Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ausführungen für leichte und reibungsarme Kolben sind z.B. u.a. aus DE 34 30 258 A1 und DE 34 46 121 A1 be¬ kannt. Unbefriedigend bei diesen Kolben ist in der Regel deren Geräuschverhalten. Durch die dort ver¬ wirklichten extrem kurzen Schaftlängen kann der Kol¬ ben nicht so genau geführt werden, daß ein Kolbenkip¬ pen verbunden mit einem Anstoßen des Kolbenkopfes an die Zylinderlaufbahn in allen Betriebszuständen si¬ cher vermieden werden kann. Ein Anstoßen des Kolben¬ kopfes an die Zylinderlaufbahn führt wiederum zu un¬ erwünscht hohen Kolbenlaufgeräuschen . Dies gilt ins¬ besondere für einen Motorbetrieb im Anfahr- und Teil¬ lastzustand, in dem das Schaftspiel wegen der bei diesen Betriebszuständen niedrigen Schafttemperaturen noch nicht seinen im Motorlastbetrieb niedrigeren Wert erreicht hat. Der im Lastbetrieb niedrigere Wert ergibt sich aus der wärmebedingten Ausdehnung des Schaftmaterials, wobei die Ausdehnung in Druck-Gegen-

druckrichtung des Kolbens durch dehnungsregelnde Ein¬ legestreifen noch zusätzlich reduziert werden kann.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu¬ grunde, bei den vorgenannten bekannten leichten und reibungsarmen Kolben mit jeweils extrem kurzen Schaftlängen das Laufgeräusch und zwar insbesondere im Anfahr- und Teillastbereich deutlich zu verrin¬ gern.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Kolben mit der Form und den Abmessungen nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un¬ teransprüche, wobei insbesondere die Ausführung nach den Ansprüchen 19 - 22 nochmals zusätzliche Verbesse¬ rungen bewirkt.

Die in den Ansprüchen 19 - 22 vorgeschlagenen Ring¬ einlagen in dem Kolbenkopf unterscheiden sich von ähnlichen in der EP-A 0 210 649 beschriebenen Einla¬ gen besonders dadurch, daß sie nicht wie in jenem vorbekannten Stand der Technik im Feuerstegbereich oberhalb der Ringnuten, sondern ausschließlich im Be¬ reich radial innerhalb der Ringnuten angeordnet sind. Dadurch können sie direkt auf den Bereich der Rings¬ tege einwirken, an denen durch Einschränkung der Wär¬ meausdehnung bereits im Kaltzustand ein möglichst en¬ ges Laufspiel vorgebbar sein soll.

Eine nähere Erläuterung der Erfindung und der damit

erzielbaren Vorteile erfolgt anhand der in der Zeich¬ nung dargestellten Ausführungsbeispiele.

Es zeigen

Fig. 1 einen Kolben in einer Längshälfte im Schnitt nach Linie I - I und in der anderen Hälfte in Ansicht in Richtung der Pfeile I - I

Fig. 2 einen Schnitt durch den Kolben nach Linie II - II

Fig. 3 den Kolben in einer Längshälfte im Schnitt nach Linie III - III und in der anderen Hälfte in Richtung der Pfeile III - III

Fig. 4 das Kaltspiel S zwischen Außeπform des Kolbens und Zylinderlaufflache in Druck-Gegendruckrichtung DR-GDR und in Bolzenrichtung BR

Fig. 5a, b Längsschnitte durch je eine Kolbenhälfte mit einer Ringeinlage im Kolbenkopf

Fig. 6a, b einen Schnitt durch den Kolbenkopf nach den Pfeilen VI - VI in Fig. 5

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine weitere

Ausführungsform eines Kolbens mit einer

Ringeinlage im Kolbenkopf im Bereich radial innerhalb der Kolbenringnuten

Fig. 8a, b einen Längsschnitt durch zwei alternative Kolbenausführungen mit einer u fangs äßig geteilten

Ringeinlage im Kolbenkopf und einer umfangsmäßig ebenfalls geteilten dehnungsregelnden Einlage im

Schaft, wobei beide Einlagen jeweils einstückig miteinander verbunden sind

Fig. 9 einen Schnitt durch den Kolbeπkopf nach Linie IX - IX in Fig. 8

Fig. 10 einen Schnitt durch den Kolbenschaft nach Linie X - X in Fig. 8

Der Kolben besteht aus einer Aluminium-Silizium-Le¬ gierung. In seinem Kopfteil sind Ringnuten 2 und 3 für Kompressionsringe und eine darunterliegende Rin¬ gnut 4 zur Aufnahme eines Ölabstreif inges vorgese¬ hen.

Die für die Erfindung wesentlichen in der Zeichnung, insbesondere in Fig. 4 eigetragenen Kolbenabmessungen sind wie folgt definiert:

L = (0,45 - 0,65) D

H = (0,25 - 0,4) D

A = (0,3 - 0,4) D

A größer gleich B

T = (0,45 - 0,8) D

C größer gleich 0,1 A

E größer gleich 0,1 A

F größer gleich 0,25 A kleiner gleich 0,75 A

mit

L = maximale Länge des Kolbens

D = maximaler Durchmesser des Kolbens

H = Kompressionshöhe

A = mittlere Schafthöhe unterhalb der untersten Ringnut in einem Umfangsbereich mit etwa gleicher Schafthöhe von mindestens 45 Grad auf jeder der beiden Tragseiten des Kolbens (Umfangsbereich zwischen den Kolbennaben 6)

B = maximale Schafthöhe außerhalb der Schaft¬ bereiche mit der Höhe A (In der Zeichnung

nicht dargestellt, da Schaft über gesamten Umfang gleiche Höhe besitzt)

T = Diametraler gegenseitiger Abstand der radial außen liegenden Nabenbohrungsenden

C = axialer Höhenbereich am oberen Schaftende in dem die Höhe A aufweisenden Schaf bereich, der zumindest in einem in Druck-Gegendruck¬ richtung (DR-GDR) liegenden Schaftbereich zur Ausbildung eines hydrodynamischen Schmier¬ filmkeiles radial konusartig eingezogen ist

E = axialer Bereich am unteren Schaftende in dem die Höhe A aufweisenden Schaftbereich, der zumindest in einem in Druck-Gegendruckrichtung (DR-GDR) liegenden Schaftbereich zur Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilmkeiles radial konusartig eingezogen ist

F = axiale Höhe eines in dem die Höhe A aufweisenden Schaftbereich zwischen den durch die Höhen C und E definierten Schaftbereichen zumindest in Druck- Gegendruckrichtung (DR-GDR) liegenden Bereiches.

Ferner weisen die Ringstege zwischen den Kolbenrin¬ gnuten 2, 3, 4 und der Schaftbereich F bei motorbe- triebswarmem Kolben in etwa das gleiche Laufspiel ge¬ genüber der Zylinderlaufbahn aus.

Im Inneren des Schaftes 5 sind zwischen den Naben 6 in Umfangsrichtung als dehnungsregelnde Einlagen 7

Stahlstreifen eingeformt. Der Schaft 5 ist durch ra¬ diale Querschlitze 8 im Bereiche zwischen den Naben 6 von dem Kolbenkopf getrennt.

Bis auf den Feuerstegbereich ist der zylindrischen Grundform des Kolbens eine Ovalität überlagert, deren große Achse in Druck-Gegendruckrichtung (DR-GDR in Fig. 2) und deren kleine Achse in Bolzeπrichtung liegt .

Der genaue Verlauf der Kolbenaußenfläche ist in Fig. 4 wiedergegeben. Der in dieser Figur eingetragene Kolbenumriß mit den dazu angegebenen Bereichsangaben A = 30 mm, C = 10,5 mm, E = 6,5 mm, F = 13 mm, H = 30 mm und L = 49 mm ist maßstabsgetreu gezeichnet. Der Durchmesser D = 86 mm und T = 63 mm. Dabei beziehen sich die Werte auf eine besonders vorteilhafte Ausge¬ staltung des in den Fig. 1 - 3 dargestellten für ei¬ nen Einsatz in einem Graugußzylinder bestimmten Kol¬ bens. In bezug auf die Erfindung kommt es insbesonde¬ re auf die Kolbenaußenform in Druck-Gegendruckrich¬ tung (DR-GDR) an, auf die die in den Ansprüchen ange¬ gebenen Laufspiele abgestellt sind.

Bei warmem Motor gleitet der Kolben gleichzeitig in dem Bereich F sowie an dem ersten und zweiten Rings¬ teg an der Zylinderlaufbahn, d.h. der Kolben erhält in diesen Bereichen seine Führung. Diese in zwei axi¬ al auseinanderliegenden Bereichen erfolgende Kolben¬ führung ist für einen geräuscharmen Kolbenlauf äu¬ ßerst wichtig. Denn zur Erzieluπg eines geräuscharmen Laufes muß der Kolben in einem axial ausreichend ho-

hen Bereich so geführt sein, daß ein durch die Pleu¬ elauslenkung ausgelöstes Kolbenkippen weitestgehend vermieden werden kann. Bei flachen Kolben mit ent¬ sprechend niedrigen Schafthöhen bereitet diese Forde¬ rung meist ein unlösbares Problem. Hier schafft die Erfindung dadurch Abhilfe, daß die Ringstege zur Kol¬ benführung mit herangezogen werden. Dies geschieht dadurch, daß das Kaltspiel dort im Gegensatz zu dem bisher bekannten Stand der Technik so ausgelegt wird, daß das Warmspiel dort etwa demjenigen Warmspiel im Bereich F entspricht»

Zur weiteren Förderung eines -geräuscharmen Kolbenlau¬ fes werden die über und unter dem Kolbenlaufbereich F liegenden Schaftbereiche in dem in der Fig. 4 einge¬ tragenen Maße konisch zurückgenommen, um in diesen Bereichen ein hydrodynamisches Aufschwimmen des Kol¬ benschaftes zu bewirken.

In der Fig. 4 ist jeweils die Kolbenaußenform in Druck-Gegendruckrichtung sowie in Bolzenrichtung ein¬ getragen. Die dazwischenliegenden Bereiche der Kol¬ benaußenform gehen jeweils stetig in die Maße jener beiden Hauptrichtungeπ über.

Eine weitere Verbesserung bewirkt das Einbringen ei¬ ner streifenförmigeπ Einlage in Form entweder eines geschlossenen Stahlringes 9 oder eines Paares einer Ringsegmeπteinlage 10 in den Kolbeπkopf im Bereich radial hinter den Ringnuten 2, 3, 4. Bei Verwendung des Paares ringsegmentartiger Einlagen 10 ist jeweils

ein Teil dieses Paares in den Kolbentragseiten zwi¬ schen den Naben in die Naben einlaufend angeordnet.

Durch diese Einlagen in geschlossener oder segmentar¬ tiger Form wird die Ausdehnung in dem Bereich der Kolbenringstege bei Kolbenerwärmung erheblich vermin¬ dert. Die Einlage bzw. Einlagen 9, 10 ist bzw. sind im wesentlichen auf den Bereich unterhalb des Feuer¬ stegbereiches beschränkt. In Richtung Schaftende kön¬ nen die Einlagen 9, 10 jeweils aus dem Kolbenbodenma¬ terial herausragen. Zweckmäßig ist dies deshalb, weil die Einlagen auf diese Weise relativ einfach in der für die Herstellung des Kolbens benutzten Gießform fixiert werden können.

In Fig. 5 - 7 sind verschiedene Versionen der Lage eines in d Kopfteil des Kolbens eingebrachten ge¬ schlossenen Ringes 9 dargestellt, bei denen der Ring 9 radial innen mehr oder weniger freigelegt ist. Fig. 6 zeigt einen unterschiedlichen Verlauf des Ringes 9 im Bereich der Naben 6 des Kolbens. Bei der Alterna¬ tive nach Fig. 6a verläuft der Ring 9 innerhalb der Naben 6 in der Nähe des Außenumfanges , während er bei Fig. 6b den Nabenbereich in einem radial weiter innen liegenden Bereich geradlinig sehnenartig durchläuft.

Bei den Ausführungsarten nach Fig. 8 sind anstelle eines geschlossenen Ringes 9 jeweils Ringsegmente 10 in die zwischen den Naben 6 liegenden Kolbenkopfbe- reiche eingebracht, wobei diese Ringsegmente 10 bis jeweils in die Naben 6 hineinreichen. Die Ringseg en-

te 10 sind darüberhinaus einteilig mit den Schaftein¬ lagen 7 verbunden.

Die Ausführungen nach Fig. 8a und b unterscheiden sich lediglich dadurch, daß bei dem Kolben nach Fig. 8b Kolbenkopf und -schaft durch einen radialen Schlitz 8 voneinander getrennt sind.

Die wärmeausdehnungshemmende Wirkung der Einlagen 9, 10 beruht im wesentlichen darauf, daß das radial au¬ ßen auf den Einlagen anliegende Kolbengrundmaterial bei der Herstellung des Kolbens, beispielsweise wenn dieser gegossen wird, beim Abkühlen des Kolbenmateri¬ als auf die Einlagen aufschrumpf . Bei Wiedererwär¬ mung des Kolbeπmaterials muß dann zunächst einmal die Schrumpfspannung abgebaut werden, bevor eine tatsäch¬ liche Ausdehnung erfolgen kann.

Ein Abstand der Einlagen 9, 10 von der Kolbenbodeπ- oberfläche ist notwendig, um die Wärme von dem Kol¬ benboden zu den Kolbenringen fließen lassen zu kön¬ nen.

Der radiale Schlitz zwischen Kolbenkopf und Schaft ist günstig für niedrige Schaftspiele.

Mit dem in Fig. 7 gezeigten relativ weit in Richtung des Kolbenschaftes verlaufenden Ring 9 wird gleich¬ zeitig noch eine Regelwirkung auf den Schaft ausge¬ übt.

Mit den Einlagen 9, 10 entsprechend den Ausführungen

in den Fig. 5 - 10 läßt sich in dem Kolbeπkopf an dem unteren Ringsteg (unterhalb der Ringnut 3) ein Kalt¬ spiel von 1,5 Promille und am oberen Ringsteg (zwi¬ schen Ringnut 1 und 2) ein solches von 2,2 Promille jeweils bezogen auf den Durchmesser des Kolbens er¬ zielen. Der Feuersteg des Kolb'enkopfes wird jeweils nicht mit zur Kolbenführung herangezogen.