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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Viertakt-Brennkraftmaschine, mit einem einen brennraumseitigen Kolbenboden ausbildenden Kolbenkopf, in dessen Mantelbereich eine kolbenbodenseitige erste Nut zur Aufnahme eines Verdich- tungsringes und eine vom Kolbenboden entferntere zweite Nut zur Aufnahme eines Ölabstreifringes eingeformt sind, wobei zwischen den beiden Nuten ein Ringstegbereich ausgebildet ist, mit einem an den Kolbenkopf anschliessenden Kolbenschaft, dessen Mantel erste Führungsflächen zur Kolbenführung in einem Zylinder aufweist, sowie mit einer Kolbenbolzenbohrung zur Aufnahme eines Kol- benbolzens.
Kolben für Viertakt-Brennkraftmaschinen weisen üblicherweise mehr als zwei Kolbenringe auf, um einerseits eine ausreichende Verdichtung zu gewährleisten und um andererseits ein ausreichendes Ölabstreifverhalten der Zylinderwände zu ermöglichen. Mit der Anzahl an Kolbenringen steigt allerdings die Kolbenreibung und die damit verbundenen Verluste stark an.
Aus der US 5,133,563 ist ein Kolben bekannt, welcher nur zwei Kolbenringe im Kolbenkopf aufweist. Die untere zweite Nut ist zur Aufnahme eines L-Ringes kon- zipiert, dessen kürzerer Schenkel in Richtung des Kurbelraumes weist. Dadurch soll der Ölverbrauch möglichst gering gehalten werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Kolben der eingangs genannten Art den Ölverbrauch weiter zu reduzieren.
Erfindungsgemäss erfolgt dies dadurch, dass der Ringstegbereich zwischen den beiden Nuten als zweite Führungsfläche zur Kolbenführung ausgebildet ist. Durch die zwischen den beiden Nuten ausgebildete zweite Führungsfläche wird zusätz- lich zu den Kolbenringen eine Abdichtung erreicht, so dass der Ölverbrauch im Vergleich zu bekannten Kolben mit zwei Kolbenringen wesentlich reduziert wer- den kann. Zudem wird das bekannte Kolbenkippen verringert bzw. vermieden, wodurch sich die Kolbengeräusche vermindern lassen.
Um eine besonders hohe Dichtung zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die erste Nut einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt zur Aufnahme des als L-Ring ausgebildeten Verdichtungsringes aufweist, wobei vorzugsweise der längere Schenkel des "L" der ersten Nut in radialer Richtung und der kürzere Schenkel
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des "L" in axialer Richtung, und zwar zur Seite des Kolbenbodens, in den Mantel- bereich des Kolbenkopfes eingeformt ist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass der radiale, längere Schenkel der ersten Nut als radiale Führung für den L- Ring ausgebildet ist. Der axiale, kürzere Schenkel der ersten Nut weist dabei grössere Abmessungen in radialer und axialer Richtung auf, als der entsprechende aufzunehmende Verdichtungsteil des L-Ringes.
Auf diese Weise bildet sich ein Spalt zwischen Kolbenkopf und Kolbenring aus, in welchen verdichtendes Gas eindringen und den L-Ring nach aussen drücken kann. Dies bewirkt, dass mit steigenden Druck auch die Abdichtung erhöht wird. Die Vorspannung des Kol- benringes kann somit relativ klein bemessen werden, was sich günstig auf die Reibungsverhältnisse auswirkt.
Ein sehr günstiges Ölabstreifverhalten bei geringer Reibung lässt sich erreichen, wenn die zweite Nut im Wesentlichen einen Rechtecksquerschnitt zur Aufnahme des Ölabstreifringes aufweist, wobei vorzugsweise vom Nutboden der zweiten Nut mehrere erste Ölabflusskanäle in das Kolbeninnere führen. Die vom Grund der zweiten Nut ausgehenden ersten Ölabflusskanäle bewirken ein selbständiges Abfliessen des abgestreiften Öles in Richtung des Kolbeninneren. Um den Öltrans- port vom Bereich des Ölabstreifringes in das Kolbeninnere zu verbessern, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass angrenzend an die zweite Nut auf der dem Kolbenschaft zugewandten Seite eine zur zweiten Nut geneigte Anfa- sung in den Mantelbereich eingeformt ist und dass von der Anfasung mehrere zweite Ölabflusskanäle in das Kolbeninnere führen.
Konstruktionsbedingt sind im Bereich der Kolbenbolzenbohrung keine Ölabfluss- kanäle möglich. Um in diesem Bereich dennoch den Ölabfluss zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Kolbenbolzenbohrung die zweite Nut schneidet. Das abgestreifte Öl kann somit im Bereich der Kolbenbolzenbohrung direkt in diese abfliessen, was den zusätzlichen Effekt hat, dass dem Kolbenbolzenlager Schmieröl zugeführt wird.
Um die thermische Belastung des Verdichtungsringes so gering wie möglich zu halten, ist zwischen Kolbenboden und der ersten Nut ein Feuersteg im Kolben- kopf ausgebildet.
Zur weiteren Unterstützung des Ölabstreifens von den Zylinderwänden ist in ei- ner besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass der kur- belraumseitige Rand des Kolbenschaftes scharfkantig ausgebildet ist. Der scharf-
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kantige Rand des Kolbenschaftes wirkt dabei als Ölhobel, welcher den überschüs- sigen Ölfilm von der Zylinderwand entfernt.
Zur Verringerung der Reibungsverluste ist es weiters besonders günstig, wenn das Kolbenbolzenlager als Nadellager ausgebildet ist.
Der Kolben besteht vorzugsweise aus Leichtmetall, besonders vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung. Zur Verringerung der Reibung im Bereich der Füh- rungsflächen ist es besonders vorteilhaft, wenn zumindest eine Führungsfläche eine Beschichtung, vorzugsweise aus einer Molybdänverbindung, aufweist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch den erfindungsgemässen Kolben gemäss der Linie I - I in den Fig. 5 und 6, Fig. 2 einen Schnitt durch den Kolben gemäss der Linie II - II in Fig. 5, Fig. 3 das Detail III des Kolbens aus Fig. 2, Fig. 4 eine Sei- tenansicht des Kolbens, Fig. 5 eine Draufsicht auf den Kolben, Fig. 6 eine weitere Seitenansicht des Kolbens in Richtung der Kolbenbolzenachse, Fig. 7 den Kolben im Schnitt gemäss der Linie VII - VII in Fig. 5, Fig. 8 den Kolben im Schnitt ge- mäss der Linie I - I in Fig. 5 bzw. Fig. 6, Fig. 9 den Kolben im Schnitt gemäss der Linie IX - IX in Fig. 6, Fig. 10 den Kolben im Schnitt gemäss der Linie X - X in Fig. 5, Fig. 11 den Kolben im Schnitt gemäss der Linie XI - XI in Fig. 6 und Fig. 12 einen als L-Ring ausgebildeten Verdichtungsring des Kolbens.
Der Kolben 1 für eine Viertakt-Brennkraftmaschine weist einen Kolbenkopf 2 mit einem Kolbenboden 3 auf. Im Mantelbereich 4 des Kolbenkopfes 2 ist eine erste Nut 5 und eine zweite Nut 6 eingeformt, wobei die erste Nut 5 dem Kolbenboden 3 näher ist. Zwischen der ersten Nut 5 und der zweiten Nut 6 ist ein Ringsteg- bereich 7 ausgebildet. Die erste Nut 5 weist einen L-förmigen Querschnitt auf, wobei der längere Schenkel 5a in radialer Richtung in den Mantelbereich 4 ein- geformt ist und eine Führung für einen als L-Ring 8 ausgebildeten Verdichtungs- ring 9 darstellt. Der kürzere Schenkel 5b der ersten Nut 5 ist in Richtung des Kolbenbodens 3 in axialer Richtung eingeformt. Der kürzere Schenkel 5b weist dabei sowohl in radialer, als auch in axialer Richtung grössere Abmessungen auf als der entsprechende aufzunehmende Dichtungsteil 8b des L-Ringes 8.
Der Führungsteil 8a ist leitfähig im längeren Schenkel 5a der ersten Nut 5 angeord- net. Zwischen dem Kolbenkopf 2 und dem L-Ring 8 ist somit ein vordefinierter Spalt Si, S2 vorhanden, in welchen das verdichtete Gas eindringt und den L-Ring 8 nach aussen in Richtung der Zylinderwand drückt und somit eine gasdichte Ab-
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dichtung erzeugt. Die zweite Nut 6 zur Aufnahme eines Ölabstreifringes 22 weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Zur Verdeutlichung ist im rechten Teil des Kolbens 1 in Fig. 1 - sowie in Fig. 3 strichliert - der Verdichtungsring 9 und der Ölabstreifung 22 eingezeichnet.
An den Kolbenkopf 2 schliesst ein Kolbenschaft 10 an, dessen Mantel 11 erste Führungsflächen 12 zur Führung des Kolbens 1 im nicht weiter dargestellten Zy- linder bildet. Im Kolbenschaft 10 ist eine Kolbenbolzenbohrung 13 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens 14 angeordnet. Wie in Fig. 1 ersichtlich, ist das Kolbenbol- zenlager 15 zwischen dem Kolbenbolzen 14 und der Pleuelstange 16 als Nadel- lager ausgeführt, wodurch die Reibung auch in diesem Bereich so gering wie möglich gehalten werden kann.
Der Ringstegbereich 7 zwischen der ersten Nut 5 und der zweiten Nut 6 bildet eine zweite Führungsfläche 17 für den Kolben 1 an der Zylinderwand. Diese zweite Führungsfläche 17 verhindert das Kolbenkippen und trägt somit zur Ge- räuschdämpfung bei. Die zweite Führungsfläche 17 wirkt dabei als zusätzliche Ölabstreifeinrichtung, wodurch sie wesentlich zur Verminderung des Ölver- brauches beiträgt.
In Fig. 2 ist durch die Kurve 18 das Schliffbild für den Kolben 1 schematisch dar- gestellt. Das Schliffbild 18 weist dabei einen ballig gerundeten Abschnitt 18a und einen konisch gerundeten Abschnitt 18b auf. Die Schliffwerte W sind auf einen maximalen Nenndurchmesser D1 des Kolbens 1 bezogen, welcher sich in einem Abstand g vom unteren Rand 19 des Kolbenschaftes 10 befindet.
Vom Kolbengrund 6a der zweiten Nut 6 führen erste Ölabflusskanäle 20 in das Kolbeninnere 21, um das vom Ölabstreifring 22 von der Zylinderwand entfernte Öl abzuführen. Bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 1 kommt es allerdings zu einer Ölansammlung an der Unterkante des Ölabstreifringes 22. Um auch dieses Öl wirksam abtransportieren zu können, ist auf der dem Kolbenschaft 10 zuge- wanden Seite der zweiten Nut 6 eine Anfasung 23 im Mantelbereich 4 vorge- sehen, wobei die Anfasung 23 zur zweiten Nut 6 hin geneigt ist. Der Neigungs- winkel a zwischen der Anfasung 23 und dem Mantelbereich 4 beträgt dabei etwa 7 und 10 , vorzugsweise 8 bis 9 . Von der Anfasung 23 führen zweite Ölab- flusskanäle 24 in das Kolbeninnere 21, wodurch auch in diesem Bereich ein aus- reichender Ölabtransport gewährleistet ist.
Die Ölabflusskanäle 20,24 können beispielsweise gebohrt sein.
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Allerdings sind aus konstruktiven Gründen im Bereich der Kolbenbolzenbohrung 13 Ölabflusskanäle 20,24 nicht möglich. Um auch in diesem Bereich den Ölab- fluss zu ermöglichen ist die Kolbenbolzenbohrung 13 so angeordnet, dass sich der obere Bereich der Kolbenbolzenbohrung 13 mit der zweiten Nut 6 schneidet, wie deutlich aus der Fig. 6 und 8 hervorgeht. Das abgestreifte Öl fliesst somit in diesem Bereich in Richtung der Kolbenbolzenbohrung 13 ab und dringt in die Kolbenbolzenlagerung vor. Auf diese Weise wird eine zusätzliche Schmierung des Kolbenbolzens durchgeführt.
Wie aus den Fig. 9 und 11 erkennbar ist, sind die ersten und zweiten Ölabfluss- kanäle 20,24 versetzt zueinander in regelmässigen Abständen am Umfang des Mantelbereiches 4 angeordnet, wobei die Winkel #, y weiter zwischen den Achsen der Ölabflusskanäle 20,24 im Ausführungsbeispiel etwa 17 betragen. Dabei sind beispielsweise vierzehn erste Ölabflusskanäle 20 und acht zweite Ölabfluss- kanäle 24 vorgesehen.
Der Rand 19 des Kolbenschaftes 10 ist scharfkantig ausgebildet, wodurch bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 1 durch die Kante 25 überschüssiges Öl von der Zylinderwand abgehobelt wird. Auch diese Massnahme trägt wesentlich zur Senkung des Ölverbrauches bei.
Zwischen dem Kolbenboden 3 und der ersten Nut 5 ist zur Schonung des Ver- dichtungsringes 9 ein Feuersteg 26 ausgebildet.
Der Kolben 1 besteht aus Leichtmetall, beispielsweise einer eutektoiden Alumini- umlegierung mit beispielsweise 12% Silizium. Zur Verminderung der Reibung zwischen den Führungsflächen 12,17 und der Zylinderwand können die Füh- rungsflächen 12,17 beispielsweise mit einer Molybdänverbindung beschichtet sein.
Durch den beschriebenen Kolben 1 lassen sich besonders geringe Reibungsver- luste bei äusserst sparsamem Ölverbrauch realisieren.