Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor 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.

In modernen Verbrennungsmotoren ist es schwierig, eine optimale Schmierölversorgung der Laufflächen zu gewährleisten. Dies gilt sowohl für den Aufwärtshub, bei dem die der Gegendruckseite des Kolbens zugeordnete Lauffläche an der korrespondierenden Zylinderlauffläche anliegt als auch für den Abwärtshub, bei dem die der Druckseite des Kolbens zugeordnete Lauffläche an der korrespondierenden Zylinderlauffläche anliegt. Beim Abwärtshub ist eine ausreichende Schmierölversorgung deswegen von großer Bedeutung, weil hierbei maximale Reibungskräfte zwischen der Lauffläche des Kolbens und der korrespondierenden Zylinderlauffläche erzielt werden. Zwar wird die Unterkante des Kolbenschafts mit Schmieröl aus dem Kurbelwellengehäuse beaufschlagt; allerdings kann damit nur der weniger hoch belastete untere Bereich der der Druckseite zugeordneten Lauffläche mit Schmieröl versorgt werden. Ferner transportiert zwar der Olabstreifring beim Abwärtshub das vorhandene Öl in Richtung Kurbelwellengehäuse. Diese Ölmenge reicht allerdings nicht aus, um den hoch belasteten oberen Bereich der der Druckseite zugeordneten Lauffläche ausreichend mit Schmieröl zu versorgen.

Die DE 35 06 399 A1 offenbart einen Kolben, bei dem eine Schmiernut, die oberhalb der der Druckseite zugeordneten Lauffläche angeordnet ist, über eine Bohrung mit dem Kühlkanal verbunden ist. Die Schmiernut wird etwa in der zweiten Hälfte des Abwärtshubs des Kolbens mit Schmieröl aus dem Kühlkanal versorgt. Die Schmiernut bewirkt jedoch, dass sich beim Abwärtshub kein hydrodynamischer Ölfilm aufbauen kann, weil das Öl aus der vergleichsweise großen Öffnung sofort abläuft und sich kein Öldruck aufbauen kann. Ein hydrodynamisches Aufschwimmen

BESTÄTIGUNGSKOPIE des Kolbens auf einem Schmierölfilm, wie es angesichts der herrschenden maximalen Reibungskräfte erwünscht ist, kann nicht erfolgen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass im Motorbetrieb eine verbesserte Schmierölversorgung der der Druckseite zugeordneten Lauffläche des Kolbens möglich ist.

Die Lösung besteht darin, dass eine vom Kühlkanal ausgehende Bohrung vorgesehen ist, die in einen Bohrungsauslauf übergeht, der in die der Druckseite zugeordnete Lauffläche mündet und geneigt angeordnet ist, derart, dass der Bohrungsauslauf mit der Kolbenmittelachse einen spitzen Winkel einschließt, so dass eine Öffnung in der Lauffläche gebildet ist, dass zwischen der Bohrung und dem Bohrungsauslauf eine zur Lauffläche geneigte und in dieselbe übergehende Ablenkfläche vorgesehen ist, und dass die der Druckseite zugeordnete Lauffläche im Bereich der Öffnung eine Vertiefung aufweist, die oberhalb der Öffnung mindestens einen Ölfangbereich bildet.

Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass der der Druckseite zugeordneten Lauffläche aus dem Kühlkanal gezielt Schmieröl zugeführt wird, so dass ein hydrodynamisches Aufschwimmen des Kolbens auf einem Schmierölfilm ermöglicht wird. Dies wird einerseits durch die Gestaltung des Bohrungsauslaufs und andererseits durch die den Bohrungsauslauf umgebende Vertiefung ermöglicht. Beim Aufwärtshub wird Schmieröl aus dem Kühlkanal in die Bohrung gedrückt und tritt durch den Bohrungsauslauf aus. Beim anschließenden Abwärtshub wird ein Teil des Schmieröls durch die Ablenkfläche abgefangen und der Rest läuft in den Kühlkanal zurück. Das im Verlauf des Abwärtshubs abgefangene Schmieröl verteilt sich in der die Öffnung umgebende Vertiefung, so dass ein Öldruck aufgebaut wird. Anschließend kann das Schmieröl aus der Vertiefung auf die Lauffläche übertreten und eine zuverlässige Schmierung derselben bewirken, so dass die beim Abwärtshub auftretenden Reibungskräfte deutlich reduziert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Ölfangbereich erstreckt sich bevorzugt quer zur Öffnung, so dass ein möglichst großer Bereich der Lauffläche mit Schmieröl versorgt wird. Besonders bevorzugt bildet der Ölfangbereich beiderseits jeweils ein Ölsammelre- servoir. Dadurch wird Schmieröl bevorzugt im oberen Bereich der Lauffläche gesammelt und kann auf diesen Bereich der Lauffläche übertreten. Damit wird der am höchsten belastete Bereich der Lauffläche besonders zuverlässig mit Schmieröl versorgt.

Die Bohrung kann zweckmäßigerweise in einer im Inneren des Kolbens gebildeten Werkstoffverdickung verlaufen, die bereits bei der Herstellung des Kolbenrohlings, bspw. beim Schmieden oder Gießen, eingebracht werden kann.

Die vom Bohrungsauslauf gebildete Öffnung kann bspw. unterhalb der Nabenmitte in der Lauffläche gebildet sein, um einen möglichst großen Bereich der Lauffläche mit Schmieröl zu versorgen.

Die Vertiefung kann eine Tiefe von 10pm bis 30pm aufweisen, damit einerseits genügend Schmieröl abgefangen wird, andererseits ein ausreichend hoher Öldruck aufgebaut wird.

Je nach Kolbenbauart kann die Vertiefung im Werkstoff des Kolbens selbst ausgebildet sein, sie kann aber auch in einer Beschichtung ausgebildet sein, die auf der Lauffläche aufgebracht ist.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass mindestens eine weitere vom Kühlkanal ausgehende Bohrung vorgesehen ist, 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. Beim Aufwärtshub wird Schmieröl aus dem Kühikanal in die Bohrung gedrückt, tritt durch die mindestens eine Bohrungsöffnung aus und wird in der mindestens einen Vertiefung abgefangen. Das abgefangene Schmieröl verteilt sich in der mindestens einen Vertiefung. Da aus dem Kühlkanal ständig Schmieröl nachgeliefert wird, kann sich auch hier ein Öldruck aufbauen. Das Schmieröl kann aus der mindestens einen Vertiefung auf die Laufflä- che übertreten und eine zuverlässige Schmierung derselben bewirken, so dass die beim Aufwärtshub auftretenden Reibungskräfte ebenfalls deutlich reduziert werden.

Die mindestens eine Bohrungsöffnung mündet vorzugsweise unmittelbar unterhalb der Ringpartie in die Lauffläche, so dass insbesondere der obere Bereich der Lauffläche mit Schmieröl versorgt wird.

Es können mindestens zwei Bohrungen vorgesehen sein, um die Versorgung der Lauffläche mit Schmieröl zu gewährleisten.

Die mindestens eine Vertiefung ist bevorzugt kreisförmig oder halbkreisförmig ausgebildet, da eine solche Geometrie besonders einfach herzustellen ist.

Die Vertiefung kann eine Tiefe von 10μιη bis 30μπι aufweisen, damit einerseits genügend Schmieröl abgefangen wird, andererseits ein ausreichend hoher Öldruck aufgebaut wird.

Je nach Kolbenbauart kann die Vertiefung im Werkstoff des Kolbens selbst ausgebildet sein, sie kann aber auch in einer Beschichtung ausgebildet sein, die auf der Lauffläche aufgebracht ist.

Die vorliegende Erfindung ist für alle Kolbentypen und alle Kolbenbauarten geeignet.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;

Fig. 2 der Kolben gemäß Figur 1 in einer um 90° gedrehten Seitenansicht;

Fig. 3 eine vergrößerte Teildarstellung des Kolbens gemäß Figur 1 ; Fig. 4 eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens;

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer Teildarstellung im Schnitt;

Fig. 6 der Kolben gemäß Figur 5 in einer um 90° gedrehten Seitenansicht.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 kann ein einteiliger oder mehrteiliger Kolben sein. Der Kolben 10 kann aus einem Stahl Werkstoff und/oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein. Die Figuren 1 bis 3 zeigen beispielhaft einen einteiligen Kastenkolben 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem eine Verbrennungsmulde 13 aufweisenden Kolbenboden 12, einem umlaufenden Feuersteg 14 und einer Ringpartie 15 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. In Höhe der Ringpartie 15 ist ein umlaufender Kühlkanal 16 vorgesehen. Der Kolben 10 weist ferner einen Kolbenschaft 17 mit Kolbennaben 18 und Nabenbohrungen 19 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Die Kolbennaben 18 sind über Nabenan- bindungen 21 mit der Unterseite 11a des Kolbenkopfes 11 verbunden. Die Kolbennaben 17 sind über Laufflächen 22, 23 miteinander verbunden. Hierbei ist die Lauffläche 22 der Druckseite DS des Kolbens 10 und die Lauffläche 23 der Gegendruckseite GDS des Kolbens 10 zugeordnet.

Der erfindungsgemäße Kolben 10 weist eine vom Kühlkanal 16 ausgehende Bohrung 24 auf. Die Bohrung 24 ist in eine Werkstoffverdickung 25 aufgenommen, die im Innenraum 26 des Kolbens 10 gebildet ist. Die Werkstoffverdickung 25 kann bspw. bei der Herstellung des Kolbenrohlings, wie Gießen oder Schmieden, eingebracht werden. Die Bohrung 24 verläuft in Richtung der der Druckseite DS zugeordneten Lauffläche 22 und geht in einen Bohrungsauslauf 27 über. Der Bohrungsauslauf 27 mündet in die der Druckseite DS zugeordnete Lauffläche 22. Der Bohrungsauslauf 27 ist geneigt angeordnet, derart, dass er mit der Kolbenmittelachse M einen spitzen Winkel α einschließt (vgl. Figur 3). Im Ausführungsbeispiel weist die Bohrung 24 dieselbe Neigung auf wie der Bohrungsauslauf 27, so dass die Bohrung 24 mit der Kol- benmittelachse M denselben spitzen Winkel α einschließt wie der Bohrungsauslauf 27. Je nach Bauart des Kolbens 10 und Lage des Kühlkanals 16 kann die Bohrung 24 aber auch abweichend hiervon verlaufen.

Zwischen der Bohrung 24 und dem Bohrungsauslauf 27 ist laufflächenseitig eine Ablenkfläche 28 ausgebildet. Die Ablenkfläche 28 ist zur Lauffläche 22 geneigt, das heißt, die im Schnitt sich ergebene Scheitellinie 28a der Ablenkfläche 28 schließt mit der Lauffläche 22 einen spitzen Winkel ß ein (vgl. Figur 3).

Der Bohrungsauslauf 27 mündet in die Lauffläche 22 derart, dass eine Öffnung 29 in der Lauffläche 22 gebildet ist (vgl. Figur 2). Im Ausführungsbetspiel ist die Öffnung 29 im Wesentlichen schlitzförmig ausgebildet, abhängig von Bauart und Größe des Kolbens 10 sind auch andere Formen denkbar. Die Öffnung 29 ist im Ausführungsbetspiel unterhalb der Nabenmitte N der Lauffläche 22 gebildet (vgl. Figur 1 ).

Die der Druckseite DS zugeordnete Lauffläche 22 weist im Bereich der Öffnung 29 eine Vertiefung 31 auf. Im Ausführungsbeispiel ist die Lauffläche 22 mit einer Be- schichtung 22a, bspw. Grafal® versehen, und die Vertiefung 31 ist in die Beschich- tung 22a oder durch diese hindurch bis zur Kolbenschaftoberfläche eingebracht. Im Ausführungsbeispiel weist die Vertiefung 31 eine Tiefe von etwa 20μηη auf. Die Vertiefung 31 kann auch direkt in den Werkstoff der Lauffläche 22 eingebracht sein, sei es, weil die Tiefe der Vertiefung die Dicke der Beschichtung übersteigt, sei es, weil keine Beschichtung vorhanden ist. Die letztere Ausführungsform ist in Figur 4 dargestellt.

Die Vertiefung 31 umgibt die Öffnung 29 vollständig und kann im Prinzip beliebig geformt sein. Um eine ausreichende Schmierölversorgung der Lauffläche 22 in ihren besonders hoch belasteten Bereichen 32 zu gewährleisten, ist oberhalb der Öffnung 29 ein Ölfangbereich 33 ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Öl- fangbereich 33 im Wesentlichen quer zur Öffnung 29 und ist mit zwei Olsammelreservoirs 34 versehen. Die Olsammelreservoirs 34 sind jeweils links und rechts der Öffnung 29 ausgebildet (vgl. Figur 2). In Figur 2 sind ergänzend diejenigen Bereiche 35 der Lauffläche 22 gekennzeichnet, die im Motorbetrieb von der Unterkante 17a des Kolbenschafts 17 aus mit Schmieröl versorgt werden.

Die der Druckseite DS zugeordnete Lauffläche 22 des erfindungsgemäßen Kolbens 10 wird im Motorbetrieb wie folgt gezielt mit Schmieröl versorgt. Beim Aufwärtshub wird Schmieröl aus dem Kühlkanal 16 in die Bohrung 24 gedrückt und tritt durch den Bohrungsauslauf 27 in die Vertiefung aus. Beim anschließenden Abwärtshub wird ein Teil des Schmieröls durch die Ablenkfläche 28 abgefangen, so dass dieser Teil des Schmieröls in der Vertiefung 31 verbleibt. Das restliche Schmieröl läuft in den Kühlkanal 16 zurück. Das im Verlauf des Abwärtshubs in der Vertiefung 31 abgefangene Schmieröl verteilt sich darin, so dass ein Öldruck aufgebaut wird und die Lauffläche 22 des Kolbens 10 gegenüber der korrespondierenden Zylinderlauffläche hydrodynamisch aufschwimmen kann. Das Schmieröl wird während des Abwärtshubs in die Ölsammelreservoirs 34 des Ölfangsberetchs 33 gedrückt und tritt aus der Vertiefung 31 in Richtung der Pfeile P auf die Lauffläche 22 über. Somit wird eine zuverlässige Schmierung der besonders hoch belasteten Bereiche 32 der Lauffläche 22 gewährleistet, die beim Abwärtshub auftretenden Reibungskräfte deutlich reduziert werden.

Die Figuren 5 und 6 zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Kolbens 110. Der Kolben 110 entspricht in seinem Aufbau dem Kolben 10 gemäß den Figuren 1 bis 4, so dass gleiche Strukturen mit denselben Bezugszeichen versehen sind und diesbezüglich auf die obige Figurenbeschreibung zu den Figuren 1 bis 4 verwiesen wird.

Der erfindungsgemäße Kolben 110 zeichnet sich durch die folgenden zusätzlichen Merkmale aus.

Der Kolben 110 weist im Ausführungsbeispiel zwei weitere, vom Kühlkanal 16 ausgehende Bohrungen 136 auf. Die Bohrungen 136 verlaufen in Richtung der der Gegendruckseite GDS zugeordneten Lauffläche 23 und sind geneigt angeordnet, derart, dass sie mit der Kolbenmittelachse M einen spitzen Winkel γ einschließen (vgl. Figur 5). Die Bohrungen 136 münden in Form von Bohrungsöffnungen 137 in die Lauffläche 23. Im Ausführungsbeispiel münden die beiden Bohrungsöffnungen 137 unmittelbar unterhalb der Ringpartie 15 des Kolbenkopfes 11 im Bereich der Nabenanbindung 21 des Kolbenschafts 17 in die Lauffläche 23. Die Bohrungsöffnungen 137 sind im Ausführungsbetspiel in den oberen Randbereichen der Lauffläche 23 angeordnet (vgl. Figur 6). Selbstverständlich können sowohl lediglich eine Bohrungsöffnung als auch drei oder mehr Bohrungsöffnungen vorgesehen sein, die dann zweckmäßigerweise über die Breite der Lauffläche 23 verteilt sein sollten.

Die der Gegendruckseite GDS zugeordnete Lauffläche 23 weist im Bereich der Bohrungsöffnungen 137 jeweils eine Vertiefung 138 auf. Im Ausführungsbeispiel ist die Lauffläche 23 mit einer Beschichtung 23a, bspw. Grafal® versehen, und die Vertiefungen 138 sind in die Beschichtung 23a eingebracht. Im Ausführungsbeispiel weisen die Vertiefungen 138 eine Tiefe von etwa 20μιη auf. Die Vertiefungen 138 können auch direkt in den Werkstoff der Lauffläche 23 eingebracht sein, sei es, weil die Tiefe der Vertiefungen die Dicke der Beschichtung übersteigt, sei es, weil keine Beschichtung vorhanden ist.

Die Vertiefungen 138 umgeben die Bohrungsöffnungen 137 im Ausführungsbeispiel in etwa halbkreisförmig. Es ist auch denkbar, dass die Bohrungsöffnungen 137 in größerem Abstand zur Ringpartie 15 angeordnet und die Vertiefungen 138 die Bohrungsöffnungen 137 kreisförmig umgeben.

Die der Gegendruckseite GDS zugeordnete Lauffläche 23 des erfindungsgemäßen Kolbens 110 wird im Motorbetrieb wie folgt gezielt mit Schmieröl versorgt. Beim Aufwärtshub wird Schmieröl aus dem Kühlkanal 16 in die Bohrungen 136 gedrückt, tritt durch die Bohrungsöffnungen 137 aus und wird in den Vertiefungen 138 abgefangen. Das abgefangene Schmieröl verteilt sich in den Vertiefungen 138. Da aus dem Kühlkanal 16 ständig Schmieröl nachgeliefert wird, kann sich auch hier ein Öldruck aufbauen, so dass die Lauffläche 23 des Kolbens 110 gegenüber der korrespondierenden Zylinderlauffläche hydrodynamisch aufschwimmen kann. Das Schmieröl kann aus Vertiefungen 138 auf die Lauffläche 23 übertreten und eine zuverlässige Schmierung derselben bewirken, so dass die auftretenden Reibungskräfte ebenfalls deutlich reduziert werden. Durch die bevorzugte Anordnung der Bohrungsöffnungen 138 unmittelbar unterhalb der Ringpartie 15 wird insbesondere der hoch belastete obere Bereich der Lauffläche 23 mit Schmieröl versorgt.