DE10007851A1 - Leichtmetallkolben - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000107851 DE10007851A1 (de) | 2000-02-21 | 2000-02-21 | Leichtmetallkolben |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000107851 DE10007851A1 (de) | 2000-02-21 | 2000-02-21 | Leichtmetallkolben |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10007851A1 true DE10007851A1 (de) | 2001-08-23 |
Family
ID=7631710
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2000107851 Ceased DE10007851A1 (de) | 2000-02-21 | 2000-02-21 | Leichtmetallkolben |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10007851A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105464833A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-04-06 | 广西玉柴机器股份有限公司 | 柴油机的燃烧室 |
EP3004611A1 (de) * | 2013-05-31 | 2016-04-13 | MAHLE International GmbH | Kolben für einen verbrennungsmotor |
-
2000
- 2000-02-21 DE DE2000107851 patent/DE10007851A1/de not_active Ceased
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3004611A1 (de) * | 2013-05-31 | 2016-04-13 | MAHLE International GmbH | Kolben für einen verbrennungsmotor |
CN105464833A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-04-06 | 广西玉柴机器股份有限公司 | 柴油机的燃烧室 |
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Legal Events
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