EP3341606A1 - Kolben mit niedriger bauhöhe - Google Patents

Kolben mit niedriger bauhöhe

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Publication number
EP3341606A1
EP3341606A1 EP16758155.2A EP16758155A EP3341606A1 EP 3341606 A1 EP3341606 A1 EP 3341606A1 EP 16758155 A EP16758155 A EP 16758155A EP 3341606 A1 EP3341606 A1 EP 3341606A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
line
valve pocket
recess
internal combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16758155.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eberhard Weiss
Gerhard Luz
Jochen Müller
Emmerich Ottliczky
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KS Kolbenschmidt GmbH
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KS Kolbenschmidt GmbH filed Critical KS Kolbenschmidt GmbH
Publication of EP3341606A1 publication Critical patent/EP3341606A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/129—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding specially adapted for particular articles or workpieces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23P15/10—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass pistons
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/04—Forging of engine parts

Definitions

  • the invention relates to a piston with a low overall height for internal combustion engines according to the features of the preamble of claim 1.
  • a finished piston part which is used to form a piston assembly.
  • a finished piston has a lower part, wherein the lower part has a shaft and contains a lower surface of a cooling channel.
  • the lower part comprises a radially bowl-shaped inner surface.
  • the finished piston assembly further includes a top having a radially outer bowl-shaped surface which is matable with the radially inner bowl-shaped surface.
  • the top has a radially encircling inner wall which includes a radially inner surface.
  • the radially inner wall has a radially inwardly facing surface that has a non-parallel angle to the radially inner bowl surface in the region where the radially inner bowl surface meets a radially innermost edge of the radially inner joint surface.
  • the so-called compression height is a characteristic parameter, wherein the compression height corresponds to the distance between the axis of the piston pin and an upper edge of the piston.
  • the height of an internal combustion engine is determined inter alia by this compression height of the piston of the internal combustion engine.
  • Another characteristic characteristic of a piston of an internal combustion engine which has an influence on the overall height of the internal combustion engine, is a so-called combustion chamber depth of a combustion chamber trough formed in the region of the piston upper part. Relatively low combustion bowls can burn in the Cylinder of the internal combustion engine, in which the piston is used to be improved. The deeper a combustion bowl is executed, however, the higher the compression height and thus the height of the internal combustion engine. Furthermore, even with pistons with a low overall height, an inflow and outflow of the mixture or of the gas into and out of the combustion chamber must be ensured.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a piston, in particular a cooling channel piston, which is lighter in weight compared to known pistons with low height and allows improved mixture or gas exchange.
  • At least one joint is arranged in the region of a ring field and in an outer wall of the combustion bowl and the ratio of piston compression height and diameter of the piston is less than 0.53.
  • the diameter of the piston is in particular the outer diameter of the ready-to-use, ie finished piston.
  • the joints are thus in areas of cohesively joined piston, which require post-processing.
  • weld beads can be removed as part of this post-processing for the design of the ring field and / or the combustion bowl.
  • a separate step is not required.
  • the required height of the piston is achieved while achieving the required strength.
  • This advantageously provides a piston which allows an optimized overall height of the intended internal combustion engine. This in turn reduces the space required by the internal combustion engine, for example in vehicles.
  • the piston according to the invention enables the production of mass-optimized internal combustion engines. Pistons with such a low compression height save material in the manufacture of the pistons and weight of the finished piston. This in turn can be reduced fuel consumption.
  • the optimized overall height of the internal combustion engine and the resulting reduced installation space for the internal combustion engine can in turn result in new vehicle concepts. Furthermore, the invention provides that the position of the inner joint is provided in the outer wall of the combustion chamber trough above the finished Brennraummulden groundes. Thus, in the manufacture of the combustion bowl, the internal Reibsch spawulst is removed. Another step is not necessary.
  • the invention provides that at least one recess is provided in the piston head of the piston.
  • the at least one recess reduces the risk of collision of moving parts within the cylinder.
  • a valve can penetrate into the region of the recess without coming into contact with the piston having the at least one recess.
  • the cylinder head may also have inner contours, which correspond to the at least one recess. In this case, contact with rigid parts within the cylinder is prevented by the at least one recess in the piston.
  • the contours in the cylinder head can serve, for example, for guiding the mixture or the gas into or out of the combustion chamber.
  • the invention provides that the at least one recess has at least one recess which at least partially passes through the bottom edge of the piston crown. Through the recess a maximum travel for the piston in the cylinder is possible.
  • the piston can approach the cylinder head in the area of the recesses without running the risk of coming into contact with the valves.
  • the mixture can enter the combustion chamber unhindered. After combustion, the predominantly gaseous mixture can also leave the combustion chamber when the piston is approaching the cylinder head.
  • the at least one recess is configured in the shape of a circle segment. As a result, a connection is created from the recess to the cylinder wall.
  • the recess assumes in its outer shape the shape of the piston.
  • the invention provides that the at least one recess forms at least one valve pocket.
  • a valve pocket allows an open valve to be received in the area of the piston crown as the piston approaches top dead center. This ensures that a piston with a low overall height can cover the largest possible travel within the cylinder. The working stroke can thus be maximized at low height. The energy gained from combustion can be efficiently converted into kinetic energy.
  • the invention provides that the distance between a line, the line between the pressure side and counter-pressure side and the center of the first valve pocket is greater than the distance between the line and the center of the second valve pocket.
  • the invention provides that the distance between a line, the line between the pressure side and counterpressure side and the center of the first valve pocket is at least twice as large as the distance between the line and the center of the second valve pocket. This ensures that there is sufficient clearance between the valve pockets. There remains enough material available to ensure safe operation of the internal combustion engine.
  • the invention provides that the piston skirt of the piston has a coating to reduce the friction.
  • the advantages of this coating are a very high durability, excellent sliding properties and a significant increase in the life of the piston.
  • the layer thickness of the coating is, for example, about 0.01 millimeter (mm).
  • the layer thickness of the coating can be between 0.005 mm and 0.1 mm.
  • the invention provides that the piston has a cooling channel. In this way, in the case of the piston according to the invention with a low compression height (KH), which is then designed as a cooling channel piston, an effective removal of the heat produced during the combustion additionally takes place.
  • the invention provides that at least one extended inlet is provided for the oil inlet to the cooling channel.
  • a cooling medium oil is provided. Due to an extended feed, a larger amount of oil can be kept in the cooling channel. It forms during operation of the internal combustion engine, a reservoir for the cooling oil. By varying the length of the inlet, the level of cooling oil in the reservoir can be influenced.
  • the invention provides that the cooling channel has molded recesses in its contour. Through these recesses, the oil or cooling oil can get closer to the wall of the combustion bowl. This improves the heat exchange between the combustion bowl and the oil. The heat transfer, for example, from the combustion bowl to the cooling oil located in the cooling channel is accelerated.
  • the invention provides that the recesses formed in the cooling channel correspond with the impact position of the combustion jets in the combustion chamber recess.
  • a direct transfer of the introduced through the combustion jets in the combustion bowl heat quantity over the wall of the combustion bowl to the oil is possible.
  • the heat is dissipated near its source.
  • the piston does not heat up unnecessarily.
  • the service life of the piston is thereby increased and the probability of failure for the internal combustion engine, comprising at least one piston according to the invention, is thereby reduced.
  • the invention provides that the upper part is designed as a half-forged upper part.
  • the hot forging of steel is mainly worked in the temperature range of 650 ° C to 900 ° C. In this area, yield stress is reduced by more than half compared with cold forming in most steel grades.
  • the applicable temperature depends on the type of steel, the size of the piston and the number of forming stages and is determined piston-specific.
  • a more cost-effective production compared to the cold forming for the piston results from the saving of several pressing operations with complex intermediate treatments (intermediate annealing, surface coating) by hot forging. Close-to-net shape or flasks converted to finished shape (net shape) or the saving of heat treatment costs make cost-effective piston production possible by means of hot forging.
  • a lower part is integrally joined to an upper part, wherein the lower part comprises a shaft and at least one pin bore and the upper part comprises a combustion bowl and a piston crown with a bottom edge, the lower part and the upper part preferably be joined by friction welding.
  • the combustion bowl and the ring section ring field
  • the dimensions of the finished piston are chosen so that the ratio of piston compression height KH and diameter piston DK ⁇ 0.53.
  • the piston compression height KH is measured from the top of the piston, which faces the combustion chamber, to the direction of the center axis of the piston pin.
  • the diameter of the piston DK is the outside diameter of the operational piston. Ready to use means that the piston is finished after its production and can be installed in the cylinder of the engine.
  • the outer diameter may be the diameter of the flank of the piston.
  • the outer diameter of the piston can also be measured in the region of a web between two piston rings.
  • the diameter of a cylindrical or partially cylindrical piston shaft can be used to determine the outer diameter of the piston.
  • the ratio of piston compression height and outer diameter of the piston ⁇ 0.53, preferably ⁇ 0.53, has the advantage of a particularly compact and weight-reduced design of the piston, connected with reduced overall height and sufficient stability to meet the stresses during operation in the cylinder of an internal combustion engine.
  • the inventive use of a steel material in combination with the dimensions of the piston according to the invention causes an optimization of the properties of the inventive arrangement in the operation of internal combustion engines.
  • the steel material ensures a particularly high strength as well as mechanical and thermal resilience of the piston.
  • the dimensions of the invention cause a significant reduction in the compression height and a reduction in mass compared to aluminum piston, for example, 10% or more.
  • the moving mass is reduced in the inventive arrangement.
  • the dimensioning of the piston pin in relation to the piston diameter represents a very good compromise between the mass of the piston pin and the effective introduction of force from the piston into the piston pin during operation of the internal combustion engine.
  • the reduced mass of the piston pin also contributes to the reduction of the moving mass in the arrangement according to the invention noticeably at.
  • the reduction of the height or compression height eventually leads to an extension of the connecting rod, which has lower lateral forces and thus reduced frictional forces on the piston skirt on the piston skirt or between the piston and the cylinder surface during operation of the internal combustion engine result.
  • pistons with different types of combustion bowls are used.
  • the piston in question has a pot combustion bowl.
  • the piston crown is designed so that a squish flow (squish flow) in the radial direction is created between the piston edge and the cylinder head.
  • the swirl flow is reinforced in the pot combustion bowl.
  • pistons with pot combustion bowls are very well suited.
  • the pot combustion chamber well leads to a Acceleration of the inlet side generated swirl flow. Due to the angular momentum conservation, the rotational velocity of the swirl flow increases as the mixture is displaced inwardly into the pot combustion bowl. The generation of the squish flow and the amplification of the swirl flow have a positive effect on the combustion. Recesses in the piston head which extend into the bottom edge, allow an improved inflow of the mixture through the valves in the combustion chamber, since the piston crown does not obstruct the inflow.
  • an internal combustion engine having at least one piston as described above.
  • This piston of the present invention can be used in any type of reciprocating internal combustion engine.
  • a motor vehicle is provided with one of the internal combustion engines described above.
  • Such a motor vehicle may be designed, for example, as a land vehicle, as a watercraft or as an aircraft.
  • the most common embodiment will be land vehicles, such as passenger cars, commercial vehicles or trucks.
  • Another advantage of the low height is that the internal combustion engine in which the piston is operated, can build flatter. Combined with the formation of recesses in the piston head, an even flatter height for the piston can be achieved.
  • Fig. 5 is a sectional view of a piston according to the line V-V in FIG.
  • Fig. 6 is a sectional view of a piston according to the line Vl-Vl in Figure
  • Fig. 7 is a sectional view of a piston according to the line VII-VII in
  • FIG. 6, 8 is a sectional view of a piston portion along the line VIII-VIII in Figure 7,
  • Fig. 1 1 is a sectional view of another piston
  • Fig. 12A u. 12B are sectional views of the lower part and upper part of a piston according to FIG.
  • the piston 1 is constructed identically in the figures and will first be described generally in the following. Subsequently, the figures are each shown in detail. Identical components are designated by the same reference numerals in the figures, and new reference numerals are used in the figures for different components.
  • the piston 1 for an internal combustion engine is made of a lower part 2 and an upper part 3. Between the lower part 2 and the upper part 3 at least one joint 4 is formed. In the region of the joint 4, joining surfaces formed on the lower part 2 and on the upper part 3 meet one another. A joint 4 is formed in the region of a ring field 9. In addition, a further joint 4 may be formed in the outer wall of a combustion bowl 1 1.
  • At least one of the joints 4 can be designed as a "tube on plate.” If the piston 1 has at least one cooling channel 6, the contour of the at least one cooling channel 6 can be formed in the lower part 2 or in the upper part 3, wherein these The opposite side is executed in the lower part 2 or in the upper part 3 as a circumferential flat or almost flat surface and accordingly referred to as a "plate”.
  • a piston head 5 is formed at the upper part 3.
  • the piston head 5 is arranged on the side facing away from a cooling channel 6 of the upper part 3.
  • a piston shaft 6 is formed, which has bolt holes 7.
  • the combustion bowl 1 1 is arranged in the upper part 3.
  • a pin bore axis 13 is arranged, which corresponds to the central axis of the piston pin, not shown.
  • oil return openings 19 may be arranged in the area of the ring field 9.
  • FIG. 1 shows a piston 1 joined from lower part 2 and upper part 2. In the region of the shaft 6, this has a coating 14.
  • This coating 14 has a low friction.
  • the advantages of this coating 14 are a very high durability, excellent sliding properties and a significant increase in the life of the piston 1.
  • FIGS. 1 and 6 are shown at which points the piston compression height hi and the diameter di of the piston are measured.
  • the trough height i2 of the combustion chamber trough is also shown.
  • the diameter di of the piston 1 according to FIGS. 1 and 6 may be, for example, between 100 mm and 150 mm.
  • the value for hi can vary between 70 mm and 90 mm.
  • the ratio of the compression height hi and the diameter di of the piston 1 varies between 0.48 and 0.75.
  • FIG. 5 shows a burr-free region 15 in the region of the pin bore 7. Furthermore, a Hilfseinpass 16 is shown centrally.
  • FIG. 7 shows an inlet 17 with a diameter 02 and a drain 18 with a diameter d3. Through the inlet 17, oil can enter the cooling area and through the drain 18, the oil can leave this area again.
  • FIG. 9 shows two recesses 20 designed as valve pockets 21, 22 which each have a diameter d 4 .
  • the diameter d 4 can assume a value between 35 mm and 55 mm.
  • the diameter d 4 of the valve pockets 21, 22 can also assume different values. It can be provided any number of, for example, as recesses formed recesses 20.
  • at least some of the recesses 20 are at least partially formed as a valve pocket 21, 22, in which gas exchange valves of the reciprocating internal combustion engine are at least partially absorbed during their operation, that is, immerse, can.
  • a collision of the gas exchange valves with the piston 1 can be avoided.
  • a functional integration is shown, which keeps the cost of the piston 1, in particular its manufacturing costs, low.
  • valve pockets 21, 22 of the piston 1 close, in which respective corresponding valve plate of gas exchange valves of the reciprocating internal combustion engine are receivable. If the piston 1 is in its top dead center in the combustion chamber of the reciprocating engine, then the valve pockets 21, 22 provide a sufficiently large clearance for the respective gas exchange valves, that is to say for corresponding intake and exhaust valves, so that the gas exchange valves each one desired can perform large valve lift to allow gas exchange. In other words, the gas exchange valves can open wide enough by the provided by the valve pockets 21, 22 enough to effect an exchange of exhaust gas and sucked by the reciprocating internal combustion engine air or sucked by the reciprocating internal combustion engine mixture efficiently.
  • a first circle segment alpha is located between a first valve pocket 21 and the line 24 perpendicular to the one pressure side (DS) 25 and a counterpressure side (GDS) 26 connecting line 24.
  • a second circular segment beta is located between the perpendicular to the pressure side 25 and counter-pressure side 26 connecting line 23 standing line 24 and a second valve pocket 22.
  • a third circular segment gamma is located between the second valve pocket 22 and the pressure side 25 and counter-pressure side 26 connecting line 23.
  • Dasachi Circle segment alpha can assume values between 15 degrees and 30 degrees, preferably between 20 degrees and 25 degrees.
  • the second circle segment Beta can assume values between 55 degrees and 70 degrees, preferably between 60 degrees and 65 degrees.
  • the third circle segment gamma can assume values between 15 degrees and 35 degrees, preferably between 20 degrees and 30 degrees.
  • the piston head 1 1 is bounded by a bottom edge 27.
  • the bottom edge 27 on circular segment-shaped recesses 28.
  • the length h of the recess 28 of the first valve pocket 21 corresponds to the length I2 of the recess 28 of the second valve pocket 22.
  • the lengths and I2 can assume values between 15 millimeters and 35 millimeters, preferably between 20 mm and 30 mm.
  • I 2 and I 2 may have the same values, but need not have the same values.
  • the dimensions for and I2 can be varied independently.
  • the distance xi between the line 23 and the center of the first valve pocket 21 is greater than the distance X2 between the line 23 and the center of the second valve pocket 22.
  • the distance xi can be between 30 mm and 45 mm, preferably between 35 mm and 40 mm.
  • the distance X2 can be between 15 mm and 22.5 mm, preferably between 17.5 mm and 22.5 mm.
  • the distance between the center of the first valve pocket 21 and the line 24 is denoted by X3.
  • the distance between the line 24 and the center of the second valve pocket 22 is designated x 4 .
  • the distance X3 is less than the distance x 4mm.
  • the distance x 4 can be between 25 mm and 45 mm, preferably between 30 mm and 40 mm.
  • the distance X3 can be between 12.5 mm and 22.5 mm, preferably between 15 mm and 20 mm.
  • Figure 1 1 shows a finished piston 1, in which it can be seen at which points the piston compression height hi and the diameter di of the piston measured become.
  • the piston 1 shown in Figure 1 1 is a two-piece piston, consisting of upper part 3 and lower part 2, which are joined together. Ready for use, the piston 1 is then in one piece. However, the piston 1 may also be formed in one piece.
  • This piston I has a ratio between the compression height hi of the piston 1 and the diameter di of the piston 1 of ⁇ 0.53.
  • Figures 12A and 12B and 13A and 13B show the views of upper part 3 and lower part 2 before assembly.
  • This is an example of a structural design of upper part 3 and lower part 2, which are suitably joined together, preferably by friction welding, in order to achieve the desired ratio ⁇ 0.53, preferably less than 0.53.
  • Beta second circle segment between the perpendicular to the pressure side and

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Abstract

Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine aufweisend ein stoffschlüssig mit einem Unterteil (2) gefügtes Oberteil (3), wobei das Unterteil (2) einen Schaft (6) und mindestens eine Bolzenbohrung (7) umfasst, wobei das Oberteil (3) eine Brennraummulde (11) und einen Kolbenboden (5) mit einer Bodenkante (27) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fügestelle (4) im Bereich eines Ringfeldes (9) und in einer äußeren Wand der Brennraummulde (11) angeordnet ist und das Verhältnis aus Kolbenkompressionshöhe (h1) und Durchmesser des Kolbens (d1) kleiner als 0,53 ist.

Description

Kolben mit niedriger Bauhöhe
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft einen Kolben mit niedriger Bauhöhe für Brennkraftmaschinen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 .
Aus der WO 2014/159634 A1 ist ein Fertigkolbenteil bekannt, das verwendet wird, um eine Kolbenanordnung zu bilden. Ein Fertigkolben weist ein Unterteil auf, wobei das Unterteil einen Schaft aufweist und eine untere Oberfläche eines Kühlkanals enthält. Das Unterteil umfasst eine radial schüsseiförmige innere Oberfläche. Die Fertigkolbenanordnung weist ferner ein Oberteil mit einer radial äußeren schüsseiförmigen Oberfläche auf, welche mit der radial inneren schüsseiförmigen Oberfläche zusammenfügbar ist. Das Oberteil weist eine radial umlaufende innere Wand auf, die eine radial innere Oberfläche umfasst. Die radial innere Wand weist eine radial nach innen weisende Oberfläche auf, die einen nicht-parallelen Winkel zu der radial inneren Schüsseloberfläche in dem Bereich hat, wo die radial innere Schüsseloberfläche auf eine radial innersten Kante der radial inneren Verbindungsfläche trifft.
Bei Kolben für Brennkraftmaschinen ist die sogenannte Kompressionshöhe eine charakteristische Kenngröße, wobei die Kompressionshöhe dem Abstand zwischen der Achse des Kolbenbolzens und einer oberen Kante des Kolbens entspricht. Die Bauhöhe einer Brennkraftmaschine wird unter anderem durch diese Kompressionshöhe des Kolbens der Brennkraftmaschine bestimmt. Eine weitere charakteristische Kenngröße eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, welche Einfluss auf die Bauhöhe der Brennkraftmaschine hat, ist eine sogenannte Brennraummuldentiefe einer im Bereich des Kolbenoberteils ausgebildeten Brennraummulde. Über relativ tiefe Brennraummulden kann die Verbrennung im Zylinder der Brennkraftmaschine, in welcher der Kolben zum Einsatz kommt, verbessert werden. Je tiefer eine Brennraummulde ausgeführt wird, desto höher wird jedoch die Kompressionshöhe und damit die Bauhöhe der Brennkraftmaschine. Weiterhin muss auch bei Kolben mit niedriger Bauhöhe ein Zu- und Abfluss des Gemisches bzw. des Gases in bzw. aus dem Brennraum gewährleistet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben, insbesondere einen Kühlkanalkolben, bereitzustellen, der gegenüber bekannten Kolben mit niedriger Bauhöhe gewichtsreduziert ist und einen verbesserten Gemisch- bzw. Gasaustausch ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens eine Fügestelle im Bereich eines Ringfeldes und in einer äußeren Wand der Brennraummulde angeordnet ist und das Verhältnis aus Kolbenkompressionshöhe und Durchmesser des Kolbens kleiner als 0,53 ist. Der Durchmesser des Kolbens ist insbesondere der Außendurchmesser des einsatzbereiten, also fertig bearbeiteten Kolbens.
Die Fügestellen liegen somit in Bereichen des stoffschlüssig gefügten Kolbens, die eine Nachbearbeitung erfordern. Somit können vor allem Schweißwulste im Rahmen dieser Nachbearbeitung zur Ausgestaltung des Ringfeldes und/oder der Brennraummulde entfernt werden. Ein separater Arbeitsschritt ist nicht erforderlich. Gleichzeit wird bei Erzielung der erforderlichen Festigkeit die erforderliche Bauhöhe des Kolbens erreicht. Bereitgestellt wird hierdurch in vorteilhafter Weise ein Kolben, der eine optimierte Bauhöhe der bestimmungsgemäßen Brennkraftmaschine ermöglicht. Dies verringert wiederum den von der Brennkraftmaschine beispielsweise in Fahrzeugen benötigten Bauraum. Auch ermöglicht der erfindungsgemäße Kolben die Herstellung von Masse-optimierten Brenn kraftmasch inen. Durch Kolben mit einer solchen geringen Kompressionshöhe wird Material bei der Herstellung der Kolben und Gewicht des fertigen Kolbens eingespart. Hierdurch kann wiederum der Brennstoffverbrauch gesenkt werden. Durch die optimierte Bauhöhe der Brennkraftmaschine und den dadurch verringerten Bauraum für die Brennkraftmaschine können wiederum neue Fahrzeugkonzepte entstehen. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Lage der inneren Fügestelle in der äußeren Wand der Brennraummulde oberhalb des fertigbearbeiteten Brennraummuldengrundes vorgesehen ist. Somit wird bei der Fertigung der Brennraummulde der innere Reibschweißwulst entfernt. Ein weiterer Arbeitsschritt ist nicht erforderlich.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Kolbenboden des Kolbens mindestens eine Ausnehmung vorgesehen ist. Durch die mindestens eine Ausnehmung wird die Gefahr der Kollision von beweglichen Teilen innerhalb des Zylinders verringert. Beispielsweise kann ein Ventil in den Bereich der Ausnehmung eindringen, ohne in Kontakt mit dem die mindestens eine Ausnehmung aufweisenden Kolben zu treten. Weiterhin kann auch der Zylinderkopf Innenkonturen aufweisen, welche mit der mindestens einen Ausnehmung korrespondieren. Hierbei wird durch die mindestens eine Ausnehmung im Kolben ein Kontakt mit starren Teilen innerhalb des Zylinders verhindert. Die Konturen im Zylinderkopf können beispielsweise zum Leiten des Gemisches bzw. des Gases in bzw. aus dem Brennraum dienen.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die mindestens eine Ausnehmung mindestens eine Aussparung aufweist, die zumindest teilweise die Bodenkante des Kolbenbodens durchtritt. Durch die Aussparung ist ein maximaler Verfahrweg für den Kolben im Zylinder möglich. Der Kolben kann sich dem Zylinderkopf im Bereich der Aussparungen annähern, ohne Gefahr zu laufen, mit den Ventilen in Berührung zu treten. Das Gemisch kann ungehindert in den Brennraum eintreten. Nach der Verbrennung kann das überwiegend gasförmige Gemisch den Brennraum ebenfalls bei großer Annäherung des Kolbens an den Zylinderkopf verlassen.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die mindestens eine Aussparung kreissegmentförmig ausgestaltet ist. Hierdurch wird eine Verbindung von der Aussparung bis zur Zylinderwand geschaffen. Die Aussparung nimmt in ihrer äußeren Gestalt die Form des Kolbens an. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die mindestens eine Ausnehmung mindestens eine Ventiltasche ausbildet. Eine Ventiltasche ermöglicht die Aufnahme eines geöffneten Ventils in den Bereich des Kolbenbodens bei der Annäherung des Kolbens an den oberen Totpunkt. Hierdurch wird gewährleistet, dass ein Kolben mit geringer Bauhöhe den größtmöglichen Verfahrweg innerhalb des Zylinders zurücklegen kann. Der Arbeitshub kann bei geringer Bauhöhe somit maximiert werden. Die aus der Verbrennung gewonnene Energie kann effizient in Bewegungsenergie überführt werden.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Abstand zwischen einer Linie, der Linie zwischen Druckseite und Gegendruckseite und dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche größer ist als der Abstand zwischen der Linie und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche. Hierdurch wird eine Position der Ventiltaschen überwiegend in einer Hälfte des Kolbenbodens, betrachtet bei einer Draufsicht, ermöglicht. Weiterhin wird so gewährleistet, dass genügend Material zwischen den Ausnehmungen bzw. Ventiltaschen verbleibt, um den Kolbenboden nicht zu schwächen.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Abstand zwischen einer Linie, der Linie zwischen Druckseite und Gegendruckseite und dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche mindestens doppelt so groß ist wie der Abstand zwischen der Linie und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche. Hierdurch wird sichergestellt, dass ein genügender Abstand zwischen den Ventiltaschen besteht. Es bleibt genügend Material vorhanden, um einen sicheren Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kolbenschaft des Kolbens eine Beschichtung zur Verminderung der Reibung aufweist. Hierdurch wird die durch den Aufbau des Kolbens mit geringer Bauhöhe bereits verminderte Reibung zwischen Zylinderwand und Kolben weiter herabgesetzt. Die Vorteile dieser Beschichtung sind eine sehr hohe Dauerhaltbarkeit, hervorragende Gleiteigenschaften und eine signifikante Erhöhung der Lebensdauer des Kolbens. Die Schichtdicke der Beschichtung beträgt beispielsweise etwa 0,01 Millimeter (mm). Die Schichtdicke der Beschichtung kann zwischen 0,005 mm und 0,1 mm betragen. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kolben einen Kühlkanal aufweist. Hierdurch erfolgt bei dem dann als Kühlkanalkolben ausgebildeten erfindungsgemäßen Kolben mit niedriger Kompressionshöhe (KH) zusätzlich eine effektive Abfuhr der bei der Verbrennung entstehenden Wärme.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass für den Ölzutritt zum Kühlkanal mindestens ein verlängerter Zulauf vorgesehen ist. Als Kühlmedium ist Öl vorgesehen. Durch einen verlängerten Zulauf kann eine größere Menge Öl in dem Kühlkanal vorgehalten werden. Es bildet sich während des Betriebs der Brennkraftmaschine ein Reservoir für das Kühlöl aus. Durch die Variation der Länge des Zulaufs kann das Niveau des Kühlöls in dem Reservoir beeinflusst werden.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kühlkanal eingeformte Ausnehmungen in seiner Kontur aufweist. Durch diese Ausnehmungen kann das Öl bzw. Kühlöl näher an die Wandung der Brennraummulde gelangen. Hierdurch wird der Wärmeaustausch zwischen Brennraummulde und Öl verbessert. Der Wärmeübergang beispielsweise aus der Brennraummulde auf das im Kühlkanal befindliche Kühlöl wird beschleunigt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die in den Kühlkanal eingeformten Ausnehmungen mit der Auftreffposition der Brennstrahlen in der Brennraummulde korrespondieren. Bei dieser Anordnung der Ausnehmungen im Kühlkanal ist eine direkte Übertragung der durch die Brennstrahlen in die Brennraummulde eingeleiteten Wärmemenge über die Wandung der Brennraummulde auf das Öl ermöglicht. Die Wärme wird nahe ihrem Entstehungsort abgeleitet. Der Kolben heizt sich nicht unnötig auf. Die Lebensdauer des Kolbens wird hierdurch erhöht und die Ausfallwahrscheinlichkeit für die Brennkraftmaschine, aufweisend mindestens einen erfindungsgemäßen Kolben, wird hierdurch verringert.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Oberteil als halbwarmgeschmiedetes Oberteil ausgeführt ist. Bei der Halbwarmumformung von Stahl wird hauptsächlich im Temperaturbereich von 650°C bis 900°C gearbeitet. In diesem Bereich ist die Fließspannung gegenüber der Kaltumformung bei den meisten Stahlsorten um über die Hälfte reduziert. Die jeweils zutreffende Temperatur ist abhängig von der Stahlsorte, der Größe des Kolbens und der Zahl der Umformstufen und wird kolbenspezifisch festgelegt. Eine gegenüber der Kaltumformung kostengünstigere Herstellung für den Kolben ergibt sich durch die Einsparung mehrere Pressarbeitsgänge mit aufwendigen Zwischenbehandlungen (Zwischenglühen, Oberflächenbeschichten) durch Halbwarmumformung. Endkonturnahe (Near-Net-Shape) oder auf Fertigmaß (Net-Shape) umgeformte Kolben oder die Einsparung von Wärmebehandlungsaufwand ermöglichen eine kostengünstige Kol benfertig ung durch Halbwarmumformung.
Bei einem möglichen Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine wird stoffschlüssig ein Unterteil mit einem Oberteil unlösbar gefügt, wobei das Unterteil einen Schaft und mindestens eine Bolzenbohrung und das Oberteil eine Brennraummulde und einen Kolbenboden mit einer Bodenkante umfasst, wobei das Unterteil und das Oberteil vorzugsweise durch Reibschweißen gefügt werden. Bei der Fertigung der Brennraummulde sowie der Ringpartie (Ringfeld) wird ein jeweiliger Reibschweißwulst entfernt.
Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Dimensionen des fertigen Kolbens so gewählt sind, dass das Verhältnis aus Kolbenkompressionshöhe KH und Durchmesser Kolben DK < 0,53 ist. Die Kolbenkompressionshöhe KH wird gemessen von der Oberseite des Kolbens, die dem Brennraum zugewandt ist, bis in Richtung der Mittelachse des Kolbenbolzens. Der Durchmesser des Kolbens DK ist der Außendurchmesser des betriebsfertigen Kolbens. Betriebsfertig heißt, dass der Kolben nach seiner Herstellung fertig bearbeitet ist und in den Zylinder des Motors eingebaut werden kann. Der äußere Durchmesser kann der Durchmesser des Feuersteges des Kolbens sein. Alternativ kann der Außendurchmesser des Kolbens auch gemessen werden im Bereich eines Steges zwischen zwei Kolbenringen. Gegebenenfalls kann zur Bestimmung des äußeren Durchmessers des Kolbens auch der Durchmesser eines zylindrischen oder teilzylindrischen Kolbenschaftes herangezogen werden.
Das Verhältnis von Kolbenkompressionshöhe und äußerem Durchmesser des Kolbens < 0,53, vorzugsweise < 0,53, hat den Vorteil einer besonders kompakten und gewichtsreduzierten Bauweise des Kolbens, verbunden mit reduzierter Bauhöhe und ausreichender Stabilität, um den Beanspruchungen im Betrieb im Zylinder einer Brennkraftmaschine genügen zu können.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines Stahlwerkstoffs in Kombination mit den erfindungsgemäßen Abmessungen des Kolbens bewirkt eine Optimierung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Anordnung im Betrieb von Brennkraftmaschinen. Der Stahlwerkstoff sorgt für eine besonders große Festigkeit sowie mechanische und auch thermische Belastbarkeit des Kolbens. Die erfindungsgemäßen Abmessungen bewirken eine deutliche Reduzierung der Kompressionshöhe und eine Reduktion der Masse gegenüber Aluminiumkolben von beispielsweise 10% und mehr. Dadurch wird die bewegte Masse in der erfindungsgemäßen Anordnung reduziert. Zugleich stellt die Bemessung des Kolbenbolzens in Relation zum Kolbendurchmesser einen sehr guten Kompromiss zwischen der Masse des Kolbenbolzens und der effektiven Krafteinleitung vom Kolben in den Kolbenbolzen im Betrieb der Brennkraftmaschine dar. Die reduzierte Masse des Kolbenbolzens trägt ferner zur Reduzierung der bewegten Masse in der erfindungsgemäßen Anordnung spürbar bei. Die Reduzierung der Bauhöhe bzw. Kompressionshöhe führt schließlich zu einer Verlängerung des Pleuels, was im Betrieb der Brennkraftmaschine geringere Seitenkräfte und damit reduzierte Reibkräfte am Kolbenschaft am Kolbenschaft bzw. zwischen Kolben und Zylinderlauffläche zur Folge hat.
Bei Brennkraftmaschinen werden Kolben mit verschiedenen Brennraummuldenformen eingesetzt. Der in Rede stehende Kolben weist eine Topf- Brennraummulde auf. Der Kolbenboden ist so gestaltet, dass zwischen Kolbenrand und Zylinderkopf eine Quetsch-Strömung (Squish-Strömung) in radialer Richtung entsteht. Außerdem wird die Drallströmung in der Topf-Brennraummulde verstärkt. Für Brennkraftmaschinen mit Drall-Einlasskanälen und Kammerkerzen sind Kolben mit Topf-Brennraummulden sehr gut geeignet. Während des Kompressionstaktes wird das Gemisch über dem Kolbenbodenrand (Squish-Rand) des Kolbens in die Topf-Brennraummulde verdrängt. Während des Expansionstaktes wird das Gemisch wieder aus der Topf-Brennraummulde gesaugt. Dieser Vorgang führt, insbesondere in der Nähe des oberen Totpunkts zu starken Quetsch-Strömungen. Ergänzend zu der Quetsch-Strömung führt die Topf-Brennraummulde auch zu einer Beschleunigung der einlassseitig generierten Drallströmung. Aufgrund der Drehimpulserhaltung erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit der Drallströmung, wenn das Gemisch nach innen in die Topf-Brennraummulde verdrängt wird. Die Erzeugung der Quetsch-Strömung und die Verstärkung der Drallströmung wirken sich positiv auf die Verbrennung aus. Aussparungen im Kolbenboden die bis in die Bodenkante reichen, ermöglichen einen verbesserten Zufluss des Gemisches über die Ventile in den Brennraum, da der Kolbenboden den Zufluss nicht behindert.
Im Rahmen von Verbrauchs- und Emissionsreduzierungen bei als Hubkolbenmaschinen ausgebildeten Brennkraftmaschinen führen fortschreitende Entwicklungen zu stetig wachsenden spezifischen Leistungen der Hubkolben- Brennkraftmaschinen. Damit einher gehen verkleinerte Brennräume, insbesondere Zylinder, der Hubkolben-Brennkraftmaschine, die im Bereich des oberen Totpunkts von Kolben der Hubkolben-Brennkraftmaschinen Ventilhübe von Ventilen zur Bewältigung von Gasladungswechseln zunehmend einschränken. Um diese Einschränkungen der Ventilhübe von Einlass- wie auch Auslassventilen in Grenzen zu halten, weißt ein erfindungsgemäßer Kolben für eine Hubkolben- Brennkraftmaschine mit einem Verhältnis von Kolbenkompressionshöhe und äußerem Durchmesser des Kolbens von 0,48 bis 0,75, insbesondere < 0,53, vorzugsweise < 0,53, für zumindest eine stirnseitige, zu einer Außenkontur eines Ventiltellers eines Ventils der Hubkolbenmaschine korrespondierende Ausnehmung auf, welche als Ventiltasche bezeichnet wird, in welcher der Ventilteller zumindest bereichsweise aufnehmbar ist. Vor dem Hintergrund stetig steigender Spitzendrücke einer solchen Hubkolbenmaschine in Kombination mit Temperaturschwankungen während eines verbrennungsmotorischen Betriebs derselbigen kommt es zu hohen Beanspruchungen des Kolbens.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Kolben, wie er vorstehend beschrieben wurde, bereitgestellt. Dieser Kolben der vorliegenden Erfindung kann in jeder Art von Hubkolben-Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Je mehr Zylinder und Kolben eine derartige Brennkraftmaschine umfasst, desto größer ist der durch die Erfindung zu erzielende Effekt, da dort die Reibung des Schaftes einen größeren Anteil an der Gesamtreibung aufweisen. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einer der vorstehend beschriebenen Brennkraftmaschinen bereitgestellt. Ein derartiges Kraftfahrzeug kann beispielsweise als Landfahrzeug, als Wasserfahrzeug oder als Luftfahrzeug ausgeführt sein. Die häufigste Ausführung wird Landfahrzeuge, beispielsweise Personenkraftwagen, Nutzkraftwagen oder Lastkraftwagen betreffen.
Ein weiterer Vorteil der geringen Bauhöhe liegt darin, dass die Brennkraftmaschine, in der der Kolben betrieben wird, flacher bauen kann. Kombiniert mit der Ausbildung von Ausnehmungen im Kolbenboden kann eine noch flachere Bauhöhe für den Kolben erzielt werden.
Die grundlegende Idee wird im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Figuren anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Kolbens,
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Kolbens gemäß der Linie II in Figur 1 ,
Fig. 3 ein in Figur 2 mit III gekennzeichnetes Detail,
Fig. 4 ein mit IV gekennzeichnetes Detail aus Figur 2,
Fig. 5 eine Schnittansicht eines Kolbens gemäß der Linie V-V in Figur
2
Fig. 6 eine Schnittansicht eines Kolbens gemäß der Linie Vl-Vl in Figur
2
Fig. 7 eine Schnittansicht eines Kolbens gemäß der Linie Vll-Vll in
Figur 6, Fig. 8 eine Schnittansicht eines Kolbenbereiches gemäß der Linie VIII- VIII in Figur 7,
Fig. 9 eine Draufsicht auf einen Kolbenboden
Fig. 10 einen Ausschnitt aus dem Kolben im Bereich einer kolbenbodenseitig vorgesehenen Ventiltasche entsprechend einer Schnittführung X-X in Figur 9,
Fig. 1 1 eine Schnittansicht eines weiteren Kolbens
Fig. 12A u. 12B Schnittansichten von Unterteil und Oberteil eines Kolbens gemäß
Figur 1 1 und
Fig. 13A u. 13B gegenüber den Figuren 12A und 12B um 90 Grad gedrehte
Schnittansichten von Unterteil und Oberteil eines Kolbens gemäß Figur 1 1 .
Der Kolben 1 ist in den Figuren jeweils identisch aufgebaut und wird im Folgenden zuerst allgemein beschrieben. Anschließend werden die Figuren jeweils im Detail dargestellt. Gleiche Bauteile sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern benannt und neue Bezugsziffern werden in den Figuren für unterschiedliche Bauteile verwendet.
Der Kolben 1 für eine Brennkraftmaschine ist aus einem Unterteil 2 und einem Oberteil 3 hergestellt. Zwischen dem Unterteil 2 und dem Oberteil 3 ist mindestens eine Fügestelle 4 ausgebildet. Im Bereich der Fügestelle 4 treffen am Unterteil 2 sowie am Oberteil 3 ausgebildete Fügeflächen aufeinander. Eine Fügestelle 4 ist im Bereich eines Ringfeldes 9 ausgebildet. Zusätzlich ist eine weitere Fügestelle 4 in der äußeren Wand einer Brennraummulde 1 1 ausgebildet sein. Zumindest eine der Fügestellen 4 kann als „Rohr auf Platte" ausgeführt sein. Sofern der Kolben 1 mindestens einen Kühlkanal 6 aufweist, kann die Kontur des mindestens einen Kühlkanals 6 im Unterteil 2 oder im Oberteil 3 ausgebildet sein, wobei diese Ausführung als„Rohr" bezeichnet wird. Die Gegenseite wird im Unterteil 2 oder im Oberteil 3 als umlaufende ebene oder nahezu ebene Fläche ausgeführt und dementsprechend als„Platte" bezeichnet.
Am Oberteil 3 ist ein Kolbenboden 5 ausgebildet. Der Kolbenboden 5 ist auf der einem Kühlkanal 6 abgewandten Seite des Oberteils 3 angeordnet. An dem Unterteil 2 ist ein Kolbenschaft 6 ausgebildet, welcher Bolzenbohrungen 7 aufweist. Der aus Unterteil 2 und Oberteil 3 gefügte Kolben 1 weist das umlaufende Ringfeld 9, ausgestattet mit Ringnuten 10 auf. Zentrisch oder exzentrisch um eine Kolbenhubachse 12 ist im Oberteil 3 die Brennraummulde 1 1 angeordnet. Im Bereich der Bolzenbohrung 7 ist eine Bolzenbohrungsachse 13 angeordnet, welche der Mittelachse des nicht dargestellten Kolbenbolzens entspricht. Im Bereich des Ringfeldes 9 können, müssen aber nicht, Ölrücklauföffnungen 19 angeordnet sein.
In der Figur 1 ist ein aus Unterteil 2 und Oberteil 2 gefügter Kolben 1 abgebildet. Im Bereich des Schafts 6 weist dieser eine Beschichtung 14 auf. Diese Beschichtung 14 weist eine geringe Reibung auf. Die Vorteile dieser Beschichtung 14 sind eine sehr hohe Dauerhaltbarkeit, hervorragende Gleiteigenschaften und eine signifikante Erhöhung der Lebensdauer des Kolbens 1 .
In den Figuren 1 , 6 und 1 1 ist dargestellt, an welchen Stellen die Kolbenkompressionshöhe hi und der Durchmesser di des Kolbens gemessen werden. In den Figuren 6 und 1 1 ist zusätzlich die Muldenhöhe i2 der Brennraummulde eingezeichnet. Der Durchmesser di des Kolbens 1 gemäß den Figuren 1 und 6 kann beispielsweise zwischen 100 mm und 150 mm betragen. Der Wert für hi kann zwischen 70 mm und 90 mm variieren. Somit variiert das Verhältnis aus Kompressionshöhe hi und dem Durchmesser di des Kolbens 1 zwischen 0,48 und 0,75.
In der Figur 5 ist ein gratfreier Bereich 15 im Bereich der Bolzenbohrung 7 angeordnet. Weiterhin ist zentral ein Hilfseinpass 16 dargestellt. In der Figur 7 sind ein Zulauf 17 mit einem Durchmesser 02 und ein Ablauf 18 mit einem Durchmesser d3 dargestellt. Durch den Zulauf 17 kann Öl in den Kühlbereich eintreten und durch den Ablauf 18 kann das Öl diesen Bereich wieder verlassen.
Die Figur 9 zeigt zwei Ausnehmungen 20 ausgeführt als Ventiltaschen 21 , 22 die jeweils einen Durchmesser d4 aufweisen. Der Durchmesser d4 kann einen Wert zwischen 35 mm und 55 mm annehmen. Der Durchmesser d4 der Ventiltaschen 21 , 22 kann auch unterschiedliche Werte annehmen. Es kann eine beliebige Anzahl an beispielsweise als Einfräsungen ausgebildeten Ausnehmungen 20 vorgesehen werden. Bevorzugt ist zumindest ein Teil der Ausnehmungen 20 zumindest bereichsweise als Ventiltasche 21 , 22 ausgebildet, in welcher Gaswechselventile der Hubkolben-Brennkraftmaschine bei deren Betrieb zumindest bereichsweise aufgenommen werden, das heißt eintauchen, können. So kann eine Kollision der Gaswechselventile mit dem Kolben 1 vermieden werden. Durch diese Ausgestaltung und Funktion der Ausnehmungen 20 ist eine Funktionsintegration dargestellt, welche die Kosten des Kolbens 1 , insbesondere dessen Herstellkosten, gering hält.
In radialer Richtung des Kolbens 1 schließen sich die Ventiltaschen 21 , 22 des Kolbens 1 an, in welchen jeweilige korrespondierende Ventilteller von Gaswechselventilen der Hubkolben-Brennkraftmaschine aufnehmbar sind. Befindet sich der Kolben 1 in seinem oberen Totpunkt in dem Brennraum der Hubkolbenmaschine, so stellen die Ventiltaschen 21 , 22 für die jeweiligen Gaswechselventile, das heißt für entsprechende Ein- bzw. Auslassventile, jeweils einen ausreichend großen Freigang bereit, damit die Gaswechselventile jeweils einen erwünscht großen Ventilhub ausführen können, um einen Gaswechsel zu ermöglichen. Mit anderen Worten können sich die Gaswechselventile durch die von den Ventiltaschen 21 , 22 bereitgestellten Freigänge weit genug öffnen, um einen Austausch von Abgas und von der Hubkolben-Brennkraftmaschine angesaugter Luft bzw. eines von der Hubkolben-Brennkraftmaschine angesaugten Gemisches effizient bewirken zu können.
Ein erstes Kreissegment Alpha befindet sich zwischen einer ersten Ventiltasche 21 und der senkrecht zu der eine Druckseite (DS) 25 und eine Gegendruckseite (GDS) 26 verbindenden Linie 23 stehenden Linie 24. Ein zweites Kreissegment Beta befindet sich zwischen der senkrecht zu der die Druckseite 25 und Gegendruckseite 26 verbindenden Linie 23 stehenden Linie 24 und einer zweiten Ventiltasche 22. Ein drittes Kreissegment Gamma befindet sich zwischen der zweiten Ventiltasche 22 und der die Druckseite 25 und Gegendruckseite 26 verbindenden Linie 23. Das erste Kreissegment Alpha kann Werte zwischen 15 Grad und 30 Grad annehmen, bevorzugt zwischen 20 Grad und 25 Grad. Das zweite Kreissegment Beta kann Werte zwischen 55 Grad und 70 Grad annehmen, bevorzugt zwischen 60 Grad und 65 Grad. Das dritte Kreissegment Gamma kann Werte zwischen 15 Grad und 35 Grad annehmen, bevorzugt zwischen 20 Grad und 30 Grad.
Umlaufend wird der Kolbenboden 1 1 von einer Bodenkante 27 begrenzt. Im Bereich der Ventiltaschen 21 , 22 weist die Bodenkante 27 kreissegmentförmige Aussparungen 28 auf. Die Länge h der Aussparung 28 der ersten Ventiltasche 21 entspricht der Länge I2 der Aussparung 28 der zweiten Ventiltasche 22. Die Längen und I2 können Werte zwischen 15 Millimetern und 35 Millimetern annehmen, bevorzugt zwischen 20 mm und 30 mm. Gemäß dem Ausführungsbeispiel können und I2 gleiche Werte aufweisen, müssen jedoch nicht gleiche Werte aufweisen. Die Maße für und I2 können unabhängig voneinander variiert werden.
Der Abstand xi zwischen der Linie 23 und dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche 21 ist größer als der Abstand X2 zwischen der Linie 23 und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche 22. Der Abstand xi kann zwischen 30 mm und 45 mm betragen, bevorzugt zwischen 35 mm und 40 mm. Der Abstand X2 kann zwischen 15 mm und 22,5 mm liegen, bevorzugt zwischen 17,5 mm und 22,5 mm.
Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche 21 und der Linie 24 ist mit X3 bezeichnet. Der Abstand zwischen der Linie 24 und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche 22 ist mit x4 bezeichnet. Der Abstand X3 ist geringer als der Abstand x4. Der Abstand x4 kann zwischen 25 mm und 45 mm liegen, bevorzugt zwischen 30 mm und 40 mm. Der Abstand X3 kann zwischen 12,5 mm und 22,5 mm liegen, bevorzugt zwischen 15 mm und 20 mm.
Figur 1 1 zeigt einen fertigen Kolben 1 , bei dem erkennbar ist, an welchen Stellen die Kolbenkompressionshöhe hi und der Durchmesser di des Kolbens gemessen werden. Der in Figur 1 1 gezeigte Kolben 1 ist ein zweiteiliger Kolben, bestehend aus Oberteil 3 und Unterteil 2, die zusammengefügt werden. Einsatzbereit ist der Kolben 1 dann einstückig. Allerdings kann der Kolben 1 auch einteilig ausgebildet sein. Dieser Kolben Iweist ein Verhältnis zwischen der Kompressionshöhe hi des Kolbens 1 und dem Durchmesser di des Kolbens 1 von < 0,53 auf.
Figuren 12A und 12B sowie 13A und 13B zeigen die Ansichten von Oberteil 3 und Unterteil 2 vor dem Zusammenfügen. Dies ist ein Beispiel für eine konstruktive Ausgestaltung von Oberteil 3 und Unterteil 2, die in geeigneter weise, vorzugsweise durch Reibschweißen, zusammengefügt werden, um das gewünschte Verhältnis < 0,53, vorzugsweise kleiner 0,53, zu erzielen.
BEZUGSZEICH EN LISTE
Kolben
Kolbenunterteil
Kolbenoberteil
Fügestelle
Kolbenboden
Kolbenschaft
Bolzenbohrung
Kühlkanal
Ringfeld
Ringnut
Brennraummulde
Kolbenhubachse
Bolzenbohrungsachse / Mittelachse des Kolbenbolzens Beschichtung
gratfreier Bereich
Hilfseinpass
Zulauf
Ablauf
Ölrücklauföffnung
Ausnehmung
erste Ventiltasche
zweite Ventiltasche
Linie zwischen Druckseite (DS) und Gegendruckseite (GDS) Linie senkrecht zur Linie 23
Druckseite (DS)
Gegendruckseite (GDS)
Bodenkante
Aussparungen hi Kolbenkompressionshöhe
i2 Muldenhöhe
h Länge der Aussparung der ersten Ventiltasche
I2 Länge der Aussparung der zweiten Ventiltasche
xi Abstand zwischen der Linie 23 und dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche 21 X2 Abstand zwischen der Linie 23 und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche 22 X3 Abstand zwischen dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche 21 und der Linie 24 x4 Abstand zwischen der Linie 24 und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche 22 d i Durchmesser Kolben
d2 Durchmesser Zulauf
d3 Durchmesser Ablauf
d4 Durchmesser Ventiltasche
Alpha erstes Kreissegment zwischen erster Ventiltasche und der senkrecht zu der die Druckseite und Gegendruckseite verbindenden Linie stehenden Linie
Beta zweites Kreissegment zwischen der senkrecht zu der die Druckseite und
Gegendruckseite verbindenden Linie stehenden Linie und der zweiten Ventiltasche
Gamma drittes Kreissegment zwischen der zweiten Ventiltasche und der die
Druckseite und Gegendruckseite verbindenden Linie

Claims

Kolben mit niedriger Bauhöhe P A T E N T A N S P R Ü C H E
1 . Kolben (1 ) für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein stoffschlüssig mit einem Unterteil (2) gefügtes Oberteil (3), wobei das Unterteil (2) einen Schaft (6) und mindestens eine Bolzenbohrung (7) umfasst, wobei das Oberteil (3) eine Brennraummulde (1 1 ) und einen Kolbenboden (5) mit einer Bodenkante (27) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fügestelle (4) im Bereich eines Ringfeldes (9) und in einer äußeren Wand der Brennraummulde (1 1 ) angeordnet ist und das Verhältnis aus Kolbenkompressionshöhe (hi) und Durchmesser des Kolbens (di) kleiner als 0,53 ist.
2. Kolben (1 ) nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der inneren Fügestelle (4) in der äußeren Wand der Brennraummulde (1 1 ) oberhalb des fertigbearbeiteten Brennraummuldengrundes vorgesehen ist.
3. Kolben nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kolbenboden (5) des Kolbens (1 ) mindestens eine Ausnehmung (20) vorgesehen ist.
4. Kolben nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung (20) mindestens eine Aussparung (28) aufweist, die zumindest teilweise die Bodenkante (27) des Kolbenbodens (5) durchtritt.
5. Kolben nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aussparung (28) kreissegmentförmig ausgestaltet ist.
6. Kolben (1 ) nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung (20) mindestens eine Ventiltasche (21 , 22) ausbildet.
7. Kolben nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (xi) zwischen einer Linie (23), der Linie zwischen Druckseite (25) und Gegendruckseite (26) und dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche (21 ) größer ist als der Abstand (X2) zwischen der Linie (23) und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche (22).
8. Kolben (1 ) nach Patentanspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (xi) zwischen einer Linie (23), der Linie zwischen Druckseite (25) und Gegendruckseite (26) und dem Mittelpunkt der ersten Ventiltasche (21 ) mindestens doppelt so groß ist wie der Abstand (X2) zwischen der Linie (23) und dem Mittelpunkt der zweiten Ventiltasche (22).
9. Kolben (1 ) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenschaft (6) des Kolbens (1 ) eine Beschichtung (14) zur Verminderung der Reibung aufweist.
10. Kolben (1 ) nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1 ) einen Kühlkanal (8) aufweist.
1 1 . Kolben nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den
Ölzutritt zum Kühlkanal (8) mindestens ein verlängerter Zulauf vorgesehen ist.
12. Kolben (1 ) nach Patentanspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Kühlkanal (8) eingeformte Ausnehmungen in seiner Kontur aufweist.
13. Kolben (1 ) nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Kühlkanal (8) eingeformten Ausnehmungen mit der Auftreffposition der Brennstrahlen in der Brennraummulde (1 1 ) korrespondieren.
14. Kolben nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (3) als halbwarnngeschnniedetes Oberteil ausgeführt ist.
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