DE102004021361A1

DE102004021361A1 - Kolbenring

Info

Publication number: DE102004021361A1
Application number: DE200410021361
Authority: DE
Inventors: Günther ZIEGLER
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-05-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring (2) für einen Kolben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Kolben einer Verbrennungsmaschine, mit einer als Lauffläche dienenden äußeren Umfangsfläche (8), die sich zwischen einer ersten Stirnfläche (4) und einer entgegengesetzten zweiten Stirnfläche (6) geringfügig verjüngt, sowie mit einer zwischen der Umfangsfläche (8) und der ersten Stirnfläche (4) angeordneten Hinterschneidung (14), die zusammen mit der äußeren Umfangsfläche (8) eine umlaufende Abstreifkante (12) begrenzt. Um bei einem derartigen Kolbenring (2) bei hohen Drehzahlen einem "Ringflattern" entgegenzuwirken und damit die Leckgasverluste aus dem Brennraum zu verringern und die Schmierung des Kolbenrings (2) zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Abstreifkante (12) im Wesentlichen in der Ebene der ersten Stirnfläche (4) liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring für einen Kolben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kolben einer Verbrennungsmaschine, mit einer als Lauffläche dienenden äußeren Umfangsfläche, die sich zwischen einer ersten Stirnfläche und einer entgegengesetzten zweiten Stirnfläche geringfügig verjüngt, sowie mit einer zwischen der Umfangsfläche und der ersten Stirnfläche angeordneten Hinterschneidung, die zusammen mit der äußeren Umfangsfläche eine umlaufende Abstreifkante begrenzt.
Kolbenringe der eingangs genannten Art werden wegen der sehr geringen Verjüngung der Umfangsfläche unter einem Winkel von etwa 1 Grad und der zumeist nasenartigen Form der Hinterschneidung im Allgemeinen als Nasenminutenringe bezeichnet. Üblicherweise werden sie in Verbrennungsmaschinen eingesetzt, um einerseits die Ringspalte zwischen den Kolben und den Zylindern abzudichten und dadurch einen Austritt von Leckgas aus den Brennräumen zu verhindern und andererseits beim Kolbenrücklauf anhaftendes Schmieröl von der Zylinderwand abzustreifen und dadurch zu verhindern, dass ein Teil des Schmieröls beim nächsten Kolbenvorlauf in die Brennräume gelangt. Die zwischen dem Stirnende der Umfangsfläche mit dem größeren Durchmesser und der kurbelraumseitigen ersten Stirnfläche angeordnete Hinterschneidung bewirkt dabei, dass sich die Ölabstreifkante im Betrieb der Verbrennungsmaschine von selbst nachschärft. Dadurch kann auf Dauer eine bessere Ölabstreifwirkung und Dichtwirkung als bei den ebenfalls bekannten einfacheren und preiswerteren Minutenringen erzielt werden, bei denen zwischen der verjüngten Umfangsfläche und der kurbelraumseitigen ersten Stirnfläche keine Hinterschneidung vorgesehen ist.

Nasenminutenringe und Minutenringe sind zum Beispiel aus der DE 198 10 309 A1 bekannt und sind in neueren Verbrennungsmotoren in der Regel in der Mitte zwischen einem oberen Druck- oder Kompressionsring und einem unteren Ölabstreifring jedes Kolbens angeordnet. Wie bereits ausgeführt, weist bei den bekannten Nasenminutenringen die Hinterschneidung im Querschnitt die Form einer Nase auf, das heißt zwischen der Abstreifkante und der ersten Stirnfläche ist ein nicht unbeträchtlicher axialer Abstand vorhanden, der bei den Nasenminutenringen von Kolben von Verbrennungsmaschinen der Anmelderin etwa 0,4 mm und damit etwa 25 % der Höhe der Nasenminutenringe zwischen den beiden entgegengesetzten Stirnflächen beträgt.

Bei sportlichen Otto-Verbrennungsmotoren gibt es augenblicklich einen Trend zu höheren Drehzahlen, was jedoch insofern Probleme verursacht, als bei Drehzahlen von mehr als 6 000 U/min häufig ein sogenanntes "Ringflattern" zu beobachten ist. Dieser Betriebszustand wird durch undefinierte Anlagewechsel der beiden entgegengesetzten Stirnflächen des Kolbenrings an der jeweils benachbarten Nutflanke hervorgerufen und lässt sehr viel Leckgas aus dem benachbarten Brennraum entweichen, was einerseits für die Entlüftung des Motors und andererseits auch für die Schmierung der Kolbenringe schädlich sein kann.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei Kolbenringen der eingangs genannten Art dem "Ringflattern" bei hohen Drehzahlen entgegenzuwirken und damit die Leckgasverluste aus dem Brennraum zu verringern und die Schmierung der Kolbenringe zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ölabstreifkante im Wesentlichen in der Ebene der ersten Stirnfläche liegt, das heißt von dieser einen axialen Abstand aufweist, der nicht mehr als 10 % der Höhe des Kolbenrings beträgt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Ringflattern bei Motoren mit hoher Drehzahl durch eine Reduzierung der Massen- und Trägheitskräfte der Kolbenringe reduziert werden kann, sowie darüber hinaus der Gedanke, diese Gewichtsreduzierung durch Verringerung des Abstands zwischen der Abstreifkante und der ersten Stirnfläche herbeizuführen, wodurch sich die Höhe des Kolbenrings ohne eine Veränderung der Höhe der Lauffläche nicht unbeträchtlich verringern lässt.

Mit anderen Worten lassen sich die erfindungsgemäßen Maßnahmen auch dadurch beschreiben, dass ein Minutenring mit einer im Vergleich zum Nasenminutenring geringeren Höhe in seiner ersten Stirnfläche angrenzend an die Umfangsfläche mit einer flachen konkaven Eindrehung versehen wird, wobei jedoch im Bereich der Abstreifkante am Übergang zwischen der Umfangsfläche und der ersten Stirnfläche des Kolbenrings kein oder nur ein sehr geringer Materialabtrag erfolgt.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen haben den Vorteil, dass durch die geringere Höhe des Kolbenrings dessen Gewicht um 20 bis 30 % verringert werden kann, wodurch die Tendenz zum Ringflattern bei hohen Drehzahlen beträchtlich abnimmt, jedoch die vorteilhafte Selbstschärfung der Abstreifkante im Vergleich zu konventionellen Nasenminutenringen in vollem Umfang erhalten bleibt. Da bei dem erfindungsgemäßen Kolbenring die Lauffläche zwar eine im Wesentlichen der Höhe des gesamten Kolbenrings entsprechende Breite aufweist, diese jedoch im Vergleich zur Breite der Lauffläche eines entsprechenden konventionellen Nasenminutenrings dieselbe ist, weisen zudem beide Ringe dieselbe Verschleißreserve auf, so dass in dieser Hinsicht kein Nachteil gegenüber den bekannten Nasenminutenringen entsteht. Außerdem wird durch die geringere axiale Höhe des Kolbenrings das Formfüllvermögen des Rings und damit seine Ölabstreifwirkung und Dichtwirkung verbessert. Darüber hinaus ermöglicht die Reduzierung der Höhe des Kolbenrings auch eine Reduzierung der Kompressionshöhe des Kolbens und damit der Bauhöhe des Motors.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ölabstreifkante genau in der Ebene der ersten Stirnfläche liegt, das heißt bei der Herstellung der Hinterschneidung am Übergang zwischen der Umfangsfläche und der ersten Stirnfläche kein Material abgetragen wird, und dass die Hinterschneidung vorzugsweise von einer unmittelbar an die Abstreifkante angrenzenden flachen ringförmigen Eindrehung in der ersten Stirnfläche gebildet wird. Diese Eindrehung weist zweckmäßig ein asymmetrisches Querschnittsprofil auf, dessen an die Abstreifkante angrenzende Außenflanke unter einem flachen Winkel, vorzugsweise zwischen 10 und 20 Grad, zur ersten Stirnfläche geneigt ist, während die an einen Übergang zur ersten Stirnfläche angrenzende Innenflanke bevorzugt ein bogenförmiges Profil aufweist und vorteilhaft unter einem Winkel von etwa 90 Grad in die erste Stirnfläche mündet.

Während bei konventionellen Nasenminutenringen die Breite der Lauffläche des Kolbenrings zwischen der Abstreifkante und der zweiten Stirnfläche etwa bis zum 5-fachen der Tiefe der Eindrehung entspricht, wobei als Tiefe der Eindrehung der Abstand zwischen ihrem Grund und der ersten Stirnfläche bezeichnet wird, beträgt bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbenrings die Breite der Lauffläche mehr als das 10-fache der Tiefe der Eindrehung, was sich zum Sammeln und Abführen des abgestreiften Schmieröls als völlig ausreichend erwiesen hat.

Vorzugsweise besitzt die Eindrehung ein verhältnismäßig flaches Profil, dessen Breite in radialer Richtung des Kolbenrings ein Mehrfaches ihrer Tiefe beträgt, vorzugsweise das 5 bis 7-fache, wobei sich die Eindrehung zweckmäßig über etwa 20 % der Breite der ersten Stirnfläche erstreckt.

Um die Ölabstreifwirkung weiter zu verbessern, kann der Kolbenring zusätzlich positiv getwistet sein, das heißt zum Beispiel an seiner zweiten Stirnfläche mit einer Fase oder anderen Querschnittsstörung versehen sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1: eine nicht maßstabs- und winkelgetreue Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Kolbenrings;
2: eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts II aus 1.
Der in der Zeichnung dargestellte, aus Gusseisen oder Stahl hergestellte und zur Montage an einem Kolben einer Verbrennungsmaschine (nicht dargestellt) vorgesehene Kolbenring 2 weist zwei zueinander entgegengesetzte ebene Stirnflächen 4, 6 auf, die an ihrem äußeren Umfang durch eine leicht konisch verjüngte Umfangs- oder Lauffläche 8 verbunden sind. Die an dem Ende der Umfangs- oder Lauffläche 8 mit dem größeren Durchmesser angeordnete Stirnfläche 4 ist nach dem Einsetzen des Kolbenrings 2 in eine Nut des Kolbens, vorzugsweise die mittlere von drei Nuten, einem Kurbelraum des Verbrennungsmotors zugewandt, während die entgegengesetzte Stirnfläche 6 einem Brennraum eines Zylinders der Verbrennungsmaschine zugewandt ist. Eine zwischen der Umfangs- oder Lauffläche 8 und der Stirnfläche 4 angeordnete Ölabstreifkante 12 wird im Einbauzustand infolge einer radialen Vorspannung des Kolbenrings 2 gegen die Innenwand des Zylinders angepresst.
Um zu gewährleisten, dass die Ölabstreifkante 12 des Kolbenrings 2 selbstschärfend ist, das heißt auch noch nach einem gewissen Verschleiß der Umfangs- oder Lauffläche 8 eine scharfe Kante mit einer guten Ölabstreifwirkung und Dichtwirkung bildet, ist der Kolbenring 2 mit einer an die Ölabstreifkante 12 angrenzenden Hinterschneidung 14 versehen, die in Form einer flachen ringförmigen Eindrehung 16 am äußeren Umfang der Stirnfläche 4 ausgebildet und in Bezug zur Ölabstreifkante 12 auf deren von der Umfangs- oder Lauffläche 8 abgewandter Seite angeordnet ist. Die Eindrehung 16 weist eine an die Ölabstreifkante 12 angrenzende schräge Außenflanke 18 auf, die unter einem spitzen Winkel α von etwa 15 Grad zur Stirnfläche 4 ausgerichtet ist und sich über das Maß M der Verjüngung der Umfangs- oder Lauffläche hinaus in Richtung einer Mittelachse 20 (1) des Kolbenrings 2 erstreckt, so dass der komplementäre Winkel β = 90°–α zwischen der Umfangs- oder Lauffläche 8 und der Außenflanke 18 auch während eines verschleißbedingten Abtrags der Umfangs- oder Lauffläche 8 in einem an die Ölabstreifkante 12 angrenzenden Bereich erhalten bleibt.
Um das Gewicht des Kolbenrings 2 so weit wie möglich zu verringern, um auf diese Weise bei hohen Drehzahlen ein Ringflattern und dadurch verursachte Gasleckagen aus dem Brennraum zu vermeiden, weist der Kolbenring 2 in axialer Richtung eine verhältnismäßig geringe Höhe H von etwa 1,0 bis 1,1 mm auf. Diese Höhe H entspricht im Wesentlichen der Breite der Umfangs- oder Lauffläche 8 zwischen der Stirnfläche 6 und der Ölabstreifkante 12, weil zum einen der Winkel γ zwischen der Umfangs- oder Lauffläche 8 und einer Parallelen zur Mittelachse 20 nur etwa 1° beträgt (Minute) und weil zum anderen die Ölabstreifkante 12 mit der Stirnfläche 4 bündig ist, im Unterschied zu konventionellen Nasenminutenringen, bei denen zwischen der Ölabstreifkante 12 und der Stirnfläche 4 gewöhnlich ein axialer Abstand von mehreren Zehntel Millimetern vorhanden ist.
Wie am besten in 2 dargestellt, weist die Eindrehung 16 ein asymmetrisches Querschnittsprofil auf, wobei die schräge Außenflanke 18 am Grund 22 der Eindrehung 16 in eine gerundete Innenflanke 24 mit einem Radiusprofil übergeht, die unter einem Winkel ε von etwa 90° in die Stirnfläche 4 mündet. Während die Tiefe T der Eindrehung 16, das heißt der Abstand zwischen dem Grund 22 derselben und der Stirnfläche 4 etwa 0,15 mm und damit etwa ein Zehntel der Höhe H beträgt, beträgt ihre Breite, dass heißt der radiale Abstand zwischen der Abstreifkante 12 und dem Übergang zwischen der Innenflanke 24 und der Stirnfläche 4 etwa 0,5 bis 0,9 mm und damit etwa 20 % der radialen Breite B des Kolbenringquerschnitts, die etwa 3,5 mm beträgt.

2: Kolbenring
4: Stirnfläche
6: Stirnfläche
8: Umfangs- oder Lauffläche
12: Abstreifkante
14: Hinterschneidung
16: Eindrehung
18: Außenflanke Eindrehung
20: Mittelachse Kolbenring
22: Grund der Eindrehung
24: Innenflanke Eindrehung

Claims

Kolbenring für einen Kolben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Kolben einer Verbrennungsmaschine, mit einer als Lauffläche dienenden äußeren Umfangsfläche, die sich zwischen einer ersten Stirnfläche und einer entgegengesetzten zweiten Stirnfläche geringfügig verjüngt, sowie mit einer zwischen der Umfangsfläche und der ersten Stirnfläche angeordneten Hinterschneidung, die zusammen mit der äußeren Umfangsfläche eine umlaufende Abstreifkante begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreifkante (12) im Wesentlichen in der Ebene der ersten Stirnfläche (4) liegt.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein axialer Abstand zwischen der Abstreifkante (12) und der Ebene der ersten Stirnfläche (4) weniger als 10 % der Höhe des Kolbenrings (2) beträgt.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreifkante (12) in der Ebene der ersten Stirnfläche (4) liegt.
Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschneidung (14) von einer an die Abstreifkante (12) angrenzenden ringförmigen Eindrehung (16) am äußeren Umfang der ersten Stirnfläche (4) gebildet wird.
Kolbenring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschneidung (14) zwischen der Abstreifkante (12) und einem Übergang zur ersten Stirnfläche (4) ein asymmetrisches Querschnittsprofil aufweist.
Kolbenring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine an den Übergang zur ersten Stirnfläche (4) angrenzende Innenflanke (24) der Hinterschneidung (14) gerundet ist.
Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflanke (24) am Übergang zur ersten Stirnfläche (4) mit der ersten Stirnfläche (4) einen Winkel (ε) von etwa 90° einschließt.
Kolbenring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine an die Abstreifkante (12) angrenzende Außenflanke (18) der Hinterschneidung (14) unter einem spitzen Winkel (α) zur ersten Stirnfläche (4) geneigt ist.
Kolbenring nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die der spitze Winkel (α) zwischen 10° und 20° und vorzugsweise etwa 15° beträgt.
Kolbenring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Hinterschneidung (14) in radialer Richtung des Kolbenrings (2) ein Mehrfaches der Tiefe (T) der Hinterschneidung (14) in axialer Richtung des Kolbenrings (2) beträgt.
Kolbenring nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Hinterschneidung (14) etwa das 5 bis 7-fache der Tiefe (T) der Hinterschneidung (14) beträgt.
Kolbenring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe (H) des Kolbenrings (2) mehr als das 10-fache der Tiefe (T) der Hinterschneidung (14) beträgt.
Kolbenring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hinterschneidung (14) über etwa 20 % der Querschnittsbreite (B) des Kolbenrings (2) erstreckt.
Kolbenring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Umfangsfläche (8) von der ersten Stirnfläche (4) in Richtung der zweiten Stirnfläche (6) konisch verjüngt.
Kolbenring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der Querschnittsbreite (B) und der Höhe (H) des Kolbenrings (2) 2,5 bis 4 beträgt.
Kolbenring nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Gusseisen oder Stahl besteht.
Hubkolbenmaschine, insbesondere Verbrennungsmaschine, mit mindestens einer Zylinder-/Kolbenanordnung, gekennzeichnet durch einen in eine Ringnut eines Kolbens der Zylinder-/Kolbenanordnung eingesetzten Kolbenring (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche.