DE19708252A1 - Kolben für Verbrennungsmotoren - Google Patents
Kolben für VerbrennungsmotorenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für
Verbrennungsmotoren, nach dem Oberbegriff des Anspru
ches 1 bzw. 17.
Ein bekannter Kolben für Brennkraftmaschinen oder
Verbrennungsmotoren ist beispielsweise in der japani
schen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 55-9871 beschrieben.
Dieser Kolben weist einen Ringsteg und einen hiermit
verbundenen Kolbenmantel auf. Der Ringsteg weist Kol
benringausnehmungen auf. Der Kolbenmantel weist eine
Kolbenbolzenbohrung auf, deren Mittellinie bezüglich
einer Mittellinie des Kolbens in Richtung der Gegen
schubseite versetzt ist. Aussteifungen mit unterschied
lichem Gewicht sind in dem Kolbenmantel an der Innen
wand der Schub- und Gegenschubseite des Kolbens ange
formt. Die Aussteifungen dienen dazu, thermische Aus
dehnungen eines oberen Endabschnittes des Kolbenmantels
während des Laufs des Motors zu beschränken und um den
Massenschwerpunkt des Kolbens knapp oberhalb des Mit
telpunktes des Kolbenbolzens anzuordnen.
Der Kolben ist in einem Zylinder angeordnet. Ein
Pleuel ist mit dem Kolben über einen Kolbenbolzen ver
bunden, der durch die Kolbenbolzenbohrung verläuft.
Während des Betriebs des Motors erhält der Kolben vor
der oberen Totpunktslage des Kompressionshubes eine
Kraft in Gegenschubrichtung aufgrund einer Druckkraft
aus dem schräg verlaufenden Pleuel heraus und einem
Druck aufgrund von komprimierten Gas und gleitet an ei
ner gegenschubseitigen inneren Umfangsoberfläche des
Zylinders. Bei Annäherung an die obere Totpunktslage
erhält der Kolben nicht nur eine verringerte Kraft in
Gegenschubrichtung, da die Neigung des Pleuels abnimmt,
sondern auch ein Moment entgegen Uhrzeigersinn, da die
Kolbenbolzenbohrung zu der Gegenschubseite des Kolbens
hin versetzt ist.
Im Ergebnis weist der Kolben ein schubseitiges obe
res Ende auf, welches eine schubseitige innere Umfangs
oberfläche des Zylinders kontaktiert und ein gegen
schubseitiges unteres Ende, das die gegenschubseitige
innere Umfangsoberfläche des Zylinders kontaktiert.
Nachfolgend führt der Kolben einen Expansionshub durch
und unterliegt einer Kraft in Schubrichtung aufgrund
eines Drucks des Verbrennungsgases und einer Reaktions
kraft vom Pleuel her. Mit wachsender Kraft in Schub
richtung wird der Kolben nach unten bewegt, wobei ein
Abschnitt zwischen dem schubseitigen oberen Ende und
einem unteren Ende über einen weiten Bereich hin in
Gleitkontakt mit der schubseitigen inneren Umfangsober
fläche des Zylinders ist.
Da die Kolbenbolzenbohrung zu der Gegenschubseite
des Kolbens hin versetzt ist, erfährt der Kolben somit
im Ausdehnungshub ein Moment entgegen Uhrzeigersinn.
Dieses Moment wirkt dahingehend, daß ein Abstand zwi
schen einem Ende des Kolbenmantels in Gleitrichtung und
der inneren Umfangsoberfläche des Zylinders vergrößert
wird, was die Zufuhr von Schmieröl zu der gesamten
schubseitigen Oberfläche des Kolbens ermöglicht.
Der Effekt des Begrenzens von thermischer Ausdeh
nung des oberen Endabschnittes des Kolbenmantels durch
die Aussteifungen hat jedoch einen Grenzwert und das
Vorhandensein der Aussteifungen verhindert, daß der
obere Endabschnitt des Kolbenmantels deformiert wird,
so daß der Kolbenmantel in vertikaler Richtung eine
starke Schwankung in seiner Verformbarkeit hat, was im
wesentlichen von der Nachbarschaft der Ausnehmung für
den Ölabstreifring herrührt. Um daher ein Festfressen
zu verhindern, benötigt ein schubseitiges oberes Ende
des Kolbenmantels, das die innere Umfangsoberfläche des
Zylinders im Ausdehnungshub berührt, eine Abschrägung
oder Konizität mit größerer Neigung als ein oberer Ab
schnitt des Kolbens.
Diese Abschrägung bewirkt jedoch größere Oszillati
onsbewegungen des Kolbens in einem Ausdehnungshub ge
ringerer Geschwindigkeit, wenn das schubseitige obere
Ende des Kolbenmantels die innere Umfangsoberfläche des
Zylinders berührt. Genauer gesagt, der Kolben hat eine
kinetische Energie, die anwächst, wenn er in Gleitkon
takt mit der inneren Umfangsoberfläche des Zylinders
gerät, wodurch der Zylinder vibriert und starke Schläge
erzeugt. Weiterhin führt das Vergrößern des Abstandes
zwischen dem oberen Ende des Kolbenmantels und der in
neren Umfangsoberfläche des Zylinders zu einer kleinen
Druckwirkungsfläche des Kolbenmantels. Dies erhöht den
Oberflächendruck an dem schubseitigen Abschnitt des
Kolbenmantels, was es schwierig macht, einen Ölfilm auf
einer schubseitigen Umfangsoberfläche des Kolbenmantels
auszubilden, was wiederum zur Möglichkeit führt, daß
die Reibung hier anwächst.
Es ist von daher Aufgabe der vorliegenden Erfin
dung, einen Kolben für Verbrennungsmotoren zu schaffen,
bei dem weniger Schlagen des Kolbens auftritt und die
Reibung zwischen den Kolben und dem Zylinder im Ausdeh
nungshub verringert ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß
durch die im Anspruch 1 bzw. 17 angegebenen Merkmale.
Gemäß eines ersten Aspektes der vorliegenden Erfin
dung wird demnach ein Kolben für einen Verbrennungsmo
tor geschaffen, wobei der Kolben auf Schub- und Gegen
schubseiten betreibbar ist, und wobei der Kolben auf
weist: einen Ringsteg, der eine Kolbenring-Ausnehmung
aufweist; einen Kolbenmantel, der mit dem Ringsteg ver
bunden ist, so daß die Kolbenring-Ausnehmung benach
bart hierzu liegt, wobei der Kolbenmantel eine Kolben
bolzenbohrung mit einer Achse aufweist und wobei der
Kolbenmantel eine Ebene hat, welche die Achse der
Kolbenbolzenbohrung enthält; und eine Konizität, die in
dem Kolbenmantel in einem ersten Abschnitt hiervon
näher an dem Ringsteg als die Ebene angeordnet ist,
wobei die Konizität in Richtung des Ringsteges konver
giert.
Gemäß eines zweiten Aspektes der vorliegenden Er
findung wird ein Kolben für einen Verbrennungsmotor ge
schaffen, wobei der Kolben auf Schub- und Gegenschub
seiten betreibbar ist, und wobei der Kolben aufweist:
einen Ringsteg, der eine Kolbenring-Ausnehmung auf
weist; einen Kolbenmantel, der mit dem Ringsteg ver
bunden ist, so daß die Kolbenring-Ausnehmung benachbart
hierzu ist, wobei der Kolbenmantel eine Kolbenbolzen
bohrung mit einer Achse aufweist und wobei der Kolben
mantel eine Ebene hat, welche die Achse der Kolbenbol
zenbohrung enthält; und Mittel zum Ausbilden einer
Konizität auf dem Kolbenmantel in einem ersten
Abschnitt hiervon näher an dem Ringsteg als an der
Ebene, wobei die Mittel zum Ausbilden der Konizität in
Richtung des Ringsteges konvergieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Ge
genstand der Unteransprüche.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vor
liegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeich
nung.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer ersten bevorzugten
Ausführungsform eines Kolbens für Verbrennungsmotoren
gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung entlang Linie II-II
in Fig. 1;
Fig. 3 eine Ansicht ähnlich von Fig. 2 entlang der
Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 4 eine Ansicht ähnlich von Fig. 3 entlang der
Linie IV-IV in Fig. 3;
Fig. 5 eine Ansicht ähnlich von Fig. 4 mit dem
Kolben im Ausdehnungshub;
Fig. 6 eine Ansicht ähnlich von Fig. 1 einer zwei
ten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin
dung;
Fig. 7 eine Ansicht ähnlich von Fig. 6 einer drit
ten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin
dung;
Fig. 8 eine Ansicht ähnlich von Fig. 5 entlang Li
nie VIII-VIII in Fig. 7;
Fig. 9 eine vergrößerte grafische Darstellung zur
Veranschaulichung der Form einer Abschrägung, die an
einem Kolbenmantel ausgebildet ist;
Fig. 10A eine schematische Darstellung eines Kol
bens für den oberen Totpunkt eines Kompressionshubes;
Fig. 10B eine Ansicht ähnlich von Fig. 10A mit dem
Kolben knapp bevor der oberen Totpunktslage des Kom
pressionshubes;
Fig. 10C eine Ansicht ähnlich von Fig. 10B mit dem
Kolben nach der oberen Totpunktslage des Kompressions
hubes;
Fig. 11 eine Ansicht ähnlich von Fig. 7 einer
vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 12 eine Ansicht ähnlich von Fig. 8 entlang
Linie XII-XII in Fig. 11;
Fig. 13 eine Ansicht ähnlich von Fig. 12 entlang
Linie XIII-XIII in Fig. 11;
Fig. 14A eine Ansicht ähnlich von Fig. 10C mit ei
nem Kolben vor der oberen Totpunktslage des Kompressi
onshubes;
Fig. 14B eine Ansicht ähnlich von Fig. 14A mit dem
Kolben knapp vor der oberen Totpunktslage des Kompres
sionshubes;
Fig. 14C eine Ansicht ähnlich von Fig. 14B mit dem
Kolben nach der oberen Totpunktslage des Kompressions
hubes;
Fig. 15 eine Ansicht ähnlich von Fig. 12 einer
fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 16 eine Ansicht ähnlich von Fig. 15 entlang
Linie XVI-XVI in Fig. 15;
Fig. 17 eine Ansicht ähnlich von Fig. 11 einer
sechsten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 18 eine Ansicht ähnlich von Fig. 16 entlang
Linie XVIII-XVIII in Fig. 17;
Fig. 19 eine Ansicht ähnlich von Fig. 18 entlang
Linie XIX-XIX in Fig. 17;
Fig. 20 eine vergrößerte Schnittdarstellung ent
lang Linie XX-XX in Fig. 17;
Fig. 21 eine Ansicht ähnlich von Fig. 20 zur Ver
anschaulichung eines Abschnittes D in Fig. 19;
Fig. 22 eine Ansicht ähnlich von Fig. 17 einer
siebten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 23 eine Ansicht ähnlich von Fig. 22 einer
achten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Er
findung;
Fig. 24 eine Ansicht ähnlich von Fig. 23 einer
neunten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 25 eine Ansicht ähnlich von Fig. 24 einer
zehnten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 26 eine Seitenansicht der zehnten Ausfüh
rungsform;
Fig. 27 eine Ansicht ähnlich von Fig. 9 zur Veran
schaulichung der Oberflächenrauhigkeit des Kolbenman
tels;
Fig. 28A eine Ansicht ähnlich von Fig. 14C mit ei
nem Kolben vor der oberen Totpunktslage des Kompressi
onshubes;
Fig. 28B eine Ansicht ähnlich von Fig. 28A mit dem
Kolben knapp bevor der oberen Totpunktslage des Kom
pressionshubes;
Fig. 28C eine Ansicht ähnlich von Fig. 28B mit dem
Kolben nach der oberen Totpunktslage des Kompressions
hubes;
Fig. 29 eine Ansicht ähnlich von Fig. 25 zur Ver
anschaulichung der Verteilung eines Oberflächendruckes
am Kolben;
Fig. 30 eine Ansicht ähnlich von Fig. 29 einer
elften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Er
findung;
Fig. 31 eine Ansicht ähnlich von Fig. 26 der elf
ten Ausführungsform;
Fig. 32 eine Ansicht ähnlich von Fig. 18 entlang
Linie XXXII-XXXII in Fig. 31;
Fig. 33 eine Ansicht ähnlich von Fig. 32 entlang
Linie XXXIII-XXXIII in Fig. 32;
Fig. 34A eine Ansicht ähnlich von Fig. 28 mit ei
nem Kolben vor der oberen Totpunktslage des Kompressi
onshubes;
Fig. 34B eine Ansicht ähnlich von Fig. 34A mit dem
Kolben knapp vor der oberen Totpunktslage des Kompres
sionshubes;
Fig. 34C eine Ansicht ähnlich von Fig. 34B mit dem
Kolben nach der oberen Totpunktslage des Kompressions
hubes;
Fig. 35 eine Ansicht ähnlich von Fig. 29 einer
zwölften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 36 eine Ansicht ähnlich von Fig. 19 entlang
Linie XXXVI-XXXVI in Fig. 35;
Fig. 37 eine Ansicht ähnlich von Fig. 27 zur Ver
anschaulichung der Form einer Abschrägung, die an einem
Kolbenmantel ausgebildet ist;
Fig. 38A eine Ansicht ähnlich von Fig. 34C mit ei
nem Kolben vor der oberen Totpunktslage des Kompressi
onshubes;
Fig. 38B eine Ansicht ähnlich von Fig. 38A mit dem
Kolben knapp vor der oberen Totpunktslage des Kompres
sionshubes;
Fig. 38C eine Ansicht ähnlich von Fig. 38B mit dem
Kolben nach der oberen Totpunktslage des Kompressions
hubes; und
Fig. 39 eine grafische Darstellung zur Veranschau
lichung von Untersuchungsergebnissen an dem erfindungs
gemäßen Kolben.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung werden nachfol
gend bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemä
ßen Kolbens für Verbrennungsmotoren näher erläutert.
Die Fig. 1-5 zeigen eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Gemäß der Fig. 1-3 weist
ein Kolben 1 im wesentlichen einen Kolbenkopf 2 und ei
nen Ringsteg 3 auf, der um den Kolbenkopf 2 herum ver
laufend ausgebildet ist, wobei eine Schürze 13 und ein
Kolbenmantel 4 mit dem Ringsteg 3 verbunden sind.
Der Ringsteg 3 weist Kolbenring-Ausnehmungen 5, 6
und 7 auf. Wie am besten aus Fig. 4 hervorgeht, ist an
einer Schubseite 1A des Kolbens 1 ein Schlitz 9 durch
eine Bodenfläche 7a der Kolbenring-Ausnehmung 7 ausge
bildet, welche den Kolbenmantel 4 am nächsten ist, um
eine Verbindung zwischen der Innenseite und Außenseite
des Kolbens sicher zu stellen. Weiterhin ist eine Aus
nehmungsbohrung 10 an jedem umfangsseitigen Ende des
Schlitzes 9 ausgebildet.
Die Schürze 13 weist eine Kolbenbolzenbohrung 8
auf, die sich im wesentlichen in Richtung des Durchmes
sers des Kolbens 1 erstreckt. Eine Mittellinie X1 der
Kolbenbolzenbohrung 8 ist zu einer Gegenschubseite 1b
des Kolbens 1 hin bezüglich einer Mittellinie X2 des
Kolbens 1 versetzt.
Der Kolbenmantel 4 erstreckt sich einstückig von
der Schürze 13 aus und ist an beiden Seiten des Kolbens
1 im wesentlichen parallel zu der Kolbenbolzenbohrung 8
ausgebildet. In der ersten Ausführungsform ist der Kol
benmantel 4 an beiden Seiten der Kolbenbolzenbohrung 8
teilweise entfernt, wie in Fig. 3 gezeigt.
Gemäß Fig. 5 ist der Kolben 1 in einem Zylinder 11
angeordnet. Ein Pleuel 12 ist mit dem Kolben 1 über ei
nen Kolbenbolzen 14 verbunden, der durch die Kolbenbol
zenbohrung 8 verläuft.
Nachfolgend wird das Verhalten des Kolbens 1 in ei
nem Ausdehnungshub beschrieben. Im Ausdehnungshub gemäß
Fig. 5 steht der Kolbenkopf 2 des Kolbens 1 unter einem
Druck F1 des Verwendungsgases, so daß der Kolben 1 in
einen unteren Abschnitt des Zylinders 11 gedrückt wird.
Hierbei erfährt der Kolben 1 aufgrund einer Reaktions-
oder Gegenkraft von dem schräg verlaufenden Pleuel 12
eine Kraft F2 in Schubrichtung. Gleichzeitig erhält der
Kolben 1 aufgrund der Versetzung der Kolbenbolzenboh
rung 8 zur Gegenschubseite 1b ein entgegen Uhrzeiger
richtung gerichtetes Moment M1 um die Kolbenbolzenboh
rung 8 herum. Dies vergrößert einen Abstand zwischen
einem unteren Ende des Kolbenmantels 4 auf der Schub
seite 1a, das heißt einem Ende des Kolbenmantels 4 an
der Schubseite 1a in Gleitrichtung und einer inneren
Umfangsoberfläche 11a des Zylinders 11, was die Zufuhr
von Schmieröl aus einem Kurbelwellengehäuse zu allen
seitlichen Oberflächen des Kolbens 1 auf deren Schub
seite 1a ermöglicht.
Bei der nach unten gerichteten Bewegung gerät die
seitliche Oberfläche des Kolbens 1 auf deren Schubseite
1a in Gleitkontakt mit der inneren Umfangsoberfläche
11a des Zylinders 11. Der Kolben 1 ist so konstruiert,
daß auf der Schubseite 1a der Schlitz 9 zwischen dem
Ringsteg 3 mit hoher Festigkeit und dem Kolbenmantel 4
ausgebildet ist und die Ausnehmungsbohrung 10 ist an
beiden Enden des Schlitzes 9 ausgeformt, wodurch die
Festigkeit eines oberen Endes des Kolbenmantels 4 ver
ringert wird, was zu einer möglichen Verringerung der
Konizität hiervon führt. Somit wird eine Fläche des
Kolbenmantels 4 auf der Schubseite 1a in Anlage mit der
inneren Umfangsoberfläche 11a des Zylinders 11 in axia
ler Richtung des Kolbens 1 verlängert, was ein Hemmen
von Oszillationsbewegungen des Kolbens 1 ermöglicht,
wenn der Kolbenmantel 4 auf der Schubseite 1a die inne
re Umfangsoberfläche 11a des Zylinders 11 berührt.
Aufgrund der abnehmenden Konizität des oberen Endes
des Kolbenmantels 4 erhält der Kolbenmantel 4, wenn er
in Gleitkontakt mit der inneren Umfangsoberfläche 11a
des Zylinders 11 gerät, auf der Schubseite 1a einen
Druck über eine große Fläche hinweg, was zu einer mög
lichen Verringerung im Oberflächendruck des Kolbenman
tels 4 auf der Schubseite 1a führt.
Von daher kann bei der ersten Ausführungsform das
Auftreten von Schlägen des Kolbens 1 während eines
langsamen Betriebes vermindert werden und die Reibung
zwischen der seitlichen Oberfläche des Kolbens 1 auf
der Schubseite 1a und der inneren Umfangsoberfläche 11a
des Zylinders 11 kann durch die Dicke eines Schmieröl
films verringert werden, der auf der seitlichen Ober
fläche des Kolbens 1 sichergestellt ist.
Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform der vor
liegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform ent
spricht im wesentlichen der ersten Ausführungsform mit
der Ausnahme, daß die umfangsseitige Abmessung des Kol
benmantels 4 größer in einem Abschnitt nahe des Ring
steges 3 als in einem Abschnitt nahe des unteren Endes
des Kolbens 1 ist.
Bei der zweiten Ausführungsform kann zusätzlich zu
dem gleichen Effekt wie in der ersten Ausführungsform
eine Verringerung im Oberflächendruck des oberen Endes
des Kolbenmantels 4 aufgrund der Vergrößerung der wirk
samen druckaufnehmenden Fläche erhalten werden. Dieses
Merkmal ist besonders vorteilhaft, da die Dicke eines
Schmierölfilmes auf der seitlichen Oberfläche des Kol
bens auf der Schubseite 1a sichergestellt wird.
Die Fig. 7-10C zeigen eine dritte Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung. Gemäß der Fig. 7-8
weist ein Kolben 101 einen Kolbenkopf 102 und einen
Ringsteg 103 auf, der mit dem Kolbenkopf 102 verbunden
ist, sowie einen Kolbenmantel 104, der mit dem Ringsteg 103
verbunden ist. In der dritten Ausführungsform ist
der Ringsteg 103 mit drei Kolbenring-Ausnehmungen 105
versehen.
Bolzenlager 106 sind in dem Kolbenmantel 104 an
dessen innerem Umfang ausgebildet, wobei jedes hiermit
über eine Schürze oder einen Flansch 107 verbunden ist.
Die Bolzenlager 106 sind so angeordnet, daß sie einan
der bezüglich einer Achse Y1 des Kolbens 101 gegenüber
liegen. Die Bolzenlager 106 weisen eine Kolbenbolzen
bohrung 108 auf, die dem Kolbenmantel 104 gegenüber
liegt und eine Achse X1 hat, welche im wesentlichen
senkrecht zur Achse Y1 des Kolbens 101 liegt. Die Achse
X1 der Kolbenbolzenbohrung 108 ist in Richtung der Ge
genschubseite des Kolbens 101 gegenüber der Achse Y1
versetzt wie in Fig. 8 gezeigt. Gemäß Fig. 8 ist Y2 ei
ne Linie, welche die Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung
108 schneidet und parallel zur Achse Y1 des Kolbens 101
ist.
Ein Kolbenbolzen 109 verläuft durch die Kolbenbol
zenbohrung 108 und dient zur Verbindung mit einem Pleu
el 110.
Eine Abschrägung oder Konizität 111 ist an dem Kol
benmantel 104 des Kolbens 101 ausgebildet. Genauer ge
sagt, die Konizität 111 ist in dem Kolbenmantel 104 in
einem Abschnitt näher an dem Ringsteg 103 angeordnet
als an einer Ebene, welche die Achse X1 der Kolbenbol
zenbohrung 108 enthält, das heißt, in einem Abschnitt
oberhalb der Achse X1. Die Konizität 111 hat eine Form
derart, daß sie in Richtung des Ringsteges 103 konver
giert. Genauer gesagt hat gemäß Fig. 9 die Konizität
111 einen Konizitätsbetrag TP, der sich zu dem Ringsteg
103 hin in Form einer quadratischen Kurve erhöht.
Es sei festzuhalten, daß die Konizität 111 zumin
dest in dem Kolbenmantel 104 auf der Schubseite des
Kolbens 101 ausgebildet werden kann, wenn das Verhalten
des Kolbens 101 mit in Betracht gezogen wird, wie es
später beschrieben werden wird.
Ausgezeichnete Ergebnisse werden erhalten, wenn in
einem Abschnitt der halben Abmessung L von der Achse X1
der Kolbenbolzenbohrung 108 zu einer Seitenoberfläche
105a der Kolbenring-Ausnehmung 105, die am nächsten zu
dem Kolbenmantel 104 liegt, der Konizitätsbetrag TP der
Konizität 111 als ein Wert bestimmt wird, der durch
Multiplizieren des Durchmessers (in µm) des Kolbens 101
mit 0,00015 bis 0,00025 erhalten wird.
In der dritten Ausführungsform ist eine Abschrägung
oder Konizität 112 an einem Ende des Kolbenmantels 104
entfernt von dem Ringsteg 103, das heißt an einem unte
ren Ende hiervon ausgebildet und konvergiert in Rich
tung dieses Endes.
Der Kolben 101 ist in einem Motor (nicht darge
stellt) betrieblich angeordnet. Während des Betriebes
des Motors zeigt der Kolben 101 das Verhalten gemäß den
Fig. 10A-10C in den Kompressions- und Ausdehnungshü
ben. Genauer gesagt, gemäß Fig. 10A erhält der Kolben
101 vor der oberen Totpunktslage des Kompressionshubes
einen Druck Fg von komprimiertem Gas (genauer gesagt,
die Summe aus Druck des komprimierten Gases und der
Trägheitskraft des Kolbens 101). Der Druck Fg des kom
primierten Gases wird in eine Kraft Fc für das schräg
liegende oder verlaufende Pleuel 110 und in eine Schub
kraft Ft aufgespalten, so daß der Kolben 101 der Schub
kraft Ft unterliegt, um sich entlang einer inneren
Oberfläche C des Zylinders an der Gegenschubseite zu
bewegen.
Wenn sich der Kolben 101 der oberen Totpunktslage
nähert, wird die Schubkraft Ft mit anwachsendem Druck
Fg des komprimierten Gases und abnehmender Schrägstel
lung oder Neigung des Pleuels 110 verringert. Im Ergeb
nis erzeugt gemäß Fig. 10B der Kolben 101 ein Moment M,
um entgegen Uhrzeigersinn an einem unteren Ende B des
Kolbenmantels zu drehen, wobei ein oberes Ende A des
Kolbenmantels auf der Schubseite des Kolbens 101 die
innere Oberfläche C des Zylinders an dessen Schubseite
berührt. In diesem Zustand tritt der Kolben 101 in den
Expansionshub ein.
Wenn gemäß Fig. 10C der Kolben 101 die obere Tot
punktslage überläuft, kehrt sich die Neigung des Pleu
els 110 um. Dies ändert die Richtung der Schubkraft Ft,
so daß der Kolben 101 am unteren Ende A des Kolbenman
tels ein Moment M im Uhrzeigersinn erzeugt, wodurch ei
ne Seitenoberfläche des Kolbenmantels auf der Schub
seite des Kolbens 101 die innere Oberfläche C des Zy
linders an dessen Schubseite kontaktiert. Danach tritt
der Kolben 101 in den Ausdehnungshub ein, um sich ent
lang der inneren Oberfläche C des Zylinders auf der
Schubseite des Kolbens 101 zu bewegen.
Im Nahbereich der oberen Totpunktslage des Kompres
sionshubes wird das obere Ende A des Kolbenmantels
durch Berührung der inneren Oberfläche C des Zylinders
geneigt oder verkippt. Da gemäß der dritten Ausfüh
rungsform die Konizität 111 an dem Kolbenmantel 104 in
einem Abschnitt näher an dem Ringsteg 103 als an einer
Ebene ausgebildet ist, welche die Achse X1 der Kolben
bolzenbohrung 108 enthält, wird eine Neigung θ der
Achse Y1 des Kolbens 101 bezüglich einer Achse Y0 des
Zylinders kleiner als bei einem herkömmlichen Kolben.
Bei dem Ausdehnungshub unmittelbar nach der Zündung
stellt somit der Kolben 101 durch Drehen im Uhrzeiger
sinn des oberen Endes A des Kolbenmantels, so daß die
Seitenoberfläche die innere Oberfläche C des Zylinders
berührt, sicher, daß eine Drehung mit verringertem Win
kel erfolgt. Dies führt zu einer verringerten kineti
schen Energie des Kolbens 101 und somit einem verrin
gerten Auftreten von Schlägen. Von daher kann ein Kol
ben 101 erhalten werden, bei dem das Kolbenkippen maxi
mal verringert ist.
Die Fig. 11-14C zeigen eine vierte Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung. Gemäß der Fig. 11-13
umfaßt ein Kolben 201 einen Kolbenkopf 202, einen
Ringsteg 203, der mit dem Kolbenkopf 202 verbunden ist
und einen Kolbenmantel 204, der mit dem Ringsteg 203
verbunden ist. In der vierten Ausführungsform weist der
Ringsteg 203 drei Kolbenring-Ausnehmungen 205, 206 und
207 auf. Die Kolbenring-Ausnehmungen 205 und 206, die
nahe des Kolbenkopfes 202 ausgebildet sind, dienen als
Kompressionsring-Ausnehmungen und die Kolbenring-Aus
nehmung 207 benachbart dem Kolbenmantel 204 dient als
Ölabstreiferring-Ausnehmung.
Schürzen oder Flansche 208 sind an dem Kolbenmantel
204 ausgebildet und Bolzenlager 209 sind so ausgebil
det, daß sie sich von den Schürzen 208 in Richtung des
inneren Umfanges des Kolbenmantels 204 erstrecken. Wie
in Fig. 13 gezeigt, sind die Schürzen 208 und die Bol
zenlager 209 so angeordnet, daß sie einander bezüglich
einer Achse Y1 des Kolbens 201 gegenüberliegen. In je
dem Bolzenlager 209 ist eine Kolbenbolzenbohrung 210
ausgebildet, welche sich beidseitig zu der Schürze 208
hin öffnet. Die Kolbenbolzenbohrung 210 weist eine
Achse X1 auf, welche im wesentlichen senkrecht zu der
Achse Y1 des Kolbens 201 verläuft und zu der Gegen
schubseite des Kolbens 201 bezüglich der Achse Y1 hier
von versetzt ist, wie in Fig. 12 gezeigt. Gemäß Fig. 12
ist Y2 eine Linie, welche die Achse X1 der
Kolbenbolzenbohrung 210 schneidet und parallel zu der Achse Y1
des Kolbens 201 verläuft.
Ein Kolbenbolzen 211 verläuft durch die Kolbenbol
zenbohrung 210 und ein Pleuel 212 ist hiermit in Ver
bindung.
Eine Abschrägung oder Konizität 213 ist in dem Kol
benmantel 204 des Kolbens 201 an der inneren Umfangs
fläche zumindest der Schubseite des Kolbens 201 so aus
gebildet, daß sich allmählich die Dicke des Kolbenman
tels 204 von einem Abschnitt, der näher an dem Ringsteg
203 als an einer Ebene mit der Achse X1 der Kolbenboh
rung 210 liegt, zu einem Abschnitt erhöht, der hiervon
entfernt ist. Genauer gesagt, in der vierten Ausfüh
rungsform sind gemäß Fig. 12 die Konizitäten 213 an dem
Kolbenmantel 204 an der inneren Umfangsoberfläche von
sowohl den Schub- als auch Gegenschubseiten des Kolbens
201 so ausgebildet, daß eine axiale Änderung in der
Dicke des Kolbenmantels 204 derart erhalten wird, daß
die Dicke am oberen Ende gering und am unteren Ende
hoch ist.
Gemäß Fig. 13 ist die Dicke des Kolbenmantels 204
mit der Ausnahme, daß sie für einen sanften Verbin
dungsübergang mit der Schürze 208 sich stark ändert, im
wesentlichen gleich oder wächst allmählich in Richtung
der Schürze 208 bezüglich der Umfangsrichtung an. Gemäß
Fig. 13 ist X2 eine Linie, welche die Achse Y1 des Kol
bens 210 schneidet und parallel zur Achse X1 der Kol
benbolzenbohrung 210 verläuft und Z1 ist eine Linie,
welche die Achse Y1 des Kolbens 201 schneidet und senk
recht zur Linie X2 ist.
Gemäß Fig. 12 ist eine Stufe 214 an der untersten
Stelle des Kolbenmantels 204 am inneren Umfang ausge
bildet, um als Bezugspunkt zur Bearbeitung des Kolbens
201 zu dienen.
Der Kolben 201 ist in einem (nicht dargestellten)
Motor betrieblich angeordnet. Während eines Betriebs
des Motors zeigt der Kolben 201 das Verhalten gemäß den
Fig. 14A-14C während der Kompressions- und Ausdeh
nungshübe. Gemäß den Fig. 14A-14C ist Y0 eine Achse
eines Zylinders. Gemäß 14A erfährt vor der oberen Tot
punktslage des Kompressionshubes der Kolben 201 einen
Druck Fg des komprimierten Gases (genauer gesagt, der
Summe aus dem Druck des komprimierten Gases und einer
Trägheitskraft des Kolbens 201). Der Druck Fg des kom
primierten Gases wird in eine Kraft Fc des schräg ver
laufenden Pleuels 212 und eine Schubkraft Ft aufgespal
ten, so daß der Kolben 201 der Schubkraft Ft unter
liegt, um sich entlang einer inneren Oberfläche C des
Zylinders auf der Gegenschubseite zu bewegen.
Wenn sich der Kolben 201 der oberen Totpunktslage
annähert, wird die Schubkraft Ft mit anwachsendem Druck
Fg des komprimierten Gases und verringerter Neigung des
Pleuels 212 verringert. Im Ergebnis erzeugt gemäß Fig.
14B der Kolben 201 ein Moment M, um an einem unteren
Ende B des Kolbenmantels entgegen Uhrzeigersinn zu dre
hen, wobei ein oberes Ende A des Kolbenmantels auf der
Schubseite des Kolbens 201 die innere Oberfläche C des
Zylinders an dessen Schubseite berührt. In diesem Zu
stand tritt der Kolben 201 in den Ausdehnungshub ein.
Wenn gemäß Fig. 14C der Kolben 201 die obere Tot
punktslage durchläuft, wird die Neigung oder Schräg
stellung des Pleuels 212 umgekehrt. Dies ändert die
Richtung der Schubkraft Ft, so daß der Kolben 201 ein
Moment M erzeugt, um am oberen Ende A des Kolbenmantels
im Uhrzeigersinn zu drehen, wodurch eine seitliche
Oberfläche des Kolbenmantels auf der Schubseite des
Kolbens 201 die innere Oberfläche C des Zylinders an
dessen Schubseite berührt. Danach tritt der Kolben 201
in den Ausdehnungshub ein, um sich entlang der inneren
Oberfläche C des Zylinders auf der Schubseite des Kol
bens 201 zu bewegen.
Unmittelbar nach der oberen Totpunktslage erfährt
der Kolben 201 auf der Seitenoberfläche der Schubseite
die größte Seitenkraft aufgrund der Schubkraft Ft. Stu
dien haben ergeben, daß der Mittelpunkt einer Kolben
fläche, welche einen Oberflächendruck erfährt, der grö
ßer als ein bestimmter Wert ist, oberhalb der Achse X1
der Kolbenbolzenbohrung 210 liegt und ein Kolbenbe
reich, der dem größten Oberflächendruck unterliegt,
ebenfalls oberhalb hiervon liegt.
Gemäß der vierten Ausführungsform ist die Dicke des
Kolbenmantels 204 in dem Bereich verringert, der einer
relativ großen Seitenkraft unterliegt, das heißt in ei
nem Bereich näher dem Ringsteg 203 als der Ebene, wel
che die Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung 210 enthält,
wodurch eine verringerte Steifigkeit in diesem genann
ten Bereich erhalten wird. Dies verringert eine Auf
schlagskraft, die erzeugt wird, wenn der Kolben 201 die
innere Oberfläche C des Zylinders berührt, so daß eine
Erhöhung im Oberflächendruck des Kolbenmantels 204
wirksam eingeschränkt wird.
Weiterhin erhöht sich die Dicke des Kolbenmantels
204 allmählich von dem dünnen Abschnitt nahe des Ring
steges 204, so daß eine Grenze zwischen dem dicken und
dem dünnen Bereich unbestimmt wird, so daß kein lokales
Anwachsen des Oberflächendruckes in dem Kolbenmantel
204 an einer derartigen Grenzfläche erhalten wird. Dies
verhindert, daß die Reibung zwischen dem Kolben 201 und
der inneren Oberfläche des Zylinders anwächst. Von da
her kann ein Kolben 201 erhalten werden, bei dem das
Kolbenkippen maximal verringert und die Reibung abge
senkt ist.
Die Fig. 15-16 zeigen eine fünfte Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung. Die fünfte Ausfüh
rungsform entspricht im wesentlichen der vierten Aus
führungsform mit der Ausnahme, daß die Dicke des Kol
benmantels 204 auf der Schubseite des Kolbens 201 all
mählich umfangsseitig von einer Position im wesentli
chen senkrecht zur Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung 210
angehoben wird und allmählich von einem Abschnitt näher
dem Ringsteg 203 als einer Ebene enthaltend die Achse
X1 der Kolbenbolzenbohrung 210 zu einem Abschnitt ent
fernt hiervon mit Ausnahme einer Position im wesentli
chen senkrecht zu der Achse X1 erhöht wird.
Genauer gesagt, in der fünften Ausführungsform ist
gemäß Fig. 16 die Dicke des Kolbenmantels 204 sowohl
auf der Schub- als auch der Gegenschubseite des Kolbens
201 an Stellen am kleinsten, welche im wesentlichen
senkrecht zu der Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung 210
liegen und sie werden allmählich in Umfangsseitenrich
tung von diesen Stellen aus erhöht. Weiterhin wächst
jede Dicke des Kolbenmantels 204 allmählich von dem Ab
schnitt aus an, der näher an dem Ringsteg 203 liegt,
als an der Ebene, welche die Achse X1 der Kolbenbolzen
bohrung 210 enthält, in Richtung eines Abschnittes ent
fernt hiervon mit Ausnahme einer Position im wesentli
chen senkrecht zu der Achse X1. Das bedeutet, daß an
einer Stelle im wesentlichen senkrecht zur Achse X1 der
Kolbenbolzenbohrung 210 die Dicke des Kolbenmantels 204
axial im wesentlichen gleich ist, wohingegen an anderen
Stellen sie allmählich von einem Abschnitt näher an dem
Ringsteg 203 als an der Ebene mit der Achse X1 der Kol
benbolzenbohrung 210 zu Abschnitten entfernt hiervon
anwächst.
Gemäß der fünften Ausführungsform ist die Dicke des
Kolbens 201 an dessen Schubseite umfangsseitig allmäh
lich anwachsend von einer Position aus, die im wesent
lichen senkrecht zur Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung
210 liegt und nimmt in einem Abschnitt näher zu dem
Ringsteg 203 als zu der Ebene mit der Achse X1 der Kol
benbolzenbohrung 210 ab, so daß der gleiche Effekt wie
in der vierten Ausführungsform erhalten werden kann.
Es sei hier festzuhalten, daß anstelle einer Ver
setzung zur Gegenschubseite des Kolbens 201 bezüglich
dessen Achse Y1 die Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung
210 zu der Schubseite des Kolbens 201 hin versetzt wer
den kann.
Die Fig. 17-21 zeigen eine sechste Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung. Gemäß der Fig. 17-
18 umfaßt ein Kolben 301 im wesentlichen einen Kolben
kopf 302 und einen Ringsteg 303, der mit dem Kolbenkopf
302 verbunden ist, wobei ein Kolbenmantel 304 mit dem
Ringsteg 303 verbunden ist. In der sechsten Ausfüh
rungsform ist der Ringsteg 303 mit drei Kolbenring-Aus
nehmungen 305 versehen.
Bolzenlager 306 sind in dem Kolbenmantel 304 an
dessen innerem Umfang ausgebildet, wobei jeder hiermit
über eine Schürze oder einen Flansch 307 verbunden ist.
Die Bolzenlager 306 sind so angeordnet, daß sie einan
der bezüglich einer Achse Y1 des Kolbens 301 gegenüber
liegen. Jedes Bolzenlager 306 weist eine Kolbenbolzen
bohrung 308 auf, welche der Schürze 304 gegenüberliegt
und eine Achse X1 hat, welche im wesentlichen senkrecht
zur Achse Y1 des Kolbens 301 liegt. Die Achse X1 der
Kolbenbolzenbohrung 308 ist zu der Gegenschubseite des
Kolbens 301 bezüglich dessen Achse Y1 versetzt, wie in
den Fig. 18-19 gezeigt. Gemäß Fig. 19 ist Y2 eine
Linie, welche die Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung 308
schneidet und parallel zur Achse Y1 des Kolbens 301 ist
und Y3 ist eine Linie, welche die Achse X1 der Kolben
bolzenbohrung 308 schneidet und senkrecht zur Achse Y1
des Kolbens 301 ist.
Der ovale Betrag des Kolbenmantels 304 des Kolbens
301 ist kleiner, zumindest auf der Schubseite des Kol
bens 301, in einem Abschnitt näher an dem Ringsteg 303
als an einer Ebene, welche die Achse X1 der Kolbenbol
zenbohrung 308 enthält. Wenn daher der Kolben 301 gemäß
Fig. 17 den inneren Umfang eines (nicht dargestellten)
Zylinders kontaktiert, bildet der Kolben 301 eine Kon
taktoberfläche 309 mit einem größerem umfangsseitigen
Bereich in einem Abschnitt näher an dem Ringsteg 303
als an einer Ebene, welche die Achse X1 der Kolbenbol
zenbohrung 308 enthält.
Die Abmessung des Kolbenmantels 304 in Richtung der
Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung 308 ist in einem Be
reich näher an dem Ringsteg 303 größer als in der Ebene
mit der Achse X1 der Kolbenbolzenbohrungen 308. Gemäß
der Fig. 17-18 ist bezüglich des Kolbenmantels 305
eine Abmessung W2 in einem Bereich näher an dem Ring
steg 303 gesehen von der Ebene mit der Achse X1 der
Kolbenbolzenbohrung 308 größer als eine Abmessung W1 in
einem Abschnitt entfernt hiervon.
In der sechsten Ausführungsform wird gemäß Fig. 18
die Abmessung W2 des Kolbenmantels 304 so bestimmt, daß
sie sich nur auf der Schubseite des Kolbens 301 erhöht
und der Abmessung W1 auf der Gegenschubseite hiervon
entspricht. Diese Bestimmung, welche in Übereinstimmung
mit Ergebnissen von Verhaltensanalysen des Kolbens 301
im Zylinder gemacht wird, erlaubt eine Gewichtsverrin
gerung des Kolbens 301 im Vergleich zu einem Kolben, wo
die Abmessungen des Kolbenmantels 304 sowohl auf der
Schub- als auch der Gegenschubseite erhöht werden. Wei
terhin erleichtert ein Erhöhen der Abmessung W2 des
Kolbenmantels 304 eine Deformation hiervon auf der
Schubseite des Kolbens 301, was zu einer Verbesserung
der Festfreßsicherheit des Kolbens 301 an einer inneren
Oberfläche des Zylinders beiträgt, wenn der Motor mit
hoher Geschwindigkeit und hoher Last läuft, wo eine
größere Seitenkraft am Kolben 301 wirkt, wie nachfol
gend beschrieben wird.
Gemäß Fig. 17 ist eine Ausnehmung 310 an dem Kol
benmantel 304 an dem äußeren Umfang des Abschnittes
ausgebildet, der näher an dem Ringsteg 303 liegt, als
eine Ebene, die die Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung
308 enthält. Gemäß den Fig. 20 und 21 öffnet sich
die Ausnehmung 310 zu einer Seite des Ringsteges 303
und hat eine bestimmte Breite w und eine bestimmte
Tiefe t. Die Ausnehmung 310 weist einen kreisförmigen
Abschnitt zwischen einer unteren Kante 310a und einer
Oberflächenkante 310b auf, wo die Ausnehmung 310 von
der Zylinderwand des Zylinders 301 aus beginnt.
Ausgezeichnete Ergebnisse werden erhalten, wenn die
Ausnehmung 310 des Kolbenmantels 304 am äußeren Umfang
eine Breite gleich annähernd ein Fünftel der Abmessung
W1 des Kolbenmantels 304 hat, wobei die Tiefe gleich
ungefähr 20 µm ist.
Der Kolben 301 ist für einen Betrieb in einem
(nicht dargestellten) Motor angeordnet. Wenn der Motor
mit mittlerer oder geringer Drehzahl und geringer Last
läuft, so daß eine geringere Seitenkraft auf den Kolben
301 einwirkt, wird ein Anwachsen einer Kontaktfläche
des Kolbenmantels 304 des Kolbens 301 mit der inneren
Oberfläche des Zylinders durch die Ausnehmung 310 be
grenzt, was ein eingeschränktes Anwachsen der Reibung
des Kolbens 301 mit der inneren Oberfläche des Zylin
ders ermöglicht. Genauer gesagt, der ovale Betrag des
Kolbens 301 ist in einem Bereich näher an dem Ringsteg
303 kleiner als an einer Ebene, die die Achse X1 der
Kolbenbolzenbohrung 308 enthält und die Ausnehmung 310
ist in dem Kolbenmantel 304 am äußeren Umfang des Ab
schnittes mit dem kleineren ovalen Betrag ausgebildet,
so daß eine erhöhte Kontaktfläche mit der inneren Ober
fläche des Zylinders erhalten wird und weiterhin liegt
die Ausnehmung 310 näher an dem Ringsteg 303 als an der
Ebene, welche die Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung 308
enthält, so daß ein verringertes Anwachsen der Kontakt
fläche des Kolbens 301 mit der inneren Oberfläche des
Zylinders möglich ist, wodurch eine eingeschränkte Rei
bung erhalten wird.
Wenn andererseits der Motor mit hoher Drehzahl und
hoher Last betrieben wird, um eine größere Seitenkraft
auf den Kolben 301 zu bewirken, wird der Kolbenmantel
304 des Kolbens 301 elastisch deformiert. Somit berührt
die Ausnehmung 310 des Kolbenmantels 304 am äußeren Um
fang ebenfalls die innere Oberfläche des Zylinders.
Dies führt zu einem erheblichen Anwachsen der Kontakt
fläche des Kolbens 301 trotz des Vorhandenseins der
Ausnehmung 310 im Kolbenmantel 304, was zu einer Ver
besserung der Festfreßsicherheit des Kolbens 301 bezüg
lich der inneren Oberfläche des Zylinders führt.
Weiterhin dient die Ausnehmung 310 im Kolbenmantel
304 als Eintrittsdurchlaß für Schmieröl oder Motoröl,
was zu der vorteilhaften Ausbildung eines Ölfilmes an
der Kontaktoberfläche des Kolbens 310 mit der inneren
Oberfläche des Zylinders beiträgt.
Somit kann bei der sechsten Ausführungsform der
Kolben 301 ohne Festfreß-Tendenzen und mit verringerter
Reibung an der inneren Oberfläche des Zylinders erhal
ten werden.
Die Fig. 22-24 zeigen siebte bis neunte Ausfüh
rungsformen der vorliegenden Erfindung. Diese Ausfüh
rungsformen sind im wesentlichen gleich der sechsten
Ausführungsform mit Ausnahme der folgenden Punkte:
In der siebten Ausführungsform gemäß Fig. 22 ist
die Abmessung des Kolbenmantels 304 in Richtung der
Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung 308 nicht in einem Ab
schnitt näher an dem Ringsteg 303 größer als an der
Ebene, welche die Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung ent
hält und die Abmessung des Kolbens 301 ist auf der
Schub- und Gegenschubseite gleich.
In der achten Ausführungsform gemäß Fig. 23 hat die
Ausnehmung 310 des Kolbenmantels 304 am äußeren Umfang
eine derartige Form, daß sie sich in Richtung des Ring
steges 303 in der Breite vergrößert.
Bei der neunten Ausführungsform gemäß Fig. 24 hat
die Ausnehmung 310 im Kolbenmantel 304 am äußeren Um
fang eine Formgebung, daß sie sich von einem Abschnitt
näher an dem Ringsteg 303 als an der Ebene, welche die
Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung enthält, zu einem Ab
schnitt entfernt hiervon erstreckt.
Die siebten bis neunten Ausführungsformen ergeben
den gleichen Effekt wie die sechste Ausführungsform.
Weiterhin ist bei der neunten Ausführungsform die Kon
taktfläche des Kolbens 301 mit der inneren Oberfläche
des Zylinders in einem Abschnitt entfernt von dem Ring
steg 303 verringert, was zu einer weiteren Abnahme der
Reibung des Kolbens 301 führt.
Es sei festzuhalten, daß die Ausnehmung 310 des
Kolbenmantels 304 sich am äußeren Umfang nicht zu dem
Ringsteg 303 hin öffnen muß.
Die Fig. 25-29 zeigen eine zehnte Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung. Gemäß den Fig. 25-26
umfaßt ein Kolben 401 einen Kolbenkopf 402 und einen
Ringsteg 403, der mit dem Kolbenkopf 402 verbunden ist,
wobei ein Kolbenmantel 404 mit dem Ringsteg 403 verbun
den ist. In der zehnten Ausführungsform weist der Ring
steg 403 drei Kolbenring-Ausnehmungen 405 auf.
Bolzenlager 406 sind so ausgebildet, daß sie zum
inneren Umfang des Kolbenmantels 404 vorstehen und sind
so angeordnet, daß sie einander bezüglich einer Achse
Y1 des Kolbens 401 gegenüberliegen. Die Bolzenlager 406
sind mit einer Kolbenbolzenbohrung 407 versehen, welche
in Richtung des Kolbenmantels 404 weist und eine Achse
X1 hat, welche im wesentlichen senkrecht zur Achse Y1
des Kolbens 401 verläuft. Die Achse X1 der Kolbenbol
zenbohrung 407 ist zur Gegenschubseite des Kolbens 401
bezüglich der Achse Y1 hiervon versetzt, wie in Fig. 26
gezeigt. Gemäß Fig. 26 ist Y2 eine Linie, welche die
Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung 407 schneidet und par
allel zur Achse Y1 des Kolbens 401 verläuft.
Ein Kolbenbolzen 408 verläuft durch die Kolbenbol
zenbohrung 407 und ein Pleuel 509 ist hiermit verbun
den. Der Kolbenmantel 404 des Kolbens 401, der maschi
nell bearbeitet wurde, weist eine Oberflächenrauhigkeit
ab, welche zumindest an der Schubseite des Kolbens 401
in einem Abschnitt näher an dem Ringsteg 403 als an ei
ner Ebene, welche die Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung
407 enthält, größer ist, das heißt in einem Abschnitt
oberhalb der Achse X1 gemäß Fig. 25 und klein in einem
Abschnitt entfernt hiervon, das heißt in einem Ab
schnitt unterhalb der Achse X1 gemäß Fig. 25. Genauer
gesagt, gemäß Fig. 27 hat bei der zehnten Ausführungs
form der Kolbenmantel 404 des Kolbens 401, der auf ei
ner Drehbank gefertigt wurde, geradlinige Spuren, wel
che rauh und tief in dem Abschnitt oberhalb der Achse X1
des Kolbens 401 sind und fein und nicht tief in dem
Abschnitt hierunter sind. Gemäß Fig. 27 ist Z1 eine Li
nie, welche einen Mittelpunkt der Kolbenbolzenbohrung
407 schneidet und senkrecht zur Achse X1 hiervon steht.
Der Abschnitt des Kolbenmantels 404 mit den groben
und tiefen geradlinigen Spuren dient dazu, Schmieröl
oder Motoröl zurückzuhalten und hat eine höhere Halte
leistung hierfür als der Abschnitt des Kolbenmantels
404 mit den feinen und nicht zu tiefen geradlinigen
Spuren oder Riefen.
In der zehnten Ausführungsform hat der Kolbenmantel
404 nur auf der Schubseite des Kolbens 401 eine größere
Oberflächenrauhigkeit, um die Schmieröl-Halteeigen
schaften in einem Abschnitt zu erhöhen, der der größten
Seitenkraft unterworfen ist und um den Gleitwiderstand
an den anderen Abschnitten zu verringern.
Ausgezeichnete Ergebnisse werden erhalten, wenn die
Oberflächenrauhigkeit des Kolbenmantels 404 in einem
Abschnitt näher an dem Ringsteg 403 als an der Ebene
mit der Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung 407 15 µm be
trägt und in einem Abschnitt entfernt von dem Ringsteg
403 5 µm beträgt.
Der Kolben 401 ist für einen Betrieb in einem
(nicht dargestellten) Motor angeordnet. Während eines
Betriebs des Motors zeigt der Kolben 401 das Verhalten
gemäß den Fig. 28A-28C in den Kompressions- und Aus
dehnungshüben. Gemäß den Fig. 28A-28C ist Y0 eine
Achse eines Zylinders. Gemäß Fig. 28A erhält der Kolben
401 vor der oberen Totpunktslage des Kompressionshubes
eine Kraft Fg von komprimiertem Gas (genauer gesagt,
der Summe aus dem Druck des komprimierten Gases und ei
ner Trägheitskraft des Kolbens 401). Der Druck Fg des
komprimierten Gases wird in eine Kraft Fc für das
schräg verlaufende Pleuel 409 und eine Schubkraft Ft
unterteilt, so daß der Kolben 401 der Schubkraft Ft un
terliegt, um sich auf der Gegenschubseite an einer In
nenoberfläche C des Zylinders zu bewegen.
Wenn der Kolben 401 die obere Totpunktslage er
reicht, wird die Schubkraft Ft mit wachsendem Druck Fg
des komprimierten Gases und abnehmenden Neigungswinkel
des Pleuels 409 verringert. Im Ergebnis erzeugt gemäß
Fig. 28B der Kolben 401 ein Moment M, um entgegen Uhr
zeigersinn am unteren Ende B des Kolbenmantels zu dre
hen, wodurch ein oberes Ende A des Kolbenmantels auf
der Schubseite des Kolbens 401 die innere Oberfläche C
des Zylinders auf dessen Schubseite berührt. In diesem
Zustand tritt der Kolben 401 in den Ausdehnungshub ein.
Wenn gemäß Fig. 28C der Kolben 401 die obere Tot
punktslage durchlaufen hat, wird die Neigung des Pleu
els 409 umgekehrt. Dies ändert die Richtung der Schub
kraft Ft, so daß der Kolben 401 ein Moment M erzeugt,
um am oberen Ende A des Kolbenmantels im Uhrzeigersinn
zu drehen, wodurch eine Seitenoberfläche des Kolbenman
tels auf der Schubseite des Kolbenmantels 401 die inne
re Oberfläche C des Zylinders auf dessen Schubseite be
rührt. Danach tritt der Kolben 401 in den Ausdehnungs
hub ein, um sich an der inneren Oberfläche C des Zylin
ders entlang an der Schubseite des Kolbens 401 zu bewe
gen.
Unmittelbar nach der oberen Totpunktslage erfährt
der Kolben 401 an der seitlichen Oberfläche der Schub
seite die größte Seitenkraft aufgrund der Schubkraft
Ft. Untersuchungen haben ergeben, daß die Verteilung
eines Oberflächendruckes des Kolbens 401 in diesem
Falle wie in Fig. 29 gezeigt ist. Gemäß Fig. 29 ent
spricht eine mit einem weiten Netz oder Gitter gekenn
zeichnete Fläche einer Fläche, die einem ersten Ober
flächendruck unterliegt, der größer als ein bestimmter
Wert ist und die mit einem engen Netz oder Gitter ge
kennzeichnete Fläche entspricht einem Flächenbereich,
der einem zweiten Oberflächendruck unterliegt, der" et
was größer als der erste Oberflächendruck ist und ein
schwarz eingezeichneter Abschnitt entspricht einem Flä
chenbereich, der einem dritten Oberflächendruck oder
dem größten Oberflächendruck unterliegt. Genauer ge
sagt, der Mittelpunkt der Kolbenfläche, die einem Ober
flächendruck unterliegt, der größer als ein bestimmter
Wert ist, liegt oberhalb der Achse X1 der Kolbenbolzen
bohrung 407 und ein Kolbenbereich, der dem größten
Oberflächendruck unterliegt, ist ebenfalls hierüber an
geordnet.
Bei der zehnten Ausführungsform ist die Oberflä
chenrauhigkeit des Kolbenmantels 404 in einem oberen
Abschnitt des Kolbenmantels 404 größer, der einer rela
tiv hohen Seitenkraft unterliegt, das heißt in einem
Abschnitt näher an dem Ringsteg 403 als an der Ebene,
welche die Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung 407 ent
hält. Somit hat der obere Abschnitt des Kolbenmantels
404 mit der größeren Oberflächenrauhigkeit eine höhere
Schmieröl-Rückhaltefähigkeit. Dies führt zu der ge
wünschten oder vorteilhaften Ausbildung eines Ölfilmes
an einer Kontaktoberfläche des Kolbens 401 im oberen
Abschnitt des Kolbenmantels 404 mit der inneren Ober
fläche C des Zylinders, was dazu führt, daß der Kolben
401 sich an der inneren Oberfläche C des Zylinders
nicht festfressen kann.
Weiterhin ist die Oberflächenrauhigkeit des Kolben
mantels 404 in einem unteren Abschnitt des Kolbenman
tels 404 kleiner, wo eine relativ kleine Seitenkraft
vorliegt, das heißt in einem Abschnitt, der von dem
Ringsteg 403 weiter entfernt ist als die Ebene, welche
die Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung 407 enthält, was
zu einem verringerten Gleitwiderstand des Kolbens 401
am unteren Abschnitt des Kolbenmantels 404 mit der in
neren Oberfläche C des Zylinders führt.
Von daher kann bei der zehnten Ausführungsform ein
Kolben 401 erhalten werden, der keine Festfreß-Tenden
zen hat und der innerhalb der inneren Oberfläche C des
Zylinders mit verringerter Reibung läuft.
Es sei festzuhalten, daß der Kolbenmantel 404 an
stelle von Drehen durch Fräsen hergestellt werden kann.
Die Fig. 30-34C zeigen eine elfte Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung. Gemäß den Fig. 30-31
umfaßt ein Kolben 501 einen Kolbenkopf 502, einen
Ringsteg 503, der mit dem Kolbenkopf 502 verbunden ist,
und einen Kolbenmantel 504, der mit dem Ringsteg 503
verbunden ist. In der elften Ausführungsform weist der
Ringsteg 503 drei Kolbenring-Ausnehmungen 505, 506 und
507 auf. Die Kolbenring-Ausnehmungen 505 und 506, die
näher an dem Kolbenkopf 502 ausgebildet sind, dienen
als Kompressionsring-Ausnehmungen und die Kolbenring-
Ausnehmung 507, welche benachbart dem Kolbenmantel 504
ausgebildet ist, dient als Ölabstreifring-Ausnehmung.
Schürzen oder Flansche 508 sind an dem Kolbenmantel
504 ausgeformt und Bolzenlager 509 sind ausgebildet, um
sich zum inneren Umfang des Kolbenmantels 504 zu er
strecken. Gemäß Fig. 32 sind die Schürzen 508 und Bol
zenlager 509 so angeordnet, daß sie einander bezüglich
einer Achse Y1 des Kolbens 501 gegenüberliegen. Die
Bolzenlager 509 weisen eine Kolbenbolzenbohrung 510
auf, die sich zu beiden Seiten der Schürze 508 hin öff
net. Die Kolbenbolzenbohrung 510 hat eine Achse X1,
welche im wesentlichen senkrecht zur Achse Y1 des Kol
bens 501 ist und zu der Gegenschubseite des Kolbens 501
bezüglich der Achse Y1 hiervon versetzt ist, wie in
Fig. 31 gezeigt.
Ein Kolbenbolzen 511 verläuft durch die Kolbenbol
zenbohrung 510 und ein Pleuel 512 ist hiermit verbun
den.
Wie aus den Fig. 32 und 33 hervorgeht, sind drei
Ölbohrungen 513 oberhalb des Kolbenmantels 504 auf der
Schubseite des Kolbens 501 in der Ölabstreifring-Aus
nehmung 507 ausgebildet. Jede Ölbohrung 513 weist eine
Umfangskante 513a auf, die sich zu dem Kolbenmantel 504
über eine Seitenoberfläche 507a der Ölabstreifring-Aus
nehmung 507 erstreckt, sowie einen Boden 513b, der tie
fer als ein Boden 507b der Ölabstreifring-Ausnehmung
507 liegt, und nicht in Verbindung mit dem inneren Um
fang des Kolbens 501 steht.
Drei Durchgangsbohrungen 514 sind in der Ölab
streifring-Ausnehmung 507 an Stellen angeordnet, daß
bezüglich der Achse Y1 des Kolbens 501 im wesentlichen
Symmetrie mit den Ölbohrungen 513 besteht, das heißt,
sie liegen oberhalb des Kolbenmantels 504 auf der Ge
genschubseite des Kolbens 501, so daß sie mit dem inne
ren Umfang des Kolbens 501 in Verbindung stehen. Jede
Durchgangsbohrung 514 weist eine Umfangskante 514a auf,
die sich teilweise in den Kolbenmantel 504 über die
Seitenoberfläche 507a der Ölabstreifring-Ausnehmung 507
erstreckt.
Gemäß Fig. 31 ist Y2 eine Linie, welche die Achse
X1 der Kolbenbolzenbohrung 510 schneidet und parallel
zur Achse Y1 des Kolbens 501 verläuft. Gemäß Fig. 32
ist X2 eine Linie, welche die Achse Y1 des Kolbens 501
schneidet und parallel zur Achse X1 der Kolbenbolzen
bohrung 510 ist.
Der Kolben 501 wird für einen Betrieb in einem
(nicht dargestellten) Motor angeordnet. Während des Be
triebs des Motors zeigt der Kolben 501 das Verhalten
gemäß den Fig. 34A-34C während der Kompressions- und
Ausdehnungshübe. Bevor gemäß Fig. 34A der Kolben die
obere Totpunktslage des Kompressionshubes erreicht, er
fährt der Kolben 501 einen Druck Fg des komprimierten
Gases (genauer gesagt, die Summe aus Druck des kompri
mierten Gases und einer Trägheitskraft des Kolbens
501). Der Druck Fg des komprimierten Gases wird in eine
Kraft Fc des schräg verlaufenden Pleuels 512 und eine
Schubkraft Ft aufgeteilt, so daß der Kolben 501 der
Schubkraft Ft unterliegt, um sich auf der Gegenschub
seite an einer inneren Oberfläche C des Zylinders zu
bewegen.
Wenn der Kolben 501 sich der oberen Totpunktslage
annähert, wird die Schubkraft Ft mit wachsendem Druck
Fg des komprimierten Gases und abnehmenden Neigungswin
kel des Pleuels 512 verringert. Im Ergebnis erzeugt ge
mäß Fig. 34B der Kolben 501 ein Moment M, um an einem
unteren Ende B des Kolbenmantels entgegen Uhrzeigersinn
zu drehen, so daß ein oberes Ende A des Kolbenmantels
auf der Schubseite des Kolbens 501 die innere Oberflä
che C des Zylinders an der Schubseite berührt. In die
sem Zustand tritt der Kolben 501 in den Ausdehnungshub
ein.
Wenn gemäß Fig. 34C der Kolben 501 die obere Tot
punktslage durchläuft, wird die Neigung des Pleuels 512
umgekehrt. Dies ändert die Richtung der Schubkraft Ft,
so daß der Kolben 501 ein Moment M erzeugt, um an einem
oberen Ende des Kolbenmantels im Uhrzeigersinn zu dre
hen, so daß eine Seitenoberfläche des Kolbenmantels auf
der Schubseite des Kolbens 501 die innere Oberfläche C
des Zylinders an dessen Schubseite berührt. Danach
tritt der Kolben 501 in den Ausdehnungshub ein, um sich
an der inneren Oberfläche C des Zylinders auf der
Schubseite des Kolbens 501 zu bewegen.
Unmittelbar nach der oberen Totpunktslage erfährt
der Kolben 501 an der Seitenoberfläche der Schubseite
die größte Seitenkraft aufgrund der Schubkraft Ft und
gerät im Hinblick auf Festfressen an der inneren Ober
fläche C des Zylinders in einen kritischen Zustand.
Gemäß der elften Ausführungsform dienen die Ölboh
rungen 513, die in der Ölabstreifring-Ausnehmung 507
oberhalb des Kolbenmantels 504 auf der Schubseite des
Kolbens 501 ausgebildet sind, als Reservoir für
Schmieröl oder Motoröl. Dies trägt zu einer vorteilhaf
ten Ausbildung eines Ölfilmes an einer Kontaktoberflä
che des Kolbens 501 mit der inneren Oberfläche C des
Zylinders auf der Schubseite des Kolbens 501 bei, was
das Fest fressen verhindert und verringerte Reibung er
gibt. Weiterhin kann aufgrund der Ölbohrungen 513 in
der Ölabstreifring-Ausnehmung 507 oberhalb des Kolben
mantels 504 Schmieröl, das von den Ölbohrungen 513 bei
einer hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens 501 ab
gegeben wird, wirksam dem Kolbenmantel 504 ohne Abgabe
auf die Schürze 508 zugeführt werden. Somit kann der
Kolben 501 ohne Festfressen und mit verringerter Rei
bung an der inneren Oberfläche C des Zylinders laufen.
Da sich weiterhin die Umfangskante 513a der Ölboh
rung 513 teilweise in dem Kolbenmantel 504 über die
Seitenoberfläche 507a der Ölabstreifring-Ausnehmung 507
erstreckt, kann der Ölabstreifring-Ausnehmung 507 zuge
führtes Schmieröl wirksam in der Ölbohrung 513 gesam
melt werden.
Da weiterhin der Boden 513b der Ölbohrung 513 tie
fer als der Boden 507b der Ölabstreifring-Ausnehmung
507 ausgebildet ist, und nicht mit dem inneren Umfang
des Kolbens 501 in Verbindung steht, wird das Volumen
der Ölbohrung 513 erhöht, so daß das Ansammeln von mehr
Schmieröl hierin ermöglicht wird.
Da weiterhin die Durchgangsbohrungen 514 in der
Ölabstreifring-Ausnehmung 507 im wesentlichen symme
trisch mit den Ölbohrungen 513 bezüglich der Achse Y1
des Kolbens 501 ausgebildet sind, wird überschüssiges
Schmieröl in einer Ölwanne gesammelt (nicht darge
stellt), und zwar von der Gegenschubseite des Kolbens
501 her, welche keiner großen Schubkraft im Ausdeh
nungshub unterliegt. Dies erfolgt über die Durchgangs
bohrungen 514 und den inneren Umfang des Kolbens 501.
Ein ansteigender Schmierölverbrauch kann hierdurch
wirksam verhindert werden.
Da sich weiterhin die Umfangskante 514a der Durch
gangsbohrung 514 teilweise in den Kolbenmantel 504 über
die Seitenoberfläche 507a der Ölabstreifring-Ausnehmung
507 hinaus erstreckt, kann in der Ölabstreifring-Aus
nehmung 507 angesammeltes Schmieröl wirksam über die
Durchgangsbohrung 514 in der Ölwanne zurückgesammelt
werden.
Es sei festzuhalten, daß die Anzahl der Ölbohrungen
513 und Durchgangsbohrungen 514 bei eins, vier oder
mehr liegen kann und daß die Querschnittsform der Öl
bohrung 513 und der Durchgangsbohrung 514 nicht kreis
förmig sein muß, sondern unterschiedliche Formen haben
kann.
Die Fig. 35-39 zeigen eine zwölfte Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung. Gemäß den Fig. 35-
36 umfaßt ein Kolben 601 einen Kolbenkopf 602 und einen
Ringsteg 603, der mit dem Kolbenkopf 602 verbunden ist,
sowie einen Kolbenmantel 604, der mit dem Ringsteg 603
verbunden ist. In der zwölften Ausführungsform ist der
Ringsteg 603 mit drei Kolbenring-Ausnehmungen 605 ver
sehen.
Bolzenlager 606 sind in dem Kolbenmantel 604 am in
neren Umfang ausgebildet, wobei jeder hiermit über eine
Schürze 607 verbunden ist. Die Bolzenlager 606 sind so
angeordnet, daß sie einander bezüglich einer Achse Y1
des Kolbens 601 gegenüberliegen. In den Bolzenlagern
606 ist eine Kolbenbolzenbohrung 608 ausgebildet, wel
che dem Kolbenmantel 604 zugewendet ist und eine Achse
X1 hat, welche im wesentlichen senkrecht zur Achse Y1
des Kolbens 601 liegt. Die Achse X1 der Kolbenbolzen
bohrung 608 ist zur Gegenschubseite des Kolbens 601 be
züglich der Achse Y1 hiervon versetzt, wie in Fig. 36
gezeigt. Gemäß Fig. 36 ist Y2 eine Linie, welche die
Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung 608 schneidet und par
allel zur Achse Y1 des Kolbens 601 verläuft. Ein Kol
benbolzen 609 verläuft durch die Kolbenbolzenbohrungen
608 und ein Pleuel 610 ist hiermit verbunden.
Eine Abschrägung oder Konizität 611 ist an dem Kol
benmantel 604 des Kolbens 601 ausgebildet. Genauer ge
sagt, die Konizität 611 ist in dem Kolbenmantel 604 in
einem Abschnitt näher an dem Ringsteg 603 als an einer
Ebene ausgebildet, welche die Achse X1 der Kolbenbol
zenbohrung 608 enthält, das heißt in einem Abschnitt
oberhalb der Achse X1. Die Konizität 611 ist so ge
formt, daß sie auf dem Ringsteg 603 konvergiert. Genau
er gesagt, wie in Fig. 37 gezeigt, hat die Konizität
611 einen Konizitätsbetrag TP, der in Richtung des
Ringsteges 603 in Form einer quadratischen Kurve an
wächst.
Es sei festzuhalten, daß die Konizität 611 wenig
stens an dem Kolbenmantel 604 auf der Schubseite des
Kolbens 601 ausgebildet werden kann, wenn das Verhalten
des Kolbens 601 in Betracht gezogen wird, wie es nach
folgend noch beschrieben wird.
Die Ergebnisse von Fig. 39 wurden in Experimenten
erhalten unter Verwendung von Kolben 601 mit 86 mm
Durchmesser und unterschiedlichen Konizitätsbeträgen TP
der Konizität 611. Die Experimente zeigten, daß an ei
ner Stelle entsprechend der Hälfte der Abmessung L von
der Achse X1 der Kolbenbolzenbohrung 608 zu einer Sei
tenoberfläche 605a der Kolbenring-Ausnehmung 605, die
dem Kolbenmantel 604 am nächsten liegt (vergleiche Fig.
37) der Kolben 601 mit einem Konizitätsbetrag TP von
10 µm einen verringerten Kolbenschlagwert hat, jedoch
Festfreßspuren am Kolbenmantel 604 zeigt und der Kolben
601 mit einem Konizitätsbetrag TP von 70 µm einen Kol
benschlagwert hat, der den erlaubten Grenzwert über
steigt und Festfreßspuren am Kolbenmantel 604 zeigt.
Weiterhin, in einem Konizitätsbetrag TP von 20-50 µm hat
der Kolben 601 bei einem Konizitätsbetrag von 45 µm ei
nen leicht erhöhten Kolbenschlagwert, zeigt jedoch kein
Festfressen.
Man erkennt aus den Untersuchungsergebnissen, daß
der Konizitätsbetrag TP bevorzugt im Bereich von
15-50 µm liegt, das heißt einen Wert hat, der erhalten wird
durch Multiplizieren des Durchmessers (µm) des Kolbens
601 mit 0,00015 bis 0,0006 an einer Stelle entsprechend
der halben Abmessung L von der Achse X1 der Kolbenbol
zenbohrung 608 zu einer Seitenoberfläche 605a der Kol
benring-Ausnehmung 605, welche dem Kolbenmantel 604 am
nächsten liegt.
In der zwölften Ausführungsform ist eine Konizität
612 an einem Ende des Kolbenmantels 604 entfernt von
dem Ringsteg 603, das heißt an einem unteren Ende hier
von ausgebildet, um sich an diesem Ende zu verjüngen.
Der Kolben 601 ist für einen Betrieb in einem
(nicht dargestellten) Motor angeordnet. Während des Be
triebs des Motors zeigt der Kolben 601 das Verhalten
gemäß den Fig. 38A-38C in den Kompressions- und Aus
dehnungshüben. Genauer gesagt, gemäß Fig. 38A erhält
vor der oberen Totpunktslage des Kompressionshubes der
Kolben 601 eine Kraft Fg des komprimierten Gases
(genauer gesagt, die Summe aus Druck des komprimierten
Gases und einer Trägheitskraft des Kolbens 601). Der
Druck Fg des komprimierten Gases wird in eine Kraft Fc
für das schräg gestellte Pleuel 610 und eine Schubkraft
Ft aufgeteilt, so daß der Kolben 601 die Schubkraft Ft
erfährt, um sich entlang einer inneren Oberfläche C ei
nes Zylinders auf der Gegenschubseite zu bewegen.
Wenn der Kolben 601 sich der oberen Totpunktslage
nähert, nimmt die Schubkraft Ft mit wachsendem Druck Fg
des komprimierten Gases und abnehmenden Neigungswinkel
des Pleuels 610 ab. Im Ergebnis erzeugt gemäß Fig. 38B
der Kolben 601 ein Moment M, um sich an einem unteren
Ende B des Kolbenmantels entgegen Uhrzeigerrichtung zu
drehen, so daß ein oberes Ende A des Kolbenmantels auf
der Schubseite des Kolbens 601 die innere Oberfläche C
des Zylinders an der Schubseite berührt. In diesem Zu
stand tritt der Kolben 601 in den Ausdehnungshub ein.
Wenn gemäß Fig. 38C der Kolben 601 die obere Tot
punktslage durchläuft, kehrt sich die Neigung des Pleu
els 610 um. Dies ändert die Richtung der Schubkraft Fg,
so daß der Kolben 601 ein Moment M erzeugt, um sich am
oberen Ende A des Kolbenmantels im Uhrzeigersinn zu
drehen, so daß eine seitliche Oberfläche des Kolbenman
tels auf der Schubseite des Kolbens 601 die innere
Oberfläche C des Zylinders an der dortigen Schubseite
berührt. Danach tritt der Kolben 601 in den Ausdeh
nungshub ein, um sich entlang der inneren Oberfläche C
des Zylinders auf der Schubseite des Kolbens 601 zu be
wegen.
Im Nahbereich der oberen Totpunktslage des Kompres
sionshubes wird das obere Ende A des Kolbenmantels
durch Berührung der inneren Oberfläche C des Zylinders
gekippt. Da bei dieser Ausführungsform die Konizität
611 an dem Kolbenmantel 604 in dem Bereich näher an dem
Ringsteg 603 als an der Ebene mit der Achse X1 der Kol
benbolzenbohrung 608 ausgebildet ist, wird eine Neigung
θ der Achse Y1 des Kolbens 601 bezüglich einer Achse
Y0 des Zylinders kleiner als bei einem herkömmlichen
Kolben.
Wenn daher im Ausdehnungshub unmittelbar nach der
Zündung eine Drehung im Uhrzeigersinn des oberen Endes
A des Kolbenmantels erfolgt, so daß die Seitenoberflä
che die innere Oberfläche C des Zylinders berührt, wird
durch den Kolben 601 gemäß dieser Ausführungsform si
chergestellt, daß diese Drehung mit einem verringerten
Winkelbetrag erfolgt. Dies führt zu einer verringerten
kinetischen Energie des Kolbens 601 und somit zu einem
verringerten Auftreten von Hämmern. Von daher kann der
Kolben 601 erhalten werden, bei dem das Kolbenschlagen
maximal verringert ist.
Insoweit zusammenfassend wurde somit ein Kolben für
einen Verbrennungsmotor beschrieben, wobei der Kolben
einen Ringsteg mit wenigstens einer Kolbenring-Ausneh
mung und einen Kolbenmantel aufweist, der mit dem
Ringsteg verbunden ist, so daß die Kolbenring-Ausneh
mung hierzu benachbart ist. Der Kolbenmantel weist eine
Kolbenbolzenbohrung mit einer Achse und eine Ebene auf,
welche die Achse der Kolbenbolzenbohrung enthält. Eine
Konizität kann an dem Kolbenmantel in einem ersten
Abschnitt hiervon näher an dem Ringsteg als an dieser
Ebene ausgebildet sein, um sich in Richtung des
Ringsteges zu verjüngen.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von bevor
zugten Ausführungsbeispielen hiervon beschrieben und
erläutert; es versteht sich jedoch, daß die vorliegende
Erfindung nicht hierauf beschränkt ist und daß im Rah
men der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Modi
fikationen und Abwandlungen möglich ist, ohne diesen
Rahmen zu verlassen.
Claims (18)
1. Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei
der Kolben auf Schub- und Gegenschubseiten betreibbar
ist, gekennzeichnet durch:
einen Ringsteg, der eine Kolbenring-Ausnehmung aufweist;
einen Kolbenmantel, der mit dem Ringsteg verbunden ist, so daß die Kolbenring-Ausnehmung benachbart hierzu liegt, wobei der Kolbenmantel eine Kolbenbolzenbohrung mit einer Achse aufweist und wobei der Kolbenmantel eine Ebene hat, welche die Achse der Kolbenbolzenboh rung enthält; und
eine Konizität, die in dem Kolbenmantel in einem ersten Abschnitt hiervon näher an dem Ringsteg als die Ebene angeordnet ist, wobei sich die Konizität in Rich tung des Ringsteges konvergiert.
einen Ringsteg, der eine Kolbenring-Ausnehmung aufweist;
einen Kolbenmantel, der mit dem Ringsteg verbunden ist, so daß die Kolbenring-Ausnehmung benachbart hierzu liegt, wobei der Kolbenmantel eine Kolbenbolzenbohrung mit einer Achse aufweist und wobei der Kolbenmantel eine Ebene hat, welche die Achse der Kolbenbolzenboh rung enthält; und
eine Konizität, die in dem Kolbenmantel in einem ersten Abschnitt hiervon näher an dem Ringsteg als die Ebene angeordnet ist, wobei sich die Konizität in Rich tung des Ringsteges konvergiert.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Achse der Kolbenbolzenbohrung zur
Gegenschubseite des Kolbens hin bezüglich deren Achse
versetzt ist.
3. Der Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Konizität auf der Schubseite des Kol
bens ausgebildet ist.
4. Der Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Konizität in einer Position entspre
chend einem halben Abstand von der Achse der Kolbenbol
zenbohrung zu einer seitlichen Oberfläche der Kolben
ring-Ausnehmung einen Wert hat, der gegeben ist durch
Multiplizieren eines Durchmessers in µm des Kolbens mit
0,00015 bis 0,0006.
5. Der Kolben nach Anspruch 4, wobei sich die Ko
nizität in ihrer Dicke allmählich von dem ersten Ab
schnitt des Kolbenmantels zu einem zweiten Abschnitt
hiervon erhöht, der weiter von dem Ringsteg entfernt
ist als die Ebene.
6. Der Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Konizität auf dem Kolbenmantel an ei
ner Position ausgeschlossen ist, welche im wesentlichen
senkrecht zur Achse der Kolbenbolzenbohrung liegt.
7. Der Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kolbenmantel sich auf der Schubseite
des Kolbens allmählich umfangsseitig in der Dicke von
einer Position im wesentlichen senkrecht zur Achse der
Kolbenbolzenbohrung erhöht.
8. Der Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß in der Kolbenring-Ausnehmung auf der
Schubseite des Kolbens ein Schlitz für eine Fluidver
bindung zwischen der Innenseite und der Außenseite des
Kolbens ausgebildet ist.
9. Der Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Schlitz mit einer Ausnehmungsbohrung
an beiden umfangsseitigen Enden hiervon versehen.
10. Der Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kolbenmantel auf jeder Seite der Kol
benbolzenbohrung teilweise entfernt ist.
11. Der Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kolbenmantel eine umfangsseitige Ab
messung hat, die in dem ersten Abschnitt größer als in
dem zweiten Abschnitt ist.
12. Der Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kolbenmantel zumindest auf der Schub
seite des Kolbens einen ovalen Bereich hat, der in dem
ersten Abschnitt kleiner als in dem zweiten Abschnitt
ist.
13. Der Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kolbenmantel an einem äußeren Umfang
des ersten Abschnittes eine Ausnehmung aufweist.
14. Der Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kolbenmantel in einer Richtung der
Achse der Kolbenbolzenbohrung eine Abmessung hat, die
in dem ersten Abschnitt größer als in dem zweiten Ab
schnitt ist.
15. Der Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kolbenmantel eine Oberflächenrauhig
keit hat, welche zumindest auf der Schubseite des Kol
bens in dem ersten Abschnitt größer als in dem zweiten
Abschnitt ist.
16. Der Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß in der Kolbenring-Ausnehmung eine Bohrung
auf der Schubseite des Kolbens ausgebildet ist, wobei
sich die Bohrung teilweise über die seitliche
Oberfläche der Kolbenring-Ausnehmung zu dem Kol
benmantel hin erstreckt, wobei die Bohrung tiefer als
die Kolbenring-Ausnehmung ist und wobei die Bohrung
nicht mit einem inneren Umfang des Kolbens in Ver
bindung steht.
17. Der Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß in dem Ringsteg eine Durchgangsbohrung
ausgebildet ist, welche mit der Bohrung in der
Kolbenring-Ausnehmung bezüglich der Achse des Kolbens
im wesentlichen symmetrisch ist, wobei die Durchgangs
bohrung sich teilweise in den Kolbenmantel über die
seitliche Oberfläche der Kolbenring-Ausnehmung hinaus
erstreckt, und wobei die Durchgangsbohrung mit dem in
neren Umfang des Kolbens in Verbindung steht.
18. Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei
der Kolben auf Schub- und Gegenschubseiten betreibbar
ist, gekennzeichnet durch:
einen Ringsteg mit einer Kolbenring-Ausnehmung;
einen Kolbenmantel, der mit dem Ringsteg verbunden ist, so daß die Kolbenring-Ausnehmung benachbart hierzu ist, wobei der Kolbenmantel eine Kolbenbolzenbohrung mit einer Achse aufweist und wobei der Kolbenmantel ei ne Ebene hat, welche die Achse der Kolbenbolzenbohrung enthält; und
Mittel zum Ausbilden einer Konizität auf dem Kol benmantel in einem ersten Abschnitt hiervon näher an dem Ringsteg als an der Ebene, wobei die Mittel zum Ausbilden der Konizität in Richtung des Ringsteges kon vergieren.
einen Ringsteg mit einer Kolbenring-Ausnehmung;
einen Kolbenmantel, der mit dem Ringsteg verbunden ist, so daß die Kolbenring-Ausnehmung benachbart hierzu ist, wobei der Kolbenmantel eine Kolbenbolzenbohrung mit einer Achse aufweist und wobei der Kolbenmantel ei ne Ebene hat, welche die Achse der Kolbenbolzenbohrung enthält; und
Mittel zum Ausbilden einer Konizität auf dem Kol benmantel in einem ersten Abschnitt hiervon näher an dem Ringsteg als an der Ebene, wobei die Mittel zum Ausbilden der Konizität in Richtung des Ringsteges kon vergieren.
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