Kolben für eine Brennkraftmaschine

B e s c h r e i b u n g

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Kraftfahrzeugmotor, mit einem Kolbenboden, an den eine Kolbennabe und ein Kolbenhemd angeformt sind, sowie mit sich zwischen Kolbennabe und Kolbenhemd erstreckenden Stutzrippen.

Derartige Kolben für die Kraftmaschinen von Personenkraftwagen werden heutzutage im Allgemeinen aus Aluminium gefer- tigt. Sie weisen eine typische Kompressionshohe, d.h. eine

Entfernung zwischen der Oberkante des Kolbenbodens und einer Mittelachse der Kolbennabe, von typischerweise 23 bis 35 mm auf. Mit diesen Abmessungen werden bei optimierter Auslegung im Allgemeinen die Belastungsgrenzen des Materials erreicht. Um eine Brenn- kraftmaschine bei gleich bleibenden Außenabmessungen mit größerem Hubraum und leistungsstarker zu bauen oder um eine solche Maschine bei gleich bleibendem Hubraum kompakter und damit leichter und wirtschaftlicher zu machen, ist es wünschenswert, die Kompressionshohe des Kolbens weiter reduzieren zu können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Gestaltung für einen Kolben anzugeben, welche dies erlaubt.

Dieses Ziel wird erfindungsgemaß dadurch erreicht, dass bei einem Kolben der eingangs angegebenen Art die Stutzrippen jeweils zwei in entgegengesetzte Richtungen gekrümmte Abschnitte umfassen. Diese Stutzrippen sind erforderlich, damit die auf den dünnen Kolbenboden wirkende Druckbelastung ohne übermäßige Verformung auf eine an dem Kolben angreifende Pleuelstange übertragen werden kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen, auf ihrer ganzen Lange einheitlich gekrümmten Stutzrippen können diese wechseln gekrümmten Rippen einen zwischen Kolbenhemd und Zylindermantel wirkenden Druck in radialer Richtung bezogen auf die Zylinderlangsachse nachgeben, ohne dabei die Verformung des Kolbenhemdes stark zu beeinflussen, so dass letzteres sich großflächig an die verformte Zylinderwand anzupassen vermag.

Wenn das Kolbenhemd zwei in der axialen Richtung vorspringende Schilde beiderseits der Nabe bildet, erstreckt sich vorzugsweise jeweils ein Paar der Stutzrippen zwischen der Nabe und jedem Schild.

Um eine großflächige Anpassung dieser Schilde an die

Zylinderwand zu ermöglichen, erstreckt sich vorzugsweise jeder Schild in Umfangsrichtung des Kolbens über die Verbindungsbereiche zwischen ihm und dem daran angreifenden Paar von Stutzrippen hinaus .

Um eine Platz sparende Platzierung der Stutzrippen zu ermöglichen, hat von den zwei gekrümmten Abschnitten jede Rippe eines Paars der zur Kolbennabe benachbarte Abschnitt einen Krummungsmittelpunkt auf einer der jeweils andere Rippen des Paars zugewandten Seite, und der zum Kolbenhemd benachbarte

Abschnitt der gleichen Rippe hat einen Krummungsmittelpunkt auf einer von der jeweils anderen Rippe des Paars abgewandten Seite.

Zur Gewichtseinsparung kann die Nabe in Richtung der

Achse ihres Bolzenauges zweigeteilt sein, und um dennoch eine ausreichende Formstabilitat des Kolbenbodens zu gewahrleisten, können die zwei Teile der Nabe durch eine an den Kolbenboden ange- formte ringförmige Rippe verbunden sein.

Zur weiteren Versteifung können zwei weitere Paare von Stutzrippen sich jeweils von der Nabe im Wesentlichen parallel zur Richtung der Achse ihres Bolzenauges zum Kolbenhemd hin erstrecken.

Vorzugsweise ist der erfindungsgemaße Kolben aus einem Eisenwerkstoff, etwa aus Guss oder Stahl, gefertigt. Da ein solcher Eisenwerkstoff eine höhere Festigkeit und einen höheren Elastizitätsmodul als Aluminium aufweist, kann die Wandstarke des Kolbens und die Breite des Kolbenhemdes abseits der Schilde kleiner gehalten werden als bei einem Aluminiumkolben gleicher Belastbarkeit. Dadurch sind besonders geringe Kompressionshohen des Kolbens realisierbar.

Die Verwendung eines Eisenwerkstoffs ermöglicht es auch, einen Kolbenbolzen in einem Auge der Nabe durch einfache Pressung zu fixieren, so dass die bei Aluminiumkolben herkömmlicherweise praktizierte Sicherung des Bolzens durch Erzeu- gen von Hinterschnitten im Bolzenauge und Einsetzen von Sicherungsringen in die Hinterschnitte überflüssig wird.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfin- dungsgemaßen Kolbens aus Eisenwerkstoff;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Kolben aus Fig. 1; und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Aluminiumkolbens für einen Pkw-Motor .

Wie der herkömmliche Kolben der Fig. 3 hat der in Fig. 1 und 2 gezeigte erfindungsgemaße Kolben eine der Brennkammer eines Zylinders zugewandte Bodenplatte 1, von der ein zylindrisches Kolbenhemd 2 absteht. Am äußeren Umfang des Kolbenhemdes 2 gebildete Rillen nehmen nicht dargestellte Kolbenringe auf. An der Unterseite der Bodenplatte 1 ist mittig eine Kolbennabe 3 gebildet, in der ein Kolbenbolzen 4 eingepresst ist. Zur Gewichtsersparnis ist die Kolbennabe 3 in Abschnitte 3a, 3b unterteilt, die jeweils ein Ende des Kolbenbolzens 4 einfassen und zwischen denen sich der Kolbenbolzen 4 frei erstreckt. Die Verwendung von Eisen als Werkstoff für den Kolben ermöglicht es, den Kolbenbolzen 4 durch Pressung dauerhaft fest in der Kolbennabe 3 zu haltern, anders als beim Aluminiumkolben der Fig. 3, bei dem in der Bohrung der Kolbennabe 3 zwei hinterschnittene Rillen 5 gebildet sind, um in ihnen Sicherungsringe zu montieren, die den (in Fig. 3 nicht gezeigten) Kolbenbolzen gegen Verrutschen sichern, indem sie an seinen Stirnseiten anliegen. Da die Sicherungsringe beim Kolben der Fig. 1 nicht benotigt werden, muss die Kolbennabe 3 nicht über die Enden des Bolzens 4 überstehen; daher kann eine an dem Kolbenbolzen 4 angreifende, nicht dargestellte Pleuelgabel schmal und folglich auch leicht an Gewicht gehalten werden.

Der zentrale Bereich der Bodenplatte 1 ist versteift durch eine durch die zwei Teile 3a, 3b der Kolbennabe verlaufende ringförmige Rippe 6 von geringer Hohe.

Von den zwei Teilen 3a, 3b der Kolbennabe aus erstrecken sich jeweils zwei geschwungene Stutzrippen 7 zu zwei Schilden 8, die das Kolbenhemd 2 in Zylinderlangsrichtung verlangern. Die Stutzrippen 7 haben jeweils zwei Abschnitte mit entgegengesetzten Krummungsrichtungen, einen zur Kolbennabe 3 benachbar- ten, nach außen konvexen Abschnitt 7a und einen dem Schild 8 benachbarten, an der Außenseite konkaven Abschnitt 7b. Der in zwei Richtungen geschwungene Verlauf ermöglicht es den Stutzrippen 7, einen zwischen den Schilden 8 und einer gegenüberliegenden Zylinderwand wirkenden Druck elastisch nachzugeben, ohne dabei ein nennenswertes den Schild 8 krümmendes Drehmoment auf den Schild auszuüben, so dass sich dieser großflächig an die Zylinderwand anpassen kann. Bei einer rein nach außen konvexen Krümmung der Stutzrippen 7, wie in Fig. 3 gezeigt, fuhrt eine elastische Stauchung der Rippen zu einem auf die Schilde 8 wirkenden Drehmoment, das auf eine Verringerung von deren Krümmung hinwirkt und so ein großflächiges Anliegen der Schilde 8 an der Zylinderwand erschwert.

Ein großflächiger Kontakt der Schilde 8 mit der Zylinderwand wird ferner durch die Tatsache begünstigt, dass die Angriffspunkte 9 der Rippen 7 an jedem Schild 8 von den seitlichen Randern 10 des Schilds 8 deutlich zu dessen Mitte hin versetzt ist, so dass sich die Randregionen des Schildes 8 außerhalb der Angriffspunkte 9 der Zylinderwand relativ leicht anpassen können.

Beiderseits der Schnittebene der Fig. 2 und im Wesentlichen parallel zu dieser erstrecken sich Stutzrippen 11 geringer Hohe zwischen der Kolbennabe 3 und dem Kolbenhemd 2.

Mit der oben beschriebenen Kolbenkonstruktion ist eine

Kompressionshohe von unter 20 mm realisierbar, ohne dass die Belastungsgrenze des Kolbenmaterials überschritten wird. Wegen der hohen Tragfähigkeit des Eisenwerkstoffs kann die Materialstarke im allgemeinen geringer gewählt werden als bei einem Aluminiumkolben, und da auch der Kolbenbolzen im Vergleich zu dem eines Alumimumkolbens verkürzt werden kann, ist das Gewicht des erfindungsgemaßen Kolbens allenfalls unwesentlich hoher als das eines für eine entsprechende Motorleistung ausgelegten Aluminiumkolbens. Die im Vergleich zu Aluminium schlechtere Warme- leitfahigkeit des Eisenwerkstoffs und die geringe Starke der Bodenplatte 1 fuhren zu einer geringeren Wärmeableitung aus dem Kolben über die Kolbenringe an einen den Zylinder umgebenden Kuhlwassermantel. Die Temperatur der Bodenplatte 1 ist daher im Betrieb hoher als die eines vergleichbaren Aluminiumkolbens, was sich im Teillastbetrieb als vorteilhaft in der Gemischbildung, besonders bei einem Direkteinspritzer, erweist.

10

B e z u g s z e i c h e n l i s t e

Kolbenboden 1

Kolbenhemd 2 Kolbennabe 3

Kolbenbolzen 4

Rille 5

Rippe 6

Stutzrippe 7 Schild 8

Angriffspunkt 9

Rand 10

Stutzrippe 11