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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
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STAND DER TECHNIK
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Als Vorbenutzungsgegenstände sind Kolben für Verbrennungsmotoren bekannt, die einen Feuersteg und eine an den Feuersteg angrenzende Kolbenringnut aufweisen. Hierbei kann der Feuersteg und/oder die obere Nutflanke der Kolbenringnut über den Umfang verteilt verschiedenste Maßnahmen aufweisen, um den Gasfluss zu verbessern. Beispielsweise sind aus der
US 5 083 536 A radiale Kanäle, und aus der
JP S58-167850 A Bohrungen bekannt. Ferner betrifft beispielsweise die
US 3 834 719 A eine im Wesentlichen L-förmige Kolbenringnut. Aus der
US 5 737 999 A ist eine im Wesentlichen trapezförmige Nut bekannt.
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Die
US 5 054 375 A geht von einem Kolben aus, bei dem der Feuersteg zumindest bereichsweise auf der Gegendruckseite zurückgenommen ist. Gemäß der
US 3 463 057 A kann der Feuersteg eine in Richtung der Kolbenachse verlaufende Nut aufweisen. Die
DE 10 2008 014 859 A1 betrifft einen Kolben mit einer Kolbennut, die an ihrer oberen Nutoberfläche wenigstens eine Druckaussparung aufweist. Ähnliche Gestaltungen gehen aus der
DE 198 18 869 C1 und
JP 2013-164020 A hervor.
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Es hat sich herausgestellt, dass der Verschleiß der Kolbenringe weiterhin in einer Größenordnung liegt, die zu erheblichem Blow-by und einem über die Laufzeit sich vergrößernden Ölverbrauch führt.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor derart zu gestalten, dass der Verschleiß des Kolbenrings verringert werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.
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Demzufolge ist bei dem erfindungsgemäßen Kolben der Feuersteg und/oder die daran angrenzende Kolbenringnut über den Umfang derart unterschiedlich gestaltet, dass der Strömungswiderstand für Verbrennungsgase auf der Gegendruckseite geringer ist als auf der Druckseite. Die dadurch erreichte Verbesserung des Gasflusses auf der Gegendruckseite führt zu einer Verschiebung des sogenannten Kipppunktes in Richtung der Kolbenachse. Bei Untersuchungen wurde festgestellt, dass gemäß dem derzeitigen Stand der Technik durch die Gaskräfte insbesondere auf der Gegendruckseite ein vergleichsweise hohes Drehmoment aufgebracht wird, das den Kolbenring nach außen kippt. Hierdurch findet eine umfangreiche Linienberührung zwischen der unteren Nutflanke der Kolbenringnut und der unteren Flanke des Kolbenrings statt, wodurch Verschleiß und als Folge Blow-by auftritt, und die ölabstreifende Wirkung des Kolbenrings über die Laufzeit nicht zuverlässig erhalten bleibt. Demzufolge steigt der Ölverbrauch.
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Demgegenüber führt der erfindungsgemäß verbesserte Gasfluss zu Druck- und Kräfteverhältnissen insbesondere auf der Gegendruckseite, die das beschriebene Kippen einschränken oder vermeiden, weil die resultierende Kraft näher zur Kolbenachse angreift und den Kolbenring auf die untere Nutflanke drückt. Dies hat eine Flächenberührung zwischen Kolbenring und unteren Nutflanke zur Folge, so dass der Verschleiß verringert wird, wodurch sich Blow-by begrenzen lässt, und der Ölverbrauch über die Laufzeit stabilisiert wird. Infolge des verringerten Verschleißes bleibt die ölabstreifende Wirkung in vorteilhafter Weise vorhanden. Gleichzeitig wird das sogenannte Schadvolumen am Feuersteg nicht wesentlich vergrößert. Der guten Ordnung halber sei erwähnt, dass unter Feuersteg der am nächsten zum Brennraum gelegene, im Wesentlichen zylindrische Bereich des Kolbens verstanden wird, und dass die erfindungsgemäßen Maßnahmen an der obersten Kolbenringnut alternativ oder ergänzend auch an anderen Kolbenringnuten vorgesehen sein können. Wie nachfolgend genauer ausgeführt, kann die erfindungsgemäße Verringerung des Strömungswiderstandes auf der Gegendruckseite beispielsweise durch Bohrungen, Nuten und/oder geeignete Formgebung der oberen Nutflanke erreicht werden.
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Im Hinblick auf die den Strömungswiderstand auf der Gegendruckseite verringernden Maßnahmen wird für die Gestaltung der oberen Nutflanke vorgesehen, hier im Querschnitt gesehen eine Stufe, eine Fase, eine Verrundung und/oder einen Hinterschnitt vorzunehmen. Für sämtliche diese Maßnahmen wird erwartet, dass hierdurch die gewünschte Verringerung des Strömungswiderstandes auf der Gegendruckseite eintritt.
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Bei dieser Gestaltung auf der Gegendruckseite wird für die Form auf der Druckseite vorgesehen, dass sie im Wesentlichen rechteckig, oder jedenfalls anders als auf der Gegendruckseite ausgeführt ist, und auf zumindest einer Seite, wo die Kolbenbolzenbohrungen vorhanden sind, in die vorangehend genannte Form auf der Gegendruckseite übergeht. Mit anderen Worten kann sich beispielsweise eine Fase von der Druckseite in Umfangsrichtung in Richtung der Gegendruckseite vergrößern. Entsprechendes gilt für die anderen genannten Formen.
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Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Im Hinblick auf Maßnahmen an dem Feuersteg wird derzeit bevorzugt, diesen zumindest bereichsweise auf der Gegendruckseite konisch oder zylindrisch zurückzunehmen. Mit anderen Worten ist im Einbauzustand der Abstand zwischen dem Feuersteg und der Zylinderbohrung oder einer Zylinderlaufbüchse auf der Gegendruckseite zumindest bereichsweise größer als auf der Druckseite. Die entsprechende Zurücksetzung des Feuerstegs in diesem Bereich kann in Form einer weiterhin zylindrischen oder elliptisch zylindrischen Gestaltung vorgenommen sein. Mit anderen Worten erstreckt sich der Zylindermantel in diesem Bereich weiterhin weitgehend parallel zur Kolbenachse. Der zurückgenommene Bereich kann jedoch auch dergestalt konisch ausgebildet sein, dass der Zylindermantel in diesem Bereich unter einem Winkel zur Kolbenachse verläuft. Die Zurücksetzung des Feuerstegs kann ferner, in Richtung der Kolbenachse betrachtet, wellenförmig ausgeführt sein. Alternativ oder ergänzend sind eine oder mehrere Bohrungen durch den Feuersteg möglich, die zu der Kolbenringnut führen. Ebenfalls alternativ oder ergänzend können an der Außenseite des Feuerstegs eine oder mehrere Nuten, Aussparungen oder Schlitze vorgesehen sein, die unter einem Winkel oder parallel zur Kolbenachse verlaufen.
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Im Hinblick auf die vorangehend genannte Bohrung sei erwähnt, dass diese ebenso zylindrisch oder konisch, gegebenenfalls auch in beliebiger Richtung doppelt konisch ausgeführt sein kann.
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Ferner kann die Erfindung in vorteilhafter Weise auch dadurch realisiert werden, dass in der oberen Nutflanke zumindest eine zur Kolbenmantelfläche führende Bohrung und/oder Nut ausgebildet ist. Die Nut kann beliebig breit ausgebildet sein, so dass hier im Wesentlichen die vorangehend bereits erwähnte Stufe entsteht. Sowohl eine Bohrung als auch eine Nut kann parallel oder unter einem Winkel zur Kolbenbolzenebene verlaufen. Mit anderen Worten kann sich die Tiefe der Nut zur Kolbenaußenseite hin vergrößern oder verkleinern. Im Hinblick auf die radiale Richtung ist sowohl ein Verlauf der Bohrung und/oder Nut senkrecht zur Kolbenachse als auch unter einem Winkel zur Kolbenachse denkbar.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachfolgend werden beispielhaft in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
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1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens;
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2 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens;
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3 eine Draufsicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens;
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4–9 Querschnittsdarstellungen insbesondere der oberen Nutflanke auf der Gegendruckseite bei weiteren Ausführungsformen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Wie in 1 zu erkennen ist, können bei dem erfindungsgemäßen Kolben in dem oberhalb der ersten Kolbenringnut 14 liegenden Feuersteg 12 ein oder mehrere Nuten 22 ausgebildet sein, die auch als Schlitze, Aussparungen oder Freiflächen bezeichnet werden können und, wie gezeigt, unter einem Winkel zur Kolbenachse oder auch parallel hierzu verlaufen können. Hierdurch wird erfindungsgemäß auf der (in 1 gezeigten) Gegendruckseite der Gastransport in Richtung der Kolbenringnut 14 durch Verringerung des Strömungswiderstandes erleichtert und die „Gasbefüllung” der Kolbenringnut derart verbessert, dass Kräfte- und Drehmomentenverhältnisse entstehen, die den Kolbenring nicht oder weniger umfangreich als bisher nach außen verkippen, so dass der Verschleiß in vorteilhafter Weise verringert wird.
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Dies wird ebenfalls durch die in 2 gezeigte Maßnahme erreicht, gemäß der auf der Gegendruckseite 16 (GDS) der Feuersteg 12 zurückgenommen ist. In dem gezeigten Fall weist der Feuersteg in diesem Bereich eine im Wesentlichen elliptische Form auf. In Richtung der Kolbenachse, also senkrecht zur Zeichenebene von 2, kann diese Zurücksetzung konisch oder zylindrisch ausgeführt sein.
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Gemäß der Ausführungsform von 3 sind auf der Gegendruckseite mehrere Bohrungen 20 ausgebildet, die zu der Kolbenringnut 14 führen und hierdurch den Gastransport erleichtern. In den 2 und 3 bezeichnet DS die Druckseite 18 und 40 die Kolbenbolzenachse.
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In den 4 bis 9 sind verschiedene Maßnahmen an der oberen Nutflanke 24 der Kolbenringnut 14 gezeigt, die auf der Gegendruckseite vorgesehen sein können und hier den Gastransport erleichtern. Gemäß 4 ist hier eine Stufe 26 ausgebildet, und es sei erwähnt, dass die obere Nutflanke auf der Druckseite im Wesentlichen „rechteckig”, das heißt ohne die Stufe 26 oder wie in 4 für die darunterliegende Kolbenringnut gezeigt, ausgeführt sein kann. Auf einer oder beiden Seiten zwischen der Druckseite und der Gegendruckseite kann die Gestaltung der oberen Nutflanke von derjenigen auf der Druckseite in die für die Gegendruckseite vorgesehene, wie beispielhaft in 4 bis 9 gezeigt, übergehend ausgeführt sein.
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Gemäß 5 ist hier eine Fase 28, gemäß 6 eine Verrundung 30, und gemäß 7 ein Hinterschnitt 32, anders ausgedrückt eine in dem gezeigten Fall im Querschnitt etwa halbkreisförmige Nut in der oberen Nutflanke, vorgesehen.
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8 zeigt beispielhaft eine zur Kolbenmantelfläche 34 führende Bohrung 36, und in 9 ist eine senkrecht zur Kolbenachse verlaufende Nut 38 an der oberen Nutflanke vorgesehen.
