DE102011115639A1

DE102011115639A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102011115639A1
Application number: DE102011115639A
Authority: DE
Inventors: Markus Alexander Hirsch
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-03-28
Also published as: CN103890362A; WO2013044897A1; US9243583B2; JP2014532137A; EP2783096A1; US20140238333A1; BR112014007441A2

Abstract

Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor mit Schaftelementen (8, 9), die innere Flächen (17, 18) aufweisen, die denjenigen Bereichen der Schaftelemente (8, 9) entsprechen, in denen die Schaftelemente (8, 9) dünner als 7 % des Kolbendurchmessers „D” sind, wobei bei jedem der Schaftelemente (8, 9) das Verhältnis des Inhalts der inneren Fläche (17, 18) zum Verhältnis des Inhalts der gesamtem äußeren Fläche (14, 19) mehr als 60 % beträgt. Hierdurch werden die Schaftelemente elastisch nachgiebig, was bei einer temperaturbedingten, radialen Ausdehnung des Kolbenschafts den Druck reduziert, den die Schaftelemente auf die Zylinderinnenwand ausüben, wodurch die Reibleistungsverluste des Kolbens und damit der CO2-Ausstoß des mit den erfindungsgemäßen Kolben ausgerüsteten Motors reduziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden, an den sich radial außen eine Ringpartie und ein Kolbenschaft anschließen, wobei der Kolbenschaft aus zwei einander gegenüberliegenden Schaftelementen besteht, die an Bolzennaben mit je einer Bolzenbohrung angrenzen.
Ein Kolben der eingangs genannten Art ist aus der Offenlegungsschrift DE 4326978 bekannt. Nachteilig ist hierbei, dass die Schaftelemente in Bereich der Ringpartie sehr massiv ausgebildet sind, sodass sich bei einer temperaturbedingten, radialen Ausdehnung des Kolbens zwischen Zylinderwand und Kolbenschaft Spannungen ergeben, die den Druck der Schaftelemente auf die Zylinderinnenwand erhöhen, damit die Reibleistungsverluste vergrößern und als Folge davon den CO₂-Ausstoß des mit dem bekannten Kolben ausgerüsteten Motors vergrößern.
Diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und einen Kolben mit verringertem CO₂-Ausstoß zu schaffen, ist Aufgabe der Erfindung.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass die Schaftelemente innere Flächen aufweisen, die denjenigen Bereichen der Schaftelemente entsprechen, in denen die Schaftelemente dünner als 7% des Kolbendurchmessers sind, und dass bei jedem der Schaftelemente das Verhältnis des Inhalts der inneren Fläche zum Verhältnis des Inhalts der gesamtem äußeren Fläche mehr als 60% beträgt.
Hierdurch wird erreicht, dass die Schaftelemente insoweit elastisch nachgiebig ausgebildet sind, dass sie bei einer temperaturbedingten, radialen Ausdehnung des Kolbens nachgeben, wodurch der Druck der Schaftelemente auf die Zylinderinnenwand, die Reibleistungsverluste im Motorbetrieb und damit auch der CO₂-Ausstoß des mit dem erfindungsgemäßen Kolbens ausgerüsteten Motors abnehmen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
1 die perspektivische Darstellung eines Kolben für einen Dieselmotor gemäß der Erfindung,
2 einen Schnitt durch den Kolben gemäß 1 entlang einer Ebene, die senkrecht zur der Bolzenbohrungsachse und auf der Kolbenachse liegt,
3 eine Seitenansicht des Kolbens mit einer Darstellung der äußeren Fläche eines Schaftelements und
4 eine Innenansicht des Schaftelements.
1 und 2 zeigen einen Kolben 1 für einen Dieselmotor aus Aluminium, in dessen Kolbenboden 2 eine Verbrennungsmulde 3 und vier Ventiltaschen 4, 4', 4'', 4''' eingeformt sind. Radial außen schließen sich an den Kolbenboden 2 ein Feuersteg 5, eine Ringpartie 6 und ein Kolbenschaft 7 an. Der Kolbenschaft 7 besteht aus zwei einander gegenüberliegenden Schaftelementen 8 und 9, die an Bolzennaben 10, 11 mit je einer Bolzenbohrungen 12, 13 angrenzen. Gut erkennbar ist in 1 die äußere Fläche 14 des Schaftelements 8.
2 zeigt den Kolben 1 im Schnitt entlang einer Ebene, die senkrecht Zur Bolzenbohrungsachse 15 und auf der Kolbenachse 16 liegt. Die im Schnitt dargestellten Schaftelemente 8, 9 weisen einen Querschnitt auf, dessen radialer Durchmesser zum unteren, kolbenbodenabgewandten Ende hin abnimmt. Am oberen Ende der inneren Flächen 17, 18 mit der Länge „H” der Schaftelemente 8 und 9, die der maximalen axialen Länge der inneren Flächen 17, 18 entspricht (siehe 4), beträgt die Dicke „S” der Schaftelemente 8 und 9 7% vom Kolbendurchmesser „D” und nimmt nach unten stetig ab. Die maximale Dicke „S” der Schaftelemente 8, 9 im Bereich der inneren Flächen 17, 18 muss hierbei kleiner als 7% vom Kolbendurchmesser „D” sein.
3, eine Seitenansicht des Kolbens 1, zeigt die äußere Fläche 14 des Schaftelements 8, während 4 die innere Fläche 17 des Schaftelements 8 zeigt, wobei die Fläche 17 gleichbedeutend mit dem Bereich des Schaftelements 8 ist, in dem das Schaftelement 8 dünner als 7% vom Kolbendurchmesser „D” ist. Das Verhältnis des Inhalts der Fläche 17 zum Inhalt der Fläche 14 liegt bei mehr als 60% vorzugsweise zwischen 65% und 78%, was auch für das Verhältnis des Inhalts der inneren Fläche 18 zum Inhalt der äußeren Fläche 19 des Schaftelements 9 gilt. Das erfindungsgemäße Größenverhältnis der inneren Fläche 17, 18 zur äußeren Fläche 14, 19 der Schaftelemente ist demzufolge beim Schaftelement der Druckseite als auch beim Schaftelement der Gegendruckseite beziehungsweise bei beiden Schaftelementen vorzufinden.
Im Motorbetrieb liegen insbesondere die äußeren Flächen 14, 19 der Schaftelemente 8, 9 an der Wand einer Zylinderbuchse eines Verbrennungsmotors an, wobei sich im Motorbetrieb wegen der größeren radialen, thermischen Ausdehnung des Kolbens 1 gegenüber der demgegenüber geringeren, radialen thermischen Ausdehnung der aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Zylinderbuchse in den Schaftelementen 8, 9 Kontaktkräfte ergeben, sodass die Schaftelemente 8, 9 bei zunehmender Erwärmung mit wachsender Kraft über ihre äußeren Flächen 14, 19 auf die Innenfläche der Zylinderbuchse gepresst werden, was die Reibleistungsverluste des Kolbens 1 im Motorbetrieb und damit auch den CO₂–Ausstoß des Motors vergrößert.
Um diese Kraft und damit die Reibleistungsverluste und den CO₂-Ausstoß des Motors zu reduzieren, sind die Schaftelemente wie oben beschrieben dimensioniert, was bewirkt, dass die Schaftelemente elastischer gestaltet sind, sodass sie bei der temperaturbedingten Ausdehnung des Kolbens nachgeben, wodurch die Kraft, mit der die Schaftelemente auf die Zylinderinnenfläche drücken, damit die Reibleistungsverluste im Motorbetrieb und damit letztlich auch der CO₂-Ausstoß des Verbrennungsmotors reduziert werden.
Hierbei ist darauf zu achten, dass die Führung des Kolbens im Zylinder nicht in Mitleidenschaft gezogen wird, weshalb die auf der Basis der oben beschriebenen Bemessungsgrundlage geschaffenen, elastisch nachgiebigen Bereiche der Schaftelemente nicht zu groß sind.
Allgemein wird die Kolbenform so gestaltet, dass dem harten Schaftteil, dessen Dicke größer als 7% des Kolbendurchmessers ist, so viel Spiel eingeräumt wird, dass dieses Spiel ausreicht, damit dieser Bereich des harten Schaftteils keine direkten Druckspannungen über den Kontakt zwischen Kolbens und Zylinder erfährt, wenn sich der Kolben temperaturbedingt ausdehnt.
Um darüber hinaus die Führung des Kolbens im Zylinder zu gewährleisten, muss der weiche Schaftteil mindestens 60% des gesamten Schaftes betragen.
Bezugszeichenliste

H, D, S: Maß
1: Kolben
2: Kolbenboden
3: Verbrennungsmulde
4, 4', 4'', 4''': Ventiltasche
5: Feuersteg
6: Ringpartie
7: Kolbenschaft
8, 9: Schaftelement
10, 11: Bolzennabe
12, 13: Bolzenbohrung
14: äußere Fläche des Schaftelements 8
15: Bolzenbohrungsachse
16: Kolbenachse
17: innere Fläche des Schaftelements 8
18: innere Fläche des Schaftelements 9
19: äußere Fläche des Schaftelements 9

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4326978 A [0002]

Claims

Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden (2), an den sich radial außen eine Ringpartie (6) und ein Kolbenschaft (7) anschließen, wobei der Kolbenschaft (7) aus zwei einander gegenüberliegenden Schaftelementen (8, 9) besteht, die an Bolzennaben (10, 11) mit je einer Bolzenbohrung (12, 13) angrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftelemente (8, 9) innere Flächen (17, 18) aufweisen, die denjenigen Bereichen der Schaftelemente (8, 9) entsprechen, in denen die Schaftelemente (8, 9) dünner als 7% des Kolbendurchmessers „D” sind, und dass bei jedem der Schaftelemente (8, 9) das Verhältnis des Inhalts der inneren Fläche (17, 18) zum Verhältnis des Inhalts der gesamtem äußeren Fläche (14, 19) mehr als 60% beträgt.
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem der Schaftelemente (8, 9) das Verhältnis des Inhalts der inneren Fläche (17, 18) zum Verhältnis des Inhalts der gesamtem äußeren Fläche (14, 19) mehr als 65% beträgt.
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem der Schaftelemente (8, 9) das Verhältnis des Inhalts der inneren Fläche (17, 18) zum Verhältnis des Inhalts der gesamtem äußeren Fläche (14, 19) mehr als 72% beträgt.
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem der Schaftelemente (8, 9) das Verhältnis des Inhalts der inneren Fläche (17, 18) zum Verhältnis des Inhalts der gesamtem äußeren Fläche (14, 19) mehr als 78% beträgt.
Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) aus Aluminium besteht.
Verwendung des Kolbens (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Dieselmotor, wobei das Verhältnis des Durchmessers des Kolbenbolzens zum Durchmesser des Zylinders größer als 0,25 ist, und wobei das Verhältnis der Kompressionshöhe zum Durchmesser des Zylinders zwischen 0,45 und 0,7 liegt.