Kühlkanalkolben für eine Brennkraftmaschine
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkanalkolben aus Stahl und dessen Herstellverfahren, gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Die US 6,155,157 offenbart einen Kühlkanalkolben, der zwei separat voneinander herstellbare Bauteile umfasst, die über ein Reibschweißverfahren stoffschlüssig zusammengefügt sind, zur Bildung eines einteiligen Kühlkanalkolbens. Als Kühlkanal ist ein zu dem Ringfeld des Kolbens beabstandeter und umlaufender, in Richtung Kolbeninnenform über Zu- und Ablaufbohrungen offener, schmal dimensionierter Ringkanal vorgesehen. Über eine ortsfest positionierte Spritzdüse wird der Kühlkanal von einem Kühlmedium, insbesondere Öl beaufschlagt. Dieser relativ einfach realisierbare Kühlkanal ermöglicht aufgrund der lokalen Lage keine ausreichende Kühlwirkung des Kolbens. Frage:
Aufgabenstellung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine optimale Kühlwirkung für hochbelastbare Kühlkanalkolben aus Stahl zu realisieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst.
Eine erste Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus Stahl gegossenen oder geschmiedeten, aus zumindest zwei Teilen an zumindest einer Fügestelle durch Reibschweißen verbundenen Kühlkanalkolbens, der neben einem äußeren Kühlkanal zumindest einen weiteren inneren Kühlkanal mit zumindest einer wannenförmigen Vertiefung einschließt. Dieser mittels einer mechanischen Bearbeitung, einer Einschmiedung oder durch ein Giessenverfahren hergestellte wannenförmige Teilbereich des Kühlkanals, ist mit einem äußeren, zu dem Ringfeld des Kolbens axial beabstandet angeordneten Kühlkanal über zumindest eine Übertrittsöffnung verbunden. Die abschnittsweise wannenförmige Gestaltung des inneren Kühlkanals vergrößert vorteilhaft den Kühlölhohlraum und folglich die Kühlölaufnahme, wodurch sich die Shakerwirkung des Kolbens verbessert und damit insgesamt die Kühlwirkung des Kolbens deutlich gesteigert werden kann.
Die Formgebung des abschnittsweise wannenförmigen inneren Kühlkanals vereinfacht außerdem das Einbringen von Übertrittsöffnungen zwischen den Kühlkanälen, die bevorzugt als Bohrungen ausgeführt werden. Erfindungsgemäß werden die Übertrittsöffnungen zwischen den Kühlkanälen vor dem Reibschweißen der zumindest einen (dargestellt sind drei) Fügeebene im Unterteil eingebracht, über die das Oberteil und das Unterteil abgestützt ist. Die Übertrittsöffnungen können dabei vorteilhaft im Bereich der wannenförmigen Vertiefung münden. Der sich einstellende Freiheitsgrad zur Platzierung der Übertrittsöffnungen ermöglicht eine Lagefestlegung der Übertrittsöffnungen, die ausschließlich unter dem Gesichtspunkt einer optimalen Beaufschlagung und ausreichendem Volumen des Kühlmittels erfolgen kann. Vorteilhaft kann dabei ein ausreichender Abstand zu den Fügeebenen zwischen dem Oberteil und dem Unterteil eingehalten werden.
Aufgrund des räumlichen Abstandes werden die bereits eingebrachten Übertrittsöffnungen von der anschließenden Reibschweißung der zumindest einen Fügeebene und den sich dabei einstellenden Schweißwülsten nicht behindert. Die erfindungsgemäß in einem Kolben kurzer Kompressionshöhe integrierten Kühlkanäle bewirken eine optimale Kühlwirkung über die gesamte Fläche der Brennraummulde des Kolbens. Dabei verringern die großvolumig gestalteten
Kühlkanäle vorteilhaft das Kolbengewicht. Bedingt durch abgestimmte Wandstärken der äußeren und inneren Kühlkanäle, die um die wannenförmige Erweiterung oberhalb der Bolzenbohrung erweitert sind, wird ein strukturfester Kolben realisiert, der höchsten Anforderungen standhält und der kostengünstig hergestellt werden kann.
Eine bevorzugte Gestaltung der erfindungsgemäßen Kühlkanäle sieht vor, dass diese sich auch in die Bereiche größter thermischer Belastung des Kolbens erstrecken. Dazu weist der abschnittsweise wannenförmige innere Kühlkanal im Bereich der Bolzenbohrung einen vertikal ausgerichteten Abschnitt auf, an den sich endseitig ein abgewinkelter, schräg zu einer Symmetrieachse des Kolbens ausgerichteter rotationssymmetrischer Abschnitt anschließt. Dieser schräg verlaufende Abschnitt des inneren Kühlkanals folgt beabstandet einer Kontur der Brennraummulde des Kolbens. Radial außenseitig schließt sich an den inneren Kühlkanal der äußere Kühlkanal an. Eine Längserstreckung des im parallelen Abstand zum Kolben-Ringfeld angeordneten äußeren Kühlkanals übertrifft ein Längenmaß des Ringfeldes. Die Kühlkanäle sind in dem Kolben so platziert, dass diese von Wandungen nahezu gleicher Wandstärken umschlossen sind. Zwecks vereinfachter Bearbeitung und Herstellung sind bevorzugt insbesondere im Falle kurzer Kompressionshöhen alle den Kühlkanälen zugeordneten Übertrittsöffnungen im Kolbenunterteil eingebracht.
Gemäß einer zweiten Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens aus Stahl mit einem zentralen Innenkühlraum vorgesehen, das ein Wälzdrückverfahren einschließt. In einem kuppelartig gestalteten, einer Muldenform nachgeführten zentralen Innenbereich des Kolbens ist mittels einer mechanischen Bearbeitung in Verbindung mit einem Abdeckelement ein innerer Kühlraum oder ein innerer Kühlkanal eingebracht, dem radial versetzt dazu ein äußerer Kühlkanal zugeordnet ist. Der Herstellprozess des Kolbens sieht vor, dass Übertrittsöffnungen für das Kühlöl, die auch als Versorgungsbohrungen zu bezeichnen sind, zwischen den Kühlkanälen vor dem abschließenden Wälzdrückverfahren eingebracht werden. Das Wälzdrückverfahren wird genutzt um das Kolben-Ringfeld durch Einbiegen in die endgültige Lage zu bringen.
Die Erfindung beinhaltet zur Schaffung eines inneren Kühlraums ein Abdeckelement oder Formteil, das den Innenbereich nach unten verschließt. Dazu wird bevorzugt ein scheibenartig oder topfartig gestaltetes Abdeckelement eingesetzt. Zur Befestigung des Abdeckelements eignet sich vorzugsweise eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Befestigung, beispielsweise eine Pressverbindung. Alternativ ist eine Schweiß- oder Lötverbindung zur Befestigung des Abdeckelementes vorgesehen, das zumindest eine Austrittsöffnung für das Kühlmittel einschließt.
Aus der DE 37 13 191 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Kopfes eines zweiteiligen Kolbens bekannt, bei dem ein Verfahrensschritt das Umbiegen des Ringabschnitts in eine endgültige Lage einschließt. Dieser Kolben umfasst lediglich einen außenseitig angeordneten, eng ausgelegten Kühlkanal, der nur lokal und folglich keine ausreichende großflächige Kühlwirkung des Kolbens sicherstellt. Beispielsweise erfolgt bei dem bekannten Kolben keine gezielte Kühlmittelbeaufschlagung im Bereich der inneren Brennraummulde.
Abweichend dazu ermöglicht der erfindungsgemäße Aufbau des Kolbens eine optimale Kühlwirkung. Über den einer zentralen Muldenform nachgeführten inneren Kühlkanal oder Kühlraum, in Verbindung mit dem dazu radial angeordneten äußeren Kühlkanal werden alle thermisch stark beanspruchten Zonen des Kolbens von den Kühlkanälen erfasst. Durch das Wälzdrückverfahren verbunden mit der gezielten Anordnung der Kühlkanäle ist ein strukturfester Stahlkolben realisierbar mit einer optimierten, insbesondere den gesamten Kolbenboden erfassenden Kühlwirkung. Der erfindungsgemäße Kolben hält damit höchsten Belastungen stand und ist in Brennkraftmaschinen mit hoher Leistungsdichte einsetzbar.
Das erfindungsgemäße Konzept vereinfacht bzw. optimiert die Herstellung des Kolbens, insbesondere das Einbringen der vorzugsweise als Bohrungen ausgeführten Übertrittsöffnungen. Die Herstellung der Bohrungen in bisherigen Stahlkolben erforderte einen erhöhten Fertigungsaufwand. Bedingt durch die erschwerte Zugänglichkeit innerhalb des Kolbens, konnten die stets schrägverlaufenden Bohrungen nur mit langen Bohrern hergestellt werden. Das
erfindungsgemäße Verfahren bietet einen großen Gestaltungsfreiraum zur Anordnung der von dem inneren Kühlkanal oder dem inneren Kühlraum ausgehenden, in den äußeren Kühlkanal mündenden Übertrittsöffnungen. Die Lage, Ausrichtung und Anzahl der Übertrittsöffnungen kann vorteilhaft ausschließlich im Hinblick auf eine verbesserte Kühlmittelbeaufschlagung der Kühlkanäle erfolgen, um eine optimale Kühlwirkung des Kolbens zu erzielen.
Eine weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kolbens sieht vor, dass zur Darstellung des inneren Kühlraums der zentrale, der Muldenform nachgeführte Innenbereich in Richtung Bolzenbohrung eine umlaufende Ringnut aufweist, die als Haltevolumen für Kühlflüssigkeit dient. Die Ringnut wird bevorzugt mittels einer mechanischen Bearbeitung hergestellt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind zur Fertigstellung des Kühlkanalkolbens aus Stahl, der ein Oberteil und ein Unterteil einschließt, ein Wälzdrückverfahren vorgesehen, das mit zumindest einer Hauptschweißverbindung kombiniert ist. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte. Nach dem Einbringen eines inneren Kühlkanals oder eines inneren Kühlraums in den Kolben werden die korrespondierenden Fügebereiche, über die das Unterteil und das Oberteil abgestützt sind, verschweißt. Bevorzugt ist dazu ein Reibschweißen vorgesehen. Anschließend werden Übertrittsöffnungen eingebracht, die den inneren Kühlkanal mit dem äußeren Kühlkanal verbinden. Optional können auch Übertritssöffnungen vor der Schweißung eingebracht sein. Mit einem Umformprozess, einem Wälzdrückverfahren wird abschließend das Kolben-Ringfeld durch Einbiegen in seine endgültige Lage gebracht.
Die nachfolgende Beschreibung erläutert verschiedene, in den Figuren 1 bis 7 dargestellte Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäß ausgestalteten Kühlkanalkolben.
Es zeigen:
Figur 1 : ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kühlkanalkolbens,
Figur 2: den um 90° gedrehten Kühlkanalkolben gemäß Figur 1 ,
Figur 3: ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kühlkanalkolbens,
Figur 4: ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kühlkanalkolbens,
Figur 5: ein viertes Ausführungsbeispiel eines Kühlkanalkolbens,
Figur 6: ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Kühlkanalkolbens,
Figur 7: den um 90° gedrehten Kühlkanalkolben gemäß Figur 6.
Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils in einer hälftigen Schnittansicht einen als Kühlkanalkolben gestalteten, für eine Brennkraftmaschine bestimmten Kolben 1 , der von einem Unterteil 2 sowie einem Oberteil 3 gebildet wird. Weiterhin umfasst der Kolben 1 ein für drei Kolbenringe bestimmtes Ringfeld 4, eine Brennraummulde 5, einen Kolbenschaft 6 sowie eine Bolzenbohrung 7. Nach dem Zusammenfügen von dem Unterteil 2 und dem Oberteil 3 bildet der Kolben 1 einen inneren Kühlkanal 8 sowie einen äußeren Kühlkanal 9. Dabei sind das Unterteil 2 und das Oberteil 3 über drei sowohl axial als auch radial versetzt zueinander angeordnete Fügeebenen 10,11 ,12 abgestützt, die zur Schaffung einer Baueinheit mittels einer Reibschweißung verbunden werden, denkbar ist jedoch auch eine andere Anzahl an Fügeebenen.
Die Schweißung verdeutlichend, sind jeder Fügeebene 10,11 ,12 in Richtung der Kühlkanäle 8,9 zeigend Schweißwülste 13,14,15,16 dargestellt. Durch ein Zusammenwirken von Fügebereichen 17a, 17b, 17c des Unterteils 2 mit entsprechenden Fügebereichen 18a, 18b, 18c des Oberteils 3 werden die einzelnen Fügeebenen 10,11 ,12 gebildet, die gleichzeitig die Kühlkanäle 8, 9 in dem Kolben 1 begrenzen. Der äußere flaschenartig geformte Kühlkanal 9 besitzt eine das Ringfeld 4 übertreffende Längserstreckung. Die wannenförmige Struktur des inneren Kühlkanals 8 bildet wie in Figur 1 gezeigt, im Bereich der Bolzenbohrung 7 einen vertikalen Abschnitt 19, an den sich endseitig ein abgewinkelter, schräg zu einer Symmetrieachse 20 des Kolbens 1 verlaufender
Abschnitt 21 anschließt. Außerhalb des Bereiches oberhalb der Bolzenbohrung ist der Kühlkanal 8 auf den Abschnitt 21 begrenzt, der axial beabstandet der Kontur der Brennraummulde 5 folgend verläuft. Zur Kühlmittelbeaufschlagung sind den Kühlkanälen 8, 9, die sich bereichsweise im Unterteil 2 und im Oberteil 3 des Kolbens 1 erstrecken, Übertrittsöffnungen 22, 23 zugeordnet. Der Kühlkanal 8 weist dazu nahe der Symmetrieachse 20 eine auch als Austrittsöffnung zu bezeichnende Übertrittsöffnung 22 auf. In einer Zwischenwand unterhalb der Fügeebene 11 ist eine weitere, den Kühlkanal 8 mit dem Kühlkanal 9 verbindende Übertrittsöffnung 23 eingebracht.
Der Aufbau und das Herstellverfahren des Kolbens 1 ermöglicht, dass die Übertrittsöffnungen 22, 23 vor der Reibschweißung von Unterteil 2 und Oberteil 3 hergestellt werden, wodurch sich das Einbringen der Übertrittsöffnungen 22, 23 vereinfacht. Die Lage sowie die Anzahl der Übertrittsöffnungen 22 ist nicht beschränkt und kann den Erfordernissen hinsichtlich der Kühlmittelbeaufschlagung nahezu beliebig erfolgen. Die Lage sowie die Anzahl der Übertrittsöffnungen 23 ist beschränkt auf die wannenförmige Vertiefung 19. Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, werden die Kühlkanäle 8, 9 von Wandungen nahezu gleicher Wandstärke umschlossen. Diese Maßnahme verbessert vorteilhaft die Wärmeabfuhr und optimiert die Strukturfestigkeit des Kolbens 1.
Die Figuren 3 bis 7 zeigen den Kolben 31 , der zu dem Kolben 1 gemäß den Figuren 1 und 2 alternativ gestaltet ist.
Zur Herstellung des Kolbens 31 gemäß Figur 3 wird zunächst in einem zentrischen Innenbereich 53 des Oberteils 33 ein innerer Kühlraum 38a eingebracht. Eine Innenwand des Kühlraums 38a verläuft dabei beabstandet zu der Kontur der Brennraummulde 35. Weiterhin wird zumindest eine, den Kühlraums 38a mit dem Kühlkanal 39 verbindende Übertrittsöffnung 45 in eine den inneren Kühlraum 38a begrenzende Wandung eingebracht. Alternativ zu der schräg ansteigend abgebildeten Übertrittsöffnung 45, kann diese in einer beliebigen Form oder Lage hergestellt werden. Das Unterteil 32 und das Oberteil 33 weisen jeweils einen Fügebereich 41a, 41b auf, die gemeinsam eine
Fügeebene 40 bilden, über die beide Bauteile mittels einer Reibschweißung verbunden werden.
Aufgrund eines ausreichenden Abstandes zu der Fügeebene 40 wird die Übertrittsöffnung 45 von den sich einstellenden Schweißwülsten 42, 43 der Reibschweißung nicht beeinflusst. Nach erfolgter Schweißung wird das Ringfeld 34 von einer in Figur 3 nicht dargestellten ausgeschwenkten Position in die Endlage eingebogen, in der eine Mantelfäche des Ringfelds 34 konzentrisch zu der Symmetrieachse 52 des Kolbens 31 verläuft, die gleichzeitig mit der Außenkontur des Kolbenschafts 36 übereinstimmt. Damit begrenzt das Ringfeld 34 außenseitig den äußeren Kühlkanal 39. Das Wälzdrückverfahren gewährleistet eine Abdichtung einer bogenartig verlaufenden Fuge 46, die sich zwischen dem Ringfeld 34 und dem Kolbenschaft 36 einstellt. Der innere Kühlraum 38a wird nach unten, in Richtung der Bolzenbohrung 37 zeigend, von einem einstückig mit dem Unterteil 32 verbundenen Boden 47 begrenzt. Zur Kühlmittelbeaufschlagung des Kühlraums 38a ist der Boden 47 mit zumindest einer zentrischen Übertrittsöffnung 44 versehen.
Gemäß Figur 4 weist der Kolben 31 keine Fügeebene auf. In einer nicht abgebildeten Zwischenstufe des Herstellverfahrens ist das Ringfeld 34 verschwenkt, so dass die Übertrittsöffnung 45 ohne Spezialwerkzeug eingebracht werden kann, bevor das Einbiegen des Ringfeldes 34 erfolgt. Zur unteren Abgrenzung des inneren Kühlraums 38b ist ein scheibenartig, bevorzugt aus Blech hergestelltes Abdeckelement 48 vorgesehen, das mittels einer Schweißung oder einer Klemmung an der Kolbenwand dauerhaft befestigt wird. Zwecks Kühlmittelbeaufschlagung ist in das Abdeckelement 48 zumindest eine Übertrittsöffnung 44 eingebracht.
Die Figur 5 zeigt den Kolben 31 , der im Unterschied zu Figur 4 ein topfartig geformtes Abdeckelement 49 einschließt und den inneren Kühlraum 38b abschließt. Das vorteilhaft spanlos durch ein Tiefziehverfahren herstellbare Abdeckelement 49 ist dem oberen Nabenbereich 50 des Kolbens 31 zugeordnet. Zur Befestigung eignet sich eine Schweißung oder Hartlötung oder alternativ eine
Klemmverbindung, mit der das Abdeckelement 49 kraftschlüssig an der Nabe 50 befestigt werden kann.
Gemäß Figur 6 umfasst der Kolben 31 einen inneren Kühlkanal 38c, der vorzugsweise mechanisch hergestellt ist. Dazu ist in den oberen Nabenbereich und im dazu senkrechten Bereich 51 ein Ringkanal eingebracht, der in Richtung der Brennraummulde 35 offen ist. Die Figur 7 zeigt den Kolben 31 gemäß Figur 6 in einer um 90° versetzten hälftigen Schnittdarstellung, die verdeutlicht, dass der Bereich 51 und folglich der Kühlkanal 38c umlaufend angeordnet ist. Weiterhin zeigen die Figuren 6 und 7 den Kolben 31 mit unterschiedlich ausgerichteten Übertrittsöffnungen 45.
Bezugszeichenliste:
1. Kolben 31. Kolben
2. Unterteil 32. Unterteil
3. Oberteil 33. Oberteil
4. Ringfeld 34. Ringfeld
5. Brennraummulde 35. Brennraummulde
6. Kolbenschaft 36. Kolbenschaft
7. Bolzenbohrung 37. Bolzenbohrung
8. Kühlkanal 38a . Kühlraum
9. Kühlkanal 38b. Kühlraum
10. Fügeebene 39c. Kühlkanal
11. Fügeebene 39. Kühlkanal
12. Fügeebene 40. Fügeebene
13. Schweißwulst 41a. Fügebereich
14. Schweißwulst 41 b. Fügebereich
15. Schweißwulst 42. Schweißwulst
16. Schweißwulst 43. Schweißwulst
17a. Fügebereich 44. Übertrittsöffnung
17b. Fügebereich 45. Übertrittsöffnung
17c. Fügebereich 46. Fuge
18a. Fügebereich 47. Boden
18b. Fügebereich 48. Abdeckelement
18c. Fügebereich 49. Abdeckelement
19. Abschnitt 50. Muldenrand
20. Symmetrieachse 51. Muldenrand
21. Abschnitt 52. Symmetrieachse
22. Übertrittsöffnung 53. Innenbereich
23. Übertrittsöffnung