DE69011464T2

DE69011464T2 - Kolben.

Info

Publication number: DE69011464T2
Application number: DE69011464T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Roper
Original assignee: Vickers PLC
Current assignee: Vinters Ltd
Priority date: 1989-05-06
Filing date: 1990-05-01
Publication date: 1994-12-01
Anticipated expiration: 2010-05-02
Also published as: GB2242252B; GB8910473D0; DE69011464D1; GB9100044D0; WO1990013763A1; EP0425635B1; GB2242252A; EP0425635A1; JPH03506061A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben mit einem Kolbenbodenrand, einem Kopfsteg, der vom Kolbenbodenrand abwärts verläuft, einem Kolbenhemd und wenigstens einer Nut zwischen dem Kopfsteg und dem Kolbenhemd zur Aufnahme eines Kolbenrings (WO-A-7900862).
Typischerweise sind zwischen dem Kolbenbodenrand und dem Kolbenhemd eine Anzahl von durch Nuten voneinander getrennter Stege vorgesehen. Zum Beispiel kann der Kolben drei Stege haben, einem dem Kolbenbodenrand zunächst liegenden Kopfsteg, einen Zwischensteg und einen dem Kolbenhemd zunächst liegenden unteren Steg, wobei sich ein erster Kompressionsring in einer Nut zwischen dem Kopfsteg und dem Zwischensteg, ein zweiter Kompressionsring in einer Nut zwischen dem Zwischensteg und dem unteren Steg und ein Ölabstreifring in einer Nut zwischen dem unteren Steg und dem Kolbenhemd befindet. Es kann allerdings eine andere Anzahl von Stegen vorhanden sein, z. B. kann nur ein Kopfsteg zwischen dem Kolbenbodenrand und dem Kolbenhemd vorhanden sein, wobei sich in der einzigen Nut dazwischen ein einziger Ring befindet.
Bislang wurden solche Kolben so hergestellt, daß beim Einsatz bei normaler Betriebstemperatur zwischen dem Kopfsteg und einer Zylinderbohrung, in der der Kolben läuft, ein Spiel vorhanden ist, das größer ist als das Spiel zwischen dem Kolbenhemd und dem Zylinder. Wenn der Kolben kalt ist, ist der Unterschied zwischen den Spielmaßen größer, weil ein fallender Temperaturgradient zwischen dem Kolbenbodenrand und der Unterseite des Kolbenhemds besteht, so daß das Ausmaß der thermischen Ausdehnung des Kolbens in Richtung zum Kolbenbodenrand größer ist.
Als Ergebnis läuft der Kopfsteg normalerweise mit relativ großen Spielmaßen relativ zur Zylinderwand, z. B. mit einem Durchmesserspiel von 0,40 - 1,00 mm bei Kolben mit einem Durchmesser von etwa 50 mm - 100 mm. Dieses relativ große Spiel soll gewährleisten, daß ein Kontakt mit der Zylinderbohrung durch den gesamten thermischen Betriebsbereich des Kolbens vermieden wird, und auch um einen Kontakt aufgrund eines Kippens des Kolbens zu vermeiden, was insbesondere bei kaltem Motor auftreten kann.
Dieses relativ große Spiel hat die folgenden drei Nachteile zur Folge.
Selbst bei maximalen Betriebstemperaturen befindet sich im Gebiet des Spiels zwischen dem Kopfsteg und der Zylinderbohrung ein "Gastotraum", der zu Detonationen führen kann sowie dazu, daß der Steg abbrennt oder lokal aufschmilzt oder daß der oberste Ring beschädigt wird. Häufig tritt ein Bruch sowohl des Stegs als auch des Rings auf. Ein ansteigender Trend geht dahin, Verbrennungsmotoren zur Brennstoffeinsparung und zur Verminderung von Abgasemissionen mit mageren Mischugen zu betreiben, insbesondere bei Motoren mit zwei Ventilen je Zylinder, und dieses verschärft das Problem, da die Zündkerze auf einer Seite des Zylinders angeordnet ist und das Abbrennen des Stegs auf der gegenüberliegenden Seite in maximalem Abstand von der Zündkerze auftritt.
Das relativ große Spiel des Kopfstegs setzt den obersten Ring Verbrennungsgasen aus, was zu einem Versagen des Rings und einer verminderten Spannung der Feder sowie zu einem stärker als erwarteten Durchblasen von Gasen führen kann, was zu einem verminderten Wirkungsgrad und zu einer Verunreinigung des Schmieröls des Motors durch die Verbrennungsprodukte führen kann.
Gegenwärtig besteht ein Trend, Kolben mit einem relativ großen Verhältnis von Durchmesser zur Höhe herzustellen, so daß die zum Abstützen des Kolbens verfügbare Länge des Kolbenhemds relativ klein wird, wodurch Gewicht gespart wird und die dem Reibungswiderstand durch die Bohrung ausgesetzte Fläche des Kolbens minimiert wird. Als Ergebnis des relativ großen Spiels zwischen dem Kopfsteg und der Zylinderbohrung besteht bei solchen Kolben eine relativ große Tendenz zum Kippen, insbesondere bei sogenannten "slipper"-Ausführungsformen, die nicht nur kurze, sondern auch in der Schub-Zug-Achse schmale Kolbenhemdabstützflächen aufweisen, und somit eine zusätzliche Bewegung des Kolbens entlang der Kolbenbolzenachse und eine schlechte Kontrolle ermöglichen.
Es ist ein Ziel der Erfindung, einen neuen und verbesserten Kolben zu schaffen, durch den die obenerwähnten Nachteile überwunden oder vermindert werden.
Erfindungsgemäß schaffen wir einen Kolben mit einem Kolbenbodenrand, einem Kopfsteg, der vom Kolbenbodenrand abwärts verläuft, einem Kolbenhemd und wenigstens einer Nut zwischen dem Kopfsteg und dem Kolbenhemd zur Aufnahme eines Kolbenrings, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfsteg einen Abschnitt aufweist, der eine größere Querschnittsabmessung als irgendein Teil des Kolbens zwischen diesem Abschnitt und dem Kolbenhemd hat, und daß das Kolbenhemd eine größere Querschnittsabmessung als dieser Abschnitt aufweist.
Der besagte Kolben und das Kolbenhemd können die besagten größeren Querschnittsabmessungen bei Raumtemperatur aufweisen.
Der besagte Abschnitt des Kopfstegs kann wenigstens eine sich nach außen erstreckende Leiste umfassen, die weniger breit ist als der Kopfsteg.
Vorzugsweise umfaßt der besagte Abschnitt des Kopfstegs eine Anzahl sich parallel nach außen erstreckender Leisten, die mit gegenseitigem Abstand entlang der Breite des Kopfstegs angeordnet sind.
Der besagte Abschnitt des Kopfstegs kann drei solche Leisten aufweisen.
Die oder jede Leiste kann eine Breite im Bereich von 0,5 bis 1 mm haben. Wenn mehr als eine Leiste vorhanden ist, können die Leisten mit einem gegenseitigen Abstand im Bereich von 1,25 bis 1,5 mm angeordnet sein.
Die oder jede Leiste kann eine Höhe im Bereich von 0,17 bis 0,20 mm aufweisen.
Die äußere, d. h. die der Zylinderbohrung zunächst liegende Fläche der oder jeder Leiste kann konisch sein, und wenn eine Anzahl von Leisten vorhanden ist, können die Außenflächen der Leisten auf einer gemeinsamen, kegelstumpfförmigen Fläche liegen, deren Durchmesser sich in Richtung auf den Kolbenbodenrand verringert.
Vorzugsweise hat der Kolben eine Anzahl von Stegen, wobei der besagte Abschnitt des Kopfstegs eine größe Querschnittsabmessung als irgendein Abschnitt des oder jedes anderen Stegs hat.
Der besagte Abschnitt des Kopfstegs hat bei Betriebstemperatur die besagte größere Querschnittsabmessung.
Wenn eine Anzahl von Stegen vorhanden ist, kann wenigstens ein anderer als der Kopfsteg eine konstante Querschnittsabmessung aufweisen oder in Richtung auf den Kolbenbodenrand konisch zulaufen.
Vorzugsweise ist das Kolbenhemd und/oder der oder jeder Steg und/oder die oder jede Leiste im Querschnitt kreisförmig.
Ein die Erfindung verkörpernder Kolben wird nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen die Erfindung verkörpernden Kolben ist;
Fig. 2 eine Seitenansicht des Kolbens nach Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1 ist;
Fig. 4 ein Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 1 ist;
Fig. 5 eine Ausschnittsvergrößerung aus Fig. 4 ist; und
Fig. 6 eine graphische Darstellung des Spielmaßes zwischen Kolben und Zylinderbohrung in bezug auf den in Fig. 1 bis 5 gezeigten Kolben ist.
Die Zeichnungen zeigen einen Kolben 10 mit einer oberen Wand oder einem Kolbenbodenrand 11, von dem aus ein Kopfsteg 12 abwärts verläuft. Unterhalb des Kopfstegs 12 befindet sich ein Zwischensteg 13, der vom Kopfsteg 12 durch eine erste Nut 14 für einen nicht dargestellten, herkömmlichen Kompressionskolbenring getrennt ist. Unterhalb des Zwischenstegs 13 befindet sich ein unterer Steg 15, der durch eine zweite Nut 16 für einen ebenfalls nicht gezeigten, zweiten Kompressionskolbenring vom Zwischensteg 13 getrennt ist.
Unterhalb des unteren Stegs 15 befindet sich ein Kolbenhemd 17, welches vom unteren Steg 15 durch eine dritte Nut 18 zur Aufnahme eines ebenfalls nicht gezeigten Ölabstreifkolbenrings getrennt ist. Die Nut 18 für den Ölabstreifring ist mit einer Anzahl Bohrungen 19 versehen, die durch die Kolbenwand zu einem hohlen Innenraum 20 des Kolbens verlaufen, um den Durchtritt von Öl dort hindurch zu ermöglichen.
Der Kolben ist in herkömmlicher Weise hergestellt und mit Zapfenlagern 21 für einen herkömmlichen Kolbenbolzen zum Anschluß des Kolbens an eine Verbindungsstange in herkömmlicher Art ausgestattet.
In diesem Beispiel hat das Kolbenhemd 17 an seinem unteren Ende einen Durchmesser von 78,030 mm und an seinem oberen Ende einen Durchmesser von 77,85 mm, wobei die Kontur eine aus mehreren Teilen zusammengesetzte Gestalt aufweist, die entsprechend dem im Betrieb angetroffenen Temperaturgradienten bestimmt ist.
Die Nut 18 hat einen Durchmesser von 70,75 mm. Der untere Steg 15 hat einen Durchmesser von 77,07 mm und hat über seine Breite einen konstanten Durchmesser. Die Nut 16 hat einen Durchmesser von 70,10 mm, während der Steg 13 an seinem unteren Ende einen Durchmesser von 77,61 mm hat und kegelstumpfförmig gestaltet ist, wobei der Halbwinkel der Kegelstumpffläche 0º 30 ist. Die Nut 14 hat einen Durchmesser von 70,90 mm. Der Kopfsteg 17 ist kegelstumpfförmig und hat eine Oberfläche, die in der Fortsetzung der kegelstumpfförmigen Fläche liegt, in der die Oberfläche des Stegs 13 liegt.
Einteilig mit dem Steg 12 sind drei aufrechte Leisten 25, 26, 27 ausgebildet, die in Umfangsrichtung um den Steg 12 herum verlaufen und durch die Nuten 28, 29 gegenseitig beabstandet sind. Die unterste Leiste 27 hat an ihrem äußersten Teil einen Durchmesser von 77,64 mm. Die oberste Leiste 25 hat an ihrem obersten Teil einen Durchmesser von 77,57 mm, und die Oberflächen der Leisten 25, 26, 27 liegen auf einer kegelstumpfförmigen Fläche, die durch den oben erwähnten, obersten Teil der Leiste 25 und den untersten Teil der Leiste 27 begrenzt wird. Die Leisten 25, 26, 27 sind 0,75 mm breit, und die obenerwähnte kegelstumpfförmige Fläche hat einen Halbwinkel von 0º 25º.
Die obengenannten Abmessungen gelten, wenn sich der Kolben auf Umgebungstemperatur befindet und sind selbstverständlich in der Praxis den üblichen Toleranzen unterworfen. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung zwischen dem oberen und unteren Teil des Kolbens wegen des Temperaturgradienten, der aufgrund der Tatsache entsteht, daß das Oberteil des Kolbens einer höheren Temperatur ausgesetzt ist als das Unterteil des Kolbens, dehnen sich beim Betrieb des Kolbens der Kopfsteg und die zu ihm gehörigen Leisten im Durchmesser mehr aus als die darunterbefindlichen Teile des Kolbens, und daher sind die Leisten 25, 26, 27 näher an der Wand einer mit dem Kolben zusammenwirkenden Zylinderbohrung als alle Abschnitte des Kolbens zwischen den Leisten und dem Kolbenhemd 17. Es ist natürlich notwendig, daß diese Bedingung über den gesamten Umfang der Leisten bei Betriebstemperatur gilt, und in der Praxis tritt ein geringfügiger Verschleiß auf, um die erwünschte Konformität und die korrekten Gleitspielmaße herzustellen. Die bei Raumtemperatur in der Praxis vorhandenen Spielmaße sind in Fig. 6 gezeigt.
Die obengenannten, speziellen Abmessungen sind nur beispielhaft angegeben und gelten für einen Kolben, der in eine Zylinderbohrung C, siehe Fig. 4, mit einem Durchmesser von 78,11 mm passen soll. Wenn gewünscht, können die verschiedenen Teile mit den obengenannten Abmessungen andere Abmessungen haben, die für eine speziell betroffene Anwendung passend sind, und wenn z. B. eine Kolbenbohrung des gleichen Durchmessers betroffen ist, können die jeweiligen Teile in Abhänigkeit vom in der Praxis bei einem speziellen Motor angetroffenen Temperaturgradienten unterschiedliche Abmessungen haben.
Zum Beispiel kann die oder jede Leiste eine Breite haben, die im Bereich von 0,5 bis 1,0 mm liegt, aber wenn mehr als eine Leiste vorhanden ist, können die Leisten mit einem Abstand im Bereich von 1,25 bis 1,5 mm angeordnet sein. Die oder jede Leiste kann eine Höhe im Bereich von 0,17 bis 0,20 mm haben. Obwohl im obigen Beispiel ein Kolben mit drei Stegen und drei Nuten für Kolbenringe beschrieben worden ist, kann die Erfindung, wenn gewünscht, auf Kolben mit einer unterschiedlichen Anzahl von Stegen angewendet werden, einschließlich z. B. eines Kolbens mit einem einzigen Steg, der durch eine einzige Nut vom Kolbenhemd getrennt ist.
Obwohl im obigen Beispiel der Kopfsteg als mit drei Leisten versehen beschrieben wurde, kann der Kopfsteg, wenn gewünscht, mit mehr als drei oder weniger als drei Leisten oder mit einer einzigen Leiste versehen sein.
Die Erfindung umfaßt auch einen Kolben, bei dem der Kopfsteg ohne eine abgesonderte Leiste ausgebildet ist, die eine geringere Breite als die Breite des Stegs hat, wobei aber der Steg dennoch so geformt ist, daß er einen Abschnitt hat, der bei Betriebstemperatur über seinen gesamten Umfang eine größere Querschnittsabmessung als jeder andere Abschnitt des Kolbens zwischen dem besagten Abschnitt und dem Kolbenhemd aufweist. Der obenerwähnte Abschnitt kann die ganze Breite des Kopfstegs umfassen oder nur einen örtlichen Abschnitt davon. Zum Beispiel kann der Kopfsteg kegelstumpfförmig ausgebildet sein, wobei der größere Durchmesser am oder benachbart zum Kolbenbodenende des Kopfstegs liegt. Alternativ kann der Kopfsteg doppelkegelstumpfförmig ausgeführt sein, und das Paar Kegelstümpfe kann den gleichen oder einen unterschiedlichen Halbwinkel haben, wobei die Verbindungslinie der Basis der Kegelstümpfe an jeder beliebigen Position entlang der Breite des Kopfstegs liegen kann. Wenn gewünscht, kann der Kopfsteg eine andere Konfiguration aufweisen und kann z. B. in einem Schnitt entlang einer Durchmesserebene des Kolbens eine krummlinige Gestalt haben.
Die Erfindung kann auf Kolben jedes beliebigen Durchmessers angewendet werden, obwohl sie insbesondere Kolben mit einem Durchmesser im Bereich von 50 bis 120 mm betrifft.
Ein Kolben gemäß der vorliegenden Erfindung hat die Vorteile, daß aufgrund des Vorhandenseins wenigstens einer Leiste ein verminderter "Gastotraum" zwischen dem Kopfsteg und einer Zylinderbohrung auftritt, wodurch die Möglichkeit einer Detonation in dieser Zone begrenzt wird.
Das Vorhandensein der oder jeder Leiste schützt den obersten Ring vor Verbrennungsgasen, so daß der Ring sauberer bleibt und weniger einem Versagen durch Hitze ausgesetzt ist. Wenn eine Anzahl von Leisten vorgesehen ist, wird das Durchblasen aufgrund des durch die Anzahl von Leisten erzeugten Labyrintheffekts reduziert, wobei herausgefunden wurde, daß das Durchblasen um bis zu 50 % reduziert wurde.
Zusätzlich gibt das Vorhandensein wenigstens einer Rippe an der Kolbenbolzenachse Halt, was besonders bei Kolben in "slipper"-Bauart wichtig ist, um seitliches Kippen zu verhindern und die Beanspruchung des Kolbenhemds sowie Fressen zu vermeiden.
Der vorangehend beschriebene Kolben wurde speziell für einen Funkenzündungsmotor ausgelegt, aber die Erfindung kann auf Kolben für andere Anwendungen ausgedehnt werden.

Claims

1. Kolben (10) mit einem Kolbenbodenrand (11), einem Kopfsteg (12), der vom Kolbenbodenrand abwärts verläuft, einem Kolbenhemd (17) und wenigstens einer Nut (14, 16, 18) zwischen dem Kopfsteg (12) und dem Kolbenhemd (17) zur Aufnahme eines Kolbenrings, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfsteg (12) einen Abschnitt (25, 26, 27) aufweist, der eine größere Querschnittsabmessung als irgendein Teil des Kolbens zwischen diesem Abschnitt und dem Kolbenhemd (17) hat, und daß das Kolbenhemd eine größere Querschnittsabmessung als dieser Abschnitt aufweist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (25, 26, 27) und das Kolbenhemd (17) die besagten größeren Querschnittsabmessungen bei Raumtemperatur aufweisen.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Abschnitt des Kopfstegs wenigstens eine sich nach außen erstreckende Leiste (25, 26, 27) umfaßt, die weniger breit ist als der Kopfsteg (12).

4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Abschnitt des Kopfstegs eine Anzahl sich parallel nach außen erstreckender Leisten (25, 26, 27) umfaßt, die mit gegenseitigem Abstand entlang der Breite des Kopfstegs (12) angeordnet sind.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Abschnitt des Kopfstegs (17) drei solcher Leisten (25, 26, 27) aufweist.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Leiste (25, 26, 27) eine Breite aufweist, die im Bereich von 0,5 bis 1 mm liegt.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine Leiste (25, 26, 27) vorhanden ist und die Leisten mit einem gegenseitigen Abstand im Bereich von 1,25 bis 1,5 mm angeordnet sind.

8. Kolben nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Leiste (25, 26, 27) eine Höhe im Bereich von 0,17 bis 0,20 mm aufweist.

9. Kolben nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere, d.h. die der Zylinderbohrung zunächstliegende Fläche der oder jeder Leiste (25, 26, 27) konisch ist.

10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Leisten (25, 26, 27) vorhanden ist und die Außenfläche der Leisten auf einer gemeinsamen, kegelstumpfförmigen Fläche liegen, deren Durchmesser sich in Richtung auf den Kolbenbodenrand (11) verringert.

11. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben eine Anzahl von Stegen (12, 13, 15) aufweist, wobei der Abschnitt (25, 26, 27) des Kopfstegs eine größere Querschnittsabmessung als irgendein Abschnitt des oder jedes anderen Stegs (12, 13, 15) hat.

12. Kolben nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Abschnitt des Kopfstegs bei Betriebstemperatur die besagte größere Querschnittsabmessung hat.

13. Kolben nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Stegen (12, 13, 15) vorhanden ist und wenigstens ein anderer als der Kopfsteg eine konstante Querschnittsabmessung aufweist.

14. Kolben nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Stegen (12, 13, 15) vorhanden sind und wenigstens ein anderer als der Kopfsteg in Richtung auf den Kolbenbodenrand (11) konisch zuläuft.

15. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenhemd (17) und/oder der oder jeder Steg (12, 13, 15) und/oder die oder jede Leiste (25, 26, 27) im Querschnitt kreisförmig sind.

16. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (10) ein Gleitschuhkolben ist.

17. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenhemd (17) an seinem oberen Endabschnitt eine kleinere Querschnittsabmessung als an seinem unteren Endabschnitt aufweist.

18. Kolben nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenhemd (17) zwischen dem oberen und unteren Endabschnitt eine Kontur von zusammengesetzter Gestalt besitzt.