WO2016071235A1

WO2016071235A1 - Kolben für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: WO2016071235A1
Application number: PCT/EP2015/075290
Authority: WO
Inventors: Dieter EMMRICH; Rainer Fischer; Thomas Hettich; Ralf Braig; Eric Erbs; Markus Alexander Hirsch; Artem Walter
Original assignee: Mahle International Gmbh
Priority date: 2014-11-03
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-05-12
Also published as: JP6763866B2; DE102014222416A1; JP2017534807A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, - mit einem Kolbenschaft (2), der einen Kasteninnenraum (5) aufweist, der von zwei Kastenwänden (3a, 3b) und zwei Schaftwänden (4a, 4b) teilweise begrenzt ist, - wobei in den beiden Kastenwänden (3a, 3b) jeweils eine Nabe (9a, 9b) mit einer Durchgangsöffnung (6a, 6b) vorgesehen ist, - wobei der Kolben (1) einen vorbestimmten Kolben-Durchmesser (d) aufweist und - zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (7) eingerichtet ist, der in die beiden Durchgangsöffnungen (6a, 6b) eingreift und einen vorbestimmten Bolzen-Durchmesser (D) und eine vorbestimmte Bolzen-Länge (L) aufweist, - wobei in einem Mittellängsschnitt des Kolbens (1) durch eine Verbindungslinie (V) zwischen den beiden bezüglich der Kasten-Stirnwand (10) distalen Enden der beiden Durchgangsöffnungen (6a, 6b) ein maximaler Kastenwand-Abstand (A) zwischen den beiden Kastenwänden (3a, 3b) definiert ist, - wobei für den Kolben-Durchmesser (d), den Bolzen-Durchmesser (D), die Bolzen-Länge (L) und den Kastenwand-Abstand (A) folgender Zusammenhang gilt: Kastenwand-Abstand * Kolben-Durchmesser / (Bolzen-Länge * Bolzen-Durchmesser) = C, mit 1,1 < C <= 1,7.

Description

Kolben für eine Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Dieselmotor.

Als Kolben wird im Zusammenhang mit Brennkraftmaschinen ein bewegliches Bauteil bezeichnet, das zusammen mit einem feststehenden Bauteil, dem sogenannten Zylinder, einen abgeschlossenen Brennraum bildet, dessen Volumen durch Bewegung des Kolbens im Zylinder variiert werden kann. Zum Antreiben des Kolbens wird dieser typischerweise über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antriebsverbunden. Eine solche Kopplung des Pleuels kann mittels eines Kolbenbolzens erfolgen, der von einer im Kolben ausgebildeten Bolzennabe aufgenommen wird.

In modernen Brennkraftmaschinen, insbesondere in modernen Dieselmotoren, wird der zu verbrennende Kraftstoff aus Effizienzgründen zumeist direkt in die jeweilige Brennkammer eingespritzt. Zur weiteren Leistungssteigerung sind derartige Brennkraftmaschinen in der Regel mit einem Abgasturbolader ausgestattet. Beide Maßnahmen führen in den Zylindern der Brennkraftmaschine zu deutlich erhöhten Zünddrücken und Temperaturen, womit erhöhte mechanische Belastungen der üblicherweise in Leichtbauweise hergestellten Kolben verbunden sind.

Vor diesem Hintergrund offenbart die DE 10 201 1 002 653 A1 einen Kolben zum Einsatz in Verbrennungsmotoren. Der Kolben weist zwei einander gegenüberliegende Schaftwände und zwei gegenüberliegende Kastenwände auf, die einen Kasteninnenraum begrenzen. Wenigstens eine Schaftwand ist für eine Benutzung an der Druckseite des Kolbens vorgesehen; im Bereich dieser Schaftwand ist die Ausnehmung im Wesentlichen in Form einer Parabel, eines Ellipsenabschnitts oder einer Katenoide begrenzt. Diese Parabel, dieser Ellipsenabschnitt bzw. diese Katenoide liegt in einer Schnittebene, die sich im Wesentlichen parallel zum Kolbenboden des Kolbens erstreckt.

Die WO 2004/029441 offenbart einen mehrteiligen gekühlten Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem geschmiedeten Kolbenoberteil und einem unlösbar mit diesem verbundenen Kolbenunterteil. Das Kolbenunterteil umfasst einen Kolbenschaft, Naben zur Aufnahme eines den Kolbenschaft an ein Pleuel koppelnden Kolbenbolzens sowie mit dem Kolbenschaft verbundene Nabenabstützungen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für einen Kolben zu schaffen, der sich insbesondere durch eine verbesserte mechanische Stabilität bei gleichzeitig geringem Eigengewicht auszeichnet. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kolben bereitzustellen.

Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Grundgedanke der Erfindung ist demnach, die beiden den Kasteninnenraum begrenzenden Kastenwände in möglichst geringem Abstand zueinander anzuordnen. Ein unterer Grenzwert für einen solchen möglichst geringen Abstand ist dabei automatisch dadurch gegeben, dass innerhalb des Kasteninnenraums für das mit dem Kolbenbolzen gekoppelte Pleuel zum Antreiben des Kolbens noch ausreichend Bauraum vorhanden sein muss. Die hier vorgeschlagene, erfindungswesentliche Verlagerung der den Kasteninnenraum begrenzenden Kastenwände des Kolbenschafts zur Mitte des Kasteninnenraums hin hat zur Folge, dass der dem Brennraum eines Zylinders zugewandte Kolbenboden des Kolbens mittels besag- ter Kastenwände besser abgestützt werden kann. In der Folge sind im Brennraum höhere Zünddrücke und Temperaturen in dem zu zündenden Gas-Luftgemisch möglich. Um zu verhindern, dass der erfindungsgemäß verringerte Abstand der beiden Kastenwände zueinander ein unerwünschtes Verbiegen des sich an den Kastenwänden abstützenden Kolbenbolzens zur Folge hat, werden Bolzen-Länge und Bolzen-Durchmesser des Kolbenbolzens gegenüber herkömmlichen Kolbenbolzen erfindungsgemäß vergrößert. Im Ergebnis kann somit die Gefahr einer belastungsbedingten Rissbildung am Muldenrand nahezu ausgeschlossen werden.

Ein erfindungsgemäßer Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Dieselmotor, umfasst einen sich entlang einer Kolbenlängsrichtung erstreckenden Kolbenschaft. Der Kolbenschaft wird entlang dieser Kolbenlängsrichtung durch einen Kolbenboden begrenzt. Der Kolbenschaft umfasst einen sogenannten Kasteninnenraum, welcher von zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegenden Kastenwänden sowie von zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegenden

Schaftwänden begrenzt wird. In besagten Kastenwänden ist jeweils eine zu einer Nabe gehörende Durchgangsöffnung bzw. Nabenbohrung mit einem vorbestimmten Öffnungsdurchmesser vorgesehen. Beide Durchgangsöffnungen dienen zur Aufnahme eines Kolbenbolzens. Ein solcher Kolbenbolzen, mittels welchem der Kolben an ein Pleuel gekoppelt werden kann, ist in einem am Kolben montierten Zustand in die beiden Durchgangsöffnungen eingesetzt, so dass er in diese jeweils von innen, also vom Kasteninnenraum aus nach außen eingreift. In der In- nenumfangsfläche jeder Durchgangsöffnung ist typischerweise eine umlaufende Nut angeordnet, die zur Aufnahme eines Bolzensicherungselements, z.B. eines Sprengrings, als Axialsicherung eingerichtet ist. Der Kolbenbolzen weist einen vorbestimmten Bolzen-Durchmesser und eine vorbestimmte Bolzen-Länge auf, für die der Durchmesser der Durchgangsöffnungen bzw. der Abstand der Sprengringnuten bemessen sind. Inn Bereich des Schafts ist durch eine Richtung senkrecht zur Kolbenlängsrichtung ein Kolben-Durchmesser des Kolbens definiert. Neben seinen beiden Kastenwänden und den beiden Schaftwänden, welche zusammen den Kasteninnenraum entlang seiner Umfangsrichtung begrenzen, besitzt der Kolbenschaft auch eine Kasten-Stirnwand, welche den Kasteninnenraum in der Kolbenlängsrichtung auf einer dem Kolbenboden zugewandten Seite des Kolbenschafts begrenzt.

In einem Schnitt des Kolbeninnenraums orthogonal zu der Kolbenlängsachse auf Höhe der vom Kolbenboden am weitesten entfernten, d.h. im Einbauzustand unteren Enden bzw. Mantellinien der beiden Durchgangsöffnungen ist der in der Bolzenlängsrichtung gemessene, größte auftretende Abstand der beiden Kastenwände entlang einer beliebigen, zur Bolzenlängsachse parallelen Geraden als maximaler Kastenwand-Abstand A bezeichnet. Erfindungswesentlich ist der Quotient C aus dem Kolben-Durchmesser, dem Bolzen-Durchmesser, der Bolzen- Länge und dem maximalen Kastenwand-Abstand A. Erfindungsgemäß gilt für diese Größen folgender Zusammenhang:

Kastenwand-Abstand ^* Kolben-Durchmesser

= c,

Bolzen-Länge ^* Bolzen-Durchmesser

Dabei weist C einen Wert von größer als 1 ,1 und von höchstens 1 ,7 auf. In einer bevorzugten Ausführungsform gilt: C < 1 ,5; besonders bevorzugt C < 1 ,3.

Experimentelle Untersuchungen in Verbindung mit entsprechenden Simulationsrechnungen haben gezeigt, dass durch den o.g. Zusammenhang zwischen maximalem Kastenwand-Abstand, Kolben-Durchmesser, Bolzen-Länge und Bolzen- Durchmesser Rissbildungen in den Kasten- und Schaftwänden, in der Kasten- Stirnwand sowie im Kolbenboden, verursacht von den auf den Kolbenschaft wirkenden mechanischen Belastungen, vermieden werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist in beiden Naben in einem dem Kasteninnenraum in einer axialen Richtung abgewandten axialen Endabschnitt auf einer Innenumfangsfläche der jeweiligen Durchgangsöffnung eine umlaufende Aufnahmenut zur Aufnahme eines jeweiligen Kolbenbolzen-Sicherungselements vorgesehen. Dabei ist die vorbestimmte maximale Kolbenbolzenlänge durch den Abstand der Aufnahmenuten in der axialen Richtung definiert.

In einer bevorzugten Ausführungsform mit verbesserter mechanischer Stabilität konvergieren die beiden Kastenwände im Mittellängsschnitt des Kolbens entlang der Kolbenrichtung wenigstens in einem bezüglich der Kasten-Stirnwand distalen Bereich zur Kasten-Stirnwand hin.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorangehend erläuterten Ausführungsform können sich die beiden Kastenwände im Mittellängsschnitt von einem der Kasten-Stirnwand abgewandten Ende bis zu einem der Kasten-Stirnwand zugewandten Ende durchgehend verjüngen. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Kastenwände eben ausgebildet.

In einer bevorzugten Ausführungsform gilt obige, erfindungswesentliche Beziehung zwischen Kolben-Durchmesser, Bolzen-Durchmesser, Bolzen-Länge und maximalem Kastenwand-Abstand für einen Kolben, der zur Aufnahme eines Kolbenbolzens eingerichtet und zur Sicherung desselben während des Betriebs mit einer Axialsicherung versehen ist. Typischerweise weisen die Innenumfangsflä- chen der Durchgangsöffnungen der beiden Bolzennaben jeweils eine umlaufende Nut auf, die sich in dem axialen Endabschnitt an dem der Kolbenlängsachse abgewandten Ende der jeweiligen Durchgangsöffnung befindet. Die beiden Nuten sind jeweils zur Aufnahme eines Sicherungselements, bevorzugt eines Sprengrings, eingerichtet, der aus der Innenumfangsfläche nach radial innen aus der Nut vorsteht, und sichern den axial dazwischen liegenden Bolzen in beiden Richtungen gegen eine unerwünschte axiale Verschiebung. Die Lagerung des Bolzens erfolgt sowohl in Axialrichtung zwischen den Sicherungsnuten als auch in Radialrichtung in den Durchgangsöffnungen mit einem geringen Spiel, so dass sich auch die vorgesehene Länge und der vorgesehene Durchmesser eines geeigneten Bolzens mit hoher Genauigkeit als eine obere Abschätzung am Kolben selbst messbar verkörpert. Daher wird ein erfindungsgemäßer Kolben mit einer die maximale Bolzenlänge vorgebenden Axialsicherung in den beigefügten Ansprüchen auch für sich allein beansprucht.

In Kolbenböden herkömmlicher Kolben wird oftmals ein zu Kühlzwecken von einem Öl durchströmbarer Kühlmittelkanal vorgesehen. Die Zuführung von Öl kann etwa mittels eines im Kolbenboden vorgesehenen Öl-Einlasskanals, der sich im Wesentlichen geradlinig entlang einer Öleinlass-Achse erstrecken kann. Als besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, wenn besagte Öleinlass-Achse in Kolbenlängsrichtung oder in einem Winkel <5° zur Kolbenlängsrichtung ausgerichtet ist und sich auf einer vom Kasteninnenraum abgewandten äußeren Seite einer der beiden Kastenwände erstreckt. Dies ermöglicht es, den Abstand zwischen den beiden Kastenwänden weiter zu verringern und sie somit noch näher am Pleuel anzuordnen. Auf diese Weise kann die mechanische Stabilität des Bolzenschafts weiter erhöht werden.

Der erfindungsgemäße Kolben ist vorzugsweise ein aus einer Leichtmetalllegierung gegossener Kolben, bei dem ein Kühlkanal durch einen in der Gießform angeordneten ringförmigen Salzkern gebildet wird. Ein Ein- und Auslass für das Kühlöl können beim Gießen durch jeweils eine den Salzkern stützende Pinole gebildet werden. Eine besonders stabile Fixierung des Kolbenbolzens im Kasteninnenraum kann indes erreicht werden, indem jeweils auf einer vom Kasteninnenraum abgewandten Seite der beiden Kastenwände an diesen eine von der jeweiligen Kastenwand abstehende und die jeweilige Durchgangsöffnung einfassende Nabe vorgesehen wird. Die beiden Durchgangsöffnungen, welche in einer Draufsicht von außen auf eine der beiden Kastenwände zueinander fluchtend angeordnet sind, werden in einem montierten Zustand des Kolbenbolzens beide von diesem durchgriffen. Die Naben sind vorzugsweise vollständig auf der Außenseite der Kastenwände angeordnet und ragen nicht in den Kasteninnenraum hinein, wodurch ein geringerer Abstand der beiden Kastenwände möglich wird. Die beiden Naben schließen sich unmittelbar an den Kolbenboden an und erlauben eine besonders gleichmäßige Einleitung der vom Pleuel erzeugten Kräfte in den Kolbenschaft und -boden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Durchgangsöffnung jeder der beiden Naben entlang einer axialen Richtung der Nabe eine vorbestimmte Länge aufweisen. Hinsichtlich der mechanischen Steifigkeit als besonders vorteilhaft erweist sich eine Dimensionierung der beiden Kastenwände und der von diesen abstehenden Naben derart, dass das Verhältnis von der Länge jeder einzelnen Durchgangsöffnung zu Bolzen-Länge des Kolbenbolzens einen Wert von größer als 0,3 annimmt. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass mit einem solchen Verhältnis eine weitere Verbesserung der mechanischen Stabilität des Kolbenschafts einhergeht.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, welche ebenfalls mit einer verbesserten mechanischen Stabilität des Kolbenschafts einhergeht, können die beiden Schaftwände im Querschnitt des Kolbens orthogonal zur Kolbenlängsrichtung jeweils eine gekrümmte Wandkontur aufweisen. Diese Wandkontur, die besonders bevorzugt die geometrische Gestalt eines Kreissegment, eines Parabelab- Schnitts, oder eines Abschnitts mit elliptischer Geometrie aufweisen kann, erstreckt sich in besagtem Kolbenquerschnitt von einem ersten Schaftwand- Endpunkt zu einem zweiten Schaftwand-Endpunkt. Wesentlich für die gewünschte mechanische Stabilitätssteigerung ist nun, dass die beiden Schaftwand- Endpunkte bezüglich eines im Querschnitt des Kolbens durch die Mittellängsachse des Kolbens definierten Scheitelpunkts einen Winkel von maximal 70° ausbilden.

Besonders zweckmäßig lässt sich der erfindungsgemäße Aufbau des Kolbens einschließlich des Kolbenschafts mittels eines Gussverfahrens herstellen. Dies geht mit erheblichen Kostenvorteilen bei der Herstellung des Kolbens einher.

Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor mit wenigstens einem einen Brennraum aufweisenden Zylinder, wobei im Brennraum des Zylinders ein vorangehend vorgestellter Kolben axial verschiebbar und abdichtend angeordnet ist.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch

Fig. 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Außenseite einer Kastenwand des Kolbenschafts,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Außenseite einer Schaftwand

des Kolbenschafts,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Kasteninnenraum des Schaftinnenraums entlang der Kolbenlängsrichtung,

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Kolbenschaft auf Höhe der vom Kolbenboden am weitesten entfernten Mantellinie der in den Kastenwänden vorgesehenen Durchgangsöffnungen.

Figur 1 illustriert in einer perspektivischen Ansicht ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 1 für eine Brennkraftmaschine. Der Kolben 1 umfasst einen sich entlang einer Kolbenlängsrichtung R erstreckenden Kolbenschaft 2 und wird in der Kolbenlängsrichtung R stirnseitig von einem Kolbenboden 22 begrenzt. Wird der Kolben 1 funktionsgemäß in einem Brennraum eines Zylinders montiert, so dient der Kolbenboden 22 auch als stirnseitige Begrenzung des Brennraums. Der Kolbenschaft 2 des Kolbens 1 weist einen Kasteninnenraum 5 zur Aufnahme eines Pleuels (nicht gezeigt) auf, der von zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegenden Kastenwänden 3a, 3b und zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegenden Schaftwänden 4a, 4b teilweise begrenzt wird. In den beiden Kastenwänden 3a, 3b ist jeweils eine Nabe 9a, 9b mit einer entlang einer Kolbenbolzenlängsrichtung a ausgerichteten, zylindrischen Durchgangsöffnung 6a, 6b mit einem vorbestimmten Öffnungsdurchmesser X vorgesehen. Im Bereich der Durch- gangsöffnungen 6a, 6b wird durch eine Richtung senkrecht zur Kolbenlängsrichtung R ein Kolben-Durchmesser d des Kolbens 2 definiert.

Zur Antriebsverbindung des Kolbens 1 mit einem Pleuel umfasst dieser einen mit dem Pleuel verbindbaren zylindrischen Kolbenbolzen 7, welcher sich mit einem Durchmesser D im Kasteninnenraum 5 zwischen den beiden Kastenwänden 3a, 3b erstreckt und mit geringem Spiel in die beiden Durchgangsöffnungen 6a, 6b eingreift. Dieses Szenario ist in Figur 2 dargestellt, welche den Kolben 1 in einer Draufsicht auf eine Außenseite 8a der Kastenwand 6a dargestellt (dabei ist in Figur 1 ist der Kolbenbolzen 7 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt). Der Kolbenbolzen 7 kann in einer Variante des Beispiels auch in der Art eines Hohlzylinders ausgebildet sein sowie einen vorbestimmten Bolzen-Durchmesser D und eine vorbestimmte Bolzen-Länge L aufweisen. Entsprechend Figur 1 ist nahe den beiden äußeren, von der jeweiligen Kastenwand 3a, 3b entfernten Enden der Durchgangsöffnungen 6a, 6b der Naben 9a, 9b jeweils eine auf der Innenum- fangsfläche der Durchgangsöffnung 6a, 6b in Umfangsrichtung umlaufende Aufnahmenut 20a, 20b zur Aufnahme eines ersten und zweiten Sprengrings als Bolzen-Sicherungselement (in Fig. 1 nicht gezeigt) vorgesehen. In Fig. 1 ist jedoch nur eine 20b dieser beiden gleichartigen Aufnahmenuten sichtbar, die in Verbindung mit jeweils einem in sie eingreifenden Bolzensicherungselement zur Sicherung des Kolbenbolzens in einer zentralen Position im Kasteninnenraum 5 einge- richtet sind. Auf diese Weise kann die Bolzen-Länge L durch den Axialabstand der beiden Aufnahmenuten 20a, 20b zueinander festgelegt sein.

Eine besonders stabile mechanische Abstützung des Kolbenbolzens 7 an den Kastenwänden 3a, 3b kann erreicht werden, indem - wie in Figur 1 dargestellt - jeweils auf der vom Kasteninnenraum 5 abgewandten Außenseite 8a, 8b der beiden Kastenwände 3a, 3b an diesen eine von der jeweiligen Kastenwand 3a, 3b abstehende und die jeweilige Durchgangsöffnung 6a, 6b einfassende Nabe 9a, 9b vorgesehen wird. Die beiden Durchgangsöffnungen 6a, 6b sind in der Draufsicht auf die Außenseiten 8a, 8b der jeweiligen Kastenwand 3a, 3b zueinander fluchtend angeordnet (vgl. Fig.2). Die beiden Durchgangsöffnungen 6a, 6b werden in einem montierten Zustand des Kolbenbolzens 7 von diesem durchgriffen, so dass sich der Kolbenbolzen 7 an den beiden Kastenwänden 3a, 3b einschließlich ihrer jeweiligen Nabe 9a, 9b abzustützen vermag. Die beiden Naben 9a, 9b ermöglichen eine besonders vorteilhafte, gleichmäßige Abstützung des Kolbenbolzens 7 an den beiden Kastenwänden 3a, 3b.

Betrachtet man nun die Darstellung der Figur 4, welche den Kolbenschaft 2 in einer Draufsicht in der Kolbenlängsrichtung R zeigt, so erkennt man, dass der Kasteninnenraum 5 in der Kolbenlängsrichtung R auf einer dem Kolbenboden 22 zugewandten Seite auch von einer Kasten-Stirnwand 10 begrenzt wird. Entsprechend der Figur 3, welche den Kolbenschaft 2 in einer Draufsicht auf eine Außenseite 1 1 a der Schaftwand 4a zeigt, können die beiden Kastenwände 3a, 3b in einem Mittellängsschnitt des Kolbens 1 entlang der Kolbenrichtung R zu dieser Kasten-Stirnwand 10 hin konvergieren. Die Lage der beiden Kastenwände 3a, 3b ist in Figur 3 durch die beiden gestrichelten Linien 12a, 12b - der Linie 12b entspricht in der perspektivischen Darstellung der Figur 1 die Ebene 13b - wiedergegeben. In diesem Fall vergrößert sich zwischen den beiden im Wesentlichen trapezförmigen Schaftwänden 4a, 4b die in Richtung der Kolbenbolzenachse ge- messene Breite des Kasteninnenraums 5 mit zunehmendem Abstand vom Kolbenboden 22. In einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform verlaufen die Kastenwände 3a, 3b ohne diese Aufweitung parallel zueinander und zur Kolbenrichtung R zwischen im Wesentlichen rechteckigen Schaftwänden. In beiden Fällen sind die Kastenwände 3a, 3b, zumindest ihre dem Kasteninnenraum 5 zugewandten Innenseiten, vorzugsweise eben und mit geringst möglichem Abstand neben dem vom Pleuel benötigten Schwenkbereich angeordnet, wodurch sich erfindungsgemäß eine Rissbildung infolge der Gasdruckbelastung des Kolben vermeiden lässt.

Der Figur 3 entnimmt man auch, dass im Mittellängsschnitt des Kolbens 1 bzw. des Kolbenschafts 2 durch eine Verbindungslinie V zwischen den beiden bezüglich der Kasten-Stirnwand distalen Mantellinien der beiden Durchgangsöffnungen ein maximaler Kastenwand-Abstand A der beiden Kastenwände 3a, 3b in der Weise definiert ist, dass in einer zur Kolbenlängsachse orthogonalen Ebene Y auf Höhe der vom Kolbenboden 22 am weitesten entfernten Mantellinie der beiden Durchgangsöffnungen 6a, 6b der in der Bolzenlängsrichtung a gemessene, größte auftretende Abstand der beiden Kastenwände 3a, 3b entlang einer beliebigen, zur Bolzenlängsrichtung a parallelen Geraden als maximaler Kastenwand- Abstand A bezeichnet wird.

Erfindungswesentlich für den Kolben 1 ist folgender Zusammenhang für den Kolben-Durchmesser d, den Bolzen-Durchmesser D, die Bolzen-Länge L und den maximalen Kastenwand-Abstand A: wobei C einen Wert von größer als 1 ,1 und von höchstens 1 ,7 aufweist. Bevorzugt sind besonders schmale Ausführungsformen des Kastens mit C < 1 ,5 und insbesondere mit C < 1 ,3.

Obiger Zusammenhang bedingt eine Anordnung der beiden Kastenwände 3a, 3b in einem relativ geringen Abstand zueinander. Somit kann ein im Kolbenschaft 2 vorgesehener und sich im Wesentlichen geradlinig entlang einer Öleinlass-Achse z im Kolbenschaft 2 erstreckender Öl-Einlasskanal 18 auf einer vom Kasteninnenraum 5 abgewandten Seite der Kastenwände 3a, 3b angeordnet werden (vgl. Fig.

1 )-

Im Beispiel der Figuren weisen die beiden Naben 9a, 9b jeweils eine sich entlang einer axialen Richtung a des Kolbenbolzens 7 erstreckende Durchgangsöffnung 6a, 6b auf, welche entlang der axialen Richtung a des zylindrischen Kolbenbolzens 7 eine vorbestimmte Länge h besitzt. Dies ist in der Darstellung der Figur 5 illustriert. Demnach sind die beiden Kastenwände 3a, 3b und die von diesen abstehenden Naben 9a, 9b derart ausgebildet, dass das Verhältnis von der Länge h jeder einzelnen Durchgangsöffnung 6a, 6b zu Bolzen-Länge L des Kolbenbolzens 7 (vgl. Fig. 6) einen Wert von größer als 0,3 annimmt.

Die in Figur 5 dargestellte Querschnittsebene Y enthält dabei die in Zusammenhang mit Figur 3 definierte Verbindungslinie V. Entsprechend Figur 5 besitzen die beiden Schaftwände 4a, 4b im Querschnitt gemäß Figur 5 des Kolbens jeweils eine gekrümmte Wandkontur, die beispielsweise die geometrische Gestalt eines Kreissegment, eines Parabelabschnitts oder auch eines Ellipsenabschnitts aufweisen kann. Die Schaftwände 4a, 4b, erstrecken sich entsprechend der Schnittdarstellung der Figur 5 von einem ersten Schaftwand-Endpunkt 21 .1 a, 21 .2a zu einem zweiten Schaftwand-Endpunkt 21 .1 b, 21 .2b. Wesentlich für die gewünschte mechanische Stabilitätssteigerung der erfindungsgemäßen Kolbenschaft- Konstruktion 2 ist nun, dass die beiden Schaftwand-Endpunkte 21 .1 a, 21 .1 b, 21 .2a, 21 .2b im Querschnitt des Kolbens 1 bzw. des Kolbenschafts 2 mit einem durch die Mittellängsachse M des Kolbens 1 bzw. des Kolbenschafts 2 definierten Scheitelpunkts S einen Öffnungswinkel α von maximal 70° ausbilden.

Der Kolbendurchmesser d des Kolbens 1 kann in einer Variante des Beispiels auch in einer durch die Kasten-Stirnwand 10 definierten Ebene gemessen werden.

Claims

Ansprüche

Kolben (1 ) für eine Brennkraftmaschine,

mit einem sich entlang einer Kolbenlängsrichtung (R) erstreckenden Kolbenschaft (2), der in der Kolbenlängsrichtung (R) durch einen Kolbenboden (22) begrenzt ist,

wobei der Kolbenschaft (2) einen Kasteninnenraum (5) umfasst, der von zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegenden Kastenwänden (3a, 3b) und zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegenden Schaftwänden (4a, 4b) teilweise begrenzt ist,

wobei an den beiden Kastenwänden (3a, 3b) jeweils eine Nabe (9a, 9b) mit einer Durchgangsöffnung (6a, 6b) mit einem vorbestimmten Öffnungsdurchmesser (X) angeordnet ist und die Durchgangsöffnungen (6a, 6b) fluchtend ausgerichtet sind,

wobei der Kolben (1 ) im Bereich der Durchgangsöffnungen (6) senkrecht zur Kolbenlängsrichtung (R) einen vorbestimmten Kolben-Durchmesser (d) aufweist,

wobei die beiden Durchgangsöffnungen (6a, 6b) zur Aufnahme eines in beide Durchgangsöffnungen (6a, 6b) eingreifenden Kolbenbolzens (7) mit einem vorbestimmten Bolzen-Durchmesser (D) und einer vorbestimmten maximalen Bolzen-Länge (L) eingerichtet sind,

wobei der Kasteninnenraum (5) in der Kolbenlängsrichtung (R) auf einer dem Kolbenboden (22) zugewandten Seite durch eine Kasten-Stirnwand (10) begrenzt ist, wobei in einem Mittellängsschnitt des Kolbens (1 ) entlang der Kolbenlängsrichtung (R) durch eine Verbindungslinie (V) zwischen den beiden bezüglich der Kasten-Stirnwand (10) distalen Enden der beiden Durchgangsöffnungen (6a, 6b) ein maximaler Kastenwand-Abstand (A) zwischen den beiden Kastenwänden (3a, 3b) definiert ist,

wobei für den Kolben-Durchmesser (d), den Bolzen-Durchmesser (D), die Bolzen-Länge (L) und den maximalen Kastenwand-Abstand (A) folgender Zusammenhang gilt:

Maximaler Kastenwand-Abstand ^* Kolben-Durchmesser / (Bolzen-Länge ^* Bolzen-Durchmesser) < C,

wobei C einen Wert von größer als 1 ,1 und von höchstens 1 ,7 aufweist.

2. Kolben nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass für C gilt:

C < 1 ,5; insbesondere C < 1 ,3.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Naben (9a, 9b) in einem dem Kasteninnenraum (5) in einer axialen Richtung (a) abgewandten axialen Endabschnitt auf einer Innenumfangsfläche der jeweiligen Durchgangsöffnung (6a, 6b) eine umlaufende Aufnahmenut (20a, 20b) zur Aufnahme eines jeweiligen Kolbenbolzen-Sicherungselements vorgesehen ist, wobei die vorbestimmte maximale Kolbenbolzenlänge (L) durch den Abstand der Aufnahmenuten (20a, 20b) in der axialen Richtung (a) gegeben ist.

4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,

dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kastenwände (3a, 3b) im Mittellängsschnitt des Kolbens (1 ) entlang der Kolbenrichtung (R) wenigstens in einem zur Kasten-Stirnwand (10) distalen Bereich zur Kasten-Stirnwand (10) hin konvergieren.

5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die beiden Kastenwände (3a, 3b) sich im Mittellängsschnitt von einem der Kasten-Stirnwand (10) abgewandten Ende bis zu einem der Kasten-Stirnwand (10) zugewandten Ende durchgehend verjüngen.

6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

in einem Querschnitt orthogonal zur Kolbenlängsrichtung (R) eine Öleinlass- Achse (Z), entlang welcher sich ein im Kolbenschaft (2) vorgesehener Öl- Einlasskanal (8) erstreckt, auf einer vom Kasteninnenraum (5) abgewandten Seite einer der beiden Kastenwände (3a, 3b) im Kolbenschaft (2) angeordnet ist.

7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Durchgangsöffnung (6a, 6b) jede Nabe (9a, 9b) entlang einer axialen Richtung (a) des Kolbenbolzens (7) eine vorbestimmte Länge (h) besitzt, wobei die Länge (h) jeder der Durchgangsöffnung (6a, 6b) und die maximale Länge (L) des Kolbenbolzens (7), zu dessen Aufnahme der Kolben (1 ) eingerichtet ist, folgende Beziehung erfüllen:

Durchgangsöffnungslänge / Bolzen-Länge > 0,3.

8 Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schaftwände (4a, 4b) im Querschnitt des Kolbens (2) senkrecht zur Kolbenlängsrichtung (R) jeweils eine gekrümmte Wandkontur aufweisen, die sich jeweils von einem ersten Schaftwand-Endpunkt (21 .1 a, 21 .1 b) zu einem zweiten Schaftwand-Endpunkt (21 .2a, 21 .2b) erstreckt,

- die beiden Schaftwand-Endpunkte (21 .1 a, 21 .1 b, 21 .2a, 21 .2b) bezüglich eines im Querschnitt des Kolbens (2) durch dessen Mittel längsachse (M) definierten Scheitelpunkts (SP) einen Öffnungswinkel (a) von maximal 70° ausbilden.

9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Kolben (1 ) mittels eines Gussverfahrens hergestellt ist.

10. Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselmotor,

mit wenigstens einem einen Brennraum aufweisenden Zylinder,

mit einem in der Kolbenlängsrichtung verschiebbar im Brennraum angeordneten Kolben (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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