EP3356666A1 - Zweiteiliger kolben mit offenem kühlkanal - Google Patents

Zweiteiliger kolben mit offenem kühlkanal

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Publication number
EP3356666A1
EP3356666A1 EP16805721.4A EP16805721A EP3356666A1 EP 3356666 A1 EP3356666 A1 EP 3356666A1 EP 16805721 A EP16805721 A EP 16805721A EP 3356666 A1 EP3356666 A1 EP 3356666A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
recess
closure element
cooling channel
annular recess
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16805721.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Lormes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KS Kolbenschmidt GmbH
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KS Kolbenschmidt GmbH filed Critical KS Kolbenschmidt GmbH
Publication of EP3356666A1 publication Critical patent/EP3356666A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • F02F2003/0061—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping by welding

Definitions

  • the invention relates to a piston for internal combustion engines according to the features of the preamble of the independent claim.
  • the invention is therefore based on the object to provide a piston with optimized mass, with which the initially described disadvantages are avoided.
  • the lower part has a flat joining region with at least one recess and the upper part has a flat joining region and an annular recess extending from the joining region into the lower part, wherein the at least one recess of the lower part after the material connection in Cover is with a portion of the annular recess.
  • the introduction of the annular recess also takes place during forging, when the upper part is made by forging, but can also by otherwise processing, such as by a machining, are introduced. Both in forging and during the casting of the upper part are thus arbitrary shaping, such as in the annular course the same or different cross sections, with or without undercuts, possible.
  • adjacent joining areas such as later in the direction of the ring field of the piston and those that are later in the direction of the piston stroke axis at
  • the upper part can be connected in a suitable manner with the lower part.
  • a base is made, also in a suitable manner, such as e.g. by forging, casting, a combination of such methods, including the subsequent attachment of piston members to a piston base member, such as a piston. Welding of piston stems to a piston base part.
  • the lower part is provided with the at least one recess, wherein a joining region is likewise formed around the at least one recess.
  • special shapes for the cohesive connection can be omitted both in the upper part and in the lower part.
  • circumferential webs with joining surfaces on the lower part and on the upper part as they are known from the prior art.
  • both the lower part and the upper part are produced, which have a large-area joining region for the material-locking connection, of which only the annular recess in the upper part and the at least one recess in the lower part is excluded. Due to this large area joining area, the entire stability of the finished piston increases after the cohesive connection of upper part with lower part.
  • the annular recess in the upper part is used as a cooling channel (open or closed)
  • the at least one recess in the lower part offers a significant material saving.
  • more than two recesses preferably four recesses, are provided in the lower part. These at least two recesses also overlap with the annular recess of the Upper part, so that further material can be saved by several recesses in the lower part and the weight of the finished piston can be reduced.
  • a closure element is inserted between the lower part and the upper part.
  • a one-part or multi-part closure element can be manufactured separately from the lower part and the upper part and then used when the upper part is materially connected to the lower part. In this cohesive connection, the fixing of the closure element to the lower part and / or the upper part takes place at the same time.
  • the one- or multi-part closure element creates a self-contained space in the upper part by covering the annular recess, so that during later operation of the finished piston this space serves as an annular cooling channel. So that a cooling medium can be introduced into this space and also discharged or circulated again, it is still necessary to introduce at least one inlet and one outlet opening.
  • a cooling oil jet of an injection nozzle can be injected via the at least one inlet opening into the annular cooling channel in the upper part, then can circulate in the annular cooling channel and can then be discharged again via the at least one drain opening.
  • the closure element has at least one opening, preferably two openings.
  • the at least one opening serves as an inlet and outlet opening, so that the cooling oil jet via the at least one recess in the lower part via the at least one opening in the closure element in the annular recess of the upper part can be injected.
  • the closure element has two openings, wherein one opening (eg bore) serves as feed opening and the other opening (eg likewise a hole) as drain opening. It goes without saying that these two openings of the closure element are arranged in those areas of the at least one recess in the lower part or in mutually different recesses of the lower part.
  • a friction-welded connection comes into consideration in a particularly advantageous manner, since the mutually facing two-dimensional joining regions on the lower part or the upper part are particularly well suited for this purpose.
  • the Reibsch spawülste resulting in the friction welding can be removed all or part or not at all. If they are not removed at all, this depends on whether they are accessible at all (if they are not accessible, no removal is possible) or if they impede the operation of the piston or, for example, the flow of the cooling medium.
  • FIG. 1 shows a lower part 1 of a piston which has a large-area joining region 2 on its upper side.
  • the joining region 2 is arranged only by at least one recess 3, in this case a total of four recesses 3 located on a circular path, is / are.
  • the joining region 2 extends from the outer diameter of the lower part 1 to in the direction of the central region and may be formed flat up to the direction of the center axis (piston stroke axis) of the lower part 1.
  • an elevation is formed concentrically around the center axis of the lower part 1, which can already be realized with production of the lower part 1 and later can form a part, in particular a dome-shaped elevation, of a combustion bowl of the finished piston.
  • Figure 2 shows a corresponding with the lower part 1 according to Figure 1 upper part 4 in different views.
  • This upper part 4 when viewing the upper left representation around the center axis (again the Kolbenhubachse) has a recess corresponding to the elevation of the upper part 1 according to Figure 1, so that through this recess later by further processing a combustion bowl of the piston can be formed , In the embodiment of Figure 2, this recess is present, but it does not have to be.
  • the upper part 4 on its underside (right upper and lower illustration of Figure 2) on an annular recess 5.
  • This annular recess 5 is already introduced either with the production of the upper part 4 (for example by casting or forging or comparable methods), but it can also be subsequently introduced after the actual production of the upper part 4 (for example by a milling process or similar processes). Both the introduction of the at least one recess 3 of the lower part 1 and the annular recess 5 of the upper part 4 are suitable methods such. Forging, machining, erosion, and the like into consideration. It is important that when introducing the annular recess 5 there is a great deal of freedom, so that thereby the desired inner contour of a subsequent cooling channel of the finished piston can be adjusted and optimally designed.
  • Figure 3 shows a finished piston 6, wherein the upper part 4 with the lower part 1 cohesively, preferably by a Reibsch spathetic, insoluble connected is. It can be seen that the at least one recess 3 of the lower part 1 is in overlap with the annular recess 5 of the upper part 4.
  • Figure 4 shows the same piston 6 in different views, in which the lower part 1 and upper part 4 are materially non-releasably connected to each other. Here it can be seen that the material connection is made by a friction-welded connection and Reibsch spawülste in the region of the transition of the recess 5 of the upper part 4 in the direction of the recess 3 of the lower part 1 maintained, ie, have not been removed.
  • FIGS. 5 and 6 show an alternative embodiment of a piston 7 in which the parts 1, 4 already described and described in detail in the preceding figures are used.
  • the only difference is that a closure element 8 is manufactured separately from these parts 1, 4.
  • the two parts 1, 4 cohesively, again preferably by a Reibsch spatax, inextricably linked.
  • the investment geometries of the one- or multi-part closure element 8 are adapted to the investment geometries of the lower part 1 and / or the upper part 4 so that a cohesive connection of the closure element 8 in the material connection of lower part 1 with the upper part 4 not at all, only on one part 1 or 4 or on both parts 1, 4 takes place.
  • the investment geometries are designed so that in the Reibsch capitatress of the lower part 1 with the upper part 4, the closure element 8 at least clamped, but advantageously mitreibgesch solutiont.
  • FIG. 5 shows that the annular recess 5 in the upper part 4 is completely closed by the closure element 8
  • the closure element 8 can be manufactured or thereafter with at least one opening 9, preferably two openings 9, preferably produced by drilling, be provided, as can be seen in Figure 6, left illustration.
  • at least one inlet and at least one drain opening 10 (right-hand representation of FIG.
  • a piston of an internal combustion engine formed from a lower part and an upper part, which has a piston head and a cooling channel, wherein the piston has material recesses produced by adapted forging contours and joining planes.
  • the positioning of material recesses takes place through adapted forging contours and joining planes. This achieves local material savings.
  • the joining levels of the piston design achieved significant material savings and thus a reduction in the piston mass.
  • the optimization of the forging contours with regard to material savings also leads to a significant mass reduction of the piston.
  • the invention provides that the cooling channel has a closure element.
  • the piston according to the invention can be designed, for example, as a steel piston.

Abstract

Kolben (6, 7) einer Brennkraftmaschine, gebildet aus einem Unterteil (1) und einem Oberteil (4), aufweisend einen Kolbenboden und einen Kühlkanal, wobei das Unterteil (1) mittels einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Oberteil (4) verbunden ist, wobei das Unterteil einen flächigen Fügebereich mit zumindest einer Ausnehmung aufweist und das Oberteil einen flächigen Fügebereich sowie eine ausgehend von dem Fügebereich sich in das Unterteil erstreckende ringförmige Ausnehmung aufweist, wobei die zumindest eine Ausnehmung des Unterteiles nach der stoffschlüssigen Verbindung in Überdeckung ist mit einem Teilbereich der ringförmigen Ausnehmung.

Description

KS Kolbenschmidt GmbH, Neckarsulm
Zweiteiliger Kolben mit offenem Kühlkanal
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs.
Bisher erfolgt die Gewichtsoptimierung bei zweiteiligen Kolben mit offenem Kühlkanal durch örtliche Materialeinsparungen mit zunehmendem Kostennachteil.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit optimierter Masse anzugeben, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden.
Die Aufgabe ist dadurch gelöst, dass das Unterteil einen flächigen Fügebereich mit zumindest einer Ausnehmung aufweist und das Oberteil einen flächigen Fügebereich sowie eine ausgehend von dem Fügebereich sich in das Unterteil erstreckende ringförmige Ausnehmung aufweist, wobei die zumindest eine Ausnehmung des Unterteiles nach der stoffschlüssigen Verbindung in Überdeckung ist mit einem Teilbereich der ringförmigen Ausnehmung. Durch die ringförmige Ausnehmung in dem Oberteil wird ein Raum geschaffen, der im Betrieb des Kolbens einen Kühlkanal bildet, der bei Betrachtung der Kolbenhubachse nach unten offen ist oder von einem Verschlusselement verschlossen werden kann. Durch die separate Herstellung des Oberteiles auf geeignete Art und Weise (wie z.B. Gießen, Schmieden oder dergleichen) kann die gewünschte Formgebung des späteren Kühlkanales erzielt werden. Das Einbringen der ringförmigen Ausnehmung erfolgt ebenfalls beim Schmieden, wenn das Oberteil durch schmieden hergestellt wird, kann aber auch durch anderweitige Bearbeitung, wie z.B. durch eine spanabhebende Bearbeitung, eingebracht werden. Sowohl beim Schmieden als auch beim Gießen des Oberteiles sind somit beliebige Formgebung, wie z.B. im ringförmigen Verlauf gleiche oder voneinander abweichende Querschnitte, mit oder ohne Hinterschnitten, möglich. Gleichzeitig werden mit Herstellung oder Einbringen der ringförmigen Ausnehmung in dem Unterteil danebenliegende Fügebereiche (solche, die später in Richtung des Ringfeldes des Kolbens und solche, die später in Richtung der Kolbenhubachse bei sind) realisiert. Über diese Fügeflächen (Fügebereiche) kann das Oberteil auf geeignete Art und Weise mit dem Unterteil verbunden werden.
Separat von dem Oberteil wird ein Unterteil hergestellt, ebenfalls auf geeignete Art und Weise, wie z.B. durch Schmieden, Gießen, einer Kombination solcher Verfahren einschließlich der späteren Anbringung von Kolbenelementen an einem Kolbenbasisteil, wie z.B. Anschweißen von Kolbenschäften an ein Kolbenbasisteil. Bei der Herstellung oder danach wird das Unterteil mit der zumindest eine Ausnehmung versehen, wobei um die zumindest eine Ausnehmung herum ebenfalls ein Fügebereich gebildet wird. Dadurch können sowohl bei dem Oberteil als auch bei dem Unterteil besondere Formgebungen für die stoffschlüssige Verbindung entfallen. Vor allen Dingen entfallen umlaufende Stege mit Fügeflächen an dem Unterteil und an dem Oberteil, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Mit anderen Worten wird sowohl das Unterteil als auch das Oberteil hergestellt, die zum Stoffschlüssigen Verbinden einen großflächigen Fügebereich aufweisen, von dem lediglich die ringförmige Ausnehmung in dem Oberteil und die zumindest eine Ausnehmung in dem Unterteil ausgenommen ist. Durch diesen großflächigen Fügebereich erhöht sich die gesamte Stabilität des fertigen Kolbens nach der stoffschlüssigen Verbindung von Oberteil mit Unterteil. Außerdem besteht eine sehr hohe Flexibilität bei der Formgebung nicht nur der ringförmigen Ausnehmung des Oberteiles (wie schon beschrieben), sondern auch bei der Einbringung der zumindest einen Ausnehmung in dem Unterteil, die ebenfalls durch spanabhebende Bearbeitung (wie beispielsweise Fräsen oder dergleichen) oder Schmieden erfolgen kann. Insbesondere dann, wenn die ringförmige Ausnehmung in dem Oberteil als Kühlkanal (offen oder verschlossen) genutzt wird, bietet die zumindest eine Ausnehmung in dem Unterteil eine deutliche Materialeinsparung.
In Weiterbildung der Erfindung sind in dem Unterteil mehr als zwei Ausnehmungen, vorzugsweise vier Ausnehmungen, vorgesehen. Diese zumindest zwei Ausnehmungen überdecken sich ebenfalls mit der ringförmigen Ausnehmung des Oberteiles, sodass durch mehrere Ausnehmungen in dem Unterteil weiter Material eingespart und das Gewicht des fertigen Kolbens reduziert werden kann. Außerdem ist es durch die zumindest zwei oder mehr als zwei Ausnehmungen möglich, Kühlmedium in den Kühlkanal der ringförmigen Ausnehmung in dem Oberteil einzuspritzen. Insbesondere dann, wenn sich die zumindest zwei Ausnehmungen in dem Unterteil über einen größeren Kreisbogenabschnitt des ringförmigen Kühlkanales erstrecken (und somit nicht als runde Ausnehmung ausgebildet sind) kann ein hohes Volumen an Kühlmedium eingespritzt werden, wobei gleichzeitig Toleranzen bei dem Einbau der Einspritzdüse für das Kühlmedium ausgeglichen werden, da für den von der Einspritzdüse abgegebenen Kühlölstrahl eine größere Auftrefffläche zur Verfügung steht.
In Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Unterteil und dem Oberteil ein Verschlusselement eingesetzt. Ein solches ein- oder mehrteiliges Verschlusselement kann separat von dem Unterteil und dem Oberteil hergestellt werden und dann eingesetzt werden, wenn das Oberteil mit dem Unterteil stoffschlüssig verbunden wird. Bei dieser stoffschlüssigen Verbindung erfolgt gleichzeitig die Festlegung des Verschlusselementes an dem Unterteil und/oder dem Oberteil. Das ein- oder mehrteilige Verschlusselement schafft einen an sich abgeschlossenen Raum in dem Oberteil durch Abdeckung der ringförmigen Ausnehmung, sodass im späteren Betrieb des fertigen Kolbens dieser Raum als ringförmiger Kühlkanal dient. Damit ein Kühlmedium in diesem Raum eingeführt und auch wieder abgeführt bzw. zirkulieren kann, ist es noch erforderlich, zumindest eine Zulauf- und eine Ablauföffnung einzubringen. Diese können an geeigneter Stelle je nach Geometrie des fertigen Kolbens in das Unterteil und/oder das Oberteil und/oder das Verschlusselement eingebracht werden. Wichtig ist es, dass ein Kühlölstrahl einer Einspritzdüse über die zumindest eine Zulauföffnung in den ringförmigen Kühlkanal in dem Oberteil eingespritzt werden kann, danach in dem ringförmigen Kühlkanal zirkulieren kann und danach über die zumindest eine Ablauföffnung wieder abgeführt werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung weist das Verschlusselement zumindest eine Öffnung auf, vorzugsweise zwei Öffnungen. Die zumindest eine Öffnung dient als Zulauf- und Ablauföffnung, sodass der Kühlölstrahl über die zumindest eine Ausnehmung in dem Unterteil über die zumindest eine Öffnung in dem Verschlusselement in die ringförmige Ausnehmung des Oberteiles eingespritzt werden kann. Damit das Kühlmedium in dem Kühlkanal in dem Oberteil zirkulieren kann, ist es von Vorteil, wenn das Verschlusselement zwei Öffnungen aufweist, wobei die eine Öffnung (z.B. Bohrung) als Zulauf- und die andere Öffnung (z.B. ebenfalls eine Bohrung) als Ablauföffnung dient. Dabei versteht es sich von selbst, dass diese beiden Öffnungen des Verschlusselementes in denjenigen Bereichen der zumindest einen Ausnehmung in dem Unterteil oder in voneinander verschiedenen Ausnehmungen des Unterteiles angeordnet sind. Für die stoffschlüssige Verbindung kommt in besonders vorteilhafter Weise eine Reibschweißverbindung in Betracht, da die einander zugewandten flächigen Fügebereiche an dem Unterteil bzw. dem Oberteil hierfür besonders gut geeignet sind. Die bei dem Reibschweißvorgang entstehenden Reibschweißwülste können allesamt oder teilweise oder gar nicht entfernt werden. Werden sie gar nicht entfernt, hängt dies davon ab, ob sie überhaupt zugänglich sind (wenn sie nicht zugänglich sind, ist keine Entfernung möglich) oder ob sie den Betrieb des Kolbens oder auch z.B. die Strömung des Kühlmediums behindern.
Ein Ausführungsbeispiel eines Kolbens ohne ein Verschlusselement und ein Ausführungsbeispiel eines Kolbens mit einem Verschlusselement werden im Folgenden beschrieben und sind anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt ein Unterteil 1 eines Kolbens, das an seiner Oberseite einen großflächigen Fügebereich 2 aufweist. Der Fügebereich 2 ist lediglich von zumindest einer Ausnehmung 3, hier insgesamt vier sich auf einer Kreisbahn befindenden Ausnehmungen 3, angeordnet ist/sind. Der Fügebereich 2 erstreckt sich von dem Außendurchmesser des Unterteiles 1 bis in Richtung des Mittenbereiches und kann flächig bis in Richtung der Mittenachse (Kolbenhubachse) des Unterteiles 1 ausgebildet sein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist konzentrisch um die Mittenachse des Unterteiles 1 herum eine Erhebung ausgebildet, die schon mit Herstellung des Unterteiles 1 realisiert werden kann und später einen Teil, insbesondere eine domförmige Erhebung, einer Brennraummulde des fertigen Kolbens bilden kann. Außerdem weist das Unterteil an sich bekannte Elemente eines Kolbens auf, wie z.B. Bolzenbohrungen, Bolzennaben, tragende Schaftwandabschnitte und dergleichen. Es ist darauf hinzuweisen, dass das Design des Unterteiles 1 , insbesondere bei Betrachtung der linken Darstellung der Figur 1 , nur beispielhaft ist und auch andere Designs (wie z.B. durchgehende zylinderförmige tragende Schaftwand) aufweisen kann.
Figur 2 zeigt ein mit dem Unterteil 1 gemäß Figur 1 korrespondierendes Oberteil 4 in verschiedenen Ansichten. Dieses Oberteil 4 weist bei Betrachtung der linken oberen Darstellung um die Mittenachse (auch hier wieder die Kolbenhubachse) eine Ausnehmung auf, die der Erhebung des Oberteiles 1 gemäß Figur 1 entspricht, sodass durch diese Ausnehmung später durch weitere Bearbeitung eine Brennraummulde des Kolbens gebildet werden kann. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist diese Ausnehmung vorhanden, muss es aber nicht sein. Weiterhin weist das Oberteil 4 auf seiner Unterseite (rechte obere und untere Darstellung der Figur 2) eine ringförmige Ausnehmung 5 auf. Diese ringförmige Ausnehmung 5 wird entweder mit Herstellung des Oberteiles 4 schon eingebracht (z.B. im Gieß- oder Schmiedeverfahren oder vergleichbare Verfahren), kann aber auch nach der eigentlichen Herstellung des Oberteiles 4 nachträglich eingebracht werden (z.B. durch einen Fräsvorgang oder ähnlich Vorgänge). Sowohl die Einbringung der zumindest einen Ausnehmung 3 des Unterteiles 1 als auch der ringförmigen Ausnehmung 5 des Oberteiles 4 kommen geeignete Verfahren wie z.B. Schmieden, spanabhebende Verfahren, Erodieren, und dergleichen in Betracht. Dabei ist es wichtig, dass beim Einbringen der ringförmigen Ausnehmung 5 eine große Freiheit besteht, sodass dadurch die gewünschte Innenkontur eines späteren Kühlkanales des fertigen Kolbens eingestellt und optimal gestaltet werden kann. Bei der Einbringung der zumindest einen Ausnehmung 3 in dem Unterteil 1 besteht ebenfalls eine große Freiheit sowohl bei der Einbringung dieser Ausnehmungen als auch deren Formgebung, sodass dadurch Funktion (Durchtritt des Kühlölstrahles in Richtung der Ausnehmung 5) als auch hinsichtlich der Materialeinsparungen bei gleichzeitiger Beibehaltung der Festigkeit, erzielt werden können.
Figur 3 zeigt einen fertigen Kolben 6, bei dem das Oberteil 4 mit dem Unterteil 1 stoffschlüssig, vorzugsweise durch eine Reibschweißverbindung, unlösbar verbunden ist. Dabei ist erkennbar, dass die zumindest eine Ausnehmung 3 des Unterteiles 1 in Überdeckung ist mit der ringförmigen Ausnehmung 5 des Oberteiles 4. Figur 4 zeigt den gleichen Kolben 6 in verschiedenen Ansichten, bei denen Unterteil 1 und Oberteil 4 stoffschlüssig unlösbar miteinander verbunden sind. Hier ist erkennbar, dass der Stoffschluss durch eine Reibschweißverbindung erfolgt und Reibschweißwülste im Bereich des Überganges der Ausnehmung 5 des Oberteiles 4 in Richtung der Ausnehmung 3 des Unterteiles 1 beibehalten, d.h., nicht entfernt worden sind. Die Reibschweißwülste, die in Richtung des Innenbereiches, d.h. n Richtung der Brennraummulde, und in Richtung der Außenseite des Kolbens 6, d.h. in Richtung des schon eingebrachten Ringfeldes, entstanden sind, sind entfernt worden. In den Figuren 5 und 6 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Kolbens 7 gezeigt, bei dem die schon in den vorangegangenen Figuren gezeigten und näher beschriebenen Teile 1 , 4 zur Anwendung kommen. Der einzige Unterschied ist darin zu sehen, dass ein Verschlusselement 8 separat von diesen Teilen 1 , 4 hergestellt wird. Das Verschlusselement 8, hier vorzugsweise dargestellt als einteiliges Element (wobei mehrteilige Ausführungen auch denkbar sind) wird vor der stoffschlüssigen Verbindung zwischen die beiden Teile 1 , 4 eingesetzt (siehe Figur 5, rechte untere Darstellung). Danach werden die beiden Teile 1 , 4 stoffschlüssig, wiederum vorzugsweise durch eine Reibschweißverbindung, unlösbar miteinander verbunden. Die Anlagegeometrien des ein- oder mehrteiligen Verschlusselementes 8 sind an die Anlagegeometrien des Unterteiles 1 und/oder des Oberteiles 4 so angepasst, dass eine stoffschlüssige Verbindung des Verschlusselementes 8 bei der stoffschlüssigen Verbindung von Unterteil 1 mit dem Oberteil 4 überhaupt nicht, nur an einem Teil 1 oder 4 oder an beiden Teilen 1 , 4 erfolgt. In vorteilhafter Weise sind die Anlagegeometrien (wie z.B. Absätze im Randbereich der Ausnehmungen 3 und/oder der ringförmigen Ausnehmung 5) so ausgeführt, dass bei der Reibschweißverbindung des Unterteiles 1 mit dem Oberteil 4 das Verschlusselement 8 zumindest eingeklemmt, in vorteilhafter Weise aber mitreibgeschweißt wird. Während in Figur 5 (insbesondere linke Darstellung) dargestellt ist, dass die ringförmige Ausnehmung 5 in dem Oberteil 4 vollständig durch das Verschlusselement 8 verschlossen ist, kann das Verschlusselement 8 mit seiner Herstellung oder danach mit zumindest einer Öffnung 9, vorzugsweise zwei Öffnungen 9, vorzugsweise durch Bohrungen hergestellt, versehen werden, wie dies in Figur 6, linke Darstellung, erkennbar ist. Dadurch werden zumindest eine Zulauf- und zumindest eine Ablauföffnung 10 (rechte Darstellung der Figur 6) realisiert, sodass über die zumindest eine Zulauföffnung ein Kühlölstrahl in den dann weitestgehend verschlossenen Kühlkanal (Verschluss der ringförmigen Ausnehmung 5 durch das Verschlusselement 8) eingespritzt werden kann. Über die andere Öffnung 10, kann das in dem Kühlkanal zirkulierende Medium dann abgeführt werden. Diese Variante ist von besonderem Vorteil, da die Öffnungen 9 in dem Verschlusselement 8 separat von der Herstellung des eigentlichen Kolbens erfolgen kann, sodass nach dem Einsetzen des Verschlusselementes 8 zwischen die beiden Teile 1 , 4 keine weiteren spanabhebenden Bearbeitungen zur Herstellung der Zulauf- und Ablauföffnung 10 muss. Damit wird wirksam vermieden, dass in den Kühlmediumkreislauf Teilchen, die bei der spanabhebenden Bearbeitung entstehen, enthalten sind. Trotzdem ist es als Alternative denkbar, ein vollständig durchgehendes Verschlusselement, wie es in Figur 5 rechts oben dargestellt ist, zwischen die beiden Teile 1 , 4 einzusetzen und diese stoffschlüssig miteinander zu verbinden und erst danach die zumindest eine Öffnung 9 zur Realisierung der zumindest einen Zulauf- bzw. der zumindest einen Ablauföffnung 10 einzubringen.
Auch für das Design des Kolbens 7 gemäß der Figuren 5 und 6 gilt das gleiche wie für das Design des Kolbens 6 gemäß der Figuren 1 bis 4.
Erfindungsgemäß ist ein Kolben einer Brennkraftmaschine vorgesehen, gebildet aus einem Unterteil und einem Oberteil, der einen Kolbenboden und einen Kühlkanal aufweist, wobei der Kolben durch angepasste Schmiedekonturen und Fügeebenen erzeugte Materialausnehmungen aufweist.
Die Positionierung von Materialausnehmungen erfolgt durch angepasste Schmiedekonturen und Fügeebenen. Hierdurch werden lokale Materialeinsparungen erzielt. Durch die Berücksichtigung der Fügeebenen beim Kolbendesign werden deutliche Materialeinsparungen und dadurch eine Reduzierung der Kolbenmasse erzielt. Auch die Optimierung der Schmiedekonturen hinsichtlich Materialeinsparung führt zu einer deutlichen Massenreduktion des Kolbens. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kühlkanal ein Verschlusselement aufweist.
Der erfindungsgemäße Kolben kann beispielsweise als Stahlkolben ausgeführt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Kolben
2 Unterteil
3 Oberteil
4 Verschlusselement
5 ringförmige Ausnehmung
6 Kolben
7 Kolben
8 Verschlusselement
9 Öffnung
10 Ablauföffnung

Claims

Kolbenschmidt GmbH, Neckarsulm Zweiteiliger Kolben mit offenem Kühlkanal P A T E N T A S P R Ü C H E
1. Kolben (6, 7) einer Brennkraftmaschine, gebildet aus einem Unterteil (1) und einem Oberteil (4), aufweisend einen Kolbenboden und einen Kühlkanal, wobei das Unterteil (1 ) mittels einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Oberteil (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteil einen flächigen Fügebereich mit zumindest einer Ausnehmung aufweist und das Oberteil einen flächigen Fügebereich sowie eine ausgehend von dem Fügebereich sich in das Unterteil erstreckende ringförmige Ausnehmung aufweist, wobei die zumindest eine Ausnehmung des Unterteiles nach der stoffschlüssigen Verbindung in Überdeckung ist mit einem Teilbereich der ringförmigen Ausnehmung.
2. Kolben (6, 7) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Unterteil mehr als zwei Ausnehmungen, vorzugsweise vier Ausnehmungen, vorgesehen sind.
3. Kolben (6, 7) mach Anspruch 1 oder 2, dadurc gekennzeichnet, dass zwischen dem Unterteil und dem Oberteil ein Verschlusselement eingesetzt ist.
4. Kolben (6, 7) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement zumindest eine Öffnung aufweist.
5. Kolben (6, 7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung eine Reibschweißverbindung ist.
EP16805721.4A 2015-10-01 2016-10-04 Zweiteiliger kolben mit offenem kühlkanal Withdrawn EP3356666A1 (de)

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DE102015219050 2015-10-01
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EP (1) EP3356666A1 (de)
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