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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Die
DE 969 839 offenbart einen Kolben mit an einem äußeren Kolbenmantel verlaufenden Nuten zur Rückführung von Öl, wobei sich die Nuten nach oben erweiternd unmittelbar an einen oberen Ölabstreifring bzw. an einen unteren von kopfseitigen Kolbenringen anschließen.
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Dieser so wie die aus dem Serienbau von Kolben bekannten Kolben für Hubkolbenmaschinen weisen weiteres Potential auf, die Schmiermittelemission der Hubkolbenmaschine zu reduzieren.
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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 nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Kolben für eine Hubkolbenmaschine weist einen oberseitigen Kolbenboden und einen sich darunter anschließenden Kolbensteg auf, welcher drei Ringnuten zur jeweiligen Aufnahme eines Kolbenrings aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ausgehend von dem Kolbenboden zwischen der obersten und der mittleren Ringnut und/oder zwischen der mittleren und der untersten Ringnut zumindest eine Schmiermittelablauföffnung in dem Kolbensteg ausgebildet ist, mittels welcher Schmiermittel von dem Kolbensteg abführbar ist. Mit einer solchen Schmiermittelablauföffnung zwischen der obersten und der mittleren Ringnut und/oder insbesondere zwischen der mittleren und der untersten Ringnut kann die Emission von Schmiermittel der Hubkolbenmaschine auf einem sehr geringen Niveau gehalten werden, da nur sehr geringe Mengen an Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, an den Kolbenringen vorbei in einen zu dem Kolben korrespondierenden Brennraum der Hubkolbenmaschine vorbeiströmen kann. Das Schmiermittel wird vorher zumindest teilweise durch die entsprechende Schmiermittelablauföffnung von dem Kolbensteg abgeführt und somit nicht in dem Brennraum verbrannt.
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Gleichzeitig ermöglicht es der erfindungsgemäße Kolben, die Kolbenringe nur mit sehr geringer Tangentialkraft vorzuspannen, was insbesondere auf einen Ölabstreifring zutrifft, der beispielsweise in der untersten der Ringnuten aufzunehmen ist. Diese reduzierte Tangentialkraft führt wiederum zu geringen Reibungsverlusten der Hubkolbenmaschine und im Umkehrschluss zu einem sehr effizienten Betrieb derselbigen, was den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen der Hubkolbenmaschine gering hält. Dabei ist trotz dieser sehr geringen Tangentialkraft die Schmiermittelemission sehr gering infolge des Abführens des Schmiermittels durch die Schmiermittelablauföffnung.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Schmiermittelablauföffnung als Durchtrittsöffnung ausgebildet, welche von dem Kolbensteg ausgehend in einem inneren Hohlraum des Kolbens mündet, welcher beispielsweise zumindest bereichsweise von dem Kolbensteg und/oder zumindest bereichsweise von einem Kolbenhemd des Kolbens begrenzt ist. Dadurch kann das Schmiermittel optimal von dem Kolbensteg abgeführt werden und zurück in ein Schmiermittelreservoir in ein Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine strömen und so einem Schmiermittelkreislauf der Hubkolbenmaschine wieder zugeführt werden.
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Die Schmiermittelablauföffnung ist zum Beispiel durch Bohren in dem Kolbensteg ausgebildet. Es versteht sich, dass die Schmiermittelablauföffnung einen entsprechend ausreichend großen Querschnitt aufweist, um ein ungehindertes Durchströmen des Schmiermittels zu gewährleisten und somit das Schmiermittel effizient vom Kolbensteg abzuführen.
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Die Schmiermittelablauföffnung zwischen der mittleren und der untersten Nut ist insbesondere dann äußerst vorteilhaft, wenn beispielsweise neben dem unteren Kolbenring, welcher als Ölabstreifring bezeichnet wird, auch der in der mittleren Ringnut aufzunehmende Kolbenring, welcher als Minutenring bezeichnet wird, dazu beiträgt, Schmiermittel von einer Laufbahn des Kolbens abzustreifen. Bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens entlang dessen korrespondierender Laufbahn sammelt sich herkömmlicher Weise das Schmiermittel unter dem Minutenring, kann dabei allerdings, solange der Ölabstreifring noch an einer oberen Kante seiner Ringnut anliegt, nirgendwo abfließen. Ist eine Füllung einer Kammer zwischen einer Unterkante des Minutenrings, des Kolbenstegs, einer Oberkante des Ölabstreifrings und der Laufbahn mit angesammeltem Schmiermittel erreicht, so kann in dem Schmiermittel ein Überdruck entstehen. Dies ist insbesondere zu Beginn eines Arbeitstakts möglich, solange Blow-By-Gas den Minutenring an eine Unterkante seiner Ringnut sowie an die Laufbahn presst und der Ölabstreifring von der Trägheitskraft gegen eine Oberkante seiner Ringnut gedrückt wird, wobei ein zur Verfügung stehendes Schmiermittelsammelvolumen noch kleiner ist als in einem Gasansaug-Takt.
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Neben dem Anpressen des Minutenrings an die Laufbahn durch einen sich aufbauenden hydrostatischen Druck besteht weiterhin herkömmlicher Weise die Gefahr, dass mit dem sich aufstauenden Überdruck Schmiermittel in den Brennraum gefördert wird, beispielsweise durch einen Ringstoß hindurch oder bei einem Anlagewechsel der Kolbenringe oder bei Ringflattern etc., und zwar noch bevor das Schmiermittel am Ölabstreifring vorbei in Richtung des Kurbelgehäuses der Hubkolbenmaschine abgeführt werden kann.
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Diese Problematik führt zu einer erhöhten Schmiermittelemission der Hubkolbenmaschine, was durch den erfindungsgemäßen Kolben allerdings gelöst ist. Die Schmiermittelablauföffnung zwischen der obersten und der mittleren und/oder zwischen der mittleren und der untersten Ringnut ermöglicht ein Abführen des Schmiermittels, bevor es in den Brennraum gelangen kann. Dabei kann auch eine Mehrzahl von Schmiermittelablauföffnungen zwischen den entsprechenden Ringnuten vorgesehen sein. Die Schmiermittelablauföffnung bzw. die Schmiermittelablauföffnungen sind beispielsweise durch Bohrungen in dem Kolbensteg ausgebildet.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Kolben eine Nabe mit zumindest einer Lagerstelle zur Lagerung eines Kolbenbolzens auf, wobei der Lagerstelle Schmiermittel über die Schmiermittelablauföffnung zuführbar ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass bei dieser vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung das von dem Kolbensteg abgeführte Schmiermittel über die Schmiermittelablauföffnung zu der Lagerstelle strömen kann und dort eine Schmierung des Kolbenbolzens gewährleistet. Die Schmierung entsteht dabei durch das direkt ablaufende Schmiermittel. Ergänzend oder alternativ kann sich die Lagerstelle aktiv durch die Schmiermittelablauföffnung mit Schmiermittel versorgen infolge von Pumpwirkungen durch Deformationen der Lagerstelle. Die Versorgung der Lagerstelle reduziert die Reibungsverluste der Hubkolbenmaschine um ein weiteres und verbessert die Kühlung des Kolbens, insbesondere des Kolbenbolzens und der Nabe, was dem effizienten Betrieb der Hubkolbenmaschine und damit dem geringen Kraftstoffverbrauch sowie geringen CO2-Emissionen weiterhin zuträglich ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ausgehend von dem Kolbenboden unterhalb der untersten Ringnut zumindest eine weitere Schmiermittelablauföffnung in dem Kolbensteg ausgebildet, die beispielsweise als weitere Durchtrittsöffnung ausgebildet ist und in dem inneren Hohlraum des Kolbens mündet. Dies führt zu einer sehr guten Abführung von Schmiermittel von dem Kolbensteg und zu sehr geringen Schmiermittelemissionen der Hubkolbenmaschine.
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Eine besonders niedrige Schmiermittelemission der Hubkolbenmaschine ist dadurch realisiert, dass bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zumindest eine weitere Schmiermittelablauföffnung vorgesehen ist, welche sich an eine der Ringnuten anschließt und mittels welcher Schmiermittel aus der Ringnut abführbar ist. Das bedeutet also, dass ein Eintritt der Schmiermittelablauföffnung in der Ringnut angeordnet ist und somit in der entsprechenden Ringnut befindliches Schmiermittel aus dieser abführbar und beispielsweise ebenso in den inneren Hohlraum des Kolbens führbar ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnungen zeigen in:
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1 ausschnittsweise eine schematische und perspektivische Längsschnittansicht eines Kolbens für eine Hubkolbenmaschine; und
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2 eine schematische und perspektivische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kolbens für eine Hubkolbenmaschine gemäß 1.
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Die 1 zeigt einen Kolben 10 für eine Hubkolbenmaschine, welcher in einem Zylinder 12 der Hubkolbenmaschine verschieblich angeordnet ist. Der Kolben 10 ist dabei in dem Zylinder 12 durch eine zu dem Kolben 10 korrespondierende Laufbahn 14 geführt und bewegt sich während des Betriebs der Hubkolbenmaschine in Längsrichtung des Kolbens 10 und des Zylinders 12 gemäß einem Richtungspfeil 16 auf und ab.
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Der Kolben 10 weist einen oberseitigen Kolbenboden 18 sowie einen sich darunter anschließenden Kolbensteg 20 auf, welche wiederum drei Ringnuten 22, 24 und 26 zur Aufnahme eines jeweiligen Kolbenrings 28, 30 und 32 aufweist.
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Zur Kühlung sowie zur Reduzierung der Reibleistung der Hubkolbenmaschine wird die Laufbahn 14 mit Öl 50 benetzt. Damit kein Öl 50 in einen dem Kolben 10 zugeordneten Brennraum der Hubkolbenmaschine strömen kann, wobei der Brennraum oberhalb des Kolbenbodens 18 angeordnet ist, streifen die Kolbenringe 28, 30 und 32 das Öl 50 von der Laufbahn 14 bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 10 gemäß einem Richtungspfeil 34 ab. Diese Funktion des Abstreifens des Öls 50 übernimmt insbesondere der als Ölabstreifring bezeichnete Kolbenring 32. Um die Reibung zwischen den Kolbenringen 28, 30 und 32 und der Laufbahn 14 gering zu halten, weisen die Kolbenringe 28, 30 und 32 geringe Tangentialkräfte auf, wodurch auch der als Minutenring bezeichnete Kolbenring 30 die Aufgabe des Abstreifens des Öls 50 übernimmt.
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Damit sich nun unterhalb des Kolbenrings 30 kein bzw. nicht all zu viel Öl 50 ansammelt und sich kein zu hoher Druck durch das Öl 50 aufbaut, wodurch es an dem Kolbenring 30 sowie an dem Kolbenring 28 in den Brennraum strömen kann, ist zwischen der mittleren Ringnut 24 und der untersten Ringnut 26 eine Ölablaufbohrung 36 in dem Kolbensteg 20 ausgebildet, mittels welcher Öl 50 von dem Kolbensteg 20 in einen inneren Hohlraum 38 des Kolbens 10 abführbar ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass Öl 50, welches sich bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 10 unterhalb des Kolbenrings 30 ansammelt, über die Ölablaufbohrung 36 in den Hohlraum 38 abfließen kann. Dadurch kann sich kein oder nur wenig Öl 50 unterhalb des Kolbenrings 30 sammeln und so einen geringen oder gar keinen Druck aufbauen und somit kein oder nur sehr wenig Öl 50 an dem Kolbenring 30 vorbei in den Brennraum strömen. Dies hält die Ölemissionen der Hubkolbenmaschine sehr gering. Gleichzeitig können die Reibleistungsverluste der Hubkolbenmaschine sehr geringen gehalten werden, da keine sehr hohen Tangentialkräfte zur Vorspannung der Kolbenringe 28, 30 und 32 vonnöten sind um ein Strömen des Öls 50 in den Brennraum zu vermeiden.
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Über die Ölablaufbohrungen 36, 42 und 44 und den Hohlraum 38 kann dann das Öl 50 in einen unterhalb des Kolbens 10 gemäß dem Richtungspfeil 34 angeordneten Kurbelraum eines Kurbelgehäuses der Hubkolbenmaschine abfließen und ist somit einem Ölkreislauf wieder zugeführt.
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In der 1 dargestellt ist außerdem ein Übergang 40 zu einem Kolbenhemd des Kolbens 10, über welches sich der Kolben 10 an der Laufbahn 14, insbesondere bei hohen Brennraumdrücken abstützt.
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Wie der 1 weiterhin zu entnehmen ist, weist der Kolben 10 weitere Ölablaufbohrungen 42 und 44 auf. Die Ölablaufbohrung 42 schließt sich in radialer Richtung des Kolbens 10 gemäß einem Richtungspfeil 46 an die Ringnut 26 an, wodurch mittels der Ölablaufbohrung 42 in der Ringnut 26 befindliches Öl 50 aus der Ringnut 26 abführbar und in den Hohlraum 38 führbar ist. Die Ölablaufbohrung 44 gewährleistet ein Abführen von Öl 50, welches sich unterhalb des Kolbenrings 32 ansammelt und trägt ebenso zu geringen Ölemissionen der Hubkolbenmaschine bei.
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Darüber hinaus weist der Ölabstreifring 32 selbst eine Ölablaufbohrung 48 auf, die sich in radialer Richtung des Kolbens 10 sowie des Kolbenrings 32 gemäß dem Richtungspfeil 46 erstreckt. Die Ölablaufbohrung 48 begünstigt das Strömen von von der Laufbahn 14 abgestreiftem Öl 50 in die Ringnut 26 und damit zur Ölablaufbohrung 42, über welche das Öl 50 in den Hohlraum 38 abgeführt werden kann.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kolbens 10 gemäß 1 mit dem Kolbenboden 18, dem sich darunter anschließenden Kolbensteg 20 mit den drei Ringnuten 22, 24 und 26 sowie mit einem sich unterhalb des Kolbenstegs 20 anschließenden Kolbenhemd 52. Weiterhin weist der Kolben 10 gemäß 2 eine Kolbenmulde 54 sowie eine Nabe 56 mit einer Lagerstelle 58 zur Lagerung eines Kolbenbolzens auf.
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Weiterhin sind zwei Ölablaufbohrungen 60 und 62 vorgesehen, wobei die Ölablaufbohrung 62 zwischen den Ringnuten 24 und 26 und die Ölablaufbohrung 60 unterhalb der untersten Ringnut 26 angeordnet sind. Mittels der Ölablaufbohrungen 60 und 62 ist wiederum Öl 50 von dem Kolbensteg 20 abführbar, welches sich unterhalb der entsprechenden Kolbenringe 28, 30 und 32 beim Abstreifen des Öls 50 von der Laufbahn angesammelt hat.
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Wie der 2 zu entnehmen ist, ist der Lagerstelle 58 Öl 50 über die Ölablaufbohrungen 60 und 62 zuführbar, wodurch die Lagerstelle 68, die Nabe 56 sowie der Kolbenbolzen zu schmieren und zu kühlen sind.
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Nach erfolgter Schmierung und Kühlung der Nabe 56, der Lagerstelle 58 sowie des Kolbenbolzens kann dann das Öl 50 in den Kurbelraum der Hubkolbenmaschine abfließen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kolben
- 12
- Zylinder
- 14
- Laufbahn
- 16
- Richtungspfeil
- 18
- Kolbenboden
- 20
- Kolbensteg
- 22
- Ringnut
- 24
- Ringnut
- 26
- Ringnut
- 28
- Kolbenring
- 30
- Kolbenring
- 32
- Kolbenring
- 34
- Richtungspfeil
- 36
- Ölablaufbohrung
- 38
- Hohlraum
- 40
- Übergang
- 42
- Ölablaufbohrung
- 44
- Ölablaufbohrung
- 46
- Richtungspfeil
- 48
- Ölablaufbohrung
- 50
- Öl
- 52
- Kolbenhemd
- 54
- Kolbenmulde
- 56
- Nabe
- 58
- Lagerstelle
- 60
- Ölablaufbohrung
- 62
- Ölablaufbohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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