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