DE102018205348A1

DE102018205348A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Herstellung eines Kolbens

Info

Publication number: DE102018205348A1
Application number: DE102018205348.0A
Authority: DE
Inventors: Kay Fröde
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2038-04-11
Also published as: DE102018205348B4

Abstract

Ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor weist zumindest eine Schaftwand (12) auf, die zumindest eine mit elastischem und/oder weichem und/oder dämpfendem Material (18) gefüllte Aussparung (16) aufweist, wobei das elastische und/oder weiche und/oder dämpfende Material (18) und zumindest Teile der Schaftwand (12) mit derselben Beschichtung (20) beschichtet sind.
Ferner wird ein entsprechendes Verfahren vorgestellt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens.
Bei Kolben für Verbrennungsmotoren sind verschiedenste Randbedingungen zu beachten. Diese betreffen beispielsweise die Geometrie und das Gewicht, um als Konsequenz die Kraftstoffverbrauchs- und CO2-Emissionswerte gering zu halten. Darüber hinaus sind Geräuschemissionen zu beachten.
Im Zusammenhang mit der Verringerung des Kraftstoffverbrauchs auf der Suche nach Einsparpotentialen wurde in jüngerer Zeit angedacht, eine Ölspritzdüse möglichst umfangreich abzuschalten, die die Kolbenunterseite zur Kühlung mit Kühlöl beaufschlagt. Es wurde jedoch festgestellt, dass hierdurch auch ein Ölnebel geringer wird, der zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung oder -laufbuchse dämpft und Geräuschemissionen in Grenzen hält.
Stand der Technik
Zur Verbesserung der Laufruhe ist es aus der DE 2755739 C3 bekannt, an Schaftwänden eines Kolbens Mantelelemente mittels eines viskoelastischen Klebstoffs anzubringen. Die DE 4113773 C2 betrifft eine Beschichtung an den Schaftwänden eines Kolbens, um ein Spiel zu der Zylinderbohrung oder -laufbuchse einzustellen. Ähnliches geht aus der DE 4343439 C2 hervor. Schließlich betrifft die WO 2008/86394 A1 einen Kolben mit einer im Hinblick auf die Haftung verbesserten Kolbenbeschichtung.
Darstellung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der im Hinblick auf die Geräuschentwicklung verbessert ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen Kolben.
Demzufolge weist dieser zumindest eine Schaftwand auf, die zumindest eine mit einem elastischen und/oder weichen und/oder dämpfenden Material gefüllte Aussparung aufweist, das nachfolgend teilweise der Einfachheit halber als dämpfendes Material bezeichnet wird, wobei dieses Material und zumindest Teile der Schaftwand mit derselben Beschichtung beschichtet sind. Der guten Ordnung halber sei erwähnt, dass es sich bei den Schaftwänden um diejenigen Teile einer Zylindermantelfläche an der Außenseite des Kolbens, unterhalb des Ringfeldes handelt, mit denen der Kolben in Gleitkontakt mit der Zylinderbohrung oder -laufbuchse ist. Insbesondere im oberen Totpunkt kommt es hierbei zu einem Wechsel der Anlagefläche, mit anderen Worten, „schlägt“ insbesondere die druckseitige Schaftwand zumindest geringfügig gegen die Zylinderbohrung oder -laufbuchse, sodass unerwünschte Geräusche entstehen können, insbesondere wenn eine Ölspritzdüse abgeschaltet ist.
Hier sorgt das beschriebene Material für eine Dämpfung an diesem „Haupteinschlagspunkt“, ohne dass die Herstellung des Kolbens maßgeblich verkompliziert, oder dessen Eigenschaften beeinträchtigt werden. Es sei erwähnt, dass der Haupteinschlagspunkt mittels einer Sekundärbewegungsanalyse im Hinblick auf Höhe und Position, die für die erfindungsgemäße Aussparung vorteilhaft ist, ermittelt wird. Durch die Beschichtung des beschriebenen Materials sowie zumindest von Bereichen der Schaftwand mit derselben Beschichtung können bewährte Beschichtungen weiterhin verwendet werden. Diese können ferner effizient aufgetragen werden, da keine Differenzierung im Hinblick auf die zu beschichtenden Bereiche und im Hinblick darauf, ob bereichsweise dämpfendes Material vorliegt, erfolgen muss. Ferner kann die Aussparung, in die das dämpfende Material gefüllt wird, in effizienter Art und Weise bei der Feininsbesondere spannenden Bearbeitung der Schaftwände erfolgen. Aus den oben genannten Gründen ist das beschriebene Material bevorzugt zumindest auf der Druckseite des Kolbens vorgesehen. Ferner sei erwähnt, dass durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen das Gewicht des Kolbens nicht in nachteiliger Weise erhöht wird, und zur Verringerung der Verbrauchswerte in vorteilhafter Weise eine Ölspritzdüse zumindest zeitweise abgeschaltet werden kann, ohne zu einer auffälligen Geräuschentwicklung zu führen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens werden in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Um die erfindungsgemäßen Vorteile möglichst umfangreich nutzen zu können, werden besonders gute Eigenschaften für eine Ausführungsform erwartet, bei der sich die Aussparung zur Aufnahme des beschriebenen Materials weiter in Umfangsrichtung als in Richtung der Kolbenhubachse, mit anderen Worten mehr in Richtung der Breite als der Höhe der Schaftwände erstreckt. Dies erleichtert die Ausbildung der Aussparung, da beispielsweise beim Bearbeiten durch Drehen die gesamte Schaftwand in gleicher Weise bearbeitet werden kann, und nicht lediglich eine punktuelle Tasche ausgebildet werden muss, wenngleich letztere für die Erzielung der erfindungsgemäßen Wirkungen bevorzugt wäre. Zu der beschriebenen Bearbeitung lediglich einer Schaftwand sei erwähnt, dass dies den Fertigungsprozess zwar verkompliziert, dieser jedoch beherrschbar ist.
In Umfangsrichtung wird jedoch aufgrund der gleichen Überlegungen bevorzugt, dass sich die Aussparung von zumindest einem Rand der Schaftwand, und bevorzugt vollständig bis zum anderen Rand der Schaftwand erstreckt.
Im Hinblick auf die Erstreckung in Richtung der Höhe der Schaftwände werden gute Eigenschaften erwartet, wenn sich die mit dem beschriebenen Material gefüllte Aussparung in dieser Richtung über 20 bis 30% der Höhe der Schaftwände erstreckt.
In vorteilhafter Weise kann die Aussparung hierbei vom unteren, also vom Ringfeld entfernten Ende der Schaftwand beabstandet ausgebildet sein. Dieser Abstand kann insbesondere etwa 20 bis 30% der Erstreckung der Aussparung in Richtung der Kolbenhubachse betragen.
Für die sowohl auf Bereiche der Schaftwand als auch auf das dämpfende Material aufgebrachte Beschichtung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das beschriebene elastische und/oder weiche und/oder dämpfende Material mit umgebenden Bereichen der Schaftwand zumindest abschnittsweise fluchtet. Bevorzugt ist die oben beschriebene Aussparung vollständig mit diesem Material gefüllt, besonders bevorzugt fluchtet das Material überall mit den umgebenden Bereichen der Schaftwand.
Bei dem beschriebenen Material kann es sich in vorteilhafter Weise um viskoelastisches Material handeln. Ergänzend oder alternativ ist denkbar, dass die Aussparung mit einer oder mehreren Schichten von in geeigneter Weise weichem Graphit gefüllt wird.
Zum Beibehalten vorteilhafter Eigenschaften im Bereich der Schaftwände insgesamt wird für die auf der Schaftwand und dem dämpfenden Material ausgebildeten Beschichtung bevorzugt, dass diese Graphit aufweist oder sogar hieraus besteht.
Als Kolbenmaterial wird derzeit Stahl bevorzugt, es ist jedoch auch eine Aluminiumlegierung oder sonstige vorteilhafte Kolbenwerkstoffe denkbar. Es sei ferner erwähnt, dass der erfindungsgemäße Kolben bevorzugt mit einer insbesondere abschaltbaren Kühlölspritzdüse kombiniert wird.
Die Lösung der obengenannten Aufgabe erfolgt ferner durch das in Patentanspruch 10 beschriebene Verfahren, das im Hinblick auf seine Verfahrensschritte im Wesentlichen den gegenständlichen Merkmalen des Kolbens entspricht.
Besonders effizient kann dieses realisiert werden, wenn die beschriebene Aussparung durch Drehen und insbesondere im Rahmen der Schaftprofilerstellung ausgebildet wird. In diesem Fall sind in vorteilhafter Weise keine zusätzlichen Verfahrensschritte erforderlich.
Sämtliche oben im Zusammenhang mit dem Kolben erwähnten Merkmale sind auf das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar und umgekehrt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Kolbens mit dämpfenden Material;
2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens mit dämpfenden Material und Beschichtung;
3 einen Teilschnitt der Schaftwand des in 1 und 2 gezeigten Kolbens.

Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Wie in 1 erkennbar ist, weist der dargestellte Kolben 10 an der rechts erkennbaren Schaftwand 12 mit einem Abstand von ihrem unteren Rand 14 eine Aussparung 16 auf, die mit elastischem und/oder dämpfendem und/oder weichem Material 18 gefüllt ist. Die Aussparung 16 erstreckt sich im Wesentlichen streifenförmig in Umfangsrichtung mit den oben beschriebenen Abmessungen mit Abstand vom unteren Rand 14, sowie in dem gezeigten Fall beginnend am linken Rand der Schaftwand 12. Die obere und untere Begrenzung der Aussparung 16 verläuft in dem gezeigten Fall auf einer gleichbleibenden Höhe.
In 2 ist ergänzend eine Beschichtung 20 zu erkennen, die auf den überwiegenden Teil der Schaftwand 12 und des dämpfenden Materials 18, mit Ausnahme der seitlichen Ränder, aufgebracht ist.
Wie ergänzend in 3 erkennbar ist, ist die Aussparung 16 vergleichsweise flach, kann jedoch bis etwa 250µm tief sein. Die Übergänge zur Außenseite der Schaftwand 12 sowie jeweils zum „Boden“ der Aussparung 16 können in vorteilhafter Weise gerundet ausgeführt sein. Wie ebenfalls in 3 erkennbar ist, ist die Aussparung 16 mit dem dämpfenden Material 18 derart gefüllt, dass dieses mit der umgebenden Schaftwand 12 fluchtet. Hierdurch kann besonders problemlos die einige Mikrometer dicke Beschichtung 20, typischerweise aus Graphit, aufgebracht 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

DE 2755739 C3 [0004]
DE 4113773 C2 [0004]
DE 4343439 C2 [0004]
WO 2008/86394 A1 [0004]

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit zumindest einer Schaftwand (12), die zumindest eine mit elastischem und/oder weichem und/oder dämpfendem Material (18) gefüllte Aussparung (16) aufweist, wobei das elastische und/oder weiche und/oder dämpfende Material (18) und zumindest Teile der Schaftwand (12) mit derselben Beschichtung (20) beschichtet sind.
Kolben (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aussparung (16) weiter in Umfangsrichtung als in Kolbenhubachsrichtung erstreckt.
Kolben (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aussparung (16) von zumindest einem Rand der Schaftwand (12) erstreckt.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aussparung (16) in Richtung der Kolbenhubachse über 20 bis 30% der Erstreckung der Schaftwand (12) in dieser Richtung erstreckt.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aussparung (16) mit einem Abstand von 20 bis 30% der Erstreckung der Aussparung (16) in Kolbenhubachsrichtung von dem unteren Rand (14) der Schaftwand (12) erstreckt.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische und/oder weiche und/oder dämpfende Material (18) mit umgebenden Bereichen der Schaftwand (12) zumindest abschnittsweise fluchtet.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische und/oder weiche und/oder dämpfende Material (18) ein viskoelastisches Material und/oder Graphit ist.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (20) Graphit aufweist, insbesondere aus dieser besteht.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) aus Stahl ausgeführt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, bei dem in zumindest einer Schaftwand (12) zumindest eine Aussparung (16) ausgebildet wird, die mit einem elastischen und/oder weichen und/oder dämpfenden Material (18) gefüllt wird, und dieses Material sowie zumindest Teile der Schaftwand (12) mit derselben Beschichtung (20) beschichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Aussparung (16) durch Drehen ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Aussparung (16) im Rahmen der Schaftprofilerstellung ausgebildet wird.