Technisches Gebiet

Die Erfindung betri f ft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Aluminiumkolben für einen Ottomotor, mit verbesserter Ringstegfestigkeit durch besondere Übergangskurven vom Nutgrund zu den Flanken .

Kolben werden in Verbrennungsmotoren verwendet , um über eine Kurbelwelle ein Kraftfahrzeug anzutreiben . Die Kolben bewegen sich innerhalb des Zylinders auf und ab und werden durch die Wände des Zylinders geführt . Die Seitenwände der Kolben sind mit Ringnuten versehen, in denen sich Kolbenringe befinden, die auf den Zylinderwänden gleiten und somit die Brennräume vom Rest des Motors abdichten . Infolge des Zünddrucks sind dabei insbesondere die ersten Ringnuten hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt .

Aufgrund steigender motorischer Belastung, hohen Zündrücken und Verbrennungsstrategien, die das Auftreten von Vorentflammung mit lokal begrenzten, extremen singulären Zünddruck-Belastungen begünstigen, müssen heute in zunehmenden Maße auch Ottokolben in der ersten Ringnut verstärkt werden, um Kolbenschäden wie Ringstegbrüche ausgehend vom Nutgrund insbesondere der ersten Ringnut zu verhindern .

Stand der Technik

Eine bewährte Lösung ist das Eingießen einer Verstärkung in Form eines sogenannten Ringträgers aus einem Eisenwerkstof f (Niresist ) in den Bereich des Aluminiumkolbens , in den dann die erste Ringnut eingearbeitet wird . Dies ist seit langer Zeit bei Dieselkolben Stand der Technik und wird aus oben genannten Gründen seit einigen Jahren auch bei höher belasteten Ottokolben zunehmend eingesetzt .

Diese Methode ist j edoch durch den Zukauf des Eingießteil s Ringträger, durch einen erhöhten Prozessaufwand in der Gießerei , einen erhöhten Aufwand bei der spanenden Bearbeitung des Kolbens und durch ein erhöhtes Ausschussrisiko (mangelhafte stof f schlüssige Bindung des Eingießteils ) mit deutlichen zusätzlichen Kosten verbunden . Zudem erhöht das Eingießteil aus Eisenwerkstof f das Gewicht eines Ottokolbens , welches aus Ef fi zienzgründen grundsätzlich möglichst geringgehalten werden muss .

Aus DE 3928491 Al und WO 2015/ 040126 Al ist es bekannt , die im Querschnitt erscheinenden Kreisradien zur Ober- und Unterflanke unterschiedlich aus zubilden .

Darstellung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde , einen Kolben bereitzustellen, der auf ef fi ziente Art und Weise hergestellt werden kann und gleichzeitig eine geringe Anfälligkeit für Ringstegbrüche sowie ein geringes Gewicht aufweist .

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschrieben Kolben . Bevorzugte Maßnahmen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben . Erfindungsgemäß handelt es sich um einen Kolben, insbesondere ohne Ringträger, zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, bevorzugt in Ottomotoren . Der erfindungsgemäße Kolben besteht bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, kann aber auch aus Stahl oder anderen Materialien bestehen .

Es wird vorgeschlagen, die Nutgrundkurven zumindest einer, bevorzugt der ersten Ringnut derart aus zuführen, dass im Querschnitt betrachtet zwischen der Unter- und/oder Oberflanke der Ringnut zumindest eine Ellipsenkurve und/oder eine konvexe kubische Spline vorliegt . Hierdurch, so hat sich bei ersten Simulationen herausgestellt , kann die Spannung am Nutgrund im Vergleich zur Verwendung eines einfachen Radius als Nutgrundkurve weiter gesenkt werden . Ferner wird in vorteilhafter Weise der Totraum radial innerhalb der Innenseite des Kolbenringes reduziert . Hierdurch wird mit anderen Worten das Schadvolumen hinter dem Ringrücken reduziert , und bei ansteigendem Gasdruck wird eine schnellere Dichtwirkung des ersten Kolbenringes erreicht .

Es sei erwähnt , dass für beide genannten Kurvenformen bevorzugt wird, einen tangentialen Übergang in die Ober- und/oder Unterflanke der Nut aus zubilden . Für die Verwendung der kubischen Spline wird darüber hinaus ein krümmungsstetiger Übergang in die Ober- und/oder Unterflanke der Nut ermöglicht .

Unabhängig davon können durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Herstellkosten und das Gewicht verringert werden . Bei einem beispielhaften Durchmesser von 82 mm liegt die Gewichtseinsparung in der Größenordnung von 20 g verglichen mit einem Ringträgerkolben .

Um die Vorteile einer Ellipsenkurve verglichen mit einem Kreisradius besonders umfangreich nutzen zu können, unterscheiden sich bei zumindest einer Ellipsenkurve die beiden Halbachsen bevorzugt um mindestens 5 % . Wenngleich andere Abschnitte einer vollständigen Ellipse verwendet werden können, wird für zumindest eine Ellipsenkurve eine Viertelellipse bevorzugt . Hierdurch ergibt sich gewissermaßen automatisch ein tangentialstetiger Übergang zu der Unter- und/oder Oberflanke der Nut sowie am Nutgrund, unabhängig davon, ob dort ein zylindrischer Abschnitt vorliegt oder nicht .

Für zumindest eine konvexe kubische Spline wird aus dem gleichen Grund bevorzugt , zumindest eine Spline derart aus zubilden, dass bei hori zontalem Kolbenboden die hori zontale Erstreckung der Ubergangskurve zur Unter- oder Oberflanke um mindestens 5 % von der vertikalen Erstreckung abweicht . Es sei an dieser Stelle erwähnt , dass auch bei nachfolgender Bezugnahme zu hori zontalen und/oder vertikalen Erstreckungen die Betrachtung bei hori zontalem Kolbenboden erfolgt .

Die oben genannten Vorteile konnten bei ersten Simulationen auch für eine Gestaltung festgestellt werden, bei der die hori zontale Erstreckung der Ubergangskurve zur Unter- und Oberflanke unterschiedlich ist . Mit anderen Worten befinden sich bei zumindest einer konvexen kubischen Spline die Bezugspunkte , in den Figuren mit 01 und 02 bezeichnet , sowie der Ubergangspunkt in die Ober- und Unterflanke nicht an der gleichen hori zontalen Position .

Dies gilt auch für eine Gestaltung, bei welcher der Nutgrund keinen zylindrischen Anteil aufweist , mit anderen Worten die Übergangskurve zur Unterflanke bevorzugt krümmungsstetig in die Ubergangskurve zu Oberflanke übergeht .

Wenn die hori zontale Erstreckung der Ubergangskurve zur Unterflanke der Ringnut kleiner ist als die vertikale Erstreckung, wird die über den Zünddruck aufgebrachte Spannung gleichmäßiger in den Ringstegbereich abgeleitet . Die Kerbwirkung in diesem Bereich wird verringert und das Auftreten von Ringstegbrüchen bei Spannungsspitzen, die z . B . bei Vorentflammungsereignissen oder bei klopfender Verbrennung auf treten, wird verzögert . Die prinzipielle Wirksamkeit dieser Maßnahme wurde über Simulationen belegt .

In einer bevorzugten Aus führungs form ist die vertikale Erstreckung der Übergangskurve zur Unterflanke größer, bevorzugt zumindest doppelt , besonders bevorzugt zumindest dreimal so groß wie die vertikale Erstreckung der Ubergangskurve zur Oberflanke , wodurch der oben beschriebene Ef fekt der besseren Ringstegfestigkeit weiter verstärkt wird .

Bevorzugt beträgt somit die vertikale Erstreckung der unteren Ubergangskurve mehr als die halbe Nuthöhe und die vertikale Erstreckung der oberen Ubergangskurve weniger als die halbe Nuthöhe . Durch die Asymmetrie wird ein deutlich größerer Teil der Nuthöhe für die untere Ubergangskurve verwendet , wodurch der oben beschriebene Ef fekt der besseren Ringstegfestigkeit weiter verstärkt wird .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden bevorzugte Aus führungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert .

Es zeigen :

Fig . 1 eine vergrößerte Schnittansicht der ersten Ringnut eines erfindungsgemäßen Kolbens .

Fig . 2 eine vergrößerte Schnittansicht der ersten Ringnut eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer zweiten Aus führungs form . Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Fig . 1 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der ersten Ringnut 2 eines erfindungsgemäßen Kolbens . Diese weist eine Höhe 8 und eine Tiefe 9 auf und wird radial nach innen vom Nutgrund 3 begrenzt . Nach unten und oben wird die Ringnut von der Unterflanke 4 bzw . von der Oberflanke 5 begrenzt , die sich im Wesentlichen senkrecht zum Nutgrund 3 parallel zum Kolbenboden erstrecken . Dabei sind die untere Ubergangskurve 6 , die sich am Übergang zwischen dem Nutgrund 3 und der Unterflanke 4 der Ringnut befindet , und die obere Ubergangskurve 7 , die sich am Übergang zwischen dem Nutgrund 3 und der Oberflanke 4 der Ringnut befindet , als Viertelellipsen ausgebildet .

In dem gezeigten Fall ist die vertikale Erstreckung der Übergangskurve 6 zur Unterflanke 4 größer als diej enige der oberen Übergangskurve 7 . Diese gehen j edoch tangentialstetig ineinander und in die j eweilige Nutflanke über . In dem gezeigten Fall ist die hori zontale Erstreckung der beiden Übergangskurven gleich . Dies muss j edoch nicht notwendigerweise der Fall sein, und/oder es kann am Nutgrund 3 ein zylindrischer Abschnitt vorgesehen sein .

Beide Maßnahmen sind bei der Aus führungs form von Figur 2 gezeigt . Dies hat zur Folge , dass sich die Bezugspunkte 01 und 02 in ihrer hori zontalen und vertikalen Position unterscheiden . Diese Positionen können j edoch auch bei der Aus führungs form von Figur 2 gleich gewählt und/oder der zylindrische Abschnitt am Nutgrund 3 kann weggelassen werden . Im Unterschied zu der Aus führungs form von Figur 1 sind bei Figur 2 beide Ubergangskurven als konvexe kubische Spline ausgebildet .