DE102021208696A1

DE102021208696A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102021208696A1
Application number: DE102021208696.9A
Authority: DE
Inventors: Rainer Weiss; Jens Lehmann; Michael Grabinger; Christian Lindner; Michael Scherer; Ralf Meske; Sven Ungermann
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2021-08-10
Filing date: 2021-08-10
Publication date: 2023-02-16
Also published as: CN117881911A; WO2023016745A1

Abstract

Ein Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor weist zumindest eine Ringnut im Kolbenmaterial auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Ringnut (2), bevorzugt die erste, dem Kolbenboden nächste Ringnut so ausgeführt ist, dass im Querschnitt betrachtet zwischen der Unterflanke (4) der Ringnut und der Oberflanke (5) der Ringnut zumindest eine Ellipsenkurve und/oder konvexe kubische Spline vorliegt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Aluminiumkolben für einen Ottomotor, mit verbesserter Ringstegfestigkeit durch besondere Übergangskurven vom Nutgrund zu den Flanken.
Kolben werden in Verbrennungsmotoren verwendet, um über eine Kurbelwelle ein Kraftfahrzeug anzutreiben. Die Kolben bewegen sich innerhalb des Zylinders auf und ab und werden durch die Wände des Zylinders geführt. Die Seitenwände der Kolben sind mit Ringnuten versehen, in denen sich Kolbenringe befinden, die auf den Zylinderwänden gleiten und somit die Brennräume vom Rest des Motors abdichten. Infolge des Zünddrucks sind dabei insbesondere die ersten Ringnuten hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt.
Aufgrund steigender motorischer Belastung, hohen Zündrücken und Verbrennungsstrategien, die das Auftreten von Vorentflammung mit lokal begrenzten, extremen singulären Zünddruck-Belastungen begünstigen, müssen heute in zunehmenden Maße auch Ottokolben in der ersten Ringnut verstärkt werden, um Kolbenschäden wie Ringstegbrüche ausgehend vom Nutgrund insbesondere der ersten Ringnut zu verhindern.
Stand der Technik
Eine bewährte Lösung ist das Eingießen einer Verstärkung in Form eines sogenannten Ringträgers aus einem Eisenwerkstoff (Niresist) in den Bereich des Aluminiumkolbens, in den dann die erste Ringnut eingearbeitet wird. Dies ist seit langer Zeit bei Dieselkolben Stand der Technik und wird aus oben genannten Gründen seit einigen Jahren auch bei höher belasteten Ottokolben zunehmend eingesetzt.
Diese Methode ist jedoch durch den Zukauf des Eingießteils Ringträger, durch einen erhöhten Prozessaufwand in der Gießerei, einen erhöhten Aufwand bei der spanenden Bearbeitung des Kolbens und durch ein erhöhtes Ausschussrisiko (mangelhafte stoffschlüssige Bindung des Eingießteils) mit deutlichen zusätzlichen Kosten verbunden. Zudem erhöht das Eingießteil aus Eisenwerkstoff das Gewicht eines Ottokolbens, welches aus Effizienzgründen grundsätzlich möglichst geringgehalten werden muss.
Aus DE 3928491 A1 und WO 2015/040126 A1 ist es bekannt, die im Querschnitt erscheinenden Kreisradien zur Ober- und Unterflanke unterschiedlich auszubilden.
Darstellung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben bereitzustellen, der auf effiziente Art und Weise hergestellt werden kann und gleichzeitig eine geringe Anfälligkeit für Ringstegbrüche sowie ein geringes Gewicht aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschrieben Kolben. Bevorzugte Maßnahmen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß handelt es sich um einen Kolben, insbesondere ohne Ringträger, zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, bevorzugt in Ottomotoren. Der erfindungsgemäße Kolben besteht bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, kann aber auch aus Stahl oder anderen Materialien bestehen.
Es wird vorgeschlagen, die Nutgrundkurven zumindest einer, bevorzugt der ersten Ringnut derart auszuführen, dass im Querschnitt betrachtet zwischen der Unter- und/oder Oberflanke der Ringnut zumindest eine Ellipsenkurve und/oder eine konvexe kubische Spline vorliegt. Hierdurch, so hat sich bei ersten Simulationen herausgestellt, kann die Spannung am Nutgrund im Vergleich zur Verwendung eines einfachen Radius als Nutgrundkurve weiter gesenkt werden. Ferner wird in vorteilhafter Weise der Totraum radial innerhalb der Innenseite des Kolbenringes reduziert. Hierdurch wird mit anderen Worten das Schadvolumen hinter dem Ringrücken reduziert, und bei ansteigendem Gasdruck wird eine schnellere Dichtwirkung des ersten Kolbenringes erreicht.
Es sei erwähnt, dass für beide genannten Kurvenformen bevorzugt wird, einen tangentialen Übergang in die Ober- und/oder Unterflanke der Nut auszubilden. Für die Verwendung der kubischen Spline wird darüber hinaus ein krümmungsstetiger Übergang in die Ober- und/oder Unterflanke der Nut ermöglicht.
Unabhängig davon können durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Herstellkosten und das Gewicht verringert werden. Bei einem beispielhaften Durchmesser von 82 mm liegt die Gewichtseinsparung in der Größenordnung von 20 g verglichen mit einem Ringträgerkolben.
Um die Vorteile einer Ellipsenkurve verglichen mit einem Kreisradius besonders umfangreich nutzen zu können, unterscheiden sich bei zumindest einer Ellipsenkurve die beiden Halbachsen bevorzugt um mindestens 5 %.
Wenngleich andere Abschnitte einer vollständigen Ellipse verwendet werden können, wird für zumindest eine Ellipsenkurve eine Viertelellipse bevorzugt. Hierdurch ergibt sich gewissermaßen automatisch ein tangentialstetiger Übergang zu der Unter- und/oder Oberflanke der Nut sowie am Nutgrund, unabhängig davon, ob dort ein zylindrischer Abschnitt vorliegt oder nicht.
Für zumindest eine konvexe kubische Spline wird aus dem gleichen Grund bevorzugt, zumindest eine Spline derart auszubilden, dass bei horizontalem Kolbenboden die horizontale Erstreckung der Übergangskurve zur Unter- oder Oberflanke um mindestens 5 % von der vertikalen Erstreckung abweicht. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass auch bei nachfolgender Bezugnahme zu horizontalen und/oder vertikalen Erstreckungen die Betrachtung bei horizontalem Kolbenboden erfolgt.
Die oben genannten Vorteile konnten bei ersten Simulationen auch für eine Gestaltung festgestellt werden, bei der die horizontale Erstreckung der Übergangskurve zur Unter- und Oberflanke unterschiedlich ist. Mit anderen Worten befinden sich bei zumindest einer konvexen kubischen Spline die Bezugspunkte, in den Figuren mit 01 und 02 bezeichnet, sowie der Übergangspunkt in die Ober- und Unterflanke nicht an der gleichen horizontalen Position.
Dies gilt auch für eine Gestaltung, bei welcher der Nutgrund keinen zylindrischen Anteil aufweist, mit anderen Worten die Übergangskurve zur Unterflanke bevorzugt krümmungsstetig in die Übergangskurve zu Oberflanke übergeht.
Wenn die horizontale Erstreckung der Übergangskurve zur Unterflanke der Ringnut kleiner ist als die vertikale Erstreckung, wird die über den Zünddruck aufgebrachte Spannung gleichmäßiger in den Ringstegbereich abgeleitet. Die Kerbwirkung in diesem Bereich wird verringert und das Auftreten von Ringstegbrüchen bei Spannungsspitzen, die z.B. bei Vorentflammungsereignissen oder bei klopfender Verbrennung auftreten, wird verzögert. Die prinzipielle Wirksamkeit dieser Maßnahme wurde über Simulationen belegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die vertikale Erstreckung der Übergangskurve zur Unterflanke größer, bevorzugt zumindest doppelt, besonders bevorzugt zumindest dreimal so groß wie die vertikale Erstreckung der Übergangskurve zur Oberflanke, wodurch der oben beschriebene Effekt der besseren Ringstegfestigkeit weiter verstärkt wird.
Bevorzugt beträgt somit die vertikale Erstreckung der unteren Übergangskurve mehr als die halbe Nuthöhe und die vertikale Erstreckung der oberen Übergangskurve weniger als die halbe Nuthöhe. Durch die Asymmetrie wird ein deutlich größerer Teil der Nuthöhe für die untere Übergangskurve verwendet, wodurch der oben beschriebene Effekt der besseren Ringstegfestigkeit weiter verstärkt wird.
Figurenliste
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine vergrößerte Schnittansicht der ersten Ringnut eines erfindungsgemäßen Kolbens.
2 eine vergrößerte Schnittansicht der ersten Ringnut eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer zweiten Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der ersten Ringnut 2 eines erfindungsgemäßen Kolbens. Diese weist eine Höhe 8 und eine Tiefe 9 auf und wird radial nach innen vom Nutgrund 3 begrenzt. Nach unten und oben wird die Ringnut von der Unterflanke 4 bzw. von der Oberflanke 5 begrenzt, die sich im Wesentlichen senkrecht zum Nutgrund 3 parallel zum Kolbenboden erstrecken. Dabei sind die untere Übergangskurve 6, die sich am Übergang zwischen dem Nutgrund 3 und der Unterflanke 4 der Ringnut befindet, und die obere Übergangskurve 7, die sich am Übergang zwischen dem Nutgrund 3 und der Oberflanke 4 der Ringnut befindet, als Viertelellipsen ausgebildet.
In dem gezeigten Fall ist die vertikale Erstreckung der Übergangskurve 6 zur Unterflanke 4 größer als diejenige der oberen Übergangskurve 7. Diese gehen jedoch tangentialstetig ineinander und in die jeweilige Nutflanke über. In dem gezeigten Fall ist die horizontale Erstreckung der beiden Übergangskurven gleich. Dies muss jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein, und/oder es kann am Nutgrund 3 ein zylindrischer Abschnitt vorgesehen sein.
Beide Maßnahmen sind bei der Ausführungsform von 2 gezeigt. Dies hat zur Folge, dass sich die Bezugspunkte O1 und O2 in ihrer horizontalen und vertikalen Position unterscheiden. Diese Positionen können jedoch auch bei der Ausführungsform von 2 gleich gewählt und/oder der zylindrische Abschnitt am Nutgrund 3 kann weggelassen werden. Im Unterschied zu der Ausführungsform von 1 sind bei 2 beide Übergangskurven als konvexe kubische Spline ausgebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3928491 A1 [0006]
WO 2015040126 A1 [0006]

Claims

Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einer Ringnut im Kolbenmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Ringnut (2), bevorzugt die erste, dem Kolbenboden nächste Ringnut so ausgeführt ist, dass im Querschnitt betrachtet zwischen der Unterflanke (4) der Ringnut und/oder der Oberflanke (5) der Ringnut zumindest ein Abschnitt einer Ellipse vorliegt.
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor insbesondere nach Anspruch 1, wobei zumindest eine Ringnut (2), bevorzugt die erste, dem Kolbenboden nächste Ringnut so ausgeführt ist, dass im Querschnitt betrachtet zwischen der Unterflanke (4) der Ringnut und/oder der Oberflanke (5) der Ringnut zumindest eine konvexe kubische Spline vorliegt.
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei sich bei zumindest einer Ellipsenkurve die beiden Halbachsen um mindestens 5% unterscheiden.
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei zumindest eine Ellipsenkurve eine Viertelellipse ist.
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei bei zumindest einer konvexen kubischen Spline bei horizontalem Kolbenboden die horizontale Erstreckung der Übergangskurve zur Unter- (4) oder Oberflanke (5) um mindestens 5% von der vertikalen Erstreckung abweicht.
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die horizontale Erstreckung der Übergangskurven zur Unter- (4) und Oberflanke (5) unterschiedlich ist.
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Nutgrund (3) keinen zylindrischen Anteil aufweist.
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei bei horizontalem Kolbenboden die horizontale Erstreckung der Übergangskurve (6) zur Unterflanke (4) kleiner ist als die vertikale Erstreckung.
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei bei horizontalem Kolbenboden die vertikale Erstreckung der Übergangskurve (6) zur Unterflanke (4) größer, bevorzugt zumindest doppelt, besonders bevorzugt zumindest dreimal so groß ist wie die vertikale Erstreckung der Übergangskurve (7) zur Oberflanke (5).
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Kolben aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und/oder keinen Ringträger aufweist.