Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft gemäß dem Oberbegriff des

Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einem derartigen Kolben ausgestattete Brennkraftmaschine.

Gattungsgemäße Kolben mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft sind hinlänglich bekannt, wobei am Kolbenkopf eine umlaufende Ringpartie sowie im Bereich dieser Ringpartie zumindest eine Ringnut zur Aufnahme eines

Kolbenrings vorgesehen ist. Die Ringnuten besitzen dabei üblicherweise zwei in Radialrichtung des Kolbens verlaufende Nutflanken und einen parallel zu einer Kolbenachse ausgerichteten Nutgrund. Gerade diese Ringnuten stellen jedoch Schwachstellen an den bekannten Kolben dar, wobei zur Erhöhung der Festigkeit der zwischen den Ringnuten vorhandenen Ringstege, insbesondere in Bezug auf eine Kerbwirkung, prinzipiell zwei Maßnahmen in Frage kommen: Zum einen kann ein axial höherer und damit stabilerer Ringsteg ausgebildet werden, wodurch jedoch die Bauhöhe des erfindungsgemäßen Kolbens und damit sein Gewicht steigt oder die übrigen Ringstege in ihrer Höhe reduziert werden müssen. Als zweite Maßnahme kommt ein größerer Ausrundungsradius im Übergang zwischen den Nutenflanken und dem Nutgrund in Betracht, was jedoch wiederum prinzipiell zwei Probleme aufwirft: Zum einen muss der

Nutgrunddurchmesser am Kolben reduziert werden, damit ein Kolbenring nicht in den Radius am Übergang drückt. Dies bewirkt ein größeres Schadvolumen hinter dem Kolbenring sowie eine gewisse Reduzierung der Ringstegfestigkeit, da der Ringsteg über eine etwas größere radiale Tiefe auskragt. Des Weiteren lässt sich bei axial niedrigen Ringnuten (z.B. 1 ,0 oder 1 ,2 mm Höhe), wie sie z.B. bei PKW- Kolben verwendet werden, kein genügend großer Radius mehr vorsehen, da zur Einhaltung der Bearbeitungsqualität an der Werkzeugschneidfläche zwischen den beiden die Nutradien erzeugenden Radien noch ein gerader Abschnitt am Nutgrund vorgesehen werden muss. Ebenfalls kann die Bearbeitungsqualität beeinträchtigt sein, wenn z.B. an der vom Gasdruck besonders stark belasteten unteren Flanke der obersten Ringnut ein größerer Ausrundungsradius

ausgebildet wird als an der weniger stark belasteten oberen Nutflanke. Bei einer zerspanenden Bearbeitung können dadurch im Bereich der Ausrundungsradien Quer- bzw. Axialkräfte auftreten, die sich gegenseitig nicht aufheben und beim Schneiden der Nut ein seitliches Ausweichen des Schneidwerkzeugs hervorrufen können.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine reduzierte Kerbwirkung im Bereich einer Ringpartie des Kolbens auszeichnet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der

unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind

Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft sowie einer im Bereich des Kolbenkopfes umlaufenden Ringpartie, eine im Bereich der Ringpartie zur Aufnahme eines Kolbenrings angeordnete Ringnut im Bereich zumindest eines Übergangs von einer der Nutflanken in einen Nutgrund derart auszubilden, dass dieser unter einem speziellen Knickwinkel in die Nutflanke übergeht, während der Übergang in den Nutgrund über einen vorzugsweise knickfreien Radius, das heißt insbesondere tangential, erfolgt. Der erfindungsgemäße Kolben besitzt dabei im Bereich zumindest einer Ringnut zwei Nutflanken sowie den zuvor erwähnten Nutgrund, wobei zumindest ein Übergang unter einem Winkel α von 35° < α < 50° in die zugehörige seitliche Nutflanke übergeht, während der Übergang einen Radius r ₂ aufweist und unter diesem Radius r ₂ in den Nutgrund übergeht. Durch den zumindest einen erfindungsgemäß ausgebildeten Übergang zwischen einem Nutgrund und einer zugehörigen Nutflanke, lassen sich insbesondere Lastspitzen der Kerbwirkung deutlich reduzieren, beispielsweise auch deutlich reduzieren im Vergleich zu einem stetigen Übergang in Form eines Viertel kreises mit Eckradius n.

Zum anderen kommt es durch die nun robustere Ausführung des Übergangs von der oberen Nutflanke zum Nutgrund, vor allem im Hinblick auf LSPI-Ereignisse (Low Speed Pre Ignition), seltener bzw. gar nicht mehr zu eventuellen

Nuteinrissen vom oberen Übergang zwischen der dem Kolbenboden

zugewandten Nutflanke und dem Nutgrund und einhergehend damit zu einem Kolbenversagen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt der Radius r ₂ maximal das 1 ,6 fache eines Eckradius n zwischen dem Nutgrund und der zugehörigen Nutflanke, wobei der Eckradius n gleich dem Abstand a des Mittelpunktes M ₂ des Radius r ₂ von der zugehörigen Nutflanke ist. Der Mittelpunkt Mi des Eckradius n liegt somit auf einer Geraden mit dem Mittelpunkt M ₂ des Radius r ₂ , wobei die Gerade zwischen Mi und M ₂ eine Parallele zur Nutflanke darstellt. Durch den

erfindungsgemäß ausgebildeten Übergang mit Radius r ₂ und dem Verhältnis des Radius r ₂ zum Eckradius n kann bei gleich bleibend geschmeidigem Übergang vom Nutgrund zur Nutflanke hin eine geringere Kerbwirkung erzielt werden, wodurch sich auch geringere Nuthöhen H oder bei gleicher Nuthöhe H eine verringerte Kerbwirkung vom Nutgrund zur Nutflanke hin realisiert werden können. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung geht zumindest ein Übergang oder es gehen beide Übergänge unter einem (Knick- )Winkel α von 42,5° < α < 47,5° in die zugehörige Nutflanke über. Ein derartiger Winkelbereich für den Winkel α stellt eine zusätzliche Verbesserung der

Kerbwirkung, das heißt eine zusätzliche Reduzierung der Kerbwirkung, dar, wodurch sich wiederum bei gleichbleibender Nuthöhe H geringere Kerbwirkungen ergeben bzw. hierdurch auch eine geringere Nuthöhe H und damit eine reduzierte Kolbenhöhe erzielbar ist, was insbesondere im modernen

Kraftfahrzeugbau von großem Vorteil ist. Eine weitere Reduzierung der

Kerbwirkung und damit eine weitere potentielle Reduzierung der erforderlichen Bauhöhe des Kolbens kann durch einen Winkel α = 45° erreicht werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung gilt für den Eckradius n und den Radius r ₂ das Verhältnis 1 ,2 ri < r ₂ < 1 ,6 n. Der vorstehend genannten Gleichung ist somit eindeutig zu entnehmen, dass der Radius r ₂ größenmäßig beschränkt ist auf mindestens das 1 ,2 fache des Eckradius n und maximal auf das 1 ,6 fache des Eckradius n. Bei der Wahl des Radius r ₂ in dem zuvor genannten Verhältnis konnte eine besonders große Reduzierung der Kerbwirkung und insbesondere auch der Lastspitzen der Kerbwirkung im

Vergleich zu einem stetigen Übergang erzielt werden, so dass selbst bei einem nicht vollständig ausgerundeten Übergang zwischen Nutflanke und dem eigentlichen Übergang eine erhebliche Steigerung der Belastungsfähigkeit des Kolbens oder bei gleichbleibender gewünschter Belastungsfähigkeit eine deutliche Reduzierung der hierfür erforderlichen Nuthöhe und damit auch eine deutliche Reduzierung der erforderlichen Kolbenhöhe erreicht werden kann. Besonders die Reduzierung der Nuthöhe und verbunden damit die Reduzierung der Kolbenhöhe ermöglicht eine besonders kompakt bauende Brennkraftmaschine, was insbesondere in modernen Kraftfahrzeugen mit geringem Bauraumangebot von großem Vorteil ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung gehen beide Übergänge einer Ringnut unter einem Winkel α von 35° < α < 50° in die zugehörige Nutflanke über, wobei in diesem Fall dann beide Übergänge unter einem Radius r ₂ in den Nutgrund übergehen. In diesem Fall wird somit

vorgeschlagen, nicht nur den Übergang zwischen der einem Kolbenboden abgewandten Nutflanke in den zugehörigen Nutgrund erfindungsgemäß auszugestalten, sondern beide Übergänge, wodurch es möglich ist, zum Stechen der Ringnut ein einziges Werkzeug zu verwenden, welches sowohl den oberen als auch den unteren Übergang sticht. Da bislang die Übergänge von

herkömmlichen Nuten unter Umständen mit unterschiedlichen Übergängen bzw. unterschiedlichen Radien in den Übergängen gestochen werden mussten, waren immer zumindest zwei unterschiedliche Werkzeuge erforderlich, was eine vergleichsweise lange Bearbeitungszeit und doppelte Werkzeug kosten zur Folge hatte. Dabei kann auch auf den Nutgrund verzichtet und somit ein durchgängiger Radius gebildet werden, der jeweils über den Winkel α und die Nutflanke angebunden ist, wodurch die Nuthöhe H deutlich geringer gestaltet werden kann, als bei den im Stand der Technik bekannten Nuten.

Vorzugsweise gilt auch bei einer derartigen Ausführungsform, dass der Radius r ₂ maximal das 1 ,6 fache eines Eckradius n zwischen dem Nutgrund und der zugehörigen Nutflanke beträgt, wobei der Eckradius n gleich dem Abstand a des Mittelpunktes M ₂ des Radius r ₂ von der zugehörigen Nutflanke ist.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Kolben aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere aus einer

Aluminiumlegierung, oder aus einer Stahllegierung hergestellt. Mit aus einer Stahllegierung hergestellten Kolben lassen sich robuste Lösungen zur

Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Zünddruckerhöhung und

Emissionsreduzierung erreichen. Aufgrund der hohen Festigkeit von

Stahllegierungen sind zudem kompakte Abmessungen und geringe oszillierende Massen darstellbar. Hierdurch lassen sich insbesondere sogar geringere Massen als bei vergleichbaren Aluminiumkolben erzielen. Ein Kolben aus einer

Aluminiumlegierung weist dagegen eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit auf, was insbesondere die Kühlung des Kolbens und damit auch dessen

Leistungsfähigkeit verbessert.

Eine weitere Verbesserung der Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens kann dadurch erreicht werden, dass im Bereich der Ringpartie ein Kühlkanal angeordnet ist. Dieser kann als geschlossener oder als offener

Kühlkanal ausgebildet sein und entweder ein beispielsweise Natrium-Kalium haltiges Kühlmedium enthalten oder mittels einer Spritzölkühlung gekühlt werden.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Kolben auszustatten, wobei die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine aufgrund der höheren ertragbaren Lastspitzen im Bereich der Ringnuten kompakter bauende Kolben ermöglicht und damit auch eine geringere Bauhöhe der Brennkraftmaschine selbst.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen

Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens,

Fig. 2 eine Detaildarstellung der Übergänge zwischen einem Nutgrund und den Nutflanken einer Ringnut.

Entsprechend der Fig. 1 , weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 für eine

Brennkraftmaschine 10 einen Kolbenkopf 2 und einen Kolbenschaft 3 auf, wobei der Kolbenkopf 2 eine umlaufende Ringpartie 4 sowie im Bereich dieser

Ringpartie 4 zumindest eine Ringnut 5 zur Aufnahme eines Kolbenringes 6 besitzt. Die Ringnut 5 weist dabei in bekannter Weise zwei Nutflanken 7 und 7' sowie einen Nutgrund 8 auf, der die beiden Nutflanken 7 und 7' miteinander verbindet.

Erfindungsgemäß geht nun zumindest ein Übergang 9, 9' oder es gehen beide Übergänge 9,9' unter einem Winkel α von 35° < α < 50° in die zugehörige

Nutflanke 7, 7' über, wie dies gemäß der Figur 2 dargestellt ist. Gemäß der Figur 2 ist dabei weiter dargestellt, dass beide Übergänge 9, 9' mit den zuvor und den nachfolgend beschriebenen, erfindungswesentlichen Merkmalen in die zugehörige Nutflanke 7, T übergehen, wobei es selbstverständlich klar ist, dass lediglich einer der Übergänge 9, 9' erfindungsgemäß so ausgebildet sein muss. Der zumindest eine Übergang 9, 9' geht darüber hinaus unter einem Radius r ₂ in den Nutgrund 8 über, wobei in dem gezeigten Beispiel der Radius r ₂ maximal das 1 ,6 fache eines Eckradius n zwischen Nutgrund 8 und zugehöriger Nutflanke 7, 7' beträgt. Als Eckradius n wird derjenige Radius bezeichnet, der zwischen dem Nutgrund 8 und der zugehörigen Nutflanke 7, 7' einen Viertelkreis umreißt.

Zusätzlich ist in dem gezeigten Beispiel der Eckradius n gleich dem Abstand a eines Mittelpunktes M ₂ des Radius r ₂ von der zugehörigen Nutflanke 7, 7'.

Besonders bevorzugt geht dabei zumindest einer der beiden Übergänge 9, 9' oder es gehen beide unter einem Winkel α von 42,5° < α < 47,5° in die

zugehörige Nutflanke 7, 7' über, wobei besonders bevorzugt zumindest einer der Übergänge 9, 9' unter einem Winkel α = 45° in die zugehörige Nutflanke 7, 7' übergeht. Mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Übergang 9, 9' kann dabei insbesondere eine erhebliche Reduzierung von Lastspitzen der Kerbwirkung im Vergleich zu einem stetigen Übergang in Form eines Viertel kreises (Radius n) erreicht werden, wodurch sich eine deutliche Steigerung der Belastungsfähigkeit des Kolbens 1 erreichen lassen. Ist lediglich die gleiche Belastungsfähigkeit gewünscht, so kann sich mit den erfindungsgemäß ausgestalteten Übergängen 9, 9' eine deutlich reduzierte Nuthöhe H realisieren lassen, wodurch der Kolben 1 eine deutlich geringere Höhe und damit auch die Brennkraftmaschine 10 eine deutlich geringere Höhe aufweisen können.

Dabei ist selbstverständlich klar, dass der Nutgrund 8, nicht wie in Fig. 2 dargestellt ist, einen ebenen Grund aufweisen muss, sondern dass in einer speziellen Ausführungsform auch gelten kann: H = 2n, so dass in diesem Fall der Nutgrund 8 ausgerundet ist. In diesem Fall wird der Nutgrund 8 somit durch einen Bereich gebildet, in dem die beiden Übergänge 9, 9' ineinander übergehen.

Wie bereits in den vorherigen Absätzen erwähnt, ist zur Erzielung des

gewünschten Vorteils lediglich die Ausbildung eines der beiden Übergänge 9, 9' in der erfindungsgemäßen Weise erforderlich, wobei bei der Ausbildung beider Übergänge 9, 9' in der erfindungsgemäßen Weise sich die Vorteile weiter steigern lassen und darüber hinaus lediglich ein einziges Werkzeug zum Stechen der Ringnut 5 erforderlich ist, wodurch nicht mehr zwei unterschiedliche

Werkzeuge und verbunden damit höhere Werkzeug kosten sowie höhere

Vorhalte- und Wartungskosten erforderlich sind.

Für den Eckradius n und den Radius r ₂ gilt vorzugsweise das Verhältnis 1 ,2 n < r ₂ < 1 ,6 n, wodurch ein Verhältnis festgelegt werden kann, mittels welchem besondere Vorteile in Bezug auf die Reduzierung von Lastspitzen und die

Reduzierung der damit verbundenen Kerbwirkungen erreicht werden können.

Von weiterem Vorteil ist, sofern der Kolben 1 aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung, oder aus einer Stahllegierung, hergestellt ist. Besonders der Einsatz von Leichtmetalllegierungen wie

beispielsweise einer Aluminiumlegierung ermöglicht einen größeren

Wärmeübertrag, was die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens 1 steigert. Durch eine Stahllegierung lässt sich eine kompaktere Bauform des erfindungsgemäßen Kolbens 1 erreichen, wodurch dieser unter Umständen sogar ein geringeres Gewicht aufweisen kann, als bei einer Ausbildung aus einer Aluminiumlegierung. Alternativ kann der erfindungsgemäße Kolben 1

selbstverständlich auch aus einem Gusswerkstoff hergestellt sein. Die Ringnut 5 ist dabei bevorzugt benachbart zu einem Feuersteg 1 1 angeordnet, wobei selbstverständlich auch andere Ringnuten 5 dergestalt ausgebildet werden können. Im Bereich der Ringpartie 4 kann darüber hinaus ein Kühlkanal 12 angeordnet sein, wodurch sich der Kolben 1 verbessert kühlen lässt, und dadurch eine verbesserte Temperaturbelastungsfähigkeit aufweist.

Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kolben 1 und dessen erfindungsgemäß über einen Knickwinkel α in die jeweilige Nutflanke 7, 7' übergehenden Übergang 9, lassen sich die Lastspitzen und damit die Kerbwirkungen reduzieren und die Belastungsfähigkeit steigern.