Kolben für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zu dessen

Herstellung

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.

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.

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.

Um den hohen Kolbenbeanspruchungen gerecht zu werden, ist es dabei beispielsweise aus der EP 1 466 383 Al 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.

Darüber hinaus ist es aus der EP 1 386 687 Al 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.

Schließlich ist es aus der DE 102 44 513 Al 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 .

Als nachteilig bei diesem mehrteilig gebauten Kolben ist jedoch der Umstand anzusehen, dass dieser äußerst aufwändig zu fertigen ist.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Herstellung des Belagteils selbst erfolgt bevorzugterweise in einem Gieß- oder ümformverfahren, je nachdem, wie aufwändig beispielsweise die auf der dem Kolbengrundkörper zugewandten Seite vorgesehenen Verbindungsmittel ausgebildet sein sollen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:

Fig. 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;

Fig. 2 eine teilweise Schnitt- und teilweise Seitenansicht auf den Kolben gemäß Fig. 1, wobei das Belagteil in einer alternativen Ausführungsform gezeigt ist und zumindest bereichsweise auch die Außenumfangsseite des Kolbens bildet; und in

Fig. 3 eine teilweise Schnitt- und teilweise Seitenansicht auf den Kolben gemäß den Fig. 1 und 2, wobei das Belagteil in einer dritten Ausführungsform gezeigt ist, welches unter Vermittlung einer

Moderatorschicht mit dem Kolbengrundkörper verbunden ist.

In den Fig. 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.

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 Fig. 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.

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.

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 Fig. 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 Fig. 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.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird als Verbindungsmittel zusätzlich ein Bereich 28 genutzt, in welchem eine Kolbenringnut 30 des Kolbens eingeformt ist. Mit anderen Worten zeigt Fig. 2 eine Ausführungsform, bei welcher eine Außenumfangsseite des Kolbens bzw. Kolbenbodens zumindest bereichsweise - nämlich über eine bestimmte Höhe - durch das Belagteil 16 gebildet ist.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 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 Fig. 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 Radiusoder Eckbereich angeordnet ist. Aus den Fig. 1 bis 3 ist darüber hinaus erkennbar, dass das Belagteil 16 nicht eben ausgebildet ist, sondern unter anderem wenigstens eine Verbrennungsmulde 32 eingeformt ist.

Aus Fig. 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 Fig. 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 .

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 Fig. 1 dargestellt ist, können hingegen auch Umformtechniken mittels Schmieden und Pressen sehr kostengünstig und unter Gewährleistung höchster Festigkeit eingesetzt werden.

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.

Insgesamt ist somit aus den Fig. 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.