DE10007851A1 - Leichtmetallkolben - Google Patents

Abstract

Leichtmetallkolben für einen Dieselmotor mit einer Brennraummulde im Kolbenboden, einem in der Mantelfläche des Kolbenbodens angeordneten Ringfeld und einer Bolzenbohrung, wobei die Kolbenbodeninnenform domartig gestaltet ist und wobei die Kolbenbodeninnenform auf Druckseite und Gegendruckseite Ausnehmungen aufweist, die sich in Kolbenlängsrichtung erstrecken.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für einen Dieselmotor mit einer Brennraummulde im Kolbenboden, einem Ringfeld in der Mantelfläche des Kolbenbodens und einer Bolzenbohrung, wobei die Kolbenbodeninnenform domartig gestaltet ist. Derartige Leichtmetallkolben sind typische Dieselmotorkolben, insbesondere für direkteinspritzende Diesel, die einem hohen Zünddruck von 130 bar bis 170 bar und darüber unterliegen.

Das Kolbenbodeninnere ist bei diesen Kolben in der Regel in einer Ebene 90° verdreht zur Bolzenachse domförmig ausgebildet, d. h., der höchste Punkt der Kolbenbodeninnenfläche, der den kürzesten Abstand zur Kolbenbodenoberfläche aufweist, liegt in der Regel auf oder nahe der Kolbenlängsachse. Von diesem Punkt aus fällt die Kontur seitlich in Richtung Druckseite und Gegendruckseite ab.

Durch die hohen Zünddrücke von über 150 bar führt die Belastung des Kolbens im Bereich der Bolzennaben und im Kolbenboden zu hohen Spannungen am Rand der Brennraummulde, die über der Grenze der Belastung für einen gegossenen Leichtmetallkolben liegen. Beschädigungen bzw. Zerstörungen des Kolbens sind die Folge.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Leichtmetallkolben bereitzustellen, der den Belastungen im Bereich des Brennraummuldenrandes standhält, ohne Veränderungen im Werkstoff vornehmen zu müssen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellen eines Leichtmetallkolbens, bei dem die Kolbenbodeninnenform auf Druckseite und Gegendruckseite eine Ausnehmung aufweist, die sich in Kolbenlängsrichtung erstreckt. Bei diesen Ausnehmungen kann es sich um mulden- oder topfartige bzw. sacklochartige Ausnehmungen bzw. Einstülpungen handeln, die sich in Kolbenlängsrichtung ausgehend von der domartigen Kolbenbodeninnenkontur in Richtung auf die Kolbenbodenoberfläche erstrecken.

Durch diese Gestaltung wird ein vorteilhaftes Durchbiegeverhalten des Kolbenbodens mit der Brennraummulde erreicht, wodurch eine Absenkung der kritischen Muldenrandspannung erzielt wird. Gleichzeitig wird durch die Vorsehung der beiden Ausnehmungen eine Gewichtsreduzierung erreicht.

Spannungsmessungen haben ergeben, daß die hohe Muldenrandspannung bis zu 5% gesenkt werden kann. Die experimentelle Ermittlung der Muldenrandspannung erfolgt mit Hilfe der Dehnmeßstreifentechnik. Hierbei sind statische und dynamische Messungen möglich. Über ein simuliertes Pleuel wird die Zünddruckprüflast am Kolbenboden aufgebracht, wobei sich dieser in einem mit Öl gefüllten Zylinder befindet. Mit Hilfe des Ölpolsters wird eine konstante Flächenpressung am Kolbenboden erzielt. Die im Motorbetrieb durch Gaskräfte auftretenden Spannungen am Kolbenboden und Muldenrand werden zuverlässig nachgestellt. Der an der Kolbenoberfläche vorliegende Spannungszustand wird durch Anordnung der Dehnmeßstreifen am Muldenrandumfang erfaßt und ausgewertet.

Die Übergänge zwischen der domartigen Kolbenbodeninnenform und den Ausnehmungen sind in der Regel verrundet ausgebildet. Die Ausnehmungen sind dabei derart im Kolbenkopf angeordnet, daß die die Kolbenlängsachse einschließende Ebene durch beide Ausnehmungen hindurchgeht. Insbesondere kann vorgesehen sein, daß ein Schnitt entlang dieser Ebene die Ausnehmungen in der Hälfte schneidet.

Es kann weiter vorgesehen sein, daß der höchste Punkt der domartigen Kolbenbodeninnenform im Bereich der Kolbenlängsachse liegt. Insbesondere kann er auf der Kolbenlängsachse liegen. Die domartige Innenkontur muß dabei nicht mit einem gleichmäßigen Krümmungsradius versehen sein, sondern es können auch verschieden gekrümmte oder auch gerade Abschnitte die domartige Kolbenbodeninnenkontur bilden.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die Ausnehmungen selbst sowie ihre Übergänge zu der domartigen Kolbenbodeninnenkontur verrundet ausgebildet sind. Hierdurch werden Spannungsspitzen vermieden.

Die Ausnehmungen können radial außerhalb des Bereichs der Brennraummulde angeordnet sein. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Kolbenbodenaußenkontur, die im wesentlichen durch die Brennraummulde bestimmt wird, in der Innenkontur wiederspiegelt. D. h., die Kolbenbodeninnenform folgt der Brennraumkontur. Der Kolbenboden erhält dadurch im Bereich der Brennraummulde annähernd die Form eines Omega. Hierdurch wird das Durchbiegeverhalten weiter verbessert.

Die Ausnehmungen können sich in den Bereich hinter das Ringfeld erstrecken. D. h., die Ausnehmungen erstrecken sich so weit in Kolbenlängsrichtung in Richtung auf die Kolbenbodenoberfläche, daß sie hinter der unteren Flanke der untersten Ringnut zu liegen kommen.

Es kann weiter vorgesehen sein, daß sich die Ausnehmungen weiter in Richtung auf die Kolbenbodenoberfläche erstrecken als der höchste Punkt des domartigen Kolbeninneren. Hierdurch wird insbesondere eine besonders gute Nachführung der Kolbenbodenaußenkontur durch die Kolbenbodeninnenkontur erzielt.

Bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung kann es vorgesehen sein, daß der Muldengrund der Brennraummulde tiefer liegt als die untere, d. h. die von der Kolbenbodenoberseite abgewandte Flanke der obersten Ringnut.

Nach einem Ausführungsbeispiel können die Ausnehmungen in Kolbenlängsrichtung unterschiedlich weit ausgewölbt, also unterschiedlich tief ausgebildet sein. Ob die Ausnehmung auf der Druck- oder der Gegendruckseite tiefer ausgebildet ist, kann dabei von der Richtung des Muldenversatzes entweder zur Druckseite oder zur Gegendruckseite abhängen. Hierdurch wird die nötige mechanische Stabilität des Kolbens sichergestellt und eine besonders gute Herabsetzung der Muldenrandspannung gewährleistet.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß der Grund mindestens einer Ausnehmung auf der gleichen Höhe in Kolbenlängsrichtung wie der Grund der Brennraummulde liegt. Auch hierdurch wird der Kolbenboden, also die Wand im Bereich zwischen Brennraummulde und Kolbeninnerem, besonders dünn gestaltet und die Brennraumkontur gut nachgeführt.

Schließlich kann vorgesehen sein, daß die Erstreckung der Ausnehmungen in Umfangsrichtung größer als deren radiale Erstreckung ist. Insbesondere können die Ausnehmungen im wesentlichen einen nierenförmigen Querschnitt aufweisen, wobei insbesondere die die Kolbenlängsachse einschließende Ebene die nierenförmigen Ausnehmungen halbieren kann. Die Ausnehmungen können im Querschnitt jedoch auch auf Druckseite und Gegendruckseite unterschiedlich ausgeformt sein.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Anmeldungsunterlagen.

Im folgenden soll anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Leichtmetallkolben gemäß Stand der Technik im Längsschnitt;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Kolben gemäß Fig. 1 entlang der Linie I-I;

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Leichtmetallkolben im Längsschnitt;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie II-II durch den Kolben gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen Leichtmetallkolben für einen Dieselmotor, insbesondere für einen direkteinspritzenden Dieselmotor. Der Kolben ist in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnet. Der Kolben 10 weist eine Brennraummulde 12 auf, die sich von der Kolbenbodenoberfläche 14 in Richtung des Kolbenschaftes erstreckt.

Darüber hinaus sind in der Mantelfläche 15 des Kolbenbodens 16 Ringnuten 18 vorgesehen, die ein Ringfeld 20 ausbilden. Weiterhin ist im Bereich des Kolbenkopfe 19 ein Kühlkanal 22 vorgesehen.

Der Kolben 10 besitzt eine Bolzenbohrung 24 unterhalb des Kolbenbodens 16, über die der Kolben 10 durch einen Bolzen mit einem Pleuel verbunden wird (nicht dargestellt). Die Kolbenbodeninnenform 28 ist domartig ausgebildet, wobei der höchste Punkt 26 der domartigen Kolbenbodeninnenform 28 mit der Kolbenlängsachse 29 zusammenfällt und mittig unterhalb der Brennraummulde 12 angeordnet ist. Ausgehend von diesem höchsten Punkt 26 fällt die Kolbenbodeninnenform 28 zur Druckseite und Gegendruckseite (DS, GS) ab.

Fig. 2 zeigt den Kolben gemäß Fig. 1 im Schnitt entlang der Linie I-I. Hierbei ist gut zu erkennen, daß die domartige Kolbenbodeninnenform 28 nicht rotationssymmetrisch ist, sondern in Richtung der Achse, die 90° (senkrecht) zur Kolbenbolzenachse 32 liegt, verläuft.

Aufgrund der hohen Belastungen in einem direkteinspritzenden Dieselmotor mit Zünddrücken über 150 bar bilden sich in einem derartigen Kolben gemäß dem Stand der Technik Spannungen am Muldenrand, die zum Versagen des Kolbens führen können.

Demgegenüber sind diese Muldenrandspannungen beim erfindungsgemäßen Kolben um ca. 5% herabgesetzt. Der erfindungsgemäße Kolben ist in Fig. 3 und 4 gezeigt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind.

Die Kolbenbodeninnenform 28 des erfindungsgemäßen Kolbens 10 weist hierbei in ihrem Verlauf ausgehend vom höchsten Punkt 26 zur Druckseite bzw. zur Gegendruckseite (GS, DS) Ausnehmungen 34 auf, die sich in Richtung der Kolbenlängsachse 29 in Richtung auf die Kolbenbodenoberfläche 14 erstrecken. Bei diesen Ausnehmungen 34 handelt es sich um muldenartige Vertiefungen, die sowohl an ihrem tiefsten Punkt bzw. ihrem Grund 36, d. h. dem Punkt, der am nächsten zur Kolbenbodenoberfläche 14 liegt, als auch in ihren Übergängen 38 und 40 zur domartigen Kolbenbodeninnenkontur 28 verrundet ausgebildet sind. Die Ausnehmungen 34 sind radial so weit von der Kolbenlängsachse 29 entfernt vorgesehen, daß sie beidseits der Brennraummulde 12 liegen.

Durch diese Ausnehmungen 34 wird erreicht, daß die Kolbenbodeninnenform 28 sich besser an die Gestaltung der Brennraummulde 12 anpaßt und hierdurch ein vorteilhaftes Durchbiegeverhalten des Kolbenbodens 16 erreicht wird. Eine Absenkung der kritischen Muldenrandspannung wird erzielt.

Die Ausnehmungen 34 erstrecken sich bis hinter den Bereich des Ringfeldes 20.

Auf der Gegendruckseite GS ist die Ausnehmung 34g tiefer ausgeformt als die Ausnehmung 34d auf der Druckseite. Die Ausnehmung 34g auf der Gegendruckseite GS ist so tief, daß ihr Grund 36 auf der gleichen Höhe in Kolbenlängsrichtung 29 wie der Grund 42 der Brennraummulde 12 liegt. Hierdurch wird das Durchbiegeverhalten und damit die Muldenrandspannung günstig beeinflußt.

Wie aus Fig. 4 ersehen werden kann, die einen Schnitt entlang der Linie II-II gemäß Fig. 3 darstellt, weisen die Ausnehmungen 34 eine nierenförmige Gestalt auf, d. h. ihre Erstreckung ist in Umfangsrichtung größer als die radiale Erstreckung. Die Ausnehmungen 34 sind derart im Kolben 10 angeordnet, daß die Ebene, die die Kolbenlängsachse 28 und die Achse 30 einschließt, die Ausnehmungen 34 mittig schneidet.

Die Messung der Muldenrandspannung erfolgt mit Hilfe von Dehnmeßstreifen, die auf den Muldenrand aufgeklebt werden. Hierbei sind statische und dynamische Messungen möglich.

Des weiteren wird durch die Ausnehmungen 34 eine Gewichtsreduzierung des Kolbens erzielt.

Claims (12)

1. Leichtmetallkolben für einen Dieselmotor mit einer Brennraummulde (12) im Kolbenboden (16), einem in der Mantelfläche (15) des Kolbenbodens (16) angeordneten Ringfeld (20) und einer Bolzenbohrung (24), wobei die Kolbenbodeninnenform (28) domartig gestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenbodeninnenform (28) auf Druckseite und Gegendruckseite Ausnehmungen (34) aufweist, die sich in Kolbenlängsrichtung (29) erstrecken.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der höchste Punkt (26) der domartigen Kolbenbodeninnenform (28) im Bereich der Kolbenlängsachse (29) liegt.

3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (34) verrundet ausgebildet sind.

4. Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (34) radial außerhalb des Bereichs der Brennraummulde (12) angeordnet sind.

5. Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmungen (34) in den Bereich hinter das Ringfeld (20) erstrecken.

6. Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmungen (34) weiter in Richtung auf die Kolbenbodenoberfläche (14) erstrecken als der höchste Punkt (26) der domartigen Kolbenbodeninnenform (28).

7. Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Muldengrund (42) der Brennraummulde (12) in Kolbenlängsrichtung (29) tiefer liegt als die untere Flanke der obersten Ringnut (18).

8. Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (34) in Kolbenlängsrichtung (29) unterschiedlich tief ausgebildet sind.

9. Leichtmetallkolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (34) auf der Druckseite (DS) oder der Gegendruckseite (GS), abhängig von der Richtung des Muldenversatzes zur Druckseite (DS) oder Gegendruckseite (GS), tiefer ausgebildet ist.

10. Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund (36) mindestens einer Ausnehmung (34) auf der gleichen Höhe in Kolbenlängsrichtung (29) wie der Grund (42) der Brennraummulde (12) liegt.

11. Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung der Ausnehmungen (34) in Umfangsrichtung größer ist als deren radiale Erstreckung.

12. Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (34) im wesentlichen einen nierenförmigen Querschnitt besitzen.