Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft einen Kolbenring, insbesondere einen Kompressionskolbenring mit Ölabstreifwirkung.

Stand der Technik In Viertaktmotoren besteht eines der Hauptprobleme in der Kontrolle und der Abdichtung des Kolbenring-Kolben-Systems von und mit Kurbelgehäuseöl. Hierzu werden Kolbenringe eingesetzt, welche den Brennraum möglichst gut von dem im Kurbelgehäuse befindlichen Öl abdichten sollen, sogenannte Ölringe oder Ölabstreifringe, und Kompressionsringe, welche den Brennraum möglichst gut, abdichten sollen, um Leckgasmengen, die auch als Blow-By- Gase bezeichnet werden, zu vermeiden. Typischerweise werden brennraumseitig zwei Kompressionsringe und kurbelraumseitig ein Ölabstreifring eingesetzt. In jüngster Zeit wird verstärkt vom zweiten Kompressionsring, also dem mittleren Ring, eine Art Doppelrolle erwartet, der Ring soll auf der einen Seite eine Kompressionsfunktion erfüllen und auf der anderen Seite eine Ölabstreiffunktion.

Üblicherweise werden als zweiter Kompressionsring Minutenringe oder Nasenringe eingesetzt, die eine möglichst scharfe untere Laufkante zum Abstreifen von Öl aufweisen. Der Nachteil dieser Ringe ist bei hochaufgeladenen Motoren, dass aufgrund des hohen Druckes auf der Lauffläche eine Instabilität entstehen kann, die zu einer radialen Abhebung von der Zylinderwand führt. Die Abstreiffunktion von der Zylinderwand kann nur durch große Ölmengen die vom Kolben in Richtung Zylinderwand zurückgeschleudert werden erfüllt werden. Dabei ist zu beachten, dass diese Mengen dem Ölring zugeführt werden sollen, dieser aber aufgrund von kleinen Stegen nicht fähig ist diese Ölmengen in Richtung Kurbelgehäuse zu transportieren. Es bestellt Bedarf an einem Kompressionskolbenring der über ein hinreichendes Ölabstreifvermögen verfügt und bei dem gleichzeitig ein radiales Abheben von der Zylinderwand vermieden wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Dieses Problem wird gelöst durch einen erfindungsgemäßen Kolbenring dessen außenliegende Lauffläche in Bereiche aufgeteilt ist, die sich in Umlaufrichtung umlaufend über unterschiedliche axiale Höhenbereiche der Lauffläche erstrecken, einen brennraumseitigen oberen Laufflächenbereich, einen kurbelraumseitigen unteren Laufflächenbereich und einen mittleren Laufflächenbereich, zwischen dem oberen und dem unteren Laufflächenbereich. Die Grenzlinie zwischen oberem und mittlerem Laufflächenbereich bildet eine Abstreiflinie, die Grenzlinie zwischen mittlerem und unterem Laufflächenbereich bildet eine Scheitellinie, wobei die Abstreiflinie radial weiter außen verläuft als die Scheitellinie. Der obere und der untere Laufflächenbereich sind in einer axialen Querschnittsansicht konvex nach außen gekrümmt. Der mittlere Laufflächenbereich weist in Umlaufrichtung abwechselnd konvexe Abschnitte, die in einer axialen Querschnittsansicht konvex nach außen gekrümmt sind, und konkave Abschnitte, die in einer axialen Querschnittsansicht zumindest teilweise konkav nach innen gekrümmt sind, auf.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Scheitellinie radial weiter außen liegen als ein mindestens ein radial weitest innenliegender Punkt der konkaven Abschnitte. Gemäß einem weiteren Aspekt ist der radiale Abstand zwischen der Abstreiflinie und dem mindestens einen radial weitest innenliegenden Punkt der konkaven Abschnitte kleiner als das 5-Fache des radialen Abstands zwischen Abstreiflinie und Scheitellinie.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Lauffläche in jeder axialen Querschnittsansicht glatt, ohne Kanten, ausgebildet ist. Gemäß einem weiteren Aspekt gehen die konkaven Abschnitte und die konvexen Abschnitte des mittleren Laufflächenbereichs glatt, ohne Kanten zu bilden, ineinander über.

Gemäß einem weiteren Aspekt weist der mittlere Laufflächenbereich in Umlaufrichtung 3 - 30, bevorzugt 8 - 24, weiter bevorzugt 12 - 18, konkave Abschnitte auf.

Gemäß einem weiteren Aspekt erstreckt sich jeder der konvexen Abschnitte in Umlaufrichtung über einen Winkel von mindestens 5°.

Gemäß einem weiteren Aspekt weisen die an den Ringstoß angrenzenden Enden der Lauffläche einen konvexen Abschnitt auf.

Gemäß einem weiteren Aspekt weisen die Abstreiflinie und die Scheitellinie einen in Umlaufrichtung im Wesentlichen konstanten Abstand von einer Kolbenringflanke auf.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Abstand in radialer Richtung zwischen Abstreiflinie und Scheitellinie in Umlaufrichtung im Wesentlichen konstant.

Gemäß einem weiteren Aspekt verläuft die Abstreiflinie gemessen von der kurbelraumseitigen Flanke in einer axialen Höhe von 45-70%, bevorzugt 50-60%, der axialen Gesamthöhe des Kolbenrings.

Gemäß einem weiteren Aspekt bildet die Lauffläche eine geschlossene Fläche, wobei keine Öffnungen, die durch den Kolbenring hindurch zur Kolbenringinnenseite verlaufen, vorgesehen sind.

Hier wird der üblichen Bezeichnungsweise gefolgt, dass sich der Begriff axial auf die entsprechende Richtung des Kolbens bezieht, also die Richtung der Hin- und Herbewegung desselben, bzw. auf die entsprechende Achse des Kolben-Zylinders. Die Ringachse ist die durch den Mittelpunkt des Ringes in axiale Richtung verlaufende Achse, die im eingebauten Zustand mit der Mittelachse des Kolbens zusammenfällt. Eine radiale Richtung ist entsprechend eine Richtung die, parallel zur Ringebene, auf die Ringachse zu oder von dieser weg verläuft. Ein axialer Querschnitt bezeichnet einen Querschnitt, bei dem die Ringachse in der Schnittebene liegt. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren genauer beschrieben, wobei

Figur 1 axiale Querschnittsansichten des Kolbenrings zeigt; und

Figur 2 eine Draufsicht und eine zugehörige teilweise Abwicklung des Kolbenrings zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine axiale Querschnittsansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenrings 1 dargestellt. Die Kontur der Lauffläche 2 ist in der Figur zweimal gezeichnet, wobei sich die links und die rechts gezeigte Kontur in ihrer Form unterscheiden und zu verschiedenen Abschnitten in Umlaufrichtung gehören. Die Lauffläche 2 des Kolbenrings 1 ist in ihrer axialen Höhe in drei Bereiche unterteilt, einem oberen Laufflächenbereich Bo, einem mittleren Laufflächenbereich Bm und einem unteren Laufflächenbereich Bu. Oben bezieht sich hierbei auf die in Richtung Brennraum gelegene Seite des Rings 1, unten entsprechend auf die in Richtung Kurbelgehäuse gelegene Seite.

Die Linien an denen Laufflächenbereiche Bo, Bm, Bu aneinandergrenzen bilden eine oben gelegene, brennraumseitige, Abstreiflinie PI und eine unten gelegene, kurbelraumseitige, Scheitellinie P2. Die Scheitellinie P2 ist von der Abstreiflinie PI radial nach innen beabstandet, d.h. der in der Figur dargestellte Abstand R2 der Scheitellinie P2 zu einer Referenzlinie ist kleiner als der Abstand Rl der Abstreiflinie PI zu selbiger Referenzlinie. Bevorzugt verläuft die Scheitellinie P2 in Umlaufrichtung in einem im Wesentlichen konstanten radialen Abstand R1-R2 von der Abstreiflinie PI. Die Abstreiflinie PI ist die radial weitest außen gelegene Bereich des Kolbenrings 1, in der axialen Querschnittsansicht wird hier ein Pivotpunkt gebildet. An der Abstreiflinie PI, beziehungsweise in einem schmalen Bereich um die Abstreiflinie PI herum, wird der Kolbenring 1 im eingebauten Zustand an der Zylinderwand anliegen und bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens Öl von der Zylinderwand nach unten abstreifen. Dadurch, dass der Kolbenring 1 weiter oben an der Zylinderwand anliegt als bei einem üblicherweise als mittleren Kolbenring eingesetzten Minuten- oder Nasenring, steht Brennraumgasen ein relativ, z.B. zu einem Minutenring, kleinerer Bereich, d.h. kleinere Fläche, zwischen Zylinderwand und Kolbenring zur Verfügung, in den sie eindringen können und den Kolbenring von der Zylinderwand wegdrücken können. Entsprechend tritt eine relativ kleinere, von dem Gasdruck verursachte, nach innen wirkende Kraft auf, die den Kolbenring von der Zylinderwand wegdrückt, die Wahrscheinlichkeit einer radialen Abhebung von der Zylinderwand wird also verringert und die Abdichtfunktion des Rings verbessert. Der obere Laufflächenbereich Bo und der untere Laufflächenbereich Bu weisen in der axialen Querschnittsansicht eine in Umlaufrichtung gleichbleibende konvexe Krümmung nach außen auf. Konvex nach außen gekrümmt soll hier so zu verstehen sein, dass für jeden Punkt des Bereichs ein Kreis eingezeichnet werden kann, der durch den Punkt verläuft und dessen Krümmung derjenigen der Lauffläche in dem Punkt in der axialen Querschnittsansicht gleicht und der in einer Umgebung des Punktes im Wesentlichen mit der axialen Querschnittsansicht der Lauffläche übereinstimmt, wobei der Mittelpunkt des Kreises von der Lauffläche aus gesehen in Richtung der Innenseite des Rings liegt, also in Richtung der Ringachse, bzw. bei entsprechend kleiner Krümmung auch jenseits der Ringachse. Konkav nach innen gekrümmt heißt analog, dass der Mittelpunkt des Kreises nach außen gelegen ist.

Der mittlere Laufflächenbereich Bm weist in Umlaufrichtung zweierlei Abschnitte auf, die einander abwechseln, konvexe Abschnitte Ax und konkave Abschnitte Av. In den konvexen Abschnitten Ax ist die Lauffläche 2 in einer axialen Querschnittsansicht konvex nach außen gekrümmt, dies betrifft die ganze axiale Höhe des mittleren Bereichs Bm. Da die Übergänge zwischen den Laufflächenbereichen Bo, Bm, Bu bevorzugt glatt verlaufen, heißt dies, dass die Lauffläche 2 in den konvexen Abschnitten Ax in einer Querschnittsansicht in ihrer gesamten axialen Höhe konvex nach außen gekrümmt ist, also ballig ausgebildet ist. Glatt heißt, dass keine Kanten, in einer Querschnittsansicht keine Ecken, gebildet sind, die Kurve kann also durch eine differenzierbare Funktion beschrieben werden.

In den konkaven Abschnitten Av ist die Lauffläche 2 in einer axialen Querschnittsansicht zumindest teilweise konkav nach innen gekrümmt. Relativ zu der konvex ballig ausgebildeten Laufläche in den konvexen Abschnitten Ax treten dadurch Vertiefungen nach innen auf. Das Profil des Kolbenrings ist also in diesen Abschnitten etwas zurückgenommen, es sind Profilrücknahmen gebildet. Im Allgemeinen wird in den konkaven Abschnitten Av die Lauffläche nur teilweise konkav nach innen gekrümmt sein, um einen glatten Übergang ohne Kanten zwischen den Laufflächenbereichen Bo, Bm, Bu zu ermöglichen.

Der radial am weitesten innen gelegene Punkt der jeweiligen konkaven Abschnitte Av, also sozusagen der tiefste Punkt der Vertiefungen, ist dabei bevorzugt radial weiter innen gelegen als die Scheitellinie P2. Andererseits sollte der radiale Abstand N dieses mindestens einen weitest innen gelegenen Punktes zu der Abstreiflinie PI das Fünffache des radialen Abstands R1-R2 von Abstreiflinie PI und Scheitellinie P2 nicht überschreiten. Durch diesen radialen Abstand N und die Anzahl der konvexen Abschnitte Ax wird ein Volumen beschrieben, in das bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens Öl aufgenommen werden kann.

Die Gestaltung der Lauffläche 2 des Kolbenrings 1 mit einander auf dem Umfang abwechselnden konvexen und konkaven Abschnitten Ax, Av des mittleren Laufflächenbereichs Bm führt zu einer hydrodynamischen Druckdifferenz im Öl und damit zu einer Verteilung des Öls in Umfangrichtung. Das Volumen, das durch die Profilrücknahmen in den konkaven Abschnitten Av bereitgestellt wird, kann gleichzeitig Öl aufnehmen, so dass bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens das an der Zylinderwand befindliche Öl nicht einfach„überfahren" wird, was möglicherweise geschehen könnte, da die mit der Zylinderwand in Kontakt stehende Abstreiflinie PI, relativ, z.B. zu einem Minutenring, weit oben angeordnet ist, und also ein relativ großer Bereich zu Verfügung steht, in den Öl eindringen kann und den Ring von der Zylinderwand wegdrückt. Bevorzugt ist die Lauffläche in jeder axialen Querschnittsansicht glatt ohne Kanten ausgebildet, also "tangentenstetig", ausgebildet. Weiter bevorzugt ist die Lauffläche auch in Umlaufrichtung glatt ohne Kanten gebildet; insbesondere gehen also die konkaven Abschnitte Av und die konvexen Abschnitte Ax glatt, ohne Kanten zu bilden, ineinander über. Sollte beides zutreffen, bildet also die Lauffläche, etwas mathematischer ausgedrückt, eine differenzierbare Funktion, z.B. in Zylinderkoordinaten.

In der Fig. 1 ist die Abstreiflinie PI leicht oberhalb der Mitte der axialen Höhe des Kolbenrings 1 angeordnet. Bevorzugt ist die Abstreiflinie PI in der Nähe der Mitte oder oberhalb der Mitte angeordnet. Genauer beträgt der axiale Abstand zur unteren Ringflanke 3 bevorzugt 45 - 70%, weiter bevorzugt 50 - 60%, der axialen Gesamthöhe des Kolbenrings.

Fig. 2 stellt eine Draufsicht (oben) und eine zugehörige teilweise Abwicklung (unten) einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenrings 1 dar. Das oben zu Fig. 1 Ausgeführte trifft auch hier zu. In der Draufsicht sind die einander in Umlaufrichtung abwechselnden konkaven Abschnitte Av und konvexen Abschnitte Ax erkennbar. Weiter ist der radiale Abstand N des mindestens einen weitest innenliegenden Punktes zu der Abstreiflinie PI, die am weitesten außen liegt, dargestellt. Die Vertiefungen sind übertrieben tief gezeichnet, um erkennbar zu bleiben, aus diesem Grund sind die Vertiefungen auch nicht gestrichelt gezeichnet, auch wenn sie in der Draufsicht von oben nicht sichtbar sind.

In der beispielhaften Figur sind 14 konkave Abschnitte Av eingezeichnet. Bevorzugt weist die Lauffläche in Umlaufrichtung 3 - 30, bevorzugt 8 - 24, weiter bevorzugt 12 - 18, konkave Abschnitte Av auf. Weiter endet die Lauffläche am Ringstoß bevorzugt auf beiden Seiten mit einem konvexen Abschnitt Ax, dadurch wird vermieden, dass Öl in Richtung Ringstoß gedrückt wird. Auch überdeckt jeder der konvexen Abschnitte vorzugsweise einen Winkelbereich von mindestens 5° in Umlaufrichtung. Die Lauffläche ist also ballig ausgestaltet, mit Profilrücknahmen, die einen hydrodynamischen Druck zur Verteilung des Öls erzeugen und Volumen zur Aufnahme des Öls bereitstellen. Die teilweise Abwicklung zeigt (gestrichelt gezeichnet) weiter die Abstreiflinie PI und die Scheitellinie P2. Die Scheitellinie P2 kommt, auch wenn hier durchgehend eingezeichnet, nur an den konkaven Abschnitten Av zum Tragen, wo in der axialen Querschnitts ansieht der Fig. 1 ein zweiter Pivotpunkt gebildet wird. In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist der axiale Abstand der Abstreiflinie PI und der Scheitellinie P2 zu der unteren Kolbenringflanke 3 in Umlaufrichtung im Wesentlichen konstant. Weiter sind keine Öffnungen vorhanden, die durch den Kolbenringkörper hindurch zur Innenseite des Kolbenrings verlaufen.