DE102020004367A1 - Kolben mit Reibleistungsreduzierung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Kolben einer Brennkraftmaschine, aufweisend einen oberen Kolbenbereich (1), in dem sich ein Ringfeld (2) befindet, wobei ausgehend von dem oberen Kolbenbereich (1) ein Kolbenunterteil (3) mit zwei gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitten (4 und 5) auf der Druck- und Gegendruckseite des Kolbens vorhanden ist und die beiden tragenden Schaftwandabschnitte (4, 5) über gegenüber dem Außendurchmesser des Kolbens zurückgesetzte Verbindungswände (6, 7) miteinander verbunden sind, wobei in jeder Verbindungswand (6 und 7) eine Bolzenbohrung (18) zur Aufnahme eines Bolzens vorhanden ist und wobei die beiden sich gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitte (4 und 5) voneinander unterschiedliche Wandstärken sowie unterschiedliche Übergangsbereiche bei dem Übergang ihrer seitlichen Schaftanbindungen (8, 9 und 16, 17) hin zu den zurückgesetzten Verbindungswänden (6, 7) aufweisen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, der in einem sogenannten Kastendesign gestaltet ist, nach dem Oberbegriff des folgenden Anspruchs 1
• Moderne Kolbensysteme unterliegen hohen Anforderungen, was ihre Belastbarkeit, aber auch ihre Laufleistungen angeht. Hinzu kommt die umweltgerechte Forderung nach einem niedrigen Emissionsausstoß der Motoren.
• Zu diesem Zweck sind schon Kolben bekannt geworden, z. B. DE 10 2017 108 271 A1 die gegenüberliegende tragende Schaftwandabschnitte aufweisen, mit denen sich der Kolben während seiner Bewegung im Zylinder der Brennkraftmaschine an der Zylinderinnenwand abstützt und an dieser entlang gleitet. Die beiden gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitte sind über gegenüber dem Außendurchmesser (auch als Nenndurchmesser bezeichnet) des Kolbens zurückgesetzte Verbindungswände miteinander verbunden. Die beiden zurückgesetzten Verbindungswände werden jeweils von einer Bolzenbohrung durchdrungen, die einen Bolzen in an sich bekannter Weise aufnimmt. Die tragenden Schaftwandabschnitte haben in ihrem radialen Verlauf (zwischen dem Übergangsbereich, an dem der Seitenbereich eines jeden tragenden Schaftwandabschnittes in seine zugehörige Verbindungswand übergeht) gleiche Dicke (Wandstärke). Außerdem sind die sich gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitte sowohl auf der Druckseite als auch auf der Gegendruckseite gleich gestaltet. In gleicher Weise haben auch die zurückgesetzten Verbindungswände gleiche Dicke (Wandstärke). Weiterhin sind die Schaftwandabschnitte durch Schlitze zumindest teilweise vom oberen Kolbenbereich getrennt.
• Um die eingangs geschilderten Anforderungen zu erfüllen, ist es bei solchen Kolben im Kastendesign bekannt, dass die Verbindungswände schräg gestellt sind und je nach Geometrie und Einsatzzweck des Kolbens parallel, konkav bzw. konvex zu einer Kolbenhubachse verlaufen. Dadurch reduziert sich die Reibung innerhalb des Kolbensystems (Kolben und Zylinder der Brennkraftmaschine) und erfüllt hohe Ansprüche, was Kraftstoffverbräuche, Emissionen, Geräuschentwicklung und Lebensdauer angeht.
• Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Kolbensystem, insbesondere den Kolben, hinsichtlich der eingangs geschilderten Anforderungen noch weiter zu verbessern.
• Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, dass die beiden sich gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitte unterschiedliche Übergangsbereiche bei dem Übergang ihrer seitlichen Schaftanbindungen hin zu den zurückgesetzten Verbindungswänden aufweisen.
• Ergänzend kann zu diesem Merkmal hinzukommen, dass entweder
• - die beiden sich gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitte voneinander unterschiedliche Wandstärken oder
• - die beiden sich gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitte gleiche Wandstärken
aufweisen.
• Dieser verbesserte Kolben erzielt durch den Einfluss von Schaftsteifigkeiten und noch weiter optimierten Kolbenprofilen eine bessere Anpassung an die Zylinderlauffläche. Da die Druck- und Gegendruckseiten unterschiedliche Randbedingungen des Motorlaufs haben, werden sie dabei aufgrund der unterschiedlichen Wandstärken und Anbindungen der tragenden Schaftwandabschnitte im Übergangsbereich in Richtung der zurückgesetzten Verbindungswände unterschiedlich behandelt. Bedeutende Vorteile sind die Kombination von Flexibilität, mit der eine bessere Anpassung erreicht werden kann, mit einer verbesserten Steifigkeit, die für die Langzeitfestigkeit des Kolbens notwendig ist. Die bessere Anpassung an die Zylinderlauffläche resultiert in einer Minderung von bis zu zwanzig Prozent des Reibverlustes am Kolbenschaft (den tragenden Schaftwandabschnitten), die auch eine Ersparnis an Kraftstoff verbessert.
• Die grundlegende Idee dieser Erfindung, dass nämlich die beiden sich gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitte voneinander unterschiedliche Wandstärken sowie unterschiedliche Übergangsbereiche bei dem Übergang ihrer seitlichen Schaftanbindungen hin zu den zurückgesetzten Verbindungswänden aufweisen, wird im Folgenden anhand von einem Ausführungsbeispiel eines Kolbens näher erläutert und beschrieben.
• Das Ausführungsbeispiel basiert auf einem Kolben einer Brennkraftmaschine, aufweisend einen oberen Kolbenbereich (Kolbenoberteil), in dem sich ein Ringfeld befindet, wobei ausgehend von dem oberen Kolbenbereich zwei gegenüberliegende tragende Schaftwandabschnitte vorhanden sind und die beiden tragenden Schaftwandabschnitte über gegenüber dem Außendurchmesser des Kolbens zurückgesetzte Verbindungswände miteinander verbunden sind, wobei in jeder Verbindungswand eine Bolzenbohrung zur Aufnahme eines Bolzens vorhanden ist. Ein solcher Kolben kann auf beliebige Art und Weise hergestellt werden (zum Beispiel durch Gießen, Schmieden oder dergleichen). Er kann aus einem einzigen Teil hergestellt werden oder auch aus zwei (zum Beispiel Oberteil und Unterteil) oder auch mehr als zwei Teilen bestehen, die auf geeignete Art und Weise miteinander verbunden werden, insbesondere durch einen unlösbaren Fügevorgang, wie Verschweißen oder dergleichen.
• Die 1 und 2 zeigen einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben, sodass eine Ansicht in den Innenbereich des Kolbens entsteht. Der Schnitt liegt in einem Bereich zwischen einem mit 5 bezeichneten tragenden Schaftwandabschnitt und der Bolzenbohrung 18, wobei in 2 diese Bolzenbohrung skizziert dargestellt ist. Bei Betrachtung der 1 und 2 schaut man somit aus Richtung des Kolbenbolzens auf den inneren Bereich des tragenden Schaftwandabschnittes 5 auf der Gegendruckseite. Gleiches gilt im Übrigen auch für den Schnitt gemäß der 3 und 4, bei denen man aus Richtung des Kolbenbolzens auf den inneren Bereich des tragenden Schaftwandabschnittes 4 auf der Druckseite blickt.
• Die Innenansicht des Kolbens gemäß der beiden 1 und 2 bezieht sich auf die Gegendruckseite. Es ist ein mit 15 bezeichneter zentraler Schaftbereich erkennbar, der ein Teil des tragenden Schaftwandabschnittes 5 ist. Dieser zentrale Schaftbereich 15 weist eine konstante Wandstärke in einem Bereich von 1% bis 3% des Nenndurchmessers (DN) des Kolbens auf. Die seitlichen Bereiche dieses zentralen Schaftbereiches 15 gehen über in seitliche Schaftanbindung 8 und 9. Die Schaftanbindungen 8 und 9 sind gerundet (gewölbt) und schließen an die zurückgesetzten Verbindungswände 6 und 7 an. In dem oberen Bereich des jeweiligen tragenden Schaftwandabschnittes 5 ist dieser mit dem oberen Kolbenbereich (1) verbunden bzw. geht in diesen ebenfalls gerundet (gewölbt) über. Der Übergang erfolgt über eine Anbindung zu einem Ringfeldwulst 12. Der Ringfeldwulst 12 befindet sich auf Höhe des Ringfeldes 2, insbesondere etwa auf Höhe der untersten Ringnut. Diese Anbindung ist in 1 sehr gut erkennbar.
• In 2 ist dargestellt, dass die Achse einer Bolzenbohrung 18 in einer strichpunktierten Ebene verläuft. Darauf bezogen ist ein Bereich mit einem zunehmenden Anbindungsradius in Höhe von 14% bis 20% des Nenndurchmessers des Kolbens vorgesehen, wobei unterhalb von diesem Bereich des zunehmenden Anbindungsradius sich ein Bereich mit einem konstanten Anbindungsradius in der Größe von 9% bis 15% des Nenndurchmessers des Kolbens anschließt.
• In den 3 und 4 ist analog zu den 1 und 2 eine Sicht auf den Innenbereich des Kolbens auf der Druckseite gezeigt. Hierbei ist erkennbar, dass der tragende Schaftwandabschnitt 4 einen unteren zentralen Schaftbereich 14 aufweist, der über je eine seitliche Schaftanbindung 16 und 17 in die zurückgesetzten Verbindungswände 6 und 7 gerundet (gewölbt) übergeht. Der zentrale Schaftbereich 14 im unteren Bereich hat eine konstante Wandstärke von 1% bis 3% des Nenndurchmessers des Kolbens. Das obere Ende des unteren zentralen Schaftbereiches geht über einen gerundeten (gewölbten) Bereich in einen oberen zentralen Schaftbereich 13 über. Der obere zentrale Schaftbereich 13 hat eine konstante Wandstärke von 2,5% bis 6% des Nenndurchmessers des Kolbens. Auf der Druckseite des Kolbens gibt es somit zwei zentrale Schaftbereiche 13 und 14, die unterschiedliche Wandstärken aufweisen. Auf der Gegendruckseite des Kolbens gibt es hingegen nur einen zentralen Schaftbereich 15 mit einer konstanten gleichbleibenden Wandstärke. Das obere Ende des oberen zentralen Schaftbereiches 13 geht wiederum über den Ringfeldwulst 12 in den oberen Teil des Kolbens über.
• In 4 ist wiederum die strichpunktierte Ebene dargestellt, in der die Längsachse der Bolzenbohrung 18 liegt. Der obere zentrale Schaftbereich 13 liegt oberhalb dieser Ebene, sodass der untere Endbereich des oberen zentralen Schaftbereiches13, in dem er die konstante Wandstärke aufweist, oberhalb dieser Ebene beginnt. Die Höhe des oberen zentralen Schaftbereiches 13 beträgt 4% bis 9% des Nenndurchmessers des Kolbens. Der untere zentrale Schaftbereich 14 weist eine Höhe von 11 % bis 19% des Nenndurchmessers des Kolbens auf. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist erkennbar, dass der untere Endbereich des unteren zentralen Schaftbereiches 14 auch die Unterkante des Kolbens bildet.
• Grundsätzlich gilt, dass die bei dem Kolben vorhandenen zentralen Schaftbereiche 13, 14, 15 insbesondere der einzige zentrale Schaftbereich 15 auf der Gegendruckseite und insbesondere die beiden zentralen Schaftbereiche 13 und 14 auf der Druckseite, in ihrem jeweiligen Bereich ihre entsprechende konstante Wandstärke (Dicke) aufweisen. Diese jeweilige Wandstärke vergrößert sich zunehmend bei dem gerundeten (gewölbten) Übergang in Richtung der zurückgesetzten Verbindungswände 6,7 bzw. bei dem gerundeten (gewölbten) Ringfeldwulst 12 in Richtung des oberen Kolbenbereichs 1. Das bedeutet, dass sowohl der tragende Schaftwandabschnitt 5 auf der Gegendruckseite als auch der tragende Schaftwandabschnitt 4 auf der Druckseite Bereiche mit konstanter Wandstärke und benachbart daneben Bereiche mit zunehmender Wandstärke aufweisen.
• Die vorstehend genannten Prozentangaben können je nach Einsatzgebiet des Kolbens um 1 % oder um 5 % oder um 10 % nach oben oder unten variieren.
• Bezugszeichenliste

1.

oberer Kolbenbereich

2.

Ringfeld

3.

Kolbenunterteil

4.

Schaftwandabschnitt (der Druckseite)

5.

Schaftwandabschnitt (der Gegendruckseite)

6.

Verbindungswand

7.

Verbindungswand

8.

seitliche Schaftanbindung

9.

seitliche Schaftanbindung

10.

Hinterschnitt

11.

Hinterschnitt

12.

Ringfeldwulst

13.

oberer, zentraler Schaftbereich (der Druckseite)

14.

unterer, zentraler Schaftbereich (der Druckseite)

15.

zentraler Schaftbereich (der Gegendruckseite)

16.

schmale Schaftanbindung

17.

schmale Schaftanbindung

18.

Bolzenbohrung

• 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 102017108271 A1 [0003]

Claims (11)

1. Kolben einer Brennkraftmaschine, aufweisend einen oberen Kolbenbereich (1), in dem sich ein Ringfeld (2) befindet, wobei ausgehend von dem oberen Kolbenbereich (1) ein Kolbenunterteil (3) mit zwei gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitten (4 und 5) auf der Druck- und Gegendruckseite des Kolbens vorhanden ist und die beiden tragenden Schaftwandabschnitte (4, 5) über gegenüber dem Außendurchmesser des Kolbens zurückgesetzte Verbindungswände (6, 7) miteinander verbunden sind, wobei in jeder Verbindungswand (6 und 7) eine Bolzenbohrung (18) zur Aufnahme eines Bolzens vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden sich gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitte (4 und 5) unterschiedliche Übergangsbereiche bei dem Übergang ihrer seitlichen Schaftanbindungen (8, 9 und 16, 17) hin zu den zurückgesetzten Verbindungswänden (6, 7) aufweisen.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden sich gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitte (4 und 5) voneinander unterschiedliche Wandstärken aufweisen.
3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden sich gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitte (4 und 5) gleiche Wandstärken aufweisen.
4. Kolben nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Schaftwandabschnitte (4 und 5) und der Verbindungswände (6, 7) ein in den oberen Kolbenbereich (1) reichender Hohlraum vorgesehen ist, der einen Ringfeldwulst (12) aufweist.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftwandabschnitt (5) der Gegendruckseite einen zentralen Schaftbereich (15) aufweist, der bis zum Ringfeldwulst (12) reicht.
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Schaftbereich (15) sich in Richtung zum oberen Kolbenbereich (1) verjüngt und dass die seitlichen Schaftanbindungen (8, 9) entsprechend angepasst sind.
7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Verbindungswände (6, 7) in Richtung zum oberen Kolbenbereich (1) variiert, Insbesondere verringert ist.
8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenseite der Verbindungswände (6, 7) in den oberen Kolbenbereich (1) hineinragende Hinterschnitte (10, 11) eingearbeitet sind, die bogenförmige Querschnitte aufweisen.
9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftwandabschnitt (4) der Druckseite zwei zentrale Schaftbereiche aufweist, einen dem Ringfeldwulst (12) benachbarten oberen (13) und einen dem Ringfeldwulst (12) abgewandten unteren Schaftbereich (14), an den sich schmale Schaftanbindungen (16, 17) seitlich anschließen.
10. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der obere zentrale Schaftbereich (13) in Höhe der Bolzenbohrung (18) oberhalb deren Mittelachse angeordnet und als Streifen ausgeführt ist.
11. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der untere, zentrale Schaftbereich (14) vom unteren Rand der Bolzenbohrung (18) bis zum unteren Ende des Schaftwandabschnittes (4) reicht.

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