Material auf Eisenbasis

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft einen gegossenen Kolben für einen Verbrennungsmotor, aus einem Material auf Eisenbasis.

An Kolben von Verbrennungsmotoren bestehen im Allgemeinen die Anforderungen, dass diese mit möglichst geringem Gewicht ausgeführt sind und gleichzeitig den Belastungen während des Betriebs standhalten.

STAND DER TECHNIK

Insbesondere Kolben aus Stahl werden üblicherweise in ein- oder zweiteiliger Ausführung geschmiedet. Leichtmetallkolben aus Aluminiumlegierungen werden üblicherweise gegossen.

Aus der US 7,406,941 B2 ist ein gegossener Stahlkolben bekannt, der im Bereich von Seitenwänden, welche die

Kolbenbolzennaben tragen, Aussparungen aufweist. Ein

ähnlicher Kolben geht aus der DE 10 2013 215538 B4 hervor.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Koben für einen Verbrennungsmotor

insbesondere im Hinblick auf den Herstellungsaufwand und/oder die Reibung und/oder die Geräuschemissionen zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen Kolben.

Demzufolge ist dieser aus einem Material auf Eisenbasis gegossen und weist in zumindest einer Seitenwand, die eine Kolbenbolzennabe trägt, Fenster, mit anderen Worten

Durchbrüche oder durchgehende Aussparungen auf, die

zueinander zumindest auf der Seite der Schaftwände

asymmetrisch sind. Bei den Schaftwänden handelt es sich um diejenigen Abschnitte von Zylindermantelflächen, mit denen der Kolben im Betrieb im Gleitkontakt mit einer

Zylinderbohrung oder einer darin eingesetzten

Zylinderlaufbuchse ist. Zu der Kolbenbolzennabe sei erwähnt, dass diese bevorzugt geschlossen ist, mit anderen Worten mit Ausnahme einer Aushebenut keine Unterbrechungen aufweist. Ferner sei betont, dass der erfindungsgemäße Kolben bevorzugt einteilig gegossen ist, bevorzugt einen Kühlkanal aufweist, und bevorzugt als Dieselkolben eingesetzt wird.

Durch die beschriebene, asymmetrische Ausbildung der Fenster kann zum einen, abhängig von den Belastungen auf der Druck- und Gegendruckseite verglichen mit den bislang bekannten Kolben zusätzliches Gewicht eingespart werden. Gleichzeitig kann durch geeignete Untersuchungen sichergestellt werden, dass die Anforderungen im Hinblick auf die Belastungen im Betrieb jeweils erfüllt werden. In diesem Zusammenhang wird Gießen als das Herstellungsverfahren besonders vorteilhaft eingesetzt, weil es höhere Freiheitsgrade bei der Formgebung und Ausbildung von komplexen Geometrien ermöglicht, so dass insgesamt kostengünstig eine spannungsoptimierte Kolbenform erzeugt werden kann, und teure und aufwändige spanende

Bearbeitung reduziert werden kann.

Ein weiterer, vorteilhafter Effekt der beschriebenen Fenster besteht darin, dass die Nachgiebigkeit des Schafts im Bereich oberhalb der Bolzenachse erhöht wird. Durch die sich hieraus ergebende umfangreichere Deformation des Schafts beim

Anlagewechsel wird der auf die Zylinderbohrung übertragene Impuls reduziert, so dass Geräuschemissionen verringert werden. Beispielsweise durch FE-Analyse kann weiterhin die notwendige Festigkeit sichergestellt werden. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch die Verwendung eines Werkstoffs auf Eisenbasis, der eine höhere Festigkeit aufweist als üblicherweise beim Gießen verwendete Aluminiumwerkstoffe.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn ein Fenster, auf zumindest einer Seite des Kolbens und zumindest einer Seite der Kolbenbolzenbohrung, bevorzugt der Gegendruckseite, bis in die Schaftwand reicht. Mit anderen Worten ist die

zylindrische Schaftwandfläche in diesem Bereich

angeschnitten, so dass sich der Tragbereich des Kolbens, mit anderen Worten die Kontaktfläche zwischen Kolbenschaft und Zylinderwand verringert. Dies reduziert die Reibung, und als Konsequenz in vorteilhafter Weise den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen. Es sei erwähnt, dass es trotz der bevorzugten Ausbildung der beschriebenen Maßnahme auf der Gegendruckseite Situationen im Hinblick auf den Einsatz des Kolbens und die daraus resultierende Belastung geben kann, bei denen die beschriebene Gestaltung auf der Druckseite oder beiden Seiten bevorzugt wird.

Für eine harmonische Gestaltung des jeweiligen Fensters wird bevorzugt, dass die Schaftwand konkav angeschnitten ist, somit an der Schaftwand eine konkave Struktur verbleibt.

Besonders umfangreich können die beschriebenen Vorteile genutzt werden, wenn die Breite der Schaftwand in

Umfangsrichtung infolge des oder der Fenster (s) an ihrer schmälsten Stelle, verglichen mit der breitesten Stelle um zumindest 40% verringert ist. Für die Anordnung der Fenster hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest eines der vorhandenen Fenster, bevorzugt sämtliche Fenster, überwiegend in derjenigen Hälfte der Seitenwand, entlang der Kolbenhubachse, ausgebildet sind, die näher zum Kolbenboden liegt, der den Brennraum begrenzt.

Besonders bevorzugt wird eine Gestaltung, bei der sich das Fenster lediglich geringfügig in die untere Hälfte erstreckt. Beispielsweise kann das Fenster an seiner „höchsten" Stelle eine Erstreckung über mindestens 40%, bevorzugt mindestens 60% der Schaft- oder Seitenwandhöhe aufweisen und/oder unmittelbar am oberen Ende derselben beginnen.

Im Hinblick auf das Material des erfindungsgemäßen Kolbens wird derzeit zum einen Gusseisen mit Kugelgraphit, mit anderen Worten Sphäroguss bevorzugt. Dieser Werkstoff weist in vorteilhafter Weise ein geringes spezifisches Gewicht auf, das insbesondere geringer ist als das von Schmiedestählen.

In bestimmten Situationen kann jedoch Stahlguss als Werkstoff bevorzugt sein, der zwar eine höhere Dichte aufweist, jedoch im Gegenzug eine höhere Festigkeit. Hierdurch können

zusätzlich Wanddicken verringert, und das Gewicht insgesamt gesenkt werden. Unabhängig vom Material wird derzeit Sandguss als Gießverfahren bevorzugt, wenngleich auch Kokillenguss denkbar ist.

Ferner wird für den Werkstoff des erfindungsgemäßen Kolbens bevorzugt, dass er eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Stahl aufweist, so dass der Aufheizprozess des

Verbrennungsmotors in der Warmlaufphase beschleunigt werden kann. Hierdurch erreicht der Motor schneller die

Betriebstemperatur und damit den effizienten Betriebsbereich, so dass Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen weiter verringert werden können. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines beispielhaft in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kolbens in

Richtung der Kolbenbolzenachse; und

Fig. 2 eine Seitenansicht des Kolbens von Fig. 1 aus einer

Richtung senkrecht hierzu.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Kolben 10 zum einen ein Ringfeld 12 und zum anderen

Schaftwände 14 auf, die durch Seitenwände 16 verbunden sind, welche die Kolbenbolzennaben 22 tragen. In dem gezeigten Fall sind beide Seitenwände 16, also auch diejenige Seitenwand, die gemäß Fig. 1 vom Betrachter abgewandt ist, mit zwei

Fenstern 18, 20 versehen, die zu beiden Seiten der

Kolbenbolzennabe 22 im jeweils oberen Bereich der Seitenwand 16 ausgebildet sind. An ihrer Oberseite grenzen die Fenster 18, 20 unmittelbar an die untere Nutwange der untersten

Ringnut an, und ihre Begrenzung verläuft im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Kolbenhubachse. An ihrer Unterseite verlaufen die Begrenzungen der Fenster 18, 20 jeweils in Richtung der Kolbenbolzenachse schräg ansteigend, und die seitliche Begrenzung auf Seiten der Kolbenbolzennabe 22 verläuft (gemäß der Darstellung in Fig. 1) von unten nach oben nach außen geneigt. Auf der anderen Seite, d. h. der Seite der Schaftwand 14 weist das kleinere Fenster 18 eine im Wesentlichen in Richtung der Kolbenhubachse verlaufende

Begrenzung auf, und sämtliche Übergänge zwischen den

beschriebenen Begrenzungen sind gerundet ausgeführt, um eine Spanungsoptimierung zu gewährleisten, und die Anfälligkeit für Risse zu reduzieren.

Insbesondere auf der rechten Seite gemäß Fig. 1, die

typischerweise die Gegendruckseite sein könnte, zeigt sich bei dem dortigen Fenster 20 die Besonderheit des

erfindungsgemäßen Kolbens. Hier ist das Fenster 20 deutlich asymmetrisch zu dem Fenster 18 ausgebildet und reicht

insbesondere bis in den Bereich der Schaftwand 14.

Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Schaftwand 14 somit in diesem Bereich konkav angeschnitten, und ihr

Tragbereich verringert sich insbesondere in ihrer oberen Hälfte erheblich. Hierdurch können die oben beschriebenen Wirkungen erzielt werden. Die Form des Fensters bei der

Betrachtungsrichtung gemäß Fig. 2, das heißt senkrecht zur Kolbenbolzenachse, kann im unteren Bereich als parallel zu einer Ebene senkrecht zur Kolbenhubachse, und im weiteren Verlauf mit vergleichsweise großem Krümmungsradius und zumindest bereichsweise parallel zur Kolbenhubachse

beschrieben werden. Aus den genannten Gründen sind jegliche Übergänge gerundet ausgeführt. Im unteren Bereich ist die Schaftwand 14 mit seitlichen Rändern parallel zur

Kolbenhubachse ausgeführt. Dies gilt bevorzugt auch für die andere, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht

angeschnittene Seitenwand. Die unteren Ränder derselben sind bevorzugt parallel zu einer Ebene senkrecht zur

Kolbenhubachse, und die unteren Ränder der Seitenwände 16 sind zumindest geringfügig konkav gerundet, wobei diese konkave Rundung bei dem gezeigten Beispiel auf der Druckseite umfangreicher, das heißt mit einem kleineren Krümmungsradius versehen ist, als auf der Gegendruckseite. Zu dem

erfindungsgemäßen Kolben sei noch erwähnt, dass er eine

Brennraummulde und/oder einen Kühlkanal aufweisen kann.