DE19915782C2 - Kolben für Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben aus Leichtmetallegierung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für eine solche mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ein derartiger Kolben ist aus der DE 30 32 671 A1 bekannt.

Immer höher werdende Zünddrücke erfordern eine Nabenauslegung bei den Kolben, welche negative Rückwirkungen auf den Muldenrandbereich haben. Dies gilt in besonderem Maße für Kolben aus Leichtmetallegierung für Verbrennungskraftmaschinen mit direkter Kraftstoffeinspritzung, insbesondere für Dieselmotoren. Es kann zu Rißbildung im Muldenrandbereich infolge der Zugspannungen im Kolbenboden kommen. Deshalb wurden zur Muldenrandverstärkung bereits ringförmige Bauteile eingesetzt.

Ausgehend von der DE 30 32 671 A1 liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, dass die Herstellbarkeit des Verbundes aus ringförmigem und den Muldenrandbereich bildendem Bauteil und dem Kolbenoberteil unter gemeinsamer Ausbildung eines Kühlkanals verbessert wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Unter einem pulvermetallurgisch herstellten Aluminiumbauteil versteht man kein direkt aus der Schmelze in seine Form gegossenes Bauteil, sondern die Herstellung des Bauteils aus einem Pulver. Diese sogenannte Pulvermetallurgie oder auch P/M-Technologie genannt, erlaubt es, konventionelle Aluminiumlegierungen zu verbessern. Zur Pulverherstellung sind tatsächlich zwei Verfahren zur großtechnischen Anwendung bekannt, nämlich das Reaktionsmahlen oder mechanische Legieren einerseits und das schnelle Abschrecken überhitzter und übersättigter Aluminiumschmelzen in einem Verdüsungsprozeß in Luft, Stickstoff, Argon oder Helium andererseits.

Beim Reaktionsmahlen wird reines Aluminiumpulver oder auch vorlegiertes Pulver zusammen mit Graphit unter Schutzgas oder an Luft gemahlen. Während des Mahlvorgangs wird der Graphit gleichmäßig im Grundwerkstoff verteilt. Gleichzeitig wird Aluminiumoxid in einer definierten einstellbaren Menge gebildet. Durch eine Wärmebehandlung wird aus Aluminium und Graphit Aluminiumcarbid gebildet. Das Aluminiumcarbid sowie das Aluminiumoxid mit einer Teilchengröße von 20-80 nm wirken dispersionsverfestigend. Auf diese Weise lassen sich dispersionsverfestigte Aluminium-Silizium-Legierungen mit einem Siliziumgehalt von 12-20 Gew.-% erhalten.

Bei dem weiteren Verfahren des schnellen Abschreckens von Aluminiumschmelzen über Verdüsungsvorgänge lassen sich Siliziumanteile von weit über 20 Gew.-% bis hin zu 40 Gew.-% erreichen. Das thermische Ausdehnungsverhalten von pulvermetallurgisch hergestellten Aluminiumlegierungen entspricht derjenigen gegossener Aluminiumlegierungen; letztere sind jedoch nur mit einem Siliziumgehalt von 20 Gew.-% % herstellbar. Legierungen mit sehr hohem Siliziumgehalt von mehr als 20 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 24-30 Gew.-% Silizium weisen aber eine bessere Verschleißbeständigkeit auf als solche mit Siliziumgehalten zwischen 6 und 20 Gew.-%.

Pulvermetallurgisch hergestellte Aluminiumwerkstoffe weisen eine gute Dauerfestigkeit bei hohen Temperaturen, eine gute Gefügestabilität und eine deutlich bessere Temperatur- Wechselbeständigkeit auf. Es ist daher an sich bekannt, pulvermetallurgisch hergestellte Werkstoffe gezielt an stark belasteten Bereichen eines Bauteils einzusetzen.

Mit der Erfindung wurde erkannt, daß pulvermetallurgisch hergestellte Aluminiumwerkstoffe zur Muldenrandverstärkung eingesetzt werden können, indem ein entsprechend geformtes ringförmig geschlossenes Bauteil vorzugsweise durch Elektronenstrahlschweißen gegebenenfalls auch durch Laserstrahlschweißen an den aus gegossener Aluminiumlegierung bestehenden Kolbenkopf des im wesentlichen noch unbearbeiteten Kolbenrohlings angeschweißt wird. Danach wird die schlußendliche Form der Brennraummulde und des Muldenrandbereichs sowie des Kolbenkopfs durch spanende Bearbeitung hergestellt.

Es erweist sich als ganz besonders vorteilhaft, dass das pulvermetallurgisch hergestellte ringförmig geschlossene Aluminiumbauteil einen zur Bodenseite hin ausmündenden Kühlraum oder umlaufenden Kühlkanal in der beanspruchten Weise abdeckt. Der Kühlraum oder Kühlkanal wird also entweder beim Gießen des Aluminiumschafts hergestellt oder er könnte in Form einer Vordrehkontur nach dem Gießen des Kolbenrohlings spanend hergestellt werden. Zur Bildung des schlußendlichen Kühlraums oder Kühlkanals wird die vorstehend erwähnte zur Kolbenbodenseite hin ausmündende Ausnehmung von dem pulvermetallurgisch hergestellten ringförmig geschlossenen Aluminiumbauteil wie beansprucht abgedeckt und durch Anschweißen des Bauteils abgedichtet. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist also eine besonders kostengünstige Herstellbarkeit von Kühlkanal- bzw. Kühlraumkolben gegeben, da eine Verwendung von Kernen beim Gießprozeß nicht erforderlich ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das pulvermetallurgisch hergestellte ringförmig geschlossene Aluminiumbauteil im Querschnitt betrachtet keilförmige Gestalt auf. Es besteht so die Möglichkeit, daß sich das Aluminiumbauteil im Muldenrandbereich weit in die Brennraummulde hineinerstreckt, also einen Teil der Umfangsmuldenwand begrenzt.

Solchenfalls ist das pulvermetallurgisch hergestellte ringförmig geschlossene Aluminiumbauteil vorzugsweise gegen eine kegelmantelabschnittförmige von innen nach radial außen ansteigende Anlagefläche des Kolbenrohlings angefügt.

Es wäre denkbar, daß sich das pulvermetallurgisch hergestellte Aluminiumbauteil nur im Bereich des Kolbenbodens erstreckt, also flächenbündig im Kolbenboden angeordnet ist.

Es kann sich aber auch als vorteilhaft erweisen, wenn das pulvermetallurgisch hergestellte Aluminiumbauteil nach radial außen bis zum Kolbenumfang erstreckt ist und somit einen Teil des Ringfelds bildet. Solchenfalls begrenzt bzw. definiert das pulvermetallurgisch hergestellte Aluminiumbauteil die erste Kolbenringnut. Es braucht dann kein Ringträgerbauteil in den Kolben eingegossen zu werden.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, deren Merkmale jeweils auch für sich allein genommen, Schutz beansprucht wird. Zwei bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens mit im Querschnitt keilförmigem pulvermetallurgisch hergestellten Aluminiumbauteil;

Fig. 2 eine Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens mit nach radial außen bis zum Kolbenumfang erstrecktem pulvermetallurgisch herstellten Aluminiumbauteil.

Fig. 1 zeigt eine Längsschnittansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbens 2 unter Einschluß der Längsachse 4 des Kolbens. Angedeutet ist sowohl die Außenumfangskontur 6A des Kolbenrohlings als auch die schlußendliche Endform 6B nach spanabhebender Bearbeitung.

Der Kolben 2 umfasst einen Kolbenkopf 8 mit einer Brennraummulde 9, der auch das Ringfeld 10 einschließt, und einen Kolbenschaft 12.

Nachdem der Kolben 2 als Kolbenrohling mit der Kontur 6A aus einer Aluminiumkolbenlegierung gegossen worden ist, wird eine Vordrehkontur 14 erzeugt, die eine kegelmantelabschnitts­ förmige Fläche 16, die nach radial innen abfällt bildet. In diesem Bearbeitungsschritt wird auch ein Kühlkanal 18 gebildet. Es wäre indessen auch denkbar, daß die Kontur des Kühlkanals 18 bereits im Gießprozeß hergestellt wurde. Nach Freidrehen der Vordrehkontur 14 wird ein pulvermetallurgisch hergestelltes in Umfangsrichtung ringförmig geschlossenes Aluminiumbauteil 20, dessen Form komplementär zu der Vordrehkontur 14 ausgebildet ist, gegen die kegelmantelförmige Fläche 16 angelegt und dort durch Elektronenstrahlschweißen von der Kolbenbodenseite her befestigt.

Im vorliegenden Fall weist das Aluminiumbauteil 20 einen komplementär zur der Kühlkanalausnehmung geformten Ansatz 22 auf, mit dem das Aluminiumbauteil zusätzlich verankert ist.

Das pulvermetallurgisch hergestellte Aluminiumbauteil hat vorzugsweise eine Zusammensetzung AlSix mit x = 20 - 30, vorzugsweise 24 bis 28. Die Größe der Pulverpartikel, aus denen das Aluminiumbauteil 22 hergestellt ist, beträgt vorzugsweise 20-100 nm.

Nach dem Fügen des Aluminiumbauteils 20 an die Vordrehkontur 14 des Kolbenrohlings kann der Kolben durch spanende Bearbeitung in seine Endform 6B gebracht werden. Das pulvermetallurgisch hergestellte Aluminiumbauteil 20 begrenzt dann mit der angedeuteten unterbrochenen Kontur 24 den Muldenrandbereich 26 und erstreckt sich tief in die Brennraummulde 9 hinein und begrenzt die Seitenwand der Brennraummulde 9.

Die in Fig. 2 dargestellte weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens 2' unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 dadurch, daß das pulvermetalurgisch hergestellte Aluminiumbauteil 20' sich in Richtung radial nach außen bis über die Endform 6B des Kolbenumfangs 30 hinaus erstreckt. Das Bauteil 20' bildet daher einen Teil des Kolbenumfangs 30. Es ist im Querschnitt betrachtet nicht keilförmig sondern eher rechteckförmig ausgebildet und weist einen entsprechenden Ansatz 22' auf, der komplementär zur ausmündenden Gestalt der Kühlkanalausnehmung ausgebildet ist.

Es erweist sich des weiteren als besonders vorteilhaft, daß sich das Aluminiumbauteil 20' im Bereich des Kolbenumfangs 30 über eine Höhe erstreckt, die die erste Ringnut 32 einschließt. Das Bauteil 20' definiert bzw. begrenzt daher die erste Kolbenringnut 32. Ein separat einzugießendes Ringträgerbauteil braucht daher nicht verwendet zu werden.

Claims (8)

1. Kolben aus Leichtmetallegierung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für eine direkt einspritzende Verbrennungskraftmaschine, mit einem ein Ringfeld (10) und einen Kühlkanal (18) umfassenden Kolbenkopf (8), mit einem Kolbenschaft (12) und mit einer Brennraummulde (9), die kolbenbodenseitig von einem Muldenrandbereich (26) begrenzt ist, wobei der Muldenrandbereich (26) von einem ringförmig geschlossenen Bauteil, welches an den Kolbenkopf geschweißt ist und zur Bodenseite hin den Kühlkanal begrenzt, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass das den Muldenrandbereich (26) bildende Bauteil von einem pulvermetallurgisch hergestellten Aluminiumbauteil (20, 20') gebildet ist und daß das pulvermetallurgisch hergestellte Aluminiumbauteil (20, 20') einen Ansatz (22, 22') aufweist, der komplementär zur Ausmündung des Kühlkanals (18) ausgebildet ist und in diesen eingreift
und dass das Bauteil im Querschnitt betrachtet eine bis auf den Ansatz (22, 22') durchgehend gerade Anlagefläche (16) bildet und durch Elektronenstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißen mit dieser Anlagefläche (16) an den Kolbenrohling angeschweißt ist und danach durch spanenden Bearbeitung des Kolbenkopfs (8) auf Endform gebracht ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur des Kühlkanals (18) gegossen oder durch spanende Bearbeitung ausgebildet ist.

3. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das pulvermetallurgisch hergestellte ringförmig geschlossene Aluminiumbauteil (20) im Querschnitt betrachtet keilförmige Gestalt aufweist.

4. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das pulvermetallurgisch hergestellte ringförmig geschlossene Aluminiumbauteil (20) gegen eine kegelabschnittförmige von innen nach radial außen ansteigende Anlagefläche (16) des Kolbenrohlings angefügt ist.

5. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des pulvermetallurgisch hergestellten ringförmig geschlossenen Aluminiumbauteils (20) in Richtung der Kolbenlängsachse (4) gemessen radial innen größer ist als radial außen.

6. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich (26) so ausgebildet ist, dass er die Brennraummulde (9) nach radial innen übergreift.

7. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das pulvermetallurgisch hergestellte ringförmig geschlossene Aluminiumbauteil (20') nach radial außen bis zum Kolbenumfang (30) erstreckt und somit einen Teil des Ringfelds (10) bildet.

5. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ringnut (32) von dem pulvermetallurgisch hergestellten ringförmig geschlossenen Aluminiumbauteil (20') begrenzt ist.