DE102019123935A1

DE102019123935A1 - Bohrungsabschnitt zur aufnahme eines hubkolbens

Info

Publication number: DE102019123935A1
Application number: DE102019123935.4A
Authority: DE
Inventors: Khizer Tufail; Arup Kumar Gangopadhyay; David Skipp; Thomas Reddyhoff; Sorin-Cristian Vladescu; Roland Stark
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2020-03-26
Also published as: US11274626B2; GB2577505A; GB201815665D0; US20200095951A1; GB2577505B; CN110953084A

Abstract

Ein Bohrungsabschnitt zur Aufnahme eines Hubkolbens, wobei der Bohrungsabschnitt ein erstes und ein zweites Ende aufweist, zwischen denen sich der Kolben in einer Axialrichtung bewegt, wobei der Bohrungsabschnitt mehrere axial beabstandete Ausnehmungen umfasst, die in einer dem Kolben zugekehrten Fläche des Bohrungsabschnitts an mehreren axialen Stellen ausgebildet sind, wobei mindestens eine Ausnehmung an jeder axialen Stelle vorgesehen ist; wobei jede Ausnehmung eine Breite in der Axialrichtung des Bohrungsabschnitts aufweist und jede Ausnehmung eine Tiefe senkrecht zu der dem Kolben zugekehrten Fläche aufweist, und wobei die Breiten der Ausnehmungen in der Axialrichtung von einer Hubmittenstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Ende weg abnehmen und die Tiefen der Ausnehmungen in der Axialrichtung von der Hubmittenstelle weg zunehmen. Die mindestens eine Ausnehmung an jeder axialen Stelle definiert ein Gesamtausnehmungsvolumen an jeder axialen Stelle, und das Gesamtausnehmungsvolumen an jeder axialen Stelle variiert allmählich entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts, wobei das Gesamtausnehmungsvolumen an jeder axialen Stelle von einer Hubmittenstelle weg und zu dem ersten und zweiten Ende des Bohrungsabschnitts hin zunimmt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein einen Bohrungsabschnitt oder einen Zylinder zur Aufnahme eines Hubkolbens und insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, einen Bohrungsabschnitt oder einen Zylinder für einen Verbrennungsmotor.
Hintergrund
Ein Verbrennungsmotor weist in der Regel einen oder mehrere Hubkolben auf, die zur Reduzierung der Reibung beim Gleiten des Kolbens innerhalb einer Zylinderbohrung geschmiert werden. Geschmierte Gleitkontakte, wie zum Beispiel zwischen Kolbenringen des Kolbens und einer Innenfläche der Zylinderbohrung, weisen aufgrund von in dem Schmiermittel erzeugten Scherkräften, Kontakt zwischen Oberflächenunebenheiten und durch Additive im Schmiermittel verursachten Grenzkontakten Reibverluste auf.
Es ist wünschenswert, die Reibung zwischen den Kolbenringen und der Innenfläche des Zylinders zu reduzieren, um den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen und Verschleiß zwischen Motorkomponenten zu reduzieren. Die Reibung zwischen den Komponenten kann durch eine Reihe von Faktoren bestimmt werden, die die Betriebsparameter des Motors und die Konfiguration jeder der Gleitflächen umfassen. Beispielsweise kann der Reibungskoeffizient zwischen Gleitkomponenten unter Verwendung der Stribeck-Kurve bestimmt werden, die zur Kategorisierung der Reibeigenschaften zwischen zwei Flächen als Funktion der Viskosität des Schmiermittels und der Relativdrehzahl zwischen den Komponenten pro Lasteinheit verwendet wird. Somit kann Reibung durch Betrieb am Minimalpunkt auf der Stribeck-Kurve, der den Übergang zwischen hydrodynamischer Schmierung und Mischschmierung definiert, auf ein Minimum reduziert werden. Aufgrund der geringen Relativdrehzahl zwischen dem Kolben und dem Zylinder bei den Extremwerten des Bewegungsbereichs des Kolbens ist es jedoch schwierig, den Betrieb am Minimalpunkt auf der Stribeck-Kurve über den gesamten Kolbenhub hinweg aufrechtzuerhalten.
Darstellung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Bohrungsabschnitt zur Aufnahme eines Hubkolbens bereitgestellt, wobei der Bohrungsabschnitt ein erstes und ein zweites Ende aufweist, zwischen denen sich der Kolben in einer Axialrichtung bewegt,
wobei der Bohrungsabschnitt mehrere axial beabstandete Ausnehmungen umfasst, die in einer dem Kolben zugekehrten Fläche des Bohrungsabschnitts an mehreren axialen Stellen ausgebildet sind, wobei mindestens eine Ausnehmung an jeder axialen Stelle vorgesehen ist;
wobei jede Ausnehmung eine Breite in der Axialrichtung des Bohrungsabschnitts aufweist und jede Ausnehmung eine Tiefe senkrecht zu der dem Kolben zugekehrten Fläche aufweist, und
wobei die Breiten der Ausnehmungen in der Axialrichtung von einer Hubmittenstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Ende weg abnehmen und die Tiefen der Ausnehmungen in der Axialrichtung von der Hubmittenstelle weg zunehmen.
Die mindestens eine Ausnehmung an jeder axialen Stelle kann ein Gesamtausnehmungsvolumen an jeder axialen Stelle definieren. Das Gesamtausnehmungsvolumen an jeder axialen Stelle kann entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts allmählich variieren, wobei zum Beispiel das Gesamtausnehmungsvolumen an jeder axialen Stelle von einer Hubmittenstelle weg und zu dem ersten und zweiten Ende des Bohrungsabschnitts hin zunimmt.
Die Hubmittenstelle kann einem Punkt entsprechen, an dem die Geschwindigkeit des Kolbens maximal ist. Die Hubmittenstelle kann der Position eines Kolbenrings entsprechen, in der die Geschwindigkeit des Kolbens maximal ist. Demgemäß liegt die Hubmittenstelle möglicherweise nicht genau in der Mitte zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Bohrungsabschnitts, obgleich sich die Hubmittenstelle nahe einem Mittelpunkt befinden kann. Die Geschwindigkeit des Kolbens kann an dem ersten und dem zweiten Ende des Bohrungsabschnitts null betragen, zum Beispiel können das erste und das zweite Ende des Bohrungsabschnitts durch das Bewegungsausmaß des Kolbenrings definiert werden.
Die Ausnehmungen können in der Axialrichtung verteilt sein. Die Ausnehmungen können auch in einer Umfangsrichtung des Bohrungsabschnitts verteilt sein, wenn mehr als eine Ausnehmung an jeder axialen Stelle vorhanden ist.
Zwischen der Hubmittenstelle und jedem von dem ersten und dem zweiten Ende kann ein Übergangsbereich vorgesehen sein. Enden des Übergangsbereichs können von der Hubmittenstelle und jedem von dem ersten und dem zweiten Ende beabstandet sein. Der Übergangsbereich kann sich in Längsrichtung über einen Abschnitt des Bohrungsabschnitts erstrecken, oder er kann ein Punkt entlang der Länge des Bohrungsabschnitts sein.
Es kann eine Vollfilmschmierungszone zwischen den Übergangsbereichen auf beiden Seiten der Hubmittenstelle definiert sein. Es kann ein Vollfilmschmierungsregime zwischen dem Kolben und dem Bohrungsabschnitt in der Vollfilmschmierungszone erfolgen.
Es kann eine Mischfilmschmierungszone zwischen jedem von dem ersten und dem zweiten Ende und dem entsprechenden Übergangsbereich definiert sein. Es kann ein Mischfilmschmierungsregime zwischen dem Kolben und dem Bohrungsabschnitt in den Mischfilmschmierungszonen erfolgen.
Es kann eine Grenzschmierungszone an jedem von dem ersten und dem zweiten Ende definiert sein. Es kann ein Grenzschmierungsregime zwischen dem Kolben und dem Bohrungsabschnitt in den Grenzschmierungszonen erfolgen. Die Grenzschmierungszonen können sich von jedem von dem ersten und dem zweiten Ende zu der benachbarten Mischfilmschmierungszone erstrecken.
An dem ersten und dem zweiten Ende des Bohrungsabschnitts, wo der Kolben seine Richtung ändert, können Ausnehmungen fehlen. Zum Beispiel sind möglicherweise an den äußeren axialen Stellen, an denen der Kolbenring des Kolbens seine Richtung ändert, keine Ausnehmungen vorgesehen.
Zwischen benachbarten axialen Stellen kann ein axialer Abstand entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts allmählich variieren. Der axiale Abstand zwischen benachbarten axialen Stellen kann, wenn man sich von der Hubmittenstelle weg bewegt, zu einem Maximalwert an dem Übergangsbereich zwischen der Hubmittenstelle und jedem von dem ersten und dem zweiten Ende zunehmen. Der axiale Abstand zwischen benachbarten axialen Stellen kann, wenn man sich von jedem von dem ersten und dem zweiten Ende weg bewegt, zu dem Maximalwert an dem entsprechenden Übergangsbereich zwischen der Hubmittenstelle und dem entsprechenden ersten und zweiten Ende zunehmen. Der axiale Abstand zwischen benachbarten axialen Stellen kann mit einer höheren Rate zunehmen, wenn man sich von einem von dem ersten und dem zweiten Ende weg bewegt, als wenn man sich von der Hubmittenstelle weg bewegt.
Es kann eine stufenweise Änderung der Rate, mit der sich die Tiefe der Ausnehmungen ändert, zum Beispiel an oder in dem Übergangsbereich, vorliegen.
Ein Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis kann durch ein Verhältnis des Gesamtausnehmungsvolumens an einer bestimmten axialen Stelle zu einem axialen Abstand zwischen der mindestens einen Ausnehmung an der bestimmten axialen Stelle und einer benachbarten mindestens einen Ausnehmung definiert werden. Das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis kann entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts allmählich variieren. Das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis kann von der Hubmittenstelle weg und zu dem ersten und dem zweiten Ende des Bohrungsabschnitts zunehmen. Es kann eine stufenweise Änderung der Rate, mit der sich das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis der Ausnehmungen ändert, zum Beispiel an oder in dem Übergangsbereich, vorliegen.
Die Breiten der Ausnehmungen können in der Axialrichtung variieren, um zum Beispiel zumindest teilweise zu der allmählichen Variation des Ausnehmungsvolumens und/oder des Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses beizutragen. Die Tiefen der Ausnehmungen können in der Axialrichtung variieren, um zum Beispiel zumindest teilweise zu der allmählichen Variation des Ausnehmungsvolumens und/oder des Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses beizutragen. Der axiale Abstand zwischen benachbarten Ausnehmungen kann in der Axialrichtung variieren, um zum Beispiel zumindest teilweise zu der allmählichen Variation des Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses beizutragen.
Das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis an der bestimmten axialen Stelle kann von einem Kolbengeschwindigkeitsverhältnis an der bestimmten axialen Stelle abhängig (zum Beispiel eine Funktion davon) sein. Das Kolbengeschwindigkeitsverhältnis kann ein Verhältnis der Kolbengeschwindigkeit an der bestimmten axialen Stelle zu der maximalen Geschwindigkeit des Kolbens während des bestimmten Kolbenhubs in einem stationären Zustand (zum Beispiel bei einer konstanten Kurbelwellengeschwindigkeit) sein. Als Beispiel kann das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis an der bestimmten axialen Stelle eine Funktion des Kehrwerts des Kolbengeschwindigkeitsverhältnisses an der bestimmten axialen Stelle (zum Beispiel umgekehrt proportional dazu) sein.
Die allmähliche Variation eines Parameters kann mehrere Änderungen des Parameters, zum Beispiel mit mehreren Änderungen in jeder von der Hubmittenstelle weg verlaufenden Richtung, umfassen. Die allmähliche Variation eines Parameters kann auf den Hub eines Kolbenrings des Kolbens zentriert sein.
Jede Ausnehmung kann eine Länge in einer Richtung mit einer Umfangskomponente aufweisen. Zum Beispiel können die Längen der Ausnehmungen in einer senkrecht zu der Axialrichtung des Zylinders verlaufenden Richtung (zum Beispiel in der Umfangsrichtung) ausgerichtet oder bezüglich der Axial- und Umfangsrichtung geneigt sein. Die Längen der Ausnehmungen können über die axialen Stellen hinweg im Wesentlichen konstant sein. Alternativ können die Längen der Ausnehmungen in der Axialrichtung variieren, um zum Beispiel zumindest teilweise zu der allmählichen Variation des Ausnehmungsvolumens und/oder Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses beizutragen.
Mehrere um den Umfang beabstandete Ausnehmungen können an jeder der axialen Stellen vorgesehen sein. Ein Umfangsabstand zwischen benachbarten Ausnehmungen kann konstant sein. Alternativ kann der Umfangsabstand zwischen benachbarten Ausnehmungen in der Axialrichtung variieren, um zum Beispiel zumindest teilweise zu der allmählichen Variation des Ausnehmungsvolumens und/oder des Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses beizutragen.
Eine Anordnung kann den oben genannten Bohrungsabschnitt und den Kolben umfassen. Der Kolben kann einen Kolbenring umfassen. Die Ausnehmungen zwischen den Übergangsbereichen auf beiden Seiten der Hubmittenstelle weisen möglicherweise Breiten auf, die größer als eine entsprechende Dimension (zum Beispiel Axialdicke) des Kolbenrings sind.
Ein Verbrennungsmotor, eine Hubkolbenmaschine oder eine Zylinderlaufbuchse können den oben genannten Bohrungsabschnitt umfassen. Zum Beispiel kann der Zylinder in einem Hubkolbenmotor (wie zum Beispiel einem Verbrennungsmotor), einer Kolbenpumpe oder irgendeiner anderen Maschine mit einem Kolben, der sich in einem Bohrungsabschnitt der Maschine gleitend hin und her bewegt, vorgesehen sein. Der Bohrungsabschnitt kann Teil eines Zylinders zur Aufnahme des Kolbens sein.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bohrungsabschnitts zur Aufnahme eines Hubkolbens bereitgestellt, wobei der Bohrungsabschnitt ein erstes und ein zweites Ende aufweist, zwischen denen sich der Kolben in einer Axialrichtung bewegt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden mehrerer axial beabstandeter Ausnehmungen in einer dem Kolben zugekehrten Fläche des Bohrungsabschnitts an mehreren axialen Stellen, wobei mindestens eine Ausnehmung an jeder axialen Stelle vorgesehen ist;
wobei jede Ausnehmung eine Breite in der Axialrichtung des Bohrungsabschnitts aufweist und jede Ausnehmung eine Tiefe senkrecht zu der dem Kolben zugekehrten Fläche aufweist, und
wobei die Breiten der Ausnehmungen in der Axialrichtung von einer Hubmittenstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Ende weg abnehmen und die Tiefen der Ausnehmungen in der Axialrichtung von der Hubmittenstelle weg zunehmen.
Die mindestens eine Ausnehmung an jeder axialen Stelle kann ein Gesamtausnehmungsvolumen an jeder axialen Stelle definieren. Das Gesamtausnehmungsvolumen an jeder axialen Stelle kann entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts allmählich variieren, wobei zum Beispiel das Gesamtausnehmungsvolumen an jeder axialen Stelle von einer Hubmittenstelle weg und zu dem ersten und dem zweiten Ende des Bohrungsabschnitts hin zunimmt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Zylinder zur Aufnahme eines Hubkolbens bereitgestellt, wobei der Zylinder einen Bohrungsabschnitt mit einem ersten und einem zweiten Ende definiert, zwischen denen sich der Kolben in einer Axialrichtung bewegt,
wobei der Bohrungsabschnitt mehrere axial beabstandete Ausnehmungen umfasst, die in einer dem Kolben zugekehrten Fläche des Bohrungsabschnitts an mehreren axialen Stellen ausgebildet sind, wobei mindestens eine Ausnehmung an jeder axialen Stelle vorgesehen ist;
wobei die mindestens eine Ausnehmung an jeder axialen Stelle ein Gesamtausnehmungsvolumen an jeder axialen Stelle definiert,
wobei ein Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis durch ein Verhältnis des Gesamtausnehmungsvolumens an einer bestimmten axialen Stelle zu einem axialen Abstand zwischen der mindestens einen Ausnehmung an der bestimmten axialen Stelle und einer benachbarten mindestens einen Ausnehmung definiert wird, und
wobei das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts allmählich variiert.
Zur Vermeidung eines unnötigen doppelten Aufwands und von unnötigen Wiederholungen von Text in der Beschreibung werden bestimmte Merkmale in Bezug auf nur einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass in Bezug auf einen beliebigen Aspekt oder eine beliebige Ausführungsform der Erfindung beschriebene Merkmale auch bei einem beliebigen anderen Aspekt oder einer beliebigen anderen Ausführungsform der Erfindung Verwendung finden können, sofern dies technisch möglich ist.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und zur deutlicheren Veranschaulichung ihrer Ausführung wird nun beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, darin zeigen:

1 eine schematische Querschnittsansicht durch einen Motor gemäß Anordnungen der vorliegenden Offenbarung;
2 eine schematische Querschnittsansicht durch einen Zylinder gemäß Anordnungen der vorliegenden Offenbarung;
3a eine schematische Ansicht eines Bohrungsabschnitts gemäß einer Anordnung der vorliegenden Offenbarung und 3b eine Teilschnittansicht, die dem in 3a definierten Abschnitt A-A entspricht und die Variation der Ausnehmungstiefe entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts zeigt;
4a eine schematische Ansicht eines Bohrungsabschnitts gemäß einer Anordnung der vorliegenden Offenbarung und 4b und 4c entsprechende Kurven, die die Variation der Ausnehmungstiefe und Ausnehmungsbreite entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts zeigen;
5a eine schematische Ansicht eines Bohrungsabschnitts gemäß einer Anordnung der vorliegenden Offenbarung und 5b und 5c entsprechende Kurven, die die Variation des Ausnehmungsvolumens und des Ausnehmungsaxialabstands entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts zeigen;
6a eine schematische Ansicht eines Bohrungsabschnitts gemäß einer Anordnung der vorliegenden Offenbarung und 6b eine entsprechende Kurve, die die Variation des Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts zeigt;
7a eine schematische Ansicht eines Bohrungsabschnitts gemäß einer Anordnung der vorliegenden Offenbarung und 7b eine entsprechende Kurve, die den Reibungskoeffizienten entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts mit der strukturierten Fläche gemäß der Anordnung der vorliegenden Offenbarung zeigt, verglichen mit Zylindern ohne eine zunehmend strukturierte Fläche; und
8 ein Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung
1 zeigt einen vereinfachten Querschnitt eines Motors 101. Der Motor umfasst Kolben 109, die sich in Zylindern 103 hin und her bewegen und eine Drehung einer Kurbelwelle 110 über Kolbenstangen 112 antreiben. Der gezeigte Motor 101 ist ein Vierzylindermotor, der eine oben liegende Nockenwelle aufweist. Bei dem Motor 101 kann es sich jedoch um irgendeine Art von Motor handeln, beispielsweise einen Motor mit einer einzigen oben liegenden Nockenwelle (SOHC-Motor, SOHC - Single Overhead Camshaft), einen Motor mit doppelten oben liegenden Nockenwellen (DOHC-Motor, DOHC - Double Overhead Camshaft), einen Motor mit oben gesteuerten Ventilen (OHV-Motor, OHV - Overhead Valve) oder eine andere geeignete Art von Motor. Obgleich der in 1 gezeigte Motor 101 ein Vierzylindermotor ist, kann der Motor 101 ferner eine beliebige geeignete Anzahl von Zylindern 103 umfassen, beispielsweise kann der Motor 101 ein Dreizylindermotor, ein Sechszylindermotor, ein Achtzylindermotor sein oder irgendeine andere Anzahl von Zylindern aufweisen. Die Zylinder 103 können in irgendeiner geeigneten Konfiguration, wie zum Beispiel Reihen-, Boxer- oder V-Konfiguration, angeordnet sein.
Jeder der Zylinder 103 definiert einen Bohrungsabschnitt 103', der ein erstes und ein zweites Ende 103a, 103b aufweist, zwischen denen sich der Kolben 109 in einer Axialrichtung bewegt. Der Kolben 109 kann an dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b seine Richtung ändern. Insbesondere umfasst jeder der Zylinder 103 eine Innenbohrungsfläche 105, die dazu konfiguriert ist, Kolbenringe 107 des Motorkolbens 109 in Eingriff zu nehmen. Die Innenbohrungsfläche 105 kann eine Innenfläche einer Zylinderbohrung sein, die direkt in einem Zylinderblock des Motors 101 ausgebildet ist, wie in 1 gezeigt wird. Alternativ kann die Innenbohrungsfläche 105 eine Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse sein, die in dem Zylinderblock montiert ist.
Während des Betriebs des Motors 101 bewegt sich jeder der Kolben 109 in dem Zylinder 103 zwischen einer oberen Totpunktstellung (TDC-Stellung, TDC - top dead centre) und einer unteren Totpunktstellung (BDC-Stellung, BDC - bottom dead centre) hin und her. Im Kontext der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „oberer Totpunkt“ auf den am weitesten entfernten Punkt des Hubs eines Kolbens (zum Beispiel Kolbenrings), an dem er von einem Aufwärtshub, das heißt von der Kurbelwelle 110 des Motors 101 weg, zu einem Abwärtshub, das heißt zu der Kurbelwelle 110 des Motors 101 hin, wechselt. Der Begriff „unterer Totpunkt“ bezieht sich auf den am weitesten entfernten Punkt des Hubs eines Kolbens (zum Beispiel Kolbenrings), an dem er von einem Abwärts- zu einem Aufwärtshub wechselt. Gleichermaßen bezieht sich der Begriff „oberes“ Ende des Zylinders 103 auf das zweite Ende 103b des Zylinders 103, an dem der Kolben 109 den oberen Totpunkt erreicht, und der Begriff „unteres“ Ende des Zylinders 103 bezieht sich auf das erste Ende 103a des Zylinders 103, an dem der Kolben 109 den unteren Totpunkt erreicht.
In der in 2 gezeigten Anordnung weist der Kolben 109 einen oberen Kolbenring 107A und einen unteren Kolbenring 107B auf. Der Kolben 109 kann jedoch irgendeine geeignete Anzahl von Kolbenringen 107 aufweisen, zum Beispiel weist der in 1 gezeigte Kolben 109 einen mittleren Kolbenring auf. Jeder der Kolbenringe 107 kann dazu konfiguriert sein, eine andere Funktion durchzuführen, zum Beispiel kann der obere Kolbenring 107A ein Kompressionsring sein, der dazu konfiguriert ist, eine Dichtung zwischen der Oberseite und der Unterseite des Zylinders 103 auf beiden Seiten des Kolbens 109 bereitzustellen, und der untere Kolbenring 107B kann ein Ölabstreifring sein, der dazu konfiguriert ist, Öl von der Innenfläche 105 des Zylinders 103 zu entfernen.
Bei der in 2 gezeigten Anordnung umfassen der obere und der untere Kolbenring 107A, 107B jeweils eine Umfangsfläche, die dazu konfiguriert ist, die Innenfläche 105 des Zylinders 103 in Eingriff zu nehmen. Eine Kontaktzone zwischen irgendeinem der Kolbenringe 107 kann durch den Abschnitt der Umfangsfläche des Kolbenrings 107 definiert werden, der die Innenfläche 105 des Zylinders 103 in Eingriff nimmt.
Während des Betriebs des Motors 101 variiert die lineare Geschwindigkeit des Kolbens 109 zwischen einer Mindestgeschwindigkeit, beispielsweise einer Nullgeschwindigkeit, wenn der Kolben bezüglich des Zylinders 103 am oberen Totpunkt oder unteren Totpunkt stationär ist, und einer Höchstgeschwindigkeit, während sich der Kolben 109 zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt bewegt. (Die maximale Kolbengeschwindigkeit tritt an einem Punkt 103c zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b des Bohrungsabschnitts auf.) Infolge der Änderung der Geschwindigkeit des Kolbens 109 variiert der Reibungskoeffizient zwischen den Kolbenringen 107 und der Innenbohrungsfläche 105 des Zylinders, während sich der Kolben 109 in der Zylinderbohrung bewegt.
Zur Reduzierung der Reibung zwischen den Gleitkomponenten des Motors 101, wie zum Beispiel den Kolbenringen 107 und der Innenbohrungsfläche 105 des Zylinders, kann ein Schmiermittel verwendet werden. Während des Betriebs des Motors kann demgemäß zwischen der Umfangsfläche des Kolbenrings 107 und der Innenfläche 105 des Zylinders 103 beispielsweise infolge der Bewegung zwischen den jeweiligen Flächen ein Schmiermittelfilm gebildet werden. Der Schmiermittelfilm kann dazu verwendet werden, die Innenfläche 105 und die Umfangsfläche des Kolbenrings 107 zu trennen, so dass zwischen den beiden Flächen kein oder ein reduzierter physischer Kontakt vorliegt.
Der Reibungskoeffizient zwischen Gleitkomponenten kann unter Verwendung der Stribeck-Kurve bestimmt werden, die zur Kategorisierung der Reibeigenschaften zwischen zwei Flächen als Funktion der Viskosität des Schmiermittels und der Relativdrehzahl zwischen den Komponenten pro Lasteinheit verwendet wird. Reibung kann durch Betrieb beim Minimalpunkt auf der Stribeck-Kurve, der den tribologischen Übergang zwischen hydrodynamischer Schmierung und Mischschmierung definiert, auf ein Minimum reduziert werden. Jedoch ist es infolge der zyklischen Beschleunigung und Verzögerung des Kolbens 109 schwierig, den Betrieb beim Minimalpunkt auf der Stribeck-Kurve über den gesamten Kolbenhub hinweg aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel ist es aufgrund der geringen Relativendrehzahlen zwischen dem Kolben 109 und dem Zylinder 103 schwierig, eine hydrodynamische Schmierung zum oberen und unteren Ende des Kolbenhubs hin aufrechtzuerhalten. Insbesondere kann an den Enden des Hubs des Kolbens 109, wo die Geschwindigkeit des Kolbens auf null abfällt, ein Schmiermittelfilm zwischen den Kolbenringen 107 und der Innenbohrungsfläche 105 des Zylinders 103 zusammenbrechen, da keine Bewegung zur Bildung eines hydrodynamischen Schmiermittelfilms vorliegt. Das Zusammenbrechen des Films hängt davon ab, wie schnell das Schmiermittel aus einer Kontaktzone zwischen den Kolbenringen 107 und der Innenbohrungsfläche 105 des Zylinders 103 ablaufen kann.
Wie in 2 gezeigt wird, umfasst der Bohrungsabschnitt des Zylinders 103 mehrere diskrete Ausnehmungen 129, die in der Innenfläche 105 ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 129 können irgendeine Art von Öffnung oder Vertiefung in der Innenfläche 105 umfassen. Die Ausnehmungen 129 können ermöglichen, dass ein Fluid, wie zum Beispiel ein Schmiermittel, in der Öffnung gehalten wird, während sich der Kolbenring 107 über die Öffnung bewegt. Zum Beispiel können die Ausnehmungen 129 mehrere Taschen umfassen, die dazu geformt sind, Schmiermittel festzuhalten und/oder die Rate, mit der Schmiermittel aus den Kontaktzonen abläuft, zu verringern. Die Taschen können eine beliebige Form aufweisen, zum Beispiel können die Taschen quadratische, rechteckige, kreisförmige, abgerundete Langlöcher oder von irgendeiner anderen Form sein. Bei einer Anordnung können die Taschen bezüglich einander eine ähnliche Form aufweisen. Bei einer anderen Anordnung können die mehreren Taschen eine Anzahl von unterschiedlich ausgebildeten/geformten Taschen umfassen, zum Beispiel können die mehreren Taschen eine Anzahl von Taschen mit rundem Boden und eine Anzahl von Taschen mit quadratischem Boden, die zum Einschließen von Schmiermittel konfiguriert sind, umfassen.
Wie gezeigt wird, sind die Ausnehmungen 129 an mehreren axialen Stellen entlang der Länge des Bohrungsabschnitts ausgebildet und bilden zum Beispiel mehrere axial getrennte Reihen von Ausnehmungen 129. Mindestens eine Ausnehmung 129 kann an jeder axialen Stelle vorgesehen sein, und in der bestimmten gezeigten Anordnung sind mehrere Ausnehmungen 129 an jeder axialen Stelle um den Umfang verteilt.
Jede Ausnehmung 129 weist eine Breite W in der Axialrichtung des Zylinders, eine Tiefe D senkrecht zu der Fläche 105 und eine Länge L in einer Richtung mit einer Umfangskomponente auf. Wie gezeigt wird, können die Längen L der Ausnehmungen in einer senkrecht zu der Axialrichtung des Zylinders verlaufenden Richtung (das heißt in der Umfangsrichtung) ausgerichtet sein, es kommt jedoch auch in Betracht, dass die Längen bezüglich der Axial- und Umfangsrichtung geneigt sein können. Unabhängig davon, wie die Ausnehmungen 129 ausgerichtet sind, können die Ausnehmungen 129 langgestreckt sein, wobei die Längen L größer als die Breiten W sind.
Wie oben erwähnt wurde, sind die Ausnehmungen 129 entlang der Länge des Bohrungsabschnitts axial verteilt. Die Ausnehmungen 129 können somit in einer Axialrichtung mit einem axialen Abstand S_x beabstandet sein. Die Ausnehmungen 129 können auch um den Umfang des Bohrungsabschnitts mit einem Umfangsabstand S_c umfangsmäßig verteilt sein. (Die Ausnehmungsdimensionen und -abstände, die in den Figuren gezeigt werden, sind schematisch und können viel kleiner als die gezeigten sein.)
Jede Ausnehmung 129 weist ein damit verbundenes Volumen V, das heißt das durch die Ausnehmung unter der Bohrungsfläche 105 definierte Volumen, auf. Ferner definieren die Ausnehmungen 129 an jeder axialen Stelle ein Gesamtausnehmungsvolumen V_T für jede axiale Stelle.
Nunmehr auf die 3a und 3b Bezug nehmend, wird eine bestimmte Anordnung von Ausnehmungen beschrieben. Wie in 3a gezeigt wird, nehmen die Breiten W der Ausnehmungen 129 in beiden Axialrichtungen von der Hubmittenstelle 103c zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b weg ab, und wie in 3b gezeigt wird, nehmen die Tiefen D der Ausnehmungen 129 in beiden Axialrichtungen von der Hubmittenstelle 103c weg zu. Die Breiten W der Ausnehmungen 129 können kleiner als oder gleich ihren Längen L sein. Die Ausnehmungen 129 können eine im Wesentlichen elliptische Form aufweisen, obgleich auch andere Formen, wie zum Beispiel ein Rechteck, in Betracht kommen. An der Hubmittenstelle 103c können die Ausnehmungen 129 eine Breite W aufweisen, die der Länge L entspricht, so dass die Ausnehmungen an dieser Stelle im Wesentlichen kreisförmig (oder quadratisch) sind.
Die Längen L der Ausnehmungen 129 können innerhalb der und über die axialen Stellen im Wesentlichen konstant sein. Der Umfangsabstand S_c zwischen benachbarten Ausnehmungen 129 kann auch innerhalb der und über die axialen Stellen im Wesentlichen konstant sein. Bei alternativen Anordnungen können die Längen L und/oder der Umfangsabstand S_c der Ausnehmungen 129 zum Beispiel in der Axialrichtung variieren. (Es sei darauf hingewiesen, dass die 3a, 4a, 5a, 6a und 7a insofern schematisch sind, als sie die Fläche 105 so zeigen, als ob sie flach ausgerollt wäre; und somit werden die Längen L als konstant gezeigt.)
Die Variation der Ausnehmungsparameter (zum Beispiel Breite, Tiefe, Länge, Volumen, axialer Abstand, Umfangsabstand oder irgendein anderer Parameter) kann auf dem Hub des Kolbenrings 107 des Kolbens oder, wenn mehr als ein Kolbenring vorhanden ist, einem bestimmten der Kolbenringe, zum Beispiel dem Kolbenring 107A, basieren, zum Beispiel darauf zentriert sein. Zum Beispiel kann der Ort des ersten und des zweiten Endes 103a, 103b des Bohrungsabschnitts durch das Bewegungsausmaß des Kolbenrings oder bestimmten Kolbenrings eingestellt werden. Ferner kann der Punkt 103c, der sich im Wesentlichen auf halbem Wege zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b des Bohrungsabschnitts befindet, der Punkt sein, an dem die axiale Geschwindigkeit des Kolbenrings (oder des bestimmten Kolbenrings) am größten ist. Der Punkt, an dem die maximale Kolbengeschwindigkeit auftritt, kann sich nahe dem Mittelpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b befinden, wenn auch nicht genau darauf liegen. Die maximale Geschwindigkeit des Kolbens kann an einem Punkt erfolgen, der sich näher an dem zweiten Ende 103b des Bohrungsabschnitts befindet (das von der Kurbelwelle 110 am weitesten entfernt ist) als an dem ersten Ende 103a (das sich am nächsten zu der Kurbelwelle 110 befindet). Da die Hubmittenstelle 103c bezüglich des ersten und des zweiten Endes 103a, 103b möglicherweise nicht genau zentral liegt, können die Ausnehmungsparameter als eine Funktion von der axialen Stelle, die nicht um den axialen Ort 103c symmetrisch ist, variieren.
Wie oben erwähnt wurde, sind die Ausnehmungen 129 axial über die Länge des Bohrungsabschnitts zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b verteilt.
Möglicherweise gibt es jedoch dort keine Ausnehmungen an dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b des Bohrungsabschnitts, wo der Kolben (zum Beispiel der Kolbenring) seine Richtung ändert.
Die 4b und 4c zeigen die allmähliche Variation der Ausnehmungstiefe D bzw. -breite W für den in 4a gezeigten Bohrungsabschnitt 103'. Die Ausnehmungsbreiten W nehmen von einem Maximum an der Hubmittenstelle 103c auf eine minimale Breite an oder nahe dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b ab. Die Rate, mit der die Breiten W abnehmen, kann sich verringern, wenn man sich von der Hubmittenstelle 103c weg bewegt, obgleich die Verringerung der Rate so klein sein kann, dass sich die Ausnehmungsbreiten W bezüglich ihrer axialen Stelle ungefähr linear verringern können. Die Ausnehmungstiefen D hingegen können von einem Minimalwert an der Hubmittenstelle 103c zu einer maximalen Tiefe an oder nahe dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b zunehmen. Die Rate, mit der die Tiefen D zunehmen, können an der Hubmittenstelle 103c null sein und können zunehmen, wenn man sich von der Hubmittenstelle 103c weg bewegt. In dem gezeigten Beispiel kann eine ungefähre stufenweise Änderung der Rate, mit der sich die Tiefe D der Ausnehmungen ändert, vorliegen, so dass zum Beispiel beide Seiten der Hubmittenstelle 103c einen Knick K_D in der Kurve der Ausnehmungstiefe D als eine Funktion der axialen Stelle aufweisen können.
Auf die 5a und 5b Bezug nehmend, können Änderungen der Ausnehmungsparameter, wie zum Beispiel der Tiefe D und der Breite W, bewirken, dass sich das Gesamtausnehmungsvolumen V_T mit der axialen Stelle ändert. Demgemäß kann das Gesamtausnehmungsvolumen V_T an jeder axialen Stelle entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts allmählich variieren. Die oben beschriebene Abnahme der Ausnehmungsbreite W von der Hubmittenstelle 103c weg kann dazu tendieren, das Ausnehmungsgesamtvolumen V_T zu reduzieren, während die Zunahme der Ausnehmungstiefe D dazu tendieren kann, das Gesamtausnehmungsvolumen V_T zu erhöhen. Bei der gezeigten Anordnung dominiert jedoch die zunehmende Ausnehmungstiefe D von der Hubmittenstelle 103c weg, so dass das Gesamtausnehmungsvolumen V_T an jeder axialen Stelle von der Hubmittenstelle 103c weg zunimmt. Die Änderungsrate des Gesamtausnehmungsvolumens V_T kann an der Hubmittenstelle 103c null sein. Die Änderungsrate des Gesamtausnehmungsvolumens V_T kann mit dem Abstand von der Hubmittenstelle zunehmen.
Auf die 5a und 5c Bezug nehmend, kann der axiale Abstand S_x zwischen benachbarten axialen Stellen entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts allmählich variieren. Bei der gezeigten bestimmten Anordnung kann der axiale Abstand S_x zwischen benachbarten axialen Stellen, wenn man sich von der Hubmittenstelle 103c weg bewegt, zu einem Maximalwert M zwischen der Hubmittenstelle 103c und jedem von dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b zunehmen. Der axiale Abstand S_x zwischen benachbarten axialen Stellen kann auch, wenn man sich von jedem von dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b weg bewegt, zu dem Maximalwert M zunehmen. Der axiale Abstand S_x zwischen benachbarten axialen Stellen kann mit einer insgesamt höheren Rate zunehmen, wenn man sich entweder von dem ersten oder dem zweiten Ende 103a, 103b weg bewegt, als wenn man sich von der Hubmittenposition 103c weg bewegt.
Ein Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis R für Ausnehmungen an einer bestimmten axialen Stelle kann als ein Verhältnis des Gesamtausnehmungsvolumens V_T an der bestimmten axialen Stelle zu dem axialen Abstand S_x zwischen der bestimmten axialen Stelle und einer benachbarten axialen Stelle mit einer oder mehreren Ausnehmungen definiert werden. Das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis R ist somit eine Funktion der axialen Stelle x, wie unten angeführt: $R (x) = V_{T} (x) {/S}_{x} (x) .$
Bei der Bestimmung des Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses R kann der axiale Abstand S_x für eine bestimmte axiale Stelle unter durchgängiger Verwendung der benachbarten axialen Stelle in der gleichen Richtung, zum Beispiel in einer ersten Axialrichtung oder einer von dem Punkt 103c im Wesentlichen in der Mitte zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b des Bohrungsabschnitts weg verlaufenden Richtung, gemessen werden.
Auf die 6a und 6b Bezug nehmend, kann das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis R über die Länge des Bohrungsabschnitts allmählich variieren, insbesondere kann das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis R von der Hubmittenstelle 103c weg und zu dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b des Bohrungsabschnitts zunehmen. Der Minimalwert des Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses R kann an der Hubmittenstelle 103c auftreten. Das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis R kann somit auf der Hubmittenstelle 103c zentriert sein. Die Rate, mit der das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis R zunimmt, kann an der Hubmittenstelle 103c null sein und kann zunehmen, wenn man sich von der Hubmittenstelle 103c weg bewegt. Die Zunahmerate des Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses R kann, wenn man sich von der Hubmittenstelle 103c weg bewegt, anfangs allmählich oder in der Tat null sein, so dass es in dem Profil des Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses R einen im Wesentlichen flachen Bereich F geben kann. In dem gezeigten Beispiel kann eine ungefähre stufenförmige Änderung der Rate, mit der sich das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis R der Ausnehmungen ändert, vorhanden sein, so dass zum Beispiel beide Seiten der Hubmittenstelle 103c einen Knick K_R in der Kurve des Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses R als eine Funktion der axialen Stelle aufweisen können.
Die Variation des Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses R kann durch Ändern eines oder mehrerer der Breiten W, Tiefen D, Längen L, axialen Abstands S_x und Umfangsabstands S_c der Ausnehmungen 129 in der Axialrichtung erreicht werden. In dem gezeigten bestimmten Beispiel variieren die Breiten W, Tiefen D und der axiale Abstand S_x der Ausnehmungen 129. Es kommt jedoch gleichermaßen Betracht, dass andere Parameter, wie zum Beispiel die Ausnehmungslänge L und der Umfangsabstand S_c , auch variieren können und dass irgendeiner oder eine Teilmenge der Ausnehmungsparameter variieren kann, um die gewünschte Variation des Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses R zu erzielen.
Was das Ausnehmungsgesamtvolumen V_T anbetrifft, können die Ausnehmungsbreite W und die Ausnehmungstiefe D gegensinnig variieren, wobei die Variation der Ausnehmungstiefe D die Ausnehmungsbreite W beherrscht, so dass das Volumen-zu-Abstand-Verhältnis R von der Hubmittenstelle 103c weg zunimmt. Die anfängliche Zunahme des axialen Abstands S_x von der Hubmittenstelle 103c weg (zu dem Maximum M) wird auch durch die Variation der Ausnehmungstiefe D beherrscht, so dass das Volumen-zu-Abstand-Verhältnis R von der Hubmittenstelle 103c weg zunimmt (die anfängliche Zunahme des axialen Abstands S_x würde ansonsten dazu tendieren, das Volumen-zu-Abstand-Verhältnis R zu reduzieren).
Das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis R kann eine Funktion eines Kolbengeschwindigkeitsverhältnisses P an der gleichen axialen Stelle sein. Das Kolbengeschwindigkeitsverhältnis P an einer bestimmten axialen Stelle kann ein Verhältnis der Kolbengeschwindigkeitsgröße V_P an der bestimmten axialen Stelle zu der Maximalgeschwindigkeitsgröße des Kolbens V_P,max während des bestimmten Kolbenhubs in einem stationären Zustand, in dem die Kurbelwellendrehzahl Ω konstant ist, sein. (Das Kolbengeschwindigkeitsverhältnis P variiert somit mit der axialen Stelle x und ist von der Kurbelwellendrehzahl Ω unabhängig.) Demgemäß $P (x) = V_{P} (x, Ω) {/V}_{P, max} (Ω);$
und $R (x) = f (P (x))$
Es versteht sich, dass das Kolbengeschwindigkeitsverhältnis P zwischen 0 und 1 variiert, wobei das Verhältnis P an dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b des Bohrungsabschnitts 0 und an dem Maximalgeschwindigkeitspunkt 103c 1 ist. Zum Beispiel kann das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis R eine Funktion des Kehrwerts des Kolbengeschwindigkeitsverhältnisses P sein, zum Beispiel kann R umgekehrt proportional zu P sein. Das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis R kann jedoch mit irgendeiner Funktion variieren, in der R abnimmt, wenn sich der Kolben von dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b des Kolbenhubs weg bewegt.
Verweise auf eine „allmähliche“ Variation eines bestimmten Ausnehmungsparameters können bedeuten, dass es bei Verlauf entlang der Länge des Bohrungsabschnitts mehrere Änderungen des bestimmten Ausnehmungsparameters gibt. Zum Beispiel kann es mehrere Änderungen des Ausnehmungsparameters in jeder von der Hubmittenstelle 103c weg verlaufenden Richtung geben. Die Variation eines bestimmten Ausnehmungsparameters kann auch ungefähr symmetrisch um die Hubmittenstelle 103c sein. Da die Hubmittenstelle 103c möglicherweise nicht genau zentral bezüglich des ersten und des zweiten Endes 103a, 103b ist, können die Ausnehmungsparameter jedoch als eine Funktion der axialen Stelle, die nicht genau symmetrisch um die Hubmittenstelle 103c ist, variieren.
Auf die 7a und 7b Bezug nehmend, werden nunmehr die Schmierungsregimes zwischen dem Kolben 109 (insbesondere dem Kolbenring 107) und der Bohrungsabschnittsfläche 105 beschrieben. In einem mittleren Bereich C, der im Wesentlichen auf die Hubmittenstelle 103c zentriert ist, können die Komponenten unter einem Vollfilmschmierungsregime bezüglich einander gleiten. Auf beiden Seiten der Hubmittenstelle 103c kann es einen Übergangspunkt oder -bereich T geben. (Der Übergang T kann sich in Längsrichtung über einen Abschnitt des Bohrungsabschnitts erstrecken oder er kann ein Punkt entlang der Länge des Bohrungsabschnitts sein.) In Zwischenbereichen I auf beiden Seiten der Übergänge T und von dem mittleren Bereich C weg können die Komponenten unter einem Mischfilmschmierungsregime bezüglich einander gleiten. In äußeren Bereichen O an dem ersten und dem zweiten Ende 103a, 103b und auf beiden Seiten der Zwischenbereiche I können die Komponenten unter einem Grenzschmierungsregime bezüglich einander gleiten.
Die ungefähre stufenweise Änderung der Rate, mit der sich die Tiefe D der Ausnehmungen ändert, kann am oder ungefähr am Übergang T auftreten. Zum Beispiel kann der Knick K_D des Tiefenprofils am ungefähren Übergang T positioniert sein, wo erwartet wird, dass die Schmierung zwischen Vollfilm- und Mischschmierung wechselt. Ebenso kann das Maximum M des Profils des axialen Abstands S_x und/oder des Knicks K_R in dem Profil des Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnisses am oder ungefähr am Übergang T positioniert sein. Das Ändern der Rate, mit der sich die Ausnehmungsparameter am Übergang T ändern, kann dabei helfen, die Ausnehmungen besser so maßzuschneidern, dass sie für das bestimmte Schmierungsregime geeignet sind.
In dem mittleren Bereich können die Ausnehmungen 129 Breiten W aufweisen, die größer als eine entsprechende Dimension (zum Beispiel Axialdicke) des Kolbenrings 107 sind. Der Einschluss des Schmiermittels in den Taschen kann in dem mittleren Bereich C, in dem Vollfilmschmierung vorliegt, von geringerer Bedeutung sein. Das Vorsehen von Ausnehmungen in dem und durch den gesamten mittleren Bereich C zusammen mit den Breiten W, die größer als die entsprechende Dimension (zum Beispiel Axialdicke) des Kolbenrings 107 sind, hilft dabei, die Grenzfläche zwischen dem Kolbenring 107 und der Bohrungsabschnittsfläche 105 zu verkleinern. Dies hilft wiederum dabei, die Reibung zwischen den Komponenten in dem mittleren Bereich C zu reduzieren. Ferner führt das Vorsehen eines Maximums M in dem Axialabstandsprofil von der Hubmittenstelle 103c weg zu einer erhöhten Dichte der Ausnehmungen in dem mittleren Bereich C, was wiederum dabei hilft, Reibung in diesem Bereich zu reduzieren.
In den Zwischenbereichen I und/oder äußeren Bereichen O kann es hingegen wünschenswert sein, wenn das Schmiermittel daran gehindert wird, aus einer bestimmten Ausnehmung „herauszulecken“, wenn sich der Kolbenring 107 darüber hinweg bewegt. Dies kann unter dem Misch- und Grenzschmierungsregime Reibung zwischen den Komponenten auf ein Minimum reduzieren. Dies kann durch Vorsehen von Ausnehmungen in den Zwischenbereichen I und/oder äußeren Bereichen O mit Breiten W, die kleiner als die entsprechende Dimension (zum Beispiel Axialdicke) des Kolbenrings 107 sind, erreicht werden. Ferner kann es wünschenswert sein, tiefere Ausnehmungen 129 in den Zwischenbereichen I und/oder äußeren Bereichen O vorzusehen, da tiefere Ausnehmungen mehr Schmiermittel aufnehmen können, was dabei helfen kann, den Schmiermittelfilm zu unterstützen und wiederum Reibung zwischen den Komponenten zu reduzieren.
7b zeigt die Gesamtauswirkung auf den Reibungskoeffizienten µ für die hier offenbarte Anordnung im Vergleich zu einem nicht strukturierten Bohrungsabschnitt. Wie gezeigt wird, wird der Reibungskoeffizient µ für den strukturierten Bohrungsabschnitt im Vergleich zu dem nicht strukturierten Bohrungsabschnitt reduziert. Die Reduzierung der Reibung gilt in jedem der Bereiche des Bohrungsabschnitts.
Auf 8 Bezug nehmend, kann ein Verfahren 200 zur Herstellung des Bohrungsabschnitts einen ersten Schritt 210 des Bildens der mehreren Ausnehmungen 129 in der dem Kolben zugekehrten Fläche 105 des Bohrungsabschnitts 103' an mehreren axialen Stellen umfassen, wobei mindestens eine Ausnehmung an jeder axialen Stelle vorgesehen ist. Die Ausnehmungen 129 können durch Gießen, maschinelle Bearbeitung, Laserhonen und/oder jegliche andere Ausbildungstechnik gebildet werden.
Obgleich der Zylinder 103 oben unter Bezugnahme auf einen Verbrennungsmotor beschrieben wurde, kann der Zylinder 103 auch in einer Hubkolbenmaschine vorgesehen sein. Zum Beispiel kann der Zylinder in einem Hubkolbenmotor, einer Kolbenpumpe oder irgendeiner anderen Maschine mit einem Kolben, der sich in einem Bohrungsabschnitt oder Zylinder der Maschine gleitend hin und her bewegt, vorgesehen sein.
Für einen Fachmann liegt auf der Hand, dass die Erfindung zwar mit Bezug auf ein oder mehrere Beispiele beispielhaft beschrieben worden ist, sie aber nicht auf die offenbarten Beispiele beschränkt ist und alternative Beispiele konzipiert werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert wird, abzuweichen.

Claims

Bohrungsabschnitt zur Aufnahme eines Hubkolbens, wobei der Bohrungsabschnitt ein erstes und ein zweites Ende aufweist, zwischen denen sich der Kolben in einer Axialrichtung bewegt, wobei der Bohrungsabschnitt mehrere axial beabstandete Ausnehmungen umfasst, die in einer dem Kolben zugekehrten Fläche des Bohrungsabschnitts an mehreren axialen Stellen ausgebildet sind, wobei mindestens eine Ausnehmung an jeder axialen Stelle vorgesehen ist; wobei jede Ausnehmung eine Breite in der Axialrichtung des Bohrungsabschnitts aufweist und jede Ausnehmung eine Tiefe senkrecht zu der dem Kolben zugekehrten Fläche aufweist, und wobei die Breiten der Ausnehmungen in der Axialrichtung von einer Hubmittenstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Ende weg abnehmen und die Tiefen der Ausnehmungen in der Axialrichtung von der Hubmittenstelle weg zunehmen.
Bohrungsabschnitt nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Ausnehmung an jeder axialen Stelle ein Gesamtausnehmungsvolumen an jeder axialen Stelle definiert und das Gesamtausnehmungsvolumen an jeder axialen Stelle entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts allmählich variiert, wobei das Gesamtausnehmungsvolumen an jeder axialen Stelle von einer Hubmittenstelle weg und zu dem ersten und zweiten Ende des Bohrungsabschnitts hin zunimmt.
Bohrungsabschnitt nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Übergangspunkt oder -bereich zwischen der Hubmittenstelle und jedem von dem ersten und zweiten Ende vorgesehen ist.
Bohrungsabschnitt nach Anspruch 3, wobei eine Vollfilmschmierungszone zwischen den Übergängen auf beiden Seiten der Hubmittenstelle definiert ist und wobei ein Vollfilmschmierungsregime zwischen dem Kolben und dem Bohrungsabschnitt in der Vollfilmschmierungszone erfolgt.
Bohrungsabschnitt nach Anspruch 3 oder 4, wobei eine Mischfilmschmierungszone zwischen jedem von dem ersten und dem zweiten Ende und dem entsprechenden Übergang definiert ist und wobei ein Mischfilmschmierungsregime zwischen dem Kolben und dem Bohrungsabschnitt in den Mischfilmschmierungszonen erfolgt.
Bohrungsabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Grenzschmierungszone an jedem von dem ersten und dem zweiten Ende definiert ist und wobei ein Grenzschmierungsregime zwischen dem Kolben und dem Bohrungsabschnitt in den Grenzschmierungszonen erfolgt.
Bohrungsabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen benachbarten axialen Stellen ein axialer Abstand entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts allmählich variiert.
Bohrungsabschnitt nach Anspruch 7, sofern von Anspruch 3 abhängig, wobei der axiale Abstand zwischen benachbarten axialen Stellen, wenn man sich von der Hubmittenstelle weg bewegt, zu einem Maximalwert an dem Übergang zwischen der Hubmittenstelle und jedem von dem ersten und dem zweiten Ende zunimmt.
Bohrungsabschnitt nach Anspruch 8, wobei der axiale Abstand zwischen benachbarten axialen Stellen, wenn man sich von jedem von dem ersten und dem zweiten Ende weg bewegt, zu dem Maximalwert an dem entsprechenden Übergang zwischen der Hubmittenstelle und dem entsprechenden ersten und zweiten Ende zunimmt.
Bohrungsabschnitt nach Anspruch 9, wobei der axiale Abstand zwischen benachbarten axialen Stellen kann mit einer höheren Rate zunimmt, wenn man sich von einem von dem ersten und dem zweiten Ende weg bewegt, als wenn man sich von der Hubmittenstelle weg bewegt.
Bohrungsabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sofern von Anspruch 3 abhängig, wobei eine stufenweise Änderung der Rate, mit der sich die Tiefe der Ausnehmungen ändert, an dem Übergang vorliegt.
Bohrungsabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis durch ein Verhältnis des Gesamtausnehmungsvolumens an einer bestimmten axialen Stelle zu einem axialen Abstand zwischen der mindestens einen Ausnehmung an der bestimmten axialen Stelle und einer benachbarten mindestens einen Ausnehmung definiert wird und wobei das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis entlang der axialen Länge des Bohrungsabschnitts allmählich variiert.
Bohrungsabschnitt nach Anspruch 12, wobei das Ausnehmungsvolumen-zu-Abstand-Verhältnis von der Hubmittenstelle weg und zu dem ersten und dem zweiten Ende des Bohrungsabschnitts zunimmt.
Bohrungsabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Ausnehmung eine Länge in einer Richtung mit einer Umfangskomponente aufweist und die Längen der Ausnehmungen über die axialen Stellen hinweg im Wesentlichen konstant sind.
Bohrungsabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Ausnehmung eine Länge in einer Richtung mit einer Umfangskomponente aufweist und die Längen der Ausnehmungen über die axialen Stellen hinweg variieren.
Den Bohrungsabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche und den Kolben umfassende Anordnung.
Anordnung nach Anspruch 16, sofern von Anspruch 3 abhängig, wobei der Kolben einen Kolbenring umfasst und die Ausnehmungen zwischen den Übergängen auf beiden Seiten der Hubmittenstelle Breiten aufweisen, die größer als eine entsprechende Dimension des Kolbenrings sind.
Den Bohrungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 15 umfassende(r) Verbrennungsmotor, Hubkolbenmaschine oder Zylinderlaufbuchse.
Verfahren zur Herstellung eines Bohrungsabschnitts zur Aufnahme eines Hubkolbens, wobei der Bohrungsabschnitt ein erstes und ein zweites Ende aufweist, zwischen denen sich der Kolben in einer Axialrichtung bewegt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden mehrerer axial beabstandeter Ausnehmungen in einer dem Kolben zugekehrten Fläche des Bohrungsabschnitts an mehreren axialen Stellen, wobei mindestens eine Ausnehmung an jeder axialen Stelle vorgesehen ist; wobei jede Ausnehmung eine Breite in der Axialrichtung des Bohrungsabschnitts aufweist und jede Ausnehmung eine Tiefe senkrecht zu der dem Kolben zugekehrten Fläche aufweist, und wobei die Breiten der Ausnehmungen in der Axialrichtung von einer Hubmittenstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Ende weg abnehmen und die Tiefen der Ausnehmungen in der Axialrichtung von der Hubmittenstelle weg zunehmen.