DE102020100760A1

DE102020100760A1 - Kompressions-Kolbenring mit verbesserter Ölrückhaltewirkung

Info

Publication number: DE102020100760A1
Application number: DE102020100760.4A
Authority: DE
Inventors: Nigel Gray
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2021-07-15
Anticipated expiration: 2040-01-16
Also published as: DE102020100760B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften, der an einer Lauffläche, nahe einer unteren Ringflanke einen Pivotpunkt P umfasst und weiter darüber eine Spray-By-Ölfangstruktur 8 aufweist, radial gegenüber dem Pivotpunkt P bzw. Pivotbereich zurückgesetzt ist, und keinen zweiten Pivotbereich bildet, wobei die Spray-By-Ölfangstruktur 8 einen Einbuchtung 10 und eine Ausbuchtung 12 umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring bzw. einen Kompressions-Kolbenring mit verbesserter Öl-Rückhaltewirkung.
Es sind seit längerem verschiedene Ausführungen von Kolbenringen für Verbrennungsmotoren bekannt, wobei die vorliegende Erfindung sich hauptsächlich auf Kompressionsringe bzw. Top-Ringe und ebenfalls auf Öl-Steuerringe bzw. Mitten-Ringe nicht jedoch auf Ölabstreifringe bezieht. Herkömmliche Kompressionsringe weisen eine allgemein leicht tonnenförmige Gestalt auf und dienen dazu, einen Brennraum eines Kolben-Verbrennungsmotors gegenüber einem Kurbelgehäuse abzudichten. Es sind ebenfalls Öl-Steuerringe bekannt, die als zweiter Kolbenring neben Dichtaufgaben ebenfalls zum Einstellen eines Ölfilms auf der Zylinderinnenseite dienen.
Es ist wünschenswert einen Kompressions-Kolbenring zu haben, der einen geringen Reibungswiederstand aufweist, um die gesamte innere Reibung eines Kolben-Verbrennungsmotors zu verringern. Es ist ebenfalls wünschenswert den Ölverbrauch eines Kolbenmotors zu verringern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften bereitgestellt, der eine Lauffläche, eine obere und eine untere Ringflanke sowie eine Ringinnenfläche aufweist. Der Kolbenring weist eine Axialhöhe auf. Die Lauffläche weist ein Laufflächenprofil mit einem Pivotbereich bzw. Pivotpunkt auf. Der Pivotbereich bzw. Pivotpunkt befindet sich erfindungsgemäß in einem Bereich zwischen einem unteren Rand der Lauffläche bzw. des Laufflächenprofils bzw. der unteren Flanke und einem Drittel der Axialhöhe des Kolbenrings. Der Kolbenring weist an der Lauffläche eine Spray-By-Ölfangstruktur auf, die sich in einer Höhe zwischen zwei Fünftel und vier Fünftel der Axialhöhe des Kolbenrings befindet und oberhalb des Pivotpunkts bzw. Pivotbereichs liegt. Die Ölfangstruktur ist in Radialrichtung gegenüber dem Pivotpunkts bzw. Pivotbereich zurückgesetzt, sodass sie im Betrieb nicht mit einer Zylinderinnenwand oder -fläche in Berührung steht oder in Berührung kommt.
Der Begriff „Lauffläche“ wird hier im Sinne einer Außenseite des Kolbenrings in Radialrichtung verstanden und bezeichnet hier nicht nur den Bereich der Außenseite des Kolbenrings, der tatsächlich mit einer Zylinderinnenwand in Kontakt tritt. Die Konstruktion des Kolbenrings ist darauf gerichtet, hauptsächlich im Bereich des Pivotpunkts mit einer Zylinderinnenwand in Kontakt zu stehen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kompressionsringen wird hier eine geringe Fläche bzw. ein geringer Teil der Höhe eines Kolbenrings zum Abdichten genutzt. Der Begriff Pivotpunkt ist eigentlich nur für einen unvertwisteten Ring oder einen Ring mit einer Laufkante anwendbar, bei einem Krümmungsradius (bzw. einer Balligkeit) größer als null, wird der Pivotpunkt leicht nach oben oder unten wandern, wenn der Ring twistet. Insgesamt kann für kleine Twistwinkel diese Verschiebung des Pivotpunktes vernachlässigt werden, weshalb im Folgenden die Begriffe Pivotpunkt und Pivotbereich synonym verwendet werden. Bei einem Kolbenring, bei dem die Flanken jeweils in einer jeweiligen Ebene liegen, wird die Höhe als der Abstand dieser Ebenen verstanden, und die Höhe von Merkmalen und Elementen als der Abstand von der Ebene der unteren Ringflanke betrachtet.
Die Bezeichnungen oben und brennraumseitig werden hier und im Weiteren synonym verwendet. Die Bezeichnungen unten, kurbelgehäuseseitig und Brennraum-abgewandt werden hier und im Weiteren ebenfalls synonym verwendet. Der Begriff Ringinnenfläche soll sich auf die Oberflächen des Kolbenrings beziehen, die innen zwischen den Flanken des Kolbenrings angeordnet sind.
Der Kolbenring weist eine Axialhöhe auf, wobei der Begriff Axialhöhe die maximale Höhe bzw. die maximale Abmessung des Kolbenrings in Axialrichtung bezeichnet. Die Axialhöhe kann auch als die maximale Höhe des Kolbenringquerschnitts angesehen werden, geschnitten in einer Ebene, die durch eine Gerade der Axialrichtung und eine Gerade bzw. Halbgrade der Radialrichtung des Kolbenrings definiert ist, wobei diese Ebene auf einem Mittelpunkt des Kolbenrings liegt.
Die Bezeichnung „Spray-By-Öl“ wird hier für Öltröpfchen gewählt, die durch des Abwärtsbewegung des Kolbens in Richtung Brennraum aufgewirbelt, mitgerissen oder sonst wie aus einem Ölfilm an der Zylinderinnenseite gelöst werden. Vermutlich wird durch den Kavitations-Effekt Öl in Form kleiner Tröpfchen aus einem Ölfilm an einer Innenseite des Zylinders gerissen. Es können jedoch auch andere Effekte dazu führen, dass Öltröpfchen bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens aus dem Ölfilm gerissen werden. Beispielsweise ist es möglich bei einem Ansaugtakt Öltröpfchen aus dem Ölfilm wegzureißen, und zwar durch Strömungen, die analog zu dem bekannten „Blowby“ als „Suckby“ bezeichnet werden. Hier wird die Bezeichnung „Spray - By - Öl“ gewählt um Öltröpfchen in einer Art Sprühnebel zu bezeichnen, der durch die Bewegung oder die Druckverhältnisse bei einer Kolbenbewegung auftreten.
Die Einbuchtung soll dabei im Wesentlichen eine um den Kolbenring verlaufende Rille bilden, die einen J- oder Hakenförmigen Querschnitt aufweist, die oberhalb eines Pivotpunkts angeordnet ist. Die Erfindung ist hauptsächlich für den obersten Kompressionsring (Topring) gedacht, da Spray-By eines Öl-Steuerrings oder eines anderen Mittenrings durch den darüber liegenden Kompressionsring aufgefangen wird. Eine Anwendung bei einem Mittelring ist daher möglich, erscheint jedoch weniger sinnvoll.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass selbst bei fortschreitendem Verschleiß der Pivotpunkt nahe der unteren Ringflanke gehalten wird, ohne dass sich ein Pivotbereich stark verbreitert, wodurch die Reibung des Kompressionsrings auch bei Verschleiß gering gehalten werden kann.
Durch die verringerte Reibung des Kompressionsrings kann weiterhin die Effektivität bzw. der Wirkungsgrad des Motors auch bei Verschleiß, wenn auch nur gering, verbessert werden.
Der Kolbenring ist bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren mit den Treibstoffen Dieselöl, Benzin, LPG und Gas einsetzbar.
In einer Ausführungsform ist der Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften ein Kompressionsring bzw. Topring oder ein Öl-Steuerring bzw. Mittelring. Diese Ausführung dient auch dazu festzulegen, dass der Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nicht als Ölabstreifring dient oder eingesetzt werden soll. Der Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften ist nicht mit Ölablauföffnungen in Radialrichtung versehen und die Öl-Fangstruktur dient nicht dazu, mit einer Zylinderinnenwand in Kontakt zu treten oder Öl abzustreifen oder auch nur einen Ölfilm ganz oder teilweise abzutragen. Die Öl-Fangstruktur dient dabei lediglich dazu, aufgespritztes Öl bei einer Kolben-Abwärtsbewegung daran zu hindern an den Kolben oder in den Kolbenringspalt zu gelangen. Die Ölfangstruktur ist als eine Art Zwischenlager ausgelegt, das Kleinstmengen an Öl aufnehmen und bei den Beschleunigungen der Kolbenbewegung nahe des unteren Todpunktes wieder abzugeben soll, und so in Richtung des Kurbelgehäuses zu transportieren. Kleinste aufgewirbelte Öltröpfchen könnten sonst unerwünscht in den Brennraum gelangen und dort verbrannt werden, was durch den vorliegenden Kolbenring verringert werden soll.
Bei einer Ausführung des Kolbenrings weist die Spray-By-Ölfangstruktur in einem Radialschnitt eine Einbuchtung und bevorzugt eine Einbuchtung und eine Ausbuchtung auf. Die Schnittebene des Radialschnitts geht dabei durch den Mittelpunkt des durch den eingebauten Kolbenring gebildeten angenäherten Kreises. Die Einbuchtung bildet einen Konkavabschnitt und die Ausbuchtung einen Konvexabschnitt.
In einer Ausführung des Kolbenrings mit verbesserten Öl-Eigenschaften liegt die Einbuchtung und bevorzugt ein in Radialrichtung der Mittelachse nächstliegender Punkt unterhalb einer Hälfte der Axialhöhe des Kolbenrings. Hier wird definiert dass der Kolbenring lediglich unterhalb der halben Höhe des Kolbenrings an einer Zylinderinnenseite anliegen kann. Hierbei ist auch die „Tiefstelle“ der Einbuchtung des Profils unterhalb der Mitte des Kolbenrings angeordnet. Die Ausbuchtung insbesondere der radial äußerste Punkt der Ausbuchtung bildet keinen Pivotpunkt. Der einzige Pivotpunkt bzw. Pivotbereich des erfindungsgemäßen Kolbenrings liegt unterhalb der Einbuchtung des Laufflächenprofils.
Bei einer anderen Ausführungsform des Kolbenrings mit verbesserten Öl-Eigenschaften beträgt ein Radialabstand eines äußersten Punkts der Ausbuchtung der Ölfangstruktur in Radialrichtung im Querschnitt gegenüber dem Pivotpunkt zwischen 15µm und 100µm, bevorzugt zwischen 18µm und 80µm und weiter bevorzugt zwischen 20 und 50µm. Hier sollte klar sein, dass der Abstand vom Pivotpunkt aus zur Ringmitte gemessen wird und somit der Radius des äußersten Punts kleiner ist als der Radius des Pivotpuntks bezüglich der Ringmitte. Dieser Wert hängt ebenfalls von der Größe des Kolbenrings ab und kann bei größeren Kolbenringen ebenfalls größer ausfallen.
Bei einer weiteren Ausführung des Kolbenrings mit verbesserten Öl-Eigenschaften befindet sich der Pivopunkt im Querschnitt zwischen einem Drittel und einem Fünftels der Höhe des Kolbenrings. Der Kolbenring steht also nur nahe seiner unteren Flanke mit der Zylinderinnenwand in Kontakt. Die axiale Höhe des Pivotpunkts im Querschnitt kann dabei zwischen 0,4 und 1,2 mm bevorzugt zwischen 0,4 und 0,9mm und weiter bevorzugt zwischen 0,5 und 0,7mm betragen. Dieser Wert hängt ebenfalls von der Größe des Kolbenrings ab und kann bei größeren Kolbenringen ebenfalls größer ausfallen.
Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Kolbenrings mit verbesserten Öl-Eigenschaften ist ein radial tiefster Punkt der Einbuchtung in der Querschnittsansicht zwischen der Hälfte und einem Fünftels der Höhe des Kolbenrings angeordnet, wobei bevorzugt der radial tiefste Punkt zwischen der Hälfte der Höhe des Kolbenrings und einem Drittel der Höhe des Rings in Axialrichtung angeordnet ist.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform des Kolbenrings mit verbesserten Öl-Eigenschaften beträgt ein Radialabstand zwischen dem Pivotpunkt und dem radial tiefsten Punkt der Einbuchtung im Querschnitt zwischen 20µm und 1,5mm bevorzugt zwischen 30µm und 1,0mm und weiter bevorzugt zwischen 40µm und 0,5mm. Hier wird die Stufe von dem Pivotpunkt zur tiefsten Stelle der Ölfangstruktur definiert. Dieser Wert bestimmt in Verbindung mit der Höhe des Kolbenrings beispielsweise die Stärke des Spray-By, der durch z. B. einen Kavitations-effekt hervorgerufen wird. Zudem bestimmt es die größte mögliche Fläche für die Ölfangstruktur, die sich der Vertiefung bzw. Einbuchtung anschließt.
Eine weitere Ausführung des Kolbenrings mit verbesserten Öl-Eigenschaften weist einen Radialabstand (parallel zu einer Ebene der unteren Flanke) zwischen einem radial äußersten Punkt der Ausbuchtung und dem radial tiefsten Punkt der Einbuchtung im Querschnitt zwischen 15µm und 1mm bevorzugt zwischen 20µm und 0,5mm und weiter bevorzugt zwischen 30µm und 0,2mm auf. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass der Radialabstand zwischen dem radial äußersten Punkt der Ausbuchtung und dem radial tiefsten Punkt der Einbuchtung kleiner ist als der Radialabstand zwischen dem Pivotpunkt und dem radial tiefsten Punkt der Einbuchtung im Querschnitt. Dieser Wert bestimmt zusammen mit der Steigung in diesem Bereich die Größe und Effektivität der Ölfangstruktur des Kolbenrings.
Bevorzugt ist bei einem Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften der mindestens eine Pivotbereich bzw. ein Bereich um den Pivotpunkt bevorzugt die gesamte Lauffläche mit einer Verschleißschutzschicht versehen, wobei die Verschleißschutzschicht eine Dicke in Radialrichtung aufweist. Die Dicke der Verschleißschutzschicht kann kleiner als der Radialabstand des äußersten Punkt der Ausbuchtung der Ölfangstruktur in Radialrichtung im Schnitt gegenüber dem Pivotpunkt sein. Bevorzugt ist die Dicke der Verschleißschutzschicht kleiner als der doppelte Radialabstand des äußersten Punkt der Ausbuchtung der Ölfangstruktur in Radialrichtung im Schnitt gegenüber dem Pivotpunkt. Weiterhin kann der Radialabstand zwischen dem Pivotpunkt und dem radial tiefsten Punkt der Einbuchtung mindestens doppelt so groß ausgeführt sein wie die Dicke der Verschleißschutzschicht. In einer bevorzugten Ausführung weist der Pivotpunkt des Grundmaterials und der radial äußerste Punkt der Ausbuchtung im Wesentlichen +/- 20µm die gleiche Radialentfernung zu der Mittelachse auf, wobei eine Größere Radialentfernung des Pivotpunktes durch eine partielle Beschichtung erreicht wird, die sich im Bereich des Pivotpunkts, nicht jedoch im Bereich des radial äußersten Punkts der Ausbuchtung (also beispielsweise nur im unteren Drittel bevorzugt in unteren Fünftel) erstreckt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kolbenrings mit verbesserten Öl-Eigenschaften befindet sich der radial äußerste Punkt der Ausbuchtung der Ölfangstruktur in einem Abstand zwischen 0,6 und 0,3 der Höhe des Kolbenrings. Bevorzugt befindet sich der radial äußerste Punkt der Ausbuchtung der Ölfangstruktur in einem Bereich zwischen 0,55 und 0,35 der Höhe des Kolbenrings. Der radial äußerste Punkt der Ausbuchtung der Ölfangstruktur (im Radialquerschnitt des Kolbenrings) befindet sich weiter bevorzugt zwischen 0,4 und 0,5 der Höhe (H) des Kolbenrings, gemessen von der unteren Flanke des Kolbenrings.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften beträgt ein Abstand zwischen dem radial äußersten Punkt der Ausbuchtung der Ölfangstruktur und dem Pivotpunkt im Querschnitt des Kolbenrings in Axialrichtung zwischen 0,25 bis 3mm bevorzugt zwischen 0,3 und 2mm und weiter bevorzugt zwischen 0,35 und 1mm. Es ist ebenfalls vorgesehen dass der Abstand zwischen dem radial äußersten Punkt der Ausbuchtung der Ölfangstruktur und dem Pivotpunkt im Querschnitt des Kolbenrings in Axialrichtung zwischen 1/10 und ½, bevorzugt zwischen 3/20 und 2/5 und weiter bevorzugt zwischen 1/5 und 3/10 der Höhe des Kolbenrings beträgt, gemessen von der unteren Ringflanke. Diese Ausführung definiert den Abstand zwischen dem Pivotpunkt und der höchsten Erhebung der Ölfangstruktur in Axialrichtung.
Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform des Kolbenrings mit verbesserten Öl-Eigenschaften, weist der Kolbenring Stoßenden auf, wobei die Ölfangstruktur in Umfangsrichtung vor den Stoßenden endet. Natürlich umfassen auch die anderen Ausführungen Stoßenden, diese wurden jedoch nicht erwähnt, da sie nur für das Merkmal der vor den Stoßenden endenden Ölfangstruktur notwendig sind.
Bei einer weiteren Ausführung des Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften bildet im Querschnitt ein Teil einer Linie zwischen dem radial tiefsten Punkt der Einbuchtung und dem radial äußersten Punkt der Ausbuchtung einen Winkel zwischen 0° und 45°, bevorzugt zwischen 3° und 30° und weiter bevorzugt zwischen 6° und 15° zu einer Axialrichtung bzw. Mittenachse. Diese Ausführung ist so zu verstehen dass die Verbindungslinie zwischen den Punkten mindestens einen Abschnitt umfasst der mindestens parallel zu den Flankenebenen verläuft. Die Einbuchtung bildet dabei mindestens bei den bevorzugten Bereichen in Radialrichtung eine Hinterschneidung auf der dem radial äußersten Punkt der Ausbuchtung bzw. der dem Pivotpunkt abgewandten Seite der Einbuchtung. Der Winkel ist dabei von der Tangente mit der Höchsten Steigung auf der Geraden oder Kurve zwischen dem radial tiefsten Punkt der Einbuchtung und dem radial äußersten Punkt der Ausbuchtung zu wählen.
Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kolbenrings mit verbesserten Öl-Eigenschaften ist eine Oberflächenstruktur der Lauffläche zwischen dem äußersten Punkt der Ausbuchtung und dem radial tiefsten Punkt der Einbuchtung mit einer erhöhten Rauigkeit zwischen 1 und 1µm bevorzugt zwischen 2 und 8µm und weiter bevorzugt zwischen 3 und 5µm versehen. Die erhöhte Rauigkeit soll dabei das Ölfang- und Ölhaltevermögen dieses oder zumindest eines Teils dieses Abschnitts erhöhen, um zu verhindern, dass Öltröpfchen von dieser Oberfläche zurückprallen können. In einer weiteren Ausführung ist die Rauheit durch eine regelmäßige Struktur wie einer Pyramiden- oder Lamellenstruktur versehen.
Hier soll insbesondere eine Struktur im Bereich der Einbuchtung die Wahrscheinlichkeit verringern, dass ein Öltröpfchen im Bereich der Einbuchtung nicht aufgefangen wird, sondern von einer Oberfläche durch Strömung, Abstoßung oder andere Effekte zurückgeworfen wird.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Figuren veranschaulicht die schematisch und nicht maßstabgerecht Schnitte durch Kolbenringe darstellen.

1A und 1B zeigen einen herkömmlichen Kompressions-Kolbenring der eine Verschleißschutzschicht aufweist in Schnittansichten.
2A und 2B sind Darstellungen eines erfindungsgemäßen Kompressions-Kolbenrings mit einer Ölfangstruktur der eine Verschleißschutzschicht aufweist, ebenfalls in Schnittansichten.
3 ist eine Schnittansicht bei der die Ölfangstruktur des erfindungsgemäßen Kompressions-Kolbenrings hervorgehoben ist.
4 stellt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kompressions-Kolbenrings mit Ölfangstruktur im Betrieb dar.
5 zeigt eine Schnittansicht einer grundlegenden Ausführung, bei der alle Abmessungen bezeichnet sind.
6 stellt eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Kompressions-Kolbenrings mit Ölfangstruktur dar.
7A und 7B stellen Ansichten auf eine Schnittansicht und ein Stoßende einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Kompressions-Kolbenrings mit Ölfangstruktur dar.
8 zeigt eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Kompressions-Kolbenrings mit Ölfangstruktur mit einer besonderen Beschichtung.
9 stellt eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Kompressions-Kolbenrings mit einer rauen Ölfang-Feinstruktur dar.

Im Folgenden werden sowohl in der Beschreibung als auch in den Figuren gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet um auf gleiche oder ähnliche Elemente oder Komponenten Bezug zu nehmen.
1A zeigt einen herkömmlichen Kompressions-Kolbenring 2 mit einer im Wesentlichen balligen Lauffläche 6, die eine gedachte Zylinderinnenwand nur an einem Punkt kontaktiert. Die Lauffläche 6 ist mit einer Verschleißschutzschicht 18 versehen. Innen ist der Kolbenring durch eine Ringinnenseite 24 begrenzt. Nach oben ist der herkömmliche Kolbenring durch eine obere Ringflanke 20 begrenzt. Nach unten ist der herkömmliche Kolbenring 2 durch eine untere Ringflanke 22 begrenzt. Die Schnittansicht ergibt sich bei einem Schnitt durch eine Ebene die durch den Mittelpunkt des Kolbenrings verläuft und durch die Axialrichtung und eine Radialrichtung aufgespannt wird. Die Axialrichtung entspricht dabei einer Rotationsachse eines geschlossenen Kolbenrings.
Die 1B stellt einen herkömmlichen Kompressions-Kolbenring von 1A in der gleichen Ansicht dar, nachdem Verschleiß einen Teil der Beschichtung abgetragen hat. Der Verschleiß ist lediglich schematisch dargestellt, verdeutlicht jedoch dass anstelle eines einzelnen Pivotpunkts nun ein großer Pivotbereich vorliegt, der sich über einen großen Bereich der Höhe der Lauffläche erstreckt.
2A und 2B sind Darstellungen eines erfindungsgemäßen Kompressions-Kolbenrings 4 mit einer Ölfangstruktur 8, der eine Verschleißschutzschicht 18 aufweist, ebenfalls in Schnittansichten mit und ohne Verschleiß. In der 2A ist der Pivotpunkt P viel weiter unten bzw. näher an der unteren Ringflanke angeordnet als in der 1A. Weiterhin weist die Lauffläche ebenfalls eine Verschleißschutzbeschichtung 18 auf. Oberhalb des Pivotpunkts P ist eine Ölfangstruktur 8 angeordnet, die im Querschnitt eine Einbuchtung 10 und eine Ausbuchtung 12 umfasst. Die Wirkungsweise der Ölfangstruktur 8 wird in 4 näher erläutert.
Die 2B stellt den erfindungsgemäßen Kompressions-Kolbenring von 2A in der gleichen Ansicht dar, nachdem Verschleiß 26 einen Teil der Beschichtung abgetragen hat. Der Verschleiß 26 ist lediglich schematisch dargestellt verdeutlicht jedoch, dass anstelle des einzelnen Pivotpunkts P nun ein breiterer Pivotbereich vorliegt, der sich jedoch im Gegensatz zu dem herkömmlichen Kolbenring 2 nur über einen kleineren Bereich der Höhe des Kolbenrings nahe der unteren Ringflanke erstreckt. Hier werden die Eigenschaften des Kolbenrings auch bei Verschleiß weniger verändert.
3 ist eine Schnittansicht bei der die Ölfangstruktur und insbesondere die Ausbuchtung der Ölfangstruktur nicht an der Zylinderinnenwand 40 anliegt, sondern ein Spalt vorliegt. Im Bereich des Pivotpunkts liegt der Kolbenring 4 direkt an der Zylinderinnenwand des Zylinders 40 an, und es ist kein Spalt vorhanden. Die Kolbenringnut des Kolbens, in den der Kolbenring eingesetzt ist, ist nicht dargestellt. Die Ölfangstruktur von 3 weist eine Hinterschneidung auf.
4 stellt eine Schnittansicht einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Kompressions-Kolbenrings mit Ölfangstruktur im Betrieb dar. Hier bewegt sich der Kolbenring in einem Kolben gegenüber dem, durch die Strichpunktlinie angedeuteten Zylinder 40 nach unten. Der nicht dargestellte Kolben befindet sich also entweder in einem Arbeits- oder Ansaugtakt. Der Kolbenring 4 gleitet an dem Pivotpunkt über die Zylinderinnenwand oder einen Ölfilm 42 auf der Zylinderinnenwand 40. Durch die Bewegung wird beispielsweise durch einen Coanda-Effekt durch beschleunigtes Öl oder durch Impulserhaltung, durch einen Druckunterschied oder durch „Blow-by“ im Arbeitstakt oder durch „Suck-by“ im Ansaugtakt Öl aus dem Ölfilm gerissen. Da die Ursache für die Öltröpfchenbildung nicht völlig klar ist, wird die Bildung von Öltröpfchen bzw. eines Sprühnebels im Folgenden „Spray-By“ genannt. Die aus dem Ölfilm gerissenen Öltröpfchen oder der „Spray-By“ 44, bewegen sich in Richtung des Brennraums. Herkömmlicherweise kann der Spray-By über den Spalt zwischen oberer Ringflanke und oberer Kolbenringnutflanke hinter den Kompressions-Kolbenring gelangen, oder er gelangt direkt in den Brennraum wo er verbrannt wird, und dadurch den Verbrennungsvorgang beeinträchtigen kann. Der Spray-By 44 trifft dann auf die Ölfangfläche 14 der Ölfangstruktur. Hier sammelt sich der Spray-By 44 in einem dünnen Ölfilm oder als Tropfen, die am Ende einer Kolbenabwärtsbewegung durch die entsprechende Beschleunigung nach unten in Richtung des Pivotpunkts und des Kurbelgehäuses geleitet oder auch geschleudert werden, und kann bei einer anschließenden Aufwärtsbewegung des Kolbens hinter den Pivotpunkt gelangen..
5 zeigt eine Schnittansicht einer grundlegenden Ausführung, bei der alle Abmessungen bezeichnet sind. Die Schnittebene des erfindungsgemäßen Kolbenrings 4 ist die gleiche wie in allen anderen Darstellungen. Das X deutet an, dass sich der Kolbenring nach hinten in die Bildebene erstreckt. Die Ringinnenfläche 24 verläuft hier nach rechts. Die H Höhe des Kolbenrings ist als der Abstand der Ebenen der oberen und der unteren Ringflanke definiert. Der Buchstabe P bezeichnet den Pivotpunkt der sich in einem Abstand P von der unteren Ringebene befindet. Über dem Pivotpunkt P schließt sich die Ölfangstruktur an wobei zuerst die Einbuchtung der Ölfangstruktur mit dem radial tiefsten Punkt der Einbuchtung U bzw. Einbuchtungspunkts U folgt. Oberhalb (auf einer Abwicklung der Oberfläche der Lauffläche) folgt dann die Ausbuchtung der Ölfangstruktur mit dem radial äußersten Punkt der Ausbuchtung V bzw. des Ausbuchtungspunkts V. Die Übergänge zwischen dem Pivotbereich, der Einbuchtung und der Ausbuchtung können dabei fließend sein, weshalb sich diese Bezeichnungen nicht für eine genaue Definition eignen, daher wird der Kolbenring bzw. seine Laufflächenkontur jeweils durch die Punkte P, U und V definiert.
A bezeichnet die axiale Höhe des Einbuchtungspunkts, U ist als A definiert, was dem Abstand des Einbuchtungspunkts U gegenüber der Ebene der unteren Flankenfläche entspricht. H2 bezeichnet die Höhe des Ausbuchtungspunkts V gegenüber der Ebene der unteren Flankenfläche. Der Wert H3 bezeichnet den axialen Abstand zwischen dem Pivotpunkt P und dem Ausbuchtungspunkt V.
Der radiale Abstand zwischen dem Pivotpunkt P und dem Ausbuchtungspunkt V wird als S bezeichnet, wobei S einfach nur für den Spalt steht, der bei einem ungetwisteten Ring zwischen dem Ausbuchtungspunkt V und der Zylinderinnenwand 40 vorliegt. Der radiale Abstand zwischen dem Pivotpunkt P und dem Einbuchtungspunkt U wird als D1 bezeichnet, und steht dafür wie tief sich die Einbuchtung in Radialrichtung erstreckt. Der radiale Abstand bzw. die Stufe zwischen dem Einbuchtungspunkt U und dem Ausbuchtungspunkt V wird als D2 bezeichnet. Der Wert von D2 bestimmt mit die Größe und Effektivität der Ölfangstruktur, da sie die mögliche Länge und einen möglichen Winkel der Ölfangfläche 14 mitbestimmt.
In der Figur ist die Lauffläche mit einer Verschleißschutzschicht 18 versehen, die eine Dicke T aufweist. Die Dicke T wird immer als die größte Dicke der Verschleißschutzschicht 18 in Radialrichtung angegeben. Die Dicke T sollte dabei unter D2 liegen.
Insgesamt wurde der dargestellte Ring folgendermaßen ausgelegt:

P > 0,4mm und/oder P < H/3. Der Pivotpunkt liegt somit immer unter der unteren Hälfte oder dem unteren Drittel des Kolbenrings.

Weiterhin ist der Spalt größer als die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht 18, was mit S > T ausgedrückt werden kann. Der Spalt sollte absolut über 20µm liegen (S > 20µm) um sicherzustellen dass der Ausbuchtungspunkt nicht in einen Ölfilm eintauchen kann auch wenn der Ring leicht twisten sollte.
Die Höhe des Einbuchtungspunkts U liegt unterhalb der Hälfte der Gesamthöhe des Kolbenrings, oder A < H/2.
Der Abstand des radial tiefsten Punkts der Einbuchtung U zum Pivotpunkt P in Radialrichtung ist hier größer als 20µm und/oder größer als die halbe Dicke T der Verschleißbeschichtung 18.
D2, der Abstand des radial tiefsten Punkts der Einbuchtung U zum radial äußersten Punkt der Ausbuchtung V der Ölfangstruktur in Radialrichtung ist kleiner als der Abstand D2 des radial tiefsten Punkts der Einbuchtung zum Pivotpunkt in Radialrichtung, was notwendig ist damit der Spalt S nicht negativ wird. D2, der Abstand des radial tiefsten Punkts der Einbuchtung U zum radial äußersten Punkt der Ausbuchtung V der Ölfangstruktur in Radialrichtung beträgt hier mehr als 15µm.
Der Spalt ist in dem Beispiel breiter als 15µm und bevorzugt größer als die halbe Dicke T der Verschleißschutzschicht 15.
H2, die die Höhe des radial äußersten Punkt V der Ausbuchtung der Ölfangstruktur bezeichnet ist kleiner als 0,6-mal der Gesamthöhe H des Kolbenrings.
H3 der Axialabstand zwischen dem radial äußersten Punkt V der Ausbuchtung der Ölfangstruktur und dem Pivotpunkt ist größer als 0,3mm und sollte ebenfalls größer als 1/10 der Gesamthöhe H des Kolbenrings sein.
6 zeigt eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Kolbenrings mit einer Ölfangfläche 14 die entgegen der Abwärtsbewegungsrichtung geneigt ist. Die Einbuchtung bildet hier in Radialrichtung nach innen eine einseitige Hinterschneidung in einem Bereich zwischen dem Einbuchtungspunkt und dem Ausbuchtungspunkt. Prinzipiell ist es möglich, dass der Einbuchtungspunkt U eine größere Höhe gegenüber der Ebene der unteren Ringflanke aufweist als der Ausbuchtungspunkt V. Dies Ausführungsform kann nicht so einfach hergestellt werden wie die von 5, kann jedoch verhindern, dass ein Öltröpfchen, das von der einer Ölfangfläche zurückgeworfen wird in den Brennraum gelangen kann, da es lediglich in Richtung der Einbuchtung umgelenkt wird. Die Ölfangfläche weist dabei eine Tangente auf die in einem Winkel α zu der Ebene der unteren Flankenfläche geneigt ist, wobei α zwischen 0° und 45° beträgt, wobei die Einbuchtung bevorzugt eine Hinterschneidung bildet.
7A und 7B stellen eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Kompressions-Kolbenrings mit 4 Ölfangstruktur dar. Hierbei weist der Kolbenring 4 Stoßenden auf. 7A zeigt einen Schnitt direkt in der Nähe eines Stoßendes 67 mit Blickrichtung auf das Stoßende. In dieser Ausführung endet die 4 Ölfangstruktur direkt vor dem Stoßende endet 67. 7B zeigt eine Aufsicht auf das Stoßende 67 wobei durch die gestrichelte Linie die im Hintergrund beginnende Ölfangstruktur 8, insbesondere die Einbuchtung angedeutet ist.
8 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Kolbenrings der nur im Bereich des Pivotpunktes mit einer Verschleißschutzschicht 18 versehen ist. Die nur teilweise Beschichtung 18 stellt den Spalt gegenüber den Ausbuchtungspunkt V sicher. Da der Spalt verhindert, dass der Ausbuchtungspunkt V mit der Zylinderinnenseite in Kontakt kommen kann ist an dieser Stelle auch keine Verschleißschutzschicht notwendig, was eine teilweise Beschichtung erst ermöglicht. Durch eine Mehrschichtige Auslegung kann zudem eine höhere Schichtdicke der Verschleißschutzschicht erreicht werden.
9 zeigt eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Kolbenrings 4 im Schnitt bei der zumindest ein Teil der Ölfangfläche 14 mit einer Rauigkeit bzw. Ölfang-Feinstruktur 16 versehen ist die durch die Oberflächenform ein Auffangen von Öltröpfchen begünstigt. Die Struktur kann sich linear in Umfangsrichtung erstrecken oder einzelne Erhebungen oder Vertiefungen umfassen.
Bezugszeichenliste

2: Herkömmlicher Kompressions-Kolbenring
4: erfindungsgemäßer Kompressions-Kolbenring
6: Lauffläche
8: Ölfangstruktur
10: Einbuchtung der Ölfangstruktur
12: Ausbuchtung der Ölfangstruktur
14: Ölfangfläche
16: Rauigkeit / Ölfang-Feinstruktur
18: Laufflächenbeschichtung
20: obere Ringflanke
22: untere Ringflanke
24: Ringinnenfläche
26: Verschleiß
40: Zylinder / Zylinderinnnenfläche
42: Ölfilm auf der Zyliderinnenfläche
44: Spray-By, Öltröpfchen die von dem Kolbenring am Pivotpunkt aus dem Ölfilm gerissen sind
67: Stoßenden
α: Fangflächenwinkel
A: Höhe des radial tiefsten Punkts der Einbuchtung der Ölfangstruktur in Axialrichtung
D1: Abstand des radial tiefsten Punkts der Einbuchtung zum Pivotpunkt in Radialrichtung
D2: Abstand des radial tiefsten Punkts der Einbuchtung zum radial äußersten Punkt der Ausbuchtung der Ölfangstruktur in Radialrichtung
H: Höhe des Kolbenrings
H/2: Halbe Höhe des Kolbenrings (Mittenebene des Kolbenrings)
H2: Höhe des radial äußersten Punkt der Ausbuchtung der Ölfangstruktur
H3: Abstand des radial äußersten Punkt der Ausbuchtung zum Pivotpunkt P in Axialrichtung
P: Pivotpunkt
S: „Spalt“: Abstand des radial äußersten Punkt der Ausbuchtung zum Pivotpunkt P in Radialrichtung
T: Dicke der Beschichtung
U: Radial tiefster Punkt der Einbuchtung
V: äußersten Punkt der Ausbuchtung

Claims

Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften, umfassend eine Lauffläche, eine obere und eine untere Ringflanke sowie eine Ringinnenfläche, wobei der Kolbenring eine Axialhöhe aufweist, wobei die Lauffläche ein Laufflächenprofil mit einem Pivotbereich bzw. Pivotpunkt (P) umfasst, wobei der Pivotbereich bzw. Pivotpunkt (P) in einem Bereich zwischen einem unteren Rand der Lauffläche und einem Drittel der Axialhöhe (H) des Kolbenrings liegt, dadurch gekennzeichnet dass der Kolbenring an der Lauffläche eine Spray-By-Ölfangstruktur (8) aufweist, die sich in einer Höhe zwischen zwei Fünftel und vier Fünftel der Axialhöhe (H) des Kolbenrings befindet, wobei sich die Ölfangstruktur (8) oberhalb des Pivotpunkts (P) bzw. Pivotbereichs befindet, und wobei die Ölfangstruktur (8) radial gegenüber dem Pivotpunkt (8) bzw. Pivotbereich zurückgesetzt ist.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach Anspruch 1, wobei der Kolbenring (4) ein Kompressionsring ist.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spray-By-Ölfangstruktur (8) in einem Radialschnitt eine Einbuchtung (10) und bevorzugt eine Einbuchtung (10) und eine Ausbuchtung (12) aufweist.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach Anspruch 3, die Einbuchtung (10) bevorzugt unterhalb einer Hälfte der Axialhöhe (H) des Kolbenrings befindet.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein Radialabstand (S) des äußersten Punkt (V) der Ausbuchtung (12) der Ölfangstruktur (8) in Radialrichtung im Schnitt gegenüber dem Pivotpunkt (P) mindestens zwischen 15µm und 100µm, bevorzugt zwischen 18µm und 80µm und weiter bevorzug zwischen 20 und 50µm beträgt.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei sich der Pivotpunkt (P) im Querschnitt (obengenannte Schnittebene) unterhalb eines Fünftels der Höhe des Kolbenrings befindet, und/oder wobei die axiale Höhe des Pivotpunkts (P) im Querschnitt zwischen 0,1 und 0,6 mm bevorzugt zwischen 0,15 und 0,5mm und weiter bevorzugt zwischen 0,2 und 0,4mm in Axialrichtung (bei ungetwistetem Kolbenring) über der unteren Ringflankte beträgt.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach einem der Ansprüche 3 bis 6, ein radial tiefster Punkt (U) der Einbuchtung sich im Schnitt unterhalb der Hälfte (H/2) eines Fünftels der Höhe des Kolbenrings befindet, und wobei bevorzugt der radial tiefste Punkt zwischen der Hälfte der Höhe (H/2) und einem Drittel der Höhe (H/3) des Rings in Axialrichtung liegt.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach Anspruch 7, wobei ein Radialabstand (D1) zwischen dem Pivotpunkt (P) und dem radial tiefsten Punkt (U) der Einbuchtung im Querschnitt zwischen 20µm und 1,5mm bevorzugt zwischen 30µm und 1,0mm und weiter bevorzugt zwischen 40µm und 0,5mm beträgt.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei ein Radialabstand (D2) zwischen einem radial äußersten Punkt (V) der Ausbuchtung und dem radial tiefsten Punkt (U) der Einbuchtung im Querschnitt zwischen 15µm und 1mm bevorzugt zwischen 20µm und 0,5mm und weiter bevorzugt zwischen 30µm und 0,1mm beträgt und/oder wobei der Radialabstand (D2) zwischen einem radial äußersten Punkt (V) der Ausbuchtung und dem Radial tiefsten Punkt (U) der Einbuchtung kleiner ist als der Radialabstand (D1) zwischen dem Pivotpunkt (P) und dem radial tiefsten Punkt (U) der Einbuchtung im Querschnitt.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens der Pivotbereich bzw. ein Bereich um den Pivotpunkt, bevorzugt die gesamte Lauffläche mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist, wobei die Verschleißschutzschicht eine Dicke (T) in Radialrichtung aufweist, wobei die Dicke (T) der Verschleißschutzschicht kleiner ist als der Radialabstand (S) des äußersten Punkt der Ausbuchtung der Ölfangstruktur in Radialrichtung im Schnitt gegenüber dem Pivotpunkt (P), wobei bevorzugt die Dicke (T) der Verschleißschutzschicht kleiner ist als der doppelte Radialabstand (S) des äußersten Punkt der Ausbuchtung der Ölfangstruktur in Radialrichtung im Schnitt gegenüber dem Pivotpunkt (P), und/oder wobei der Radialabstand (D1) zwischen dem Pivotpunkt (P) und dem radial tiefsten Punkt (U) der Einbuchtung mindestens doppelt so groß ist wie die Dicke (T) der Verschleißschutzschicht.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei der radial äußerste Punkt der Ausbuchtung der Ölfangstruktur sich in einem Abstand (H2) zwischen 0,6 und 0,3 der Höhe (H) des Kolbenrings bevorzugt zwischen 0,55 und 0,35 der Höhe (H) und weiter bevorzugt zwischen 0,4 und 0,5 der Höhe (H) des Kolbenrings von der unteren Flanke des Kolbenrings befindet.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei ein Abstand (H3) in Axialrichtung des radial äußersten Punkt der Ausbuchtung der Ölfangstruktur zum Pivotpunkt im Querschnitt des Kolbenrings zwischen 0,25 bis 3mm bevorzugt zwischen 0,3 und 2mm und weiter bevorzugt zwischen 0,35 und 1mm beträgt, und oder zwischen 1/10 und 1/2 bevorzugt zwischen 3/20 und 2/5 und weiter bevorzugt zwischen 1/5 und 3/10 der Höhe (H) des Kolbenrings beträgt.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kolbenring nicht geschlossen ist und Stoßenden (67) aufweist, und wobei die Ölfangstruktur in Umfangsrichtung vor den Stoßenden endet.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Querschnitt ein Teil einer Linie zwischen dem radial tiefsten Punkt (U) der Einbuchtung und dem äußersten Punkt (V) der Ausbuchtung eine Tangente aufweist die einen Winkel zwischen 0° und 45° zu einer Axialrichtung bildet.
Kolbenring mit verbesserten Öl-Eigenschaften nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Oberflächenstruktur der Lauffläche zwischen dem äußersten Punkt (V) der Ausbuchtung und dem radial tiefsten Punkt (U) der Einbuchtung eine erhöhte Rauigkeit zwischen 1 und 10µm bevorzugt zwischen 2 und 8µm und weiter bevorzugt zwischen 3 und 5µm aufweist.