gegenüber dem Niveau des Kühlkanals vorstehen kann. Dieser Kolben ist jedoch insbesondere im Hinblick auf sein Gewicht und den Herstellungsaufwand nachteilig.
Gemäß der EP 1 427 921 B1 befindet sich der Zulauf mit gerundeten Kanten unmittelbar unterhalb des Kühlkanals, und die Öffnung zum Kühlkanal hin erscheint erhöht. Ähnliches gilt für die EP 1 211 405 A1 .
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen mit wenig Aufwand herstellbaren Kolben und ein entsprechendes Verfahren zu schaffen, mit denen sichergestellt werden kann, dass stets eine ausreichende Menge an Kühlöl in den Kühlkanal gelangt und/oder in diesem lange genug verbleibt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen Kolben.
Demzufolge weist dieser zumindest einen Kühlkanal mit zumindest einem Ein- und/oder Auslass auf, der aus Kolbenmaterial ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist der Kolben oder zumindest ein Teil davon, wie nachfolgend genauer beschrieben, einstückig aus Kolbenmaterial ausgebildet, und unmittelbar darin, ohne das Erfordernis separater Bauteile, ist der Ein- und/oder Auslass ausgebildet. Insbesondere kann dieser durch spanende Bearbeitung und/oder kreiszylindrisch ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß ist die Öffnung zumindest eines Ein- und/oder Auslasses zu dem Kühlkanal hin gegenüber dem Niveau des Kühlkanals in Richtung des Kolbenbodens erhaben oder erhöht. Mit anderen Worten befindet sich derjenige, typischerweise kreisförmige Rand, an dem das Kühlöl den Ein- und/oder Auslass verlassen, oder in diesen eintreten kann, um in den Kühlkanal oder aus diesem heraus zu gelangen, näher an dem Kolbenboden als das Niveau des Kühlkanals. Letzteres ist bevorzugt entlang der Kolbenachse im Wesentlichen gleichbleibend, mit anderen Worten ist diejenige Ebene, in der beispielsweise das untere, vom Kolbenboden entfernte Niveau des Kühlkanals verläuft, im Wesentlichen senkrecht zur Kolbenhubachse und/oder parallel zum Kolbenboden.
Durch die beschriebene, erhabene Ausführung der Öffnung werden gewissermaßen einstückig, und damit effizient herstellbar, diejenigen Barrieren gebildet, die, wie oben beschrieben, beim Stand der Technik üblicherweise durch getrennte Bauteile gebildet wurden.
Insbesondere diese Erhöhung der Öffnung des Ein- und/oder Auslasses ermöglicht es, am unteren Ende des Ein- und/oder Auslasses, also zum Kurbelgehäuse hin, einstückig eine Trichterform auszubilden, um den Fanggrad, also die Menge des in den Kühlkanal gelangenden Kühlöls zu erhöhen. Es ist nämlich in diesem Bereich durch die „nach oben Verschiebung“ der Öffnung ausreichend Material für die Ausbildung einer Trichterform vorhanden, und der Trichter kann in vorteilhafter Weise ebenfalls einstückig, aus dem Kolbenmaterial und ohne getrenntes Bauteil, vorgesehen werden. Folglich wirken die beiden Maßnahmen in vorteilhafter Weise zusammen, und insgesamt kann der Fanggrad erhöht werden, und die Verweildauer des Öls in den Kühlkanal verlängert werden. Dies ist schließlich ohne unnötiges Gewicht möglich, da sich die Trichterform vollständig oberhalb einer Kolbenbolzenbohrung befindet, und somit das für die Ausbildung des Trichters notwendige Material auf einer vergleichsweise geringen Höhe vorgesehen werden muss.
Es sei ergänzt, dass der beschriebene Ein- und/oder Auslass, abgesehen von dem Trichter, im Wesentlichen zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch ausgeführt sein kann, um diesen beispielsweise mit einer einfachen Bohrbearbeitung herzustellen. Wenngleich beispielsweise mittels eines intermittierenden Einspritzens von Kühlöl eine einzige Öffnung, die sowohl den Ein- als auch den Auslass bildet, ausreichend ist, wird bevorzugt, zumindest einen Ein- und zumindest einen Auslass vorzusehen, die bevorzugt möglichst weit voneinander entfernt sind, beispielsweise sich diametral gegenüberliegen. Der Trichter kann einen Winkel von 5 - 15° zur Kolbenhubachse aufweisen.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Im Hinblick auf die Trichterform wird erwartet, dass diese zu einem besonders hohen Fanggrad führt, wenn der Trichter mehr als ein Drittel, bevorzugt mehr als die Hälfte, besonders bevorzugt mehr als zwei Drittel der Erstreckung des Ein- und/oder Auslasses in Kolbenachsrichtung aufweist. Mit anderen Worten verjüngt sich der Ein- und/oder Auslass in Richtung des Kolbenbodens über die beschriebene Länge.
Eine besonders lange Verweildauer des Kühlöls wird erwartet, wenn sich die beschriebene Öffnung des Ein- und/oder Auslasses um mehr als ein Drittel, bevorzugt mehr als die Hälfte, besonders bevorzugt mehr als zwei Drittel der Erstreckung des Ein- und/oder Auslasses in Kolbenachsrichtung über dem Niveau des Kühlkanals befindet. Dann, wenn zumindest eine der oben beschriebenen Längen mehr als die Hälfte der Erstreckung des Ein- und/oder Auslasses ausmacht, überlappen sich die Trichterform und die Erhöhung der Öffnung des Ein- und/oder Auslasses gegenüber dem Niveau des Kühlkanals.
Besondere Vorteile, insbesondere im Hinblick auf das Gewicht, werden erreicht, wenn der Trichter an der Unterseite bündig mit demjenigen Material endet, das im Wesentlichen den Kolbeninnenbereich unter der Brennraummulde bildet, mit anderen Worten der Trichter nicht weiter in Richtung des unteren Randes des Kolbens, oder vollständig bis zum unteren Rand des Kolbens geführt ist, wie dies bei der oben erwähnten GB 916 696 A der Fall ist.
Bevorzugt ist der erfindungsgemäße Kolben zumindest zweiteilig ausgeführt, und der beschriebene Ein- und/oder Auslass ist einstückig an einem der Teile, insbesondere am Kolbenunterteil vorgesehen.
Schließlich wird derzeit bevorzugt, die erfindungsgemäßen Maßnahmen an einem Stahlkolben vorzusehen.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch das im Anspruch 7 beschriebene Verfahren, wonach in dem Kühlkanal die Bereiche zwischen Ein- und/oder Auslässen derart vertieft werden, dass sie sich weiter vom Kolbenboden entfernt befinden, als die oben beschriebene Öffnung des Ein- und/oder Auslasses. Bei einem einzigen Ein- und Auslass betrifft dies den gesamten, mit Ausnahme des einzigen Ein- und Auslasses umlaufenden Bereich des ringförmigen Kühlkanals. Es sei erwähnt, dass der Kühlkanal zunächst, bis zum Erreichen desjenigen Niveaus, auf dem die Öffnung des Ein- und/oder Auslasses vorgesehen werden soll, durch Drehen bearbeitet werden kann. Nachfolgend kann beispielsweise ein Fingerfräser verwendet werden, um die beschriebenen Bereiche zu vertiefen, während die Öffnungen der Ein- und/oder Auslässe stehen bleiben.
Insofern wird derzeit bevorzugt, die beschriebenen Bereiche durch zumindest ein spanendes Fertigungsverfahren, insbesondere Fräsen, und/oder durch Umformen, insbesondere Schmieden zu vertiefen.
Dies stellt ein effizientes Herstellungsverfahren dar, ebenso wie die Maßnahme, den Ein- und/oder Auslass und insbesondere dessen Trichterform spanend auszubilden.
Wie erwähnt ist der erfindungsgemäße Kolben bevorzugt zweiteilig ausgeführt, und im Rahmen der Herstellung wird bevorzugt, zumindest einen Teil zunächst durch Schmieden herzustellen. Nachfolgend kann die oben beschriebene, spanende Bearbeitung erfolgen. Die beiden Teile können beispielsweise durch Reibschweißen miteinander verbunden werden.
Es sei erwähnt, dass die oben im Hinblick auf den Kolben beschriebenen Maßnahmen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens anwendbar sind und umgekehrt.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Unterteil des erfindungsgemäßen Kolbens in einer perspektivischen Draufsicht; und
2 eine Teilschnittansicht des in 1 gezeigten Unterteils.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Wie in 1 zu erkennen ist, bildet das dargestellte Kolbenunterteil 10 in seinem zentralen Bereich einen Teil der Brennraummulde 12. Hieran schließt sich nach außen ein erster, im Wesentlichen ringförmiger Steg 14 an, der zusammen mit einem zweiten, äußeren ringförmigen Steg 16 den Kühlkanal 18 definiert.
In dem Kühlkanal 18 sind diametral gegenüberliegend ein Ein-20 und ein Auslass 22 zu erkennen. Der Ein- 20 und Auslass 22 sind im Wesentlichen identisch gestaltet und ihre Funktion hängt von der Einbausituation in einem Motor ab. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sie im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt, und es ist erkennbar, dass ihr zum Kolbenboden, das heißt gemäß 1 nach oben gerichteter Rand gegenüber dem Niveau des Kühlkanals 18 erhaben ist. Dies wird fertigungstechnisch dadurch erreicht, dass, beispielsweise durch Drehen, das Material zwischen den beiden Stegen 14, 16 zunächst bis auf das Niveau der jeweiligen Öffnung des Ein- und Auslasses abgesenkt wird. Nachfolgend wird beispielsweise ein Fingerfräser verwendet, um die beiden nahezu halbkreisförmigen Bereich zwischen dem Ein- 20 und dem Auslass 22 spanend zu bearbeiten. Der Fingerfräser ist anhand der konkaven Gestaltung an beiden Seiten neben dem jeweiligen Ein- 20 und Auslass 22 zu erkennen und weist im Wesentlichen einen Durchmesser auf, der der Breite des Kühlkanals in Radialrichtung des Kolbens entspricht. Durch die beschriebene Maßnahme werden in der Umgebung der jeweiligen Öffnung des Ein- 20 und Auslasses 22 Barrieren gebildet, die für eine ausreichende Verweildauer des Kühlöls in dem Kühlkanal 18 sorgen.
Dies ist ergänzend in 2 zu erkennen, die einen Teilschnitt derart aufweist, dass ein Einlass 20 und, links und rechts daneben, der weitere Verlauf des Kühlkanals 18 dargestellt ist. Insbesondere ist zu erkennen, dass sich der obere Rand, mit anderen Worten die Öffnung des Einlasses 20 oberhalb der Hälfte der Höhe des Kühlkanals im Kolbenunterteil in Kolbenhubachsrichtung (von oben nach unten in 2) befindet. Bezogen auf die Länge des Einlasses 20, also des eigentlichen Strömungskanals, macht die Erhebung gegenüber dem Niveau des Kühlkanals 18 etwa zwei Drittel aus.
Dies gilt gleichermaßen für den am unteren Ende des Einlasses, mit anderen Worten vom Kolbenboden entfernt liegenden Trichter 24, der an dem Einlass 20 ausgebildet ist. Der Öffnungsrand des Trichters 24 ist hierbei in vorteilhafter Weise bündig mit dem Material unmittelbar unterhalb des Kühlkanals. Wie in 2 zu erkennen ist, kann erfindungsgemäß das Material, das für die Erhebung der Öffnung des Einlasses 20 gegenüber dem Niveau, insbesondere der unteren Begrenzung des Kühlkanals 18 sorgt, für die vorteilhafte Ausbildung eines vergleichsweise langen Trichters verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

GB 916696 A [0004, 0016]
EP 1427921 B1 [0005]
EP 1211405 A1 [0005]

Claims

Kolben für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Kühlkanal (18), der zumindest einen aus Kolbenmaterial ausgebildeten Ein- (20) und/oder Auslass (22) aufweist, dessen Öffnung gegenüber dem Niveau des Kühlkanals (18) in Richtung des Kolbenbodens erhaben ist, und der an der Kolbenunterseite, näher zum Kolbenboden als eine vollständige Kolbenbolzenbohrung, eine Trichterform (24) aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trichterform (24) mehr als ein Drittel, bevorzugt mehr als zwei Drittel der Erstreckung des Ein- (20) und/oder Auslasses (22) in Richtung der Kolbenhubachse ausmacht.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung der Öffnung gegenüber dem Niveau des Kühlkanals (18) mehr als ein Drittel, bevorzugt mehr als zwei Drittel der Erstreckung des Ein- (20) und/oder Auslasses (22) in Richtung der Kolbenhubachse ausmacht.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Kolbenboden entfernte Ende der Trichterform (24) bündig mit dem Kolbenmaterial unmittelbar unterhalb des Kühlkanals ist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zweiteilig ausgeführt ist, und zumindest ein Ein- (20) und/oder Auslass (22) einstückig an einem Kolbenunterteil ausgeführt ist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest teilweise aus Stahl ausgeführt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Kühlkanal, bei dem Bereiche zwischen zumindest einem Ein- (20) und/oder einem Auslass (22) auf der Seite eines Kolbenbodens vertieft werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vertieften Bereiche durch zumindest ein spanendes Fertigungsverfahren, insbesondere Fräsen, und/oder durch Umformen, insbesondere Schmieden ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kolbenunterseite an zumindest einem Ein- (20) und/oder Auslass (22) eine Trichterform ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trichterform spanend ausgebildet wird.