DE102018214230A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, Kolben und Verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, Kolben und Verbrennungsmotor Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens 1 für einen Verbrennungsmotor angegeben, das ein Bereitstellen eines Kolbengrundkörpers 2 und ein Aufbringen einer Kolbenkrone 3 mittels additiver Fertigungsverfahren auf den Kolbengrundkörper 2 aufweist.Darüber hinaus werden ein Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verbrennungsmotor mit einem Kolben 1 angegeben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie einen Verbrennungsmotor.
  • In der Brennverfahrensentwicklung für moderne Verbrennungskraftmaschinen (Verbrennungsmotoren) ist es sinnvoll, dass verschiedene Geometrien und Materialvariationen, z. B. Aluminiumlegierungen, Stahl etc., für Kolben schon in einer frühen Entwicklungs- und Erprobungsphase des Brennverfahrens auf Ein- oder Mehrzylinderforschungsmotoren hinsichtlich Wirkungsgrad und Emissionsverhalten erprobt und getestet werden können.
  • Zur Optimierung der Leistung und des Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren, besonders von modernen Dieselmotoren, werden zunehmend Kolben aus Stahl anstelle von Kolben aus einer Aluminiumlegierung eingesetzt. Da Stahlkolben bei derzeitigem Stand der Technik in der Herstellung deutliche Kostennachteile im Vergleich zu Aluminiumkolben aufweisen, werden innerhalb einer Motorenbaureihe abhängig von der betrachteten Leistungsvariante sowohl Kolben aus Aluminium- als auch aus Stahlwerkstoffen eingesetzt.
  • Derzeit ist es in der Brennverfahrensentwicklung von Aluminiumkolben möglich, verschiedene Geometrien der Kolbenmulde mittels spanender Bearbeitung in einen Gussrohling einzubringen und so mehrere verschiedene Kolben schnell zu verwirklichen und für eine Erprobung in einem Forschungsmotor bereitstellen zu können.
  • Stahlkolben unterscheiden sich hinsichtlich Design und Technologie in der Herstellung deutlich von Aluminiumkolben, denn es werden zum Teil kostspielige Schmiede- und Umformoperationen eingesetzt, so dass die Herstellung unterschiedlicher Kolben, z. B. Prototypen zu Entwicklungszwecken, ein kostspieliges Unterfangen darstellen kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Möglichkeiten anzugeben, mit denen verschiedene Kolben, beispielsweise für die Brennverfahrensentwicklung, den Motorsport oder eine Serienproduktion, schnell und kostengünstig bereitgestellt werden können.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Grundgedanke der Erfindung ist es, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einer hybriden Gestaltung zu schaffen, wobei mittels additiver Fertigungsverfahren auf einen Grundkörper eines Kolbens eine Kolbenkrone aufgebracht, z. B. aufgedruckt, wird. Der Kolbengrundkörper kann mittels herkömmlicher Verfahren oder ebenfalls mittels additiver Fertigungsverfahren hergestellt sein. Dies bietet die Möglichkeit, Kolben mit verschiedenen Kolbendesigns, insbesondere mit unterschiedlich gestalteter Kolbenkrone, schnell und kostengünstig herzustellen und bei Bedarf zu testen.
  • Separate Verbindungselemente, z. B. Schrauben, Bolzen etc., die anderenfalls bei einer separaten Fertigung von Kolbengrundkörper und Kolbenkrone zur Verbindung der beiden Teile genutzt werden müssten und Schwachstellen darstellen, können vorteilhaft entfallen. Vielmehr kann eine flächige Verbindung zwischen Kolbengrundkörper und Kolbenkrone realisiert werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor weist daher ein Bereitstellen eines Kolbengrundkörpers und ein Aufbringen einer Kolbenkrone mittels additiver Fertigungsverfahren auf den Kolbengrundkörper auf. Es können ein oder mehrere verschiedene additive Fertigungsverfahren genutzt werden. Mit anderen Worten wird der Kolbengrundkörper als Substrat für einen additiven Aufbau der Kolbenkrone verwendet.
  • Unter der Kolbenkrone ist der brennraumseitige Bereich des Kolbens zu verstehen, der sich von der brennraumseitigen Oberfläche des Kolbens (Kolbenboden) in Richtung Pleuel erstreckt. An die Kolbenkrone schließt sich, ebenfalls vom Brennraum in Richtung Pleuel betrachtet, der Kolbengrundkörper an, der z. B. eine Öffnung zum Anordnen des Kolbenbolzens, welcher der Befestigung des Pleuels dient, aufweisen kann.
  • Unter einem additiven Fertigungsverfahren, auch als generatives Fertigungsverfahren bezeichnet, ist ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts zu verstehen, wobei Material in dünnen Schichten aufgetragen und verfestigt und/oder stoffschlüssig verbunden wird. Die generative Fertigung erfolgt dabei aus formlosen (Pulver, Flüssigkeiten, o. ä.) oder formneutralen (bandförmig, drahtförmig, o. ä.) Materialien mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse. Es können unterschiedliche additive Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen, wie z. B. das selektive Laserschmelzen (SLM-Verfahren, engl. „Selective Laser Melting“), das Elektronenstrahlschmelzen (EBM-Verfahren, engl. „Electron Beam Melting“), das Laserauftragsschweißen (LMD-Verfahren, engl. „Laser Metal Deposition“) oder das Kaltgasspritzen (CS-Verfahren, engl. „Cold Spray“).
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Kolbenkrone aus einem im Vergleich zu einem Material des Kolbengrundkörpers verschiedenen Material aufgebracht werden. Beispielsweise kann der Kolbengrundkörper ein aluminiumhaltiges Material, z. B. eine Aluminiumlegierung, aufweisen. Die Kolbenkrone kann aus einem stahlhaltigen Material oder aus Stahl aufgebracht werden.
  • Unter Stahl ist dabei gemäß DIN EN 10020:2000-07 ein Werkstoff zu verstehen, dessen Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elementes, dessen Kohlenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2 % ist und der andere Elemente enthält. Beispielsweise kann ein stahlhaltiges Material oder ein Stahl mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als das aluminiumhaltige Material oder Aluminium für die Fertigung der Kolbenkrone eingesetzt werden. Aufgrund der besseren Wärmeisolation kann dadurch die Effizienz der Kraftstoffverbrennung im Verbrennungsraum verbessert werden.
  • Die Auswahl unterschiedlicher Materialien kann die Anwendung verschiedener Fertigungsverfahren ermöglichen. Der Kolbengrundkörper aus einem aluminiumhaltigen Material oder aus Aluminium kann beispielsweise mittels konventioneller Fertigungsverfahren, d. h. eines nicht-additiven Fertigungsverfahrens, z. B. mittels spanender Bearbeitung eines Gussrohlings oder als geschmiedeter Kolbengrundkörper, hergestellt sein. Hierdurch kann der Kolbengrundkörper schnell, kostengünstig und bei Bedarf in größeren Stückzahlen bereitgestellt werden. Eine Individualisierung des Kolbendesigns erfolgt anschließend durch das Aufbringen der Kolbenkrone mittels additiver Fertigungsverfahren.
  • Die Kolbenkrone kann so ausgebildet werden, dass das thermodynamische Verhalten eines einteiligen, d. h. nicht-hybriden, Kolbens imitiert werden kann. Beispielsweise können mittels eines hybriden Kolbens mit einem Kolbengrundkörper aus einem aluminiumhaltigen Material oder aus Aluminium und einer Kolbenkrone aus einem stahlhaltigen Material oder aus Stahl die thermodynamischen Eigenschaften eines einteiligen Kolbens aus stahlhaltigem Material bzw. aus Stahl imitiert werden. Die thermodynamischen Eigenschaften können auf diese Weise einfach, schnell und kostengünstig optimiert werden.
  • Zudem kann durch die Auswahl verschiedener Materialien das Gewicht des Kolbens bei gegebener geometrischer Gestaltung variiert, z. B. minimiert werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Ausbilden einer Verbindungsschicht zwischen dem Kolbengrundkörper und der Kolbenkrone aufweisen.
  • Die Verbindungsschicht kann beispielsweise eine homogene oder inhomogene Mischlegierung aufweisen oder aus einer homogenen oder inhomogenen Mischlegierung bestehen. Beispielsweise kann die Verbindungsschicht aus einer Mischung von Materialien des Kolbengrundkörpers und der Kolbenkrone hergestellt werden. Hierbei kann ein kontinuierlicher Übergang vom Grundkörpermaterial zu dem Material der Kolbenkrone realisiert werden.
  • Die Verbindungsschicht kann ein keramisches Material aufweisen. Das keramische Material kann während des Aufbringens der Kolbenkrone oder vor dem Aufbringen der Kolbenkrone gebildet werden. Beispielsweise kann das keramische Material durch Hinzufügen eines weiteren Materials während des Aufbringens der Kolbenkrone resultieren. Das keramische Material kann eine Verbesserung der Haftung zwischen Kolbengrundkörper und Kolbenkrone und damit eine Erhöhung der mechanischen Stabilität bewirken.
  • Die chemische Zusammensetzung der Verbindungsschicht kann in lateraler und/oder vertikaler Schichtausdehnung variieren.
  • Die Verbindungsschicht kann durchgehend oder lediglich stellenweise, d. h. in Form einer unterbrochenen Verbindungsschicht, an der Grenzfläche zwischen Kolbengrundkörper und Kolbenkrone ausgebildet werden. Die Verbindungsschicht kann mit gleichbleibender oder variierender Schichtdicke ausgebildet werden.
  • In Abhängigkeit der verwendeten Materialien und Fertigungsverfahren kann sich die Verbindungsschicht selbständig während des Aufbringens der Kolbenkrone ausbilden oder die Verbindungsschicht kann gezielt, z. B. als separate Zwischenschicht, aufgebracht werden.
  • Die Verbindungsschicht kann vorteilhaft eine bessere Verbindung von Kolbengrundkörper und Kolbenkrone ermöglichen, beispielsweise indem die Verbindungsschicht als Haftvermittlerschicht ausgebildet wird. Dies kann wiederum eine verbesserte Kraftübertragung vom Kolbenboden auf das Pleuel ermöglichen und die Lebensdauer des Kolbens erhöhen.
  • Die Verbindungsschicht kann beispielsweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung einer Aluminium-Stahl-Pulvermischung ausgebildet werden. Hierbei kann die Zusammensetzung der Aluminium-Stahl-Pulvermischung variiert werden, so dass sich die Zusammensetzung der Verbindungsschicht entsprechend ändert. Optional kann die Schichtdicke variiert werden. Durch Variation der genannten Parameter können die Verbindungsverhältnisse zwischen Kolbengrundkörper und Kolbenkrone optimiert werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten können in der Kolbenkrone während des Aufbringens ein Feuersteg, eine Kolbenmulde, eine Ringnut und/oder eine Ventiltasche angeordnet werden.
  • Bei einem Feuersteg handelt es sich um den Bereich des obersten Stegs, der sich von der dem Kolbengrundkörper gegenüberliegenden Oberseite der Kolbenkrone bis zur ersten Ringnut erstreckt. Unter einer Ringnut ist eine Einrichtung zur Aufnahme eines u. a. zur Abdichtung des Kolbens dienenden Kolbenrings zu verstehen. Eine Ringnut, insbesondere die erste Ringnut, kann in einem Ringträger angeordnet werden. Der Ringträger kann aus einem im Vergleich zur restlichen Kolbenkrone unterschiedlichen Material ausgebildet werden. Der Ringträger dient der Verhinderung eines Verbackens eines in der Ringnut des Ringträgers anzuordnenden Kolbenrings.
  • Unter einer Kolbenmulde ist ein vertiefter Bereich der Kolbenkrone zu verstehen. Die Kolbenmulde kann z. B. halbkugelförmig ausgebildet werden. Bei Ventiltaschen handelt es sich um Aussparungen im Bereich der Kolbenkrone, um den Einlass- und/oder Auslassventilen ausreichend Platz zur Verfügung zu stellen.
  • Die genannten Kolbenbereiche können bei der Optimierung der Kolbengeometrie variiert werden. Indem einige oder alle der genannten Kolbenbereiche mittels additiver Fertigungsverfahren ausgebildet werden, kann die Optimierung einfach, schnell und kostengünstig erfolgen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann der Kolbengrundkörper keine Kolbenmulde und/oder keine erste Ringnut aufweisen. Beispielsweise kann die erste Ringnut, von der Kolbenkrone in Richtung Pleuel betrachtet, in der Kolbenkrone angeordnet werden, so dass der Kolbengrundkörper lediglich eine zweite und eine dritte Ringnut aufweist. Ebenfalls kann die Kolbenmulde in der Kolbenkrone angeordnet sein.
  • Da Kolbenkrone und erste Ringnut Optimierungsmöglichkeiten bei der Variation der Kolbengeometrie darstellen können, vereinfacht deren Anordnung außerhalb des Kolbengrundkörpers, also z. B. im Bereich der Kolbenkrone, ihre geometrische Variation, insbesondere falls der Kolbengrundkörper mittels herkömmlicher Fertigungsverfahren hergestellt ist.
  • Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Anordnen von Kolbenkühlkanälen im Kolbengrundkörper und/oder in der Kolbenkrone aufweisen.
  • Mit anderen Worten kann ein Kühlkanal vollständig im Bereich des Kolbengrundkörpers, vollständig im Bereich der Kolbenkrone oder teilweise im Bereich des Kolbengrundkörpers und teilweise im Bereich der Kolbenkrone angeordnet werden. Bei der zuletzt genannten Variante kann der Kühlkanal außerdem - sofern vorhanden - im Bereich der Verbindungsschicht angeordnet werden.
  • Die Trennungslinie zwischen Kolbengrundkörper und Kolbenkrone auf Höhe des Kühlkanals kann ausführungsbedingt in mehreren Varianten umgesetzt werden, welche sich abhängig von Größe und Lage des Kühlkanals in Verbindung mit der Höhe der aufgedruckten Kolbenkrone ergeben können. Somit kann entschieden werden, ob der Kühlkanal im Kolbengrundkörper, in der Kolbenkrone oder in beiden Bereichen ausgebildet ist.
  • Es können ein oder mehrere Kühlkanäle angeordnet werden. Die Kühlkanäle dienen der Kühlung des Kolbens und können beispielsweise dazu ausgebildet werden, von einem Öl als Kühlflüssigkeit durchströmt zu werden. Die Kühlkanäle können beispielsweise ringförmig und im Wesentlichen parallel zu einer Außenwandung des Kolbens angeordnet werden.
  • Ein erfindungsgemäßer Kolben ist mittels eines der zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt. Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Kolbens. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kolbens entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen Ausführungsvarianten.
  • Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor weist einen erfindungsgemäßen Kolben auf.
  • Unter einem Verbrennungsmotor, teilweise auch als Brennkraftmaschine bezeichnet, ist eine Verbrennungskraftmaschine zur Umwandlung von im Kraftstoff enthaltener chemischer Energie in mechanische Arbeit zu verstehen. Der Verbrennungsmotor kann beispielsweise als selbstzündender oder fremdgezündeter Verbrennungsmotor ausgebildet sein. Als Kraftstoff kann beispielsweise Motorbenzin oder Diesel genutzt werden. Der Verbrennungsmotor kann in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine Prinzipskizze eines beispielhaften Kolbens;
    • 2 eine schematische Darstellung eines Kolbens in einer beispielhaften Ausgestaltung;
    • 3 eine schematische Darstellung eines Kolbens in einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung.
  • In der 1 ist eine Prinzipskizze eines Kolbens 1 dargestellt. Der Kolben 1 kann beispielsweise in einem Verbrennungsmotor zu Testzwecken oder in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs genutzt werden.
  • Der Kolben 1 weist einen gegossenen Kolbengrundkörper 2 aus einer Aluminiumlegierung auf. Alternativ kann der Kolbengrundkörper 2 geschmiedet oder mittels eines additiven Fertigungsverfahrens 3D-gedruckt sein. Der Kolbengrundkörper 2 weist eine zweite und eine dritte Ringnut 7b, 7c auf, die in die Oberfläche des Kolbengrundkörpers 2 eingearbeitet sind. Der Kolbengrundkörper 2 weist hingegen weder die Kolbenmulde 6 noch die erste Ringnut 7a auf.
  • Auf dem Kolbengrundkörper 2 ist eine Verbindungsschicht 4 aus einer aus einer Aluminium-Stahl-Pulvermischung hergestellten Legierung angeordnet, die sich flächig mit annähernd homogener Schichtdicke über den Kolbengrundkörper 2 erstreckt. Optional kann die Schichtdicke und/oder die chemische Zusammensetzung der Verbindungsschicht 4 variieren.
  • Auf der Verbindungsschicht 4 ist die Kolbenkrone 3 aus Stahl angeordnet, die mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, z.B. mittels 3D-Druck, aufgebracht wurde. Mit anderen Worten sind die Kolbenkrone 3 und der Kolbengrundkörper 2 über die Verbindungsschicht 4 miteinander verbunden. Die Kolbenkrone 3 weist eine Kolbenmulde 6 auf, einen Feuersteg 5, eine erste Ringnut 7a und Ventiltaschen 8 auf. Optional kann die erste Ringnut 7a in einem Ringträger angeordnet sein oder werden.
  • Weiterhin weist der Kolben 1 einen Kolbenkühlkanal 9 auf, der ringförmig mit im Wesentlichen ovalen Querschnitt ausgebildet ist und teilweise im Kolbengrundkörper 2 und teilweise in der Kolbenkrone 3 angeordnet ist und die Verbindungsschicht 4 durchbricht.
  • In einer in 2 dargestellten Ausführungsvariante ist der Kolbenkühlkanal 9 im Vergleich zur Prinzipskizze gemäß 1 vollständig im Kolbengrundkörper 2 angeordnet. Im Übrigen wird auf die Ausführungen zu 1 verwiesen.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante, bei der der Kolbenkühlkanal 9 vollständig in der Kolbenkrone 3 angeordnet ist. Je nach Positionierung des Kolbenkühlkanals 9 sind der Kolbengrundkörper 2 und die Kolbenkrone 3 im aneinandergrenzenden Bereich unterschiedlich geometrisch ausgestaltet, wie ein Vergleich der 2 bis 4 zeigt.
  • Die Herstellung des jeweiligen Kolben 1 erfolgt, indem zunächst der Kolbengrundkörper 2 bereitgestellt wird. Auf dem Kolbengrundkörper wird anschließend die Verbindungsschicht 4 ausgebildet und auf die Verbindungsschicht 4 wird die Kolbenkrone 3 mittels eines additiven Fertigungsverfahrens aufgebracht, so dass ein Kolben 1 mit hybrider Bauweise entsteht.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kolben
    2
    Kolbengrundkörper
    3
    Kolbenkrone
    4
    Verbindungsschicht
    5
    Feuersteg
    6
    Kolbenmulde
    7a, 7b, 7c
    erste, zweite, dritte Ringnut
    8
    Ventiltasche
    9
    Kolbenkühlkanal
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • DIN EN 10020:2000-07 [0014]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor, aufweisend: - Bereitstellen eines Kolbengrundkörpers (2) und - Aufbringen einer Kolbenkrone (3) mittels additiver Fertigungsverfahren auf den Kolbengrundkörper (2).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kolbenkrone (3) aus einem im Vergleich zu einem Material des Kolbengrundkörpers (2) verschiedenen Material aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Kolbengrundkörper (2) ein aluminiumhaltiges Material aufweist und/oder wobei die Kolbenkrone (3) aus einem stahlhaltigen Material oder aus Stahl aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: - Ausbilden einer Verbindungsschicht (4) zwischen dem Kolbengrundkörper (2) und der Kolbenkrone (3).
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Verbindungsschicht (4) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens unter Verwendung einer Aluminium-Stahl-Pulvermischung ausgebildet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Verbindungsschicht (4) mit einer variierenden chemischen Zusammensetzung und/oder Dicke ausgebildet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei eine ein keramisches Material aufweisende Verbindungsschicht (4) ausgebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in der Kolbenkrone (3) während des Aufbringens ein Feuersteg (5), eine Kolbenmulde (6), eine Ringnut (7a, 7b, 7c) und/oder eine Ventiltasche (8) angeordnet werden.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kolbengrundkörper (2) keine Kolbenmulde (6) und/oder keine erste Ringnut (7a) aufweist.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: - Anordnen von Kolbenkühlkanälen (9) im Kolbengrundkörper (2) und/oder in der Kolbenkrone (3).
  11. Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  12. Verbrennungsmotor mit einem Kolben (1) nach Anspruch 11.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113798419A (zh) * 2020-06-17 2021-12-17 马勒国际有限公司 制造活塞的方法

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