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Die Erfindung betrifft einen Kompressionskolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kompressionskolbenring, und eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kolben.
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Ein solcher Kompressionskolbenring, wie er beispielsweise aus
US 8,157,268 B2 hervorgeht, weist eine Außenfläche mit in Hochrichtung einem ersten balligen Abschnitt und einem zweiten schrägen Abschnitt auf. Der ballige Abschnitt weist einen Maximumpunkt auf, der von einer Unterkante oder Unterseite des Kompressionskolbenrings aus gemessen bei etwa 25 % bis 35 % der Höhe des Kompressionskolbenrings angeordnet ist. Aus Gründen der immer schärfer werdenden Emissionsgesetzgebung sowie dem Ziel, den Brennstoffverbrauch zu minimieren, werden heute bei modernen Brennkraftmaschinen hohe Zylinderdrücke angestrebt. Dies führt zu einer Erhöhung der resultierenden Kontaktkräfte im Bereich des Kompressionskolbenrings, was mit zunehmender Reibung sowie zunehmendem Verschleiß desselben einhergeht. Dabei tritt der Verschleiß zuerst im Bereich des Maximumpunkts auf, wobei die verschleißbedingte Formänderung der Außenfläche dazu führen kann, dass sich ein Kontaktpunkt des Kompressionskolbenrings mit der Zylinderlaufbuchse in Hochrichtung des Kompressionskolbenrings nach oben verlagert. Dies wiederum hat ein Ölschieben in Richtung des Brennraums zur Folge, was zu erhöhten Emissionswerten führt. Schlimmstenfalls kann sich der Kontaktpunkt bis hin zu einer Oberkante des Kompressionskolbenrings verlagern, wobei der dann scharfkantige Kontakt mit der Zylinderlaufbuchse deren Honung beschädigt. Die Folgen sind ein Anreiben an der Honung sowie Aufbau von Ölkohle.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kompressionskolbenring für einen Kolben einer Brennkraftmaschine, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten bevorzugten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Kompressionskolbenring der hier angesprochenen Art derart weitergebildet wird, dass der Maximumpunkt des balligen Abschnitts von der Unterkante oder Unterseite des Kompressionskolbenrings aus gemessen bei mindestens 1 % bis höchstens 24 % der - in Hochrichtung gemessenen - Höhe des Kompressionskolbenrings angeordnet ist. Damit kann selbst bei thermischer Nutverkippung und/oder fortlaufendem Verschleiß sichergestellt werden, dass der momentane Kontaktpunkt des Kompressionskolbenrings mit der Zylinderlaufbuchse im unteren Bereich der Außenfläche und damit der Lauffläche des Kompressionskolbenrings bleibt. Der zweite, schräge Abschnitt wirkt vorteilhaft und bevorzugt als Gasangriffsfläche und Entlastungsschräge, wobei durch die Wirkung des Gasdrucks auf diesen zweiten Abschnitt die resultierende radiale Anpresskraft deutlich reduziert wird. Dies wiederum verringert deutlich die lokale Pressung an dem momentanen Kontaktpunkt, das heißt im Tribokontakt, und reduziert somit Reibung und Verschleiß. Die tiefe Lage des momentanen Kontaktpunkts an der Außenfläche des Kompressionskolbenrings bleibt so über dessen Laufzeit in dem unteren Bereich der Außenfläche, das heißt zugleich der Lauffläche, erhalten. Zugleich wird vorteilhaft und bevorzugt verhindert, dass die Oberkante des Kompressionskolbenrings mit der Zylinderlaufbuchse in Kontakt kommt. Damit kann ein Ölschieben in Richtung Brennraum verhindert oder zumindest verringert werden, was wiederum die Emissionswerte verbessert. Auch kann ein scharfkantiger Kontakt mit der Honung der Zylinderlaufbuchse vermieden und diese somit geschont werden. Ein Anreiben an der Honung und somit auch ein Aufbau von Ölkohle wird reduziert oder sogar verhindert.
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Unter einem Kompressionskolbenring wird insbesondere ein erster oder oberster, das heißt einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandt und einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine abgewandt an einem Kolben anzuordnender Kolbenring verstanden. Insbesondere ist der Kompressionskolbenring derjenige Kolbenring einer Mehrzahl von Kolbenringen des Kolbens, der bestimmungsgemäß dem Brennraum am nächsten und von dem Kurbelgehäuse am weitesten entfernt an dem Kolben angeordnet wird.
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Unter einer Hochrichtung wird hier eine Richtung verstanden, welche der Kompressionskolbenring ringförmig umgreift, mithin eine Axialrichtung oder Hochachse des Kompressionskolbenrings, die bei bestimmungsgemäßer Anordnung desselben an einem Kolben zugleich mit einer Axialrichtung des Kolbens zusammenfällt.
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Die Außenfläche des Kompressionskolbenrings umgreift die Hochrichtung ringförmig in Umfangsrichtung.
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Unter einem Maximumpunkt wird insbesondere derjenige Punkt einer Schnittlinie der Außenfläche mit einer die Hochrichtung aufweisenden Längsschnittebene des Kompressionskolbenrings verstanden, der am weitesten radial außen, das heißt senkrecht von der sich entlang der Hochrichtung erstreckenden Symmetrie- oder Rotationsachse des Kompressionskolbenrings entfernt, angeordnet ist. Der Maximumpunkt definiert so eine Maximumlinie des balligen Abschnitts, die sich in Umfangsrichtung um die Hochrichtung erstreckt. Vorzugsweise ist der Maximumpunkt überall entlang der Umfangsrichtung auf derselben Höhe des Kompressionskolbenrings angeordnet; die Maximumlinie liegt dann in einer Ebene, auf der die Hochrichtung senkrecht steht.
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Die Höhe des Kompressionskolbenrings wird in Hochrichtung gemessen.
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Unter einer Unterkante oder Unterseite des Kompressionskolbenrings wird diejenige Kante oder Seite desselben verstanden, die bei bestimmungsgemäßer Einbaulage des Kompressionskolbenrings an einem Kolben der Brennkraftmaschine dem Brennraum abgewandt und dem Kurbelgehäuse zugewandt ist.
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In dieser bestimmungsgemäßen Einbaulage ist der ballige Abschnitt insbesondere unterhalb des schrägen Abschnitts der Außenfläche angeordnet; mithin ist der ballige Abschnitt dem Kurbelgehäuse zugewandt, wobei der schräge Abschnitt dem Brennraum zugewandt ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Maximumpunkt von der Unterkante oder Unterseite des Kompressionskolbenrings aus gemessen bei mindestens 5 %, vorzugsweise bei mindestens 8 %, vorzugsweise bei mindestens 10 %, bis höchstens 20 % der Höhe des Kompressionskolbenrings angeordnet ist. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die bereits zuvor genannten Vorteile.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Außenfläche in dem schrägen Abschnitt einen Winkel von mindestens 1°, vorzugsweise von mindestens 1,5°, vorzugsweise von mindestens 2°, bis höchstens 8°, vorzugsweise von mindestens 4° bis höchstens 6°, mit der Hochachse des Kompressionskolbenrings einschließt. Bei bekannten Kompressionskolbenringen ist demgegenüber die entsprechende Schrägung typischerweise auf maximal 3° begrenzt. Somit weist der hier vorgeschlagene Kompressionskolbenring eine deutlich ausgeprägte Schrägung auf. Dies führt zu einem größeren radialen Einzug einer - der Unterkante in Hochrichtung gegenüberliegenden - Oberkante des Kompressionskolbenrings. Auf diese Weise kann der schräge Abschnitt besonders effizient als Gasangriffsfläche und Entlastungsschräge wirken, wobei die Wirkung des Gasdrucks im Betrieb der Brennkraftmaschine die radiale Anpresskraft deutlich reduziert. Dies wiederum verringert besonders deutlich die lokale Pressung im Tribokontakt und somit auch die Reibung sowie den Verschleiß. Gleichzeitig wird besonders effizient verhindert, dass die Oberkante des Kompressionskolbenrings mit der Zylinderlaufbuchse in Kontakt kommt, wobei sich in besonderem Maß die bereits erwähnten Vorteile ergeben.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der schräge Abschnitt sich unmittelbar an den balligen Abschnitt anschließt. Insbesondere geht der ballige Abschnitt bevorzugt in den schrägen Abschnitt über. Dabei kann der ballige Abschnitt in dem Maximumpunkt in den schrägen Abschnitt übergehen, sodass sich der schräge Abschnitt unmittelbar an den Maximumpunkt anschließt. Es ist aber auch möglich, dass sich der ballige Abschnitt über den Maximumpunkt hinaus fortsetzt und insbesondere oberhalb des Maximumpunkts in den schrägen Abschnitt übergeht. Vorzugsweise, jedoch nicht zwingend, weist der ballige Abschnitt einen konstanten Krümmungsradius auf.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der ballige Abschnitt einen Krümmungsradius von mindestens 0,1 mm bis höchstens 1 m, vorzugsweise von mindestens 1 mm bis höchstens 0,5 m, vorzugsweise von mindestens 5 mm bis höchstens 0,2 m, vorzugsweise von mindestens 10 mm bis höchstens 0,1 m, aufweist. Gegenüber einem konventionellen Kompressionskolbenring weist somit der hier vorgeschlagene Kompressionskolbenring insbesondere auch im Bereich des Maximumpunkts und damit des Tribokontakts eine sehr geringe Balligkeit auf, was ein Einlaufen der Außenfläche gegenüber der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse begünstigt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kompressionskolbenring einen Stoß aufweist, wobei ein Stoßspiel des Stoßes von mindestens 0,01 mm bis höchstens 10 mm, vorzugsweise von mindestens 0,1 mm bis höchstens 5 mm, beträgt. Dabei ist der Stoß ein Bereich des Kompressionskolbenrings, in dem sich zwei Kolbenringenden des Kompressionskolbenrings in Umfangsrichtung gegenüber liegen, wobei die Kolbenringenden in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Das Stoßspiel ist der in Umfangsrichtung gemessene Abstand zwischen den Kolbenringenden im eingebauten Zustand des Kompressionskolbenrings an dem Kolben und in der Zylinderlaufbuchse. Der Kompressionskolbenring ist insbesondere so eingerichtet, dass sich bei dessen Montage an einem Kolben einer bestimmten Brennkraftmaschine sowie der Anordnung des Kolbens mit dem Kompressionskolbenring in einer Zylinderlaufbuchse der Brennkraftmaschine das entsprechende Stoßspiel einstellt.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Kolben für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, der eine Kolbenringnut aufweist, in der ein erfindungsgemäßer Kompressionskolbenring oder ein Kompressionskolbenring nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele angeordnet ist. In Zusammenhang mit dem Kolben ergeben sich insbesondere die bereits in Zusammenhang mit dem Kompressionskolbenring erläuterten Vorteile.
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Vorzugsweise weist der Kolben eine Mehrzahl von Kolbenringnuten sowie eine Mehrzahl von Kolbenringen auf, wobei der hier beschriebene Kompressionskolbenring bevorzugt ein erster oder oberster Kolbenring, mithin ein bestimmungsgemäß einem Brennraum der Brennkraftmaschine, in welcher der Kolben verwendet wird, am nächsten angeordneter Kolbenring ist. Insbesondere ist es möglich, dass der Kolben als einen letzten oder untersten Kolbenring einen Ölabstreifring aufweist. Bevorzugt weist der Kolben als zweiten oder mittleren Kolbenring einen Verdichtungs- und Abstreifring auf.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die einen erfindungsgemäßen Kompressionskolbenring oder einen Kompressionskolbenring nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, und/oder einen erfindungsgemäßen Kolben oder einen Kolben nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele, aufweist. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere die Vorteile, die zuvor in Zusammenhang mit dem Kompressionskolbenring und/oder dem Kolben erläutert wurden.
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Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt eine Mehrzahl von Brennräumen, mithin eine Mehrzahl von Kolben sowie bevorzugt eine Mehrzahl von Kompressionskolbenringen auf. Insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn oder zwanzig Brennräume, oder eine andere, insbesondere größere oder kleinere, Anzahl an Brennräumen aufweist. Jedem Brennraum ist dabei bevorzugt ein Kolben zugeordnet. Jedem Kolben ist bevorzugt ein Kompressionskolbenring zugeordnet. Bevorzugt sind die Brennräume, Kolben und/oder Kompressionskolbenringe identisch ausgebildet.
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Die Brennkraftmaschine ist insbesondere als Hubkolbenmotor ausgebildet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Detail-Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kompressionskolbenrings, und
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel eines Kolbens sowie einem Ausführungsbeispiel des Kompressionskolbenrings im Vergleich zu einer herkömmlichen Brennkraftmaschine.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kompressionskolbenrings 1 für eine in 2 schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 3 im Längsschnitt. Der Kompressionskolbenring 1 weist eine Außenfläche 5 auf, die in der sich in 1 vertikal erstreckenden Hochrichtung einen ersten, balligen Abschnitt 7 und einem zweiten, schrägen Abschnitt 9 aufweist. Der ballige Abschnitt 7 weist in der Längsschnittansicht von 1 einen radial am weitesten außen angeordneten Maximumpunkt 11 auf. Der Maximumpunkt 11 liegt auf einer sich in Umfangsrichtung konzentrisch um eine Hochachse des Kompressionskolbenrings 1 erstreckenden Maximumlinie. Diese Maximumlinie liegt in bevorzugter Ausgestaltung in einer Ebene, auf welcher die Hochrichtung oder Hochachse des Kompressionskolbenrings 1 senkrecht steht. Es ist aber auch möglich, dass die Maximumlinie in einer Ebene liegt, die zumindest leicht schräg zu der Hochachse orientiert ist, oder dass die Maximumlinie wellenförmig oder in anderer Weise von einer Kreisform abweichend verläuft.
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Der Maximumpunkt 11 - und zugleich auch die Maximumlinie - ist von einer Unterseite 13 oder Unterkante 14 des Kompressionskolbenrings 1 aus gemessen auf einer Maximumhöhe h angeordnet, die von mindestens 1 % bis höchstens 24 % der Höhe H des Kompressionskolbenrings 1 beträgt.
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Bevorzugt beträgt die Maximumhöhe h von mindestens 5 %, vorzugsweise bei mindestens 8 %, vorzugsweise bei mindestens 10 %, bis höchstens 20 % der Höhe H.
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In dem zweiten, schrägen Abschnitt 9 schließt die Außenfläche 5 mit der Hochachse des Kompressionskolbenrings bevorzugt einen Winkel α ein, der von mindestens 1° bis höchstens 8°, vorzugsweise von mindestens 1,5° bis höchstens 6°, beträgt.
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Vorzugsweise schließt sich der zweite, schräge Abschnitt 9 unmittelbar an den ersten, balligen Abschnitt 7 an. Insbesondere geht der erste, ballige Abschnitt 7 bevorzugt unmittelbar in den zweiten, schrägen Abschnitt 9 über, hier an einem Übergangspunkt PI, der oberhalb des Maximumpunkts 11 angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass der zweite, schräge Abschnitt 9 sich unmittelbar in dem Maximumpunkt 11 an den ersten, balligen Abschnitt 7 anschließt.
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Die Außenfläche 5 weist in dem balligen Abschnitt 7 bevorzugt einen Krümmungsradius R von mindestens 0,1 mm bis höchstens 1 m auf.
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Bei b) ist eine schematische Detailansicht des Kompressionskolbenrings 1 dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass der Kompressionskolbenring 1 einen Stoß 15 aufweist, mit einem Stoßspiel S, das bevorzugt von mindestens 0,01 mm bis höchstens 10 mm beträgt.
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2 zeigt bei a) eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Brennkraftmaschine 3 mit einem herkömmlichen Kompressionskolbenring 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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Die Brennkraftmaschine weist wenigstens einen Brennraum 17, vorzugsweise eine Mehrzahl besonders bevorzugt identisch ausgebildeter Brennräume 17 auf. In dem Brennraum 17 ist ein Kolben 19 verlagerbar, vorzugsweise hubbeweglich verlagerbar, angeordnet. Insbesondere ist die Brennkraftmaschine 3 bevorzugt als Hubkolbenmotor ausgebildet.
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Der Kolben 19 weist eine Kolbenringnut 21 auf, in welcher der Kompressionskolbenring 1 angeordnet ist. Der Kompressionskolbenring 1 steht in berührendem Kontakt mit einer inneren Oberfläche 23, insbesondere einer Umfangsfläche einer Zylinderlaufbuchse 25 des Brennraums 17.
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Der herkömmliche Kompressionskolbenring 1 weist an seiner Außenfläche 5 einen ersten, balligen Abschnitt 7 sowie einen zweiten, schrägen Abschnitt 9 auf, wobei jedoch der Maximumpunkt des balligen Abschnitts von der Unterseite 13 aus gemessen bei etwa 25 % bis 35 % der Höhe des Kompressionskolbenrings 1 angeordnet ist, also höher als gemäß der hier offenbarten technischen Lehre. Außerdem ist der Winkel, den der zweite, schräge Abschnitt 9 mit der Hochachse des Kompressionskolbenrings 1 einschließt, in herkömmlicher Weise auf maximal 3° begrenzt.
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2 zeigt die Brennkraftmaschine 3 in einem Zustand, bei welcher der Kompressionskolbenring 1 bereits einem gewissen Verschleiß unterworfen ist. Bei herkömmlicher Ausgestaltung des Kompressionskolbenrings 1 besteht dabei die Gefahr, dass ein momentaner Kontaktpunkt P2 der Außenfläche 5 mit der Oberfläche 23 ausgehend von dem Maximumpunkt 11 nach oben wandert, in Richtung einer Oberkante 27 des Kompressionskolbenrings 1. Insbesondere bei thermischer Nutverkippung der Kolbenringnut 21 und fortlaufendem Verschleiß kommt zunehmend die Oberkante 27 mit der Laufbuchse 21 in Kontakt, sodass Schmieröl 29 nach oben in Richtung des Brennraums 17 geschoben wird, was zu erhöhten Emissionswerten führt. Auch beschädigt ein scharfkantiger Kontakt der Oberkante 27 mit der Oberfläche 23 eine Honung der Zylinderlaufbuchse 25. Diese Problematik wird noch dadurch verschärft, dass der Druck in dem Brennraum 17 auf eine Innenfläche 31 und eine Ringoberfläche 33 des Kompressionskolbenrings wirkt, woraus eine resultierende Kraft Fr resultiert, welche die Anpressung des Kompressionskolbenrings 1 gegen die Oberfläche 23 der Zylinderlaufbuchse 25 erhöht. Dies fördert wiederum den Verschleiß. Insgesamt verstärken sich so die zuvor bestehenden Probleme.
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Bei b) ist im Vergleich zu der herkömmlichen Ausgestaltung gemäß a) ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 3 mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 19 sowie einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kompressionskolbenrings 1 dargestellt. Dabei ist hier auch ein bereits verschleißbehafteter Zustand, insbesondere mit thermischer Nutverkippung der Kolbenringnut 21 dargestellt. Durch die Kontur des Kompressionskolbenrings 1 in Übereinstimmung mit der hier offenbarten technischen Lehre ergibt sich allerdings, dass der momentane Kontaktpunkt P2 im unteren Bereich der Außenfläche 5 und insbesondere in der Nähe des Maximumpunkts 11 bleibt, selbst bei fortgesetztem Verschleiß. Die starke Schrägstellung der Außenfläche 5 in dem zweiten, schrägen Abschnitt 9 bewirkt einen in 1 dargestellten, großen Einzug E der Oberkante 27 nach radial innen, sodass wirksam verhindert wird, dass diese mit der Oberfläche 23 der Zylinderlaufbuchse 25 in Kontakt kommt. Ein Ölschieben Richtung Brennraum 17 wird vermieden, sowie zugleich auch eine Beschädigung der Honung der Zylinderlaufbuchse 25. Auch ein Aufbau von Ölkohle und ein Anreiben an der Honung wird reduziert, vorzugsweise vermieden. Der zweite, schräge Abschnitt 9 der Außenfläche 5 wirkt in vorteilhafter Weise als Entlastungsschräge und Gasangriffsfläche, auf welche ebenfalls der Gasdruck des Brennraums 17 wirkt, wodurch im Ergebnis die resultierende radiale Anpresskraft Fr deutlich reduziert wird. Dies wiederum verringert die lokale Pressung im Tribokontakt, das heißt dem momentanen Kontaktpunkt P2, und reduziert somit zugleich die Reibung und den Verschleiß.
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Der kleine Krümmungsradius R des Kompressionskolbenrings 1 in dem ersten, balligen Abschnitt 7 der Außenfläche 5 begünstigt den Einlauf der Außenfläche 5 als Lauffläche gegenüber der Oberfläche 23 der Zylinderlaufbuchse 25.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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