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Die
Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Aus
der
DE 44 46 726 A1 ist
ein einteiliger Kühlkanalkolben
bekannt. Dieser Kühlkanalkolben gliedert
sich in ein Kolbenoberteil mit einem Ringfeld und dahinter liegendem
Kühlkanal
einerseits und einem Kolbenunterteil, aufweisend einen Kolbenschaft sowie
Bolzennaben und Bolzenbohrung andererseits auf. Zwischen diesen
beiden Teilen ist eine ringförmige
Ausnehmung vorhanden, deren Höhe
mindestens der Höhe
des im Kolbenoberteil einzubringenden Kühlkanales entspricht. Aufgrund
dieser Mindesthöhe
der ringförmigen
Ausnehmung weist dieser Kühlkanalkolben
eine größere Bauhöhe auf.
Würde man die
Höhe der
ringförmigen
Ausnehmung reduzieren, wäre
zwar auch die Bauhöhe
reduziert, gleichzeitig ergäbe
sich aber auch eine zu niedrige Bauhöhe des Kühlkanales, so daß die gewünschte Kühlleistung nicht
mehr erbracht werden kann. Würde
man aus Festigkeitsgründen
das Kolbenoberteil, bzw. das Kolbenunterteil verlängern, würde zwar
die gewünschte Festigkeit
erhöht,
jedoch die Bauhöhe über das
gewünschte
Maß hinaus
vergrößert, womit
auch eine Erhöhung
des Kolbengewichtes einhergeht.
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Aus
der Gattungsbildenden
DE
70 23 170 U ist ein mehrteiliger Kolben für Brennkraftmaschinen mit
einem einen Kühlraum
aufweisen den Kopfteil und hiermit verbundenem Schaftteil bekannt,
bei dem die Abgrenzung des Kühlraumes
gegenüber dem
Schaft durch ein zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbenschaft eingelegtes
Blech gebildet ist. Durch dieses Blech wird zwar der Kühlkanal
in erforderlicher Weise verschlossen. Jedoch ist die Herstellung
eines solchen Bleches und damit verbunden auch die Anpassungen der
Konturen des Kolbenkopfes und des Kolben schaftes aufwendig. Außerdem ist es
bei dem Ausführungsbeispiel
des mehrteiligen Kolbens gemäß der
DE 70 23 170 U nicht
möglich, den
Fügebereich
zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil von allen Seiten
zu erreichen, um eine ausreichend feste Fügeverbindung herzustellen.
Aufgrund des zwischengelegten Bleches ist es nicht mehr möglich, den
Fügebereich
von innen, d. h. aus dem Bereich des Kühlraumes zu erreichen, so daß die Fügeverbindung
zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil nur von außen zugänglich ist.
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Bei
Pendelschaftkolben wird wie in der
DE 41 34 529 C2 beschrieben derart vorgegangen,
daß zunächst ein
Kolbenoberteil mit dem radial umlaufenden Kühlkanal durch spanabhebende
Bearbeitung versehen wird. Dabei erhält das Kolbenoberteil einen umlaufenden
Steg, der in Richtung eines zweiten Werkstückes gerichtet ist, wobei dieses
zweite Werkstück
einen ebenfalls umlaufenden Steg erhält, der mit dem Steg des Kolbenoberteiles
korrespondiert. Danach wird der nach unten offene Kühlkanal
mit einer Abdeckplatte abgedeckt und das Kolbenoberteil und das
Kolbenunterteil durch eine Schweißverbindung zusammengefügt, wobei
gleichzeitig durch diesen Schweißvorgang die innere Kante der
Abdeckplatte integral mit dem Kolbenkopf festgelegt wird. Bei dieser
Konstruktion eines Kolbenkopfes eines Pendelschaftkolbens ist zwar
der Fügebereich
von beiden Seiten zugängig,
wobei jedoch die Herstellung schwierig ist, da die Abdeckung genau
an den randseitigen umlaufenden Nuten anliegen und dann verschweißt werden
muß. Beim
Verschweißen
ergibt sich darüber
hinaus noch das Problem, daß die
umlaufenden Stege des ersten bzw. zweiten Werkstückes eine wesentlich größere Materialstärke aufweisen
als die plattenförmige
Abdeckung, so daß diese schmilzt
und Löcher
bekommen kann, wenn ausreichend Energie zugeführt wird, um die umlaufenden Stege
der beiden Werkstücke
miteinander zu verbinden, oder, wenn nur so viel Energie zugeführt wird, daß die Abdeckung
nicht schmilzt und keine Löcher bekommt,
die Fügeverbindung
zwischen dem ersten und zweiten Werkstück nicht ausreichend ist.
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Aus
der
DE 41 24 634 A1 ist
noch ein mehrteiliger, gekühlter
Kolben für
Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem der im Kopfteil vorgesehene
ringförmige
Hohlraum für
das Kühlöl nach unten
durch einen Blechring abgeschlossen wird, der durch zwei von der
Stirn-Ring-Fläche
hervorragende Kragen in seiner Lage fixiert wird, wobei der radial äußere Kragen
in einem Winkel von ca. 30 Grad um den äußeren Rand des Blechringes
gebördelt
ist. Hierbei ist es jedoch problematisch, zur Halterung des Blechringes die
beiden Kragen herzustellen, wodurch der Kolben kostenintensiv ist.
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Aus
der
DE 42 21 240 C2 ist
ein gekühlter zweiteiliger
Kolben für
Verbrennungsmotoren bekannt, der aus einem Kolbenoberteil und einem
Kolbenunterteil besteht, die nur über einen sie in Bohrungen
durchdringenden Kolbenbolzen in Verbindung stehen, wobei das Kolbenoberteil
einen mit einer Brennraummulde versehenen Kolbenboden mit daran
angehängten
Kolbenbolzennaben und einen mit Ringnuten für die Kolbenringe versehenen,
an den Kolbenboden angrenzenden Ringstegbereich umfaßt, zwischen
dem und dem Kolbenboden eine ringförmige Ausnehmung einen nach
unten offenen Kühlkanal
bildet und das Kolbenunterteil den zur Führung des Kolbens im Zylinder
dienenden Kolbenschaft enthält,
der an seinem oberen Ende eine dem offenen Kühlkanal des Kolbenoberteils
zugewandte offene ringförmige
Ausnehmung für
das Kühlöl aufweist,
wobei zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil eine als Ölsperre
wirkende elastische Dichtung vorgesehen ist und schließlich zur
Aufnahme der Dichtung am oberen Ende des Kolbenunterteils eine stufenförmige Ausnehmung
vorgesehen ist.
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Aus
der
DE 947 840 C ist
ein für
Brennkraftmaschinen hoher spezifischer Leistung bestimmter mehrteiliger
Kolben mit einem plattenartigen, druckölgekühlten, Kolbenringe tragenden
Kopfteil bekannt, der vom Zylinderkopf her und in Richtung des Zylinderkopfes
lösbar
am Kolbenhauptkörper
befestigt ist, wobei weiterhin vorgesehen ist, das der genannte
Kopfteil vorzugsweise durch Warmverschrumpfung aus einem Mittelteil
und aus einem Kolbenringe tragenden Außenring zusammengefügt ist, wobei
der Außenring
so schmal gehalten ist, das sein Innendurchmesser nur wenig kleiner
als der innere Durchmesser der Kolbenringnuten, wobei weiterhin der
Außenring
mit einem noch oberhalb der obersten Kolbenringnut angeordneten,
ringförmigen
Kühlkanal ausgestattet
ist, dessen Außendurchmesser
größer ist
als der Innendurchmesser der Kolbenringnuten und schließlich der
Mittelteil und ggf. auch der Außenring
auf dem Kolbenhauptkörper
aufliegen.
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Aus
der
EP 0 412 660 A1 ist
ebenfalls ein mehrteiliger Kühlkanalkolben
mit in einem Kolbenoberteil angeordneten Kühlkanal bekannt, wobei das Kolbenoberteil
mit einem Kolbenunterteil zusammenfügbar ist, wobei das Kolbenunterteil
zumindest einen Kolbenschaft sowie Bolzenbohrungen aufweisende Kolbennaben
aufweist, und der Kühlkanal
im Zusammenspiel von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil gebildet
wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen einteiligen Kühlkanalkolben
für eine Brennkraftmaschine
bereit zu stellen, mit dem die Eingangs geschilderten Nachteile
vermieden werden.
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Diese
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
daß eine untere
Kühlkanalbegrenzung
zum Teil von dem Kolbenunterteil und dem Ring gebildet wird, wobei
der Ring vor dem Zusammenfügen
des Kolbenoberteile und des Kolbenunterteiles auf das Kolbenunterteil aufgesteckt
und erst nach dem Zusammenfügen
positioniert und befestigt wird. Dies hat bei der Herstellung eines
einteiligen Kühlkanalkolbens
den entscheidenden Vorteil, daß beide
Teile des Kolbens getrennt voneinander hergestellt werden können, wobei in
ausreichender Höhe
bzw. in ausreichend großem Querschnitt
der Kühlkanal
vorher in das Kolbenoberteil eingebracht werden kann. Gleichzeitig
bildet ein Teil des Kolbenunterteiles die untere Kühlraumbegrenzung,
nachdem diese beiden Teile zusammengefügt worden sind, so daß nach dem
Zusammenfügen
nur noch eine schmale, radial umlaufende Öffnung (Spalt) zwischen dem
Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil verbleibt. Diese nach dem
Zusammenfügen
verbliebene Öffnung
wird durch einen Ring verschlossen, wobei dieser Ring vor dem Zusammenfügen zwischen
die beiden Teile gebracht wird, da dies nach dem Zusammenfügen nicht
mehr möglich
ist.
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Um
den Kühlkanal
zu schließen,
wird vor dem Zusammenschweißen
von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil ein Ring über die untere Kühlraumbegrenzung
am Kolbenunterteil geschoben. Das Kolbenoberteil hat auf der Unterseite
eine umlaufende Nut, die nach dem Positionieren und Befestigen des Ringes,
zusammen mit dem Ring eine Labyrinth-Dichtung bildet und dadurch
Kühlölverlust
verhindert.
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Ein
wesentlicher Vorteil des Verbleiben eines Spaltes nach dem Zusammenfügen von
Kolbenoberteil und Kolbenunterteil und anschließendem Verschließen des Spaltes
mit dem Ring besteht darin, daß der
Fügebereich,
in dem das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil zusammengefügt werden,
nach dem Verbinden des Schweißens
vom sowohl Außen- als
auch Innenbereich des Kolbens zugänglich ist, um die Schweißnaht von
außen
und innen zu bearbeiten, damit erforderliche Dauerfestigkeit gewährleistet
wird.
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Der
deutliche höhere
Kühlkanal
(Shakerraum), der aufgrund der ringförmigen Ausnehmung erzielt wird,
und die Labyrinthdichtung haben zur Folge, daß eine optimale Kühlwirkung
durch den geschlossenen Kühlkanal
entsteht und dadurch der Kolben einer deutlich höheren thermischen Belastung
stand hält.
Ebenso ist der innere Kühlraum (Kühlkanal)
bis auf die Öffnung
für den
Abfluß des Kühlöles weitestgehend
geschlossen und wird durch Übertrittbohrungen
vom äußeren Kühlkanal
zum inneren Kühlraum
(Innenbereich des Kolbens) mit Kühlöl versorgt.
Dadurch ist auch in diesem Bereich eine optimale Kühlung durch
eine effektive Shakerwirkung gewährleistet.
Das bohrungsgekühlte
Kolbenoberteil vergrößert zum
einen die wärmeabführende Oberfläche und
erhöht
gleichzeitig durch die hohe Steifigkeit die mechanische Belastbarkeit,
insbesondere für
Zünddrücke, die
größer als
200 bar sind.
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Ein
Ausführungsbeispiel
auf das die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist anhand eines Kühlkanalkolbens
in den beiden 1 und 2 gezeigt
und im Folgenden beschrieben:
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1 zeigt
einen nach dem Zusammenbau einteiligen Kühlkanalkolben 1 im
Schnitt durch eine Achse, die quer ausgerichtet ist zur Bolzenachse
des Kühlkanalkolbens 1.
Der Kühlkanalkolben 1 gliedert sich
in voneinander getrennt herzustellende Teile, nämlich ein Kolbenoberteil 2 und
ein Kolbenunterteil 3. Diese beiden Teile bestehen bspw.
aus einem Vergütungsstahl,
und werden getrennt voneinander geschmiedet und vorbearbeitet. So
wird bspw. im Kolbenoberteil 2 ein Ringfeld 4 vorgesehen
und ebenso durch spanabhebende Bearbeitung ein radial umlaufender
Kühlkanal 5 eingebracht.
Nach Einbringung des Kühlkanales 5 in
das Kolbenoberteil 2 ist dieser Kühlkanal 5 bei Betrachtung
der 1 nach unten zunächst offen. Außerdem wird
durch spanende Bearbeitung in dem Kolbenoberteil 2 ein
Innenbereich 6 erzeugt. Durch einen Bohrvorgang wird eine
Verbindung 7 zwischen dem Kühlkanal 5 und dem
Innenbereich 6 des Kolbens 1 erzeugt. Durch die
getrennte Bearbeitung ist eine gute Zu gänglichkeit für die Bearbeitungswerkzeuge
gewährleistet,
um einen leichten, thermisch und mechanisch hochbelastbaren Stahlkolben
herzustellen.
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Das
Kolbenunterteil 3 weist bei Kolben in an sich bekannter
Weiss Kolbenschäfte 8 und
Kolbennaben 9 auf, wobei die Kolbennabe jeweils eine Bolzenbohrung 10 aufweist.
Zwecks Zuordnung der einzelnen Konstruktionsmerkmale ist mit der
Bezugsziffer 11 eine Kolbenachse und mit der Bezugsziffer 12 eine
Querachse des Kolbens 1 eingezeichnet.
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Bei
der Herstellung des Kolbenoberteiles 2 wird ein nach unten
gerichteter umlaufender Steg 13 erzeugt, der mit einem
nach oben gerichteten umlaufenden Steg 14 des Kolbenunterteiles 3 korrespondiert.
Die Oberflächen
der beiden umlaufenden Stege 13 und 14 kommen
in einer Verbindungsebene 15 zur Anlage, wobei auch das
Zusammenfügen,
insbesondere mittels eines Schweißvorganges in dieser Verbindungsebene 15 erfolgt.
Ausgehend etwa von dem umlaufenden Steg 14 erstreckt sich
nach außen ein
Fortsatz 16, der etwa unterhalb des Kühlkanales 5 bei dem
fertigen Kolben angeordnet ist. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß das Kolbenunterteil
noch eine Öffnung 17 aufweist,
die sich im Bereich des Fortsatzes 16 befindet. Über diese Öffnung 17 und
eine weitere Verbindung 18 in dem Kolbenunterteil 3, die
bspw. auch durch Bohren eingebracht wird und in eine Öffnung 19,
insbesondere mit Trichterform, mündet,
wird über
eine Spritzdüse Kühlöl in Richtung
des Kühlkanales 5 eingespritzt. Dieses
Kühlöl kann sich
dann in dem gesamten Kühlkanal 5 verteilen
und dort die Wärme
abführen,
in dem es über
mehrere Verbindungen 7 in Richtung des Innenbereiches 6 des
Kolbens 1 zurückströmt.
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Nachdem
das Kolbenoberteil 2 sowie das Kolbenunterteil 3 in
der beschriebenen Art und Weise hergestellt worden sind, werden
sie in der Verbindungsebene 15 zusammengebracht, so daß die Oberflächen der
umlaufenden Stege 13 und 14 zur Anlage kommen,
nachdem vorher ein Ring 20 zwischen die beiden Teile 2 und 3 gefegt
wurde. Dieser Ring 20 verschließt den radial umlaufenden Spalt zwischen
dem Fortsatz 16 und dem unteren Teil des Ringfeldes 4,
so daß dadurch
der Kühlkanal 5 komplett
verschlossen ist. Anschließend
erfolgt das Zusammenfügen
des Kolbenoberteiles 2 und des Kolbenunterteiles 3 durch
einen Schweißvorgang
in der Verbindungsebene 15. Dadurch werden die beiden Teile 2 und 3 mit
der erforderli chen Festigkeit zusammen gefügt. Anschließend erfolgt
das Festlegen des Ringes 20 an dem Kolbenoberteil 2 und/oder
an dem Kolbenunterteil 3 wobei dies bspw. ebenfalls durch eine
Schweißverbindung
(Punktschweißung,
umlaufende Schweißung
o. dgl.) erfolgen kann.
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2 zeigt
den Kühlkanalkolben 1 im
Schnitt rechtwinklig zu dem Schnitt gemäß 1. Im Zusammenhang
mit dieser Darstellung wird noch einmal auf den Fortsatz 16 verwiesen,
der sich von dem Kolbenunterteil 3 aus, insbesondere ausgehend
von dem umlaufenden Steg 14, nach außen erstreckt. Dieser Fortsatz 16 ist
in etwa unterhalb des Kühlkanales 5 angeordnet
und verschließt
diesen zum Teil, insbesondere zum größeren Teil. Um den verbleibenden Spalt
zwischen dem Kolbenoberteil 2 und dem Kolbenunterteil 3 im
Bereich des Kühlkanales 5 zu
verschließen,
wird der Ring 20 verwendet, wobei im Zusammenhang mit 2 auf
eine lösbare
Verbindung zur Festlegung des Ringes 20 verwiesen wird.
Nach oben in Richtung des Ringfeldes 4 weist das Ringfeld 4 eine
nach unten gerichtete Nut auf, in die ein nach oben gerichteter
Steg des Ringes 20 oder der obere Teil des Ringes 20 selber
eingreift. Dadurch wird die Dichtwirkung erhöht. Um den Ring 20 wirksam
festlegen zu können,
weist der Fortsatz 16 nach außen gerichtet eine Ausnehmung
oder auch eine umlaufende Nut auf, in die zumindest eine Schraube 22 eingreifen kann,
die entweder den Ring 20 in der Nut 21 verkeilt oder
die den Ring 20 fest an den Fortsatz 16 zieht, falls
der ein korrespondierendes Gewinde aufweist.
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Der
Vollständigkeit
halber ist mit der Bezugsziffer 23 eine Bolzenachse bezeichnet.
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- 1
- Kühlkanalkolben
- 2
- Kolbenoberteil
- 3
- Kolbenunterteil
- 4
- Ringfeld
- 5
- Kühlkanal
- 6
- Innenbereich
- 7
- Verbindung
- 8
- Kolbenschaft
- 9
- kolbennaben
- 10
- Bolzenbohrung
- 11
- Kolbenachse
- 12
- Querachse
- 13
- umlaufender
Steg
- 14
- umlaufender
Steg
- 15
- Verbindungsebene
- 16
- Fortsatz
- 17
- Öffnung
- 18
- Verbindung
- 19
- Öffnung
- 20
- Ring
- 21
- Nut
- 22
- Schraube
- 23
- Bolzenachse