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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit verbesserter Kühlung des Kolbenbodens sowie ein Herstellungsverfahren eines solchen.
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Kolben in Verbrennungsmotoren, vor allem deren Kolbenböden, sind hohen thermischen Belastungen ausgesetzt und müssen gekühlt werden, unter anderem auch um die Emissionswerte des Motors zu verbessern. Zur Kühlung des Kolbenbodens können Kolben einen ringförmigen Kühlkanal aufweisen, welcher ein Kühlmedium enthält und insbesondere den äußeren Bereich des Kolbenbodens kühlt.
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Zur Kühlung des inneren Bereichs des Kolbenbodens können Kolben zudem Kühlbohrungen ausweisen, die sich von einem Bereich unterhalb der Mitte des Kolbenbodens in Richtung des Kolbenschafts erstrecken und ebenfalls mit einem Kühlmedium gefüllt sind. Damit das Kühlmedium nicht austreten kann, werden die Kühlbohrungen bisher aufwändig verschweißt, was zusätzliche Kosten bei der Herstellung verursacht.
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Daher wird nach einer Möglichkeit gesucht, die Kühlbohrungen auf effiziente sowie zuverlässige Weise zu verschließen.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2011 111319 A1 ist ein Kolben bekannt, der einen mit Kühl-Öl versorgten ringförmigen Kühlkanal sowie einen mit einem metallischen Kühlmedium befüllten allseitig abgeschlossenen Hohlraum unterhalb des Kolbenbodens aufweist.
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Ein Kolben mit einem ringförmigen Kühlkanal sowie Bohrungen zur Kühlung des inneren Kolbenbodens, in denen mit Kühlmedium befüllte Behältnisse aufgenommen sind, ist aus der
DE 10 2016 116984 A1 bekannt.
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Aus der
DE 34 44 661 A1 ist zudem ein Kolben bekannt, in dem sich die Kühlbohrungen zur Kühlung des inneren Kolbenbodens von einem ringförmigen Kühlkanal aus zu einer zentralen Kammer bzw. Öffnung unterhalb des Muldendoms erstrecken, wo sie jeweils am Ende miteinander verbunden sind. Ein ähnlicher Kolben ist auch aus der
GB 85 18 13 A bekannt.
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Die Kühlbohrungen werden in der Regel aufwändig von außen durch die Schaftwand gebohrt und danach mit einer geometrisch festgegebenen Senkung versehen. Anschließend werden die so erzeugten Bohrungen mit einem Kühlmedium wie z.B. Natrium befüllt und per CMT-Schweißverfahren dauerhaft verschlossen.
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Nachteilig dabei ist unter anderem, dass zum Verschließen der Kühlbohrungen ein eigenes Schweißverfahren angewendet werden muss und dass sich aufgrund der Materialeigenschaften des Kolbenwerkstoffs sowie aufgrund der verfahrensspezifischen Eigenschaften des genannten Schweißerfahrens Schweißfehler in der Verbindungszone nicht vollständig ausschließen lassen.
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Aus der
DE 10 2016 201617 A1 und aus der
DE 10 2016 201621 A1 sind Kolben mit Kühlkanälen bekannt, die von einer zentralen Kammer unterhalb des Kolbenbodens ausgehen und auf relativ einfache Weise hergestellt, befüllt und verschlossen werden können. Zum Verschließen der Kühlkanäle ist jedoch ein separates Verschlusselement erforderlich, was zusätzliche Kosten und Komplexität bei der Kolbenherstellung verursacht.
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Darstellung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen effizient und zuverlässig herstellbaren Kolben mit verbesserten Kühleigenschaften sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens bereitzustellen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den in Anspruch 1 beschrieben Kolben sowie das in Anspruch 11 beschriebene Herstellungsverfahren. Bevorzugte Modifikationen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß handelt es sich um einen zweiteiligen geschweißten Kolben für einen Verbrennungsmotor, welcher ein Kolbenoberteil, das den Kolbenboden beinhaltet, und ein Kolbenunterteil, das den Kolbenschaft beinhaltet, umfasst, wobei das Kolbenunterteil zumindest einen Kühlkanal aufweist, der ein Kühlmittel enthält und sich im Wesentlichen von der Mitte der dem Kolbenoberteil zugewandten Seite des Kolbenunterteils in Richtung des Kolbenschafts erstreckt, und das Kolbenoberteil mit dem Kolbenunterteil verschweißt ist und somit den Kühlkanal im Kolbenunterteil nach außen hin verschließt, ohne dass dafür ein separates Verschlusselement erforderlich ist.
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Der erfindungsgemäße Kolben erlaubt es, den zur Verbindung des Kolbenoberteils und des Kolbenunterteils verwendeten HIW-Schweißprozess auch zur Deckelung der Kühlkanäle zu verwenden. Da dadurch beide Arbeitsschritte gleichzeitig und mit demselben Schweißverfahren erfolgen, können sowohl die Kosten als auch die Fehler bei der Herstellung des Kolbens reduziert werden. Zudem können die Kühlkanäle auf einfache Weise von oben gebohrt sowie mit Kühlmittel befüllt werden, indem vorher eine entsprechende Senkung in die Kontaktfläche des Kolbenunterteils eingebracht wird. Im Kolbenoberteil sind dafür keine weiteren Bearbeitungsschritte erforderlich.
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Zudem ergeben sich weitere Vorteile. So ist zum Verschließen der Kühlkanäle weder ein zusätzliches Verschlusselement, noch eine zusätzliche Schweißvorrichtung, noch eine spezielle Senkungsgeometrie erforderlich, so dass die Herstell- und Werkzeugkosten weiter reduziert werden können, und die Abhängigkeit von Schmiedetoleranzen wird reduziert, was zu einer höheren Genauigkeit, besseren Qualität und geringeren Ausschussrate führt. Im Gegensatz zum CMT-Schweißverfahren erfordert das HIW-Schweißverfahren zudem keinen Zusatzwerkstoff, kein Schutzgas sowie keine thermische Vor- oder Nach-Behandlung und erreicht dabei eine deutlich bessere Schweißqualität.
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Der zumindest eine Kühlkanal ist dabei vorzugsweise eine Sackbohrung, die sich im Wesentlichen in Richtung eines Bereichs zwischen Kolbenbolzennabe und Schaftwand erstreckt, wobei der Abstand zwischen dem Kühlkanal und dem Rand der Kolbenbolzennabe vorzugsweise kleiner als 10mm, besonders bevorzugt kleiner als 5mm ist.
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Ein solcher Verlauf des Kühlkanals ist einerseits relativ einfach und effizient herstellbar, andererseits wird dadurch eine effektive Kühlung gewährleistet, da die entstehende Wärme somit besonders gut über die Kolbenbolzennaben in das Antriebsgestänge abführbar ist.
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Dabei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der zumindest eine Kühlkanal einen Winkel zwischen 40° und 80° zur Kolbenachse aufweist.
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Ein Kühlkanal mit einem solchen Verlauf ist besonders geeignet, die Wärme vom Kolbenboden effektiv in Richtung des Kolbenschafts und der Kolbenbolzennaben abzuführen, und kann gleichzeitig auf relativ einfache Weise gebohrt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil ein (erster) ringförmiger Kühlkanal vorgesehen.
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Während der Kühlkanal, der sich von der Mitte der dem Kolbenoberteil zugewandten Seite des Kolbenunterteils in Richtung des Kolbenschafts erstreckt, den inneren Teil des Kolbenboden kühlt, trägt der ringförmige Kühlkanal dazu bei den äußeren Teil des Kolbenboden zu kühlen, so dass eine stärkere und gleichmäßigere Kühlung realisiert werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil zudem ein weiterer (zweiter) ringförmiger Kühlkanal vorgesehen.
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Ein zweiter ringförmiger Kühlkanal trägt weiter dazu bei eine stärkere und gleichmäßige Wärmeabfuhr vom Kolbenbodens zu gewährleisten.
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Vorzugsweise ist der zumindest eine Kühlkanal dabei nicht mit dem ersten und/oder zweiten ringförmigen Kühlkanal verbunden.
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Eine Trennung der Kühlkanäle ermöglicht es unterschiedliche Kühlmittel zu verwenden. So kann beispielsweise im geraden Kühlkanal ein natriumbasiertes Kühlmittel verwendet werden, während im ringförmigen Kühlkanal ein ölbasiertes Kühlmittel verwendet werden kann.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Kolbenunterteil mehrere, vorzugsweise vier Kühlkanäle aufweist.
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Die Verwendung mehrerer Kühlkanäle erhöht nicht nur die Wärmeabfuhr, sondern ermöglicht auch eine gleichmäßigere Kühlung, insbesondere wenn die vorzugsweise vier Kühlkanäle symmetrisch um die Kolbenachse angeordnet sind.
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Zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil ist dabei vorzugsweise eine zentrale Kammer vorgesehen, die durch eine Vertiefung im Kolbenoberteil und/oder im Kolbenunterteil gebildet wird und die einzelnen Kühlkanäle miteinander verbindet.
Eine mit Kühlmittel befüllte Kammer unter dem Kolbenboden verbessert einerseits dessen Kühlung, andererseits wird durch die Verbindung der einzelnen Kühlkanäle untereinander ein Kühlmittel-Austausch und somit ein Wärmeaustausch zwischen den einzelnen Kühlkanälen ermöglicht, wodurch eine gleichmäßigere Kühlung erreicht werden kann. Zudem kann die Kammer auf relativ einfache Weise durch Bohren einer Senkung im Kolbenunterteil gebildet werden, wodurch außerdem das anschließende Bohren der schräg verlaufenden Kühlkanäle erleichtert wird.
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Vorzugsweise ist der zumindest eine Kühlkanal des erfindungsgemäßen Kolbens dabei mit Natrium oder einer Natriumlegierung gefüllt.
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Natrium oder Natriumlegierungen zeichnen sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus und eignen sich daher besonders gut als Kühlmittel in abgeschlossenen Kühlkanälen.
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Der erfindungsgemäße Kolben ist dabei vorzugsweise ein Stahlkolben, der insbesondere aus einem Vergütungsstahl wie z.B. 42CrMo4 besteht.
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Die erfindungsgemäßen Merkmale sind für Stahlkolben besonders vorteilhaft, insbesondere wenn sie aus einem Vergütungsstahl bestehen, weil CMT-Schweißverfahren aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts des Kolbenwerkstoffs besonders aufwändig und fehleranfällig sind. Zudem haben Stahlkolben eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit, so dass deren Kühlung in der Regel durch zusätzliche Kühlkanäle verbessert werden muss.
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Erfindungsgemäß handelt es sich zudem um ein Verfahren zur Herstellung eines zweiteiligen geschweißten Kolbens umfassend die Herstellung eines Kolbenoberteils, die Herstellung eines Kolbenunterteils mit zumindest einem Kühlkanal, welcher sich im Wesentlichen von der Mitte der dem Kolbenoberteil zugewandten Seite des Kolbenunterteils in Richtung des Kolbenschafts erstreckt, die Befüllung des zumindest einen Kühlkanals mit einem Kühlmittel, sowie das Verschweißen des Kolbenoberteils mit dem Kolbenunterteil derart, dass das Kolbenoberteil den zumindest einen Kühlkanal im Kolbenunterteil verschließt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich ist, um die mit Kühlmittel befüllten Kühlkanäle zu verschließen und dass die Qualität der Schweißstellen deutlich verbessert werden kann. Somit können sowohl die Kosten aus auch die Ausschussrate in der Herstellung des Kolbens reduziert werden.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Verschweißen des Kolbenoberteils mit dem Kolbenunterteil induktiv erfolgt. Induktive HIW-Schweißverfahren haben sich als besonders geeignet herausgestellt, um die Oberteile und Unterteile von zweiteiligen Stahlkolben miteinander zu verbinden, da der Schweißprozess gut beherrschbar ist und stets hochwertige Schweißergebnisse liefert, selbst bei Werkstoffen mit hohem Kohlenstoffgehalt wie Vergütungsstählen, die mit herkömmlichen Schweißverfahren in der Regel nur mit hohem Aufwand und/oder hoher Fehleranfälligkeit schweißbar sind. Zudem kann so ein Kontakt zwischen einem flüssigen Schweißmittel und dem in den Kühlkanälen befindlichen Kühlmittel vermieden werden.
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Der zumindest eine Kühlkanal wird dabei bevorzugt als Bohrung in das Kolbenunterteil eingebracht. Durch das nachträgliche Bohren kann ein aufwändiges Vorsehen der Kühlkanäle in der Gussform vermieden werden, wodurch die Herstellungskosten des Kolbens reduziert werden können.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn vor dem Bohren des zumindest einen Kühlkanals eine Vertiefung in Form einer Senkung in das Kolbenunterteil eingebracht wird. Dies ermöglicht nicht nur die Bereitstellung einer Kammer unter dem Kolbenboden, sondern erleichtert auch das schräge Bohren der Kühlkanäle.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine orthogonale Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens.
- 2 eine perspektivische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbenunterteils.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der beigefügten Figuren werden bevorzugte Ausführungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Auch wenn die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen rein beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen sind, können Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen auch zur weiteren Charakterisierung der in den Ansprüchen genannten Vorrichtung und/oder des Verfahrens herangezogen werden.
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Zudem können einzelne, in verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale auch in einer einzigen Ausführungsform umgesetzt werden, sofern sie nicht strukturell inkompatibel sind. Gleichermaßen können verschiedene Merkmale, die im Rahmen einer einzelnen Ausführungsform beschrieben sind, auch in unterschiedlichen Ausführungsformen einzeln oder in jeder geeigneten Unterkombination vorgesehen sein.
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Dabei benennen gleiche Bezugszeichen, die in verschiedenen Figuren aufgeführt sind, identische, einander entsprechende, oder funktionell ähnliche Elemente.
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1 zeigt eine orthogonale Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Dieser besteht aus einem Kolbenoberteil 12, das den Kolbenboden 14 umfasst, und aus einem Kolbenunterteil 16, das den Kolbenschaft 18 mit der Kolbenbolzennabe 28 umfasst. Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 16 sind im zusammengesetzten Kolben 10 an ihren jeweiligen Kontaktflächen miteinander verschweißt.
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Im Kolbenunterteil 16 befinden sich Kühlkanäle 20, die als gerade Sackbohrungen ausgeführt sind und sich sternförmig von der Mitte der dem Kolbenoberteil 12 zugewandten Seite des Kolbenunterteils 16 in Richtung des Kolbenschafts 18 erstrecken und dabei einen Winkel ϕ von etwa 60° zur Kolbenachse aufweisen. Dabei ist zu beachten, dass die in 1 gezeigten Kühlkanäle 20 nicht in der Schnittebene liegen, sondern im Verhältnis dazu schräg nach hinten verlaufen, so dass der dargestellte Winkel ϕ nicht in der Zeichnungsebene liegt. In den Kühlkanälen 20 befindet sich dabei ein Kühlmittel wie Natrium oder eine Natriumlegierung.
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Die gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 10 umfasst weiterhin zwei mit Kühlmittel befüllte ringförmige Kühlkanäle 22, 24 sowie eine zentrale Kammer 26, die jeweils von entsprechenden Vertiefungen in den Kontaktflächen des Kolbenoberteils 12 und/oder des Kolbenunterteils 16 gebildet werden und im zusammengesetzten Kolben 10 jeweils konzentrisch angeordnete abgeschlossene Hohlräume bilden. Im Gegensatz zum ersten ringförmigen Kühlkanal 22 weist der zweite ringförmige Kühlkanal 24 dabei einen größeren Querschnitt auf und verläuft weiter innen sowie näher am Kolbenboden 14. Die zentrale Kammer 26, die vorzugsweise durch zumindest eine kegelförmige Vertiefung im Kolbenunterteil 16 gebildet wird, verbindet zudem die Enden der einzelnen Kühlkanäle 20 miteinander, so dass ein entsprechender Kühlmittelaustausch stattfinden kann.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, dass der in 1 gezeigte Kolben 10 lediglich aus einem Kolbenoberteil 12 und einem Kolbenunterteil 16 zusammengesetzt ist und insbesondere keine zusätzlichen Elemente zum Verschließen der Kühlkanäle 20 aufweist.
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2 zeigt eine perspektivische Schnittansicht des Kolbenunterteils 16 entlang des Verlaufs zweier gegenüberliegender Kühlkanäle 20. Die insgesamt vier Kühlkanäle 20 sind dabei so angeordnet, dass sie von der kegelförmigen Vertiefung der zentralen Kammer 26 auf der Oberseite, das heißt der dem Kolbenoberteil 12 zugewandten Seite, des Kolbenunterteils 16 in einen Bereich zwischen der Kolbenbolzennabe 28 und der Schaftwand verlaufen, wobei der Abstand zwischen den jeweiligen Kühlkanälen 20 und den Rändern der Kolbenbolzennabe 28 möglichst gering ist, um eine gute Wärmeübertragung auf den Kolbenbolzen zu erzielen. Von oben gesehen, das heißt entlang der Kolbenachse betrachtet, sind die vier Kühlkanäle 20 jeweils recht-winklig, das heißt symmetrisch um die Kolbenachse angeordnet, so dass eine möglichst gleichmäßige Kühlung des Kolbenbodens 14 gewährleistet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kolben
- 12
- Kolbenoberteil
- 14
- Kolbenboden
- 16
- Kolbenunterteil
- 18
- Kolbenschaft
- 20
- Kühlkanal
- 22
- erster ringförmiger Kühlkanal
- 24
- zweiter ringförmiger Kühlkanal
- 26
- zentrale Kammer
- 28
- Kolbenbolzennabe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011111319 A1 [0005]
- DE 102016116984 A1 [0006]
- DE 3444661 A1 [0007]
- GB 851813 A [0007]
- DE 102016201617 A1 [0010]
- DE 102016201621 A1 [0010]
