DE19902864A1 - Kolben für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Kolben für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Abstract
Ein Kolben für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung weist eine im Kolbenboden ausgebildete Mulde mit überkragendem Rand auf, wobei der Kragen des Muldenrands zumindest teilweise mittels Strahlbeschichtung aus einem Zusatzwerkstoff gebildet ist. Zur zumindest teilweisen Ausbildung des Kragens wird der Grundwerkstoff des Kolbens am Muldenrand auf Schmelztemperatur zur Erzeugung eines Schmelzbades erwärmt, ein Zusatzwerkstoff wird in das Schmelzbad zugeführt und der Kragen wird durch Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes schichtweise ausgebildet.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für
Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung sowie ein Verfahren
zur Herstellung eines derartigen Kolbens.
Derartige Kolben zur Verwendung in Brennkraftmaschinen mit
Direkteinspritzung verfügen über eine im Kolbenboden
ausgebildete Mulde, deren Geometrie auf eine optimale
Verwirbelung der Verbrennungsgase ausgelegt ist. Der Boden der
Mulde ist dazu mit einer radialsymmetrischen kegelförmigen
Erhebung ausgebildet und der Muldenrand ist als in die Mulde
weisender Kragen ausgebildet. Aufgrund dieses Kragens
unterliegt der Kolben jedoch einer relativ schlechten
Wärmeableitung, so daß einer Erhöhung der Temperaturen im Motor
Grenzen gesetzt sind. Des weiteren treten bei einer Erhöhung
der Drücke im Motor Biegespannungen als Wechselspannungen auf,
die zu Rissen im Kolbenboden führen können.
Aus der US-PS 4 360 956 ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen
bekannt, dessen Kolbenringnuten zur Verlängerung der
Lebensdauer aus einem Zusatzwerkstoff gebildet sind, wobei der
Zusatzwerkstoff in die Ringnut eingebracht und mittels eines
Energiestrahles zum Schmelzen gebracht wird, wodurch sich im
Bereich der Ringnut eine Materiallegierung ausbildet. Ein
ähnliches Verfahren ist auch aus der US-PS 5 653 021 sowie der
US-PS 4 125 926 bekannt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen Kolben sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung
bereitzustellen, dessen Mulde im Kolbenboden über eine erhöhte
Festigkeit und Temperaturbeständigkeit verfügt, so daß der
Kolben im Einsatz mit höheren Drücken und Temperaturen
beaufschlagt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden ein Kolben mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 3 vorgeschlagen.
Demnach umfaßt der erfindungsgemäße Kolben eine im Kolbenboden
ausgebildete Mulde, deren Rand als in die Mulde weisender
Kragen ausgebildet ist, der zumindest teilweise mittels
Strahlbeschichtung aus einem Zusatzwerkstoff gebildet ist.
Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung des Kragens aus einem
Zusatzwerkstoff werden die wärmeableitenden Eigenschaften des
Muldenrands verbessert und aufgrund der im Übergangsbereich zu
dem Grundwerkstoff des Kolbens erzeugten schmelzmetallurgischen
Verbindung eine besonders gute Festigkeit erzielt.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Zusatzwerkstoff um
einen Werkstoff aus der Gruppe Cu-Legierungen, Co-Legierungen,
Fe-Legierungen, Ni-Legierungen, Al-Si-Legierungen.
Erfindungsgemäß wird zu der zumindest teilweisen Ausbildung des
Kragens der Grundwerkstoff am Muldenrand zur Erzeugung eines
Schmelzbades auf Schmelztemperatur erwärmt, ein Zusatzwerkstoff
wird in das Schmelzbad zugeführt und der Kragen wird durch
Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes schichtweise ausgebildet.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
die Ausbildung des Kragens mittels Strahlbeschichtung. Durch
den Einsatz von Strahlbeschichtung bei der Herstellung des
erfindungsgemäßen Kolbens werden besonders gute Ergebnisse
erzielt. Dabei handelt es sich vorzugsweise um den Einsatz von
Laser- oder Elektronenstrahlen, wobei jedoch auch andere Formen
der Energiestrahlung möglich sind.
In Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Erwärmen des
Muldenrandes und Zuführen des Zusatzwerkstoffes bei relativer
Drehung des Kolbens zu dem Strahl. Insbesondere bei
kontinuierlicher relativer Drehung lassen sich somit die
notwendigen Parameter zur Durchführung der Strahlbeschichtung
in besonders hohem Maße reproduzierbar einstellen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der
Zusatzwerkstoff gas-, pulver-, oder drahtförmig zugeführt.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
die Zuführung des Zusatzwerkstoffes unter Abschirmung des
Schmelzbades durch ein Schutzgas, so daß die
Legierungsausbildung des Kragens ohne störende Oxidationen
durchgeführt werden kann.
Vorzugsweise wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der
Muldenrand vor der Erwärmung ausgedreht und/oder abgefast,
damit eine besonders breite Ansatzfläche für den
Zusatzwerkstoff vorhanden ist.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die
nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der
jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den
Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der
Zeichnung dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen
erfindungsgemäßen Kolben mit Blick auf den
Muldenbereich im Kolbenboden.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen
erfindungsgemäßen Kolben 10 mit zylindrischen Seitenwänden 12
und einer Bohrung 14 zur Aufnahme einer nicht näher
dargestellten Pleuelstange sowie einer Ringnut 16 zur Aufnahme
eines Kolbenringes. In seinem in der Zeichnung nach oben
weisenden Kolbenboden 18 weist der Kolben 10 eine Mulde 20 auf.
Der im wesentlichen kreisförmige Rand 22 der Mulde 20 ist
erfindungsgemäß mit einem Kragen 24 versehen, der zumindest
teilweise aus einem sich von dem Grundwerkstoff des Kolbens 10
unterscheidenden Zusatzwerkstoff mittels Strahlbeschichtung
gebildet ist. Im Innern der Mulde 20 ist eine kegelförmige
Erhebung 26 vorgesehen. Die Geometrie der Mulde 20 mit dem
überkragenden Muldenrand und der kegelförmigen Erhebung 26
dient einer möglichst optimalen Verwirbelung der
Verbrennungsgase im Innern der Mulde.
Fig. 2 zeigt in stark schematischer Darstellung eine Anordnung
zum Herstellen des erfindungsgemäßen Kolbens 10 gemäß Fig. 1.
Fig. 2 zeigt den Kolben 10 in Draufsicht, wobei in der Mulde 20
aus Gründen der Übersichtlichkeit die kegelförmige Erhebung 26
nicht dargestellt ist. Der Rand 22 der Mulde 20 ist abgefast,
um das Aufbringen des Zusatzwerkstoffes zur Bildung des Kragens
zu erleichtern.
Zum Durchführen der Beschichtung des abgefasten Muldenrandes 22
wird der Muldenrand 22 mittels eines Laserstrahles 30 auf
Schmelztemperatur zur Erzeugung eines Schmelzbades 32 erwärmt.
Aufgrund der Drehung des Kolbens 10 in der durch den Pfeil
dargestellten Drehrichtung wird so eine Schmelzbadspur erzeugt.
Mittels einer Düse 34 wird ein (im dargestellten
Ausführungsbeispiel pulverförmiger) Zusatzwerkstoff 36 dem
Schmelzbad 32 zugeführt. Ebenfalls durch die Düse 34 wird ein
Schutzgas 38 zugeführt, das den Zusatzwerkstoff 36 und das
Schmelzbad 32 abschirmt.
Durch Einstellung der verschiedenen Parameter wie
Drehgeschwindigkeit, Fokussierung des Laserstrahls, und damit
der Schmelzbadlänge und -temperatur sowie der Wahl des
Zusatzwerkstoffes kann durch schichtweises Aufbringen des
Zusatzwerkstoffes zur Bildung des Kragens erfindungsgemäß eine
Verbesserung der mechanischen und Wärmeleitungseigenschaften
erzielt werden. Als Zusatzwerkstoffe zur Aufbringung auf den
Grundwerkstoff des Kolbens (üblicherweise Aluminium) eignen
sich Metalle, wie Kupferlegierungen, Eisenlegierungen,
Kobaltlegierungen, Nickellegierungen, Aluminiumlegierungen,
Aluminium-Silicium-Legierungen, aber auch Keramik oder Cermet.
Als Schutzgas zur Abschirmung des Schmelzbades finden
insbesondere Helium, Argon und Stickstoff Anwendung.
Als gasförmiger Zusatzwerkstoff zu einer Oberflächenbehandlung
im Mikrobereich ist die Zugabe von Stickstoff geeignet, um eine
Aluminium-Nitrit-Oberflächenschicht auszubilden. Ein
entsprechendes Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche aus
Aluminium mit einem gepulsten Laser ist in der DE 195 19 535 A1
beschrieben.
Mit dem beschriebenen Verfahren wird zur Ausbildung des Kragens
24 ein Zusatzwerkstoff in schmelzmetallurgischer Verbindung auf
den Grundwerkstoff des Kolbens als Dickschicht aufgebracht. Die
Schichtdicken rangieren hierbei zwischen 1/10 bis 1 Millimeter,
wobei mehrere sukzessive Schichtabfolgen aufgebracht werden
können, um insgesamt eine Struktur größerer Dicke zu erzeugen.
Alternativ hierzu ist auch die Durchführung von
Dünnschichtverfahren denkbar, wobei nur dünne Schichten in der
Größenordnung von 10 Mikrometern des Zusatzwerkstoffes auf den
ansonsten aus dem Grundwerkstoff gebildeten Kragen aufgebracht
werden. Durch die Aufbringung von Dünnschichten werden über die
schnelle Erstarrung des Zusatzwerkstoffes an der Oberfläche des
Grundwerkstoffes Druckeigenspannungen erzeugt, die sich
vorteilhaft auf die mechanische Festigkeit des Kolbenbodens im
Betrieb des Kolbens auswirken.
Nach der Durchführung der beschriebenen Laserstrahlbeschichtung
wird der Kolben vorteilhafterweise noch einer Wärmebehandlung
(Erhitzen, Abschrecken, Auslagern) unterzogen.
Mit dem erfindungsgemäßen Kolben wird eine Verbesserung des
Motorwirkungsgrades erzielt, da aufgrund der verbesserten
mechanischen und Wärmeleitungseigenschaften eine Erhöhung der
Drücke im Motor möglich ist.
Claims (11)
1. Kolben für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung, mit
einer im Kolbenboden (18) ausgebildeten Mulde (20), deren Rand
(22) einen Kragen (24) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kragen (24) zumindest teilweise mittels
Strahlbeschichtung aus einem Zusatzwerkstoff (36) gebildet ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Zusatzwerkstoff aus der Gruppe Kupfer-Legierungen,
Kobaltlegierungen, Eisen-Legierungen, Nickel-Legierungen,
Aluminium-Legierungen, Aluminium-Silicium-Legierungen
ausgewählt ist.
3. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für
Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung, mit einer im
Kolbenboden (18) ausgebildeten Mulde (20), deren Rand (22)
einen Kragen (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur
zumindest teilweisen Ausbildung des Kragens der Grundwerkstoff
am Muldenrand (22) auf Schmelztemperatur zur Erzeugung eines
Schmelzbades (32) erwärmt wird, ein Zusatzwerkstoff (36) in das
Schmelzbad (32) zugeführt wird und durch Aufschmelzen des
Zusatzwerkstoffes (36) der Kragen (24) schichtweise ausgebildet
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ausbildung des Kragens (24) mittels Strahlbeschichtung erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Erwärmen des Muldenrandes (22) mittels eines Laserstrahls (30)
oder eines Elektronenstrahls erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Erwärmen des Muldenrandes (22) und Zuführen des
Zusatzwerkstoffes (36) bei relativer Drehung des Kolbens (10)
zu dem Strahl (30) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff (36) gas-, pulver- oder
drahtförmig zugeleitet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff aus der Gruppe Kupfer-
Legierungen, Kobaltlegierungen, Eisen-Legierungen, Nickel-
Legierungen, Aluminium-Legierungen, Aluminium-Silicium-
Legierungen ausgewählt ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff Stickstoff ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zuleitung des Zusatzwerkstoffes (34)
unter Abschirmung des Schmelzbades (32) durch ein Schutzgas
(38) erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Muldenrand (22) vor der Erwärmung
ausgedreht wird.
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