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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben aus Metallegierung
hoher Dichte für Verbrennungsmotoren;
die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Herstellungsverfahren eines
Kolbens aus Metallegierung hoher Dichte für Verbrennungsmotoren.
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Das
Dokument
US 2004/177503
A1 beschreibt einen Kolben nach dem Vorwort des Patenanspruchs
1.
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Die
Kolben werden normalerweise in einem einzigen Stück aus Aluminiumlegierung durch
Gesenkschmieden oder Gießverfahren
hergestellt. In letzter Zeit hat die Technik jedoch die Entwicklung
der hoch leistungsfähigen
Verbrennungsmotoren unterstützt,
die sich durch spezifische, sehr hohe Leistungen auszeichnen: Das
betrifft besonders die Dieselmotoren sowohl aufgrund der Einführung der
Technologien mit Direkteinspritzung, Common Rail oder Multijet als
auch um den Anforderungen der Zukunft zu entsprechen, die von den
Umweltschutznormen gegen die CO2-Emissionen
auferlegt werden. Folglich sind dramatisch die thermischen und mechanischen
Stressbedingungen angestiegen, denen die Motorteile und besonders
die Kolben ausgesetzt sind. Dies ist besonders der Fall der Kolben
der Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, bei denen der hohe Einspritzdruck
des Dieselöls
in der Verbrennungskammer und besonders gegen den Kolbenboden die
herkömmlichen
Kolben aus Aluminium schon zerbrechlich und wenig zuverlässig, wenn
nicht sogar unbrauchbar macht.
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Um
die festgestellten Probleme zu lösen, wurden
daher Maßnahmen
für die Änderung
der Struktur und die Herstellungsmethoden der Aluminiumkolben eingeführt, um
sie mit den anwachsenden Leistungsniveaus der Motoren kompatibel
zu machen, auf denen sie benutzt werden sollten; zu diesem Zweck
wurden Kolben aus Aluminiumlegierung vorgeschlagen, die mit Verstärkungsfasern
aus Keramik, Stahleinsätzen
ausgestattet waren, um ihre Wärmeausbreitung
zu reduzieren, sie hatten äußere Umhüllungen,
die mit Belägen
aus festen Schmiermitteln bedeckt waren, um die Gleitreibung im
Zylinder zu reduzieren, sie wurden besonderen mechanischen Bearbeitungen
unterstellt, um Kühlungskanäle zu realisieren,
um den Luft- oder Ölumlauf
zu ermöglichen,
damit der Kolben auf einer annehmbaren Betriebstemperatur gehalten
wurde: Es ist jedoch offensichtlich, dass alle oben dargestellten
Lösungen
zu einer unvermeidlichen Kostenerhöhung der Kolben führen und
sie daher wenig anziehend gestalten.
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Eine
alternative Lösung
besteht in der Verwendung von Stahlkolben, die mit der gleichen
Geometrie gegenüber
den herkömmlichen
Kolben aus Aluminiumlegierung eine bessere Zeitfestigkeit haben
und den thermischen und mechanischen Stressbedingungen besser widerstehen.
Schon in der Vergangenheit wurde Stahl für die Kolbenherstellung verwendet;
der Stahl ist jedoch schlecht für
die Realisierung von Kolben für
hoch leistungsfähige
Motoren geeignet: Der Stahlkolben hatte aufgrund seines spezifischen
Gewichts, das bei gleicher Geometrie höher als das Aluminiumgewicht
ist, eine deutlich höhere
Trägheit
und machte folglich die Verwendung der Kolben aus Aluminiumlegierung
innerhalb der kompatiblen Leistungsniveaus leistungsfähiger. Um den
Stahlkolben in Bezug auf die Leistungsfähigkeit gegenüber den
Aluminiumkolben wettbewerbsfähig zu
machen, war es notwendig, die Masse beträchtlich zu reduzieren, indem
extrem dünne
Wände produziert
wurden, diese Lösung
erforderte die Verwendung extrem teuerer metallurgischer und Schmiedetechnologien,
so dass die Verwendung der Stahlkolben folglich vom wirtschaftlichen
Standpunkt aus fast unmöglich
wurde.
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Um
die herkömmlichen
Probleme der Stahlkolben zu lösen
und eine technisch und wirtschaftlich vorteilhafte Verwendung mit
den neuen Verbrennungsmotoren und besonders mit den neuen Dieselmotoren
zu ermöglichen,
wurden in letzter Zeit verschiedene Lösungen eingeführt: Der
Patentanspruch
US 2004/129243 beschreibt
zum Beispiel einen Stahlkolben, der in einem einzigen Stück aus einem Knüppel realisiert
und auf einen Zustand zwischen einer Temperatur, bei der er in festem
Zustand ist, und einer Temperatur, bei der er in flüssigem Zustand
ist, gebracht und durch Thixoschmieden geschmiedet wurde. Diese
Lösung
produziert jedoch einen Kolben, der eine geringe Zugänglichkeit
zu den notwendigen Werkzeugen für
nachfolgende Bearbeitungen zeigt, wie zum Beispiel für die weitere
Reduzierung der Masse durch Entfernung des in ihm vorhandenen überschüssigen Materials,
daher liegt er auch leistungsmäßig unter
der möglichen
Leistungsfähigkeit der
Stahlkolben, die mit hoch leistungsfähigen Motoren verbunden sind.
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Es
wurden auch verschiedene Patente und Lösungen vorgeschlagen, die Stahlkolben
vorstellen, die aus zwei oder mehreren getrennten geformten und
geschmiedeten Teilen realisiert und dann miteinander verschmelzt
wurden: Wenn diese Lösungen auch
wirtschaftlich vorteilhafter und technisch zugänglicher sind, ermöglichen
sie nur die Herstellung von Kolben mit ziemlich niedrigen Leistungen,
da die Stahlfasern der einzelnen Teile natürlich nicht untereinander kontinuierlich
sein können,
sondern unterbrochen und nicht gleichförmig verteilt sind, so dass sie
dem Kolben einen thermischen und mechanischen Widerstand verleihen,
der deutlich unter dem potentiellen liegt.
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Daher
liegt das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, einen Kolben aus
Metallegierung hoher Dichte für
Verbrennungsmotoren zu liefern, der gegenüber den herkömmlichen
Kolben aus Aluminiumlegierung oder den bekannten Stahlkolben thermische
Druck- und Stressbedingungen mit erheblicher Verbesserung der Verbrennung
deutlich besser vertragen kann, und eine darauf folgende Reduzierung der
Schadstoffemissionen und eine höhere
Verwendungszuverlässigkeit
zu erhalten.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren
für Kolben aus
Metallegierung hoher Dichte für
hoch leistungsfähige
Verbrennungsmotoren zu liefern.
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Die
oben genannten und andere Ziele und Vorteile der Erfindung, die
aus der folgenden Beschreibung hervorgehen, werden mit einem Kolben aus
Metallegierung hoher Dichte für
wie im Patentanspruch 1 beschriebene Verbrennungsmotoren erhalten.
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Außerdem werden
die oben genannten und anderen Ziele und Vorteile der Erfindung
mit einem Herstellungsverfahren eines Kolbens aus Metallegierung
hoher Dichte für
wie im Patentanspruch 9 beschriebene Verbrennungsmotoren erreicht.
Vorgezogene und nicht banale Varianten der vorliegenden Erfindung
bilden den Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche.
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Die
vorliegende Erfindung wird am besten durch einige vorgezogene Realisierungsformen
beschrieben, die mit Bezugnahme auf die Zeichnungen in der Anlage
als Beispiel und nicht zur Einschränkung geliefert werden, in
denen:
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die 1 die
Ansicht einer Realisierung des Kolbens aus Metallegierung hoher
Dichte für
Verbrennungsmotoren gemäß der vorliegenden
Erfindung von oben zeigt;
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die 2 die
Schnittansicht des Kolbens gemäß der Schnittlinie
A-A der 1 zeigt;
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die 3 die
Schnittansicht des Kolbens gemäß der Schnittlinie
B-B der 1 zeigt;
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die 4 die
perspektivische Ansicht des Kolbens gemäß der vorliegenden Erfindung
der 1 zeigt;
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die 5 die
Ansicht eines Bestandteils des Kolbens gemäß der vorliegenden Erfindung
von oben zeigt; und
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die 6 die
Schnittansicht des Bestandteils der 5 gemäß der Schnittlinie
A-A zeigt.
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Mit
Bezugnahme auf die Abbildungen ist es möglich festzustellen, dass der
Kolben aus Metallegierung hoher Dichte für Verbrennungsmotoren gemäß der vorliegenden
Erfindung aus einem Hauptkörper 10 in
einem einzigen Teil besteht, der einen äußeren Schaft 19 hat,
der entlang eines Motorzylinders gleitet, grundlegend mit mindestens
einem Aufnahmesitz 17 für
einen (nicht gezeigten) Verdichtungsring und mit einem Verschlusselement 30 ausgestattet
ist, das nachfolgend beschrieben wird und als Kolbenboden dient,
wenn der Kolben mit dem Hauptkörper 10 verbunden
wird. Die Metallegierung hoher Dichte, mit der dieser Kolben gemäß der vorliegenden
Erfindung realisiert wurde, ist vorzugsweise ein Kohlenstahl, der
mit mechanischen und physischen, für die Verwendung angemessenen
Merkmalen ausgestattet ist, aber natürlich können alternativ dazu andere
Legierungen mit gleichen Eigenschaften, die für den Zweck geeignet sind,
verwendet werden.
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Wie
besonders aus den Abbildungen von 1 bis 4 hervorgeht,
ist der Hauptkörper 10 mit
einem mittleren Hohlraum 12 am Kolbenboden, der als Einlauf← und Verbrennungskammer
des Kraftstoffs fungiert, ausgestattet; zwischen dem mittleren Hohlraum 12 und
dem Schaft 19 befindet sich ein runder Hohlraum 14 für die Innenkühlung; aus dem
runden Hohlraum 14 gehen mindestens zwei Leitungen 16a, 16b heraus,
die orthogonal zu einem Aufnahmesitz 18 eines (nicht gezeigten)
Bolzens und longitudinal zur Kolbenhubrichtung liegen; durch den runden
Hohlraum 14 und die zwei Leitungen 16a, 16b ist
es vorteilhaft möglich,
mechanische Bearbeitungen im Kolben nach dem Formstanzen auszuführen, da
man für
die Materialentfernung Bereiche erreichen kann, die in den bekannten
monolitischen Kolben unzugänglich
sind, so dass es möglich
ist, einen Kolben aus Metallegierung hoher Dichte zu erhalten, der
ein gleiches oder geringeres Gewicht gegenüber einem Kolben aus Aluminiumlegierung,
aber mit deutlich höheren
thermischen und mechanischen Merkmalen hat. Der runde Hohlraum 14 und
seine Leitungen 16a, 16b ermöglichen außerdem, dass das aus den Düsen der
Motorbank gespritzte Öl
eine gleichmäßige Kühlung der
Motorbank erzeugt und so eine genaue Kontrolle der Betriebstemperatur
des Motors sowie eine korrekte Schmierung des Bolzens und des Kolbenschafts 19 ermöglicht.
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Der
Kolben gemäß der vorliegenden
Erfindung kann außerdem
mit mindestens zwei weiteren Erleichterungshohlräumen 21a, 21b ausgestattet sein,
die parallel zum Aufnahmesitz 18 des Bolzens und orthogonal
zur Kolbenhubrichtung liegen und einen Teil der Gleitung 23 zur
Stabilisierung des Kolbenhubs in seinem Zylinder, der von zwei Leitungen 16a, 16b durchquert
wird, enthalten, diese beiden Erleichterungshohlräume 21a, 21b sind
mit den beiden Leitungen 16a, 16b und mit dem
runden Hohlraum 14 verbunden.
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Das
Verschlusselement 30, das in den 5 und 6 dargestellt
ist, ist ein Ringkörper, der
aus der gleichen Metallegierung realisiert wird wie der Hauptkörper 10 und
mit dem Hauptkörper 10 zur
Abdeckung des runden Hohlraums 14 und mit seinem mittleren
Loch 25, das konzentrisch zum mittleren Hohlraum 12 liegt,
verbunden werden muss, so dass der Kolbenboden realisiert wird und
der mittlere Hohlraum 12 offen gelassen wird. Das Verschlusselement
kann vorteilhaft mit dem Hauptkörper 10 verbunden
werden, nachdem die mechanischen Bearbeitungsphasen des Hauptkörpers 10 beendet
sind, so dass ein bequemer Zugang der Werkzeuge in sein Inneres
für die
optimale Entfernung des überschüssigen Materials
ermöglicht
und eine deutliche allgemeine Erleichterung des Kolbens gegenüber den
Kenntnissen der Technik erhalten wird. Natürlich kann das Verschlusselement 30 mit
dem Hauptkörper 10 durch geeignete
Techniken verbunden werden, wie zum Bei spiel durch Punktschweißen oder
Schweißen
der Innen- und/oder Außennähte am runden
Hohlraum 14.
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Der
vorher beschriebene Kolben gemäß der vorliegenden
Erfindung ermöglicht
es, aus folgenden Gründen
mit deutlichen Vorteilen für
die Funktionsweise ein Gewicht zu erhalten, das gleich oder geringer
als das der Kolben aus Aluminiumlegierung ist:
- – Es ist
möglich,
die mechanischen und thermischen Merkmale des Stahls maximal zu
optimieren und zu ermöglichen,
die Dicke des Kolbens über
50% gegenüber
einem ähnlichen
Kolben aus Aluminiumlegierung zu reduzieren;
- – Die
geringere Verlängerung
des Stahls gegenüber
Aluminiumlegierungen, die gut bekannt ist, ermöglicht eine bessere Toleranz
zwischen Zylinder und Kolben mit einem geringeren Verbindungsspiel,
einer daraus folgenden besseren Dichte der Verdichtungsringe, einer
besseren Dichte bei Belastung in der Explosionsphase, d. h. geringeres „blow-by" (Durchblasen und
Durchsickern der Kraftstoffteilchen zum unteren Teil des Motors);
- – Der
Kolben wird von bedeutenden Massen in Bereichen entladen, in denen
es unmöglich
wäre, einen
Kolben zu bearbeiten, der von anderen Patentlösungen und/oder einer beliebigen
monolitischen Lösung
beansprucht wird, die auf andere Art realisiert wurde.
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Außerdem kann
der Kolben gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgrund des mechanischen und thermischen Widerstands
der Metallegierung hoher Dichte, mit der er realisiert wurde, einen
Anstieg des Kraftstoffeinspritzdrucks ermöglichen, ohne weitere andere
Maßnahmen
zu erfordern, damit die Leistungs- und Zuverlässigkeitsniveaus aufrecht erhalten werden.
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Da
der Hauptkörper 10 ausgehend
von einer einzigen Extrusion der Metallegierung hoher Dichte realisiert
wurde, sind die Metallfasern ununterbrochen und können so
verteilt werden, dass sie die Punkte, die mehr Belastung und Spannung
ausgesetzt sind, verstärken
und es dadurch ermöglichen, einen
Kolben zu realisieren, der mit einem höheren mechanischen und thermischen
Widerstand ausgestattet ist.
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Unter
Berücksichtigung
des hohen Kraftstoffeinspritzdrucks findet der Kolben gemäß der vorliegenden
Erfindung eine weitläufigere
Anwendung im Bereich der Dieselmotoren, auch wenn es bestimmt offensichtlich
ist, dass er vorteilhaft in Verbrennungsmotoren verwendet werden
kann, die mit anderen Kraftstoffarten versorgt werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Herstellungsverfahren
eines Kolbens aus Metallegierung hoher Dichte für Verbrennungsmotoren, das
folgende Phasen einschließt:
- – Heißschmieden
einer Pressstange aus Metallegierung hoher Dichte und Herstellung
einer Vorformung des Hauptkörpers 10;
- – Pressen
der ersten Vorformung in Formen, die die endgültige Form des Hauptkörpers 10 enthalten,
indem die Fasern der Metallegierung hoher Dichte orthogonal zu den
Punkten der höchsten Belastung
und Traktion liegen, und eine zweite Vorformung realisieren;
- – Vorarbeiten
der zweiten Vorformung für
die Festlegung des mittleren Hohlraums 12 und/oder der
zwei Leitungen 16a, 16b und/oder der beiden Erleichterungshohlräume 21a, 21b und
des Aufnahmesitzes 18 und Herstellung des runden Hohlraums 14 bis
zum Durchbruch des Kolbenbodens im senkrechten Bereich am Aufnahmesitz 18 des Bolzens;
- – Realisierung
des Verschlusselements 30 und Verbindung mit dem Hauptkörper 10,
zum Beispiel durch Schweißung
um den runden Hohlraum 14 herum und konzentrisch am mittleren
Hohlraum 12, um den Kolbenboden zu realisieren.