DE102009018981A1 - Kolben für eine Hubkolbenmaschine - Google Patents

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Martin Dipl.-Ing. Schmid
Tobias SCHÄDEL
Sven Skorupa
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/02Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (10) für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, welcher insbesondere im Wesentlichen aus Stahl gebildet ist und einen Kolbensteg (12), eine Nabe (26) zur Lagerung eines Kolbenbolzens und ein Kolbenhemd (13) aufweist, welches über einen aus dem Werkstoff des Kolbens (10) gebildeten, im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser wie das Kolbenhemd (13) aufweisenden Übergangsbereich in den Kolbensteg (12) übergeht, wobei die Nabe (26) vom Kolbenhemd (13) beabstandet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolbenmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Solche Kolben sind allgemein bekannt. Ein derartiger Kolben für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, ist im Wesentlichen aus Stahl gebildet und weist einen Kolbensteg, eine Nabe zur Lagerung eines Kolbenbolzens und ein Kolbenhemd auf, welches über einen aus dem Werkstoff des Kolbens gebildeten, im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser wie das Kolbenhemd aufweisenden Übergangsbereich in den Kolbensteg übergeht. Dies bedeutet also, dass das Kolbenhemd direkt an den Kolbensteg angebunden ist. Der genannte Übergangsbereich ist dabei mit dem Kolben einstückig ausgebildet.
  • Derartige Stahlkolben weisen den Nachteil auf, dass es bei verschiedenen Betriebstemperaturen in der Hubkolbenmaschine zu einem erhöhten Kolbengeräusch kommt, welches dadurch verursacht ist, dass die Stahlkolben einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen als ein Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine, welches aus Aluminium gebildet ist. Daraus resultieren unterschiedliche Betriebsspiele der Kolben im Kurbelgehäuse.
  • Speziell in einem Warmbetrieb von Stahlkolben in Aluminium-Kurbelgehäusen führen diese unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu unerwünschten Kolbengeräuschen, da sich in diesem Falle das Kurbelgehäuse, speziell eine Zylinderbohrung, in welchem ein Kolben geführt ist, stärker ausdehnt als der korrespondierende Stahlkolben, was zu einem erhöhten Spiel zwischen Stahlkolben und Zylinderbohrung bzw. Zylinderwand und damit zu den erwähnten Kolbengeräuschen führt.
  • Eine Möglichkeit zur Verhinderung dieses Geräusches besteht darin, ein Kalteinbauspiel zu verringern. Dies birgt aber die Gefahr eines Fressens des Kolbens und bringt eine höhere Reibung mit, wodurch es zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und damit zu CO2-Emissionen der korrespondierenden Hubkolbenmaschine in Form einer Verbrennungskraftmaschine kommt.
  • Alternativ kann ein Einsatz eines Aluminiumkolben vorgesehen sein, welcher allerdings eine geringere Festigkeit und eine hohe Reibung bei hohen Betriebstemperaturen in Folge einer hohen Wärmeausdehnung aufweist, wodurch es wiederum zu erhöhten CO2-Emissionen in Folge eines erhöhten Kraftstoffverbrauchs kommt.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben für eine Hubkolbenmaschine der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass ein reduziertes Kolbengeräusch ermöglicht ist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Kolben für eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Ein Kolben für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, welcher insbesondere im Wesentlichen aus Stahl gebildet ist und einen Kolbensteg, eine Nabe zur Lagerung eines Kolbenbolzens und ein Kolbenhemd aufweist, welches über einen aus dem Werkstoff des Kolbens gebildeten, im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser wie das Kolbenhemd aufweisenden Übergangsbereich in den Kolbensteg übergeht, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Nabe vom Kolbenhemd beabstandet ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass ein vom Kolbenhemd separater Bereich existiert, durch welchen die Nabe zur Aufnahme des Kolbenbolzen gebildet ist, oder umgekehrt ausgedrückt, existiert ein Kolbenhemdbereich, welcher separat und getrennt von dem Bereich, der die Nabe bildet, ausgeführt ist. Dies hat zur Folge, dass eine Wärmeabfuhr über die Nabe des Kolben drastisch reduziert oder gar vermieden ist. Dadurch weist der Kolben in einem Betrieb der Hubkolbenmaschine eine deutlich erhöhte Temperatur auf, wodurch er sich also in Folge einer Wärmeausdehnung ausdehnt. In Zusammenhang mit einem Aluminiumgehäuse bedeutet dies nunmehr, dass sich also nicht nur eine Zylinderbohrung, in welcher der Kolben geführt ist und welche durch das Kurbelgehäuse gebildet ist, sich ebenso oder nahezu ebenso stark ausdehnt in Folge einer Wärmeausdehnung in einem Betrieb der Hubkolbenmaschine wie eben der im Wesentlichen aus Stahl gebildete Kolben.
  • Dies ist trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl und Aluminium dadurch erreicht, dass, wie beschrieben, der Kolben nun eine höhere Temperatur aufweist, da eine verminderte Wärmeabfuhr über die Nabe erreicht ist in Folge der Trennung des Bereichs, der die Nabe bildet und des Bereich, der das Kolbenhemd des Kolbens bildet.
  • Auf Grund der so erreichten gleichmäßigen Ausdehnung des Kolben und der Zylinderbohrung zueinander ist eine Vermeidung eines erhöhten Spiels zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung bzw. Zylinderwand insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen der Hubkolbenmaschine erreicht, womit eine Vermeidung eines eingangs beschriebenen Kolbengeräusches einhergeht.
  • Gleichzeitig ist ein Wärmeeintrag von einem Brennraum in den Kolben und insbesondere in das Kolbenhemd bzw. den Bereich, der das Kolbenhemd bildet dadurch gegeben, dass das Kolbenhemd direkt an den Kolbensteg in Kolbenlängsachsenrichtung an den Kolbensteg angebunden ist. Dadurch ist eine weitere Vergleichsmäßigung der Wärmeausdehnung von Kolben und Zylinderbohrung gegeben.
  • Durch diese Kombination eines erhöhten Wärmeeintrags und eines reduzierten Wärmeverlusts ist das genannte Kolbengeräusch besonders effizient vermeidbar.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine Aussparung des Kolbenhemds vorgesehen ist, mittels welcher die Nabe vom Kolbenhemd beabstandet ist. Idealer Weise ist eine Mehrzahl von derartigen Aussparungen vorgesehen, um das Kolbenhemd besonders deutlich von der Nabe zu beabstanden zur Reduzierung des Wärmeverlusts und zur Vermeidung des Kolbengeräusches in Folge einer gleichmäßigen Wärmeausdehnung zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung. Bei dieser Ausführungsform kann beispielsweise der Stahlkolben in bekannter Weise hergestellt werden, woraus sich ein Bearbeitungsprozess anschließt, mittels dem diese Aussparung des Kolben eingebracht wird. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Aussparung während eines Gussprozesses oder eines anderweitigen Herstellungsprozesses des Kolbens ausgebildet wird. Dies bedeutet eine kostenunaufwendige Realisierung eines derartigen Kolbens zur Erreichung aller bisher beschriebenen Vorteile, was damit auch Gesamtkosten für die Verbrennungskraftmaschine gering hält.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Kolbenhemd durch zumindest zwei Kreiszylindersegmente gebildet, die auf einer Druck- und Gegendruckseite des Kolbens angeordnet sind und diesen gegenüber der Zylinderwand abstützen zur Einleitung der Kolbenseitenkräfte in das Kurbelgehäuse. In dieser Ausführungsform sind die im Zusammenhang mit der gleichmäßigen Wärmeausdehnung zwischen dem Kolben und dem Kurbelgehäuse beschriebenen Vorteile erreicht, bei gleichzeitiger hoher Stabilität bzw. Festigkeit des Kolbens, wodurch hohe Zylinderdrücke ermöglicht sind, was einen effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bzw. der Hubkolbenmaschine bedeutet.
  • Sind die Kreiszylindersegmente jeweils in einem Winkelbereich von 40° bis 90° ausgebildet, so kann dadurch eine Reduzierung des Wärmeverlusts bei gleichzeitiger Festigkeit des Kolbens in Abhängigkeit der jeweiligen Aufgabenstellung realisiert werden. Dadurch ist ein Kolben gebildet, der somit die Vorteile einer gleichmäßigen Ausdehnung zwischen dem Kolben und dem Kurbelgehäuse kombiniert mit den Vorteilen der Möglichkeit von hohen Zylinderdrücken und damit einer effizienteren Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine bzw. der Hubkolbenmaschine, woraus ein geringer Kraftstoffverbrauch und damit niedrigere CO2-Emissionen resultieren.
  • Eine alternative und vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Kolbenhemd durch ein Kreiszylindersegment ausgebildet ist, welches über 360° ausgebildet ist. Dies bedeutet also, dass das Kolbenhemd um einen Umfang des Kolben umläuft zur Realisierung einer hohen Stabilität des Kolbenhemds zur Aufnahme bzw. Übertragung von hohen Kolbenseitenkräfte in Folge hoher Zylinderdrücke. In diesem Falle ist eine zweite, näher zu einem Mittelpunkt des Kolben hin orientierte Ebene vorgesehen, in welcher ein Bereich des Kolbens die Nabe zur Aufnahme des Kolbenbolzens bildet. Das bedeutet also, dass das Kolbenhemd in diesem Falle diese Ebene, in der die Nabe gebildet ist, umgibt.
  • In diesem Falle ist also ebenso erreicht, dass die Nabe zur Aufnahme des Kolbenbolzens vom Kolbenhemd beabstandet ist zur Erreichung eines reduzierten Wärmeverlusts in Folge einer geringeren Wärmeübertragung vom Kolbenhemd auf die Nabe.
  • In diesem Falle weist das Kolbenhemd vorteilhafter Weise zumindest eine Durchgangsöffnung auf, welche also eine Montageöffnung zur Montage des Kolbenbolzens darstellt. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Durchmesser dieser Durchgangsöffnung mindestens so groß ist, wie der Kolbenbolzen bzw. die Nabe des Kolbens, welche den Kolbenbolzen aufnehmen kann.
  • Die dadurch erzielte größere Wärmeausdehnung des Kolbenhemds in radialer Richtung gegenüber bekannter Kolben, insbesondere Stahlkolben, kann ein Stahlkolben mit üblichen Betriebsspielen in ein Aluminium-Kurbelgehäuse verbaut werden, ohne das es zu akustischen Auffälligkeiten in Folge eines Kolbenspiels kommt. Des Weiteren sind insbesondere bei der Ausführungsform, bei welcher das Kolbenhemd durch zumindest zwei Kreiszylindersegmente gebildet ist, in Folge einer erhöhten Elastizität gegebenenfalls negative Kolbenspiele (Überdeckung bei Kälte) besser ertragbar.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombination sowie die in der nachfolgenden in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der angegeben Kombination sonder auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Die Figur zeigt eine Seitenansicht sowie eine Querschnittsansicht eines Kolbens für eine Hubkolbenmaschine, bei welchem eine Nabe zur Lagerung eines Kolbenbolzens von einem Kolbenhemd des Kolbens beabstandet ist.
  • Die Figur zeigt einen Kolben 10, welcher einen Kolbensteg 12 umfasst, mittels welchem drei Kolbenringe aufnehmbar sind. Des Weiteren weist der Kolben 10 ein Kolbenhemd 13 auf, welches durch zwei Kreiszylindersegmente 14 und 16 gebildet ist. Das Kolbenhemd 13 ist, wie in der Figur zu sehen ist, durch Aussparungen 18, 20, 22 und 24 von einer Nabe 26 beabstandet. Daraus resultiert ein geringerer Wärmeübertrag vom Kolbenhemd 13 an die Nabe 26, wodurch der Kolben 10 ein höheres Temperaturniveau während eines Betriebes in der Hubkolbenmaschine aufweist und wodurch es zu einer höheren Wärmeausdehnung des Kolbens 10 kommt.
  • Mittels der Nabe 26 ist dabei ein Kolbenbolzen lagerbar zur Verbindung des Kolbens 10 mit einem Pleuel der Hubkolbenmaschine. Die Kreiszylindersegmente 14 und 16 sind auf einer Druck- bzw. Gegendruckseite des Kolbens 10 angeordnet zur Übertragung von Kolbenseitenkräfte in das Kurbelgehäuse. Sie sind vorteilhafter Weise in einen Winkelbereich von jeweils 40° bis 90° ausgebildet.
  • Dies wird dadurch unterstützt, dass das Kolbenhemd 13 direkt, ohne Aussparung oder dergleichen, an den Kolbensteg 12 angebunden ist. Insbesondere bei einem Einsatz des Kolbens 10 in einem Kurbelgehäuse, welches im Wesentlichen aus Aluminium gebildet ist, bedeutet dies eine gleichmäßige Wärmeausdehnung des Kolbens 10, welcher aus Stahl gebildet ist, wodurch es zu einem geringeren Kolbenspiel und damit zu einem geringeren Kolbengeräusch kommt.
  • 10
    Kolben
    12
    Kolbensteg
    14
    Kreiszylindersegment
    13
    Kolnemhemd
    16
    Kreiszylindersegment
    18
    Aussparung
    20
    Aussparung
    22
    Aussparung
    24
    Aussparung
    26
    Nabe

Claims (6)

  1. Kolben (10) für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, welcher insbesondere im Wesentlichen aus Stahl gebildet ist und einen Kolbensteg (12), eine Nabe (26) zur Lagerung eines Kolbenbolzens und ein Kolbenhemd (13) aufweist, welches über einen aus dem Werkstoff des Kolbens (10) gebildeten, im Wesentlichen einen gleichen Durchmesser wie das Kolbenhemd (13) aufweisenden Übergangsbereich in den Kolbensteg (12) übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (26) vom Kolbenhemd (13) beabstandet ist.
  2. Kolben (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Aussparung (18, 20, 22, 24) des Kolbenhemds (13) vorgesehen ist, mittels welcher die Nabe (26) vom Kolbenhemd (13) beabstandet ist.
  3. Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenhemd (13) durch zumindest zwei Kreiszylindersegmente (14, 16) gebildet ist.
  4. Kolben (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreiszylindersegmente (14, 16) jeweils in einem Winkelbereich von 40° bis 90° ausgebildet sind.
  5. Kolben (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenhemd (13) durch ein Kreiszylindersegment (14, 16) ausgebildet ist, welches über 360° ausgebildet ist
  6. Kolben (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenhemd (13) zumindest eine Durchgangsöffnung aufweist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102012009030A1 (de) 2012-05-05 2013-11-07 Mahle International Gmbh Anordnung aus einem Kolben und einem Kurbelgehäuse für einen Verbrennungsmotor
WO2018104399A1 (de) * 2016-12-06 2018-06-14 Ks Kolbenschmidt Gmbh Gewichtsoptimierter stahlkolben

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