EP3208453B1 - Kolben für eine hubkolben-verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Kolben für eine hubkolben-verbrennungskraftmaschine Download PDF

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EP3208453B1
EP3208453B1 EP17153761.6A EP17153761A EP3208453B1 EP 3208453 B1 EP3208453 B1 EP 3208453B1 EP 17153761 A EP17153761 A EP 17153761A EP 3208453 B1 EP3208453 B1 EP 3208453B1
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EP
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piston
wall
cooling duct
oil
section
Prior art date
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English (en)
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EP3208453A1 (de
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Thomas Malischewski
Jürgen RITTER
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MAN Truck and Bus SE
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MAN Truck and Bus SE
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Publication date
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    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
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    • F01M1/00—Pressure lubrication
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • F02F2003/0061—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping by welding

Definitions

  • the invention relates to a piston for a reciprocating internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Pistons for a reciprocating internal combustion engine are known.
  • Such a piston is usually arranged in a cylinder of a reciprocating internal combustion engine.
  • the piston has a piston skirt, which is usually also referred to as a “skirt” or “piston skirt”. In English, the piston skirt is called the “piston skirt”.
  • the piston has a ring belt adjoining the piston skirt in the axial direction of the piston, with at least one ring groove for a piston ring.
  • the ring belt is part of the piston head.
  • the friction of an internal combustion engine consists of the friction of the basic engine (bearing, piston group) and the drive power of the ancillary units.
  • the piston group accounts for about 30% of the total friction, with the piston skirt causing about 2/3 of the friction of the piston group.
  • the piston skirt friction is influenced by various influencing factors.
  • the piston skirt friction depends on the engine speed, the engine load, the gap between the liner and the piston skirt and the shape of the piston skirt.
  • the invention is based in particular on the knowledge that the piston skirt friction also depends on the viscosity of the oil film between the piston skirt and the cylinder liner.
  • the viscosity depends on the type of oil and the oil temperature.
  • the object of the invention is, in particular, to provide a piston for a reciprocating internal combustion engine with which piston skirt friction can be reduced.
  • a piston for a reciprocating piston internal combustion engine which is slidably guided in a liner of a cylinder of the internal combustion engine and comprises, in a manner known per se, a piston head and a piston skirt.
  • the piston skirt is used to guide the piston in the cylinder barrel.
  • the piston skirt adjoins the ring belt in the axial direction of the piston.
  • the axial direction corresponds to the direction of movement of the piston in the cylinder. It has already been stated above that the piston skirt is also referred to as the piston skirt.
  • the piston head is also known as the piston crown.
  • the piston head has a circumferential ring belt with at least one annular groove for a piston ring and a circumferential fluid channel in the area of the annular groove.
  • the fluid channel is usually and also in this document referred to as a cooling channel.
  • the cooling channel is designed so that a lubricant, in particular oil, can flow through it, and is used to cool the combustion chamber bowl, which is also referred to as the piston bowl.
  • the combustion bowl heated by the combustion process heats the lubricant. All statements in this document in which oil is used as a highlighted lubricant example also apply to other lubricants.
  • An access bore through which the lubricant can flow into the cooling channel can be provided on the piston head. Furthermore, a drain hole can be provided, for example offset by 180 ° in the circumferential direction to the access hole, via which lubricant can exit from the cooling channel.
  • the cooling channel extends from the ring belt to a wall of the piston skirt.
  • the cooling channel is thus not only arranged in the area of the ring belt or the piston head, but also extends downward into the area of the piston skirt. "Down” here means away from the piston head in the direction of the crankshaft connecting rod or in the direction of the piston pin.
  • a cooling channel extending up to a wall of the piston skirt offers the advantage that the lubricant heated in the cooling channel in the area of the ring belt is guided through the cooling channel to the wall of the piston skirt, which enables energy transfer to heat the piston skirt.
  • the additional warming achieved in this way the piston skirt increases the oil film temperature between the piston skirt and the cylinder liner, which reduces the piston skirt friction.
  • the piston skirt temperature can be reduced by the lower region of the cooling channel and thermal damage to the oil film between the cylinder liner and piston skirt can be avoided as a result.
  • the section of this fluid channel extending according to the invention to the wall of the piston skirt is also referred to as part of the cooling channel, although this section serves to supply the lubricant heated in the upper area of the cooling channel to the piston skirt and to heat it and thus actually serves as a "heat channel”.
  • the cooling channel extends as far as a wall of the piston skirt which is arranged below the ring belt.
  • the cooling channel preferably extends below the ring belt.
  • the piston skirt can have a pin eye for receiving a piston pin.
  • the cooling channel can be designed circumferentially in the area of the ring part, d. That is, the cooling channel extends in the circumferential direction of the piston, preferably around 360 °, so that the cooling channel runs in an annular manner in the ring belt.
  • the lower part of the cooling channel i. H. that part which, starting from the cooling channel in the area of the ring belt, extends to a wall of the piston skirt, is not designed to run around 360 °.
  • the cooling channel extends as far as a lower end region of the wall of the piston skirt facing away from the ring belt in order to be able to heat the piston skirt over its entire axial length in this way.
  • the cooling channel extends along at least 2/3 of the axial length or further preferably along at least 4/5 of the axial length of the piston skirt.
  • the piston skirt has at least one pin eye for receiving a piston pin.
  • the cooling channel can extend in the axial direction of the piston up to the level of the at least one bolt eye. It is particularly advantageous if the cooling channel extends in the axial direction of the piston as far as a lower end of the bolt eye.
  • the lower end of the bolt eye is the one that faces a connecting rod engaging the piston.
  • the cooling channel is fluidically connected in the region of the wall of the piston skirt through at least one first through opening with a liner for the piston.
  • the piston skirt or the wall of the piston skirt has a through opening, e.g. B. in the form of a through hole, via which lubricant can get from the cooling channel to the liner of the piston.
  • a through opening e.g. B. in the form of a through hole
  • Heated lubricant can thus pass through the at least one first through opening onto the running surface of the piston.
  • the at least one first through opening can be arranged in the axial direction in a central region of the piston skirt, preferably at the mid-height of the piston skirt.
  • a rib is arranged in the cooling channel in such a way that the oil flow to the cylinder liner is increased.
  • the rib is referred to below as an oil catch rib.
  • the term "lubricant retaining rib” is to be regarded as synonymous with this. This can be achieved in particular by arranging the oil catcher rib in the cooling channel in such a way that part of the oil thrown back and forth by the piston movement in the cooling channel hits the oil catcher rib or remains hanging on the oil catcher rib and through the oil catcher rib to the at least one first Through opening is guided.
  • the hurling of the lubricant back and forth in the cooling channel due to the up and down movement of the piston is also known as "shaking".
  • the oil catcher rib is thus arranged in the area of the at least one first through opening that part of the lubricant remains hanging from the oil catcher rib during shaking and can then flow along the rib to the at least one first through opening.
  • the rib can protrude from the wall of the piston skirt toward the interior of the piston.
  • the rib can also be designed as a web or projection which, starting from the wall of the piston skirt, protrudes from the wall of the piston skirt towards the interior of the piston.
  • the oil catch rib can in this case preferably be arranged at the level of or directly adjacent to the at least one first through opening. In this way, oil hitting the oil catcher rib can be efficiently guided to at least one first through opening.
  • the oil collecting rib is arranged in such a way that a lower edge of the first through opening is arranged offset downward in the axial direction to a horizontal oil or lubricant collecting surface of the oil collecting rib.
  • the first through-opening is preferably designed as a through-hole in such a way that the through-hole on the inside of the piston skirt extends into an area of the oil collecting rib and there forms a channel-shaped recess in the form of an open channel for receiving the collected oil or lubricant.
  • At least one second through opening can be provided in the cooling channel in the region of the wall of the piston skirt, via which the cooling channel is fluidically connected to the liner.
  • the at least one first through opening and the at least second through opening are each arranged on opposite sides of the oil catching rib in the axial direction of the piston.
  • lubricant that gets stuck on the upper side of the oil catcher rib can pass through the passage opening or openings to the running surface that are located adjacent to the top of the oil catcher rib, while lubricant that remains hanging on the underside of the oil catcher rib when the piston moves downwards through which or those passage openings to the running surface can pass, which are arranged in the axial direction below the oil trap rib adjacent.
  • the oil catch rib is thus arranged between the at least one first through opening and the at least one second through opening, preferably in each case directly adjacent and / or adjacent to the at least one first through opening and the at least one second through opening.
  • a plurality of such first and / or second through openings are preferably arranged distributed in the circumferential direction, preferably along a circular line, in order to increase the heat transfer from the cooling channel to the liner.
  • the oil catch rib can be designed to run around the wall of the piston skirt adjoining the cooling channel in the circumferential direction of the piston.
  • the circumferential direction lies in a plane perpendicular to the axial direction of the piston.
  • the oil catch rib can have a first section running around the wall of the piston skirt and extending in the radial direction of the piston and a second section extending in the axial direction of the piston, the second section being arranged on the end region of the first section facing away from the wall of the piston skirt is.
  • a further advantageous possibility of realizing an oil catcher rib according to the invention provides that the second section of the oil catcher rib extends in the axial direction both in the direction of the piston head and in the opposite direction, i. H. in the direction of the crankshaft.
  • This embodiment variant is particularly advantageous if lubricant is to be partly collected both during the upward movement and also during the downward movement of the piston and fed to a through opening.
  • the wall of the piston skirt can have a profile on a side facing the cooling channel, the profile preferably being formed by a groove structure.
  • the profiling increases the surface area of the wall of the cooling channel on the side of the piston skirt, whereby the heat transfer to the piston skirt is increased by the lubricant that adheres to the profiling.
  • the piston skirt can have a recess on its outer surface which surrounds an end region, ie the end region adjoining the cylinder liner of the piston, which surrounds at least one first through hole.
  • the outer surface of the piston skirt is understood to mean the surface of the piston skirt facing the cylinder liner.
  • the recess can be designed in the form of a groove or groove.
  • the recess can in particular be designed as a wide, flat groove. This also reduces the fluid shear areas.
  • a corresponding depression can also be provided for the at least one second through opening.
  • the depression improves the distribution of lubricant emerging from the end region of the at least one first through opening and / or the at least one second through opening between the cylinder liner and the piston skirt.
  • a further through opening in particular a through hole, can be provided, which is provided on a wall of the cooling channel which is arranged opposite the piston skirt.
  • This through opening is referred to below as a lubricant return hole.
  • the lubricant can flow back to the inside of the piston through this lubricant return hole.
  • This is preferably positioned so that an oil level that is advantageous for temperature transport is established in the cooling channel, which can be achieved, for example, by adapting the distance between the lubricant return hole and the lower end of the cooling channel.
  • this passage opening is arranged at a distance in the axial direction of the piston from the lower end of the cooling channel and below the at least one first passage opening.
  • the lower end of the cooling channel is the one furthest from the piston head.
  • the lubricant return bore is thus arranged on the side of the cooling channel facing the inside of the piston.
  • a wall section of the cooling channel which connects an upper area of the cooling channel, which is designed circumferentially in the area of the ring belt, with a lower area of the cooling channel, which adjoins the wall of the piston skirt, is designed so that the lubricant is thrown against the wall of the piston skirt.
  • This part of the wall of the cooling channel is referred to below as the transition wall section.
  • the transition wall section is preferably designed such that it forms a jump.
  • the transition wall section of the cooling channel is designed in such a way that it has a section which runs obliquely downwards towards the piston skirt, on which, in the lower region of the cooling channel, there is a wall of the cooling channel which, in comparison, is steeper downwards and which is arranged opposite the piston skirt adjoins, the transition area an edge is formed between the wall section of the cooling channel and the wall, which is steeper downward for this purpose.
  • the section of the transition wall section running obliquely downward can, for example, have the shape of a lateral surface of a truncated cone.
  • the lubricant is thrown particularly efficiently against the wall of the piston skirt when shaking, so that the heat transfer is improved.
  • the arrangement further comprises a volume flow-regulated lubricant pump, which is provided for supplying the piston with a lubricant, and a control device of the lubricant pump, the control device being designed, depending on an operating parameter of an internal combustion engine, from which the current engine load can be derived, a lubricant volume flow for To control or regulate the supply of the piston with lubricant, such that at a first value of the operating parameter, which corresponds to a first engine load, a first volume flow is set, and at a second value of the operating parameter, which corresponds to a second engine load, which is greater than the the first engine load, a second volume flow is set which is greater than the first volume flow.
  • the oil volume flow can be regulated via the oil spray nozzle in such a way that an advantageous oil temperature is set at the cooling channel.
  • Another aspect of the invention relates to a motor vehicle, in particular a utility vehicle, with a piston, as disclosed in this document.
  • Figure 1 illustrates the piston skirt friction as a function of the oil film temperature between the piston skirt and the cylinder liner.
  • the oil film temperature is plotted on the abscissa axis.
  • the corresponding mean friction pressure is plotted on the ordinate axis.
  • the curve profile 11 corresponds to an engine speed of 1200 rpm and the curve profile 12 corresponds to an engine speed of 1800 rpm.
  • the friction mean effective pressure decreases with increasing temperature of the oil film.
  • the heated return oil is directed from the piston cooling duct to the piston skirt. This increases the oil film temperature between the piston and the liner, which leads to lower friction.
  • FIG. 2 shows a partial section of a first embodiment of the invention.
  • the piston 20 comprises a piston head 5 which has a circumferential ring belt 6.
  • the ring belt 6 comprises at least one ring groove 6a for a piston ring. In the exemplary embodiment shown, three annular grooves 6a are provided. A compensation groove is also arranged below the three ring grooves.
  • the ring belt 6 is followed by the piston skirt 1, which, in contrast to the ring belt 6, is not completely circumferential.
  • the piston 20 is therefore not designed as a full skirt piston.
  • the piston skirt 1 is slide-mounted in the cylinder liner, with a wall 10 of the piston skirt sliding back and forth along the liner when the piston moves.
  • the piston 20 is in one Corresponding cylinder (not shown) of a cylinder piston housing (not shown) a reciprocating internal combustion engine stored.
  • the piston skirt 1 has at least one pin eye 8 for receiving a piston pin.
  • a connecting rod (not shown) mounted on the crankshaft is articulated to the piston 20 via such a piston pin in order to convert the translatory movements of the piston 20 in the cylinder into rotational movements of the crankshaft about its axis of rotation as a result of this articulated coupling.
  • the piston 20 has a piston bowl 7, also referred to as a combustion chamber bowl.
  • the piston bowl 7 is designed as a so-called omega bowl.
  • the piston recess 7 has a cross section which is at least essentially the shape of a " ".
  • the piston 20 has a cooling channel section 3 in the ring belt, through which a lubricant, in particular oil, for example, can flow.
  • the piston head 5 can be cooled via the lubricant in the cooling channel section 3.
  • the piston comprises a cooling channel 2 which extends from the ring belt 6 or from the piston head as far as a wall 10 of the piston skirt.
  • the cooling channel 2 therefore comprises an upper section 3, which is located in the area of the ring belt 6, and a lower section 4, which is located in the area of the piston skirt 1 and adjoins a wall 10 of the piston skirt.
  • the lower section 4 of the cooling channel 2 is not designed to be completely circumferential, due to the running surface of the piston 20 which is not completely circumferential.
  • the lower region of section 4 of cooling channel 2 extends in axial direction A of the piston to lower end 8 of the bolt eye or essentially almost along the entire axial length of piston skirt 1.
  • Both upper section 3 and the lower one Section 4 of the cooling channel 2 extend circumferentially along the outer wall of the piston 20.
  • the embodiment of FIG Figure 2 offers the advantage that lubricant flowing into the cooling channel 2 in the upper region 3 cools the piston head 5 and is heated in the process.
  • the back and forth movement of the piston between a bottom dead center and an upper dead center causes the lubricant in the cooling channel 2 to be flung back and forth ("shaken") so that the lubricant heated in the upper cooling channel area 3 also reaches the wall 10 of the piston skirt 1 and this thus heated.
  • the oil film which is located between the outside 13 of the piston skirt and the cylinder liner, is also heated, whereby its friction effect is reduced. An effective reduction in piston skirt friction can thereby be achieved.
  • transition between the upper area 3 of the cooling channel 2 and the lower area 4 of the cooling channel 2 is designed such that the lubricant is guided along a transition wall section 9 of the cooling channel 2.
  • the transition wall section 9 is arranged on the side of the cooling channel 2 facing the inside of the piston and connects the upper area 3 of the cooling channel to the lower area 4 of the cooling channel.
  • the transition wall section 9 runs obliquely downwards, an edge 15 being formed at the end of the transition wall section 9 at the transition to the lower wall section 4 of the cooling channel.
  • the oil flowing along the transition wall section 9 is thrown at this edge 15 against the wall 10 of the piston skirt 1 in the form of a jump, so that an effective wetting of the wall 10 of the piston skirt with lubricant is made possible.
  • the peculiarity of the embodiment of the Figure 3 lies in the fact that several through-openings 31 are made in the wall 10 of the piston skirt.
  • the through openings 31 in the form of through bores are made in the wall 10 of the piston skirt 1 at regular intervals along a circular line at half the piston skirt height. Via these through openings 31, lubricant that is thrown into the lower region 4 of the cooling channel 2 can pass to the cylinder liner and there heat the oil film even faster.
  • the piston 40 has an oil-catching rib 41 immediately below and adjacent to the through openings 31, which extends partly in the form of a ring along the inside of the wall 10 of the piston skirt 1.
  • the oil catch rib 41 here has a first section 42 which is fastened to the inside of the wall 10 of the piston skirt is and extends there circumferentially at a certain axial height.
  • the first section protrudes in the radial direction from the wall 10 and forms a horizontal oil collecting surface 42a.
  • a web 43 pointing upwards in the axial direction A is formed, the length of which essentially corresponds to the radius of the through openings 31.
  • the upper edge of the web 43 is denoted by the reference numeral 43a.
  • Such an oil catch rib 41 offers the advantage that oil, which is thrown back and forth during the piston movement, partly remains hanging on the oil catch rib 41 and is fed to the through openings 31 in this way.
  • the provision of the oil collecting ribs thus increases the amount of lubricant which is passed through the passage openings 31 towards the cylinder liner during the piston movement. This can increase the heating effect on the liner and thus further reduce the piston skirt friction.
  • Figure 4B shows an enlarged radial view of view A of FIG Figure 4A .
  • the first section 42 of the oil catching rib 41 adjoins the through opening 31 and the second section 43 extending in the axial direction adjoins the distal end of the first section 42.
  • the oil catch rib 41 is arranged such that a lower edge 31a, ie the lowest point, of the through opening 31 is arranged offset downward in the axial direction relative to one of the radial oil or lubricant catching surface 42a of the oil catch rib. This offers the advantage that even when the oil level is low on the oil trap rib, a large transition cross-section to the through opening 31 is already released.
  • the through hole is designed as a through hole in such a way that the through hole on the inside of the piston skirt extends into an area of the oil catcher rib and there forms a channel-shaped recess in the form of an open channel for receiving the collected oil or lubricant.
  • Figure 5 shows a fourth embodiment of the invention.
  • the peculiarity of the piston 50 of this embodiment is that in addition to the through openings 31 described above, further through openings 51 (second through openings) are provided, which - viewed in the axial direction A - are arranged below the first through openings 31 and preferably slightly offset in the radial direction to the Through openings 31 are arranged.
  • the oil catch rib 52 in turn has a first section 54 which extends in the radial direction away from the inside of the wall 10 of the piston skirt. At the distal end of the first section 54, however, a second section 53 is now arranged which extends in the axial direction and which extends in the axial direction both upwards and downwards from the first section 54.
  • the oil catcher rib 52 of the Figure 5 is therefore T-shaped. This offers the advantage that, in this embodiment, lubricant is caught by the oil catching rib both during the upward movement and also during the downward movement of the piston and is fed either to the upper through-openings 31 or the lower through-openings 51. As a result, the supply of lubricant heated in the cooling channel 2 to the cylinder liner can be increased even further, and the friction-reducing effect can thus be improved even further.
  • the Figure 6 illustrates a fifth exemplary embodiment of a piston 60.
  • the special feature of this exemplary embodiment is that the inside of the wall 10 of the piston skirt has a profile 61.
  • the profiling is designed as a rib structure.
  • the surface on the inside of the wall 10 of the piston skirt 1 is enlarged, whereby the heat transfer from oil to the wall 10 of the piston skirt 1 is increased.
  • FIG Figure 7 A sixth embodiment of a piston 70 is shown in FIG Figure 7 shown.
  • the special feature of this embodiment lies in the fact that a recess 71 in the form of a circumferential groove or notch which surrounds the through openings 31 is provided on the outside 13 of the wall 10 of the piston skirt 1.
  • This depression 71 has the effect that oil emerging through the through openings 31 on the cylinder liner is better distributed. This in turn accelerates the heating of the oil film of the cylinder liner and thus leads to a faster and more effective reduction in piston skirt friction.
  • FIG 8 illustrates a seventh embodiment of a piston 80.
  • the special feature of this embodiment is that a through opening 82 (lubricant return hole) is arranged on the inside of the cooling channel 2.
  • the lubricant return bore 82 is in particular arranged at a distance from the lower end 4a of the lower region 4 of the cooling channel and at the same time below the through openings 31, via which the cooling channel is fluidically connected to the liner.
  • the oil level of the lubricant reservoir 81 can be set by defining the axial height of the lubricant return bore 82 will.
  • the lubricant flung back and forth in the cooling channel 2 can flow back into the piston interior via the lubricant return bore 82 and in this way be fed back into the lubricant circuit.
  • the lubricant return bore 82 is designed to be inclined, which offers advantages in terms of manufacturing technology, since in this way the introduction of the lubricant return bore 82 does not require an angle drill.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2014 010 106 A1 sind Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine bekannt. Ein derartiger Kolben wird üblicherweise in einem Zylinder einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Der Kolben weist ein Kolbenhemd auf, das üblicherweise auch als "Schaft" oder "Kolbenschaft" bezeichnet wird. Im Englischen wird das Kolbenhemd als "piston skirt" bezeichnet. Darüber hinaus weist der Kolben eine sich in axialer Richtung des Kolbens an das Kolbenhemd anschließende Ringpartie mit wenigstens einer Ringnut für einen Kolbenring auf. Die Ringpartie ist Teil des Kolbenkopfs.
  • Weitere Kolben sind bekannt aus der GB493126 A und EP0189767 A2 .
  • Die Reibung eines Verbrennungsmotors setzt sich aus der Reibung des Grundmotors (Lager, Kolbengruppe) und der Antriebsleistung der Nebenaggregate zusammen. Auf die Kolbengruppe entfallen hierbei in etwa 30 % der gesamten Reibung, wobei das Kolbenhemd in etwa 2/3 der Reibung der Kolbengruppe verursacht.
  • Die Kolbenhemdreibung wird durch verschiedene Einflussgrößen beeinflusst. Beispielsweise hängt die Kolbenhemdreibung von der Motordrehzahl, der Motorlast, dem Spalt zwischen Laufbuchse und Kolbenhemd sowie der Form des Kolbenhemds ab.
  • Die Erfindung basiert insbesondere auf der Erkenntnis, dass die Kolbenhemdreibung ferner von der Viskosität des Ölfilms zwischen Kolbenhemd und der Laufbuchse des Zylinders abhängt. Die Viskosität hängt von der Ölsorte und der Öltemperatur ab.
  • Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Kolben vermieden werden können. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, mit dem eine Kolbenhemdreibung reduziert werden kann.
  • Diese Aufgaben werden durch einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Erfindungsgemäß wird ein Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, der in einer Laufbuchse eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine gleitbeweglich geführt ist und in an sich bekannter Weise einen Kolbenkopf und ein Kolbenhemd umfasst. Das Kolbenhemd dient zur Führung des Kolbens im Zylinderrohr. Das Kolbenhemd schließt sich in axialer Richtung des Kolbens an die Ringpartie an. Hierbei entspricht die Axialrichtung der Bewegungsrichtung des Kolbens im Zylinder. Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass das Kolbenhemd auch als Kolbenschaft bezeichnet wird. Der Kolbenkopf wird auch als Kolbenboden bezeichnet.
  • Der Kolbenkopf weist eine umlaufende Ringpartie mit wenigstens einer Ringnut für einen Kolbenring sowie im Bereich der Ringnut einen umlaufenden Fluidkanal auf. Der Fluidkanal wird üblicherweise und auch in diesem Dokument als Kühlkanal bezeichnet. Der Kühlkanal ist ausgeführt, um von einem Schmiermittel, insbesondere Öl, durchströmt zu werden, und dient zur Kühlung der Brennraummulde, die auch als Kolbenmulde bezeichnet wird. Die durch den Verbrennungsprozess erwärmte Brennraummulde erwärmt dabei das Schmiermittel. Alle Ausführungen in diesem Dokument, bei dem Öl als hervorgehobenes Schmiermittelbeispiel verwendet wird, gelten auch für andere Schmiermittel.
  • Am Kolbenkopf kann eine Zutrittsbohrung vorgesehen sein, über die das Schmiermittel in den Kühlkanal einströmen kann. Ferner kann eine Ablaufbohrung vorgesehen sein, beispielsweise um 180° in Umfangsrichtung versetzt zur Zutrittsbohrung, über die Schmiermittel aus dem Kühlkanal austreten kann.
  • Gemäß der Erfindung erstreckt sich der Kühlkanal von der Ringpartie bis zu einer Wandung des Kolbenhemds. Der Kühlkanal ist somit nicht nur im Bereich der Ringpartie bzw. des Kolbenkopfs angeordnet, sondern erstreckt sich ferner nach unten bis in den Bereich des Kolbenhemds. "Nach unten" bedeutet hier weg vom Kolbenkopf in Richtung Kurbelwellenpleuel bzw. in Richtung Kolbenbolzen.
  • Ein sich bis zu einer Wandung des Kolbenhemds erstreckender Kühlkanal bietet den Vorteil, dass das im Kühlkanal im Bereich der Ringpartie erwärmte Schmiermittel durch den Kühlkanal bis zur Wandung des Kolbenhemds geführt wird, wodurch ein Energietransfer zum Erwärmen des Kolbenhemds ermöglicht wird. Die auf diese Weise erzielte zusätzliche Erwärmung des Kolbenhemds erhöht die Ölfilmtemperatur zwischen Kolbenhemd und Laufbuchse des Zylinders, wodurch eine Reduzierung der Kolbenhemdreibung erreicht wird. Je höher die Temperatur des Ölfilms zwischen Kolbenhemd und Laufbuchse, desto niedriger ist die Kolbenhemdreibung. Insbesondere bei sehr hochbelasteten Betriebsarten kann durch den unteren Bereich des Kühlkanals die Kolbenschafttemperatur reduziert werden und hierdurch eine thermische Schädigung des Ölfilms zwischen Laufbuchse und Kolbenschaft vermieden werden. Entsprechend dieser üblichen Bezeichnung des Fluidkanals als Kühlkanal wird auch der sich bis zur Wandung des Kolbenhemds erfindungsgemäß erstreckende Abschnitt dieses Fluidkanals als Teil des Kühlkanals bezeichnet, obwohl dieser Abschnitt dazu dient, das im oberen Bereich des Kühlkanals erwärmte Schmiermittel dem Kolbenhemd zuzuführen und dieses zu erwärmen, und somit eigentlich als "Wärmekanal" dient.
  • Der Kühlkanal erstreckt sich bis zu einer unterhalb der Ringpartie angeordneten Wandung des Kolbenhemds. Der Kühlkanal erstreckt sich vorzugsweise bis unterhalb der Ringpartie. Das Kolbenhemd kann ein Bolzenauge zur Aufnahme eines Kolbenbolzens aufweisen. Der Kühlkanal kann im Bereich der Ringpartei umlaufend ausgebildet sein, d. h., der Kühlkanal erstreckt sich in Umfangsrichtung des Kolbens, vorzugsweise um 360° umlaufend, so dass der Kühlkanal in der Ringpartie ringförmig verläuft. Vorzugsweise ist der untere Teil des Kühlkanals, d. h. derjenige Teil, der sich ausgehend vom Kühlkanal im Bereich der Ringpartie bis zu einer Wandung des Kolbenhemds erstreckt, nicht um 360° umlaufend ausgebildet.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich der Kühlkanal bis zu einem unteren, der Ringpartie abgewandten Endbereich der Wandung des Kolbenhemds, um auf diese Weise das Kolbenhemd über seine ganze axiale Länge erwärmen zu können. Erfindungsgemäß erstreckt sich der Kühlkanal entlang mindestens 2/3 der axialen Länge oder ferner vorzugsweise mindestens entlang 4/5 der axialen Länge des Kolbenhemds.
  • Vorstehend wurde bereits erwähnt, dass das Kolbenhemd mindestens ein Bolzenauge zur Aufnahme eines Kolbenbolzens aufweist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann sich der Kühlkanal in axialer Richtung des Kolbens bis auf Höhe des mindestens einen Bolzenauges erstrecken. Besonders vorteilhaft ist, wenn sich der Kühlkanal in axialer Richtung des Kolbens bis zu einem unteren Ende des Bolzenauges erstreckt. Hierbei ist das untere Ende des Bolzenauges dasjenige, das einem am Kolben angreifenden Pleuel zugewandt ist.
  • Gemäß der Erfindung ist der Kühlkanal im Bereich der Wandung des Kolbenhemds durch mindestens eine erste Durchgangsöffnung mit einer Laufbuchse für den Kolben fluidisch verbunden. Mit anderen Worten weist das Kolbenhemd bzw. die Wandung des Kolbenhemds eine Durchgangsöffnung, z. B. in Form einer Durchgangsbohrung, auf, über die Schmiermittel aus dem Kühlkanal zur Laufbuchse des Kolbens gelangen kann. Dadurch kann im oberen Bereich des Kühlkanals erwärmtes heißes Schmiermittel im Kühlkanal direkt zum Kolbenhemd geführt werden, so dass die Temperatur des Kolbenhemds noch effizienter erhöht werden kann. Dadurch kann folglich eine noch bessere Reduzierung der Kolbenhemdreibung erzielt werden. Durch die mindestens eine erste Durchgangsöffnung kann somit erwärmtes Schmiermittel auf die Lauffläche des Kolbens übertreten. Die mindestens eine erste Durchgangsöffnung kann in axialer Richtung in einem mittleren Bereich des Kolbenhemds, vorzugsweise auf mittlerer Höhe des Kolbenhemds angeordnet sein.
  • Weiterhin ist gemäß der Erfindung eine Rippe im Kühlkanal angeordnet, derart, dass der Ölfluss zur Laufbuchse verstärkt wird. Die Rippe wird nachfolgend als Ölfangrippe bezeichnet. Der Begriff "Schmiermittelfangrippe" ist hierzu als gleichbedeutend anzusehen. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass die Ölfangrippe so im Kühlkanal angeordnet ist, dass ein Teil des durch die Kolbenbewegung im Kühlkanal hin- und hergeschleuderten Öls auf die Ölfangrippe trifft bzw. an der Ölfangrippe hängen bleibt und durch die Ölfangrippe zu der mindestens einen ersten Durchgangsöffnung geführt wird. Das Hin- und Herschleudern des Schmiermittels im Kühlkanal aufgrund der Auf- und Abbewegung des Kolbens wird auch als "Shakern" bezeichnet. Die Ölfangrippe ist somit so im Bereich der mindestens einen ersten Durchgangsöffnung angeordnet, dass ein Teil des Schmiermittels beim Shakern von der Ölfangrippe hängen bleibt und dann entlang der Rippe zur mindestens einen ersten Durchgangsöffnung fließen kann.
  • Die Rippe kann ausgehend von der Wandung des Kolbenhemds zum Kolbeninneren hin von der Wandung des Kolbenhemds abragen. Die Rippe kann auch als Steg oder Vorsprung ausgeführt sein, der ausgehend von der Wandung des Kolbenhemds zum Kolbeninneren hin von der Wandung des Kolbenhemds abragt.
  • Die Ölfangrippe kann hierbei vorzugsweise auf Höhe der oder unmittelbar angrenzend zu der mindestens einen ersten Durchgangsöffnung angeordnet sein. So kann auf die Ölfangrippe auftreffendes Öl effizient zur mindestens einen ersten Durchgangsöffnung geführt werden.
  • Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Ölfangrippe so angeordnet ist, dass eine Unterkante der ersten Durchgangsöffnung in axialer Richtung nach unten versetzt zu einer horizontalen Öl- bzw. Schmiermittelauffangfläche der Ölfangrippe angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, dass auch bei geringem Ölstand auf der Ölfangrippe bereits ein großer Übergangsquerschnitt hin zur ersten Durchgangsöffnung freigegeben wird. Vorzugsweise ist die erste Durchgangsöffnung hierbei als Durchgangsbohrung ausgeführt, derart, dass sich die Durchgangsbohrung an der Innenseite des Kolbenhemds bis in einen Bereich der Ölfangrippe hineinreicht und dort eine kanalförmige Ausnehmung in Form eines offenen Kanals zur Aufnahme des aufgefangenen Öls bzw. Schmiermittels bildet.
  • Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Variante kann im Kühlkanal im Bereich der Wandung des Kolbenhemds mindestens eine zweite Durchgangsöffnung vorgesehen sein, über die der Kühlkanal mit der Laufbuchse fluidisch verbunden ist. Die mindestens eine erste Durchgangsöffnung und die mindestens zweite Durchgangsöffnung sind in axialer Richtung des Kolbens jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Ölfangrippe angeordnet. Dies bietet den Vorteil, dass Schmiermittel, das bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens an der Ölfangrippe hängen bleibt, als auch Schmiermittel, das bei der Abwärtsbewegung des Kolbens an der Ölfangrippe hängen bleibt, zur Lauffläche des Kolbens übertreten kann. So kann beim Shakern des Schmiermittels an der oberen Seite der Ölfangrippe hängenbleibendes Schmiermittel durch die oder diejenigen Durchgangsöffnungen zur Lauffläche übertreten, die angrenzend zur Oberseite der Ölfangrippe angeordnet sind, während Schmiermittel, das bei der Abwärtsbewegung des Kolbens an der Unterseite der Ölfangrippe hängen bleibt, durch die oder diejenigen Durchgangsöffnungen zur Lauffläche übertreten kann, die in Axialrichtung unterhalb zur Ölfangrippe angrenzend angeordnet sind.
  • Die Ölfangrippe ist gemäß dieser weiteren Variante somit zwischen der mindestens einen ersten Durchgangsöffnung und der mindestens einen zweiten Durchgangsöffnung angeordnet, vorzugsweise jeweils unmittelbar angrenzend und/oder benachbart zu der mindestens einen ersten Durchgangsöffnung und der mindestens einen zweiten Durchgangsöffnung. Vorzugsweise sind in Umfangsrichtung verteilt mehrere derartige erste und/oder zweite Durchgangsöffnungen angeordnet, vorzugsweise entlang einer Kreislinie, um den Wärmeübertrag vom Kühlkanal auf die Laufbuchse zu erhöhen.
  • Die Ölfangrippe kann an der an den Kühlkanal angrenzenden Wandung des Kolbenhemds in Umfangsrichtung des Kolbens umlaufend ausgeführt sein. Die Umfangsrichtung liegt hierbei in einer Ebene senkrecht zur Axialrichtung des Kolbens.
  • Ferner kann die Ölfangrippe einen an der Wandung des Kolbenhemds umlaufenden und sich in radialer Richtung des Kolbens erstreckenden ersten Abschnitt und einen sich in axialer Richtung des Kolbens erstreckenden zweiten Abschnitt aufweisen, wobei der zweite Abschnitt an dem der Wandung des Kolbenhemds abgewandten Endbereich des ersten Abschnitts angeordnet ist. Dies ermöglicht ein besonders wirksames Auffangen von hin und hergeschleudertem Schmiermittel und die Zuführung des aufgefangenen Schmiermittels zur jeweiligen Durchgangsöffnung im Kolbenhemd. Hierbei ist die radiale Richtung senkrecht zur Axialrichtung.
  • Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit der erfindungsgemäßen Realisierung einer Ölfangrippe sieht hierbei vor, dass der zweite Abschnitt der Ölfangrippe sich in axialer Richtung sowohl in Richtung des Kolbenkopfes als auch in entgegengesetzter Richtung, d. h. in Richtung der Kurbelwelle, erstreckt. Diese Ausführungsvariante ist besonders vorteilhaft, wenn Schmiermittel sowohl bei der Aufwärtsbewegung als auch bei der Abwärtsbewegung des Kolbens zum Teil aufgefangen und einer Durchgangsöffnung zugeführt werden soll.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Wandung des Kolbenhemds auf einer dem Kühlkanal zugewandten Seite eine Profilierung aufweisen, wobei die Profilierung vorzugsweise durch eine Rillenstruktur gebildet ist. Die Profilierung vergrößert die Oberfläche der Wandung des Kühlkanals auf der Seite des Kolbenhemds, wodurch der Wärmeübergang zum Kolbenhemd durch das an der Profilierung hängenbleibende Schmiermittel vergrößert wird.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Kolbenhemd an seiner Außenfläche eine Vertiefung aufweisen, die einen Endbereich, d. h. den an die Laufbuchse des Kolbens angrenzenden Endbereich, der mindestens einen ersten Durchgangsbohrung umgibt. Unter der Außenfläche des Kolbenhemds wird die der Laufbuchse zugewandte Fläche des Kolbenhemds verstanden. Die Vertiefung kann in Form einer Nut oder Rille ausgeführt sein. Die Vertiefung kann insbesondere als breite flache Rille ausgeführt sein. Dies reduziert auch die Fluidscherflächen.
  • Eine entsprechende Vertiefung kann auch für die mindestens eine zweite Durchgangsöffnung vorgesehen sein. Die Vertiefung verbessert die Verteilung von aus dem Endbereich der mindestens einen ersten Durchgangsöffnung und/oder der mindestens einen zweiten Durchgangsöffnung auftretendem Schmiermittel zwischen Laufbuchse und Kolbenhemd.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine weitere Durchgangsöffnung, insbesondere eine Durchgangsbohrung, vorgesehen sein, die an einer Wandung des Kühlkanals vorgesehen ist, die zum Kolbenhemd gegenüberliegend angeordnet ist. Diese Durchgangsöffnung wird nachfolgend als Schmiermittelrücklaufbohrung bezeichnet. Durch diese Schmiermittelrücklaufbohrung kann das Schmiermittel zum Kolbeninneren zurücklaufen. Diese ist vorzugsweise so positioniert, dass sich im Kühlkanal ein für den Temperaturtransport vorteilhaftes Ölniveau einstellt, was beispielsweise durch Anpassung des Abstands der Schmiermittelrücklaufbohrung vom unteren Ende des Kühlkanals realisiert werden kann.
  • Hierbei ist diese Durchgangsöffnung in axialer Richtung des Kolbens beabstandet zum unteren Ende des Kühlkanals und unterhalb der mindestens einen ersten Durchgangsöffnung angeordnet. Das untere Ende des Kühlkanals ist dasjenige, das am weitesten entfernt vom Kolbenkopf ist. Die Schmiermittelrücklaufbohrung ist somit auf der der Innenseite des Kolbens zugewandten Seite des Kühlkanals angeordnet.
  • Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn die Schmiermittelrücklaufbohrung von der Wandung des Kühlkanals schräg nach unten zu einem Kolbeninnenraum verläuft, da dies herstellungstechnisch von Vorteil ist, da in diesem Fall kein Winkelkopfbohrer vonnöten ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Wandungsabschnitt des Kühlkanals, der einen oberen Bereich des Kühlkanals, der im Bereich der Ringpartie umlaufend ausgeführt ist, mit einem unteren Bereich des Kühlkanals, der an die Wandung des Kolbenhemds angrenzt, verbindet, so ausgeführt, dass das Schmiermittel gegen die Wandung des Kolbenhemds geschleudert wird. Dieser Teil der Wandung des Kühlkanals wird nachfolgend als Übergangswandungsabschnitt bezeichnet. Der Übergangswandungsabschnitt ist vorzugsweise so ausgeführt, dass er eine Schanze bildet. Beispielsweise ist der Übergangswandungsabschnitt des Kühlkanals so ausgeführt, dass er einen schräg nach unten hin zum Kolbenhemd verlaufenden Abschnitt aufweist, an den sich im unteren Bereich des Kühlkanals eine sich im Vergleich hierzu steiler nach unten verlaufende Wandung des Kühlkanals, die zum Kolbenhemd gegenüberliegend angeordnet ist, anschließt, wobei der Übergangsbereich zwischen dem Wandungsabschnitt des Kühlkanals und der hierzu steiler nach unten verlaufenden Wandung eine Kante ausbildet. Der schräg nach unten verlaufende Abschnitt des Übergangswandungsabschnitts kann beispielsweise die Form einer Mantelfläche eines Kegelstumpfes aufweisen. Bei dieser Ausführungsform wird somit das Schmiermittel besonders effizient beim Shakern gegen die Wandung des Kolbenhemds geschleudert, so dass der Wärmeübertrag verbessert wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung umfassend einen Kolben, wie in diesem Dokument beschrieben. Die Anordnung umfasst ferner eine volumenstromgeregelte Schmiermittelpumpe, die zur Versorgung des Kolbens mit einem Schmiermittel vorgesehen ist, und eine Steuereinrichtung der Schmiermittelpumpe, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter eines Verbrennungsmotors, aus dem die aktuelle Motorlast ableitbar ist, einen Schmiermittelvolumenstrom zur Versorgung des Kolbens mit Schmiermittel zu steuern oder zu regeln, derart, dass bei einem ersten Wert des Betriebsparameters, der einer ersten Motorlast entspricht, ein erster Volumenstrom eingestellt wird und bei einem zweiten Wert des Betriebsparameters, der einer zweiten Motorlast entspricht, die größer als die der ersten Motorlast ist, ein zweiter Volumenstrom eingestellt wird, der größer als der erste Volumenstrom ist. Dadurch kann der Ölvolumenstrom über die Ölspritzdüse so geregelt werden, dass sich eine vorteilhafte Öltemperatur am Kühlkanal einstellt. Bei kleiner Motorlast wird somit ein kleiner Volumenstrom des Schmiermittels eingestellt, und bei großer Motorlast wird somit ein entsprechend großer Volumenstrom des Schmiermittels eingestellt.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einem Kolben, wie in diesem Dokument offenbart.
  • Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Figur 1
    die Temperaturabhängigkeit der Kolbenhemdreibung von der Ölfilmtemperatur;
    Figur 2
    einen Teilschnitt eines Kolbens gemäß eines Beispiels zur Illustration;
    Figur 3
    einen Teilschnitt eines Kolbens gemäß eines weiteren Beispiels zur Illustration;
    Figur 4A
    einen Teilschnitt eines Kolbens gemäß einer Ausführungsform;
    Figur 4B
    eine vergrößerte Darstellung gemäß Ansicht A der Figur 4A;
    Figur 5
    einen Teilschnitt eines Kolbens gemäß einer weiteren Ausführungsform;
    Figur 6
    einen Teilschnitt eines Kolbens gemäß eines weiteren Beispiels zur Illustration;
    Figur 7
    einen Teilschnitt eines Kolbens gemäß eines weiteren Beispiels zur Illustration;
    Figur 8
    einen Teilschnitt eines Kolbens gemäß eines weiteren Beispiels zur Illustration; und
    Figur 9
    einen Teilschnitt eines Kolbens gemäß einer weiteren Ausführungsform.
  • Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden zum Teil nicht gesondert beschrieben.
  • Figur 1 illustriert die Kolbenhemdreibung in Abhängigkeit der Ölfilmtemperatur zwischen Kolbenhemd und Laufbuchse. Auf der Abszissenachse ist die Ölfilmtemperatur aufgetragen. Auf der Ordinatenachse ist hierbei der korrespondierende Reibmitteldruck aufgetragen. Der Kurvenverlauf 11 entspricht einer Motordrehzahl von 1200 U/min und der Kurvenverlauf 12 einer Motordrehzahl von 1800 U/min. Wie aus dem Diagramm der Figur 1 erkennbar ist, nimmt der Reibmitteldruck mit zunehmender Temperatur des Ölfilms ab. Um diese Kolbenhemdreibung zu minimieren, wird erfindungsgemäß das erwärmte Rücklauföl aus dem Kolbenkühlkanal gezielt zum Kolbenhemd geleitet. Hierdurch steigt die Ölfilmtemperatur zwischen Kolben und Laufbuchse, was zu einer niedrigeren Reibung führt.
  • Figur 2 zeigt einen Teilschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Kolben 20 umfasst einen Kolbenkopf 5, der eine umlaufende Ringpartie 6 aufweist. Die Ringpartie 6 umfasst wenigstens eine Ringnut 6a für einen Kolbenring. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei Ringnuten 6a vorgesehen. Unterhalb der drei Ringnuten ist noch eine Ausgleichsnut angeordnet. In Axialrichtung A schließt sich an die Ringpartie 6 nach unten das Kolbenhemd 1 an, das im Gegensatz zur Ringpartie 6 nicht vollständig umlaufend ausgeführt ist. Der Kolben 20 ist somit nicht als Vollschaftkolben ausgeführt. Das Kolbenhemd 1 ist in der Laufbuchse des Zylinders gleitgelagert, wobei eine Wandung 10 des Kolbenhemds entlang der Laufbuchse bei der Bewegung des Kolbens hin und her gleitet. Der Kolben 20 ist in einem korrespondierenden Zylinder (nicht dargestellt) eines Zylinderkolbengehäuses (nicht dargestellt) einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gelagert. Das Kolbenhemd 1 weist dabei mindestens ein Bolzenauge 8 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens auf. Ein an der Kurbelwelle gelagertes Pleuel (nicht dargestellt) ist über einen solchen Kolbenbolzen gelenkig mit dem Kolben 20 verbunden, um infolge dieser gelenkigen Kopplung die translatorischen Bewegungen des Kolbens 20 im Zylinder in rotatorische Bewegungen der Kurbelwelle um ihre Drehachse umzuwandeln.
  • In Figur 2 ist ferner erkennbar, dass der Kolben 20 eine Kolbenmulde 7, auch als Brennraummulde bezeichnet, aufweist. Die Kolbenmulde 7 ist als sogenannte Omega-Mulde ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Kolbenmulde 7 einen Querschnitt aufweist, welcher zumindest im Wesentlichen die Form eines "
    Figure imgb0001
    " aufweist. Darüber hinaus ist in Figur 2 erkennbar, dass der Kolben 20 in der Ringpartie einen Kühlkanalabschnitt 3 aufweist, welcher beispielsweise von einem Schmiermittel, insbesondere Öl, durchströmt werden kann. Über das Schmiermittel im Kühlkanalabschnitt 3 kann der Kolbenkopf 5 gekühlt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kolben 20 umfasst der Kolben jedoch einen Kühlkanal 2, der sich von der Ringpartie 6 bzw. vom Kolbenkopf bis zu einer Wandung 10 des Kolbenhemds erstreckt.
  • Der Kühlkanal 2 umfasst daher einen oberen Abschnitt 3, der sich im Bereich der Ringpartie 6 befindet, sowie einen unteren Abschnitt 4, der sich im Bereich des Kolbenhemds 1 befindet und an eine Wandung 10 des Kolbenhemds angrenzt. Im Gegensatz zum oberen Abschnitt 3 des Kühlkanals 2, der um 360° umlaufend ausgeführt ist, ist der untere Abschnitt 4 des Kühlkanals 2 nicht vollständig umlaufend ausgeführt, bedingt durch die nicht vollständig umlaufend ausgeführte Lauffläche des Kolbens 20.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der untere Bereich des Abschnitts 4 des Kühlkanals 2 in axialer Richtung A des Kolbens bis zum unteren Ende 8 des Bolzenauges bzw. im Wesentlichen fast entlang der ganzen axialen Länge des Kolbenhemds 1. Sowohl der obere Abschnitt 3 als auch der untere Abschnitt 4 des Kühlkanals 2 erstrecken sich umfangsseitig entlang der äußeren Wandung des Kolbens 20. Die Ausführungsform der Figur 2 bietet den Vorzug, dass Schmiermittel, das im oberen Bereich 3 in den Kühlkanal 2 einströmt, den Kolbenkopf 5 kühlt und dabei erwärmt wird. Durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt wird das Schmiermittels im Kühlkanal 2 hin und hergeschleudert ("geshakert"), so dass das im oberen Kühlkanalbereich 3 erwärmte Schmiermittel auch die Wandung 10 des Kolbenhemds 1 erreicht und diese somit erwärmt. Über die Erwärmung der Wandung 10 des Kolbenhemds wird der Ölfilm, der sich zwischen der Außenseite 13 des Kolbenhemds und der Laufbuchse befindet, ebenfalls erwärmt, wodurch dessen Reibwirkung reduziert wird. Dadurch kann eine wirksame Reduzierung der Kolbenhemdreibung erzielt werden.
  • In Figur 2 ist ferner erkennbar, dass der Übergang zwischen dem oberen Bereich 3 des Kühlkanals 2 und dem unteren Bereich 4 des Kühlkanals 2 so ausgeführt ist, dass das Schmiermittel entlang eines Übergangswandungsabschnitts 9 des Kühlkanals 2 geführt wird. Der Übergangswandungsabschnitt 9 ist auf der zur Kolbeninnenseite zugewandten Seite des Kühlkanals 2 angeordnet und verbindet den oberen Bereich 3 des Kühlkanals mit dem unteren Bereich 4 des Kühlkanals. Der Übergangswandungsabschnitt 9 verläuft gerade schräg nach unten, wobei am Ende des Übergangswandungsabschnitts 9 am Übergang zu dem unteren Wandungsabschnitt 4 des Kühlkanals eine Kante 15 ausgebildet ist. Das entlang des Übergangswandungsabschnitts 9 fließende Öl wird an dieser Kante 15 schanzenförmig gegen die Wandung 10 des Kolbenhemds 1 geschleudert, so dass eine wirksame Benetzung der Wandung 10 des Kolbenhemds mit Schmiermittel ermöglicht wird.
  • In Figur 3 ist eine zweite Ausführungsform des Kolbens 30 dargestellt.
  • Hierbei entsprechen Komponenten mit gleichen Bezugszeichen den Komponenten der Figur 2 und werden nicht gesondert beschrieben. Entsprechendes gilt für die Figuren 4 bis 9. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden in einigen der Figuren Bezugszeichen weggelassen, die jedoch aus den anderen Figuren analog zu entnehmen sind.
  • Die Besonderheit der Ausführungsform der Figur 3 liegt darin, dass mehrere Durchgangsöffnungen 31 in die Wandung 10 des Kolbenhemds eingebracht sind. Die Durchgangsöffnungen 31 in Form von Durchgangsbohrungen sind in gleichmäßigen Abständen entlang einer Kreislinie auf halber Kolbenschafthöhe in die Wandung 10 des Kolbenhemds 1 eingebracht. Über diese Durchgangsöffnungen 31 kann Schmiermittel, das in den unteren Bereich 4 des Kühlkanals 2 geschleudert wird, zur Laufbuchse übertreten und dort den Ölfilm noch schneller erwärmen.
  • Die Figuren 4A und 4B illustrieren eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform 40 weist der Kolben 40 unmittelbar unterhalb und angrenzend zu den Durchgangsöffnungen 31 eine Ölfangrippe 41 auf, die sich teilringförmig entlang der Innenseite der Wandung 10 des Kolbenhemds 1 erstreckt. Die Ölfangrippe 41 weist hierbei einen ersten Abschnitt 42 auf, der an der Innenseite der Wandung 10 des Kolbenhemds befestigt ist und sich dort in Umfangsrichtung umlaufend auf einer bestimmten axialen Höhe erstreckt. Der erste Abschnitt ragt dabei in radialer Richtung von der Wandung 10 ab und bildet eine horizontale Ölauffangfläche 42a. Am distalen Ende des ersten Abschnitts 42 ist ein in axialer Richtung A nach oben weisender Steg 43 angeformt, dessen Länge im Wesentlichen dem Radius der Durchgangsöffnungen 31 entspricht. Die obere Kante des Stegs 43 ist mit dem Bezugszeichen 43a bezeichnet. Eine derartige Ölfangrippe 41 bietet den Vorteil, dass Öl, das bei der Kolbenbewegung hin- und hergeschleudert wird, an der Ölfangrippe 41 zum Teil hängenbleibt und auf diese Weise den Durchgangsöffnungen 31 zugeführt wird. Das Vorsehen der Ölfangrippen erhöht somit die Menge an Schmiermittel, die bei der Kolbenbewegung durch die Durchtrittsöffnungen 31 hin zur Laufbuchse geleitet wird. Dadurch kann der Erwärmungseffekt an der Laufbuchse gesteigert und somit die Kolbenhemdreibung weiter reduziert werden.
  • Figur 4B zeigt hierzu eine vergrößerte Radialansicht der Ansicht A der Figur 4A. Es ist nochmals erkennbar, dass sich in der Radialrichtung hin zum Kolbeninneren an die Durchgangsöffnung 31 erst der erste Abschnitt 42 der Ölfangrippe 41 anschließt und das an dem distalen Ende des ersten Abschnitts 42 sich der in Axialrichtung erstreckende zweite Abschnitt 43 anschließt. Hierbei ist die Ölfangrippe 41 so angeordnet ist, dass eine Unterkante 31a, d. h. tiefste Stelle, der Durchgangsöffnung 31 in axialer Richtung nach unten versetzt zu einer der radialen Öl- bzw. Schmiermittelauffangfläche 42a der Ölfangrippe angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, dass auch bei geringem Ölstand auf der Ölfangrippe bereits ein großer Übergangsquerschnitt hin zur Durchgangsöffnung 31 freigegeben wird. Hierbei ist die Durchgangsöffnung als Durchgangsbohrung ausgeführt, derart, dass die Durchgangsbohrung an der Innenseite des Kolbenhemds bis in einen Bereich der Ölfangrippe hineinreicht und dort eine kanalförmige Ausnehmung in Form eines offenen Kanals zur Aufnahme des aufgefangenen Öls bzw. Schmiermittels bildet.
  • Figur 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Die Besonderheit des Kolbens 50 dieser Ausführungsform liegt darin, dass neben den zuvor beschriebenen Durchgangsöffnungen 31 weitere Durchgangsöffnungen 51 (zweite Durchgangsöffnungen) vorgesehen sind, die - in Axialrichtung A gesehen - unterhalb von den ersten Durchgangsöffnungen 31 angeordnet sind und vorzugsweise in Radialrichtung leicht versetzt zu den Durchgangsöffnungen 31 angeordnet sind.
  • Eine weitere Besonderheit liegt in der Ausgestaltung der Ölfangrippe 52. Die Ölfangrippe 52 weist wiederum einen ersten Abschnitt 54 auf, der sich in Radialrichtung weg von der Innenseite der Wandung 10 des Kolbenhemds erstreckt. An dem distalen Ende des ersten Abschnitts 54 ist jedoch nun ein sich in Axialrichtung erstreckender zweiter Abschnitt 53 angeordnet, der sich in Axialrichtung sowohl nach oben als auch nach unten von dem ersten Abschnitt 54 weg erstreckt. Die Ölfangrippe 52 der Figur 5 ist somit T-förmig ausgeführt. Dies bietet den Vorteil, dass bei dieser Ausführungsform Schmiermittel sowohl bei der Aufwärtsbewegung als auch bei der Abwärtsbewegung des Kolbens von der Ölfangrippe aufgefangen wird und entweder den oberen Durchgangsöffnungen 31 oder den unteren Durchgangsöffnungen 51 zugeführt wird. Dadurch kann die Zuführung von im Kühlkanal 2 erwärmtem Schmiermittel zur Laufbuchse noch weiter erhöht und somit der reibungsreduzierende Effekt noch weiter verbessert werden.
  • Die Figur 6 illustriert ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Kolbens 60. Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass die Innenseite der Wandung 10 des Kolbenhemds eine Profilierung 61 aufweist. Die Profilierung ist vorliegend als Rippenstruktur ausgebildet. Dadurch wird die Oberfläche an der Innenseite der Wandung 10 des Kolbenhemds 1 vergrößert, wodurch der Wärmeübergang von Öl auf die Wandung 10 des Kolbenhemds 1 erhöht wird.
  • Eine sechste Ausführungsform eines Kolbens 70 ist in Figur 7 dargestellt. Die Besonderheit dieser Ausführungsform liegt darin, dass eine Vertiefung 71 in Form einer umlaufenden Nut oder Kerbe, die die Durchgangsöffnungen 31 umgibt, an der Außenseite 13 der Wandung 10 des Kolbenhemds 1 vorgesehen ist. Diese Vertiefung 71 hat den Effekt, dass durch die Durchgangsöffnungen 31 an der Laufbuchse austretendes Öl besser verteilt wird. Dies beschleunigt wiederum die Erwärmung des Ölfilms der Laufbuchse und führt somit schneller und wirksamer zu einer Reduzierung der Kolbenhemdreibung.
  • Figur 8 illustriert eine siebte Ausführungsform eines Kolbens 80. Die Besonderheit dieser Ausführungsform liegt darin, dass eine Durchgangsöffnung 82 (Schmiermittelrücklaufbohrung) an der Innenseite des Kühlkanals 2 angeordnet ist. Die Schmiermittelrücklaufbohrung 82 ist insbesondere beabstandet zum unteren Ende 4a des unteren Bereichs 4 des Kühlkanals angeordnet und gleichzeitig unterhalb der Durchgangsöffnungen 31, über die der Kühlkanal fluidisch mit der Laufbuchse verbunden ist. Das Ölniveau des Schmiermittelreservoirs 81 kann durch die Festlegung der axialen Höhe der Schmiermittelrücklaufbohrung 82 eingestellt werden. Über die Schmiermittelrücklaufbohrung 82 kann das im Kühlkanal 2 hin- und hergeschleuderte Schmiermittel wieder in den Kolbeninnenraum zurücklaufen und auf diese Weise wieder dem Schmiermittelkreislauf zugeführt werden. Die Schmiermittelrücklaufbohrung 82 ist schräg fallend ausgeführt, was herstellungstechnisch Vorteile bietet, da auf diese Weise die Einbringung der Schmiermittelrücklaufbohrung 82 keinen Winkelbohrer benötigt.
  • Es wird betont, dass die in den Figuren 2 bis 8 gezeigten Ausführungsvarianten beliebig miteinander kombinierbar sind. Dies ist beispielsweise anhand der in Figur 9 gezeigten Ausführungsvariante eines Kolbens 90 dargestellt, bei dem mehrere der zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausführungsvarianten in einer Ausführungsform kombiniert wurden.
  • Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kolbenhemd
    2
    Kühlkanal
    3
    Oberer Abschnitt
    4
    Unterer Abschnitt
    5
    Kolbenkopf
    6
    Ringpartie
    6a
    Ringnut
    7
    Kolbenmulde
    8
    Bolzenauge
    9
    Übergangswandungsabschnitt
    10
    Wandung des Kolbenhemds
    11
    Ölfilmtemperaturabhängige Kolbenhemdreibung bei 1200 U/min
    12
    Ölfilmtemperaturabhängige Kolbenhemdreibung bei 1800 U/min
    13
    Außenfläche
    14
    Wandung
    15
    Kante
    20
    Kolben
    30
    Kolben
    31
    Erste Durchgangsöffnung
    31a
    Unterkante
    40
    Kolben
    41, 52
    Ölfangrippe
    42, 54
    Erster Abschnitt der Ölfangrippe
    42a
    Ölauffangfläche
    43, 53
    Zweiter Abschnitt der Ölfangrippe
    50
    Kolben
    51
    Zweite Durchgangsöffnung
    60
    Kolben
    61
    Profilierung
    70
    Kolben
    71
    Vertiefung
    80
    Kolben
    81
    Schmiermittel
    82
    Schmiermittelrücklaufbohrung
    90
    Kolben
    A
    Axiale Richtung

Claims (15)

  1. Kolben (40; 50; 90) für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen Kolbenkopf (5) und ein Kolbenhemd (1),
    wobei der Kolbenkopf (5) eine umlaufende Ringpartie (6) mit wenigstens einer Ringnut für einen Kolbenring sowie im Bereich der Ringpartie (6) einen umlaufenden oberen Abschnitt (3) eines Kühlkanals (2) aufweist,
    wobei der Kühlkanal (2) einen unteren Abschnitt (4) aufweist, der sich von der Ringpartie (6) bis zu einer Wandung (10) des Kolbenhemds (1) entlang mindestens 2/3 der axialen Länge des Kolbenhemds (1) entlang einer Innenfläche der Wandung (10) des Kolbenhemds (1) erstreckt, so dass, bei einer Hin- und Herbewegung des Kolbens (40; 50; 90), im oberen Abschnitt (3) des Kühlkanals (2) erwärmtes Schmiermittel auch die Innenfläche der Wandung (10) des Kolbenhemds (1) entlang mindestens 2/3 der axialen Länge des Kolbenhemds (1) erreicht, um einen Energietransfer zum Erwärmen des Kolbenhemds (1) zu ermöglichen,
    dadurch gekennzeichnet, dass der untere Abschnitt (4) des Kühlkanals (2) im Bereich der Wandung (10) des Kolbenhemds (1) durch mindestens eine erste Durchgangsöffnung (31) mit einer Laufbuchse für den Kolben (40; 50; 90) fluidisch verbunden ist; und
    dass der Kolben (40; 50; 90) eine Ölfangrippe (41; 52) umfasst, die im Kühlkanal (2) angeordnet ist, derart, dass ein Teil des durch die Kolbenbewegung im Kühlkanal (2) hin- und hergeschleuderten Öls auf die Ölfangrippe (41; 52) trifft und durch die Ölfangrippe (41) zu der mindestens einen ersten Durchgangsöffnung (31) geführt wird.
  2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlkanal (2) bis zu einem unteren, der Ringpartie (6) abgewandten Endbereich (4) der Wandung (10) des Kolbenhemds (1) erstreckt.
  3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    a) dass das Kolbenhemd (1) mindestens ein Bolzenauge (8) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens aufweist; und
    b1) dass sich der Kühlkanal (2) in axialer Richtung des Kolbens mindestens bis auf Höhe des mindestens einen Bolzenauges (8) erstreckt; und/oder
    b2) dass sich der Kühlkanal (2) in axialer Richtung des Kolbens bis zu einem unteren Ende des Bolzenauges (8) erstreckt.
  4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Durchgangsöffnung (31) in axialer Richtung auf mittlerer Höhe des Kolbenhemds (1) angeordnet ist.
  5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    a) dass die Ölfangrippe (41; 52) auf Höhe der oder unmittelbar angrenzend zu der mindestens einen ersten Durchgangsöffnung (31) angeordnet ist; und/oder
    b) dass eine Unterkante (31a) der ersten Durchgangsöffnung (31) nach unten versetzt zu einer horizontalen Ölauffangfläche (42a) der Ölfangrippe (41; 52) angeordnet ist; und/oder
    c) dass die Durchgangsöffnung (31) eine Durchgangsbohrung ist, die bis in einen Bereich der Ölfangrippe (41; 52) hineinreicht und dort eine kanalförmige Ausnehmung bildet.
  6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (2) im Bereich der Wandung (10) des Kolbenhemds (1) durch mindestens eine zweite Durchgangsöffnung (51) mit der Laufbuchse fluidisch verbunden ist, wobei die mindestens eine erste Durchgangsöffnung (31) und die mindestens eine zweite Durchgangsöffnung (51) in axialer Richtung (A) des Kolbens jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Ölfangrippe (41; 52) angeordnet sind.
  7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölfangrippe (41; 52) einen an der Wandung (10) des Kolbenhemds (1) umlaufenden und sich in radialer Richtung des Kolbens erstreckenden ersten Abschnitt (42; 54) aufweist und einen sich in axialer Richtung des Kolbens erstreckenden zweiten Abschnitt (43; 53) aufweist, der an dem der Wandung (10) des Kolbenhemds (1) abgewandten Endbereich des ersten Abschnitts (42; 54) angeordnet ist.
  8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (53) der Ölfangrippe (52) sich in axialer Richtung sowohl in Richtung des Kolbenkopfs (5) als auch in entgegengesetzter Richtung erstreckt.
  9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (10) des Kolbenhemds (1) auf einer dem Kühlkanal (2) zugewandten Seite eine Profilierung (61) aufweist, wobei die Profilierung (61) vorzugsweise durch eine Rillenstruktur gebildet ist.
  10. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenhemd (1) an seiner Außenfläche (13) eine einen Endbereich der mindestens einen ersten Durchgangsbohrung (31) umgebende Vertiefung (71), beispielsweise in Form einer Nut oder Rille, aufweist, zur Verteilung eines aus dem Endbereich der ersten Durchgangsöffnung (31) austretenden Schmiermittels zwischen Laufbuchse und Kolbenhemd (1).
  11. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schmiermittelrücklaufbohrung (82), die an einer Wandung (14) des Kühlkanals (2) vorgesehen ist, die zum Kolbenhemd (1) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Schmiermittelrücklaufbohrung (82) in axialer Richtung des Kolbens beabstandet zum unteren Ende (4a) des Kühlkanals (2) und unterhalb der mindestens einen ersten Durchgangsöffnung (31) angeordnet ist.
  12. Kolben nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittelrücklaufbohrung (82) von der Wandung (14) des Kühlkanals (2) schrägt nach unten zu einem Kolbeninnenraum verläuft.
  13. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) ein Übergangswandungsabschnitt des Kühlkanals (2),
    a1) der auf der zur Kolbeninnenseite zugewandten Seite des Kühlkanals (2) angeordnet ist und
    a2) einen oberen Bereich (3) des Kühlkanals (2), der im Bereich der Ringpartie (6) umlaufend ausgeführt ist, mit einem unteren Bereich (4) des Kühlkanals (2), der an die Wandung (10) des Kolbenhemds (1) angrenzt, verbindet,
    a3) einen schräg nach unten hin zum Kolbenhemd (1) verlaufenden Abschnitt (9) aufweist, an den sich im unteren Bereich (4) des Kühlkanals (2) eine sich im Vergleich hierzu steiler nach unten verlaufende Wandung (14) des Kühlkanals (2), die zum Kolbenhemd (1) gegenüberliegend angeordnet ist, anschließt,
    b) wobei der Übergangsbereich zwischen dem Wandungsabschnitt (9) des Kühlkanals (2) und der hierzu steiler nach unten verlaufenden Wandung (14) eine Kante (15) ausbildet.
  14. Anordnung, umfassend
    a) einen Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche;
    b) eine volumenstromgeregelte Schmiermittelpumpe, die zur Versorgung des Kolbens mit Schmiermittel vorgesehen ist; und
    c) eine Steuereinrichtung der Schmiermittelpumpe, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter eines Verbrennungsmotors, aus dem die aktuelle Motorlast ableitbar ist, einen Schmiermittelvolumenstrom zur Versorgung des Kolbens mit Schmiermittel zu steuern oder zu regeln, derart, dass bei einem ersten Wert des Betriebsparameters, der einer ersten Motorlast entspricht, ein erster Volumenstrom eingestellt wird und bei einem zweiten Wert des Betriebsparameters, der einer zweiten Motorlast entspricht, die größer als die erste Motorlast ist, ein zweiter Volumenstrom eingestellt wird, der größer als der erste Volumenstrom ist.
  15. Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einem Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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