-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen und Verfahren zum Gießen von Motorkomponenten und im Spezielleren einen hochentwickelten Dieselkolben auf Aluminiumbasis mit komplexen Merkmalen und ein Verfahren zum Gießen desselben.
-
Kolben, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden, sind typischerweise aus einem Kopf (auch als eine Kuppel oder eine Krone bezeichnet), einem Schaft, einer oder mehreren Ringnuten und einem Steg zwischen den Nuten hergestellt. Zunehmend strenge Emissions- und Effizienzanforderungen schreiben vor, dass Kolben in Zukunft näher bei stöchiometrischen Bedingungen, höheren Zylinderdrücken und knapperen Packaging-Vorgaben arbeiten werden müssen, was wiederum höhere Komponentenbelastungs- und Betriebstemperaturbedingungen notwendig machen wird. Dies gilt insbesondere für in Dieselmotoren verwendete Kolben, die zunehmend verwendet werden, um Personenfahrzeuge zu betreiben, abgesehen davon, dass sie die vorherrschende Motorform für größere Geschäftsfahrzeuge sind. Ebenso werden hochentwickelte Kuppelkonstruktionen entwickelt, um einen gründlicheren, effizienten Verbrennungsvorgang zu erreichen, der die Temperaturen in der Brennkammer noch weiter erhöht. Diese hochentwickelten Kuppelkonstruktionen mit ihren dreidimensionalen (3D-)Profilen erfordern komplexere Formgestalten, was die Schwierigkeit beim Gießen der Kolben erhöht oder den Einsatz einer übermäßigen maschinellen Bearbeitung notwendig macht, um die erwünschte Kuppelgeometrie zu erreichen.
-
Höhere Betriebstemperaturen erfordern die Verwendung von Materialien, die in der Lage sind, unter diesen Bedingungen zu arbeiten. Es wurden auch Kühlprogramme als eine Möglichkeit verwendet, die Lebensdauer der Kolben und ähnlicher Hochtemperaturkomponenten zu verbessern. Eine Möglichkeit, eine Kühlung zu bewerkstelligen, besteht darin, ein Motorschmiermittel durch Durchgänge (auch als Galerien bezeichnet) zu leiten, die in dem Kolben gebildet sind. Das Kühlen der Kuppel ist sehr vorteilhaft, da er direkt dem Verbrennungsvorgang ausgesetzt ist. Das Hinzufügen von Kühlkanälen erhöht jedoch die Schwierigkeit beim Gießen des Kolbens weiter.
-
Traditionelle verbrauchsfreie Formen des Gießens wie z. B. der Dauerformguss sind zum Bilden komplexer Gestaltungsformen nicht gut geeignet. Insbesondere begrenzt die dauerhafte Beschaffenheit der Form, verbunden mit den einspringenden Bereichen, die in einigen Gestaltungsformen wie z. B. den oben erläuterten 3D-Kuppelgestaltungsformen vorhanden sind, das Vermögen, das Teil zurückzuziehen, sobald das Gussteil erstarrt ist. Infolgedessen ist eine übermäßige maschinelle Bearbeitung notwendig, um die komplexen Gestaltungsformen zu produzieren. Diese zusätzliche maschinelle Bearbeitung trägt zu der Komplexität und zu den Kosten von Dauerformguss-Ansätzen bei. Auch die Teilequalität kann unter dem Dauerformguss leiden. Das Vorhandensein von Steigern kann die Mikrostruktur des Gussteils und das Ausmaß der erzielbaren Kornverfeinerung beeinflussen. Beispielsweise neigt die relativ große thermisch wirksame Masse der großen Steiger dazu, die Erstarrung der gegossenen Komponente zu verlangsamen, während eine schnellere Abkühlung und die damit einhergehenden verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie durch das Vorhandensein einer kleineren sekundären Dendritarmabstandes (SADS, vom engl. ”secondary dendrite arm spacing”) erwiesen, oft wünschenswert sind. Es kann ein Unterschied von bis zu 20% bei den mechanischen Eigenschaften an dem Einlaufort verglichen mit den Steigerseiten bestehen.
-
Um die Gestaltungsformeinschränkungen des Dauerformgusses zu überwinden, können andere Ansätze verwendet werden, welche verschiedene Formen des Gießens mit verlorener Form wie z. B. das Investmentgießen (oder Wachsausschmelzgießen), das Sandgießen und dergleichen umfassen. Das Investmentgießen beinhaltet üblicherweise die Verwendung einer/s verlorenen Form oder Musters und die Verwendung eines keramischen Formmaterials, bei dem das Teil in der Form zum Erstarren gebracht wird, sodass nur eine minimale maschinelle Nachgussbearbeitung erforderlich ist. Eine Variante des Sandgießansatzes, welches als Salzkerngießen bekannt ist, verwendet Techniken, die allgemein dem Sandgießen ähnlich sind, außer dass ein wasserlösliches Salz anstelle eines Frisch- oder Trockensandes für innere Formgeometrien verwendet wird. Sobald das Teil hergestellt ist, kann die Salzform mit Wasser weggewaschen werden, ohne das Teil zusätzlichen thermischen Belastungen auszusetzen. Das Sandkerngießen bringt Aufbewahrungs- und Handhabungsprobleme mit sich, die seinen Reiz mindern.
-
Ein anderer Ansatz, der verwendet wurde, um eine Kuppel im Gusszustand zu schaffen, ist das Halbkokillengießen. Dieser Ansatz erfordert noch immer, dass die Brennraummulde maschinell bearbeitet wird. Wie bei den oben erläuterten Dauerformgussteilen ist auch ein beträchtliches Ausmaß an Trichterabnahme von der Kuppel erforderlich. Des Weiteren können leistungsstärkere (Hochleistungs)-Kolben auch ein Umschmelzen des Muldenrandes erfordern. Diese zusätzlichen Arbeitsschritte tragen wesentlich zu den Kosten des Kolbens bei. Dies gilt insbesondere für die Kosten der Umschmelzarbeit und die maschinelle Muldenbearbeitung und noch mehr für Kolben, die ausgestaltet sind, um unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen (auch als Anwendungen unter hoher Belastung bekannt, wie nachfolgend in größerem Detail erläutert) zu arbeiten, wie z. B. leistungsstarke Dieselkolben. Solche Kolben können bei Zylinderdrücken über 200 bar (sogar bis zu 230 bar) arbeiten und Temperaturen über 400°C erreichen; deshalb erfordern sie die Verwendung von Stahlschmiedeteilen mit einer noch größeren Auswirkung auf die Kosten.
-
Starke Schwankungen der Betriebsbedingungen wie z. B. der oben angeführten Temperatur- und Druckbedingungen machen entsprechende Ausgestaltungsunterschiede zwischen Dieselkolben für hohe Beanspruchungen (die Busse, Traktoren, Langstreckenlastwagen, Baugeräte oder dergleichen) und denen mit Anwendungen mit leichten Beanspruchungen (welche Personenwagen, Leichtlastwagen oder dergleichen umfassen können) oder mit mittleren Beanspruchungen notwendig, wobei dieselbetriebene Fahrzeuge (und deren Beanspruchungen) in den USA, in Europa und anderswo gesetzlich definiert sind. In den USA kann z. B. über das maximal zulässige Gesamtgewicht (GVWR, vom engl. gross vehicle weight rating) zwischen Motoren für hohe, mittlere und leichte Beanspruchungen unterschieden werden, wobei Motoren für hohe Beanspruchungen solche sind, die mehr als einen gewissen Betrag (z. B. mehr als 33000 Pfund gemäß den Bundes- und Kalifornischen Richtlinien) wiegen, während Fahrzeuge für mittlere Beanspruchungen (z. B. zwischen 19500 und 33000 Pfund gemäß den Bundesrichtlinien und 14000 und 33000 gemäß den Kalifornischen Richtlinien) und für leichte Beanspruchungen (z. B. zwischen 8400 und 19500 Pfund gemäß den Bundesrichtlinien und 8500 und 14000 gemäß den Kalifornischen Richtlinien) geringeren Gewichten entsprechen. Es können auch andere Maßsysteme verwendet werden, wobei z. B. ein Dieselmotor für mittlere Beanspruchungen einer mit einem Hubraum zwischen etwa 4 Liter und etwa 7 Liter ist, während sein Gegenstück für hohe Beanspruchungen einen Hubraum zwischen etwa 10 Liter und 15 Liter aufweisen kann. Des Weiteren kann im Zusammenhang mit Dieselmotoren der Belastungszyklus durch Schleppanforderungen (die wiederum den Zylinderdruck bestimmen) definiert sein. Im Speziellen beruhen Anwendungen mit hohen Beanspruchungen auf Kolben auf Stahlbasis, sodass diese den rauen Bedingungen standhalten, denen sie durch die oben erwähnten Temperaturen und Drücke ausgesetzt sind.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Dieselkolbens. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass ein Muster für den Kolben vorgesehen wird, wobei das Muster eine Kuppel und eine einspringende Mulde umfasst; eine Kolbenform um das Muster herum gebildet wird, wobei die Form ein Zuschlagmaterial und ein Bindemittel umfasst; das Muster von der Kolbenform entfernt wird; eine Metallschmelze in die Kolbenform eingeleitet wird; die Kolbenform mit einem Lösemittel für das Bindemittel in Kontakt gebracht wird und das Bindemittel und der Zuschlag entfernt werden; die Metallschmelze abgekühlt wird; und die Metallschmelze zum Erstarren gebracht wird, um den Kolben mit der Kuppel und der einspringenden Mulde mit nur einer minimalen Notwendigkeit für eine weitere Nachgussbearbeitung zu bilden. In dem vorliegenden Kontext umfasst eine Nachgussbearbeitung (ist aber nicht beschränkt auf) eine maschinelle Bearbeitung der Mulde, gewisse Endbearbeitungstätigkeiten oder andere Vorgehensweisen. Wesentliche Ausmaße solch einer Nachgussbearbeitung sind jene Tätigkeiten, die beträchtliche zusätzliche Kosten oder Zeit beinhalten, um das Teil im Gusszustand für seine Endform vorzubereiten. Im Gegensatz zu einer wesentlichen maschinellen Nachgussbearbeitung oder dergleichen, würden routinemäßige oder gelegentliche Reinigungs- oder ähnliche Endzubereitungsschritte keine wesentliche maschinelle Nachgussbearbeitung ausmachen. Ebenso würde ein gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellter Kolben im Wesentlichen im Gusszustand keine solchen zusätzlichen Schritte benötigen, um komplexe Gestaltungsformen wie z. B. die grundlegende einspringende Gestaltungsform der Mulde im Inneren der Kuppel zu definieren. Des Weiteren machen der Zuschlag und das Bindemittel typischerweise die Form aus. Das Sandgießen gemäß der vorliegenden Erfindung als solches wird kein wiederholtes Erzeugen von Schaum- oder Wachsmustern oder die Entfernung solcher Muster von einer Keramikform vor dem Gießen erfordern. Überdies ist zu erwarten, dass die Zykluszeiten beim Ablationsgießen (d. h. die Zeit, die vom Herstellen der Form bis zum Produzieren eines Gussteiles benötigt wird) kürzer sind, da es nicht notwendig ist, das Gussteil vollständig erstarren zu lassen, bevor es aus der Form genommen wird.
-
Der Einsatz dieser Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung ist insbesondere vorteilhaft für Gusskolben auf Aluminiumbasis für Dieselmotoranwendungen (insbesondere für Motoren für leichte Beanspruchungen und mittlere Beanspruchungen, bei denen die Zylinderdrücke bei etwa 200 bar oder darunter gehalten werden) verglichen mit ihren Gegenstücken auf Eisenbasis. Ein Grund, weshalb Aluminium das Metall der Wahl ist, besteht darin, dass es ungefähr ein Drittel der Dichte einer Komponente auf Stahlbasis aufweist (was zu einer Gewichtsreduktion und einer damit einhergehenden Vereinfachung von Lagern und ähnlichen Stützstrukturen führt, die besonders vorteilhaft bei Komponenten sind, die sich mit einer hohen Geschwindigkeitsrate drehen oder translatorisch verschieben). Ein anderer Grund besteht darin, dass Materialien auf Aluminiumbasis sehr gut gießbar sind und die Fähigkeit besitzen, bei niedrigeren Verarbeitungstemperaturen gebildet zu werden; dies beeinflusst wiederum in vorteilhafter Weise die Werkzeugbestückungsgestaltung, -haltbarkeit und -kosten. Des Weiteren, da die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium doppelt so hoch ist wie jene von Stahl, verringern Teile auf Aluminiumbasis den Bedarf an Kühlöl, das während eines Motorbetriebes durch die Galerien in dem Kolben hindurch zirkuliert werden muss, was wiederum die Motorölpumpenkonstruktion vereinfachen kann. Diese höhere Wärmeleitfähigkeit (und die damit einhergehende Fähigkeit, Überschusswärme abzutransportieren) verringert die Wahrscheinlichkeit, dass das Temperaturregime um die Krone und andere der Verbrennung benachbarte Komponenten herum eine unerwünschte Auswirkung auf die Emissionen und den Wirkungsgrad produzieren. Außerdem gestatten Gießprozesse, wie in der vorliegenden Erfindung verwendet, die Einbeziehung von Details wie z. B. einer gehärteten oberen Ringnut und die zuvor erwähnten Ölgalerien als einen natürlichen Teil des Gießprozesses zu bilden, wohingegen Stahlschmiedeteile eine nachfolgende Wärmebehandlung, maschinelle Bearbeitungs- oder Montagetätigkeiten erfordern würden.
-
Außerdem ist die Gusswerkzeugbestückung besser zugänglich für Änderungen, die als Folge von Validierungstestergebnissen oder anderen Konstruktionsmodifikationen erforderlich sein können. Überdies kann ein Guss-Dieselkolben im Hinblick auf die Masse im Gusszustand verglichen mit dem Kolben im geschmiedeten Zustand selbst in Fällen optimiert werden, in denen das Gussteil derart ist, dass beträchtliche maschinelle Nachguss-Bearbeitungstätigkeiten erforderlich sein können.
-
Wie oben erläutert, gibt es, während das Gießen im Allgemeinen (und das Gießen von Metallen auf Aluminiumbasis im Speziellen) vorteilhaft ist, Grenzen in Verbindung mit bestimmten Arten von Gießvorgängen. Beispielsweise sind Halbkokillen- und Dauerformgießprozesse zum Bilden komplexer Gestaltungsformen wie z. B. der in neueren, leistungsstärkeren Dieselkolben verwendeten, einspringenden Brennraummulden nicht gut geeignet. Der ablative Ansatz in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beseitigt die Notwendigkeit einer umfangreichen oder wesentlichen maschinellen Bearbeitung der Brennraummulde oder anderer Abschnitte des Kolbens mit einspringenden Merkmalen, während er dennoch die Einbeziehung von Details wie z. B. des Kerns für die Ölgalerie oder eines eisenhaltigen oberen Ringnuteinsatzes gestattet. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Ablationsgießen weist beträchtliche Unterschiede gegenüber dem oben erläuterten Investment-Gießansatz auf. Zum Beispiel sind Muster beim Ablationsgießen nicht in der Weise eines Investment-Gießmusters verbrauchbar. Während Investmentgießtechniken die Verwendung von Formen auf Aufschlämmungsbasis und Keramikbasis einsetzen, welche anschließend von dem Gussteil geschlagen oder sonst wie weggebrochen werden, verwendet das Ablationsgießen Quarzsand, Zirkonsand, Chromitsand oder dergleichen, die kein wiederholtes Beschichten, Stuckieren und Aushärten der Form erfordern; bedeutsamer Weise ist der beim Ablationsgießen verwendete Sand wiederverwendbar. Somit werden, während die Materialien auf Sandbasis, die verwendet werden, um den Zuschlag der vorliegenden Erfindung zu bilden, gewisse keramikartige Eigenschaften (einschließlich einer relativen Feuerbeständigkeit) zeigen können, sie insofern separat von Keramiken betrachtet, als sie (z. B. durch Beschichten, Stuckieren und Aushärten) nicht in eine andere Art von Struktur umgewandelt werden. Ebenso beginnt die Erstarrung des Metalls bei einem Ablationsgussteil in der Form nach dem Beenden des Füllens und wird während der Wasserablation der Form beendet. Das Ablationsgussteil kann noch immer eine gewisse maschinelle Nachgussbearbeitung erfordern.
-
Der ablative Gießansatz der vorliegenden Erfindung – wenn er verwendet wird, um einen Dieselkolben auf Aluminiumbasis zu bilden – hat auch eine feine und einheitliche Mikrostruktur im Gusszustand zur Folge. Dies (zumindest teilweise) infolge der nicht vorhandenen Notwendigkeit für große Steiger, welche die Erstarrungszeiten verlangsamen und das Ausmaß der erzielbaren Kornverfeinerung beeinflussen würden. Durch die vorliegende Erfindung können Kornstrukturen innerhalb verschiedener Teile des Kolbens für die Eigenschaft maßgeschneidert werden, welche optimiert werden soll. Somit könnten dickere Teilabschnitte, die eine aggressivere Ablation und Abkühlung erfordern, bei anderen Raten als dünnere Teilabschnitte als eine Möglichkeit abgekühlt werden, um ein/e besonders wünschenswerte/s Kornverfeinerung oder Muster zu erreichen. Andere Vorgangsweisen wie z. B. Gegenschwerkraft- und ähnliche langsame Fülltechniken sind kostspielig einzurichten. Die durch die Sandformen der vorliegenden Erfindung möglich gemachten schnelleren Formfüllzeiten verbunden mit der Erstarrung durch Ablation der Form können in vorteilhafter Weise verwendet werden, um die Schwierigkeiten des Gießens eines Kolbens auf Aluminiumbasis mit solchen langsamen Fülltechniken zu vermeiden.
-
Moderne komplexe Komponenten waren traditionellerweise nicht zugänglich für endmaßliche, einteilige oder ähnliche endformnahe Ansätze. Insbesondere in Bezug auf Kolben wird die Gussteilkomplexität typischerweise durch das Gießen einzelner Komponenten separat verringert. Beispielsweise können der Kronen- und Ringbandbereich gegossen, dann, anschließend zu einer aus den Mänteln, Kolbenbolzen oder dergleichen bestehenden zweiten Komponente zusammengefügt werden. Ebenso neigen Komponenten mit einspringenden Merkmalen (wie z. B. Brennraumkuppeln) dazu, von einteiligen Endform-Gussteilen weiter abzuweichen. Gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugte Gussteile erfordern keine zweiteiligen Konstruktionen, um endmaßliche Eigenschaften für einen Gusskolben auf Aluminiumbasis mit hinterschnittenen, einspringenden Mulden und ähnlichen komplexen Merkmalen zu erzielen. Als solche können sie eine Monoblock-Aufbauform verwenden, wobei viele (oder alle) von den Merkmalen des Kolbens (wie z. B. die Kuppel, die Ringnuten, die Ölgalerie, die Mäntel und die Bolzenbohrungen) als ein massives Teil ausgebildet sind. Monoblock-Ausgestaltungen unterscheiden sich z. B. von einem angelenkten Kolben, in dem sich der Schaft unabhängig von dem Bolzen oder der Bolzenbohrung bewegt. Monoblock-Ausgestaltungen können als ein Teil gegossen werden, oder sie können zwei separate Teile sein, die starr miteinander verbunden sind (z. B. durch Schweißen). Die hierin offenbarten Kolben würden als ein Monoblock-Aluminiumaufbau im Gusszustand betrachtet werden. Ferner können solche Gießtechniken ein/e schnelle/s Abkühlen und Teilentnahme verwenden, um ausgezeichnete Kornstrukturen und einen hohen Durchsatz gefertigter Teile sicherzustellen. In dem vorliegenden Kontext haben die gegenständlichen Erfinder festgestellt, dass die Verwendung von Aluminiumkolben und eines Monoblock-Aufbaus für Dieselmotor-Anwendungen ohne hohe Beanspruchungen, bei denen Betriebsdrücke von nicht mehr als 200 bar vorhanden sind, gut geeignet sind. Des Weiteren erzielt der vorliegende Ansatz die Komplexitäten der hinterschnittenen Mulde, der Ölgalerie, des eingegossenen Ringnuteinsatzes und anderer Merkmale gleich aus der Form heraus mit einem geringen (oder keinem) Bedarf an Nachguss-Arbeitsschritten.
-
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein einteiliger Gusskolben auf Aluminiumbasis mit zumindest einem einspringenden Merkmal (insbesondere einer in der Kuppel des Kolbens geformten Mulde) offenbart. Der Kolben ist derart ausgestaltet, dass der Kolben nach dem Anordnen in einem Dieselmotor und bei einem Betrieb in demselben einem Betriebsdruck bis zu etwa 200 bar Zylinderdruck und einer Temperatur bis zu etwa 400 Grad Celsius standhalten kann. Diese Eigenschaften erlauben es ihm, über die normale Lebensdauer der zuvor erwähnten Dieselmotoranwendungen bei leichten Beanspruchungen oder mittleren Beanspruchungen zu arbeiten.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, wobei gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
-
1 eine aufgeschnittene, perspektivische Teilansicht eines Dieselkolbens ist, welche hinterschnittene, einspringende und ähnliche Merkmale hervorhebt, die mithilfe des Sandgießens der vorliegenden Erfindung erzeugt werden können;
-
2 eine aufgeschnittene Draufsicht eines Dieselkolbens in einem Gusszustand ist; und
-
3 eine aufgeschnittene Draufsicht des Dieselkolbens von 2 ist, nachdem die maschinelle Endbearbeitung ausgeführt wurde.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Zu Beginn Bezug nehmend auf die Fig., sind die einem Dieselkolben auf Aluminiumbasis zugehörigen Merkmale gezeigt, die in einer Weise wie hier gelehrt gegossen werden können. Im Speziellen umfasst ein Kolben 1 einen Kronenteilabschnitt (auch als eine Krone bezeichnet) 10, einen Schaft-Teilabschnitt (auch als ein Schaft bezeichnet) 20 und eine Kolbenbolzenbohrung 30. Die Krone 10 definiert eine allgemein ebene obere Fläche 12, die eine allgemein kuppelförmige Brennraummulde 14 darin bildet. Die Wand 16 der Mulde 14 ist konturiert und endet an dem oberen Abschnitt davon mit einer Lippe, sodass die dadurch geschaffene Überkragung einspringende Merkmale der Mulde 14 definiert. Die äußere radiale Fläche der Krone 10 umfasst verschiedene, längs beabstandete, um den Umfang verlaufende Nuten 18, in welche Kolbenringe (nicht gezeigt) eingesetzt werden können, um mit Verbrennungsabdichtungs- und Ölabstreiffunktionen zu unterstützen. Nuteinsätze 19 können in einer oder mehreren der Nuten 18 angeordnet sein. Der Schaft 20 kann längs nach unten verlaufende Seitenwände umfassen, in denen Rippen, Flansche und ähnliche verstärkende Strukturen (nicht gezeigt) umfasst sein können. Der Schaft 20 hilft dabei, die Ausrichtung des Kolbens 1 während seiner Hin- und Herbewegung innerhalb eines Motorzylinders (nicht gezeigt) aufrechtzuerhalten. Ebenso sind die Kolbenbolzenbohrungen 30 integral in die Seitenwände 40 hinein gebildet (speziell in 1 gezeigt), welche einen Teil des Schafts 20 ausmachen, um einen allgemein radial verlaufenden Durchgang zu definieren, in dem ein Bolzen verwendet wird, um den Kolben 1 rotatorisch auf einer Pleuelstange zu tragen, welche den Zylinder in Ansprechen auf die Drehbewegung einer Kurbelwelle (keines davon ist gezeigt) durchquert. Zahlreiche Öffnungen, die Ölkanäle bilden, welche die Ölgalerie ausmachen, sind über die gesamte Krone 10 gebildet, um den Durchgang von Öl oder einem ähnlichen Kühlmittel zu erleichtern, das in den Zylinder eingeleitet wird.
-
Ein Ablationsgießansatz kann verwendet werden, um einen Kolben mit einer Kuppel zu erzeugen, der eine einspringende Mulde im Gusszustand und einen optionalen inneren Kühlkanal beinhaltet. Das Ablationsgießen verwendet anorganische (d. h. wasserlösliche) Kerne, und es wird Wasser auf die Form gesprüht (bevorzugt aus vielen Richtungen), das langsam hinwegspült (daher der Ausdruck „Ablation”) und das Gussteil schnell abkühlt. Die schnelle Abkühlung führt zu verbesserten Materialeigenschaften. In dem vorliegenden Kontext ist eine schnelle Abkühlung eine solche, die deutlich schneller abläuft als traditionelle (z. B. Investmentguss)-Abkühlansätze. Während ein Investmentguss-Ansatz zwischen eine halbe Stunde und eine Stunde für eine entsprechende Abkühlung erfordern kann, kann ein gemäß dem vorliegenden Ablationsgießen hergestellter Dieselkolben auf Aluminiumbasis in nur drei bis fünf Minuten auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Des Weiteren gestattet es die Anwendung von Wasser, die Komponentenerstarrung und das Abkühlen getrennt voneinander zu steuern (z. B. durch Anwenden von Wasser auf spezifische Bereiche des Gussteils vor anderen oder durch Anwenden verschiedener Mengen von Wasser auf verschiedene Bereiche). Somit gestattet das Ablationsgießen, komplexe Teile mit einer durchweg feinen Erstarrungsmikrostruktur zu erzeugen, falls erwünscht. Durch das Bereitstellen der hohen Erstarrungsgeschwindigkeiten und der verfeinerten Mikrostruktur, die oft notwendig sind, um bessere mechanische Eigenschaften (wie z. B. Zug- oder Ermüdungseigenschaften bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen) über den Teilabschnitt zu erzielen, gestattet es das Ablationsgießen, Teile, die sowohl dünne und dicke Teilabschnitte kombinieren, wie auch solche mit komplexen inneren Kernen, zu bilden. Die Eigenschaften über den Teilabschnitt sind jenen überlegen, die mittels Muldenrandschmelzen hergestellt werden, welches die wünschenswerte feine Mikrostruktur nur bis zu einer Tiefe knapp unter der Oberfläche (z. B. wenige mm) bereitstellt.
-
Das Ablationsgießverfahren ist in dem
U.S.-Patent Nr. 7 121 318 allgemein beschrieben, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Es wird ein Muster aus einem Material gebildet, und es wird eine Form um zumindest einen Abschnitt des Musters herum gebildet. Die Form wird aus einem Zuschlagmaterial und einem Bindemittel gebildet. Das Muster wird aus der Form entfernt, und dann wird eine Metallschmelze in die Form eingeleitet. Die Form wird mit einem Lösemittel in Kontakt gebracht und die Metallschmelze wird abgekühlt, sodass sie zumindest teilweise erstarrt, um ein Gussteil zu bilden. Der Abkühlschritt umfasst, dass eine Hülle aus erstarrtem Metall um die Metallschmelze herum mit dem Lösemittel in Kontakt gebracht wird.
-
Das Ablationsgießen wurde im Allgemeinen nicht zum Gießen von Dieselkolben und spezieller Dieselkolben mit einer einspringenden Mulde und noch spezieller für Dieselkolben auf Aluminiumbasis mit einspringenden Mulden oder ähnlichen hinterschnittenen Merkmalen verwendet.
-
-
Die Verwendung des Ablationsgießens bietet die Möglichkeit, den Kolben mit einer endformnahen Kuppel ohne die beträchtliche Nachgussbearbeitung und/oder maschinelle Bearbeitung zu gießen, die für andere Prozesse erforderlich sind. Somit können die Kuppel und die Brennraummulde gleichzeitig gegossen werden. In einer speziellen Form würden die einspringende Mulde 14 und innere Kanäle mithilfe einer Einweg-Zuschlagform erzeugt werden, die mittels herkömmlicher Kerntechnologie mit einer zurückziehbaren Werkzeugbestückung in dem Formwerkzeug erzeugt werden könnte. In dem vorliegenden Kontext umfasst die Zuschlagform der Formungsmedien, ist aber nicht beschränkt auf, Quarzsand, Zirkonsand, Chromitsand, keramische Mikrokugeln oder dergleichen.
-
Die Vorteile in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung umfassen, sind aber nicht beschränkt auf eines oder mehrere der folgenden: reduzierte Kosten für die maschinelle Bearbeitung, eine verfeinerte Mikrostruktur im Gusszustand für verbesserte mechanische Eigenschaften, der Nutzen eines Sand-(oder ähnlichen)Formungsprozesses, um eine einspringende Region in der Kuppel maßzuschneidern, eine Reduktion des Gussteilgewichts, und die Beseitigung der Notwendigkeit eines inneren Salzkerns. Der traditionelle Salzkern könnte durch einen Zuschlagkern aus dem gleichen Material wie die Kolbenform ersetzt werden.
-
In einer Form kann das Sandgießen verwendet werden, um den Kolben 1 der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. Dieser Prozess würde die massiven Steiger reduzieren, die typischerweise beim Dauerformgießen verwendet werden, was eine verbesserte Materialausbeute zur Folge hat. Des Weiteren macht es die dem Ablationsgießen innewohnende hohe Abkühlgeschwindigkeit leichter, den Prozess maßzuschneidern, um eine verfeinerte Mikrostruktur mit verbesserten Materialeigenschaften zu erzielen. Diese verbesserten Materialeigenschaften sollten einen stärkeren Kolben 1 insgesamt wie auch die benötigte Festigkeit des Randes der Kolbenmulde 14 (ohne diesen Bereich umschmelzen zu müssen) bereitstellen, um die strengen Kopfdichtungs-Bewertungstests dauerhaft zu bestehen.
-
In einer speziellen Form kann die Form aus einem Sand hergestellt sein, der zum Ablationsgießen in der Lage ist, sodass komplexe Kuppelformen, einschließlich jener mit hinterschnittenen und inneren Kühlkanalmerkmalen, einfach und kostengünstig gefertigt werden können. Die Sandform kann als solche kann als Teil des Ablationsprozesses verwendet werden.
-
Eine verbesserte Materialausbeute kann durch Eliminieren der großen Steiger realisiert werden, die oft als Teil eines Dauerformgieß-Arbeitsschrittes verwendet werden. Insbesondere kann durch Verwenden eines Ablationsgießansatzes die natürliche hohe Abkühlgeschwindigkeit zulassen, dass der gebildete Kolben 1 eine homogene Mikrostruktur und ähnliche strukturelle Eigenschaften aufweist.
-
Zusätzlich zu der verfeinerten Mikrostruktur und den verbesserten Kolbeneigenschaften gestattet es die Verwendung des Ablationsprozesses, viel feinere Details, einschließlich komplizierter Kühlkanäle, in das Teil zu gießen. Der Prozess reduziert oder eliminiert die Notwendigkeit einer Nachgussbearbeitung in dem Bereich um die Kuppel oder die Krone 10 herum, insbesondere da er die einspringenden Merkmale der Brennraummulde 14, die Kolbenbolzenbohrung 30 und die Kühlkanalregionen betrifft. Da das Ablationsgießen produktionsreif ist, ist die Übertragung auf die Fertigung großer Mengen von Kolben oder ähnlicher Komponenten relativ einfach. Eine Einweg-Zuschlagform könnte verwendet werden, um zuzulassen, dass die Brennraummulde 14 der Kolbenkuppel und eine Schmier- und Kühlölgalerie (nicht gezeigt) als Teil des Gussteiles gebildet werden.
-
Der Einsatz des Ablationsgießens für Dieselkolben hilft dabei, eine wesentliche mikrostrukturelle Verfeinerung durch Reduzieren oder Eliminieren der Notwendigkeit einer kostspieligen sekundären Nachgussbearbeitung, z. B. eine maschinelle Bearbeitung oder ein Umschmelzen, zu erreichen. In Fällen, in denen eine verfeinerte Mikrostruktur erwünscht ist, wie bei der Muldenkante oder anderen komplexen 3D-Regionen des Kolbens 1, kann ein Wolfram-Inertgas(TIG, vom engl. tungsten inert gas)- oder Laser-Umschmelzen lokal (z. B. in der einspringenden Region der Brennraummulde 14) durchgeführt werden. Eine nachfolgende maschinelle Bearbeitung, z. B. um eine exakte Form der Muldenkante zu erbringen, kann gleichermaßen reduziert oder eliminiert werden.
-
Diese Erfindung nutzt den Ablationsgießprozess, um die Notwendigkeit großer Steiger an der Kolbenkuppel oder -krone 10 zu eliminieren. Die Fähigkeit, die Kuppel oder Krone 10 schneller und gleichmäßiger abzukühlen, sollte die mechanischen Eigenschaften verbessern. Somit beginnt das gegossene Metall, sobald die Form gefüllt wird, eine Haut zu bilden. Bevor die Erstarrung beendet ist, durchläuft die Form einen Wasservorhang, der von einem oder mehreren Sprühwasserstrahlen (nicht gezeigt) gebildet wird, welche/r verwendet wird/werden, um die Form aufzulösen, und in dem Prozess kühlt das Wasser das Gussteil effektiv. Insbesondere sollte die Einweg-Zuschlagform es zulassen, die Brennraummulde 14 im Gusszustand zu bilden. Ferner kann die Einweg-Zuschlagform auch verwendet werden, um die Ölgalerie 15 hinter der oberen Ringnut 18 zu bilden, wobei die Notwendigkeit eines Salzkerns eliminiert ist. Dies gestattet außerdem die schnelle Prototypherstellung von Kolben, was die allgemeinen Entwicklungstests verbessern kann. Wenngleich in den vorliegenden aufgeschnittenen Ansichten der Fig. nicht gezeigt, wird einzusehen sein, dass ein oder mehrere Durchgänge integral in den Kolben 1 gegossen werden können, sodass sich diese/r Durchgang/Durchgänge von einer unteren Fläche der Ölgalerie 15 nach oben erstrecken kann/können, um den Ölstrom in die und aus der Ölgalerie 15 zu erleichtern. Gleichermaßen können auch andere Merkmale – z. B. ein Durchgang zur Erleichterung des Tropfens von Öl zu einer Stange oder einem Zapfen – in die untere Fläche des Kolbens 1 hinein gebildet werden.
-
Anders als bei Stahlkolben, wo Zugangsmündungen und ähnliche Öffnungen zu und von den Ölgalerien oft überdimensioniert sind, um eine entsprechende Kernentnahme sicherzustellen, kann der Ablationsgießansatz zur Verwendung an Dieselkolben auf Aluminiumbasis der vorliegenden Erfindung klein bleiben, da Lösemittel auf Wasserbasis in der Lage sind, in solche Öffnungen mit reduzierter Größe einzudringen. Da sich die Kolben sehr schnell translatorisch hin- und her bewegen, wie oben erläutert, besitzen jegliche derartige Vereinfachungen wie z. B. die Reduktion der Ölzugangsleitungsgröße multiplikatorartige zusätzliche Vorteile in Bezug auf den Lager- und Stützstrukturaufbau, da ein Konstrukteur das Gewicht, die Komplexität oder eine ähnliche Robustheit solch einer Struktur reduzieren kann. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform eines gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Kolbenaufbaus weisen die für die Öleintritts- und -austrittsmündungen der Ölgalerie 15 verwendeten Löcher einen Durchmesser von bis zu etwa 8 mm und im Spezielleren in dem Bereich von etwa 4 mm bis 7 mm auf. Ebenso kann gleichermaßen ein Tropfschmierloch gebildet werden.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „bevorzugt”, „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und Einzelkomponenten unabhängig davon zu repräsentieren, ob die Komponenten mit weiteren Komponenten kombiniert sind. Eine „Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, in dem eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist, etc. umfassen.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „im Wesentlichen” hierin verwendet wird, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen” wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
-
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird für einen Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den nachfolgenden beigefügten Ansprüchen definiert ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 7121318 [0021]
- US 7164963 [0023]
- US 7618823 [0023]
- US 7225049 [0023]