DE102019203650A1

DE102019203650A1 - Kolben für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102019203650A1
Application number: DE102019203650.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Beerens
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2020-09-24
Also published as: US20200300361A1; US11054030B2; JP2020153369A; CN111706442B; CN111706442A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (1) mit einem Kolbenboden (3), einem umlaufenden Feuersteg (4) und zumindest einer Ringnut (5).Erfindungswesentlich ist dabei,- dass ein an den Kolbenboden (3) angrenzender erster Feuerstegabschnitt (7), ein an die Ringnut (5) angrenzender dritter Feuerstegabschnitt (8) und ein die beiden Feuerstegabschnitte (7,8) verbindender und dazwischen angeordneter zweiter Feuerstegabschnitt (9) vorgesehen sind,- dass der erste Feuerstegabschnitt (7) eine axiale Höhe h, der zweite Feuerstegabschnitt (9) eine axiale Höhe hund der dritte Feuerstegabschnitts (8) eine axiale Höhe haufweist,- dass der erste Feuerstegabschnitt (7) einen oberen Außendurchmesser Dund der dritte Feuerstegabschnitts (8) einen unteren Außendurchmesser Daufweist, wobei der Kolben (1) an einem Übergang vom ersten Feuerstegabschnitt (7) zum zweiten Feuerstegabschnitt (9) einen Außendurchmesser Dund an einem Übergang vom zweiten Feuerstegabschnitt (9) zum dritten Feuerstegabschnitt (8) einen Außendurchmesser Daufweist,- dass gilt; (D- D)/h> (D- D)/h.Hierdurch können insbesondere negative LSPI-Auswirkungen reduziert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenboden, einem umlaufenden Feuersteg und zumindest einer an den Feuersteg angrenzenden Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenrings gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Kolben.
Gattungsgemäße Kolben sind hinlänglich bekannt, wobei an deren Feuerstege oftmals ein sich von einem Kolbenboden hin zu einer ersten Ringnut vergrößernder Außendurchmesser vorgesehen wird, durch welchen sich ein Spalt zwischen dem Feuersteg und einer Zylinderwandung vom Kolbenboden zur ersten Ringnut hin verengt. Bekannt sind selbstverständlich auch zylindrische Feuerstege. Mittels derartiger konischer bzw. zylindrischer Feuerstege kann beispielsweise zusammen noch mit einer vergleichsweise großen Fase am Übergang des Feuerstegs zur Ringnut erreicht werden, dass ein Einlaufen einer Druckwelle bis in den Nutgrund gefördert und dadurch ein Druckanstieg im Rücken eines Kolbenrings erzeugt und der Anpressdruck auf diesen vergrößert wird. Hierdurch soll insbesondere eine Dichtwirkung des Kolbenrings unterstützt werden.
Aus der DE 198 18 869 C1 ist ein Kolben für eine Brennkraftmaschine mit im Querschnitt rechteckiger Ringnut bekannt, deren obere an einen Feuersteg angrenzende Flanke sich in radialer Richtung nach außen diffusorartig erweitert, das heißt eine vergleichsweise große Fase aufweist. Hierdurch soll insbesondere beim Einlaufen einer Druckwelle von einem Brennraum über den Feuersteg in die erste Ringnut ein Kontakt des Kolbenrings mit einer unteren Nutflanke schneller als bisher erreicht werden, wodurch dieser länger an der unteren Nutflanke anliegt und dadurch einen verbesserten Wärmeübertrag vom Kolben auf eine Zylinderlauffläche erreicht werden kann. Hierdurch kann zusätzlich auch die Gefahr eines Verkokens von Öl in der jeweiligen Ringnut reduziert werden.
Aus der DE 34 07 405 C1 ist ein weiterer gattungsgemäßer Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, der partiell im Bereich seiner 90° versetzt zur Bolzenachse angeordneten Arbeitsebenen Verjüngungen aufweist, die eine Anlage des Kolbenbodens an einer Zylinderwandung verhindern sollen.
Nachteilig bei einem derartigen, sich von einem Kolbenboden bis hin zur ersten Ringnut verengenden Spalt zwischen einem Feuersteg und einer Zylinderwandung ist jedoch, dass die in diesen Spalt einlaufenden Druckwellen weiter verstärkt werden. Mit diesen sich verstärkenden Druckwellen werden unter Umständen Druckspitzen erzeugt, insbesondere beim sogenannten Low Speed Pre-Ignition (LSPI), welche die Gefahr eines Bruchs des Feuersteges nach oben und damit in einen Brennraum oder eines zwischen der ersten Ringnut und der zweiten Ringnut gelegenen Steges nach unten erhöhen können, was unbedingt vermieden werden muss.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere einen Druckanstieg unter einem Feuersteg des Kolbens und damit die Gefahr eines Brechen des Feuersteges zumindest minimieren soll.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Spalt zwischen einer Zylinderwandung und einem Kolben ausgehend von einem Kolbenboden über einen Feuersteg in Richtung einer an den Feuersteg angrenzenden Ringnut nicht zu verringern und dadurch einen Druckanstieg zu bewirken, sondern vielmehr zu vergrößern und gleichzeitig einen möglichst scharfkantigen Übergang, das heißt ohne oder mit lediglich minimaler Fase, vom Feuersteg in die Ringnut auszubilden, um damit einen Druckanstieg unterhalb des Feuersteges zu reduzieren. Durch den vergleichsweise engen Spalt zwischen der Zylinderwandung und dem Kolben am Kolbenboden, bedingt durch ein vergleichsweise geringes Radialspiel, wird bei einem Auftreten eines LSPI-Effekts (Vorentflammung) der Eintritt einer Druckwelle aus dem Brennraum in den Spalt zwischen Kolbenboden und Zylinderwandung erschwert, wobei zugleich durch den sich nach unten, das heißt in Richtung der Ringnut diffusorartig aufweitenden Spalt der Druck reduziert und aufgrund des scharfkantigen Übergangs vom Feuersteg in die Ringnut, ein starker Druckanstieg in der Ringnut vermieden werden kann. Der erfindungsgemäße Kolben besitzt dabei einen Kolbenboden, einen umlaufenden Feuersteg sowie zumindest eine an den Feuersteg angrenzende Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenrings. An den Kolbenboden grenzt erfindungsgemäß ein erster Feuerstegabschnitt an, während ein an die Ringnut angrenzender dritter Feuerstegabschnitt vorgesehen ist. Der erste und der dritte Feuerstegabschnitt werden dabei über einen dazwischen angeordneten und zweiten Feuerstegabschnitt verbunden. Der erste Feuerstegabschnitt besitzt eine axiale Höhe h₁ , der zweite Feuerstegabschnitt eine axiale Höhe h₂ und der dritte Feuerstegabschnitt eine axiale Höhe h₃ . Zudem weisen der erste Feuerstegabschnitt einen oberen Außendurchmesser D₁ und der dritte Feuerstegabschnitts einen unteren Außendurchmesser D₃ auf, wobei der Kolben an einem Übergang vom ersten Feuerstegabschnitt zum zweiten Feuerstegabschnitt einen Außendurchmesser D₁₂ und an einem Übergang vom zweiten Feuerstegabschnitt zum dritten Feuerstegabschnitt einen Außendurchmesser D₂₃ besitzt. Erfindungsgemäß gilt zudem $(D_{12} - D_{23}) / h_{2} > (D_{23} - D_{3}) / h_{3} .$
Hierdurch kann erreicht werden, dass sich ein Spalt zwischen dem Kolben und einer Zylinderwandung ausgehend vom ersten Feuerstegabschnitt über den zweiten zum dritten Feuerstegabschnitt hin vergrößert. Der Außendurchmesser ist dabei im gesamten ersten Feuerstegabschnitt größer als ein maximaler Außendurchmesser im dritten Feuerstegabschnitt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Feuersteges ist es erstmals möglich, im Bereich des Kolbenbodens ein vergleichsweise geringes Radialspiel zur Zylinderwandung und damit einen vergleichsweise geringen Spalt zu schaffen, der den Eintritt einer Druckwelle beim Auftreten einer Vorentflammung erschwert. Durch die Aufweitung des Spaltes vom ersten Feuerstegabschnitt in Richtung des dritten Feuerstegabschnitts und damit in Richtung der an den dritten Feuerstegabschnitt angrenzenden Ringnut, kann zudem eine Druckreduzierung erreicht werden, wodurch die Gefahr des Brechens des Feuersteges sowie auch die Gefahr eines Brechens eines unterhalb der Ringnut angeordneten Steges deutlich reduziert werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist an einem Übergang vom Kolbenboden zum ersten Feuerstegabschnitt und/oder vom dritten Feuerstegabschnitt zur Ringnut jeweils keine Fase oder eine Fase mit einer axialen Fasenhöhe h_F von maximal 0,5 mm, bevorzugt von maximal 0,2 mm, angeordnet. Durch den Wegfall der Fase bzw. das Vorsehen einer nur sehr geringen Fase am Übergang vom dritten Feuerstegabschnitt in die Ringnut wird eine Druckausbreitung in die Ringnut zusätzlich erschwert, was die Gefahr des Brechens des Feuersteges ebenfalls reduziert. Durch den Wegfall der Fase bzw. das Vorsehen einer nur sehr geringen Fase am Übergang vom Kolbenboden zum ersten Feuerstegabschnitt wird eine Druckausbreitung in den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwandung erschwert.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der zweite Feuerstegabschnitt (im Querschnitt) konisch ausgebildet, wobei sich der Außendurchmesser im zweiten Feuerstegabschnitt in Richtung des dritten Feuerstegabschnitts stetig oder monoton reduziert. Hierdurch kann eine stetige Zunahme des Ringspaltes zwischen dem Kolben und der Zylinderwandung erreicht werden, was dazu beiträgt, beim Eintreten von unerwünschten Druckwellen den Druck derselben zunehmend zu reduzieren.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung reduziert sich der Außendurchmesser im zweiten Feuerstegabschnitt um ca. 0,5mm, sodass gilt (D₁₂ - D₂₃) ≈ 0,5 mm. Eine derartige Reduzierung betrifft Kolben mit einer axialen Höhe des Feuersteges von 4,5mm bis 7mm, vorzugsweise ca. 5,25mm. Derartige Ottomotoren werden üblicherweise aufgeladen, um deren Leistung zu erhöhen und den Verbrauch zu reduzieren, wodurch insbesondere bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment erreicht werden soll. Genau bei solchen aufgeladenen Ottomotoren tritt die Vorentflammung (LSPI) bevorzugt auf. Die genauen physikalischen und chemischen Ursachen hierfür sind noch unklar, wobei eine Theorie besagt, dass Öltröpfchen durch Spalte zwischen Kolben und Zylinderwand in den Brennraum gelangen, wo sie sich mit Kraftstoff vermischen und selbst entzünden. Eine andere Theorie besagt, dass Ablagerungen die Zündursache sind. Durch die Reduzierung des Außendurchmessers im zweiten Feuerstegabschnitt um ca. 0,5 mm, kann eine deutliche Druckreduzierung erreicht werden, welche die Gefahr des Brechens des Feuersteges zumindest minimiert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung gilt: h₁+h₃=h₂. Der die axiale Höhen h₁ und h₃ des ersten und dritten Feuerstegabschnitts entsprechen somit zusammen der axialen Höhe h₂ des zweiten Feuerstegabschnitts. Zusätzlich kann hier gelten, dass der erste Feuerstegabschnitt dieselbe axiale Höhe h₁ aufweist, wie der dritte Feuerstegabschnitt, so dass gilt; h₁=h₃. Bei dieser speziellen Ausgestaltung hat sich gezeigt, dass sowohl der druckreduzierende Effekt als auch das Verhindern des Übergangs der Druckwelle vom dritten Feuerstegabschnitt in die Ringnut optimiert werden können.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der zweite Feuerstegabschnitt eine Stufe auf oder ist eine Stufe, wobei sich der Außendurchmesser D₂₃ am Übergang des zweiten Feuerstegabschnitts zum dritten Feuerstegabschnitt stufenartig/sprungartig reduziert. Die Stufe kann dabei radial zur Kolbenachse oder leicht geneigt hierzu verlaufen. Durch eine derartige stufenartige Reduzierung des Außendurchmessers im zweiten Feuerstegabschnitt, kann eine sprunghafte Druckreduzierung beim Eintreten von Druckwellen aus dem Brennraum im Bereich des zweiten Feuerstegabschnitts erreicht werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens ist der zweiten Feuerstegabschnitt kurvenartig ausgebildet, wobei sich der Außendurchmesser des zweiten Feuerstegabschnitts in Richtung des dritten Feuerstegabschnitts kurvenartig und stetig und monoton, jedoch über die axiale Höhe gesehen unterschiedlich stark reduziert. Der Außendurchmesser reduziert sich somit von D₁₂ nach D₂₃ stetig und monoton. Der erste Feuerstegabschnitt besitzt dabei eine axiale Höhe h₁ , während der zweite Feuerstegabschnitt eine axiale Höhe h₂ und der dritte Feuerstegabschnitt eine axiale Höhe h₃ besitzt und wobei gilt: h₁+h₃=h₂ und h₁=h₃. Der erste und der dritte Feuerstegabschnitt besitzen somit eine gleich große axiale Höhe h₁ , h₃ , die jede für sich genommen, halb so groß ist wie die axiale Höhe h₂ des zweiten Feuerstegabschnitts. Hierdurch kann insbesondere ein zylindrischer Abschnitt des dritten Feuerstegabschnitts, der den scharfkantigen Übergang zur Ringnut schafft, bereitgestellt werden.
Vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass der erste Feuerstegabschnitt zylindrisch ausgebildet ist, das heißt D₁ = D₁₂ oder sich der obere Außendurchmesser D₁ in Richtung des Außendurchmessers D₁₂ am Übergang zum zweiten Feuerstegabschnitt stetig und/oder monoton reduziert. Zusätzlich oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der dritte Feuerstegabschnitt zylindrisch ausgebildet ist, das heißt D₂₃ = D₃ oder sich der Außendurchmesser D₂₃ in Richtung der Ringnut stetig und/oder monoton reduziert. Hierdurch kann insbesondere ein in dem ersten und/oder dritten Feuerstegabschnitt zylindrischer und damit einfach herzustellender Kolben geschaffen werden. „Stetig“ soll in der Anmeldung als sprungfrei, (kann aber Auf und Ab enthalten) und „monoton“ als ohne Gegenanstiege, aber ggfs. mit zylindrischen Abschnitten, also nicht unbedingt „streng monoton“, oder sogar mit Sprüngen, verstanden werden. Rein theoretisch kann der erste und der dritte Feuerstegabschnitt auch konisch, gewölbt oder trompetenförmig oder daraus zusammengesetzt ausgebildet sein. Nur der zweite Feuerstegabschnitt ist in keinem Fall zylindrisch.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinder sowie einem darin angeordneten Kolben entsprechend den vorherigen Absätzen anzugeben, wodurch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hinsichtlich des Effekts der Vorentflammung und der damit verbundenen Gefahr des Brechens des Feuersteges deutlich verbessert werden kann. Der dritte Feuerstegabschnitt kann dabei einen Abstand a₃ von 0,69mm zur Zylinderwandung des Zylinders aufweisen, während der erste Feuerstegabschnitt einen Abstand a₁ von 0,44mm aufweist. Die Querschnittsreduzierung beträgt somit 0,5mm, das heißt die Radienreduzierung 0,25 mm. Dies betrifft insbesondere Kolben kleinerer Ottomotoren mit einer axialen Höhe des Feuersteges von ca. 5mm. Besonders bei diesen aufgeladenen Ottomotoren treten die LSPI-Effekte verstärkt auf, so dass die Erfindung in diesem Fall besonderen Nutzen zeigt.
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 Komponenten beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kolben entsprechend einer ersten Ausführungsform,
2 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kolben entsprechend einer zweiten Ausführungsform,
3 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kolben entsprechend einer dritten Ausführungsform,
4 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kolben entsprechend einer vierten Ausführungsform,
5 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kolben entsprechend einer fünften Ausführungsform,
6 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kolben entsprechend einer sechsten Ausführungsform.

Entsprechend den 1 bis 6, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 für eine Brennkraftmaschine 2 einen Kolbenboden 3, einen umlaufenden Feuersteg 4 sowie zumindest eine an den Feuersteg 4 angrenzende Ringnut 5 zur Aufnahme eines Kolbenrings 6 auf. Erfindungsgemäß sind nun ein an den Kolbenboden 3 angrenzender erster Feuerstegabschnitt 7, ein an die Ringnut 5 angrenzender dritter Feuerstegabschnitt 8 sowie ein die beiden Feuerstegabschnitte 7, 8 verbindender und dazwischen angeordneter zweiter Feuerstegabschnitt 9 vorgesehen. Die Ringnut 5 besitzt, vorzugsweise parallele und in Radialrichtung 10 zur Kolbenachse 11 verlaufende, Nutflanken 12, 12', nämlich eine kolbenbodennahe Nutflanke 12 und eine kolbenbodenferne Nutflanke 12'. Der erste Feuerstegabschnitt 7 weist eine axiale Höhe h₁ , der zweite Feuerstegabschnitt 9 eine axiale Höhe h₂ und der dritte Feuerstegabschnitts 8 eine axiale Höhe h₃ auf. Der erste Feuerstegabschnitt 7 besitzt einen oberen Außendurchmesser D₁ und der dritte Feuerstegabschnitts 8 einen unteren Außendurchmesser D₃ , wobei der Kolben 1 an einem Übergang vom ersten Feuerstegabschnitt 7 zum zweiten Feuerstegabschnitt 9 einen Außendurchmesser D₁₂ und an einem Übergang vom zweiten Feuerstegabschnitt 9 zum dritten Feuerstegabschnitt 8 einen Außendurchmesser D₂₃ aufweist. Erfindungsgemäß gilt nun: $(D_{12} - D_{23}) / h_{2} > (D_{23} - D_{3}) / h_{3} .$
In anderen Worten bedeutet dies, dass der erste Feuerstegabschnitt 7 einen größeren Außendurchmesser aufweist als der dritte Feuerstegabschnitt 8 und sich der zweite Feuerstegabschnitt 9 hinsichtlich seines Außendurchmessers von D₁₂ nach D₂₃ reduziert. Die Reduzierung erfolgt stetig (vgl. die 1, 2 sowie 5 und 6) oder stufenartig (vgl. die 3 und 4), wobei der dritte Feuerstegabschnitt 8 zylindrisch und damit mit einem Außendurchmesser D₂₃ = D₃ ausgebildet sein kann. Im Bereich des dritten Feuerstegabschnitts 8 kann sich der Außendurchmesser D₂₃ in Richtung der Ringnut 5 alternativ auch stetig und/oder monoton reduzieren.
An einem Übergang vom Kolbenboden 3 zum ersten Feuerstegabschnitt 7 und/oder vom dritten Feuerstegabschnitt 8 zur Ringnut 5 kann jeweils keine Fase 13 oder eine Fase 13 mit einer axialen Fasenhöhe h_F von maximal 0,5 mm, bevorzugt von maximal 0,2 mm, angeordnet sein. Die Fasenhöhe h_F ist dabei Bestandteil der axialen Höhe h₁ oder h₃ . Hierdurch kann ein vergleichsweise scharfer Übergang vom Kolbenboden 3 zum ersten Feuerstegabschnitt 7 bzw. vom dritten Feuerstegabschnitt 8 in die Ringnut 5 erreicht werden kann.
Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Feuersteg 4 ist es möglich, einen Abstand a₁ zwischen dem Kolben 1 im Bereich seines Kolbenbodens 3 bzw. des ersten Feuerstegabschnitts 7 und einer Zylinderwandung 14 vergleichsweise klein zu halten, wodurch das Eindringen einer Druckwelle aus einem Brennraum 15 in einen Spalt 16 zwischen der Zylinderwandung 14 und dem Feuersteg 4 zumindest erschwert wird. Durch den sich in Richtung des dritten Feuerstegabschnitts 8 vergrößernden Abstand a des Feuersteges 4 zur Zylinderwandung 14 und damit durch eine Reduzierung des Außendurchmessers D, kann eine Art Diffusor geschaffen werden, durch welchen ein Druckniveau einer vom Brennraum 15 in den Spalt 16 eindringenden Druckwelle reduziert werden kann. Durch den vergleichsweise scharfen Übergang vom dritten Feuerstegabschnitt 8 in die kolbenbodennahe Nutflanke 12 der Ringnut 5 kann zudem ein Eindringen der Druckwelle in die Ringnut 5 erschwert werden, wodurch die Gefahr des Brechens des Feuersteges 4 deutlich reduziert werden kann.
Gemäß den 1 und 2 ist dabei der zweite Feuerstegabschnitt 9 konisch ausgebildet, wobei sich der Außendurchmesser im zweiten Feuerstegabschnitt 9 in Richtung des dritten Feuerstegabschnitts 8 ausgehend von D₁₂ in Richtung D₂₃ stetig oder monoton reduziert. Der Außendurchmesser D wird dabei immer in Radialrichtung 10 ausgehend von einer Kolbenachse 11 bestimmt und analog zum zugehörigen Feuerstegabschnitt 7, 8, 9 mit einer Indizes-Zahl versehen.
Der erste Feuerstegabschnitt 7 kann zylindrisch ausgebildet sein, das heißt D₁ = D₁₂ oder es kann sich der obere Außendurchmesser D₁ in Richtung des Außendurchmessers D₁₂ am Übergang zum zweiten Feuerstegabschnitt 9 stetig und/oder monoton reduzieren. Insgesamt kann sich dabei der Außendurchmesser im zweiten Feuerstegabschnitt um ca. 0,5mm reduzieren, wodurch eine Spaltaufweitung Δa = a₃ - a₁ = 0,25 mm erreicht werden kann. Diese Maße gelten insbesondere für Kolben 1 mit einer axialen Gesamthöhe des Feuersteges 4 von ca. 5mm.
Betrachtet man die 1 bis 6 weiter, so kann man erkennen, dass der erste Feuerstegabschnitt 7 eine axiale Höhe h₁ , der zweite Feuerstegabschnitt 9 eine axiale Höhe h₂ und der dritte Feuerstegabschnitt 8 eine axiale Höhe h₃ aufweist, wobei gemäß der 1 gilt, dass die Summe der axialen Höhe h₁ und h₂ des ersten und zweiten Feuerstegabschnitts 7, 9 in ungefähr der axialen Höhe h₃ des dritten Feuerstegabschnitts 8 entspricht. Bei dem gemäß der 2 dargestellten Kolben 1 hingegen ist die axiale Höhe h₁ des ersten Feuerstegabschnitts 7 deutlich größer und entspricht im Wesentlichen der axialen Höhe h₃ des dritten Feuerstegabschnitts 8, wobei gilt, dass die Summe der beiden axialen Höhen h₁ und h₃ des ersten und dritten Feuerstegabschnitts 7, 8 ungefähr der axialen Höhe h₂ des zweiten Feuerstegabschnitts 9 entspricht. Es gilt somit h₁+h₃=h₂, wobei gilt, h₁=h₃.
Gemäß den 3 und 4 ist der zweiter Feuerstegabschnitt 9 als Stufe 18 ausgebildet bzw. besitzt eine derartige Stufe 18, wobei sich der Außendurchmesser D_1,2 zu D_2,3 am Übergang des zweiten Feuerstegabschnitts 9 zum dritten Feuerstegabschnitt 8 stufenartig, das heißt unstetig bzw. sprungartig, reduziert. Hierbei kann beispielsweise gelten, dass die axiale Höhe h₃ des dritten Feuerstegabschnitts 8 ungefähr so groß ist wie dreimal die axiale Höhe h₁ des ersten Feuerstegabschnitts 7 (vgl. 3), so dass gilt: h₃= 3h₁.
Alternativ ist auch denkbar, dass die axiale Höhe h₁ des ersten Feuerstegabschnitts 7 ungefähr der axialen Höhe h₃ des dritten Feuerstegabschnitts 8 entspricht, so dass in diesem Fall folgende Formulierung gilt: h₃ = h₁ oder h₃≈ h₁. Bei einem stufenartigen Übergang im zweiten Feuerstegabschnitt 9 besitzt dieser eine axiale Höhe h₂ , die nahe Null ist. Deshalb sind der Außendurchmesser D₁₂ und der Außendurchmesser D₂₃ in den 3,4 von oben und unten gezeichnet.
Betrachtet man die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens 1 gemäß den 5 und 6, so kann man dort erkennen, dass der zweite Feuerstegabschnitt 9 kurvenartig ausgebildet ist, wobei sich der Außendurchmesser von D₁₂ nach D₂₃ stetig und monoton, aber nicht konisch reduziert. „Konisch“ bezieht sich hierbei selbstverständlich auf die Querschnittsform des zweiten Feuerstegabschnitts 9. Bei der gemäß der 5 dargestellten Ausführungsform gilt beispielsweise h₂=h₃, während bei der gemäß der 6 dargestellten Ausführungsform gilt: h₁+h₃=h₂ und h₁=h₃. Die Summe der axialen Höhen h₁+h₂+h₃ kann bei einem erfindungsgemäßen Kolben 1 ca. 5,25mm betragen.
An einem Übergang vom Kolbenboden 3 zum ersten Feuerstegabschnitt 7 und/oder vom dritten Feuerstegabschnitt 8 zur Ringnut 5 kann jeweils keine Fase 13 oder eine Fase 13 mit einer axialen Fasenhöhe h_F von maximal 0,5 mm, bevorzugt von maximal 0,2 mm, angeordnet sein.
Mit den erfindungsgemäßen Kolben 1 und damit auch mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 2 ist es möglich, einen Abstand a₁ zwischen einer Zylinderwandung 14 der Brennkraftmaschine 2 und dem Kolben 1 im Bereich des Kolbenbodens 3 bzw. im Bereich des ersten Feuerstegabschnitts 7 vergleichsweise klein zu halten, wodurch das Eindringen einer Druckwelle in den Spalt 16, insbesondere bei Vorentflammung, erschwert wird.
Durch die sich in Richtung des dritten Feuerstegabschnitts 8 aufweitende Spaltweite (Abstand a₃) des Spaltes 16 kann zudem eine Reduzierung des Druckniveaus erreicht werden, wobei zugleich durch den zylinderartig ausgestalteten dritten Feuerstegabschnitt 8 und den scharfkantigen Übergang vom dritten Feuerstegabschnitt 8 in die Ringnut 5 ein Eindringen der Druckwelle in die Ringnut 5 erschwert und damit die Gefahr eines Brechens des Feuersteges 4 reduziert werden kann. Insgesamt können dadurch negative Auswirkungen des Low Speed Pre-Ignition (LSPI, Vorentflammung) deutlich reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19818869 C1 [0003]
DE 3407405 C1 [0004]

Claims

Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine (2) mit einem Kolbenboden (3), einem umlaufenden Feuersteg (4) und zumindest einer an den Feuersteg (4) angrenzenden Ringnut (5) zur Aufnahme eines Kolbenrings (6), dadurch gekennzeichnet, - dass ein an den Kolbenboden (3) angrenzender erster Feuerstegabschnitt (7), ein an die Ringnut (5) angrenzender dritter Feuerstegabschnitt (8) und ein die beiden Feuerstegabschnitte (7,8) verbindender und dazwischen angeordneter zweiter Feuerstegabschnitt (9) vorgesehen sind, - dass der erste Feuerstegabschnitt (7) eine axiale Höhe h₁, der zweite Feuerstegabschnitt (9) eine axiale Höhe h₂ und der dritte Feuerstegabschnitts (8) eine axiale Höhe h₃ aufweist, - dass der erste Feuerstegabschnitt (7) einen oberen Außendurchmesser D₁ und der dritte Feuerstegabschnitts (8) einen unteren Außendurchmesser D₃ aufweist, wobei der Kolben (1) an einem Übergang vom ersten Feuerstegabschnitt (7) zum zweiten Feuerstegabschnitt (9) einen Außendurchmesser D₁₂ und an einem Übergang vom zweiten Feuerstegabschnitt (9) zum dritten Feuerstegabschnitt (8) einen Außendurchmesser D₂₃ aufweist, - dass gilt; (D₁₂ - D₂₃)/h₂ > (D₂₃ - D₃)/h₃.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Feuerstegabschnitt (9) konisch ausgebildet ist, wobei sich der Außendurchmesser im zweiten Feuerstegabschnitt (9) in Richtung des dritten Feuerstegabschnitts (8) stetig oder monoton reduziert.
Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass gilt; (D₁₂ - D₂₃) ≈ 0,5 mm.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass an einem Übergang vom Kolbenboden (3) zum ersten Feuerstegabschnitt (7) und/oder vom dritten Feuerstegabschnitt (8) zur Ringnut (5) jeweils keine Fase (13) oder eine Fase (13) mit einer axialen Fasenhöhe h_F von maximal 0,5 mm, bevorzugt von maximal 0,2 mm, angeordnet ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass gilt; h₁ + h₃ = h₂.
Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass gilt; h₁ = h₃.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Feuerstegabschnitt (9) eine Stufe (18) aufweist oder eine Stufe (18) ist, wobei sich der Außendurchmesser D₂₃ am Übergang des zweiten Feuerstegabschnitts (9) zum dritten Feuerstegabschnitt (8) stufenartig/sprungartig reduziert.
Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass entweder gilt; h₃ = h₁ oder h₃ = 3h₁.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Feuerstegabschnitt (9) kurvenartig ausgebildet ist, wobei sich der Außendurchmesser von D₁₂ nach D₂₃ stetig und monoton reduziert.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass gilt; h₁ + h₃ = h₂ und h₁ = h₃.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gilt; h₁ + h₂ + h₃ = 5,25 mm.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (5) weiterhin eine kolbenbodenferne Nutflanke (12') aufweist, wobei die kolbenbodennahe Nutflanke (12) und die kolbenbodenferne Nutflanke (12') parallel und in Radialrichtung (10) verlaufen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Feuerstegabschnitt (7) zylindrisch ausgebildet ist, das heißt D₁ = D₁₂ oder sich der obere Außendurchmesser D₁ in Richtung des Außendurchmessers D₁₂ am Übergang zum zweiten Feuerstegabschnitt (9) stetig und/oder monoton reduziert.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Feuerstegabschnitt (8) zylindrisch ausgebildet ist, das heißt D₂₃ = D₃ oder sich der Außendurchmesser D₂₃ in Richtung der Ringnut (5) stetig und/oder monoton reduziert.
Brennkraftmaschine (2) mit einem Zylinder und einem darin angeordneten Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.