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1. (WO2018149632) VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES KOLBENS
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Verfahren zum Herstellen eines Kolbens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft desweiteren einen solchen Kolben.

Kolben kommen in Brennkraftmaschinen zum Einsatz, wo sie hubverstellbar in Zylindern angeordnet sind und jeweils einen Brennraum begrenzen. Im Betrieb der Brennkraftmaschine übertragen die Kolben die frei werdende Energie an eine Abgriffseinheit, insbesondere eine Kurbelwelle, an der ein entsprechendes Moment abgegriffen werden kann. Erwünschte Leistungs- sowie

Effizienzsteigerungen derartiger Brennkraftmaschinen führen dazu, dass ein solcher Kolben immer extremeren thermodynamischen Bedingungen,

insbesondere erhöhten Temperaturen, ausgesetzt ist.

Aus der DE 10 201 1 1 14 105 A1 ist ein solcher Kolben bekannt. Der Kolben weist einen Kolbenkopf mit einer dem Brennraum zugewandten Brennraummulde sowie einen Kolbenschaft auf, wobei im Kolbenkopf ein umlaufender Kühlkanal zum Kühlen des Kolbens vorgesehen ist. Hierdurch kann der Kolben erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden. Zudem weist der Kolben zumindest eine Bohrung auf, die sich durch den Kolbenschaft erstreckt und den Kühlkanal über eine Öffnung mit der Umgebung verbindet. Über die Öffnung und die Bohrung kann ein Kühlmittel in den Kühlkanal eingebracht werden. Die Öffnung wird im Anschluss mit Hilfe eines Verschlusselements verschlossen. Die DE 10 201 1 1 14 105 A1 schlägt hierbei das Einpressen des Verschlusselements in die Öffnung oder das Verschweißen des Verschlusselements mit dem Kolben vor.

Das Einpressen des Verschlusselements in die Öffnung kann im Betrieb des Kolbens dazu führen, dass im Bereich der Öffnung Leckagen entstehen, welche zu einem unerwünschten Ausströmen von Kühlmittel aus dem Kolben führen können. Sofern sich dieses mit dem Öl im Kurbelgehäuse mischt, können solche Leckagen zu einer Beschädigung des Kolbens und/oder der zugehörigen

Brennkraftmaschine führen.

Das gängige Verschweißen des Verschlusselements mit dem Kolben führt durch den hierfür notwendigen Wärmeeintrag zu einer Strukturänderung des

Verschlusselements und/oder des Kolbens, die insbesondere durch die hohe Last und/oder hohen Temperaturen im Betrieb der Brennkraftmaschine zu Beschädigungen des Kolbens und/oder zur Entstehung von Leckagen im Bereich der Öffnung führen können, welche wiederum ein Ausströmen von Kühlmittel durch die Leckagen zur Folge haben können.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für ein

Verfahren zum Herstellen eines Kolbens der eingangs genannten Art sowie für einen solchen Kolben verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch eine einfache Herstellung und/oder erhöhte Stabilität des Kolbens auszeichnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein

Verschlusselement mit einem Kolben durch ein Widerstandsschweißverfahren zu verschweißen, wobei das Verschlusselement zum Verschließen einer eine Verbindungsleitung des Kolbens mit der Umgebung verbindenden Öffnung dient.

Erfindungsgemäß kommt dabei das bisher im Bereich der Herstellung von Kolben fachfremde Kondensatorentladungsschweißen zum Verbinden des

Verschlusselements mit dem Kolben und somit zum Verschließen der Öffnung zum Einsatz. Hierbei wird zumindest ein aus wenigstens einem Kondensator stammender elektrischer Stromimpuls durch einen Verbindungsbereich zwischen dem Kolben und dem Verschlusselement geschickt, der einen im Wesentlichen auf den Verbindungsbereich beschränkten Wärmeeintrag zur Folge hat, so dass einerseits eine stabile und fluiddichte Verbindung zwischen dem

Verschlusselement und dem Kolben zustande kommt und andererseits durch das Schweißen bedingte strukturelle Änderungen des Kolbens und/oder des

Verschlusselements reduziert und/oder im Wesentlichen auf den

Verbindungsbereich beschränkt sind. Somit werden/wird ein fluiddichtes

Verschließen der Öffnung mit einer verlängerten Lebensdauer und/oder eine erhöhte Stabilität, insbesondere mechanische und/oder thermische Stabilität, des Kolbens und/oder des Verschlusselements erreicht. Dem Erfindungsgedanken entsprechend wird dabei zunächst ein Kolben bereitgestellt, der einen Kolbenkopf und ein Kolbenhemd aufweist. Ferner weist der Kolben zumindest eine solche Verbindungsleitung auf, welche sich durch den Kolben erstreckt und über die Öffnung mit der Umgebung verbunden ist. Anschließend wird die Öffnung mit einem solchen Verschlusselement verschlossen, indem das Verschlusselement mit dem Kolben durch Kondensatorentladungsschweißen verschweißt wird.

Die Verbindungsleitung kann eine in den Kolben, insbesondere in das

Kolbenhemd, eingebrachte Bohrung sein.

Die Verbindungsleitung kann im Kolben einem beliebigen Zweck dienen. Die Verbindungsleitung kann insbesondere dem Kühlen des Kolbens dienen.

Vorstellbar ist es, die Verbindungsleitung über die Öffnung mit einem Kühlmittel zu befüllen. Vorstellbar ist es zudem, auch andere Räume innerhalb des Kolbens, beispielsweise einen im Kolbenkopf umlaufenden Kühlkanal, über die Öffnung und die Verbindungsleitung mit einem Kühlmittel zu befüllen. Dementsprechend kann zumindest eine solche Verbindungsleitung fluidisch mit dem Kühlkanal verbunden sein, insbesondere in den Kühlkanal münden. Das Verschließen der Öffnung erfolgt hierbei nach dem Befüllen mit dem jeweiligen Kühlmittel.

Im Kolbenhemd ist vorzugsweise eine Nabe vorgesehen, die dem Verbinden des Kolbens mit einer Kurbelwelle, beispielsweise über einen Pleuel, dient.

Vorstellbar ist es, das Kolbenhemd derart herzustellen bzw. auszubilden, dass es im Betrieb außerhalb der Naben an einem zugehörigen Zylinder anliegt.

Zu denken ist an Varianten, bei denen das Kolbenhemd wenigstens einen im Betrieb bzw. in montiertem Zustand am Zylinder anliegenden Kolbenschaft und zumindest einen Kolbenkasten aufweist, der nach innen versetzt angeordnet ist und die Nabe bzw. die Nabe ausbildende Durchbrüche aufweist. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Öffnung in einem solchen Kolbenkasten angeordnet ist.

Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Verschlusselement zum

Kondensatorentladungsschweißen mit einer vorgegebenen Kraft gegen den Kolben gedrückt und zumindest ein elektrischer Stromimpuls durch den

Verbindungsbereich zwischen dem Kolben und dem Verschlusselement geschickt. Hierdurch kann die Verbindung, insbesondere hinsichtlich der

Stabilität, verbessert werden.

Prinzipiell können zum Verbinden des Verschlusselements mit dem Kolben beliebig viele Stromimpulse, welche jeweils eine beliebige Dauer aufweisen und zeitlich voneinander beliebig beabstandet sind, zum Einsatz kommen.

Bevorzugt ist es, wenn zumindest ein solcher Stromimpuls mit einer Dauer von weniger als 20 ms verwendet wird. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn wenigstens ein solcher Stromimpuls mit einer Dauer von 10 ms verwendet wird. Hierdurch wird der Bereich des Wärmeeintrags und somit der Bereich, in dem strukturelle Änderungen des Kolbens und/oder des Verschlusselements erfolgen, zumindest reduziert.

Gemäß vorteilhafter Varianten kommen zumindest zwei Stromimpulse zum Einsatz. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn genau zwei Stromimpulse zum Einsatz kommen. Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Stromimpulse in einem Abstand von jeweils zwischen 0,1 s und 1 s verwendet werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die nacheinander folgenden Stromimpulse 0,5 s voneinander beabstandet sind. Diese Maßnahmen führen jeweils zu einer Optimierung hinsichtlich einer möglichst effizienten Wärmeeintragung und einem möglichst geringen Bereich der Wärmeeintragung im Kolben und/oder im

Verschlusselement.

Als vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, bei denen zumindest ein solcher Stromimpuls, vorzugsweise alle Stromimpulse, mit einer Stromstärke zwischen 8 kA und 12 kA verwendet werden. Als besonders vorteilhaft erweisen sich Varianten, bei denen eine Stromstärke von 10 kA verwendet wird. Hierdurch kann der Wärmeeintrag in optimaler Weise zum Verschweißen des

Verschlusselements mit dem Kolben führen.

Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Verschlusselement mit einer Kraft zwischen 1 ,5 kN und 3,5 kN gegen den Kolben gedrückt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Verschlusselement mit einer Kraft von 2,5 kN gegen den Kolben gedrückt wird. Dies führt insbesondere zu einer stabileren Verbindung des Verschlusselements mit dem Kolben.

Vorteilhaft wird der Kühlkanal vor dem Verschließen der Öffnung mit dem

Verschlusselement mit einem Kühlmittel befüllt. Hierbei kann ein beliebiges Kühlmittel, bspw. eine wasserhaltige Mischung und dgl. zum Einsatz kommen. Vorstellbar ist es auch, als Kühlmittel Natrium oder Kalium oder eine Mischung aus Natrium und Kalium zu verwenden.

Das Verfahren wird bevorzugt derart durchgeführt, dass ein

Wärmeeinflussbereich bzw. eine Wärmeeinflusszone, in der durch das

Kondensatorentladungsschweißen bedingte Strukturänderungen des Kolbens und des Verschlusselements stattfinden, kleiner als 400 μιτι, insbesondere kleiner als 200 μιτι, ist. Diese Erstreckung bezieht sich vorzugsweise auf eine quer zum Kontaktbereich zwischen dem Kolben und dem Verschlusselement verlaufende Tiefe der Wärmeeinflusszone. Eine solche Verbindung besitzt durch den geringen Wärmeeinflussbereich eine ausreichende mechanische Festigkeit. Durch die Wahl dieses Schweißverfahrens wird zudem die für die Realisierung der Verbindung benötigte Energie optimiert, insbesondere reduziert, was sich ebenfalls durch den geringen Wärmeeinflussbereich zeigt.

Es versteht sich, dass neben dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein derartig hergestellter Kolben zum Umfang dieser Erfindung gehört.

Der Kolbenkopf des Kolbens kann eine Brennraummulde aufweisen, die beim in einer zugehörigen Brennkraftmaschine montierten Zustand einen Brennraum der Brennkraftmaschine begrenzt. Bevorzugt ist es dabei, wenn die Öffnung auf der von der Brennraummulde abgewandten Seite des Kolbens angeordnet ist.

Vorstellbar ist es, dass der Kolbenkopf eine außenseitig umlaufende Ringpartie zum Aufnehmen wenigstens eines Kolbenrings aufweist. Bevorzugt ist es dabei, wenn der Kühlkanal im Bereich der Ringpartie im Kolbenkopf angeordnet ist.

Der Kolben und das Verschlusselement können prinzipiell aus beliebigen Materialien hergestellt sein, sofern sie sich mit dem

Kondensatorentladungsschweißen verschweißen lassen. Sie sind jeweils insbesondere aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt.

Das Verschlusselement kann prinzipiell eine beliebige Form aufweisen, sofern sich die Öffnung mit dem Verschlusselement fluiddicht verschließen lässt.

Vorstellbar ist es, dass das Verschlusselement einen Schaft und einen Kopf aufweist, wobei der Schaft innerhalb der Öffnung angeordnet ist und der Kopf außenseitig am Kolben anliegt.

Vorstellbar ist es auch, dass das Verschlusselement in die Öffnung bzw. der Verbindungsleitung derart angeordnet, insbesondere versenkt, ist, dass das Verschlusselement außenseitig bündig mit dem Kolben abschließt.

Es versteht sich, dass auch eine Verwendung von

Kondensatorentladungsschweißen zum Verschweißen eines solchen

Verschlusselements mit einem solchen Kolben zum Umfang dieser Erfindung gehört.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen

Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Kolben mit einem Verschlusselement,

Fig. 2 den Schnitt aus Fig. 1 im Bereich des Verschlusselements und bei einem anderen Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 2 mit III bezeichneten

Bereichs,

Fig. 4 eine Darstellung des Kolbens bei einem weiteren

Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 einen Schnitt des Kolbens aus Fig. 4 im Bereich des

Verschlusselements.

Ein Kolben 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine weist, wie in Fig. 1 zu sehen ist, einen Kolbenkopf 2 sowie ein mit dem Kolbenkopf 2

verbundenes Kolbenhemd 18 auf. Das Kolbenhemd 18 weist im gezeigten

Beispiel einen Kolbenschaft 24 und einen Kolbenkasten 25 auf. Der

Kolbenkasten 25 weist zumindest eine Kastenwand 19 und der Kolbenschaft 24 zumindest eine Schaftwand 3 auf, wobei im gezeigten Beispiel zwei

Schaftwände3 und zwei Kastenwände 19 vorgesehen sind. Der Kolbenkopf 2 weist stirnseitig eine Brennraummulde 4 auf, welche einen im Übrigen nicht gezeigten Brennraum der Brennkraftmaschine begrenzt. Das Kolbenhemd 18 ist auf der von der Brennraummulde 4 abgewandten Seite des Kolbenkopfs 2 angeordnet. Kolbenkopf 2 und Kolbenhemd 18 sind vorzugsweise

materialeinheitlich, insbesondere monolithisch, bspw. aus Aluminium, einer Legierung, Stahl und dgl., hergestellt. Der Kolbenkopf 2 weist außenseitig eine umlaufende Ringpartie 5 auf, in der zumindest eine nach außen offene Nut 6 zum Aufnehmen eines nicht gezeigten Kolbenrings vorgesehen ist, wobei beim in Fig. 1 gezeigten Beispiel mehrere solche Nuten 6 vorgesehen sind. Im Bereich der Ringpartie 5 ist innerhalb des Kolbenkopfs 2 ein umlaufender Kühlkanal 7 vorgesehen. Im Kolbenhemd 18 bzw. in den Kastenwänden 19 ist eine Nabe 17 vorgesehen, die der Verbindung des Kolbens 1 mit einer nicht gezeigten

Kurbelwelle, bspw. über einen nicht dargestellten Pleuel, dient. Die Nabe 17 ist durch gegenüberliegende Durchbrüche 20 in den Kastenwänden 19 ausgebildet ist, von denen in der Schnittebene gemäß der Fig. 1 lediglich eine Kolbenwand 19 und ein Durchbruch 20 zu sehen sind. Der Kolben 1 weist zudem zumindest eine Verbindungsleitung 8 auf, die sich auf der von der Brennraummulde 4 abgewandten Seite des Kühlkanals 7 vom Kühlkanal 7 bezüglich einer

Kolbenachse 23 des Kolbens 1 axial weg erstreckt. Beim gezeigten Beispiel sind zwei solche Verbindungsleitungen 8 zu sehen. Beide sichtbare

Verbindungsleitungen 8 sind im gezeigten Beispiel fluidisch mit dem Kühlkanal 7 verbunden und münden in diesen, wobei eine der Verbindungsleitungen 8 über eine auf der von der Brennraummulde 4 abgewandten Seite des Kolbens 1 , insbesondere im Bereich der sichtbaren Kastenwand 19, angeordnete Öffnung 9 mit der Umgebung verbunden ist. Somit ist auch der Kühlkanal 7 über die

Verbindungsleitung 8 und die Öffnung 9 mit der Umgebung verbunden. Der Kühlkanal 7 und/oder die Verbindungsleitungen 8 können über die Öffnung 9 mit einem Kühlmittel 10 befüllt werden. Das Kühlmittel 10 kann prinzipiell ein beliebiges sein. Insbesondere kann das Kühlmittel 10 Natrium und/oder Kalium enthalten. Die jeweilige Verbindungsleitung 8, insbesondere die über die Öffnung 9 mit der Umgebung verbundene Verbindungsleitung 8, kann als eine Bohrung 22 in den Kolben 1 eingebracht sein.

Die Öffnung 9 wird nach dem Befüllen des Kolbens 1 mit dem Kühlmittel 10 mit Hilfe eines Verschlusselements 1 1 fluiddicht verschlossen. Zum Verschließen der Öffnung 9 wird das Verschlusselement 1 1 erfindungsgemäß durch

Kondensatorentladungsschweißen mit dem Kolben 1 , insbesondere mit der Kastenwand 19, verschweißt. Hierzu wird das Verschlusselement 1 1 mit einer Kraft, von vorzugsweise zwischen 1 ,5 kN und 3,5 kN, insbesondere von 2,5 kN, gegen den Kolben 2 gedrückt. Anschließend wird zumindest ein elektrischer Stromimpuls durch einen Verbindungsbereich 12 zwischen dem Kolben 2 und dem Verschlusselement 1 1 geschickt. Der jeweilige Stromimpuls hat dabei vorzugsweise eine Stromstärke zwischen 8 kA und 12 kA, insbesondere von 10 kA. Der jeweilige Stromimpuls dauert dabei weniger als 20 ms. Vorzugsweise dauert der jeweilige Stromimpuls 10 ms. Besonders bevorzugt kommen zumindest zwei solche Stromimpulse, vorteilhaft genau zwei solche

Stromimpulse, zum Einsatz, welche einen Abstand von 0,1 s bis 1 s,

insbesondere von 0,5 s zueinander haben. Im Ergebnis führen diese

Maßnahmen jeweils zu einer stabilen Verbindung zwischen dem

Verschlusselement 1 1 und dem Kolben 1 sowie zu einem stabilen, fluiddichten Verschließen der Öffnung 9 durch das Verschlusselement 1 1 . Darüber hinaus ist eine Wärmeeinflusszone 16 (siehe Figuren 2 und 3), in der es bedingt durch das Kondensatorentladungsschweißen zu Strukturänderungen des

Verschlusselements 1 1 und/oder des Kolbens 1 , insbesondere einem

Verschmelzen des Verschlusselennents 1 1 mit dem Kolben 1 , kommt, optimiert, wobei diese Wärmeeinflusszone 16 in einer quer zum Kontaktbereich zwischen Kolben 1 und Verschlusselement 1 1 verlaufenden Tiefe 21 vorzugsweise kleiner als 400 μιτι, insbesondere kleiner als 200 μιτι, ist.

Beim in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Verschlusselement 1 1 als ein in der Öffnung 9 versenktes bzw. aufgenommenes Verschlusselement 1 1 ausgebildet, das im mit dem Kolben 1 verschweißten Zustand bündig an der Außenseite des Kolbens 1 abschließt. Das Verschlusselement 1 1 ist also insbesondere bolzenartig bzw. als ein Bolzen 13 ausgebildet.

Die Fig. 2 und 3 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel des Kolbens 1 , wobei in Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des in Fig. 2 mit III bezeichneten Bereichs dargestellt ist. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere durch die Ausbildung des

Verschlusselements 1 1 , das einen Schaft 14 sowie einen Kopf 15 aufweist. Dabei ist der Schaft 14 des Verschlusselements 1 1 in der Verbindungsleitung 8 bzw. der Öffnung 9 angeordnet, während der Kopf 15 außenseitig am Kolben 1 anliegt. In den Fig. 2 und 3 ist zu erkennen, dass die Wärmeeinflusszone 16 im

Verbindungsbereich 12 angeordnet ist. Die Wärmeeinflusszone 16 entsteht durch den Wärmeeintrag beim Kondensatorentladungsschweißen, dadurch, dass es zu strukturellen Änderungen des Verschlusselements 1 1 und/oder des Kolbens 1 kommt. Hierbei kommt es in der Wärmeeinflusszone 16 insbesondere zu einem Schmelzen des Verbindungselements 1 1 und/oder des Kolbens 1 , das zu einer stabilen Verbindung zwischen dem Verschlusselement 1 1 und dem Kolben 1 führt. Insbesondere in Fig. 3 ist dabei zu erkennen, dass die Wärmeeinflusszone 16 sehr klein ist. Die Wärmeeinflusszone 16 erstreckt sich, wie vorstehend bereits erwähnt wurde, über eine Tiefe von weniger als 400 μιτι, insbesondere als 200 μηη.

Eine solche Wärmeeinflusszone 16 existiert auch beim in Fig. 1 gezeigten Beispiel, obwohl diese darstellungsbedingt nicht sichtbar ist.

In den Figuren 4 und 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kolbens 1 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass die sichtbaren Verbindungsleitungen 8 in keiner fluidischen Verbindung mit dem Kühlkanal 7 stehen. Die Verbindungsleitungen 8 verlaufen geneigt zur Kolbenachse 23. Die jeweilige Verbindungsleitung 8 ist an einem Ende über die in der Kastenwand 19 angeordnete Öffnung 9 mit der Umgebung verbunden, wogegen das andere Ende geschlossen und unterhalb der Brennraummulde 4 angeordnet ist. Die jeweilige Verbindungsleitung 8 wird mit einem Kühlmittel 10 befüllt, das das gleiche oder ein anderes als das Kühlmittel 10 im Kühlkanal 7 sein kann. Nach dem Befüllen der jeweiligen Verbindungsleitung 8 wird die zugehörige Öffnung 9, wie in Fig. 5 zu sehen ist, mit einem solchen Verschlusselement 1 1 fluiddicht verschlossen, wobei das Verschlusselement 1 1 in Fig. 5 zum besseren

Verständnis außerhalb des Kolbens 1 dargestellt ist. Auch bei diesem

Ausführungsbeispiel wird dabei das Verschlusselement 1 1 mittels

Kondensatorentladungsschweißen mit dem Kolben 1 bzw. der Kastenwand 19 verbunden. Dabei bildet sich, obwohl nicht dargestellt, ebenfalls eine solche Wärmeeinflusszone 16.