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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine sowie eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem solchen Kolben, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Es wird insoweit auch explizit auf Kraftfahrzeuge mit solchen Hubkolben verwiesen.
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Aus
DE 10 2015 201 633 A1 ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, wobei der Kolben einen als Ringfeld bezeichneten Ringträger und ein als Schaft bezeichnetes Kolbenhemd aufweist. Zur Einsparung von Gewicht weist dieser Kolben zwischen dem Ringfeld und dem Schaft sich von der Kolbenaußenseite zum Kolbeninneren erstreckende Durchbrüche auf. Um trotz der Durchbrüche eine ausreichende Steifigkeit zu erzielen, ist der Schaft mit dem Ringträger zusätzlich über eine zentrale Rippe verbunden, die zwischen den Durchbrüchen angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine sowie eine Hubkolbenbrennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, welche bei einer ausreichenden Steifigkeit thermisch funktional verbessert sind und ein geringes Gewicht aufweisen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßer Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine umfasst einen Ringträger mit einem äußeren Kolbenboden und mit einem inneren Kolbenboden. Als äußerer Kolbenboden wird diejenige Seite bezeichnet, welche im Einbauzustand des Kolbens einem Brennraum zugewandt ist und diesen unmittelbar begrenzt. Als innerer Kolbenboden wird die gegenüberliegende Seite des Kolbenbodens bezeichnet, welche im Einbauzustand dem Brennraum abgewandt ist. Ausgehend von dem inneren Kolbenboden erstreckt sich in axialer Richtung des Kolbens ein Kolbenhemd, welches mindestens eine, zumindest teilweise bogenförmig ausgebildete Führungsfläche aufweist. Insbesondere kann das Kolbenhemd zwei, sich jeweils über einen Bogenabschnitt - in Umfangsrichtung des Kolbens betrachtet - erstreckende Führungsflächen aufweisen, beispielsweise auf sich gegenüberliegenden Seiten des Kolbens. Die mindestens eine Führungsfläche ist bei dem erfindungsgemäßen Kolben in dem bogenförmig ausgebildeten Bereich gegenüber dem sich in axialer Richtung anschließenden Ringträger derart beabstandet angeordnet, dass sich ein Spalt zwischen Ringträger und Führungsfläche ergibt. Dadurch wird eine unmittelbare Wärmeübertragung von dem Ringträger auf die bogenförmigen Bereiche vermieden, was thermisch vorteilhaft ist. Das Kolbenhemd und der Ringträger sind ferner über mindestens eine Versteifungsrippe miteinander verbunden, die sich quer über den inneren Kolbenboden erstreckt. Damit ist insbesondere eine mittelbare Verbindung zwischen einem Kolbenboden des Ringträgers und einem Kolbenhemd derart gemeint, dass sich mindestens eine Versteifungsrippe (insbesondere zwei oder mehr Versteifungsrippen) quer über den Kolbenboden erstreckt und sich von der (jeweiligen) Versteifungsrippe aus ein Element oder mehrere Elemente eines Kolbenhemdes erstrecken, insbesondere (mindestens) eine Kolbenbolzennabe und mindestens eine Führungsfläche. Der Teil des Kolbenhemdes mit einer oder mehreren Führungsflächen und der Ringträger können in diesem Fall nur mittelbar über die Versteifungsrippe miteinander verbunden sein. Mittels mindestens einer derartigen Versteifungsrippe kann materialminimierend eine partiell hohe Steifigkeit des Kolbens bei gleichzeitig vorteilhaften thermischen Eigenschaften und niedrigem Bauteilgewicht erzielt werden. Es hat sich gezeigt, dass die mit dem erfindungsgemäßen Kolben erzielte thermische Entkopplung so gut ist, dass das Kolbenwarmspiel dem Kolbeneinbauspiel im Wesentlichen entspricht, d.h. dass in dem gesamten Kennfeld und Temperaturbereich einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nur geringfügige Relativveränderungen hinsichtlich des Spiels zwischen Kolben und Zylinderwand stattfinden. Dadurch können das Einbauspiel und der daraus resultierende Kolbenaufschlagimpuls sehr klein gehalten werden. Daraus resultiert unter anderem auch eine akustisch unauffällige Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer nur geringen Geräuschentwicklung. Ferner kann ein Verkippen des Kolbens auf ein Minimum reduziert werden, woraus auch ein geringer Ölverbrauch resultiert.
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Der vorstehend erwähnte Spalt zwischen der Führungsfläche und dem Ringträger ist insbesondere ein durchgängiger Spalt, d.h. er erstreckt sich jeweils über die gesamte bogenförmige Führungsfläche. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist die Führungsfläche über ihre gesamte bogenförmige Erstreckung von dem Ringträger durch den Spalt separiert.
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Wenn mehrere Führungsflächen vorgesehen sind, ist vorzugsweise zwischen jeder Führungsfläche und dem Ringträger ein entsprechender Spalt ausgebildet, so dass keine unmittelbare Verbindung in axialer Richtung zwischen den Führungsflächen und dem Ringträger existiert. Die Führungsflächen sind dann thermisch von dem Ringträger zumindest insoweit entkoppelt, als ein direkter Wärmeübergang verhindert wird. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund von Vorteil, dass sich die Führungsflächen durch die im Bereich des Ringträgers auftretende Wärme aufheizen, was aufgrund der thermischen Ausdehnung zu einer erhöhten Reibung zwischen den Führungsflächen und der Zylinderwand führen kann, insbesondere wenn die Erwärmung der Führungsflächen und der Zylinderwand unterschiedlich schnell erfolgt und/oder wenn die Ausdehnung aufgrund unterschiedlicher Werkstoffe und unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlich stark erfolgt. Dies kann zu einer Kolbenüberdeckung führen (d.h. dazu, dass der Kolbendurchmesser größer wird als der Zylinderdurchmesser) und es dadurch in Extremfällen sogar zu einem sogenannten „Kolbenfresser“ oder zu einem Verklemmen des Kolbens in dem Zylinder kommen kann.
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Unter einer sich quer über den inneren Kolbenboden erstreckenden Versteifungsrippe ist vorliegend insbesondere eine Versteifungsrippe gemeint, welche sich quer von einem äußeren Punkt des Kolbenbodens bis zu einem anderen äußeren Punkt des Kolbenbodens erstreckt. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Versteifungsrippe über einen Großteil dieser Erstreckungslänge quer über den inneren Kolbenboden, vorzugsweise über die gesamte Erstreckungslänge, fest mit dem inneren Kolbenboden verbunden ist. So kann eine besonders sichere, sekantenartige Anbindung der Versteifungsrippe an dem Kolben realisiert und eine insgesamt steife Gesamtstruktur erzeugt werden.
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Die Versteifungsrippe erstreckt sich insoweit insbesondere sekantenartig über den inneren Kolbenboden. Mit dem Begriff „sekantenartig“ soll dabei zum Ausdruck gebracht werden, dass die Versteifungsrippe nicht auf lineare Versteifungsrippengestaltungen zwischen zwei äußeren Punkten des Umfangs beschränkt ist. Als sekantenartige Versteifungsrippen im Sinne der Erfindung werden auch solche Versteifungsrippen angesehen, die einen bogenförmigen oder anders gekrümmten Verlauf aufweisen, beispielsweise einen zickzackartigen Verlauf. Auch die sich quer zur Erstreckungsrichtung der Versteifungsrippe erstreckende Dicke und die Höhe der Versteifungsrippe(n) kann variieren. Vorzugsweise ist aber die sich quer durch den Kolbenboden erstreckende Länge der Versteifungsrippe größer als die Breite und/oder die sich in Axialrichtung des Kolbens erstreckende Höhe der Versteifungsrippe.
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Es hat sich gezeigt, dass durch die Kombination aus dem mindestens einen Spalt zwischen Führungsfläche(n) und Ringträger einerseits (insbesondere zwei Spalte zwischen jeweils einer Führungsfläche und dem Ringträger) und die Ausbildung der mindestens einen, sich quer über den inneren Kolbenboden erstreckenden Versteifungsrippe andererseits (insbesondere zwei Versteifungsrippen, wobei jeweils eine Versteifungsrippe einer Führungsfläche zugeordnet ist) ein erfindungsgemäßer Kolben mit geringem Materialeinsatz bedarfsweise mit hoher Steifigkeit und dennoch materialsparend mit geringem Gewicht konstruiert werden kann. Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Konstruktion sogar die Herstellung und Verwendung eines besonders gewichtsreduzierten Kolbens aus Aluminium ermöglicht. Besonders bevorzugt ist es, wenn der erfindungsgemäße Kolben einstückig aus Aluminium hergestellt ist.
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In einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens erstreckt sich die mindestens eine Versteifungsrippe in einem mittleren Abschnitt in axialer Richtung von dem inneren Kolbenboden aus so weit, dass eine Kolbenbolzennabe in der Versteifungsrippe ausgebildet ist. Als mittlerer Abschnitt wird dabei insbesondere der Bereich innerhalb von zwei auf gegenüberliegend angeordneten Führungsflächen bezeichnet.
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Vorzugsweise erstrecken sich zwei oder mehr Versteifungsrippen, insbesondere zwei parallel zueinander ausgebildete Versteifungsrippen, in axialer Richtung so weit, dass in diesen Versteifungsrippen selbst jeweils eine Kolbenbolzennabe ausgebildet ist. Über die Kolbenbolzennabe werden bei Einsatz des Kolbens in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine insbesondere über einen eingesetzten Kolbenbolzen Kräfte von dem Kolben auf ein Pleuel übertragen, um in bekannter Weise eine Kurbelwelle anzutreiben. Mit einer Versteifungsrippe, zwei Versteifungsrippen oder mehr Versteifungsrippen kann eine materialsparende, aber zugleich steife Gesamtstruktur erzielt werden, mittels welcher der Kolben auch bei hohen Kolbenkräften gut im Zylinder geführt ist, wodurch eine verlustarme Kraftübertragung ermöglicht wird.
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Das Kolbenhemd ist insbesondere über die mindestens eine Versteifungsrippe mit dem Ringträger verbunden. Darüber hinaus können ein Verbindungsabschnitt oder mehrere Verbindungsabschnitte vorgesehen sein, die ebenfalls mit dem Ringträger verbunden sind. Diesbezüglich wird insbesondere auf eine Gestaltung verwiesen, bei welcher zwei gegenüber angeordnete Führungsflächen über zwei Verbindungsabschnitte miteinander zu einer rahmenartigen Struktur verbunden sind und die Verbindungsabschnitte jeweils zumindest teilweise mit dem inneren Kolbenboden verbunden sind. Dabei können sich die Verbindungsabschnitte insbesondere über eine Kolbenbolzennabe hinweg quer über den Durchmesser eines Kolbens erstrecken. Wenn der Ringträger, insbesondere der innere Kolbenboden des Ringträgers, zusätzlich mit einem Verbindungsabschnitt oder zwei Verbindungsabschnitten verbunden ist, insbesondere im Bereich von Kolbenbolzennaben, wird die Gesamtsteifigkeit des Kolbens weiter erhöht bzw. die Belastung der Versteifungsrippen kann reduziert werden, so dass durch entsprechende Auslegung der Versteifungsrippen eine weitere Gewichtsoptimierung erfolgen kann. Dabei kann die Verbindung ausschließlich mittelbar über ein weiteres Element realisiert sein, insbesondere über eine Versteifungsrippe, und/oder unmittelbar realisiert sein, indem die Verbindungsabschnitte zumindest teilweise direkt an dem Kolbenboden angebunden sind. Dabei ist es bevorzugt, wenn eine solche Anbindung sich auf vom Außenumfang des Kolbens beabstandete Bereiche beschränkt, insbesondere auf mittlere Bereiche um eine Kolbenbolzennabe herum bzw. zwei oder mehr Kolbenbolzennaben herum.
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Um die Wärmeübertragung zwischen dem Ringträger und den Führungsflächen gering zu halten und dennoch eine gute Festigkeit zu erzielen, ist der mindestens eine Verbindungsabschnitt vorzugsweise über eine kleinere Fläche an den inneren Kolbenboden angebunden als eine korrespondierende Versteifungsrippe.
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Alternativ oder in Ergänzung ist der Verbindungsabschnitt nur in einem inneren Bereich des Kolbenbodens mit diesem verbunden, d.h. in einem von dem Außenumfang des Kolbens beabstandeten Bereich, insbesondere in einem Bereich, der sich bei einem mit einer durch einen ringförmigen Außenrand begrenzten Vertiefung innerhalb des Außenrandes des inneren Kolbenbodens befindet.
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Wiederum alternativ oder in Ergänzung erstreckt sich der Verbindungsabschnitt insbesondere nur über einen die Kolbenbolzennabe umgebenden Bereich, beispielsweise über eine Länge, die etwas größer ist als der Durchmesser der Kolbenbolzennabe, z.B. maximal das 1,1-fache, maximal das 1,2-fache oder maximal das 1,3-fache des Durchmessers der Kolbenbolzennabe, insbesondere derart, dass sich der Verbindungsabschnitt über die Kolbenbolzennabe erstreckt und diese beidseitig in gleicher Länge überragt.
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Die Kolbenbolzennabe ist insbesondere von einer sich senkrecht zur Axialrichtung erstreckenden Verdickung umgeben. Die Verdickung ist vorzugsweise Teil des Verbindungsabschnitts, welcher an dem inneren Kolbenboden angebunden ist. Damit ergibt sich ein flächenmäßig auf einen - in radialer Richtung betrachtet - mittleren Bereich des Kolbenbodens begrenzter Kontaktbereich zwischen dem Verbindungsabschnitt und dem inneren Kolbenboden des Ringträgers, was thermisch vorteilhaft ist.
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Wie schon erwähnt, können die Verbindungsabschnitte insbesondere derart angeordnet sein, dass eine rahmenförmige Struktur aus zwei gegenüber angeordneten bogenförmigen Führungsflächen und zwei gegenüberliegend angeordneten Verbindungsabschnitten gebildet ist. Die zwei Versteifungsrippen sind dabei insbesondere jeweils innenseitig der Verbindungsabschnitte ausgebildet. Berechnungen haben ergeben, dass in diesem Fall eine besonders hohe Steifigkeit des Kolbens bei guten thermischen Eigenschaften erzielt wird. Denn es werden dabei insbesondere die auf die Verbindungsabschnitte wirkenden Kräfte mit Hilfe der sich innenseitig erstreckenden Versteifungsrippen verringert. Ein derartiger Kolben kann besonders vorteilhaft einstückig aus Aluminium hergestellt werden.
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Eine zusätzliche Gewichtsersparnis kann in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Kolben erzielt werden, wenn der Ringträger auf der zum Kolbenhemd gerichteten Fläche, d.h. im Bereich des inneren Kolbenbodens, eine Vertiefung oder mehrere Vertiefungen aufweist. Eine solche Vertiefung kann insbesondere durch einen außenseitig des inneren Kolbenbodens ausgebildeten Außenrand begrenzt sein, vorzugsweise durch einen Außenrand, der über den gesamten Umfang des inneren Kolbenbodens eine gleichbleibende Dicke aufweist. Eine oder mehrere Vertiefungen können sich dann innerhalb des Außenrandes erstrecken. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann bei einem erfindungsgemäßen Kolben die Kolbenbodendicke, insbesondere durch Ausbildung von Vertiefungen, verringert und somit zusätzliches Gewicht eingespart werden.
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Wenn sich die mindestens eine Versteifungsrippe derart quer durch die Vertiefung erstreckt, dass sie jeweils über einen vollständigen sekantenartigen Abschnitt an dem inneren Kolbenboden angebunden ist, d.h. sich der sekantenartig ausgebildete Abschnitt vollständig über zwei Punkte eines Außenrandes erstreckt, ergeben sich dementsprechend Vertiefungen beidseitig der Versteifungsrippe.
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Vorzugsweise erstrecken sich zwei oder mehr Versteifungsrippen quer durch die Vertiefung, insbesondere vollständig sekantenartig.
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Durch die Ausbildung von einer Vertiefung oder mehreren Vertiefungen ist die sich in axialer Richtung erstreckende Dicke des Ringträgers reduziert, wodurch Material und Gewicht des Kolbens eingespart werden.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist die mindestens eine Versteifungsrippe und/oder der mindestens eine Verbindungsabschnitt in Längsrichtung (d.h. in seiner Erstreckungsrichtung) betrachtet zum Teil gekrümmt ausgebildet. Als Längsrichtung wird die Richtung bezeichnet, in der die Versteifungsrippe bzw. der Verbindungsabschnitt quer zur Axialrichtung die größte Erstreckung aufweisen, insbesondere die Erstreckungsrichtung eines sekantenartigen Abschnitts, welcher sich quer durch den Durchmesser des Kolbens erstreckt.
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Insbesondere weisen die Versteifungsrippe und/oder der mindestens eine Verbindungsabschnitt einen omegaförmigen und/oder bogenförmigen und vorzugsweise nach außen gekrümmten Verlauf auf. Durch einen omegaförmigen und/oder bogenförmigen, insbesondere nach außen gekrümmten Verlauf kann eine verbesserte Biegesteifigkeit der Versteifungsrippe und des Kolbens als Ganzes erzielt werden, insbesondere zur Aufnahme von Kräften, die von dem Kolben über einen Kolbenbolzen auf ein Pleuel übertragen werden sollen.
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Vorzugsweise weist die Versteifungsrippe einen Verlauf derart auf, dass die Versteifungsrippe in Längsrichtung betrachtet im Bereich der Kolbenbolzennabe in eine die Kolbenbolzennabe innenseitig umgebende Verdickung übergeht und in einem äußeren Bereich des inneren Kolbenbodens von dem Verbindungsabschnitt beabstandet angeordnet ist. Bevorzugt ist die Dicke der Versteifungsrippe außenseitig vergrößert, d.h. insbesondere dort, wo die Versteifungsrippe sich dem Außenrand des inneren Kolbenbodens annähert und/oder an den Außenrand des inneren Kolbenbodens angrenzt.
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Vorzugsweise sind an einem erfindungsgemäßen Kolben zwei Kolbenbolzennaben vorgesehen, wobei jede Kolbenbolzennabe sich jeweils auch durch eine mit dieser Kolbenbolzennabe korrespondierende Versteifungsrippe erstreckt. Weiter vorzugsweise bilden der Verbindungsabschnitt und eine korrespondierende Versteifungsrippe im Bereich der Kolbenbolzennabe eine Einheit, d.h. die Kolbenbolzennabe erstreckt sich übergangslos durch den Verbindungsabschnitt und die korrespondierende Versteifungsrippe. Kräfte, die über einen Kolbenbolzen zwischen Kolben und einem Pleuel übertragen werden, verteilen sich damit auf den Verbindungsabschnitt und die korrespondierende Versteifungsrippe, die jeweils eine gemeinsame hohlzylindrische Lagerfläche für den Kolbenbolzen bereitstellen.
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Außenseitig einer Kolbenbolzennabe bzw. jeder Kolbenbolzennabe - und optional auch innenseitig - erstreckt sich in einer weiteren praktischen Ausführungsform jeweils eine in Durchführrichtung des Kolbenbolzens hervorragende Verdickung, insbesondere über den vollen Umfang der Kolbenbolzennabe. Die Verdickung erstreckt sich vorzugsweise von einem mittleren Abschnitt des inneren Kolbenboden aus und ist weiter bevorzugt insbesondere kreisbogenförmig um die Kolbenbolzennabe herum ausgebildet. Mit einer solchen Verdickung kann zum einen eine zusätzliche Versteifung des Bereiches der Kolbenbolzennabe erfolgen und zum anderen mittlere Anbindungsbereiche von Verbindungsabschnitten vergrößert werden.
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Eine weitere Gewichtsersparnis kann erzielt werden, wenn die mindestens eine Führungsfläche des erfindungsgemäßen Kolbens mindestens eine Ausnehmung aufweist, welche die Führungsfläche auf zwei oder mehr Teil-Führungsflächen reduziert. Grundsätzlich kann an jeder Führungsfläche eines Kolbens Gewicht eingespart werden, wenn durch die Ausbildung von einer oder mehreren Ausnehmungen (z.B. in Form von Vertiefungen, Einschnitten etc.) weniger Material erforderlich ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich aber erwiesen, eine erste Führungsfläche ohne Ausnehmung(en) so groß auszubilden, dass die auftretenden Führungskräfte sicher aufgenommen werden können, und eine zweite Führungsfläche, die aufgrund ihrer Anordnung in einem Zylinder einer geringen Belastung ausgesetzt ist, mit einer oder mehreren Ausnehmungen zu versehen, um das Gewicht weiter zu reduzieren. Die eine Ausnehmung oder mehrere Ausnehmungen soll(en) insoweit bewirken, dass die Führungsfläche in Teil-Führungsflächen aufgeteilt werden, die in Summe kleiner sind als eine gegenüberliegende Führungsfläche.
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Insbesondere wird auf die Möglichkeit der Verkleinerung einer Führungsfläche durch Ausbildung von zwei Teil-Führungsflächen verwiesen, indem eine obere, näher am inneren Kolbenboden angeordnete erste Teil-Führungsfläche und eine untere, weiter vom inneren Kolbenboden entfernte Teil-Führungsfläche ausgebildet wird. Die Ausbildung derartiger Teil-Führungsflächen ist insbesondere auf der sogenannten Gegendruckseite einer Hubkolbenbrennkraftmaschine möglich, die im eingebauten Zustand des Kolbens einer geringeren Belastung ausgesetzt ist. Dabei ist die obere Teil-Führungsfläche vorzugsweise größer als die untere Teil-Führungsfläche.
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Die Erfindung betrifft auch eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem wie vorstehend beschriebenen Kolben. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Kolben, wobei mindestens eine Führungsfläche mindestens eine Ausnehmung aufweist, welche die Führungsfläche in zwei Teil-Führungsflächen reduziert. Die Teil-Führungsflächen sind dabei derart angeordnet, dass sie auf der Gegendruckseite angeordnet sind. Die Gegendruckseite wird dabei als die Seite eines Kolbens bezeichnet, an welcher der Kolben während der Expansionsphase nach Durchlaufen des oberen Totpunkts nicht anliegt. Die Seite des Zylinders, an welcher der Kolben mit der Führungsfläche während der Expansionsphase nach dem unteren Totpunkt anliegt, wird als Druckseite bezeichnet. Auf der Druckseite wirken üblicherweise höhere Kräfte zwischen Zylinderwand und Kolben.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht,
- 2 den Kolben aus 1 in einer Seitenansicht gemäß Pfeil II aus 1,
- 3 den Kolben aus 1 und 2 in einem Längsschnitt gemäß der Schnittlinie III-III aus 1,
- 4 den Kolben aus 1 bis 3 in einer Ansicht von unten gemäß Pfeil IV aus 1,
- 5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer perspektivischen Ansicht von schräg unten,
- 6 den Kolben aus 5 in einer Seitenansicht analog zu Pfeil II aus 1,
- 7 den Kolben aus 5 und 6 in einem Längsschnitt analog zur Schnittlinie III-III in 1, und
- 8 eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem darin angeordneten erfindungsgemäßen Kolben in einer schematischen Darstellung.
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In Verbindung mit den 1 bis 4 wird zunächst eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens 10 beschrieben. Der gezeigte Kolben 10 ist in dem Ausführungsbeispiel einstückig aus Aluminium hergestellt. Er kann aber alternativ (nicht dargestellt) auch mehrteilig gefertigt sein. Unabhängig davon kann er alternativ oder in Ergänzung auch aus anderen Werkstoffen hergestellt sein, z.B. aus Stahlwerkstoffen.
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Der Kolben 10 umfasst einen Ringträger 12, welcher in dieser Ausführungsform insgesamt vier sich über den Außenumfang des Ringträgers 12 erstreckende Vertiefungen in Form von Nuten 14 aufweist. Drei dieser Nuten 14 - die erste (oberste), die dritte und die vierte (unterste) - sind sogenannte Ringnuten, die zur Anordnung von Kolbenringen (nicht dargestellt) und/oder sonstiger Dichtelemente dienen (vgl. 2). Die zweite dargestellte Nut 14, welche eine geringere radiale Tiefe aufweist als die übrigen Nuten, ist eine optionale Entlastungsnut. Der Ringträger 12 weist einen äußeren Kolbenboden 16 auf, welcher im Einbauzustand des Kolbens 10 in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu einem Brennraum gerichtet ist und diesen begrenzt. Auf der dem äußeren Kolbenboden 16 gegenüberliegenden Seite ist ein innerer Kolbenboden 18 ausgebildet, welcher im Einbauzustand des Kolbens 10 in einer Hubkolbenbrennkraftmaschine dem Brennraum abgewandt ist.
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Wie in den 1 bis 3 gut zu erkennen ist, erstreckt sich ausgehend von dem inneren Kolbenboden 18 in axialer Richtung des Kolbens 10 ein Kolbenhemd 20. Das Kolbenhemd 20 umfasst zwei einander gegenüberliegende, sich jeweils über einen Bogenabschnitt in Umfangsrichtung des Kolbens 10 betrachtet erstreckende Führungsflächen 22. Die Führungsflächen 22 erstrecken sich vorliegend jeweils über einen Bogenabschnitt von etwa 60°. Wie in den 2 und 3 gut zu erkennen ist, berühren die Führungsflächen 22 den inneren Kolbenboden 18 nicht, weil die Führungsflächen 22 so ausgebildet sind, dass sich zwischen den Führungsflächen 22 und dem inneren Kolbenboden 18 ein durchgängiger Spalt 24 ausgebildet ist. Die Höhe HS des Spaltes 24 beträgt vorliegend in axialer Richtung A betrachtet etwa 1-2 mm (vgl. 3).
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Die sich gegenüberliegenden Führungsflächen 22 sind durch zwei Verbindungsabschnitte 26 verbunden, welche sich jeweils zwischen den Führungsflächen 22 erstrecken. Die Verbindungsabschnitte 26 erstrecken sich dabei jeweils zwischen den in Umfangsrichtung betrachtet äußeren Enden der Führungsflächen 22. Die Verbindungsabschnitte 26 erstrecken sich im Wesentlichen parallel zueinander und beabstandet zum Mittelpunkt M des inneren Kolbenbodens 18. Wie in 4 gut zu erkennen ist, sind die Verbindungsabschnitte 26 bogenförmig ausgebildet und nach außen gekrümmt. Wie ferner in 4 gut zu erkennen ist, bilden die zwei Führungsflächen 22 und die sich zwischen den Führungsflächen 22 erstreckenden Verbindungsabschnitte 26 eine rahmenförmige Struktur.
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In den Verbindungsabschnitten 26 sind im Querschnitt kreisförmige Kolbenbolzennaben 28 ausgebildet, welche zum Einführen eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) dienen. Ausgehend von den Verbindungsabschnitten 26 ist jeweils außenseitig und innenseitig der Kolbenbolzennaben 28 eine außenseitige Verdickung 30a und eine innenseitige Verdickung 30b ausgebildet. Die Verdickungen 30a, 30b erstrecken sich ausgehend von einem mittleren Abschnitt des inneren Kolbenbodens 18 über den vollen Umfang der kreisförmigen Kolbenbolzennabe 28.
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Die Verbindungsabschnitte 26 sind an dem inneren Kolbenboden 18 nur in einem mittleren Bereich angebunden, der sich jeweils über die Kolbenbolzennaben 28 und die Verdickungen 30a, 30b erstreckt.
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An dem Kolben 10 sind auch zwei Versteifungsrippen 32 ausgebildet, welche sich - wie in 4 gut zu erkennen ist - quer über den inneren Kolbenboden 18 erstrecken. In der Schnittdarstellung in 3 ist eine solche Versteifungsrippe 32 gut zu erkennen. Dabei ist auch gut erkennbar, dass die Versteifungsrippe 32 über ihre gesamte Erstreckung in ihrer Längsrichtung mit dem inneren Kolbenboden 18 verbunden ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht die sich in axialer Richtung A erstreckende Höhe der Versteifungsrippe 32 ungefähr der Tiefe T der Vertiefung in dem an einen Außenrand 36 des inneren Kolbenbodens 18 angrenzenden Abschnitt, so dass die Versteifungsrippe 32 außenseitig in den Außenrand 36 übergeht.
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Wie 4 zu erkennen ist, weisen die Versteifungsrippen 32 einen omegaförmigen Verlauf in Erstreckungsrichtung auf, wobei sie in einem mittleren Bereich jeweils nach außen gekrümmt sind. Die beiden Versteifungsrippen 32 sind spiegelsymmetrisch zueinander bezüglich einer durch dem Mittelpunkt M verlaufenden Spiegelachse ausgebildet. In den äußeren Bereichen, welche an den Außenrand 36 angrenzen, weisen die Versteifungsrippen 32 eine größere Dicke auf. Die Dicke der Versteifungsrippen 32 beträgt in dem Ausführungsbeispiel in den äußeren Abschnitten ca. 9 mm bei einem Kolbendurchmesser zwischen 70 mm und 80 mm. Bevorzugt liegt die Dicke der Versteifungsrippen 32 in den äußeren Bereichen zwischen 5 Prozent und 30 Prozent des Kolbendurchmessers, besonders bevorzugt zwischen 10 Prozent und 20 Prozent.
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Der Kolbendurchmesser eines erfindungsgemäßen Kolbens 10 liegt vorzugsweise zwischen 40 mm und 200 mm, weiter bevorzugt zwischen 60 mm und 150 mm und besonders bevorzugt zwischen 80 mm und 120 mm.
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Die Versteifungsrippen 32 sind innenseitig der Verbindungsabschnitte 26 ausgebildet und sind im Wesentlichen parallel zu den Verbindungsabschnitten 26 orientiert. In einem mittleren Bereich bilden jeweils die Versteifungsrippe 32 und die innenseitige Verdickung 30b eine Einheit, d.h. sie sind unmittelbar miteinander verbunden, so dass innenseitig eine durchgehende Kolbenbolzennabe 28 mit einer hohlzylindrischen Form ausgebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform weisen diese Einheiten jeweils eine Dicke D von ca. 20 Prozent des Kolbendurchmessers auf. Bevorzugt liegt die Dicke D bei 10 Prozent bis 30 Prozent des Kolbendurchmessers.
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In den außenseitigen Bereichen sind die Versteifungsrippen 32 beabstandet zu den Verbindungsabschnitten 26 ausgebildet. Auch die Versteifungsrippen 32 sind vom Mittelpunkt M des inneren Kolbenbodens 18 beabstandet.
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Der Ringträger 12 weist auf der zum Kolbenhemd 20 gerichteten Fläche Vertiefungen 34 auf. Die Vertiefungen 34 sind innenseitig des kreisförmigen Außenrandes 36 ausgebildet, welcher sich außenseitig über den gesamten Umfang des Kolbens 12 erstreckt und eine konstante Dicke aufweist. Die Vertiefungen 34 sind durch die Versteifungsrippen 32 und die Verbindungsabschnitte 26 voneinander separiert. Wie in 4 erkennbar ist, ergeben sich dadurch insgesamt sieben Bereiche mit Vertiefungen 34, wenn berücksichtigt wird, dass die jeweils mit zwei zusammenhängenden Pfeilen gekennzeichneten Vertiefungen 34 sich auch über den jeweiligen Bereich erstrecken, welcher in 4 von dem jeweils äußeren Bereich des Verbindungsabschnitts 26 verdeckt ist. Mit den zusammenhängenden Pfeilen ist daher jeweils nur eine zusammenhängende Vertiefung 34 gekennzeichnet.
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Die Form und Geometrie der Versteifungsrippen 32 in einer Ansicht senkrecht auf die Erstreckungsrichtung der Versteifungsrippen 32 ist in 3 gut erkennbar. Die Versteifungsrippe 32 erstreckt sich außenseitig jeweils ausgehend von der Innenseite des Außenrandes 36 innerhalb der Vertiefung 34 in Querrichtung und ist dazwischen bogenförmig derart ausgebildet, dass die Kolbenbolzennabe 28 umschlossen ist, so dass sich die Kolbenbolzennabe 28 auch durch die Versteifungsrippe 32 hindurch erstreckt.
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In den 5 bis 7 ist eine zweite Ausführungsform eines Kolbens 10 dargestellt. Zur Beschreibung der zweiten Ausführungsform werden für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet, wie zur Beschreibung der ersten Ausführungsform. Soweit nicht anders beschrieben oder gezeigt, ist der Kolben 10 gemäß der zweiten Ausführungsform gemäß den 5 bis 7 identisch wie der Kolben 10 der ersten Ausführungsform gemäß den 1 bis 4 aufgebaut. Im Folgenden wird lediglich auf die Unterschiede zwischen der zweiten Ausführungsform und der ersten Ausführungsform eingegangen.
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Auch der Kolben 10 der zweiten Ausführungsform weist einen Ringträger 12 und ein sich davon in axialer Richtung erstreckendes Kolbenhemd 20 mit zwei sich über einen Bogenabschnitt erstreckenden Führungsflächen 22 auf. Eine der Führungsflächen 22 ist vorliegend durch eine Ausnehmung 38 in zwei Teil-Führungsflächen 40, 42 geteilt, nämlich eine obere Teil-Führungsfläche 40, welche näher am inneren Kolbenboden 18 angeordnet ist, und eine untere Teil-Führungsfläche 42, welche weiter vom inneren Kolbenboden 18 entfernt ist. Dabei weist die obere Teil-Führungsfläche 40 eine größere, sich in axialer Richtung erstreckende Höhe auf als die untere Teil-Führungsfläche 42. Die sich in axialer Richtung erstreckende Höhe der Ausnehmung 38 entspricht dabei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in etwa der Höhe der oberen Teil-Führungsfläche 40.
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In 8 ist schematisch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Brennraum 44 in Form eines Zylinders und einem darin angeordneten Kolben 10 dargestellt. Der Kolben 10 ist mittels eines Pleuels 46 mit einer Kurbelwelle 48 verbundenen. Der Kolben 10 gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform wird derart in dem Brennraum 44 angeordnet, dass die Führungsfläche mit den Teil-Führungsflächen 40, 42 auf einer Gegendruckseite 50 angeordnet ist, und die durchgängige Führungsfläche 22 auf einer Druckseite 52 angeordnet ist. Die Druckseite 52 entspricht dabei derjenigen Seite, an welcher der Kolben 10 mit der durchgängigen Führungsfläche 22 während der Expansionsphase nach Durchlaufen des oberen Totpunkts (OT) anliegt, d.h. in 8 die linke Seite, wenn sich die Kurbelwelle 48 im Uhrzeigersinn in Richtung des Pfeils 54 dreht.
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Die in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kolben
- 12
- Ringträger
- 14
- Nut (Vertiefung)
- 16
- äußerer Kolbenboden
- 18
- innerer Kolbenboden
- 20
- Kolbenhemd
- 22
- Führungsfläche
- 24
- Spalt
- 26
- Verbindungsabschnitt
- 28
- Kolbenbolzennabe
- 30a
- außenseitige Verdickung
- 30b
- innenseitige Verdickung
- 32
- Versteifungsrippe
- 34
- Vertiefung
- 36
- Außenrand
- 38
- Ausnehmung
- 40
- obere Teil-Führungsfläche
- 42
- untere Teil-Führungsfläche
- 44
- Brennraum
- 46
- Pleuel
- 48
- Kurbelwelle
- 50
- Gegendruckseite
- 52
- Druckseite
- 54
- Pfeil (Drehrichtung)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015201633 A1 [0002]
