DE102012221858B4

DE102012221858B4 - Kolben und Kolbenring-Anordnung

Info

Publication number: DE102012221858B4
Application number: DE102012221858.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Noedl; Jürgen Gillen; Klaus Daiker
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: DE102012221858A1

Abstract

Kolben- und Kolbenring-Anordnung umfassend:
einen Kolben (20)
mit einem Kolbenboden (4) an einem oberen Ende des Kolbens (20) und mindestens einer Kolbenringnut (22), die einen Nutgrund (44) und eine obere Nutflanke (50) aufweist, wobei eine Stufe in der oberen Nutflanke (50) vorgesehen ist,
weiter umfassend:
mindestens einen Dichtring (34), und
mindestens einen Topring (30),
wobei der Topring (30) in der Kolbenringnut (22) zwischen einer unterenNutflanke (42) und einer Zwischenflanke (46) angeordnet ist, und
wobei der Dichtring (34) zwischen der oberen Nutflanke (50) und dem Topring (30) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Topring (30) nach außen leicht zusammenläuft, dass
der Dichtring (34) wie ein Trapezring nach innen leicht zusammenläuft,
wobei der Topring (30) als Minuten-Ring oder als Nasen-Minutenring (30B) ausgeführt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolben- und Kolbenring-Anordnung sowie einen Verbrennungsmotor und ein Kraftfahrzeug, bei dem eine derartige Kolben- und Kolbenring-Anordnung zum Einsatz kommt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Kolbenringanordnung ist bereits aus der DE 195 06 910 A1 bekannt.
In heutigen Pkw- oder Lkw-Verbrennungsmotoren werden in der Regel jeweils drei Kolbenringe pro Zylinder verwendet. Die Ausführung der Kolbenringe unterscheidet sich nach der Einbaulage auf dem Kolben, da die Aufgabe des Ringes von der Position auf dem Kolben abhängt. Der oberste Ring - dem Verbrennungsraum am nächsten gelegen - ist der sogenannte Kompressionsring oder Topring und dient in erster Linie dazu, den Brennraum abzudichten und Wärme abzuleiten. Der unterste Ring, der Ölabstreifring, streift Schmieröl von der Zylinderwand ab und dosiert dabei den Ölfilm, auf dem der Kolben und die oberen Kolbenringe während des Hubes gleiten. Der zweite oder mittlere Ring dichtet dagegen Verbrennungsgase ab und kann durch Wechselwirkung mit der Bewegung des ersten Ringes das Blowby des Motors erheblich beeinflussen. Diesem zweiten Kolbenring, der oft als Nasenminuten-/Minutenring ausgeführt ist, fällt aber auch noch eine erhebliche Aufgabe bei der Steuerung des Ölhaushaltes des Motors zu. Der Ölfilm muss sowohl für hinreichend gute tribologische Bedingungen sorgen als auch dünn sein, um die Ölverluste durch Abdampfen gering zu halten. Im Bereich der oberen Kolbenringe beträgt die Ölfilmdicke zum Teil weniger als ein Tausendstelmillimeter und ist damit geringer als die Rauhtiefe von Kolben und Zylinder.
Es ist wünschenswert, die Reibung in Motoren zu verringern. Eine Reibleistungsreduzierung durch eine weitere Optimierung des Kolbens bzw. eine weitere Absenkung der Tangentialkräfte der Kolbenringe erscheint keine weitere Verbesserung zu versprechen, ohne dass eine Gefahr besteht, die Funktionswerte des Motors deutlich zu verschlechtern. Bisher kommt es bei Kolbensystemen, die nur zwei Kolbenringe aufweisen bzw. bei denen der mittlere Ring weggelassen wird, zwar zu einer erheblichen Verringerung der Reibleistung, jedoch ist ein derartiges System für einen Serieneinsatz mit den größeren Fertigungstoleranzen nur schwer realisierbar.
Aus dem Stand der Technik sind Dokumente bekannt, die verschiedene Möglichkeiten beschreiben, den Stoß von Kolbenringen abzudichten. Es handelt sich um die US 2 589 106 A , US 2 746 820 A und DE 195 06 910 C2 . Ferner sind aus der US 5 474 307 A und der DE 600 22 031 T2 Kolbenringanordnungen mit miteinander zusammenwirkenden Kolbenringen bekannt.
Es ist daher wünschenswert, die Reibleistung von Motoren im Bereich der Kolben und Kolbenringe zu optimierten sowie ein diesbezüglich optimiertes Kolbensystem sowie auch einen entsprechend optimierten Motor und damit ausgerüstete Fahrzeuge zur Verfügung zu stellen. Es ist ebenfalls wünschenswert, eine Reibleistung von Kolben- und Kolbenring-Anordnungen zu verringern und dabei gute Funktionswerte bezüglich Blowby und Ölverbrauch beizubehalten.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Kolben- und Kolbenringanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie einen Verbrennungsmotor und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Kolben- und Kolbenringanordnung bereit, wobei weitere bevorzugte Ausführungsformen in den Unteransprüchen genannt sind.
Es wird gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Kolben für Hubkolben-Motoren bereitgestellt, mit einem Kolbenboden an einem oberen Ende des Kolbens und mindestens einer Kolbenringnut, die einen Nutgrund und eine (obere) Nutflanke aufweist, wobei eine Stufe in der oberen Nutflanke vorgesehen ist. Der Kolben umfasst damit mindestens eine gestuften Kolbenringnut. Die Kolbenringnut ist mit einer Stufe versehen, die zwischen einem Nutgrund und einer oberen Nutflanke angeordnet ist. Damit weist die Nutflanke, die näher an dem Kolbenboden liegt, eine Stufe auf. In die Kolbenringnut können zwei im Querschnitt im Wesentlichen rechteckige Kolbenringe eingelegt werden, wobei sich ein Kolbenring in Axialrichtung nur im Bereich vor bzw. unter der Stufe erstreckt und der andere sich in einem Bereich nach bzw. über der Stufe erstreckt.
In einer beispielhaften Ausführungsform des Kolbens sind durch die Stufe zwei Nutbereiche gebildet, nämlich zwischen einer unteren Nutflanke und einer Zwischenflanke und zwischen der oberen Nutflanke und der Zwischenflanke, wobei der erste Nutbereich eine größere Tiefenabmessung hat als der zweite. Diese Ausführung stellt klar, dass sich die Stufe in der Flanke befindet und sich nicht ausschließlich auf dem Boden bzw. Grund der Kolbenringnut erstreckt.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kolbens bilden die Zwischenflanke und ein Zwischennutgrund die Stufe. Damit umfasst die Kolbenringnut eine durchgehende untere Nutflanke und zwei dieser gegenüber liegende obere Nutflanken, d.h. die Zwischenflanke und die obere Nutflanke.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform des Kolbens ist der Nutgrund um einen Faktor zwischen 2 bis 4, bevorzugt zwischen 2,15 und 3 und weiter bevorzugt zwischen 2,25 und 2,75 breiter als der Zwischennutgrund. Somit ist die Stufe schmaler als der Boden der gestuften Kolbenringnute.
In einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform des Kolbens ist die untere Nutflanke um einen Faktor zwischen 1,2 bis 2,5, bevorzugt zwischen 1,3 und 2 und weiter bevorzugt zwischen 1,4 und 1,6 tiefer ist als die obere Nutflanke. Damit erstreckt sich die Stufe vom Grund aus gesehen über etwa die Hälfte der Höhe der Gesamttiefe der gestuften Kolbenringnute.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kolbens umfasst dieser weiterhin mindestens eine weitere Kolbenringnut für einen Ölabstreifring und/oder eine Kolbenbolzenbohrung und/oder Öl-/Kühlkanäle, die in dem Kolben verlaufen. Weiterhin sind Ausnehmungen für Ventile oder eine Bodenmulde in dem Kolbenboden vorgesehen.
Erfindungsgemäß wird eine Kolben- und Kolbenring-Anordnung bereitgestellt. Die Kolben- und Kolbenring-Anordnung umfasst einen Kolben, wie er vorstehend beschrieben wurde, der eine Kolbenringnut mit einer Stufe umfasst. Weiterhin umfasst die Kolben- und Kolbenring-Anordnung mindestens einen Dichtring und mindestens einen Topring bzw. oberen Kompressionsring. Der Topring ist in der Kolbenringnut zwischen der unteren Nutflanke und der Zwischenflanke angeordnet. Der Dichtring ist zwischen der oberen Nutflanke und dem Topring angeordnet. Somit teilen sich beide Ringe, die unterschiedliche Abmessungen aufweisen, eine einzelne Kolbenringnut. Dadurch können sich die jeweiligen Ringe gegeneinander verdrehen und so einen Hauptgrund für das Blowby, nämlich den Ringstoß, abdichten. Weiterhin dichtet der Dichtring den Raum hinter dem Topring ab, dadurch wird erreicht, dass der Topring durch den Druck des Blowby weniger stark gegen eine Lauffläche eines Zylinders gedrückt werden kann. Dieser geringere Anpressdruck führt zu einer Verringerung der Reibleistung des Toprings. Der geringere Anpressdruck erhöht zudem die Gefahr eines Überblasens, die jedoch durch den Dichtring wieder verringert wird. Durch ein geeignetes Zusammenspiel dieser Effekte können die Reibungsverluste des Toprings verringert werden, ohne dass ein stärkeres Überblasen am Topring auftritt.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Kolben- und Kolbenring-Anordnung ist der Topring um einen Faktor zwischen 2 bis 4, bevorzugt zwischen 2,15 und 3 und weiter bevorzugt zwischen 2,25 und 2,75 breiter bzw. dicker als der Dichtring. Es liegt also ein in Axialrichtung relativ flacher Dichtring auf einem dickeren Topring auf.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Kolben- und Kolbenring-Anordnung weist der Topring eine radiale Wanddicke bzw. eine Dicke in Radialrichtung auf, die um einen Faktor zwischen 1,2 bis 2,5, bevorzugt zwischen 1,3 und 2 und weiter bevorzugt zwischen 1,4 und 1,6 größer ist als eine radiale Wanddicke des Dichtrings. Es liegt also ein relativ in Radialrichtung schmalerer Dichtring auf einem breiteren Topring auf. Damit sind die relativen Abmessungen des Toprings in Bezug auf den Dichtring definiert.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Kolben- und Kolbenring-Anordnung ist ein Nutgrundspiel der Kolbenringnut in Radialrichtung in Bezug auf den Topring im Wesentlichen gleich einem Nutgrundspiel der Kolbenringnut in Bezug auf den Dichtring. Dieser Aspekt soll so interpretiert werden, dass beide Nutgrundspiele im Wesentlichen gleich groß sind.
In einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform der Kolben- und Kolbenring-Anordnung ist ein Nutgrundspiel der Kolbenringnut in Radialrichtung in Bezug auf den Dichtring um einen Faktor 1,1 bis 3, bevorzugt 1,2 bis 2,5 und weiter bevorzugt 1,5 bis 2 kleiner ist als ein Nutgrundspiel der Kolbenringnut in Bezug auf den Topring. Dieser Aspekt soll so interpretiert werden, dass beide Nutgrundspiele absolut gemessen ungleich groß sind.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Kolben- und Kolbenring-Anordnung bilden jeweils Spalten zwischen der obere Nutflanke und dem Dichtring sowie zwischen dem Zwischen-Nutgrund und dem Dichtring eine Labyrinthdichtung. Dabei sind die Abmessungen eines Spalts zwischen der obere Nutflanke und dem Dichtring sowie die Abmessungen des Spalts zwischen dem Zwischen-Nutgrund und dem Dichtring so gewählt bzw. zu wählen, dass diese Spalten eine Labyrinthdichtung bilden. Die Labyrinthdichtung vermindert dabei den Druck hinter dem Topring messbar. Der verringerte Druck zwischen Topring und Nutgrund wirkt weniger stark auf den Topring und drückt diesen weniger stark gegen eine Zylinderwand. Der Druck bestimmt folglich auch die Reibleistung der Kolben/Kolbenringanordnung. Dieser Druck hängt unter anderem von dem zu erwartenden Blowby ab, der wiederum unter anderem von der gewählten Drehzahl, dem Verdichtungsverhältnis und dem maximalen Verbrennungsdruck und anderen Faktoren ab.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Kolben- und Kolbenring-Anordnung umfasst der Topring einen Stahl oder Gusswerkstoff. In einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform der Kolben- und Kolbenring-Anordnung umfasst der Dichtring einen Stahlwerkstoff, einen Gusswerkstoff, ein Leichtmetall, eine Leichtmetall-Legierung, einen Verbundwerkstoff oder einen Kunststoff. Der Dichtring kann aus sehr leichtem und weniger starken Material ausgeführt werden, da er mit einem nur relativ geringen Anpressdruck betrieben wird. Der Topring und/oder der Dichtring können weiter mit Verschleißschutz- und Einlaufbeschichtungen versehen sein. Es ist weiterhin vorgesehen, dass der Topring und/oder der Dichtring mit weiteren Beschichtungen versehen sind, die das Biegeverhalten des Rings bei Temperaturänderungen beeinflussen.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Kolben- und Kolbenring-Anordnung ist der Topring als Nasen-Ring ausgeführt. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Kolben- und Kolbenring-Anordnung ist der der Topring als Minuten-Ring ausgeführt. In einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform der Kolben- und Kolbenring-Anordnung ist der Topring als Nasen-Minutenring ausgeführt. Dadurch kann der Topring ebenfalls dazu verwendet werden, die Dicke des Ölfilms auf der Zylinder-Innenwand einzustellen. Dies ist möglich, da der Topring bereits einen gewissen Schutz vor Überblasen der Lauffläche bereitstellt und durch eine Labyrinthdichtung den Anpressdruck des Toprings verringert ist. Der verringerte Anpressdruck ermöglicht einen verringerten Verschleiß an der Kante des als Minuten- oder Nasenminuten-Kolbenring ausgeführten Toprings.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Kolben- und Kolbenring-Anordnung sind zwei Kolbenringnuten vorgesehen. Die Kolbenringnut mit der Stufe ist nahe dem Kolbenboden angeordnet. Eine weitere Kolbenringnut für einen Ölabstreifring ist auf der, dem Kolbenboden abgewandten Seite unterhalb der Kolbenringnut angeordnet. In der Kolbenringnut für einen Ölabstreifring kann ein einteiliger oder mehrteiliger Ölabstreifring angeordnet sein. In der Kolbenringnut mit der Stufe ist der Topring angeordnet, wobei oberhalb des Toprings der Dichtring angeordnet ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verbrennungsmotor mit mindestens einem Kolben, wie er vorstehend beschrieben wurde, oder mit mindestens einer der vorstehend beschriebenen Kolben- und Kolbenring-Anordnungen bereitgestellt. Die Kolben- und Kolbenring-Anordnung der vorliegenden Erfindung kann in jeder Art von Hubkolben-Verbrennungsmotor eingesetzt werden. Je mehr Zylinder und Kolben ein derartiger Verbrennungsmotor umfasst, desto größer ist der durch die Erfindung zu erzielende Effekt, da dort die Reibung der Kolbenringe einen größeren Anteil an der Gesamtreibung aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem der vorstehend beschriebenen Verbrennungsmotoren bereitgestellt. Ein derartiges Kraftfahrzeug kann als Landfahrzeug, als Wasserfahrzeug oder als Luftfahrzeug ausgeführt sein. Die häufigste Ausführung wird Landfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen betreffen.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Figuren erläutert.

1 stellt einen herkömmlichen Kolben mit drei Kolbenringnuten in einer Teil-Schnittansicht dar.
2 stellt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens mit nur zwei Kolbenringnuten in einer Teil-Schnittansicht dar.
3 stellt eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts aus 2 mit einem Top- und einem Dichtring dar.
4 stellt eine Aufsicht auf einen Dichtring dar, der auf einem Topring aufliegt.
5 und 6 stellen vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts aus 2 in anderen Ausführungen dar.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabgetreu. Sowohl in den Figuren als auch in der Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Komponenten verwendet.
1 stellt einen herkömmlichen Kolben mit drei Kolbenringnuten in einer Teil-Schnittansicht dar. Der herkömmliche Kolben 2 umfasst einen Kolbenboden 4, ein Kolbenhemd 6 sowie einem Kolbenbolzenloch 8. Im oberen Bereich des Kolbens 2 sind eine obere Kolbenringnut 10, eine mittlere Kolbenringnut 12 und eine untere Kolbenringnut 14 in den Kolben eingeformt. Üblicherweise sind in den Kolbenringnuten 10 und 12 Kompressionsringe angeordnet, während in der Kolbenringnut 14 ein Ölabstreifring platziert ist.
2 stellt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens 20 mit nur zwei Kolbenringnuten 22, 24 in einer Teil-Schnittansicht dar. Der Schnittverlauf entspricht dem Kolben 2 der 1. Der erfindungsgemäße Kolben 20 umfasst wie ein herkömmlicher Kolben 2 einen Kolbenboden 4, ein Kolbenhemd 6 sowie einem Kolbenbolzenloch 8.
Im oberen Bereich des erfindungsgemäßen Kolbens 20 sind eine obere Kolbenringnut 22 mit einer Stufe und eine herkömmliche untere Kolbenringnut 24 in den Kolben eingeformt. Die obere Kolbenringnut 22 mit der Stufe ist dazu bestimmt, einen Topring (30) und einen im Querschnitt dünneren und schmaleren Dichtring aufzunehmen. Die darunter liegende Kolbenringnut 24 ist dafür bestimmt, einen Ölabstreifring unterzubringen.
3 stellt eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts aus 2 mit einem Topring 30 und einem Dichtring 34 dar. Die 3 stellt einen Detailausschnitt der oberen Kolbenringnut 22 mit der Stufe in einem Motor dar. Der erfindungsgemäße Kolben 20 ist in einem Zylinder oder einer Zylinderlaufbuchse 70 eingesetzt. Die obere Kolbenringnut 22 mit der Stufe umfasst von unten nach oben eine untere Nutenflanke 42, einen Nutgrund 44, eine Nutenflanke der Stufe 46 einen Nutgrund der Stufe 48 sowie die obere Nutenflanke 50.
In der oberen Kolbenringnut 22 mit der Stufe ist ein Topring 30 eingesetzt, der sich zwischen der unteren Nutenflanke 42 und der Nutenflanke der Stufe 46 befindet und sich bis zum Außenrand der Nut 22 erstreckt. Über dem Topring 30 ist ein Dichtring 34 eingesetzt, der somit zwischen dem Topring 30 und der oberen Nutenflanke 50 liegt. Der Topring 30 weist ein Nutgrundspiel zum Nutgrund 44 auf. Der Dichtring 34 weist ein eigenes Nutgrundspiel zum Nutgrund der Stufe 48 auf.
Durch den Spalt zwischen der oberen Seite des Dichtring 34 und der oberen Nutenflanke 50 sowie durch den Spalt zwischen der Innenseite des Dichtrings 34 und dem Nutgrund der Stufe 48 wird eine Labyrinthdichtung 60 gebildet. Die Labyrinthdichtung 60 dichtet den Druck vom Brennraum gegenüber dem Spalt zwischen Spalt zwischen der Innenseite des Toprings 30 und dem Nutgrund 44 zumindest teilweise ab. Die Labyrinthdichtung 60 verringert somit den Druck, der durch den Blowby 62 in dem Spalt zwischen der Innenseite des Dichtrings 34 und dem Nutgrund der Stufe 48 erzeugt wird. Aufgrund des verringerten Drucks wird der Topring 30 nicht mehr so stark gegen die Lauffläche der Zylinderlaufbuchse 70 gepresst, wodurch die Reibungsverluste verringert werden.
Bei dem Zwei-Ring Kolben treten die sonst üblichen Nachteile im Funktionsverhalten des Ringpaketes, sprich erhöhtes Blowby durch Verwendung nur eines Dichtringes, nicht auf. Das Blowby wird durch den zusätzlichen Dichtring 34 oberhalb des Toprings 30 in der gleichen Kolbenringnut kompensiert, ohne dass dabei die gleiche Reibleistung eines Kolbens mit drei Kolbenringen in drei Kolbenringnuten erforderlich ist.
Es ist davon auszugehen dass ca. 70% der durch Blowby erzeugten Verluste eines herkömmlichen Toprings durch den Spalt am Ringstoß verursacht werden. Bei dem erfindungsgemäßen Kolben ist der Ringstoß des Toprings 30 durch einen zusätzlichen Dichtring 34 verdeckt. Dieser Dichtring 34 besitzt eine sehr geringe, nahezu vernachlässigbar kleine Tangentialkraft und wird im Wesentlichen durch den Gasdruck aus der Verbrennung zur Anlage und somit zur Abdichtung gegen die Zylinderlaufbuchse 70 bzw. Zylinderwand und den eigentlichen Topring 30 gebracht. Durch die freie Beweglichkeit des Toprings 30 und des Dichtrings 34 sollte es in der Praxis nicht bzw. nur zu einer kurzfristigen Überlappung beider Ringstöße kommen. Auf Grund des Stoßversatzes des Toprings 30 zu dem Dichtring (34) während eines Betriebs eines Motors ist eine sehr gute Abdichtung und somit deutliche Reduzierung der Blowby Verluste über den Stoß des Kompressionsringes realisierbar. Die über die Ringflanken strömenden / entweichenden Blowby-Gase 62 werden durch eine Labyrinthdichtung 60 an der oberen Nutflanke 50 so weit am Passieren des Toprings 30 gehindert, dass auch ein Gasfluss über die Ringflanken deutlich reduziert wird. Die Labyrinthdichtung 60 lässt sich realisieren, indem der Dichtring 34 gegenüber dem Topring 30 nur eine sehr kleine radiale Breite aufweist und die Kolbenringnut im Kolben nicht wie üblich plan an der Unterflanke und Oberflanke ausgeführt wird, sondern an der Oberflanke 50, stufenförmig zum Nutgrund 44 ausgeprägt ist.
Damit die Labyrinthdichtung 60 wirken kann, ist das Verhältnis sowohl in radialer als auch in axialer Erstreckung zwischen Topring 30 und Dichtring 34 wichtig. Dabei sollte der Topring 30 in seiner axialen Höhe um den Faktor 2 bis 4, idealerweise um den Faktor 2,5, höher sein als der Dichtring 34. Die radiale Wanddicke des Topringes 30 sollte dabei um den Faktor 1,2 bis 2.5, bevorzugt um den Faktor 1,5, größer sein als die des Dichtringes 34. Das Nutgrundspiel der Kolbenringnut 22 zum Dichtring 34 und zum Topring 30 ist dabei in radialer Richtung mindestens gleich. Das Nutgrundspiel des Dichtringes 34 kann vorzugsweise um den Faktor 1,2 bis 3 kleiner ausgelegt werden als das Nutgrundspiel des Topringes 30.
Die Gase, die am Topring 30 vorbeiströmen, beeinflussen nicht nur das Blowby, sondern auch den Ölverbrauch. Die Gase, die am Topring 30 vorbei strömen, tragen nicht bzw. nur geringfügig zu der Kolbenhubarbeit bei und beeinträchtigen damit den Wirkungsgrad des Motors.
Der Topring 30 kann aus einem Stahl- oder Gusswerkstoff ( z.B. 17% Cr-Stahl oder GJL bzw. GJV ) hergestellt sein. Der Dichtring 34 kann ebenfalls aus einem Stahlwerkstoff gefertigt werden. Der Dichtring 34 kann auf Grund seiner geringen Belastung aus einem Gusswerkstoff, aus Leichtmetall oder einer Leichtmetall-Legierung hergestellt werden. Der Dichtring 34 kann aufgrund seiner geringen Belastung aus Kunststoff oder einem Verbundmaterial hergestellt sein.
4 stellt eine Aufsicht auf eine Kombination des Dichtrings 34 mit dem Topring 30 dar. Der Dichtring 34 liegt dabei auf dem Topring 30 auf. Durch den geringeren Innendurchmesser des breiteren Toprings 30 ist dieser innen unter dem Dichtring 34 zu erkennen. Der Ringstoß 36 des Dichtrings 34 wird nach unten durch den Toprings 30 abgedichtet. Der Ringstoß 32 des Toprings 30 wird durch den darüber liegenden Dichtring 34 zumindest teilweise verdeckt und abgedichtet. Durch die freie Beweglichkeit des Toprings 30 und des Dichtrings 34 kann es in der Praxis nicht bzw. nur zu einer kurzfristigen Überlappung beider Ringstöße 32 und 36 kommen. Auf Grund des Stoßversatzes beider Ringe 30, 34 während des motorischen Betriebes ist eine sehr gute Abdichtung und somit deutliche Reduzierung der Blowby Verluste über den Stoß 32 des Toprings 30 realisierbar.
5 und 6 stellen vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts aus 2 in anderen Ausführungen dar. In diesen Ausführungen sind die Laufflächenprofile der Topringe 30A und 30B verändert, um eine verbesserte Ölabstreifwirkung und einer verringerten Kontaktfläche zu erreichen. Durch eine verringerte Kontaktfläche des Toprings 30 zur Zylinderwand kann eine weitere Verringerung der Reibleistung erreicht werden. Dies ist unter anderem dadurch möglich, dass das Überblasen der Topringe 30A, 30B durch den Dichtring 34 verhindert wird.
In 5 ist der Topring 30A als ein Minutenring ausgeführt, der die Lauffläche der Zylinderlaufbuchse 70 nur im unteren Bereich berührt. Weiterhin ist die Kolbenringnut 22 in 5 leicht zusammenlaufend ausgeführt. Der als Minutenring ausgeführte Topring 30A weist eine leicht nach außen ansteigende Höhe auf und ist einem Trapezring ähnlich.
In 6 ist der Topring 30B als ein Nasen-Minutenring ausgeführt. Der Topring 30B berührt die Lauffläche der Zylinderlaufbuchse 70 ebenfalls nur in einem sehr schmalen Bereich. Unter der Nase des Toprings 30B kann sich abgestreiftes Öl sammeln.
In 6 weist die Kolbenringnut 22 im Querschnitt nur zueinander parallele oder zueinander senkrecht stehende Flächen auf. Der als Nasen-Minutenring ausgeführte Topring 30B läuft nach außen leicht zusammen. Der Dichtring 34 läuft wie ein Trapezring nach innen leicht zusammen. Durch die stufenförmige Kolbenringnut 22 können sich die beiden Kobenringe nicht gegenseitig in der Nut verklemmen. Somit gestattet die vorliegende Erfindung ebenfalls erstmals, einen Kolbenring mit einer in Richtung Lauffläche abnehmenden Höhe in einer Kolbenringnut einzusetzen.
Die vorliegende Erfindung kann unter Verwendung bestehender Maschinen und bestehender Ausrüstung sowie aufgrund bekannter Herstellungsverfahren, wie aus der Herstellung von Guss- und Schmiedekolben sowie von der Herstellung von Kolbenringen bekannt, hergestellt werden. Lediglich der Einsatz von Dichtringen 34 aus Kunststoff kann noch eine Entwicklungsarbeit erfordern.
Es ist möglich, die Kolbenhöhe bzw. die Kompressionshöhe durch wegfallen lassen des herkömmlichen mittleren Rings zu verringern. Weiter lässt sich die beschriebene Erfindung auch in konventionellen Kolben mit drei Kolbenringnuten zusammen mit einem mittleren Kolbenring zur Verringerung des Blowby einsetzten.
Ein erfindungsgemäßer Kolben mit zwei Ringnuten und auch mit drei Ringnuten sollte durch die Verwendung des Dichtringes ebenfalls eine weitere Reduzierung der Tangentialkraft des Toprings 30 und somit eine weitere Reduzierung der Reibleistungsverluste ermöglichen. Eine verringerte Tangentialkraft ist möglich, da durch den Dichtring 34 die Gefahr des Überblasens bzw. Blowby durch Wegdrücken des Toprings 30 von der Lauffläche von der Zylinderwand 70 verringert ist. Daher können auch bei einer verringerten Tangentialkraft die Folgen einer unzureichenden Abdichtung des Brenn- bzw. Arbeitsraums gegenüber einem Kurbelkasten eines Motors vermieden werden.
Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen sollten den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang nicht beschränken. Mit den Ausführungsformen, die in den Figuren dargestellt sind, sollten auch die Kombinationen der Merkmale verschiedener Ausführungsformen als offenbart erachtet werden.
Bezugszeichenliste

2: Herkömmlicher Kolben
4: Kolbenboden
6: Kolbenhemd
8: Kolbenbolzenloch
10: Obere Kolbenringnut
12: Mittlere Kolbenringnut
14: Untere Kolbenringnut
20: Erfindungsgemäßer Kolben
22: Obere Kolbenringnut
24: Untere Kolbenringnut
30: Topring
30A: Minuten-Ring
30B: Nasen-Minutenring
32: Ringstoß des Top-Rings
34: Dichtring
36: Ringstoß des Dichtrings
42: untere Nutenflanke
44: Nutgrund
46: Nutenflanke der Stufe / Zwischenflanke
48: Nutgrund der Stufe / Zwischennutgrund
50: obere Nutenflanke
60: Labyrinthdichtung
62: Blowby
70: Zylinderlaufbuchse

Claims

Kolben- und Kolbenring-Anordnung umfassend: einen Kolben (20) mit einem Kolbenboden (4) an einem oberen Ende des Kolbens (20) und mindestens einer Kolbenringnut (22), die einen Nutgrund (44) und eine obere Nutflanke (50) aufweist, wobei eine Stufe in der oberen Nutflanke (50) vorgesehen ist, weiter umfassend: mindestens einen Dichtring (34), und mindestens einen Topring (30), wobei der Topring (30) in der Kolbenringnut (22) zwischen einer unterenNutflanke (42) und einer Zwischenflanke (46) angeordnet ist, und wobei der Dichtring (34) zwischen der oberen Nutflanke (50) und dem Topring (30) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Topring (30) nach außen leicht zusammenläuft, dass der Dichtring (34) wie ein Trapezring nach innen leicht zusammenläuft, wobei der Topring (30) als Minuten-Ring oder als Nasen-Minutenring (30B) ausgeführt ist.
Kolben- und Kolbenring-Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei durch die Stufe zwei Nutbereiche gebildet sind, nämlich zwischen unterer Nutflanke (42) und Zwischenflanke (46) und zwischen oberer Nutflanke (50) und Zwischenflanke (46), wobei der erstere Nutbereich eine größere Tiefenabmessung hat als der Zweite.
Kolben- und Kolbenring-Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei die Zwischenflanke (46) und ein Zwischennutgrund (48) die Stufe bilden.
Kolben- und Kolbenring-Anordnung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der Nutgrund (44) um einen Faktor zwischen 2 bis breiter ist als der Zwischennutgrund (48).
Kolben- und Kolbenring-Anordnung gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die untere Nutflanke (42) um einen Faktor zwischen 1,2 bis 2,5 zwischen 1,4 und 1,6 im Querschnitt tiefer ist als die obere Nutflanke (50).
Kolben- und Kolbenring-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Topring (30) um einen Faktor zwischen 2 bis 4, breiter bzw. dicker ist als der Dichtring (34).
Kolben- und Kolbenring-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis oder 6, wobei der Topring (30) eine radiale Wanddicke aufweist, die um einen Faktor zwischen 1,2 bis 2,5 größer ist als eine radiale Wanddicke des Dichtrings (34).
Kolben- und Kolbenring-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Nutgrundspiel der Kolbenringnut (22) in Radialrichtung in Bezug auf den Topring (30) im Wesentlichen gleich einem Nutgrundspiel der Kolbenringnut (22) in Bezug auf den Dichtring (34) ist.
Kolben- und Kolbenring-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Nutgrundspiel der Kolbenringnut (22) in Radialrichtung in Bezug auf den Dichtring (34) um einen Faktor 1,1 bis 3 kleiner ist als ein Nutgrundspiel der Kolbenringnut (22) in Bezug auf den Topring (30).
Kolben- und Kolbenring-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Spalt zwischen der obere Nutflanke (50) und dem Dichtring (34) sowie ein weiterer Spalt zwischen dem Zwischennutgrund (48) und dem Dichtring (34) eine Labyrinthdichtung (60) bilden.
Kolben- und Kolbenring-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Topring (30) einen Stahl- oder Gusswerkstoff umfasst, und wobei der Dichtring (34) einen Stahlwerkstoff, einen Gusswerkstoff, ein Leichtmetall, eine Leichtmetall-Legierung, einen Verbundwerkstoff oder einen Kunststoff umfasst.
Kolben- und Kolbenring-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, aufweisend zwei Kolbenringnuten, wobei die Kolbenringnut (22) mit der Stufe nahe dem Kolbenboden (4) angeordnet ist, und eine untere Kolbenringnut (24) für einen Ölabstreifring auf der dem Kolbenboden (4) abgewandten Seite unterhalb der Kolbenringnut (22) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor mit mindestens einer Kolben- und Kolbenring-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
Kraftfahrzeug umfassend einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 13.