WO2012116688A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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WO2012116688A1
WO2012116688A1 PCT/DE2012/000197 DE2012000197W WO2012116688A1 WO 2012116688 A1 WO2012116688 A1 WO 2012116688A1 DE 2012000197 W DE2012000197 W DE 2012000197W WO 2012116688 A1 WO2012116688 A1 WO 2012116688A1
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opening
recess
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PCT/DE2012/000197
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Rainer Scharp
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Mahle International GmbH
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Mahle International GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/08—Constructional features providing for lubrication
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine having a piston head and a piston skirt, wherein the piston head has a circumferential annular portion and in the region of the annular part a circumferential cooling channel and the piston shaft each having a pressure side and a counter-pressure associated tread.
  • DE 35 06 399 A1 discloses a piston in which a lubrication groove, which is arranged above the tread associated with the pressure side, is connected via a bore to the cooling channel.
  • the lubricating groove is supplied with lubricating oil from the cooling passage in about the second half of the down stroke of the piston.
  • the lubrication causes the downstroke no hydrodynamic oil film can build up, because the oil from the relatively large opening expires immediately and can build up no oil pressure.
  • the object of the present invention is to develop a generic piston so that in engine operation, an improved lubricating oil supply of the pressure side associated tread of the piston is possible.
  • the solution is to provide a bore extending from the cooling channel which merges into a bore spout which terminates in the tread associated with the pressure side and is inclined so that the bore spout forms an acute angle with the piston center axis such that an aperture is formed in the running surface, that between the bore and the bore outlet to the tread inclined and provided in the same deflection surface is provided, and that the pressure side associated tread in the region of the opening has a recess which forms at least one oil catching area above the opening.
  • the piston according to the invention is characterized in that lubricating oil is selectively supplied to the tread associated with the pressure side from the cooling channel, so that a hydrodynamic floating of the piston on a lubricating oil film is made possible. This is made possible, on the one hand, by the design of the bore outlet and, on the other hand, by the depression surrounding the bore outlet.
  • lubricating oil is forced out of the cooling channel into the bore and exits through the bore outlet.
  • a portion of the lubricating oil is trapped by the deflection surface and the remainder returns to the cooling passage.
  • the lubricating oil caught in the course of the downward stroke is distributed in the recess surrounding the opening, so that an oil pressure is built up. Subsequently, the lubricating oil can pass from the recess to the tread and cause a reliable lubrication thereof, so that the friction forces occurring during the downstroke are significantly reduced.
  • the oil-collecting region preferably extends transversely to the opening, so that the largest possible area of the running surface is supplied with lubricating oil.
  • the oil catching area forms an oil collecting reservoir on each side.
  • lubricating oil is preferably collected in the upper region of the tread and can be transferred to this region of the tread. This supplies the most heavily loaded area of the tread particularly reliably with lubricating oil.
  • the bore can expediently run in a material thickening formed in the interior of the piston, which can already be introduced during the production of the piston blank, for example during forging or casting.
  • the opening formed by the bore outlet may, for example, be formed below the hub center in the running surface in order to supply lubricating oil over as large a region of the running surface as possible.
  • the recess may have a depth of 10pm to 30pm, on the one hand sufficient lubricating oil is intercepted, on the other hand, a sufficiently high oil pressure is built up.
  • the recess may be formed in the material of the piston itself, but it may also be formed in a coating which is applied to the tread.
  • a particularly preferred embodiment provides that at least one further bore extending from the cooling channel is provided, which opens in the form of a bore opening in the tread associated with the counter-pressure side and is inclined, such that it forms an acute angle with the piston central axis, and that the the counter-pressure side associated tread in the region of the at least one bore opening has a recess.
  • lubricating oil is forced out of the cooling channel into the bore, exits through the at least one bore opening and is intercepted in the at least one recess.
  • the intercepted lubricating oil is distributed in the at least one depression. Since lubricating oil is constantly being supplied from the cooling channel, an oil pressure can build up here as well.
  • the lubricating oil can be removed from the at least one depression on the running surface. surface and reliable lubrication effect the same, so that the occurring during the upward stroke friction forces are also significantly reduced.
  • the at least one bore opening preferably opens into the running surface directly below the ring part, so that in particular the upper region of the running surface is supplied with lubricating oil.
  • At least two holes can be provided to ensure the supply of lubricating oil to the running surface.
  • the at least one recess is preferably circular or semi-circular, since such a geometry is particularly easy to manufacture.
  • the recess may have a depth of 10 ⁇ to 30 ⁇ , so on the one hand enough lubricating oil is intercepted, on the other hand, a sufficiently high oil pressure is built up.
  • the recess may be formed in the material of the piston itself, but it may also be formed in a coating which is applied to the tread.
  • the present invention is suitable for all piston types and all piston types.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a piston according to the invention in section
  • FIG. 2 shows the piston according to FIG. 1 in a side view rotated by 90 °;
  • Fig. 3 is an enlarged partial view of the piston of Figure 1; 4 shows an enlarged partial view of a further embodiment of a piston according to the invention;
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a piston according to the invention in a partial view in section
  • FIGS. 1 to 3 show a first embodiment of a piston 10 according to the invention.
  • the piston 10 may be a one-piece or multi-piece piston.
  • the piston 10 may be made of a steel material and / or a light metal material.
  • FIGS. 1 to 3 show a one-part box piston 10.
  • the piston 10 has a piston head 11 with a piston crown 12 having a combustion bowl 13, a peripheral land 14 and a ring 15 for receiving piston rings (not shown). In the amount of the ring section 15, a circumferential cooling channel 16 is provided.
  • the piston 10 further includes a piston stem 17 with piston bosses 18 and hub bores 19 for receiving a piston pin (not shown).
  • the piston hubs 18 are connected via hub connections 21 to the lower side 11 a of the piston head 11.
  • the piston hubs 17 are connected to each other via running surfaces 22, 23.
  • the running surface 22 of the pressure side DS of the piston 10 and the running surface 23 of the counter-pressure side GDS of the piston 10 is assigned.
  • the piston 10 has a bore 24 extending from the cooling channel 16.
  • the bore 24 is received in a material thickening 25 which is formed in the interior 26 of the piston 10.
  • the material thickening 25 can be introduced, for example, in the manufacture of the piston blank, such as casting or forging.
  • the bore 24 extends in the direction of the tread 22 associated with the pressure side DS and merges into a bore outlet 27.
  • the bore outlet 27 opens into the tread 22 associated with the pressure side DS.
  • the bore outlet 27 is arranged inclined, such that it encloses an acute angle ⁇ with the piston center axis M (see FIG.
  • the bore 24 has the same inclination as the bore outlet 27, so that the bore 24 with the piston
  • the bore 24 can also deviate from this.
  • a deflection surface 28 is formed on the tread side.
  • the deflecting surface 28 is inclined to the running surface 22, that is to say that the apex line 28a of the deflecting surface 28 which results in the intersection encloses an acute angle ⁇ with the running surface 22 (see FIG.
  • the bore outlet 27 opens into the running surface 22 such that an opening 29 is formed in the running surface 22 (see FIG. Inchersbetspiel the opening 29 is formed substantially slit-shaped, depending on the design and size of the piston 10, other shapes are conceivable.
  • the opening 29 is formed inskysbetspiel below the hub center N of the tread 22 (see Figure 1).
  • the tread 22 assigned to the pressure side DS has a depression 31 in the region of the opening 29.
  • the running surface 22 is provided with a coating 22a, for example Grafal®, and the depression 31 is introduced into the coating 22a or through it to the piston skirt surface.
  • the recess 31 has a depth of about 20 ⁇ .
  • the depression 31 can also be introduced directly into the material of the tread 22, either because the depth of the depression exceeds the thickness of the coating, be it because no coating is present. The latter embodiment is shown in FIG.
  • the recess 31 completely surrounds the opening 29 and can in principle be shaped as desired.
  • an oil catching area 33 is formed above the opening 29.
  • the oil catchment area 33 extends essentially transversely to the opening 29 and is provided with two oil collection reservoirs 34.
  • the Olsammelreservoirs 34 are each formed on the left and right of the opening 29 (see Figure 2).
  • Figure 2 are complementary those areas 35 of the tread 22, which are supplied in engine operation from the lower edge 17a of the piston skirt 17 with lubricating oil.
  • the tread 22 associated with the pressure side DS of the piston 10 is selectively supplied with lubricating oil during engine operation as follows.
  • lubricating oil is forced out of the cooling passage 16 into the bore 24 and exits through the bore outlet 27 into the recess.
  • part of the lubricating oil is intercepted by the deflecting surface 28, so that this part of the lubricating oil remains in the recess 31.
  • the remaining lubricating oil runs back into the cooling channel 16.
  • the intercepted in the course of the downward stroke in the recess 31 lubricating oil is distributed therein, so that an oil pressure is built up and the running surface 22 of the piston 10 with respect to the corresponding cylinder surface can float hydrodynamically.
  • the lubricating oil is pressed into the oil collecting reservoirs 34 of the ⁇ lfangsberetchs 33 during the downward stroke and passes from the recess 31 in the direction of arrows P on the tread 22 over.
  • FIGS 5 and 6 show a further preferred embodiment of a piston 110.
  • the piston 110 corresponds in its construction to the piston 10 according to Figures 1 to 4, so that the same structures are provided with the same reference numerals and in this regard to the above description of the figures to Figures 1 to 4 is referenced.
  • the piston 110 according to the invention is characterized by the following additional features.
  • the piston 110 has two further bores 136 extending from the cooling channel 16.
  • the holes 136 extend in the direction of the counter-pressure side GDS associated tread 23 and are inclined, such that they include with the piston center axis M an acute angle ⁇ (see Figure 5).
  • the bores 136 open into the running surface 23 in the form of bore openings 137.
  • the two bore openings 137 open directly below the ring section 15 of the piston head 11 in the region of the hub connection 21 of the piston skirt 17 into the running surface 23 upper edge regions of the tread 23 (see Figure 6).
  • both only one bore opening and three or more bore openings may be provided, which should then be distributed over the width of the tread 23 expediently.
  • the tread 23 associated with the counterpressure side GDS has a depression 138 in the region of the bore openings 137.
  • the running surface 23 is provided with a coating 23a, for example Grafal®, and the depressions 138 are introduced into the coating 23a.
  • the recesses 138 have a depth of about 20 ⁇ .
  • the depressions 138 may also be introduced directly into the material of the tread 23, either because the depth of the depressions exceeds the thickness of the coating, be it because no coating is present.
  • the recesses 138 surround the bore openings 137 in the exemplary embodiment in an approximately semicircular. It is also conceivable that the bore openings 137 are arranged at a greater distance from the ring section 15 and the depressions 138 surround the bore openings 137 in a circular manner.
  • the tread 23 associated with the counter-pressure side GDS of the piston 110 is selectively supplied with lubricating oil during engine operation as follows.
  • lubricating oil is forced out of the cooling passage 16 into the bores 136, exits through the bore holes 137, and is trapped in the recesses 138.
  • the intercepted lubricating oil is distributed in the depressions 138. Since lubricating oil is constantly being supplied from the cooling passage 16, an oil pressure can also build up here, so that the running face 23 of the piston 110 can float hydrodynamically with respect to the corresponding cylinder running surface.
  • the lubricating oil may pass out of depressions 138 on the tread 23 and cause a reliable lubrication thereof, so that the frictional forces also occur be significantly reduced. Due to the preferred arrangement of the bore openings 138 directly below the ring section 15, in particular the highly loaded upper region of the running surface 23 is supplied with lubricating oil.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (11) und einem Kolbenschaft (17), wobei der Kolbenkopf (11) eine umlaufende Ringpartie (15) sowie im Bereich der Ringpartie (15) einen umlaufenden Kühlkanal (16) aufweist und der Kolbenschaft (17) jeweils eine seiner Druckseite (DS) und eine seiner Gegendruckseite (GDS) zugeordnete Lauffläche (22, 23) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine vom Kühlkanal (15) ausgehende Bohrung (24) vorgesehen ist, die in einen Bohrungsauslauf (27) übergeht, der in die der Druckseite (DS) zugeordnete Lauffläche (22) mündet und geneigt angeordnet ist, derart, dass der Bohrungsauslauf (27) mit der Kolbenmittelachse (M) einen spitzen Winkel (α) einschließt, so dass eine Öffnung (29) in der Lauffläche (22) gebildet ist, dass zwischen der Bohrung (24) und dem Bohrungsauslauf (27) eine zur Lauffläche (22) geneigte und in diese übergehende Ablenkfläche (28) vorgesehen ist, und dass die der Druckseite (DS) zugeordnete Lauffläche (22) im Bereich der Öffnung (29) eine Vertiefung (31) aufweist, die oberhalb der Öffnung (29) mindestens einen Ölfangbereich (33) bildet.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
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.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (11 ) und einem Kolbenschaft (17), wobei der Kolbenkopf (11 ) eine umlaufende Ringpartie (15) sowie im Bereich der Ringpartie (15) einen umlaufenden Kühlkanal (16) aufweist und der Kolbenschaft (17) jeweils eine seiner Druckseite (DS) und eine seiner Gegendruckseite (GDS) zugeordnete Lauffläche (22, 23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Kühlkanal (15) ausgehende Bohrung
(24) vorgesehen ist, die in einen Bohrungsauslauf (27) übergeht, der in die der Druckseite (DS) zugeordnete Lauffläche (22) mündet und geneigt angeordnet ist, derart, dass der Bohrungsauslauf (27) mit der Kolbenmittelachse (M) einen spitzen Winkel (a) einschließt, so dass eine Öffnung (29) in der Lauffläche (22) gebildet ist, dass zwischen der Bohrung (24) und dem Bohrungsauslauf (27) eine zur Lauffläche (22) geneigte und in diese übergehende Ablenkfläche (28) vorgesehen ist, und dass die der Druckseite (DS) zugeordnete Lauffläche (22) im Bereich der Öffnung (29) eine Vertiefung (31 ) aufweist, die oberhalb der Öffnung (29) mindestens einen Ölfangbereich (33) bildet.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ölfangbereich (33) quer zur Öffnung (29) erstreckt.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölfangbereich (33) beiderseits jeweils ein Öisammelreservoir (34) bildet.
4. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (24) in einer im Innenraum (26) des Kolbens (10, 110) gebildete Werkstoffverdickung
(25) verläuft.
5. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (24) unterhalb der Nabenmitte (N) in der Lauffläche (22) gebildet ist.
6. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (31) eine Tiefe von 10μηι bis 30μιη aufweist.
7. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (31 ) im Werkstoff des Kolbens (10,110) ausgebildet ist.
8. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (22) eine Beschichtung (22a) aufweist, in der die Vertiefung (31 ) ausgebildet ist.
9. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine vom Kühlkanal (16) ausgehende Bohrung (136) vorgesehen ist, die in Form einer Bohrungsöffnung (137) in die der Gegendruckseite (GDS) zugeordnete Lauffläche (23) mündet und geneigt angeordnet ist, derart, dass sie mit der Kolbenmittelachse ( ) einen spitzen Winkel (ß) einschließt, und dass die der Gegendruckseite (GDS) zugeordnete Lauffläche (23) im Bereich der mindestens einen Bohrungsöffnung (137) eine Vertiefung (138) aufweist.
10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bohrungsöffnung (137) unmittelbar unterhalb der Ringpartie (15) in die Lauffläche (23) mündet.
11. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Bohrungen (136) vorgesehen sind.
12. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung (138) kreisförmig oder halbkreisförmig ausgebildet ist.
13. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung (138) eine Tiefe von 10pm bis 30pm aufweist.
14. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung (138) im Werkstoff des Kolbens (110) ausgebildet ist.
15. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche (23) eine Beschichtung (23a) aufweist, in der die mindestens eine Vertiefung (138) ausgebildet ist.
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