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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kombination von Kolben und Kolbenring für Verbrennungsmotoren.
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Stand der Technik
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Als Blow-By werden Leckgasmengen bezeichnet, welche über kleinste Dichtspalte an der Kolbenringgruppe vorbei in den Kurbelraum gelangen. Solche Dichtspalte bestehen am Kolbenringstoß, zwischen Kolbenring und Zylinderwand und insbesondere auch an den Kolbenringflanken und durch die Kolbennut. Steigende Verbrennungsdrücke und höhere Anforderungen an Emissionswerte machen es notwendig Blow-By-Gas-Mengen gering zu halten bzw. weiter abzusenken. Ein höherer Zünddruck lässt sich z.B. erst dann in eine Leistungssteigerung des Motors umsetzen, wenn die Leckgasmengen verringert werden.
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EP 0 676 569 A1 offenbart einen Kolben und Kolbenring, wobei der Kolben zwei Rillen mit schrägen Wänden aufweist, so dass ein trapezförmiger Vorsprung definiert wird, und wobei der Kolbenring angepasst ist, in den Rillen aufgenommen zu werden.
CH 202 033 A DE 29 33 702 B1 und
EP 0 151 516 A1 offenbaren Kolbenringe, die an ihrer inneren Umfangsfläche eine Ausnehmung aufweisen, wobei der Nutgrund einer jeweiligen Kolbenringnut eine Rippe bzw. einen Steg aufweist, die bzw. der in die Ausnehmung eingreift.
JP 2008-014214 A und
US 2 566 603 A 35 offenbaren Kolben-Kolbenring-Kombinationen bei denen eine Kolbenringnut jeweils in Axialrichtung mehrere Abschnitte unterschiedlicher Tiefe aufweist, wobei ein zugehöriger Kolbenring jeweils entsprechende Abschnitte mit unterschiedlichen radialen Wanddicken aufweist.
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Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, Blow-By über die Kolbenringflanke durch die Kolbennut zu verringern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kolbenring- und Kolben-Kombination gemäß Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen.
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Weiter offenbart ist eine Kolbenring- und Kolben-Kombination, wobei der Kolbenring eine Lauffläche, zwei Ringflanken und eine innere Umfangsfläche aufweist, wobei die innere Umfangsfläche in einem axialen Querschnitt mit einer Aussparung versehen ist, die in Umfangsrichtung verläuft und sich über den gesamten Umfang erstreckt, wobei der Kolben eine Kolbenringnut aufweist, und wobei ein Nutgrund der Kolbenringnut mit einem im axialen Querschnitt trapezförmigen Vorsprung versehen ist, der in Umfangrichtung verläuft und der konfiguriert ist, in die Aussparung hineinzuragen, wenn der Kolbenring in der Kolbenringnut montiert ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kolbenring- und Kolben-Kombination, wobei der Kolbenring eine Lauffläche, zwei Ringflanken und eine innere Umfangsfläche aufweist; wobei die innere Umfangsfläche in einem axialen Querschnitt mit einer Aussparung versehen ist, die in Umfangsrichtung verläuft und sich über den gesamten Umfang erstreckt; wobei der Kolben eine Kolbenringnut aufweist; wobei ein Nutgrund der Kolbenringnut mit einem Vorsprung versehen ist, der in Umfangrichtung verläuft und der konfiguriert ist, in die Aussparung hineinzuragen, wenn der Kolbenring in der Kolbenringnut montiert ist; und wobei die innere Umfangsfläche und der Nutgrund einschließlich des Vorsprungs einander entsprechende Bereiche aufweisen, die im axialen Querschnitt schräg zu einer Axialrichtung verlaufen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Aussparung eine radiale Tiefe von 35% bis 65% einer radialen Wanddicke des Kolbenrings auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein minimaler Abstand zwischen einem radial äußeren Bereich des Vorsprungs und dem Kolbenring kleiner als 0,4 mm, bevorzugt kleiner als 0,2 mm.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung befindet sich die Aussparung in einem axialen Bereich der inneren Umfangsfläche, der zwischen 5 % und 95 % einer axialen Gesamthöhe der inneren Umfangsfläche liegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Aussparung mittig zwischen den Ringflanken positioniert.
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Gemäß einem anderen Aspekt befindet sich die Aussparung in einem axialen Bereich der inneren Umfangsfläche, der, von einer brennraumabgewandten Ringflanke aus gesehen, zwischen 5 % und 45 % einer axialen Gesamthöhe der inneren Umfangsfläche liegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt liegt eine axiale Höhe der Aussparung im Bereich zwischen 10 % und 80 % einer axialen Gesamthöhe der inneren Umfangsfläche.
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Gemäß einem weiteren Aspekt sind Abmessungen von Aussparung und Vorsprung aneinander und an ein Spiel zwischen Kolbenring und Kolben angepasst, so dass während eines Betriebs kein Kontakt zwischen Kolbenring und Vorsprung auftritt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Abstand zwischen Kolbenring und Vorsprung kleiner als 0,03 mm, wenn der Kolbenring an einer Flanke der Kolbenringnut anliegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt variiert die axiale Position der Aussparung in Umfangrichtung.
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Weiter offenbart ist, dass die innere Umfangsfläche im axialen Querschnitt mit mindestens einer weiteren Aussparung versehen ist, die in Umfangsrichtung verläuft, und der Nutgrund der mindestens einen Kolbenringnut mit mindestens einem weiteren im axialen Querschnitt trapezförmigen Vorsprung versehen ist, der in Umfangrichtung verläuft und der konfiguriert ist, in die mindestens eine weitere Aussparung hineinzuragen, wenn der Kolbenring in der Kolbenringnut montiert ist.
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,Axial‘ und ,radial‘ werden wie üblich durch Bezug auf die durch Kolbenring gegebene Achse, die mit der Achse der Zylinderform des Kolbens zusammenfällt, definiert. Eine axiale Richtung ist eine Richtung parallel zu dieser Achse und eine radiale Richtung ist eine Richtung senkrecht zu dieser Achse. Ein axialer Schnitt ist ein Schnitt, bei dem diese Achse in der Schnittebene liegt.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren genauer beschrieben, wobei
- 1 einen Schnitt durch eine Kolbenring- und Kolben-Kombination zeigt;
- 2 einen Schnitt einer weiteren Kolbenring- und Kolben-Kombination zeigt; und
- 3 einen Schnitt durch eine Kolbenring- und Kolben-Kombination gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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1 stellt eine axiale Schnittdarstellung eines Teils einer Kolbenring- und Kolben-Kombination dar. Ein Kolbenring 4 ist in einer Kolbenringnut eines Kolbens 2 angeordnet bzw. montiert. Der Kolbenring 4 weist im Querschnitt im Wesentlichen eine Rechteckform mit einer Lauffläche, zwei Ringflanken und einer Innenwand bzw. inneren Umfangsfläche 6 auf. Beispiele für solche Ringe sind Kompressionskolbenringe und Zwischenringe, die zwischen einem Kompressionskolbenring und einem Ölabstreifring angeordnet werden. Die Lauffläche kann im Querschnitt z.B. ballig (wie in der Figur) oder eben (Rechteckring, Minutenring) geformt sein. Allgemeiner (nicht dargestellt) kann der Kolbenring anstatt einer Rechteckform im Querschnitt im Wesentlichen eine Trapezform aufweisen; z.B. mit nicht parallelen Kolbenringflanken.
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In den Kolbenring 4 ist an der inneren Seite eine Vertiefung bzw. Aussparung 8 eingebracht, die in Umfangrichtung verläuft und sich über den ganzen Umfang erstreckt. Die innere Umfangsfläche 6 ist im axialen Querschnitt mit einer Aussparung 8 versehen. Es liegt also eine in Umfangrichtung verlaufende Nut vor, die an der inneren Umfangsfläche 6 in den Kolbenring 4 eingebracht ist. Bevorzugt weist die Aussparung im axialen Querschnitt eine Rechteckform auf. Ein Nutgrund 10 der Kolbenringnut ist mit einem in Umfangrichtung verlaufenden, im axialen Querschnitt trapezförmigen Vorsprung 12 versehen, der konfiguriert ist, im montierten Zustand in die Aussparung 8 hineinzuragen. Der Vorsprung 12 erstreckt sich entsprechend der Aussparung 8 über den gesamten Umfang des Kolbens 2.
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Der Weg durch den Spalt zwischen Kolbenring 4 und Kolben 2 führt zwischen innerer Umfangsfläche 6 und Nutgrund 10 sozusagen durch ein Labyrinth, was die Strecke, die Gas zurücklegen muss, verlängert, so dass eine erhöhte Dichtwirkung erzielt wird. Durch die trapezförmige Ausbildung des Vorsprungs 12 ergeben sich zusätzlich Engstellen zwischen dem Vorsprung 12 und den Kanten, die an der inneren Umfangsfläche 6 durch die Aussparung 8 gebildet werden. Diese Engstellen bewirken einen Drosseleffekt für Strömungen, wodurch die Dichtwirkung erhöht wird. Weiterhin fällt (in axialer Richtung) aufgrund des Drosseleffektes der Gasdruck beim Arbeitstakt hinter dem Kolbenring 4 schneller ab. Brennraumseitig (oben in den Figuren) wirkt also ein höherer Druck als kurbelraumseitig, so dass Kräfte auf den Kolbenring 4 wirken, die den Kolbenringkörper zu verwinden versuchen; d.h. eine sogenannte Ringvertwistung - hier negativ - tritt auf, die vom Gasdruck abhängig ist. Es hat sich gezeigt, dass eine solche negative Ringvertwistung Blow-By entlang der Kolbenringflanken verringert.
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Die Aussparung 8 erstreckt sich in axialer Richtung nicht bis zu den Ringflanken, d.h. die Aussparung 8 befindet sich zwischen Bereichen der inneren Umfangsfläche 6 die jeweils an eine der Ringflanken angrenzen (und die sich entsprechend radial weiter nach innen erstrecken als die Aussparung). Bezogen auf eine axiale Gesamthöhe der inneren Umfangsfläche 6 befindet sich die Aussparung 8 bevorzugt in einem Bereich der inneren Umfangsfläche 6 der zwischen 5 % und 95 %, bevorzugt zwischen 20 % und 80 %, weiter bevorzugt zwischen 35 % und 65 %, der axialen Gesamthöhe liegt, wobei sich die Aussparung 8 natürlich nicht diesen gesamten Bereich einnehmen muss.
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Weiter ist die Aussparung 8 bevorzugt in axialer Richtung symmetrisch positioniert, d.h. die Abstände der Aussparung 8 zu den beiden Ringflanken sind gleich bzw. die Aussparung 8 ist mittig zwischen den Ringflanken positioniert. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführung ist eine asymmetrische Positionierung vorgesehen, bei der sich die Aussparung 8 in einem axialen Bereich der inneren Umfangsfläche 6 zwischen 5% und 45 %, von der brennraumabgewandten Seite des Kolbenrings 4 aus gesehen, der axialen Gesamthöhe der inneren Umfangsfläche 6 befindet. Dadurch wird verhindert, dass der Anpressdruck des Kolbenrings 4 an eine Zylinderlauffläche, der zum Teil durch den Druck von Verbrennungsgasen erzeugt wird, die hinter den Ring gelangen, und welcher wiederum aufgrund des Drosseleffekts verringert wird, zu klein wird. Bei asymmetrischen Ausführungen ist zu beachten, dass es aufgrund der Querschnittsstörung zu einem Verwinden des Kolbenringes 4 im gespannten Zustand kommen kann, d.h. zu einer Ringvertwistung.
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Eine axiale Höhe der Aussparung 8 wird relativ zu der axialen Gesamthöhe der inneren Umfangsfläche 6 definiert, d.h. die axiale Höhe der Aussparung 8 wird in Prozent der axialen Gesamthöhe der inneren Umfangsfläche 6 angegeben. Dabei liegt die axiale Gesamthöhe der Aussparung 8 im Bereich zwischen 10 % und 80 %, bevorzugt zwischen 20 % und 50%, weiter bevorzugt zwischen 25 % und 35 %, der axialen Gesamthöhe der inneren Umfangsfläche 6.
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Da der Vorsprung 12 konfiguriert ist, in die Aussparung 8 hineinzuragen, sind die axiale Positionierung des Vorsprungs 12 und/oder die Abmessungen des Vorsprungs 12 an die axiale Positionierung und/oder die Abmessungen der Aussparung 8 angepasst.
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Zwischen Kolben 2 und Kolbenring 4 besteht ein Spiel, also ein Freiraum, innerhalb dem sich Kolben 2 und Kolbenring 4 relativ zueinander bewegen können. Ein solches Spiel besteht sowohl in axialer als auch in radialer Richtung. Durch die Auf- und Abbewegung des Kolbens 2 und durch Gasdruck liegt der Kolbenring 4 abwechselnd an der brennraumzugewandten und der brennraumabgewandten Kolbenringnutflanke an, dies findet innerhalb des axialen Spiels statt. Gleichzeitig nimmt das radiale Spiel eine radiale Relativbewegung auf, die z.B. durch eine Querkraft aufgrund der Kurbelbewegung der Pleuelstange verursacht wird. Entsprechend sind bevorzugt Abmessungen von Aussparung 8 und Vorsprung 12 so aneinander und an das Spiel angepasst, dass während des Motorbetriebs der Kolbenring 4 und der Vorsprung 12 nicht in Kontakt kommen.
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Um einen Drosseleffekt zu erreichen, sollte der Abstand zwischen trapezförmigen Vorsprung 12 und Kolbenring 4, der durch den Abstand vom Vorsprung 12 zu Wänden der Aussparung 8 bestimmt wird, möglichst klein sein. Bevorzugt ist der Abstand zwischen trapezförmigen Vorsprung 12 und Kolbenring 4 kleiner als 0,03 mm, weiter bevorzugt kleiner als 0,01 mm, wenn der Kolbenring 4 an einer Flanke der Kolbenringnut anliegt.
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Die axiale Position der Aussparung 8 (und entsprechend des Vorsprungs 12) kann in Umfangrichtung variieren, wobei sich ,axiale Position‘ auf den axialen Abstand der Aussparung 8 von den Ringflanken bezieht. Da durch eine solche Variation eine Rotation des Kolbenrings 4 in der Kolbenringnut unterbunden wird, kann dies dann zur Anwendung kommen, wenn eine solche Rotation nicht erwünscht ist, z.B. bei einem Zweitaktmotor.
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2 stellt eine weitere Kolbenring- und Kolben-Kombination dar, bei welcher die innere Umfangsfläche 6 eines Kolbenrings 4 mit zwei Aussparungen 8 versehen ist, und ein Nutgrund 10 einer Kolbenringnut eines Kolbens 2 mit zwei im Querschnitt trapezförmigen Vorsprüngen 12 versehen ist. Ansonsten, insbesondere für die Aussparungen 8 und die Vorsprünge 12, gilt das oben im Zusammenhang mit 1 gesagte. Ebenso sindAusführungen mit mehr als zwei Aussparungen 8 bzw. Vorsprüngen 12 denkbar.
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In 3 ist ein in einer Kolbenringnut eines Kolbens 2 montierter Kolbenring 4 gemäß einer Ausführungsform dargestellt, wobei Form von Vorsprung 12 und Aussparung 8 anders als in 1 gestaltet sind. Im Gegensatz zu 1 sind eine Aussparung 8 und ein Vorsprung 12 so gestaltet, dass eine Länge des Weges, der zwischen Kolbenring 4 und Kolben 2 verläuft, hinter dem Kolbenring 4 vergrößert wird. Dadurch wird ein Durchtritt von Verbrennungsgasen erschwert und es kommt weiterhin zu einem Gasdruckabfall hinter dem Kolbenring 4, der anders als bei den vorherigen 1 und 2 nicht durch einen mit Engstellen verbundenen Drosseleffekt erzeugt wird sondern durch die erhöhte Länge des Weges. Der Druckabfall führt wie oben beschrieben zu einer negativen Ringvertwistung, die Blow-By weiter reduziert.
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Der Kolbenring 4 weist eine Lauffläche, zwei Ringflanken und einer innere Umfangsfläche 6 auf; der Kolben 2 weist eine Ringnut mit einem Nutgrund 10 auf. Innere Umfangsfläche 6 und Nutgrund 10 einschließlich des Vorsprungs 12 weisen einander entsprechende Bereiche 14 auf, die im axialen Querschnitt schräg zu einer Axialrichtung verlaufen. Am Kolben 2 sind solche schrägen Bereiche 14 also sowohl am Nutgrund 10 selbst als auch an einem radial äußeren Bereich 16, d.h. einem im axialen Querschnitt freien Ende, des Vorsprungs 12 vorhanden. Beispielhaft sind in der 3 in axialer Richtung aufeinander folgend jeweils drei solche schrägen Bereiche 14 dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber nur die untersten Bereiche an innerer Umfangsfläche 6 und Nutgrund 10 mit einem Bezugszeichen versehen sind. Insgesamt, in einer räumlichen Ansicht des Kolbens bzw. Kolbenrings, sind diese Bereiche 14 also konisch. Dass die schrägen (konischen) Bereiche 14 von innerer Umfangsfläche 6 und Nutgrund 10 einander entsprechen heißt, dass sie in ihrer Neigung (d.h. im Winkel relativ zur Axialrichtung) aneinander angepasst sind und bevorzugt die gleiche Neigung aufweisen.
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Um eine Wegverlängerung für Verbrennungsgase zu erreichen sollte die Aussparung 8 möglichst tief in den Kolbenring 4 hineinreichen. Bevorzugt weist die Aussparung 8 eine radiale Tiefe von 35% bis 65%, weiter bevorzugt von 40% bis 50%, einer radialen Wanddicke des Kolbenrings 4 auf. Außerdem sollte der Vorsprung 12 möglichst tief in die Aussparung 8 hineinragen. Entsprechend ist ein minimaler Abstand zwischen einem radial äußeren Bereich 16 des Vorsprungs 12 und dem Kolbenring 4 bevorzugt kleiner als 0,4 mm, weiter bevorzugt kleiner als 0,2 mm, am meisten bevorzugt kleiner als 0,1 mm. Dieser minimale Abstand besteht zwischen dem radial äußeren Bereich 16 des Vorsprungs 12 und einem Grund 18 der Aussparung 8.
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Ansonsten gilt für die Ausführungsform der 3 das bereits oben im Zusammenhang mit 1 erwähnte. Dies betrifft insbesondere die axiale Positionierung und die Abmessungen von Aussparung 8 und Vorsprung 12 und auch das Spiel zwischen Kolbenring 4 und Kolben 2.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kolben
- 4
- Kolbenring
- 6
- innere Umfangsfläche
- 8
- Aussparung
- 10
- Nutgrund
- 12
- Vorsprung
- 14
- schräge (konische) Bereiche
- 16
- radial äußerer Bereich des Vorsprungs
- 18
- Grund der Aussparung
