KOLBEN FÜR EINE HUBKOLBEN-VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINE

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine. Der Kolben (1) umfasst einen Kolbenkopf (7) und ein Kolbenhemd (5); wobei der Kolbenkopf (7) eine umlaufende Ringpartie (6) mit wenigstens einer Ringnut (6a) für einen Kolbenring und einen umlaufenden Kühlkanal (2) aufweist. Hierbei ist mindestens eine vom Kühlkanal (2) ausgehende erste Bohrung (10) vorgesehen, die vom Kühlkanal (2) zu einer Lagerstelle (4) eines oberen Pleuellagerbolzens des Kolbens führt und in der Lagerstelle (4) in Form einer Bohrungsöffnung (12) mündet zur Versorgung des Kolbenbolzens mit Schmiermittel aus dem Kühlkanal (2).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine.

[0002] Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2014 010 106 A1, sind Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine bekannt. Ein derartiger Kolben wird üblicherweise in einem Zylinder einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Der Kolben weist ein Kolbenhemd auf, das üblicherweise auch als "Schaft" oder "Kolbenschaft" bezeichnet wird. Im Englischen wird das Kolbenhemd als "piston skirt" bezeichnet. Darüber hinaus weist der Kolben eine sich in axialer Richtung des Kolbens an das Kolbenhemd anschließende Ringpartie mit wenigstens einer Ringnut für einen Kolbenring auf. Die Ringpartie ist Teil des Kolbenkopfs.

[0003] Zur Schmierölversorgung wird bei aus der Praxis bekannten Kolben der Kolben von unten mittels einer Ölspritzdüse mit Schmiermittel bespritzt. Der Kolbenbolzen wird hierbei nur passiv von Ölnebel von außen beschmiert. Aus der DE 10 2011 012 686 A1 ist ein Kolben bekannt, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolbenkopf eine umlaufende Ringpartie sowie im Bereich der Ringpartie einen umlaufenden Kühlkanal aufweist und der Kolbenschaft jeweils eine seiner Druckseite und eine seiner Gegendruckseite zugeordnete Lauffläche aufweist. Hierbei ist eine vom Kühlkanal ausgehende Bohrung vorgesehen, die in Form einer Bohrungsöffnung in die der Gegendruckseite zugeordnete Lauffläche mündet und geneigt angeordnet ist, derart, dass sie mit der Kolbenmittelachse einen spitzen Winkel einschließt, und dass die der Gegendruckseite zugeordnete Lauffläche im Bereich der mindestens einen Bohrungsöffnung eine Vertiefung aufweist. Hierdurch wird eine Verbesserung der Schmierölversorgung der Lauffläche des Kolbens ermöglicht, jedoch nicht die Schmierölversorgung des Kolbenbolzens.

[0004] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Kolben vermieden werden können. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, mit dem eine verbesserte Schmierölversorgung ermöglicht wird.

[0005] Diese Aufgaben werden durch einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

[0006] Gemäß allgemeinen Gesichtspunkten der Erfindung wird ein Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, der in einer Laufbuchse eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine gleitbeweglich geführt ist und in an sich bekannter Weise einen Kolbenkopf und ein Kolbenhemd umfasst. Das Kolbenhemd dient zur Führung des Kolbens im Zylinderrohr. Das Kolbenhemd schließt sich in axialer Richtung des Kolbens an die Ringpartie an. Hierbei entspricht die Axialrichtung der Bewegungsrichtung des Kolbens im Zylinder. Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass das Kolbenhemd auch als Kolbenschaft bezeichnet wird.

[0007] Der Kolbenkopf wird auch als Kolbenboden bezeichnet. Der Kolbenkopf umfasst eine umlaufende Ringpartie mit wenigstens einer Ringnut für einen Kolbenring und einen umlaufenden Kühlkanal. Der Kühlkanal ist vorzugsweise auf Höhe der Ringpartie angeordnet. Der erste Kühlkanal ist ausgeführt, um von einem Medium, insbesondere einem Schmiermittel, z. B. Öl, durchströmt zu werden. Der Kühlkanal weist hierzu eine Zulauföffnung, über die Schmiermittel in den Kühlkanal eintreten kann, und eine Ablauföffnung, über die Schmiermittel aus dem Kühlkanal ablaufen kann, auf. Der Kühlkanal kann zur Kühlung der Brennraummulde, die auch als Kolbenmulde bezeichnet wird, dienen. Die durch den Verbrennungsprozess erwärmte Brennraummulde erwärmt dabei das Medium, z. B. das Schmiermittel.

[0008] Erfindungsgemäß ist mindestens eine vom Kühlkanal ausgehende Bohrung vorgesehen, die vom Kühlkanal zu einer Lagerstelle eines oberen Pleuellagerbolzens des Kolbens führt und in der Lagerstelle in Form einer Bohrungsöffnung mündet. Diese Bohrung wird nachfolgend als "erste Bohrung" bezeichnet, um diese von einer in der Folge noch beschriebenen weiteren Bohrung, die als zweite Bohrung bezeichnet wird, zu unterscheiden. Die mindestens eine erste Bohrung dient zur Versorgung des Kolbenbolzens mit Schmiermittel aus dem Kühlkanal, d. h., der Kolben ist so ausgeführt, dass Schmiermittel aus dem ersten Kühlkanal über die erste Bohrung direkt der Lagerstelle des oberen Pleuellagerbolzens des Kolbens zugeführt werden kann, d. h., der erste Kühlkanal endet unmittelbar bzw. direkt in der Lagerstelle des oberen Pleuellagerbolzens. Über die erste Bohrung in Verbindung mit dem Kühlkanal kann somit eine aktive Versorgung des oberen Pleuellagerbolzens mit Schmiermittel bereitgestellt werden, um die Verschleißfestigkeit des Kolbens, insbesondere des Pleuellagerbolzens, maßgeblich zu verbessern.

[0009] Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der ersten Bohrung, bei der diese von einer Unterseite des Kühlkanals ausgeht, wodurch eine gute Versorgung der ersten Bohrung mit Schmiermittel aus dem Kühlkanal bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens erzielt wird. Die mindestens eine erste Bohrung verläuft gemäß einer Ausführungsform in axialer Richtung des Kolbens.
Im Rahmen der Erfindung besteht die Möglichkeit, dass lediglich eine erste Bohrung vorgesehen ist. Alternativ können auch mehrere erste Bohrungen vorgesehen sein, um die Schmiermittelversorgung des oberen Kolbenbolzens aus dem Kühlkanal des Kolbenkopfes zu erhöhen.

[0010] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann zur Verbesserung der Schmiermittelversorgung mindestens eine vom Kühlkanal ausgehende weitere Bohrung, nachfolgend als zweite Bohrung bezeichnet, vorgesehen sein, die ausgehend von einer Kühlkanalunterseite in Form einer Auslauf-Bohrungsöffnung in einer Lauffläche des Kolbens mündet, wobei die Auslauf-Bohrungsöffnung unterhalb eines Ölabstreifrings der Ringpartie in die Lauffläche mündet. Der Ölabstreifring ist der unterste Ring der Ringpartie. Das Vorsehen der mindestens einen zweiten Bohrung ist jedoch optional.

[0011] Dadurch kann eine aktive Schmiermittelversorgung der Lauffläche des Kolbens über den Kühlkanal realisiert werden. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Auslauf-Bohrungsöffnung der zweiten Bohrung unmittelbar unterhalb des Ölabstreifrings der Ringpartie in die Lauffläche mündet.

[0012] Ferner besteht die Möglichkeit, dass mehrere zweite Bohrungen vorgesehen sind, die über eine Breite der Lauffläche verteilt angeordnet sind. Anders ausgedrückt sind radial im Bereich des Kolbenkopfs mehrere zweite Bohrungen vorgesehen, um einen dickeren Schmierfilm für das Kolbenhemd zu ermöglichen. Hierdurch kann eine Feinabstimmung des Ölfilms in radialer Richtung (die senkrecht zur Axialrichtung des Kolbens ist), vorgenommen werden, um die Reibleistung des Motors zu optimieren.

[0013] Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Unterseite des Kühlkanals in Axialrichtung des Kolbens oberhalb der Auslauf-Bohrungsöffnung der zweiten Bohrungen angeordnet sein, so dass der mindestens eine zweite Kühlkanal geneigt angeordnet ist, so dass aus dem Kühlkanal in die zweite Bohrung eintretendes Schmiermittel schräg nach unten zur Auslauf-Bohrungsöffnung geführt ist. "Nach unten" bedeutet hier weg vom Kolbenkopf in Richtung Kurbelwellenpleuel bzw. in Richtung Kolbenbolzen.

[0014] Ferner wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, mit einem Kolben, wie in diesem Dokument beschrieben. Das Kraftfahrzeug kann ein Nutzfahrzeug sein, beispielsweise ein Lastkraftwagen oder Omnibus.

[0015] Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Es wird betont, dass der Kolben auch lediglich mit der mindestens einen zweiten Bohrung, d. h. ohne die mindestens eine erste Bohrung, bereitgestellt werden kann und vice versa. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1

einen Teilschnitt eines Kolbens gemäß einer ersten Ausführungsform;

Figur 2

einen Querschnitt eines Kolbens gemäß einer zweiten Ausführungsform; und

Figur 3

eine Kolbendraufsicht im Schnitt gemäß der zweiten Ausführungsform.

[0016] Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden zum Teil nicht gesondert beschrieben.

[0017] Figur 1 zeigt einen Teilschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Kolben 1 umfasst einen Kolbenkopf 7, der eine umlaufende Ringpartie 6 aufweist. Die Ringpartie 6 umfasst mehrere Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt). Mit dem Bezugszeichen 6a ist die Ringnut für den Ölabstreifring (nicht dargestellt) bezeichnet. In Axialrichtung A schließt sich an die Ringpartie 6 nach unten das Kolbenhemd 5 an, das im Gegensatz zur Ringpartie 6 nicht vollständig umlaufend ausgeführt sein kann. Das Kolbenhemd 1 ist in der Laufbuchse des Zylinders gleitgelagert, wobei eine Wandung des Kolbenhemds entlang der Laufbuchse bei der Bewegung des Kolbens hin und her gleitet. Der Kolben 11 ist in einem korrespondierenden Zylinder (nicht dargestellt) eines Zylinderkolbengehäuses (nicht dargestellt) einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gelagert. Das Kolbenhemd 1 weist dabei mindestens ein Bolzenauge 4 als Lagerstelle zur Aufnahme des oberen Pleuellagerbolzens (nicht dargestellt) auf. Ein an der Kurbelwelle gelagerter Pleuel (nicht dargestellt) ist über einen solchen Pleuellagerbolzen gelenkig mit dem Kolben 1 verbunden, um infolge dieser gelenkigen Kopplung die translatorischen Bewegungen des Kolbens 1 im Zylinder in rotatorische Bewegungen der Kurbelwelle um ihre Drehachse umzuwandeln.

[0018] Der Kolben 1 umfasst ferner einen Kühlkanal 2, der auf Höhe der Ringpartie 6 im Kolbenkopf 7 angeordnet ist.

[0019] Der Koben 1 weist ferner mindestens eine vom Kühlkanal 2 ausgehende erste Bohrung 10 auf, die vom Kühlkanal 2 zu einer Lagerstelle 4 des oberen Pleuellagerbolzens des Kolbens führt und in der Lagerstelle 4 in Form einer Bohrungsöffnung 12 mündet. Diese erste Bohrung 10 dient zur Versorgung des Kolbenbolzens mit Schmiermittel aus dem Kühlkanal 2. Die erste Bohrung verläuft nach unten, parallel zur axialen Richtung A und geht von der Unterseite 3 des Kühlkanals 2 aus und mündet direkt in der Lagerstelle 4 des oberen Pleuellagerbolzens.

[0020] Während der beschleunigten Aufwärtsbewegung und der verzögernden Kolbenabwärtsbewegung liegt das Öl auf der Kühlkanalunterseite 3 an und während der verzögernden Aufwärtsbewegung und der beschleunigten Kolbenabwärtsbewegung auf der Kanaloberseite der Kühlkanals 2 an. Während der beschleunigten Aufwärtsbewegung und der verzögernden Kolbenabwärtsbewegung wird Schmieröl aus dem Kühlkanal somit in die erste Bohrungen 10 gedrückt und tritt durch die Austrittsöffnung 12 wieder aus zur aktiven Schmierölversorgung des oberen Pleuellagerbolzens mit Schmieröl. Auf diese Weise kann eine aktive Schmierung über den Kühlkanal 2 des oberen Pleuellagerbolzens (Kolbenbolzens) sichergestellt werden, um die Verschleißfestigkeit im Vergleich zu einer passiven Schmierung durch Ölnebel von außen maßgeblich zu verbessern.

[0021] Die Figuren 2 und 3 illustrieren ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kolbens 20, bei dem eine oder mehrere zweite Bohrungen 21 vorgesehen sind, die alternativ oder vorzugsweise zusätzlich zu der ersten Bohrung 10 vorgesehen sind.

[0022] Die mindestens eine zweite Bohrung 21 geht ebenfalls von einer Unterseite 3 des Kühlkanals 2 aus und mündet in Form einer Auslauf-Bohrungsöffnung 22 in einer Lauffläche des Kolbens 20, wobei die Auslauf-Bohrungsöffnung 22 unmittelbar unterhalb einer Ringnut 6a zur Aufnahme des Ölabstreifrings der Ringpartie 6 in die Lauffläche mündet. Im Bereich der Auslauf-Bohrungsöffnung 22 kann eine Vertiefung vorgesehen sein. Es kann aber auch keine Vertiefung vorgesehen sein.

[0023] Bei heutigen Verbrennungsmotoren mit Kolben ohne derartige zweite Bohrung 21 wird der Schmierfilm auf der Laufbuchse durch den Ölabstreifring und zum Teil durch den Minutenring eingestellt. Die Laufbuchse wird bis zu dem Bereich mit Öl benetzt, wo das Kolbenhemd im oberen Totpunkt endet. Das Öl für die Benetzung der Laufbuchse ist zum Teil Öl aus den Pleuellagern aufgrund der Schleuderwirkung und Öl von der Ölspritzdüse, welches nicht im Kühlkanal 2 landet.

[0024] Der Bereich, in welchen aktiv kein Öl gelangt, beträgt circa 50 % des Kolbenweges. Hierhin müssen die Kolbenringe das Öl für die Schmierung bei der Aufwärtsbewegung transportieren. Hierbei ist die Abstimmung der Kolbenringe extrem wichtig, um nicht zu viel und nicht zu wenig Öl auf der Laufbuchse zu verteilen.

[0025] Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann auch der obere Bereich der Laufbuchse aktiv mit Öl benetzt werden, indem im Kolben 20 die Bohrungen 21 eingebracht werden, die von der Kolbenkühlkanalunterseite 4 zur Außenseite kurz unter dem Ölabstreifring bzw. unter dessen Ringnut 6a gehen. Hierdurch wird es möglich, das Ringpaket anders auszulegen, um Reibleistung einzusparen und den Ölverbrauch des Motors zu minimieren.

[0026] Durch Vorsehen der zweiten Bohrungen 21 wird während der beschleunigten Kolbenaufwärtsbewegung und der verzögernden Kolbenabwärtsbewegung eine Ölspur auf der Laufbuchse gelegt, die während der Abwärtsbewegung vom Ölabstreifring radial verteilt wird. Somit wird der aktiv benetzte Bereich maximiert. Während der beschleunigten Aufwärtsbewegung und der verzögernden Kolbenabwärtsbewegung liegt das Öl auf der Kühlkanalunterseite 3 an und während der verzögernden Aufwärtsbewegung und der beschleunigten Kolbenabwärtsbewegung auf der Kanaloberseite der Kühlkanals 2 an. Während der beschleunigten Aufwärtsbewegung und der verzögernden Kolbenabwärtsbewegung wird Schmieröl aus dem Kühlkanal somit in die zweiten Bohrungen 21 gedrückt und tritt durch die Auslauf-Bohrungsöffnung 22 wieder aus zur aktiven Schmierölversorgung des oberen Bereichs der Laufbuchse mit Schmieröl.

[0027] Eine weitere positive Wirkung der Zwangsschmierung aus dem Kühlkanal ist die Tatsache, dass dieses Motorenöl eine höhere Temperatur als das Spritzöl aufweist. Somit ist die Viskosität geringer und reduziert somit die Kolbenschaftreibung nochmals.

[0028] Wie in der Kolbendraufsicht der Figur 3 erkennbar ist, sind mehrere zweite Bohrungen vorgesehen, die über eine Breite der Lauffläche zweckmäßigerweise verteilt angeordnet sind. In Figur 3 sind hier die entsprechenden Eintrittsöffnungen 23 der zweiten Bohrungen erkennbar, über die Schmiermittel aus dem Kühlkanal in die zweiten Bohrungen 21 eintreten kann. Hierdurch kann eine Feinabstimmung des Ölfilms in radialer Richtung vorgenommen werden, um die Reibleistung des Motors zu optimieren. Ferner sind die Zulauföffnung 24, über die Schmiermittel in den Kühlkanal 2 eintreten kann, und die Ablauföffnung 25, über die Schmiermittel aus dem Kühlkanal austreten kann, dargestellt. Die Durchmesser der Zulauföffnung 24 und der Ablauföffnung 25 sind größer als die Durchmesser der zweiten Bohrungen 23.

[0029] Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, ohne den zugehörigen Bereich zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.

Bezugszeichenliste

[0030] 

1

Kolben

2

Kühlkanal

3

Unterseite des Kühlkanals

4

Bolzenauge, Lagerstelle des oberen Pleuellagerbolzens

5

Kolbenhemd

6

Ringpartie

6a

Ringnut für Ölabstreifring

7

Kolbenkopf

10

Erste Bohrung

11

Bohrungsöffnung, Eintrittsöffnung

12

Bohrungsöffnung, Austrittsöffnung

20

Kolben

21

Zweite Bohrung

22

Bohrungsöffnung, Austrittsöffnung

23

Bohrungsöffnung, Eintrittsöffnung

24

Zulauföffnung

25

Ablauföffnung

A

Axiale Richtung

Ansprüche

1. Kolben (1; 20) für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen Kolbenkopf (7) und ein Kolbenhemd (5), wobei der Kolbenkopf (7) eine umlaufende Ringpartie (6) mit wenigstens einer Ringnut (6a) für einen Kolbenring und einen umlaufenden Kühlkanal (2) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine vom Kühlkanal (2) ausgehende erste Bohrung (10) vorgesehen ist, die vom Kühlkanal (2) zu einer Lagerstelle (4) eines oberen Pleuellagerbolzens des Kolbens führt und in der Lagerstelle (4) in Form einer Bohrungsöffnung (12) mündet zur Versorgung des Kolbenbolzens mit Schmiermittel aus dem Kühlkanal (2).

2. Kolben (1; 20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Bohrung (10) von einer Unterseite des Kühlkanals (2) ausgeht.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Bohrung (10) in axialer Richtung (A) des Kolbens verläuft.

4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

a) dass lediglich eine erste Bohrung (10) vorgesehen ist; oder

b) dass mehrere erste Bohrungen (10) vorgesehen sind.

5. Kolben (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine vom Kühlkanal (2) ausgehende zweite Bohrung (21) vorgesehen ist, die ausgehend von einer Kühlkanalunterseite (3) in Form einer Auslauf-Bohrungsöffnung (22) in einer Lauffläche des Kolbens (20) mündet, wobei die Auslauf-Bohrungsöffnung unterhalb eines Ölabstreifrings der Ringpartie (6) in die Lauffläche mündet.

6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslauf-Bohrungsöffnung (22) unmittelbar unterhalb des Ölabstreifrings der Ringpartie (6) in die Lauffläche mündet.

7. Kolben nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zweite Bohrungen (21) vorgesehen sind, die über eine Breite der Lauffläche verteilt angeordnet sind.

8. Kolben nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

a) dass der Kühlkanal auf Höhe der Ringpartie (6) angeordnet ist; und/oder

b) dass die Unterseite des Kühlkanals (2) in Axialrichtung (A) des Kolbens oberhalb der Auslauf-Bohrungsöffnung der zweiten Bohrungen (21) angeordnet ist, so dass der mindestens eine zweite Kühlkanal geneigt angeordnet ist.

9. Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einem Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

Zeichnung