MEHRTEILIGER STAHLKOLBEN FÜR EINEN VERBRENNUNGSMOTOR MIT EINEM KÜHLKANAL

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kühlkanal gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

[0002] Kolben mit einem Kühlkanal für Verbrennungsmotore sind grundsätzlich bekannt. Bei solchen, auch Kühlkanalkolben genannten Kolben ist hinter dem Ringfeld koaxial und radial umlaufend, ein Kühlkanal vorgesehen, durch den Motoröl zur Kühlung des oberen Bereiches des Kolbens zirkuliert.

[0003] Es ist bekannt, solche Kühlkanäle durch einen verlorenen Kern herzustellen.

[0004] Außerdem ist es bekannt, einen zugänglichen Bereich des Kolbenbodens mit einer umlaufenden Vertiefung zu versehen, die anschließend mit einem Verschlusselement, wie z.B. einem Blechstreifen, verschlossen wird.

[0005] Die erstgenannte Konstruktion hat sich in der Praxis zwar bewährt, aber den Nachteil, dass ein vollständiges Entfernen des verlorenen Kerns erforderlich ist, um das Eindringen von Fremdkörpern, die den verlorenen Kern gebildet haben, in den Motoröl-Kreislauf des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Die zweitgenannte Methode hat den Nachteil, dass hierdurch recht hoch bauende Kolben entstehen, da die radial umlaufende Vertiefung mit einem entsprechenden Werkzeug von unten eingebracht werden muss.

[0006] Um diese beschriebenen Nachteile zu vermeiden, ist aus der DE 103 25 914 A1 oder der DE 100 47 258 C2 schon bekannt geworden, an einem Kolbengrundkörper ein Ringelement anzufügen.

[0007] Bei der DE 103 25 914 A1 ist vorgesehen, dass das Ringelement mittels einer Schraubverbindung an dem lialbengrundkörper befestigt wird. Dies hat aber den Nachteil, dass sowohl der Kolbengrundkörper als auch das Ringelement nach ihrer jeweiligen getrennten Herstellung aufwändig bearbeitet werden müssen, da am Kolbengrundkörper ein Außengewinde und korrespondierend dazu am Ringelement ein Innengewinde geschnitten werden müssen. Da im Stand der Technik der Kolbengrundkörper aus geschmiedetem Stahl besteht, kann dessen Außengewinde nicht mit Herstellung des Kolbengrundkörpers eingebracht werden, sondern dies muss nachträglich erfolgen. Da geschmiedeter Stahl aber die für Verbrennungsmotoren erforderliche Festigkeit und Zähigkeit aufweist, ist dies ein umständlicher und lang andauernder Prozess, der die Herstellungskosten eines solchen Kolbens in nachteiliger Weise erhöht. Außerdem kann es beim Aufschrauben des Ringelementes auf den Kolbengrundkörper sehr schnell zu Verkantungen kommen, so dass dadurch die Gefahr besteht, dass entweder der Kolbengrundkörper oder das Ringelement oder beide Bauteile nicht mehr brauchbar sind.

[0008] Bei der DE 100 47 258 C2 liegt das Ringelement stumpf an dem Kolbengrundkörper an, so dass beim Aufsetzen keine Führung gegeben ist und nach dem Fügen die Steifigkeit nicht ausreichend hoch ist.

[0009] Aus der DE 101 28 737 A1 ist ein Kolben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Gemäß der DE 101 28 737 A1 besteht der Kolben aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil. Im Bereich des Kolbenoberteils sind ein von einem Ringelement gebildetes Ringfeld mit Ringnuten, ein dahinter koaxial und radial umlaufender Kühlkanal und insbesondere eine Brennraummulde vorhanden. Das Kolbenunterteil weist zumindest einen Kolbenschaft und eine entsprechende Bolzenbohrung auf. Dabei sind die Anlagebereiche des Ringelementes an dem Kolbengrundkörper zumindest einmal absatzförmig gestaltet und das Ringelement ist unlösbar an dem Kolbengrundkörper angefügt.

[0010] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemäßen Kolben dahingehend zu verbessern, dass die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden.

[0011] Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, dass aus dem Kolbengrundkörper ein oberer Steg und ein demgegenüber durchmessergrößerer unterer Steg herausragt, die beide radial umlaufend gestaltet sind, wobei der nach unten weisende umlaufende Rand des Ringelementes mit einem Absatz auf dem unteren Steg aufliegt. Die absatzförmig Gestaltung der Anlagebereiche hat den Vorteil, dass das Ringelement sowohl beim Aufsetzen als auch nach dem Anbringen an dem Kolbengrundkörper geführt wird und geführt gelagert ist, so dass Verkantungen vermieden werden. Die absatzförmigen Anlagebereiche erhöhen darüber hinaus die Festigkeit des Kolbenbodens bzw. des Kolbenoberteils, nachdem das Ringelement unlösbar an dem Kolbengrundkörper angefügt worden ist. Durch diese sowohl formschlüssige als auch materialschlüssige Verbindung ist eine einfachere Montage und eine erhöhte Festigkeit gegeben. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Wandstärken der betelligten Bauelemente, insbesondere des Ringelements und des Kolbengrundkörpers (insbesondere die Wandstärke im Übergangsbereich von dem Kühlkanal zu einer Brennraummulde) gegenüber dem Stand der Technik verringert werden können, da zum Aufsetzen des Ringelementes auf den Kolbengrundkörper nur geringe Kräfte erforderlich sind, die deutlich geringer ausfallen als diejenigen Kräfte, die erforderlich wären, als wenn das Ringelement auf dem Kolbengrundkörper festgeschraubt werden soll. Außerdem lässt sich durch entsprechende Formgebung sowohl des Kobengrundkörpers als auch des Ringelements schon vorab der gewünschte und ausreichend große Querschnitt des Kühlkanals realisieren, Mit dem erfindungsgemäßen Kolben werden also mehrere Vorteile erzielt, nämlich Festlgkeitssteigerung, einfachere Herstellung und Montage, geringere Kolbenhöhe und auch eine Gewichtsersparnis auf Grund der geschilderten Verringerungen der Wandstärken.

[0012] Ein Ausführungsbeisplel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, ist in den beiden Figuren 1 und 2 gezeigt und im Folgenden beschrieben:

In diesen Figuren ist ein Kolben 1 gezeigt, der aus einem Kolbenoberteil 2 und einem Kolbenunterteil 3 besteht. Der fertige Kolben 1 kann einstückig sein oder aus den zunächst voneinander getrennten Teilen 2, 3 bestehen, die zusammengefügt werden. Außerdem ist es denkbar, dass die Erfindung auch bei einem Kolbenkopf eines Pendelschaftkolbens angewendet wird.

[0013] Im Kolbenoberteil 2 ist in an sich bekannter Weise ein Ringfeld mit mehreren Ringnuten 4 und einem dahinter angeordneten radial umlaufenden Kühlkanal 5 vorhanden. Nicht zwingend ist ebenfalls hinter den Kühlkanal 5 eine Brennraummulde 6 angeordnet. Je nach Bauart des Kolbens 1 ist eine solche Brennraummulde 6 vorhanden oder nicht. Ergänzend oder alternativ zu einer Brennraummulde 6 können auch eine oder mehrere Ventiltaschen vorhanden sein. Das Kolbenunterteil 3 weist in ebenfalls an sich bekannter Weise zumindest einen Kolbenschaft 7, insbesondere einen zylinderförmig ausgestalten Kolbenschaft, sowie eine Bolzenbohrung 8 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens auf.

[0014] Nach der Herstellung eines Kolbengrundkörpers weist dieser einen oberen Steg 10 und einen unteren Steg 11 auf, die beide radial umlaufend gestaltet sind, wobei in besonders vorteilhafter Weise der obere Steg 10 im Durchmesser kleiner ist als der untere Steg 11. Dadurch ist es möglich, dass ein Ringelement 9, das separat von dem Kolbengrundkörper hergestellt worden ist, von oben (bei Betrachtung der Figur 1) über das Kolbenoberteil 2 des Kolbengrundkörpers aufzusetzen. Hierbei ist es in erfindungsgemäßer Weise von Vorteil, dass die Anlagebereiche des Ringelementes 9 an dem Kolbengrundkörper im Bereich sowohl einer oberen Fügestelle 12 als auch im Bereich einer unteren Fügestelle 13 zumindest einmal absatzförmig gestaltet sind.

[0015] Außerdem ist es vorgesehen, dass der nach unten weisende umlaufende Rand des Ringelementes 9 mit einem Absatz auf den unteren Steg 11 aufliegt. Dadurch ist die endgültige Lage des Ringelementes 9 an dem Kolbengrundkörper vorgegeben.

[0016] Zur Erhöhung der Festigkeit nach dem Fügen des Ringelementes 9 an den Kolbengrundkörper und zur Verbesserung der Führung beim Aufsetzen des Ringelementes 9 an den Kolbengrundkörper ist der obere Steg 10 und der korrespondierende Bereich des Ringelementes 9 mit einem Absatz 14 versehen. Ebenso ist der untere Steg 11, auf dem der untere umlaufende Rand des Ringelementes 9 aufliegt, absatzförmig gestaltet. Von besonderem Vorteil ist die Gestaltung dieses Absatzes als Feder-Nut-Bereich 15. Hierzu ist weiterhin vorgesehen, dass der untere Steg 11 nahezu waagerecht von dem Kolbengrundkörper absteht, um einerseits die Lage des Ringelementes 9 an dem Kolbengrundkörper vorgeben zu können und andererseits die Bauhöhe des Kolbens zu reduzieren, da bei dieser Ausgestaltung der Kolbenschaft bzw. die Kolbennaben nahezu senkrecht und im rechten Winkel von dem unteren Steg 11 ausgehen können.

[0017] Nachdem das Ringelement 9 in der beschriebenen Art und Weise auf den Kolbengrundkörper aufgesetzt und durch Formschluss festgelegt worden ist, erfolgt ein Fügeprozess, in dem die obere und untere Fügestelle 12, 13 derart bearbeitet werden, dass das Ringelement 9 unlösbar mit dem Kolbengrundkörper verbunden wird. Hier kommt in besonders vorteilhafter Weise ein Schweißprozess oder ein Lötprozess in Frage. Auf Grund der dünnen zu verschweißenden Wandstärken im Bereich der Stege 10, 11 und zur Erzielung eines geringen Verzuges und kleiner Wärmeeinflusszonen bieten sich die Schweißprozesse Laserschweißen, Elektronikstrahlschweißen, Plasmaschweißen oder das WIG-Orbitalschweißen an. Werden hohe Kohlenstoffgehalte der zu verwendenden Stähle für Ringelement und Kolbengrundkörper verwendet, sollte ein Zusatzwerkstoff ausgewählt werden, der neben der erforderlichen Festigkeit auch eine ausreichende Zähigkeit und Verformbarkeit aufweist.

[0018] In besonders vorteilhafter Weise lässt sich mit der vorliegenden Erfindung ein Kolben realisieren, der für den Betrieb von schnell laufenden, hoch belasteten Dieselmotoren mit Leistungen größer als 80 kW pro Liter und Zünddrücken oberhalb 200 bar einsetzbar ist.

Bezugszeichenliste

[0019] 

1.

Kolben

2.

Kolbenoberteil

3.

Kolbenunterteil

4.

Ringnut

5.

Kühlkanal

6.

Brennraummulde

7.

Kolbenschaft

8.

Bolzenbohrung

9.

Ringelement

10.

oberer Steg

11.

unterer Steg

12.

obere Fügestelle

13.

untere Fügestelle

14.

Absatz

15.

Feder-Nut-Bereich

16.

Kolbenboden

Ansprüche

1. Kolben (1), der aus einem Kolbenoberteil (2) und einem Kolbenunterteil (3) besteht, wobei im Bereich des Kolbenoberteils (2) ein von einem Ringelement (9) gebildetes Ringfeld mit Ringnuten (4), ein dahinter koaxial und radial umlaufende Kühlkanal (5) und insbesondere eine Brennraummulde (6) vorhanden sind und das Kolbenunterteil (3) zumindest einen Kolbenschaft (7) und eine entsprechende Bolzenbohrung (8) aufweist, wobei die Anlagebereiche des Ringelementes (9) an dem Kolbengrundkörper zumindest einmal absatzförrnig gestaltet sind und das Ringelement (9) unlösbar an dem Kolbengrundkörper angefügt ist, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Kolbengrundkörper ein oberer Steg (10) und ein demgegenüber durchmessergrößerer unterer Steg (11) herausragt, die beide radial umlaufend gestaltet sind, wobei der nach unten weisende umlaufende Rand des Ringelementes (9) mit einem Absatz auf dem unteren Steg (11) aufliegt.

2. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absatz, mit dem der nach unten weisende umlaufende Rand des Ringelementes (9) auf dem unteren Steg (11) aufliegt, als Feder-Nut-Bereich ausgebildet ist.

3. Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekonnzeichnet, dass der untere Steg (11) nahezu waagerecht von dem Kolbengrundkörper absteht.

4. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (9) rotationssymetrisch ist und den gesammten Ringfeldbereich und den äußeren Rand des Kolbenbodens (16) bildet.

Claims

1. Piston (1) which consists of a piston upper part (2) and a piston lower part (3), there being, in the region of the piston upper part (2), a ring zone which is formed by a ring element (9) and has ring grooves (4), a cooling duct (5) which runs around coaxially and radially behind it, and, in particular, a combustion chamber recess (6), and the piston lower part (3) having at least one piston skirt (7) and a corresponding pin bore (8), the bearing regions of the ring element (9) against the piston main body being designed with at least one step, and the ring element (9) being joined non-releasably to the piston main body, characterized in that an upper web (10) and a lower web (11) of greater diameter with respect to the former protrude out of the piston main body, which webs (10, 11) are both of radially circumferential design, the downwardly pointing circumferential edge of the ring element (9) lying with a step on the lower web (11) .

2. Piston (1) according to Claim 1, characterized in that the step, with which the downwardly pointing circumferential edge of the ring element (9) lies on the lower web (11), is configured as a tongue/groove region.

3. Piston (1) according to Claim 1 or 2, characterized in that the lower web (11) projects approximately horizontally from the piston main body.

4. Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the ring element (9) is rotationally symmetrical and forms the entire ring zone region and the outer edge of the piston crown (16).

Revendications

1. Piston (1), constitué d'une partie de piston supérieure (2) et d'une partie de piston inférieure (3), un champ annulaire formé d'un élément annulaire (9) avec des rainures annulaires (4), un canal de refroidissement (5) périphérique disposé derrière lui de manière coaxiale et radiale et en particulier une chambre de combustion (6) étant prévus dans la région de la partie de piston supérieure (2) et la partie de piston inférieure (3) présentant au moins une tige de piston (7) et un alésage de boulon correspondant (8), les régions d'appui de l'élément annulaire (9) contre le corps de base de piston étant configurées au moins une fois sous forme d'épaulement et l'élément annulaire (9) étant assemblé de manière inséparable au corps de base de piston, caractérisé en ce qu'une nervure supérieure (10) et une nervure inférieure (11) de plus grand diamètre par rapport à celle-ci font saillie hors du corps de base de piston, lesquelles étant toutes deux configurées de manière radialement périphérique, le bord périphérique orienté vers le bas de l'élément annulaire (9) reposant avec un gradin sur la nervure inférieure (11).

2. Piston (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gradin, avec lequel le bord périphérique orienté vers le bas de l'élément annulaire (9) repose sur la nervure inférieure (11), est réalisé sous forme de région de type ressort et languette.

3. Piston (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la nervure inférieure (11) fait saillie presque horizontalement depuis le corps de base de piston.

4. Piston (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément annulaire (9) présente une symétrie de révolution et forme l'ensemble de la région de champ annulaire et le bord extérieur du fond de piston (16).

Zeichnung