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TECHNISCHES GEBIET
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Verschiedene Ausführungsformen betreffen einen Kolbenkompressionsring für eine Brennkraftmaschine.
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HINTERGRUND
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Kolbenanordnungen von Brennkraftmaschinen weisen einen Kolben mit Ringnuten und Dichtungselementen auf, die in jeder Nut enthalten sind. Eines der Dichtungselemente kann ein geteilter Kompressionsring sein. Die axiale Breite des Kompressionsrings und der zugehörigen Nut kann verringert werden, um Kontaktflächen zwischen dem Kompressionsring und einer Seitenwand der Zylinderbohrung zu reduzieren, wodurch die Reibung zwischen den zwei Flächen verringert wird. Die Abmessungen des Kompressionsrings und der Nut können durch die Herstellbarkeit und andere Faktoren begrenzt sein, wodurch die Verringerung in der Reibung begrenzt wird.
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KURZDARSTELLUNG
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In einer Ausführungsform weist ein Kompressionsring für einen Kraftmaschinenkolben eine Ober- und Unterseite auf. Eine Innenseite ist entlang eines Innendurchmessers des Rings zwischen der Ober- und Unterseite angeordnet. Eine Außenseite ist entlang eines Außendurchmessers des Rings zwischen der Ober- und Unterseite angeordnet. Die Außenseite wird durch eine kontinuierliche Kurve entlang der Axialrichtung des Rings gebildet. Die kontinuierliche Kurve weist eine erste und zweite konvexe Fläche auf, die durch eine konkave Fläche verbunden sind, wobei jede konvexe Fläche jeweils durch einen ersten und zweiten Radius definiert wird.
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In einer anderen Ausführungsform weist eine Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine einen Kolben mit einem Kopf und einer Seitenwand auf. Die Seitenwand bildet eine Ringnut. Ein Kompressionsring ist dazu ausgelegt, um in der Nut aufgenommen zu werden. Der Kompressionsring weist eine Außenseite auf, die durch eine kontinuierliche Kurve gebildet wird. Die Außenseite weist eine erste und zweite konvexe Fläche auf, die durch eine konkave Fläche verbunden sind, wobei jede konvexe Fläche jeweils durch einen ersten und zweiten Krümmungsradius definiert wird.
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In einer weiteren Ausführungsform enthält ein Verfahren zur Bildung eines Kompressionsrings das Bereitstellen eines Rings, der eine Außenseite, eine Innenseite, eine Oberseite und eine Unterseite aufweist. Die Außenseite des Rings wird bearbeitet, um entlang einer Axialrichtung des Rings eine kontinuierliche Kurve zu bilden. Die kontinuierliche Kurve weist einen ersten und einen zweiten konvexen Abschnitt auf, die durch einen konkaven Abschnitt verbunden sind, wobei jeder konvexe Abschnitt jeweils durch einen ersten und einen zweiten Radius definiert wird.
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Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weisen zugehörige, nicht einschränkende Vorteile auf. Zum Beispiel wird durch Bereitstellen eines oberen Kompressionsrings mit einem Paar konvexer Flächen die effektive Oberfläche, die mit einer Zylinderwand einer Kraftmaschine in Kontakt ist, im Vergleich zu einem Ring mit einer einzigen konvexen Fläche reduziert, wodurch Reibung verringert wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine gemäß einer Ausführungsform;
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2 ist eine partielle Schnittansicht eines Kolbens und eines Kompressionsrings gemäß einer Ausführungsform;
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3 ist eine perspektivische Ansicht des Kompressionsrings von 2; und
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4 ist eine schematische Ansicht des Kompressionsrings von 2.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Wie erforderlich, werden ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung hierin offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind und in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Deshalb sind spezifische strukturelle und funktionale Details, die hierin offenbart werden, nicht als beschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einem Fachmann die verschiedenen Anwendungen der vorliegenden Offenbarung zu lehren.
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1 ist eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 20. Die Kraftmaschine 20 weist mehrere Zylinder 22 auf, und ein Zylinder ist dargestellt. Die Kraftmaschine 20 weist einen zu jedem Zylinder 22 gehörigen Brennraum 24 auf. Der Zylinder 22 wird durch Zylinderwände 32 und eine Kolbenanordnung 34 gebildet. Die Kolbenanordnung 34 ist mit einer Kurbelwelle 36 verbunden. Der Brennraum 24 steht mit dem Ansaugkrümmer 38 und dem Auslasskrümmer 40 in Strömungsverbindung. Ein Einlassventil 42 steuert den Strom aus dem Ansaugkrümmer 38 in den Brennraum 30. Ein Auslassventil 44 steuert den Strom aus dem Brennraum 30 zum Auslasskrümmer 40. Wie dem Fachmann bekannt ist, können die Einlass- und Auslassventile 42, 44 auf verschiedene Weise betrieben werden, um den Kraftmaschinenbetrieb zu steuern.
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Eine Kraftstoffeinspritzdüse 46 spritzt Kraftstoff aus einer Kraftstoffanlage direkt in den Brennraum 30 ein, sodass die Kraftmaschine eine Kraftmaschine mit Direkteinspritzung ist. Ein Niederdruck- oder Hochdruckkraftstoffeinspritzsystem kann mit der Kraftmaschine 20 verwendet werden, oder in anderen Beispielen kann ein Saugrohreinspritzsystem verwendet werden. Eine Zündanlage schließt eine Zündkerze 48 ein, die gesteuert wird, um Energie in Form eines Funkens bereitzustellen, um ein Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum 30 zu zünden. In weiteren Ausführungsformen können andere Kraftstoff- und Zündsysteme oder -techniken verwendet werden, einschließlich Kompressionszündung.
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Die Kraftmaschine 20 schließt eine Steuerung und verschiedene Sensoren ein, die dazu ausgelegt sind, der Steuerung Signale zuzuführen, die verwendet werden, um die Luft- und Kraftstoffzufuhr zur Kraftmaschine, den Zündzeitpunkt, die Leistungs- und Drehmomentabgabe der Kraftmaschine und dergleichen zu steuern. Kraftmaschinensensoren können, ohne darauf beschränkt zu sein, einen Sauerstoffsensor im Auslasskrümmer 40, eine Kraftmaschinenkühlmitteltemperatur, einen Fahrpedalpositionssensor, einen Kraftmaschinenkrümmerdrucksensor (MAP-Sensor), einen Kraftmaschinenpositionssensor für die Kurbelwellenposition, einen Luftmassensensor im Ansaugkrümmer 38, einen Drosselklappenpositionssensor und dergleichen einschließen.
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In einigen Ausführungsformen wird die Kraftmaschine 20 als alleinige Antriebsmaschine in einem Fahrzeug verwendet, wie z. B. in einem herkömmlichen Fahrzeug oder in einem Stopp-Start-Fahrzeug. In weiteren Ausführungsformen kann die Kraftmaschine in einem Hybridfahrzeug verwendet werden, wo eine zusätzliche Antriebsmaschine wie z. B. eine Elektromaschine verfügbar ist, um eine Zusatzleistung zum Antrieb des Fahrzeugs bereitzustellen.
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Jeder Zylinder 22 arbeitet in einem Viertaktzyklus, der einen Einlasshub, einen Verdichtungshub, einen Zündhub und einen Auslasshub einschließt. In anderen Beispielen kann die Kraftmaschine mit einem Zweitaktzyklus betrieben werden. Während des Einlasshubs öffnet sich das Einlassventil 42, und das Auslassventil 44 schließt sich, während die Kolbenanordnung 34 sich von der Oberseite des Zylinders 22 zur Unterseite des Zylinders 22 bewegt, um Luft aus dem Ansaugkrümmer in den Brennraum einzulassen. Die Position der Kolbenanordnung 34 an der Oberseite des Zylinders 22 ist allgemein als oberer Totpunkt (TDC – top dead center) bekannt. Die Position der Kolbenanordnung 34 an der Unterseite des Zylinders ist allgemein als unterer Totpunkt (BDC – bottom dead center) bekannt.
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Während des Verdichtungshubs werden das Einlass- und Auslassventil 42, 44 geschlossen. Der Kolben 34 bewegt sich von der Unterseite zur Oberseite des Zylinders 22, um die Luft im Brennraum 24 zu komprimieren.
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Kraftstoff wird dann in den Brennraum 24 eingeleitet und gezündet. Bei der gezeigten Kraftmaschine 20 wird der Kraftstoff in den Brennraum 24 eingespritzt und dann mithilfe einer Zündkerze 48 gezündet. In anderen Beispielen kann der Kraftstoff durch Kompressionszündung gezündet werden.
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Während des Expansionshubs expandiert das gezündete Kraftstoff-Luftgemisch im Brennraum 24, wodurch der Kolben 34 veranlasst wird, sich von der Oberseite des Zylinders 22 zur Unterseite des Zylinders 22 zu bewegen. Die Bewegung der Kolbenanordnung 34 verursacht eine entsprechende Bewegung der Kurbelwelle 36 und bewirkt eine mechanische Drehmomentabgabe der Kraftmaschine 20.
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Während des Auslasshubs bleibt das Einlassventil 42 geschlossen, und das Auslassventil 44 öffnet sich. Die Kolbenanordnung 34 bewegt sich von der Unterseite des Zylinders zur Oberseite des Zylinders 22, um die Abgase und Verbrennungsprodukte aus dem Brennraum 24 zu entfernen, indem sie das Volumen des Raums 24 reduziert. Die Abgase strömen aus dem Brennzylinder 22 zum Auslasskrümmer 40 und zu einem Nachbehandlungssystem wie z. B. einem Abgaskatalysator.
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Die Position und Zeitsteuerung des Einlass- und Auslassventils 42, 44 sowie der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und der Zündzeitpunkt können für die verschiedenen Kraftmaschinenhübe variiert werden.
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Die Kolbenanordnung 34 weist einen Kolben 50 mit einem Kopf 52, einer Seitenwand 54 und Schäften 56 auf. Der Kolben 50 enthält eine Struktur, um den Kolben über einen Pleuelstangenstift oder dergleichen mit der Kurbelwelle 36 zu verbinden. Die Seitenwand 54 bildet einen Zylinder und definiert mehrere Ringnuten 58. In 1 sind drei Ringnuten dargestellt; in der Kolbenanordnung 34 kann jedoch eine beliebige Anzahl von Ringnuten verwendet werden. In einer Ausführungsform sind die Ringnuten 58 mit einer Ebene ausgerichtet, die durch den Kolbenkopf 52 definiert wird. Die Ringnuten 58 sind axial voneinander beabstandet. Die obere Nut 60 enthält einen oberen Kompressionsring oder ein Dichtungselement und ist benachbart zum Kopf 52. Die anderen Nuten enthalten Dichtungselemente wie z. B. Kompressionsringe oder Abstreifringe. Die Dichtungselemente einschließlich der Kompressionsringe und Abstreifringe wirken mit der Bohrung der Zylinderwand 32 zusammen, wenn die Kolbenanordnung sich innerhalb des Zylinders 22 bewegt. Flüssige und feste Schmiermittel wie z. B. Öl wirken, um die Reibung zu verringern, wenn die Kolbenanordnung 34 sich innerhalb des Zylinders 22 bewegt, sowie, um Verbrennungsgase daran zu hindern, dass sie zum Beispiel durch Durchblasen aus dem Brennraum 24 austreten.
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Um die Reibung zwischen dem oberen Kompressionsring und der Zylinderwand zu verringern, kann es wünschenswert sein, die axiale Gesamtbreite zu verringern, wodurch die Kontaktfläche zwischen dem Kompressionsring und der Zylinderwand reduziert wird. Gegenwärtig wird die Reibung zwischen dem oberen Kompressionsring und der Zylinderwand verringert, indem die axiale Breite des oberen Kompressionsrings reduziert wird. Basierend auf Bearbeitungs- und Herstellungsbeschränkungen kann die Größe der Nuten wie z. B. der oberen Nut 60 auf eine Mindestbreite begrenzt sein. Dies wiederum begrenzt nicht nur die Größe der Nut 60, sondern auch die der oberen Kompressionsdichtung, die in der Nut enthalten ist. Der obere Kompressionsring kann im Wesentlichen die axiale Breite der Nut 60 haben, um die Durchbiegung des Rings, Durchblasen usw. zu reduzieren. Zum Beispiel kann die axiale Mindestbreite einschließlich der oberen Kompressionsringbreite und der Nutbreite aufgrund von Herstellungsbeschränkungen etwa einen Millimeter oder 1,0 mm betragen.
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2 stellt eine partielle Schnittansicht der Kolbenanordnung 34 dar. Die obere Nut 60 ist als zum Kopf 52 benachbarte oder am nächsten daran liegende Nut dargestellt. Die Nut wird durch Bearbeiten der Seitenwand 54 des Kolbens 50 hergestellt. Die Nut 60 weist eine obere und untere Fläche 62, 64 auf, die entlang einer Längsachse 66 axial voneinander beabstandet sind. Eine Innenwand 68 verbindet die obere und untere Oberfläche 62, 64 und verläuft in der Umfangsrichtung des Kolbens 50 und ist von der Fläche der Seitenwand 54 nach innen versetzt.
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Die Nut 60 enthält einen oberen Kompressionsring 70. Zusätzliche Ansichten des oberen Kompressionsrings 70 werden in 3–4 dargestellt. Der obere Kompressionsring 70 kann ein geteilter Ring sein und kann aus einem Metall oder anderen geeigneten Material hergestellt sein. Der obere Kompressionsring 70 kann eine einheitliche Struktur sein, die aus einem Einzelteil aus Ausgangsmaterial geformt und/oder bearbeitet wird.
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Der obere Kompressionsring 70 weist eine Oberseite 72 und eine Unterseite 74 auf, die axial voneinander beabstandet sind. Die Oberseite 72 ist benachbart zur oberen Fläche 62. Die Unterseite ist benachbart zur unteren Fläche 64. Die Oberseite 72 und die Unterseite 74 verlaufen in einer Ebene, die allgemein parallel zum Kopf 52 und entlang einer radialen Achse 76 nach außen verläuft. Eine Innenseite 78 ist zwischen der Ober- und Unterseite angeordnet und ist benachbart zur Innenwand 68.
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Der obere Kompressionsring 70 weist eine Außenseite 80 auf. Mindestens ein Teil der Außenseite 80 erstreckt sich über die Seitenwand 54 des Kolbens 50 hinaus und springt von dieser vor. Die Außenseite 80 ist ausgelegt, um mit der Bohrung des Zylinders in Kontakt zu sein, und verschiebt sich in Bezug auf den Zylinder, wenn der Kolben sich bewegt. Die Außenseite 80 bildet eine Kontaktfläche mit dem Zylinder, wo die zwei Flächen miteinander in Kontakt sind.
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Die Außenseite 80 weist zwei Vorsprünge oder konvexe Flächen 82 auf, die für eine reduzierte Gesamtkontaktfläche mit dem Zylinder sorgen, während sie den Ring 70 auf oder über die durch Herstellungsbeschränkungen usw. vorgeschriebene Mindestbreite halten. Jede konvexe Fläche 82 ist mit einem Radius geformt und schließt einen Kreisbogen ein. Jede konvexe Fläche 82 ist benachbart zu einer Ober- oder Unterseite 72, 74 des Rings 70. Einen Zwischenabschnitt, wie beispielsweise eine Nut 84 oder konkave Fläche, ist zwischen den konvexen Flächen 82 gebildet. Durch Verringern der Gesamtkontaktfläche oder effektiven Kontaktfläche des Rings 70 mit dem Zylinder wird auch die Gesamtreibung verringert.
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Einem Beispiel gemäß weist der Ring 70 eine Kontaktfläche mit der Zylinderbohrung auf, die um etwa 50% kleiner als bei einem herkömmlichen oberen Kompressionsring mit einem einzigen konvexen Vorsprung ist, wodurch Reibungskräfte reduziert werden. Die Reibungskraft kann auf der Basis eines normalen Kontaktdrucks um etwa 50% reduziert werden. Diese Abnahme der Reibungskräfte führt zu einer Verbesserung in der Kraftstoffeinsparung für die Kraftmaschine um 0,15%.
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Zusätzlich sorgt das Profil der Außenseite 80 für eine verbesserte Dichtung. Zum Beispiel kann die Dichtung am unteren Totpunkt und am oberen Totpunkt aufgrund von dem Anstellwinkel oder der Neigung des Kolbens verbessert werden.
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3 ist eine perspektivische Ansicht, die den Spalt 90 des geteilten Kompressionsrings zeigt. Die Innenseite 78 liegt entlang des Innendurchmessers des Rings 70. Die Außenseite 80 liegt entlang des Außendurchmessers des Rings 70.
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4 ist eine schematische Ansicht des Kompressionsrings 70, welche Abmessungen des Rings einem Beispiel gemäß in Millimeter darstellt. Das Profil des Querschnitts des Rings 70 schließt die Innenseite 78, die Oberseite 72, die Unterseite 74 und die Außenseite 80 ein. Die axiale Breite des Rings in der Längsachse 66 ist als ein Millimeter dargestellt. Die radiale Breite des Rings entlang der Radialachse 76 ist 2,5 Millimeter. Jede der konvexen Flächen 82 weist einen Krümmungsradius von 0,25 Millimeter auf und schließt einen Kreisbogen ein. Eine Tangente eines Punkts auf der oberen konvexen Fläche 92 ist derart mit der Oberseite 72 ausgerichtet, dass sie die Oberseite 72 überlagert. Eine Tangente eines Punkts auf der unteren konvexen Fläche 94 ist derart mit der Unterseite 74 ausgerichtet, dass sie die Unterseite 74 überlagert. Die Radien der oberen und unteren konvexen Fläche 92, 94 können einander entsprechen, wie gezeigt.
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Eine Nut oder konkave Fläche 84 ist zwischen den zwei konvexen Flächen gebildet. Die konkave Fläche kann einen Krümmungsradius von 0,01 Millimeter oder 0,99 Millimeter aufweisen. Der Krümmungsradius der konkaven Fläche 84 wird als 0,099 mm gezeigt. Der Krümmungsradius der konkaven Fläche 84 ist kleiner als der Krümmungsradius der oberen konvexen Fläche 92 und/oder der Krümmungsradius der unteren konvexen Fläche 94.
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Die Außenseite 80 bildet eine glatte Kurve oder ein Profil 96, wie in 4 zu sehen. In einem Beispiel geht die obere konvexe Fläche in die konkave Fläche über, und die untere konvexe Fläche geht in die konkave Fläche über, um ein glattes, kontinuierliches Profil 96 zu ergeben. Das Profil 96 weist keine Diskontinuitäten wie Sprünge oder dergleichen auf, und das Profil 96 kann auch unsegmentiert sein. Das Profil 96 ist glatt, sodass mindestens die erste Ableitung der Profilfunktion kontinuierlich und/oder glatt ist. Das Profil 96 kann auch eine zweite Ableitung aufweisen, die kontinuierlich und/oder glatt ist. In einigen Beispielen ist das Profil 96 kontinuierlich differenzierbar. Darüber hinaus berühren sich die Kurven 92, 94, 84 an ihren Verbindungspunkten. Im gezeigten Beispiel teilen die Kurven 92, 94 und 84 an Verbindungspunkten zwischen den Kurven auch gemeinsame Tangenten oder Richtungen. Zum Beispiel haben Kurve 92 und Kurve 84 eine gemeinsame Tangente an ihrem Verbindungspunkt, und desgleichen Kurven 94 und 84.
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Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weisen zugehörige, nicht einschränkende Vorteile auf. Zum Beispiel wird durch Bereitstellen eines oberen Kompressionsrings mit einem Paar konvexer Flächen auf der Ringaußenseite die effektive Oberfläche, die mit einer Zylinderwand einer Kraftmaschine in Kontakt ist, im Vergleich zu einem Ring mit einer einzigen konvexen Fläche reduziert, wodurch die Reibung reduziert und die Kraftstoffeinsparung erhöht werden. Zusätzlich sorgt die Ringaußenseite für eine bessere Dichtung des Zylinders am oberen und unteren Totpunkt, wenn der Kolben sich aufgrund des Anstellwinkels des Kolbens neigen kann.
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Auch wenn oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Stattdessen dienen die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu ergeben.
