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Dokumentenidentifikation DE3228982C3 12.07.1990
Titel Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen
Anmelder AE PLC, Rugby, Warwickshire, GB
Erfinder Collyear, John G.;
Parker, David A., Rugby, Warwickshire, GB
Vertreter Grünecker, A., Dipl.-Ing.; Kinkeldey, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Stockmair, W., Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Ae.E. Cal Tech; Schumann, K., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Jakob, P., Dipl.-Ing.; Bezold, G., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Meister, W., Dipl.-Ing.; Hilgers, H., Dipl.-Ing.; Meyer-Plath, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 03.08.1982
DE-Aktenzeichen 3228982
Offenlegungstag 24.02.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.11.1984
Date of publication of amended patent 12.07.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.07.1990
IPC-Hauptklasse F16J 1/02
IPC-Nebenklasse F16J 1/08   F02F 3/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem aus der CH-PS 2 29 255 bekannten Kolben dieser Gattung sind über die gesamte Länge und den gesamten Umfang des Kolbenschaftes in diesen Reihen von Vertiefungen mittels eines zylindrischen, um eine zur Kolbenlängsachse quer verlaufende Drehachse rotierenden Schleifwerkzeugs eingeschliffen. Diese Vertiefungen bilden die Bereiche verringerten Durchmessers. Sie haben in Draufsicht elliptische Gestalt und bilden im Längsschnitt eine flache, gewölbte Kule. Zwischen diesen Vertiefungen verbleibt ein zusammenhängendes Oberflächennetz mit dem normalen Durchmesser des Kolbenschafts. Dieses Oberflächennetz bildet die die seitlichen Druckkräfte auf den Zylinder übertragenden Druckbereiche. Zweck dieser Kolbenausbildung ist es, eine Schmierölschicht veränderlicher Dicke zu erzeugen. Wegen der großflächigen, zusammenhängenden Druckbereiche tritt bei dem bekannten Kolben aber eine verhältnismäßig große Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder auf, die sich leistungsmindernd und verbrauchssteigernd auswirkt. Außerdem ist es wegen der verhältnismäßig großen Tiefe der Kulen schwierig, einen geschlossenen Ölfilm zwischen der Zylinderinnenwand und den Druckbereichen aufrechtzuerhalten. Das Öl tendiert dazu, sich ausschließlich in den Vertiefungen anzusammeln, und gewährleistet von dort aus wegen der getrennten Anordnung der Vertiefungen keine hydrodynamische Schmierung der Druckbereiche. Auch aus diesem Grund sind bei dem bekannten Kolben hohe Reibungsverluste zu befürchten.

Aus der FR-PS 4 20 100 und den CH-PS 1 79 188 und 3 21 529 sind ferner Kolben bekannt, bei denen in den Kolbenschaft und, gegebenenfalls, den Kolbenkopf etwas über das eigentliche Kolbenmaterial vorstehende Einsätze aus einem reibungsmindernden Metall eingesetzt sind. Diese Einsätze haben in der Regel die Form von Ringen oder Segmenten; sie können laut CH-PS 1 79 188 aber auch in Form von Feldern angeordnet sein. Solche reibungsmindernden Einsätze erhöhen den Herstellungsaufwand eines Kolbens ganz wesentlich; sie lassen sich im Hinblick auf die hohe Wärmebelastung praktisch nicht so verankern, daß sich eine ausreichende Lebensdauer des Kolbens ergäbe. Solche Einsätze dienen, soweit sie sich überhaupt in der Praxis eingeführt haben, allenfalls dazu, während der Einlaufphase des Kolbens reibungsvermindernd zu wirken, wobei sich der vorstehende Teil der Einsätze vollkommen abschleift.

Aus "Kraftfahrzeugtechnik", Heft 12, 1976, S. 364-367 ist ein Kolben bekannt, bei dem die Bereiche des Kolbenschaftes zur Übertragung der Kolbenquerkräfte jeweils zwei rippenförmige Tragflächen aufweisen. Jeweils an den unteren und oberen Rändern der Tragflächen befinden sich Radien bzw. Profilkurven zur Ausbildung von druckaufnahmefähigen Schmierfilmen. Die Breite der Rippen beträgt 11 mm, an die sich die Profilkurven mit einer Breite von 2 mm und einem Radius von 15 mm anschließen. Diese Rippen haben eine Höhe von 1,09 mm. Die hydrodynamische Schmierung wird dadurch beeinträchtigt, daß die profilierten Ränder der Rippen über Stufen in die Kolbenschaftoberfläche übergehen.

Aus der US-PS 41 78 899 ist ein Spezialkolben bekannt, der durch konische Formung des Kopfes und durch Verwendung besonderer Kolbenringe so gestaltet ist, daß er immer auf einem verhältnismäßig dicken, den Kolben vollständig umhüllenden Ölfilm "schwimmt". Der Kolbenschaft dieses Kolbens weist zwei zylindrische Bereiche und sich axial daran anschließende Rampen auf, die durch eine tief eingeschnittene Nut voneinander getrennt sind. Dieser bekannte Kolben hat den Nachteil, daß auf ihn ständig eine hohe hydrodynamische Reibungskraft auftritt. Er funktioniert außerdem nur dann, wenn der dicke Ölfilm im Verbrennungsraum nicht verbrannt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der eingangs erläuterten Gattung so auszugestalten, daß ohne Verwendung reibungsmindernder Einsätze und ohne Verringerung der Lebensdauer eine Reduzierung der Reibung zwischen Kolben und zugeordnetem Zylinder erzielt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Kolben durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Kolben werden die seitlichen Druckkräfte ausschließlich durch voneinander getrennte Druckbereiche auf die Zylinderinnenwand übertragen. Diese Druckbereiche gehen, zumindest in Axialrichtung des Kolbens, über sehr flache Rampen in einen zusammenhängenden, im wesentlichen zylindrischen Bereich verringerten Durchmessers über. Die Höhe der Rampen und damit der Druckbereiche ist außerordentlich gering. Es hat sich gezeigt, daß bei einer solchen Anordnung eine zuverlässige hydrodynamische Schmierung der Druckbereiche auch dann gewährleistet werden kann, wenn diese nur einen sehr kleinen Flächenbereich von beispielsweise nur 25% des bei einem normalen Kolben auftretenden Berührungsbereiches einnehmen. Die flachen, niedrigen Rampen stellen in Verbindung mit den in Umfangsrichtung verlaufenden Druckbereichrändern sicher, daß sich ein Ölkeil in Bewegungsrichtung vor den Druckbereichen bildet, der über die Druckbereiche hinwegströmt und eine metallische Berührung diese Druckbereiche mit der Zylinderinnenwand zuverlässig verhindert. Dadurch kann die Führung des Kolbens mit vergleichsweise sehr kleinen Druckbereichen und damit unter erheblicher Verringerung der Reibung zwischen Kolben und Zylinder gewährleistet werden. Versuche haben ergeben, daß mit dem erfindungsgemäßen Kolben eine Leistungssteigerung in der Größenordnung von 1,8-4,6% je nach Lastverhalten bzw. eine Verringerung des Verbrauchs in der Größenordnung von 1,1-3,5% gegenüber konventionellen Kolben erzielt werden kann. Da die Druckbereiche aus dem Material des Kolbens selbst herausgearbeitet werden, ist der bei Verwendung von getrennt hergestellten Einsätzen auftretende zusätzliche Herstellungsaufwand vermieden.

In den meisten Fällen genügt zur Gewährleistung einer hydrodynamischen Schmierung der Druckflächen die Verwendung von Rampen mit in Kolbenlängsrichtung geradliniger Oberfläche. Das Schmierungsverhalten kann aber günstig beeinflußt werden, indem die Rampenoberfläche gemäß Anspruch 2 oder 3 ausgebildet wird. Bei dieser Ausbildung werden die Fließwiderstände für das Schmiermittel noch reduziert, so daß man mit noch kleineren Druckbereichen auskommt, ohne daß Schmierprobleme auftreten würden.

Aus Anspruch 4 ist ein günstiges Maß für die minimale Höhe der Druckbereichoberflächen zu entnehmen. Noch geringere Höhen lassen sich in der Fertigung schwer beherrschen.

Eine zweckmäßige Gestalt der Druckbereiche gibt der Anspruch 5 an. Da die quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens verlaufenden Ränder in Umfangsrichtung des Kolbens verlaufen, ergibt sich ein günstiges Strömungsverhalten des Schmiermittels, wenn die in Bewegungsrichtung sich erstreckenden Druckbereichränder parallel zur Bewegungsrichtung angeordnet sind.

Das aus Anspruch 6 hervorgehende Merkmal ergibt den Vorteil, daß das Schmiermittel nicht vor Erreichen des in Bewegungsrichtung hinteren Randes des Druckbereiches seitlich verdrängt wird. Ein gutes Schmierverhalten wird jedoch auch noch bei quadratischer Form der Druckbereiche erzielt.

Die aus Anspruch 7 zu entnehmende Anordnung der Druckbereiche sorgt für eine gute seitliche Abstützung des Kolbens, wobei die maximale Zahl von drei Druckflächen herstellungstechnisch günstig ist und eine stabile Dreipunktabstützung sicherstellt.

Die Ausbildung nach Anspruch 8 nimmt darauf Rücksicht, daß im kopfseitigen Bereich des Kolbenschaftes ein größerer Anteil der Druckkraft übertragen werden muß als am kopffernen Schaftende.

Der Anspruch 9 bezieht sich auf eine besonders günstige Anordnung der Druckbereiche. Diese Anordnung stellt sicher, daß in Axialrichtung keine wesentliche Überlappung der Druckbereiche stattfindet. Dadurch stören sich die Druckbereiche nicht gegenseitig durch eine ungünstige Beeinflussung des Strömungsverhaltens des Schmiermittels. In Bewegungsrichtung unmittelbar hintereinander liegende Druckbereiche könnten nämlich zu einer Beeinträchtigung der Schmierung der in Bewegungsrichtung hinten liegenden Druckbereiche Anlaß geben.

Die Größenausbildung der seitlichen Rampen nach Anspruch 10 ergibt eine gut beherrschbare Steuerung des Drehwerkzeuges bei der Kolbenherstellung.

Gemäß Anspruch 11 sind die Druckbereiche in demjenigen Abschnitt des Kolbenschaftes konzentriert, der den Hauptteil der seitlichen Belastung überträgt.

Normalerweise wird die Oberfläche der Druckbereiche in Axialrichtung des Kolbens eben sein. Eine gewisse Krümmung kann jedoch zur Verbesserung des Schmierverhaltens zweckmäßig sein.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines konventionellen Kolbens;

Fig. 2 eine Seitenansicht in Richtung senkrecht zur Kolbenbolzenachse einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens;

Fig. 3-5 vergrößerte Längsschnitte durch drei verschiedene Ausgestaltungen jeweils eines Druckbereiches eines erfindungsgemäßen Kolbens;

Fig. 6 graphische Darstellungen der Leistung bzw. des spzezifischen Treibstoffverbrauches in Abhängigkeit von der Motordrehzahl bei einem Standardkolben (durchgezogene Linie) einem Kolben nach Fig. 2 (langgestrichelte Linie) und nach Fig. 7 (kurzgestrichelte Linie).

Fig. 7 eine der Fig. 2 entsprechende Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens;

Fig. 8 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens; und

Fig. 9 eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens.

Aus Fig. 1 ist ein Kolben 11 üblicher Bauart ersichtlich, der einen Kolbenkopf 40 mit einem Kolbenboden 15, eine Reihe nicht näher bezeichneter Nuten für die Aufnahme von Kolbenringen, miteinander fluchtende Kolbenbolzenaugen 13 zum Einsetzen eines Kolbenbolzens und einen Kolbenschaft 12 aufweist. Der Kolbenschaft ist im Querschnitt üblicherweise leicht oval.

Bei der Verwendung ist ein nicht-gezeigtes Pleuel schwenkbar mit dem Kolben 11 durch einen ebenfalls nicht-gezeigten Kolbenbolzen verbunden, der in den Kolbenbolzenaugen 13 steckt. Da das Pleuel über den Hauptteil der Kolbenbewegung unter einem Winkel zur Kolbenlängsachse steht, wirkt auf den Kolben 11 eine veränderliche, seitliche Schubkraft ein, die während des Arbeitszyklus einen größeren oder kleineren Abschnitt der Kolbenwand gegen den zugeordneten Zylinder oder eine Zylinderbüchse preßt. (Wenn vorliegend von "Zylinder" gesprochen wird, soll dieser Begriff auch Zylinderbüchsen und in den Zylinder eingesetzte Gleithülsen umfassen). Die den seitlichen Schub übertragenden Abschnitte liegen auf den gegenüberliegenden Seiten einer Ebene, die durch die Kolbenbolzen- und die Kolbenlängsachse gelegt ist.

In Fig. 1 ist bei 14 zwischen strichpunktierten Linien derjenige Bereich eines jeden beidseits der Kolbenbolzenachse liegenden Kolbenschaftabschnitts angedeutet, innerhalb dessen im wesentlichen alle augenblicklichen Berührungsbereiche zwischen Kolben und Zylinder liegen. Dieser Bereich 14 kann an der Hauptschubseite des Kolbens, welche den Zylinder während des Expansionstaktes berührt, größer sein, als auf der gegenüberliegenden Seite, welche den Zylinder während des Verdichtungstaktes berührt. Die genaue Form der Berührungsfläche ändert sich von Kolben zu Kolben; es wurde jedoch herausgefunden, daß der Bereich 14 sich üblicherweise über nicht mehr als 30° zu jeder Seite einer Symmetrielängsebene erstreckt, die senkrecht zur Kolbenbolzenachse steht.

Es wurde auch herausgefunden, daß für einen Kolben mit einem Nenndurchmesser D und einer Kolbenwandlänge von π 2D/3, der Kontaktbereich näherungsweise πD 2/9 beträgt. Ein solcher wird nachfolgend als "Standardkolben" bezeichnet und eine solche Berührungsfläche wird als "Standard-Berührungsfläche" benannt.

Die Gleitberührung zwischen der Kolbenwand und dem Zylinder oder der Laufbüchse ist durch einen Ölfilm geschmiert. Die Reibungskraft (F) zwischen dem Kolben und dem Zylinder oder der Laufbüchse als Ergebnis dieser Berührung ist durch die folgende Zuordnung gegeben:



wobei

W=Last,

η=Schmiermittel-Viskosität,

U=Gleitgeschwindigkeit und

A=Berührungsfläche.

Die Berührung zwischen den Schubabschnitten 14 der Kolbenwand und dem zugeordneten Zylinder veranlaßt proportional hohe Reibungsverluste, beispielsweise 20% der gesamten Reibungsverluste des Motors (was etwa 8% der abgegebenen mechanischen Leistung entspricht), was umgekehrt den Treibstoffverbrauch verschlechtert. Somit kann die Verringerung der Reibung von beispielsweise 25% zwischen der Kolbenwand und dem Zylinder eine zusätzliche mechanische Leistungsabgabe von etwa 2% liefern, wobei in diesem Beispiel sich der für eine vorgegebene Leistung erforliche Treibstoff um gerade unter 2% verringert.

Dieser Zusammenhang impliziert, daß für eine vorgegebene Belastung. Viskosität und Geschwindigkeit die Reibungskraft durch Verringerung der Berührungsfläche verringert werden kann. Dies ist deutlich erwünscht, da, wie oben erwähnt, ein Teil der Motorleistung beim Überwinden dieser Reibung verbraucht wird.

Eine Verringerung der Berührungsfläche verringert allerdings auch die Dicke des Ölfilms zwischen der Kolbenwand und dem Zylinder oder der Laufbüchse. Nur eine begrenzte Verringerung dieser Dicke kann hingenommen werden, denn wenn die Dicke des Ölfilms kleiner ist als die Höhe der Oberflächenrauhigkeiten der Kolbenwand und des Zylinders oder der Laufbüchse, dann besteht eine gegenseitige metallische Berührung, und die Reibungskräfte steigen plötzlich an.

In den Ausführungsbeispielen der nun zu beschreibenden Erfindung werden Teilen, die den Fig. 1 bis 5 und 7 bis 9 gemeinsam sind, dieselben Bezugszeichen gegeben, und sie werden nicht mehr im einzelnen beschrieben.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen: Der dort gezeigte Kolben 11 weist sechs getrennte, aus dem Kolbenmaterial herausgearbeitete Druckbereiche 2, 3, 4 am Kolbenschaft 12 für die Gleitberührung mit einem zugeordneten Zylinder auf. Die Druckbereiche sind gegenüber dem restlichen Kolbenschaft 12 erhaben, der somit an seiner Außenseite eine in sich zusammenhängende Fläche von gegenüber dem Durchmesser des Druckbereichs 14 eines Standardkolbens (Fig. 1) reduziertem Durchmesser bildet. Diese Fläche reduzierten Durchmessers ist im allgemeinen zylindrisch, wobei als "zylindrisch" jedoch im Sinne der Erfindung Flächen anzusehen sind, die die bei manchen Kolben übliche, etwas ballige Form haben.

Die Druckbereiche sind in ähnlichen Gruppen von dreien an jeder Seite einer durch die Kolbenbolzenachse gelegten Längsebene angeordnet. Fig. 2 zeigt eine Gruppe von Druckbereichen 2, 3 und 4; die Gruppe auf der anderen Seite des Kolbens ist entsprechend angeordnet. Zwei Lagerflächen 2 und 4 sind in Unfangsrichtung aufeinander ausgerichtet, liegen näher am Kolbenkopf 40 und sind mit gleichen Abstand beiderseits einer senkrecht zur Kolbenbolzenachse verlaufenden Längssymmetrieebene des Kolbens am Kolbenschaft 12 angeordnet. Der andere Druckbereich 3 liegt nahe dem unteren Ende des Kolbenschafts 12 und ist auf der erwähnten Symmetrieebene angeordnet. Die Relativanordnung der Druckbereiche und ihre Abmessungen in Umfangsrichtung sind so gewählt, daß der untere Druckbereich 3 im Zwischenraum zwischen den kopfseitigen Druckbereichen 2 und 4, jedoch nach unten versetzt, liegt. Die Druckbereiche 2 bis 4 überlappen sich somit in Längsrichtung des Kolbens nicht. Sie weisen im allgemeinen dieselbe rechteckige Form mit zwei sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rändern und zwei sich axial erstreckenden Rändern auf. Die äußeren Axialränder der beiden kopfseitigen Druckbereiche 2, 4 sind jeweils um einen Winkelabstand von 30° gegenüber der Längssymmetrieebene versetzt, so daß sie innerhalb der Berührungsfläche 14 eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen liegen. Der untere Druckbereich 3 erstreckt sich 5° zu jeder Seite der Längssymmetrieebene hin und liegt somit ebenfalls innerhalb dieser Fläche 14.

Wie in Fig. 2 gezeigt, liegen Rampen 16 vor, welche sich jeweils über 5° des Kolbenwandumfangs erstrecken und zu den sich axial erstreckenden Rändern eines jeden Druckbereiches 2, 3, 4 hinaufführen. Ferner sind in Axialrichtung längere Rampen 17 vorgesehen, welche zu den in Umfangsrichtung verlaufenden Rändern eines jeden Druckbereichs 2, 3, 4 hinaufführen. Die Länge der Rampen 17 kann 8 mm betragen, um eine Neigung in bezug auf eine gedachte Zylinderfläche, die koaxial zur Kolbenachse liegt, von zwischen 0,2° und 1,0° zu liefern. Somit weist das aus je einem Druckbereich und zwei axialen Rampen 17 bestehende Gebilde einen im wesentlichen trapezförmigen Längsschnitt auf. Die Oberfläche eines jeden Druckbereichs ist in Umfangsrichtung gekrümmt und weist einen Abstand von 25 µ radial nach außen zum Rest der Kolbenwand-Schubabschnitte 14 auf, obwohl dieser Abstand auch kleiner sein kann oder beispielsweise bis zu 125 µ betragen kann.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 liegen innerhalb der beiden Kolbenwand-Schubabschnitte 14 gemeinsam eine Gesamtmenge von vier Druckbereichen zum kopfseitigen Ende des Kolbens 11 hin und zwei Druckbereiche zum unteren Ende des Kolbenschafts hin vor. Die Berührungsfläche der Druckbereiche 2, 3, 4 an jedem Kolbenwand-Schubabschnitt beträgt 8% der Berührungsfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen. Die Druckbereiche können in Umfangsrichtung bogenförmig gekrümmt sein, müssen aber nicht notwendigerweise so gestaltet sein; so können teilweise elliptische Oberflächen geeignet sein. Wenn die Druckbereiche bogenförmig sind, dann brauchen sie nicht denselben Krümmungsmittelpunkt wie der Kolben aufzuweisen, wenn man davon ausgeht, daß dieser zylindrisch ist. In Kolbenlängsrichtung können die Druckbereiche ebene oder gekrümmte Oberflächen aufweisen.

Es kann, wie oben beschrieben, eine gleiche Anzahl von Druckbereichen an beiden Schubabschnitten des Kolbens ausgebildet sein, oder die Druckbereiche können derart angeordnet sein, daß mehr Druckbereiche oder ein größerer Druckbereich an einem Schubabschnitt vorgesehen ist. Es können beispielsweise mehr Druckbereiche oder ein größerer Druckbereich am Hauptschubabschnitt der Kolbenwand vorliegen als an jenem Abschnitt der Kolbenwand mit kleinerem Schub.

Bei der Verwendung ist der Kolben 11 an einem Pleuel im Zylinder oder der Laufbüchse eines Motors angebracht und bewegt sich hin und her. Die Druckbereiche berühren den Zylinder, um den Schub vom Pleuel auf den Motorblock zu übertragen und die Kolben bei ihrer Hin- und Herbewegung zu führen. Die Druckbereiche 2, 3, 4 liegen innerhalb der Berührungsfläche eines Standardkolbens mit entsprechenden Abmessungen, und sie wirken somit auch dem seitlichen Schub entgegen, der auf den Kolben einwirkt. Da die beiden kopfseitigen Druckbereiche 2, 4 in Umfangsrichtung einen Abstand aufweisen, verringern sie die Möglichkeit, daß sich die Kolbenwand unter dem Einfluß der Schubfläche verformt. Der untere Druckbereich 3 ist in seiner Flächengröße kleiner als die kombinierte Fläche der kopfseitigen Druckbereiche 2, 4, weil die Kräfte, die auf den unteren Teil der Kolbenwand einwirken, geringer sind als die Kräfte am Kopfende der Kolbenwand. Somit sind die Schubkräfte zufriedenstellend übertragen.

Eine geeignete hydrodynamische Schmierung der Druckbereiche 2, 3, 4 wird durch die Rampen gefördert, welche in Axialrichtung den Druckbereichen zugeordnet sind. Wie am besten aus Fig. 3 zu folgern ist, in welcher die Richtung der Hin- und Herbewegung des Kolbens durch den Pfeil A bezeichnet ist, halten die zu den in Umfangsrichtung verlaufenden Rändern der Druckbereiche führenden Rampen 17 einen zufriedenstellenden Ölfilm an den Druckbereichen 2, 3, 4 aufrecht, und zwar trotz der Neigung der verringerten Berührungsfläche, sonst die Dicke des Ölfilms unter ein betriebsfähiges Minimum zu reduzieren. Die flache Steigung der Rampen, die bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 1° nicht übersteigt, bildet zusammen mit dem zugeordneten Zylinder einen sich allmählich verengenden Kanal für das Öl, welches dynamisch auf die Oberflächen der Druckbereiche 2, 3, 4 geführt wird. Das Öl strömt über die Druckbereiche, bevor es zum Zwischenraum zwischen dem Zylinder und dem Bereich des Kolbenwandabschnittes mit verringertem Durchmesser zurückkehrt, der die Druckbereiche umgibt.

Der Radialabstand der Druckbereiche von den Fußpunkten der Rampen liegt bevorzugt zwischen 125 µ und 25 µ und ist hinlänglich klein, um es zu ermöglichen, daß Öl in diesen Bereichen während der Hin- und Herbewegung des Kolbens zurückgehalten wird, und um augenblicklich Öl während Fällen von einer Kolbenneigung unter Druck zu setzen, welche, wie angenommen wird, verstärkte Schmierung der Druckbereiche liefern kann. Zusätzlich ermöglicht es der Spalt zwischen den kopfseitigen Druckbereichen 2, 4 dem Öl, den unteren Druckbereich 3 während eines Verdichtungsaktes zu erreichen, so daß der untere Druckbereich 3 während dieses Taktes hinlänglich Öl erhält. Eine entgegengesetzte Wirkung findet während des Expansionstaktes statt, während dessen Öl nicht daran gehindert wird, die kopfseitigen Druckbereiche 2, 4 zu erreichen.

Somit wird eine Verringerung in der Belüftungsfläche zwischen Kolben und Zylinder mit einer entsprechenden Verringerung der Reibungskräfte erreicht, aber ohne eine schädliche Verringerung der Dicke des Schmierfilms.

Wenn ein Kolben in einem Verbrennungsmotor oder Motor angebracht ist, dann wird er an einem Pleuel mittels eines Kolbenbolzens befestigt. Weil der Kolben keine genaue Passung im zugeordneten Zylinder aufweist, kann er um den Kolbenbolzen schwenken und sich somit die Ausrichtung der Rampen und Druckbereiche bezüglich des Zylinders ändern. Zusätzlich wird sich der Kolben und der zugeordnete Zylinder auch ausdehnen, wenn der Motor oder Verbrennungsmotor startet und Betriebstemperaturen erreicht. Dies wird auch die Ausrichtung der Rampen und Druckbereiche bezüglich des zugeordneten Zylinders ändern.

Solche Änderungen werden die Abmessungen des Kanales ändern, der zwischen den Rampen und den Zylinder gebildet wird, wodurch die Schmierung des zugeordneten Druckbereichs beeinträchtigt werden kann. Um solche möglichen Probleme zu überwinden, kann der Längsschnitt der Druckbereiche von der ebenen Gestalt der Fig. 3 in die in den Fig. 4 oder 5 gezeigten Formen geändert werden.

In Fig. 4 wird jene Rampe, welche zu einem Umfangsrand eines Druckbereichs hinaufführt, aus zwei zueinander geneigten Abschnitten 17a, 17b gebildet. Der erste Abschnitt 17a liefert einen Kanal für die hydrodynamische Schmierung für eine relative Ausrichtung der Rampe und des Zylinders, während der zweite Abschnitt 17b einen solchen Kanal herstellt, wenn eine alternative Ausrichtung vorliegt.

In Fig. 5 ist die Anzahl von Änderungspunkten unendlich, so daß die Rampe 17 konvex gekrümmt ist. Dies ermöglicht das Erreichen einer hydrodynamischen Schmierung unter allen Bedingungen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Druckbereich in Axialrichtung ebenfalls gekrümmt. Da ein Druckbereich jener Art, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, schließlich sich bis zur Form der Oberfläche in Fig. 5 abnutzen wird, nimmt die Form der Fig. 5 diese Abnutzung vorweg.

Das Vorsehen von Druckbereichen gemäß z. B. Fig. 2, hat Verbesserungen bei der Motorleistung bzw. beim Treibstoffverbrauch zur Folge.

Beispielsweise haben Kolben 11 gemäß Fig. 2, die in einem Motor mit 1275 cm³ eingesetzt wurden, die folgenden Verbesserungen geliefert verglichen mit der Verwendung von Standardkolben mit denselben Abmessungen:

  • - Leistung: keine bezeichnende Verbesserung,
  • - Treibstoffverbrauch - Verringerung bis zu 3,5% - Verbesserung bei Vollast, und
  • - Reibung - Verringerung um etwa 1% bei 2500 Umdrehungen pro Minute und Betriebsbelastung.


Diese Ergebnisse sind graphisch in Fig. 6 gezeigt, wobei die Resultate für die Standardkolben in ausgezogenen Linien und die Ergebnisse des Kolbens der Fig. 2 in langgestrichelten Linien gezeigt sind.

Es wird als nächstes auf Fig. 7 Bezug genommen; dort ist ein Kolben 20 gezeigt, der allgemein ähnlich dem Kolben 11 gemäß Fig. 1 ist. Beim Kolben der Fig. 7 sind zwei kopfseitige Druckbereiche 6, 7 an jedem Kolbenwandabschnitt mit gleichem Abstand an den gegenüberliegenden Seiten einer senkrecht zur Kolbenbolzenachse verlaufenden Längssymmetrieebene vorgesehen. Zusätzlich liegen hier drei untere Druckbereiche 8, 9, 10 an jedem Schubabschnitt der Kolbenwand vor, wobei der mittlere Druckbereich 9 symmetrisch auf der genannten Längssymmetrieebene liegt, während die äußeren Druckbereiche in gleichen Abständen beiderseits dieser Ebene liegen. Die Druckbereiche sind alle in ihrer Form rechteckig, wobei sich ihre längere Abmessung in Umfangsrichtung erstreckt. Die äußeren axialen Ränder des oberen Paares der Druckbereiche 6 und 7 weisen jeweils einen Winkelabstand von 40° gegenüber der Längssymmetrieebene auf, so daß sie weitgehend innerhalb des Berührungsbereiches eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen liegen. Es liegen zwei Rampen 21 und 24 in Umfangsrichtung vor, welche sich jeweils über 5° des Umfangs der Kolbenwand erstrecken und zu den äußeren, sich axial erstreckenden Rändern der Druckbereiche 6 und 7 hinaufführen, sowie zwei Rampen 22 und 23, die sich jeweis über 10° des Umfangs der Kolbenwand erstrecken und zu den inneren, sich axial erstreckenden Rändern der Druckbereiche 6 und 7 hinauf erstrecken. Die Druckbereiche 6, 7 weisen jeweils eine Bogenlänge von 25° auf.

Die unteren Druckbereiche haben symmetrische seitliche Rampen 25, welche sich auf jeder Seite der Druckbereiche über 5° des Umfangs der Kolbenwand erstrecken. Der mittlere Druckbereich 9 weist eine größere Bogenlänge auf als die anderen beiden Druckbereiche 8 und 10, so daß er sich in Umfangsrichtung über den größten Teil des Spalts zwischen den kopfendseitigen Druckbereichen 6, 7 erstreckt. Die äußeren axialen Ränder der Druckbereiche 8 und 10 weisen jeweils einen Winkelabstand von 40° gegenüber der Längssymmetrieebene auf. Die unteren Ecken der beiden unteren Druckbereiche 8, 10 sind wegen der Formgebung der Kolbenwand im gezeigten Beispiel entfernt, werden aber bei anderen Beispielen nicht entfernt.

Die Umfangserstreckung der oberen Gruppe von Druckbereichen braucht allerdings nicht dieselbe zu sein wie die Umfangserstreckung der unteren Gruppe. Wie beim Kolben der Fig. 2 können Anzahl, Anordnung oder Flächengröße der Druckbereiche am Hauptschubabschnitt der Kolbenwand gegenüber jener der Druckbereiche am kleineren Schubabschnitt der Kolbenwand unterschiedlich sein. Allerdings liegt im allgemeinen der Hauptteil der Fläche der Druckbereiche innerhalb der Berührungsfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, führen Rampen 26 zu den in Umfangsrichtung verlaufenden Rändern eines jeden Druckbereichs 6 bis 10 hinauf. Die axiale Länge der Rampen 26 kann ungefähr 5 mm sein, um eine Neigung gegenüber dem im Durchmesser gegenüber den Druckbereichen verringerten Rest der Kolbenwand von zwischen 0,3° und 1,5° zu liefern.

Die Berührungsfläche der Druckbereiche 6 bis 10 an jedem Kolbenwandabschnitt beträgt 25% der Berührungsfläche 14 eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen. Der Abstand der Druckbereiche radial am zugeordneten Kolbenwandabschnitt nach außen beträgt 25 µ, kann aber auch weniger sein oder beispielsweise bis zu 125 µ betragen.

Der Kolben der Fig. 7 arbeitet allgemein auf dieselbe Weise wie der Kolben der Fig. 2, mit denselben lastübertragenden Eigenschaften und denselben hydrodynamischen Schmiereigenschaften.

Die Tatsache, daß die Druckbereiche 6 bis 10 in Umfangsrichtung länger sind als in Achsrichtung, verbessert die Schmierung, da das meiste Öl, das einen Umfangsrand eines Druckbereiches von einer Rampe 26 aus hinaufgepreßt wurde, sich über die Oberfläche ausbreitet und danach trachtet, die Oberfläche über den nachlaufenden Umfangsrand zu verlassen. Dort, wo die axiale Abmessung der Oberfläche länger ist als die Umfangsabmessung, hat viel Öl die Oberfläche in Umfangsrichtung verlassen, und somit können Teile der Oberfläche ungenügend geschmiert werden. Bei dem Kolben der Fig. 2 ist allerdings die axiale Länge ausreichend kurz, um sicherzustellen, daß nur ein verhältnismäßig kleiner Anteil des Öls die Seiten verläßt, so daß hinlänglich Öl die nachlaufenden Ränder der Flächen erreicht. Zusätzlich stellt die Positionierung des mittleren unteren Druckbereichs des Kolbens der Fig. 7 zwischen den kopfendseitigen Druckbereichen sicher, daß die Berührung mit dem Zylinder über die gesamte Umfangserstreckung des Schubabschnitts 14 der Kolbenwand stattfindet.

Dieser Kolben zeigt als wesentliches Merkmal somit eine Verringerung in der Berührungsfläche, mit der hieraus folgenden Verringerung in den Reibungskräften, während eine geeignete Schmierung der Berührungsflächen aufrechterhalten bleibt.

Diese Anordnung der Druckbereiche selbst, ihre Zuordnung zueinander und ihre Zuordnung zu dem umgebenden Schubabschnitt der Kolbenwand liefert Verbesserungen in der Motorleistung bzw. im Verbrauch. Beispielsweise haben vier Kolben der in Fig. 7 gezeigten Art, die in einem Motor mit 1275 cm³ eingebaut wurden, die folgenden Verbesserungen ergeben, verglichen mit der Verwendung von Standardkolben derselben allgemeinen Abmessungen:

  • - Leistung - bis zu 3,6% Verbesserung,
  • - Treibstoffverbrauch - bis zu 5% Verbesserung bei Vollast und
  • - Reibung - Verringerung um etwa 3% bei 2500 Umdrehungen pro Minute und Fahrbelastung.


Diese Ergebnisse sind graphisch in Fig. 6 gezeigt (in gestrichelten Linien mit kurzen Strichen) im Vergleich mit einem Standardkolben (in ausgezogenen Linien).

Es wird als nächstes auf Fig. 8 Bezug genommen; der dort gezeige Kolben 30 ist ähnlich dem Kolben der Fig. 2. Drei Druckbereiche 31, 32, 33 sind an jeder Seite des Kolbens vorgesehen, und zwar zwei Druckbereiche 31, 32 nahe dem kopfseitigen Ende der Kolbenwand und ein unterer Druckbereich 33 nahe dem unteren Ende der Kolbenwand. Die beiden kopfseitigen Druckbereiche 31, 32 sind rechteckig, wobei sich ihre längere Abmessung in Umfangsrichtung erstreckt. Jeder dieser Druckbereiche weist eine Umfangslänge von 20° auf und erstreckt sich bis zu 35°, vom Schnitt der Kolbenwand mit einer Ebene aus gerechnet, die die Kolbennachse enthält und senkrecht zur Achse des Kolbenbolzenauges steht. Die axialen Ränder weisen Rampen 34 auf, welche zu diesen hinaufführen und deren Umfangslänge 10° ist. Es liegen auch Rampen 35 vor, die zum Umfangsrand hinaufführen, deren axiale Länge 4 mm sein kann, um ein Gefälle bezüglich dem Rest der Kolbenwand von zwischen 0,4° und 1,5° zu ergeben.

Der untere Druckbereich 33 ist ebenfalls rechteckig, mit der größeren Abmessung in Umfangsrichtung. Diese Fläche ist derart angeordnet, daß ihre Umfangslänge gleich ist dem Umfangsspalt zwischen den kopfseitigen Druckbereichen 31, 32. Der Flächeninhalt des Druckbereiches 33 ist größer als der Flächeninhalt eines jeden kopfseitigen Druckbereiches 31, 32, jedoch kleiner als ihre zusammengenommene Fläche, Beispielsweise kann der Druckbereich 33 das 0,75fache der Fläche der zusammengenommenen Flächeninhalte der kopfseitigen Druckbereiche haben. Dieser untere Druckbereich 33 ist mit seitlichen Rampen 36 versehen, die sich in Umfangsrichtung über 10° erstrecken, sowie mit axialen Rampen 37. Die axiale Länge der oberen Rampe 37 kann 4 mm betragen, um eine Neigung bezüglich des kleindurchmeßrigen Bereiches der Kolbenwand von zwischen 0,4° und 1,5° zu ergeben. Die untere Rampe 37 hat ein Gefälle, das kleiner ist als jenes der oberen Rampe 37.

Die Berührungsfläche der drei Druckbereiche kan D 2/11,5 betragen, wobei D der Nenndurchmesser des Kolbens ist. Somit beträgt die Berührungsfläche nur 25% der Berührungsfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen. Die Druckbereiche sind wieder mit Radialabstand zur übrigen Kolbenschaftwand von höchstens 125 µ und nicht weniger als 25 µ angeordnet. Die Kolbenwand kann ferner im Durchmesser jenseits der axialen Ränder der kopfseitigen Druckbereiche 31, 32 zusätzlich verringert sein, um die seitliche Berührung des Kolbens mit dem Zylinder zu verhindern.

Der Kolben der Fig. 8 arbeitet auf die allgemein selbe Weise wie die Kolben der Fig. 2 und 4 mit ähnlichen Charakteristiken zur Lastaufnahme und hydrodynamischen Schmierung. Die in Umfangsrichtung längliche Form der Druckbereiche und die Form der Rampen stellen eine zufriedenstellende Schmierung sicher, und die Überlagerung zwischen dem unteren Druckbereich 33 und den kopfseitigen Druckbereichen stellt sicher, daß die Berührung mit dem Zylinder über die gesamte Umfangserstreckung des Schubabschnitts 14 der Kolbenwand erfolgt.

Dieser Kolben weist als wesentliches Merkmal auch eine Verringerung in der Berührungsfläche auf mit der hieraus folgenden Verringerung in der Reibungskräften, während eine geeignete Schmierung der Berührungsflächen aufrechterhalten bleibt.

Es wird als nächstes auf Fig. 9 Bezug genommen; der dort gezeigte vierte Kolben 41 hat nur zwei Druckbereiche 42, 43 an jeder Seite des Kolbens. Die beiden Druckbereiche 42, 43 weisen einen Axialabstand auf und sind beide in der Längssymmetrieebene angeordnet. Beide Druckbereiche 42, 43 sind in der Form rechteckig, wobei sich die längeren Ränder in Umfangsrichtung erstrecken. Der kopfseitige Druckbereich 42 weist eine kleinere Fläche auf als der untere. Ersterer hat eine Umfangserstreckung von 20°, verglichen mit einer Umfangserstreckung von 40° für letzteren. Diese Flächen liegen innerhalb der Berührungsfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen.

Beide Druckbereiche 42, 43 sind mit seitlichen Rampen 44 versehen, deren Winkelerstreckung 10° beträgt. Es sind auch axiale Rampen 45 vorgesehen, deren Neigung bezüglich des Restes der Kolbenwand zwischen 0,4° und 1,5° beträgt. Eine Rampe 45, die zum unteren Umfangsrand des unteren Druckbereiches 43 hinaufführt, erstreckt sich bis zu Unterkante der Kolbenwand und hat eine Neigung, die kleiner ist als jene der anderen Rampen 45.

Die Druckbereiche 42, 43 weisen einen Abstand radial nach außen bezüglich der umgebenden Kolbenwand von nicht mehr als 125 µ und nicht weniger als 25 µ auf. Die Berührungsfläche der Druckbereiche 42, 43 beträgt etwa 18% der Berührungsfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen.

Es wird anhand der obigen, beispielhaften Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Druckbereiche an den Schubabschnitten der Kolbenwand auch in anderer Verteilung angeordnet sein können. Eine große Anzahl kleinerer Druckbereiche kann anstelle einer kleinen Anzahl größerer Druckbereiche verwendet werden. Die Anzahl und/oder Anordnung und/oder der Flächeninhalt der Druckbereiche kann sich an den Abschnitten mit größerem und kleinerem Schub unterscheiden. Zusätzlich kann die Oberfläche eines jeden Druckbereiches jede geeignete Form aufweisen, sei diese nun gekrümmt oder eben. Der Flächeninhalt der Druckbereiche kann zwischen 0,05 und 0,95 D 2/9 variieren, wobei D der Nenndurchmesser des Kolbens ist.

Zusätzlich können ein Druckbereich oder mehrere Druckbereiche im Bereich des Kolbenkopfes 40 vorgesehen sein.


Anspruch[de]
  1. 1. Kolben üblicher Bauart für Brennkraftmaschinen, mit einem Kolbenkopf, der in einer Anzahl von Nuten Kolbenringe trägt, einem Kolbenschaft und einer Kolbenbolzenbohrung, wobei die Kolbenschaftabschnitte beiderseits der durch die Kolbenbolzenachse gelegten Axialebene Bereiche verringerten Durchmessers und aus dem Kolbenmaterial bestehende Druckbereiche zum Übertragen der seitlichen Druckkräfte auf den mit dem Kolben zusammenwirkenden geschmierten Zylinder aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbereiche (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) voneinander getrennte Bereiche sind, die über eine im wesentlichen zylindrische, zusammenhängende, den jeweiligen Bereich verringerten Durchmessers bildende Fläche (12) vorstehen, daß die Druckbereiche in der Kolbenbewegungsrichtung vordere und hintere, sich im wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckende, sowie seitliche, sich in Axialrichtung erstreckende Ränder aufweisen, daß die vorderen und hinteren Ränder mit der zugehörigen Fläche verringerten Durchmessers über Rampen (17; 17a, b; 35; 45) verbunden sind, deren vom zugehörigen Rand entfernte Enden radial nicht mehr als 125 µ von der Druckbereichoberfläche entfernt und deren Neigung relativ zu der zugehörigen Fläche verringerten Durchmessers weniger als 1,5° beträgt, und daß auch die seitlichen Ränder mit der Fläche verringerten Durchmessers in Umfangsrichtung über Rampen (16; 21-25; 34, 36; 44) in Verbindung stehen.
  2. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rampenoberfläche in Bewegungsrichtung des Kolbens (11) aus zwei zueinander geneigten, ebenen Abschnitten (17a, b) besteht (Fig. 4).
  3. 3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rampenoberfläche in Bewegungsrichtung des Kolbens (11) gekrümmt ist (Fig. 5).
  4. 4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vom zugehörigen Rand des Druckbereiches (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) entfernte Ende der Rampe (17; 35; 45) radial mehr als 25 µ von der Druckbereichoberfläche entfernt ist.
  5. 5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbereiche (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) in ihrer Form allgemein rechteckig sind.
  6. 6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Druckbereiche (6, 7, 9; 33; 42, 43) in axialer Richtung kleiner ist als die Breite in der Umfangsrichtung.
  7. 7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Druckbereiche (2-4; 6-10; 31-33) auf jeder Seite der durch die Kolbenbolzenachse gelegten Axialebene vorgesehen sind, wobei jeweils mindestens zwei (2, 4; 6, 7; 31, 32) dieser Druckbereiche zum Kolbenkopf (40) hin und die verbleibenden Druckbereiche (3; 8-10; 33) zum unteren Ende des Kolbenschafts (12) hin liegen.
  8. 8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden kopfseitigen Druckbereiche (2, 4; 31, 32) einen größeren Flächeninhalt aufweisen als die verbleibenden Druckbereiche (3; 33).
  9. 9. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsabstand zwischen den kopfseitigen Druckbereichen (2; 4) mindestens so groß ist wie die Umfangslänge des verbleibenden, zum Kolbenschaftende hin und zwischen ihnen liegenden Druckbereichs (3).
  10. 10. Kolben nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rampen einen Umfangswinkel von 10° einnimmt.
  11. 11. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß alle Druckbereiche (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) in einem Unfangsbereich liegen, der sich beiderseits einer senkrecht zur Kolbenbolzenachse liegenden, axialen Symmetrieebene über nicht mehr als 30° erstreckt.
  12. 12. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Druckbereiche in Axialrichtung gekrümmt ist.






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