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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung ist auf Kolben mit einem Kopf und Hemdteilen
zusammen mit einer oberen Fase gerichtet, die zum Leiten von Öl zur Mitte
des Kolbenhemds ausgelegt ist, um Kolbengeräusch und Kolbenreibung zu mindern.
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Hintergrund der Erfindung
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Wie
es in der Technik bekannt ist, kann die Ölschmierung von Kolben in Brennkraftmaschinen, beispielsweise
Kraftfahrzeugmotoren, in bestimmten Situationen und unter gewissen
Motorbetriebsbedingungen eventuell nicht optimal sein. Ein Mangel
an optimalen Schmierwerten um Teile des Kolbens oder den Hemdumfang
kann zu vermehrtem Kolbengeräusch
sowie vermehrter Reibung führen,
was in schweren Fällen
zu einer größeren Wahrscheinlichkeit
eines Verkratzens des Kolbenhemds und der Zylinderlaufbuchse oder
Zylinderwand führt.
Eine nicht optimale Schmierung kann unabhängig von Problemen bezüglich Scheuern,
Verkratzen und Verschleiß zu
verstärktem
Kolbengeräusch
führen.
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Ein
größerer Teil
der sich während
Kolbenbetriebs entwickelnden seitlichen Beanspruchung tritt bekanntermaßen in Bereichen
auf, die als Druckseiten bezeichnet werden. Die Druckseiten befinden sich
an gegenüberliegenden
Seiten des Kolbens und Hemds und sind senkrecht zu den Enden der
Kolbenbolzenbohrung ausgerichtet. Während Kraftstoffverbrennung
im Arbeitstakt werden die seitlichen Drucklasten an den Druckseiten
konzentriert. Wie in dem Gebiet bekannt ist, unterliegen diese Bereiche
hoher Beanspruchung einer größeren Druck-
und Reibungskraft, die gegen die Zylinderwand aufgebaut wird, was
zu verstärktem
Betriebsgeräusch
und letztendlich zu größerem Verschleiß führt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Während Scheuern
und Verkratzen des Kolbenhemds und der angrenzenden Zylinderwand
zu vermehrtem Geräusch
führt,
kann vermehrtes Kolbengeräusch
auch ohne Vorliegen von Scheuern und Verkratzen auftreten. Wird
dem Kolben und Hemd eine adäquate
Schmierung geboten, sind das Kolbenhemd und die Zylinderwand vor
Scheuern und Verkratzen geschützt.
Ein Verbessern dieses Schmierungsgrads, insbesondere an den mittleren Teilen
des Kolbenhemds, bewirkt vorteilhafterweise ein weiteres Verringern
von Kolbengeräusch.
Im Gegensatz zu Scheuern und Verkratzen, wozu es bei dem unter erheblicher
Last arbeitenden Motor kommen kann, ist Kolbengeräusch eher
bei niedriger Drehzahl oder Motorbetriebsbedingungen ohne Last oder
mit geringer Last problematisch. Die vorliegende Erfindung ist auf
einen zur Verbesserung der Schmierung der mittleren Teile des Kolbenhemds ausgelegten
Kolben gerichtet, um dieses Kolbengeräusch zu mindern.
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Die
hierin offenbarte Erfindung sieht einen Brennkraftmaschinenkolben
mit einer oberen Fase vor, die zum Mindern von Geräusch und
Reibung ausgelegt ist. Der hierin offenbarte Kolben weist einen
Kolbenkopfteil und einen angrenzenden Hemdteil auf, der mit der
neuartig gestalteten, konisch zulaufenden oberen Fase versehen ist.
Die obere Fase ist ein ringförmiger
Kanal um den Umfang des Kolbens, der an mindestens einer sei ner
Seitenwände als
Abschrägung
ausgelegt ist. Die obere Fase bildet zumindest teilweise ein konisch
zulaufendes Volumen aus, das zum Leiten von Öl hin zu den mittleren Teilen
oder Druckseiten des Hemds ausgelegt ist, um Schmierung zu verbessern
und dadurch Kolbengeräusch
sowie Reibung und Verschleiß zu
mindern. Durch Vergrößern des
durch die Fase festgelegten Volumens in dem mittleren Teil des Hemds
nahe den Druckseiten wird ein Umlaufen von Öl in der Umfangsrichtung verbessert.
Das durch die obere Fase festgelegte konisch zulaufende Volumen
verbessert die Ölverfügbarkeit
zu den mittleren Teilen des Hemds mit den Druckseiten, an denen
die Kontaktkräfte
von Kolben/Laufbuchse sowie die seitlichen Druckkräfte konzentriert
sind.
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Eine
der Hauptfunktionen der oberen Fase des Kolbens ist das Fungieren
als Ölspeicher.
Das Ölvolumen
in der oberen Fase kann abhängig
vom Hemdprofil und Spiel, von dem Gesamtvolumen zwischen dem Kolbenhemd
und der Laufbuchse der Zylinderbohrung zwanzig bis siebzig Prozent
des verfügbaren Öls ausmachen.
Während
des Abwärtshubs
des Kolbens dringt Öl
in einem Bereich zwischen der unteren Fase des Kolbenhemds und der Laufbuchse
der Zylinderbohrung in den Kolbenhemdbereich ein. Während des
Abwärtshub
bewegt sich das Öl
entlang der Seite des Kolbenhemds nach oben (wobei der Ölfluss im
Verhältnis
zur Bewegung des Kolbens und Hemds beschrieben wird), wobei es die
obere Fase erreicht und die obere Fase füllt. Eine weitere Aufwärtsbewegung
des Öls
im Verhältnis zum
Kolben und Hemd wird durch die Wischwirkung des über der oberen Fase angeordneten Ölabstreifrings
wirksam unterbunden. Der Ölabstreifring
dichtet den Raum zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrungswand über der
oberen Fase ab, was ein Sammeln von Öl in der oberen Fase bewirkt.
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Ein
Kolben mit einer erfindungsgemäßen Gestaltung
der oberen Fase zum Mindern von Geräusch und Reibung umfasst einen
Kopfteil mit einer ringförmigen
Nut, die in dem Umfang des Kopfteils ausgebildet ist. Die ringförmige Nut
ist zum Aufnehmen eines Ölabstreifrings
zum Verhindern von Ölabwanderung
zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrungswand bemessen und ausgelegt.
Der Kolben umfasst einen Hemdteil, der an den Kopfteil an einem oberen
Teil des Hemdteils angrenzt und an diesem angebracht ist. Der Hemdteil
umfasst zwei gegenüberliegende
mittlere Hemdteile, die jeweils eine Druckseite aufweisen, sowie
zwei gegenüberliegenden
seitliche Hemdteile. Die gegenüberliegenden seitlichen
Hemdteile verlaufen zwischen den gegenüberliegenden mittleren Hemdteilen
und verbinden diese fügend.
Der Kolbenkopf weist eine ihn durchsetzende Bohrung zum Aufnehmen
eines Kolbenbolzens zum Verbinden des Kolbens mit einer Kurbelwelle
auf. Die seitlichen Hemdteile an dem Kolbenhemdteil sind im Allgemeinen
mit den gegenüberliegenden
Enden der Kolbenbolzenbohrung in dem Kolbenkopfteil ausgerichtet.
Wie vorstehend erläutert
ist die obere Fase dafür
ausgelegt, mindestens teilweise ein konisch zulaufendes Volumen
bzw. einen konisch zulaufenden Hohlraum zum Aufnehmen von Öl festzulegen,
und ist in dem Kolben an einer Stelle angrenzend oder unter der
ringförmigen
Nut für
den Ölabstreifring
ausgebildet. Die obere Fase ist zum Vorsehen eines dafür ausgelegten
Volumens ausgebildet, verglichen mit der nahe den seitlichen Hemdteilen
gespeicherten Ölmenge
bevorzugt eine größere Ölmenge nahe
dem mittleren Hemdteil zu speichern und zuzuführen.
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Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung befindet sich die obere Fase nahe
der ringförmigen
Nut für
den Ölabstreifring.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung befindet sich die ringförmige Nut
nahe dem Hemdteil.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Hemdteil eine
im Umfang des Hemdteils ausgebildete untere Fase. Die untere Fase
ist so angeordnet, dass die obere Fase zwischen der unteren Fase
und der ringförmigen
Nut des Ölabstreifrings
liegt.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird das durch die obere
Fase ausgebildete Volumen entlang der Umfangswand des Kolbens durch Verändern des
Winkels, bei dem die Fase geschnitten wird, verändert. Das Schneiden der Fase
bei einem zum Beispiel im Verhältnis
zur Umfangswand des Kolbens flacheren Winkel führt zu einer breiteren obere
Fase, die mehr Öl
pro Umfangslängeneinheit der
oberen Fase speichern kann.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die obere Fase in
die Wand der ringförmigen Ölabstreifringnut,
im Wesentlichen in die Wand unter dem Ölabstreifring, geschnitten.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Tiefe der oberen
Fase um den Umfang des Kolbens im Verhältnis zur Tiefe der oberen
Fase nahe den seitlichen Hemdteilen an dem mittleren Hemdteil tiefer
in dem Kolbenhemdteil ausgebildet, um im Verhältnis zur nahe den seitlichen
Hemdteilen speicherbaren Ölmenge
bevorzugt eine Speicherung einer größeren Ölmenge nahe dem mittleren Hemdteil
vorzusehen.
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Die
obigen Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung gehen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen
ohne Weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung der besten
Methoden der Durchführung
der Erfindung hervor.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines vorbekannten Kolbens mit einem Kolbenkopfteil
und einem Hemdteil, der mit einer herkömmlichen Gestaltung der oberen
Fasen ausgestattet ist;
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2 zeigt
eine Seitenansicht eines Kolbens mit einem Kolbenkopfteil und einem
Hemdteil, der erfindungsgemäß mit einer
konisch zulaufenden Gestaltung der oberen Fase ausgestattet ist,
die zum bevorzugten Speichern und Zuführens einer größeren Ölmenge zu
dem mittleren Hemdteil ausgelegt ist, um die Schmierung zu verbessern
und dadurch Kolbengeräusch
zu mindern;
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3A ist
eine schematische Ansicht eines Kolbens in einer Zylinderbohrung,
der erfindungsgemäß einen
Kolbenkopfteil und einen Hemdteil aufweist, der mit einer konisch
zulaufenden Gestaltung der oberen Fase oder axial oberen Fase ausgestattet ist,
wobei der Ölfluss
nach oben entlang des Kolbenhemds und der Zylinderwand gezeigt wird,
wodurch die obere Fase während
eines Abwärtshubs
des Kolbens gefüllt
wird;
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3B ist
eine schematische Ansicht des Kolbens von 3A während eines
Aufwärtshubs, der
den mittleren Teilen des Kolbenhemdteils erfindungsgemäß verstärkte Schmierung
liefert.
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3C ist
eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens mit einer abgestuften oberen
Fase konisch zulaufenden Volumens und
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4A, 4B und 4C zeigen
verschiedene Auslegungen der oberen Fase, die in einem Teil der
Kolbenwand an der ringförmigen
Nut für den Ölabstreifring
ausgebildet sind.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Kolbens 110 mit einem Kolbenkopfteil 112 und
einem Hemdteil 116, der mit einer herkömmlichen, nicht konisch zulaufenden
oberen Fase oder axial oberen Fase 124 versehen ist. Der
Kolben 110 weist eine Ölabstreifringnut 130 auf,
die über
und nahe der oberen Fase 124 angeordnet ist. Die obere
Fase 124 und die Ölabstreifringnut 130 befinden
sich unter den Kolbenringnuten 146.
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2 zeigt
eine Seitenansicht eines Kolbens 10 mit einem Kolbenkopfteil 12 und
Hemdteil 16, der erfindungsgemäß mit einer oberen Fase 24 und
einer unteren Fase 28 ausgestattet ist. Die obere Fase 24 bildet
erfindungsgemäß ein Profil
konisch zulaufenden Volumens aus, das bevorzugt zum Speichern und
Zuführen
einer größeren Ölmenge zu
dem mittleren Hemdteil 26 (als Bereich zwischen Begrenzungslinien 44 dargestellt)
ausgelegt ist, um dort die Schmierung zu verbessern und dadurch
Kolbengeräusch
zu mindern. In 2 umfasst der Hemdteil 16 des
Kolbens 10 eine obere Fase 24, die sich nahe zu und
direkt unter der ringförmigen Ölabstreifringnut 30 befindet.
Die obere Fase 24 kann wie in 2 gezeigt
als Konus in einem Teil der Wand der Ölabstreifringnut 30 ausgebildet
sein, oder alternativ kann die obere Fase 24 als separate
Ringnut vorgesehen sein, die direkt unter der Ölabstreifringnut 30 in
dem Hemd 16 ausgebildet ist. Bei einer anderen alternativen
Ausführungsform
kann die obere Fase 24 als separate ringförmige Nut
vorgesehen sein, die an einer beabstandeten Stelle zwischen der Ölabstreifringnut 30 und
der unteren Fase 28 in dem Hemd 16 ausgebildet
ist. Bei einer anderen Ausführungsform
ist die obere Fase 24 eine Abschrägung (224 in 4A), die
an einem oberen Teil des Hemds 16 ausgebildet ist, wobei
der obere Teil des Hemds 16 eine Wand der den Ölabstreifring
(36 in 3A) haltenden Ringnut 30 bildet,
wobei die verbleibenden Teile des Ölabstreifrings 30 in
einem unteren oder niedrigeren Teil des Kolbenkopfteils 12 ausgebildet
sind.
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Bei
Einbau des Kolbens 10 in eine (nicht dargestellte) Brennkraftmaschine
wird ein (schematisch später
in 3A gezeigter) Ölabstreifring 36 in
die Ölabstreifringnut 30 eingesetzt,
um den Raum zwischen dem Kolben 10 und der (schematisch
in 3A gezeigten) Zylinderbohrungswand 32 abzudichten,
wobei während
eines Abwärtshubs
des Kolbens 10 Öl
in der oberen Fase 24 zurückgehalten wird. In 2 wird
der Kolben mit zwei ringförmigen Kolbenringnuten 46 gezeigt,
die jeweils über
den Ölabstreifringnuten 130, 30 angeordnet
sind.
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Das
die obere Fase 24 bildende konisch zulaufende Volumen ist
dafür ausgelegt, Öl hin zu
dem mittleren Hemdteil 26 des Kolbenhemds 16 zu
leiten, um die Schmierung in dem mittleren Teil 26 des Hemds 16 zu
verstärken
und dadurch Kolbengeräusch,
Reibung und Verschleiß zu
mindern und/oder zu verbessern. Durch Verkleinern der Querschnittfläche oder
des Volumens pro Umfangslängeneinheit der
oberen Fase 24 des Kolbens über den beiden gegenüberliegenden
seitlichen Hemdteilen 20 (wobei verkleinertes Volumen durch
eine schmälere
Fasenbreite dargestellt ist) und Vergrößern des Fasenvolumens (Volumen
pro Einheitslänge
oder Querschnittfläche)
in dem mittleren Hemdteil 26 des Hemds 16 nahe
den Druckseiten wird dann der Ölumlauf
in der Umfangsrichtung in der oberen Fase 24 verbessert. Wie
verständlich
ist, verbessert die obere Fase 24 konisch zulaufenden Volumens
in 2 in vorteilhafter Weise die Verfügbarkeit
von Öl
für den
mittleren Hemdteil 26 des Hemds 16, was zum Verringern
von Kolbengeräusch
beiträgt,
das sich aus einem mit der Hubbewegung des Kolbens 10 in
der Zylinderbohrungswand 32 oder Laufbuchse (in 3A schematisch
gezeigt) erfolgenden Kontakt von Kolben/Laufbuchse ergibt.
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3A ist
eine schematische Ansicht eines Kolbens 10 mit einem Kolbenkopfteil 12 und
einem Hemdteil 16, der mit einer konisch zulaufenden oberen
Fase 24 ausgestattet ist, wobei der Ölfluss nach oben 38 entlang
des Kolbenhemdteils 16 und der Zylinderbohrungswand 32 gezeigt
wird, der zum Füllen der
oberen Fase 24 während
des Abwärtshubs
des Kolbens 10 beiträgt.
Wie vorstehend erläutert
besteht eine der Hauptfunktionen der oberen Fase 24 des Kolbens
darin, zumindest teilweise als Ölspeicher
zu dienen. Das durch die obere Fase 24 festgelegte Ölvolumen
kann abhängig
vom Hemdprofil und Spiel, von dem Gesamtvolumen des Hohlraums zwischen dem
Kolbenhemd 16 und der Zylinderbohrung oder Laufbuchsewand 32 zwanzig
bis siebzig Prozent des verfügbaren Öls ausmachen. 3A zeigt
schematisch den sich im Verhältnis
zur Zylinderbohrungswand 32 bei einer Geschwindigkeit V1 abwärts
bewegenden Kolben 10. Es versteht sich, dass die Geschwindigkeit
V1 veränderlich
ist und in 3A lediglich zum Zeigen der
Richtung des Kolbenwegs verwendet wird. Der Einfachheit halber und
zur verständlicheren
Darstellung ist nur an einem Teil der Zylinderbohrungswand 32 ein Ölfilm 34 dargestellt. Es
versteht sich, dass der Ölfilm 34 während des
Motorbetriebs den Hauptteil der Zylinderwand 32 bedeckt.
Der Ölfilm 34 bewegt
sich entlang der Seite des Kolbenhemds 16 (wobei der Ölfluss im
Verhältnis zur
Bewegung des Kolbens und Hemds beschrieben wird) nach oben 38,
wobei er die obere Fase 24 erreicht. Der Ölfilm 34 an
der Zylinderbohrungswand 32 wird durch die Wischwirkung
des Ölabstreifrings 36 gegen
die Zylinderwand 32 in die obere Fase 24 konisch
zulaufenden Volumens gewischt, wenn der Kolben 10 einen
Abwärtshub
ausführt.
Wenn sich die obere Fase 24 füllt, fließt Öl aufgrund des größeren Speichervolumens
in dem mittleren Hemdteil 26 der oberen Fase 24 umlaufend 40 in
die obere Fase 24, wie bereits erläutert wurde.
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3B ist
eine schematische Ansicht eines Kolbens 10, der mit einem
Kolbenkopfteil 12 und Hemdteil 16 ausgestattet
ist, wobei er eine Gestaltung der oberen Fase 24 mit konisch
zulaufendem Volumen umfasst. 3B zeigt
schematisch die erfindungsgemäße obere
Fase 24, die dem mittleren Hemdteil 26 des Kolbenhemds 16 während eines Aufwärtshubs
verstärkte
Schmierung bietet. In 3B ist der Kolben 10 in
einem Aufwärtshub
dargestellt, wobei er sich im Verhältnis zur Zylinderbohrungswand 32 bei
einer momentanen Geschwindigkeit V2 nach
oben bewegt. Wie in 3A wird der momentane Geschwindigkeitsvektor
V2 lediglich zur Angabe der Wegrichtung
des Kolbens 10 im Verhältnis
zur Zylinderbohrungswand 32 und nicht zur Anzeige einer
bestimmten oder gleichmäßigen Geschwindigkeit
gezeigt. Das sich während
des (in 3A gezeigten) Abwärtshubs
in der oberen Fase 24 gesammelte Öl fließt nun von der oberen Fase 24 an
dem Hemdteil 16, um eine den Hemdteil 16 während des
Aufwärtshubs
schmierende ständige Ölversorgung
zu bieten. Die obere Fase 24 weist ein (durch die konisch
zulaufende Breite der oberen Fase 24 gezeigtes) konisch
zulaufendes Volumen auf, das dem mittleren Hemdteil 26 eine
(durch Abwärtspfeile 48 gezeigte)
vermehrte Verfügbarkeit
von Öl
bietet. Die seitlichen Hemdteile 20 sind im Allgemeinen
mit der (nicht dargestellten) Bohrung in dem Kolben 10 ausgerichtet,
die einen (nicht dargestellten) Bolzen zum Halten des Kolbens 10 an
der (nicht dargestellten) Pleuelstange aufnimmt. Die mittleren Hemdteile 26 überbrücken zwischen
den seitlichen Hemdteilen 20 am Umfang des Kolbenhemds 16.
Die obere Fase 24 ist in 3B mit
einer Breite W4 dargestellt, die entlang
der Fase 24 von den seitlichen Hemdteilen 20 zu
dem mittleren Hemdteil 26 kontinuierlich zunimmt.
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3C ist
eine schematische Ansicht eines Kolbens 10, der mit einem
Kolbenkopfteil 12 und Hemdteil 16 ausgestattet
ist, wobei er eine andere Ausführungsform
einer oberen Fase 524 mit einem konisch zulaufenden Volumen
umfasst, wobei die Breite W5 der oberen
Fase 524 von den seitlichen Hemdteilen 20 zu dem
mittleren Hemdteil 26 in Stufen zunimmt.
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4A zeigt
mittels einer schematischen Teilansicht im Querschnitt einen Teil
einer oberen Fase 224, die in einem Teil der unteren Wand
der ringförmigen
Nut ausgebildet ist, in der der Ölabstreifring 36 aufgenommen
ist. Die Fase ist bei einem Winkel θ1 ausgebildet,
was eine beispielhafte Querschnittfläche 50 vorsieht, die
den Raum für
die Speicherung von Öl
anzeigt. Die obere Fase 224 hat eine Breite W1.
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4B zeigt
mittels einer schematischen Teilansicht im Querschnitt einen Teil
einer oberen Fase 324, die in einem Teil der unteren Wand
der ringförmigen
Nut ausgebildet ist, in der der Ölabstreifring 36 aufgenommen
ist. Die Fase ist im Verhältnis zu
dem in 4A gezeigten Fasenwinkel θ1 bei einem flacheren Winkel θ2 ausgebildet. Der flachere Winkel θ2 sieht eine größere beispielhafte Querschnittfläche 51 vor,
die einen im Verhältnis
zur Ölspeicherfläche 50 von 4A größeren Raum
für die Speicherung
von Öl
anzeigt. Die obere Fase 324 hat eine Breite W2,
die breiter als W1 ist.
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4C zeigt
analog eine obere Fase 424, die in einem Teil der Wand
der ringförmigen
Nut für den Ölabstreifring 36 ausgebildet
ist. Die Fase ist bei einem Winkel θ3 ausgebildet.
Wie bei Vergleich von 4A und 4C ersichtlich
ist, bietet die obere Fase 424 von 4C verglichen
mit der in 4A gezeigten oberen Fase 224 aufgrund
der größeren Tiefe
der oberen Fase 324 in 4C ein
größeres Volumen
zum Speichern von Öl
(was durch die größere beispielhafte
Querschnittfläche 42 gezeigt wird).
Die obere Fase 424 hat eine Breite W3 gleich der
Breite W1 der in 4A gezeigten
oberen Fase 224. Das vergrößerte Volumen pro Einheitslänge der Fase in 4C ist
aber allein das Ergebnis der größeren Tiefe
der Fase, die bei Winkel θ3 ausgebildet ist.
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Es
versteht sich, dass die konisch zulaufenden Flächen 24, 224, 324 und 424 an
den jeweiligen gegenüberliegenden
Seiten des Kolbens 10 zweifach vorhanden sind.
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Während eingehend
die besten Methoden zur Durchführung
der Erfindung beschrieben wurden, wird der Fachmann in dem Gebiet,
das diese Erfindung anspricht, verschiedene alternative Gestaltungen
und Ausführungsformen
zum Umsetzen der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.