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Die
Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen
Kolbens der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegebenen Art.
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Seit
vor etwa 10 Jahren insbesondere bei Nutzfahrzeugmotoren die Reduzierung
der NOx-Grenzwerte zunehmend diskutiert wurde, sind die so genannten
Abgasrückführungs-Raten bedeutend angehoben worden.
Die Anhebung dieser Abgasrückführungs-Raten bedeutet
beispielsweise für Aufladeaggregate eine Forderung nach
immer höheren Ladedrücken, um keine allzu großen
Verluste an spezifischer Leistung der Motoren hinnehmen zu müssen.
Parallel zu den steigenden Abgasrückführungs-Raten
und Aufladegraden müssen deshalb – um die spezifische
Leistung zu halten – die maximalen Zylinderdrücke
angehoben werden. Mittlerweile liegen diese beispielsweise bei Brennkraftmaschinen für
Nutzfahrzeuge deutlich über 200 bar, wobei im nächsten
Schritt Zylinderdrücke bis oberhalb von 250 bar möglich
sein sollen.
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Neben
den hochbelasteten Teilen des Kurbeltriebs stehen somit insbesondere
auch die Eigenschaften der Kolben im Brennpunkt der Entwicklungsaktivitäten,
um die zukünftigen Motoreigenschaften von Seiten der Thermodynamik
und Mechanik bereitstellen zu können.
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Um
den hohen Kolbenbeanspruchungen gerecht zu werden, ist es dabei
beispielsweise aus der
EP
1 466 383 A1 bereits als bekannt zu entnehmen, einen Kolbengrundkörper
unlösbar mit einem weiteren Bauteil in Form eines Einsatzes
zu verbinden, welcher einem zugeordneten Brennraum zugewandt ist.
Dieser Einsatz wird dabei durch ein Schweißverfahren, insbesondere
ein Tiefschweißverfahren, umschmolzen und somit unlösbar
in den Kolbengrundkörper integriert.
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Darüber
hinaus ist es aus der
EP
1 386 687 A1 bereits als bekannt zu entnehmen, dass der
Kolben einer Schmelzbehandlung unterzogen wird, um somit in einem
dem Brennraum zugewandten Muldenrandbereich die thermische Beständigkeit
zu verbessern.
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Schließlich
ist es aus der
DE
102 44 513 A1 bereits als bekannt zu entnehmen, den Kolben
mehrteilig auszugestalten. Dabei ist der Kolbenboden und das Kolbenhemd
einem der Bauteile zugeordnet, welches in einem Schweiß-
oder Lötverfahren mit einem zweiten Bauteil verbunden ist,
welches seinerseits die Lagerung des Kolbenbolzens bzw. des Pleuels übernimmt.
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Als
nachteilig bei diesem mehrteilig gebauten Kolben ist jedoch der
Umstand anzusehen, dass dieser äußerst aufwändig
zu fertigen ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kolben sowie ein
Verfahren zu dessen Herstellung so zu verbessern, dass sich einerseits eine
besonders hohe Beständigkeit und andererseits eine besonders
einfache Herstellung des Kolbens realisieren lassen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolben
sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen der
Patentansprüche 1 bzw. 7 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen
mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen
der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen
angegeben.
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Um
einen Kolben zu schaffen, welcher beispielsweise besonders thermisch
beständig und dabei relativ einfach herstellbar ist, ist
es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das weitere
Bauteil als Belagteil ausgebildet ist, welches vollständig
die dem Brennraum zugewandte Kolbenoberfläche des Kolbens
bildet. Mit anderen Worten ist es somit erfindungsgemäß vorgesehen,
ein Belagteil einzusetzen, welches zumindest die dem Brennraum zugewandte Kolbenoberfläche
vollständig bedeckt bzw. diese bildet. Die vollständige
Bedeckung sorgt somit dafür, dass die vom Brennraum herrührende
thermische und mechanische Beanspruchung durch den Kolben entsprechend
aufgenommen werden kann. Dabei kann das Belagteil – wie
im Folgenden noch näher erläutert werden wird – bezogen
auf den Kolbendurchmesser des Kolbens relativ dünn gestaltet
werden, so dass sich insgesamt sowohl eine einfache Fertigung des
Belagteils selbst wie auch des Kolbens insgesamt realisieren lässt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Belagteil und der Kolbengrundkörper
aus einer gleichen Grundlegierung hergestellt, wobei das Belagteil
einem Vergütungsverfahren – beispielsweise einem
thermischen und gegebenenfalls auch chemischen und werkstofftechnischen
Vergütungsverfahren – unterzogen ist. Der Vorteil
einer gleichen Grundlegierung besteht dabei insbesondere darin, dass
beide Teile eine etwa gleiche Wärmeausdehnung aufweisen,
so dass sich bei der geplanten unlösbaren Verbindung der
beiden Bauteile keine unerwünschten Spannungen ergeben.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich darüber
hinaus als vorteilhaft gezeigt, wenn das Belagteil auf seiner dem
Kolbengrundkörper zugewandten Seite mit Verbindungsmitteln – beispielsweise
in Form einer Oberflächenstruktur oder in Form von Verankerungen – versehen
ist. Hierdurch kann eine besonders zuverlässige Verbindung
des Belagteils mit dem Kolbengrundkörper erreicht werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als zudem vorteilhaft
gezeigt, wenn das Belagteil eine Schalendicke aufweist, welche sich
bezogen auf einen Kolbendurchmesser nach der Formel 1% < S/D < 10% bemisst. Liegt
die Schalendicke des Belagteils in dem angegebenen Wertebereich,
so lässt sich einerseits eine besonders einfache Fertigung
des Belagteils selbst realisieren und andererseits eine gute und
zuverlässige Verbindung zum Kolbengrundkörper.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn zwischen dem Belagteil
und dem Kolbendurchmesser eine Moderatorschicht vorgesehen ist.
Somit können die beiden Bauteile in gewissen Grenzen eine
thermische Relativdehnung zueinander vollführen.
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Schließlich
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn auch die Außenumfangsseite
des Kolbens zumindest bereichsweise durch das Belagteil gebildet ist.
Somit ist es beispielsweise möglich, auf einfache Weise
auch Kolbenringnuten des Kolbens im Bereich des Belagteils abzubilden.
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Die
vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Kolben beschriebenen Vorteile gelten in ebensolcher Weise für
das Verfahren zum Herstellen eines Kolbens gemäß Patentanspruch
7. Dieses Verfahren zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass
das Belagteil in einfacher Weise beim Gießen des Kolbengrundkörpers
mit diesem verbunden werden kann. Somit ergibt sich auf einfache
Weise die erwünschte unlösbare Verbindung.
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Die
Herstellung des Belagteils selbst erfolgt bevorzugterweise in einem
Gieß- oder Umformverfahren, je nachdem, wie aufwändig
beispielsweise die auf der dem Kolbengrundkörper zugewandten Seite
vorgesehenen Verbindungsmittel ausgebildet sein sollen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen
sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine
teilweise Schnitt- und teilweise Seitenansicht auf einen Kolben
für eine Brennkraftmaschine, welcher aus einem Kolbengrundkörper und
einem vollständig die dem Brennraum zugewandte Kolbenoberfläche
bildenden Belagteil besteht;
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2 eine
teilweise Schnitt- und teilweise Seitenansicht auf den Kolben gemäß 1,
wobei das Belagteil in einer alternativen Ausführungsform gezeigt
ist und zumindest bereichsweise auch die Außenumfangsseite
des Kolbens bildet; und in
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3 eine
teilweise Schnitt- und teilweise Seitenansicht auf den Kolben gemäß den 1 und 2,
wobei das Belagteil in einer dritten Ausführungsform gezeigt
ist, welches unter Vermittlung einer Moderatorschicht mit dem Kolbengrundkörper verbunden
ist.
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In
den 1 bis 3 ist jeweils ein Kolben für
eine Brennkraftmaschine erkennbar, welche jeweils links einer Mittelachse
m des Kolbens in einer teilweisen Schnittansicht und rechts der
Mittelachse m in einer teilweisen Seitenansicht dargestellt ist.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist der Kolben
für einen Lastkraftwagen-Dieselmotor vorgesehen. Als im
Rahmen der Erfindung mit umfasst ist es jedoch zu betrachten, dass
der Kolben auch bei anderen Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen könnte.
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Der
Kolben umfasst insbesondere einen Kolbenboden 10, dessen
Kolbenoberfläche 12 einem nicht weiter dargestellten
Brennraum 14 der Brennkraftmaschine zugewandt ist. Allen
drei Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3 ist
es dabei gemeinsam, dass die dem Brennraum zugewandte Kolbenoberfläche 12 des
Kolbens durch ein Bauteil in Form eines Belagteils 16 gebildet
ist, dessen Form und konkrete Ausgestaltung im Weiteren noch näher erläutert
werden wird. Das Belagteil 16 ist dabei mit einem Kolbengrundkörper 18 unlösbar
verbunden bzw. von diesem getragen, welcher seinerseits auf seiner
der Kolbenoberfläche 12 bzw. dem Brennraum 14 abgewandten
Seite 20 eine nicht weiter erkennbare Kolbenbolzenlagerung
zur Verbindung des Kolbens mit einem zugehörigen Pleuel
aufweist.
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Um
den thermischen und mechanischen Beanspruchungen bei Zylinderdrücken
bis beispielsweise über 250 bar gerecht zu werden, ist
das Belagteil 16 an die steigenden thermischen und mechanischen
Beanspruchungen angepasst. Hierzu ist das als Kolbenschale ausgebildete
Belagteil 16 einem thermischen und gegebenenfalls auch
chemischen und werkstofftechnischen Vergütungsverfahren
ausgesetzt worden, das zu einem angepassten und gegebenenfalls sehr
feinen Gefüge mit höchster Festigkeit führt.
Das Belagteil 16 ist dabei in den vorliegenden Ausführungsbeispielen
aufgrund der wünschenswerten gleichen Wärmeausdehnung
nahezu aus dem gleichen Grundwerkstoff bzw. aus der gleichen Grundlegierung
wie der Kolbengrundkörper 18 hergestellt.
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Das
Belagteil 16 wird bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen
bei dem Gießvorgang des Kolbengrundkörpers 18 direkt
mit eingegossen bzw. angegossen. Aus diesem Grund weist das Belagteil 16 Verbindungsmittel 22 auf,
welche bei der Ausführungsform gemäß 1 eine
Oberflächenstruktur 24 bilden. Mit anderen Worten
weist das Belagteil 16 an der Verbindungsfläche
zum Kolbengrundkörper 18 eine sehr hohe zugängliche
Oberfläche zum Beispiel durch die Oberflächenstruktur 24 oder
durch eine gezielte Porosität auf. Aus 1 ist
darüber hinaus erkennbar, dass ein weiteres Verbindungsmittel 22 in Form
einer zentralen Verankerung 26 vorgesehen ist, welche im
Bereich der Mittelachse m des Kolbens vorgesehen ist und über
den Gießvorgang zu einer formschlüssigen Verbindung
zwischen dem Belagteil 16 und dem Kolbengrundkörper 18 führt.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 2 wird als
Verbindungsmittel zusätzlich ein Bereich 28 genutzt,
in welchem eine Kolbenringnut 30 des Kolbens eingeformt
ist. Mit anderen Worten zeigt 2 eine Ausführungsform,
bei welcher eine Außenumfangsseite des Kolbens bzw. Kolbenbodens
zumindest bereichsweise – nämlich über
eine bestimmte Höhe – durch das Belagteil 16 gebildet
ist.
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Bei
den Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3 ist
darüber hinaus erkennbar, dass das als Kolbenschale ausgebildete
Belagteil 16 über einen überwiegenden
Bereich eine Schalendicke S aufweist, welche sich bezogen auf einen
Kolbendurchmesser D nach der Formel 1% < S/D < 10%
bemisst. Dabei ergibt sich üblicherweise eine Schalendicke
S des Belagteils 16 von weniger als einem Millimeter bis über
10 Millimeter bei den vorliegend interessierenden PKW- bzw. LKW-Kolben.
Aus den 1 bis 3 ist darüber
hinaus erkennbar, dass die Schalendicke S des Belagteils 16 zumindest
dort vorgesehen ist, wo nicht unmittelbar ein Verbindungsmittel 22 zur
Verbindung mit dem Kolbengrundkörper 18 oder ein
Radius- oder Eckbereich angeordnet ist. Aus den 1 bis 3 ist
darüber hinaus erkennbar, dass das Belagteil 16 nicht
eben ausgebildet ist, sondern unter anderem wenigstens eine Verbrennungsmulde 32 eingeformt
ist.
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Aus 3 ist
insbesondere erkennbar, dass bei der Kolbenoptimierung hinsichtlich
niederer Gesamtdichten und maximaler Werkstoffausnutzungen auch
Werkstoffkombinationen (z. B. Aluminium, Stahl, Titan, Kohlenstoff,
Verbundwerkstoff mit Armierungen) denkbar sind, die gewisse thermische Relativdehnungen
zueinander aufweisen. Wird hier – wie in 3 angedeutet
ist – eine maximale Dehnungsgrenze des Belagteils 16 und
des Kolbengrundkörpers 18 überschritten,
kann zwischen den beiden Teilen eine Moderatorschicht 34 vorgesehen sein,
die einen rissfreien Verzug der beiden Partner von Kolbenschale
bzw. Belagteil 16 und Kolbengrundkörper 18 zueinander
bei gewünschter Festigkeit erlaubt.
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Bei
dem Verfahren zum Herstellen des vorbeschriebenen Kolbens wird somit
zunächst das Belagteil 16 hergestellt. Die Fertigung
der Schalen bzw. Belagteile, die bis in das Kolbenauge hineinreichen dürfen,
kann z. B. auch mit einem Wachsausschmelzverfahren erfolgen, bei
welchem die Belagteile 16 als Feingussteile mit geringem
Nachbearbeitungsaufwand hergestellt werden. Bei Schalenformen des
Belagteils 16 ohne Hinterschnitt, wie dies beispielsweise
in 1 dargestellt ist, können hingegen auch
Umformtechniken mittels Schmieden und Pressen sehr kostengünstig
und unter Gewährleistung höchster Festigkeit eingesetzt
werden.
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Im
Anschluss an die Vorfertigung des jeweiligen Belagteils 16 wird
dieses beim Gießen des Kolbengrundkörpers 18 mit
diesem verbunden bzw. ein- oder angegossen. Somit entsteht die gewünschte
unlösbare Verbindung zwischen dem Belagteil 16 und dem
Kolbengrundkörper 18.
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Insgesamt
ist somit aus den 1 bis 3 erkennbar,
dass durch das Belagteil 16 in Form der Kolbenschale die
Kolbenoberfläche 12 des Kolbens, welche dem Brennraum 14 zugewandt
ist, vollständig durch das Belagteil 16 gebildet
wird. Hierdurch können insbesondere die steigenden thermischen
und mechanischen Beanspruchungen innerhalb des Brennraums 14 erfüllt
werden.
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- 10
- Kolbenboden
- 12
- Kolbenoberfläche
- 14
- Brennraum
- 16
- Belagteil
- 18
- Kolbengrundkörper
- 20
- Seite
- 22
- Verbindungsmittel
- 24
- Oberflächenstruktur
- 26
- Verankerung
- 28
- Bereich
- 30
- Kolbenringnut
- 32
- Verbrennungsmulde
- 34
- Moderatorschicht
- m
- Mittelachse
- S
- Schalendicke
- D
- Kolbendurchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1466383
A1 [0004]
- - EP 1386687 A1 [0005]
- - DE 10244513 A1 [0006]