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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Kolbenbaugruppe für einen Verbrennungsmotor sowie eine Kolbenbaugruppe für einen Verbrennungsmotor.
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Ein genau definierter Durchblasegasstrom, auch als Blow By bezeichnet, muss möglichst genau definiert eingestellt werden, um einen wunschgemäßen Betrieb eines Hubkolbenmotors beziehungsweise Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Unter dem Durchblasegasstrom versteht man den Volumenstrom an Gasen, die vom Brennraum am Kolben vorbei in den Kurbelraum gelangen. Ein kleiner Durchblasegasstrom lässt sich nicht verhindern und ist auch erwünscht, um Öl aus dem Kolbenringstegbereich nach unten in das Kurbelgehäuse zu transportieren. Der Durchblasegasstrom darf aber nicht zu groß werden, weil damit ein Leistungsverlust des betreffenden Motors einhergehen würde und die Kurbelgehäuseentlüftung und der Ölabscheider dann größer dimensioniert werden müssten. Einen wesentlichen Einfluss auf den einzustellenden Durchblasegasstrom haben dabei jeweilige Kanten zwischen jeweiligen Ringnuten und Ringstegen eines Kolbens und auch die Ausgestaltung von Ringstößen von am Kolben angeordneten Kolbenringen.
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Der Durchblasegasstrom hängt also sehr stark von der Gestaltung der Übergänge von den Ringnuten auf die Ringstege des Kolbens ab, insbesondere im Übergang von der Ringnut des ersten Kompressionsrings auf den ersten Ringsteg. Dieser Übergang sollte möglichst entgratet und exakt verrundet werden, wobei ein möglichst kleiner definierter Radius wünschenswert ist. Darüber hinaus hängt der Durchblasegasstrom auch von der Gestaltung des Ringstoßes eines Kolbenrings ab, insbesondere im Übergangsbereich vom Ringstoß zur Ringlauffläche. Auch dieser Übergang sollte entgratet werden und einen möglichst kleinen und definierten Radius aufweisen. Mit einer konventionellen Technik lassen sich kostengünstig nur relativ große Radien realisieren, die dazu auch noch relativ große Toleranzen aufweisen, typischerweise größer als 0,05 mm.
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Die
DE 197 03 121 C1 zeigt einen Kolben für Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Kolbenringnuten. Ober- und unterhalb der Kolbenringnuten sind Ölauffangnuten angeordnet. Die kolbenbodenseitigen Flanken sind scharfkantig die kolbenschaftseitigen Flanken sind verrundet ausgebildet.
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Die
EP 1 663 581 B1 zeigt ein Werkzeug zur Bearbeitung von Oberflächen, Kantenbereichen und Konturen.
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Die
DE 27 20 297 zeigt einen mehrteiligen Ölabstreifring, bestehend aus einer durch etwa axial verlaufende, einander überlappende Einstellung in Umfangsrichtung federnd gemachten, einen profilierten in sich steifen Querschnitt aufweisenden und ringförmig gebogenen Stahlbandfeder und mindestens ein von der Feder getragenen Lamellenring.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bearbeiten einer Kolbenbaugruppe für einen Verbrennungsmotor sowie eine Kolbenbaugruppe bereitzustellen, mittels welchen auf besonders exakte Weise ein wunschgemäßer Durchblasegasstrom erzielt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bearbeiten einer Kolbenbaugruppe sowie durch eine Kolbenbaugruppe mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bearbeiten einer Kolbenbaugruppe für einen Verbrennungsmotor wird wenigstens eine Kante zwischen zumindest einer Ringnut und einem Ringsteg eines Kolbens und/oder wenigstens eine Kante an einem Ringstoß von zumindest einem Kolbenring derart abgerundet, dass ein Radius von 0,01 bis 0,07 mm an der Kante zwischen der Ringnut und dem Ringsteg und/oder an der Kante des Ringstoßes hergestellt wird. Beim Abrunden beziehungsweise Verrunden erfolgt dabei auch ein Entgraten der Kante zwischen der Ringnut und dem Ringsteg und/oder an der Kante des Ringstoßes. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß also eine Präzisionskantenverrundung an der Kante zwischen zumindest einer Ringnut und einem Ringsteg eines Kolbens und/oder wenigstens einer Kante an einem Ringstoß von zumindest einem Kolbenring durchgeführt, so dass sich ein Radius von 0,01 bis 0,07 mm an der entsprechenden Kante oder an den entsprechenden Kanten ausbildet.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es also möglich, im Bereich der Übergänge zwischen Ringnuten und Ringstegen und auch im Bereich einer Kante eines Ringstoßes eines Kolbenrings eine derartige Entgratung und Verrundung vorzunehmen, dass diese Übergangsbereiche einen Radius von 0,01 bis 0,07 mm aufweisen. Bei einer derartig hergestellten Kolbenbaugruppe kann eine erhebliche Reduktion des Durchblasegasstroms (blow by) bei der Verbrennung erzielt werden. Dadurch ergeben sich insgesamt eine effizientere Verbrennung bei einem Verbrennungsmotor und somit auch eine Reduktion des CO2-Ausstoßes.
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Insbesondere kann eine Reduktion von unverbranntem Kraftstoff, also heißes und oft mit aggressiven Schadstoffen verunreinigtes Gas, erzielt werden. Dadurch kann die Belastung des Motoröls auch erheblich reduziert werden. Darüber hinaus kann eine Reduktion der Verdünnung des Motoröls durch unverbrannten Kraftstoff, insbesondere beim Kaltstart, erzielt werden. Ferner muss wesentlich weniger Durchblasegasstrom, also unverbrannte Kraftstoffreste, über eine Entlüftung des Kurbelgehäuses über den Ansaugtrakt zurückgeführt werden. Eine Verschmutzung von Ventilen, Turboladern, Ladeluftkühlern, Drosselklappen und dergleichen kann dadurch ebenfalls erheblich reduziert werden, so dass insbesondere Leistungseinbußen und Störungen während des Betriebs des Verbrennungsmotors verhindert werden können.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kante zwischen der Ringnut und dem Ringsteg und/oder die Kante des Ringstoßes mechanisch, insbesondere mittels eines Bürstenwerkzeugs, abgerundet werden. Zur Präzisionskantenverrundung kann mit anderen Worten als Verfahren das sogenannte Flakkotieren eingesetzt werden, bei welchem unter Einsatz spezieller Bürstenwerkzeuge eine besonders genaue Kantenverrundung im Mikrometerbereich und Oberflächenpolituren im Nanometerbereich erzielt werden können. Dadurch kann ein wunschgemäßer Durchblasegasstrom an der Kolbenbaugruppe auf besonders exakte Weise eingestellt werden.
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Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kante zwischen der Ringnut und dem Ringsteg und/oder die Kante des Ringstoßes durch elektrochemisches Abtragen abgerundet werden. Insbesondere wird ein sogenanntes präzises elektrochemisches Abtragen, kurz als PECM bezeichnet, verwendet. Durch das elektrochemische Abtragen können Oberflächen mit höchster Güte erzielt werden. Dadurch ist es auch möglich, den Durchblasegasstrom an der Kolbenbaugruppe auf besonders exakte Weise einzustellen, indem die Radien an den betreffenden Kanten besonders exakt mit dem wunschgemäßen Radius hergestellt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass beim Abrunden eine symmetrische Kantenform hergestellt wird. Alternativ ist es auch möglich, dass eine asymmetrische Kantenform hergestellt wird. Bei der asymmetrischen Kantenform kann es sich um die sogenannte Wasserfallform oder auch um die sogenannte Trompetenform handeln.
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Die erfindungsgemäße Kolbenbaugruppe für einen Verbrennungsmotor umfasst einen Kolben, welcher zwischen zumindest einer Ringnut und einem Ringsteg des Kolbens eine abgerundete Kante mit einem Radius von 0,01 bis 0,07 mm und/oder eine abgerundete Kante an einem Ringstoß von zumindest einem Kolbenring mit einem Radius von 0,01 bis 0,07 mm aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der Kolbenbaugruppe anzusehen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung eines Kolbens, welcher mehrere Ringnuten und Ringstege aufweist, wobei der Bereich der Ringnuten und Ringstege zusätzlich in einer vergrößerten Darstellung gezeigt ist; und
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2 eine schematische Darstellung eines Kolbenrings, wobei ein Ringstoß des Kolbenrings zusätzlich in einer vergrößerten Darstellung dargestellt ist.
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Ein Kolben 10 einer nicht näher bezeichneten Kolbenbaugruppe für einen Verbrennungsmotor ist in einer Seitenansicht in 1 gezeigt. Der Kolben umfasst mehrere Ringnuten 12 und Ringstege 14. Der Bereich der Ringnuten 12 und Ringstege 14 ist zudem in 1 noch einmal schematisch vergrößert dargestellt. Dort wo die Ringnuten 12 und die Ringstege 14 aufeinander treffen, weist der Kolben jeweilige Kanten 16 auf. Die Kanten 16 weisen dabei jeweils einen Radius zwischen 0,05 und 0,07 mm auf. Die Ausgestaltung der Kanten 16 hat vielfältige Einflüsse auf die Verbrennungseigenschaften und Verschleißeigenschaften eines Verbrennungsmotors, in welchen der Kolben 10 eingesetzt wird. Insbesondere hat die Ausgestaltung der Kanten einen wesentlichen Einfluss auf den Durchblasegasstrom, unter welchem der Volumenstrom an Gasen verstanden wird, die vom Brennraum am Kolben 10 vorbei in den Kurbelraum gelangen. Ein kleiner Durchblasegasstrom lässt sich nicht verhindern und ist auch erwünscht, um Öl aus dem Kurbelringstegbereich nach unten in das Kurbelgehäuse zu transportieren. Die Durchblasegasstrommenge darf aber nicht zu groß werden, weil damit ein Leistungsverlust des Motors einhergehen würde und die Kurbelgehäuseentlüftung der Ölabscheider dann größer dimensioniert werden müssten. Um den wunschgemäßen Durchblasegasstrom einstellen zu können, ist es daher wesentlich, an den Kanten 16 einen möglichst kleinen Radius ohne Grate herzustellen.
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In 2 ist ein Kolbenring 18 in einer Draufsicht gezeigt. Der Kolbenring 18 weist zwei Ringstöße 20 auf, wobei in 2 einer der beiden Ringstöße 20 in einer vergrößerten Darstellung gezeigt ist. Für den besagten Durchblasegasstrom hat insbesondere eine außenseitige Kante 22 maßgeblichen Einfluss. Die Kante weist dabei wie die Kanten 16 am Kolben 10 einen Radius von 0,01 bis 0,07 mm auf.
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Die Radien an den Kanten 16, 22 bilden dabei einen Kompromiss zwischen der Einstellung des Durchblasegasstroms und der Verhinderung von einer übermäßigen Materialbelastung. Um den Durchblasegasstrom auf ein Minimum zu reduzieren, wären tatsächlich rechteckig ausgebildete Kanten 16, 22 ideal. Dies würde sich jedoch negativ auf die Materialbelastung, unter anderem die Materialabnutzung an der Zylinderwand oder an den Ringen selbst, auswirken. Mit dem gewählten Radius von 0,01 bis 0,07 mm wird ein möglichst guter Kompromiss zwischen Durchblasegasstrom und Abnutzungserscheinungen erzielt.
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Nachfolgend wird ein Verfahren zum Herstellen der Radien an den Kanten 16, 22 näher erläutert. Die Kanten 16, 22 können beispielsweise mechanisch, insbesondere mittels eines Bürstenwerkzeugs, abgerundet werden. Dabei erfolgt eine Präzisionskantenverrundung, bei welchem die wunschgemäßen Radien eingestellt und eine Entgratung vorgenommen wird, mittels des sogenannten Flakkotierens. Dadurch kann eine besonders exakte Entgratung an den Kanten 16, 22 und eine entsprechende Herstellung der wunschgemäßen Radien erzielt werden.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Kanten 16, 22 durch das sogenannte präzise elektrochemische Abtragen, kurz PECM, durchgeführt werden. Pro Abtrageschritt werden vorzugsweise circa 50 Nanometer abgetragen werden. Durch das präzise elektrochemische Abtragen können Oberflächen mit höchster Güte erzielt werden.
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Bei beiden Verfahren, sei es mittels eines mechanischen Abtragens mit Hilfe eines Bürstenwerkzeugs oder mittels des präzisen elektrochemischen Abtragens, können symmetrische und auch asymmetrische Kantenformen an den Kanten 16, 22 hergestellt werden. Beispielsweise können an den Kanten 16, 22 sogenannte Wasserfallkantenformen oder auch Trompetenkantenformen hergestellt werden.
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Der Kolbenring 18 kann sich innerhalb der Ringnuten auf und ab bewegen, wenn der Kolben 10 während des Betriebs im Verbrennungsmotor auf und ab bewegt wird. Durch die Verrundung der Kanten 16 wird die Belastung des Kolbenrings 18 beziehungsweise dessen Verschleiß positiv beeinflusst. Die Balligkeit der Kante 22 ist insbesondere wichtig, damit die Zylinderlaufbahn nicht durch den scharfkantigen Ringstoß zerkratzt wird. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Kanten 16 kann zudem der Kolbenring 18 flächig an den Kanten 16 anliegen, wenn der Kolbenring 18 innerhalb der Ringnut 12 beim Auf und Abbewegen des Kolbens 10 zum Anliegen kommt.
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Durch das exakte Entgraten und Verrunden der Kanten 16, 22 kann also ein wunschgemäßer Durchblasegasstrom innerhalb eines Verbrennungsmotors eingestellt werden. Dadurch kann insbesondere die Effizienz des Verbrennungsmotors erhöht und die Belastung der Komponenten des Verbrennungsmotors reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19703121 C1 [0004]
- EP 1663581 B1 [0005]
- DE 2720297 [0006]