DE202013102921U1

DE202013102921U1 - Zweiteiliger Kühlkanalkolben

Info

Publication number: DE202013102921U1
Application number: DE201320102921
Authority: DE
Original assignee: Gesenkschmiede Schneider GmbH
Current assignee: Gesenkschmiede Schneider GmbH
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2014-10-06
Anticipated expiration: 2023-07-04

Abstract

Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem geschmiedeten Kolbenkopf (1) mit Verbrennungsmulde (3) im Kolbenboden (2) und einem angeschmiedeten Kolbenhemd (9), sowie Verbindungsbereichen für eine äussere und eine innere Ringwand (4) und einen auf Höhe der Ringpartie umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (7), dadurch gekennzeichnet, dass eine einteilige Kappe (20) mit Innenöffnung mit einer äusseren Kappenwand (22) auf der Verbrennungsmulde (3) des Kolbenkopfs (1) angeschweisst ist, die im wesentlichen die Kühlkanalaussenwand bildet und die mit dem Kolbenkopf (1) im Verbindungsbereich für die innere Ringwand verschweisst ist, sodass ein Kühlkanal (7) durch die Kappe (30) und den Kolbenkopf (1) begrenzt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem geschmiedeten Kolbenkopf mit Verbrennungsmulde im Kolbenboden und einem angeschmiedeten Kolbenhemd, sowie Verbindungsbereichen für eine äussere und eine innere Ringwand und einen auf Höhe der Ringpartie umlaufenden geschlossenen Kühlkanal.
Der geschmiedete Kolbenkopf besitzt eine Verbrennungsmulde im Kolbenboden, eine Ringwand mit Ringpartie und einen auf Höhe der Ringpartie umlaufenden geschlossenen Kühlkanal sowie ein angeschmiedetes Kolbenhemd. Dieser Kolben kann dann über das Kolbenhemd mit den am Kolbenkopf angehängten Naben verbunden werden.
Einteilige Kühlkanalkolben sind beispielsweise aus der EP 0 799 373 B1 oder DE 100 13 395 C1 oder aber der DE 102 44 510 A1 bekannt. Bei diesen Kühlkanalkolben wird ein Kolbenrohling durch Schmieden hergestellt, eine ringförmige Ausnehmung und der nach unten offene Kühlkanal mittels einer spanabhebender Bearbeitung eingebracht und anschließend die Aussenkontur des Kolbens fertig bearbeitet. Dies bedeutet eine aufwändige Herstellung des Kühlkanals, welcher mittels eines weiteren Teils zu schließen ist.
Zweiteilige Kühlkanalkolben sind in der EP-A-2025441 , DE-A-202008017702 oder DE-A-102007035849 beschrieben.
Zweiteilige Kühlkanalkolben sind von der Form und dem Material her gut zu schmieden – problematisch ist allerdings, dass meist wegen der hohen Umformgrade mehrere Verfahrensschritte benötigt werden.
Heute ist es in Anbetracht der Energieeinsparungserfordernisse auch erwünscht, Kolben leichter, aber auch thermisch belastbarer zu machen. Da der Kolben eine oszillierende Masse ist, würde man mehr Leistung für den Antrieb haben, da weniger Leistung aus der Treibstoffexplosion für die Beschleunigung der Kolbenmasse benötigt wird. Ferner sollen Kolben langlebig sein – insbesondere dann, wenn sie in stationären Gasmotoren, Schiffsmotoren oder Bioethanolmotoren zur Energieerzeugung eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten zweiteiligen Kühlkanalkolben anzugeben, mit dem eine einfache Herstellung bei geringem Ausschuss gewährleistet ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen zweiteiligen Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei eine einteilige Kappe mit Innenöffnung mit einer äusseren Kappenwand auf der Verbrennungsmulde des Kolbenkopfs angeschweisst ist, die im wesentlichen die Kühlkanalaussenwand bildet und die mit dem Kolbenkopf im Verbindungsbereich für die innere Ringwand verschweisst ist, sodass ein Kühlkanal durch die Kappe und den Kolbenkopf begrenzt ist.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Danach wird ein Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem geschmiedeten Kolbenkopf mit Verbrennungsmulde im Kolbenboden und einem angeschmiedeten Kolbenhemd, sowie Verbindungsbereichen für eine äussere und eine innere Ringwand und einen auf Höhe der Ringpartie umlaufenden geschlossenen Kühlkanal, geschaffen, wobei eine einteilige Kappe mit Innenöffnung mit einer äusseren Kappenwand auf der Verbrennungsmulde des Kolbenkopfs angeschweisst ist, die im wstl. die Kühlkanalaussenwand bildet und die mit dem Kolbenkopf im Verbindungsbereich für die innere Ringwand verschweisst ist, sodass ein Kühlkanal durch die Kappe und den Kolbenkopf begrenzt ist.
In vorteilhafter Weise kann am Kolbenkopf eine innere umlaufende Innenwand angeschmiedet ist, die als äussere Ringwand mit dem Boden der Kappe verschweisst ist.
Dabei kann die Kappenöffnung von einer zur Kappenaussenwand parallel verlaufende Kappeninnenwand begrenzt sein, die mit dem inneren Verbindungsbereich des Kolbenkopfes verschweisst ist.
Als Schweissverfahren kann ausgewählt werden: Reibschweissen, Rührreibschweissen, Vibrationsschweissen, Laserschweissen.
Dadurch, dass hier eine einfache Kappe, die bspw. ein Tiefziehteil ist, auf dem Kolbenkopf aufgeschweisst wird, ist kein aufwändiges Stechen von Kanälen oder komplizierte Gestaltung der Kolbenkopfoberfläche notwendig.
Bei Reibschweissen als Verbindungsverfahren ist es durch geschickte Wahl einer Schräge in den Reibschweiss-Stellen möglich, die Reibschweißwulst außerhalb des Kühlkanals entstehen zu lassen und so einen glatten Kühlkanal zu erhalten. Da die Kühlkanalform und -dimension erfindungsgemäss von der Kappenform (Höhe und Form der Kappenwände) abhängt, können die Kühlkanäle für verschiedenste Anwendungen leicht verschieden dimensioniert werden, ohne aufwändige Umgestaltungen in den Schmiedewerkzeugen.
Die Kappe kann bspw. durch Tiefziehen – auch aus anderem Material – hergestellt werden, da sie ein mechanisch weniger benanspruchtes Telil als der Kolbenkopf ist. So können leichtere oder auch preiswerte Materialien dafür eingesetzt werden. Die Innenöffnung der Kappe kann auch nach Aufschweissen der Kappe auf den Kolbenkopf durch Stanzen oder Bohren hergestellt werden.
Das Material des Kolbens kann ausgewählt sein aus Stahllegierungen, Aluminiumlegierungen, Titanleglerungen, wobei das Material des Kolbenhemds von demjenigen der Kappe verschieden sein kann.
Typische erfindungsgemässe Kolben für Personenkraftwagen haben einen Durchmesser zwischen 55 und 105 mm.
Kolben nach der Erfindung können Gasmotorkolben, Kraftfahrzeugmotorkolben, Dieselkolben, Flugzeugmotorkolben sein.
Der Kolbenkopf kann auch aus einem aus mehreren Metallschichten bestehenden Rohling verbundgeschmiedet sein, sodass der Kolbenkopf aus einem thermisch und mechanisch hochbelastbaren Material und die Brennkammer abgewandte Seite des Kolbenbodens aus einem anderen Material hergestellt ist.
Typische Materialien für derartige Kolben sind schmiedefähige Stahllegierungen, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen und Kombinationen derselben.
Ein derartiger Kolbens ist herstellbar durch::

– Schmieden eines Metall-Rohlings zu einem Kolbenkopf mit ringförmig auf dem Kolbenboden angeordneten Verbindungsbereichen für die innere und äussere Ringwand des Kühlkanals, und
– Aufschweissen einer Kappe mit einer Aussenwand auf die Kolbenvorform unter Anbindung der Kappenaussenwand auf dem äusseren Verbindungsbereich des Kolbenkopfes und der Kappeninnenwand auf dem inneren Verbindungsbereich des Kolbenkopfes, wodurch ein geschlossener Kühlkanal zwischen Kappe und kolbenkopf gebildet ist. Es ist möglich, an dem Kolbenkopf eine vorbereitete Innenringwand anzuschmieden, welche die Kühlkanalinnenwand bildet und auf die flächig die Kappenbodenfläche aufgeschweisst wird. Es ist aber auch möglich, eine Kappe mit Innen- und AUssenwänden einzusetzen, die auf den Kolbenkopf an den ringförmigen Verbindungsstellen aufgeschweisst wird.

Bspw. kann beim Kolbenschmieden in einem einzigen ersten Schmiedehub eine Vorform der inneren Kühlkanalwand gebildet werden, und in einem weiteren Schritt eine Kappe so aufgeschweisst werden, dass sie die äußere Ringwand bildet und auf der inneren Kühlkanalwandvorform aufliegt. Dort wird sie in einer bekannten und geeigneten Weise durch Schweißen verbunden.
Da heute keine große Kolbenbauhöhe notwendig ist, kann im ersten Schmiedehub gleichzeitig mit den Kanalwandvorläufern auch ein kurzes Kolbenhemd hergestellt werden.
Bei diesem Kolben kann zumindest ein Teil des Kühlkanals näher in Richtung Kolbenboden bzw. Verbrennungsmulde ausgeformt werden und weist trotzdem eine ausgezeichnete Formstabilität bei geringer Kolbenbauhöhe auf.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Kolbenkopfform mit aufgesetzter Kappe im Längsschnitt
2 eine schematische perspektivische Ansicht des Kolbenkopfes der 1;
3 eine weitere erfindungsgemäße Kolbenkopfform mit angeschweisster Kappe im Längsschnitt; und
4 eine schematische perspektivische Ansicht des Kolbenkopfes der 1;
Wie in 1 gezeigt, wird ein geschmiedeter Kühlkanalkolbenkopf 1, bspw. aus Stahl, mit einer Verbrennungsmulde 3 im Kolbenboden 2, einer Ringwand 4 mit Ringpartie 11, einem auf Höhe der Ringpartie 11 umlaufenden geschlossenen Kühlkanal 7 und einer Kühlkanalinnenwand, gebildet. In 2 ist der Kühlkanalkolbenkopf 1 gemäss der Erfindung mit vorbereiteten Verbindungsbereichen für eine Abschlusskappe eingerichtet, die hier aus entsprechend geformten ringartigen Bereichen an der Verbrennungsmulde gebildet sind. Dabei kann die innere Kühlkanalwand bereits am Kühlkanalkolbenkopf angeschmiedet sein und weist so das gleiche temperaturfeste Material wie der Kolbenboden auf. Deutlich erkennt man hier die vorbereitete Kühlkanalinnenwand 5.
In 2 wird der Kolbenkopf der 1 in perspektivischer Ansicht gezeigt. In 3 ist ein Längsschnitt durch einen fertigen Kühlkanalkolben gemäss der Ausführungsform der 1 gezeigt.
Es ist aber auch möglich, den Kolbenboden ohne Kühlkanalwände zu schmieden und dann eine ringkanalartige Kappe aufzuschweissen, wie in 3 im Längsschnitt eines Kolbens gezeigt, Dort ist eine Kappe mit Innen- und Aussenwand – also eine Kappe in Form eines aufgeschnittenen Ringrohres – eingesetzt und so reibverschweisst, dass sich die Schweisswulste ausserhalb des Kühlkanals bilden. Bei dieser Ausführungsform kann der Kolbenkopfmaterialverbrauch minimiert und die Wanddicken des Kolbenkopfes sehr gering gehalten werden, was im Interesse einer Gewichtsersparnis bei Kolben äusserst erwünscht ist. Diese Kolbenkopfform ohne vorgeschmiedete Ringwand ist in 4 gezeigt.
Heute ist es in Anbetracht der Energieeinsparungserfordernisse sehr erwünscht, Kolben leichter zu m machen. Da der Kolben eine oszillierende Masse ist, würde man mehr Leistung für den Antrieb haben, da weniger Leistung aus der Treibstoffexplosion für die Beschleunigung der Kolbenmasse benötigt wird. Ferner sollen Kolben langlebig sein – insbesondere dann, wenn sie in stationären Gasmotoren oder Bioethanolmotoren zur Energieerzeugung eingesetzt werden, wobei eine Möglichkeit der Energieersparnis ist, die Wandstärke des Kolbens zu verringern. Dies kann erfindungsgemäss durch den Einsatz der Kappen erzielt werden, welche die Ausbildung von schweren Vollmaterialansätzen vermeidet und auch eine leichte Anpassung der Kühlkanalgrösse durch Wahl einer andersartigen Kappe ermöglicht – ohne den Einsatz eines neuen, aufwändigen Schmiedewerkzeugs. Die Kappen können bspw. in einfacher Weise durch Tiefziehen hergestellt werden.
Die geschmiedeten Kühlkanalkolbenköpfe können aus mehreren Materialien hergestellt sein – bspw. kann aus einem zweischichtigen Rohling mit Brennraummaterial als oberer Schicht eines Kolbenrohmaterials und eines Leichtmaterials als untere Schicht eines Kolbenrohmaterials ein Kolbenkopf hergestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kolbenkopf
2: Kolbenboden
3: Verbrennungsmulde
5: Kühlkanalinnenwand
9: Kolbenhemd
12: Schweisswulst
20: Kappe
22: Kappenaussenwand
24: Kappeninnenwand
26: Kappenöffnung

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 Patentliteratur

EP 0799373 B1 [0003]
DE 10013395 C1 [0003]
DE 10244510 A1 [0003]
EP 2025441 A [0004]
DE 202008017702 A [0004]
DE 102007035849 A [0004]

Claims

Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem geschmiedeten Kolbenkopf (1) mit Verbrennungsmulde (3) im Kolbenboden (2) und einem angeschmiedeten Kolbenhemd (9), sowie Verbindungsbereichen für eine äussere und eine innere Ringwand (4) und einen auf Höhe der Ringpartie umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (7), dadurch gekennzeichnet, dass eine einteilige Kappe (20) mit Innenöffnung mit einer äusseren Kappenwand (22) auf der Verbrennungsmulde (3) des Kolbenkopfs (1) angeschweisst ist, die im wesentlichen die Kühlkanalaussenwand bildet und die mit dem Kolbenkopf (1) im Verbindungsbereich für die innere Ringwand verschweisst ist, sodass ein Kühlkanal (7) durch die Kappe (30) und den Kolbenkopf (1) begrenzt ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolbenkopf (1) eine innere umlaufende Innenwand (5) angeschmiedet ist, die als äussere Ringwand mit dem Boden der Kappe (20) verschweisst ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappenöffnung (26) von einer zur Kappenaussenwand (22) parallel verlaufende Kappeninnenwand (24) begrenzt ist, die mit dem inneren Verbindungsbereich des Kolbenkopfes (1) verschweisst ist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweissverbindungen durch ein Schweissverfahren, ausgewählt aus Reibschweissen, Rührreibschweissen, Vibrationsschweissen, Laserschweissen hergestellt sind.
Kolben nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Material des Kolbens ausgewählt ist aus Stahllegierungen, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, wobei das Material des Kolbenhemds von demjenigen der Kappe verschieden sein kann.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Durchmesser zwischen 55 und 105 mm aufweist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Gasmotorkolben, Kraftfahrzeugmotorkolben, Dieselkolben, Flugzeugmotorkolben, ist.