DE4407733C2 - Kolben für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Aus US-PS 5 107 807 ist ein derartiger Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt. Bei diesem herkömmlichen Kolben ist dessen Mantelfläche derart formgeschliffen, daß sich auf der Druckseite des Kolbens ein großflächigeres Tragbild ergibt als auf der Gegendruckseite des Kolbens. Die Außenkontur der einzelnen Radialschnittflä­ chen des Kolbens umfaßt mehrere Abschnitte mit unterschiedlicher Krümmung. Die Krümmung des oberen Kolbenabschnittes ist in jenem Bereich, an welchem der Kol­ ben an der Zylinderwandung anliegt, größer als die Krümmung des Anlagebereiches des tieferliegenden Kolbenmantels. Das sich dadurch ergebende Tragbild weist eine im wesentlichen T-förmige Gestalt auf.

Über die auf dem Kolbenmantel ausgebildete Tragfläche stützt sich der jeweilige Kol­ ben im Inneren des ihm zugeordneten Zylinders ab.

Da der Mantel aufgrund der Verbrennungswärme des Motors eine größere thermi­ sche Expansion in eine Richtung senkrecht zum Kolbenbolzen erfährt, kann er ggf. einen schwach elliptischen Querschnitt aufweisen, wobei die kurze Achse dieser Ellip­ se parallel zur Kolbenbolzenachse und die lange Achse der Ellipse senkrecht hierzu verläuft. Da die Größe der wirksamen Tragfläche erheblichen Einfluß auf die bei der Bewegung des Kolbens innerhalb des Zylinders freigesetzte Reib-Arbeit hat, ist man allgemein bestrebt, diese Tragfläche möglichst klein zu halten.

In den vom japanischen Patentamt veröffentlichten Patentveröffentlichungen Tokkai Hei 3-115 762 und Tokkai Hei 3-199 655, die inhaltlich der US 5 107 807 entsprechen, sind Kolben beschrieben, bei denen der Mantel einen elliptischen Querschnitt besitzt, der zunehmend zum oberen Teil des Mantels hin einen Kreis erreicht. Als Ergebnis dieser Anordnung besitzt der Mantel ein T-förmiges Tragbild.

Um den Kolben kompakter und leichter zu machen, ist es wünschenswert, daß der Teil des Mantels unterhalb des Kolbenbolzens kurz gehalten wird. Wenn jedoch die Länge des Mantels unter dem Kolbenbolzen kurz ist, ist auch die unterhalb des Kol­ benbolzens verbleibende Anlagefläche vergleichsweise klein, und die auf diese Anla­ gefläche aufgrund der auf den Kolben wirkenden Querkraft wirkende Belastung nimmt zu, wobei die Gefahr besteht, daß der Kolben instabil wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders leichten Kolben mit ei­ nem, bezogen auf die Axialrichtung des Kolbens, vergleichsweise kurzen Kolbenman­ tel zu schaffen, welcher stabil und freßsicher in dem ihm zugeordneten Zylinder ge­ führt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolben mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Der Mantel umfaßt einen oberen Teil und einen unteren Teil, die jeweils einen Querschnitt in der Form einer El­ lipse besitzen, wobei die kurzen Achsen der Ellipsen paral­ lel zum Kolbenbolzen sind. Der Querschnitt der Ellipse des oberen Teils besitzt eine größere Exzentrizität als der des unteren Teils. Der Mantel besitzt außerdem eine abgeschrägte Oberfläche, die einen glatten Übergang zwischen den oberen und unteren Teilen des Mantels bildet.

Vorzugsweise ist der Abstand von der Mitte des Kolben­ bolzens zur unteren Kante des Mantels so eingestellt, daß er nicht größer ist als 1,8 mal der Abstand von der Mitte des Kolbenbolzens zur oberen Kante des Mantels.

Außerdem ist die abgeschrägte Oberfläche vorzugsweise nicht um mehr als ein Grad zur Vertikalen geneigt.

Außerdem besitzt wenigstens einer der oberen und unteren Teile vorzugsweise einen Querschnitt, der eine Mehrzahl von Ellipsen umfaßt.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden Teil der Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein vertikaler Querschnitt der Hauptteile ei­ nes Zylinders, der einen Kolben nach der vorliegenden Erfin­ dung umfaßt.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Kolbens nach der vor­ liegenden Erfindung.

Fig. 3 ist ein vertikaler Querschnitt durch den Kolben entlang der Linie 3-3 in Fig. 2.

Fig. 4 ist ein vertikaler Querschnitt durch den Kolben entlang der Linie 4-4 in Fig. 2.

Fig. 5 ist ein horizontaler Querschnitt durch den Kolben entlang der Linie 5-5 in Fig. 2.

Fig. 6 ist ein horizontaler Querschnitt durch den Kolben entlang der Linie 6-6 in Fig. 2.

Fig. 7 ist eine Seitenansicht des Kolbens nach der vor­ liegenden Erfindung, die die Kontaktfläche zwischen dem Man­ tel und dem Zylinder zeigt.

Fig. 8 ist ein horizontaler Querschnitt durch den Kolben nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung, wobei der Schnitt am selben Punkt wie in Fig. 5 ge­ nommen ist.

Fig. 9 ist ein horizontaler Querschnitt durch den Kolben nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung, wobei der Schnitt am selben Punkt wie in Fig. 6 ge­ nommen ist.

Wie in Fig. 1 der Zeichnungen gezeigt, umfaßt ein Kolben 1 einen Kolbenkopf 5 mit einer oberen Ringvertiefung 8 und einer Ölringvertiefung 7 und einem Mantel 2, der unter dem Kolbenkopf 5 geformt ist. Der Mantel 2 ist über einen Kol­ benbolzen 6, der senkrecht zur Mittelachse des Kolbens 1 steht, mit einer Kolbenstange 9 verbunden.

Der Kolben führt aufgrund des Verbrennungsdrucks Fg ei­ ner in einem Zylinder 10 oberhalb des Kolbenkopfes geformten Brennkammer eine Hin- und Herbewegung in dem Zylinder 10 durch und dreht dadurch eine in einer tieferen Position be­ findliche Kurbelwelle, die nicht gezeigt ist, die über den Kolbenbolzen 6 und die Kolbenstange 9 verbunden ist.

Bei der Bewegung des Kolbens 1 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewirkt der Verbrennungsdruck Fg eine Kraft Fc in einer axialen Richtung über den Kolben 1 auf die Kol­ benstange 9. Gleichzeitig wirkt eine Kraft Ft auf den Kolben 1 in einer horizontalen Richtung entsprechend dem Neigungs­ winkel der Kolbenstange 9, und der Kolben wird von dieser horizontalen Kraft gegen die Wand des Zylinders 10 auf der linken Seite der Zeichnung gedrückt. Wenn sich der Kolben 1 vom unteren Totpunkt nach oben bewegt, drückt die Trägheit der Kurbelwelle den Kolben über die Kolbenstange 9 nach oben und der Kolben wird dadurch gegen die Wand des Zylinders 10 auf die rechte Seite der Zeichnung gedrückt.

Die Form des Mantels 2 des Kolbens ist in Fig. 2 ge­ zeigt. In dieser Zeichnung ist O₆ die Mittellinie des Kol­ benbolzens 6.

Der Abstand M von der Mittellinie O₆ des Kolbenbolzens 6 zur unteren Kante des Mantels 2 ist so eingestellt, daß er nicht größer als der Abstand von der Mittellinie O₆ des Kol­ benbolzens 6 zur oberen Kante des Mantels ist, also M ≦ 1,8 . N.

Wie in den Fig. 2, 5 und 6 gezeigt, besitzt der Man­ tel horizontale Querschnitte, die Ellipsen OV₁ und OV₂ um­ fassen, wobei diese Ellipsen im Profil eine Faßform bilden, so daß ihr großer Durchmesser in der axialen Richtung des Kolbens 1 variiert. Als Ergebnis werden abgeschrägte Teile 3 und 4 in den vertikalen Querschnitten durch den Mantel 2 in senkrechten Ebenen entsprechend den langen Achsen der Ellip­ sen geformt.

Die Ellipsen, also OV₁ und OV₂, besitzen unterschiedli­ che Exzentrizitäten. In dem Intervall X, das sich von einem bei h₁ liegenden Punkt unterhalb der Mittellinie des Kolben­ bolzens 6 zur oberen Kante des Mantels 2 erstreckt, ist der Querschnitt des Mantels 2 eine Ellipse OV₂ mit einer relativ hohen Exzentrizität, wohingegen in dem Intervall Z, das sich von einem bei h₁ + h₂ liegenden Punkt unterhalb der Mittel­ linie des Kolbenbolzens 6 zur unteren Kante des Mantels 2 er­ streckt, der Querschnitt des Mantels 2 eine Ellipse OV₁ mit einer relativ niedrigen Exzentrizität ist. Wie aus den Fig. 5 und 6 ersichtlich, ist die Differenz zwischen den lan­ gen und kurzen Durchmessern der Ellipse OV₁ kleiner als im Fall der Ellipse OV₂, also b₂ < b₃, wobei die erstere El­ lipse einem Kreis ähnlicher ist.

Das Intervall X bildet den oberen Teil des Mantels und das Intervall Z bildet den unteren Teil des Mantels. Weiter­ hin ist eine abgeschrägte Oberfläche 14 in einem Intervall Y geformt, das zwischen dem Intervall X und dem Intervall Z liegt, um einen glatten Übergang zwischen dem oberen und un­ teren Teil des Mantels 2 zu formen. Die Neigung θ dieser ab­ geschrägten Oberfläche ist so eingestellt, daß sie im Be­ reich Θ ≦ 1,0 Grad liegt, so daß der Mantel kein Scheuern an der Innenwandoberfläche des Zylinders 10 verursacht.

Der Klarheit wegen wurden Teile unterschiedlicher Aus­ maße in den Fig. 3-6 überbetont dargestellt, auch wenn in der Praxis der Unterschied zwischen b₂ und b₃ in der Größen­ ordnung von 10 µm liegt.

Entsprechend diesem Aufbau besitzt der Mantel 2 eine um­ gekehrte T-Form in dem Kontaktbereich 11 mit dem Zylinder 10, wie in Fig. 7 gezeigt. Durch Vergrößern der Länge des Umfanges des unteren Teils 12 dieses Kontaktbereichs 11 kann die Kontaktoberfläche zwischen dem Zylinder 10 und dem Man­ tel 2 unter dem Kolbenbolzen 6 vergrößert werden. Somit braucht man sich, selbst wenn der Abstand M von der Mittel­ linie O₆ des Kolbenbolzens zur unteren Kante des Mantels 2 nicht größer als 1,8 mal der Abstand N von der Mittellinie O₆ des Kolbenbolzens 6 zur oberen Kante des Mantels 2 ist, keine Gedanken zu machen, daß der auf den Mantel 2 oberhalb und unterhalb des Kolbenbolzens 6 wirkende Druck ungleichmä­ ßig ist.

Mit anderen Worten kann der Mantel 2 verkürzt werden, während ein gutes Gleichgewicht der Kontaktoberfläche ober­ halb und unterhalb des Kolbenbolzens 6 bewahrt wird, so daß der Kolben kompakter und leichter gemacht werden kann. Auf­ grund dieser gut ausgeglichenen Kontaktoberfläche können Probleme wie Kolbenbandlärm und ein Scheuern des Kolbens 1 verhindert werden.

Alternativ kann anstelle des Ausgleichens der Kontak­ toberflächen oberhalb und unterhalb des Kolbenbolzens 6 durch Verlängern des Umfangs der unteren Kante 12 des Kon­ taktbereichs 11 die Länge des Umfangs des oberen Bereichs 13 verkürzt werden. In diesem Fall ist die Kontaktoberfläche kleiner, so daß der Reibungsverlust beim Kolbenbetrieb klei­ ner werden.

Eine Lücke von wenigsten 25 µm mit dem Zylinder 10 wird außerhalb des Bereichs 2 des Mantels 2 eingehalten. Diese Lücke verhindert eine Unterbrechung des Ölfilms zwischen an­ deren Bereichen als dem Kontaktbereich und dem Zylinder 10 und verhindert die Reibung zwischen dem Mantel 2 und dem Zy­ linder 10.

Die Fig. 8 und 9 zeigen ein weiteres Ausführungsbei­ spiel dieser Erfindung. Entsprechend diesem Ausführungsbei­ spiel sind die Querschnitte des Mantels 2 oberhalb und un­ terhalb des Kolbenbolzens 6 beides komplexe Formen, die aus einer Mehrzahl von Ellipsen bestehen. Der horizontale Quer­ schnitt unterhalb der Mittellinie O₆ des Kolbenbolzens 6, also in dem Intervall Z der Fig. 1, besteht aus zwei Ellip­ sen OV₃ und OV₄ und einer geraden Linie 16. Dieser Quer­ schnitt ist die Ellipse OV₄, die eine relativ hohe Exzentri­ zität besitzt außer innerhalb eines Winkels Θ₁ von einer Mittellinie O₈, wobei dieser Winkel den langen Durchmesser der Ellipse umfaßt, und die Ellipse OV₃, die eine relativ niedrige Exzentrizität besitzt, innerhalb eines Winkels Θ₂ von der Mittellinie O₈. Die Winkel Θ₁ und Θ₂ sind durch eine gerade Linie 16 verbunden. Der Winkel Θ₅, der von der gera­ den Linie 16 und der Tangente 15 an die Ellipse OV₄ gebildet wird, ist so eingestellt, daß er im Bereich 0,3° ≦ Θ₅ ≦ 2° liegt.

Der horizontale Querschnitt über der Mittellinie O₆, also in dem Intervall X der Fig. 1, besteht aus zwei Ellip­ sen OV₅ und OV₆ und einer geraden Linie 18. Dieser Quer­ schnitt ist die Ellipse OV₅, die eine relativ hohe Exzentri­ zität besitzt, innerhalb eines Winkels 03 von einer Mittel­ linie O₈ und die Ellipse OV₆, die eine relativ niedrige Ex­ zentrizität besitzt, zusammen mit der geraden Linie 18, die die beiden Ellipsen in anderen Bereichen verbindet. Der Win­ kel Θ₆ zwischen der geraden Linie 18 und der Tangente 17 an die Ellipse OV₅ ist so eingestellt, daß er im Bereich 0,3° ≦ Θ₆ ≦ 2° liegt.

Im Vergleich der obigen Ellipsen OV₃-OV₆, besitzt OV₅ eine höhere Exzentrizität als OV₃, und OV₆ besitzt eine hö­ here Exzentrizität als OV₄. Der Querschnitt des Mantels 2 nähert sich somit von oben nach unten einem Kreis an. Die Lücke zwischen dem äußeren Umfang des Mantels 2, der den El­ lipsen OV₃, OV₅ entspricht, und dem Zylinder ist beim Laufen des Motors auf einen Bereich zwischen 0 bis 15 µm einge­ stellt. Die Lücke zwischen dem äußeren Umfang des Mantels 2, der den Ellipsen OV₄, OV₆ entspricht, und dem Zylinder 10 ist beim Laufen des Motors auf mehr als 25 µm eingestellt.

Somit kann durch Anordnung des Querschnitts des Mantels 2 oberhalb und unterhalb des Kolbenbolzens 6 in einer kom­ plexen Form aus der Kombination von zwei Ellipsen, die Stufe in dem Mantel 2 in der Grenzfläche zwischen den Ellipsen OV₆ und OV₄, die in der vertikalen Richtung ausgerichtet sind, reduziert werden. Die Differenz zwischen den Exzentrizitäten der Ellipsen OV₅ und OV₃ kann auch groß eingestellt werden. Weiterhin kann durch Einstellen von Θ₃ < Θ₂ < Θ₁ die Kontakt­ oberfläche zwischen dem unteren Teil des Mantels 2 und dem Zylinder 10 vergrößert werden. Entsprechend diesem Aufbau kann der untere Teil des Mantels 2 sogar kürzer gemacht wer­ den, während die Kontaktoberfläche in dem Zylinder 10 beibe­ halten wird, was eine größere Gestaltungsfreiheit erlaubt.

Claims (4)

1. Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkopf (5) mit kreis­ förmigem Querschnitt, einem an den Kolbenkopf (5) anschließend ausgebildeten Mantel (2), einem Kolbenbolzen (6), welcher sich durch jenen Mantel (2) hindurch er­ streckt, wobei der Mantel (2) einen oberen Abschnitt (X) und einen unteren Abschnitt (Z) aufweist, welche jeweils einen Querschnitt in der Gestalt einer Ellipse (OV₂, OV₁) aufweisen, deren kurze Achsen parallel zu jenem Kolbenbolzen (6) verlaufen, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ellipse (OV₂) des horizontalen Querschnittes des oberen Abschnittes (X) eine höhere Exzentrizität aufweist als die Ellipse (OV₁), wobei der Mantel (2) eine abgeschrägte Oberfläche (14) aufweist, welche die oberen und unteren Abschnitte (X, Z) derart glatt miteinander verbindet, daß der Kolbenmantel (2) im Bereich der Enden der langen Achsen der Ellipsen (OV₁, OV₂) einen Kontaktbe­ reich (11) bildet, der die Gestalt eines kopfstehenen "T" aufweist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (M) von der Mittelachse des Kolbenbolzens (6) zur unteren Kante des Mantels (2) so be­ messen ist, daß er nicht größer ist als das 1,8-fache des Abstands (N) zwischen der Kolbenbolzenmittelachse und der oberen Kante des Mantels (2).

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Neigungswinkel (θ) der abgeschrägten Oberfläche zur Vertikalen innerhalb eines Winkelbereiches von einem Grad liegt.

4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der oberen und unteren Teile einen Querschnitt besitzt, der mehrere Abschnitte von Ellipsen (OV₃, OV₄, OV₅, OV₆) umfaßt.