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Die Erfindung betrifft einen Ölabstreifring nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Als Ölabstreifringe werden im Allgemeinen diejenigen Ringe bezeichnet, welche in der untersten Nut eines Kolbens einer Hubkolbenbrennkraftmaschine eingesetzt werden und vor allem dazu dienen, Öl von der Zylinderwand derart abzustreifen, dass stets ein Restölfilm auf der Zylinderwand der Laufflächen des Kolbens verbleibt. Dabei hat die Auslegung des Ölabstreifrings einen großen Einfluss auf den Ölverbrauch der Hubkolbenbrennkraftmaschine, welcher möglichst gering gehalten werden soll.
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Aus
EP 0 927 840 A1 sind Ölabstreifringe mit Ringkörpern bekannt, an welchen in radialer Richtung nach außen hervorragend ein oberer Steg und ein unterer Steg ausgebildet oder angeordnet sind, wobei der untere Steg weiter hervorragen soll als der obere Steg.
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Aus
DE 1 065 235 B sind Ölabstreifringe mit Ringkörpern bekannt, an welchen in radialer Richtung nach außen hervorragend ein oberer und ein unterer Steg ausgebildet sind, wobei an einem der Stege an der zur Zylinderwand gerichteten Seite eine verschleißfestere Gleitfläche ausgebildet sein soll. Dabei soll die weniger verschleißfeste Gleitfläche kleiner sein als die verschleißfestere Fläche und/oder die weniger verschleißfeste Fläche ein radiales Übermaß aufweisen. Mit dieser Gestaltung soll die Einlaufzeit von Ölabstreifringen verkürzt werden.
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Aus
DE 33 18 208 C1 sind verschiedene Ausführungen von Ölabstreifringen bekannt, die überwiegend Ringkörper betreffen, an welchen in radialer Richtung nach außen hervorragend ein oberer und ein unterer Steg ausgebildet sind, die im Bereich von an die Zylinderwand angrenzenden Laufflächen jeweils gleich weit in radialer Richtung hervorragen. In einer weiteren Ausführungsform ist nur ein Steg ausgebildet, der sich über einen Großteil der Höhe H des Ringkörpers erstreckt.
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Aus
US 6,615,788 B2 ist ein Ölabstreifring mit einem Ringkörper bekannt, an welchem in radialer Richtung nach außen hervorragend ein oberer und ein unterer Steg ausgebildet sind, wobei der obere Steg gegenüber dem unteren Steg um 0,1 cm bis 0,3 cm hervorragen soll. Bei diesem Ölabstreifring soll in einer Ausnehmung an der Oberseite des Ölabstreifrings ein Dichtelement angeordnet werden, um einer Ölförderung durch den Spalt zwischen dem Ölabstreifring und der in dem Kolben ausgebildeten Nut entgegenzuwirken.
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In keinem der genannten Dokumente wird explizit Bezug genommen auf die Abstimmung der Ölabstreifringe hinsichtlich ihrer Tangentialkraft, d. h. die von den Ölabstreifringen auf die Zylinderwand ausgeübte Kraft, mittels welcher sichergestellt wird, dass der Ölabstreifring bei der Auf- und Abwärtsbewegung an der Zylinderwand anliegt. Aus der Praxis ist bekannt, dass aus einer reinen Reduzierung der von Ölabstreifringen auf die Zylinderwand ausgeübten Tangentialkraft ohne weitere Maßnahmen ein deutlicher Anstieg des Ölverbrauchs der Hubkolbenbrennkraftmaschine resultiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ölabstreifring zur Verfügung zu stellen, mittels welchem der Kraftstoffverbrauch einer Hubkolbenbrennkraftmaschine durch Verringerung der Reibung während des Betriebes der Hubkolbenbrennkraftmaschine reduziert werden kann, ohne den Ölverbrauch der Hubkolbenbrennkraftmaschine signifikant zu verschlechtern.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßer Ölabstreifring für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine umfasst einen elastisch verformbaren Ringkörper mit einer zu einem Hubkolben der Hubkolbenbrennkraftmaschine gerichteten Innenseite, einer zur Zylinderwand der Hubkolbenbrennkraftmaschine gerichteten Außenseite, einer einem Brennraum der Hubkolbenbrennkraftmaschine zugewandten Oberseite und einer dem Brennraum abgewandten Unterseite. Dabei ist der Ringkörper zum Einsetzen in eine in dem Hubkolben ausgebildete Nut derart vorgesehen, dass der Ringkörper aufgrund einer auf diesen einwirkenden bestimmungsgemäßen Tangentialkraft in radialer Richtung nach außen gegen die Zylinderwand gedrückt wird. Die Tangentialkraft kann insbesondere durch Materialeigenspannung und eine entsprechende Auslegung des Ringkörpers derart erzeugt werden, dass er unter einer durch das Material selbst hervorgerufenen Vorspannung in die in dem Kolben vorgesehene Nut eingesetzt werden muss (1-teilige Gestaltung). Oder die Tangentialkraft kann vollständig oder teilweise durch ein separates Federelement erzeugt werden, insbesondere durch Ringfedern oder Schlauchfedern. Diesbezüglich wird auf sämtliche, aus dem Stand der Technik bekannten 2-teiligen und 3-teiligen Gestaltungen von Ölabstreifringen verwiesen. Unabhängig von dem Aufbau des Ölabstreifrings (insbesondere 1-teilig, 2-teilig oder 3-teilig) sind an der Außenseite des Ringkörpers eines erfindungsgemäßen Ölabstreifrings mindestens ein in radialer Richtung nach außen hervorragender oberer Steg und mindestens ein in radialer Richtung nach außen hervorragender unterer Steg ausgebildet oder angeordnet, wobei der obere Steg näher an der Oberseite angeordnet ist und wobei der obere Steg gegenüber dem unteren Steg in radialer Richtung so viel weiter hervorragt, dass der untere Steg im in den Hubkolben eingesetzten Zustand unter Einwirkung der Tangentialkraft und bei Bewegung des Hubkolbens keinen Kontakt zur Zylinderwand aufweist. Der untere Steg weist somit während des gesamten Arbeitsspiels der Hubkolbenbrennkraftmaschine (Auf- und Abwärtsbewegung des Hubkolbens) keinen Kontakt zur Zylinderwand auf, so dass keine Berührung und damit auch keine direkte Reibung zwischen dem unteren Steg und der Zylinderwand vorliegt. Anders ausgedrückt, ist bei einem erfindungsgemäßen Ölabstreifring nur der obere Steg als (auf der Zylinderwand) tragender Steg ausgebildet. Der untere Steg hingegen ist kein tragender Steg.
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Die Erfindung ist insbesondere zurückzuführen auf die folgenden Überlegungen und Messungen. Die Einflussnahme von Ölabstreifringen auf den Ölverbrauch von Hubkolbenbrennkraftmaschinen kann durch folgende Effekte im Wesentlichen beschrieben werden:
- – Ölpumpen in der Nut,
- – Ölförderung durch den Stoß eines geschlitzten Ringkörpers,
- – Nach oben Abstreifen (Upscraping) und
- – zurückgelassene Ölfilmhöhe auf der Zylinderwand der Hubkolbenbrennkraftmaschine oberhalb des obersten Steges während der Abwärtsbewegung des Hubkolbens.
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Unter „Ölpumpen in der Nut” wird verstanden, dass ein Ölabstreifring bei jedem Arbeitsspiel, insbesondere in den Umkehrphasen zwischen Kompression und Expansion, sich innerhalb der Nut geringfügig zwischen einer oberen Endlage und einer unteren Endlage verschiebt. Sich in den Zwischenräumen befindendes Öl wird durch diese Verschiebung aus der Nut „herausgepumpt” und gelangt so teilweise nach oben in Richtung Brennraum.
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Unter „Ölförderung durch den Stoß” wird verstanden, dass bei geschlitzten Ringkörpern stets ein kleiner Stoßspalt an der Stelle verbleibt, wo der Ring, um auf dem Kolben montiert werden zu können, einen Schlitz aufweist. Durch diesen Schlitz kann während der Arbeitsspiele ebenfalls Öl nach oben in Richtung Brennraum gelangen.
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Unter „Upscraping” wird verstanden, dass Öl, welches während der Abwärtsbewegung des Kolbens an der Zylinderwand verblieben ist, bei der nachfolgenden Aufwärtsbewegung zwangsläufig teilweise von dem Ölabstreifring nach oben abgestreift wird. Mithilfe von Simulationsrechnungen und Versuchen wurde festgestellt, dass der aus der Praxis bekannte Effekt, dass bei Reduzierung der Tangentialkraft der Ölverbrauch signifikant steigt, im Wesentlichen durch eine Verstärkung des sogenannten Upscrapings zurückzuführen ist. Die vorliegende Erfindung macht sich dies dadurch zunutze, dass sie das Upscraping vermeidet, indem nicht nur die Tangentialkraft signifikant reduziert wird, sondern gleichzeitig die geometrische Ausbildung des Ölabstreifrings so modifziert wird, dass der untere Steg eines Ölabstreifrings keine tragende Funktion mehr aufweist. Es hat sich gezeigt, dass mit dieser Maßnahme durch Wahl einer nur geringen Tangentialkraft der Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen signifikant reduziert werden können, wohingegen sich der Ölverbrauch nur geringfügig erhöht. Zudem ergibt sich eine Erhöhung des Ölverbrauchs auch nur in Kennfeldbereichen der Hubkolbenbrennkraftmaschine, die üblicherweise fahrwiderstandsbedingt nur geringe Zeitanteile der Kundennutzung einnehmen können.
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Allgemein wird noch auf folgende Voraussetzungen hingewiesen, die bei der Auslegung von Ölabstreifringen in der Praxis unabhängig von der Ausbildungsform eines unteren Steges und/oder oberen Steges zu berücksichtigen sind.
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Ölabstreifringe sollten ein ausreichendes Formfüllungsvermögen aufweisen. Damit ist gemeint, dass die Ölabstreifringe eine ausreichende Elastizität im Zusammenspiel mit ihrer Tangentialkraft aufweisen sollen, um Unrundheiten eines Zylinders einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ausgleichen und somit möglichst über den gesamten Umfang des Zylinders und über dessen Höhe an der Zylinderwand anliegen und so effizient Öl abstreifen zu können (Anschmiegen des Ölabstreifrings).
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Darüber hinaus muss eine ausreichende Flächenpressung zwischen dem Ölabstreifring und der Zylinderlaufbahn vorgesehen sein, wobei sich die Flächenpressung aus der Größe der Auflagefläche und der Tangentialkraft ergibt. Je größer die Flächenpressung ist, desto geringer ist die vom Ring nach einem Abstreifvorgang zurückgelassene Ölfilmdicke. Je größer die zurückgelassene Ölfilmdicke ist, desto höher kann die in den Brennraum geförderte Ölmenge und damit der resultierende Ölverbrauch der Hubkolbenbrennkraftmaschine sein. Die Erfindung ist im Rahmen dieser Offenbarung überwiegend in einer Auslegungsvariante beschrieben, in welcher die Tangentialkraft möglichst gering eingestellt wird, um die durch den Ölabstreifring hervorgerufene Reibung zu minimieren. Dabei wird eine Erhöhung des Ölverbrauchs in gewissen Grenzen (insbesondere bis zu maximal 30 Prozent, bevorzugt maximal 20 Prozent und besonders bevorzugt maximal 15 Prozent) in Kauf genommen. Alternativ kann ein erfindungsgemäßer Ölabstreifring jedoch auch – insbesondere bei Inkaufnahme einer etwas höheren Tangentialkraft – so ausgelegt werden, dass (auch oder nur) der Ölverbrauch verringert bzw. minimiert wird.
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In einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ölabstreifrings ragt der obere Steg gegenüber dem unteren Steg um weniger als 100 μm in radialer Richtung hervor. Ausgehend von Ringkörpern mit üblichen Abmaßen von ca. 1,5 mm bis 4 mm Höhe und einer Radialerstreckung in gleicher Größenordnung hat sich sogar gezeigt, dass ein Hervorragen des oberen Steges gegenüber dem unteren Steg von maximal 50 μm, weiter bevorzugt von maximal 30 μm und besonders bevorzugt von 6–20 μm vorteilhaft ist. Die Auslegung erfolgt insbesondere so, dass der untere Steg weder in der Einlaufphase noch während der erwarteten Produktlebensdauer der Hubkolbenbrennkraftmaschine mit der Zylinderwand zur Anlage kommt, wobei angestrebt ist, den unteren Steg nah an die Zylinderwand heranragend, aber eben gerade nicht berührend auszubilden. Vorzugsweise sollte dieser Zustand für eine Mindestzahl von Arbeitsspielen gelten, besonders bevorzugt für einen überwiegenden Teil (d. h. deutlich mehr als 50 Prozent) der erwarteten Lebensdauer der Hubkolbenbrennkraftmaschine.
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Eine funktionsoptimierte Gestaltung eines erfindungsgemäßen Ölabstreifrings ergibt sich, wenn der obere Steg in der zur Oberseite orientierten Hälfte des Ringkörpers angeordnet ist und der untere Steg in der zur Unterseite orientierten Hälfte des Ringkörpers angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang in einer ersten Ausführungsvariante, wenn die Abstände zwischen der Oberseite des Ringkörpers und dem oberen Steg, der Abstand zwischen dem oberen Steg und dem unteren Steg und der Abstand zwischen dem unteren Steg und der Unterseite des Ringkörpers ungefähr gleich groß sind und insbesondere eine maximale Abweichung von 30 Prozent zueinander aufweisen. In diesem Fall ergibt sich eine nicht obligatorische, ungefähr symmetrische Ausbildung des oberen Steges und des unteren Steges in Hochrichtung des Ringkörpers betrachtet mit jeweils ungefähr gleich großen Abständen zueinander und zu den jeweils an den oberen Steg bzw. unteren Steg angrenzenden Seiten (Oberseite bzw. Unterseite).
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In einer zweiten Ausführungsvariante ist der obere Steg möglichst nah an der Oberseite angeordnet, insbesondere so, dass die Oberseite in den oberen Steg übergeht. Alternativ oder in Ergänzung dazu ist es vorteilhaft, wenn der untere Steg möglichst nah an der Unterseite angeordnet ist, insbesondere so, dass die Unterseite in den unteren Steg übergeht. Wenn beide Merkmale an einem erfindungsgemäßen Ringkörper realisiert sind, ist damit – ausgehend von einer vorgegebenen Dicke (d. h. Höhenerstreckung) der Stege – das Volumen zwischen dem oberen Steg und dem unteren Steg maximiert. Bevorzugt ist es in dieser Ausführungsform, wenn der Abstand zwischen dem oberen Steg und dem unteren Steg mindestens 50 Prozent des Abstands von Oberseite und Unterseite des Ringkörpers entspricht, weiter bevorzugt mindestens 60 Prozent und besonders bevorzugt mindestens 70 Prozent.
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Die Anordnung des oberen Steges möglichst nah an der Oberseite des Ringkörpers hat den Vorteil, dass der Ringkörper innerhalb einer Nut eines Hubkolbens, in welcher der Ringkörper üblicherweise ein Bewegungsspiel (meist aufgrund eines Übermaßes der Nut in Hochrichtung von maximal 100 μm, insbesondere maximal 70 μm und bevorzugt maximal 50 μm) aufweist, eine im Vergleich zu einem näher zur Unterseite positionierten oberen Steg größere Schwenkbewegung ausführen kann. Dadurch wird eine zum Einsatz kommende Kante des oberen Steges, welche als Abstreifkante für Öl dient und insbesondere im Übergangsbereich von der Außenseite des oberen Steges zu einer Flanke des oberen Steges als Radius ausgebildet sein kann, vorteilhaft zum Einsatz gebracht, da mit einem solchen als Radius ausgebildeten Bereich des Steges ein effizienteres Abstreifen erfolgt als mit einer flächigen Außenseite.
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Das Maximieren des Abstands zwischen dem oberen Steg und dem unteren Steg hat den Vorteil, dass ein zwischen den Stegen befindliches Volumen, in welchem sich während des Abstreifens von Öl eine größere Ölmenge sammeln könnte, so dass sich potentiell ein unerwünschter, da widerstandserhöhender Öldruck in diesem Bereich aufbaut, ebenfalls maximiert ist, so dass einem Druckaufbau wirksam entgegengewirkt wird.
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Die Anordnung eines unteren Steges möglichst nah an der Unterseite erfolgt vorzugsweise so, dass Öl, das von dem unteren Steg in der Funktion eines „Vorabstreifers” vorverdrängt werden soll, zumindest teilweise unterhalb des Ringkörpers verbleibt. Dieses Öl gelangt dann gar nicht erst in den Bereich der Nut des Hubkolbens bzw. in den Bereich zwischen dem unteren Steg und dem oberen Steg. Somit wird einem Druckaufbau in diesem Bereich und einer dadurch resultierenden Widerstandserhöhung weiter entgegengewirkt.
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Die Erfindung wurde insbesondere zur Verbesserung von mehrteilig gestalteten Ölabstreifringen gemacht, bei denen der Ringkörper zur mindestens teilweisen Erzeugung einer Tangentialkraft innenseitig von einem Federelement beaufschlagt ist. Bei diesen Gestaltungen kann der Ringkörper besonders elastisch gestaltet werden, wodurch sich eine gute Anpassung an fertigungsbedingte Unrundheiten einer Zylinderwand ergibt.
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Bei den mehrteilig ausgebildeten Ölabstreifringen ist es vorteilhaft, wenn im Bereich der Innenseite eine sich in radialer Richtung nach außen erstreckende Ausnehmung zur Aufnahme des Federelements ausgebildet ist, insbesondere eine an die Geometrie einer Schlauchfeder oder Ringfeder zumindest teilweise angepasste Innenfläche, die beispielsweise als eine kreisbogenförmige Ausnehmung gestaltet sein kann. Eine solche Gestaltung hat den Vorteil, dass das Federelement einfach und sicher und insbesondere ohne weitere Elemente gegenüber dem Ringelement positionierbar ist.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ölabstreifrings sind in dem Ringkörper unterhalb des oberen Steges über den Umfang verteilt mehrere, sich von der Innenseite zur Außenseite erstreckende Durchgangsöffnungen ausgebildet. Eine solche Gestaltung kann auch an einem Ölabstreifring realisiert werden, bei dem an der Außenseite des Ringkörpers nur ein in radialer Richtung nach außen hervorragender Einzelsteg ausgebildet ist. In diesem Fall sind unterhalb des Einzelsteges über den Umfang verteilt mehrere Durchgangsöffnungen ausgebildet. Derartige Durchgangsöffnungen dienen dazu, einem sich während eines Arbeitsspiels der Hubkolbenbrennkraftmaschine aufbauenden inneren Druck im Bereich der an der Zylinderwand anliegenden Außenseite dadurch entgegenzuwirken, dass die Durchgangsöffnung als Drainageöffnung dient und insoweit dem Öl, das sich im Bereich zwischen einem oberen Steg und einem unteren Steg sammelt, die Möglichkeit gibt, nach innen in Richtung Federelement abzufließen und so einem Druckaufbau und einer dadurch resultierenden Ölförderung in Richtung Brennraum entgegenzuwirken.
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In den bislang durchgeführten Simulationsberechnungen und Versuchen hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, einen oberen Steg oder einen Einzelsteg außermittig in der zur Oberseite orientierten Hälfte des Ringkörpers anzuordnen oder auszubilden, insbesondere wenn unterhalb des oberen Steges oder des Einzelstegs Durchgangsöffnungen ausgebildet sind.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ölabstreifrings ist ein oberer Steg, ein unterer Steg und/oder ein Einzelsteg auf der radial nach außen zur Zylinderwand gerichteten Außenseite mit einer reibungsverringernden und/oder verschleißhärtenden Beschichtung versehen. Bevorzugt sind Beschichtungen, die sowohl reibungsverringernd als auch verschleißhärtend sind. Wenn es sich um einen Ölabstreifring mit zwei Stegen handelt, d. h. mit einem oberen Steg und einem unteren Steg, ist es besonders vorteilhaft, wenn der obere, radial werter hervorragende Steg mit einer entsprechenden Beschichtung versehen ist. Damit kann sichergestellt werden, dass der untere Steg während der Produktlebensdauer tatsächlich nicht mit der Zylinderwand zur Anlage kommt.
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Die Erfindung ist zwar nicht auf bestimmte geometrische Ausbildungen von Ölabstreifringen beschränkt. Sie ist aber entwickelt und getestet worden an Ölabstreifringen, deren Ringkörper eine Höhe und eine sich in radialer Richtung erstreckende Radialdicke 1,5 mm bis 4 mm beträgt. Dabei betrug der Durchmesser der Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine ca. 80 mm. Der obere Steg und der untere Steg hatten eine Radialerstreckung von ca. 0,4 mm gegenüber dem übrigen Ringkörper.
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Bei der vorstehend skizzierten Gestaltung eines erfindungsgemäßen Ölabstreifrings konnte die Tangentialkraft auf einen Wert von maximal 25 N, bevorzugt 20 N und besonders bevorzugt 15 N eingestellt werden, insbesondere auf Werte von 3 N bis 20 N, bevorzugt auf 5 N bis 15 N, besonders bevorzugt auf 5 bis 12 N, insbesondere auf 10 N. Dabei ist zu berücksichtigen, dass diese Kraft bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Ölabstreifring nur von einem einzigen Steg auf die Zylinderwand wirkt. Der Ölverbrauch hat sich in diesem Fall im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Ölabstreifring (Ringkörper aus gleichem Material und gleicher Elastizität, aber einem tragenden oberen Steg und einem tragenden unteren Steg) und einer Tangentialkraft von 30 N (das entspricht ca. 15 N pro Steg) nur um weniger als 15 Prozent erhöht, wohingegen er sich – ohne die Maßnahmen hinsichtlich der Stege bei gleicher Tangentialkraftreduzierung mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Ring mit zwei tragenden Stegen – um ca. 50 Prozent erhöht hätte. Dabei treten Ölverbrauchserhöhungen in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Ring im Wesentlichen nur in Motorkennfeldbereichen auf, die in der Praxis nur sehr geringe Zeitanteile einnehmen können. Damit liegt die in der Praxis zu erwartende Ölverbrauchserhöhung erwartungsgemäß zwischen 0 Prozent und 10 Prozent.
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Da einige der in diesem Dokument beschriebenen Merkmale in Verbindung mit einem Hubkolben und/oder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine beschrieben sind, wird hiermit explizit auf eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Ölabstreifrings in einer Nut eines Hubkolbens verwiesen, insbesondere auf eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem solchen Hubkolben. Als Nut für den Ölabstreifring dient üblicherweise die vom Brennraum am weitesten entfernte Nut, welche außenseitig in einem Hubkolben eingebracht ist. Aktuell werden in der Praxis bei Kraftfahrzeugen meist Hubkolben mit drei Nuten und darin eingesetzten Kolbenringen verwendet, wobei der (vom Brennraum am weitesten entfernte) unterste Kolbenring als Ölabstreifring bezeichnet wird.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines 2-teilig gestalteten erfindungsgemäßen Ölabstreifrings mit einem Federelement und einem Ringkörper,
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2 eine schematische Darstellung nur des Ringkörpers des in 1 gezeigten Ölabstreifrings im Querschnitt,
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3 eine schematische Darstellung nur des Ringkörpers eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ölabstreifrings im Querschnitt,
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4 eine schematische Darstellung nur des Ringkörpers eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ölabstreifrings im Querschnitt,
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5 eine qualitative Darstellung der Reibung und des Upscrapings in Abhängigkeit von der Tangentialkraft für einen aus dem Stand der Technik bekannten Ölabstreifring und
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6 eine schematische Darstellung der Ölfilmdicke in Abhängigkeit der Höhenposition an der Zylinderwand für einen Ölabstreifring aus dem Stand der Technik im Vergleich mit einem erfindungsgemäßen Ölabstreifring gemäß der ersten Ausführungsform.
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1 zeigt eine 2-teilige Gestaltung eines aus dem Stand der Technik bekannten Ölabstreifrings 10. Der Ölabstreifring 10 umfasst bei dieser 2-teiligen Gestaltung einen elastisch verformbaren Ringkörper 12 und ein innenseitig des Ringkörpers 12 angeordnetes, separates Federelement 14 zum Erzeugen einer nach außen wirkenden Tangentialkraft. Sowohl der Ringkörper 12 als auch das Federelement erstrecken sich in der gezeigten Ausführungsform über 360° und sind so weit aufweitbar, dass sie außenseitig über die Mantelfläche eines zylindrisch ausgebildeten Hubkolbens bis zu einer Nut in dem Hubkolben geführt werden können, die zur Aufnahme und Positionierung des Ölabstreifrings 10 dient. In 1 ist jeweils nur ein Teilbogen des Ringkörpers 12 und des Federelements 14 dargestellt. Als Federelement 14 wird in der gezeigten Ausführungsform eine Schlauchfeder verwendet. Es ist ebenfalls möglich, Ringfedern oder andere geeignete Federelemente zu verwenden.
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Im montierten Zustand einer Anordnung eines Ölabstreifrings 10 an einem nicht dargestellten Hubkolben in einem Zylinder einer ebenfalls nicht dargestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine ist der Ringkörper 12 in der vorstehend erwähnten Nut des Hubkolbens in Verfahrrichtung des Hubkolbens festgelegt. Der Ölabstreifring 10 ist ferner so positioniert, dass dessen Innenseite 16 zum Hubkolben, insbesondere zu dessen Nutgrund, und die Außenseite 18 zu der in 2 dargestellten Zylinderwand 20 der Hubkolbenbrennkraftmaschine gerichtet ist. Ferner ist der Ringkörper 12 so ausgerichtet, dass der Ringkörper 12 (gemeinsam mit dem Hubkolben) in Richtung seiner Oberseite 22 (d. h. nach oben) bewegt wird, wenn der Hubkolben eine Kompressionsbewegung durchführt und dass der Ringkörper 12 (gemeinsam mit dem Hubkolben) in Richtung seiner Unterseite 24 (d. h. nach unten) bewegt wird, wenn der Hubkolben eine Expansionsbewegung durchführt.
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An der Außenseite 18 des Ringkörpers 12 sind ein in radialer Richtung nach außen hervorragender oberer Steg 26 und ein in radialer Richtung nach außen hervorragender unterer Steg 28 ausgebildet. Auf der Innenseite 16 des Ringkörpers 12 ist eine sich in radialer Richtung nach außen erstreckende Ausnehmung 30 ausgebildet. Wie in 1 erkennbar ist, ist die Ausnehmung 30 hier kreisbogenförmig ausgebildet, um die als Federelement 14 verwendete Schlauchfeder einfach und sicher aufzunehmen und relativ zu dem Ringkörper 12 zu positionieren.
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In den 2 bis 4 sind schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Ölabstreifringe 10 in vereinfachten Querschnittsdarstellungen ohne separate Federelemente und ohne Ausnehmungen für diese Federelemente gezeigt. 2 zeigt dabei eine vereinfachte Darstellung der Geometrie der in 1 perspektivisch wiedergegebenen Ausführungsform. Somit beziehen sich alle beschriebenen Ausführungsformen auf 2-teilige Gestaltungen erfindungsgemäßer Ölabstreifringe 10. Es wird jedoch noch einmal betont, dass analog auch 1-teilige und 3-teilige Ölabstreifringe 10 realisiert werden können und somit genauso von der Erfindung umfasst sind.
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Im Folgenden werden in Verbindung mit 2 geometrische Details des aus 1 erkennbaren Ringkörpers 12 beschrieben, die in 1 teilweise weder dargestellt noch erkennbar sind. Erkennbar ist in 1, dass der obere Steg 26 in der zur Oberseite 22 orientierten Hälfte und der untere Steg 28 in der zur Unterseite 24 orientierten Hälfte des Ringkörpers 12 angeordnet sind. Nur in 2 ist erkennbar, dass der obere Steg 26 in radialer Richtung um einen Abstand r weiter nach außen hervorragt als der untere Steg 28. Dabei ist der Abstand r so groß gewählt, dass der untere Steg 28 im in den Hubkolben eingesetzten Zustand unter Einwirkung der von dem Federelement 14 ausgeübten Tangentialkraft des Ringkörpers 12 keinen Kontakt zur Zylinderwand 20 aufweist. Der Abstand r beträgt dabei bevorzugt maximal 50 μm, weiter bevorzugt maximal 30 μm und besonders bevorzugt 6–20 μm. In der gezeigten Ausführungsform beträgt der Abstand r 12 μm.
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Unterhalb des oberen Stegs 26 sind über den Umfang verteilt mehrere, sich von der Außenseite 18 zur Innenseite 16 erstreckende Durchgangsöffnungen 32 ausgebildet. Die Durchgangsöffnungen 32 dienen dazu, dass Öl, das sich während eines Arbeitsspiels zwischen dem oberen Steg 26 und dem unteren Steg 28 und der Zylinderwand 20 ansammelt und somit inneren Druck auf den Ringkörper 12 ausüben könnte, zum Druckabbau von der Außenseite 18 zur Innenseite 16 abfließen kann. Derartige Durchgangsöffnungen 32 werden auch als Drainageöffnungen bezeichnet.
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Im Folgenden werden für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente einer in Verbindung mit 3 beschriebenen zweiten Ausführungsform und einer in Verbindung mit 4 beschriebenen dritten Ausführungsform die gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 2 verwendet.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ölabstreifrings 10, bei dem an dem Ringköper 12 ein zur Außenseite 18 in radialer Richtung hervorragender Einzelsteg 34 ausgebildet ist. Der Einzelsteg 34 ist in der zur Oberseite 22 orientierten Hälfte des Ringkörpers 12 ausgebildet. Unterhalb des Einzelstegs 34 sind, wiederum über den Umfang verteilt, eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 32 ausgebildet, die wie vorstehend erläutert als Drainageöffnungen zum Abführen von sich zwischen der Außenseite 18 und der Zylinderwand 20 ansammelndem Öl dienen. Die Durchgangsöffnungen 32 sind unterhalb des Einzelstegs 34 ausgebildet.
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4 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ölabstreifrings 10, bei dem an dem Ringkörper 12 ein zur Außenseite 18 in radialer Richtung hervorragender Einzelsteg 34 ausgebildet ist. Der Einzelsteg 34 ist hierbei mittig zwischen der Oberseite 22 und der Unterseite 24 ausgebildet. Unterhalb des Einzelstegs 34 sind, wiederum über den Umfang verteilt, eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 32 ausgebildet, die wie vorstehend erläutert als Drainageöffnungen zum Abführen von sich zwischen der Außenseite 18 und der Zylinderwand 20 ansammelndem Öl dienen. Die Durchgangsöffnungen 32 sind unterhalb des Einzelstegs 34 ausgebildet.
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In 5 ist ein Diagramm dargestellt, das qualitativ einerseits den Einfluss der Tangentialkraft auf die Reibung des Ölabstreifrings 10 an der Zylinderwand (Kurve 36) und andererseits auf das Upscraping eines aus dem Stand der Technik bekannten Ölabstreifrings 10 mit einem oberen Steg und einem unteren Steg zeigt, die in radialer Richtung gleich wert nach außen hervorragen (Kurve 38). Wie anhand der Kurve 36 erkennbar ist, führt eine Reduzierung der Tangentialkraft zu einer Reduzierung der Reibung der beiden Stege an der Zylinderwand (nahezu linearer Zusammenhang). Wie anhand der Kurve 38 erkennbar ist, geht die Reduzierung der Tangentialkraft gleichzeitig einher mit einem superlinear ansteigenden Upscraping. Aufgrund dieser sehr starken Zunahme des Upscrapings wäre eine deutliche Reduzierung der Tangentialkraft ohne weitere Maßnahmen technisch nicht sinnvoll, weil diese mit einem starken Anstieg des Ölverbrauchs einher gehen würde.
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Mit erfindungsgemäß ausgebildeten Ölabstreifringen, bei denen – einfach ausgedrückt – statt zwei Stegen nur noch ein Steg in direktem Kontakt mit der Zylinderwand steht und somit als tragender Steg ausgelegt ist, wurde eine Gestaltung gefunden, mit welcher selbst bei geringer Tangentialkraft ein rechnerisch nur geringer Ölverbrauchsanstieg zu erwarten ist.
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In 6 ist als Ergebnis einer Simulationsrechnung ein Diagramm dargestellt, in welchem schematisch die Ölfilmdicke (x-Achse) über die jeweilige Höhenposition einer Zylinderwand 20 (y-Achse) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine dargestellt ist. Mit Kurve 40 ist die Ölfilmdicke entlang der Höhe der Zylinderwand 20 nach der Abwärtsbewegung des Hubkolbens für einen aus dem Stand der Technik bekannten Ölabstreifring 10 dargestellt. Mit Kurve 42 ist die Ölfilmdicke nach der Abwärtsbewegung des Hubkolbens für einen erfindungsgemäßen Ölabstreifring 10 dargestellt. Mit Kurve 44 ist die Ölfilmdicke nach der Aufwärtsbewegung des Hubkolbens für beide Fälle angegeben. Die durch die Kurven 40, 44 (Stand der Technik) bzw. durch die Kurven 42, 44 (Erfindung) eingeschlossenen Flächen visualisieren somit die jeweiligen Ölmengen, welche während eines Arbeitsspiels in Richtung Brennraum der Hubkolbenbrennkraftmaschine durch Upscraping nach oben abgestreift werden und zu einem unerwünschten Ölverbrauch sowie zu weiteren verbrennungstechnischen Nachteilen führen. In der schematischen Darstellung wurde die Kurve 42 mit einem größeren Abstand zu der Kurve 44 wiedergegeben, als dies in der Praxis zu erwarten ist, um eine Fläche zwischen den Kurven 42, 44 erkennbar schraffieren zu können. Die durch die Erfindung bewirkte tatsächliche Volumendifferenz zwischen den Kurven 40, 44 und 42, 44 ist deutlich größer als in 6 erkennbar.
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Wie erkennbar ist, ist die Menge des nach oben abgestreiften Öls (Upscraping) für einen erfindungsgemäßen Ölabstreifring 10 deutlich geringer als für einen aus dem Stand der Technik bekannten Ölabstreifring 10. Das Upscraping ist demnach mit einem erfindungsgemäßen Ölabstreifring 10 gegenüber dem Upscraping mit einem Ölabstreifring 10 aus dem Stand der Technik reduziert. Dieser in Verbindung mit dem Diagramm aus 6 visualisierte Erfolg wurde in Verbindung mit der ersten Ausführungsform insbesondere durch gleichzeitige Ausbildung nur eines die Zylinderwand 20 berührenden (tragenden) Steges in Verbindung mit einer reduzierten Tangentialkraft von vorliegend 10 N erzielt.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ölabstreifring
- 12
- Ringkörper
- 14
- Federelement
- 16
- Innenseite
- 18
- Außenseite
- 20
- Zylinderwand
- 22
- Oberseite
- 24
- Unterseite
- 26
- oberer Steg
- 28
- unterer Steg
- 30
- Ausnehmung
- 32
- Durchgangsöffnung
- 34
- Einzelsteg
- 36
- Kurve
- 38
- Kurve
- 40
- Kurve
- 42
- Kurve
- 44
- Kurve
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0927840 A1 [0003]
- DE 1065235 B [0004]
- DE 3318208 C1 [0005]
- US 6615788 B2 [0006]
