DE102019209248A1

DE102019209248A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102019209248A1
Application number: DE102019209248.9A
Authority: DE
Inventors: Julian Zilker; Michael Scherer; Olga Seller; Sven Ungermann; Ralf Meske
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2020-12-31
Also published as: US20220252019A1; US12000355B2; CN113748262B; KR20220022127A; JP2022538240A; WO2020260466A1; EP3990767A1; CN113748262A

Abstract

Ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor weist Schaftwandabschnitte (18) zur Abstützung in einem Zylinder oder einer Zylinderlaufbuchse, und zumindest eine sich daran in Umfangsrichtung anschließende Bodenabstützung (20) auf, die zumindest eine Kontur aufweist, die einen Abschnitt einer Helix bildet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
Kolben für Verbrennungsmotoren sind insbesondere im Fall von Ottomotoren mit hoher spezifischer Leistung, die in der Größenordnung von 100 kW/l liegen kann, extrem hohen Belastungen ausgesetzt. Dies liegt zum einen an hohen Zünddrücken, die im Bereich von 120 bar liegen können, sowie den im Brennraum herrschenden äußerst hohen Temperaturen. Besonders hohe Belastungen treten aufgrund der Kinematik des Kurbeltriebs auf der Druckseite des Kolbens, und hier insbesondere in der untersten Ringnut des Kolbens auf. Insbesondere in einem Lastfall, der als „maximale Seitenkraft“ beschrieben werden kann, treten in der untersten Ringnut des Kolbens auf der Druckseite hohe Zugspannungen auf, da der Kolbenschaft nachgiebiger auf Seitenkräfte reagiert als der Kolbenboden, der das Ringfeld aufweist. Es ist darüber hinaus erforderlich, um die Belastung der Kolbennabe und anderer Motorbauteil infolge von Massenkräften gering zu halten, wo irgend möglich, Gewicht einzusparen. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass radial außerhalb des Kolbenbolzens in dessen Achsrichtung sogenannte Taschen ausgebildet werden. Mit anderen Worten sind Verbindungswände, welche die tragenden Schaftwandabschnitte verbinden, radial nach innen zurückgesetzt.
Stand der Technik
Zahlreiche vorbenutzte Kolben weisen ein derartiges Design auf. Häufig ist hierbei eine Verrundung zwischen Schaftwandabschnitt und Tasche ausgebildet.
Darstellung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ohne nennenswerte Erhöhung des Kolbengewichts die Betriebsfestigkeit, insbesondere in der untersten Nut des Kolbens sicherzustellen, indem insbesondere hier die maximal auftretenden Spannungen reduziert werden.
Dies wird durch den Kolben gemäß Patentanspruch 1 erreicht.
Demzufolge weist dieser Schaftwandabschnitte auf, die der Abstützung in einem Zylinder oder in einer Zylinderlaufbuchse dienen, an die sich in Umfangsrichtung zum Kolbenboden hin sogenannte Bodenabstützungen anschließen, die zumindest eine Kontur aufweisen, die einen Abschnitt einer Helix bildet. Mit anderen Worten folgt der Abstand zwischen der Unterkante, mit anderen Worten dem vom Kolbenboden abgewandten Ende der Bodenabstützung, zu der untersten Ringnut einer an einem Zylinder abgerollten Steigung. Diese Unterkante kann über im Wesentlichen die gesamte radiale Tiefe der Bodenabstützung gleich sein. Mit anderen Worten, radial auf die Bodenabstützung geblickt erscheint diese als Linie. Die beschriebene Kontur kann jedoch nur radial außen oder innen an der Bodenabstützung vorliegen, und die untere Begrenzungsfläche der Bodenabstützung kann sich von dieser Kante absenken oder ansteigen. In kartesischen Koordinaten kann die Helix wie folgt ausgedrückt werden: $\vec{x} (t) = (\begin{matrix} r c o s (t) \\ r s i n (t) \\ \frac{h}{2 π} t \end{matrix})$
Dabei ist r der Radius des Zylinders, h die Ganghöhe und t der Kurvenparameter. Die Steigung k beträgt: $k = \frac{h}{2 π r}$
Wie sich bei ersten Simulationen herausgestellt hat, können dadurch die Beanspruchungen in der untersten Kolbenringnut erheblich verringert werden. Im Vergleich zu dem bisherigen Design kann die maximale Hauptspannung um etwa 30 MPa gesenkt werden. Hierdurch ergibt sich eine Verbesserung der Betriebsfestigkeit um etwa 25%. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Gewichtszunahme bei einem typischen Kolben lediglich etwa 2 g beträgt. Somit können mittels der Erfindung die Ziele, einen Kolben vergleichsweise leicht und gleichzeitig fest zu bauen, in vorteilhafter Weise kombiniert erreicht werden. Die Bodenabstützung sorgt somit für eine vorteilhafte Abstützung des Kolbenbodens.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Wenngleich die beschriebene Gestaltung auf beiden Seiten eines Kolbens vorgesehen sein kann, wird aufgrund der oben beschriebenen Belastungssituation bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Kontur zumindest auf der Druckseite des Kolbens vorgesehen ist.
Ferner wird bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Kontur zu beiden Seiten des Schaftwandabschnitts vorgesehen ist, so dass die erfindungsgemäßen Vorteile umfangreich genutzt werden können.
Dies gilt gleichermaßen für die bevorzugte Maßnahme, wonach sich zumindest eine Bodenabstützung von einem Schaftwandabschnitt bis in den Bereich einer Bolzennabenbegrenzung erstreckt.
Bei ersten Simulationen hat sich für die Steigung der erfindungsgemäßen Helix herausgestellt, dass diese mindestens 1:10 und höchstens 1:1 betragen sollte. Derzeit wird ein Wert von etwa 1:2 bevorzugt.
Die erfindungsgemäß gestaltete Bodenabstützung weist eine in radialer Richtung gemessene Tiefe auf, für die bevorzugt wird, dass sie in etwa gleich groß ist, wie die in der gleichen Richtung gemessene Tiefe der untersten Ringnut des Kolbens. Hierdurch kann besonders zuverlässig eine spannungsarme Abstützung des durch die Kolbenringnut geschwächten Bereichs erreicht werden. Die beschriebene Tiefe kann bis zu zweimal der Tiefe der Kolbenringnut betragen, und bei einem üblichen Ottokolben kann die beschriebene Tiefe etwa 6 mm betragen.
Radial innerhalb der beschriebenen Bodenabstützungen befinden sich die die Schaftwandabschnitte verbindenden Verbindungswände, und es wird im Hinblick auf die Gewichtseinsparung bevorzugt, dass hierzu ein Abstand vorliegt, dass mit anderen Worten zumindest eine Bodenabstützung in radialer Richtung von einer Verbindungswand beabstandet ist. Somit verbleibt hier die für die Gewichtseinsparung günstige „Tasche“.
Um Kerbwirkungen zu vermeiden, ist am Übergang zwischen dem Schaftwandabschnitt und zumindest einer Bodenabdeckung bevorzugt eine Verrundung vorgesehen.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Seitenansicht;
2 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Unteransicht; und
3 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer perspektivischen Unteransicht mit eingezeichneter Helix.

Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Wie in 1 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Kolben an seiner gemäß 1 Oberseite einen Kolbenboden 12, ein Ringfeld 14 mit einer untersten Ringnut 16 und Schaftwandabschnitte 18 auf, von denen in 1 nur eine vollständig zu erkennen ist. Die Schaftwandabschnitte 18 weisen eine in Umfangsrichtung gemessene, in etwa gleichbleibende Breite auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Breite im Verlauf entlang der (in 1 vertikalen) Kolbenhubachse in etwa gleichbleibend, mit einer geringfügigen Verbreiterung zur Unterseite, d.h. vom Kolbenboden 12 entfernt, hin.
Erfindungsgemäß schließen sich in Umfangsrichtung zu beiden Seiten des gezeigten druckseitigen Schaftwandabschnitts 18 sogenannte Bodenabstützungen 20 an, die in dem gezeigten Fall spiegelsymmetrisch gestaltet sind. In 1 ist die an der Unterseite der Bodenabstützung 20 vorliegende Kontur als Schräge zu erkennen, aus 3 geht jedoch hervor, dass diese Kontur einer Helix folgt. Eine ausführliche Beschreibung erfolgt im Zusammenhang mit 3. Unter Bezugnahme auf 1 sei noch erwähnt, dass der Übergang von dem Schaftwandabschnitt 18 zu der jeweiligen Bodenabstützung 20 in Form einer Verrundung 22 ausgeführt ist.
Aus 2 geht ergänzend die in radialer Richtung gemessene Tiefe T der Bodenabstützung 20 hervor. Ergänzend ist zu erkennen, dass die jeweilige Bodenabstützung 20 von der die die Schaftwandabschnitte verbindenden Verbindungswand 24 beabstandet ist, wenngleich die Verbindungswände 24 in Richtung der Kolbenbolzenachse ein wenig divergierend verlaufen. Hierdurch verbleiben dazwischen die für die Gewichtseinsparung vorteilhaften Taschen 26.
In 3 ist nunmehr im Einzelnen dargestellt, wie sich die Kontur einer Bodenabstützung 20 ergibt. Es sei darauf hingewiesen, dass dies gleichermaßen für die Bodenabstützung auf der anderen Seite, mit entgegengesetzter Helizität gilt. Die in 3 dargestellte Helizität kann als positiv beschrieben werden. Mit anderen Worten, wenn gedanklich die x-Achse auf die y-Achse geklappt wird, bewegt sich die Helix in Richtung der z-Achse.
In 3 ist ferner zu erkennen, dass die Bodenabstützung im Bereich der Verrundung 22 zu dem Schaftwandabschnitt 18 beginnt(Pfeil B) und in etwa im Bereich der Bolzennabenbegrenzung 28 (Pfeil A) endet. In dem gezeigten Fall beträgt die Steigung etwa 1:2, und die Tiefe T (vgl. 2) ist mit etwa 6 mm ca. doppelt so tief wie die der untersten Ringnut 16.
Es sei noch erwähnt, dass die radiale Außenseite zumindest einer Bodenabstützung auf der gleichen Zylindermantelfläche liegen kann, wie der Schaftwandabschnitt. Nachdem die Bodenabstützung jedoch nicht für die radiale Abstützung an einer Zylinder(buchsen)-Wand erforderlich ist, kann die Bodenabstützung in radialer Richtung gegenüber dem Schaftwandabschnitt zurückgesetzt sein.

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit Schaftwandabschnitten (18) zur Abstützung in einem Zylinder oder einer Zylinderlaufbuchse, und zumindest einer sich daran in Umfangsrichtung anschließenden Bodenabstützung (20), die zumindest eine Kontur aufweist, die einen Abschnitt einer Helix bildet.
Kolben (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bodenabstützung (20) zumindest auf der Druckseite des Kolbens (10) vorgesehen ist.
Kolben (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu beiden Seiten zumindest eines Schaftwandabschnitts (18) eine Bodenabstützung (20) vorgesehen ist.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest eine Bodenabstützung bis in den Bereich einer Bolzennabenbegrenzung (28) erstreckt.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Helix eine Steigung von 1:10 bis 1:1 und insbesondere 1:2 aufweist.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung gemessene Tiefe (T) zumindest einer Bodenabstützung (20) zumindest gleich groß ist wie die in radialer Richtung gemessene Tiefe einer untersten Ringnut (16) und/oder maximal doppelt so groß.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Bodenabstützung (20) von einer die Schaftwandabschnitte (18) verbindenden Verbindungswand (24) beabstandet ist.
Kolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang zwischen einem Schaftwandabschnitt (18) und zumindest einer Bodenabstützung (20) mit einer Verrundung (22) versehen ist.