DE102011012686A1

DE102011012686A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102011012686A1
Application number: DE102011012686A
Authority: DE
Inventors: Rainer Scharp
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2012-09-06
Also published as: US20120285404A1; WO2012116687A1; JP6021826B2; JP2014511454A; CN103403406A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (17), wobei der Kolbenkopf (11) eine umlaufende Ringpartie (15) sowie im Bereich der Ringpartie (15) einen umlaufenden Kühlkanal (16) aufweist und der Kolbenschaft (17) jeweils eine seiner Druckseite (DS) und eine seiner Gegendruckseite (GDS) zugeordnete Lauffläche (22, 23) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens eine vom Kühlkanal (16) ausgehende Bohrung (24) vorgesehen ist, die in Form einer Bohrungsöffnung (25) in die der Gegendruckseite (GDS) zugeordnete Lauffläche (23) mündet und geneigt angeordnet ist, derart, dass sie mit der Kolbenmittelachse (M) einen spitzen Winkel (α) einschließt, und dass die der Gegendruckseite (GDS) zugeordnete Lauffläche (23) im Bereich der mindestens einen Bohrungsöffnung (25) eine Vertiefung (26) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf eine umlaufende Ringpartie sowie im Bereich der Ringpartie einen umlaufenden Kühlkanal aufweist und der Kolbenschaft jeweils eine seiner Druckseite und eine seiner Gegendruckseite zugeordnete Lauffläche aufweist.
In modernen Verbrennungsmotoren ist es schwierig, eine optimale Schmierölversorgung der Laufflächen zu gewährleisten. Dies gilt sowohl für den Aufwärtshub, bei dem die der Gegendruckseite des Kolbens zugeordnete Lauffläche an der korrespondierenden Zylinderlauffläche anliegt als auch für den Abwärtshub, bei dem die der Druckseite des Kolbens zugeordnete Lauffläche an der korrespondierenden Zylinderlauffläche anliegt. Beim Aufwärtshub bewegt sich der Kolben in einem Bereich, in dem in der Regel wenig oder kein Öl angeboten wird, da beim vorausgegangenen Abwärtshub der Ölabstreifring das vorhandene Öl in Richtung Kurbelwellengehäuse transportiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass im Motorbetrieb eine verbesserte Schmierölversorgung der der Gegendruckseite zugeordneten Lauffläche des Kolbens möglich ist.
Die Lösung besteht darin, dass mindestens eine weitere vom Kühlkanal ausgehende Bohrung vorgesehen ist, die in Form einer Bohrungsöffnung in die der Gegendruckseite zugeordnete Lauffläche mündet und geneigt angeordnet ist, derart, dass sie mit der Kolbenmittelachse einen spitzen Winkel einschließt, und dass die der Gegendruckseite zugeordnete Lauffläche im Bereich der mindestens einen Bohrungsöffnung eine Vertiefung aufweist.
Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass der der Gegendruckseite zugeordneten Lauffläche aus dem Kühlkanal gezielt Schmieröl zugeführt wird, so dass ein hydrodynamisches Aufschwimmen des Kolbens auf einem Schmierölfilm ermöglicht wird. Dies wird durch die die mindestens eine Bohrungsöffnung umgebende Vertiefung ermöglicht. Beim Aufwärtshub wird Schmieröl aus dem Kühlkanal in die Bohrung gedrückt, tritt durch die mindestens eine Bohrungsöffnung aus und wird in der mindestens einen Vertiefung abgefangen. Das abgefangene Schmieröl verteilt sich in der mindestens einen Vertiefung. Da aus dem Kühlkanal ständig Schmieröl nachgeliefert wird, kann sich ein Öldruck aufbauen. Das Schmieröl kann aus der mindestens einen Vertiefung auf die Lauffläche übertreten und eine zuverlässige Schmierung derselben bewirken, so dass die beim Aufwärtshub auftretenden Reibungskräfte deutlich reduziert werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die mindestens eine Bohrungsöffnung mündet vorzugsweise unmittelbar unterhalb der Ringpartie in die Lauffläche, so dass insbesondere der obere Bereich der Lauffläche mit Schmieröl versorgt wird.
Es können mindestens zwei Bohrungen vorgesehen sein, um die Versorgung der Lauffläche mit Schmieröl zu gewährleisten.
Die mindestens eine Vertiefung ist bevorzugt kreisförmig oder halbkreisförmig ausgebildet, da eine solche Geometrie besonders einfach herzustellen ist.
Die Vertiefung kann eine Tiefe von 10 μm bis 30 μm aufweisen, damit einerseits genügend Schmieröl abgefangen wird, andererseits ein ausreichend hoher Öldruck aufgebaut wird.
Je nach Kolbenbauart kann die Vertiefung im Werkstoff des Kolbens selbst ausgebildet sein, sie kann aber auch in oder durch eine Beschichtung ausgebildet sein, die auf der Lauffläche aufgebracht ist.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung sieht vor, eine vom Kühlkanal ausgehende Bohrung vorgesehen ist, die in einen Bohrungsauslauf übergeht, der in die der Druckseite zugeordnete Lauffläche mündet und geneigt angeordnet ist, derart, dass der Bohrungsauslauf mit der Kolbenmittelachse einen spitzen Winkel einschließt, so dass eine Öffnung in der Lauffläche gebildet ist, dass zwischen der Bohrung und dem Bohrungsauslauf eine zur Lauffläche geneigte und in dieselbe übergehende Ablenkfläche vorgesehen ist, und dass die der Druckseite zugeordnete Lauffläche im Bereich der Öffnung eine Vertiefung aufweist, die oberhalb der Öffnung mindestens einen Ölfangbereich bildet.
Hierbei wird beim Aufwärtshub Schmieröl aus dem Kühlkanal in die Bohrung gedrückt und tritt durch den Bohrungsauslauf aus. Beim anschließenden Abwärtshub wird ein Teil des Schmieröls durch die Ablenkfläche abgefangen und der Rest läuft in den Kühlkanal zurück. Das im Verlauf des Abwärtshubs abgefangene Schmieröl verteilt sich in der die Öffnung umgebende Vertiefung, so dass auch hier ein Öldruck aufgebaut wird. Anschließend kann das Schmieröl aus der Vertiefung auf die Lauffläche übertreten und eine zuverlässige Schmierung derselben bewirken, so dass die beim Abwärtshub auftretenden Reibungskräfte ebenfalls deutlich reduziert werden.
Der Ölfangbereich erstreckt sich bevorzugt quer zur Öffnung, so dass ein möglichst großer Bereich der Lauffläche mit Schmieröl versorgt wird.
Besonders bevorzugt bildet der Ölfangbereich beiderseits jeweils ein Ölsammelreservoir. Dadurch wird Schmieröl bevorzugt im oberen Bereich der Lauffläche gesammelt und kann auf diesen Bereich der Lauffläche übertreten. Damit wird der am höchsten belastete Bereich der Lauffläche besonders zuverlässig mit Schmieröl versorgt.
Die Bohrung kann zweckmäßigerweise in einer im Inneren des Kolbens gebildeten Werkstoffverdickung verlaufen, die bereits bei der Herstellung des Kolbenrohlings, bspw. beim Schmieden oder Gießen, eingebracht werden kann.
Die vom Bohrungsauslauf gebildete Öffnung kann bspw. unterhalb der Nabenmitte in der Lauffläche gebildet sein, um einen möglichst großen Bereich der Lauffläche mit Schmieröl zu versorgen.
Die Vertiefung kann eine Tiefe von 10 μm bis 30 μm aufweisen, damit einerseits genügend Schmieröl abgefangen wird, andererseits ein ausreichend hoher Öldruck aufgebaut wird.
Je nach Kolbenbauart kann die Vertiefung im Werkstoff des Kolbens selbst ausgebildet sein, sie kann aber auch in einer Beschichtung ausgebildet sein, die auf der Lauffläche aufgebracht ist.
Die vorliegende Erfindung ist für alle Kolbentypen und alle Kolbenbauarten geeignet.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer Teildarstellung im Schnitt;
2 der Kolben gemäß 1 in einer um 90° gedrehten Seitenansicht.
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
4 der Kolben gemäß 3 in einer um 90° gedrehten Seitenansicht;
5 eine vergrößerte Teildarstellung des Kolbens gemäß 3;
6 eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens.
Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 kann ein einteiliger oder mehrteiliger Kolben sein. Der Kolben 10 kann aus einem Stahlwerkstoff und/oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein. Die 1 und 2 zeigen beispielhaft einen einteiligen Kastenkolben 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem eine Verbrennungsmulde 13 aufweisenden Kolbenboden 12, einem umlaufenden Feuersteg 14 und einer Ringpartie 15 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 15 ist ein umlaufender Kühlkanal 16 vorgesehen. Der Kolben 10 weist ferner einen Kolbenschaft 17 mit Kolbennaben 18 und Nabenbohrungen 19 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Die Kolbennaben 18 sind über Nabenanbindungen 21 mit der Unterseite 11a des Kolbenkopfes 11 verbunden. Die Kolbennaben 17 sind über Laufflächen 22, 23 miteinander verbunden. Hierbei ist die Lauffläche 22 der Druckseite DS des Kolbens 10 und die Lauffläche 23 der Gegendruckseite GDS des Kolbens 10 zugeordnet.
Der erfindungsgemäße Kolben 10 weist im Ausführungsbeispiel zwei, vom Kühlkanal 16 ausgehende Bohrungen 24 auf. Die Bohrungen 24 verlaufen in Richtung der der Gegendruckseite GDS zugeordneten Lauffläche 23 und sind geneigt angeordnet, derart, dass sie mit der Kolbenmittelachse M einen spitzen Winkel α einschließen (vgl. 1).
Die Bohrungen 24 münden in Form von Bohrungsöffnungen 25 in die Lauffläche 23. Im Ausführungsbeispiel münden die beiden Bohrungsöffnungen 25 unmittelbar unterhalb der Ringpartie 15 des Kolbenkopfes 11 im Bereich der Nabenanbindung 21 des Kolbenschafts 17 in die Lauffläche 23. Die Bohrungsöffnungen 25 sind im Ausführungsbeispiel in den oberen Randbereichen der Lauffläche 23 angeordnet (vgl. 2). Selbstverständlich können sowohl lediglich eine Bohrungsöffnung als auch drei oder mehr Bohrungsöffnungen vorgesehen sein, die dann zweckmäßigerweise über die Breite der Lauffläche 23 verteilt sein sollten.
Die der Gegendruckseite GDS zugeordnete Lauffläche 23 weist im Bereich der Bohrungsöffnungen 25 jeweils eine Vertiefung 26 auf. Im Ausführungsbeispiel ist die Lauffläche 23 mit einer Beschichtung 23a, bspw. Grafal^® versehen, und die Vertiefungen 26 sind in die Beschichtung 23a oder in dieser hindurch bis zur Kolbenschaftoberfläche eingebracht. Im Ausführungsbeispiel weisen die Vertiefungen 26 eine Tiefe von etwa 20 μm auf. Die Vertiefungen 26 können auch direkt in den Werkstoff der Lauffläche 23 eingebracht sein, sei es, weil die Tiefe der Vertiefungen die Dicke der Beschichtung übersteigt, sei es, weil keine Beschichtung vorhanden ist.
Die Vertiefungen 26 umgeben die Bohrungsöffnungen 25 im Ausführungsbeispiel in etwa halbkreisförmig. Es ist auch denkbar, dass die Bohrungsöffnungen 25 in größerem Abstand zur Ringpartie 15 angeordnet und die Vertiefungen 26 die Bohrungsöffnungen 25 kreisförmig umgeben.
Die der Gegendruckseite GDS zugeordnete Lauffläche 23 des erfindungsgemäßen Kolbens 10 wird im Motorbetrieb wie folgt gezielt mit Schmieröl versorgt. Beim Aufwärtshub wird Schmieröl aus dem Kühlkanal 16 in die Bohrungen 24 gedrückt, tritt durch die Bohrungsöffnungen 25 aus und wird in den Vertiefungen 26 abgefangen. Das abgefangene Schmieröl verteilt sich in den Vertiefungen 26. Da aus dem Kühlkanal 16 ständig Schmieröl nachgeliefert wird, kann sich ein Öldruck aufbauen, so dass die Lauffläche 23 des Kolbens 10 gegenüber der korrespondierenden Zylinderlauffläche hydrodynamisch aufschwimmen kann. Das Schmieröl kann aus Vertiefungen 26 auf die Lauffläche 23 übertreten und eine zuverlässige Schmierung derselben bewirken, so dass die auftretenden Reibungskräfte deutlich reduziert werden. Durch die bevorzugte Anordnung der Bohrungsöffnungen 25 unmittelbar unterhalb der Ringpartie 15 wird insbesondere der hoch belastete obere Bereich der Lauffläche 23 mit Schmieröl versorgt.
Die 3 bis 6 zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Kolbens 110. Der Kolben 110 entspricht in seinem Aufbau dem Kolben 10 gemäß den 1 und 2, so dass gleiche Strukturen mit denselben Bezugszeichen versehen sind und diesbezüglich auf die obige Figurenbeschreibung zu den 1 und 2 verwiesen wird.
Der erfindungsgemäße Kolben 110 zeichnet sich durch die folgenden zusätzlichen Merkmale aus.
Der Kolben 110 weist eine weitere vom Kühlkanal 16 ausgehende Bohrung 127 auf. Die Bohrung 127 ist in eine Werkstoffverdickung 128 aufgenommen, die im Innenraum 129 des Kolbens 110 gebildet ist. Die Werkstoffverdickung 128 kann bspw. bei der Herstellung des Kolbenrohlings, wie Gießen oder Schmieden, eingebracht werden. Die Bohrung 127 verläuft in Richtung der der Druckseite DS zugeordneten Lauffläche 22 und geht in einen Bohrungsauslauf 131 über. Der Bohrungsauslauf 131 mündet in die der Druckseite DS zugeordnete Lauffläche 22. Der Bohrungsauslauf 131 ist geneigt angeordnet, derart, dass er mit der Kolbenmittelachse M einen spitzen Winkel β einschließt (vgl. 5). Im Ausführungsbeispiel weist die Bohrung 127 dieselbe Neigung auf wie der Bohrungsauslauf 131, so dass die Bohrung 127 mit der Kolbenmittelachse M denselben spitzen Winkel β einschließt wie der Bohrungsauslauf 131. Je nach Bauart des Kolbens 110 und Lage des Kühlkanals 16 kann die Bohrung 127 aber auch abweichend hiervon verlaufen.
Zwischen der Bohrung 127 und dem Bohrungsauslauf 131 ist laufflächenseitig eine Ablenkfläche 132 ausgebildet. Die Ablenkfläche 132 ist zur Lauffläche 22 geneigt, das heißt, die im Schnitt sich ergebene Scheitellinie 132a der Ablenkfläche 132 schließt mit der Lauffläche 22 einen spitzen Winkel γ ein (vgl. 5).
Der Bohrungsauslauf 131 mündet in die Lauffläche 22 derart, dass eine Öffnung 133 in der Lauffläche 22 gebildet ist (vgl. 4). Im Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 133 im Wesentlichen schlitzförmig ausgebildet, abhängig von Bauart und Größe des Kolbens 110 sind auch andere Formen denkbar. Die Öffnung 133 ist im Ausführungsbeispiel unterhalb der Nabenmitte N der Lauffläche 22 gebildet (vgl. 3).
Die der Druckseite DS zugeordnete Lauffläche 22 weist im Bereich der Öffnung 133 eine Vertiefung 134 auf. Im Ausführungsbeispiel ist die Lauffläche 22 mit einer Beschichtung 22a, bspw. Grafal^® versehen, und die Vertiefung 134 ist in die Beschichtung 22a eingebracht. Im Ausführungsbeispiel weist die Vertiefung 134 eine Tiefe von etwa 20 μm auf. Die Vertiefung 134 kann auch direkt in den Werkstoff der Lauffläche 22 eingebracht sein, sei es, weil die Tiefe der Vertiefung die Dicke der Beschichtung übersteigt, sei es, weil keine Beschichtung vorhanden ist. Die letztere Ausführungsform ist in 6 dargestellt.
Die Vertiefung 134 umgibt die Öffnung 133 vollständig und kann im Prinzip beliebig geformt sein. Um eine ausreichende Schmierölversorgung der Lauffläche 22 in ihren besonders hoch belasteten Bereichen 135 zu gewährleisten, ist oberhalb der Öffnung 133 ein Ölfangbereich 136 ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Ölfangbereich 136 im Wesentlichen quer zur Öffnung 133 und ist mit zwei Ölsammelreservoirs 137 versehen. Die Ölsammelreservoirs 137 sind jeweils links und rechts der Öffnung 133 ausgebildet (vgl. 4). In 4 sind ergänzend diejenigen Bereiche 138 der Lauffläche 22 gekennzeichnet, die im Motorbetrieb von der Unterkante 17a des Kolbenschafts 17 aus mit Schmieröl versorgt werden.
Die der Druckseite DS zugeordnete Lauffläche 22 des erfindungsgemäßen Kolbens 110 wird im Motorbetrieb wie folgt gezielt mit Schmieröl versorgt. Beim Aufwärtshub wird Schmieröl aus dem Kühlkanal 16 in die Bohrung 127 gedrückt und tritt durch den Bohrungsauslauf 131 in die Vertiefung 134 aus. Beim anschließenden Abwärtshub wird ein Teil des Schmieröls durch die Ablenkfläche 132 abgefangen, so dass dieser Teil des Schmieröls in der Vertiefung 134 verbleibt. Das restliche Schmieröl läuft in den Kühlkanal 16 zurück. Das im Verlauf des Abwärtshubs in der Vertiefung 134 abgefangene Schmieröl verteilt sich darin, so dass hier ebenfalls ein Öldruck aufgebaut wird und die Lauffläche 22 des Kolbens 110 gegenüber der korrespondierenden Zylinderlauffläche hydrodynamisch aufschwimmen kann. Das Schmieröl wird während des Abwärtshubs in die Ölsammelreservoirs 137 des Ölfangsbereichs 136 gedrückt und tritt aus der Vertiefung 134 in Richtung der Pfeile P auf die Lauffläche 22 über. Somit wird auch in diesem Fall eine zuverlässige Schmierung der besonders hoch belasteten Bereiche 135 der Lauffläche 22 gewährleistet, die beim Abwärtshub auftretenden Reibungskräfte deutlich reduziert werden.

Claims

Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (17), wobei der Kolbenkopf (11) eine umlaufende Ringpartie (15) sowie im Bereich der Ringpartie (15) einen umlaufenden Kühlkanal (16) aufweist und der Kolbenschaft (17) jeweils eine seiner Druckseite (DS) und eine seiner Gegendruckseite (GDS) zugeordnete Lauffläche (22, 23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine vom Kühlkanal (16) ausgehende Bohrung (24) vorgesehen ist, die in Form einer Bohrungsöffnung (25) in die der Gegendruckseite (GDS) zugeordnete Lauffläche (23) mündet und geneigt angeordnet ist, derart, dass sie mit der Kolbenmittelachse (M) einen spitzen Winkel (α) einschließt, und dass die der Gegendruckseite (GDS) zugeordnete Lauffläche (23) im Bereich der mindestens einen Bohrungsöffnung (25) eine Vertiefung (26) aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bohrungsöffnung (26) unmittelbar unterhalb der Ringpartie (15) in die Lauffläche (23) mündet.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Bohrungen (24) vorgesehen sind.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung (26) kreisförmig oder halbkreisförmig ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung (26) eine Tiefe von 10 μm bis 30 μm aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung (26) im Werkstoff des Kolbens (10) ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (23) eine Beschichtung (23a) aufweist, in der die mindestens eine Vertiefung (26) ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Kühlkanal (16) ausgehende Bohrung (127) vorgesehen ist, die in einen Bohrungsauslauf (131) übergeht, der in die der Druckseite (DS) zugeordnete Lauffläche (22) mündet und geneigt angeordnet ist, derart, dass er mit der Kolbenmittelachse (M) einen spitzen Winkel (β) einschließt, so dass eine Öffnung (133) in der Lauffläche (22) gebildet ist, dass zwischen der Bohrung (127) und dem Bohrungsauslauf (131) eine zur Lauffläche (22) geneigte Ablenkfläche (132) vorgesehen ist, und dass die der Druckseite (DS) zugeordnete Lauffläche (22) im Bereich der Öffnung (133) eine Vertiefung (134) aufweist, die oberhalb der Öffnung (133) mindestens einen Ölfangbereich (136) bildet.
Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ölfangbereich (136) quer zur Öffnung (133) erstreckt.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölfangbereich (136) beiderseits der Öffnung (133) jeweils ein Ölsammelreservoir (137) bildet.
Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (127) in einer im Innenraum (129) des Kolbens (110) gebildete Werkstoffverdickung (128) verläuft.
Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (127) unterhalb der Nabenmitte (N) in der Lauffläche (22) gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (134) eine Tiefe von 10 μm bis 30 μm aufweist.
Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (134) im Werkstoff des Kolbens (110) ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (22) eine Beschichtung (22a) aufweist, in der die Vertiefung (134) ausgebildet ist.