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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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Nachdem ein erheblicher Anteil des Energieverbrauchs von Verbrennungsmotoren auf Reibungsverluste, insbesondere zwischen Kolbenschaft und Zylinder zurückzuführen ist, sind verschiedene Maßnahmen bekannt, die Reibung zwischen Kolbenschaft und Zylinder zu verringern. Dies betrifft zum einen Beschichtungen des Kolbenschafts, zum anderen eine Erhöhung des Kolbenspiels und schließlich eine flexible Ausgestaltung des Schaftendes.
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Ferner sind als Vorbenutzungsgegenstände Kolben mit einem Schlitz in der untersten Kolbenringnut bekannt, und aus der
JP 2005-188303 A geht ein Kolben mit einem Schlitz unterhalb der untersten Ringnut hervor.
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Gegenstand der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Reibung zwischen dem Kolben eines Verbrennungsmotors und dem Zylinder oder einer Zylinderlaufbuchse weiter zu verringern.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen Kolben.
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Demzufolge weist dieser zumindest einen im Wesentlichen parallel zu zumindest einer Ringnut verlaufenden Schlitz in zumindest einer Schaftwand unterhalb der untersten Ringnut sowie zumindest eine Schaftwand auf, die eine Ovalität derart aufweist, dass zumindest ein seitlicher Bereich der Schaftwand gegenüber einer Kreisform zurückgesetzt ist. Bei Simulationen hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass hierdurch die Reibung zu dem Zylinder um bis zu 30% verringert werden kann. Dies wird auf ein synergistisches Zusammenwirken der genannten Maßnahmen zurückgeführt. Insbesondere erhöht der beschriebene Schlitz die Flexibilität insbesondere der oberen Schafthälfte und ermöglicht hierdurch eine vergleichmäßigte Kontaktdruckverteilung in bestimmten Bewegungszuständen. Darüber hinaus wird der Schaft durch den Schlitz umfangreich von dem besonders heißen Bereich des Kolbenbodens thermisch entkoppelt, wodurch sich der Schaft insbesondere in Laufrichtung weniger umfangreich ausdehnt. Darüber hinaus werden thermomechanische Verformungen am Kolben verringert, da sich die Behinderung der Ausdehnung durch den Schlitz verringert. Insgesamt wird hierdurch das Kolbenspiel im warmen Zustand vergrößert und die Reibung verringert sich.
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Die beschriebene Ovalität hat die Wirkung, dass sich die Kontaktfläche im Bereich der Schaftwände, bei denen es sich um Abschnitte einer Zylindermantelfläche handelt, in Richtung der (in Breitenrichtung) Schaftmitte verschiebt. Hierdurch wird im Bereich der Schaftmitte eine vergleichsweise breite und gleichmäßige Fläche mit in etwa gleichem Kontaktdruck ausgebildet, was zu einer erheblichen Reibungsreduzierung führt. Insbesondere können so Druckspitzen gesenkt und der Anteil unerwünschter Mischreibung reduziert werden. Ferner wirkt, wie oben bereits angedeutet, die Ovalität mit dem Schlitz insofern synergistisch zusammen, als sich der Kolbenschaft bei erhöhter Temperatur anders verformt als ein Kolben ohne Schlitz. Damit sich bei erhöhter Temperatur die Kontaktfläche nicht bis zu den Schaftbegrenzungen verbreitert, sondern in der Schaftmitte bleibt, werden die seitlichen Bereiche des Schaftes zurückgenommen, was der beschriebenen, verglichen mit üblichen Kolben erhöhten Ovalität entspricht. Es sei erwähnt, dass die Ovalität stets im Zusammenhang mit dem betreffenden Motor, dem Kolbendurchmesser, der Kolbengeometrie und der Temperaturverteilung und der im Motor auftretenden Belastung am konkreten Kolben einzustellen ist.
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Darüber hinaus wird durch die thermomechanische Entkoppelung eine gleichmäßigere Kontaktdruckverteilung erwartet, die sich bei stetig und schnell wechselnden Temperaturen der Kolbenkrone kaum verändert. Hierdurch verringert sich die Gefahr eines Kolbenfressens. Gleichzeitig kann eine unerwünschte Geräuschentwicklung, die üblicherweise mit einer Erhöhung des Kolbenspiels einher geht, vermieden werden. Da der erfindungsgemäß vorgesehene Schlitz von der untersten Ringnut beabstandet ist, ist kein negativer Einfluss auf den Ölverbrauch zu erwarten. Es sei ergänzend erwähnt, dass die beschriebene Ovalität insbesondere in der oberen Hälfte zumindest einer Schaftwand vorgesehen ist. Es sei ferner erwähnt, dass der Schlitz bereits im Rahmen eines Gießprozesses vorgesehen werden kann, oder nachfolgend eingebracht, insbesondere eingefräst werden kann.
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Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Für die Ausmaße des beschriebenen Schlitzes hat sich eine Höhe, also eine Erstreckung in Richtung der Kolbenachse von 2% bis 20%, bevorzugt 6% bis 12% der Kolbenhöhe und/oder 3% bis 30%, bevorzugt 10% bis 20% der Schafthöhe als vorteilhaft erwiesen.
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Für den Abstand von der Unterkante der untersten Ringnut wird erwartet, dass er zu einem besonders guten Verhalten beiträgt, wenn er mindestens 6% der Kolbenhöhe und/oder mindestens 10% der Schafthöhe beträgt.
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Ergänzend wird für den Schlitz bevorzugt, dass er im oberen Bereich der Schaftwand, insbesondere im oberen Drittel ausgebildet ist, um die beschriebenen Effekte zu erzielen.
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Wenngleich der Schlitz grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen kann, wird bevorzugt, dass er im Wesentlichen parallele obere und untere Begrenzungen aufweist.
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Wenngleich die Enden des Schlitzes eckig ausgeführt sein können, wird zur Vermeidung von Spannungsspitzen bevorzugt, diese abgerundet auszubilden.
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Im Hinblick auf die Erstreckung des Schlitzes in seitlicher Richtung wird bevorzugt, dass zumindest ein Ende des Schlitzes an dem Ende des tragenden Schaftwandbereichs vorgesehen ist. Zwar ist es auch denkbar, den Schlitz so vorzusehen, dass er sich in die Seitenwände hinein erstreckt. Die hierdurch erzeugte Schwächung der Kolbenfestigkeit kann durch geeignete Verstärkungen der Seitenwand verringert werden. Bei Simulationen konnten auch hierfür gute Eigenschaften festgestellt werden. Noch besser waren diese jedoch für die eingangs genannte Maßnahme, wonach zumindest ein Ende des Schlitzes an einem Ende des tragenden Schaftwandbereichs vorgesehen ist. Mit anderen Worten „trägt“ die Schaftwand, von ihrem Rand her betrachtet, erst ab einem gewissen Punkt zur Mitte hin, und an zumindest einer, bevorzugt beiden Enden erstreckt sich der Schlitz bis zu dem genannten Punkt. Hierbei sind Anfang und Ende des Schlitzes so zu wählen, dass keine, oder eine akzeptable Schwächung der Kastenwand bzw. des Kolbenschaftes entsteht. Der Schlitz befindet sich bevorzugt stets in spannungsarmen Bereichen, die im Bereich des Kolbenschaftes selbst und/oder in der Schaftanbindung bis zur Kolbennabe reichen können. Das Ende und/oder der Anfang des Schlitzes kann jedoch auch andere Formen annehmen, um die dort entstehenden Spannungen zu reduzieren. Demgegenüber könnte eine Erstreckung des Schlitzes in die Anbindung der Schaftwand an die jeweilige Seitenwand hinein die Festigkeit des Kolbens in unerwünschter Weise schwächen.
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Zu den erfindungsgemäß erzielten Effekten trägt ferner eine Gestaltung des oberen Endes zumindest einer Schaftwand derart bei, dass dieses obere Schaftende eine gegenüber der übrigen Schaftwand verringerte Dicke aufweist. Hierdurch kann, insbesondere in Kombination mit flexiblen Seitenwänden, die sich zwischen den beiden gegenüberliegenden Schaftwänden erstrecken und die Kolbenbolzennaben aufnehmen, eine vorteilhafte Nachgiebigkeit erreicht werden, um ergänzend zur Verringerung der Reibung und zur Fresssicherheit beizutragen.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
- Die Figur zeigt eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens.
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Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
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Wie in der Figur zu erkennen ist, weist der Kolben 10 unterhalb, d.h. weiter beabstandet von dem Kolbenboden 12, der untersten Ringnut 14 einen sich in etwa parallel hierzu erstreckenden Schlitz 16 auf, der von einem seitlichen Rand 18 der Schaftwand 20 beabstandet endet. Hierdurch können in Kombination mit der in der Figur nicht zu erkennenden Ovalität die oben beschriebenen Effekte erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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