DE102004002759A1

DE102004002759A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004002759A1
Application number: DE102004002759A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl.-Ing. Leweux; Wolfgang Dipl.-Ing. Pellkofer; Harald Dipl.-Ing. Pfeffinger
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2005-08-04
Also published as: WO2005068812A2; US20060278071A1; US7267045B2; WO2005068812A3

Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, mit einer Kolbenlaufbahn (1), wobei die Kolbenlaufbahn (1) in Bereiche unterschiedlicher Belastung aufteilbar ist, mit Vertiefungen (3) zur Einlagerung von Schmiermittel, wobei die Abstände in Bereichen hoher Belastung kleiner als in Bereichen niederer Belastung sind. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist bei der Brennkraftmaschine, dass in einem Bereich mit hoher Belastung sich der Abstand der Vertiefungen (3) in Richtung des oberen Kolbenumkehrpunkts (2) von einer Vertiefung (3) zur nächsten verringert und damit am oberen Kolbenumkehrpunkt (2) den kleinsten Wert annimmt. DOLLAR A Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Patentschrift DE 43 16 012 C2 ist ein Verfahren bekannt, durch das Vertiefungen in der Kolbenlaufbahn einer Brennkraftmaschine erzeugt werden können. Dabei handelt sich um linienförmige Vertiefungen, die in Teilbereichen der Werkstückoberfläche in Reihen konstanten Abstandes angeordnet sind. In den Vertiefungen lagert sich Schmiermittel ein, so dass eine gleichmäßige und ausreichende Schmiermittelversorgung gewährleistet ist.

Es ist vorgesehen, dass in besonders verschleißintensiven Bereichen die Vertiefungen einen kleineren Reihenabstand aufweisen als in anschließenden Bereichen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Anordnung der Vertiefungen bereitzustellen, die eine individuellere Anpassung der Schmiermittelversorgung an die Belastung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass sich der Abstand der Vertiefungen in einem Bereich mit hoher Belastung in Richtung oberen Kolbenumkehrpunkt von einer Vertiefung zu nächsten verringert und damit am oberen Kolbenumkehrpunkt den kleinsten Wert annimmt. In vorteilhafter Weise ist durch die Anordnung eine individuelle Anpassung der Schmiermittelversorgung gewährleistet. Am oberen Kolbenumkehrpunkt liegen die Vertiefungen sehr nah beieinander, d.h. entsprechend der hohen Belastung von Kolben und Kolbenlaufbahn steht viel Schmiermittel zur Verfügung. Die Belastung setzt sich aus einer thermischen und mechanischen Belastung zusammen. In Richtung unteren Kolbenumkehrpunkt nimmt die Belastung ab, entsprechend nehmen die Abstände der Vertiefungen in Kolbenbewegungsrichtung zu. Damit ist einem Überangebot an Schmiermittel entgegengewirkt, das sich ungünstig auf Schmiermittelverbrauch und Abgaswerte auswirkt. Die Vertiefungen können eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise rund, eckig, unregelmäßig oder länglich. Gleichermaßen können die Vertiefungen ein unterschiedliches Breiten-/Höhenverhältnis und unterschiedliche Tiefe aufweisen. Eine Variation dieser geometrischen Größen ist darüber hinaus zur Steuerung des Schmiermittelangebots nutzbar.

In Ausgestaltung der Erfindung sind die Vertiefungen in beabstandeten Reihen angeordnet. Die Vertiefungen sind in der Kolbenlaufbahn in Umfangsrichtung in parallelen Reihen angeordnet. Die Reihen sind rechtwinklig oder unter einem vorgebbaren Winkel zur Zylinderbohrungsmittelachse ausgerichtet. Der Abstand der Vertiefungen in Umfangsrichtung ist bevorzugt konstant, ist aber auch nach Bedarf variierbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Vertiefungen einer Reihe in bezug auf die benachbarten Reihen in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt. In vorteilhafter Weise ist damit eine gleichmäßige Benetzung der Kolbenlaufbahn mit Schmiermittel erreichbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung tritt in Kolbenbewegungsrichtung eine Überschneidung der Vertiefungen auf. In Umfangsrichtung weisen die Vertiefungen eine so große Längenausdehnung auf, dass in Kolbenbewegungsrichtung eine Überschneidung der benachbarten Vertiefungen ermöglicht ist. Diese Anordnung stellt sicher, dass jede Stelle des Kolbenringsystems bei eine Hoch- oder Abwärtsbewegung des Kolbens von Vertiefungen überstrichen und die Kolbenlaufbahn durchgängig benetzt ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Vertiefungen auf der Laufbahn wendelförmig angeordnet, wobei die Steigung der Wendel in Richtung oberen Kolbenumkehrpunkt abnimmt. Die Vertiefungen sind auf einer Linie, die sich als Wendel über die Kolbenlaufbahn erstreckt, angeordnet. Der Abstand einer auf der Linie liegenden Vertiefung zur nächsten auf der Linie liegenden Vertiefung ist nach Bedarf variierbar. Sind aufgrund geringer Belastungen wenig Vertiefungen zu Einlagerung von Schmiermittel erforderlich, so ist die Steigung der Wendel groß. Mit Annäherung an den oberen Kolbenumkehrpunkt steigt die Belastung von Kolbenlaufbahn und Kolben, damit steigt der Schmierungsbedarf und in diesem Bereich sind mehr Vertiefungen erforderlich. Dazu ist die Steigung der Wendel über eine Rücknahme des Steigungswinkels reduziert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Vertiefungen stochastisch verteilt und die Verteilungsdichte steigt in Richtung oberen Kolbenumkehrpunkt an. Die Anzahl der Vertiefungen stehen im Verhältnis zu dem erforderlichen Schmiermittelbedarf. Eine unregelmäßige, zufällige Verteilung ermöglicht den Einsatz von Verfahren, die keine hohe Präzision in der Positionierung der Vertiefungen aufweisen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nehmen die Abstände der Vertiefungen im Bereich einer mittleren Belastung einen konstanten Wert an. Ist die Belastung der Kolbenlaufbahn in einem Bereich nahezu konstant, so sind die Vertiefungen in einem konstanten Abstand anordenbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind im Bereich einer niederen Belastung keine Vertiefungen vorgesehen. Die in der Oberflächenstruktur eingelagerte Schmiermittelpartikel sind zur Schmierung in einem nieder belasteten Bereich der Kolbenlaufbahn ausreichend. Damit kann zur Kostenreduzierung auf die Anordnung von Vertiefungen verzichtet werden.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Teilabwicklung einer erfindungsgemäßen Kolbenlaufbahn,
2 eine zweites Ausführungsbeispiel in Darstellung einer Teilabwicklung einer erfindungsgemäßen Kolbenlaufbahn und
3 eine drittes Ausführungsbeispiel in Darstellung einer Teilabwicklung einer erfindungsgemäßen Kolbenlaufbahn.
Gleiche Bauteile oder gleiche Vorrichtungsmerkmale in den 1-3 sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Brennkraftmaschinen setzen die im Kraftstoff chemisch gebundene Energie in einem Arbeitsprozess mit Verbrennung in Wärme und mechanische Arbeit an einer Kurbelwelle um. Der Verbrennungsvorgang findet innerhalb des von Kolben, Kolbenlaufbahn 1 und Zylinderkopf gebildeten Arbeitsraumes statt.
In 1 ist schematisch ein Teil einer Abwicklung der Kolbenlaufbahn 1 dargestellt. Ein nicht gezeigter Kolben bewegt sich auf der Laufbahn zwischen einem oberen Kolbenumkehrpunkt 2 und einem nicht gezeigten unteren Kolbenumkehrpunkt.
Zur Abdichtung des Kolbens gegen die Kolbenlaufbahn 1 weist der Kolben ein Kolbenringsystem auf, welches gleitend an der Kolbenlaufbahnoberfläche 1 anliegt. Der in der Zeichnung dargestellte obere Kolbenumkehrpunkt 2 ist als der Umkehrpunkt eines dem Zylinderkopf zugewandten Kolbenrings des Kolbenringsystems zu verstehen. Zur Sicherstellung guter Schmierungsverhältnisse muss die Oberfläche der Kolbenlaufbahn 1 eine ständige Schmiermittelbenetzung aufweisen. Dazu sind in der Kolbenlaufbahn 1 Vertiefungen 3 angebracht, die zur Aufnahme von Schmiermittel vorgesehen sind. Durch die Einlagerung von Schmiermittel in den Vertiefungen 3 bilden sich zwischen dem Kolben mit Kolbenringen und der Kolbenlaufbahn 1 lokale Druckpolster, so dass sich die Reibungswerte sowie die Verschleißraten vorteilhaft reduzieren. Die in den Figuren dargestellte Form der Vertiefungen 3 ist beispielhaft, grundsätzlich sind Vertiefungen 3 beliebiger Form zur Einlagerung von Schmiermittel verwendbar. Die günstigste Form der Vertiefungen 3 ist an die Möglichkeiten des jeweiligen Fertigungsverfahrens wie z.B. einer mechanischen Bearbeitung, einer Laserbearbeitung, eines chemischen Ätzverfahrens oder eines Hochdruckwasserstrahlverfahrens anpassbar.
Über den Hubbereich des Kolbens, d.h. zwischen dem oberen und unteren Kolbenumkehrpunkt herrschen während des Motorbetriebes unterschiedliche Belastungen. Hohe Belastungen treten im Bereich des oberen Kolbenumkehrpunktes 2 auf. Druck und Temperatur steigen im Arbeitsraum während eines Verdichtungsvorganges eines Kraftstoff-Luftgemisches an, kurz vor dem oberen Kolbenumkehrpunkt 2 erfolgt eine Fremd- oder Selbstzündung des Gemisches mit anschließender Expansion des Verbrennungsgases. Dieser Bereich der hohen Belastung ist in 1 bis 3 dargestellt. In dem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der hochbelastete Bereich auf das obere, am Kolbenumkehrpunkt 2 angrenzende Drittel der Kolbenlaufbahn 1.
Selbstverständlich ist der Bereich mit der entsprechenden Verteilung der Vertiefungen 3 gemäß den Belastungen größer oder kleiner wählbar.
Gemäß 1 sind die Vertiefungen 3 in Reihen 4 angeordnet. Die Reihen 4 weisen einen Abstand auf, der sich in Richtung oberen Kolbenumkehrpunkt 2 von einer Reihe 4 zu nächsten Reihe 4 verringert. Die Abnahme der Reihenabstände 5 ist im wesentlichen durch den Schmiermittelbedarf bestimmt. Beispielsweise kann der Reihenabstand 5 in Richtung Kolbenumkehrpunkt 2 auf einen vorhergehenden Reihenabstand 5 jeweils den halben Abstand aufweisen, gleichermaßen kann jede andere mathematische Funktion zur Beschreibung der Abstandsreduktion zugrundegelegt sein.
Am Kolbenumkehrpunkt 2 ist demgemäss der Reihenabstand 5 am kleinsten, d.h. im diesem höchstbelasteten Bereich ist für ein ausreichendes Schmiermittelangebot gesorgt.
Mit zunehmender Entfernung vom Kolbenumkehrpunkt 2 nimmt der Bedarf an Schmiermittel ab, so dass sich die Reihenabstände 5 dementsprechend vergrößern. In vorteilhafter Weise ist hiermit vermieden, dass überflüssiges Schmiermittel verbrennt und damit unnötigerweise der Schmiermittelverbrauch erhöht ist und die Abgaswerte z.B. Partikelemissionen oder HC-Emissionen verschlechtert sind.
Die Länge 7 der Vertiefungen 3 ist so gewählt, dass die Vertiefungen 3 in Kolbenbewegungsrichtung 8 eine Überschneidung 9 aufweisen. Damit ist gewährleistet, dass sich auf dem gesamten Umfang der Kolbenlaufbahn 1 ein Schmierfilm bilden kann.
In der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die Vertiefungen 3 auf einer Wendel mit einer Steigung 6 angeordnet. Die Steigung 6 nimmt in Richtung oberen Kolbenumkehrpunkt 2 bei gleichzeitiger Verminderung des Steigungswinkels ab, so dass sich die Abstände der Vertiefungen 3 zueinander verringern. Hiermit ist einem ansteigenden Schmiermittelbedarf in Richtung oberen Kolbenumkehrpunkt 2 Rechnung getragen.
3 zeigt eine zufällige Verteilung von Vertiefungen 3, deren Dichte in Richtung oberen Kolbenumkehrpunkt 2 zunimmt. Diese Verteilung eignet sich beispielsweise für ein Verfahren, das eine exakte Positionierung der Vertiefungen 3 nicht zulässt. Die Vertiefungen 3 sind in Umfangsrichtung unregelmäßig verteilt. In Kolbenbewegungsrichtung 8 sind die Vertiefungen ebenfalls unregelmäßig angeordnet, allerdings nimmt die Dichte der Vertiefungen in Richtung oberen Kolbenumkehrpunkt 2 zu.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind Vertiefungen 3 mit unsymmetrischer Formgebung nicht in einer Richtung ausgerichtet, sondern nehmen eine beliebige Lage zueinander ein.
An den Bereich der hohen Belastung schließt sich in Richtung unteren Kolbenumkehrpunkt 2 ein nicht dargestellter Bereich mittlerer und ein Bereich niederer Belastung an. Diese haben beispielsweise eine Länge von jeweils einem Drittel der gesamten Länge der Kolbenlaufbahn 1. Im Bereich der mittleren Belastung sind die Vertiefungen 3 in Reihen 4 von konstantem Abstand angeordnet. Damit ist eine dem Schmierungsbedarf entsprechende Schmiermitteleinlagerung in den Vertiefungen 3 realisierbar.
In einem Bereich mit niederer Belastung sind keine Vertiefungen 3 vorgesehen.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind die Vertiefungen 3 den durch ein Honverfahren erzeugten Riefen in der Kolbenlaufbahn 1 überlagert. Damit ist durch die Hohnriefen eine Grundversorgung mit Schmiermittel auf Basis des Bedarfs eines Bereiches mit niedriger Belastung gewährleistet. Durch Anordnung von Vertiefungen 3 gemäß 1 bis 3 ist eine gezielte Schmiermittelversorgung höherbelasteter Bereiche realisierbar.
Selbstverständlich ist die Kolbenlaufbahn 1 auch in eine beliebige Anzahl von Belastungsbereichen unterteilbar, wobei jeder Teilbereich Vertiefungen 3 beliebiger Geometrie gemäß einer in den 1-3 gezeigten Anordnung oder einer Anordnung in Reihen 4 konstanten Abstandes aufweisen kann. Gleichermaßen sind Bereiche, die keine Vertiefungen 3 aufweisen anordenbar.

1: Kolbenlaufbahn
2: Oberer Kolbenumkehrpunkt
3: Vertiefung
4: Reihe
5: Reihenabstand
6: Steigung
7: Länge der Vertiefung
8: Kolbenbewegungsrichtung
9: Überschneidungsbereich

Claims

Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit – einer Kolbenlaufbahn (1), wobei die Kolbenlaufbahn (1) in Bereiche unterschiedlicher Belastung aufteilbar ist, mit – Vertiefungen (3) zur Einlagerung von Schmiermittel, wobei die Abstände der Vertiefungen zueinander in Bereichen hoher Belastung kleiner als in Bereichen niederer Belastung sind dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich mit hoher Belastung sich der Abstand der Vertiefungen (3) in Richtung oberen Kolbenumkehrpunkt (2) von einer Vertiefung (3) zur nächsten verringert und damit am oberen Kolbenumkehrpunkt (2) den kleinsten Wert annimmt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (3) in beabstandeten Reihen (4) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (3) einer Reihe (4) in bezug auf die benachbarten Reihen (4) in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Kolbenbewegungsrichtung (8) eine Überschneidung der Vertiefungen (3) auftritt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (3) auf der Laufbahn wendelförmig angeordnet sind, wobei die Steigung (6) der Wendel in Richtung oberen Kolbenumkehrpunkt (2) abnimmt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (3) stochastisch verteilt sind und die Verteilungsdichte in Richtung oberen Kolbenumkehrpunkt (2) ansteigt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer mittleren Belastung Abstände der Vertiefungen (3) einen konstanten Wert annehmen.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer niederen Belastung keine Vertiefungen (3) vorgesehen sind.