DE4309776C2 - Kolben für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kol­ ben für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine herkömmliche Anordnung ist in Fig. 10 veranschaulicht. Die Umfangsoberfläche eines Kolbens 1 eines Verbrennungsmo­ tors ist mit Kolbenringnuten 5, 6, 7 zum Einbau eines oder zweier Druckringe 2, 3 und normalerweise eines einzigen Öl­ ringes 4 versehen, die in der erwähnten Reihenfolge, begin­ nend von der Seite der Brennkammer 17, angeordnet sind. Hierdurch wird ein erster Steg 8 zwischen einem Endab­ schnitt des Kolbens 1 auf der Seite der Brennkammer 17 und der ersten Ringnut 5, sowie ein zweiter Steg 10 zwischen der ersten Ringnut 5 und der zweiten Ringnut 6 gebildet, wobei ein dritter Steg 13 zwischen der zweiten Ringnut 10 und der dritten Ringnut 7 gebildet wird. Im Einzelnen wird bei einer Zwei-Ring-Anordnung, die insgesamt zwei Ringe aufweist, von denen einer davon ein Druckring 2 ist, eine Ölringnut an dem unteren Ende des zweiten Stegs 10 plaziert bzw. angebracht. Falls eine Drei-Ring-Anordnung mit zwei Druckringen 5, 6 vorliegt, wird die Ölringnut 7 an die un­ tere Seite des dritten Stegs 13, wie in Fig. 10 gezeigt, plaziert.

Wenn ein Raum (hier als Freiraum 18 des zweiten Stegs oder Freiraum 19 des dritten Stegs bezeichnet) der durch den Steg direkt oberhalb der Ölringnut 7, die innere Oberfläche des Zylinders 9 und die Kolbenringe auf beiden Seiten ein­ geschlossen wird, zu gering wird, ergibt sich eine Zunahme des Druckes infolge des von dem Kolben 1 abgeschabten Öls. Es tritt eine Ölleckage auf der Seite der Brennkammer 17 auf, wodurch eine große Ölmenge verbraucht wird. Diese Tendenz tritt insbe­ sondere dann hervor, wenn zwei Druckringe verwendet werden.

Falls ferner der Druck in dem oben erwähnten, hier als Freiraum 18 des zweiten Stegs oder des Freiraums 19 des dritten Stegs benannten Freiraum plötzlich abfällt, wird das Öl in diesen Freiraum über die Stoßendenflächen des Öl­ ringes hinaufgezogen, wobei der Öldruck ansteigt und die verbrauchte Ölmenge zunimmt. Steigt somit der Druck in die­ sem Freiraum plötzlich an, so wird der direkt darüber lie­ gende Druckring angehoben, womit eine Verminderung bzw. Verschlechterung der Dichteigenschaften dieses Druckringes herbeigeführt wird.

Um demgemäß eine plötzliche Druckschwankung innerhalb des Steg-Freiraumes zu verhindern, wird in der Praxis bei­ spielsweise gemäß DE 28 32 953 A1 herkömmlich - wie in Fig. 10 veranschaulicht - die Stegoberfläche eines Stegs 13 mit ei­ ner flachen Stufe 15 versehen, die in Richtung der Seite der zentralen Kolbenringachse 1 eine Aussparung auf der Seite einer Ölringnut 7 bildet. Der Steg 13 ist unterhalb der Stufe 20 gleichmäßig abgetragen, um den Stegfreiraum 19 zu vergrößern. Bei einer solchen Anordnung indes, bei der der Steg gleichmäßig auf der oberen Seite der Ölringnut 7 zugeschnitten ist, wird ein Problem für den Fall hervorge­ rufen, daß der Ölring aus drei Bestandteilen besteht, näm­ lich aus oberen und unteren Querstreifen bzw. Schienen und einem Expander bzw. Dehnelement aufweist. Das Problem ist dabei insbesondere, daß der Sitz der oberen Schiene ver­ schlechtert wird, was zu einer Verminderung der Dichtfähig­ keit führt.

Ferner weist diese Bauform eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine den Nachteil auf, daß dem Ölring in seiner Abwärtsbewegung an seiner äußeren oberen Randfläche keine von dem Steg verursachenden Gegenkraft entgegenwirkt, so daß es vorkommen kann, daß die Ölringnut sich mit ihrem äußeren Teil um die durch die Aussparungen in dem Steg und der oberen Stirnfläche der Ölringnut ausbildenden Kante dreht. Diese durch die Geometrie hervorgerufene Kante kann somit je nach Spiel des Ölrings die Dichteigenschaften des Ölrings beeinflussen.

Zusätzlich zu der oben erwähnten Sache ergab sich von Jahr zu Jahr eine immer größere Nachfrage nach Hochge­ schwindigkeits-Drehzahlen, Kompaktheit bzw. Massivität und hoher Belastbarkeit von Brennkraftmaschinen, wobei von ei­ ner lokalen Regulation zur Reinigung der Auspuffgase von Brennkraftmaschinen oftmals eine Leistung verlangt wird, die schwer einzuhalten ist. Um die Menge an Kohlenwasserstoffen in dem Auspuffgas zu vermindern, wird der oberste Ring 2 soweit wie möglich nahe einer obersten Kolbenbodenoberflä­ che 21 des Kolbens 1 angeordnet, um damit ein Spaltvolumen des obersten, durch den ersten Steg 8, der inneren Oberflä­ che des Zylinders 9 und des obersten Druckringes 2 einge­ schlossenen Stegfreiraumes 22 zu vermindern.

Es ist klar, daß der oberste Druckring 2 eine geeignete Dicke (T-Dimension) und Breite (W-Dimension) im Hinblick auf eine ausreichende Dichteigenschaft und Stärke des ober­ sten Druckringes 2 haben muß.

Bei diesem hochliegenden, obersten Ringkolben ergibt sich aus der Hochgeschwindigkeits-Bewegung des Kolbens 1 ein großes Beharrungsvermögen des obersten Druckringes 2, wor­ aus ein Bruch des obersten Steges 8 resultiert. Dieser dünne erste oder oberste Steg 8 wird einer großen Tempera­ tur aus der Brennkammer ausgesetzt, so daß die thermische Widerstandsfähigkeit abnimmt und der oberste Steg 8 eher bricht. Um einen Bruch des obersten Stegs 8 zu verhindern, wodurch der oberste Ring 2 in der Breite vermindert, wo­ durch das Beharrungsvermögen bzw. die Massen- bzw. Träg­ heitskraft kleiner wird. Diese Maßnahme indes eignet sich nicht für eine Reduzierung des Ölmengenverbrauchs.

Aus der US-PS 1504448 ist zwar eine Nut bekannt, die nach und nach in axialer Richtung aufwärts von Null ab in der Tiefe zunimmt. Allerdings ist diese Nut unterhalb des Ölrings angeordnet. Ferner hat diese Nut die Aufgabe, das in dem Ölring abgestreifte Öl in ein Reservoir über Leitungen zu bringen. Ferner geht die Nut direkt in die Aussparung für den Ölring über.

In der US-PS 2187724 ist zwar eine Nut offenbart, die in dem Steg zwischen dem Ölring und einem Druckring ausgebildet ist. Diese Nut dient aber dazu, eine Expansion des vorbeiströmenden Gases zuzulassen, wodurch eine konsequente Druckverminderung herbeigeführt werden kann. Damit wird die Leckage des am Ölring vorbeiströmenden Gases in das Nockenwellengehäuse vermindert. Derartige Gase können vielmehr in der Aussparung kondensieren und werden aufgrund der Ausgestaltung der Nut nach oben befördert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, einen Kolben für Brennkraftmaschinen zu schaffen, der durch einfache konstruktive Maßnahmen eine Verminderung des Ölverbrauchs erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Kolben durch die Merkmale gemäß dem Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, daß das Volumen des Stegfreiraumes des Kolbenstegs direkt oberhalb der Ölringnut und/oder der obersten Druckringnut vergrößert ist, um eine plötzliche Druckschwankung innerhalb des Stegfreiraumes zu verhindern, und daß in dem oben erwähnten Stegfreiraum angesammelt bzw. angehäuft werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung nimmt die Tiefe der ringförmigen, nutenartigen Aussparung linear zu. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Tiefe der ringförmigen, nutenartigen Aussparung nicht-linear zu.

Im Betrieb wird der Stegfreiraum volumenmäßig durch einen Kolbensteg vergrößert, der sich direkt oberhalb der zweiten Druckringnut und/oder der Ölringnut befindet und mit einem ringförmigen, nutenartigen Freiraum versehen ist, dessen Tiefe allmählich entlang der Länge des Kolbens aufwärts zu­ nimmt.

Obwohl ein Ölreservoir in dem Stegabschnitt gebildet wird, wird die Querschnittsform der Nut, die den Freiraum in dem Steg bildet, nach und nach entlang des Kolbens abwärts en­ ger, bis die Nut an der Umfangsoberfläche des Kolbens ver­ schwindet.

Das Öl wird dementsprechend durch vorbeiströmendes Gas auf die Ölringnut zugeblasen, wobei das Öl dadurch davon abge­ halten wird, nach oben gezogen zu werden. Folglich kann die verbrauchte Ölmenge sehr gering gemacht werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gemacht worden ist, in denen gleiche Bezugszeichen durch alle Figuren hin­ durch die gleichen oder ähnlichen Teile bezeichnen.

Fig. 1 stellt eine Schnittansicht dar, die einen Kolben und einen Zylinder veranschaulicht, wodurch eine erste Ausge­ staltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet ist;

Fig. 2 stellt eine Schnittansicht dar, die einen wesentli­ chen Abschnitt eines Kolbens gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung veran­ schaulicht;

Fig. 3 ist ein Diagramm, welches einen beispielhaften Un­ terschied der Ölverbrauchs-Effizienz zwischen einem erfin­ dunggemäßen Kolben und einem Kolben gemäß dem Stand der Technik zeigt;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die einen Kolben und einen Zylinder darstellt, wobei eine dritte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet ist;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die einen Umfangsabschnitt eines Kolbens gemäß einer vierten Ausgestaltung der vorlie­ genden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die einen Umfangsabschnitt eines Kolbens gemäß einer fünften Ausgestaltung der vorlie­ genden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 7 stellt eine Schnittansicht dar, die einen Umfangsab­ schnitt eines Kolbens gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 8 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel der Unter­ schiede des Ölverbrauches zwischen einem wie in Fig. 4 ge­ zeigten Kolben und eines herkömmlichen Kolbens zeigt;

Fig. 9 ist eine Schnittansicht, die einen Kolben und einen Zylinder darstellt, wobei eine siebte Ausführungsform bein­ haltet ist; und

Fig. 10 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel eines Einschnittes zur Schaffung eines Stegfreiraumvo­ lumens in einem direkt oberhalb einer Ölringnut in einem Kolben gemäß des Standes der Technik plazierten Steges zeigt.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden detailliert unter Berücksichtigung der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die einen Kolben 1 zeigt, der Ringnuten 5, 6, 7, Stege 8, 10, 13, Druckringe 2, 3 und einen Ölring 4 aufweist, wobei jeweils die äußere Oberflä­ che mit der inneren Oberfläche des Zylinders 9 in Kontakt gebracht wird.

Der Kolbensteg 13 weist einen mit einer Stufe 16 versehenen Zwischenabschnitt auf, wobei über die Stufe 16 in die ge­ wöhnliche dritte Stegoberfläche 13 eingeschnitten wird, nämlich in die äußere Umfangsoberfläche des Kolbens 1. Der Steg 13 ist damit unterhalb der Stufe 16 nach innen einge­ schnitten bzw. abgetragen, um die Nut 14 auszubilden, wel­ che einen Ölaufnahmefreiraum definiert. Die Nut 14 er­ streckt sich von der Stufe 16 an abwärts bis zu einem in einer geringen Entfernung aufwärts des Abschnitts des Kol­ bens 1 befindlichen Punkt, der direkt über der oberen Sei­ tenoberfläche der Ölringnut 7 liegt. Die Tiefe der Nut 14 ist an ihrem unteren Ende Null, so daß der untere Teil der Nut mit der äußeren Umfangsoberfläche des Kolbens 1 zusam­ menfällt, und sie wird nach und nach in dem Maße größer wird, wie die Nut der oberen Seite des Steges 13 näher­ kommt. In dieser Ausführungsform verändert sich die Tiefe bis zu dem unteren Teil der Nut 14 linear, wobei die Boden­ oberfläche bzw. die Oberfläche der Nutgrund flach ist.

Es sollte hervorgehoben werden, daß die Art, wie die Nuten­ tiefe 14 durch die allmähliche Zunahme von ihrem unteren Ende bis zu ihrem oberen Ende gebildet wird, nicht auf diese lineare Veränderung beschränkt ist. In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung weist die Nut 14, wie in Fig. 2 gezeigt, einen konvexförmigen, bogenförmigen Querschnitt auf, so daß die oben erwähnte Veränderung nicht-linear ist. Die dadurch erzielten Effekte sind die gleichen.

Gemäß der vorstehend dargestellten, erfindungsgemäßen An­ ordnung wird Öl davon abgehalten, nach oben gezogen zu wer­ den, wobei es möglich ist, in einem großen Ausmaß den Öl­ verbrauch zu reduzieren. Fig. 3 veranschaulicht ein Bei­ spiel von experimentellen Ergebnissen, wobei der Kolben der Erfindung mit einem herkömmlichen, wie in Fig. 10 gezeigten Kolben verglichen wurde. Im einzelnen zeigt Fig. 3 ein Dia­ gramm, in dem die Ölverbrauchsrate gegenüber einer Verän­ derung des Stegvolumenverhältnisses bei hoher Drehtzahl bzw. Hochgeschwindigkeit, und hoher Last, d. h. unter Hoch­ belastungs-Arbeitsbedingungen aufgezeichnet sind, wobei der in Fig. 1 und 2 gezeigte Kolben der Erfindung und der her­ kömmliche, in Verbindung mit Fig. 10 beschriebene Kolben, bei dem der Abschnitt des Stegs unterhalb der Stufe 20 gleichmäßig herausgeschnitten ist, gegenübergestellt sind. Das hier erwähnte Stegvolumenverhältnis bezieht sich auf das Verhältnis des Nutenvolumens 14 zu dem Stegfreiraum-Vo­ lumen zwischen der inneren Oberfläche des Zylinders und der äußeren Oberfläche des Stegs für den Fall, daß keine Nut vorhanden ist. Es ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß bei einem Steg-Freiraum-Verhältnis von 80% die Ölverbrauchsrate bei einem herkömmlichen Kolben nahezu 60% ist, bei dem Kolben der vorliegenden Erfindung bei 30% liegt. Falls das Steg- Volumen-Verhältnis 100% wird, beträgt die Ölverbrauchsrate 50% beim Stand der Technik, aber nur 17% mit der vorliegen­ den Erfindung. Dies verdeutlicht eine markante Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik.

In Übereinstimmung mit der oben beschriebenen, vorliegenden Erfindung, ist es somit möglich, eine beachtliche Verminde­ rung des Ölverbrauches zu erzielen, indem der direkt ober­ halb der Ölringnut befindliche Steg mit einem ringförmigen nutenar­ tigen Freiraum versehen ist, dessen Tiefe nach und nach von der äußeren Umfangsoberfläche des Kolbens ausgehend bis zum oberen Ende des Steges größer wird.

Die ringförmige Aussparung wird in dem Steg gebildet, ohne dabei die untere Stirnfläche zu erreichen, so daß der Sitz des oberen Querstreifens bzw. der oberen Schiene für den Fall, daß der Ölring aus drei Einzelteilen besteht, voll­ ständig beibehalten wird.

Die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Hierbei ist ein Zwischenabschnitt des zweiten Stegs 10 mit einer ringförmigen, nutenartigen Ausnehmung oder Aussparung 11 versehen, die im Querschnitt gesehen durch eine Stufe, welche radial nach innen gerich­ tet in den zweiten Steg einschneidet und eine flache sich verjüngende Oberfläche 12 definiert wird. Die ringförmige Aussparung 11 ist in dem zweiten Steg 10 gebildet, ohne da­ bei eine obere End- oder Stirnfläche und eine untere End- oder Stirnfläche zu erreichen.

Fig. 5 veranschaulicht eine vierte Ausführungsform, die ähnlich zu der Fig. 4 ist, aber einen ringförmigen Bogenab­ schnitt 12' anstelle der Stufe in Fig. 4 beinhaltet. Fig. 6 veranschaulicht eine fünfte Ausführungsform, bei der sich die flache, sich im Querschnitt verjüngende Oberfläche 12 nach unten bis an die äußere Kante der oberen Wand der zweiten Ringnut 6 erstreckt. Fig. 7 veranschaulicht eine sechste Ausführungsform, bei der die ringförmige Aussparung 11 durch eine Kombination der sich im Querschnitt verjün­ genden, flachen Oberfläche 12 und einer axialen im Quer­ schnitt flachen Oberfläche 12'' definiert ist.

Erneut auf Fig. 4 Bezug nehmend, ist die Ausdehnung der Hö­ he des oberen Steges 8 geringer als 1/20 einer Ausdehnung eines inneren Durchmessers des Zylinders 9.

Der oberste Druckring 2 kann im Gebrauch in einem hochlie­ genden, obersten Ringkolben verwendet werden, wobei er eine Abmessung mit dünner Weite hat. Somit kann das Beharrungs­ vermögen bzw. die Massenträgheit des obersten Druckringes 2 kleiner gemacht werden.

Die erzielten Effekte gemäß der in Fig. 4 bis 7 gezeigten Ausführungsformen sind die gleichen. Die Versuche sind un­ ter Verwendung eines Benzinmotors (2000 cm³) mit einer Zy­ linderbohrung von Ý86 mm und einer Höhe des obersten Stegs von 3 mm durchgeführt worden. Die Abmessung des obersten Rings beträgt für die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform 0,8 mm in der Breite, wohingegen bei einem herkömmlicher Kolben 1,2 mm vorgesehen sind, dort aber keine in dem zwei­ ten Steg ausgebildeten Aussparung vorgesehen ist. Der Öl­ verbrauch unter der Belastungsbedingung von 4/4 × 6000 U/min im Falle der erwähnten Motoren ist in Fig. 8 gezeigt. Die Ölverbrauchsrate gemäß der Ausführungsform von Fig. 4 beträgt etwa 50% der herkömmlichen Motoren.

Fig. 9 veranschaulicht eine siebte Ausführungsform, bei der der zweite Steg 10 mit der ringförmigen Aussparung 11 und der dritte Steg mit der ringförmigen Aussparung 14 versehen ist. Diese Ausführungsform entspricht einer Kombination der wie in Fig. 1 und Fig. 4 gezeigten Ausführungsform und re­ präsentiert die kombinierten Ergebnisse, wie sie bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und Fig. 4 erzielt wurden.

Vielfältige, offensichtlich unterschiedliche Ausführungs­ formen der vorliegenden Erfindung können, ohne den Gedanken und Bereich davon zu verlassen, gemacht werden, wobei es ferner verständlich ist, daß die Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen davon beschränkt ist, außer als in den anhängenden Ansprüchen definiert wird.

Generell wird somit ein Kolben für eine Brennkraftma­ schine beschrieben, der einen Kolbenkörper mit Ölringnuten und einem in dem Kolbenkörper direkt oberhalb den Ölringnu­ ten mit einer unteren Stirnfläche ausgebildeten Steg auf­ weist, wobei der Steg einen dazwischenliegenden Abschnitt bzw. einen Zwischenabschnitt aufweist, dessen unterer Teil mit einer ringförmigen, nutenartigen Aussparung oder Aus­ nehmung bzw. Vertiefung versehen ist, die sich nicht bis zur unteren Stirnfläche des Stegs erstreckt, und wobei die ringförmige, nutenartig ausgebildete Aussparung nach und nach in axiale Richtung des Kolbenkörpers aufwärts ausge­ hend von Null in der Tiefe zunimmt.

Ebenso wird ein Kolbenkörper mit einer obersten Druckringnut und einem im Kolbenkörper direkt unterhalb der obersten Druckringnut gebildeten Steg beschrieben, wobei der Steg eine obere flache Stirnfläche aufweist, der Steg mit einer ringförmigen, nutenartigen Aussparung versehen ist, die sich nicht bis zur oberen flachen Stirnfläche des Stegs erstreckt, und die ringförmige, nutenartige Aussparung nach und nach in axialer Richtung des Kolbenkörpers aufwärts in der Tiefe zunimmt.

Auch ist der mit Anspruch 1 definierte Gegenstand bei einem Kolben anwendbar, der einen zweiten, mit einer Aussparung versehenen Steg und einen dritten, mit einer Aussparung versehenen Steg aufweist.

Claims (7)

1. Kolben für Brennkraftmaschinen, wobei der Kolben eine Ringpartie mit einer Ölring- und mindestens einer Kompressionsringnut aufweist, wobei zumindest ein zwi­ schen zwei Ringnuten liegender Steg mit einer Vertie­ fung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ tiefung im Steg (10; 13) von einer ringförmigen, nutar­ tigen Aussparung (11; 14) gebildet ist, die sich zwi­ schen den oberen und unteren Stirnflächen des Stegs (10; 13) erstreckt, wobei die Stirnflächen des Steges (10; 13) die volle Ring-Nutentiefe aufrecht erhalten; und die in axialer Richtung des Kolbenschaftes aufwärts von Null ab bis zu einer im Steg ausgebildeten Stufe (16), die mit dem darüberliegenden Stegabschnitt einen Winkel von höchstens 90° bildet, zunimmt.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der ringförmigen, nutenartigen Aussparung (11; 14) linear zunimmt.

3. Kolben nach Anspruch 1, dadruch gekennzeichnet, daß die Tiefe der ringförmigen, nutenartigen Aussparung (11; 14) nicht-linear zunimmt.

4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund der nutenartigen, ringförmingen Aussparung (11; 14) von einer Kombination einer Kegel- und einer Zylin­ derfläche (12'') definiert ist.

5. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige, nutenartige Aussparung (11) linear von der unteren Stirnfläche des Steges zwischen der ersten und der zweiten Ringnut in der Tiefe zunimmt.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sowohl der Steg (10) zwischen der er­ sten und zweiten Kompressionsringnut (5, 6) als auch der Steg (13) zwischen der zweiten Kompressionsringnut (6) und der Ölringnut (7) jeweils eine Vertiefung mit der ringförmigen, nutenartigen Aussparung (11; 14) auf­ weisen.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stufe (16) im Steg (10; 13) mit­ tels eines ringförmigen Bogenabschnitts (12') hinter­ schnitten ist.