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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Erfindung betrifft einen Kolbenring für einen Brennkraftmaschinenkolben mit einem Kraftmaschinenzylinder.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In Kolben bei Brennkraftmaschinen sind zur Leistungsverbesserung seit langem Kolbenringe integriert. Kolbenringe verringern das Vorbeiströmen von Gasen (sogenannten Blowbygasen) während des Kompressionshubs und des Arbeitshubs und ermöglichen es, dass Schmieröl oder sonstiges Schmiermittel die Zylinderwand überzieht, verhindern jedoch ein Eintreten von überschüssigem Schmieröl in die Verbrennungskammer.
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Es sind zahlreiche Arten von Kolbenringen mit jeweils unterschiedlich konturiertem Außenumfang entwickelt worden. Kolbenringe können beispielsweise eine konusförmige, eine tonnenförmige oder eine gerade Außenfläche aufweisen. Der üblicherweise aus Eisen gefertigte Kolbenring kann außerdem eine poröse Beschichtung, Lage, Außenschicht oder Außenoberfläche aufweisen, um Öl zur Bildung eines Schmiermittelfilms aufzunehmen, während er an der Zylinderwandung der Kraftmaschine anliegend dahingleitet.
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Bei der Kolbenringkonstruktion kann der Ring im Wesentlichen planar sein, oder er kann in seiner Ruhelage eine negative oder positive Verdrehung aufweisen. Die Form oder die Verdrehung des Kolbenrings während des Betriebs des Kolbenrings kann sich während der Abwärtshübe und der Aufwärtshübe verändern, um ein Abstreifen des Schmiermittels während des Abwärtshubs und ein Vorbeigleiten an dem Schmiermittelfilm während des Aufwärtshubs bereitzustellen.
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Schmiermodi schaffen stets einen Ausgleich zwischen einerseits der Anforderung, eine möglichst geringe Viskosität des Schmiermittels bereitzustellen, um die innere Reibung des Schmiermittels zu verringern, und andererseits der Bereitstellung der benötigten hohen Viskosität in der Nähe der oberen Totpunktstellung des Arbeitshubs, um Teil-/Grenzschichtschmiermodi zu reduzieren. Es ist nicht nur festzustellen, dass die Dicke des Schmiermittelfilms variieren kann und dass unterschiedliche Schmieranforderungen während unterschiedlicher Kurbelwinkel der Kraftmaschine benötigt werden können, sondern es können auch unterschiedliche Umfangspositionen um den Kolben herum unterschiedliche Schmieranforderungen haben, und zwar insbesondere dann, wenn eine verdrehte Zylinderbohrung vorliegt, der Kolben eine Neigung aufweist oder der Kolben samt Kolbenring nicht genau zylindrisch ist.
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Es besteht ein Bedarf an einem verbesserten Kolbenring, welcher einen Hohlraum vorsieht, der Schmiermittel aufnimmt und speichert, wenn sich überschüssiges Schmiermittel an der Zylinderwand der Kraftmaschine befindet, und der in der Lage ist, während des Arbeitstaktes, wenn mehr Schmierung erforderlich ist, zusätzliches Schmiermittel bereitzustellen.
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Ein herkömmlicher Kolbenring für einen Brennkraftmaschinenkolben mit einem Kraftmaschinenzylinder ist aus der Druckschrift
DE 30 38 340 A1 bekannt. Der Kolbenring umfasst ein Körperelement, das in eine Ringnut des Kolbens passt und das einen Außenumfang mit einem Außenabschnitt und einer darin ausgebildeten Höhlung aufweist. Ferner ist der Kolbenring in seinem äußeren Radialbereich über den gesamten Umfang gleich stark axial komprimierbar.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Kolbenring für einen Kolben eines Kraftmaschinenzylinders ein Körperelement, das in eine Ringnut des Kolbens passt. Das Körperelement weist einen Innenumfang, eine obere Wand, eine untere Wand und einen Außenumfang auf. Der Außenumfang weist eine darin ausgebildete Höhlung auf, um darin Schmiermittel zu speichern. Die obere Wand weist einen nahe bei dem Außenumfang gelegenen Außenabschnitt auf und ist zwischen einer durchgebogenen und einer nicht durchgebogenen Stellung elastisch federnd ausgestaltet, so dass während eines Abschnitts eines Arbeitshubs das Volumen der Höhlung zum Speichern des Schmiermittels verringert wird, indem die obere Wand in die durchgebogene Stellung gebogen wird, um Schmiermittel aus der Höhlung zu einer Wand des Zylinders hin auszutreiben. Die obere Wand kehrt zu anderen Zeiten elastisch federnd in die nicht durchgebogene Stellung zurück, um es zu ermöglichen, dass überschüssiges Schmiermittel von der Wand des Zylinders in die Höhlung eintritt.
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Erfindungsgemäß ist ein Einsatzelement in der Höhlung untergebracht. Das Einsatzelement ist porös, um Schmiermittel zu absorbieren, und komprimierbar, um das Schmiermittel freizugeben.
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In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Einsatzelement um eine gewebte Kohlefaser. Der Kolbenring weist vorzugsweise ein Festanschlagelement zum Begrenzen der Durchbiegung der oberen Wand und der Komprimierung des Einsatzelements auf. In einer Ausführungsform kann es sich bei dem Anschlagelement um eine Mehrzahl von Zähnen an dem Außenumfang handeln. Vorzugsweise verjüngt sich die obere Wand in ihrem Außenabschnitt zu dem Außenumfang hin. In einer Ausführungsform ist die Höhlung in asymmetrischer Weise näher bei der oberen Wand als bei der unteren Wand positioniert.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weist ein Kolben für einen Kraftmaschinenzylinder einer Brennkraftmaschine einen Kolbenkopf auf, der eine Seitenwand mit zumindest einer Ringnut zum Einsetzen eines Kolbenrings aufweist. Der Kolbenring weist ein Körperelement auf, das in eine obere Ringnut des Kolbens passt. Das Körperelement weist einen Innenumfang, eine obere Wand, eine untere Wand und einen Außenumfang auf. Der Außenumfang weist eine darin ausgebildete Höhlung auf, um darin Schmiermittel zu speichern. Die obere Wand weist einen nahe bei dem Außenumfang gelegenen Außenabschnitt auf und ist zwischen einer durchgebogenen und einer nicht durchgebogenen Stellung elastisch federnd ausgestaltet, so dass während eines Abschnitts des Arbeitshubs das Volumen der Höhlung zum Speichern des Schmiermittels verringert wird, indem die obere Wand zum Austreiben von Schmiermittel aus der Höhlung zu einer Wand des Zylinders hin in die durchgebogene Stellung gebogen wird. Die Wand kehrt während anderer Zeiten elastisch federnd in die nicht durchgebogene Stellung zurück, um es zu ermöglichen, dass überschüssiges Schmiermittel von der Wand des Zylinders in die Höhlung eintritt. Erfindungsgemäß ist ein Einsatzelement in der Höhlung untergebracht. Das Einsatzelement ist porös, um Schmiermittel zu absorbieren, und komprimierbar, um das Schmiermittel freizugeben.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine segmentierte Ansicht einer Brennkraftmaschine, in der ein Zylinder und ein Kolben mit einem Kolbenring gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht sind;
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2 ist eine vergrößerte, fragmentarische Ansicht der in 1 gezeigten Erfindung; und
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3 ist eine Ansicht ähnlich wie 2, in der die Durchbiegung der oberen Wand des Kolbenrings während eines Abschnitts eines Arbeitshubs veranschaulicht ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1, auf welche nun Bezug genommen wird, weist eine Brennkraftmaschine 10 einen Zylinder 12 mit einer Zylinderwand 14 auf. Ein Kolben 16 ist für eine Auf- und Abbewegung innerhalb des Zylinders konstruiert. Der Kolben weist drei über den Umfang platzierte Nuten 18 auf, die axial entlang des Kolbens beabstandet sind. In den drei Nuten 18 sitzen jeweils ein Kompressionskolbenring 20, ein Abstreifring 22 und ein Ölring 24.
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Der Kompressionsring 20 weist, wie deutlicher in 2 und 3 gezeigt, ein kreisförmiges Grundkörperelement 26 auf. Der Kompressionsring 20 weist eine Innenumfangswand 28, eine obere Wand 30 und eine untere Wand 32 auf. Ein Außenumfangsabschnitt 34 weist eine Höhlung oder Ausnehmung 36 auf, die sich um den Ring 20 herum erstreckt und durch einen Durchgangsabschnitt 41 hindurch zu dem Außenumfang hin offen ist. Ein Einsatzelement 38, welches porös und komprimierbar ist, ist in die Höhlung 36 eingepasst. Bei einem für diesen Einsatz geeigneten Material handelt es sich beispielsweise um eine in einer Matrix ausgebildete, gewebte Kohlefaser. Auch andere Materialien kommen dafür in Frage, sofern sie komprimierbar, wärmebeständig, porös und schmierstoffabsorbierend sind.
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Die obere Wand 30 weist oberhalb der Höhlung 36 einen Außenabschnitt 40 auf, der sich verjüngt und in eine Richtung zu dem Außenumfangsabschnitt 34 hin schmäler oder dünner wird. Durch die Verjüngung wird es ermöglicht, dass sich die obere Wand 30 während eines Abschnitts des Arbeitshubs durchbiegt, wenn ein von der Verbrennung herrührender, extremer Gasdruck auf die obere Wand ausgeübt wird, wie dies in 3 veranschaulicht ist.
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Der Ring kann außerdem eine ungleiche Teilung aufweisen, so dass die obere Wand 30 eine dünnere Abmessung als die untere Wand 32 aufweisen kann. Diese ungleiche Teilung kann durch eine unsymmetrische Platzierung der Höhlung 36 näher bei der oberen Wand als bei der unteren Wand oder durch eine unterschiedliche Form derselben oder einen unterschiedlichen Verjüngungsverlauf zu der oberen Wand als zu der unteren Wand hin geschaffen werden, so dass eine größere Flexibilität des oberen Wandabschnitts 40 geschaffen wird. So kann beispielsweise die obere Wand 30 stärker verjüngt sein als die untere Wand 32.
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Durch diese Durchbiegung wird das Volumen der Höhlung 36 verringert und der Einsatz 38 komprimiert, so dass Öl oder sonstiges für die Schmierung der Kraftmaschine verwendetes Schmiermittel, das in dem Einsatzelement 38 absorbiert ist, ausschließlich während der Grenzschicht-/Teilschmierung herausgepresst und aus der Höhlung 36 hinaus zu der Zylinderwand 14 hin gedrückt wird. Es konnte festgestellt werden, dass sich die obere Wand 30 während der Teil-/Grenzschichtschmierung in Bezug auf die untere Wand 32 durchbiegen lässt, wenn nach oben gerichtete Reibungskräfte, die auf den unteren Wandabschnitt 32 ausgeübt werden, bedeutend größer sind als die nach oben gerichteten Reibungskräfte, die auf den oberen Wandabschnitt 30 ausgeübt werden. Zu einer Teil-/Grenzschichtschmierung kommt es am häufigsten während der oberen Totpunktstellung des Arbeitshubs, wenn die Geschwindigkeit des Kolbenkopfs in Bezug auf den Zylinder am langsamsten ist und der Verbrennungsvorgang in dem Zylinder einsetzt, wobei ein Wärmeaufbau erzeugt wird, der auf die Kolben und Zylinder übertragen wird. Dieser Zustand kann zu einem unerwünschten Metall-Metallkontakt mit keinem oder einem nicht ausreichenden Schmiermittelfilm zwischen Kolbenring und Zylinder führen. Bei dieser Teil-/Grenzschichtschmierung, die mit einem Metall-Metallkontakt einhergeht, kann es zur Ausbildung von Mikroschweißverbindungen kommen, die zu einer geringeren Leistung, zu mehr Verschleiß an der Kraftmaschine und im unkontrollierten Zustand zu einem Festfressen der Kraftmaschine führen können.
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Diese große Diskrepanz bei den Reibungskräften zwischen der oberen Wand und der unteren Wand während der Teil-/Grenzschichtschmierung führt dazu, dass ein Moment auf den Außenabschnitt 40 der oberen Wand ausgeübt wird, durch das der Außenabschnitt der oberen Wand nach unten näher zu der unteren Wand 32 hin durchgebogen wird, wodurch der Einsatz 38 durch den Gasdruck, welcher die Größe der Höhlung 36 verringert, komprimiert wird und dadurch Schmiermittel durch den Durchgang 41 aus der Höhlung hinaus und zu der Zylinderwand 14 hin ausgetrieben wird. Somit wird während der Zeit, zu der eine Schmierung zur Verringerung oder Beseitigung des Metall-Metallkontakts am meisten benötigt wird, ein größerer Schmiermittelfilm aufgebracht.
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Nachdem der Teilschmiermodus vorbei ist und ein hydrodynamischer Schmiermodus einsetzt, werden die auf die jeweilige obere Wand 30 aufgewendeten, nach oben gerichteten Kräfte größer als die auf die untere Wand 32 wirkenden Kräfte und der Außenabschnitt 40 der oberen Wand federt aus seiner Vorspannung in die in 2 gezeigte Stellung zurück. Das Einsatzelement 38 kann daraufhin während des hydrodynamischen Schmiermodus, wenn der Öl- oder sonstige Schmiermittelfilm zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenring zu dick ist, durch den Kontakt mit der Wand des Zylinders überschüssiges Öl oder Schmiermittel absorbieren. Ein während des hydrodynamischen Schmiermodus überschüssiger Schmiermittelfilm, der ansonsten erhöhte Reibungskräfte schaffen würde, kann vor der Wiederholung des Taktes in das poröse Medium des Einsatzes 38 hinein absorbiert werden.
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Ein Festanschlag 42 kann an dem Außenumfang 34 des Rings vorgesehen sein, um zu verhindern, dass sich die obere Wand übermäßig durchbiegt und den Einsatz über dessen Elastizitätsgrenzen hinaus allzu sehr komprimiert. Der Festanschlag 42 kann in Form von über den Umfang platzierten Zähnen ausgebildet sein, die sich von der oberen Wand 30 nach unten erstrecken und so ausgestaltet sind, dass sie an der unteren Wand 32 anstoßen, bevor es zu einer bleibenden Verformung des porösen Einsatzes kommt. Es sind auch andere Festanschläge denkbar, so etwa ein in den Einsatz integriertes Ständer-/Netzgebilde, das an der unteren und der oberen Wand anstoßen kann, wenn die Wände einen vorbestimmten Mindestabstand erreichen.
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Der Ring weist einen herkömmlichen radialen Spalt 44 auf, um einen herkömmlichen Einbau um den Kolben herum zu ermöglichen und um Blowbygase zu verringern.
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Es ist festzustellen, dass die Durchbiegung der oberen Wand um den Umfang herum nicht gleichförmig sein muss. Der Teil-/Grenzschichtschmiermodus muss nicht gleichförmig um den Kolbenring herum erfolgen und es kann sein, dass die größeren Kräfte nicht gleichzeitig um den gesamten Ring herum auftreten. So kann sich etwa nur jener Umfangsabschnitt der oberen Wand, welcher einem Teil-/Grenzschichtschmiermodus unterworfen ist, durchbiegen, um den entsprechenden Umfangsabschnitt des Einsatzes 38 in seiner Nähe zu komprimieren, so dass dieser die erforderliche Schmierung aus dem Durchgang 31 zu der benötigten, am Umfang befindlichen Stelle in dem Zylinder austreibt. Auf diese Weise wird Schmiermittel spezifisch an jene Stellen um den Kolbenring herum gepresst, die einer zusätzlichen Schmierung bedürfen.
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Bei bestimmten Anwendungen kann es vertretbar sein, wenn nur die Höhlung vorhanden ist und kein poröser, komprimierbarer Einsatz vorhanden ist, um das Schmiermittel während des Teil-/Grenzschichtschmiermodus aufzubringen und überschüssiges Schmiermittel während des hydrodynamischen Schmiermodus zu speichern. Durch die Größenabnahme der Höhlung wird darin gespeicherte Schmierung während des Teil-/Grenzschichtschmiermodus aus dieser hinaus und zu dem Zylinder hin gepresst. Durch die Größenzunahme der Höhlung während des hydrodynamischen Schmiermodus kann überschüssiges Schmiermittel in diese eintreten.
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Zwar ist diese Erfindung am besten mit dem oben befindlichen Kompressionsring nutzbar und weist damit den größten Nutzen auf, sie lässt sich jedoch auch auf den Abstreifring anwenden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, bei manchen Anwendungen auf den unten befindlichen Ölring zu verzichten.
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Auf diese Weise wird durch die Erfindung eine verbesserte Schmiermittelabgabe geschaffen, indem eine spezifischere Schmierung an spezifischen Stellen exakt zum benötigten Zeitpunkt bereitgestellt wird. Die verbesserte Schmierung ermöglicht in zweierlei Hinsicht eine Verringerung der bei dem hydrodynamischen Schmiermodus auftretenden, strömungswiderstandsbedingten Verluste. Sie eliminiert überschüssiges Schmiermittel und ermöglicht außerdem die Verwendung von Schmiermitteln mit geringerer Viskosität. Durch die Verwendung von Schmiermitteln mit geringerer Viskosität werden außerdem das Ölpumpenvolumen sowie pumpenbezogene Verluste reduziert. Durch die Verwendung von Schmiermitteln mit geringerer Viskosität wird dennoch ein angemessener Bauteilschutz bereitgestellt, indem während örtlicher Teil-/Grenzschichtschmiermodi auf spezifische Weise mehr Schmiermittel zu den erforderlichen Momenten geleitet wird. Die Verwendung von Schmiermitteln mit geringerer Viskosität reduziert außerdem das erforderliche minimale Drehmoment, um eine Kraftmaschine bei niedriger Temperatur zu starten, und ermöglicht eine Größenreduktion der Batterie, die für Startanforderungen benötigt wird. Die Erfindung kann außerdem im Hinblick auf Emissionsvorteile die NOx-Konzentration bei niedrigen Temperaturen verringern.
