DE4309776A1

DE4309776A1 - Kolben für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4309776A1
Application number: DE4309776A
Authority: DE
Inventors: Kazunori Kusama; Hideki Yoshida
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1992-06-22
Filing date: 1993-03-25
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2013-03-26
Also published as: FR2692624B1; DE4309776C2; ITMI930488A1; GB9305003D0; GB2268244A; JPH064349U; IT1272024B; GB2268244B; FR2692624A1; US5323744A; ITMI930488A0; JP2579840Y2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen eines Kolbens für Brennkraftmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren insbesondere einer Verbesserung der Umfangsoberfläche des Kolbens.

Eine herkömmliche Anordnung ist in Fig. 10 veranschaulicht. Die Umfangsoberfläche eines Kolbens 1 eines Verbrennungsmotors ist mit Kolbenringnuten 5, 6, 7 zum Einbau eines oder zweier Druckringe 2, 3 und normalerweise eines einzigen Ölringes 4 versehen, die in der erwähnten Reihenfolge, beginnend von der Seite der Brennkammer 17, angeordnet sind. Hierdurch wird ein erster Steg 8 zwischen einem Endabschnitt des Kolbens 1 auf der Seite der Brennkammer 17 und der ersten Ringnut 5, sowie ein zweiter Steg 10 zwischen der ersten Ringnut 5 und der zweiten Ringnut 6 gebildet, wobei ein dritter Steg 13 zwischen der zweiten Ringnut 10 und der dritten Ringnut 7 gebildet wird. Im Einzelnen wird bei einer Zwei-Ring-Anordnung, die insgesamt zwei Ringe aufweist, von denen einer davon ein Druckring 2 ist, eine Ölringnut an dem unteren Ende des zweiten Stegs 10 plaziert bzw. angebracht. Falls eine Drei- Ring-Anordnung mit zwei Druckringen 5, 6 vorliegt, wird die Ölringnut 7 an die untere Seite des dritten Stegs 13, wie in Fig. 10 gezeigt, plaziert.

Wenn ein Raum (hier als Freiraum 18 des zweiten Stegs oder Freiraum 19 des dritten Stegs bezeichnet) der durch den Steg direkt oberhalb der Ölringnut 7, die innere Oberfläche des Zy linders 9 und die Kolbenringe auf beiden Seiten eingeschlossen wird, zu gering wird, ergibt sich eine Zunahme des Druckes infolge des von dem Kolben 1 abgeschabten Öls. Es tritt eine Ölleckage auf der Seite der Brennkammer 17 auf, wodurch eine grobe Ölmenge verbraucht wird. Diese Tendenz tritt insbe sondere dann hervor, wenn zwei Druckringe verwendet werden.

Falls ferner der Druck in dem oben erwähnten, hier als Freiraum 18 des zweiten Stegs oder des Freiraums 19 des dritten Stegs benannten Freiraum plötzlich abfällt, wird das Öl in diesen Freiraum über die Stoßendenflächen des Ölringes hinaufgezogen, wobei der Öldruck ansteigt und die verbrauchte Ölmenge zunimmt. Steigt somit der Druck in diesem Freiraum plötzlich an, so wird der direkt darüber liegende Druckring angehoben, womit eine Verminderung bzw. Verschlechterung der Dichteigenschaften dieses Druckringes herbeigeführt wird.

Um demgemäß eine plötzliche Druckschwankung innerhalb des Steg-Freiraumes zu verhindern, wird in der Praxis herkömmlich - wie in Fig. 10 veranschaulicht - die Stegoberfläche eines Stegs 13 mit einer flachen Stufe 15 versehen, die in Richtung der Seite der zentralen Kolbenringachse 1 eine Aussparung auf der Seite einer Ölringnut 7 bildet. Der Steg 13 ist unterhalb der Stufe 20 gleichmäßig abgetragen, um den Stegfreiraum 19 zu vergrößern. Bei einer solchen Anordnung indes, bei der der Steg gleichmäßig auf der oberen Seite der Ölringnut 7 zugeschnitten ist, wird ein Problem für den Fall hervorgerufen, daß der Ölring aus drei Bestandteilen besteht, nämlich aus oberen und unteren Querstreifen bzw. Schienen und einem Expander bzw. Dehnelement aufweist. Das Problem ist dabei insbesondere, daß der Sitz der oberen Schiene verschlechtert wird, was zu einer Verminderung der Dichtfähigkeit führt.

Zusätzlich zu der oben erwähnten Sache ergab sich von Jahr zu Jahr eine immer größere Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits- Drehzahlen, Kompaktheit bzw. Massivität und hoher Belastbarkeit von Brennkraftmaschinen, wobei von einer lokalen Regulation zur Reinigung der Auspuffgase von Brennkraftmaschinen oftmals eine Leistung verlangt wird, die schwer einzuhalten ist. Um die Menge an Kohlenwasserstoffen in dem Auspuffgas zu vermindern, wird der oberste Ring 2 soweit wie möglich nahe einer obersten Kolbenbodenoberfläche 21 des Kolbens 1 angeordnet, um damit ein Spaltvolumen des obersten, durch den ersten Steg 8, der inneren Oberfläche des Zylinders 9 und des obersten Druckringes 2 eingeschlossenen Stegfreiraumes 22 zu vermindern.

Es ist klar, daß der oberste Druckring 2 eine geeignete Dicke (T-Dimension) und Breite (W-Dimension) im Hinblick auf eine ausreichende Dichteigenschaft und Stärke des obersten Druckringes 2 haben muß.

Bei diesem hochliegenden, obersten Ringkolben ergibt sich aus der Hochgeschwindigkeits-Bewegung des Kolbens 1 ein grobes Beharrungsvermögen des obersten Druckringes 2, woraus ein Bruch des obersten Steges 8 resultiert. Dieser dünne erste oder oberste Steg 8 wird einer groben Temperatur aus der Brennkammer ausgesetzt, so daß die thermische Widerstands fähigkeit abnimmt und der oberste Steg 8 eher bricht. Um einen Bruch des obersten Stegs 8 zu verhindern, wodurch der oberste Ring 2 in der Breite vermindert, wodurch das Beharrungsvermögen bzw. die Massen- bzw. Trägheitskraft kleiner wird. Diese Maßnahme indes eignet sich nicht für eine Reduzierung des Ölmengenverbrauchs.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, ein Kolben für Brennkraftmaschinen zu schaffen, der die oben ge nannten Probleme löst.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaf fung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen, bei dem das Volu men des Stegfreiraumes des Kolbenstegs direkt oberhalb der Öl ringnut und/oder der obersten Druckringnut vergrößert ist, um eine plötzliche Druckschwankung innerhalb des Stegfreiraumes zu verhindern.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaf fung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen, bei dem Öl in dem oben erwähnten Stegfreiraum angesammelt bzw. angehäuft werden kann.

Erfindungsgemäß werden die vorangegangenen Aufgaben einerseits durch einen Kolbens für eine Brennkraftmaschine gelöst, der einen Kolbenkörper mit ölringnuten, und einem in den Kol benkörper direkt oberhalb der Ölringnut mit einer unteren Stirnfläche ausgebildeten Steg aufweist, wobei der Steg einen dazwischenliegenden Abschnitt bzw. einen Zwischenabschnitt aufweist, dessen unterer Teil mit einer ringförmigen, nutenartigen Aussparung oder Ausnehmung bzw. Vertiefung versehen ist, die sich nicht bis zur unteren Stirnfläche des Stegs erstreckt, und wobei die ringförmige, nutenartig aus gebildete Aussparung nach und nach in axialer Richtung des Kolbenkörpers aufwärts ausgehend von Null in der Tiefe zu nimmt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung nimmt die Tiefe der ringförmigen, nutenartigen Aussparung linear zu. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Tiefe der ringförmigen, nutenartigen Aussparung nicht-linear zu.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die vorangegangenen Aufgaben des weiteren durch einen Kolben für Brennkraftmaschinen gelöst, der einen Kolbenkörper mit einer obersten Druckringnut und einem im Kolbenkörper direkt unterhalb der obersten Druckringnut gebildeten Steg aufweist, wobei der Steg eine obere flache Stirnfläche aufweist, der Steg mit einer ringförmigen nutenartigen Aussparung versehen ist, die sich nicht bis zur oberen flachen Stirnfläche des Stegs erstreckt, und die ringförmige nutenartige Aussparung nach und nach in axialer Richtung des Kolbenkörpers aufwärts in der Tiefe zunimmt.

Ferner werden die Aufgaben der vorliegenden Erfindung durch die Schaffung eines Kolbens gelöst, der einen zweiten, mit einer Aussparung versehenen Steg und einen dritten, mit einer Aussparung versehenen Steg aufweist.

Im Betrieb wird der Stegfreiraum volumenmäßig durch einen Kolbensteg vergrößert, der sich direkt oberhalb der zweiten Druckringnut und/oder der Ölringnut befindet und mit einem ringförmigen, nutenartigen Freiraum versehen ist, dessen Tiefe allmählich entlang der Länge des Kolbens aufwärts zunimmt.

Obwohl ein Ölreservoir in dem Stegabschnitt gebildet wird, wird die Querschnittsform der Nut, die den Freiraum in dem Steg bildet, nach und nach entlang des Kolbens abwärts enger, bis die Nut an der Umfangsoberfläche des Kolbens verschwindet.

Das Öl wird dementsprechend durch vorbeiströmendes Gas auf die Ölringnut zugeblasen, wobei das Öl dadurch davon abgehalten wird, nach oben gezogen zu werden. Folglich kann die verbrauchte Ölmenge sehr gering gemacht werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich, die in Verbindung mit den bei liegenden Zeichnungen gemacht worden ist, in denen gleiche Bezugszeichen durch alle Figuren hindurch die gleichen oder ähnlichen Teile bezeichnen.

Fig. 1 stellt eine Schnittansicht dar, die einen Kolben und einen Zylinder veranschaulicht, wodurch eine erste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet ist;

Fig. 2 stellt eine Schnittansicht dar, die einen we sentlichen Abschnitt eines Kolbens gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 3 ist ein Diagramm, welches einen beispielhaften Un terschied der Ölverbrauchs-Effizienz zwischen einem erfindungsgemäßen Kolben und einem Kolben gemäß dem Stand der Technik zeigt;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die einen Kolben und einen Zylinder darstellt, wobei eine dritte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet ist;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die einen Umfangsabschnitt eines Kolbens gemäß einer vierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die einen Umfangsabschnitt eines Kolbens gemäß einer fünften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 7 stellt eine Schnittansicht dar, die einen Um fangsabschnitt eines Kolbens gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veran schaulicht;

Fig. 8 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel der Unter schiede des Ölverbrauches zwischen einem wie in Fig. 4 gezeigten Kolben und eines herkömmlichen Kolbens zeigt;

Fig. 9 ist eine Schnittansicht, die einen Kolben und einen Zylinder darstellt, wobei eine siebte Aus führungsform beinhaltet ist; und

Fig. 10 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel eines Einschnittes zur Schaffung eines Stegfreiraumvo lumens in einem direkt oberhalb einer Ölringnut in einem Kolben gemäß des Standes der Technik plazier ten Steges zeigt.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden detailliert unter Berücksichtigung der Zeichnun gen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die einen Kolben 1 zeigt, der Ringnuten 5, 6, 7, Stege 8, 10, 13, Druckringe 2, 3 und einen Ölring 4 aufweist, wobei jeweils die äußere Oberfläche mit der inneren Oberfläche des Zylinders 9 in Kontakt gebracht wird.

Der Kolbensteg 13 weist einen mit einer Stufe 16 versehenen Zwischenabschnitt auf, wobei über die Stufe 16 in die gewöhnliche dritte Stegoberfläche 13 eingeschnitten wird, nämlich in die äußere Umfangsoberfläche des Kolbens 1. Der Steg 13 ist damit unterhalb der Stufe 16 nach innen eingeschnitten bzw. abgetragen, um die Nut 14 auszubilden, welche einen Ölaufnahmefreiraum definiert. Die Nut 14 erstreckt sich von der Stufe 16 an abwärts bis zu einem in einer geringen Entfernung aufwärts des Abschnitts des Kolbens 1 befindlichen Punkt, der direkt über der oberen Seitenoberfläche der Ölringnut 7 liegt. Die Tiefe der Nut 14 ist an ihrem unteren Ende Null, so daß der untere Teil der Nut mit der äußeren Umfangsoberfläche des Kolbens 1 zusammenfällt, und sie wird nach und nach in dem Male größer wird, wie die Nut der oberen Seite des Steges 13 näherkommt. In dieser Ausführungsform verändert sich die Tiefe bis zu dem unteren Teil der Nut 14 linear, wobei die Bodenoberfläche bzw. die Oberfläche der Nutgrund flach ist.

Es sollte hervorgehoben werden, daß die Art, wie die Nuten tiefe 14 durch die allmähliche Zunahme von ihrem unteren Ende bis zu ihrem oberen Ende gebildet wird, nicht auf diese lineare Veränderung beschränkt ist. In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung weist die Nut 14, wie in Fig. 2 gezeigt, einen konvexförmigen, bogenförmigen Querschnitt auf, so daß die oben erwähnte Veränderung nicht-linear ist. Die dadurch erzielten Effekte sind die gleichen.

Gemäß der vorstehend dargestellten, erfindungsgemäßen Anordnung wird Öl davon abgehalten, nach oben gezogen zu werden, wobei es möglich ist, in einem groben Ausmaß den Ölverbrauch zu reduzieren. Fig. 3 veranschaulicht ein Beispiel von experimentellen Ergebnissen, wobei der Kolben der Erfindung mit einem herkömmlichen, wie in Fig. 10 gezeigten Kolben verglichen wurde. Im einzelnen zeigt Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Ölverbrauchsrate gegenüber einer Veränderung des Stegvolumenverhältnisses bei hoher Drehzahl bzw. Hochgeschwindigkeit, und hoher Last, d. h. unter Hochbelastungs-Arbeitsbedingungen aufgezeichnet sind, wobei der in Fig. 1 und 2 gezeigte Kolben der Erfindung und der herkömmliche, in Verbindung mit Fig. 10 beschriebene Kolben, bei dem der Abschnitt des Stegs unterhalb der Stufe 20 gleichmäßig herausgeschnitten ist, gegenübergestellt sind. Das hier erwähnte Stegvolumenverhältnis bezieht sich auf das Verhältnis des Nutenvolumens 14 zu dem Stegfreiraum-Volumen zwischen der inneren Oberfläche des Zylinders und der äußeren Oberfläche des Stegs für den Fall, daß keine Nut vorhanden ist. Es ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß bei einem Steg- Freiraum-Verhältnis von 80% die Ölverbrauchsrate bei einem herkömmlichen Kolben nahezu 60% ist, bei dem Kolben der vorliegenden Erfindung bei 30% liegt. Falls das Steg-Volumen- Verhältnis 100% wird, beträgt die Ölverbrauchsrate 50% beim Stand der Technik, aber nur 17% mit der vorliegenden Erfindung. Dies verdeutlicht eine markante Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik.

In Übereinstimmung mit der oben beschriebenen, vorliegenden Erfindung, ist es somit möglich, eine beachtliche Verminderung des Ölverbrauches zu erzielen, indem der direkt oberhalb der Ölringnut befindliche Steg mit einem ringförmigen nutenartigen Freiraum versehen ist, dessen Tiefe nach und nach von der äußeren Umfangsoberfläche des Kolbens ausgehend bis zum oberen Ende des Steges größer wird.

Die ringförmige Aussparung wird in dem Steg gebildet, ohne dabei die untere Stirnfläche zu erreichen, so daß der Sitz des oberen Querstreifens bzw. der oberen Schiene für den Fall, daß der Ölring aus drei Einzelteilen besteht, vollständig beibehalten wird.

Die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Hierbei ist ein Zwischenabschnitt des zweiten Stegs 10 mit einer ringförmigen, nutenartigen Ausnehmung oder Aussparung 11 versehen, die im Querschnitt gesehen durch eine Stufe, welche radial nach innen gerichtet in den zweiten Steg einschneidet und eine flache sich verjüngende Oberfläche 12 definiert wird. Die ringförmige Aussparung 11 ist in dem zweiten Steg 10 gebildet, ohne dabei eine obere End- oder Stirnfläche und eine untere End- oder Stirnfläche zu erreichen.

Fig. 5 veranschaulicht eine vierte Ausführungsform, die ähnlich zu der Fig. 4 ist, aber einen ringförmigen Bogenabschnitt 12′ anstelle der Stufe in Fig. 4 beinhaltet. Fig. 6 veranschaulicht eine fünfte Ausführungsform, bei der sich die flache, sich im Querschnitt verjüngende Oberfläche 12 nach unten bis an die äußere Kante der oberen Wand der zweiten Ringnut 6 erstreckt. Fig. 7 veranschaulicht eine sechste Ausführungsform, bei der die ringförmige Aussparung 11 durch eine Kombination der sich im Querschnitt verjüngenden, flachen Oberfläche 12 und einer axialen im Querschnitt flachen Oberfläche 12′′ definiert ist.

Erneut auf Fig. 4 Bezug nehmend, ist die Ausdehnung der Höhe des oberen Steges 8 geringer als 1/20 einer Ausdehnung eines inneren Durchmessers des Zylinders 9.

Der oberste Druckring 2 kann im Gebrauch in einem hochliegenden, obersten Ringkolben verwendet werden, wobei er eine Abmessung mit dünner Weite hat. Somit kann das Beharrungsvermögen bzw. die Massenträgheit des obersten Druckringes 2 kleiner gemacht werden.

Die erzielten Effekte gemäß der in Fig. 4 bis 7 gezeigten Ausführungsformen sind die gleichen. Die Versuche sind unter Verwendung eines Benzinmotors (2000 cm³) mit einer Zylinderbohrung von ø 86 mm und einer Höhe des obersten Stegs von 3 mm durchgeführt worden. Die Abmessung des obersten Rings beträgt für die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform 0,8 mm in der Breite, wohingegen bei einem herkömmlicher Kolben 1,2 mm vorgesehen sind, dort aber keine in dem zweiten Steg ausgebildeten Aussparung vorgesehen ist. Der Ölverbrauch unter der Belastungsbedingung von 4/4 × 6000 U/min im Falle der erwähnten Motoren ist in Fig. 8 gezeigt. Die Ölverbrauchsrate gemäß der Ausführungsform von Fig. 4 beträgt etwa 50% der herkömmlichen Motoren.

Fig. 9 veranschaulicht eine siebte Ausführungsform, bei der der zweite Steg 10 mit der ringförmigen Aussparung 11 und der dritte Steg mit der ringförmigen Aussparung 14 versehen ist. Diese Ausführungsform entspricht einer Kombination der wie in Fig. 1 und Fig. 4 gezeigten Ausführungsform und repräsentiert die kombinierten Ergebnisse, wie sie bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und Fig. 4 erzielt wurden.

Vielfältige, offensichtlich unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können, ohne den Gedanken und Bereich davon zu verlassen, gemacht werden, wobei es ferner verständlich ist, daß die Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen davon beschränkt ist, außer als in den anhängenden Ansprüchen definiert wird.

Claims

1. Kolben für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kolben (1)
einen Kolbenkörper mit einer Ölringnut (7) und
einen im Kolbenkörper direkt oberhalb der Ölringnut (7) ausgebildeten und einen eine untere Stirnfläche aufweisenden Steg (10, 13) aufweist; wobei
der Steg (10, 13) einen Zwischenabschnitt aufweist, dessen unterer Teil mit einer ringförmigen, nutenartigen Aussparung (11, 14) versehen ist, die sich abwärts nicht bis zu der unteren Stirnfläche des Stegs (10, 13) erstreckt, und wobei
die ringförmige, nutenartige Aussparung (11, 14) nach und nach in axialer Richtung des Kolbenkörpers aufwärts von Null ab zunimmt.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der ringförmigen, nutenartigen Aussparung (11, 14) linear zunimmt.

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der ringförmigen, nutenartigen Aussparung (11, 14) nicht-linear zunimmt.

4. Kolben für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kolben
einen Kolbenkörper mit einer oberste Druckringnut (5) und
einen im Kolbenkörper direkt unterhalb der obersten Druckringnut (5) ausgebildeten und eine obere, flache Stirnfläche aufweisenden Steg (10) aufweist, wobei
der Steg (10) mit einer ringförmigen, nutenartigen Aussparung (11) versehen ist, die sich nicht bis zu der oberen flachen End- oder Stirnfläche des Stegs (10) erstreckt, und wobei
die ringförmige, nutenartige Aussparung (11) nach und nach in axialen Richtung des Kolbenkörpers aufwärts in radialer Tiefe zunimmt.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Höhenausdehnung eines obersten, direkt oberhalb des obersten Druckringes (2) angeordneten Steges (8) kleiner ist als 1/20 des Innendurchmessers des Zylinders (9), in dem sich der Kolben (1) hin und her bewegt.

6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige, nutenartige Aussparung (11) linear von einer oberen Kante einer zweiten in den Kolbenkörper ausgebildeten Ringnut in der Tiefe zunimmt.

7. Kolben für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kolben (1)
einen Kolbenkörper mit einer obersten Druckringnut (5), mit einer zweite Druckringnut (6) und mit einer Ölringnut (7),
einen oberster Steg (8), der in den Kolbenkörper oberhalb der obersten Druckringnut (5) ausgebildet ist;
einen zweiten Steg (10), der in dem Kolbenkörper zwischen der obersten Druckringnut (5) und der zweiten Druckringnut (6) ausgebildet ist; und
einen dritten Steg (13) aufweist, der in dem Kolbenkörper direkt oberhalb der Ölringnut (7) gebildet ist, wobei
der zweite Steg (10) eine ringförmige nutenartige Aussparung (11) aufweist, die nach und nach entlang einer axialen Richtung des Kolbenkörpers aufwärts in der Tiefe zunimmt, und wobei
der dritte Steg (13) eine ringförmige nutenartige Aussparung (14) aufweist, die nach und nach entlang einer axialen Richtung des Kolbenkörpers aufwärts in der Tiefe zunimmt.