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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Kolben zum Einsatz in Verbrennungsmotoren oder Verdichtungsmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung von solchen Kolben nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
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In Verbrennungsmotoren bzw. Verdichtungsmaschinen haben die Kolben die Aufgabe, zusammen mit den Kolbenringen den Brennraum bzw. Verdichtungsraum gegen das Kurbelgehäuse abzudichten. Hierbei ist es wichtig, dass die Reibung minimiert und gleichzeitig der Ölverbrauch begrenzt wird. Diese Funktion wird im Wesentlichen durch die Kolbenringe und ihre Anpresskraft auf die Kolbennutunterflanke und die Zylinderlauffläche erreicht. Um diese Funktion zu gewährleisten ist es allerdings erforderlich, dass der Gasdruck vom Brennraum bzw. vom Verdichtungsraum zum Nutgrund über den Nutquerschnitt zwischen Nutoberflanke und Ringoberflanke gelangen kann. Hierbei ist es nötig, einen ausreichenden Querschnitt zwischen der Kolbennutoberflanke und der Kolbenringoberflanke zu haben. Aus diesem Grund muss ein Mindestnutspiel vorhanden sein. Über dieses wirkt die Kolbenringtangentialkraft dem steigenden Gaskraftdifferenzdruck zwischen Ringlauffläche und Nutgrund entgegen.
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Ein Problem, welches hierbei auftritt, beruht darauf, dass der Gasdifferenzdruck vom Nutspiel abhängig ist. So ist es zwar für den Druckaufbau und -abbau im Nutgrund vorteilhaft, ein großes Nutspiel zu haben, gleichzeitig führt dies aber zu einem erhöhten Verschleiß an den Kolbennutflanken und den Ringflanken aufgrund der verstärkten Anlagewechsel. Zusätzlich verschlechtern sich hierdurch der Ölverbrauch und das Blowby-Verhalten des Motors. Auf der anderen Seite behindert ein kleines Nutspiel den Druckaufbau im Nutgrund und kann außerdem zum Kollaps des Kolbenrings in die Nut hineinführen. Letzteres hat einen negativen Einfluss auf das Blowby-Verhalten und den Ölverbrauch. Ferner ist es möglich, dass durch ein zu kleines Nutspiel ein Verklemmen des Kolbenrings in der Kolbennut hervorgerufen wird (sog. „Ringstecker”).
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Stand der Technik
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In der
US 4,899,702 wird ein Verfahren zur Herstellung von Kolben vorgestellt, welches die genannten Probleme zu umgehen versucht. Hierbei wird die Oberfläche einer Kolbennut gehärtet. Anschließend wird eine Harzoberfläche aufgetragen. Durch den Härtungsprozess wird die Oberfläche der Kolbennut aufgeraut, was jedoch zu einer Erhöhung der Blowby-Gasmenge und des Ölverbrauchs führt.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kolben zu entwickeln, welche sich durch einen verbesserten Druckaufbau im Nutgrund auszeichnen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das in Anspruch 1 beschriebene Produkt. Eine weitere Lösung der Aufgabe durch ein Herstellungsverfahren wird in Anspruch 7 beschrieben.
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In dem erfindungsgemäßen Kolben ist zumindest die Oberflanke mindestens einer Nut zur Aufnahme von Kolbenringen durch eine strukturierte Oberfläche gekennzeichnet, welche an der Nutoberflanke einen Gasaustausch in radialer Richtung bezüglich der Mittelachse des Kolbens ermöglicht. Dies hat den Vorteil, dass über die strukturierte Oberfläche Gas zwischen der Nutoberflanke und dem Nutgrund diffundieren kann und somit ein Druckaufbau im Nutgrund erfolgen kann. Insbesondere wird dies auch bei geringem Kolbennutspiel erreicht.
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Außerdem ermöglicht diese gasdurchlässige Kolbennutoberflanke, dass in allen Arbeitstakten eines Zwei- oder Viertaktmotors sowie in Verdichtungsmaschinen, welche diese Kolben einsetzen, sich der Gasdruck vom Brennraum (Verdichtungsraum) aus auch bei kleinstem Kolbennutspiel sehr schnell über die Nutoberflanke zum Nutgrund fortpflanzen kann. Dies ist, wie bereits erwähnt, für eine gute Flanken- und Laufflächenabdichtung notwendig. Ferner unterstützt dieses Konstruktionsmerkmal auch ein Rückströmen des Gases vom Nutgrund zum Brennraum hin und kann somit das Blowby des Motors verringern.
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Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist, dass auch die Gefahr eines festgehenden Ringes in der Nut verringert werden kann, da sich trotz eines äußerst geringen Nutspiels der Gasdruck in den Nutgrund fortpflanzen kann und den Kolbenring an die Lauffläche presst.
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Bevorzugte Ausführungen des Kolbens sind in den weiteren Patentansprüchen 2 bis 6 beschrieben.
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Vorzugsweise zeichnet sich der Kolben dadurch aus, dass die strukturierte Oberfläche an der Oberfläche ein Plateau mit 45 bis 55% Traganteil, bevorzugt 50% Traganteil, und in einer Tiefe zwischen 0,015 mm und 0,025 mm, bevorzugt 0,020 mm, ein Plateau mit einem Traganteil von 75 bis 85%, bevorzugt 80%, aufweist. Ein Vorteil dieser Gestaltung ist, dass die Nutoberfläche gegenüber den Belastungen während des Betriebs des Motors widerstandsfähig ist.
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Ferner wird bevorzugt, dass die strukturierte Oberfläche Rillen aufweist. Diese Struktur hat im Vergleich zu einer lediglich aufgerauten Oberfläche den Vorteil, dass der Gasdruckausgleich schneller erfolgen kann, da sich die Gase entlang der Rillen schneller bewegen können. Ferner sind solche Rillen einfach durch handelsübliche Schleifgeräte, Laser und andere Werkzeuge zu erzeugen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführung des Kolbens ist, dass die Rillen im Wesentlichen radial verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass beim Druckaustausch das Gas sofort bis auf den Nutgrund vorströmen kann und somit ein schnellerer Gasaustausch ermöglicht wird.
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Eine weitere bevorzugte Ausführung ist, dass die Rillen bogenförmig sind und ihr Scheitel sich am Nutgrund befindet. Mit anderen Worten verlaufen die Rillen am Nutgrund weitgehend tangential zu diesem. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass sich solche bogenförmigen Rillen leicht z. B. durch Rotationsschleifmaschinen, welche oft industriell eingesetzt werden, erzeugen lassen.
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Ferner ist eine bevorzugte Ausführung des Kolbens, dass die Rillen eine Tiefe von 0,05 bis 0,1 mm aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass diese einfach, zum Beispiel über einen Laser oder eine Schleifmaschine, erzeugt werden können. Ein weiterer Vorteil dieser Tiefe ist, dass die Rillen nicht zu tief sind, was mit sich bringen würde, dass die Materialfestigkeit verringert wird, dass es schwieriger würde, solche Rillen zu erzeugen, und dass sich in solchen Rillen Verbrennungsrückstände und andere unerwünschte Stoffe ansammeln können, dass sie aber auch nicht zu flach sind, was eine verringerte Diffusionseffizienz und somit ein Verhindern der erwünschten technischen Effekte mit sich bringen würde.
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Eine weitere Lösung der Aufgabe ergibt sich durch ein Verfahren zur Herstellung von Kolben zum Einsatz in Verbrennungsmotoren und Verdichtungsmaschinen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Oberflanke mindestens einer Nut dergestalt strukturiert wird, dass ein Gasaustausch in radialer Richtung bezüglich der Mitte des Kolbens ermöglicht wird. Dies hat den Vorteil, dass durch die Strukturierung der Oberfläche eine verbesserte Gasdiffusion und somit Druckausgleich zwischen Nutoberflanke und Nutgrund ermöglicht wird, während sich die Probleme, die mit erhöhtem Nutspiel einhergehen, vermeiden lassen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens besteht ferner darin, dass die strukturierte Oberfläche der Kolben durch einen über den Ringumfang konzentrischen Schleif- und/oder Räumprozess mit einer radialen Schnitttiefe von 0,025 bis 0,035 mm, bevorzugt 0,030 mm, und anschließendem Feinschliff erzeugt werden. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist die gute industrielle Ausführbarkeit dieser Methode und ihre weite Verbreitung.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, dass die strukturierte Oberfläche durch Rillen erzeugt wird, welche mittels eines Lasers eingebracht werden. Ein Vorteil dieser Methode ist, dass ein Laser aufgrund der Tatsache, dass er nicht im physischen Kontakt mit dem Werkstück steht, einen geringen Verschleiß aufweist und sich somit die Kosten senken lassen. Ferner kann aufgrund des geringen Verschleißes eines Lasers eine im Vergleich zu herkömmlichen Kontaktwerkzeugen erhöhte Qualität auch auf lange Sicht erreicht werden da die Leistung eines Lasers langfristig gleichbleibend ist. Dies führt zu einer erhöhten Qualität der produzierten Kolben und somit zu weniger Ausschuss.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben, welcher drei Nuten aufweist; und
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2 zeigt einen Querschnitt durch den Kolben in 1 entlang der Linie A-A.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen Kolben 10 zum Einsatz in Verbrennungsmotoren, welcher drei Nuten 12 aufweist.
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In 2 ist ein Querschnitt durch den Kolben 10 in 1 dargestellt, welcher aus dem Kolbenmaterial 20 besteht, wobei dieser Querschnitt entlang der Linie A-A erfolgt ist. In dem Querschnitt ist die strukturierte Oberfläche einer Nut 12 insbesondere die Nutoberflanke 14 dargestellt. Diese weist die Schleifkontur 16 und, gemäß einer anderen Ausführungsform, Laserrillen 18 auf. Insbesondere sind die Rillen oder Riefen der Schleifkontur 16 bogenförmig ausgebildet und verlaufen am Nutgrund überwiegend tangential hierzu, während die Laserrillen 18 weitgehend radial zur Mitte des Kolbens verlaufen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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