WO2020177812A1

WO2020177812A1 - Einrichtung zum abdichten eines brennraums eines verbrennungsmotors

Info

Publication number: WO2020177812A1
Application number: PCT/DE2020/100125
Authority: WO
Inventors: Richard Mittler
Original assignee: Federal-Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2020-09-10
Also published as: KR20210132072A; CN113348317A; DE102019105613A1; DE102019105613B4; JP2022522478A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abdichten eines Brennraums eines Verbrennungsmotors, beinhaltend mindestens einen Kolben sowie ein diesen Kolben aufnehmendes zylinderförmiges Bauteil, wobei der Kolben innerhalb des Bauteils zwischen einer oberen und einer unteren Endlage alternierend bewegbar ist, wobei das Bauteil im oberen Endlagenbereich des Kolbens mit mindestens einem, in einer Nut eingebrachten, mit einem Stoß versehenen Dichtungselement in Wirkverbindung bringbar ist, wobei das Dichtungselement als innenspannender Dichtungsring ausgebildet und im Bereich seiner dem Kolben zugewandten inneren Umfangsfläche mit einer Profilierung versehen ist und wobei der Kolben im Bereich der Höhe der Profilierung seinen obere Endlagenbereich aufweist.

Description

Einrichtung zum Abdichten eines Brennraums eines Verbrennungsmotors

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abdichten eines Brennraums eines Verbrennungsmotors.

Kompressionskolbenringe haben die Aufgabe das Kurbelgehäuse gegenüber dem Brennraum eines Verbrennungsmotors gegen Gasfluss abzudichten. Dies geschieht durch geeignete Kolbenringe, die im Kolben verbaut werden. Die eigentliche Dichtwirkung entsteht durch den Aufbau einer Ölhydrodynamik zwischen Kolbenring und Zylinder, die durch ballige Formen der Lauffläche und entsprechende Kolbengeschwindigkeiten erzeugt werden. Hierbei entsteht Reibung hydrodynamischer Art sowie Mischreibung wenn der Ölfilm durchbrochen wird. Die Positionen der Kolbenringe werden aufgrund der Kolbenfestigkeit durch Kühlkanäle in der Regel einige Millimeter unterhalb der Kolbenkrone des Kolbens vorgesehen. Hierdurch entsteht ein sog. Totvolumen, das eine optimierte Effizienz des Systems - bezogen auf Verdichtung und Gas-/Kraftstoffvermischung - negativ beeinflusst.

Im Automotiven- sowie in der HD-Entwicklung werden Systeme eingesetzt, die aus normalerweise drei Kolbenringen, nämlich einem Ölring sowie zwei Kompressionsringen, bestehen. Diese dichten das System je nach Lage des Kolbens im Hub gegen Gasfluss aus dem Brennraum und Ölfluss aus dem Kurbelgehäuse ab.

Die DE 19 30 834 C3 offenbart eine Einrichtung zum Abführen von Öl- und Verbrennungsrückständen bei einer stehenden, mit flüssigen, zu mehr oder weniger starker Rückstandsbildungen neigenden Brennstoffen betriebenen Kreuzkopfbrennkraftmaschine, welche einen den Rand unterhalb des Kolbens gegenüber dem Triebwerksraum abdichtenden, einen Stopfbüchsenträger mit einer gegenüber der im Betrieb hin- und hergehenden Kolbenstange abdichtenden Stopfbüchse haltenden Zwischenboden und ggf. ein bei Verwendung der Kolbenunterseite zur Verdichtung von Spülluft unmittelbar oberhalb des Zwischenbodens angeordnetes Ventilgehäuse aufweist. Entweder ist der vorstehende Kolbenrad oder der triebwerkseitige Endabschnitt der Innenwand des Zylinders sowie die hierzu parallel verlaufende innere Wandfläche des Ringraums dienende Begrenzungsfläche am Zwischenboden bzw. am Stopfbüchsenträger oder am ggf. vorhandenen Ventilgehäuse mit außen- bzw. innenspannenden Dichtringen versehen.

Durch die EP 2 535 540 B1 ist ein Einsatz für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine zur Entfernung von Verschmutzungen im Bereich eines Feuerstegs, eines im Zylinder führbaren Kolbens bei Durchlaufen einer oberen Totpunktlage des Kolbens bekannt geworden, mit mindestens einem ersten ringförmigen Element, das in einer radialen Aussparung des Zylinders fest anbringbar ist und mindestens einem zweiten ringförmigen Element, das in eine in dem ersten ringförmigen Element ausgebildete radiale Nut des ersten ringförmigen Elements einsetzbar ist, wobei das zweite ringförmige Element in der Nut relativ zum ersten ringförmigen Element radial beweglich und axial im Wesentlichen unbeweglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Abdichten eines Brennraums eines Verbrennungsmotors dahingehend weiterzubilden, dass das eingangs angesprochene Totvolumen, welches eine optimierte Effizienz des Systems - bezogen auf Verdichtung und Gas-/Kraftstoffvermischung - negativ beeinflusst, einer andersartigen konstruktiven Ausgestaltung unterzogen wird.

Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Dichtungsring zum Abdichten eines Brennraums eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, mit dessen Hilfe es möglich ist, das sog. Totvolumen hinsichtlich seiner negativen Auswirkungen zu optimieren.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Einrichtung zum Abdichten eines Brennraums eines Verbrennungsmotors, beinhaltend mindestens einen Kolben sowie ein diesen Kolben aufnehmendes zylinderförmiges Bauteil, wobei der Kolben innerhalb des Bauteils zwischen einer oberen und einer unteren Endlage alternierend bewegbar ist, wobei das Bauteil im oberen Endlagenbereich des Kolbens mit mindestens einem, in einer Nut eingebrachten, mit einem Stoß versehenen Dichtungselement in Wirkverbindung bringbar ist, wobei das Dichtungselement als innenspannender Dichtungsring ausgebildet und im Bereich seiner dem Kolben zugewandten inneren Umfangsfläche mit einer Profilierung versehen ist und wobei der Kolben im Bereich der Höhe der Profilierung seinen obere Endlagenbereich aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Dichtungsring zum Abdichten eines Brennraums eines Verbrennungsmotors, ausgebildet als innenspannender Dichtungsring, beinhaltend eine obere und eine untere Flanke, eine äußere und eine innere Umfangsfläche sowie einen Stoß, wobei die innere Umfangsfläche mit einer Profilierung versehen ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Dichtungsrings sind den zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein zusätzlicher Dichtungsring wird in dem, den Kolben umschließenden Bauteil, bspw. einem Liner, eingebracht, so dass das sog. Totvolumen zwischen oberster Position des Topringes und der Kolbenkrone zum Zeitpunkt der maximalen Verdichtung verschlossen wird. Hiermit wird verhindert, dass das Gas- /Kraftstoffgemisch in das Totvolumen eindringen kann. Ebenso sind Vorentzündungen durch Öltröpfchen ausgeschlossen.

Der Dichtungsring wird vorzugsweise in eine Linernut eingebracht und hat eine innenspannende Kraftkomponente. Das Stoßspiel des Dichtungsrings ist im Zeitpunkt der Innenspannung genau Null. Die Kolbenkrone schließt am obersten Totpunkt mittig mit dem innenspannenden Dichtungsring ab und kann diesen in Richtung der Linernut ggf. bei Überdeckung der Maße öffnen. Mit dem Erfindungsgegenstand werden folgende Vorteile erreicht:

Verringerung des Totvolumens

Effizienzsteigerung durch optimierte Verbrennung

Verhinderung von Partikelbildung durch rückläufigen Gasfluss

Verhinderung des Abschleuderns von Öltröpfchen in Richtung Brennraum.

Der Kolben fährt nicht am Dichtungsring vorbei, sondern kann maximal am obersten Totpunkt mit dem Dichtungsring, insbesondere der oberen Flanke des Dichtungsrings, abschließen.

Der vorteilhafterweise als metallischer Dichtungsring ausgebildete Dichtungsring weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Hierbei können unterschiedlichste geometrische Konturen der inneren Umfangsfläche relativ zum Kolben gegeben sein. Es bieten sich minutenförmig ausgebildete innere Umfangsflächen an oder aber eine konische Ausgestaltungsform.

In Analogie zu herkömmlichen Kolbenringen weist der im Liner eingebaute Dichtungsring ebenfalls eine obere sowie eine untere Flanke auf. Abweichend von herkömmlichen Kolbenringen ist bei dem erfindungsgemäßen Dichtungsring zwar eine äußere Umfangsfläche gegeben, wobei die innere profilierte Umfangsfläche jedoch als Lauffläche relativ zum Kolben ausgebildet ist.

Der Dichtungsring ist geometrisch so gestaltet, dass der Bereich der oberen Ringflanke einen kleineren Durchmesser aufweist als der Bereich der unteren Ringflanke. Somit ist es möglich, dass der Kolben bei seinem Aufwärtshub an der konisch verlaufenden inneren Umfangsfläche (Lauffläche) entlanggleitet und den mit einem Stoß versehenen Dichtungsring auseinanderdrückt. Bedingt durch diese zusätzliche Dichtstelle wird das angesprochene Totvolumen reduziert und die vorab angeführten positiven Effekte erzielt.

Infolge der gewählten geometrischen Verhältnisse zwischen Dichtungsring und Kolben ist die Kolbenkrone mit der inneren Umfangsfläche des Dichtungsrings am oberen Endpunkt (Totpunkt) in Kontakt.

Der Dichtungsring kann einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, im Bereich seiner inneren Umfangsfläche (Lauffläche) mit einer die Reibung vermindernden Verschleißschutzschicht versehen werden. Selbige kann bspw. auf Basis von Cr, CKS, PVD oder DG ausgebildet sein.

Der zusätzliche Dichtungsring führt keine eigenständige axiale Bewegung in Bezug auf den Kolben durch. Der Dichtungsring kann sich innerhalb der Linernut frei bewegen, sowohl in axialer als auch in radialer Richtung, wobei die radiale Richtungskomponente im eingebauten Zustand nur vom Kolben nach außen ausgeführt werden kann.

Die den Dichtungsring aufnehmende Nut kann in einem Liner eingebracht sein oder aber als Aussparung in einem in den Liner einbringbaren separaten Segment vorgesehen werden. Sind weder Liner noch zusätzliche Segmente gegeben, kann das Dichtungselement auch unmittelbar im Zylinderblock verbaut werden.

Die Wand des Dichtungsringes ist hierbei durch die Wandstärke des Liners beschränkt und kann individuell ausgelegt sein (0,5 - 100 mm).

Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 - 3 Darstellung einer Brennraumabdichtung, beinhaltend einen in einem zylindrischen Bauteil eingebrachten Dichtungsring in verschiedenen Positionen eines innerhalb des Bauteils angeordneten Kolbens; Fig. 4 Dichtungsring ohne Kolbenkontakt

Fig. 5 Dichtungsring mit Kolbenkontakt

Die Figuren 1 - 3 zeigen eine Einrichtung zum Abdichten eines Brennraums eines nur angedeuteten Verbrennungsmotors. Dargestellt sind folgende Bauteile: ein Kolben 1 , der mehrere Nuten 2, 3, 4 zur Aufnahme jeweils eines Kolbenrings 5, 6, 7 aufweist. Der Kolbenring 7 ist ein herkömmlicher Ölabstreifring, während die Kolbenringe 5 und 6 als Kompressionsringe ausgebildet sind. Der Kolben 1 ist zwischen nur angedeuteten Endlagen o, u alternierend bewegbar. Der Kolben 1 wird innerhalb eines zylindrischen Bauteils 8 zwischen seinen Endlagen o, u geführt. Das Bauteil 8 soll in diesem Beispiel als Liner ausgebildet sein, kann jedoch auch durch eine herkömmliche Zylinderwand gebildet sein. Das Bauteil 8 ist im Bereich der oberen Endlage o mit einer Aufnahmenut 9 versehen, in welche ein zusätzliches Dichtungselement 10 eingesetzt ist. Das Dichtungselement 10 ist als innenspannender rechteckig ausgebildeter Dichtungsring ausgebildet. Der Dichtungsring 10 weist eine obere Flanke 1 1 , eine untere Flanke 12, eine äußere Umfangsfläche 13 sowie eine innere Umfangfläche 14 auf. Die als Lauffläche ausgebildete innere Umfangsfläche 14 ist in diesem Beispiel mit einer konisch sich vergrößernden Profilierung versehen. Die radiale Kraftkomponente ist durch den Pfeil angedeutet. Der Kolben 1 weist brennraumseitig (obere Endlage o) eine Kolbenkrone 15 auf. Die Lauffläche 14 (Profilierung) kann mit einer verschließreduzierenden Schicht 14‘, bspw. auf Basis von Cr, versehen werden. Alternativen auf Basis von CKS, PVD, DG sind ebenfalls möglich.

Figur 1 zeigt eine Position, in welcher sich der Kolben 1 aus einer unteren Endlage u in Richtung des zusätzlichen Dichtungselements 10 bewegt, jedoch noch keinen Kontakt damit aufweist. Die Profilierung 14 hat eine Höhe h, die sich über die gesamte Bauhöhe des Dichtungselements 10 erstreckt. Neben konischen Profilierungen sind auch kurvenförmige Profilierungen oder andere geometrische Konturen denkbar. In Figur 2 ist erkennbar, dass die Kolbenkrone 15 im Bereich 16 des Dichtungselements 10 im Bereich der Höhe h in Berührungskontakt mit der Lauffläche 14 (Profilierung) des Dichtungselements 10 kommt. Das innenspannende Dichtungselement 10 wird aufgeweitet (s. Pfeil), wodurch sich sein Abstand zum Nutgrund 17 der Aufnahmenut 9 verringert. In diesem ersten Kontakt ist ein vorgebbarer Abstand a zwischen der unteren Flanke 12 des Dichtungselements 10 und dem als Topring ausgebildeten Kolbenring 5 gegeben.

Figur 3 zeigt die Position des Kolbens 1 im Bereich seiner oberen Endlage o. Der Abstand a zwischen dem Kolbenring 5 und der unteren Ringflanke 12 des Dichtungselements 10 ist weiter reduziert worden. Der hier nicht erkennbare Spalt des Dichtungselements 10 hat in der oberen Endlage o des Kolbens 1 sein größtes Spiel. Der Berührungsbereich 16‘ der Kolbenkrone 15 mit der Lauffläche 14 (Profilierung) befindet sich etwa auf Höhe der oberen Ringflanke 1 1 des Dichtungselements 10.

Zwischen den Berührungsbereichen 16, 16‘ gemäß Figuren 2 und 3 findet eine dauerhafte Abdichtung des Brennraums im oberen Endlagenbereich o des Kolbens 1 statt, so dass eine Verringerung des dort gegebenen Totvolumens bei gleichzeitiger Effiziensteigerung durch optimierte Verbrennung gegeben ist. Partikelbildungen durch rückläufigen Gasfluss werden sicher verhindert. Gleiches gilt für das Abschleudern von Öltröpfchen in Richtung Brennraum.

Die Figuren 4 und 5 zeigen den Dichtungsring 10. Erkennbar ist der Stoß 18. Das als innenspannender Dichtungsring ausgebildete Dichtungselement 10 ist in Figur 4 in einer Position dargestellt, in der kein Kontakt mit dem hier nicht erkennbaren Kolben gegeben ist. Das Stoßspiel FT ist in seinem geringsten Maß dargestellt.

Figur 5 zeigt den Dichtungsring 10 mit Kolbenkontakt. Das Stoßspiel FT ist hier in seiner maximalen Öffnungsweite dargestellt. Bezugszeichenliste

1 Kolben

2 Nut

3 Nut

4 Nut

5 Kolbenring

6 Kolbenring

7 Kolbenring

8 Bauteil (Liner)

9 Aufnahmenut

10 Dichtungselement

1 1 obere Flanke

12 untere Flanke

13 äußere Umfangsfläche

14 innere Umfangsfläche (Lauffläche) 14 Cr-Schicht

15 Kolbenkrone

16 Berührungsbereich

17 Nutgrund

18 Stoß o oberen Endlage

u untere Endlage

h Höhe Profilierung

FT Stoßspiel

Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zum Abdichten eines Brennraums eines Verbrennungsmotors, beinhaltend mindestens einen Kolben (1 ) sowie ein diesen Kolben (1 ) aufnehmendes zylinderförmiges Bauteil (8), wobei der Kolben (1 ) innerhalb des Bauteils (8) zwischen einer oberen (o) und einer unteren Endlage (u) alternierend bewegbar ist, wobei das Bauteil (8) im oberen Endlagenbereich (o) des Kolbens (1 ) mit mindestens einem, in einer Nut (9) eingebrachten, mit einem Stoß (18) versehenen Dichtungselement (10) in Wirkverbindung bringbar ist, wobei das Dichtungselement (10) als innenspannender Dichtungsring ausgebildet und im Bereich seiner dem Kolben (1 ) zugewandten inneren Umfangsfläche (14) mit einer Profilierung versehen ist und wobei der Kolben (1 ) im Bereich der Höhe (h) der Profilierung (14) seinen obere Endlagenbereich (o) aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (10) als innenspannender Dichtungsring, insbesondere als Rechteckkolbenring, ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Kolben (1 ) zugewandte innere Umfangsfläche (14) des Dichtungsrings (10) mit einem konisch verlaufenden Profil versehen oder als minutenförmige Lauffläche ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Profilierung (14), ausgehend von einer oberen Flanke (1 1 ) des Dichtungsrings (10) in Richtung einer unteren Flanke (12) im Wesentlichen gleichmäßig verjüngt, dergestalt, dass zumindest im Bereich der oberen Flanke (1 1 ) ein dichtender Kontakt zwischen Dichtungsring (10), respektive der Profilierung (14), und dem Kolben (1 ) herbeiführbar ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass der innenspannende Dichtungsring (10) mit einem vorgebbaren Stoßspiel (FT) versehen ist, das infolge der Aufwärtsbewegung des Kolbens (1 ) sowie der profilierten inneren Umfangsfläche (14) des Dichtungsrings (10) im Bereich der oberen Endlage (o) des Kolbens (1 ) veränderbar, insbesondere aufweitbar ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Umfangsfläche (14) des Dichtungsrings (10) mit einer verschleißreduzierenden Schutzschicht (14‘), insbesondere auf Basis von Cr, CKS, PVD oder DG, versehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (8) als Liner ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (10) oberhalb eines als Topkompressionsring (5) ausgebildeten Kolbenrings bauteilseitig mit vorgebbarem Abstand positioniert ist, dergestalt, dass der maximal oberste Punkt des Dichtungsrings (10) mit der oberen Endlage (o) der Kolbenkrone (15) des Kolbens (1 ) abschließt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (10) oberhalb eines als Topkompressionsring (5) ausgebildeten Kolbenrings bauteilseitig mit vorgebbarem Abstand positioniert ist, dergestalt, dass der oberste Punkt des Dichtungsrings (10) außerhalb der Kolbenkrone (15) des Kolbens (1 ) positioniert ist, wobei im Bereich der oberen Endlage (o) des Kolbens (1 ) eine Überdeckung von mindestens 20% zwischen Kolbenkrone (15) und Profil des Dichtungsrings (10) gegeben ist.

10. Dichtungsring zum Abdichten eines Brennraums eines Verbrennungsmotors, ausgebildet als innenspannender Dichtungsring (10), beinhaltend eine obere (1 1 ) und eine untere Flanke (12), eine äußere (13) und eine innere Umfangsfläche (14) sowie einen Stoß (18), wobei die innere Umfangsfläche (14) als mit einer Profilierung versehene Lauffläche ausgebildet ist.

11. Dichtungsring nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der innenspannende Dichtungsring (10) als metallischer Rechteckring mit einem vorgebbaren Stoßspiel (FT) ausgebildet ist.

12. Dichtungsring nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die innere Umfangsfläche (14) mit einer konischen Profilierung versehen oder als Minute ausgebildet ist.

13. Dichtungsring nach einem der Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Umfangsfläche (14) als profilierte Lauffläche ausgebildet ist, wobei zumindest die Profilierung der Lauffläche (14) mit einer verschleißreduzierenden Schutzschicht (14‘), insbesondere auf Basis von Cr, CKS, PVD oder DG, versehen ist.