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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren und spezieller auf einen Kolben zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor.
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EINFÜHRUNG
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Die Erklärungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen bereit, die die vorliegende Offenbarung betreffen und dem bisherigen Stand der Technik entsprechen können.
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Motorkolben werden gewöhnlich aus Eisen- oder Aluminiumlegierungen durch ein Guss- und/oder Schmiedeverfahren hergestellt. Kolbenmaterial und -konstruktion tragen zur Gesamtlebensdauer und -leistung eines Motors insgesamt bei. Ein Kolben hat verschiedene Teile, die zu dieser Gesamtlebensdauer und -leistung beitragen. Ein Kolbenboden ist die obere Oberfläche, die Motorverbrennungstemperaturen ausgesetzt ist. Eine Ringpartie, die Verdichtungs- und Ölabstreifringe trägt, erstreckt sich von der Kante des Kolbenbodens. Der Abschnitt am Außendurchmesser des Kolbens, der der Kurbelwelle am nächsten liegt, ist das Kolbenhemd. Das Kolbenhemd hat gekurvte Seitenwände, die sich von der Ringpartie aus erstrecken, um auf den Kolben ausgeübte hin- und hergehende Schubkräfte zu absorbieren. Das Kolbenhemd unterstützt auch die Ausrichtung des Kolbens in der Zylinderbohrung, während er sich beim Takten bewegt. Ein Bolzenauge kann sich zwischen den Hemdwänden zur Aufnahme eines Kolbenbolzens für die Verbindung mit einer Pleuelstange erstrecken.
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Motorhersteller sehen sich mit steigenden Anforderungen konfrontiert, die Wirkungsgrade und Leistungen von Motoren zu verbessern, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, die Kraftstoffeinsparung, die Verbesserung der Kraftstoffverbrennung, die Senkung des Ölverbrauchs und die Steigerung der Abgastemperatur für die nachfolgende Verwendung in der katalytischen Umwandlung von Abgasen. Der Motorkolben bietet viele Gelegenheiten für Verbesserungen mit Bezug auf diese Ziele.
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ZUSAMMENFASSUNG
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In einer ersten Anordnung hat ein einteilig ausgebildeter Kolben einen Bodenabschnitt, eine Ringpartie und eine Vielzahl von Boden- und Hemdtragelementen. Der Bodenabschnitt hat ein Kolbendach und eine Bodenunterseite. Die Ringpartie erstreckt sich von der Bodenunterseite und um den Umfang des Bodenabschnittes. Die Vielzahl die Boden- und Hemdtrageelemente erstreckt sich von der Bodenunterseite und der Ringpartie, um ein Kolbenhemd mit einer Strebenanordnung zu bilden.
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In einer anderen Anordnung weist ein einteilig ausgebildeter Kolben einen Boden, eine Ringpartie und ein Kolbenhemd auf. Die Ringpartie erstreckt sich von einer Oberfläche des Bodens an einem Umfang davon. Die Ringpartie beinhaltet eine Vielzahl von Ringstegen und mindestens eine Ölleitung, die durch diese hindurch verläuft. Das Kolbenhemd erstreckt sich vom Kolbendach und der Ringpartie und weist eine Vielzahl von Aussteifungselementen auf. Mindestens eines aus der Vielzahl von Aussteifungselementen weist einen Doppel-T-Träger-Querschnitt auf. Weiterhin sind der Boden, die Ringpartie und das Hemd durch ein additives Herstellungsverfahren einteilig ausgebildet.
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In noch einer anderen Anordnung hat ein einteilig ausgebildeter Kolben einen Bodenabschnitt mit einem Kolbendach und einer Bodenunterseite. Eine Ringpartie erstreckt sich von der Bodenunterseite an einem Umfang davon. Die Ringpartie beinhalt mindestens einen Ringsteg und mindestens eine Ölleitung, die konturiert ist, um mindestens zwei Oberflächen des mindestens einen Ringstegs zu verlaufen. Die Ölleitung weist eine Öffnung an der Bodenunterseite zur Aufnahme eines Kühlfluids darin auf, um den mindestens einen Ringsteg zu kühlen. Ein Kolbenhemd erstreckt sich von der Bodenunterseite und der Ringpartie und weist eine Vielzahl von Aussteifungselementen auf, die in einer Strebenformation angeordnet sind. Mindestens eines aus der Vielzahl der Aussteifungselemente weist einen Doppel-T-Träger-Querschnitt auf, und ein anderes aus der Vielzahl der Aussteifungselemente weist einen negativen Freiwinkel auf.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
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ZEICHNUNGEN
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich dem Zweck der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines Kolbens gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist eine Querschnittsansicht des Kolbens aus 1;
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3 ist ein Teilquerschnitt durch den Kolben der 1 im Vergleich mit einem Teilquerschnitt eines früheren Entwurfs des Kolbens; und
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4 ist eine perspektivische Ansicht eines Kolbens gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die hierin offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie der Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Beliebige Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
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Es wird weiterhin darauf hingewiesen, dass in allen Zeichnungen die gleichen Referenznummern auf die gleichen oder entsprechenden Teile und Merkmale verweisen. Des Weiteren werden Richtungsangaben, wie z. B. „oben“, „seitlich“ und „rückwärts“ zu Veranschaulichungszwecken verwendet und sollen, sofern nicht anders angegeben, nicht zur Erfordernis spezifischer Ausrichtungen führen.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird ein exemplarischer Kolben 10 dargestellt, der durch additive Herstellung (d. h. 3-D Druck oder direktes metallisches Lasersintern) gebildet wurde. Der Kolben 10 beinhalt verschiedene Merkmale unabhängig von der Fertigungstechnik, einschließlich einem Boden 12 mit einem Kolbendach 14 und einer Bodenunterseite 16. Bei Verwendung ist das Kolbendach 14 Motorverbrennungstemperaturen und Gasen ausgesetzt, während die Bodenunterseite 16 auf Kurbelgehäusefluids einschließlich Luft, Öldampf und flüssigen Öltröpfchen oder -spray ausgesetzt ist. Das Kolbendach 14 kann so gebildet sein, dass es jede bekannte geeignete Gestalt oder Konfiguration für das Bereitstellen eines geeigneten Verbrennungsgasstroms aufweist, abhängig von der konkreten Anwendung, für die der Kolben 10 konstruiert ist. Eine Ringpartie 18 zur Aufnahme von Verdichtungs- und Ölabstreif-Kolbenringen (nicht dargestellt) erstreckt sich abwärts von der Kante des Bodens 12, um Entlüftungsgase daran zu hindern, entlang dem Umfang des Bodens 12 auszutreten. Ein Kolbenhemd 20 erstreckt sich von der Ringpartie 18 aus, um Schubkräfte während der Bewegung von Kolben 10 zu absorbieren. Die Bodenunterseite 16 des Kolbens beinhaltet auch ein Paar Bolzenaugen 22. Die Bolzenaugen 22 weisen Bolzenbohrungen entlang einer Bolzenbohrungsachse zur Aufnahme eines Kolbenbolzens des Kolbens 10 für die Verbindung mit einer Pleuelstange (nicht dargestellt) und schließlich mit einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) eines Motors auf.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf 1 und 2 bietet das additive Herstellungsverfahren viele Gelegenheiten, in den Kolben 10 Merkmale einzubeziehen, die für Kolbenhersteller zuvor nicht verfügbar waren. Viele dieser Merkmale bieten dem Kolben in einer einteilig ausgebildeten oder Monoblock-Konstruktion funktionelle Festigkeit, während sie auch eine leichtgewichtige Konstruktion ermöglichen. In einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich eine Vielzahl von Boden- und Hemdtrageelementen unterhalb der Bodenunterseite 16 des Kolbens 10. Die Boden- und Hemdtrageelemente können verschiedene Formen annehmen, um die Steifigkeit bei minimaler Masse zu maximieren. So können beispielsweise die Boden- und Hemdtrageelemente eine Vielzahl von Aussteifungsrippen 24 beinhalten, die von der Bodenunterseite 16 und der Ringpartie 18 in Richtung der Bolzenaugen 22 verlaufen. Die Aussteifungsrippen 24 können so angeordnet werden, dass sie unterhalb der Bodenunterseite 16 hervorstehen, sodass das Hemd 20 in einer strebenartigen Formation (z. B. als Stützen 26) angeordnet ist, um die Belastung des Kolbens 10 ohne Fremdmasse zu handhaben. Die Aussteifungsrippen 24 können gerade (d. h. über volle Länge gleich breite) Rippen sein oder die Rippen 24 können entlang ihrer Länge vertieft sein, wie bei einer Doppel-T-Träger- oder ausgebogenen Form, um eine geringere Masse zu bieten. Auf diese Weise können die Aussteifungsrippen 24 Material von nicht belasteten Stellen wesentlich eliminieren. In einem Beispiel können verschiedene Aussteifungsrippen 24 als Doppel-T-Träger 28 ausgebildet sein, die sich mit den Stützen 26 überkreuzen, um die Struktur des Hemdes 20 auszusteifen.
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Die Boden- und Hemdtrageelemente können auch Aussteifungen 30 beinhalten, die sich zwischen den Aussteifungsrippen 24 erstrecke, um diese zusätzlichen Halt zu bieten. Die Aussteifungen 30 können mit negativen gebildet sein kann mit negativen Freiwinkeln, α, gebildet werden, wie am besten in 2 dargestellt. Negative Freiwinkel bieten hervorstehenden Elementen bessere Absteifung bei geringer Masse.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 und 2 kann der Kolben 10 auch verschiedene Kühlmerkmale beinhalten, die verbesserte Verschleiß- und Materialeigenschaften aufgrund der niedrigeren Kolbentemperaturen bieten. In einem Beispiel beinhaltet der Kolben 10 eine umschlossene oder teilweise umschlossene Ölleitung 32 im Bereich der Ringpartie 18. Das Ölleitung 32 kann zur Bodenunterseite hin 16 bei Öffnung 34 geöffnet sein, sodass Kurbelgehäuseflüssigkeiten (z. B. Öl) aufgenommen werden und nahe dem Kolbendach 14 durch die Ringpartie 18 befördert werden können. Die Ölleitung 32 kann konturiert sein, um obere und untere Flächen zumindest des oberen Ringstegs 36 zu verlaufen (z. B. C-förmig), wie am besten in 2 dargestellt ist. Auf diesem Wege kann die Ölleitung 32 zur Kühlung der Ringstege beitragen. Die Ölleitung 32 kann in einer ringförmigen Anordnung vollständig um die Ringpartie 18 verlaufen, oder sie kann segmentiert und inkrementell um die Ringpartie 18 beabstandet sein. Durch die Bereitstellung einer segmentierten Anordnung kann die Ölleitung 32 mehrere Öffnungen 34 beinhalten, die eine größere Menge Fluid zum Kühlen hineinlassen. Es ist auch vorgesehen, dass mindestens eine Öffnung 34 auf der Bodenunterseite 16 angeordnet ist, um Kühlöl aus einer oder mehreren Öldüsen (nicht dargestellt) in die Ölleitung 32 aufzunehmen. Die mindestens eine Öffnung 34 kann auch verwendet werden, um das Kühlöl aus der Ölleitung 32 während des Betriebs wieder in das Kurbelgehäuse des Motors abzugeben. Dieser kontinuierliche Zyklus des Öls in der Ölleitung 32 bewirkt die Ableitung von Wärme vom Kolbendach 14, um das Kolbendach 14 zu kühlen, und ermöglicht ihm einen Betrieb unter erhöhten Verbrennungsdrücke und -temperaturen.
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Ungleichmäßige Hohlräume 38 können ebenfalls in die Bodenunterseite 16 einbezogen werden, um zusätzliche Masse zu entfernen und zur Kolbenkühlung beizutragen. In einem in 1 gezeigten Beispiel können ungleichmäßige Hohlräume 38 unterhalb der Bolzenaugen 22 für zusätzliche Kühlelemente angeordnet werden, und um den Grad der laminaren gegenüber der turbulenten Strömung zu handhaben. Die ungleichmäßigen Hohlräume 38 ermöglichen auch ein größeres Eindringen von Fluid zur Kühlung an den Bolzenaugen 22.
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In einem anderen in 4 gezeigten Beispiel kann der Kolben 200 ungleichmäßige Hohlräume 238 beinhalten, die die Form von Waben oder eine andere Gitterstruktur annehmen und unterhalb der Bolzenaugen 222 angeordnet sind. Die ungleichmäßigen Hohlräume 238 können eine zusätzliche Aussteifung für die Bolzenaugen 222 bieten. Die ungleichmäßigen Hohlräume 238 können zu den Bolzennaben 222 hin geöffnet sein, zum leichten Materialabtrag bei der Verarbeitung. Alternativ können diese Waben- oder Gitterstrukturen vollständig im Material des Kolbens 200 eingeschlossen sein. Auf diese Weise können die ungleichmäßigen Hohlräume 238 verwendet werden, um jegliches Volumen zu füllen, wo Masse unerwünscht ist. So könnte beispielsweise ein Teil des Volumens zwischen dem Kolbendach 214 und der Bodenunterseite 216 mit einer vollständig umschlossenen Waben- oder Gitterstruktur erzeugt werden (z. B. der Abschnitt, der sich zwischen den Stützen 226 erstreckt). Auf diese Weise kann eine Kolbenbodentraverse zu einem Kolbenbolzen zusätzliche Steifigkeit erhalten. Ähnlich der Doppel-T-Träger-Struktur können äußere Elemente den größten Teil der Last bei Zug und Druck tragen, wobei die Waben- oder Gitterstruktur durch die neutrale Achse präsent ist.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 wird Kolben 10 über eine Standardausführung eines Kolbens 100 (gestricheltes Bild) gelegt. Zwischen den hinzugefügten Aussteifungselementen (z. B. Aussteifungen 30) und den hinzugefügten Kühlelementen (z. B. Ölleitung 32, ungleichmäßige Hohlräume 38), kann der Kolben 10 so entworfen werden, dass er eine geringere Höhe der Ringpartie 18, eine geringere Kolbenbolzenlänge (z. B. ist der Abstand zwischen den Bolzennaben 22 reduziert) und weniger Fläche für die Reibung des Kolbens 10 in der Zylinderbohrung aufweist. Mit anderen Worten beinhaltet der Kolben 100 eine Ringpartie-Höhe H1 und Kolben 10 beinhaltet eine Ringpartie-Höhe H2, wobei die Ringpartie-Höhe H2 geringer ist als die Ringpartie-Höhe H1. Desgleichen beinhaltet der Kolben 100 eine Bolzenbohrungslänge L1 und Kolben 10 beinhaltet eine Bolzenbohrungslänge L2, wobei die Bolzenbohrungslänge L2 kürzer ist als die Bolzenbohrungslänge L1.
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Der Kolben 10 der exemplarischen Ausführungsformen ist für die Verwendung mit einer Bandbreite verschiedener Arten von Verbrennungsmotoren ausgelegt, einschließlich zum Beispiel fremd- oder selbstzündenden Zwei- oder Viertaktverbrennungsmotoren. Weiterhin kann der Kolben der exemplarischen Ausführungsformen im additiven Herstellungsverfahren aus einem Stahlmaterial erzeugt werden, oder er kann mit vielen der oben vorgestellten Merkmale aus einem alternativen Material anstelle von Stahl konstruiert werden. Von daher sollte klar sein, dass diese Beschreibung nur als Beispiel zu verstehen ist und Variationen, die sich nicht vom Kern der Offenbarung entfernen, werden somit als im Umfang der Offenbarung befindlich verstanden. Diese Variationen sollten nicht als eine Abweichung vom Sinn und Umfang der Offenbarung betrachtet werden.
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Während exemplarische Ausführungsformen vorstehend beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen herbeigeführt werden. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sein könnten, um Vorteile zu bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Merkmale bevorzugt zu sein, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass ein oder mehrere oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Eigenschaften können beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit, usw. Als solches liegen Ausführungsformen, die als weniger wünschenswert im Vergleich zu anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere Merkmale beschrieben sind, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
