Die Erfindung betrifft einen gekühlten, ganz oder teilweise aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Brennkraftmaschinenkolben, insbesondere für Dieselmotoren, mit einem im Kolbenkopf hinter der Ringpartie wenigstens im Bereich der ersten Ringnute ringförmig umlaufenden Kühlkanal, bei dem die freihängenden Bolzennaben durch Rippen mit der Innenseite des Kolbenbodens und dem Kolbenschaft verbunden und im Kolbenschaft gegenüber den Bolzenaugen Durchbrechungen angeordnet sind, wobei der Kühlkanal über entsprechende, im wesentlichen parallel zur Kolbenlängsachse verlaufende Kühlmittelzu- bzw. -ablaufleitungen mit dem Kühlmittelumlaufsystem verbunden ist und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Da Gusseisen mit Kugelgraphit ausgezeichnete mechanische und technologische Eigenschaften sowie eine gute Bearbeitbarkeit und im gehärteten Zustand einen hohen Verschleisswiderstand aufweist, ausserdem eine gleich gute Fliessfähigkeit sowie eine Vergiessbarkeit wie Grauguss besitzt, haben sich in neuerer Zeit aus diesem Werkstoff bestehende Kolben für hochaufgeladene moderne Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, durchsetzen können. Die maximal zulässige Temperatur des Kolbenbodens solcher Kolben beträgt ca. 500°C.
Die Temperaturen am Feuersteg sowie insbesondere in der ersten Ringnute sind dementsprechend hoch, so dass bei nicht zwangsgekühlten Kolben schon bei relativ niedrigem Mitteldruck die Gefahr des Festbrennens der Kolbenringe, vorzugsweise des ersten Kolbenrings, besteht. Aus diesem Grunde kommen Kolben aus Gusseisen mit Kugelgraphit für hochaufgeladene moderne Brennkraftmaschinen nur dann in Frage, wenn sie sehr intensiv kühlbar sind. Die intensivste Kühlung lässt sich mit im Kolbenkopf eingegossenen Kühlkanälen erzielen, die von einem zwangsgeführten Kühlmittel durchflossen werden. Die Zufuhr des Kühlmittels erfolgt in der Regel über das System Kurbelwelle und Pleuelstange oder über gehäusefeste Spritzdüsen.
Ein solcher einteilig gegossener Brennkraftmaschinenkolben ist beispielsweise in der DE-A-21 06 923 beschrieben, bei dem die freihängenden Bolzennaben durch Rippen mit dem Kolbenboden und dem Kolbenschaft verbunden sind. Die Herstellung eines solchen einteiligen Kolbens bedarf allerdings eines ganz beachtlichen Aufwands in der Giesserei, da der Kolben nur unter Verwendung eines mehrteiligen Kerns, dessen Einzelteile beispielsweise nach dem Formmaskenverfahren hergestellt und zum Kern zusammengeklebt sind, gegossen werden kann. Dadurch entstehen Kernversätze und damit Ungenauigkeiten, die bei den geforderten Mass- und Gewichtstoleranzen zu Ausschuss führen können.
Aus der DE-C-393451 ist ein mehrteiliger gekühlter Kolben bekannt, bei dem ein dünnwandig geschmiedetes hohles Oberteil auf einem aus gleichem Material bestehenden flachen Unterteil am Rande aufgeschweisst und durch Rippen abgestützt ist. Beide Teile, die zusammen den Kolbenboden bilden, schliessen einen Hohlraum für den Durchtritt des Kühlmittels ein. Abgesehen davon, dass ein solcher Kolben wegen mangelnder Funktionstüchtigkeitfür moderne Brennkraftmaschinen nicht geeignet ist, ist auch seine Herstellung mit einem erheblichen Aufwand verbunden.
Die DE-A-1 801 792 sieht ferner einen Kolben vor, dessen Kolbenkopf aus einem oberen Teil und einem Haltungsteil besteht, die durch ihre Form einen Hohlraum zwischen sich begrenzen und durch Reibschweissung verbunden sind, um ein Kühlmittel innerhalb des Hohlraums einzuschliessen. Da der Kolben nicht so gestaltet ist, dass das Kühlmittel umlaufen und eine entsprechende Wärmeabfuhr bewirkt, ist der Kolben für moderne Brennkraftmaschinen wenig geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Brennkraftmaschinenkolben der eingangs beschriebenen Bauart so auszubilden, dass dieser im Kokillenguss- oder im üblichen Sandgussverfahren unter weitgehender Vermeidung von komplizierten Kernen bzw. aus geschmiedetem oder gewalztem Vormaterial gefertigt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäss darin, dass der Kolben aus mehreren im Bereich der Trennebenen über eine intermetallische Zwischenschicht fest miteinander verbundenen Teilen besteht.
Vorzugsweise besteht der Kolben wenigstens aus einem Ober- und einem Unterteil.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal verläuft die Trennebene in Höhe des Kühlkanals. Dadurch wird eine mechanische Bearbeitung des Kühlkanals ermöglicht, welche die Kerbspannungen in der Kühlkanaloberfläche herabsetzt und eine einfache Kontrolle der Hohlräume vor dem Zusammenfügen erlaubt.
Die Trennebenen sind in mindestens zwei Stufen abgesetzt, damit eine einfache Zentrierung möglich ist und/oder die Trennebene in spannungsarme Zonen gelegt werden kann.
Es ist auch möglich, die Trennebenen geneigt zur Horizontalen oder parallel zur Kolbenlängsachse verlaufend anzuordnen.
Wenigstens eines der Teile des Kolbens besteht aus Gusseisen mit Kugelgraphit, Stahl, Beryllium-Bronze oder einer warmfesten Legierung wie Stellit oder Nimonic. Diese Werkstoffe können selbstverständlich auch miteinander kombiniert werden.
Treten in Sonderfällen bei stark hinterschnittenen Kolbenbrennräumen höhere Spitzentemperaturen auf, dann werden für das Oberteil bzw. für das die Kolbenringnuten oder einen Teil von diesen beinhaltende Kolbenteil vorzugsweise Werkstoffe gewählt, die induktiv härtbar sind und die Nutenflanken mindestens der obersten der die Kolbenringe tragenden Nuten gehärtet sind, während darunterliegende Teile weiterhin aus Gusseisen mit Kugelgraphit bestehen.
Im Rahmen der Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Teile des Kolbens über eine aus Kupfer, Kupferlegierungen, Silber oder Silberlegierungen bestehende Zwischenschicht miteinander verbunden.
Der erfindungsgemäss gestaltete Brennkraftmaschinenkolben wird in der Weise hergestellt, dass alle getrennt gefertigten Teile des Kolbens unter Einlegen von Metallfolien zusammengesetzt und einer Temperatur von 900 bis 1200°C, vorzugsweise 1100°C, für eine Zeit von 2 bis 30 Minuten, vorzugsweise 5 bis 15 Minuten, ausgesetzt werden. Durch die Ofenlötung diffundiert das Lot in die äusseren Bereiche der Kontaktflächen der Kolbenwerkstoffe ein und schafft eine feste Verbindung.
Es ist auch möglich, die unter Einlegen von Metallfolien zusammengesetzten Teile des Kolbens durch Schweissen mittels Ladungsträgerstrahlen zu verbinden.
In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Brennkraftmaschinenkolbens dargestellt. Der aus Gusseisen mit Kugelgraphit bestehende Kolben mit Zwangskühlung besitzt freihängende Bolzennaben 1, die über die Rippen 2 mit der Unterseite des Kolbenkopfes 3 und über die Rippen 4 mit dem Kolbenschaft 5 verbunden sind. Im Kolbenschaft 5 sind gegenüber dem Bolzenauge 6 Durchbrechungen 7 angeordnet. Im Kolbenkopf 3 befindet sich ein ringförmiger Kühlkanal 8, der über in der Rippe 2 angeordnete Abnahme- bzw. Abgabekanäle mit den korrespondierenden Abnahme- 9 und Abgabe-Öffnungen 10 für die Zu- bzw. Ableitung des Kühlkanals mit den Bolzennaben 1 verbunden ist. Der aus Feuersteg 11 und erster Ringnute 12 bestehende Oberteil des Kolbens und der aus Kolbenschaft 5 und den Ringnuten 13, 14, 15 gebildete Unterteil des Kolbens sind getrennt voneinander hergestellt und über eine Kupferzwischenschicht 16 von 0,1 mm Dicke hart miteinander verlötet. Die Trennebene verläuft in abgestufter Form in Höhe des Kühlkanals.
In der Fig. 2 ist ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäss aus drei Teilen bestehenden Brennkraftmaschinenkolbens mit Spritzkühlung und Brennraummulde dargestellt. Die Teile 17, 18, 20, die aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, sind teilweise mittels Ladungsträgerstrahlen miteinander verbunden und teilweise miteinander verlötet. Das aus einem warmfesten Schmiedewerkstoff hergestellte Oberteil 17 ist mittels Ladungsträgerstrahlen mit dem Mittelteil 18 aus Gusseisen mit Kugelgraphit über die Trennebene 19 verschweisst. Das Mittelteil 18 stützt sich auf das aus Gusseisen mit Kugelgraphit gegossene Unterteil 20 ab, welches mit dem Zwischenteil 18 durch in der abgesetzten Trennebene 21 verlaufende intermetallische Zwischenschicht verbunden ist. Dabei ist die Trennebene 21 zwischen Mittelteil 18 und Unterteil 20 so angeordnet, dass der in Ober- und Mittelteil angebrachte Kühlkanal 22 eine einfache geometrische Form erhält, welche mit einfachen Werkzeugen und geringstem Aufwand herstellbar ist. Im Unterteil 20 sind die vertikalen Rippen 23 und die horizontalen, mit dem Bolzenauge 25 verbundenen Rippen 24 angeordnet. Die Kühlmittelzufuhr bzw. -abfuhr erfolgt über die in den Rippen 23 eingegossenen Kanäle 26, 27.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen darin, dass Kolben der eingangs genannten Bauart auf vergleichsweise einfache Art und Weise herstellbar sind.