DE102016116046A1 - Kolben mit niedriger Bauhöhe - Google Patents

Abstract

Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine aufweisend ein stoffschlüssig mit einem Unterteil (2) gefügtes Oberteil (3), wobei das Unterteil (2) einen Schaft (6) und mindestens eine Bolzenbohrung (7) umfasst, wobei das Oberteil (3) eine Brennraummulde (11) und einen Kolbenboden (5) mit einer Bodenkante (27) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fügestelle (4) im Bereich eines Ringfeldes (9) und in einer äußeren Wand der Brennraummulde (11) angeordnet ist und das Verhältnis aus Kolbenkompressionshöhe (h₁) und Durchmesser des Kolbens (d₁) kleiner als 0,53 ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kolben mit niedriger Bauhöhe für Brennkraftmaschinen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
• Aus der WO 2014/159634 A1 ist ein Fertigkolbenteil bekannt, das verwendet wird, um eine Kolbenanordnung zu bilden. Ein Fertigkolben weist ein Unterteil auf, wobei das Unterteil einen Schaft aufweist und eine untere Oberfläche eines Kühlkanals enthält. Das Unterteil umfasst eine radial schüsselförmige innere Oberfläche. Die Fertigkolbenanordnung weist ferner ein Oberteil mit einer radial äußeren schüsselförmigen Oberfläche auf, welche mit der radial inneren schüsselförmigen Oberfläche zusammenfügbar ist. Das Oberteil weist eine radial umlaufende innere Wand auf, die eine radial innere Oberfläche umfasst. Die radial innere Wand weist eine radial nach innen weisende Oberfläche auf, die einen nicht-parallelen Winkel zu der radial inneren Schüsseloberfläche in dem Bereich hat, wo die radial innere Schüsseloberfläche auf eine radial innersten Kante der radial inneren Verbindungsfläche trifft.
• Bei Kolben für Brennkraftmaschinen ist die sogenannte Kompressionshöhe eine charakteristische Kenngröße, wobei die Kompressionshöhe dem Abstand zwischen der Achse des Kolbenbolzens und einer oberen Kante des Kolbens entspricht. Die Bauhöhe einer Brennkraftmaschine wird unter anderem durch diese Kompressionshöhe des Kolbens der Brennkraftmaschine bestimmt. Eine weitere charakteristische Kenngröße eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, welche Einfluss auf die Bauhöhe der Brennkraftmaschine hat, ist eine sogenannte Brennraummuldentiefe einer im Bereich des Kolbenoberteils ausgebildeten Brennraummulde. Über relativ tiefe Brennraummulden kann die Verbrennung im Zylinder der Brennkraftmaschine, in welcher der Kolben zum Einsatz kommt, verbessert werden. Je tiefer eine Brennraummulde ausgeführt wird, desto höher wird jedoch die Kompressionshöhe und damit die Bauhöhe der Brennkraftmaschine. Weiterhin muss auch bei Kolben mit niedriger Bauhöhe ein Zu- und Abfluss des Gemisches bzw. des Gases in bzw. aus dem Brennraum gewährleistet werden.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben, insbesondere einen Kühlkanalkolben, bereitzustellen, der gegenüber bekannten Kolben mit niedriger Bauhöhe gewichtsreduziert ist und einen verbesserten Gemisch- bzw. Gasaustausch ermöglicht.
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens eine Fügestelle im Bereich eines Ringfeldes und in einer äußeren Wand der Brennraummulde angeordnet ist und das Verhältnis aus Kolbenkompressionshöhe und Durchmesser des Kolbens kleiner als 0,53 ist. Der Durchmesser des Kolbens ist insbesondere der Außendurchmesser des einsatzbereiten, also fertig bearbeiteten Kolbens.
• Die Fügestellen liegen somit in Bereichen des stoffschlüssig gefügten Kolbens, die eine Nachbearbeitung erfordern. Somit können vor allem Schweißwulste im Rahmen dieser Nachbearbeitung zur Ausgestaltung des Ringfeldes und/oder der Brennraummulde entfernt werden. Ein separater Arbeitsschritt ist nicht erforderlich. Gleichzeit wird bei Erzielung der erforderlichen Festigkeit die erforderliche Bauhöhe des Kolbens erreicht. Bereitgestellt wird hierdurch in vorteilhafter Weise ein Kolben, der eine optimierte Bauhöhe der bestimmungsgemäßen Brennkraftmaschine ermöglicht. Dies verringert wiederum den von der Brennkraftmaschine beispielsweise in Fahrzeugen benötigten Bauraum. Auch ermöglicht der erfindungsgemäße Kolben die Herstellung von Masse-optimierten Brennkraftmaschinen. Durch Kolben mit einer solchen geringen Kompressionshöhe wird Material bei der Herstellung der Kolben und Gewicht des fertigen Kolbens eingespart. Hierdurch kann wiederum der Brennstoffverbrauch gesenkt werden. Durch die optimierte Bauhöhe der Brennkraftmaschine und den dadurch verringerten Bauraum für die Brennkraftmaschine können wiederum neue Fahrzeugkonzepte entstehen.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Lage der inneren Fügestelle in der äußeren Wand der Brennraummulde oberhalb des fertigbearbeiteten Brennraummuldengrundes vorgesehen ist. Somit wird bei der Fertigung der Brennraummulde der innere Reibschweißwulst entfernt. Ein weiterer Arbeitsschritt ist nicht erforderlich.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Kolbenboden des Kolbens mindestens eine Ausnehmung vorgesehen ist. Durch die mindestens eine Ausnehmung wird die Gefahr der Kollision von beweglichen Teilen innerhalb des Zylinders verringert. Beispielsweise kann ein Ventil in den Bereich der Ausnehmung eindringen, ohne in Kontakt mit dem die mindestens eine Ausnehmung aufweisenden Kolben zu treten. Weiterhin kann auch der Zylinderkopf Innenkonturen aufweisen, welche mit der mindestens einen Ausnehmung korrespondieren. Hierbei wird durch die mindestens eine Ausnehmung im Kolben ein Kontakt mit starren Teilen innerhalb des Zylinders verhindert. Die Konturen im Zylinderkopf können beispielsweise zum Leiten des Gemisches bzw. des Gases in bzw. aus dem Brennraum dienen.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die mindestens eine Ausnehmung mindestens eine Aussparung aufweist, die zumindest teilweise die Bodenkante des Kolbenbodens durchtritt. Durch die Aussparung ist ein maximaler Verfahrweg für den Kolben im Zylinder möglich. Der Kolben kann sich dem Zylinderkopf im Bereich der Aussparungen annähern, ohne Gefahr zu laufen, mit den Ventilen in Berührung zu treten. Das Gemisch kann ungehindert in den Brennraum eintreten. Nach der Verbrennung kann das überwiegend gasförmige Gemisch den Brennraum ebenfalls bei großer Annäherung des Kolbens an den Zylinderkopf verlassen.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die mindestens eine Aussparung kreissegmentförmig ausgestaltet ist. Hierdurch wird eine Verbindung von der Aussparung bis zur Zylinderwand geschaffen. Die Aussparung nimmt in ihrer äußeren Gestalt die Form des Kolbens an.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die mindestens eine Ausnehmung mindestens eine Ventiltasche ausbildet. Eine Ventiltasche ermöglicht die Aufnahme eines geöffneten Ventils in den Bereich des Kolbenbodens bei der Annäherung des Kolbens an den oberen Totpunkt. Hierdurch wird gewährleistet, dass ein Kolben mit geringer Bauhöhe den größtmöglichen Verfahrweg innerhalb des Zylinders zurücklegen kann. Der Arbeitshub kann bei geringer Bauhöhe somit maximiert werden. Die aus der Verbrennung gewonnene Energie kann effizient in Bewegungsenergie überführt werden.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Abstand zwischen einer Linie, der Linie zwischen Druckseite und Gegendruckseite und dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche größer ist als der Abstand zwischen der Linie und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche. Hierdurch wird eine Position der Ventiltaschen überwiegend in einer Hälfte des Kolbenbodens, betrachtet bei einer Draufsicht, ermöglicht. Weiterhin wird so gewährleistet, dass genügend Material zwischen den Ausnehmungen bzw. Ventiltaschen verbleibt, um den Kolbenboden nicht zu schwächen.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Abstand zwischen einer Linie, der Linie zwischen Druckseite und Gegendruckseite und dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche mindestens doppelt so groß ist wie der Abstand zwischen der Linie und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche. Hierdurch wird sichergestellt, dass ein genügender Abstand zwischen den Ventiltaschen besteht. Es bleibt genügend Material vorhanden, um einen sicheren Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kolbenschaft des Kolbens eine Beschichtung zur Verminderung der Reibung aufweist. Hierdurch wird die durch den Aufbau des Kolbens mit geringer Bauhöhe bereits verminderte Reibung zwischen Zylinderwand und Kolben weiter herabgesetzt. Die Vorteile dieser Beschichtung sind eine sehr hohe Dauerhaltbarkeit, hervorragende Gleiteigenschaften und eine signifikante Erhöhung der Lebensdauer des Kolbens. Die Schichtdicke der Beschichtung beträgt beispielsweise etwa 0,01 Millimeter (mm). Die Schichtdicke der Beschichtung kann zwischen 0,005 mm und 0,1 mm betragen.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kolben einen Kühlkanal aufweist. Hierdurch erfolgt bei dem dann als Kühlkanalkolben ausgebildeten erfindungsgemäßen Kolben mit niedriger Kompressionshöhe (KH) zusätzlich eine effektive Abfuhr der bei der Verbrennung entstehenden Wärme.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass für den Ölzutritt zum Kühlkanal mindestens ein verlängerter Zulauf vorgesehen ist. Als Kühlmedium ist Öl vorgesehen. Durch einen verlängerten Zulauf kann eine größere Menge Öl in dem Kühlkanal vorgehalten werden. Es bildet sich während des Betriebs der Brennkraftmaschine ein Reservoir für das Kühlöl aus. Durch die Variation der Länge des Zulaufs kann das Niveau des Kühlöls in dem Reservoir beeinflusst werden.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kühlkanal eingeformte Ausnehmungen in seiner Kontur aufweist. Durch diese Ausnehmungen kann das Öl bzw. Kühlöl näher an die Wandung der Brennraummulde gelangen. Hierdurch wird der Wärmeaustausch zwischen Brennraummulde und Öl verbessert. Der Wärmeübergang beispielsweise aus der Brennraummulde auf das im Kühlkanal befindliche Kühlöl wird beschleunigt.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die in den Kühlkanal eingeformten Ausnehmungen mit der Auftreffposition der Brennstrahlen in der Brennraummulde korrespondieren. Bei dieser Anordnung der Ausnehmungen im Kühlkanal ist eine direkte Übertragung der durch die Brennstrahlen in die Brennraummulde eingeleiteten Wärmemenge über die Wandung der Brennraummulde auf des Öl ermöglicht. Die Wärme wird nahe ihrem Entstehungsort abgeleitet. Der Kolben heizt sich nicht unnötig auf. Die Lebensdauer des Kolbens wird hierdurch erhöht und die Ausfallwahrscheinlichkeit für die Brennkraftmaschine, aufweisend mindestens einen erfindungsgemäßen Kolben, wird hierdurch verringert.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Oberteil als halbwarmgeschmiedetes Oberteil ausgeführt ist. Bei der Halbwarmumformung von Stahl wird hauptsächlich im Temperaturbereich von 650°C bis 900°C gearbeitet. In diesem Bereich ist die Fließspannung gegenüber der Kaltumformung bei den meisten Stahlsorten um über die Hälfte reduziert. Die jeweils zutreffende Temperatur ist abhängig von der Stahlsorte, der Größe des Kolbens und der Zahl der Umformstufen und wird kolbenspezifisch festgelegt. Eine gegenüber der Kaltumformung kostengünstigere Herstellung für den Kolben ergibt sich durch die Einsparung mehrere Pressarbeitsgänge mit aufwendigen Zwischenbehandlungen (Zwischenglühen, Oberflächenbeschichten) durch Halbwarmumformung. Endkonturnahe (Near-Net-Shape) oder auf Fertigmaß (Net-Shape) umgeformte Kolben oder die Einsparung von Wärmebehandlungsaufwand ermöglichen eine kostengünstige Kolbenfertigung durch Halbwarmumformung.
• Bei einem möglichen Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine wird stoffschlüssig ein Unterteil mit einem Oberteil unlösbar gefügt, wobei das Unterteil einen Schaft und mindestens eine Bolzenbohrung und das Oberteil eine Brennraummulde und einen Kolbenboden mit einer Bodenkante umfasst, wobei das Unterteil und das Oberteil vorzugsweise durch Reibschweißen gefügt werden. Bei der Fertigung der Brennraummulde sowie der Ringpartie (Ringfeld) wird ein jeweiliger Reibschweißwulst entfernt.
• Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Dimensionen des fertigen Kolbens so gewählt sind, dass das Verhältnis aus Kolbenkompressionshöhe KH und Durchmesser Kolben DK ≤ 0,53 ist. Die Kolbenkompressionshöhe KH wird gemessen von der Oberseite des Kolbens, die dem Brennraum zugewandt ist, bis in Richtung der Mittelachse des Kolbenbolzens. Der Durchmesser des Kolbens DK ist der Außendurchmesser des betriebsfertigen Kolbens. Betriebsfertig heißt, dass der Kolben nach seiner Herstellung fertig bearbeitet ist und in den Zylinder des Motors eingebaut werden kann. Der äußere Durchmesser kann der Durchmesser des Feuersteges des Kolbens sein. Alternativ kann der Außendurchmesser des Kolbens auch gemessen werden im Bereich eines Steges zwischen zwei Kolbenringen. Gegebenenfalls kann zur Bestimmung des äußeren Durchmessers des Kolbens auch der Durchmesser eines zylindrischen oder teilzylindrischen Kolbenschaftes herangezogen werden.
• Das Verhältnis von Kolbenkompressionshöhe und äußerem Durchmesser des Kolbens ≤ 0,53, vorzugsweise < 0,53, hat den Vorteil einer besonders kompakten und gewichtsreduzierten Bauweise des Kolbens, verbunden mit reduzierter Bauhöhe und ausreichender Stabilität, um den Beanspruchungen im Betrieb im Zylinder einer Brennkraftmaschine genügen zu können.
• Die erfindungsgemäße Verwendung eines Stahlwerkstoffs in Kombination mit den erfindungsgemäßen Abmessungen des Kolbens bewirkt eine Optimierung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Anordnung im Betrieb von Brennkraftmaschinen. Der Stahlwerkstoff sorgt für eine besonders große- Festigkeit sowie mechanische und auch thermische Belastbarkeit des Kolbens. Die erfindungsgemäßen Abmessungen bewirken eine deutliche Reduzierung der Kompressionshöhe und eine Reduktion der Masse gegenüber Aluminiumkolben von beispielsweise 10% und mehr. Dadurch wird die bewegte Masse in der erfindungsgemäßen Anordnung reduziert. Zugleich stellt die Bemessung des Kolbenbolzens in Relation zum Kolbendurchmesser einen sehr guten Kompromiss zwischen der Masse des Kolbenbolzens und der effektiven Krafteinleitung vom Kolben in den Kolbenbolzen im Betrieb der Brennkraftmaschine dar. Die reduzierte Masse des Kolbenbolzens trägt ferner zur Reduzierung der bewegten Masse in der erfindungsgemäßen Anordnung spürbar bei. Die Reduzierung der Bauhöhe bzw. Kompressionshöhe führt schließlich zu einer Verlängerung des Pleuels, was im Betrieb der Brennkraftmaschine geringere Seitenkräfte und damit reduzierte Reibkräfte am Kolbenschaft am Kolbenschaft bzw. zwischen Kolben und Zylinderlauffläche zur Folge hat.
• Bei Brennkraftmaschinen werden Kolben mit verschiedenen Brennraummuldenformen eingesetzt. Der in Rede stehende Kolben weist eine Topf-Brennraummulde auf. Der Kolbenboden ist so gestaltet, dass zwischen Kolbenrand und Zylinderkopf eine Quetsch-Strömung (Squish-Strömung) in radialer Richtung entsteht. Außerdem wird die Drallströmung in der Topf-Brennraummulde verstärkt. Für Brennkraftmaschinen mit Drall-Einlasskanälen und Kammerkerzen sind Kolben mit Topf-Brennraummulden sehr gut geeignet. Während des Kompressionstaktes wird das Gemisch über dem Kolbenbodenrand (Squish-Rand) des Kolbens in die Topf-Brennraummulde verdrängt. Während des Expansionstaktes wird das Gemisch wieder aus der Topf-Brennraummulde gesaugt. Dieser Vorgang führt, insbesondere in der Nähe des oberen Totpunkts zu starken Quetsch-Strömungen. Ergänzend zu der Quetsch-Strömung führt die Topf Brennraummulde auch zu einer Beschleunigung der einlassseitig generierten Drallströmung. Aufgrund der Drehimpulserhaltung erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit der Drallströmung, wenn das Gemisch nach innen in die Topf-Brennraummulde verdrängt wird. Die Erzeugung der Quetsch-Strömung und die Verstärkung der Drallströmung wirken sich positiv auf die Verbrennung aus. Aussparungen im Kolbenboden die bis in die Bodenkante reichen, ermöglichen einen verbesserten Zufluss des Gemisches über die Ventile in den Brennraum, da der Kolbenboden den Zufluss nicht behindert.
• Im Rahmen von Verbrauchs- und Emissionsreduzierungen bei als Hubkolbenmaschinen ausgebildeten Brennkraftmaschinen führen fortschreitende Entwicklungen zu stetig wachsenden spezifischen Leistungen der Hubkolben-Brennkraftmaschinen. Damit einher gehen verkleinerte Brennräume, insbesondere Zylinder, der Hubkolben-Brennkraftmaschine, die im Bereich des oberen Totpunkts von Kolben der Hubkolben-Brennkraftmaschinen Ventilhübe von Ventilen zur Bewältigung von Gasladungswechseln zunehmend einschränken. Um diese Einschränkungen der Ventilhübe von Einlass- wie auch Auslassventilen in Grenzen zu halten, weißt ein erfindungsgemäßer Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Verhältnis von Kolbenkompressionshöhe und äußerem Durchmesser des Kolbens von 0,48 bis 0,75, insbesondere ≤ 0,53, vorzugsweise < 0,53, für zumindest eine stirnseitige, zu einer Außenkontur eines Ventiltellers eines Ventils der Hubkolbenmaschine korrespondierende Ausnehmung auf, welche als Ventiltasche bezeichnet wird, in welcher der Ventilteller zumindest bereichsweise aufnehmbar ist. Vor dem Hintergrund stetig steigender Spitzendrücke einer solchen Hubkolbenmaschine in Kombination mit Temperaturschwankungen während eines verbrennungsmotorischen Betriebs derselbigen kommt es zu hohen Beanspruchungen des Kolbens.
• Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Kolben, wie er vorstehend beschrieben wurde, bereitgestellt. Dieser Kolben der vorliegenden Erfindung kann in jeder Art von Hubkolben-Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Je mehr Zylinder und Kolben eine derartige Brennkraftmaschine umfasst, desto größer ist der durch die Erfindung zu erzielende Effekt, da dort die Reibung des Schaftes einen größeren Anteil an der Gesamtreibung aufweisen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einer der vorstehend beschriebenen Brennkraftmaschinen bereitgestellt. Ein derartiges Kraftfahrzeug kann beispielsweise als Landfahrzeug, als Wasserfahrzeug oder als Luftfahrzeug ausgeführt sein. Die häufigste Ausführung wird Landfahrzeuge, beispielsweise Personenkraftwagen, Nutzkraftwagen oder Lastkraftwagen betreffen.
• Ein weiterer Vorteil der geringen Bauhöhe liegt darin, dass die Brennkraftmaschine, in der der Kolben betrieben wird, flacher bauen kann. Kombiniert mit der Ausbildung von Ausnehmungen im Kolbenboden kann eine noch flachere Bauhöhe für den Kolben erzielt werden.
• Die grundlegende Idee wird im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Figuren anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
• Hierbei zeigen:
• 1 eine Schnittansicht eines Kolbens,
• 2 eine Schnittansicht eines Kolbens gemäß der Linie II in 1,
• 3 ein in 2 mit III gekennzeichnetes Detail,
• 4 ein mit IV gekennzeichnetes Detail aus 2,
• 5 eine Schnittansicht eines Kolbens gemäß der Linie V-V in 2,
• 6 eine Schnittansicht eines Kolbens gemäß der Linie VI-VI in 2,
• 7 eine Schnittansicht eines Kolbens gemäß der Linie VII-VII in 6,
• 8 eine Schnittansicht eines Kolbenbereiches gemäß der Linie VIII-VIII in 7,
• 9 eine Draufsicht auf einen Kolbenboden,
• 10 einen Ausschnitt aus dem Kolben im Bereich einer kolbenbodenseitig vorgesehenen Ventiltasche entsprechend einer Schnittführung X-X in 9,
• 11 eine Schnittansicht eines weiteren Kolbens,
• 12A u. 12B Schnittansichten von Unterteil und Oberteil eines Kolbens gemäß 11 und
• 13A u. 13B gegenüber den 12A und 12B um 90 Grad gedrehte Schnittansichten von Unterteil und Oberteil eines Kolbens gemäß 11.
• Der Kolben 1 ist in den Figuren jeweils identisch aufgebaut und wird im Folgenden zuerst allgemein beschrieben. Anschließend werden die Figuren jeweils im Detail dargestellt. Gleiche Bauteile sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern benannt und neue Bezugsziffern werden in den Figuren für unterschiedliche Bauteile verwendet.
• Der Kolben 1 für eine Brennkraftmaschine ist aus einem Unterteil 2 und einem Oberteil 3 hergestellt. Zwischen dem Unterteil 2 und dem Oberteil 3 ist mindestens eine Fügestelle 4 ausgebildet. Im Bereich der Fügestelle 4 treffen am Unterteil 2 sowie am Oberteil 3 ausgebildete Fügeflächen aufeinander. Eine Fügestelle 4 ist im Bereich eines Ringfeldes 9 ausgebildet. Zusätzlich ist eine weitere Fügestelle 4 in der äußeren Wand einer Brennraummulde 11 ausgebildet sein. Zumindest eine der Fügestellen 4 kann als „Rohr auf Platte” ausgeführt sein. Sofern der Kolben 1 mindestens einen Kühlkanal 6 aufweist, kann die Kontur des mindestens einen Kühlkanals 6 im Unterteil 2 oder im Oberteil 3 ausgebildet sein, wobei diese Ausführung als „Rohr” bezeichnet wird. Die Gegenseite wird im Unterteil 2 oder im Oberteil 3 als umlaufende ebene oder nahezu ebene Fläche ausgeführt und dementsprechend als „Platte” bezeichnet.
• Am Oberteil 3 ist ein Kolbenboden 5 ausgebildet. Der Kolbenboden 5 ist auf der einem Kühlkanal 6 abgewandten Seite des Oberteils 3 angeordnet. An dem Unterteil 2 ist ein Kolbenschaft 6 ausgebildet, welcher Bolzenbohrungen 7 aufweist. Der aus Unterteil 2 und Oberteil 3 gefügte Kolben 1 weist das umlaufende Ringfeld 9, ausgestattet mit Ringnuten 10 auf. Zentrisch oder exzentrisch um eine Kolbenhubachse 12 ist im Oberteil 3 die Brennraummulde 11 angeordnet. Im Bereich der Bolzenbohrung 7 ist eine Bolzenbohrungsachse 13 angeordnet, welche der Mittelachse des nicht dargestellten Kolbenbolzens entspricht. Im Bereich des Ringfeldes 9 können, müssen aber nicht, Ölrücklauföffnungen 19 angeordnet sein.
• In der 1 ist ein aus Unterteil 2 und Oberteil 2 gefügter Kolben 1 abgebildet. Im Bereich des Schafts 6 weist dieser eine Beschichtung 14 auf. Diese Beschichtung 14 weist eine geringe Reibung auf. Die Vorteile dieser Beschichtung 14 sind eine sehr hohe Dauerhaltbarkeit, hervorragende Gleiteigenschaften und eine signifikante Erhöhung der Lebensdauer des Kolbens 1.
• In den 1, 6 und 11 ist dargestellt, an welchen Stellen die Kolbenkompressionshöhe h₁ und der Durchmesser d₁ des Kolbens gemessen werden. In den 6 und 11 ist zusätzlich die Muldenhöhe h₂ der Brennraummulde eingezeichnet. Der Durchmesser d₁ des Kolbens 1 gemäß den 1 und 6 kann beispielsweise zwischen 100 mm und 150 mm betragen. Der Wert für h₁ kann zwischen 70 mm und 90 mm variieren. Somit variiert das Verhältnis aus Kompressionshöhe h₁ und dem Durchmesser d₁ des Kolbens 1 zwischen 0,48 und 0,75.
• In der 5 ist ein gratfreier Bereich 15 im Bereich der Bolzenbohrung 7 angeordnet. Weiterhin ist zentral ein Hilfseinpass 16 dargestellt.
• In der 7 sind ein Zulauf 17 mit einem Durchmesser d₂ und ein Ablauf 18 mit einem Durchmesser d₃ dargestellt. Durch den Zulauf 17 kann Öl in den Kühlbereich eintreten und durch den Ablauf 18 kann das Öl diesen Bereich wieder verlassen.
• Die 9 zeigt zwei Ausnehmungen 20 ausgeführt als Ventiltaschen 21, 22 die jeweils einen Durchmesser d₄ aufweisen. Der Durchmesser d₄ kann einen Wert zwischen 35 mm und 55 mm annehmen. Der Durchmesser d₄ der Ventiltaschen 21, 22 kann auch unterschiedliche Werte annehmen. Es kann eine beliebige Anzahl an beispielsweise als Einfräsungen ausgebildeten Ausnehmungen 20 vorgesehen werden. Bevorzugt ist zumindest ein Teil der Ausnehmungen 20 zumindest bereichsweise als Ventiltasche 21, 22 ausgebildet, in welcher Gaswechselventile der Hubkolben-Brennkraftmaschine bei deren Betrieb zumindest bereichsweise aufgenommen werden, das heißt eintauchen, können. So kann eine Kollision der Gaswechselventile mit dem Kolben 1 vermieden werden. Durch diese Ausgestaltung und Funktion der Ausnehmungen 20 ist eine Funktionsintegration dargestellt, welche die Kosten des Kolbens 1, insbesondere dessen Herstellkosten, gering halt.
• In radialer Richtung des Kolbens 1 schließen sich die Ventiltaschen 21, 22 des Kolbens 1 an, in welchen jeweilige korrespondierende Ventilteller von Gaswechselventilen der Hubkolben-Brennkraftmaschine aufnehmbar sind. Befindet sich der Kolben 1 in seinem oberen Totpunkt in dem Brennraum der Hubkolbenmaschine, so stellen die Ventiltaschen 21, 22 für die jeweiligen Gaswechselventile, das heißt für entsprechende Ein- bzw. Auslassventile, jeweils einen ausreichend großen Freigang bereit, damit die Gaswechselventile jeweils einen erwünscht grollen Ventilhub ausführen können, um einen Gaswechsel zu ermöglichen. Mit anderen Worten können sich die Gaswechselventile durch die von den Ventiltaschen 21, 22 bereitgestellten Freigänge weit genug öffnen, um einen Austausch von Abgas und von der Hubkolben-Brennkraftmaschine angesaugter Luft bzw. eines von der Hubkolben-Brennkraftmaschine angesaugten Gemisches effizient bewirken zu können.
• Ein erstes Kreissegment Alpha befindet sich zwischen einer ersten Ventiltasche 21 und der senkrecht zu der eine Druckseite (DS) 25 und eine Gegendruckseite (GDS) 26 verbindenden Linie 23 stehenden Linie 24. Ein zweites Kreissegment Beta befindet sich zwischen der senkrecht zu der die Druckseite 25 und Gegendruckseite 26 verbindenden Linie 23 stehenden Linie 24 und einer zweiten Ventiltasche 22. Ein drittes Kreissegment Gamma befindet sich zwischen der zweiten Ventiltasche 22 und der die Druckseite 25 und Gegendruckseite 26 verbindenden Linie 23. Das erste Kreissegment Alpha kann Werte zwischen 15 Grad und 30 Grad annehmen, bevorzugt zwischen 20 Grad und 25 Grad. Das zweite Kreissegment Beta kann Werte zwischen 55 Grad und 70 Grad annehmen, bevorzugt zwischen 60 Grad und 65 Grad. Das dritte Kreissegment Gamma kann Werte zwischen 15 Grad und 35 Grad annehmen, bevorzugt zwischen 20 Grad und 30 Grad.
• Umlaufend wird der Kolbenboden 11 von einer Bodenkante 27 begrenzt. Im Bereich der Ventiltaschen 21, 22 weist die Bodenkante 27 kreissegmentförmige Aussparungen 28 auf. Die Länge l₁ der Aussparung 28 der ersten Ventiltasche 21 entspricht der Länge l₂ der Aussparung 28 der zweiten Ventiltasche 22. Die Längen l₁ und l₂ können Werte zwischen 15 Millimetern und 35 Millimetern annehmen, bevorzugt zwischen 20 mm und 30 mm. Gemäß dem Ausführungsbeispiel können l₁ und l₂ gleiche Werte aufweisen, müssen jedoch nicht gleiche Werte aufweisen. Die Maße für l₁ und l₂ können unabhängig voneinander variiert werden.
• Der Abstand x₁ zwischen der Linie 23 und dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche 21 ist größer als der Abstand x₂ zwischen der Linie 23 und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche 22. Der Abstand x₁ kann zwischen 30 mm und 45 mm betragen, bevorzugt zwischen 35 mm und 40 mm. Der Abstand x₂ kann zwischen 15 mm und 22,5 mm liegen, bevorzugt zwischen 17,5 mm und 22,5 mm.
• Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche 21 und der Linie 24 ist mit x₃ bezeichnet. Der Abstand zwischen der Linie 24 und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche 22 ist mit x₄ bezeichnet. Der Abstand x₃ ist geringer als der Abstand x₄. Der Abstand x₄ kann zwischen 25 mm und 45 mm liegen, bevorzugt zwischen 30 mm und 40 mm. Der Abstand x₃ kann zwischen 12,5 mm und 22,5 mm liegen, bevorzugt zwischen 15 mm und 20 mm.
• 11 zeigt einen fertigen Kolben 1, bei dem erkennbar ist, an welchen Stellen die Kolbenkompressionshöhe h₁ und der Durchmesser d₁ des Kolbens gemessen werden. Der in 11 gezeigte Kolben 1 ist ein zweiteiliger Kolben, bestehend aus Oberteil 3 und Unterteil 2, die zusammengefügt werden. Einsatzbereit ist der Kolben 1 dann einstückig. Allerdings kann der Kolben 1 auch einteilig ausgebildet sein. Dieser Kolben 1 weist ein Verhältnis zwischen der Kompressionshöhe h₁ des Kolbens 1 und dem Durchmesser d₁ des Kolbens 1 von ≤ 0,53 auf.
• 12A und 12B sowie 13A und 13B zeigen die Ansichten von Oberteil 3 und Unterteil 2 vor dem Zusammenfügen. Dies ist ein Beispiel für eine konstruktive Ausgestaltung von Oberteil 3 und Unterteil 2, die in geeigneter Weise, vorzugsweise durch Reibschweißen, zusammengefügt werden, um das gewünschte Verhältnis ≤ 0,53, vorzugsweise kleiner 0,53, zu erzielen.
• Bezugszeichenliste

1

Kolben

2

Kolbenunterteil

3

Kolbenoberteil

4

Fügestelle

5

Kolbenboden

6

Kolbenschaft

7

Bolzenbohrung

8

Kühlkanal

9

Ringfeld

10

Ringnut

11

Brennraummulde

12

Kolbenhubachse

13

Bolzenbohrungsachse/Mittelachse des Kolbenbolzens

14

Beschichtung

15

gratfreier Bereich

16

Hilfseinpass

17

Zulauf

18

Ablauf

19

Ölrücklauföffnung

20

Ausnehmung

21

erste Ventiltasche

22

zweite Ventiltasche

23

Linie zwischen Druckseite (DS) und Gegendruckseite (GDS)

24

Linie senkrecht zur Linie 23

25

Druckseite (DS)

26

Gegendruckseite (GDS)

27

Bodenkante

28

Aussparungen

h₁

Kolbenkompressionshöhe

h₂

Muldenhöhe

l₁

Länge der Aussparung der ersten Ventiltasche

l₂

Länge der Aussparung der zweiten Ventiltasche

x₁

Abstand zwischen der Linie 23 und dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche 21

x₂

Abstand zwischen der Linie 23 und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche 22

x₃

Abstand zwischen dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche 21 und der Linie 24

x₄

Abstand zwischen der Linie 24 und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche 22

d₁

Durchmesser Kolben

d₂

Durchmesser Zulauf

d₃

Durchmesser Ablauf

d₄

Durchmesser Ventiltasche

Alpha

erstes Kreissegment zwischen erster Ventiltasche und der senkrecht zu der die Druckseite und Gegendruckseite verbindenden Linie stehenden Linie

Beta

zweites Kreissegment zwischen der senkrecht zu der die Druckseite und Gegendruckseite verbindenden Linie stehenden Linie und der zweiten Ventiltasche

Gamma

drittes Kreissegment zwischen der zweiten Ventiltasche und der die Druckseite und Gegendruckseite verbindenden Linie

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 2014/159634 A1 [0002]

Claims (14)

1. Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein stoffschlüssig mit einem Unterteil (2) gefügtes Oberteil (3), wobei das Unterteil (2) einen Schaft (6) und mindestens eine Bolzenbohrung (7) umfasst, wobei das Oberteil (3) eine Brennraummulde (11) und einen Kolbenboden (5) mit einer Bodenkante (27) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fügestelle (4) im Bereich eines Ringfeldes (9) und in einer äußeren Wand der Brennraummulde (11) angeordnet ist und das Verhältnis aus Kolbenkompressionshöhe (h₁) und Durchmesser des Kolbens (d₁) kleiner als 0,53 ist.
2. Kolben (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der inneren Fügestelle (4) in der äußeren Wand der Brennraummulde (11) oberhalb des fertigbearbeiteten Brennraummuldengrundes vorgesehen ist.
3. Kolben nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kolbenboden (5) des Kolbens (1) mindestens eine Ausnehmung (20) vorgesehen ist.
4. Kolben nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung (20) mindestens eine Aussparung (28) aufweist, die zumindest teilweise die Bodenkante (27) des Kolbenbodens (5) durchtritt.
5. Kolben nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aussparung (28) kreissegmentförmig ausgestaltet ist.
6. Kolben (1) nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung (20) mindestens eine Ventiltasche (21, 22) ausbildet.
7. Kolben nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (x₁) zwischen einer Linie (23), der Linie zwischen Druckseite (25) und Gegendruckseite (26) und dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche (21) größer ist als der Abstand (x₂) zwischen der Linie (23) und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche (22).
8. Kolben (1) nach Patentanspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (x₁) zwischen einer Linie (23), der Linie zwischen Druckseite (25) und Gegendruckseite (26) und dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche (21) mindestens doppelt so groß ist wie der Abstand (x₂) zwischen der Linie (23) und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche (22).
9. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenschaft (6) des Kolbens (1) eine Beschichtung (14) zur Verminderung der Reibung aufweist.
10. Kolben (1) nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) einen Kühlkanal (8) aufweist.
11. Kolben nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Ölzutritt zum Kühlkanal (8) mindestens ein verlängerter Zulauf vorgesehen ist.
12. Kolben (1) nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (8) eingeformte Ausnehmungen in seiner Kontur aufweist.
13. Kolben (1) nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Kühlkanal (8) eingeformten Ausnehmungen mit der Auftreffposition der Brennstrahlen in der Brennraummulde (11) korrespondieren.
14. Kolben nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (3) als halbwarmgeschmiedetes Oberteil ausgeführt ist.

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