DE19544195C2 - Kolben für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor mit Mitteln zum Zuführen eines inkompressiblen Schmiermittels in mindestens einen Schmierspalt des Kolbens - Google Patents

Kolben für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor mit Mitteln zum Zuführen eines inkompressiblen Schmiermittels in mindestens einen Schmierspalt des Kolbens

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Hubkolben- Verbrennungsmotor mit Mitteln zum Zuführen eines inkompressiblen Schmiermittels in mindestens einen Schmierspalt des Kolbens gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Es ist ein Kolben eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem ebenfalls radiale und vertikale Schmiermittel-Verteilungsbohrungen in der Querwandung eines Kolbens vorhanden sind, die einer Zuführung eines Schmiermittels zu einem Schmierspalt zwischen Kolben und Zylinder dienen (DE 30 05 720 C2). Bei diesem bekannten System müssen aber besondere Pumpaggregate zum Heranführen des Schmiermittels vorgesehen werden.
Des weiteren ist aus der US-PS 3 136 306 ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem ein Schmiermittel von einem Sammelbehälter im Kolben über ein Rückschlagventil angesaugt und in den Spalt zwischen Kolben und Zylinder gepumpt wird. Dabei werden auch keine besonderen Pumpaggregate benötigt. Dieser bekannte Kolben weist jedoch einen komplizierten Aufbau aus.
Hinzu kommt, daß bei diesem Kolben eine relativ große Menge von Schmiermittel im Kolben aufgenommen und dem Schmierspalt zugeführt wird, obwohl, vor allem im Kolben-Zylinder-Schmierspalt, eine kleine Menge in vielen Fällen ausreichen würde und wegen der schärferen Abgasbestimmungen sogar erwünscht ist.
Der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Hubkolben- Verbrennungsmotor mit Mitteln zum Zuführen eines inkompressiblen Schmiermittels in mindestens einen Schmierspalt des Kolbens zu schaffen, bei dem das Schmiermittel ohne Pumpaggregate in den bzw. die Schmierspalte des Kolbens gepumpt werden kann. Dabei sollen auch kleine und kleinste Mengen von Schmiermittel zuführbar sein. Der Kolben soll überdies besonders wirtschaftlich und einfach herstellbar sein.
Mit der Erfindung wird erreicht, daß die kreisförmige dünne biegeelastische Querwandung des Kolbens zusammen mit der bzw. den in dieser Querwandung eingearbeiteten Verteilungsbohrungen wie eine Pumpe wirkt, so daß dem bzw. den Schmierspalt(en) kleine und kleinste Mengen von Schmiermittel zugeführt wird (werden), die in den meisten Fällen ausreichen.
Beim Kolben kann dabei ein Schmierspalt zwischen einer zylindrischen Außenwand des Kolbens und einer vertikalen zylindrischen Innenwand einer Führungsbüchse bzw. eines Zylinders vorhanden sein. Außerdem kann noch ein Schmierspalt zwischen einem an sich bekannten Kolbenbolzen und einer Lagerbohrung einer Pleuelstange gebildet sein.
Da jede Verteilungsbohrung oberhalb der Neutralebene angeordnet ist, befindet sich diese in einem Bereich in der Querwandung des Kolbens, welcher bei der Belastung der kreisförmigen Druckfläche der Querwandung besonders in der zentrischen Mitte hohe Druckspannungen auch in Umfangsrichtung erfährt. Bei der Belastung der Druckfläche wird also der in der zentrischen Mitte befindliche Abschnitt der Verteilungsbohrung besonders stark elastisch verengt, so daß das in diesen Abschnitt gefüllte Schmiermittel zumindest zum Teil von der zentrischen Mitte der Querwandung radial nach außen und über die Ausströmenden zu dem bzw. den Schmierspalten hin gequetscht wird.
Je höher der Druck der Verbrennungsgase im Verbrennungsraum des Zylinders ist, desto größer sind die Führungskräfte in den Schmierspalten und desto mehr Schmiermittel wird in den bzw. die Schmierspalte gepumpt. Somit kann bzw. können die Schmierspalte immer eine ausreichende Menge von Schmiermittel erhalten. Lästiger Berührungsverschleiß wird im reibenden Kontakt in dem bzw. den Schmierspalten vermieden.
Erfindungsgemäß wird somit das Schmiermittel von der elastischen Querwand des Kolbens dem bzw. den Schmierspalten selbsttätig zugeführt. Dabei brauchen keine besonderen Pumpaggregate, welche die Konstruktion verteuern würden, vorgesehen zu werden.
Im übrigen können bereits vorhandene Kolben von Verbrennungsmotoren erfindungsgemäß abgeändert werden, indem lediglich die Zuführungsbohrung und die zugehörige(n) Verteilungsbohrung(en) in die Querwandung der vorhandenen Kolben eingearbeitet werden. Die Kosten für diese Abänderung sind verhältnismäßig niedrig.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 gekennzeichnet.
Die Merkmale nach Anspruch 2 bewirken, daß äußerst kleine Mengen von Schmiermittel über die Zuführungsbohrung in die Verteilungsbohrung(en) kapillar hineingehoben und am oberen Totpunkt des Kolbens infolge elastischer Verengung der Verteilungsbohrung(en) radial nach außen und zu dem bzw. den Schmierspalten gequetscht werden.
In manchen Fällen wird Schmiermittel auch vom Schmierspalt über das bzw. die Ausströmenden der Verteilungsbohrung(en) in die Verteilungsbohrung(en) kapillar hineingehoben, nämlich dann, wenn das bzw. die Ausströmenden kapillar eng ausgebildet sind, die elastische Querwandung des Kolbens gerade nicht nach unten durchgebogen ist und der betreffende Schmierspalt an dem bzw. den Ausströmenden mit reichlich Schmiermittel versehen ist: Dies ist zum Beispiel im an den Bevorratungsraum direkt angrenzenden unteren Teil des Schmierspaltes zwischen Kolben und Zylinder meistens der Fall.
Die weiteren Merkmale nach Anspruch 3 und 4 haben zur Folge, daß auch die Zuführungsbohrung eine Pumpwirkung hat. Da die Zuführungsbohrung unterhalb der Neutralebene angeordnet ist, liegt diese nämlich bei Belastung der Druckfläche der Querwandung in einem Bereich der Querwandung, der in Umfangsrichtung und in radialer Richtung Zugspannungen erhält. Bei der Belastung der Druckfläche der Querwandung wird also der Querschnitt der Zuführungsbohrung etwas elastisch erweitert und dementsprechend wird Schmiermittel vom Bevorratungsraum in die Zuführungsbohrung hineingesaugt. Bei der anschließenden Entlastung der Druckfläche federn die Wände der Zuführungsbohrung zurück und das in die Zuführungsbohrung hineingesaugte Schmiermittel wird zum Teil in die Verteilungsbohrung(en) hineingedrückt.
Mit dem Merkmal des Anspruches 5 ist eine die Durchströmung drosselnde Drosselbohrung zwischen der Zuführungsbohrung und der bzw. den Verteilungsbohrungen geschaffen. Diese Drosselbohrung befindet sich oberhalb der Neutralebene, so daß die Querwandung des Kolbens im Bereich der Drosselbohrung hohe Druckspannungen erhält, wenn die Druckfläche der Querwandung gerade belastet wird.
Bei dieser Belastung verengen sich also nicht nur die Verteilungsbohrung(en), sondern auch die Drosselbohrung. Ein Großteil des in die Verteilungsbohrung(en) gefüllten Schmiermittels wird bei der Belastung radial nach außen zu dem bzw. den Schmierspalten hin gequetscht, und nur wenig Schmiermittel strömt über die verengte Drosselbohrung zurück in die Zuführungsbohrung.
Schließlich wird mit dem Merkmal des Anspruches 6 noch erreicht, daß sich die Wände der Verteilungsbohrung(en) und der Drosselbohrung relativ schnell verengen und die Wände der Zuführungsbohrung relativ schnell erweitern, wenn die Druckfläche der Querwandung des Kolbens durch die Verbrennungsgase stoßweise belastet wird.
Bei der anschließenden Entlastung dieser Druckfläche macht sich die elastische Hysterese des Werkstoffs der Querwandung bemerkbar:
Die Wände der Verteilungsbohrung(en) und der Drosselbohrung zurückerweitern sich relativ langsam, ebenso zurückverengen sich die Wände der Zuführungsbohrung relativ langsam.
Die Drosselbohrung hat also bei der Belastung der Druckfläche und der entsprechend schnellen Durchströmung des Schmiermittels von der bzw. den Verteilungsbohrungen durch die Drosselbohrung nach unten zur Zuführungsbohrung einen wesentlich größeren Durchströmungswiderstand als bei der anschließenden Entlastung und der entsprechend langsamen Durchströmung der Drosselbohrung nach oben in die Verteilungsbohrung(en).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 den Längsschnitt durch einen in einem Verbrennungsmotor eingebauten Kolben vor der Druckbelastung der Druckfläche seiner Querwandung,
Fig. 2 den vergrößerten Ausschnitt A in Fig. 1 und
Fig. 3 den vergrößerten Ausschnitt A in Fig. 1, jedoch mit durch Flächendruck der Verbrennungsgase etwas durchgebogener Querwandung des Kolbens.
Mit 1 ist in Fig. 1 der Kolben eines Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) bezeichnet, der im Zweitakt oder Viertakt arbeiten kann. Der Kolben 1 sitzt in einem Zylinder 2. Der Zylinder 2 ist in einem Motorblock 3 eingebaut, er wird von einem Motordeckel 4 am Motorblock 3 festgehalten und ist von einem mit Kühlwasser gefüllten Raum 5 im Motorblock 3 umgeben.
Der Kolben 1 besitzt eine kreisförmige Querwandung 6 mit einer nach oben weisenden konkaven Druckfläche 7. Die Druckfläche 7 bildet zusammen mit einer nach unten weisenden Begrenzungswand 8 des Motordeckels 4 einen geschlossenen Druckraum 9 für Verbrennungsgase im Zylinder 2 des Verbrennungsmotors.
Durch Einspritzen von Kraftstoff, zum Beispiel Benzin, mit einer Einspritzdüse 10 des Motordeckels 4 mit den Druckraum 9 entsteht in an sich bekannter Weise eine Verbrennung mit einem stoßweisen hohen Flächendruck p von Verbrennungsgasen im Druckraum 9 (Fig. 3). Die Druckfläche 7 der Querwandung 6 wird mit diesem Flächendruck p kurzzeltig belastet. Aufgrund dieser Belastung wird der Kolben 1 von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt und wieder zurück hin und her bewegt.
In Fig. 1 und 2 ist die Stellung des Kolbens am oberen Totpunkt gezeigt, und zwar kurz bevor die Verbrennung des Kraftstoffes im Druckraum bzw. Verbrennungsraum 9 beginnt.
Bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens 1 gleitet dieser mit seiner vertikalen zylindrischen Außenwand 11 auf einer der Außenwand 11 eng gegenüberstehenden zylindrischen Innenwand 12 der Führungsbüchse 2. Zwischen der Außenwand 11 und der Innenwand 12 ist ein ringförmiger Schmierspalt 13 gebildet.
Der Schmierspalt 13 wird im oberen Bereich, also in der Nähe der Querwandung 6, durch drei Kolbenringe 14, 15 und 16 überbrückt, die jeweils in einer Ringnut der Außenwand 11 des Kolbens 1 eingeschnappt sind. Die Kolbenringe 14, 15 und 16 sind aus Sondergußeisen gefertigt. Bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens 1 reiben die Kolbenringe 14, 15 und 16 auf der Innenwand 12 des Zylinders 2 und bewegen sich außerdem etwas in ihrer Ringnut. Damit bei diesen Bewegungen möglichst wenig Reibverschleiß entsteht, muß der Schmierspalt 13 laufend mit einem Schmiermittel versorgt werden.
Der Kolben 1 besitzt übrigens einen zylindrischen Kolbenbolzen 17, der durch Sprengringe 18 in Haltenuten 19 des Kolbens 1 seitlich festgehalten ist. Eine Pleuelstange 20 ist mit einer zylindrischen Lagerbohrung 21 auf dem Kolbenbolzen 17 schwenkbar gelagert. Zwischen der Lagerbohrung 21 und dem Kolbenbolzen 17 ist ein weiterer Schmierspalt 22 am Kolben 1 gebildet, der mit Schmiermittel versorgt werden muß.
Das inkompressible Schmiermittel, zum Beispiel Getriebeöl, wird von einem unteren Bevorratungsraum 24, zum Beispiel Kasten einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, über eine zentrische vertikale Zuführungsbohrung 23 in der Querwandung 6 in mindestens eine von einer zentrischen Mitte der Querwandung 6 radial nach außen verlaufende Verteilungsbohrung 25 der Querwandung 6 gefüllt. Im vorliegenden Fall sind zwei radial nach außen geradlinig durchgehende Verteilungsbohrungen vorhanden, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und sich in der zentrischen Mitte rechtwinkelig zueinander schneiden (Fig. 1, 2 und 3).
Das in die Verteilungsbohrungen 25 gefüllte Schmiermittel wird über radlal äußere Ausströmenden 26 der Verteilungsbohrungen 25 in den bzw. die Schmierspalte 13, 22 gepumpt.
Dazu werden folgende Maßnahmen ergriffen:
  • - Herstellen der Querwandung 6 des Kolbens 1 aus einem biegeelastischen Werkstoff, zum Beispiel Sondergußeisen oder Aluminiumlegierung,
  • - Ausbilden der Querwandung 6 des Kolbens 1 mit einer relativ kleinen Wanddicke unter der Druckfläche 7, so daß die Querwandung 6 bei Belastung der Druckfläche 7, welche in der Nähe des oberen Totpunktes erfolgt (Fig. 2), wie eine entlang ihrem Rand fest eingespannte kreisförmige Membranfeder etwas elastisch nach unten durchbiegt und bei der anschließenden Entlastung, welche in der Nähe des unteren Totpunktes erfolgen kann, selbsttätig zurückschnellt,
  • - Anordnen der Verteilungsbohrung(en) 25 oberhalb einer auch bei der Biegung der Querwandung 6 umfangsspannungsfreien Neutralebene 27 in der Querwandung 6, wobei die Verteilungsbohrung(en) 25 nahe und entlang der Druckfläche 7 der Querwandung 6 verlaufen, und
  • - Füllen der Verteilungsbohrungen 25 mit dem Schmiermittel zu einem Zeltpunkt, wenn die Druckfläche 7 der Querwandung 6 entlastet und die Querwandung 6 nicht durchgebogen ist. Bei der anschließenden Flächendruckbelastung p der Druckfläche 7 wird der Querschnitt der Verteilungsbohrungen 25 etwas elastisch verengt, und zwar besonders derjenige Abschnitt der Verteilungsbohrungen 25, der sich im Bereich der zentrischen Mitte der Querwandung 6 befindet: siehe verkleinerten Durchmesser 28 des Querschnittes der Verteilungsbohrung 25 in der zentrischen Mitte der Querwandung 6 in Fig. 3.
    Bei dieser Verengung wird das in die Verteilungsbohrung(en) 25 gefüllte Schmiermittel zumindest zum Teil von der zentrischen Mitte radial nach außen und über die Ausströmenden 26 zu dem bzw. den Schmierspalten 13 und/oder 22 hin gequetscht.
Dazu können noch folgende weitere Maßnahmen ergriffen werden:
  • - Verwenden eines die Wandung der Verteilungsbohrung(en) 25 benetzenden Schmiermittels, zum Beispiel legiertes Mineralöl. Die Wandung kann hierfür besonders beschichtet sein.
  • -  Dimensionieren der Verteilungsbohrungen 25 mit einem zumindest im Bereich der zentrischen Mitte der Querwandung 6 genügend kleinen Querschnitt, so daß die Verteilungsbohrung(en) 25 infolge selbsttätigen kapillaren Hineinhebens des Schmiermittels mit Schmiermittel gefüllt werden.
Zum Füllen der Verteilungsbohrungen 25 mit dem Schmiermittel können noch folgende Maßnahmen ergriffen werden:
  • - Anordnen der Zuführungsbohrung 23 unterhalb der Neutralebene 27, so daß der Querschnitt der Zuführungsbohrung 23 bei der Flächendruckbelastung p geringfügig elastisch erweitert wird (Fig. 3). Bei der anschließenden Entlastung der Druckfläche 7 zurückverengt sich dieser Querschnitt. Dabei wird etwas Schmiermittel von den sich zurückverengenden Wänden der Zuführungsbohrung 23 in die Verteilungsbohrung(en) 25 hineingequetscht.
Eine zusätzliche Maßnahme ist gegeben durch
  • - Ausbilden einer den Querschnitt der Zuführungsbohrung 23 am in den Bevorratungsraum 24 mündenden unteren Ende verengenden oder zeitweise schließenden Dehnöffnung 29 in der Querwandung 6 des Kolbens 1. Bei der Flächenbelastung p der Druckfläche 7 der Querwandung 6 wird diese Dehnöffnung 29 geringfügig erweitert bzw. geöffnet (Fig. 3). Bei der anschließenden Entlastung der Druckfläche 7 wird die Dehnöffnung 29 wieder elastisch zurückverengt bzw. geschlossen.
Weitere Maßnahmen sind
  • - Einarbeiten einer kapillaren Drosselbohrung 30 oberhalb der Neutralebene 27 der Querwandung 6 des Kolbens 1, welche die Zuführungsbohrung 23 an ihrem oberen Ende mit der bzw. den Verteilungsbohrung(en) 25 kommunizierend verbindet, und/oder
  • - Herstellen der Querwandung 6 des Kolbens 1 aus einem Werkstoff mit bei Arbeitstemperatur, zum Beispiel 190°C, des Kolbens 1 relativ großer elastischer Hysterese, zum Beispiel aus Aiuminiumlegierung.
In weiterer Abwandlung kann nicht nur der eine Schmierspalt 13 zwischen Kolben 1 und Zylinder 2, sondern auch der andere Schmierspalt 22 zwischen Kolbenbolzen 17 und Pleuelstange 20 mit Schmiermittel versorgt werden. Hierzu kann eine Anschlußbohrung 31 (siehe strichpunktierte Darstellung in Fig. 1) in den Kolben 1 eingearbeitet sein. Die Anschlußbohrung 31 verbindet das Ausströmende 26 einer Verteilungsbohrung 25 mit dem Schmierspalt 22. Auf diese Weise kann das aus dem Ausströmende 26 herausgepumpte Schmiermittel zum Teil durch die Anschlußbohrung 31 hindurch zum Schmierspalt 22 geschickt werden.
In manchen Fällen können die beiden gegenseitigen Ausströmenden 26 einer Verteilungsbohrung 25 jeweils mit einer zum Schmierspalt 22 hin führenden Anschlußbohrung (nicht gezeigt) direkt verbunden sein, so daß das gesamte von dieser Verteilungsbohrung 25 radial nach außen gepumpte Schmiermittel durch die Anschlußbohrung nach unten zum Schmierspalt 22 strömt.

Claims (7)

1. Kolben (1) für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor mit Mitteln zum Zuführen eines imkompressiblen Schmiermittels in mindestens einen Schmierspalt (13, 22) des Kolbens (1),
  • - mit einer kreisförmigen Querwandung (6) mit einer Druckfläche (7), die an einen Verbrennungsraum (9) in einem Zylinder (2) des Motors angrenzt und die lediglich im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens (1) von einem hohen Flächendruck des Verbrennungsgases kurzfristig belastet wird,
  • - mit einer vertikalen Zuführungsbohrung (23) in der Querwandung (6) zur Aufnahme des aus einem Bevorratungsraum (24) unterhalb des Kolbens (1) zugeführten Schmiermittels und
  • - mit mindestens einer in der Querwandung (6) radial nach außen verlaufenden Verteilungsbohrung (25) zum Zuführen des Schmiermittels in den mindestens einen Schmierspalt (13, 22),
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Querwandung (6) des Kolbens (1) aus einem biegeelastischen Werkstoff besteht,
  • - die Querwandung (6) im Bereich der dem Verbrennungsraum (9) zugewandten Druckfläche (7) eine relativ geringe Wanddicke aufweist, so daß die Querwandung bei Belastung der Druckfläche (7) wie eine entlang ihrem Rand festeingespannte kreisförmige Membranfeder etwas elastisch nach unten durchbiegt und bei anschließender Entlastung selbsttätig zurückschnellt,
  • - die Verteilungsbohrung/Verteilungsbohrungen (25) oberhalb einer auch bei einer Biegung der Querwandung (6) umfangsspannungsfreien Neutralebene (27) äußerst nahe und entlang der Druckfläche (7) der Querwandung (6) verläuft/verlaufen, und
  • - die vertikale Zuführungsbohrung (23) zentrisch in der Quer­ wandung (6) angeordnet ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ teilungsbohrungen (25) einen zumindest im Bereich der zentrischen Mitte der Querwandung (6) genügend kleinen Querschnitt aufweisen, derart, daß sie durch die Kapillarwirkung des Schmiermittels mit Schmiermittel gefüllt werden.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale zentrische Zuführungsbohrung (23) im wesentlichen unterhalb der Neutralebene (27) angeordnet ist, so daß der Quer­ schnitt der Zuführungsbohrung (23) bei Belastung der Druckfläche (7) elastisch erweitert und bei der anschließenden Entlastung der Druckfläche (7) zurückverengt wird, wobei Schmiermittel von den sich zurückverengenden Wänden der Zuführungsbohrung (23) in die Verteilungsbohrungen (25) gequetscht wird.
4. Kolben nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine den Quer­ schnitt der Zuführungsbohrung (23) verengende Dehnöffnung (29), die in der Querwandung (6) des Kolbens (1) am in den Bevorratungsraum (24) mündenden unteren Ende der Zuführungsbohrung (23) angeordnet ist und die bei Belastung der Druckfläche (7) geringfügig elastisch erweitert und bei der anschließenden Entlastung der Druckfläche (7) zurückverengt wird.
5. Kolben nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine kapillare Drosselbohrung (30) oberhalb der Neutralebene (27), welche die Zuführungsbohrung (23) an ihrem oberen, der Druckfläche (7) zugewandten Ende mit der Verteilungsbohrung bzw. den Vertei­ lungsbohrungen (25) kommunizierend verbindet.
6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quer­ wandung (6) des Kolbens (1) aus einem Werkstoff mit bei Arbeitstemperatur des Kolbens (1) relativ großer elastischer Hysterese besteht.
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