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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung betrifft einen Kolben mit einer Kolbennut für
Verbrennungsmotoren, wobei der Kolben Druckaussparungen im Bereich
der Kolbennut aufweist.
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STAND DER TECHNIK
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Neben
der Kraftübertragung besteht eine weitere Hauptaufgabe
eines Kolbens für Verbrennungsmotoren darin, eine Abdichtung
der unter Druck stehenden Verbrennungskammer gegenüber dem
Kurbelgehäuse sicher zu stellen. Dazu sind im Stand der
Technik Kolben bekannt, die wenigstens eine Kolbennut mit einem
darin eingebrachten Kolbenring aufweisen. Sind mehrere Kolbenringe
vorhanden, dient insbesondere der obere Kolbenring zur Abdichtung,
um ein Austreten von Verbrennungsgasen aus der Verbrennungskammer
in das Kurbelgehäuse zu verhindern. Der „obere” Kolbenring
bezeichnet hier denjenigen Ring, welcher der Verbrennungskammer
am nächsten liegt und unmittelbar mit Verbrennungsgasen
in Kontakt kommt.
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Trotz
der Verwendung von Kolbenringen können durch die Bewegung
des Kolbens relativ zum Zylinder Verbrennungsgase in das Kurbelgehäuse gelangen
(Blow-by), da der in eine Kolbennut eingebrachte Kolbenring sowohl
in axialer als auch in radialer Richtung einen Spielraum aufweist.
Ein solches „Leckgas” hat zunächst einen
Energieverlust zur Folge. Es verursacht aber auch eine Gefährdung
der Kolben-Ringschmierung durch Verdrängung und Verschmutzung
des Schmierfilms.
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1 zeigt
einen Querschnitt einer Kolbennut mit Kolbenring aus dem Stand der
Technik. Die Nut mit einem rechteckförmigen Querschnitt
weist eine obere Nutoberfläche 21, eine untere
Nutoberfläche 21' und einen Nutgrund 22 auf.
In der Zeichnung liegt der Ring an der unteren Nutoberfläche 21' an,
er dichtet also an der unteren Nutoberfläche 21' ab. Durch
den folglich an der oberen Nutoberfläche 21 auftretenden
Spalt X können die unter Druck stehenden Verbrennungsgase
zwischen Nut und Ring eindringen, um dadurch die Abdichtung zu unterstützen.
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Wenn
der obere Kolbenring zu bestimmten Zeitpunkten an der oberen Nutoberfläche 21 des
Kolbens anliegt, dichtet der Ring an der oberen Nutoberfläche 21 ab.
Lediglich der vorstehende Teil Y des Rings dient in diesem Fall
als Angriffsfläche für die unter Druck stehenden
Verbrennungsgase. Es kann daher kaum Gas zwischen dem Ring und der
oberen Nutoberfläche einwirken. Dadurch wird ein schneller Druckaufbau
in gewissen Betriebszuständen verhindert. Ein beschleunigtes
Abheben des Rings von der oberen Nutoberfläche ist erwünscht,
um beispielsweise eine gleichmäßigere Bewegung
des Rings und damit eine Verschleißreduzierung zu erzielen.
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Um
ein Abheben von der oberen Nutoberfläche und ein Andrücken
auf die untere Nutoberfläche im Verdichtungstakt zu beschleunigen,
weist die
US 5,083,536 rechteckförmige
Einschnitte auf, die sich an der oberen Nutoberfläche befinden
und sich in radialer Richtung bis zum Nutgrund erstrecken. Allerdings
erhöht sich bei einer solchen Anordnung die Wahrscheinlichkeit,
dass vermehrt Verbrennungsgase in das Kurbelgehäuse gelangen
(Blow-by). Ferner kann vermehrt Öl von unten nach oben
am Ringrücken vorbei durch diese Einschnitte in den Brennraum
gelangen, wodurch ein Ölkohleaufbau gefördert
und der Ölverbrauch erhöht wird.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit einer
Kolbennut bereit zu stellen, bei dem ein Abheben des darin anzuordnenden
Kolbenrings von der oberen Nutoberfläche beschleunigt wird
und gleichzeitig eine gute Abdichtung gegen ein Austreten von Verbrennungsgasen
aus der Verbrennungskammer in das Kurbelgehäuse und gegen
ein Eindringen von Öl aus dem Kurbelgehäuse in
die Verbrennungskammer erzielt wird.
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Die
Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen folgen aus den Unteransprüchen.
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Danach
ist in der Manteloberfläche eines typischerweise zylinderförmigen
Kolbenkopfs eines Kolbens wenigstens eine Kolbennut eingebracht,
die eine obere Nutoberfläche und einen sich daran anschließenden
Nutgrund, der die Nut in radialer Richtung des Kolbenkopfes abschließt,
aufweist, wobei sich wenigstens eine Druckaussparung entlang der oberen
Nutoberfläche von der Manteloberfläche in im Wesentlichen
radialer Richtung des Kolbenkopfes erstreckt. Der Kolben ist dadurch
gekennzeichnet, dass die zumindest eine Druckaussparung in radialer Richtung
des Kolbenkopfs in Richtung auf die Kolbenachse vor dem Nutgrund
endet. Um ein Abheben des Kolbenrings von der oberen Nutoberfläche,
d. h. von derjenigen Nutoberfläche, die der Brennkammer am
nächsten liegt, und ein mögliches Andrücken
auf eine untere Nutoberfläche zu beschleunigen, steht dem
Gasdruck durch die Druckaussparung eine größere
Angriffsfläche zur Verfügung. Somit wird der gesamte
Ring früher mit Gasdruck belegt. Die Verkürzung
der Druckaussparung sorgt dafür, dass das oben beschriebene
Problem des „Blow-by” stark verringert wird, ohne
den gewünschten Effekt des früheren Lösens
von der oberen Nutoberfläche wesentlich zu vermindern.
Insbesondere kann gerade zu der Zeit, bei welcher der Ring an der
oberen Nutoberfläche anliegt, ein Austreten von Gas und/oder
Eindringen von Öl vermieden werden. Durch die verbesserte Druckverteilung
auf die Ringflanken bzw. den Ringrücken wird die Ringbewegung
gleichmäßiger und somit der Verschleiß reduziert.
Ferner wird ein Ölkohleaufbau und Ölverbrauch
verringert. Durch Einbringung der Druckbohrungen wird lokal am Umfang
verteilt, die Drosselwirkung reduziert. Ferner ergibt sich eine,
für den Flankenverschleiß verbesserte Krafteinleitung.
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Vorzugsweise
ist die zumindest eine Druckaussparung eine Druckbohrung. Gegenüber
einem aufwändigen Einfräsen von Druckaussparungen
können Druckbohrungen von der Manteloberfläche
einfach und mit einer gewünschten und definierten Tiefe eingebracht
werden. Eine Verbesserung der Kolbeneigenschaften gemäß der
Erfindung kann damit durch einen sehr geringen Arbeitsaufwand erzielt werden.
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Vorzugsweise
ist der Querschnitt der Druckaussparung in Erstreckungsrichtung
an der Manteloberfläche maximal, um das Eintreten der unter
Druck stehenden Verbrennungsgase in die Druckaussparung zu vereinfachen.
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Vorzugsweise
ist die obere Nutoberfläche im Wesentlichen eben und steht
senkrecht auf der Manteloberfläche, um Druckaussparungen
definiert einbringen zu können und eine definierte und
reproduzierbare Druckverteilung auf dem Kolbenring bzw. zwischen
den Kolbenringflanken und Nutoberflächen zu erreichen.
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Vorzugsweise
ist in die Nut ein Kolbenring eingebracht, wobei die zumindest eine
Druckaussparung eine Tiefe im Bereich von 0,5 bis 0,9, vorzugsweise
etwa 2/3, der Ringwanddicke aufweist. Die Ringwanddicke ist die
Differenz der beiden Ringradien. Die obigen Angaben gewährleistet
im Bereich der Druckaussparung eine hinreichend gleichmäßige Druckverteilung
entlang der oberen Ringflanke. Dabei wird ein beschleunigtes Abheben
des Rings von der oberen Nutoberfläche ermöglicht
und gleichzeitig verhindert, dass Verbrennungsgase durch die Bohrungen
entlang des Nutgrunds und an der unteren Nutoberfläche
aus der Verbrennungskammer in das Kurbelgehäuse gelangen
können.
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Vorzugsweise
sind im Kolben mehr als eine Druckaussparung vorgesehen, um eine
ausreichende und gleichmäßige Druckverteilung
entlang des Rings zu gewährleisten und das Abheben des
Rings zu beschleunigen. Sind mehrere Druckaussparungen vorgesehen,
so sind die obigen bevorzugten Ausführungsformen der einen
Druckaussparung auch für die mehreren Druckaussparungen
bevorzugt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer Kolbennut mit Kolbenring, wie sie
aus dem Stand der Technik bekannt ist; und
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2 ist
eine Draufsicht eines Ausschnitts auf eine Kolbennut mit einer Druckbohrung
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer Kolbennut mit einer erfindungsgemäßen
Druckbohrung und eines Kolbenring.
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BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM DER
ERFINDUNG
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In 2 bezeichnet
das Referenzzeichen 1 einen zylinderförmigen Kolbenkopf,
in dessen Manteloberfläche 10 eine obere Kolbennut 20 eingebracht
ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Kolbennut
verstärkt. Die Kolbennut 20 weist eine obere Nutoberfläche 21 und
einen sich in die Papierebene hinein daran anschließenden
Nutgrund 22 auf. Der Nutgrund 22 schließt
die Nut 20 in radialer Richtung des Kolbenkopfs 1 in
Einschnittrichtung der Nut 20 ab.
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In
die obere Nutoberfläche 21 ist eine Druckbohrung 23 in
Richtung in die Papierebene hinein eingebracht. Die Druckbohrung 23 erstreckt
sich in radialer Richtung des Kolbenkopfs 1 in Einschnittrichtung
der Nut 20. Diese Druckbohrung 23 weist eine geringere
Tiefe als die Nut 20 auf. Sie schließt also in
Richtung in die Papierebene hinein vor dem Nutgrund 22 ab.
Obwohl es in der 2 nicht zu erkennen ist, weist
die Druckaussparung eine Tiefe von ungefähr 2/3 der Ringwanddicke
auf. Die Ringwanddicke ist die Differenz der beiden Ringradien und
ist in 1 mit ΔR bezeichnet. In der Draufsicht
der 2 weist die Druckbohrung 23 einen halbkreisförmigen
Querschnitt in der Manteloberfläche 10 des Zylinderkopfs 1 im
Bereich der Nut 20 auf. Der Querschnitt der Druckbohrung 23 ist
in Erstreckungsrichtung an der Manteloberfläche bzw. in
der Nähe der Manteloberfläche maximal.
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Wenn
sich der in der 2 nicht gezeigte Kolbenring
zu einem Zeitpunkt während des Hoch- und Runterbewegens
des Kolbens an der oberen Nutoberfläche 21 befindet
oder mit dieser in Kontakt steht, kann Druck, der in der Verbrennungskammer aufgebaut
wird, in die Druckbohrung 23 eindringen und somit im Bereich
der Druckbohrung auf der oberen Ringflanke angreifen. Somit vergrößert
sich die Druckangriffsfläche auf den Kolbenring. Da ohne eine
oder mehrere Druckbohrungen 23 lediglich der überstehende
Teil (Y in 1) des Rings für eine Druckangriff
zur Verfügung steht, wird somit eine größere
Fläche für den Druck zur Verfügung gestellt,
so dass ein Abheben von der oberen Kolbenoberfläche und
ein Andrücken auf die untere Kolbenoberfläche beschleunigt
wird. Damit erfolgt eine axiale Bewegung des Kolbenrings in Relation
zur Kolbennut 20 gerichteter und gleichmäßiger.
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Vorzugsweise
sind mehrere dieser Druckbohrungen entlang der Kolbennut vorgesehen,
um das Abheben weiter zu beschleunigen und eine gleichmäßigere
Druckbelastung auf den Ring zu ermöglichen. Die Bewegung
des Rings wird dadurch gleichmäßiger, wodurch
eine Verformung des Rings und Verschleißerscheinungen reduziert
werden können.
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3 zeigt
einen Querschnitt einer Kolbennut und eines Kolbenrings. Die Figur
entspricht der 1 und weist zusätzlich
dazu eine erfindungsgemäße Druckbohrung 23 auf.
Durch die Druckbohrung 23 vergrößert
sich das Spaltmaß X auf X1. Somit
wird der Druckgradient von A nach B reduziert, was eine Verringerung
der Drosselwirkung zur Folge hat. Durch die Reduzierung des Druckgradienten
von A nach B ergibt sich eine, für den Flankenverschleiß, verbesserte
Krafteinleitung. Im Wesentlichen verschiebt sich die Angriffskraft
F um das Maß z in Richtung F1.
Hierdurch wird eine Reduzierung des Kippmoments M eingeleitet. Somit
findet im Punkt M eine axiale Druckentlastung statt. Gepaart mit
einer radialen Kraftkomponente (Sekundärbewegung) wird
der axiale Verschleiß somit minimiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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