EP0000592B1 - Gekühlter Brennkraftmaschinenkolben und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP0000592B1 EP19780200004 EP78200004A EP0000592B1 EP 0000592 B1 EP0000592 B1 EP 0000592B1 EP 19780200004 EP19780200004 EP 19780200004 EP 78200004 A EP78200004 A EP 78200004A EP 0000592 B1 EP0000592 B1 EP 0000592B1
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    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/04—Heavy metals
    • F05C2201/0433—Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0448—Steel

Definitions

  • the invention relates to a cooled, completely or partially made of an iron material internal combustion engine piston, in particular for diesel engines, with a cooling channel, which is circular in the piston head behind the ring section, at least in the region of the first ring groove, in which the free-hanging pin bosses by ribs with the inside of the piston crown and the Piston shaft connected and openings are arranged in the piston shaft opposite the bolt eyes, the cooling channel being connected to the coolant circulation system via corresponding coolant inlet and outlet lines running essentially parallel to the longitudinal axis of the piston and a method for its production.
  • spheroidal graphite cast iron has excellent mechanical and technological properties as well as good machinability and high wear resistance in the hardened state, and also has the same flowability and castability as gray cast iron
  • pistons made of this material have recently been used for highly-charged modern internal combustion engines, in particular Diesel engines can enforce.
  • the maximum permissible temperature of the piston crown of such pistons is approximately 500 ° C.
  • the temperatures at the top land and in particular in the first ring groove are correspondingly high, so that in the case of pistons which are not forced-cooled, there is a risk of the piston rings, preferably the first piston ring, sticking even at a relatively low mean pressure.
  • pistons made of cast iron with spheroidal graphite are only suitable for highly charged modern internal combustion engines if they can be cooled very intensively.
  • the most intensive cooling can be achieved with cooling channels cast into the piston head, through which a forced coolant flows.
  • the coolant is usually supplied via the crankshaft and connecting rod system or via spray nozzles fixed to the housing.
  • Such a one-piece cast internal combustion engine piston is described, for example, in DE-A-21 06 923, in which the free-hanging pin hubs are connected to the piston crown and the piston skirt by ribs.
  • the production of such a one-piece piston requires a considerable amount of effort in the foundry, since the piston can only be cast using a multi-part core, the individual parts of which are manufactured, for example, by the form mask process and glued together to form the core. This results in core offsets and inaccuracies that can lead to rejects in the required dimensional and weight tolerances.
  • DE-A-1 801 792 further provides a piston, the piston head of which consists of an upper part and a holding part, the shape of which delimit a cavity between them and which are connected by friction welding in order to enclose a coolant within the cavity. Since the piston is not designed in such a way that the coolant circulates and causes a corresponding heat dissipation, the piston is not very suitable for modern internal combustion engines.
  • the piston consists of several parts which are firmly connected to one another in the region of the parting planes via an intermetallic intermediate layer.
  • the piston preferably consists of at least one upper and one lower part.
  • the parting plane runs at the level of the cooling channel. This enables mechanical processing of the cooling channel, which reduces the notch stresses in the cooling channel surface and allows easy checking of the cavities before assembly.
  • the parting planes are separated in at least two stages so that simple centering is possible and / or the parting plane can be placed in low-stress zones.
  • At least one of the parts of the piston is made of spheroidal graphite cast iron, steel, beryllium bronze or a heat-resistant alloy such as stellite or nimonic. Of course, these materials can also be combined with each other.
  • materials that are inductively hardenable are preferably selected for the upper part or for the piston part containing the piston ring grooves or a part thereof the groove flanks of at least the uppermost of the grooves carrying the piston rings are hardened, while the underlying parts continue to consist of spheroidal graphite cast iron.
  • the individual parts of the piston are connected to one another via an intermediate layer consisting of copper, copper alloys, silver or silver alloys.
  • the internal combustion engine piston designed according to the invention is manufactured in such a way that all separately manufactured parts of the piston are put together with metal foils and a temperature of 900 to 1200 ° C, preferably 1100 ° C, for a time of 2 to 30 minutes, preferably 5 to 15 Minutes. Due to the furnace soldering, the solder diffuses into the outer areas of the contact surfaces of the piston materials and creates a firm connection.
  • the piston made of spheroidal graphite cast iron with forced cooling has freely suspended pin bosses 1, which are connected to the underside of the piston head 3 via the ribs 2 and to the piston skirt 5 via the ribs 4. Openings 7 are arranged in the piston skirt 5 in relation to the pin eye 6.
  • annular cooling channel 8 which is connected to the corresponding removal and discharge openings 10 for the supply and discharge of the cooling channel to the pin bosses 1 via the removal or delivery channels arranged in the rib 2.
  • the upper part of the piston consisting of the top land 11 and the first annular groove 12 and the lower part of the piston formed from the piston skirt 5 and the annular grooves 13, 14, 15 are produced separately from one another and brazed to one another via an intermediate copper layer 16 of 0.1 mm thickness.
  • the parting line runs in a graduated form at the level of the cooling channel.
  • FIG. 2 shows a further example of the internal combustion engine piston comprising three parts according to the invention with spray cooling and combustion chamber trough.
  • the parts 17, 18, 20, which consist of different materials, are partially connected to one another by means of charge carrier jets and partially soldered to one another.
  • the upper part 17 made of a heat-resistant forged material is welded to the middle part 18 made of spheroidal graphite cast iron via the parting plane 19 by means of charge carrier blasting.
  • the central part 18 is supported on the lower part 20 cast from spheroidal graphite cast iron, which is connected to the intermediate part 18 by an intermetallic intermediate layer running in the offset parting plane 21.
  • the parting plane 21 is arranged between the middle part 18 and the lower part 20 in such a way that the cooling channel 22 attached in the upper and middle part has a simple geometric shape which can be produced with simple tools and with the least effort.
  • the vertical ribs 23 and the horizontal ribs 24 connected to the bolt eye 25 are arranged in the lower part 20. The coolant is supplied or removed via the channels 26, 27 cast into the ribs 23.
  • pistons of the type mentioned in the introduction can be manufactured in a comparatively simple manner.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen gekühlten, ganz oder teilweise aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Brennkraftmaschinenkolben, insbesondere für Dieselmotoren, mit einem im Kolbenkopf hinter der Ringpartie wenigstens im Bereich der ersten Ringnute ringförmig umlaufenden Kühlkanal, bei dem die freihängenden Bolzennaben durch Rippen mit der Innenseite des Kolbenbodens und dem Kolbenschaft verbunden und im Kolbenschaft gegenüber den Bolzenaugen Durchbrechungen angeordnet sind, wobei der Kühlkanal über entsprechende, im wesentlichen parallel zur Kolbenlängsachse verlaufende Kühlmittelzu- bzw. -ablaufleitungen mit dem Kühlmittelumlaufsystem verbunden ist und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
  • Da Gusseisen mit Kugelgraphit ausgezeichnete mechanische und technologische Eigenschaften sowie eine gute Bearbeitbarkeit und im gehärteten Zustand einen hohen Verschleisswiderstand aufweist, ausserdem eine gleich gute Fliessfähigkeit sowie eine Vergiessbarkeit wie Grauguss besitzt, haben sich in neuerer Zeit aus diesem Werkstoff bestehende Kolben für hochaufgeladene moderne Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, durchsetzen können. Die maximal zulässige Temperatur des Kolbenbodens solcher Kolben beträgt ca. 500°C.
  • Die Temperaturen am Feuersteg sowie insbesondere in der ersten Ringnute sind dementsprechend hoch, so dass bei nicht zwangsgekühlten Kolben schon bei relativ niedrigem Mitteldruck die Gefahr des Festbrennens der Kolbenringe, vorzugsweise des ersten Kolbenrings, besteht. Aus diesem Grunde kommen Kolben aus Gusseisen mit Kugelgraphit für hochaufgeladene moderne Brennkraftmaschinen nur dann in Frage, wenn sie sehr intensiv kühlbar sind. Die intensivste Kühlung lässt sich mit im Kolbenkopf eingegossenen Kühlkanälen erzielen, die von einem zwangsgeführten Kühlmittel durchflossen werden. Die Zufuhr des Kühlmittels erfolgt in der Regel über das System Kurbelwelle und Pleuelstange oder über gehäusefeste Spritzdüsen.
  • Ein solcher einteilig gegossener Brennkraftmaschinenkolben ist beispielsweise in der DE-A-21 06 923 beschrieben, bei dem die freihängenden Bolzennaben durch Rippen mit dem Kolbenboden und dem Kolbenschaft verbunden sind. Die Herstellung eines solchen einteiligen Kolbens bedarf allerdings eines ganz beachtlichen Aufwands in der Giesserei, da der Kolben nur unter Verwendung eines mehrteiligen Kerns, dessen Einzelteile beispielsweise nach dem Formmaskenverfahren hergestellt und zum Kern zusammengeklebt sind, gegossen werden kann. Dadurch entstehen Kernversätze und damit Ungenauigkeiten, die bei den geforderten Mass- und Gewichtstoleranzen zu Ausschuss führen können.
  • Aus der DE-C-393451 ist ein mehrteiliger gekühlter Kolben bekannt, bei dem ein dünnwandig geschmiedetes hohles Oberteil auf einem aus gleichem Material bestehenden flachen Unterteil am Rande aufgeschweisst und durch Rippen abgestützt ist. Beide Teile, die zusammen den Kolbenboden bilden, schliessen einen Hohlraum für den Durchtritt des Kühlmittels ein. Abgesehen davon, dass ein solcher Kolben wegen mangelnder Funktionstüchtigkeitfür moderne Brennkraftmaschinen nicht geeignet ist, ist auch seine Herstellung mit einem erheblichen Aufwand verbunden.
  • Die DE-A-1 801 792 sieht ferner einen Kolben vor, dessen Kolbenkopf aus einem oberen Teil und einem Haltungsteil besteht, die durch ihre Form einen Hohlraum zwischen sich begrenzen und durch Reibschweissung verbunden sind, um ein Kühlmittel innerhalb des Hohlraums einzuschliessen. Da der Kolben nicht so gestaltet ist, dass das Kühlmittel umlaufen und eine entsprechende Wärmeabfuhr bewirkt, ist der Kolben für moderne Brennkraftmaschinen wenig geeignet.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Brennkraftmaschinenkolben der eingangs beschriebenen Bauart so auszubilden, dass dieser im Kokillenguss- oder im üblichen Sandgussverfahren unter weitgehender Vermeidung von komplizierten Kernen bzw. aus geschmiedetem oder gewalztem Vormaterial gefertigt werden kann.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäss darin, dass der Kolben aus mehreren im Bereich der Trennebenen über eine intermetallische Zwischenschicht fest miteinander verbundenen Teilen besteht.
  • Vorzugsweise besteht der Kolben wenigstens aus einem Ober- und einem Unterteil.
  • Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal verläuft die Trennebene in Höhe des Kühlkanals. Dadurch wird eine mechanische Bearbeitung des Kühlkanals ermöglicht, welche die Kerbspannungen in der Kühlkanaloberfläche herabsetzt und eine einfache Kontrolle der Hohlräume vor dem Zusammenfügen erlaubt.
  • Die Trennebenen sind in mindestens zwei Stufen abgesetzt, damit eine einfache Zentrierung möglich ist und/oder die Trennebene in spannungsarme Zonen gelegt werden kann.
  • Es ist auch möglich, die Trennebenen geneigt zur Horizontalen oder parallel zur Kolbenlängsachse verlaufend anzuordnen.
  • Wenigstens eines der Teile des Kolbens besteht aus Gusseisen mit Kugelgraphit, Stahl, Beryllium-Bronze oder einer warmfesten Legierung wie Stellit oder Nimonic. Diese Werkstoffe können selbstverständlich auch miteinander kombiniert werden.
  • Treten in Sonderfällen bei stark hinterschnittenen Kolbenbrennräumen höhere Spitzentemperaturen auf, dann werden für das Oberteil bzw. für das die Kolbenringnuten oder einen Teil von diesen beinhaltende Kolbenteil vorzugsweise Werkstoffe gewählt, die induktiv härtbar sind und die Nutenflanken mindestens der obersten der die Kolbenringe tragenden Nuten gehärtet sind, während darunterliegende Teile weiterhin aus Gusseisen mit Kugelgraphit bestehen.
  • Im Rahmen der Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Teile des Kolbens über eine aus Kupfer, Kupferlegierungen, Silber oder Silberlegierungen bestehende Zwischenschicht miteinander verbunden.
  • Der erfindungsgemäss gestaltete Brennkraftmaschinenkolben wird in der Weise hergestellt, dass alle getrennt gefertigten Teile des Kolbens unter Einlegen von Metallfolien zusammengesetzt und einer Temperatur von 900 bis 1200°C, vorzugsweise 1100°C, für eine Zeit von 2 bis 30 Minuten, vorzugsweise 5 bis 15 Minuten, ausgesetzt werden. Durch die Ofenlötung diffundiert das Lot in die äusseren Bereiche der Kontaktflächen der Kolbenwerkstoffe ein und schafft eine feste Verbindung.
  • Es ist auch möglich, die unter Einlegen von Metallfolien zusammengesetzten Teile des Kolbens durch Schweissen mittels Ladungsträgerstrahlen zu verbinden.
  • In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Brennkraftmaschinenkolbens dargestellt. Der aus Gusseisen mit Kugelgraphit bestehende Kolben mit Zwangskühlung besitzt freihängende Bolzennaben 1, die über die Rippen 2 mit der Unterseite des Kolbenkopfes 3 und über die Rippen 4 mit dem Kolbenschaft 5 verbunden sind. Im Kolbenschaft 5 sind gegenüber dem Bolzenauge 6 Durchbrechungen 7 angeordnet. Im Kolbenkopf 3 befindet sich ein ringförmiger Kühlkanal 8, der über in der Rippe 2 angeordnete Abnahme- bzw. Abgabekanäle mit den korrespondierenden Abnahme- 9 und Abgabe-Öffnungen 10 für die Zu- bzw. Ableitung des Kühlkanals mit den Bolzennaben 1 verbunden ist. Der aus Feuersteg 11 und erster Ringnute 12 bestehende Oberteil des Kolbens und der aus Kolbenschaft 5 und den Ringnuten 13, 14, 15 gebildete Unterteil des Kolbens sind getrennt voneinander hergestellt und über eine Kupferzwischenschicht 16 von 0,1 mm Dicke hart miteinander verlötet. Die Trennebene verläuft in abgestufter Form in Höhe des Kühlkanals.
  • In der Fig. 2 ist ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäss aus drei Teilen bestehenden Brennkraftmaschinenkolbens mit Spritzkühlung und Brennraummulde dargestellt. Die Teile 17, 18, 20, die aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, sind teilweise mittels Ladungsträgerstrahlen miteinander verbunden und teilweise miteinander verlötet. Das aus einem warmfesten Schmiedewerkstoff hergestellte Oberteil 17 ist mittels Ladungsträgerstrahlen mit dem Mittelteil 18 aus Gusseisen mit Kugelgraphit über die Trennebene 19 verschweisst. Das Mittelteil 18 stützt sich auf das aus Gusseisen mit Kugelgraphit gegossene Unterteil 20 ab, welches mit dem Zwischenteil 18 durch in der abgesetzten Trennebene 21 verlaufende intermetallische Zwischenschicht verbunden ist. Dabei ist die Trennebene 21 zwischen Mittelteil 18 und Unterteil 20 so angeordnet, dass der in Ober- und Mittelteil angebrachte Kühlkanal 22 eine einfache geometrische Form erhält, welche mit einfachen Werkzeugen und geringstem Aufwand herstellbar ist. Im Unterteil 20 sind die vertikalen Rippen 23 und die horizontalen, mit dem Bolzenauge 25 verbundenen Rippen 24 angeordnet. Die Kühlmittelzufuhr bzw. -abfuhr erfolgt über die in den Rippen 23 eingegossenen Kanäle 26, 27.
  • Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen darin, dass Kolben der eingangs genannten Bauart auf vergleichsweise einfache Art und Weise herstellbar sind.

Claims (11)

1. Gekühlter, ganz oder teilweise aus einem Eisenwerkstoff bestehender Brennkraftmaschinenkolben, insbesondere für Dieselmotoren, mit einem im Kolbenkopf (3) hinter der Ringpartie wenigstens im Bereich der ersten Ringnute (12) ringförmig umlaufenden Kühlkanal (8, 22), bei dem die freihängenden Bolzennaben (1) durch Rippen (2, 4, 23, 24) mit der Innenseite des Kolbenbodens und dem Kolbenschaft (5) verbunden und im Kolbenschaft gegenüber den Bolzenaugen (6) Durchbrechungen (7) angeordnet sind, wobei der Kühlkanal über entsprechende, im wesentlichen parallel zur Kolbenachse verlaufende Kühlmittelzu- bzw. -ablaufleitungen (9, 10, 26, 27) mit dem Kühlmittelumlaufsystem verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus mehreren im Bereich der Trennebenen (16, 19, 21) über eine intermetallische Zwischenschicht fest miteinander verbundenen Teilen (3,5,17,18, 20) besteht. 2. Brennkraftmaschinenkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben wenigstens aus einem Oberteil (3) und einem Unterteil (5) besteht.
3. Brennkraftmaschinenkolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, das die Trennebene (16, 21) in Höhe des Kühlkanals angebracht ist.
4. Brennkraftmaschinenkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, das die Trennebene (16, 21) in mindestens zwei Stufen abgesetzt ist.
5. Brennkraftmaschinenkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennebene (16,17, 21) zur Horizontalen geneigt ist.
6. Brennkraftmaschinenkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Teile des Kolbens aus Gusseisen mit Kugelgraphit, Stahl, Beryllium-Bronze oder warmfesten Legierungen wie Stellit oder Nimonic besteht.
7. Brennkraftmaschinenkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das Oberteil (3) bzw. für das die Kolbenringnuten oder einen Teil von diesen beinhaltende Kolbenteil vorzugsweise ein Werkstoff gewählt wird, der induktiv härtbar ist und die Nutenflanken mindestens der obersten der die Kolbenringe tragenden Nuten (12) gehärtet sind.
8. Brennkraftmaschinenkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Kupfer oder Kupferlegierungen besteht.
9. Brennkraftmaschinenkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Silber oder einer Silberlegierung besteht.
10. Verfahren zur Herstellung des Kolbens nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Teile unter Einlegen von Metallfolien zusamengesetzt und bei einer Temperatur von 900 bis 1200°C, vorzugsweise 1100°C, 2 bis 30 Minuten, vorzugsweise 5 bis 15 Minuten, in inerter Atmosphäre erwärmt werden.
11. Verfahren zur Herstellung des Brennkraftmaschinenkolbens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung durch eine Schweissung mit Ladungsträgerstrahlen erfolgt.
EP19780200004 1977-07-04 1978-06-01 Gekühlter Brennkraftmaschinenkolben und Verfahren zu seiner Herstellung Expired EP0000592B1 (de)

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