EP2094961A2 - Zweiteiliger kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Zweiteiliger kolben für einen verbrennungsmotor

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EP2094961A2
EP2094961A2 EP07817720A EP07817720A EP2094961A2 EP 2094961 A2 EP2094961 A2 EP 2094961A2 EP 07817720 A EP07817720 A EP 07817720A EP 07817720 A EP07817720 A EP 07817720A EP 2094961 A2 EP2094961 A2 EP 2094961A2
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EP
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piston
bearing surfaces
chromium layer
partly
microns
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Withdrawn
Application number
EP07817720A
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English (en)
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Inventor
Jochen Kortas
Christof Geissler
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Publication date
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    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/12—Coating

Definitions

  • the invention relates to a two-part piston for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • German Patent Application No. 10 2006 015 587.4 discloses an upper part of a built-up piston which, on its lower side facing away from the piston crown, has an annular rib with an inner contact surface and an annular wall with an outer contact surface.
  • Schwingungsreibverschl In order to avoid assembly of the piston upper part with a piston lower part in engine operation, resulting in relative movements of the piston upper part and the piston, Schwingungsreibverschl excreibverschl excreibverschl generate and welds the contact surfaces of the two piston parts and thus wear of the contact surfaces to be incorporated into the contact surfaces of the upper groove-shaped recesses.
  • the recesses are made by turning or by means of a laser, which has the disadvantage that the production of the recesses is relatively complicated and expensive.
  • FIG. 1 is a sectional view of an existing of an upper part and a lower part of the piston, which are bolted together by means of expansion bolts,
  • FIG. 2 is a perspective view of the lower part of the piston and the bearing surfaces over which the upper part of the piston rests on the lower part
  • Fig. 3 is a perspective view of the upper part of the piston and the bearing surfaces
  • Fig. 4 shows a cross section of the support surface with a chromium layer.
  • Fig. 1 shows a piston 1 for an internal combustion engine, which consists of an upper part 2 and a lower part 3.
  • the upper part 2 made of steel and the lower part 3 made of nodular cast iron or aluminum, or the upper part 2 and the lower part 3 of the piston 1 made of steel.
  • the upper part 2 and the lower part 3 are screwed together by means of two expansion screws 4 and 5.
  • the upper part 2 forms the piston head 6, in which a combustion bowl 7 is arranged.
  • the piston 1 radially outwardly a circumferential cooling channel 8, which is partly formed in the upper part 2 and partly in the lower part 3 of the piston 1.
  • the cooling channel 8 is bounded radially on the outside by a ring wall 9 connected to the piston head 6 and radially inwardly by the piston head 6, partly by a circumferential upper annular rib 10 formed on the underside of the upper part 2 facing away from the piston crown and partly by a side of the lower part facing the piston head 3 attached lower annular rib 11.
  • two holes 12 and 13 and in the upper ring flu 10 two blind holes 14 and 15 are introduced with internal thread in the lower annular rib.
  • an inner cooling space 17 is limited, which has a lower opening 18 through which cooling oil is injected into the inner cooling space 17. 2, the cooling oil passes from the cooling space 17 into the cooling channel 8, which has an oil drain opening 20 shown in FIG. 2, via which the cooling oil is conducted into the piston interior 21.
  • the lower part 3 of the piston 1 furthermore has a piston shaft 22 and two pin bores 23 and 24, which are shown in FIGS. 1 and 2.
  • the upper annular rib 10 has on its underside and the lower annular rib 11 on its upper side in each case an inner, ring-shaped Positioning surface 25, 26, over which the radially inner portions of the upper part 2 and the lower part 3 of the piston 1 lie on one another.
  • the end face of the annular wall 9 facing away from the piston crown and a collar 27 mounted on the upper side of the lower part 3 each have an outer, annular bearing surface 28 and 29, over which the radially outer regions of the upper part 2 and of the lower part 3 rest on one another.
  • the distance of the inner bearing surfaces 25, 26 from the piston head 6 is less than the distance between the outer bearing surfaces 28, 29 from the piston head. 6
  • the surface of the chromium layer 30 in this case has the form of buds or nubs.
  • the roughness Rz of the chromium layer 30 is between 10 ⁇ m and 25 ⁇ m.
  • the surface-structured chromium layer 30 can be applied by an electrochemical (galvanic) path, wherein nucleation processes of the chromium are triggered by means of electrical voltage pulses on the bearing surfaces and subsequently the growth of the chromium nuclei is effected by further chromium addition by means of further sequence pulses.
  • the bearing surfaces 25, 26, 28, 29 of the upper part 2 and the lower part 3 existing, screwed piston 1 move in engine operation relative to each other, so that this results in a Schwingungsreibverschl founded on the bearing surfaces and a friction welding of the bearing surfaces.
  • material welds of parts of the bearing surfaces result with attributable to it, partial material triggering.
  • the surface The patterned chromium layer 30 according to the invention has the advantage that the oil retention volume of the structured surface of the chromium layer 30 is improved, thereby avoiding the vibration-wear and the friction welding of the relatively moving bearing surfaces.
  • the structuring of the surface of the chromium layer 30 reduces the pressure-related, partial material welding and damage to the bearing surfaces.
  • the chromium layer 30 is harder and thus more resistant to wear than the piston base material, so that the chromium layer has a lower frictional wear during engine operation than the prior art chromium-plated piston base material.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein zweiteiliger Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor bestehend aus einem Oberteil (2) und einem damit verschraubten Unterteil (3), wobei das Oberteil (2) und das Unterteil (3) teils über die Unterseite einer oberen Ringrippe (10) und die Oberseite einer unteren Ringrippe (11) begrenzende, innere Auflageflächen (25, 26) und teils über die Unterseite der Ringwand (9) und die Oberseite eines am Unterteil (29 angebrachten Kragens (27) begrenzende, äußere Auflageflächen (28, 29) in Kontakt miteinander stehen. Zur Vermeidung von Schwingungsreibverschleiß, von Reibverschweißungen und von druckbedingten Materialverschweißungen wird mindestens eine der Auflageflächen (25, 26, 28, 29) auf einfache und preisgünstige Weise mit einer Chromschicht (30) belegt, die eine strukturierte und eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen aufweisende Oberfläche hat.

Description

Zweiteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen zweiteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der Deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2006 015 587.4 ist ein Oberteil eines gebauten Kolbens bekannt, das auf seiner kolbenbodenabgewand- ten Unterseite eine Ringrippe mit einer inneren Kontaktfläche und eine Ringwand mit einer äußeren Kontaktfläche aufweist. Um nach dem Zusammenbau des Kolbenoberteils mit einem Kolbenunterteil im Motorbetrieb, bei dem sich Relativbewegungen des Kolbenoberteils und des Kolbenunterteils ergeben, Schwingungsreibverschleiß und Verschweißungen der Kontaktflächen der beiden Kolbenteile und damit einen Verschleiß der Kontaktflächen zu vermeiden, sind in die Kontaktflächen des Oberteils rillenförmige Vertiefungen eingearbeitet. Hergestellt werden die Vertiefungen durch Drehen oder mittels eines Lasers, was den Nachteil mit sich bringt, dass die Herstellung der Vertiefungen relativ aufwendig und teuer ist.
Diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird die Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein Schnittbild eines aus einem Oberteil und einem Unterteil bestehenden Kolbens, welche beiden Kolbenteile mittels Dehnschrauben miteinander verschraubt sind,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Unterteils des Kolbens und der Auflageflächen, über die das Oberteil des Kolbens auf dessen Unterteil aufliegt, Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Oberteils des Kolbens und der Auflageflächen und Fig. 4 einen Querschnitt der Auflagefläche mit einer Chromschicht.
Fig. 1 zeigt einen Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor, der aus einem Oberteil 2 und einem Unterteil 3 besteht. Hierbei können das Oberteil 2 aus Stahl und das Unterteil 3 aus Kugelgraphitguss oder aus Aluminium, beziehungsweise das Oberteil 2 und das Unterteil 3 des Kolbens 1 aus Stahl bestehen.
Das Oberteil 2 und das Unterteil 3 sind mittels zweier Dehnschrauben 4 und 5 miteinander verschraubt. Das Oberteil 2 bildet den Kolbenboden 6, in dem eine Verbrennungsmulde 7 angeordnet ist. Nahe dem Kolbenboden 6 weist der Kolben 1 radial außen einen umlaufenden Kühlkanal 8 auf, der teils in das Oberteil 2 und teils in das Unterteil 3 des Kolbens 1 eingeformt ist. Begrenzt wird der Kühlkanal 8 radial außen von einer mit dem Kolbenboden 6 verbundenen Ringwand 9 und radial innen teils vom Kolbenboden 6, teils von einer an die kolbenbodenabgewandte Unterseite des Oberteils 2 angeformten, umlaufenden oberen Ringrippe 10 und teils von einer auf der kolbenbodenzugewandten Seite des Unterteils 3 angebrachten unteren Ringrippe 11. Für die beiden Dehnschrauben 4 und 5 sind in die untere Ringrippe 11 zwei Bohrungen 12 und 13 und in die obere Ringgrippe 10 zwei Sacklochbohrungen 14 und 15 mit Innengewinde eingebracht.
Vom Kolbenboden 6, von der oberen und der unteren Ringrippe 10 und 11 und vom oberen Deckenbereich 16 des Unterteils 3 wird ein innerer Kühlraum 17 begrenzt, der eine untere Öffnung 18 aufweist, über die Kühlöl in den inneren Kühlraum 17 gespritzt wird. Über radial angeordnete und in Fig. 2 gut erkennbare Kanäle 19 gelangt das Kühlöl vom Kühlraum 17 in den Kühlkanal 8, der eine in Fig. 2 dargestellte Ölabflussöffnung 20 aufweist, über die das Kühlöl in den Kolbeninnenraum 21 geleitet wird. Das Unterteil 3 des Kolbens 1 weist weiterhin einen Kolbenschaft 22 und zwei Bolzenbohrungen 23 und 24 auf, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind.
Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, weisen die obere Ringrippe 10 auf ihrer Unterseite und die untere Ringrippe 11 auf ihrer Oberseite jeweils eine innere, ringförmige Auf- lagefläche 25, 26 auf, über die die radial inneren Bereiche des Oberteils 2 und des Unterteils 3 des Kolbens 1 aufeinanderliegen. Radial außen weisen die kolbenbo- denabgewandte Stirnseite der Ringwand 9 und ein auf der Oberseite des Unterteils 3 angebrachter Kragen 27 jeweils eine äußere, ringförmige Auflagefläche 28 und 29 auf, über die die radial äußeren Bereiche des Oberteils 2 und des Unterteils 3 aufeinanderliegen. Hierbei ist der Abstand der inneren Auflageflächen 25, 26 vom Kolbenboden 6 geringer als der Abstand der äußeren Auflageflächen 28, 29 vom Kolbenboden 6.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, entweder die innere und äußere Auflagefläche 25 und 28 des Oberteils 2, oder die innere und äußere Auflagefläche 26 und 29 des Unterteils 3 oder alle Auflageflächen 25, 26, 28 und 29 des Oberteils 2 und des Unterteils 3 des Kolbens 1 mit einer Chromschicht 30 zu belegen, die, wie es in Fig. 4, einem Schnitt durch die Auflageflächen mit der Chromschicht 30, dargestellt ist, eine strukturierte Oberfläche und eine Dicke zwischen 15 μm und 40 μm aufweist. Möglich ist hierbei auch, nur die innere Auflagefläche 25 des Oberteils 2 und/oder die innere Auflagefläche 26 des Unterteils 3 zu beschichten.
Die Oberfläche der Chromschicht 30 hat hierbei die Form von Knospen oder Noppen. Die Rauheit Rz der Chromschicht 30 beträgt zwischen 10 μm und 25 μm. Aufgebracht werden kann die oberflächenstrukturierte Chromschicht 30 auf elektrochemischem (galvanischem) Weg, wobei mittels elektrischer Spannungsimpulse auf den Auflageflächen Keimbildungsprozesse des Chroms ausgelöst werden und anschließend mittels weiterer Folgeimpulse das Wachstum der Chromkeime durch Anlagerung weiteren Chroms bewirkt wird.
Die Auflageflächen 25, 26, 28, 29 des aus dem Oberteil 2 und dem Unterteil 3 bestehenden, geschraubten Kolbens 1 bewegen sich im Motorbetrieb relativ zueinander, sodass sich hierdurch ein Schwingungsreibverschleiß an den Auflageflächen und ein Reibverschweißen der Auflageflächen ergibt. Zudem können sich wegen des hohen Druckes, den das Oberteil 2 während des Verbrennungsvorganges auf das Unterteil 3 des Kolbens 1 ausübt, Materialverschweißungen von Teilen des Auflageflächen mit darauf zurückzuführenden, partiellen Materialauslösungen ergeben. Die oberflä- chenstrukturierte Chromschicht 30 gemäß der Erfindung hat den Vorteil, dass das Ölhaltevolumen der strukturierten Oberfläche der Chromschicht 30 verbessert wird, wodurch der Schwingungsreibverschleiß und das Reibverschweißen der sich relativ zueinander bewegenden Auflageflächen vermieden wird. Zudem reduziert die Strukturierung der Oberfläche der Chromschicht 30 die druckbedingten, partiellen Materi- alverschweißungen und Beschädigungen der Auflageflächen.
Darüber hinaus ist die Chromschicht 30 härter und damit verschleißfester als das Kolbengrundmaterial, sodass die Chromschicht im Motorbetrieb einen geringeren Reibverschleiß als das Kolbengrundmaterial ohne Chromschicht gemäß Stand der Technik aufweist.
Bezugszeichenliste
1 Kolben
2 Oberteil des Kolbens 1
3 Unterteil des Kolbens 1 4, 5 Dehnschraube
6 Kolbenboden
7 Verbrennungsmulde
8 Kühlkanal
9 Ringwand
10 obere Ringrippe
11 untere Ringrippe 12,13 Bohrung
14,15 Sacklochbohrung
16 Deckenbereich des Unterteils des Kolbens 1
17 innerer Kühlraum
18 untere Öffnung des inneren Kühlraumes
19 Kanal
20 Ölabflussöffnung 1 Kolbeninnenraum 2 Kolbenschaft 23,24 Bolzenbohrung 5 innere Auflagefläche des Oberteils 6 innere Auflagefläche des Unterteils 7 Kragen 8 äußere Auflagefläche des Oberteils 9 äußere Auflagefläche des Unterteils 0 Chromschicht

Claims

Patentansprüche
1. Zweiteiliger Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor
- bestehend aus einem Oberteil (2) und einem damit verschraubten Unterteil
(3),
- mit einem vom Oberteil (2) gebildeten Kolbenboden (6) und einem vom Unterteil (3) gebildeten Kolbenschaft (22), der zwei einander gegenüberliegende Bolzenbohrungen (23, 24) aufweist.
- mit einem nahe dem Kolbenboden (6) und radial außen angeordneten, umlaufenden Kühlkanal (8),
= der zum Teil in das Oberteil (2) und zum Teil in das Unterteil (3) eingeformt ist,
= der radial außen von einer mit dem Kolbenboden (6) verbundenen Ringwand (9) und einem radial außen und auf der Oberseite des Unterteils (3) angebrachten, umlaufenden Kragen (27) begrenzt wird,
= und der radial innen teils von einer an die kolbenbodenabgewandte Unterseite des Oberteils (2) angeformten, umlaufenden oberen Ringrippe (10) und teils von einer auf der kolbenbodenzugewandten Oberseite des Unterteils (3) angebrachten, umlaufenden unteren Ringrippe (11 ) begrenzt wird,
- wobei das Oberteil (2) und das Unterteil (3) teils über die Unterseite der oberen Ringrippe (10) und die Oberseite der unteren Ringrippe (11 ) begrenzende, innere Auflageflächen (25, 26) und teils über die Unterseite der Ringwand (9) und die Oberseite des Kragens (27) begrenzende, äußere Auflageflächen (28, 29) in Kontakt miteinander stehen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Auflageflächen (25, 26, 28, 29) mit einer Chromschicht (30) belegt ist, die eine strukturierte und eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen aufweisende Oberfläche aufweist.
2. Kolben (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der inneren Auflageflächen (25, 26) mit der Chromschicht (30) belegt ist.
3. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und die äußere Auflagefläche (25, 28) des Oberteils (2) des Kolbens (1) mit der Chromschicht (30) belegt sind.
4. Kolben (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die innere und die äußere Auflagefläche (26, 29) des Unterteils (3) des Kolbens (1) mit der Chromschicht (30) belegt sind.
5. Kolben (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die inneren und äußeren Auflageflächen (25, 26, 28, 29) des Oberteils (2) und des Unterteils (3) des Kolbens (1) mit der Chromschicht (30) belegt sind.
6. Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromschicht (30) eine Dicke zwischen 15 μm und 40 μm aufweist.
7. Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromschicht (30) eine Rauheit R2 zwischen 10 μm und 25 μm aufweist.
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