WO2010009779A1 - Reibgeschweisster stahlkolben mit optimiertem kühlkanal - Google Patents

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WO2010009779A1
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coolant
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Volker Gniesmer
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Ks Kolbenschmidt Gmbh
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    • F02F2003/0061—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping by welding

Definitions

  • the invention relates to a piston made of steel of an internal combustion engine, which comprises an upper part and a lower part, the joining webs are materially connected in the region of a contact geometry by means of a friction welding, to form a structural unit.
  • a cooling channel acted upon by a coolant is integrated in the piston.
  • the coolant a lubricating oil of the internal combustion engine, passes through a free jet of an injection nozzle into an inlet opening, flows through the cooling channel and leaves it via an outlet opening.
  • Thermally heavily loaded zones of pistons for internal combustion engines require effective cooling.
  • a cooling channel in the piston By preferably designed as a cavity cooling passage circulates a coolant, preferably the lubricating oil of the internal combustion engine.
  • the effectiveness of the piston cooling is determined in particular by the exchanged volume of the coolant in the cooling channel.
  • No. 6,155,157 discloses a cooling channel piston which comprises two components which can be produced separately from one another and which are joined together in a material-locking manner by means of a friction welding method.
  • a cooling channel to the annular field of the piston circumferentially spaced, rotationally symmetrically shaped annular channel is provided, which is acted upon by a stationary injection nozzle positioned by a coolant, in particular the lubricating oil of the internal combustion engine.
  • a multi-part piston is known, the individual parts are connected to achieve a cohesive connection and a structural unit by means of a friction welding.
  • the components under pressure, preferably by a rotating movement as long as against each other rubbed until the contact geometry or the joining zone has reached the appropriate temperature for welding both components.
  • the heating by rubbing is followed by an upsetting process in which the soft or molten areas of the components are torn, plastically deformed and pressed against one another. This forms on both sides of the joining web emerging from the contact geometry Sch Strukturwulst.
  • the present invention has for its object to provide a cooling channel piston with an improved cooling effect, in which the residence time of the coolant in the cooling channel extends.
  • the inlet opening includes a flow tube inserted in the lower part.
  • the opening of the flow tube protruding with a projection from a cooling channel bottom is positioned above a contact geometry and its associated welding bead of the friction welding.
  • the flow tube is arranged in the contact geometry that is established between the upper part and the lower part so that it protrudes with a projection from a cooling channel bottom.
  • the supernatant according to the invention is selected so that an opening of the flow tube is positioned above a Sch Strukturwulst, which adjusts by means of a friction welding, in particular a Reibreibsch spaung.
  • the coolant located in the cooling passage is forced by the acceleration to the cooling channel bottom.
  • the mounting position of the flow tube according to the invention prevents a return or exit of the coolant via the inlet opening of the cooling channel and ensures an optimal over 360 ° crank angle extending filling of the cooling channel.
  • an adverse flow leading to an expansion of oil foaming is prevented by escaping coolant at the inlet opening.
  • Due to the rapid reversal of movement of the piston in the top dead center of the piston the coolant or lubricant present on the cooling channel bottom is thrown over a large area against the cover surface of the cooling channel formed in particular by an underside of the piston crown due to the inertia effect.
  • the coolant acting on the entire cooling channel in conjunction with the piston alternating movements causes an optimization of the coolant flow and an improved utilization of the shaker effect.
  • the coolant which is moved over the entire cooling channel, ensures effective cooling of the highly stressed piston zones without the risk of combustion of the coolant.
  • a distance "x" between the opening of the flow tube and the cooling channel bottom exceeds a dimension "y", which defines a level of the coolant in an upward movement of the piston in the cooling channel.
  • the adjusting difference or distance ensures that regardless of the piston movement direction, an adverse reflux and a related influence of the coolant jet in the region of the inlet opening is omitted.
  • the dimensionally stable flow tube is arranged before the friction welding in a receiving bore of the piston lower part that after joining with the piston upper part adjusts the distance "x".
  • the fixation improving can be done according to the invention, a positive fastening between the weld beads and the flow tube.
  • the outer contour of the flow tube has a recess intended to receive the weld seam. To depict a recess which can be realized cost-effectively, an annular groove or a partially concave-shaped outer contour is preferably provided.
  • a tube made of steel is preferably used.
  • a material is selected which is similar to the piston material, in particular with regard to the thermal expansion coefficient, so that a reliable, backlash-free fastening is ensured even in the operating state of the internal combustion engine.
  • the inlet opening forming, used in the lower piston part and fixed via at least one Sch Strukturwulst flow tube is preferably extended in the direction of the piston stem ends.
  • the distance between the injection nozzle and the flow tube can be reduced, whereby the effectiveness and the effectiveness of the coolant through the injection nozzle can be improved in the flow tube.
  • a further advantageous embodiment provides to provide the flow tube cooling channel side with a curved outlet opening.
  • the flow tube preferably has two outlets pointing in opposite directions, which are arranged in a Y-shape relative to one another.
  • This measure takes into account the rapid reversal of movement of the piston at the bottom and top dead center and the associated displacement of the coolant between the cooling channel bottom and the top surface of the cooling channel, which can lead to a at a perpendicular or parallel to a piston skirt surface arranged flow tube that in the Shaker movement a subset of the coolant applied to the flow tube.
  • the end-curved flow tube with a preferably angled to the piston movement direction or to a longitudinal axis of the piston aligned discharges prevented regardless of the direction of the piston movement an adverse coolant inlet.
  • a flow tube with two pointing in opposite directions openings the function of a flow divider, which divides the coolant flow selectively in two directions, for the purpose of uniform loading of the annular cooling channel.
  • the inventive shaped inlet opening can also be transferred to a piston with a split cooling channel.
  • each cooling channel half or each cooling channel segment is associated with an inlet and an outlet opening, wherein each inlet opening is preferably associated with a separate injection nozzle.
  • This design allows the cooling channel to act on a larger coolant flow. Depending on the location of these openings, the coolant can flow through the cooling channel segments in cocurrent or in countercurrent.
  • the invention of claim 11 relates to a method of making the piston, which includes subsequent steps. First, a flow tube is inserted into a receiving bore of the piston lower part, wherein an installation position is taken into account, which ensures that the opening or the outlet of the flow tube is arranged above a contact geometry. This is the upper part and the lower part of the piston are assembled before these components are joined together by friction welding. The welding beads forming in the area of the contact geometry cause at least locally a positive and / or positive fixing of the flow tube.
  • FIG. 1 shows a piston according to the invention in half section with a flow tube associated with the inlet opening of the cooling channel
  • FIG. 2 shows the piston according to FIG. 1, with an alternatively arranged flow tube
  • FIG. 5 shows a flow tube section with an outside annular groove, which is intended to receive welding beads
  • the piston 1 shows a piston 1 in a half-sectional view, consisting of a lower part 2 and an upper part 3, which are materially connected in the region of a contact geometry 4 by means of a friction welding, to form a structural unit.
  • the upper part 3 of the piston 1 forms a combustion chamber trough 6 in the region of a piston head 5.
  • a cooling channel 7 integrated in the piston 1 extends from the upper part 3 into the lower part 2 and extends radially spaced from a ring field 8 which is in FIG an outer profile 9 is introduced.
  • the upper part 3 includes rotationally symmetrical, radially mutually offset joining webs 10a, 10b, which form the contact geometry 4 with corresponding joining webs 11a, 11b of the lower part 2.
  • friction welding are the joining webs 10a, 10b; 11a, 11b connected in the region of the contact geometry 4 cohesively to create a one-piece unit.
  • a coolant is applied to the cooling channel 7 via a not shown in Figure 1, fixed within the internal combustion engine positioned injection nozzle, starting from which the coolant is introduced into a flow tube 13 enclosing inlet opening 14 of the cooling channel 7. After a flow through the cooling channel 7, the coolant is discharged via an outlet opening 15.
  • the flow tube 13 is inserted into a receiving bore 16 of the lower part 2 and extends on the cooling channel side to above the contact geometry 4. In this case, a position of an opening 17 of the flow tube 13 located above the welding beads 12a, 12b sets. In this installation position, the flow tube 13 in the region of the contact geometry 4 on both sides partially of the welding beads 12a, 12b fixed in position. As a measure for improved introduction of the coolant into the flow tube 13, this is extended in the direction of a pin bore 18.
  • FIG. 2 The further embodiment according to FIG. 2 is largely comparable to the piston 1 shown in FIG. 1 except for the installation position of the flow tube.
  • the same components are provided with corresponding reference numerals.
  • the description of Figure 2 is therefore limited to the different flow tube arrangement.
  • the contact geometry 4 of the piston 1 is limited to the inner joining webs 10b, 11b.
  • a separate cover 25 closes a recess 24 which adjoins between the annular field 8 and the lower part 2 and simultaneously delimits the cooling channel 7.
  • the flow tube 23 is fixed on one side to the welding bead 12b on the end aligned with the cooling channel 7.
  • the flow tube 33 according to FIG. 4 includes two curved outlets 34, 35 at the end directed towards the cooling channel 7.
  • the mutually opposite the course of the cooling channel 7 correspondingly aligned outlets 34, 35 prevent caused by the shaker effect coolant inlet into the flow tube 33.
  • the outlets 34, 35 form a dividing the flow of coolant flow divider, whereby the annular trained cooling channel 7 is applied uniformly.
  • the flow tube 33 is at least partially fixed by the in the region of the contact geometry 4 adjusting Welding beads 12a, 12b.
  • FIGS. 5 and 6 show the flow tubes 43 and 53, which coincide with the receiving at least one Sch Strukturwulst 12 a, 12 b include recesses on the outside.
  • the ring groove 44 provided in accordance with FIG. 5 is placed and dimensioned in the region of the contact geometry 4 such that these are largely filled by the welding beads 12a, 12b to create a positive fastening of the flow tube 43.
  • FIG Flow tube 53 on the outside provided with a concave recess 54 which are provided in the installed state of the flow tube 53 for receiving the Sch Strukturwülste 12 a, 12 b.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1 ) einer Brennkraftmaschine der ein aus Stahl hergestelltes Oberteil (3) und ein Unterteil (2) umfasst, die im Bereich einer Kontaktgeometrie (4) über Fügestege (10a, 10b; 11 a, 11b) mittels einer Reibschweißung stoffschlüssig zu einer Baueinheit verbunden werden. In dem Kolben (1 ) ist zumindest ein von einem Kühlmittel beaufschlagter Kühlkanal (7) integriert, wobei als Kühlmittel, ein Schmieröl der Brennkraftmaschine, über einen freien Strahl einer Einspritzdüse in eine Eintrittsöffnung (14) gelangt, den Kühlkanal (7) durchströmt und über eine Austrittsöffnung (15) verlässt. Zur Einleitung des Kühlmittels in den Kühlkanal (7) ist der Eintrittsöffnung (14) ein in dem Unterteil (2) eingesetztes, aus einem Kühlkanalboden (19) hervortretendes Strömungsrohr (13) zugeordnet, dessen Öffnung (17) oberhalb von Schweißwülsten (12a, 12b) der Reibschweißung angeordnet ist.

Description

Reibgeschweißter Stahlkolben mit optimiertem Kühlkanal
Die Erfindung betrifft einen aus Stahl hergestellten Kolben einer Brennkraftmaschine, der ein Oberteil und ein Unterteil umfasst, deren Fügestege im Bereich einer Kontaktgeometrie mittels einer Reibschweißung stoffschlüssig verbunden sind, zur Bildung einer Baueinheit. Zur Kühlung ist in dem Kolben zumindest ein von einem Kühlmittel beaufschlagter Kühlkanal integriert. Das Kühlmittel, ein Schmieröl der Brennkraftmaschine, gelangt über einen freien Strahl einer Einspritzdüse in eine Eintrittsöffnung, durchströmt den Kühlkanal und verlässt diesen über eine Austrittsöffnung.
Thermisch stark belastete Zonen von Kolben für Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise die Brennraummulde im Kolbenboden oder der Bereich der ersten Nut, erfordern eine wirksame Kühlung. Dazu ist es bekannt in dem Kolben einen Kühlkanal zu integrieren. Durch den bevorzugt als Hohlraum gestalteten Kühlkanal zirkuliert ein Kühlmittel, vorzugsweise das Schmieröl der Brennkraftmaschine. Die Wirksamkeit der Kolbenkühlung wird insbesondere von dem ausgetauschten Volumen des Kühlmittels in dem Kühlkanal bestimmt.
Die US 6,155,157 offenbart einen Kühlkanalkolben, der zwei separat voneinander herstellbare Bauteile umfasst, die über ein Reibschweißverfahren stoffschlüssig zusammengefügt sind. Als Kühlkanal ist ein zu dem Ringfeld des Kolbens umlaufend beabstandeter, rotationssymmetrisch gestalteter Ringkanal vorgesehen, der über eine ortsfest positionierte Einspritzdüse von einem Kühlmittel, insbesondere dem Schmieröl der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird. Aus der DE 39 06 582 C1 ist ein mehrteiliger Kolben bekannt, deren Einzelteile zur Erzielung einer stoffschlüssigen Verbindung und einer Baueinheit mittels einer Reibschweißung verbunden sind. Bei diesem Verfahren werden die Bauteile unter Druckbelastung, vorzugsweise durch eine drehende Bewegung solange gegeneinander gerieben, bis die Kontaktgeometrie bzw. die Fügezone die für ein Verschweißen beider Bauteile geeignete Temperatur erreicht hat. An das Aufheizen durch Reiben schließt sich ein Stauchvorgang an, bei dem die weichen oder aufgeschmolzenen Bereiche der Bauteile aufgerissen, plastisch deformiert und aufeinander gedrückt werden. Dabei bildet sich auf beiden Seiten des Fügestegs eine aus der Kontaktgeometrie austretende Schweißwulst.
Weiterhin gibt es Kolben mit kleiner Kompressionshöhe, bei dem sich aufgrund der Kolben-Bauhöhe relativ kurze Fügestege zwischen dem Oberteil und dem Unterteil des Kolbens einstellen. Aufgrund des damit verbundenen beengten Bauraums im Bereich der Kontaktgeometrie besteht die Gefahr, dass die als Bohrung gestalteten Eintritts- und Austrittsöffnungen des Kühlkanals bei einem Fügeprozess, dem Reibschweißverfahren, sich durch eine Schweißwulst verengen. Dadurch reduziert sich der Kühlmittelaustausch, verbunden mit einem unmittelbaren nachteiligen Einfluss auf die Kühlung des Kolbens.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkanalkolben mit einer verbesserten Kühlwirkung zu schaffen, bei dem die Verweildauer des Kühlmittels im Kühlkanal sich verlängert.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und durch das Verfahren nach Anspruch 11 gelöst. Erfindungsgemäß ist nach Anspruch 1 vorgesehen, dass zur Einleitung des Kühlmittels in den Kühlkanal die Eintrittsöffnung ein in dem Unterteil eingesetztes Strömungsrohr einschließt. Die Öffnung des mit einem Überstand aus einem Kühlkanalboden hervortretenden Strömungsrohrs ist dabei oberhalb einer Kontaktgeometrie und deren zugehörigen Schweißwulst der Reibschweißung positioniert.
Das Strömungsrohr ist so in der sich zwischen dem Oberteil und dem Unterteil einstellenden Kontaktgeometrie angeordnet, dass dieses mit einem Überstand aus einem Kühlkanalboden hervortritt. Das Überstandsmaß ist erfindungsgemäß so gewählt, dass eine Öffnung des Strömungsrohres oberhalb einer Schweißwulst positioniert ist, die sich mittels einer Reibschweißung, insbesondere einer Reibreibschweißung einstellt. Der für die Wirksamkeit der Kolbenkühlung entscheidende Kühlmittelaustausch bleibt damit uneingeschränkt erhalten, da sich keine auf die Kühlwirkung des Kolbens negativ auswirkende Querschnittsverengung durch eine Schweißwulst im Bereich der Eintrittsöffnung des Kühlkanals einstellen kann.
Während eines Aufwärtshub des Kolbens wird das sich im Kühlkanal befindliche Kühlmittel bedingt durch die Beschleunigung an den Kühlkanalboden gedrückt. Dabei unterbindet die erfindungsgemäße Einbaulage des Strömungsrohres einen Rücklauf oder Austritt des Kühlmittels über die Eintrittsöffnung des Kühlkanal und gewährleistet eine optimale über 360° Kurbelwinkel sich erstreckende Befüllung des Kühlkanals. Gleichzeitig wird eine nachteilige zu einer Ölverschäumung führende Strömungsbeeinflussung durch austretendes Kühlmittel an der Eintrittsöffnung verhindert. Durch die im oberen Totpunkt des Kolbens schnell erfolgende Bewegungsumkehr des Kolbens wird das an dem Kühlkanalboden befindliche Kühlmittel oder Schmiermittel aufgrund der Trägheitswirkung großflächig gegen die insbesondere von einer Unterseite des Kolbenbodens gebildete Deckfläche des Kühlkanals geschleudert wird. Das den gesamten Kühlkanal beaufschlagende Kühlmittel in Verbindung mit den Kolben-Wechselbewegungen bewirkt eine Optimierung des Kühlmittelstroms sowie eine verbesserte Ausnutzung der Shakerwirkung.
Eine gesteigerte Verweildauer des Kühlmittels (Kühlöls) im Kühlkanal sowie ein verstärkter Shakereffekt bewirken eine verbesserte gewünschte Wärmeabfuhr der zu kühlenden thermisch hoch belasteten Kolbenbereiche.
Das über den gesamten Kühlkanal bewegte Kühlmittel sorgt für eine wirksame Kühlung der thermisch hoch beanspruchten Kolbenzonen ohne Gefahr einer Verbrennung des Kühlmittels.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung übertrifft ein Abstandsmaß „x" zwischen der Öffnung des Strömungsrohrs und dem Kühlkanalboden ein Maß „y", das einen Füllstand des Kühlmittels in einer Aufwärtsbewegung des Kolbens in dem Kühlkanal definiert. Das sich einstellende Differenz- oder Abstandsmaß gewährleistet, dass unabhängig von der Kolbenbewegungsrichtung ein nachteiliger Rückfluss und eine damit verbundene Strahlbeeinflussung des Kühlmittels im Bereich der Eintrittsöffnung unterbleibt. Das formstabile Strömungsrohr wird vor dem Reibschweißen so in einer Aufnahmebohrung des Kolbenunterteils angeordnet, dass nach einem Zusammenfügen mit dem Kolben-Oberteil sich das Abstandsmaß „x" einstellt.
Eine dauerfeste Fixierung des Strömungsrohres erfolgt über eine Schweißwulst, die sich während der Reibschweißung bildet, mit der das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Die Fixierung verbessernd kann gemäß der Erfindung eine formschlüssige Befestigung zwischen den Schweißwülsten und dem Strömungsrohr erfolgen. Dazu weist erfindungsgemäß die Außenkontur des Strömungsrohres eine zur Aufnahme der Schweißnaht bestimmte Ausnehmung auf. Zur Darstellung einer kostengünstig realisierbaren Ausnehmung ist bevorzugt eine Ringnut oder eine partiell konkav gestaltete Außenkontur vorgesehen.
Zur Erzielung einer optimalen Anpassung und Lagefixierung des separaten Strömungsrohres in dem Kolben wird bevorzugt ein aus Stahl hergestelltes Rohr eingesetzt. Für das Strömungsrohr wird ein Werkstoff ausgewählt, der insbesondere hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten dem Kolbenwerkstoff ähnlich ist, so dass auch im Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine zuverlässige, spielfreie Befestigung gewährleistet ist.
Das erfindungsgemäß die Eintrittsöffnung bildende, in dem Kolbenunterteil eingesetzte und über zumindest eine Schweißwulst fixierte Strömungsrohr ist bevorzugt in Richtung der Kolbenschaftenden verlängert. Damit kann vorteilhaft der Abstand zwischen der Einspritzdüse und dem Strömungsrohr verringert werden, wodurch die Effektivität und die Wirksamkeit der Kühlmittelbeaufschlagung über die Einspritzdüse in das Strömungsrohr verbessert werden kann. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, das Strömungsrohr kühlkanalseitig mit einer gekrümmt gestalteten Austrittsöffnung zu versehen. Bevorzugt weist das Strömungsrohr zwei in entgegengesetzte Richtungen weisende Austritte auf, die zueinander Y-förmig angeordnet sind. Diese Maßnahme berücksichtigt die schnell erfolgende Bewegungsumkehr des Kolbens an dem unteren und oberen Totpunkt und die damit verbundene Verlagerung des Kühlmittels zwischen dem Kühlkanalboden und der Deckfläche des Kühlkanals, die bei einem senkrecht bzw. parallel zu einer Kolbenmantelfläche angeordnetem Strömungsrohr dazu führen kann, dass bei der Shakerbewegung eine Teilmenge des Kühlmittels das Strömungsrohr beaufschlagt. Das endseitig gebogene Strömungsrohr mit einem vorzugsweise winkelig zu der Kolbenbewegungsrichtung bzw. zu einer Längsachse des Kolbens ausgerichteten Austritten verhindert unabhängig von der Richtung der Kolbenbewegung eine nachteiligen Kühlmitteleintritt. Weiterhin übernimmt ein Strömungsrohr mit zwei in entgegengesetzte Richtungen weisenden Öffnungen die Funktion eines Strömungsteilers, der den Kühlmittelstrom gezielt in zwei Richtungen aufteilt, zwecks gleichmäßiger Beaufschlagung des ringförmig verlaufenden Kühlkanals.
Die erfindungsgemäße gestaltete Eintrittsöffnung kann außerdem auf einen Kolben mit einem geteilten Kühlkanal übertragen werden. Dazu ist jeder Kühlkanalhälfte oder jedem Kühlkanalsegment eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung zugeordnet, wobei bevorzugt jeder Eintrittsöffnung eine separate Einspritzdüse zugeordnet ist. Diese Gestaltung ermöglicht den Kühlkanal mit einem größeren Kühlmittelstrom zu beaufschlagen. Abhängig von der Lage dieser Öffnungen kann das Kühlmittel im Gleichstrom oder im Gegenstrom die Kühlkanalsegmente durchströmen. Die Erfindung nach Anspruch 11 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung des Kolbens, das nachfolgende Schritte einschließt. Zunächst wird ein Strömungsrohr in eine Aufnahmebohrung des Kolbenunterteils eingesetzt, wobei eine Einbaulage beachtet wird, die sicherstellt, dass die Öffnung oder die Austritte des Strömungsrohres oberhalb einer Kontaktgeometrie angeordnet ist. Daran werden das Oberteil und das Unterteil des Kolbens zusammengesetzt, bevor mittels einer Reibschweißung diese Bauteile stoffschlüssig zusammengefügt werden. Die sich dabei bildenden Schweißwülste im Bereich der Kontaktgeometrie bewirken zumindest lokal eine kraft- und oder formschlüssige Fixierung des Strömungsrohres.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1: einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kolben im Halbschnitt mit einem der Eintrittsöffnung des Kühlkanals zugeordneten Strömungsrohr,
Fig. 2: den Kolben gemäß Figur 1, mit einem alternativ angeordneten Strömungsrohr,
Fig. 3: ein Detail des Strömungsrohres in einer vergrößerten Darstellung,
Fig. 4: ein Strömungsrohr mit zwei endseitig bogenförmig gestalteten Austritten,
Fig. 5: einen Strömungsrohrabschnitt mit einer außenseitigen Ringnut, die zur Aufnahme von Schweißwülsten bestimmt ist,
Fig. 6: eine konkav gestaltete Außenkontur eines Strömungsrohres.
Die Figur 1 zeigt einen Kolben 1 in einer hälftigen Schnittansicht, bestehend aus einem Unterteil 2 und einem Oberteil 3, die im Bereich einer Kontaktgeometrie 4 mittels einer Reibschweißung stoffschlüssig, zur Bildung einer Baueinheit verbunden sind. Das Oberteil 3 des Kolbens 1 bildet im Bereich eines Kolbenbodens 5 eine Brennraummulde 6. Ein im Kolben 1 integrierter, ringförmig gestalteter Kühlkanal 7 erstreckt sich von dem Oberteil 3 ausgehend bis in das Unterteil 2 und verläuft dabei radial beabstandet zu einem Ringfeld 8, das in einem Außenprofil 9 eingebracht ist. Das Oberteil 3 schließt rotationssymmetrisch verlaufende, radial zueinander versetzte Fügestege 10a, 10b ein, die mit korrespondierenden Fügestegen 11a, 11b des Unterteils 2 die Kontaktgeometrie 4 bilden. Mittels einer durch Schweißwülste 12a, 12b, 12c sichtbaren Reibschweißung sind die Fügestege 10a, 10b; 11a, 11 b im Bereich der Kontaktgeometrie 4 stoffschlüssig zur Schaffung einer einteiligen Baueinheit verbunden.
Eine Kühlmittelbeaufschlagung des Kühlkanals 7 erfolgt über eine in Figur 1 nicht dargestellte, ortsfest innerhalb der Brennkraftmaschine positionierte Einspritzdüse, von der ausgehend, das Kühlmittel in eine ein Strömungsrohr 13 einschließende Eintrittsöffnung 14 des Kühlkanals 7 eingeleitet wird. Nach einer Durchströmung des Kühlkanals 7 wird das Kühlmittel über eine Austrittsöffnung 15 abgeleitet. Das Strömungsrohr 13 ist in einer Aufnahmebohrung 16 des Unterteils 2 eingesetzt und erstreckt sich kühlkanalseitig bis über die Kontaktgeometrie 4. Dabei stellt sich eine oberhalb der Schweißwülste 12a, 12b befindliche Lage einer Öffnung 17 des Strömungsrohres 13 ein. In dieser Einbaulage wird das Strömungsrohres 13 im Bereich der Kontaktgeometrie 4 beidseitig partiell von den Schweißwülsten 12a, 12b lagefixiert. Als Maßnahme zur verbesserten Einleitung des Kühlmittels in das Strömungsrohr 13 ist dieses in Richtung einer Bolzenbohrung 18 verlängert.
Das weitere Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist bis auf die Einbaulage des Strömungsrohres weitestgehend vergleichbar dem in Figur 1 abgebildeten Kolben 1. Gleiche Bauteile sind mit übereinstimmenden Bezugziffern versehen. Die Beschreibung der Figur 2 beschränkt sich daher auf die unterschiedliche Strömungsrohranordnung. Die Kontaktgeometrie 4 des Kolbens 1 ist auf die inneren Fügestege 10b, 11b beschränkt. Außenseitig schließt eine separate Abdeckung 25 eine sich zwischen dem Ringfeld 8 und dem Unterteil 2 einstellende Aussparung 24, die gleichzeitig den Kühlkanal 7 abgrenzt. Dadurch bedingt wird das Strömungsrohr 23 an dem zum Kühlkanal 7 ausgerichteten Ende einseitig von der Schweißwulst 12b fixiert.
Die Figur 3 zeigt einen in den Kühlkanal 7 ragenden Endbereich des Strömungsrohres 13, das mit einem durch „x" gekennzeichneten Überstand gegenüber einem Kühlkanalboden 19 verlängert ist. Dieser Überstand übertrifft deutlich den mit „y" gekennzeichneten Kühlmittel-Füllstand. Das sich einstellende Differenzmaß verhindert wirksam einen Kühlmittel-Rücklauf bei einem Aufwärtshub des Kolbens 1.
Das Strömungsrohr 33 gemäß Figur 4 schließt an dem zum Kühlkanal 7 gerichteten Ende zwei gekrümmt ausgebildete Austritte 34, 35 ein. Die zueinander entgegengesetzt dem Verlauf des Kühlkanals 7 entsprechend ausgerichteten Austritte 34, 35 verhindern einen durch die Shakerwirkung verursachten Kühlmitteleintritt in das Strömungsrohr 33. Außerdem bilden die Austritte 34, 35 einen den Kühlmittelstrom aufteilenden Strömungsteiler, wodurch der ringförmig ausgebildete Kühlkanal 7 gleichmäßig beaufschlagt wird. In der Einbaulage ist das Strömungsrohr 33 zumindest bereichsweise durch die sich im Bereich der Kontaktgeometrie 4 einstellenden Schweißwülste 12a, 12b fixiert.
Die Figuren 5 und 6 zeigen die Strömungsrohre 43 und 53, die übereinstimmend zur Aufnahme zumindest einer Schweißwulst 12a, 12b außenseitig Aussparungen einschließen. Die gemäß Figur 5 vorgesehene Ringnut 44 ist so im Bereich der Kontaktgeometrie 4 platziert und dimensioniert, dass diese weitestgehend von den Schweißwülsten 12a, 12b ausgefüllt werden, zur Schaffung einer formschlüssigen Befestigung des Strömungsrohres 43. Alternativ zu der Ringnut 44 ist das in Figur 6 abgebildete Strömungsrohr 53 außenseitig mit einer konkav verlaufenden Ausnehmung 54 versehen, die im eingebauten Zustand des Strömungsrohres 53 zur Aufnahme der Schweißwülste 12a, 12b vorgesehen sind.
Bezugszeichenliste
1 Kolben
2 Unterteil
3 Oberteil
4 Kontaktgeometrie
5 Kolbenboden
6 Brennraummulde
7 Kühlkanal
8 Ringfeld
9 Außenprofil
10a Fügesteg
10b Fügesteg
11a Fügesteg
11b Fügesteg
12a Schweißwulst
12b Schweißwulst
12c Schweißwulst
13 Strömungsrohr
14 Eintrittsöffnung
15 Austrittsöffnung
16 Aufnahmebohrung
17 Öffnung
18 Bolzenbohrung
19 Kühlkanalboden
23 Strömungsrohr Aussparung
Abdeckung
Strömungsrohr
Austritt
Austritt
Strömungsrohr
Ringnut
Strömungsrohr
Ausnehmung

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (1) einer Brennkraftmaschine, der ein aus Stahl hergestelltes Oberteil (3) und ein Unterteil (2) umfasst, deren zumindest einer Fügesteg, insbesondere Fügestege (10a, 10b; 11a, 11b), im Bereich einer Kontaktgeometrie (4) über eine Reibschweißung stoffschlüssig zu einer Baueinheit verbunden sind, wobei in dem Kolben (1) zumindest ein von einem Kühlmittel beaufschlagter Kühlkanal (7) integriert ist und als Kühlmittel ein Schmieröl der Brennkraftmaschine über einen freien Strahl einer Einspritzdüse in eine Eintrittsöffnung (14) gelangt, den Kühlkanal (7) durchströmt über eine Austrittsöffnung (15) verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einleitung des Kühlmittels in den Kühlkanal (7) die Eintrittsöffnung (14) ein in dem Unterteil (2) eingesetztes Strömungsrohr (13, 23, 33, 43, 53) einschließt, das mit einem Überstand aus einem Kühlkanalboden (19) hervortritt, wobei deren Öffnung (17) oberhalb zumindest einer Schweißwulst (12a, 12b) der Reibschweißung angeordnet ist.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstandsmaß „x" zwischen der Öffnung (17) des Strömungsrohrs (13) und dem Kühlkanalboden (19) ein Maß „y" übertrifft, das einen Füllstand des Kühlmittels in einer Aufwärtsbewegung des Kolbens (1) in dem Kühlkanal (7) definiert.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fixierung des Strömungsrohres (13, 23, 33, 43, 53) zumindest einseitig über die
Schweißwulst (12a, 12b) erfolgt.
4. Kolben nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Einbaulage das Strömungsrohr (43, 53) formschlüssig von der zumindest einen Schweißwulst (12a, 12b) fixiert ist.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenkontur des Strömungsrohres (43) eine Ringnut (44) aufweist, die zur Aufnahme der zumindest einen Schweißwulst (12a, 12b) bestimmt ist.
6. Kolben nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Strömungsrohres (53) zur Aufnahme der zumindest einen Schweißwulst (12a, 12b) eine partiell konkav gestaltete Ausnehmung (54) einschließt.
7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Stahl hergestelltes Strömungsrohr (13, 23, 33, 43, 53) eingesetzt ist.
8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsrohr (13, 23) von der Aufnahmebohrung (16) in dem Unterteil (2) ausgehend, in Richtung einer Bolzenbohrung (18) des Kolben (1) verlängert ist.
9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsrohr (33) kühlkanalseitig zwei gekrümmt ausgebildete, insbesondere y-förmig verlaufende Austritte (34, 35) aufweist.
10. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (7) in zwei voneinander getrennte Hälften oder Kühlkanalsegmente aufgeteilt ist, denen jeweils eine Eintrittsöffnung (14) mit integriertem Strömungsrohr (13, 23, 33, 43, 53) und eine Austrittsöffnung (15) zugeordnet ist.
11. Verfahren zur Herstellung des Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Einsetzen eines Strömungsrohrs (13, 23, 33, 43, 53) in eine Aufnahmebohrung (16) des Unterteils (2) des Kolbens (1),
- Festlegen einer Einbaulage des Strömungsrohres (13, 23, 33, 43, 53) so dass dessen Öffnung (17) oder Austritte (34, 35) in einer Einbaulage oberhalb einer Kontaktgeometrie (4) angeordnet ist,
- Zusammensetzen von dem Oberteil (3) und dem Unterteil (2),
- Stoffschlüssiges Zusammenfügen von Oberteil (3) und Unterteil (2) mittels einer Reibschweißung, wobei sich zumindest ein bildender Schweißwulst, insbesondere mehrere Schweißwülste (12a, 12b), das Strömungsrohr (13, 23, 33, 43, 53) zumindest lokal kraft- und oder formschlüssig fixiert.
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