EP4490334A1 - Kolbenrohling, kolben und verfahren - Google Patents

Kolbenrohling, kolben und verfahren

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Publication number
EP4490334A1
EP4490334A1 EP23712481.3A EP23712481A EP4490334A1 EP 4490334 A1 EP4490334 A1 EP 4490334A1 EP 23712481 A EP23712481 A EP 23712481A EP 4490334 A1 EP4490334 A1 EP 4490334A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
percent
combustion chamber
steel alloy
blank
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.)
Pending
Application number
EP23712481.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Germann
Gerhard Luz
Edward Werninghaus
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 EP4490334A1 publication Critical patent/EP4490334A1/de
Pending 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/28—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with titanium or zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/34—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with more than 1.5% by weight of silicon
    • 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 present invention relates to a piston blank for a piston, a piston with such a piston blank and a method for producing such a piston using such a piston blank.
  • Pistons for internal combustion engines can be made from steel alloys, such as the tempered steel 42CrMo4 or the microalloyed steel 38MnVS6.
  • Such pistons can either be made in one piece or can be composed of a lower piston part and an upper piston part, which can be connected to one another using a joining process. Cooling of such a piston can take place via a jet of cooling oil, which is injected into a circumferential annular cooling channel of the piston using an injection nozzle. For this purpose, a certain minimum volume flow of the cooling oil is necessary in order to keep highly stressed areas of the piston below a critical temperature for scaling of the piston via appropriate heat dissipation.
  • the aforementioned materials Due to their chemical composition, the aforementioned materials have a predetermined thermal conductivity that is similar for both materials. Depending on the design of the piston cooling, this results in a certain combustion chamber surface temperature. This combustion chamber surface temperature cannot be increased any further since the aforementioned materials have limited resistance to scaling. If the combustion chamber surface temperature increases further, this can result in cracking caused by scaling and thus the piston failing.
  • WO 2014/198896 A1 describes a piston, in particular a steel piston, for an internal combustion engine with a piston crown that is part of a combustion chamber, at least the piston crown having an oxidation protection layer.
  • an object of the present invention is to provide an improved piston blank for a piston.
  • the piston blank is made at least in sections from a steel alloy that has a chromium content of 0.5 to 2 percent by weight and a silicon content of 2.5 to 3.5 percent by weight.
  • the steel alloy has the aforementioned chromium content and the silicon content, the steel alloy is particularly resistant to scaling.
  • a combustion chamber surface temperature of a piston made from the piston blank can be increased without the piston becoming scaled. This leads to an increase in the thermodynamic efficiency of engine combustion. This means that stricter requirements with regard to fuel consumption and emissions, especially CO2 emissions, can be met.
  • a temperature of a surface of a piston crown of the piston can be understood in particular.
  • the “combustion chamber surface temperature” can generally be understood to mean a temperature of a surface of a combustion chamber assigned to the piston. The surface of the piston crown can be part of the combustion chamber.
  • the piston blank differs from the piston in that the piston, in comparison to the piston blank, is machined, for example, with the aid of a removal and/or forming manufacturing process.
  • the piston blank can also differ from the piston in that a lower piston part of the piston blank and an upper piston part of the piston blank are not yet firmly connected to one another.
  • the piston blank or the piston can in particular be assigned a symmetry or central axis, with respect to which the piston blank or the piston can be constructed essentially rotationally symmetrical.
  • This aforementioned central axis can in particular be formed by a central axis of a cylinder which encloses surfaces of a piston skirt of the piston and thereby has a minimum diameter, the central axis of the cylinder being arranged perpendicular to a bolt bore of the piston.
  • the piston blank or the piston is also assigned a coordinate system with a width direction or x-direction, a vertical direction or y-direction and a depth direction or z-direction.
  • the y direction can also be called the axial direction.
  • the terms “y-direction” and “axial direction” can therefore be interchanged in any way.
  • the directions are oriented perpendicular to each other.
  • the central axis coincides with the y-direction or is oriented parallel to the y-direction.
  • a radial direction is also assigned to the piston blank or the piston.
  • the radial direction is oriented perpendicular to the central axis and points away from it.
  • the steel alloy is preferably a so-called low-alloy steel alloy.
  • the steel alloy can, for example, be formed into the piston blank as a semi-finished product using a forging process.
  • the piston blank or the previously mentioned lower piston part and the aforementioned piston upper part can therefore be forged components.
  • the piston blank or the lower piston part and the upper piston part can also be cast components or cast components reworked by a forging process.
  • the steel alloy is provided at least in the area of a combustion chamber bowl of the piston blank or the piston. In the event that the piston blank has a lower piston part as mentioned above and an upper piston part, for example only the upper piston part can be made of the steel alloy.
  • the steel alloy from which the piston blank is made has a lower thermal conductivity. This results in less heat being dissipated from a combustion chamber of an internal combustion engine having the piston during operation of the piston. This increases the combustion chamber surface temperature, which leads to an increase in the thermodynamic efficiency of engine combustion.
  • the alloy components chromium and silicon prevent scaling at the increased combustion chamber surface temperature.
  • scaling or “oxidation wear” can be understood to mean the high-temperature corrosion of metals caused by direct chemical reactions with hot gases containing oxygen.
  • the steel alloy can contain the elements carbon, manganese, phosphorus, sulfur, molybdenum, titanium, lead, antimony, aluminum, nitrogen, copper, tin, nickel and boron. Oxygen and hydrogen can also be contained in small amounts in the steel alloy.
  • the chromium content is 0.9 to 1.2 percent by weight and/or the silicon content is 2.85 to 3 percent by weight.
  • the steel alloy has a carbon content of 0.35 to 0.5, in particular 0.4 to 0.44, percent by weight.
  • This low carbon content makes the steel alloy easy to form, meaning the piston blank can be manufactured and/or machined using a forging process.
  • the steel alloy has a manganese content of 0.5 to 0.9, in particular 0.6 to 0.8, percent by weight.
  • a property of the manganese content in the steel alloy is that the hardenability of the steel alloy is increased.
  • the steel alloy has a titanium content of 0.005 to 0.015 percent by weight.
  • the titanium content gives the steel alloy high toughness, strength and ductility.
  • the steel alloy has a molybdenum content of 0.1 to 0.3, in particular 0.15 to 0.2, percent by weight.
  • the molybdenum content leads to an increase in the tempering resistance and the high-temperature strength of the steel alloy.
  • the steel alloy has a silicon content of 2.5 to 3.5, in particular 2.85 to 3, percent by weight.
  • the silicon content leads to an increase in tensile strength and yield strength as a result of solid solution solidification and, as a diffusion barrier for oxygen, increases the resistance to scaling of the steel alloy.
  • the steel alloy has an increased resistance to scaling at 550 to 650 ° C, in particular at 580 to 600 ° C.
  • Scaling resistance or “scaling resistance” is primarily understood to mean resistance to scaling.
  • the scaling resistance can be determined by measuring a weight of the piston blank or the piston or additionally by measuring a scale layer thickness, aging or annealing the piston blank or the piston at a certain temperature, then measuring the weight of the piston blank or the piston and finally determining a Degree of oxidation can be determined based on a change in weight of the piston blank or the piston.
  • the increased resistance to scaling allows the piston to be used at higher temperatures, which means the combustion chamber surface temperature can be increased with the advantages mentioned above.
  • the piston blank has a lower piston part and an upper piston part, the upper piston part being made from the steel alloy, the lower piston part being made from the steel alloy or from a further material that differs from the steel alloy, and wherein the further material is in particular a higher one Thermal conductivity than the steel alloy.
  • At least the upper piston part is preferably made of the steel alloy.
  • “Thermal conductivity” or “thermal conductivity coefficient” is a material property that determines heat flow through a material due to heat conduction. The lower the thermal conductivity, the better the thermal insulation.
  • the other material can be, for example, the previously mentioned tempered steel 42CrMo4 or the microalloyed beam 38MnVS6.
  • the lower piston part and the upper piston part are connected to one another using a joining process.
  • the lower piston part and the upper piston part are materially connected to one another to form an intermediate component of the piston from which the finished piston is produced. In the case of cohesive connections, the connection partners are formed by atomic or molecular lar forces held together.
  • Cohesive connections are non-detachable connections that can only be separated again by destroying the connecting means and/or the connecting partners.
  • the lower piston part and the upper piston part are welded together, in particular friction welded together.
  • the intermediate component can be further processed using an abrasive manufacturing process, in particular using a cutting process, in order to form the piston from the intermediate component.
  • the upper piston part and the lower piston part can be connected to one another in a form-fitting manner.
  • a positive connection is created by two connection partners interlocking or reaching behind each other.
  • the lower piston part and the upper piston part can be screwed together.
  • the piston blank is a one-piece component that is made entirely of the steel alloy.
  • the piston blank does not have a separate lower piston part and upper piston part.
  • “One-piece” or “one-piece” means in the present case that the piston blank is not composed of different sub-components, but rather forms a single component.
  • the piston blank can in particular be designed in one piece of material.
  • “One-piece material” means that the piston blank is made entirely of the same material, namely the steel alloy.
  • the piston differs from the piston blank in that the lower piston part and the upper piston part of the piston are firmly connected to one another.
  • the piston may further differ from the piston blank in that the piston blank is used to form the piston is processed.
  • the processing can be carried out, for example, using a forging process and/or a removal process, such as turning, milling, eroding or the like.
  • the piston is part of the previously mentioned internal combustion engine.
  • the internal combustion engine can include multiple pistons.
  • the piston comprises a combustion chamber bowl and a cooling channel which runs at least in sections around the combustion chamber bowl, an average first wall thickness of a first wall provided between the combustion chamber bowl and the cooling channel being greater than 5 percent, preferably greater than 6 percent, preferably greater than 7 percent, a piston diameter of the piston.
  • the combustion chamber bowl can already be formed on the piston blank, in particular on the upper piston part.
  • the combustion chamber bowl can be formed and/or reworked using a removal process or a forging process.
  • the cooling channel runs in a ring around the central axis of the piston.
  • a cooling oil in particular engine oil, can be passed through the cooling channel to dissipate heat from the piston.
  • the cooling oil can, for example, be injected into the cooling channel through bores provided on the piston using an injection nozzle. Because the first wall thickness is greater than 5 percent of the piston diameter, the dissipation of heat by the cooling oil in the area of the combustion chamber bowl can be further reduced. This leads to an additional increase in the combustion chamber surface temperature and thus in the thermodynamic efficiency.
  • a respective wall thickness between the cooling channel and the combustion chamber bowl and between an inner shape of the piston and the combustion chamber bowl is usually designed to be 3.5 percent of the piston diameter.
  • heat dissipation can be reduced.
  • An increase in the combustion chamber surface temperature and the thermodynamic efficiency can also be achieved by adapting a geometry, in particular a cross-sectional geometry, of the cooling channel.
  • the cooling channel can be equipped with a smaller cross-sectional geometry compared to cooling channels known internally, which also reduces the dissipation of heat from the combustion chamber bowl. This measure is also advantageous in terms of the dimensions and height of the piston.
  • the cooling channel can alternatively be designed as an open cooling channel, which is sprayed with cooling oil via a freely accessible inner surface using the injection nozzle.
  • the piston can also be designed entirely without a cooling channel.
  • the amount of cooling oil used to cool the piston can be reduced. This also increases the combustion chamber surface temperature and thus the thermodynamic efficiency. There is also an additional efficiency advantage as the power loss of a required oil pump is reduced, which leads to an indirect contribution to fuel savings.
  • the “piston diameter” is to be understood as meaning a diameter of a smallest cylinder, which includes a so-called piston skirt of the piston.
  • the first wall thickness of the first wall is defined in particular as a smallest distance between the combustion chamber trough, in particular a rounding of the combustion chamber trough, and the cooling channel, in particular a wall of the cooling channel.
  • the average first wall thickness is at least 5 millimeters.
  • the “average” first wall thickness is to be understood in particular as meaning that the first wall thickness, viewed along its extension direction or main extension direction, is on average at least 5 millimeters or is greater than 5 percent of the piston diameter.
  • a direction can be be understood as the direction along which the first wall has its greatest geometric extent.
  • the “extension direction” or “main extension direction” can be understood to mean a course of the first wall along a surface of the combustion chamber bowl. This surface can be referred to as the combustion chamber bowl surface. This means that the first wall thickness can be less than the previously mentioned 5 percent of the piston diameter or 5 mm in some areas or locally.
  • the first wall thickness is on average at least 5 millimeters or the first wall thickness is greater than 5 percent of the piston diameter.
  • extension direction and “main extension direction” can be used interchangeably in this case.
  • an average second wall thickness of a second wall provided between the combustion chamber bowl and an inner shape of the piston is greater than 5 percent, preferably greater than 6 percent, particularly preferably greater than 7 percent, of the piston diameter.
  • the combustion chamber trough preferably has a combustion chamber trough bottom facing the combustion chamber and the internal shape facing away from the combustion chamber.
  • the combustion chamber bowl base and the inner shape can each be conical or conical. Facing the combustion chamber, the second wall forms the combustion chamber trough floor. Facing away from the combustion chamber, the second wall forms the interior shape.
  • the first wall and the second wall merge into one another.
  • the second wall thickness of the second wall is defined in particular as a smallest distance between the combustion chamber trough, in particular the combustion chamber trough bottom of the combustion chamber trough, and the inner shape.
  • the first wall merges into the second wall or vice versa, in particular at the previously mentioned rounding of the combustion chamber bowl. This means in particular that the first wall is connected to the second wall.
  • the average second is
  • Wall thickness at least 5 millimeters.
  • the second wall can be less than the second wall thickness of at least 5 millimeters or 5 percent of the piston diameter in some areas or locally. On average, however, the second wall thickness is always greater than 5 millimeters or at least 5 percent of the piston diameter.
  • the second wall thickness viewed along an extension direction or main extension direction of the second wall, is on average at least 5 millimeters or is at least 5 percent of the piston diameter.
  • the design measures such as increasing the wall thickness of the walls, adapting the geometry of the cooling channel and/or reducing the amount of cooling oil, have an analogous effect, which leads to a higher combustion chamber surface temperature by reducing the dissipation of heat.
  • the thermodynamic efficiency of combustion can be increased and thus fuel consumption can be reduced.
  • CO2 emissions can be reduced.
  • the prerequisite for this is sufficient resistance to scaling.
  • the alloy components of the steel alloy lead to increased resistance to scaling. This means that a limit temperature above which technically relevant scaling occurs can be shifted to a higher temperature. Due to the high resistance to scaling of the steel alloy, additional measures on the combustion side can also be taken to increase the combustion chamber surface temperature and increase the thermodynamic efficiency.
  • thermodynamic efficiency of the internal combustion engine can be significantly increased using a permanent and at the same time low thermally conductive steel alloy, at least for the upper piston part and/or in the area of the combustion chamber bowl. This allows consumption advantages and the reduction of CO2 emissions to be achieved. This means that the constantly increasing requirements of legislation and the market can be met. Increasingly stricter limits with regard to exhaust gases, fuel consumption and emissions, especially CO2 emissions, can be adhered to.
  • the piston blank is made from a steel alloy which has a chromium content of 0.5 to 2 percent by weight and a silicon content of 2.5 to 3.5 percent by weight.
  • the piston blank can be a cast component.
  • the piston blank can also be a forged component.
  • the piston blank can also be a cast component, which is reworked using a forging process.
  • the lower piston part and the upper piston part can be manufactured separately from one another.
  • the lower piston part and the upper piston part are firmly connected to one another, in particular welded to one another, to form the aforementioned intermediate component or the piston.
  • the intermediate component can be processed using a removal and/or forming manufacturing process.
  • piston blank, the piston and/or the method also include combinations of features or embodiments described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned.
  • the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic shape of the piston blank, the piston and/or the process.
  • piston blank, the piston and/or the method are the subject of the subclaims and the exemplary embodiments of the piston blank, the piston and/or the method described below. Furthermore, the piston blank, the piston and/or the method are explained in more detail using preferred embodiments with reference to the accompanying figures.
  • Fig. 1 shows a schematic side view of an embodiment of a vehicle!
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of an embodiment of a piston for an internal combustion engine
  • Fig. 3 shows the detailed view III according to Fig. 2;
  • Fig. 4 shows a schematic perspective partial sectional view of the piston according to Fig. 2
  • Fig. 5 shows a schematic sectional exploded view of an embodiment of a piston blank for the piston according to Fig. 2;
  • Fig. 6 shows a schematic sectional view of an intermediate component for the piston according to Fig. 2;
  • FIG. 7 shows a schematic block diagram of an embodiment of a method for producing the piston blank according to FIG. 2.
  • the vehicle 1 shows a schematic side view of an embodiment of a vehicle 1.
  • the vehicle 1 is a motor vehicle, in particular a passenger car.
  • the vehicle 1 can also be a commercial vehicle, for example a truck, a harvester or a construction machine.
  • the vehicle 1 can also be a military vehicle.
  • the vehicle can also be an aircraft, a watercraft or a rail vehicle.
  • it is assumed below that the vehicle 1 is a motor vehicle, in particular a passenger car.
  • the vehicle 1 includes a body 2, which encloses a passenger compartment or vehicle interior 3 of the vehicle 1. A driver and passengers can stay in the vehicle interior 3.
  • the body 2 delimits an environment 4 of the vehicle 1 from the vehicle interior 3.
  • the vehicle interior 3 is accessible from the surroundings 4 using doors.
  • the vehicle 1 includes a chassis with several wheels 5, 6.
  • Wheels 5, 6 are basically arbitrary.
  • the vehicle 1 preferably has four wheels
  • the vehicle 1 can, for example, have six wheels 5, 6 point.
  • the wheels 5, 6 are part of a chassis of the vehicle 1. Only two wheels 5, 6 can be driven. However, all wheels 5, 6 can also be driven. In this case, the vehicle 1 is a four-wheel drive vehicle.
  • the vehicle 1 includes an internal combustion engine or an internal combustion engine 7.
  • the internal combustion engine 7 can be a diesel engine or a gasoline engine.
  • the vehicle 1 can be driven purely by the internal combustion engine 7.
  • the vehicle 1 can also be a hybrid vehicle.
  • the vehicle 1 has at least one electric motor in addition to the internal combustion engine 7.
  • the internal combustion engine 7 includes an engine block and a plurality of pistons accommodated in piston bores of the engine block.
  • the internal combustion engine 7 can have three, four, five, six or more than six pistons.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of an embodiment of a piston 8 for the internal combustion engine 7.
  • FIG. 3 shows the detailed view III according to FIG. 2.
  • FIG .2 to 4 referenced simultaneously.
  • the piston 8 can be part of a vehicle 1 as explained above, in particular the internal combustion engine 7. However, the piston 8 is particularly preferably part of a commercial vehicle. In this case, the vehicle 1 is a commercial vehicle.
  • the internal combustion engine 7 and thus the piston 8 can be used in any vehicle 1, ships, machines or the like. Furthermore, the internal combustion engine 7 or the piston 8 can also be used for stationary applications, such as for generators, power, heat or the like.
  • the piston 8 can include a symmetry or central axis 9, to which the piston 8 can be constructed essentially rotationally symmetrical.
  • the piston 8 is assigned a coordinate system with a width direction or x-direction x, a vertical direction or y-direction y and a depth direction or z-direction z.
  • the y direction y can also be called the axial direction.
  • the terms “y-direction” and “axial direction” can therefore be interchanged in any way.
  • the directions x, y, z are oriented perpendicular to each other.
  • the central axis 9 corresponds in particular to the y-direction y or is oriented parallel to it.
  • the piston 8 is also assigned a radial direction R.
  • the radial direction R is oriented perpendicular to the central axis 9 and points away from it.
  • the piston 8 has a piston foot or piston skirt 10 and a piston head 11. Viewed along the central axis 9, the piston skirt 10 is arranged below the piston head 11.
  • the piston skirt 10 has a piston hub with a bolt bore 12, in which a bolt, not shown, for coupling the piston 8 to a connecting rod, not shown, of the internal combustion engine 7 can be received.
  • a symmetry or central axis 13 of the bolt bore 12 intersects the central axis 9 or is arranged offset from it.
  • the central axis 13 is oriented perpendicular to the central axis 9.
  • the central axis 13 corresponds to the z direction z or is oriented parallel to it.
  • a shaft section 14, 15 is provided on both sides of the piston hub.
  • a first shaft section 14 and a second shaft section 15 are provided.
  • the shaft sections 14, 15 can be cylindrical in sections. In other words, the shaft sections 14, 15 can form part of a cylinder which is constructed rotationally symmetrical to the central axis 9.
  • the shaft sections 14, 15 together form a so-called piston skirt of the piston 8.
  • the shaft sections 14, 15 can be constructed in sections rotationally symmetrical to the central axis 9. Included However, the shaft sections 14, 15 in particular do not form a complete cylinder.
  • One of the shaft sections 14, 15 forms a pressure side of the piston 8, the other of the shaft sections 14, 15 forming a counter-pressure side of the piston 8.
  • the shaft sections 14, 15 are connected to one another using wall sections 16, 17.
  • a first wall section 16 and a second wall section 17 are provided.
  • the radial direction R points away from the central axis 9 towards the shaft sections 14, 15 and outwards.
  • the bolt bore 12 breaks through the wall sections 16, 17.
  • the shaft sections 14, 15 and the wall sections 16, 17 enclose an interior 18 of the piston skirt 10.
  • the interior 18 is open downwards in the orientation of FIGS. 2 to 4.
  • the previously mentioned bolt for coupling the piston 8 to the connecting rod runs along the central axis 13 through the interior 18.
  • the piston 8 has a cooling channel 19 which runs completely around the central axis 9 and is preferably constructed rotationally symmetrical to it.
  • the cooling channel 19 is in particular toroidal.
  • the cooling channel 19 has a wall 20 which defines a geometry or a cross-sectional geometry of the cooling channel 19.
  • a cooling oil in particular engine oil, can be passed through the cooling channel 19 in order to dissipate heat Q introduced into the piston 8 during operation.
  • the cooling oil can be injected into the cooling channel 19 using an injection nozzle arranged below the piston 8 in the orientation of FIGS. 2 to 4.
  • the cooling channel 19 is in fluid communication with the interior 18.
  • the number of holes 21, 22 is basically arbitrary.
  • several bores 21, 22 are provided, which can be arranged evenly distributed around the central axis 9.
  • the bores 21, 22 can also be arranged unevenly distributed around the central axis 9 be.
  • cooling oil can be injected into the interior 18 from below using the aforementioned injection nozzle. At least some of the cooling oil passes through the bores 21, 22 into the cooling channel 19 and out again. Heat Q is then removed from the piston 8 with the cooling oil.
  • the piston head 11 has a piston crown 23 which faces a cylinder head of the internal combustion engine 7. A large part of the heat Q is also introduced into the piston crown 23.
  • the piston crown 23 faces in particular a combustion chamber 24 of the internal combustion engine 7.
  • the piston crown 23 comprises an annular piston crown section 25, which spans a plane oriented perpendicular to the central axis 9.
  • the piston crown 23 has a combustion chamber bowl 26, which is set back with respect to the piston crown section 25. Viewed along the central axis 9 or along the y direction y, the combustion chamber bowl 26 is thus arranged offset or recessed with respect to the piston crown section 25.
  • the combustion chamber bowl 26 can have any geometry.
  • the combustion chamber bowl 26 has a shoulder 27 which runs around the central axis 9 and is set back relative to the piston crown section 25 when viewed along the y-direction y.
  • a combustion chamber trough edge 28 of the combustion chamber trough 26 protrudes radially into the combustion chamber trough 26 when viewed counter to the radial direction R.
  • the edge of the combustion chamber trough 28 is adjoined by a rounding 29 that runs around the central axis 9.
  • the rounding 29 merges into a, in particular conical or conical, combustion chamber bowl base 30, which extends upwards when viewed along the y-direction y.
  • the combustion chamber bowl base 30 ends, viewed along the y direction y, but below the paragraph 27.
  • a first wall 31 (FIG. 3) is provided between the combustion chamber trough 26 and the cooling channel 19.
  • the first wall 31 fluidly separates the cooling channel 19 from the combustion chamber bowl 26.
  • the first wall 31 runs completely around the central axis 9.
  • the first wall 31 has a first wall thickness w31.
  • the first wall thickness w31 is at least 5 mm.
  • an average of the first wall thickness w31 over the entire first wall 31 is at least 5 mm. This means that the first wall 31 can also have a smaller first wall thickness w31 than 5 mm in some areas or locally.
  • the first wall thickness w31 is always at least 5 mm on average.
  • the “main extension direction” is to be understood as meaning a direction, in this case the y direction y, along which the first wall 31 has its greatest geometric extent.
  • a second wall 32 separates the combustion chamber bowl 26 from the interior 18.
  • the second wall 32 forms the combustion chamber trough floor 30 on the front side.
  • the inner shape 33 can be conical or conical.
  • the second wall 32 has a second wall thickness w32.
  • the second wall thickness w32 is also at least 5 mm.
  • an average of the second wall thickness w32 over the entire second wall 32 is at least 5 mm.
  • the second wall 32 can also have a smaller second wall thickness w32 than 5 mm in some areas or locally.
  • the second wall thickness w32 is always at least 5 mm on average.
  • the piston 8 has a piston diameter d8.
  • the piston diameter d8 is defined as a diameter of the smallest possible cylinder, which includes the piston skirt, i.e. the shaft sections 14, 15. This cylinder is countersunk oriented right to the central axis 13.
  • the first wall thickness w31 is at least on average greater than 5% of the piston diameter d8.
  • the first wall thickness w31 is at least on average greater than 6% of the piston diameter d8.
  • the first wall thickness w31 is at least on average greater than 7% of the piston diameter d8.
  • the first wall thickness w31 is at least 5 mm on average.
  • the second wall thickness w32 is also at least on average greater than 5% of the piston diameter d8.
  • the second wall thickness w32 is at least on average greater than 6% of the piston diameter d8. Particularly preferably, the second wall thickness w32 is at least on average greater than 7% of the piston diameter d8. However, the second wall thickness w32 is at least 5 mm on average.
  • any number of cutting planes E can be placed through the central axis 9.
  • the central axis 9 lies in each of these cutting planes E.
  • the first wall thickness w31 and/or the second wall thickness w32 is on average at least 5%, preferably 6%, more preferably 7%, of the piston diameter d8 and/or is at least 5 mm.
  • the average wall thicknesses w31, w32 can each be calculated separately.
  • the respective average wall thickness w31, w32 can be calculated along a cutting contour of the first wall 31 and/or the second wall 32 located in the respective cutting plane E with a constant step size or a constant increment of not more than 1 mm.
  • the wall thicknesses w31, w32 are calculated along a line formed by the aforementioned cutting contour, which is formed by a section of the cutting plane E with surfaces of the combustion chamber bowl 26 and the piston crown section 25.
  • the first wall thickness w31 of the first wall 31 is defined in particular as a smallest distance between the combustion chamber trough 26, in particular the rounding 29, and the cooling channel 19, in particular the wall 20 of the cooling channel 19.
  • the second wall thickness w32 of the second wall 32 is defined in particular as a smallest distance between the combustion chamber trough 26, in particular the combustion chamber trough bottom 30, and the inner shape 33.
  • the first wall 31 merges into the second wall 32 at the rounding 29 or vice versa. This means in particular that the first wall 31 is connected to the second wall 32.
  • a ring section or an annular field 34 is provided on the piston head 11.
  • the ring field 34 in particular forms a substantially cylindrical outer surface of the piston head 11, which can be constructed rotationally symmetrical to the central axis 9.
  • the ring field 34 has a plurality of ring grooves 35 arranged one above the other when viewed along the y-direction y, only one of which is provided with a reference number in FIG.
  • the annular grooves 35 are suitable for receiving piston rings. For example, two or three such annular grooves 35 are provided.
  • a top land 36 adjoining the piston crown 23 is part of the ring field 34. However, the top land 36 does not have an annular groove 35 as mentioned above for receiving a piston ring.
  • the piston 8 is in two parts and includes a lower piston part 37 and an upper piston part 38.
  • the lower piston part 37 and the upper piston part 38 are two separate components which are materially connected to one another to form the piston 8.
  • cohesive connections the connection partners are held together by atomic or molecular forces.
  • Cohesive connections are non-detachable connections that can only be separated again by destroying the connecting means and/or the connecting partners.
  • Cohesive connections can be made, for example, by gluing, soldering or welding.
  • the lower piston part 37 is welded to the upper piston part 38, in particular friction welded.
  • pistons in particular in known steel pistons, either a tempered steel 42CrMo4 or a microalloyed steel 38MnVS6 can be used as materials.
  • These pistons can either be made in one piece or have a lower piston part and an upper piston part, which are connected to one another by a joining operation. As a rule, the entire piston is made of the same material, even in two-part concepts.
  • the cooling of such a piston takes place via a jet of cooling oil, which is injected into a circumferential, annular cooling channel using an injection nozzle.
  • a certain minimum volume flow of cooling oil is necessary in order to keep the highly stressed areas, in particular the edge of the combustion chamber bowl, below the critical temperature for scaling of the piston via appropriate heat dissipation.
  • Both of the above-mentioned materials 42CrMo4 and 38MnVS6 have a thermal conductivity that is determined by their chemical composition and is similar for both materials. This results in a certain combustion chamber surface temperature with standard piston cooling. This cannot be increased further because both materials have limited resistance to scaling, and an increase in the combustion chamber surface temperature could lead to a crack caused by scaling and thus to failure of the piston.
  • a low-alloy steel alloy with the following chemical composition is particularly suitable for the piston 8:
  • Silicon Si 2.5 to 3.5 percent by weight, in particular 2.85 to 3 percent by weight.
  • Chromium CE 0.5 to 2 percent by weight, in particular 0.9 to 1.2 percent by weight.
  • Manganese Mn 0.5 to 0.9 percent by weight, in particular 0.6 to 0.8 percent by weight.
  • Titanium Ti 0.005 to 0.015 percent by weight.
  • Molybdenum Mo 0.1 to 0.3 percent by weight, in particular 0.15 to 0.2 percent by weight.
  • the steel alloy mainly contains the element iron Fe.
  • the steel alloy has increased resistance to scaling at 550 to 650 °C, especially at 580 to 600 °C.
  • the entire piston 8 is made of this steel alloy.
  • the piston 8 is in two parts and has the upper piston part 38 that is separate from the lower piston part 37, only the upper piston part 38, which has the combustion chamber bowl 26, can be made of the steel alloy.
  • the tempered steel 42CrMo4 or the microalloyed steel 38MnVS6 are then preferably used for the lower piston part 37.
  • the increase in the combustion chamber surface temperature can be further increased by constructive measures by reducing the cooling effect in the area of the combustion chamber bowl 26. This is possible because the steel alloy can withstand a higher surface temperature in the combustion chamber bowl 26 due to its higher resistance to scaling without causing the piston 8 to fail.
  • This increase in the combustion chamber surface temperature can be achieved by the measures already explained above and which can be combined with one another.
  • the wall thicknesses w31, w32 in the area of the combustion chamber trough 26 the dissipation of heat Q through the cooling oil is further reduced and thus leads to an additional increase. tion of the combustion chamber surface temperature and thus the thermodynamic
  • the cooling channel 19 can be equipped with a smaller cross section compared to known pistons, whereby the dissipation of heat Q is reduced. In addition, this measure is advantageous with regard to the dimensions and the overall height of the piston 8.
  • the cooling channel 19 can be designed as an open cooling channel, which is sprayed with the cooling oil via a freely accessible inner surface. Furthermore, it is also possible to completely dispense with the cooling channel 19.
  • the use of the steel alloy with low thermal conductivity leads to a reduction in the dissipation of heat Q from the combustion chamber trough 26 to the cooling channel 19 and thus to an increase in the surface temperature of the combustion chamber trough 26 and the combustion chamber 24.
  • the steel alloy has a higher temperature than the materials 42CrMo4 or 38MnVS6 Thermal conductivity is around 20 W/m*K lower. Simulations have shown that a combustion chamber bowl edge temperature at the combustion chamber bowl edge 28 increases by 2 K for every 1 W/m*K reduced thermal conductivity.
  • the steel alloy is also highly resistant to scaling, which means that a limit temperature at which technically relevant scaling occurs can be shifted by at least 70 K towards a higher temperature. Due to the high resistance to scaling of the steel alloy, additional measures on the combustion side can also be taken to increase the combustion chamber surface temperature and to increase the thermodynamic efficiency.
  • thermodynamic efficiency of the internal combustion engine 7 can be increased. This allows consumption advantages and advantages in terms of CO2 emissions to be realized.
  • FIG. 5 shows a schematic sectional exploded view of an embodiment of a piston blank 39 for the piston 8.
  • the piston 8 can be manufactured with the help of the piston blank 39.
  • the piston blank 39 includes a lower piston part 37 as mentioned above and an upper piston part 38 as mentioned above.
  • the piston blank 39 differs from the piston 8 in that the lower piston part 37 is not yet connected to the piston part. Upper part 38 is connected.
  • the piston blank 39 can also differ from the piston 8 in that the piston 8 is machined after welding the lower piston part 37 to the upper piston part 38. Eroding, milling, turning or the like can be used as abrasive processes.
  • the piston blank 39 can also be formed to form the piston 8 using a forming manufacturing process, for example a forging process.
  • the central axis 9 can be assigned to the piston blank 39.
  • the previously mentioned coordinate system with the directions x, y, z can also be assigned to the piston blank 39.
  • the radial direction R can also be assigned to the piston blank 39.
  • the cooling channel 19 is partially formed on the lower piston part 37 and partially on the upper piston part 38.
  • a first cooling channel section 19A is provided on the lower piston part 37.
  • a second cooling channel section 19B can be provided on the piston upper part 38.
  • the cooling channel sections 19A, 19B together form the cooling channel 19.
  • the piston upper part 38 has the combustion chamber trough 26, which can be processed to produce the piston 8 from the piston blank 39 using a machining or forming manufacturing process, in order to produce the piston 8 in FIGS. 2 to 4 to produce the final geometry of the combustion chamber bowl 26 shown.
  • the lower piston part 37 and the upper piston part 38 are two separate components which can be materially connected to one another, in particular welded to one another.
  • the lower piston part 37 has a first joining surface 40 which runs annularly around the central axis 9 and a second joining surface 41 which runs around the central axis 9 in a ring. Viewed along the radial direction R, the second joining surface 41 is placed within the first joining surface 40.
  • the piston top part 38 has a first joining surface 42 which runs annularly around the central axis 9 and a second joining surface 43 which runs around the central axis 9 in a ring. Viewed along the radial direction R, the second joining surface 43 is placed within the first joining surface 42.
  • the lower piston part 37 can also have a circumferential shoulder 44, which extends radially out of the lower piston part 37 when viewed along the radial direction R. Paragraph 44 is optional.
  • the lower piston part 37 and the upper piston part 38 are each one-piece, in particular one-piece material, components. “In one piece” or “one-piece” means in the present case that the lower piston part 37 and the upper piston part 38 are not each composed of different sub-components, but rather each form a single component.
  • At least the upper piston part 38 is made, at least in sections, from the previously mentioned highly scaling-resistant steel alloy.
  • the upper piston part 38 is made of the steel alloy.
  • the lower piston part 37 can be made, for example, from the materials 42CrMo4 or 38MnVS6. Alternatively, the lower piston part 37 can also be made of the same highly scaling-resistant steel alloy from which the upper piston part 38 is made.
  • the piston blank 39 can also be a one-piece component. In this case, the lower piston part 37 and the upper piston part 38 are not two separate components that are subsequently connected to one another. The piston blank 39 is then made entirely of the highly scaling-resistant steel alloy.
  • “One-piece material” means that the lower piston part 37 and the upper piston part 38 are each made entirely of the same material.
  • the piston 8 itself or the piston blank 39, however, is made up of several parts.
  • the lower piston part 37 is preferably a cast component.
  • the piston upper part 38 can also be a cast component.
  • the lower piston part 37 can also be a Be a forged component.
  • the piston upper part 38 can also be a forged component. In the event that the lower piston part 37 and/or the upper piston part 38 is each a cast component, these can be reworked using a forging process. However, the lower piston part 37 and/or the upper piston part 38 can also be manufactured or machined using an abrasive manufacturing process.
  • FIG. 6 shows a schematic sectional view of an intermediate component 45 for the piston 8.
  • the lower piston part 37 and the upper piston part 38 are connected to one another at their joining surfaces 40 to 43 to form joining planes 46, 47.
  • the joining planes 46, 47 can be weld seams, in particular friction weld seams.
  • the first joining surfaces 40, 42 and the second joining surfaces 41, 43 are each firmly connected to one another.
  • the intermediate component 45 differs from the piston blank 39 in that the lower piston part 37 is firmly connected to the upper piston part 38, in particular welded. Friction welding, for example, is a suitable welding process.
  • the piston 8 differs from the intermediate component 45 in that, in contrast to the intermediate component 45, the piston 8 is reworked using a removal and/or forming manufacturing process.
  • the combustion chamber bowl 26 is machined, the annular field 34 is formed onto the intermediate component 45, the shoulder 44 is removed and protruding beads of the joining plane 46 are removed.
  • a cylindrical outer surface 48 of the intermediate component 45 can be machined to produce the ring field 34.
  • Figure 7 shows a schematic block diagram of an embodiment
  • the piston blank 39 is made from the steel alloy, which has a chromium content of 0.5 to 2 percent by weight and a silicon content of 2.5 to 3.5 percent by weight.
  • Step S1 may include casting, forming and/or machining the steel alloy.
  • the lower piston part 37 and the upper piston part 38 can be manufactured as separate components. In this case, at least the upper piston part 38 is made of the steel alloy.
  • the piston blank 39 can also be manufactured as a one-piece component in step S1. In this case, the lower piston part 37 and the upper piston part 38 are not two separate components.
  • the method can include a step S2, in which the lower piston part 37 and the upper piston part 38 are joined or assembled to form the intermediate component 45.
  • the lower piston part 37 and the upper piston part 38 are connected to one another in a material-fluid manner at the joining surfaces 40 to 43, in particular welded.
  • the lower piston part 37 and the upper piston part 38 are preferably friction-welded together at the joining surfaces 40 to 43.

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Abstract

Kolbenrohling (39) für einen Kolben (8), wobei der Kolbenrohling (39) zumindest abschnittsweise aus einer Stahllegierung gefertigt ist, die einen Chromanteil von 0,5 bis 2 Gewichtsprozent und einen Siliziumanteil von 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent aufweist.

Description

KOLBENROHLING, KOLBEN UND VERFAHREN
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenrohling für einen Kolben, einen Kolben mit einem derartigen Kolbenrohling und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Kolbens mit Hilfe eines derartigen Kolbenrohlings.
Kolben für Verbrennungsmotoren können aus Stahllegierungen, wie beispielsweise dem Vergütungsstahl 42CrMo4 oder dem mikrolegierten Stahl 38MnVS6, gefertigt werden. Derartige Kolben können entweder einteilig ausgeführt sein oder aus einem Kolbenunterteil und einem Kolbenoberteil zusammengesetzt werden, welche mit Hilfe eines Fügeverfahrens miteinander verbunden werden können. Eine Kühlung eines derartigen Kolbens kann über einen Kühlölstrahl erfolgen, welcher mit Hilfe einer Einspritzdüse in einen umlaufenden ringförmigen Kühlkanal des Kolbens eingespritzt wird. Hierfür ist ein bestimmter minimaler Volumenstrom des Kühlöls notwendig, um über eine entsprechende Wärmeabfuhr hochbelastete Bereiche des Kolbens unterhalb einer für eine Verzunderung des Kolbens kritischen Temperatur zu halten.
Die vorgenannten Werkstoffe weisen durch ihre chemische Zusammensetzung eine vorgegebene und bei den beiden Werkstoffen ähnliche Wärmeleitfähigkeit auf. Dadurch ergibt sich je nach der Auslegung der Kühlung des Kolbens eine gewisse Brennraumoberflächentemperatur. Diese Brennraumoberflächentemperatur kann nicht weiter erhöht werden, da die vorgenannten Werkstoffe eine begrenzte Verzunderungsbeständigkeit aufweisen. Bei einer weiteren Erhöhung der Brennraumoberflächentemperatur kann es zu einem verzunderungsbedingten Anriss und somit zu einem Ausfall des Kolbens kommen.
Durch eine höhere Brennraumoberflächentemperatur, das heißt durch eine heißere Verbrennung, die durch eine Verminderung eines Wärmeverlusts hin zu einem Kolbenboden des Kolbens verursacht wird, kann jedoch grundsätzlich eine Erhöhung eines thermodynamischen Wirkungsgrads einer motorischen Verbrennung ermöglicht werden. Dadurch können Vorteile hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und CO2-Emissionsvorteile realisiert werden. Bislang wird erhöhten Anforderungen bezüglich des Verbrauchs und der CO2 -Reduzierung oftmals mit der Entwicklung reibungsoptimierter Kolbensysteme begegnet. Hierbei werden beispielsweise optimierte Kolbenschaftprofile und Einbauspiele, sowie kostenintensive Ringpakete mit speziellen Beschichtungen oder aufwendige Oberflächenoptimierungen für Zylinderlaufbuchsen eingesetzt.
Die WO 2014/198896 Al beschreibt einen Kolben, insbesondere einen Stahlkolben, für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenboden, der Teil eines Brennraums ist, wobei mindestens der Kolbenboden eine Oxidationsschutzschicht aufweist.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Kolbenrohling für einen Kolben zur Verfügung zu stellen.
Demgemäß wird ein Kolbenrohling für einen Kolben vorgeschlagen. Der Kolbenrohling ist zumindest abschnittsweise aus einer Stahllegierung gefertigt, die einen Chromanteil von 0,5 bis 2 Gewichtsprozent und einen Silizium anteil von 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent aufweist.
Dadurch, dass die Stahllegierung den zuvor erwähnten Chromanteil und den Siliziumanteil aufweist, ist die Stahllegierung besonders verzunderungsbeständig. Hierdurch kann eine Brennraumoberflächentemperatur eines aus dem Kolbenrohling gefertigten Kolbens erhöht werden, ohne dass der Kolben verzundert. Dies führt zu einer Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads bei der motorischen Verbrennung. Hierdurch können strengere Anforderungen im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch und Emissionen, insbesondere CO2- Emissionen, eingehalten werden. Unter der "Brennraumoberflächentemperatur" kann vorliegend insbesondere eine Temperatur einer Oberfläche eines Kolbenbodens des Kolbens verstanden werden. Ferner kann unter der "Brennraumoberflächentemperatur" ganz allgemein eine Temperatur einer Oberfläche eines dem Kolben zugeordneten Brennraums verstanden werden. Die Oberfläche des Kolbenbodens kann Teil des Brennraums sein.
Der Kolbenrohling unterscheidet sich dadurch von dem Kolben, dass der Kolben im Vergleich zu dem Kolbenrohling beispielsweise mit Hilfe eines abtragenden und/oder umformenden Fertigungsverfahrens bearbeitet ist. Der Kolbenrohling kann sich auch dadurch von dem Kolben unterscheiden, dass ein Kolbenunterteil des Kolbenrohlings und ein Kolbenoberteil des Kolbenrohlings noch nicht fest miteinander verbunden sind. Dem Kolbenrohling beziehungsweise dem Kolben kann insbesondere eine Symmetrie- oder Mittelachse zugeordnet sein, zu der der Kolbenrohling beziehungsweise der Kolben im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut sein kann. Diese vorgenannte Mittelachse kann insbesondere von einer Mittelachse eines Zylinders gebildet werden, der Flächen eines Kolbenschafts des Kolbens umhüllt und dabei einen minimalen Durchmesser aufweist, wobei die Mittelachse des Zylinders senkrecht zu einer Bolzenbohrung des Kolbens angeordnet ist.
Dem Kolbenrohling beziehungsweise dem Kolben ist ferner ein Koordinatensystem mit einer Breitenrichtung oder x-Richtung, einer Hochrichtung oder y Richtung und einer Tiefenrichtung oder z-Richtung zugeordnet. Die y-Richtung kann auch als Axialrichtung bezeichnet werden. Die Begriffe "y-Richtung" und "Axialrichtung" sind daher beliebig gegeneinander tauschbar. Die Richtungen sind senkrecht zueinander orientiert. Die Mittelachse stimmt mit der y-Richtung überein oder ist parallel zu der y-Richtung orientiert. Dem Kolbenrohling beziehungsweise dem Kolben ist ferner eine Radialrichtung zugeordnet. Die Radialrichtung ist senkrecht zu der Mittelachse orientiert und weist von dieser weg. Die Stahllegierung ist vorzugsweise eine sogenannte niedriglegierte Stahllegie- rung. Die Stahllegierung kann beispielsweise als Halbzeug mit Hilfe eines Schmiedeverfahrens zu dem Kolbenrohling umgeformt werden. Der Kolbenrohling beziehungsweise das zuvor erwähnte Kolbenunterteil und das zuvor erwähnte Kolbenoberteil können demnach Schmiedebauteile sein. Dies schließt jedoch nicht aus, dass der Kolbenrohling mit Hilfe eines abtragenden Fertigungsverfahrens, wie beispielsweise Fräsen, Drehen und/oder Erodieren, bearbeitet sein kann. Ferner können der Kolbenrohling beziehungsweise das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil jedoch auch Gussbauteile oder durch ein Schmiedeverfahren nachbearbeitete Gussbauteile sein.
Dass der Kolbenrohling "zumindest abschnittsweise" aus der Stahllegierung gefertigt ist, bedeutet vorliegend insbesondere, dass zumindest ein Teil des Kolbenrohlings aus der Stahllegierung gefertigt sein kann. Dies schließt jedoch nicht aus, dass der gesamte Kolbenrohling aus der Stahllegierung gefertigt sein kann. Insbesondere ist die Stahllegierung zumindest im Bereich einer Brennraummulde des Kolbenrohlings beziehungsweise des Kolbens vorgesehen. Für den Fall, dass der Kolbenrohling ein wie zuvor erwähntes Kolbenunterteil und ein Kolbenoberteil aufweist, kann beispielsweise lediglich das Kolbenoberteil aus der Stahllegierung gefertigt sein.
Im Vergleich zu den eingehend erwähnten Stahllegierungen 42CrMo4 oder 38MnVS6 weist die Stahllegierung, aus welcher der Kolbenrohling gefertigt ist, eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf. Dies führt dazu, dass im Betrieb des Kolbens weniger Wärme aus einem Brennraum eines den Kolben aufweisenden Verbrennungsmotors abgeführt wird. Dies erhöht die Brennraumoberflächentemperatur, was zu einer Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads der motorischen Verbrennung führt. Zusätzlich verhindern die Legierungsbestandteile Chrom und Silizium eine Verzunderung bei der erhöhten Brennraumoberflächentemperatur. Unter "Verzunderung" oder "Oxidationsverschleiß" kann vorliegend die durch direkte chemische Reaktion mit sauerstoffhaltigen, heißen Gasen verursachte Hochtemperaturkorrosion von Metallen verstanden werden. Die Verzunderung kann aufgrund einer Verringerung der Festigkeit von nicht oder gering verzunderungsbeständigen Stahllegierungen zu einem verzunderungsbedingten Anriss und somit zu einem Ausfall des Kolbens führen. Dies wird mit Hilfe der zuvor erwähnten Legierungsbestandteile der Stahllegierung zuverlässig verhindert, indem die Verzunderungsbeständigkeit signifikant erhöht wird. Neben den Elementen Eisen, Chrom und Silizium kann die Stahllegierung die Elemente Kohlenstoff, Mangan, Phosphor, Schwefel, Molybdän, Titan, Blei, Antimon, Aluminium, Stickstoff, Kupfer, Zinn, Nickel und Bor aufweisen. In geringen Mengen können auch Sauerstoff und Wasserstoff in der Stahllegierung enthalten sein.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Chromanteil 0,9 bis 1,2 Gewichtsprozent und/oder der Silizium anteil 2,85 bis 3 Gewichtsprozent.
Mit diesem zuvor erwähnten Chromanteil und diesem Siliziumanteil kann eine besonders hohe Verzunderungsbeständigkeit erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Stahllegierung einen Kohlenstoffanteil von 0,35 bis 0,5, insbesondere von 0,4 bis 0,44, Gewichtsprozent auf.
Durch diesen geringen Kohlenstoffanteil ist die Stahllegierung gut umformbar, wodurch der Kolbenrohling durch ein Schmiedeverfahren hergestellt und/oder bearbeitet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Stahllegierung einen Mangananteil von 0,5 bis 0,9, insbesondere von 0,6 bis 0,8, Gewichtsprozent auf. Beispielsweise ist eine Eigenschaft des Mangananteils in der Stahllegierung, dass die Härtbarkeit der Stahllegierung erhöht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Stahllegierung einen Titananteil von 0,005 bis 0,015 Gewichtsprozent auf.
Der Titananteil verleiht der Stahllegierung eine hohe Zähigkeit, Festigkeit und Duktilität.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Stahllegierung einen Molybdänanteil von 0,1 bis 0,3, insbesondere von 0,15 bis 0,2, Gewichtsprozent auf.
Der Molybdänanteil führt zu einer Erhöhung der Anlassbeständigkeit und der Warmfestigkeit der Stahllegierung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Stahllegierung einen Siliziumanteil von 2,5 bis 3,5, insbesondere von 2,85 bis 3, Gewichtsprozent auf.
Der Silizium anteil führt infolge von Mischkristallverfestigung zu einer Erhöhung der Zugfestigkeit sowie der Streckgrenze und erhöht als Diffusionsbarriere für Sauerstoff die Verzunderungsbeständigkeit der Stahllegierung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Stahllegierung eine erhöhte Verzunderungsbeständigkeit bei 550 bis 650 °C, insbesondere bei 580 bis 600 °C, auf.
Unter der "Zunderbeständigkeit" oder "Verzunderungsbeständigkeit" ist vorhegend die Beständigkeit gegen eine Verzunderung zu verstehen. Die Begriffe "Zunderbeständigkeit" und "Verzunderungsbeständigkeit" können vorliegend beliebig gegeneinander getauscht werden. Die Verzunderungsbeständigkeit kann durch ein Messen eines Gewichts des Kolbenrohlings beziehungsweise des Kolbens oder zusätzlich durch ein Messen einer Zunderschichtdicke, ein Auslagern oder Glühen des Kolbenrohlings beziehungsweise des Kolbens bei einer bestimmten Temperatur, ein anschließendes Messen des Gewichts des Kolbenrohlings beziehungsweise des Kolbens und ein abschließendes Bestimmen eines Oxidationsgrades anhand einer Gewichtsveränderung des Kolbenrohlings beziehungsweise des Kolbens bestimmt werden. Die erhöhte Verzunderungsbeständigkeit ermöglicht den Einsatz des Kolbens bei höheren Temperaturen, wodurch die Brennraumoberflächentemperatur mit den zuvor genannten Vorteilen erhöht werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Kolbenrohling ein Kolbenunterteil und ein Kolbenoberteil auf, wobei das Kolbenoberteil aus der Stahllegierung gefertigt ist, wobei das Kolbenunterteil aus der Stahllegierung oder aus einem sich von der Stahllegierung unterscheidenden weiteren Werkstoff gefertigt ist, und wobei der weitere Werkstoff insbesondere eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Stahllegierung aufweist.
Das heißt, dass bevorzugt zumindest das Kolbenoberteil aus der Stahllegierung gebildet ist. Die "Wärmeleitfähigkeit" oder der "Wärmeleitkoeffizient" ist eine Stoffeigenschaft, die einen Wärmestrom durch ein Material aufgrund von Wär- meleitung bestimmt. Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit ist, desto besser ist die Wärmedämmung. Der weitere Werkstoff kann beispielsweise der zuvor erwähnte Vergütungsstahl 42CrMo4 oder der mikrolegierte Strahl 38MnVS6 sein. Das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil werden durch ein Fügeverfahren miteinander verbunden. Beispielsweise werden das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil zum Bilden eines Zwischenbauteils des Kolbens, aus dem der fertige Kolben hergestellt wird, stoffschlüssig miteinander verbunden. Bei stoffschlüssigen Verbindungen werden die Verbindungspartner durch atomare oder moleku- lare Kräfte zusammengehalten. Stoffschlüssige Verbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel und/oder der Verbindungspartner wieder voneinander trennen lassen. Beispielsweise sind das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil miteinander verschweißt, insbesondere miteinander reibverschweißt. Das Zwischenbauteil kann mit Hilfe eines abtragenden Fertigungsverfahrens, insbesondere mit Hilfe eines spanenden Verfahrens, weiterbearbeitet werden, um aus dem Zwischenbauteil den Kolben zu bilden. Alternativ oder zusätzlich können das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil formschlüssig miteinander verbunden sein. Eine formschlüssige Verbindung entsteht durch ein Ineinander- oder Hintergreifen von zwei Verbindungspartnern. Beispielsweise können das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil miteinander verschraubt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Kolbenrohling ein einstückiges Bauteil, das durchgehend aus der Stahllegierung gefertigt ist.
In diesem Fall weist der Kolbenrohling kein voneinander getrenntes Kolbenunterteil und Kolbenoberteil auf. "Einstückig" oder "einteilig" bedeutet vorliegend, dass der Kolbenrohling nicht aus unterschiedlichen Unterbauteilen zusammengesetzt ist, sondern ein einziges Bauteil bildet. Der Kolbenrohling kann insbesondere materialeinstückig ausgebildet sein. "Materialeinstückig" heißt dabei, dass der Kolbenrohling durchgehend aus demselben Material, nämlich der Stahllegierung, gefertigt ist.
Ferner wird ein Kolben mit einem derartigen Kolbenrohling vorgeschlagen.
Wie zuvor erwähnt, unterscheidet sich der Kolben von dem Kolbenrohling zum einen dadurch, dass bei dem Kolben das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil fest miteinander verbunden sind. Der Kolben kann sich ferner dadurch von dem Kolbenrohling unterscheiden, dass der Kolbenrohling zum Bilden des Kolbens bearbeitet wird. Die Bearbeitung kann beispielsweise mit Hilfe eines Schmiedeverfahrens und/oder eines abtragenden Verfahrens, wie beispielsweise Drehen, Fräsen, Erodieren oder dergleichen, durchgeführt werden. Der Kolben ist Teil des zuvor erwähnten Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor kann mehrere Kolben umfassen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Kolben eine Brennraummulde und einen zumindest abschnittsweise um die Brennraummulde umlaufenden Kühlkanal, wobei eine durchschnittliche erste Wanddicke einer zwischen der Brennraummulde und dem Kühlkanal vorgesehenen ersten Wand größer als 5 Prozent, bevorzugt größer als 6 Prozent, bevorzugt größer als 7 Prozent, eines Kolbendurchmessers des Kolbens ist.
Die Brennraummulde kann bereits an dem Kolbenrohling, insbesondere an dem Kolbenoberteil, angeformt sein. Die Brennraummulde kann mit Hilfe eines ab- tragenden Verfahrens oder eines Schmiedeverfahrens angeformt und/oder nachbearbeitet werden. Der Kühlkanal läuft ringförmig um die Mittelachse des Kolbens um. Durch den Kühlkanal kann ein Kühlöl, insbesondere Motoröl, zum Ab- führen von Wärme von dem Kolben hindurchgeleitet werden. Das Kühlöl kann beispielsweise mit Hilfe einer Einspritzdüse durch an dem Kolben vorgesehene Bohrungen in den Kühlkanal eingespritzt werden. Dadurch, dass die erste Wanddicke größer als 5 Prozent des Kolbendurchmessers ist, kann im Bereich der Brennraummulde die Ableitung von Wärme durch das Kühlöl weiter reduziert werden. Dies führt zu einer zusätzlichen Steigerung der Brennraumoberflächentemperatur und damit des thermodynamischen Wirkungsgrads. Gemäß betriebsinternen Erkenntnissen wird eine jeweilige Wanddicke zwischen dem Kühlkanal und der Brennraummulde sowie zwischen einer Innenform des Kolbens und der Brennraummulde üblicherweise mit 3,5 Prozent des Kolbendurchmessers ausgelegt. Durch die Erhöhung der Wanddicke auf über 5 Prozent des Kolbendurchmessers kann die Abfuhr von Wärme reduziert werden. Ferner kann auch durch eine Anpassung einer Geometrie, insbesondere einer Querschnittsgeometrie, des Kühlkanals ebenso eine Steigerung der Brennraumoberflächentemperatur und des thermodynamischen Wirkungsgrads erreicht werden. Hierbei kann der Kühlkanal im Vergleich zu betriebsintern bekannten Kühlkanälen mit einer kleineren Querschnittsgeometrie ausgestattet werden, wodurch ebenfalls die Abfuhr von Wärme von der Brennraummulde reduziert wird. Außerdem ist diese Maßnahme vorteilhaft bezüglich der Abmessungen und der Bauhöhe des Kolbens. Der Kühlkanal kann alternativ als offener Kühlkanal gestaltet sein, der über eine frei zugängliche innere Oberfläche mit Hilfe der Einspritzdüse mit Kühlöl angespritzt wird. Alternativ kann der Kolben auch gänzlich ohne Kühlkanal ausgeführt sein. Als weitere Maßnahme kann die zur Kühlung des Kolbens verwendete Menge an Kühlöl reduziert werden. Auch hierdurch erhöht sich die Brennraumoberflächentemperatur und damit der thermodynamische Wirkungsgrad. Außerdem ergibt sich ein zusätzlicher Effizienzvorteil, da die Verlustleistung einer erforderlichen Ölpumpe reduziert wird, was zu einem indirekten Beitrag an Kraftstoffeinsparung führt. Unter dem "Kolbendurchmesser" ist vorliegend ein Durchmesser eines kleinsten Zylinders zu verstehen, der ein sogenanntes Kolbenhemd des Kolbens einschließt. Die erste Wanddicke der ersten Wand ist insbesondere definiert als ein kleinster Abstand zwischen der Brennraummulde, insbesondere einer Verrundung der Brennraummulde, und dem Kühlkanal, insbesondere einer Wandung des Kühlkanals.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die durchschnittliche erste Wanddicke mindestens 5 Millimeter.
Unter der "durchschnittlichen" ersten Wanddicke ist vorliegend insbesondere zu verstehen, dass die erste Wanddicke entlang ihrer Erstreckungsrichtung oder Haupterstreckungsrichtung betrachtet im Durchschnitt zumindest 5 Millimeter beträgt beziehungsweise größer als 5 Prozent des Kolbendurchmessers ist. Unter der "Erstreckungsrichtung" oder "Haupterstreckungsrichtung" kann eine Rich- tung zu verstehen sein, entlang der die erste Wand ihre größte geometrische Ausdehnung aufweist. Insbesondere kann unter der "Erstreckungsrichtung" oder "Haupterstreckungsrichtung" ein Verlauf der ersten Wand entlang einer Oberfläche der Brennraummulde zu verstehen sein. Diese Oberfläche kann als Brennraummuldenoberfläche bezeichnet werden. Das heißt, die erste Wanddicke kann bereichsweise oder lokal die zuvor erwähnten 5 Prozent des Kolbendurchmessers beziehungsweise die 5 mm unterschreiten. Über die gesamte Erstreckungsrichtung oder Haupterstreckungsrichtung der ersten Wand betrachtet, das heißt global, beträgt die erste Wanddicke jedoch durchschnittlich zumindest 5 Millimeter beziehungsweise ist die erste Wanddicke größer als 5 Prozent des Kolbendurchmessers. Die Begriffe "Erstreckungsrichtung" und "Haupterstreckungsrichtung" sind vorliegend beliebig gegeneinander tauschbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine durchschnittliche zweite Wanddicke einer zwischen der Brennraummulde und einer Innenform des Kolbens vorgesehenen zweiten Wand größer als 5 Prozent, bevorzugt größer als 6 Prozent, besonders bevorzugt größer als 7 Prozent, des Kolbendurchmessers.
Die Brennraummulde weist vorzugsweise dem Brennraum zugewandt einen Brennraummuldenboden und dem Brennraum abgewandt die Innenform auf. Der Brennraummuldenboden und die Innenform können jeweils kegelförmig oder konusförmig ausgestaltet sein. Dem Brennraum zugewandt bildet die zweite Wand den Brennraummuldenboden. Dem Brennraum abgewandt bildet die zweite Wand die Innenform. Die erste Wand und die zweite Wand gehen ineinander über. Die zweite Wanddicke der zweiten Wand ist insbesondere definiert als ein kleinster Abstand zwischen der Brennraummulde, insbesondere dem Brennraummuldenboden der Brennraummulde, und der Innenform. Die erste Wand geht insbesondere an der zuvor erwähnten Verrundung der Brennraummulde insbesondere in die zweite Wand oder umgekehrt über. Das heißt insbesondere, dass die erste Wand mit der zweiten Wand verbunden ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die durchschnittliche zweite
Wanddicke mindestens 5 Millimeter.
Auch hier gilt, dass die zweite Wand die zweite Wanddicke von mindestens 5 Millimeter beziehungsweise von 5 Prozent des Kolbendurchmessers bereichsweise oder lokal unterschreiten kann. Im Durchschnitt jedoch ist die zweite Wanddicke stets größer als 5 Millimeter beziehungsweise beträgt zumindest 5 Prozent des Kolbendurchmessers. Auch hier gilt insbesondere, dass die zweite Wanddicke entlang einer Erstreckungsrichtung oder Haupterstreckungsrichtung der zweiten Wand betrachtet durchschnittlich mindestens 5 Millimeter beträgt oder zumindest 5 Prozent des Kolbendurchmessers beträgt. Die Verwendung der Stahllegierung mit niedriger Wärmeleitfähigkeit führt zu einer Reduzierung der Wärmeabfuhr von der Brennraummulde zu dem Kühlkanal und damit zu einer Erhöhung der Temperatur einer Oberfläche der Brennraummulde und des Brennraums. Die konstruktiven Maßnahmen, wie die Vergrößerung der Wanddicken der Wände, die Anpassung der Geometrie des Kühlkanals und/oder die Reduzierung der Menge an Kühlöl haben eine analoge Wirkung, die über eine Reduzierung der Abfuhr von Wärme zu einer höheren Brennraumoberflächentemperatur führt. Infolgedessen kann der thermodynamische Wirkungsgrad der Verbrennung erhöht und somit der Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Ferner können CO2- Emissionen reduziert werden. Voraussetzung hierfür ist eine ausreichende Verzunderungsbeständigkeit. Neben der niedrigen Wärmeleitfähigkeit führen die Legierungsbestandteile der Stahllegierung zu einer erhöhten Verzunderungsbeständigkeit. Das heißt, eine Grenztemperatur, ab der eine technisch relevante Verzunderung auftritt, kann zu einer höheren Temperatur hin verschoben werden. Infolge der hohen Verzunderungsbeständigkeit der Stahllegierung können außerdem zusätzliche verbrennungsseitige Maßnahmen zur Erhöhung der Brennraumoberflächentemperatur und der Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads ergriffen werden. Durch den Einsatz der hochverzunderungsbe- ständigen und gleichzeitig niedrigwärmeleitfähigen Stahllegierung zumindest für das Kolbenoberteil und/oder im Bereich der Brennraummulde kann der thermodynamische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors signifikant erhöht werden. Hierdurch können Verbrauchsvorteile und die Reduktion von CO2- Emissionen realisiert werden. Es können somit die permanent steigenden Anforderungen der Gesetzgebung und des Marktes erfüllt werden. Immer strengere Grenzwerte im Hinblick auf Abgas, Kraftstoffverbrauch und Emissionen, insbesondere CO2 -Emissionen, können eingehalten werden.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Kolbenrohlings vorgeschlagen, wobei der Kolbenrohling aus einer Stahllegierung gefertigt wird, die einen Chromanteil von 0,5 bis 2 Gewichtsprozent und einen Silizium anteil von 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent aufweist.
Der Kolbenrohling kann ein Gussbauteil sei. Der Kolbenrohling kann auch ein Schmiedebauteil sein. Ferner kann der Kolbenrohling auch ein Gussbauteil sein, welches mit Hilfe eines Schmiedeverfahrens nachbearbeitet wird. Bei dem Verfahren können das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil getrennt voneinander hergestellt werden. Das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil werden zum Bilden des zuvor erwähnten Zwischenbauteils beziehungsweise des Kolbens fest miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt. Zum Bilden des Kolbens aus dem Zwischenbauteil kann das Zwischenbauteil mit Hilfe eines abtragenden und/oder umformenden Fertigungsverfahrens bearbeitet werden.
Die für den vorgeschlagenen Kolbenrohling beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für den vorgeschlagenen Kolben und das vorgeschlagene Verfahren entsprechend und umgekehrt.
"Ein" ist vorliegend nicht zwingend als beschränkend auf genau ein Element zu verstehen. Vielmehr können auch mehrere Elemente, wie beispielsweise zwei, drei oder mehr, vorgesehen sein. Auch jedes andere hier verwendete Zählwort ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Beschränkung auf genau die genannte Anzahl an Elementen gegeben ist. Vielmehr sind zahlenmäßige Abweichungen nach oben und nach unten möglich, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Weitere mögliche Implementierungen des Kolbenrohlings, des Kolbens und/oder des Verfahrens umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform des Kolbenrohlings, des Kolbens und/oder des Verfahrens hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte des Kolbenrohlings, des Kolbens und/oder des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele des Kolbenrohlings, des Kolbens und/oder des Verfahrens. Im Weiteren werden der Kolbenrohling, der Kolben und/oder das Verfahren anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Fahrzeugs!
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor;
Fig. 3 zeigt die Detailansicht III gemäß Fig. 2;
Fig. 4 zeigt eine schematische perspektivische Teilschnittansicht des Kolbens gemäß Fig. 2; Fig. 5 zeigt eine schematische geschnittene Explosionsansicht einer Ausführungsform eines Kolbenrohlings für den Kolben gemäß Fig. 2;
Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Zwischenbauteils für den Kolben gemäß Fig. 2; und
Fig. 7 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen des Kolbenrohlings gemäß Fig. 2.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Fahrzeugs 1. Das Fahrzeug 1 ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen. Das Fahrzeug 1 kann auch ein Nutzfahrzeug, beispielsweise ein Lastkraftwagen, eine Erntemaschine oder eine Baumaschine, sein. Ferner kann das Fahrzeug 1 auch ein militärisches Fahrzeug sein. Darüber hinaus kann das Fahrzeug auch ein Luftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug sein. Nachfolgend wird jedoch davon ausgegangen, dass das Fahrzeug 1 ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, ist.
Das Fahrzeug 1 umfasst eine Karosserie 2, welche einen Fahrgastraum oder Fahrzeuginnenraum 3 des Fahrzeugs 1 umschließt. In dem Fahrzeuginnenraum 3 können sich ein Fahrer und Fahrgäste aufhalten. Die Karosserie 2 grenzt eine Umgebung 4 des Fahrzeugs 1 von dem Fahrzeuginnenraum 3 ab. Der Fahrzeuginnenraum 3 ist mit Hilfe von Türen von der Umgebung 4 her zugänglich.
Das Fahrzeug 1 umfasst ein Fahrwerk mit mehreren Rädern 5, 6. Die Anzahl der
Räder 5, 6 ist grundsätzlich beliebig. Vorzugsweise weist das Fahrzeug 1 vier
Räder 5, 6 auf. Das Fahrzeug 1 kann jedoch beispielsweise sechs Räder 5, 6 auf- weisen. Die Räder 5, 6 sind Teil eines Fahrwerks des Fahrzeugs 1. Es können lediglich zwei Räder 5, 6 angetrieben sein. Es können jedoch auch alle Räder 5, 6 angetrieben sein. In diesem Fall ist das Fahrzeug 1 ein Allradfahrzeug.
Das Fahrzeug 1 umfasst eine Brennkraftmaschine oder einen Verbrennungsmotor 7. Der Verbrennungsmotor 7 kann ein Dieselmotor oder ein Ottomotor sein. Das Fahrzeug 1 kann rein von dem Verbrennungsmotor 7 angetrieben sein. Das Fahrzeug 1 kann jedoch auch ein Hybridfahrzeug sein. In diesem Fall weist das Fahrzeug 1 neben dem Verbrennungsmotor 7 zumindest einen Elektromotor auf. Der Verbrennungsmotor 7 umfasst einen Motorblock sowie mehrere in Kolbenbohrungen des Motorblocks aufgenommene Kolben. Beispielsweise kann der Verbrennungsmotor 7 drei, vier, fünf, sechs oder mehr als sechs Kolben aufweisen.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Kolbens 8 für den Verbrennungsmotor 7. Die Fig. 3 zeigt die Detailansicht III gemäß der Fig. 2. Die Fig. 4 zeigt eine schematische perspektivische Teilschnittansicht des Kolbens 8. Nachfolgend wird auf die Fig. 2 bis 4 gleichzeitig Bezug genommen.
Der Kolben 8 kann Teil eines wie zuvor erläuterten Fahrzeugs 1, insbesondere des Verbrennungsmotors 7, sein. Besonders bevorzugt ist der Kolben 8 jedoch Teil eines Nutzfahrzeugs. In diesem Fall ist das Fahrzeug 1 ein Nutzfahrzeug. Der Verbrennungsmotor 7 und damit der Kolben 8 kann in beliebigen Fahrzeugen 1, Schiffen, Maschinen oder dergleichen eingesetzt werden. Ferner ist der Verbrennungsmotor 7 beziehungsweise der Kolben 8 auch für stationäre Anwendungen, wie beispielsweise für Generatoren, Kraft, Wärme oder dergleichen, einsetzbar. Der Kolben 8 kann eine Symmetrie- oder Mittelachse 9 umfassen, zu der der Kolben 8 im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut sein kann. Dem Kolben 8 ist ein Koordinatensystem mit einer Breitenrichtung oder x-Richtung x, einer Hochrichtung oder y-Richtung y und einer Tiefenrichtung oder z-Richtung z zugeordnet. Die y-Richtung y kann auch als Axialrichtung bezeichnet werden. Die Begriffe "y-Richtung" und "Axialrichtung" sind daher beliebig gegeneinander tauschbar. Die Richtungen x, y, z sind senkrecht zueinander orientiert. Die Mittelachse 9 stimmt insbesondere mit der y-Richtung y überein oder ist parallel zu dieser orientiert. Dem Kolben 8 ist ferner eine Radialrichtung R zugeordnet. Die Radialrichtung R ist senkrecht zu der Mittelachse 9 orientiert und weist von dieser weg.
Der Kolben 8 weist einen Kolbenfuß oder Kolbenschaft 10 und einen Kolbenkopf 11 auf. Entlang der Mittelachse 9 betrachtet ist der Kolbenschaft 10 unterhalb des Kolbenkopfs 11 angeordnet. Der Kolbenschaft 10 weist eine Kolbennabe mit einer Bolzenbohrung 12 auf, in der ein nicht gezeigter Bolzen zum Koppeln des Kolbens 8 an ein nicht gezeigtes Pleuel des Verbrennungsmotors 7 aufnehmbar ist. Eine Symmetrie- oder Mittelachse 13 der Bolzenbohrung 12 schneidet die Mittelachse 9 oder ist versetzt zu dieser angeordnet. Ferner ist die Mittelachse 13 senkrecht zu der Mittelachse 9 orientiert. Die Mittelachse 13 stimmt mit der z-Richtung z überein oder ist parallel zu dieser orientiert.
In der Orientierung der Fig. 2 beidseits der Kolbennabe ist jeweils ein Schaftabschnitt 14, 15 vorgesehen. Es sind ein erster Schaftabschnitt 14 und ein zweiter Schaftabschnitt 15 vorgesehen. Die Schaftabschnitte 14, 15 können abschnittsweise zylinderförmig ausgebildet sein. Mit anderen Worten können die Schaftabschnitte 14, 15 Teil eines Zylinders bilden, der rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 9 aufgebaut ist. Die Schaftabschnitte 14, 15 bilden zusammen ein sogenanntes Kolbenhemd des Kolbens 8. Die Schaftabschnitte 14, 15 können abschnittsweise rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 9 aufgebaut sein. Dabei bilden die Sch aft ab schnitte 14, 15 insbesondere jedoch keinen vollständigen Zylinder. Einer der Schaftabschnitte 14, 15 bildet eine Druckseite des Kolbens 8, wobei der andere der Schaftabschnitte 14, 15 eine Gegendruckseite des Kolbens 8 bildet.
Die Schaftabschnitte 14, 15 sind mit Hilfe von Wandabschnitten 16, 17 miteinander verbunden. Es sind ein erster Wandabschnitt 16 und ein zweiter Wandabschnitt 17 vorgesehen. Die Radialrichtung R weist von der Mittelachse 9 weg in Richtung der Schaftabschnitte 14, 15 nach außen. Die Bolzenbohrung 12 durchbricht die Wandabschnitte 16, 17. Die Schaft ab schnitte 14, 15 und die Wandabschnitte 16, 17 umschließen einen Innenraum 18 des Kolbenschafts 10. Der Innenraum 18 ist in der Orientierung der Fig. 2 bis 4 nach unten hin offen. Der zuvor erwähnte Bolzen zum Koppeln des Kolbens 8 an das Pleuel läuft entlang der Mittelachse 13 durch den Innenraum 18 hindurch.
Der Kolben 8 weist einen Kühlkanal 19 auf, der vollständig um die Mittelachse 9 umläuft und vorzugsweise rotationssymmetrisch zu dieser aufgebaut ist. Der Kühlkanal 19 ist insbesondere torusförmig. Der Kühlkanal 19 weist eine Wandung 20 auf, welche eine Geometrie oder eine Querschnittsgeometrie des Kühlkanals 19 definiert. Durch den Kühlkanal 19 kann ein Kühlöl, insbesondere Motoröl, geleitet werden, um im Betrieb des Kolbens 8 in diesen eingebrachte Wärme Q abzuführen. Hierzu kann das Kühlöl mit Hilfe einer in der Orientierung der Fig. 2 bis 4 unterhalb des Kolbens 8 angeordneten Einspritzdüse in den Kühlkanal 19 eingespritzt werden.
Mit Hilfe mehrerer Bohrungen 21, 22 ist der Kühlkanal 19 mit dem Innenraum 18 in Fluidverbindung. Die Anzahl der Bohrungen 21, 22 ist grundsätzlich beliebig. Vorzugsweise sind mehrere Bohrungen 21, 22 vorgesehen, die gleichmäßig um die Mittelachse 9 herum verteilt angeordnet sein können. Die Bohrungen 21, 22 können auch ungleichmäßig um die Mittelachse 9 herum verteilt angeordnet sein. Beispielsweise kann im Betrieb des Kolbens 8 in der Orientierung der Fig. 2 bis 4 mit Hilfe der zuvor erwähnten Einspritzdüse von unten Kühlöl in den Innenraum 18 eingespritzt werden. Zumindest ein Teil des Kühlöls gelangt durch die Bohrungen 21, 22 in den Kühlkanal 19 und wieder aus diesem heraus. Mit dem Kühlöl wird dann Wärme Q von dem Kolben 8 abgeführt.
Der Kolbenkopf 11 weist einen Kolbenboden 23 auf, welcher einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 7 zugewandt ist. In den Kolbenboden 23 wird auch ein Großteil der Wärme Q eingebracht. Der Kolbenboden 23 ist insbesondere einem Brennraum 24 des Verbrennungsmotors 7 zugewandt. Der Kolbenboden 23 umfasst einen ringförmigen Kolbenbodenabschnitt 25, der eine senkrecht zu der Mittelachse 9 orientierte Ebene aufspannt. Ferner weist der Kolbenboden 23 eine Brennraummulde 26 auf, welche bezüglich des Kolbenbodenabschnitts 25 zurückgesetzt ist. Entlang der Mittelachse 9 beziehungsweise entlang der y Richtung y betrachtet, ist die Brennraummulde 26 somit bezüglich des Kolbenbodenabschnitts 25 versetzt oder vertieft angeordnet.
Die Brennraummulde 26 kann eine beliebige Geometrie aufweisen. Im vorliegenden Fall weist die Brennraummulde 26 einen um die Mittelachse 9 umlaufenden Absatz 27 auf, der entlang der y-Richtung y betrachtet gegenüber dem Kolbenbodenabschnitt 25 zurückgesetzt ist. Ein Brennraummuldenrand 28 der Brennraummulde 26 ragt entgegen der Radialrichtung R betrachtet radial in die Brennraummulde 26 hinein. An den Brennraummuldenrand 28 schließt sich eine um die Mittelachse 9 umlaufende Verrundung 29 an. Die Verrundung 29 geht in einen, insbesondere kegelförmigen oder konusförmigen, Brennraummuldenboden 30 über, der sich entlang der y-Richtung y betrachtet nach oben erstreckt. Der Brennraummuldenboden 30 endet entlang der y-Richtung y betrachtet jedoch unterhalb des Absatzes 27. Zwischen der Brennraummulde 26 und dem Kühlkanal 19 ist eine erste Wand 31 (Fig. 3) vorgesehen. Die erste Wand 31 trennt den Kühlkanal 19 fluidisch von der Brennraummulde 26 ab. Die erste Wand 31 läuft vollständig um die Mittelachse 9 um. Die erste Wand 31 weist eine erste Wanddicke w31 auf. Die erste Wanddicke w31 beträgt mindestens 5 mm. Insbesondere beträgt ein Durchschnitt der ersten Wanddicke w31 über die gesamte erste Wand 31 mindestens 5 mm. Das heißt, dass die erste Wand 31 bereichsweise oder lokal auch eine kleinere erste Wanddicke w31 als 5 mm aufweisen kann. Entlang einer Haupterstreckungsrichtung der ersten Wand 31, vorliegend der y-Richtung y, betrachtet beträgt die erste Wanddicke w31 durchschnittlich jedoch immer zumindest 5 mm. Unter der "Haupterstreckungsrichtung" ist vorliegend eine Richtung, vorliegend die y Richtung y, zu verstehen, entlang welcher die erste Wand 31 ihre größte geometrische Ausdehnung aufweist.
Ein zweite Wand 32 (Fig. 3) trennt die Brennraummulde 26 von dem Innenraum 18 ab. Die zweite Wand 32 bildet vorderseitig den Brennraummuldenboden 30 aus. Rückseitig, das heißt dem Innenraum 18 zugewandt, bildet die zweite Wand 32 eine sogenannte Innenform 33 des Kolbens 8 aus. Die Innenform 33 kann kegelförmig oder konusförmig sein. Die zweite Wand 32 weist eine zweite Wanddicke w32 auf. Auch die zweite Wanddicke w32 beträgt mindestens 5 mm. Insbesondere beträgt ein Durchschnitt der zweiten Wanddicke w32 über die gesamte zweite Wand 32 mindestens 5 mm. Das heißt, dass die zweite Wand 32 bereichsweise oder lokal auch eine kleinere zweite Wanddicke w32 als 5 mm aufweisen kann. Entlang einer Haupterstreckungsrichtung der zweiten Wand 32, vorhegend der x-Richtung x, betrachtet beträgt die zweite Wanddicke w32 durchschnittlich jedoch immer zumindest 5 mm.
Der Kolben 8 weist einen Kolbendurchmesser d8 auf. Der Kolbendurchmesser d8 ist definiert als ein Durchmesser eines kleinstmöglichen Zylinders, der das Kolbenhemd, also die Schaftabschnitte 14, 15, einschließt. Dieser Zylinder ist senk- recht zu der Mittelachse 13 orientiert. Die erste Wanddicke w31 ist zumindest im Durchschnitt größer als 5 % des Kolbendurchmessers d8. Bevorzugt ist die erste Wanddicke w31 zumindest im Durchschnitt größer als 6 % des Kolbendurchmessers d8. Besonders bevorzugt ist die erste Wanddicke w31 zumindest im Durchschnitt größer als 7 % des Kolbendurchmessers d8. Mindestens beträgt die erste Wanddicke w31 durchschnittlich jedoch 5 mm. Die zweite Wanddicke w32 ist ebenfalls zumindest im Durchschnitt größer als 5 % des Kolbendurchmessers d8. Bevorzugt ist die zweite Wanddicke w32 zumindest im Durchschnitt größer als 6 % des Kolbendurchmessers d8. Besonders bevorzugt ist die zweite Wanddicke w32 zumindest im Durchschnitt größer als 7 % des Kolbendurchmessers d8. Mindestens beträgt die zweite Wanddicke w32 jedoch durchschnittlich 5 mm.
Durch die Mittelachse 9 kann eine beliebige Anzahl von Schnittebenen E (Fig. 3) gelegt werden. Die Mittelachse 9 liegt in jeder dieser Schnittebenen E. Für jede Schnittebene E gilt insbesondere, dass die erste Wanddicke w31 und/oder die zweite Wanddicke w32 durchschnittlich zumindest 5 %, bevorzugt 6 %, weiter bevorzugt 7 %, des Kolbendurchmessers d8 beträgt oder/und zumindest 5 mm beträgt. Beispielsweise können die durchschnittlichen Wanddicken w31, w32 jeweils gesondert voneinander berechnet werden. Die jeweilige durchschnittliche Wanddicke w31, w32 kann entlang einer in der jeweiligen Schnittebene E gelegenen Schnittkontur der ersten Wand 31 und/oder der zweiten Wand 32 mit einer konstanten Schrittweite oder einem konstanten Inkrement von nicht mehr als 1 mm berechnet werden. Insbesondere erfolgt die Berechnung der Wanddicken w31, w32 entlang einer von der vorgenannten Schnittkontur gebildeten Linie, welche von einem Schnitt der Schnittebene E mit Oberflächen der Brennraummulde 26 und des Kolbenbodenabschnitts 25 gebildet wird.
Die erste Wanddicke w31 der ersten Wand 31 ist insbesondere definiert als ein kleinster Abstand zwischen der Brennraummulde 26, insbesondere der Verrun- dung 29, und dem Kühlkanal 19, insbesondere der Wandung 20 des Kühlkanals 19. Die zweite Wanddicke w32 der zweiten Wand 32 ist insbesondere definiert als ein kleinster Abstand zwischen der Brennraummulde 26, insbesondere dem Brennraummuldenboden 30, und der Innenform 33. Die erste Wand 31 geht an der Verrundung 29 in die zweite Wand 32 oder umgekehrt über. Das heißt insbesondere, dass die erste Wand 31 mit der zweiten Wand 32 verbunden ist.
An dem Kolbenkopf 11 ist eine Ringpartie oder ein Ringfeld 34 vorgesehen. Das Ringfeld 34 bildet insbesondere eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenfläche des Kolbenkopfs 11, welche rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 9 aufgebaut sein kann. Das Ringfeld 34 weist mehrere entlang der y-Richtung y betrachtet übereinander angeordnete Ringnuten 35 auf, von denen in der Fig. 2 nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Ringnuten 35 sind zur Aufnahme von Kolbenringen geeignet. Beispielsweise sind zwei oder drei derartige Ringnuten 35 vorgesehen. Ein sich an den Kolbenboden 23 anschließender Feuersteg 36 ist Teil des Ringfelds 34. Der Feuersteg 36 weist jedoch keine wie zuvor erwähnte Ringnut 35 zum Aufnehmen eines Kolbenrings auf.
Der Kolben 8 ist zweiteilig und umfasst ein Kolbenunterteil 37 sowie ein Kolbenoberteil 38. Das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 sind zwei voneinander getrennte Bauteile, welche zum Bilden des Kolbens 8 stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Bei stoffschlüssigen Verbindungen werden die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten. Stoffschlüssige Verbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel und/oder der Verbindungspartner wieder voneinander trennen lassen. Stoffschlüssig kann beispielsweise durch Kleben, Löten oder Schweißen verbunden werden. Beispielsweise ist das Kolbenunterteil 37 mit dem Kolbenoberteil 38 verschweißt, insbesondere reibverschweißt.
Mit Hilfe des Kolbens 8 soll eine im Vergleich zu betriebsintern bekannten Kolben höhere Brennraumoberflächentemperatur im Brennraum 24, das heißt eine heißere Verbrennung, erzielt werden. Durch eine Erhöhung der Brennraumober- flächentemperatur kann eine Erhöhung eines thermodynamischen Wirkungsgrads einer motorischen Verbrennung ermöglicht werden. Dadurch können Vorteile hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und von CO2 -Emissionen realisiert werden.
Bei bekannten Kolben, insbesondere bei bekannten Stahlkolben, können als Werkstoffe beispielsweise entweder ein Vergütungsstahl 42CrMo4 oder ein mikrolegierter Stahl 38MnVS6 eingesetzt werden. Diese Kolben können entweder einteilig ausgeführt sein oder ein Kolbenunterteil und ein Kolbenoberteil aufweisen, die durch eine Fügeoperation miteinander verbunden werden. Dabei ist in der Regel der gesamte Kolben, auch bei zweiteiligen Konzepten, aus demselben Material her gestellt.
Die Kühlung eines derartigen Kolbens erfolgt dabei über einen Kühlölstrahl, der mit einer Einspritzdüse in einen umlaufenden, ringförmigen Kühlkanal eingespritzt wird. Hierfür ist ein bestimmter minimaler Volumenstrom des Kühlöls notwendig, um über eine entsprechende Wärmeabfuhr die hoch belasteten Bereiche, insbesondere den Brennraummuldenrand, unterhalb der für eine Verzunderung des Kolbens kritischen Temperatur zu halten. Beide der oben genannten Werkstoffe 42CrMo4 und 38MnVS6 haben eine durch ihre chemische Zusammensetzung vorgegebene und bei beiden Werkstoffen ähnliche Wärmeleitfähigkeit. Dadurch ergibt sich bei standardmäßig ausgelegter Kolbenkühlung eine gewisse Brennraumoberflächentemperatur. Diese kann nicht weiter erhöht werden, da beide Werkstoffe eine begrenzte Verzunderungsbeständigkeit aufweisen, und somit bei einer Erhöhung der Brennraumoberflächentemperatur dies zu einem verzunderungsbedingten Anriss und somit zum Ausfall des Kolbens führen könnte. Den steigenden Anforderungen bezüglich der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2 -Emissionen wird deshalb häufig mit der Entwicklung reibungsoptimierter Kolbensysteme begegnet. Beispielsweise werden optimierte Kolbenschaftprofile und Einbauspiele, sowie kostenintensive Ringpakete mit speziellen Beschichtungen, wie beispielsweise amorpher Kohlenstoff (Engi.: Dia- monddike Carbon, DLC) oder aufwendige Oberflächenoptimierungen für Zylinderlaufbuchsen eingesetzt. Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2 -Emissionen gilt es mit Hilfe des zuvor erläuterten Kolbens 8 zu verbessern.
Hierzu kommt zumindest für den Bereich der Brennraummulde 26 des Kolbens 8 der Einsatz einer hochverzunderungsbeständigen und gleichzeitig niedrigwärmeleitfähigen Stahllegierung zur Anwendung. Dadurch erhöht sich aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit schon bei standardmäßig ausgelegter Kolbenkühlung die Brennraumoberflächentemperatur, was zu einer Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads der motorischen Verbrennung führt.
Für den Kolben 8 eignet sich insbesondere eine niedriglegierte Stahllegierung mit folgender chemischer Zusammensetzung:
Kohlenstoff C- 0,35 bis 0,5 Gewichtsprozent, insbesondere 0,4 bis 0,44 Ge- wichtsprozent.
Silizium Si: 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent, insbesondere 2,85 bis 3 Gewichtsprozent.
Chrom CE 0,5 bis 2 Gewichtsprozent, insbesondere 0,9 bis 1,2 Gewichtsprozent.
Mangan Mn: 0,5 bis 0,9 Gewichtsprozent, insbesondere 0,6 bis 0,8 Gewichtsprozent. Titan Ti: 0,005 bis 0,015 Gewichtsprozent.
Molybdän Mo: 0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent, insbesondere 0,15 bis 0,2 Gewichtsprozent.
Neben weiteren Legierungsbestandteilen umfasst die Stahllegierung hauptsächlich das Element Eisen Fe. Die Stahllegierung weist eine erhöhte Verzunderungsbeständigkeit bei 550 bis 650 °C, insbesondere bei 580 bis 600 °C, auf.
Für den Fall, dass der Kolben 8 ein einteiliges Bauteil ist und somit nicht in das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 unterteilt ist, ist der gesamte Kolben 8 aus dieser Stahllegierung gefertigt. Für den Fall, dass der Kolben 8 zweiteilig ist und das von dem Kolbenunterteil 37 getrennte Kolbenoberteil 38 aufweist, kann nur das Kolbenoberteil 38, das die Brennraummulde 26 aufweist, aus der Stahllegierung gefertigt sein. Für das Kolbenunterteil 37 kommen dann vorzugsweise der Vergütungsstahl 42CrMo4 oder der mikrolegierte Stahl 38MnVS6 zum Einsatz.
Durch konstruktive Maßnahmen kann die Erhöhung der Brennraumoberflächentemperatur noch weiter gesteigert werden, indem die Kühlwirkung im Bereich der Brennraummulde 26 reduziert wird. Das ist möglich, da die Stahllegierung durch die höhere Verzunderungsbeständigkeit eine höhere Oberflächentemperatur in der Brennraummulde 26 ertragen kann, ohne dass es zu einem Versagen des Kolbens 8 kommt. Diese Erhöhung der Brennraumoberflächentemperatur kann durch die schon zuvor erläuterten und miteinander kombinierbare Maßnahmen erreicht werden. Zum einen wird durch die Vergrößerung der Wanddicken w31, w32 im Bereich der Brennraummulde 26 die Ableitung von Wärme Q durch das Kühlöl weiter reduziert und führt somit zu einer zusätzlichen Steige- rung der Brennraumoberflächentemperatur und damit des thermodynamischen
Wirkungsgrads.
Durch eine Anpassung der Geometrie des Kühlkanals 19 kann ebenso eine Steigerung der Brennraumoberflächentemperatur und des thermodynamischen Wirkungsgrads erreicht werden. Hierbei kann der Kühlkanal 19 mit einem im Vergleich zu bekannten Kolben geringerem Querschnitt ausgestattet werden, wodurch die Abfuhr von Wärme Q reduziert wird. Außerdem ist diese Maßnahme vorteilhaft bezüglich der Abmessungen und der Bauhöhe des Kolbens 8. Alternativ kann der Kühlkanal 19 als offener Kühlkanal gestaltet sein, der über eine frei zugängliche innere Oberfläche mit dem Kühlöl angespritzt wird. Ferner ist es auch möglich, auf den Kühlkanal 19 vollständig zu verzichten.
Weiterhin kann eine zur Kühlung des Kolbens 8 verwendete Menge an Kühlöl reduziert werden. Auch dadurch erhöht die Brennraumoberflächentemperatur und damit der thermodynamische Wirkungsgrad. Außerdem ergibt sich ein zusätzlicher Effizienzvorteil, da eine Verlustleistung einer Ölpumpe zum Fördern des Kühlöls reduziert wird, was zu einem indirekten Beitrag an Kraftstofieinspa- rung führt.
Die Anwendung der Stahllegierung mit niedriger Wärmeleitfähigkeit führt zu einer Reduzierung der Abfuhr von Wärme Q von der Brennraummulde 26 hin zu dem Kühlkanal 19 und damit zu einer Erhöhung der Oberflächentemperatur der Brennraummulde 26 und des Brennraums 24. Die Stahllegierung weist gegenüber den Werkstoffen 42CrMo4 oder 38MnVS6 eine um etwa 20 W/m*K niedrigere Wärmeleitfähigkeit auf. Simulationen haben gezeigt, dass sich eine Brennraummuldenrandtemperatur an dem Brennraummuldenrand 28 pro 1 W/m*K reduzierte Wärmeleitfähigkeit um 2 K erhöht. Die oben aufgeführten zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen wie die Vergrößerung der Wanddicken w31, w32, die Anpassung der Kühlkanalgeometrie des Kühlkanals 19 oder die Reduzierung der Menge des Kühlöls haben eine analoge Wirkung, die über eine Reduzierung der Abfuhr von Wärme Q zu einer höheren Brennraumoberflächentemperatur führen. Infolgedessen kann der thermodynamische Wirkungsgrad der Verbrennung erhöht und somit können Kraftstoff und CO2-Emmissionen eingespart werden. Voraussetzung hierfür ist eine ausreichende Verzunderungsbeständigkeit der Stahllegierung.
Neben der niedrigen Wärmeleitfähigkeit ist die Stahllegierung gleichzeitig auch hochverzunderungsbeständig, das heißt, eine Grenztemperatur, ab der eine technisch relevante Verzunderung auftritt, kann um mindestens 70 K zu einer höheren Temperatur hin verschoben werden. Infolge der hohen Verzunderungsbeständigkeit der Stahllegierung können außerdem zusätzliche verbrennungsseitige Maßnahmen zur Erhöhung der Brennraumoberflächentemperatur und zur Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads ergriffen werden.
Durch den Einsatz der hochverzunderungsbeständigen und gleichzeitig niedrigwärmeleitfähigen Stahllegierung zumindest als Werkstoff für das Kolbenoberteil 38 kann der thermodynamische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 7 erhöht werden. Dadurch können Verbrauchsvorteile und Vorteile hinsichtlich der CO2 -Emissionen realisiert werden.
Die Fig. 5 zeigt eine schematische geschnittene Explosionsansicht einer Ausführungsform eines Kolbenrohlings 39 für den Kolben 8.
Mit Hilfe des Kolbenrohlings 39 kann der Kolben 8 hergestellt werden. Der Kolbenrohling 39 umfasst ein wie zuvor erwähntes Kolbenunterteil 37 sowie ein wie zuvor erwähntes Kolbenoberteil 38. Der Kolbenrohling 39 unterscheidet sich von dem Kolben 8 dadurch, dass das Kolbenunterteil 37 noch nicht mit dem Kolben- Oberteil 38 verbunden ist. Der Kolbenrohling 39 kann sich zusätzlich noch dadurch von dem Kolben 8 unterscheiden, dass der Kolben 8 nach dem Verschweißen des Kolbenunterteils 37 mit dem Kolbenoberteil 38 abtragend bearbeitet wird. Als abtragende Verfahren kommen beispielsweise Erodieren, Fräsen, Drehen oder dergleichen in Frage. Ferner kann der Kolbenrohling 39 zum Bilden des Kolbens 8 auch noch mit Hilfe eines umformenden Fertigungsverfahrens, beispielsweise eines Schmiedeverfahrens, umgeformt werden.
Die Mittelachse 9 kann dem Kolbenrohling 39 zugeordnet sein. Auch das zuvor erwähnte Koordinatensystem mit den Richtungen x, y, z kann dem Kolbenrohling 39 zugeordnet sein. Ferner kann auch die Radialrichtung R dem Kolbenrohling 39 zugeordnet sein.
Der Kühlkanal 19 ist teilweise an dem Kolbenunterteil 37 und teilweise an dem Kolbenoberteil 38 angeformt. Insbesondere ist an dem Kolbenunterteil 37 ein erster Kühlkanalabschnitt 19A vorgesehen. An dem Kolbenoberteil 38 kann ein zweiter Kühlkanalabschnitt 19B vorgesehen sein. Die Kühlkanalabschnitte 19A, 19B bilden zusammen den Kühlkanal 19. Das Kolbenoberteil 38 weist die Brennraummulde 26 auf, die zur Herstellung des Kolbens 8 aus dem Kolbenrohling 39 mit Hilfe eines abtragenden oder umformenden Fertigungsverfahrens bearbeitet werden kann, um die in den Fig. 2 bis 4 gezeigte endgültige Geometrie der Brennraummulde 26 herzustellen.
Wie zuvor erwähnt, sind das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 zwei voneinander getrennte Bauteile, welche stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt, werden können. Hierzu weist das Kolbenunterteil 37 eine ringförmig um die Mittelachse 9 umlaufende erste Fügefläche 40 sowie eine ringförmig um die Mittelachse 9 umlaufende zweite Fügefläche 41 auf. Entlang der Radialrichtung R betrachtet ist die zweite Fügefläche 41 innerhalb der ersten Fügefläche 40 platziert. Entsprechend weist das Kolbenober- teil 38 eine ringförmig um die Mittelachse 9 umlaufende erste Fügefläche 42 sowie eine ringförmig um die Mittelachse 9 umlaufende zweite Fügefläche 43 auf. Entlang der Radialrichtung R betrachtet ist die zweite Fügefläche 43 innerhalb der ersten Fügefläche 42 platziert.
Das Kolbenunterteil 37 kann ferner einen umlaufenden Absatz 44 aufweisen, der sich entlang der Radialrichtung R betrachtet radial aus dem Kolbenunterteil 37 herauserstreckt. Der Absatz 44 ist optional. Das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 sind jeweils einstückige, insbesondere materialeinstückige, Bauteile. "Einstückig" oder "einteilig" bedeutet vorliegend, dass das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 jeweils nicht aus unterschiedlichen Unterbauteilen zusammengesetzt sind, sondern jeweils ein einziges Bauteil bilden.
Zumindest das Kolbenoberteil 38 ist zumindest abschnittsweise aus der zuvor erwähnten hochverzunderungsbeständigen Stahllegierung gefertigt. Insbesondere im Bereich der Brennraummulde 26 ist das Kolbenoberteil 38 aus der Stahllegierung gefertigt. Das Kolbenunterteil 37 kann beispielsweise aus den Werkstoffen 42CrMo4 oder 38MnVS6 hergestellt sein. Alternativ kann das Kolbenunterteil 37 jedoch ebenfalls aus derselben hochverzunderungsbeständigen Stahllegierung gefertigt sein, aus der das Kolbenoberteil 38 gefertigt ist. Der Kolbenrohling 39 kann auch ein einstückiges Bauteil sein. In diesem Fall sind das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 keine zwei voneinander getrennten Bauteile, die nachträglich miteinander verbunden werden. Der Kolbenrohling 39 ist dann durchgehend aus der hochverzunderungsbeständigen Stahllegierung gefertigt.
"Materialeinstückig" heißt dabei, dass das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 jeweils durchgehend aus demselben Material gefertigt sind. Der Kolben 8 selbst beziehungsweise der Kolbenrohling 39 ist hingegen mehrteilig. Das Kolbenunterteil 37 ist vorzugsweise ein Gussbauteil. Das Kolbenoberteil 38 kann ebenfalls ein Gussbauteil sein. Ferner kann das Kolbenunterteil 37 auch ein Schmiedebauteil sein. Auch das Kolbenoberteil 38 kann ein Schmiedebauteil sein. Für den Fall, dass das Kolbenunterteil 37 und/oder das Kolbenoberteil 38 jeweils ein Gussbauteil ist, können diese mit Hilfe eines Schmiedeverfahrens nachbearbeitet werden. Das Kolbenunterteil 37 und/oder das Kolbenoberteil 38 können jedoch auch mit Hilfe eines abtragenden Fertigungsverfahrens hergestellt oder bearbeitet sein.
Die Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Zwischenbauteils 45 für den Kolben 8.
Zum Bilden des Zwischenbauteils 45 werden das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 an ihren Fügeflächen 40 bis 43 unter Bildung von Fügeebenen 46, 47 miteinander verbunden. Die Fügeebenen 46, 47 können Schweißnähte, insbesondere Reibschweißnähte, sein. Dabei werden die ersten Fügeflächen 40, 42 und die zweiten Fügeflächen 41, 43 jeweils fest miteinander verbunden. Das Zwischenbauteil 45 unterscheidet sich von dem Kolbenrohling 39 dadurch, dass das Kolbenunterteil 37 fest mit dem Kolbenoberteil 38 verbunden, insbesondere verschweißt, ist. Als Schweiß verfahren eignet sich beispielsweise das Reib- schweißen.
Der Kolben 8 unterscheidet sich von dem Zwischenbauteil 45 dadurch, dass der Kolben 8 im Gegensatz zu dem Zwischenbauteil 45 mit Hilfe eines abtragenden und/oder umformenden Fertigungsverfahrens nachbearbeitet ist. Beispielsweise werden zur Herstellung des Kolbens 8 aus dem Zwischenbauteil 45 die Brennraummulde 26 bearbeitet, das Ringfeld 34 an das Zwischenbauteil 45 angeformt, der Absatz 44 entfernt und überstehende Wülste der Fügeebene 46 abgetragen. Ferner kann eine zylinderförmige Außenfläche 48 des Zwischenbauteils 45 abtragend bearbeitet werden, um das Ringfeld 34 herzustellen. Die Fig. 7 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines
Verfahrens zum Herstellen des Kolbenrohlings 39.
Bei dem Verfahren wird in einem Schritt S1 der Kolbenrohling 39 aus der Stahllegierung gefertigt, die einen Chromanteil von 0,5 bis 2 Gewichtsprozent und einen Silizium anteil von 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent aufweist. Der Schritt S1 kann ein Gießen, ein Umformen und/oder ein abtragendes Bearbeiten der Stahllegierung umfassen. Ferner können in dem Schritt S1 das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 als voneinander getrennte Bauteile gefertigt werden. In diesem Fall wird zumindest das Kolbenoberteil 38 aus der Stahllegierung gefertigt. Alternativ kann der Kolbenrohling 39 in dem Schritt S1 auch als einstückiges Bauteil gefertigt werden. In diesem Fall sind das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 keine zwei voneinander getrennten Bauteile.
Das Verfahren kann einen Schritt S2 umfassen, bei dem das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 zu dem Zwischenbauteil 45 zusammengefügt oder zusammengebaut werden. In dem Fall, dass das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 zusammengefügt werden, werden das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 an den Fügeflächen 40 bis 43 stofischlüssig miteinander verbunden, insbesondere verschweißt. Bevorzugt werden das Kolbenunterteil 37 und das Kolbenoberteil 38 an den Fügeflächen 40 bis 43 miteinander reibver- schweißt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar. BEZUGSZEICHENLISTE
1 F ahrzeug
2 Karosserie
3 Fahrzeuginnenraum
4 Umgebung
5 Rad
6 Rad
7 Verbrennungsmotor
8 Kolben
9 Mittelachse
10 Kolbenschaft
11 Kolbenkopf
12 Bolzenbohrung
13 Mittelachse
14 Schaft ab schnitt
15 Schaft ab schnitt
16 Wandabschnitt
17 Wandabschnitt
18 Innenraum
19 Kühlkanal
19 A Kühlkanalabschnitt
19B Kühlkanalabschnitt
20 Wandung
21 Bohrung
22 Bohrung
23 Kolbenboden
24 Brennraum
25 Kolbenbodenabschnitt
26 Brennraummulde 27 Absatz
28 Brennraummuldenrand
29 Verrundung
30 Brennraummuldenboden
31 Wand
32 Wand
33 Innenform
34 Ringfeld
35 Ringnut
36 Feuersteg
37 Kolbenunterteil
38 Kolbenoberteil
39 Kolbenrohling
40 Fügefläche
41 Fügefläche
42 Fügefläche
43 Fügefläche
44 Absatz
45 Zwischenbauteil
46 Fügeebene
47 Fügeebene
48 Außenfläche d8 Kolbendurchmesser
E Schnittebene
Q Wärme
R Radialrichtung
51 Schritt
52 Schritt w31 Wanddicke w32 Wanddicke x x-Richtung y y-Richtung z z-Richtung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kolbenrohling (39) für einen Kolben (8), wobei der Kolbenrohling (39) zumindest abschnittsweise aus einer Stahllegierung gefertigt ist, die einen Chromanteil von 0,5 bis 2 Gewichtsprozent und einen Silizium anteil von 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent aufweist.
2. Kolbenrohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromanteil 0,9 bis 1,2 Gewichtsprozent und/oder der Silizium anteil 2,85 bis 3 Gewichtsprozent beträgt.
3. Kolbenrohling nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung einen Kohlenstoffanteil von 0,35 bis 0,5, insbesondere von 0,4 bis 0,44, Gewichtsprozent aufweist.
4. Kolbenrohling nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung einen Mangananteil von 0,5 bis 0,9, insbesondere von 0,6 bis 0,8, Gewichtsprozent aufweist.
5. Kolbenrohling nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung einen Titananteil von 0,005 bis 0,015 Gewichtsprozent aufweist.
6. Kolbenrohling nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung einen Molybdänanteil von 0,1 bis 0,3, insbesondere von
0,15 bis 0,2, Gewichtsprozent aufweist.
7. Kolbenrohling nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahllegierung eine erhöhte Verzunderungsbeständigkeit bei 550 bis 650 °C, insbesondere bei 580 bis 600 °C, aufweist.
8. Kolbenrohling nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenrohling (39) ein Kolbenunterteil (37) und ein Kolbenoberteil (38) aufweist, wobei das Kolbenoberteil (38) aus der Stahllegierung gefertigt ist, wobei das Kolbenunterteil (37) aus der Stahllegierung oder aus einem sich von der Stahllegierung unterscheidenden weiteren Werkstoff gefertigt ist, und wobei der weitere Werkstoff insbesondere eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Stahllegierung aufweist.
9. Kolbenrohling nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenrohling (39) ein einstückiges Bauteil ist, das durchgehend aus der Stahllegierung gefertigt ist.
10. Kolben (8) mit einem Kolbenrohling (39) nach einem der Ansprüche 1 - 9.
11. Kolben nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Brennraummulde (26) und einen zumindest abschnittsweise um die Brennraummulde (26) umlaufenden Kühlkanal (19), wobei eine durchschnittliche erste Wanddicke (w31) einer zwischen der Brennraummulde (26) und dem Kühlkanal (19) vorgesehenen ersten Wand (31) größer als 5 Prozent, bevorzugt größer als 6 Prozent, besonders bevorzugt größer als 7 Prozent, eines Kolbendurchmessers (d8) des Kolbens (8) ist.
12. Kolben nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche erste Wanddicke (w31) mindestens 5 Millimeter beträgt.
13. Kolben nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine durchschnittliche zweite Wanddicke (w32) einer zwischen der Brennraummulde (26) und einer Innenform (33) des Kolbens (8) vorgesehenen zweiten Wand (32) größer als 5 Prozent, bevorzugt größer als 6 Prozent, besonders bevorzugt größer als 7 Prozent, des Kolbendurchmessers (d8) ist.
14. Kolben nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche zweite Wanddicke (w32) mindestens 5 Millimeter beträgt.
15. Verfahren zum Herstellen eines Kolbenrohlings (39), wobei der Kolbenrohling (39) aus einer Stahllegierung gefertigt wird, die einen Chromanteil von 0,5 bis 2 Gewichtsprozent und einen Siliziumanteil von 2,5 bis 3,5 Gewichtsprozent aufweist.
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