EP4208656A1 - Kolbenringsystem für einen verbrennungsmotor mit wasserdirekteinspritzung - Google Patents

Kolbenringsystem für einen verbrennungsmotor mit wasserdirekteinspritzung

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Publication number
EP4208656A1
EP4208656A1 EP21751813.3A EP21751813A EP4208656A1 EP 4208656 A1 EP4208656 A1 EP 4208656A1 EP 21751813 A EP21751813 A EP 21751813A EP 4208656 A1 EP4208656 A1 EP 4208656A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston ring
ring
oil
contact area
compression
Prior art date
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Pending
Application number
EP21751813.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Mittler
Fabian RUCH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Federal Mogul Burscheid GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Federal Mogul Burscheid GmbH filed Critical Federal Mogul Burscheid GmbH
Publication of EP4208656A1 publication Critical patent/EP4208656A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/10—Special members for adjusting the rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/06—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction using separate springs or elastic elements expanding the rings; Springs therefor ; Expansion by wedging
    • F16J9/064—Rings with a flat annular side rail
    • F16J9/066—Spring expander from sheet metal
    • F16J9/068—Spring expander from sheet metal corrugated in the axial direction

Definitions

  • the present invention relates to a piston ring system for an internal combustion engine with direct water injection.
  • Piston rings for internal combustion engines must meet all the requirements for dynamic sealing. They have to withstand both thermal and chemical influences by preventing the passage of gas from the combustion chamber into the crankcase so that no gas pressure or engine performance is lost. In addition, they should prevent the passage of oil from the crankcase into the combustion chamber, distribute the oil on the cylinder wall and ensure a precisely defined oil film thickness on the cylinder wall. Other tasks of the piston rings are stabilization of the piston movement, heat transfer (heat dissipation) from the piston to the cylinder. To long service life, operational reliability and cost-effectiveness over the entire
  • piston rings should have low frictional resistance and good resistance and wear resistance to thermomechanical fatigue, chemical attack and hot corrosion.
  • Piston rings are advantageously arranged in the piston for specific requirements. Such systems have the main tasks of sealing combustion gases,
  • Direct water injection means that water is injected directly into the cylinder for cooling in order to reduce the rising temperature in the combustion tract as the compression ratio increases. This prevents harmful engine knocking and increases compression and boost pressure.
  • direct water injection can weaken or even tear the oil film, resulting in insufficient lubrication.
  • the object of the invention is to provide a piston ring system for an internal combustion engine with direct water injection, which supports the distribution of the oil that is present, is not matched to very small amounts of oil, and thus prevents insufficient lubrication.
  • the invention relates to a piston ring system for an internal combustion engine, comprising a first compression piston ring, a second compression piston ring, and an oil control piston ring.
  • the first compression piston ring has a first ring body with a first upper ring flank, a first lower ring flank, a first ring inner side, a first ring outer side, and two first abutment surfaces. Furthermore, a first contact area of the first annular body with a cylinder running surface is arranged above a first piston ring center and at least one first oil pocket is arranged below the first contact area in the circumferential direction.
  • the second compression piston ring includes a second ring body with a second upper ring flank, a second lower ring flank, a second ring inner side, a second ring outer side, and two second abutment surfaces. Furthermore, a second
  • the oil control piston ring is designed in one piece, in two pieces or in three pieces.
  • the advantage of the piston ring system according to the invention is that the distribution of the existing oil is supported and this is not tailored to very small amounts of oil. This means that the oil film is not weakened or cracked despite direct water injection into the piston, and insufficient lubrication does not occur.
  • a main contour of the compression piston rings describes a continuous curve that connects the offset first oil pocket upper edge with the first contact area at a constant tangent in order to ensure the hydrodynamic bearing portion over the entire running surface of the compression piston rings.
  • the first contact area of the ring body is at 1-40%, preferably 5-20% of the axial height of the upper outlet of the groove.
  • the second contact area of the ring body is at 1-40%, preferably 5-20% of the axial height of the upper outlet of the groove.
  • the first contact area of the first ring body with the cylinder running surface is arranged above the first piston ring center, preferably at a height of 75 to 95%, particularly preferably at a height of 80 to 90%.
  • the stated height of the first ring body is measured from the first lower ring flank.
  • the overall height of the first ring body corresponds to the greatest distance between the first upper ring flank and the first lower ring flank, measured in the axial direction.
  • the contact area of the second ring body with the cylinder running surface is arranged above the middle of the second piston ring, preferably at a height of 75 to 95%, particularly preferably at a height of 80 to 90%.
  • the stated height of the second ring body is measured from the second lower ring flank.
  • the overall height of the second ring body corresponds to the greatest distance between the second upper ring flank and the second lower ring flank, measured in the axial direction.
  • the second contact area of the second ring body with the cylinder running surface is arranged below the middle of the second piston ring, preferably at a height of 25-45%, particularly preferably at a height of
  • An arrangement of the second contact area of the second ring body with the Cylinder running surface below the middle of the second piston ring ensures that the piston ring is pushed away from the cylinder wall more strongly by the oil during the compression stroke and exhaust stroke of a four-stroke engine or during compression / intake of a two-stroke engine and less oil is scraped off.
  • the first compression piston ring and the second compression piston ring have the same dimensions and cross sections.
  • a cross-sectional plane is spanned by an axis in the axial direction of the piston or piston ring and an axis in the radial direction.
  • the same dimensions and cross-sections of the first and second compression piston rings simplify production and also reduce costs.
  • the at least one first oil pocket is divided into a number of sections in the circumferential direction. This ensures that the oil is stored or distributed evenly without the oil flowing in a circumferential direction.
  • the at least one first oil pocket is divided into 20 to 30 sections.
  • the at least one second oil pocket is divided into a number of sections in the circumferential direction. This ensures that the oil is stored or distributed evenly without the oil flowing in a circumferential direction. Mass flow consistency also creates a vortex in the oil pocket on the power stroke of a two-stroke engine, or on the intake and power strokes of a four-stroke engine, to disrupt hydrodynamic oil flow at high piston speeds.
  • the at least one second oil pocket is divided into 20 to 30 sections.
  • a radius of curvature of a running surface profile in the area of the first contact area corresponds to 2.5 to 5% of the value of the piston ring height in cross section.
  • a radius of curvature of a running surface profile in the area of the second contact area is smaller in cross section than the radius of curvature of the first contact area. Since the radius of curvature of a tread profile, viewed in cross-section of the second ring body, in the area of the second contact area is smaller than the radius of curvature of the first contact area, the second compression piston ring can assist in oil scraping in order to provide an optimal amount of oil for the first compression piston ring.
  • the ratio of the radial distance from a bottom of the first oil pocket to the first contact area and the radial distance from the bottom of the first oil pocket to a first oil pocket top edge offset in the radial direction is between 1.5 and 3 in the cross section of the first ring body , preferably between 2 and 2.5.
  • the advantage of this geometry relates to the tribological properties of the surfaces of the piston ring and cylinder that are in relative motion to one another. Optimal flow into the oil pocket, flow out of the oil pocket and storage of the oil in it form an oil film which, despite direct water injection, is sufficiently thick and does not tear.
  • the ratio of the radial distance from a bottom of the second oil pocket to the second contact area and the radial distance from a bottom of the second oil pocket to a second oil pocket top edge offset in the radial direction is between 1.5 and 4 in the cross section of the second ring body .5, preferably between 2.5 and 3.5. This geometry is advantageous in terms of friction,
  • the tread profile has reduced oil flow thanks to an optimized profile, on which carbon can only be deposited with difficulty during the compression stroke and exhaust stroke of a four-stroke engine or during the compression/intake of a two-stroke engine. It is preferred that the first compression piston ring is arranged on the combustion chamber side
  • Oil control piston ring is arranged on the crankcase side, and the second compression piston ring is arranged between the first compression piston ring and the oil control piston ring. Further, it is preferable that a first land height separates an installation space of the first compression piston ring and an installation space of the second compression piston ring in the axial direction, and a second land height separates the installation space of the second compression piston ring and an installation space of the oil control piston ring in the axial direction.
  • FIG. 1 shows a piston ring system according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a compression piston ring main contour.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a piston ring system.
  • 3 grooves are arranged in a piston, with a first compression piston ring 2 being arranged in the uppermost groove, a second compression piston ring 4 being arranged in the middle groove and an oil scraper piston ring 6 being arranged in the lower groove, which is below the other rings, namely at a distance of the second land height 90 is arranged.
  • the main task of the compression piston rings 2, 4 is to prevent the passage of combustion gases between the piston and the cylinder wall into the crankcase.
  • the main task of the oil control piston ring 6 is to seal between the crankcase and combustion housing and to regulate the oil film.
  • the first compression piston ring 2 has a first ring body 8 with a first upper ring flank 10 , a first lower ring flank 12 , a first ring inner side 14 and a first ring outer side 16 .
  • a first contact area 18 of the first ring body 8 with a cylinder running surface 20 is arranged above a first piston ring center 22 .
  • a first oil pocket 24 for storing oil is arranged below the first contact area 18, this supporting the regulation of the oil film on the cylinder running surface.
  • the first contact area 18 is further away from a base of the upper piston groove in the radial direction than a first upper edge 42 of the groove.
  • the second compression piston ring 4 is located below the first ring at a distance of the first land height 89 and has a second ring body 26 with a second upper ring flank 28, a second lower ring flank 30, a second ring inner side 32 and a second ring outer side 34.
  • Ring body 26 with the cylinder surface 20 is arranged above a second piston ring center 22, but can also be arranged below a second piston ring center 22.
  • a second oil pocket 40 for storing oil is arranged below the second contact area 36, this supporting the regulation of the oil film on the cylinder running surface.
  • the second contact area 36 is further away from a base of the central piston groove in the radial direction than a second upper edge 44.
  • the oil scraper ring is in three parts, but can also be in two parts, and has two lamellae that are pressed against the cylinder wall by a spacer and expander spring.
  • the overall height of the first ring body corresponds to the greatest distance between the first upper ring flank and the first lower ring flank, measured in the axial direction.
  • FIG. 2 shows a compression piston ring master contour that describes a smooth curve that connects the offset first oil pocket top edge 42 to the first contact region 18 in a tangent-continuous manner.

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Abstract

Offenbart wird ein Kolbenringsystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen ersten Kompressionskolbenring (2), einen zweiten Kompressionskolbenring (4), und einen Ölabstreifkolbenring (6), wobei der erste Kompressionskolbenring (2) einen ersten Ringkörper (8) mit einer ersten oberen Ringflanke (10), einer ersten unteren Ringflanke (12), einer ersten Ringinnenseite (14), einer ersten Ringaußenseite (16), sowie zwei ersten Stoßflächen aufweist, wobei ein erster Kontaktbereich (18) des ersten Ringkörpers (8) mit einer Zylinderlauffläche (20) oberhalb einer ersten Kolbenringmitte (22) angeordnet ist, wobei mindestens eine erste Öltasche (24) unterhalb des ersten Kontaktbereichs (18) in Umfangsrichtung angeordnet ist, wobei der zweite Kompressionskolbenring (4) umfasst einen zweiten Ringkörper (26) mit einer zweiten oberen Ringflanke (28), einer zweiten unteren Ringflanke (30), einer zweiten Ringinnenseite (32), einer zweiten Ringaußenseite (34), sowie zwei zweiten Stoßflächen, wobei ein zweiter Kontaktbereich (36) des zweiten Ringkörpers (26) mit der Zylinderlauffläche (20) oberhalb oder unterhalb einer zweiten Kolbenringmitte (38) angeordnet ist, wobei mindestens eine zweite Öltasche (40) unterhalb des zweiten Kontaktbereichs (36) in Umfangsrichtung angeordnet ist, und wobei der Ölabstreifkolbenring (6) ein zweiteiliger oder dreiteiliger Ölabstreifring ist.

Description

KOLBENRINGSYSTEM FÜR EINEN VERBRENNUNGSMOTOR MIT WASSERDIREKTEINSPRITZUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kolbenringsystem für einen Verbrennungsmotor mit Wasserdirekteinspritzung.
Stand der Technik
Kolbenringe für Verbrennungsmotoren müssen alle Anforderungen an eine dynamische Abdichtung erfüllen. Dabei müssen sie sowohl thermischen und chemischen Einflüssen standhalten, indem sie Gasdurchtritt vom Verbrennungsraum in das Kurbelgehäuse verhindern, damit kein Gasdruck und respektive Motorleistung verloren geht. Ferner sollen sie den Durchtritt von Öl aus dem Kurbelraum in den Verbrennungsraum verhindern, das Öl auf der Zylinderwand verteilen und eine genau definierte Ölfilmdicke auf der Zylinderwand sicherstellen. Weitere Aufgaben der Kolbenringe sind zudem Stabilisierung der Kolbenbewegung, Wärmetransfer (Wärmeabfuhr) vom Kolben zum Zylinder. Um lange Lebensdauer, Betriebssicherheit und Kosteneffektivität über die gesamte
Betriebszeit zu gewährleisten sollten Kolbenringe einen geringen Reibwiderstand und gute Widerstandsfähigkeit und Verschleißfestigkeit gegenüber thermomechanischer Ermüdung, chemischen Angriffen und Heißkorrosion aufweisen. Kolbenringe werden vorteilhaft für bestimmte Anforderungen im Kolben angeordnet. Solche Systeme haben die Hauptaufgaben der Abdichtung von Verbrennungsgasen,
Wärmeableitung sowie Öl abstreifen und verteilen.
Bei der Abdichtung von Verbrennungsgasen soll ein Gasdurchlass von Verbrennungsgasen zwischen Kolben und Zylinderwand in das Kurbelgehäuse verhindert werden. Dabei sind Kolbenringdichtsysteme in Verbrennungsmotoren konstruktionsbedingt nicht zu 100 % dicht, so dass immer kleine Leckgasmengen an den Kolbenringen vorbei ins Kurbelgehäuse gelangen. Ein übermäßiger Transfer von heißen Verbrennungsgasen vorbei an Kolben und Zylinderwand muss aber in jedem Fall vermieden werden. Dies hätte Leistungsverlust, eine erhöhte Wärmezufuhr in die Bauteile und einen Verlust der Schmierwirkung zur Folge, wodurch die Lebensdauer des Motors sinkt. Bei der Wärmeableitung wird der Hauptteil der vom Kolben während der Verbrennung absorbierten Wärme von den Kolbenringen an den Zylinder abgeführt. Besonders die Verdichtungsringe übernehmen diese Aufgabe. Ohne diese kontinuierliche Wärmeableitung der Kolbenringe würde es innerhalb kürzester Zeit zum Kolbenfresser in der Zylinderbohrung kommen. Daher müssen Kolbenringe zu jeder Zeit guten Kontakt mit der Zylinderwand haben.
Beim Öl abstreifen und verteilen wird das Öl gleichmäßig auf der Zylinderwand verteilt, bevorzugt ohne Ölfilmschwächungen oder Ölfilmrisse. Überschüssiges Öl dagegen wird abgestreift und fließt in das Kurbelgehäuse zurück. Das Ölabstreifen ist besonders bei Verbrennungsmotoren mit Wasserdirekteinspritzung (DWI) von Bedeutung. Wasserdirekteinspritzung bedeutet, dass zur Kühlung Wasser direkt in den Zylinder eingespritzt wird, um die steigende Temperatur im Verbrennungstrakt bei immer höherer Verdichtung zu reduzieren. Dadurch wird schädliches Motorklopfen verhindert und eine Anhebung der Verdichtung und des Ladedrucks ist möglich. Durch die Wasserdirekteinspritzung kann jedoch der Ölfilm geschwächt werden bzw. sogar reißen, woraus eine Mangelschmierung folgt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kolbenringsystem für einen Verbrennungsmotor mit Wasserdirekteinspritzung bereitzustellen, das die Verteilung des vorhandenen Öles unterstützt, nicht auf sehr geringe Ölmengen abgestimmt ist, und somit Mangelschmierung verhindert.
Zusammenfassung der Erfindung Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt ein Kolbenringsystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen ersten Kompressionskolbenring, einen zweiten Kompressionskolbenring, und einen Ölabstreifkolbenring.
Der erste Kompressionskolbenring weist einen ersten Ringkörper mit einer ersten oberen Ringflanke, einer ersten unteren Ringflanke, einer ersten Ringinnenseite, einer ersten Ringaußenseite, sowie zwei ersten Stoßflächen auf. Ferner ist ein erster Kontaktbereich des ersten Ringkörpers mit einer Zylinderlauffläche oberhalb einer ersten Kolbenringmitte angeordnet und mindestens eine erste Öltasche unterhalb des ersten Kontaktbereichs in Umfangsrichtung.
Der zweite Kompressionskolbenring umfasst einen zweiten Ringkörper mit einer zweiten oberen Ringflanke, einer zweiten unteren Ringflanke, einer zweiten Ringinnenseite, einer zweiten Ringaußenseite, sowie zwei zweiten Stoßflächen. Ferner ist ein zweiter
Kontaktbereich des zweiten Ringkörpers mit der Zylinderlauffläche oberhalb oder unterhalb einer zweiten Kolbenringmitte angeordnet und mindestens eine zweite Öltasche unterhalb des zweiten Kontaktbereichs in Umfangsrichtung.
Der Ölabstreifkolbenring ist einteilig, zweiteilig oder dreiteilig ausgebildet.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbenringsystems besteht darin, dass die Verteilung des vorhandenen Öles unterstützt wird und dieses nicht auf sehr geringe Ölmengen abgestimmt ist. Somit wird der Ölfilm trotz Wasserdirekteinspritzung in den Kolben nicht geschwächt oder reißt und Mangelschmierung tritt nicht auf.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Kolbenringsystems beschreibt eine Hauptkontur der Kompressionskolbenringe eine stetige Kurve, die die versetzte erste Öltaschenoberkante mit dem ersten Kontaktbereich tangentenstetig verbindet, um den hydrodynamischen Traganteil über die gesamte Lauffläche der Kompressionskolbenringe zu gewährleisten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Kolbenringsystems befindet sich der erste Kontaktbereich des Ringkörpers bei 1-40 %, bevorzugt 5-20 % der axialen Höhe des oberen Auslaufs der Nut. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Kolbenringsystems befindet sich der zweite Kontaktbereich des Ringkörpers bei 1-40 %, bevorzugt 5-20 % der axialen Höhe des oberen Auslaufs der Nut.
In einer beispielhaften Ausführungsform des Kolbenringsystems ist der erste Kontaktbereich des ersten Ringkörpers mit der Zylinderlauffläche oberhalb der ersten Kolbenringmitte angeordnet, bevorzugt auf einer Höhe von 75 bis 95 %, besonders bevorzugt auf einer Höhe von 80 bis 90 %. Die angeführte Höhe des ersten Ringkörpers wird dabei von der ersten unteren Ringflanke aus gemessen. Die Gesamthöhe des ersten Ringkörpers entspricht dabei dem größten Abstand zwischen der ersten oberen Ringflanke und der ersten unteren Ringflanke, gemessen in Axialrichtung. Der Vorteil einer solchen Anordnung des ersten Kontaktbereichs des ersten Ringkörpers mit der Zylinderlauffläche ist eine bessere
Formanpassungsfähigkeit durch reduzierte Trägheitsmomente. Ferner wird der Gasdruck durch diese Anordnung vor dem Kolbenring reduziert und die Dichtwirkung verbessert sich durch den erhöhten hydrodynamischen Anpressdruck. In einer anderen beispielhaften Ausführung des Kolbenringsystems ist der zweite
Kontaktbereich des zweiten Ringkörpers mit der Zylinderlauffläche oberhalb der zweiten Kolbenringmitte angeordnet, bevorzugt auf einer Höhe von 75 bis 95 %, besonders bevorzugt auf einer Höhe von 80 bis 90 %. Die angeführte Höhe des zweiten Ringkörpers wird dabei von der zweiten unteren Ringflanke aus gemessen. Die Gesamthöhe des zweiten Ringkörpers entspricht dabei dem größten Abstand zwischen der zweiten oberen Ringflanke und der zweiten unteren Ringflanke, gemessen in Axialrichtung. Der Vorteil einer solchen Anordnung des zweiten Kontaktbereichs des zweiten Ringkörpers mit der Zylinderlauffläche ist ein kleinerer Bereich am Kolbenring oberhalb des zweiten Kontaktbereichs, an dem der Gasdruck beim Arbeitstakt angreifen kann. Somit wird ein radialer Anlageverlust an der Zylinderwand (Kollabieren des Kolbenringes) vermieden und Dichtwirkung geht nicht verloren.
In einer weiteren Ausführungsform des Kolbenringsystems ist der zweite Kontaktbereich des zweiten Ringkörpers mit der Zylinderlauffläche unterhalb der zweiten Kolbenringmitte angeordnet, bevorzugt auf einer Höhe von 25-45%, besonders bevorzugt auf einer Höhe von
30-40%. Eine Anordnung des zweiten Kontaktbereichs des zweiten Ringkörpers mit der Zylinderlauffläche unterhalb der zweiten Kolbenringmitte gewährleistet, dass der Kolbenring beim Verdichtungstakt und Ausstoßtakt eines Viertaktmotors oder beim Verdichten / Ansaugen eines Zweitaktmotors stärker vom Öl von der Zylinderwand weggedrückt wird und weniger Öl abgestreift wird.
In einer weiteren Ausführungsform des Kolbenringsystems weisen der erste Kompressionskolbenring und der zweite Kompressionskolbenring die gleichen Abmessungen und Querschnitte auf. Für die Betrachtung der Abmessungen und Querschnitte wird eine Querschnittsebene von einer Achse in Kolben- bzw. Kolbenringaxialrichtung und einer Achse in Radialrichtung aufgespannt. Gleiche Abmessungen und Querschnitte des ersten und zweiten Kompressionskolbenrings vereinfachen die Fertigung und reduzieren zudem Kosten.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kolbenringsystems ist die mindestens eine erste Öltasche in Umfangsrichtung in mehrere Abschnitte unterteilt. Eine gleichmäßige Ölspeicherung bzw. Ölverteilung ohne Fließanteile des Öles in umlaufender Richtung ist somit gewährleistet.
In einer Ausführung des Kolbenringsystems ist die mindestens eine erste Öltasche in 20 bis 30 Abschnitte unterteilt.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform des Kolbenringsystems ist die mindestens eine zweite Öltasche in Umfangsrichtung in mehrere Abschnitte unterteilt. Eine gleichmäßige Ölspeicherung bzw. Ölverteilung ohne Fließanteile des Öles in umlaufender Richtung ist somit gewährleistet. In der Öltasche wird zudem beim Arbeitstakt eines Zweitaktmotors bzw. beim Ansaugtakt und Arbeitstakt eines Viertaktmotors zudem ein Strudel durch Massenstromkonsistenz erzeugt, um hydrodynamischen Ölfluss bei hohen Kolbengeschwindigkeiten zu unterbrechen. In einer weiteren Ausführungsform des Kolbenringsystems ist die mindestens eine zweite Öltasche in 20 bis 30 Abschnitte unterteilt. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kolbenringsystems entspricht im Querschnitt ein Krümmungsradius eines Laufflächenprofils im Bereich des ersten Kontaktbereichs 2,5 bis 5 % des Wertes der Kolbenringhöhe. Der Vorteil eines solchen Krümmungsradius, betrachtet im Querschnitt des ersten Ringkörpers, ist ein optimales Anlageverhalten des Kolbenrings an der Lauffläche des Zylinders in Abhängigkeit von der Kolbenringhöhe. In Folge werden Verschleiß an den Nutflanken des Kolbens vermindert, was immer mehr Höhenspiel zur Folge hätte. Durch zu viel Höhenspiel wird der Kolbenring nicht richtig in der Nut geführt, hebt leichter von der Nutflanke ab, Öl kann auf die Ringinnenseite gepumpt werden, der Kolbenring flattert und Dichtverlust ist das Resultat. Zudem würde eine exzessive Balligkeit an der Lauffläche des Ringes entstehen, die einen zu dicken Ölfilm sowie höheren Ölverbrauch bewirkt.
In einer weiteren Ausführungsform des Kolbenringsystems ist im Querschnitt ein Krümmungsradius eines Laufflächenprofils im Bereich des zweiten Kontaktbereichs kleiner als der Krümmungsradius des ersten Kontaktbereichs. Da der Krümmungsradius eines Laufflächenprofils, betrachtet im Querschnitt des zweiten Ringkörpers, im Bereich des zweiten Kontaktbereichs kleiner als der Krümmungsradius des ersten Kontaktbereichs kann der zweite Kompressionskolbenring beim Ölabstreifen unterstützen, um für den ersten Kompressionskolbenring eine optimale Menge Öl bereitzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform des Kolbenringsystems liegt im Querschnitt des ersten Ringkörpers das Verhältnis des radialen Abstands von einem Grund der ersten Öltasche zu dem ersten Kontaktbereich und des radialen Abstands von dem Grund der ersten Öltasche zu einer in Radialrichtung versetzten ersten Öltaschenoberkante zwischen 1 ,5 und 3, bevorzugt zwischen 2 und 2,5. Der Vorteil dieser Geometrie bezieht sich auf die tribologischen Eigenschaften der in Relativbewegung zueinander befindlichen Oberflächen des Kolbenrings und Zylinders. Ein optimales Einfließen in die Öltasche, Ausfließen aus der Öltasche und zudem Speicherung des Öles darin bilden einen Ölfilm, der trotz Wasserdirekteinspritzung eine ausreichende Dicke aufweist und nicht reißt. In einer weiteren Ausführungsform des Kolbenringsystems liegt im Querschnitt des zweiten Ringkörpers das Verhältnis des radialen Abstands von einem Grund der zweiten Öltasche zu dem zweiten Kontaktbereich und des radialen Abstands von einem Grund der zweiten Öltasche zu einer in Radialrichtung versetzten zweiten Öltaschenoberkante zwischen 1,5 und 4,5, bevorzugt zwischen 2,5 und 3,5. Diese Geometrie ist vorteilhaft hinsichtlich Reibung,
Verschleiß und erforderlicher Schmierung der in Relativbewegung zueinander befindlichen Oberflächen des Kolbenrings und Zylinders. Ein optimales Einfließen in die Öltasche, Ausfließen aus der Öltasche und zudem Speicherung des Öles darin bilden einen Ölfilm, der trotz Wasserdirekteinspritzung eine ausreichende Dicke aufweist und nicht reißt. Das Laufflächenprofil weist dabei ab dem zweiten Kontaktbereich reduzierten Ölfluss durch ein optimiertes Profil auf, an dem sich Kohlenstoff beim Verdichtungstakt und Ausstoßtakt eines Viertaktmotors oder beim Verdichten/Ansaugen eines Zweitaktmotors nur schwer ablagem kann. Es ist bevorzugt, dass der erste Kompressionskolbenring brennraumseitig angeordnet ist, der
Ölabstreifkolbenring kurbelraumseitig angeordnet ist, und der zweite Kompressionskolbenring zwischen dem ersten Kompressionskolbenring und dem Ölabstreifkolbenring angeordnet ist. Ferner ist bevorzugt, dass eine erste Landhöhe einen Einbauraum des ersten Kompressionskolbenrings und einen Einbauraum des zweiten Kompressionskolbenrings in Axialrichtung trennt, und eine zweite Landhöhe den Einbauraum des zweiten Kompressionskolbenrings und einen Einbauraum des Ölabstreifkolbenring in Axialrichtung trennt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren anhand von schematischen Darstellungen genauer beschrieben, wobei
Fig. 1 einen Kolbenringsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und Fig. 2 eine Kompressionskolbenringhauptkontur zeigt. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine Querschnittansicht eines Kolbenringsystems. In diesem sind in einem Kolben 3 Nuten angeordnet, wobei in der obersten Nut ein erster Kompressionskolbenring 2, in der mittleren Nut ein zweiter Kompressionskolbenring 4 und in der unteren Nut ein Ölabstreifkolbenring 6 angeordnet ist, der unterhalb der anderen Ringe, und zwar mit Abstand der zweiten Landhöhe 90 angeordnet ist. Die Hauptaufgabe der Kompressionskolbenringe 2, 4 ist es, den Gasdurchlass von Verbrennungsgasen zwischen Kolben und Zylinderwand in das Kurbelgehäuse zu verhindern. Die Hauptaufgabe des Ölabstreifkolbenrings 6 ist es, zwischen Kurbelgehäuse und Verbrennungsgehäuse abzudichten und den Ölfilm zu regulieren.
Der erste Kompressionskolbenring 2 weist einen ersten Ringkörper 8 mit einer ersten oberen Ringflanke 10, einer ersten unteren Ringflanke 12, einer ersten Ringinnenseite 14 und einer ersten Ringaußenseite 16 auf. Ein erster Kontaktbereich 18 des ersten Ringkörpers 8 mit einer Zylinderlauffläche 20 ist oberhalb einer ersten Kolbenringmitte 22 angeordnet. Unterhalb des ersten Kontaktbereichs 18 ist eine erste Öltasche 24 zum Speichern von Öl angeordnet, wobei diese die Regulierung des Ölfilms auf der Zylinderlauffläche unterstützt. Der erste Kontaktbereich 18 ist von einem Grund der oberen Kolbennut in radialer Richtung weiter entfernt als eine erste Nutoberkante 42.
Der zweite Kompressionskolbenring 4 befindet sich unterhalb des ersten Ringes sitzend mit Abstand der ersten Landhöhe 89 und weist einen zweiten Ringkörper 26 mit einer zweiten oberen Ringflanke 28, einer zweiten unteren Ringflanke 30, einer zweiten Ringinnenseite 32 und einer zweiten Ringaußenseite 34 auf. Ein zweiter Kontaktbereich 36 des zweiten
Ringkörpers 26 mit der Zylinderlauffläche 20 ist oberhalb einer zweiten Kolbenringmitte 22 angeordnet, kann aber auch unterhalb einer zweiten Kolbenringmitte 22 angeordnet sein. Unterhalb des zweiten Kontaktbereichs 36 ist eine zweite Öltasche 40 zum Speichern von Öl angeordnet, wobei diese die Regulierung des Ölfilms auf der Zylinderlauffläche unterstützt. Der zweite Kontaktbereich 36 ist von einem Grund der mittleren Kolbennut in radialer Richtung weiter entfernt als eine zweite Nutoberkante 44. Der Ölabstreifring ist dreiteilig, kann aber auch zweiteilig sein, und weist zwei Lamellen auf, die von einer Abstands- und Expanderfeder gegen die Zylinderwand gepresst werden. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbenringsystems besteht darin, dass die Verteilung des vorhandenen Öles verbessert wird, wobei nicht auf sehr geringe Ölmengen abgestimmt wird. Somit wird der Ölfilm trotz Wasserdirekteinspritzung in den Kolben nicht geschwächt und reißt auch nicht. Eine Mangelschmierung ist wirksam vermieden. Die Gesamthöhe des ersten Ringkörpers entspricht dem größten Abstand zwischen der ersten oberen Ringflanke und der ersten unteren Ringflanke, gemessen in Axialrichtung. Erzielt wird bei einer solchen Anordnung des ersten Kontaktbereichs des ersten Ringkörpers mit der Zylinderlauffläche eine bessere Formanpassungsfähigkeit durch reduzierte Trägheitsmomente. Ferner wird der Gasdruck durch diese Anordnung vor dem Kolbenring reduziert und die Dichtwirkung verbessert sich durch den erhöhten hydrodynamischen Anpressdruck.
Fig. 2 zeigt eine Kompressionskolbenringhauptkontur, die eine stetige Kurve beschreibt, die die versetzte erste Öltaschenoberkante 42 mit dem ersten Kontaktbereich 18 tangentenstetig verbindet.
Bezugszeichenliste
2 erster Kompressionskolbenring
4 zweiter Kompressionskolbenring 6 Ölabstreifkolbenring
8 erster Ringkörper
10 erste obere Ringflanke
12 erste untere Ringflanke
14 erste Ringinnenseite 16 erste Ringaußenseite
18 erster Kontaktbereich
20 Zylinderlauffläche
22 erste Kolbenringmitte
24 erste Öltasche 26 zweiter Ringkörper
28 zweite obere Ringflanke
30 zweite untere Ringflanke
32 zweite Ringinnenseite
34 zweite Ringaußenseite 36 zweiter Kontaktbereich
38 zweite Kolbenringmitte
40 zweite Öltasche
42 versetzte erste Öltaschenoberkante
44 versetzte zweite Öltaschenoberkante 88 Hauptkontur
89 erste Landhöhe
90 zweite Landhöhe

Claims

Ansprüche
1. Kolbenringsystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen ersten Kompressionskolbenring (2), einen zweiten Kompressionskolbenring (4), und einen Ölabstreifkolbenring (6), wobei der erste Kompressionskolbenring (2) einen ersten Ringkörper (8) mit einer ersten oberen Ringflanke (10), einer ersten unteren Ringflanke (12), einer ersten Ringinnenseite (14), einer ersten Ringaußenseite (16), sowie zwei ersten Stoßflächen aufweist, wobei ein erster Kontaktbereich (18) des ersten Ringkörpers (8) mit einer Zylinderlauffläche (20) oberhalb einer ersten Kolbenringmitte (22) angeordnet ist, wobei mindestens eine erste Öltasche (24) unterhalb des ersten Kontaktbereichs (18) in Umfangsrichtung angeordnet ist, wobei der zweite Kompressionskolbenring (4) umfasst einen zweiten Ringkörper (26) mit einer zweiten oberen Ringflanke (28), einer zweiten unteren Ringflanke (30), einer zweiten Ringinnenseite (32), einer zweiten Ringaußenseite (34), sowie zwei zweiten Stoßflächen, wobei ein zweiter Kontaktbereich (36) des zweiten Ringkörpers (26) mit der Zylinderlauffläche (20) oberhalb oder unterhalb einer zweiten Kolbenringmitte (38) angeordnet ist, wobei mindestens eine zweite Öltasche (40) unterhalb des zweiten Kontaktbereichs (36) in Umfangsrichtung angeordnet ist, und wobei der Ölabstreifkolbenring (6) einteilig, zweiteilig oder dreiteilig ausgebildet ist.
2. Kolbenringsystem nach Anspruch 1, wobei eine Hauptkontur (88) der
Kompressionskolbenringe (2, 4) eine stetige Kurve beschreibt, die die versetzte erste Öltaschenoberkante (42) mit dem ersten Kontaktbereich (18) tangentenstetig verbindet, um den hydrodynamischen Traganteil über die gesamte Lauffläche der Kompressionskolbenringe (2, 4) zu gewährleisten.
3. Kolbenringsystem nach Anspruch 1, wobei sich der erste Kontaktbereich (18) des Ringkörpers (8) bei 1-40 %, bevorzugt 5-20 % der axialen Höhe des oberen Auslaufs der Nut befindet.
4. Kolbenringsystem nach Anspruch 1 , wobei sich der zweite Kontaktbereich (36) des Ringkörpers (26) bei 1-40 % bevorzugt 5-20 % der axialen Höhe des oberen Auslaufs der Nut befindet.
5. Kolbenringsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Kontaktbereich (36) des zweiten Ringkörpers (26) mit der Zylinderlauffläche (20) unterhalb der zweiten Kolbenringmitte (38) angeordnet ist, bevorzugt auf einer Höhe von 25-45 %, besonders bevorzugt auf einer Höhe von 30-40 %.
6. Kolbenringsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste Öltasche (24) in Umfangsrichtung in mehrere Abschnitte unterteilt ist.
7. Kolbenringsystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine erste Öltasche (24) in 20 bis 30 Abschnitte unterteilt ist.
8. Kolbenringsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine zweite Öltasche (40) in Umfangsrichtung in mehrere Abschnitte unterteilt ist.
9. Kolbenringsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine zweite Öltasche (40) in 20 bis 30 Abschnitte unterteilt ist.
10. Kolbenringsystem für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Kompressionskolbenring (2) brennraumseitig angeordnet ist, der Ölabstreifkolbenring (6) kurbelraumseitig angeordnet ist, und der zweite Kompressionskolbenring (4) zwischen dem ersten Kompressionskolbenring (2) und dem Ölabstreifkolbenring (6) angeordnet ist, wobei eine erste Landhöhe (89) einen Einbauraum des ersten Kompressionskolbenrings (2) und einen Einbauraum des zweiten Kompressionskolbenrings (4) in Axialrichtung trennt, und eine zweite Landhöhe (90) den Einbauraum des zweiten Kompressionskolbenrings (4) und einen Einbauraum des Ölabstreifkolbenring (6) in Axialrichtung trennt.
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