WO2012069103A1 - Kolben für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Kolben für eine brennkraftmaschine Download PDF

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joining surface
welding
joining
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Timotheus Kaiser
Hermann Pfeifer
Wolfgang Rehm
Karl Weisskopf
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Daimler Ag
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    • F02F3/00—Pistons 
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • F02F2003/0061—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping by welding

Definitions

  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.
  • Utilizing the direct injection can be achieved particularly efficient combustion and thus a particularly efficient utilization of the chemical energy stored in the fuel. However, this results in higher ones
  • a further piston for an internal combustion engine which is designed in two pieces.
  • the piston is here in an upper part and a Divided lower part, which are connected in the region of a circumferential joint by means of orbital friction welding. This makes it possible to perform the piston regions of different materials, so as to find a compromise between thermal capacity and weight.
  • DE 10 2008 01 1 922 A1 requires further parts in order to represent the desired annular cooling channel.
  • an additional element is provided for this purpose, which must be connected to the two piston parts, so as to form the cooling channel.
  • the resulting need for further joining operations also increases the production cost of the piston here.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a piston of the type mentioned, which is both thermally stable and weight-optimized as well as inexpensive to manufacture.
  • Such a piston for an internal combustion engine has a piston upper part and a
  • Piston lower part which are connected by welding cohesively along at least one joining surface. Furthermore, an annular extending in a piston skirt cooling channel is provided. According to the invention, the cooling channel is formed jointly by the upper piston part and the lower piston part. By this is to be understood in particular that no other components in the formation of the cooling channel have part. The cooling channel is thus formed only by the joining of upper piston part and lower piston part, since no additional elements are provided, are also more
  • piston upper part and lower piston part are therefore particularly cost-effective in its manufacture.
  • the separation in piston upper part and lower piston part also the desired weight and temperature resistance advantages can be achieved.
  • the at least one joining surface extends through the cooling channel. This allows the cooling channel to be formed by
  • the joining surface is not within the range of the maximum mechanical loads of the piston, so that particularly durable pistons are obtained.
  • the at least one joining surface is a
  • the at least one joining surface can alternatively be used as a cylinder jacket around the
  • As a welding method for connecting the upper piston part and the lower piston part is particularly suitable for friction welding and laser welding. Especially when
  • Laser welding results in particularly strong welds and a particularly high degree of flexibility in the arrangement of the joining surfaces, which need not lie on a common plane.
  • the defined, low heat input results in a very low distortion of the welded components.
  • non-rotationally symmetrical welding surfaces can be selected so that a particularly high degree of design freedom exists.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view through the connection region of a
  • Piston shell and piston lower part for an embodiment of a piston according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic sectional view through the connection area
  • FIG. 3 is a schematic sectional view through a piston upper part and a piston lower part for an alternative embodiment of a piston according to the invention
  • Piston lower part for an embodiment of a piston according to the invention during the joining by laser welding
  • Fig. 4 is a schematic sectional view of the cooling channel region of a
  • Embodiment of a piston according to the invention with several possible joining planes Embodiment of a piston according to the invention with several possible joining planes.
  • Motor vehicle is formed from a piston upper part 12 and a lower piston part 14.
  • the upper piston part 12 comprises a piston head 16 and the combustion bowl 18 of the piston 10, while the lower piston part 14 substantially forms the piston skirt 20. Due to the two-part design as a piston upper part 12 and lower piston part 14, it is possible to use 10 different materials for thermally different loaded areas of the piston.
  • the piston top 12 can be made of steel to the high combustion chamber temperatures in the
  • piston base 14 Internal combustion engine of a motor vehicle to resist, while the piston base 14 can be made to save weight of aluminum or an aluminum-based alloy. Between piston upper part 12 and lower piston part 14, a cooling channel 22 is formed, which is shown schematically in the figures in the size that it has in the assembled state of upper piston part 12 and lower piston part 14.
  • Piston upper part 12 and lower piston part 14 are connected via respective welding surfaces 24, 26 with each other.
  • Beam welding process such as laser welding or
  • Electron beam welding find use. Both methods are suitable for connecting different material combinations.
  • the cooling channel 22 is thus formed only by the joining of upper piston part 12 and lower piston part 14 in its final form.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the piston 10, in which a joining surface 30 lies on a cylinder jacket about the rotational symmetry axis 28.
  • the cooling channel 22 is formed only by the joining of the piston upper part 12 and piston lower part 14. Due to the conical shape of the joint surface 30 piston upper part 12 and lower piston part 1 can be assembled without being radially against each other. In other words, the arrangement of piston upper part 12 and lower piston part 14 is self-centering. This is particularly advantageous when
  • Piston upper part 12 and piston lower part 14 to be connected by friction welding, since no additional centering is necessary here.
  • the joining surface 30 extends on a
  • Piston upper part 12 and lower piston part 14 is here generated by a laser 32, which melts by means of a laser beam 34, the material of upper piston part 12 and lower piston part 14 in the region of the joining surface 30 and so creates a material connection.
  • a laser 32 melts by means of a laser beam 34, the material of upper piston part 12 and lower piston part 14 in the region of the joining surface 30 and so creates a material connection.
  • Such welds are of particularly high quality, since no bulging weld beads are formed, which could reduce the volume of the cooling channel 22.
  • the joining surfaces 30, 32, 34, 36 can be arranged almost arbitrarily during laser welding.
  • the joining surfaces 30, 32 are here again
  • the joining surface 34 extends cylindrically about the axis of rotational symmetry, and the joining surface 36 is arranged such that the rotational symmetry axis forms a surface normal on the joining surface 36.
  • the position of the joining surfaces 30, 32, 34, 36 can thus be chosen much more freely than during friction welding. Even completely non-symmetrical joining surfaces are possible, so that consideration can be given to other design features of the piston 10. Due to the low heat input during laser welding, there is also very little distortion in the welding area

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (10) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenoberteil (12) und einem Kolbenunterteil (14), welche durch Schweißen stoffschlüssig entlang wenigstens einer Fügefläche (24, 26, 30, 32, 34, 36) verbunden sind, sowie mit einem ringförmig in einem Kolbenmantel (20) verlaufenden Kühlkanal (22), wobei der Kühlkanal (22) gemeinsam von dem Kolbenoberteil (12) und dem Kolbenunterteil (14) gebildet ist.

Description

Kolben für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Im Zuge der Effizienzsteigerung moderner Brennkraftmaschinen wird versucht, aus möglichst kleinen Brennraumvolumina möglichst viel Leistung zu generieren. Durch Erhöhung der Verdichtungsverhältnisse, Vorverlegung des Zündzeitpunktes und
Ausnutzung der Direkteinspritzung kann dabei eine besonders effiziente Verbrennung und damit eine besonders effiziente Ausnutzung der im Kraftstoff gespeicherten chemischen Energie erreicht werden. Hieraus resultieren jedoch höhere
Brennraumtemperaturen. Bei Motoren, die überwiegend aus Leichtmetallkomponenten, beispielsweise aus Aluminium, gefertigt sind, stößt man daher heutzutage an die thermische Belastungsgrenze des Materials. Dies gilt insbesondere für den thermisch besonders hoch beanspruchten Kolben der Brennkraftmaschine.
Eine höhere Temperaturbeständigkeit kann durch die Verwendung von Kolben aus Stahl erzielt werden. Ein solcher, einstückig gegossener Stahlkolben ist beispielsweise aus der DE 10 2006 030 699 A1 bekannt. Derartige Kolben sind mit zwei Problemen behaftet. Zum einen bestehen sie auch in thermisch wenig beanspruchten Bereichen aus dem relativ schweren Werkstoff Stahl, so dass die bewegte Masse im Motor größer ist als notwendig. Zum anderen muss aufgrund der thermischen Belastung üblicherweise ein die Kolbenwand ringförmig durchlaufender Kühlkanal vorgesehen sein. Beim einstückigen Guss sind hierfür komplexe Kerne notwendig, die die Herstellungskosten eines solchen Kolbens beträchtlich erhöhen. Die Notwendigkeit des Kerngusses limitiert zudem den Gestaltungsspielraum bei der Auslegung des Kolbens.
Aus der DE 10 2008 01 1 922 A1 ist ein weiterer Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, der zweistückig ausgeführt ist. Der Kolben ist hierbei in ein Oberteil und ein Unterteil unterteilt, die im Bereich eines umlaufenden Fügesteges durch mittelorbitales Reibschweißen verbunden sind. Dies ermöglicht es, den Kolben bereichsweise aus unterschiedlichen Materialien auszuführen, um so einen Kompromiss zwischen thermischer Belastbarkeit und Gewicht zu finden. Der Kolben gemäß der
DE 10 2008 01 1 922 A1 benötigt jedoch weitere Teile, um den gewünschten ringförmigen Kühlkanal darzustellen. Insbesondere ist hierfür ein Zusatzelement vorgesehen, welches mit den beiden Kolbenteilen verbunden werden muss, um so den Kühlkanal zu bilden. Die daraus resultierende Notwendigkeit weiterer Fügeoperationen erhöht auch hier die Herstellungskosten des Kolbens.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der eingangs genannten Art bereitzustellen, der sowohl thermisch beständig und gewichtsoptimiert als auch kostengünstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ein solcher Kolben für eine Brennkraftmaschine weist ein Kolbenoberteil und ein
Kolbenunterteil auf, welcher durch Schweißen stoffschlüssig entlang wenigstens einer Fügefläche verbunden sind. Ferner ist ein ringförmig in einem Kolbenmantel verlaufender Kühlkanal vorgesehen. Erfindungsgemäß wird der Kühlkanal gemeinsam von dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil gebildet. Hierunter soll insbesondere verstanden werden, dass keine weiteren Bauteile an der Ausbildung des Kühlkanals teil haben. Der Kühlkanal wird somit lediglich durch das Fügen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil ausgebildet, da keine Zusatzelemente vorgesehen sind, sind auch weitere
Fügeoperationen nicht notwendig. Ein solcher Kolben ist daher in seiner Herstellung besonders kostengünstig. Durch die Trennung in Kolbenoberteil und Kolbenunterteil können zudem die gewünschten Gewichts- und Temperaturbeständigkeitsvorteile erzielt werden. Hierzu ist es beispielsweise zweckmäßig, das Kolbenoberteil aus Stahl und das Kolbenunterteil aus einer Leichtmetalllegierung darzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die wenigstens eine Fügefläche durch den Kühlkanal. Dies ermöglicht das Ausbilden des Kühlkanals durch die
Schweißoperation. Ein zusätzlicher Vorteil liegt darin begründet, dass die Fügefläche nicht im Bereich der maximalen mechanischen Belastungen des Kolbens liegt, so dass besonders haltbare Kolben erhalten werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die wenigstens eine Fügefläche ein
Kegelmantel um eine Rotationssymmetrieachse des Kolbens. Die Fügefläche verläuft somit schräg durch den Kolbenmantel. Dies hat den Vorteil, dass Kolbenoberteil und Kolbenunterteil vor dem stoffschlüssigen Fügen nicht radial gegeneinander verschiebbar sind. Mit anderen Worten ist die rein mechanische Verbindung der beiden Teile selbstzentrierend. Auf aufwändige Maßnahmen zur Sicherung der Zentrierung, wie beispielsweise komplex geformte Halterungen, kann daher verzichtet werden.
Die wenigstens eine Fügefläche kann alternativ auch als Zylindermantel um die
Rotationssymmetrieachse des Kolbens ausgebildet sein. Auch eine Kombination von mehreren, unterschiedlich angeordneten Fügeflächen ist möglich.
Als Schweißverfahren zum Verbinden des Kolbenoberteils und des Kolbenunterteils bietet sich insbesondere das Reibschweißen und das Laserschweißen an. Gerade beim
Reibschweißen von Oberteilen und Unterteilen mit chronischen Fügeflächen treten die Vorteile der Selbstzentrierung der beiden Teile gegeneinander besonders hervor. Durch Reib- oder Laserschweißen können zudem im Wesentlichen wulstfreie
Schweißverbindungen geschaffen werden. Hierdurch wird eine Verkleinerung der
Kühlkanäle durch die Aufwölbung der Schweißnahtoberfläche vermieden. Beim
Laserschweißen ergeben sich besonders feste Schweißnähte und eine besonders hohe Flexibilität in der Anordnung der Fügeflächen, die nicht auf einer gemeinsamen Ebene liegen müssen. Durch den definierten, geringen Wärmeeintrag ergibt sich ein sehr geringer Verzug der verschweißten Bauteile. Beim Laserschweißen können zudem nichtrotationssymmetrische Schweißflächen gewählt werden, so dass eine besonders hohe Gestaltungsfreiheit besteht.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch den Verbindungsbereich eines
Kolbenoberteils und Kolbenunterteils für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens;
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch den Verbindungsbereich
zwischen einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil für ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens; Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Kolbenoberteil und ein
Kolbenunterteil für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens während des Verbindens durch Laserschweißen; und
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung des Kühlkanalbereichs eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens mit mehreren möglichen Fügeebenen.
Ein im Ganzen mit 10 bezeichneter Kolben für eine Brennkraftmaschine eines
Kraftwagens ist aus einem Kolbenoberteil 12 und einem Kolbenunterteil 14 gebildet. Das Kolbenoberteil 12 umfasst einen Kolbenboden 16 sowie die Brennraummulde 18 des Kolbens 10, während das Kolbenunterteil 14 im Wesentlichen den Kolbenmantel 20 ausbildet. Durch die zweiteilige Ausführung als Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 ist es möglich, für thermisch unterschiedlich belastete Bereiche des Kolbens 10 verschiedene Materialien zu verwenden. So kann beispielsweise das Kolbenoberteil 12 aus Stahl gefertigt werden, um den hohen Brennraumtemperaturen in der
Brennkraftmaschine eines Kraftwagens zu widerstehen, während das Kolbenunterteil 14 zur Gewichtseinsparung aus Aluminium bzw. einer Aluminiumbasislegierung gefertigt werden kann. Zwischen Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 ist ein Kühlkanal 22 ausgebildet, der in den Figuren schematisch in derjenigen Größe eingezeichnet ist, die er im gefügten Zustand von Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 aufweist.
Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 sind über jeweilige Schweißflächen 24, 26 miteinander verbunden. Hierzu kann das Reibschweißen sowie ein
Strahlschweißverfahren wie beispielsweise das Laserschweißen oder
Elektronenstrahlschweißen Verwendung finden. Beide Verfahren eignen sich, um unterschiedliche Werkstoffpaarungen zu verbinden. Der Kühlkanal 22 wird somit erst durch das Fügen von Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 in seiner endgültigen Form ausgebildet.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 liegen die Fügeflächen 24, 26 in einer Ebene, die zu der Rotationssymmetrieachse 28 des Kolbens 10 flächennormal steht. Eine solche Geometrie kann sowohl durch Reibschweißen als auch durch Strahlschweißen gefügt werden. Fig. 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Kolbens 10, bei der eine Fügefläche 30 auf einem Zylindermantel um die Rotationssymmetrieachse 28 liegt. Auch hier wird der Kühlkanal 22 erst durch das Fügen von Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 ausgebildet. Durch die Kegelmantelform der Fügefläche 30 können Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 1 zusammengesetzt werden, ohne dass sie radial gegeneinander verschiebbar sind. Mit anderen Worten ist die Anordnung von Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 selbstzentrierend. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn
Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 durch Reibschweißen verbunden werden soll, da hier keine zusätzliche Zentrierungstechnik notwendig ist.
Auch in der Ausführungsform gemäß Fig. 3 verläuft die Fügefläche 30 auf einem
Kegelmantel um die Rotationssymmetrieachse 28. Die Verbindung zwischen
Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 wird hier durch einen Laser 32 erzeugt, der mittels eines Laserstrahls 34 das Material von Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 im Bereich der Fügefläche 30 aufschmilzt und so eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt. Solche Schweißverbindungen sind von besonders hoher Qualität, da keine aufgewölbten Schweißwülste entstehen, die das Volumen des Kühlkanals 22 reduzieren könnten.
Wie Fig. 4 zeigt, können beim Laserschweißen die Fügeflächen 30, 32, 34, 36 nahezu beliebig angeordnet werden. Die Fügeflächen 30, 32 liegen hier wieder auf
Kegelmantelflächen um die Rotationssymmetrieachse des Kolbens, die Fügefläche 34 verläuft zylindrisch um die Rotationssymmetrieachse, und die Fügefläche 36 ist derart angeordnet, dass die Rotationssymmetrieachse eine Flächennormale auf der Fügefläche 36 bildet. Die Lage der Fügeflächen 30, 32, 34, 36 kann somit wesentlich freier gewählt werden, als beim Reibschweißen. Auch vollständig nicht symmetrische Fügeflächen sind möglich, so dass auf sonstige Gestaltungsmerkmale des Kolbens 10 Rücksicht genommen werden kann. Durch den geringen Wärmeeintrag beim Laserschweißen kommt es zudem zu äußerst geringen Verzügen im Schweißbereich zwischen
Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14.
Insgesamt ergeben sich so besonders leichte und gleichzeitig temperaturbeständige Kolben 10, die als mehrteilige Gussbauteile dargestellt und durch Schweißen gefügt werden können, so dass beim Guss keine Kerne notwendig sind. Die Kolben 0 sind daher sowohl besonders haltbar als auch besonders kostengünstig in ihrer Herstellung. Bezugszeichenliste
10 Kolben
12 Kolbenoberteil
14 Kolbenunterteil
16 Kolbenboden
18 Brennraummulde
20 Kolbenmantel
22 Kühlkanal
24 Fügefläche
26 Fügefläche
28 Rotationssymmetrieachse 30 Fügefläche
32 Laser
34 Laserstrahl
36 Fügefläche

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenoberteil (12) und einem Kolbenunterteil (14), welche durch Schweißen stoffschlüssig entlang wenigstens einer Fügefläche (24, 26, 30, 32, 34, 36) verbunden sind, sowie mit einem ringförmig in einem Kolbenmantel (20) verlaufenden Kühlkanal (22),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlkanal (22) gemeinsam von dem Kolbenoberteil (12) und dem
Kolbenunterteil (14) gebildet ist.
2. Kolben (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die wenigstens eine Fügefläche (24, 26, 30, 32, 34, 36) durch den Kühlkanal (22) erstreckt.
3. Kolben (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Fügefläche (30, 32) ein Kegelmantel um eine
Rotationssymmetrieachse (28) des Kolbens (10) ist.
4. Kolben (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Fügefläche (34) ein Zylindermantel um die
Rotationssymmetrieachse (28) des Kolbens (10) ist.
5. Kolben (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (12) und das Kolbenunterteil (14) durch Reibschweißen verbunden sind.
6. Kolben (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kolbenoberteil (12) und das Kolbenunterteil (14) durch Laser- oder Elektronenstrahlschweißen verbunden sind.
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