-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkopf mit einer Ringpartie mit einem Feuersteg und Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Kolben.
-
Kolben einer Brennkraftmaschine weisen insbesondere an einem direkt zu einem Feuersteg benachbarten ersten Kolbenring, der in einer zugehörigen ersten Ringnut angeordnet ist, eine hohe Belastung aufgrund einer ungleichmäßigen Wärmedehnung zwischen Kolbenkopf und Kolbenhemd auf. Zudem wirkt auf den ersten Kolbenring auch die aus einem Brennraum herrührende Gasdrucklast ein. Durch die ungleichmäßige Wärmedehnung und die einwirkende Gasdrucklast verformt sich der Kolben und mit ihm auch die Ringnuten, so dass sich deren Querschnittsform ändert und nicht mehr zur Form des Kolbenrings passt, was die Abdichtung verschlechtert und den Ölverbrauch der Brennkraftmaschine erhöht.
-
Um dem entgegen zu wirken, ist es beispielsweise aus der
DE 10 2008 028 052 A1 bekannt, zumindest eine Nutflanke einer Ringnut und/oder einen Querschnitt eines Kolbenrings so zu gestalten, dass zumindest bei einem während des Betriebs unter Wärmeeinwirkung verformten Kolben ein Anfangskontakt zwischen einer Unterseite des Kolbenrings und einer gegenüberliegenden unteren Stützfläche der Kolbenringnut zumindest in einem Kolbenachse zugewandten Bereich der Unterseite des Kolbenrings beginnt.
-
Aus der
EP 1 448 918 B1 ist ebenfalls ein Kolben für eine Brennkraftmaschine mit umlaufenden Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen bekannt, wobei mindestens eine erste obere Nut ein Profil mit einer oberen Seitenwand und einer unteren Seitenwand besitzt, welche radial nach außen in Richtung der Kolbenoberseite mit einem Neigungswinkel von ungefähr 50 bis 30 Winkelminuten geneigt sind, so dass, unter einem Betriebszustand mit kritischer höherer Last, die untere Seitenwand der oberen Nut sich in einer Ebene befindet, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Kolben steht. Hierdurch sollen zumindest teilweise thermisch und mechanisch hervorgerufene Abwärtsverformungen ausgeglichen werden können, die der Kolben in einem Betriebszustand mit höherer Last unterworfen ist.
-
Aus der
DE 10 2009 032 940 A1 ist ein Kolben mit einem Kolbenboden bekannt, an dessen Ringpartie Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen vorgesehen sind. Eine Umfangslinie zumindest eines Kolbenrings oder eine Umfangslinie der den mindestens einen Kolbenring aufnehmenden Ringnut weist dabei gegenüber einer zum Kolbenboden parallel verlaufenden Ebene gleichmäßig um den Umfang verteilt im Wechsel zumindest ein Maximum und wenigstens ein Minimum auf. Hierdurch soll auf möglichst einfache Weise eine axiale Bewegungsfreiheit des in der Ringnut aufgenommenen Kolbenrings minimiert und damit ein sogenanntes Flattern desselben verhindert werden.
-
Aufgrund des Umstandes, dass ein Kolben allgemein auf seiner dem Brennraum zugewandten Seite heißer wird als auf der dem Kurbelgehäuse zugewandten Seite, bewirkt die resultierende Wärmedehnung häufig auch eine Verformung der Ringpartie.
-
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet.
-
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zumindest eine Nutflanke einer direkt zu einem Feuersteg eines Kolbens benachbarten Ringnut zu einer Orthogonalen zur Kolbenachse zu neigen und dabei die Neigung in Umfangsrichtung zu variieren. Hierdurch kann erreicht werden, einem in dieser Ringnut aufgenommenen Kolbenring im Betrieb einer Brennkraftmaschine, das heißt im belasteten Zustand, eine näherungsweise ideale, das heißt rotationssymmetrische Auflage auf der Nutflanke zu bieten und diesen dadurch optimal abzustützen, wodurch insbesondere ein Ölverbrauch einer solchen Brennkraftmaschine reduziert werden kann. Die angestrebte Idealform der Auflagefläche der Nutflanke kann eben oder kegelförmig sein, je nachdem, ob z.B. ein Rechteck- oder ein Trapezring verwendet wird. Es kann jedoch auch bei rechteckigen Ringen eine gewisse Flankenneigung erwünscht sein, um das Anlageverhalten des Ringes zu beeinflussen. Erfindungswesentlich ist jedoch, dass die Ringnut oder zumindest ihre untere Nutflanke im heißen Betriebszustand näherungsweise rotationssymmetrisch verläuft, also auf dem gesamten Umfang gleich bleibende Neigungswinkel der Nutflanke aufweist. Durch eine nicht rotationssymmetrische Gestaltung der Ringnut im kalten Zustand kann das Deformationsverhalten im Betrieb zumindest teilweise kompensiert werden, um der gewünschten Form näher zu kommen.
-
Da ein typischer Kolben nicht rotationssymmetrisch zur Kolbenachse, aber häufig etwa ebenensymmetrisch zur Ebene aus Kolbenachse und Bolzenachse sowie zur zentralen Ebene senkrecht zur Bolzenachse ist, hat er in Bolzenrichtung und quer dazu verschiedene Biegesteifigkeiten. Dass sich der Kolben in Bolzenrichtung und in Druck-Gegendruck-Richtung unterschiedlich verbiegt, führt bei Betriebstemperatur zu einer nicht rotationssymmetrischen Verformung, die sich typischerweise in Umfangsrichtung alle 180° wiederholt, also auf dem Umfang zwei Berge und zwei Täler aufweist, was gerade im Bereich der Ringnuten zu Undichtigkeiten und einem erhöhtem Ölverbrauch führen kann. Beeinflusst wird dieser Effekt noch durch die ebenfalls ungleichmäßige Deformation durch die Gasdrucklast sowie durch formabhängige Wärmeübertragungseigenschaften, Kühlung und Temperaturverteilung.
-
Der erfindungsgemäße Kolben weist dabei einen Kolbenkopf mit einer Ringpartie und einem Feuersteg sowie unterhalb des Feuerstegs angeordnete Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen auf, wobei eine erste Ringnut direkt benachbart zum Feuersteg angeordnet ist und eine obere Nutflanke sowie eine untere Nutflanke aufweist. Erfindungsgemäß ist dabei zumindest die untere Nutflanke der ersten Ringnut zur Orthogonalen zur Kolbenachse um einen Neigungswinkel α geneigt, wobei der Neigungswinkel α zumindest der unteren Nutflanke der ersten Ringnut in Umfangsrichtung variiert. Hierdurch lässt sich ein nichtrotationsymmetrisches Verformungsverhalten des Kolbens besser kompensieren, wobei diese Kompensation nicht nur mechanische Belastungen, sondern auch thermische Belastungen betreffen kann, wie beispielsweise eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit bzw. eine unterschiedliche Temperaturverteilung in unterschiedlichen Radialrichtungen des Kolbens. Dabei ist selbstverständlich klar, dass die erfindungsgemäße, in Umfangsrichtung variierende Neigung der unteren Nutflanke nicht nur im Bereich der ersten Ringnut, das heißt der direkt zum Feuersteg benachbarten Ringnut vorgesehen werden kann, sondern selbstverständlich auch an anderen Ringnuten. Die dem Feuersteg direkt benachbarte erste Ringnut sowie der darin angeordnete Kolbenring sind jedoch zur Reduzierung des Ölverbrauchs am wichtigsten.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die obere Nutflanke zumindest der ersten Ringnut zu einer Orthogonalen zur Kolbenachse um einen Neigungswinkel α geneigt, wobei der Neigungswinkel α der oberen Nutflanke in Umfangsrichtung variiert. Es hat sich gezeigt, dass nicht nur die Variationen der Neigungswinkel α über den Umfang im Bereich der unteren Nutflanke von Vorteil ist, sondern in ähnlicher Weise auch im Bereich der oberen Nutflanke, da sich der Kolben im Betrieb auf und ab bewegt und sich dadurch der jeweilige Kolbenring bei der einen Bewegung an der oberen Nutflanke und bei der anderen Bewegung an der gegenüberliegenden unteren Nutflanke anlegt.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist zumindest die untere Nutflanke zumindest der ersten Ringnut in Umfangsrichtung zwei Wellenberge und zwei Wellentäler auf. Die Wellenberge können dabei einen Neigungswinkel α von ca. 0° aufweisen, während die Wellentäler einen Neigungswinkel α von bis zu 1° bezogen auf die Orthogonale zur Kolbenachse besitzen können. Der Neigungswinkel α wird dabei zwischen der Orthogonalen das heißt Radialen zur Kolbenachse und einer an der Nutflanke angelegten Gerade bestimmt, wobei diese Gerade zwischen einem Übergang eines Nutengrunds zur betreffenden Nutflanke und einem Übergang von der Nutflanke zu einer Außenmantelfläche gespannt ist. Die Wellentäler liegen dabei orthogonal zu einer Bolzenachse, während die Wellenberge parallel zur Bolzenachse angeordnet sind.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung liegt ein Neigungswinkel α zur Orthogonalen zur Kolbenachse in einem Bereich von +/- 1°. Es ist somit denkbar, dass zumindest die untere Nutflanke zumindest der ersten Ringnut nach außen hin abfällt oder ansteigt. Bei einer nach außen abfallenden unteren Nutflanke bietet sich der Vorteil, dass der zugehörige in der Ringnut aufgenommen Kolbenring im Betrieb der Brennkraftmaschine an seiner Innenkante aufliegt und sich unter Gasdrucklast gleichmäßig flächig auf der jeweiligen Nutflanke ablegt und dadurch Öl aus der Nut in Richtung Zylinderwand herausdrückt. Dies trägt zur Verringerung des Ölverbrauchs bei. Demgegenüber bietet eine nach außen ansteigende untere Nutflanke die Möglichkeit, die thermische und mechanische Verformung des Kolbens im Betrieb zu kompensieren, indem z.B. in Bolzenrichtung über den Naben ein solcher „Berg“ in der unteren Nutflanke vorgesehen wird. Je nach Kolbengeometrie kann die Richtung der stärkeren Wärmedehnung jedoch auch quer zum Bolzen zu erwarten sein, so dass die im kalten Zustand nach außen ansteigende untere Nutflanke vorzugsweise im Bereich des Schaftes ihre maximale Steigung aufweist.
-
Eine untere Nutflanke kann eine Stelle aufweisen, an welcher der Neigungswinkel α=0° beträgt. Dies ist beispielsweise im Bereich eines Wellenberges oder Wellentales denkbar. Aufgrund der starken thermischen Expansion im Bereich des Kolbenbodens neigen sich die Nutflanken bei Temperaturanstieg jedoch häufig sowohl in der Bolzenachse als auch quer dazu nach unten, wenn auch in unterschiedlichem Ausmaß. Bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der die unteren Nutflanken im kalten Zustand zumindest in der Umgebung der Bolzenachse, oder auch auf dem gesamten Umfang leicht nach außen ansteigend geneigt sind. Vorzugsweise ergibt sich daraus im heißen Zustand eine ebene bis leicht nach außen abfallende (z.B. 0° bis 0,5°) untere Nutflanke. Bei nicht rechteckingen Kolbenringen beziehen sich die Überlegungen auf Relativwinkel, also die Abweichungen der Nutflankenneigung von der zugehörigen Ringflankenneigung, z.B. von jeweils 7,5° oben und unten bei einem symmetrischen 15°-Trapezring.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zumindest eine untere Nutflanke in Umfangsrichtung gewellt. Eine derartige Wellung in Umfangsrichtung kann je nach Ausgestaltung eine nochmals verbesserte Anlage für den zugehörigen Kolbenring und damit eine nochmals gesteigerte Dichtheit bieten. Zusätzlich oder alternativ ist auch vorstellbar, dass zumindest eine untere Nutflanke zumindest bereichsweise gewölbt, das heißt nicht plan, ist. In diesem Fall bestimmt sich die Neigung der zugehöringen Nutflanke durch eine durch zwei Punkte gespannte Gerade, wobei der erste Punkt der Gerade am Übergang der Nutflanke zur Außenmantelfläche des Kolbens liegt, während der zweite Punkt am Übergang der Nutflanke zum Nutengrund liegt. Hierbei kommt insbesondere eine konvexe Wölbung der Nutflanke in Betracht, die jedoch äußerst gering ist, um eine möglichst noch flächige Auflage des Kolbenrings auf der Nutflanke ermöglichen zu können.
-
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Kolben auszurüsten und dadurch den Ölverbrauch der Brennkraftmaschine erheblich zu reduzieren.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
-
Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine erfindungsgemäßen Kolben einer Brennkraftmaschine im Bereich einer Ringpartie eines Kolbenkopfes mit nach außen ansteigender unterer Nutflanke,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit nach außen abfallender unterer Nutflanke,
- 3 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit zusätzlich wellenförmigem Verlauf der unteren Nutflanke.
-
Entsprechend den 1 bis 3, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine 2 einen Kolbenkopf 3 mit einer Ringpartie 4 mit einem Feuersteg 5 und zumindest einer Ringnut 6, 6' zur Aufnahme eines nicht gezeigten Kolbenrings auf. Eine erste Ringnut 6' ist dabei direkt benachbart zum Feuersteg 5 angeordnet und besitzt eine obere Nutflanke 7 sowie eine untere Nutflanke 8. Erfindungsgemäß ist nun zumindest die untere Nutflanke 8 der dem Feuersteg 5 direkt benachbarten Ringnut 6' das heißt der ersten Ringnut 6' zu einer Orthogonalen 9 zur Kolbenachse 10 um einen Neigungswinkel α geneigt, wobei die Neigung zumindest der unteren Nutflanke 8 in Umfangsrichtung variiert. Durch die Variation der Neigung in Umfangsrichtung, das heißt durch die Variation des Neigungswinkels α der Nutflanke 8 kann eine optimale Kompensation einer thermisch-mechanischen Belastung erreicht werden. Hierdurch ist es insbesondere möglich, nicht rotationssymmetrische Verformungen des Kolbens 1 während des Betriebs, insbesondere auch aufgrund einer in orthogonaler Richtung unterschiedlichen Biegesteifigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Kühlung bzw. Temperaturverteilung, zu kompensieren. Durch die Variation der Neigung, das heißt des Neigungswinkels α über den Umfang gesehen, kann darüber hinaus eine deutlich verbesserte Anlage eines in zumindest der ersten Ringnut 6' angeordneten Kolbenrings erreicht werden, wodurch dieser besser abgestützt werden kann und dadurch besser entlang einer Zylinderwandung gleitet und dadurch dazu beiträgt, einen Ölverbrauch der Brennkraftmaschine 2 zu reduzieren. Durch den in Umfangsrichtung variierenden Neigungswinkel α kann zusammen mit den nichtrotationssymmetrischen Verformungen des Kolbens 1 während des Betriebs eine konische Auflagefläche für den Kolbenring geschaffen werden, wobei diese konische Auflagefläche, das heißt im vorliegenden Fall die untere Nutflanke 8 eine flächige, gleichmäßige Auflage für den Kolbenring bietet.
-
Bei den gemäß den 1 bis 3 gezeigten Kolben 1 verläuft eine Bolzenachse senkrecht zur Kolbenachse 10 und senkrecht zur Orthogonalen 9, das heißt im vorliegenden Fall senkrecht zur Blattebene.
-
Betrachtet man die erste Ringnut 6' gemäß der 1 weiter, so kann man erkennen, dass die untere Nutflanke 8 derselben rechts und links nach außen ansteigt, während diese im Bereich einer Stelle 11, das heißt parallel zur Bolzenachse waagerecht ist. An dieser Stelle 11 ist somit der Neigungswinkel α = 0°.
-
Gemäß der 2 ist ein Kolben 1 gezeigt, bei welchem die untere Nutflanke 8 der ersten Ringnut 6', das heißt der dem Feuersteg 5 direkt benachbarten Ringnut 6', nach radial außen abfällt und ebenfalls hinsichtlich ihres Neigungswinkels α über den Umfang variiert. So ist dieser Neigungswinkel α zwischen der Orthogonalen 9 zur Kolbenachse 10 rechts und links am größten und entspricht an der Stelle 11 einem Neigungswinkel α von 0°, so dass in diesem Bereich die untere Nutflanke 8 parallel zur Orthogonalen 9 ist.
-
Nicht gezeichnet, aber vorteilhaft sind noch viele weitere Ausgestaltungen, die das messbare Wärmedehnungsverhalten eines bestimmten Kolbens kompensieren. So kann vorteilhafterweise die ansteigende (1) bzw. abfallende (2) untere Nutflanke 8 auch auf dem vollen Umfang geneigt verlaufen, ohne irgendwo den Wert Null zu erreichen, wobei der Neigungswinkel α zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert variiert. Dieser Fall kann sich durch Wärmedehnungen allein ergeben, liegt aber auch dann vor, wenn z.B. durch einen Trapezring eine erhebliche Grundneigung der Nutflanke vorgegeben ist, die erfindungsgemäß nur in gerigerem Maße variiert wird. Möglich wäre aber auch, dass die Neigung in Umfangsrichtung das Vorzeichen wechselt, also z.B. entlang der Bolzenachse ansteigend wie in 1, aber quer dazu abfallend wie in 2 ausgebildet ist. Ferner könnten die Nuten gemäß 1-3 sowie den beschriebenen Abwandlungen auch bezogen auf die Bolzenachse in der Zeichnungsebene statt senkrecht dazu realisiert werden. Vorstellbar ist weiterhin, dass die obere Nutflanke 7 zumindest der ersten Ringnut 6', aber auch die Unter- und/oder Oberflanken weiterer Ringnuten 6 (vgl. 1) zur Orthogonale 9 zur Kolbenachse 10 um einen Neigungswinkel α geneigt ist, wobei die Neigung der oberen Nutflanke 7 ebenfalls in Umfangsrichtung variiert. In gleicher Weise können die Nutflanken 7, 8 mit über den Umfang variierenden Neigungswinkeln α auch in weiteren Ringnuten 6 zum Einsatz kommen.
-
Betrachtet man die 1 bis 3 weiter, so kann man erkennen, dass zumindest die untere Nutflanke 8 in Umfangsrichtung zwei Wellenberge 12 und zwei Wellentäler 13 aufweist. Gemäß den 1 und 3 ist dabei ein Wellental 13 im Bereich der Stelle 11 angeordnet, während gemäß der 2 an der Stelle 11 ein Wellenberg 12 angeordnet ist. Generell kann der Neigungswinkel α zur Orthogonalen 9 zur Kolbenachse 10 in einem Bereich zwischen -1° ≤ α ≤ +1° liegen, wobei Fertigungstoleranzen von 5 bis 10 Winkelminuten auftreten können.
-
Betrachtet man die untere Nutflanke 8 der ersten Ringnut 6' gemäß der 3, so kann dort erkennen, dass die untere Nutflanke 8 in Umfangsrichtung gewellt ist. Es variiert in Umfangsrichtung nicht nur der Neigungswinkel α der unteren Nutflanke 8, sondern auch die Unterkante des Nutengrundes 16 verläuft in axialer Richtung gewellt. Bevorzugt werden wiederum bedingt durch die typische Kolbengeometrie zwei Maxima und zwei Minima pro 360°. Vorzugsweise liegen diese entlang der Bolzenachse bzw. senkrecht dazu oder umgekehrt. Über einen derartigen gewellten Verlauf können andere beim Betrieb der Brennkraftmaschine 2 auftretende Verformungen des Kolbens 1 und damit auch der unteren Nutflanke 8 kompensiert werden. Dadurch kann eine bessere Auflagefläche für einen Kolbenring geschaffen werden als es durch Variation der Flankenneigung α allein möglich wäre. Die Welligkeit gemäß 3 kann auch mit den in 1 und 2 gezeigten und darauf aufbauend beschriebenen Varianten der Nutflanke 8 kombiniert und auch auf obere Nutflanken 7 oder weitere Ringnuten 6 angewandt werden.
-
Zumindest die untere Nutflanke 8 kann dabei auch zumindest bereichsweise gewölbt sein, wobei insbesondere eine konvexe Wölbung zu bevorzugen ist, wobei in diesem Fall der Neigungswinkel α durch die Orthogonale 9 und eine Gerade bestimmt wird, die durch zwei Punkte geht, nämlich einen Übergang 14 von einer Nutflanke 8 zu einem Nutengrund 16 und einem Übergang 15 von der unteren Nutflanke 8 zu einer äußeren Mantelfläche 17.
-
Generell kann mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung zumindest der unteren Nutflanke 8 zumindest der ersten Ringnut 6' erreicht werden, das betriebs- und temperaturbedingte Verformungen des Kolbens 1 besser kompensiert und dadurch eine verbesserte Abstützung des Kolbenrings erreicht werden kann, wodurch der Ölverbrauch der Brennkraftmaschine 2 reduziert werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008028052 A1 [0003]
- EP 1448918 B1 [0004]
- DE 102009032940 A1 [0005]
