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Die
Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolbenmaschine nach
dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Durch
diese Kombination eines erhöhten Wärmeeintrags
und eines reduzierten Wärmeverlusts
ist das genannte Kolbengeräusch
besonders effizient vermeidbar.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 10
- Kolben
- 12
- Kolbensteg
- 14
- Kreiszylindersegment
- 13
- Kolnemhemd
- 16
- Kreiszylindersegment
- 18
- Aussparung
- 20
- Aussparung
- 22
- Aussparung
- 24
- Aussparung
- 26
- Nabe