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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben eines Verbrennungsmotors
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, mindestens einen Kolbenring in einer Kolbenringnut
eines Kolbens anzuordnen, um den Spalt zwischen den Kolben und einer
Zylinderwand des Verbrennungsmotors zu schließen. Dabei können beispielsweise
ein innerer und äußerer Kolbenring
verwendet werden, wobei der innere Kolbenring dazu dient, die Bildung
von Ablagerungen innerhalb der Kolbenringnut zu verhindern, während der äußere Kolbenring
dazu dient, die Verdichtung des Zylinders und einen Ölabstreifvorgang
an der Zylinderwand zu gewährleisten.
Der innere und der äußere Kolbenring
können
dabei gemeinsam ausgebildet sein.
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So
ist beispielsweise aus der
DE
101 53 436 A1 ein Kolbenring bekannt, welcher an seiner
inneren Seite und/oder an seiner Seitenfläche mehrere, an die Oberfläche der
Kolbenringnut anliegende Kontaktstellen oder Kontaktglieder aufweist.
Die Kontaktglieder oder Kontaktstellen können dabei aufgrund einer Relativbewegung
an verschiednen Stellen mit der Oberfläche der Kolbenringnut in Kontakt
treten, so dass Ab- oder
Anlagerungen auf der Oberfläche der
Kolbenringnut vermeidbar sind. Der Kolbenring weist jedoch eine
sehr komplexe Struktur auf, so dass der Kolbenring teuer in der
Herstellung ist.
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Es
ist weiter aus der
DE 102 13
106 ein Kolbenring bekannt, bei dem eine einer Kolbenringnut zugewandte
Innenfläche
mit einer harten, rauen oder strukturierten Oberfläche ausgebildet
ist, so dass dieser bei einem Anlagewechsel des Kolbens gegen die Ablagerung
gepresst wird und diese abträgt
und/oder absprengt. Ein derartiger Kolbenring hat den Nachteil,
dass eine Bearbeitung des Kolbenrings an der Innenseite zumeist
eine kostenintensive Fertigung verlangt.
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Aus
der
DE 30 00 146 A1 ist
ein Kolbenring bekannt, wobei die Innenseite mit einzelnen über den Umfang
verteilten, scharfen, durch Vorsprünge oder Ausnehmungen erzeugten
Kanten versehen ist. Die Kanten können dabei derart ausgerichtet
sein, dass die um das Innere des Kolbenrings strömenden Verbrennungsgase den
Ring in Rotation versetzen. Zudem kann die Oberfläche einer
Seitenfläche
umlaufende, scharfe Kanten aufweisen. Ohne Rotation des Kolbenrings
reicht bei einer derartigen Ausbildung jedoch die Relativbewegung
zwischen Kolbenringnut und Kolbenring nicht aus, um einen übermäßigen Aufbau
an Ablagerungen zu vermeiden.
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Das
GOETZE-Kolbenring-Handbuch, herausgegeben von der an erster Stelle
genannten Anmelderin im April 2003, beschreibt auf den Seiten 20/21
Kolbenringe mit Innenwinkeln an der oberen oder unteren Seitenfläche, die
hier als Flanke bezeichnet wird. Kolbenringe mit einem sogenannten Innenkantenbruch
an der oberen und unteren Seitenfläche gehen aus der DIN ISO 6624
Teil 1, Abschnitt 4.1 hervor.
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Aus
der
DE 31 04 437 C2 geht
ein Kolben hervor, bei dem der Feuerring in die Ringnut unter einer
radial nach innen gerichteten Vorspannung eingesetzt ist und an
der Ober- und gegebenenfalls an der Unterseite eine Stufe aufweisen
kann. Die Form der Ringnut ist hieran angepasst.
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Die
DE 440 416 C betrifft
einen ähnlichen Kolben,
bei dem ein Kolbenring mehrere Stufen aufweist, und die Ringnut
an diese Form angepasst ist. Ein weiterer Kolben mit zwei derartigen
Kolbenringen geht aus der
US
1710485 A hervor.
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Darstellung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben zu schaffen,
welcher kostengünstig herstellbar
ist, und bei dem ein übermäßiger Aufbau an
Ablagerungen vermieden werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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Hierfür wird ein
Kolbenring für
eine Kolbenringnut umfassend eine der Kolbenringnut zugewandte Innenfläche und
eine gegenüberliegende
Außenfläche sowie
zwei Seitenflächen
derart ausgebildet, dass die Höhe
des Kolbenrings an der Außenseite
größer der
Höhe des
Kolbenrings an der Innenseite ist, wobei an mindestens einer ersten
Seitenfläche mindestens
zwei Innenwinkel ausgebildet sind. Mit anderen Worten sind zwischen
der Außenfläche und der
Innenfläche
Innenwinkel derart ausgebildet, dass sich die Höhe des Kolbenrings von der
Außenseite zur
Innenseite hin verringert. Bevorzugt handelt es sich bei derjenigen
Seitenfläche,
an der mindestens zwei Innenwinkel ausgebildet sind, um die obere
Seitenfläche.
Diese Seitenflächen
können
auch als Flanken bezeichnet werden.
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Der
Innenwinkel ist kostengünstig
herstellbar. Dabei werden durch die Innenwinkel an der Seitenfläche mindestens
zwei Kanten gebildet. Durch die Twistbewegung des Kolbenrings in
den verschiedenen Belastungszuständen
des Kolbens kommt es zu einer Relativbewegung des Kolbenrings gegenüber der
Kolbenringnut. Dabei wird mittels der Kanten an der Seitenfläche des
Kolbenrings eine Ablagerung an der Kolbenringnut permanent abgeschabt.
Somit wird ein übermäßiger Aufbau
an Ablagerungen in der Kolbenringnut vermieden. Die Ausbildung der
Kanten an der Seitenfläche
erfordert eine geringere Steifigkeit des Kolbenrings als eine Ausbildung
der Kanten an der Innenfläche.
Dadurch kann eine gute Beweglichkeit des Kolbenrings ermöglicht werden.
Es ist daher denkbar, den Kolbenring zwischen dem Zylinder und der
Kolbenringnut anzuordnen. Daneben ist es jedoch auch denkbar, einen äußeren Kolbenring
zwischen dem erfindungsgemäßen Kolbenring
und der Zylinderwand anzuordnen. Zudem sind Bearbeitungen der Seitenfläche kostengünstiger
möglich
als Bearbeitungen der Innenfläche.
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Zumindest
ein Innenwinkel ist derart ausgebildet, dass ein erster Schenkel
des Innenwinkels im Wesentlichen parallel zu der Rotations-Achsrichtung des
Kolbenrings verläuft.
Dies bedeutet, dass dieser Schenkel zu der Rotations-Achsrichtung
des Kolbenrings einen Winkel von ±20°, bevorzugt ±10° und insbesondere ±5° bildet.
Dabei bilden der Schenkel des Innenwinkels und die Seitenwand eine
scharfe Kante. Gleichzeitig ist ein derartiger Winkel einfach und damit
kostengünstig
herstellbar.
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Ein
zweiter Schenkel des Innenwinkels ist im Wesentlichen parallel zur
Radialrichtung des Kolbenrings. Mit anderen Worten bildet dieser
Schenkel mit der Radialrichtung des Kolbens einen Winkel von ±20°, bevorzugt ±10° und insbesondere ±5°. Dabei bilden
der zweite Schenkel des Innenwinkels und die Innenfläche oder
ein erster Schenkel eines weiteren Innenwinkels eine scharfe Kante.
Insbesondere verläuft
der erste Schenkel im Wesentlichen parallel zur Rotations-Achsrichtung
des Kolbenrings und der zweite Schenkel im Wesentlichen parallel
zur Radialrichtung des Kolbenrings, so dass der Innenwinkel im Wesentlichen
rechtwinklig ausgebildet ist. Dadurch lassen sich zwei Kanten mittels
eines geeigneten Werkzeugs kostengünstig herstellen. Die Schenkel eines
Winkels und/oder aufeinander folgende Innenwinkel können dabei
die gleiche und/oder unterschiedliche Längen aufweisen. Die oben beschriebenen
Winkelbeziehungen des ersten und zweiten Schenkels können beliebig
miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können beide Schenkel weitgehend
parallel zur Achs- bzw. Radialrichtung des Kolbens verlaufen. Der
erste Schenkel kann jedoch mit der Rotations-Achsrichtung einen
relativ großen Winkel
bilden, wobei dieser Winkel stumpf oder spitz sein kann, so dass
durch den Innenwinkel an der Seitenfläche eine vergleichsweise stumpfe
(Winkel größer als
90°) oder
spitze Kante entsteht. Dies gilt in gleicher Weise für die weiteren
Innenwinkel. Der beschriebene, vergleichsweise große Winkel
des ersten Schenkels bezüglich
der Rotations-Achsrichtung kann mit einem zweiten Schenkel kombiniert
werden, der nahezu parallel zur Radialrichtung verläuft. Dieser
Winkel kann jedoch auch deutlich von der Radialrichtung abweichen.
Insbesondere kann ein deutlich von der Radialrichtung abweichender
zweiter Schenkel mit einem nahezu parallel zur Rotations-Achsrichtung
verlaufenden ersten Schenkel kombiniert werden. Ferner ist es denkbar,
bei einem Trapezring, d. h. einem Kolbenring, dessen Seitenflächen einen Winkel
von weniger als 90° bezüglich der
Rotations-Achsrichtung
bilden, den ersten Schenkel weitgehend senkrecht zu der Seitenfläche auszubilden, so
dass sich eine Neigung bezüglich
der Rotations-Achsrichtung ergibt, die der Neigung der Seitenfläche bezüglich der
Radialrichtung entspricht.
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Vorzugsweise
ist eine zweite Seitenfläche des
Kolbenrings mit mindestens einem Innenwinkel ausgebildet. Durch
die beidseitige Ausbildung des Kolbenrings mit Innenwinkeln ist
es möglich,
Radien der Kolbenringnut im Nutgrund größer auszubilden, als dies zur
Aufnahme herkömmlicher
Kolbenringe möglich
ist. Dies führt
zu einer Verringerung des Gasvolumens hinter dem Kolbenring und
zu einer Steigerung der Festigkeit, insbesondere einer Festigkeit des
Feuerstegs, d. h. des Stegs zwischen der Kolbenkante und der ersten
Kolbenringnut, sowie der übrigen
Ringstege, d. h. der Stege zwischen zwei benachbarten Kolbenringnuten.
Es ist jedoch denkbar, einen erfindungsgemäßen Kolbenring nur in einer Kolbenringnut
eines Kolbens, beispielsweise der ersten Kolbenringnut, vorzusehen.
Ferner sind beliebige Kombinationen unterschiedlicher Anzahlen von
Innenwinkeln an den beiden Seitenflächen denkbar. Beispielsweise
können
zwei Innenwinkel an der oberen Seitenfläche mit einem Innenwinkel an
der unteren Seitenfläche
kombiniert werden. Sowohl an der oberen als auch der unteren Seitenfläche können jedoch
weitere Innenwinkel vorgesehen sein. Bevorzugt ist die Anzahl der
Innenwinkel an der oberen Seitenfläche größer als an der unteren. Auch
für diejenigen
weiteren Innenwinkel, die an beiden Seitenflächen vorgesehen sind, gilt
die oben beschriebene, bevorzugte Ausrichtung der jeweiligen Schenkel.
Es sei abschließend
erwähnt,
dass ein Kolbenring mit derartigen Schenkeln und mindestens einem
Innenwinkel, jedoch an beiden Seitenflächen des Kolbenrings als Neuerung
gesehen wird, und unabhängig von
der Ausbildung von mindestens zwei Innenwinkeln an einer Seitenfläche als
Gegenstand der vorliegenden Anmeldung anzusehen ist. Insbesondere kann
ein derartiger Kolbenring mit den vorangehend und nachfolgend erwähnten bevorzugten
Merkmalen weitergebildet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die erste und/oder die zweite Seitenfläche mit einem spitzen Flankenwinkel
gegenüber
der Radialrichtung des Kolbenrings ausgebildet. Unter einem spitzen
Winkel wird bevorzugt ein Winkel größer 1° und kleiner 20° verstanden.
Das Verhältnis
der Höhe
des Kolbenrings an der Außenfläche zu dem
Verhältnis
der Höhe des
Kolbenrings an der Innenfläche
hängt dabei
von dem gewählten
Flankenwinkel ab.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist mindestens ein in Winkel der ersten Seitenfläche zu einem Innenwinkel der
zweiten Seitenfläche
symmetrisch ausgebildet. Es ist denkbar, die Innenwinkel hinsichtlich
ihrer Anzahl und/oder ihrer Position relativ zur Achse des Kolbenrings
an beiden Seitenflächen unterschiedlich
anzuordnen. Vorzugsweise sind jedoch die Innenwinkel symmetrisch
bezüglich
der Radialachse des Kolbenrings angeordnet.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein
Schenkel eines Innenwinkels gehärtet
und/oder strukturiert, insbesondere laser-strukturiert. Durch ein
Aufrauen und/oder Strukturieren der Schenkel des Innenwinkels erfolgt
ein Abkratzen der Ablagerung nicht nur mittels der Kanten, sondern
auch mittels der Schenkelflächen.
Das Abkratzen der Ablagerung wird dadurch weiter verbessert.
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Bei
einem Verfahren zur Herstellung des Kolbenrings werden an mindestens
einer ersten Seitenfläche
mindestens zwei Innenwinkel ausgebildet, und mindestens ein Innenwinkel
weist einen ersten Schenkel, der im Wesentlichen parallel zur Rotations-Achsrichtung
verläuft,
und einen zweiten Schenkel auf, der im Wesentlichen parallel zur
Radialrichtung des Kolbenrings verläuft. Je nach Herstellungsart
ist dabei beispielsweise eine nachträgliche Bearbeitung, d. h. beispielsweise
nach Fertigstellung eines Kolbenring-Rohlings, mittels Drehen und/oder
einem Verfahren zur Oberflächenbehandlung
denkbar, sowie ein Ausbilden des Innenwinkels während der Herstellung des Kolbenrings
beispielsweise mittels einem Gießverfahren.
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Vorzugsweise
wird der Innenwinkel nachträglich,
beispielsweise nach Fertigstellung eines Kolbenring-Rohlings, an
mindestens einer Seitenfläche
ausgebildet.
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Die
Oberfläche
des Kolbenrings kann vor und/oder nach einer Ausbildung des Innenwinkels gehärtet, aufgerauht
und/oder laserstrukturiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen
beispielhaft beschrieben. Für
gleiche Bauteile werden dabei einheitliche Bezugszeichen verwendet.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 einen
teilweisen Längsschnitt
durch eine erste Ausführungsform
eines Kolbenrings und
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2 einen
teilweisen Längsschnitt
durch eine zweite Ausführungsform
eines Kolbenrings.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
einen teilweisen Längsschnitt durch
eine erste Ausführungsform
eines Kolbenrings 1 eines erfindungsgemäßen Kolbens, umfassend eine
Innenfläche 10,
eine dieser gegenüberliegende Außenfläche 12,
sowie die Seitenflächen 13, 14.
Der Kolbenring 1 wird in eine Kolbenringnut eines nicht dargestellten
Kolbens derart eingesetzt, dass die Innenfläche 10 dem Nutgrund zugewandt
ist. Mittels des dargestellten Kolbenrings ist ein Spalt zwischen dem
nicht dargestellten Kolben und einer ebenfalls nicht dargestellten
Wand eines Zylinders schließbar, wobei
die Außenfläche 12 des
Kolbenrings 1 an der Zylinderwand anliegt. Der Kolbenring 1 dient
dabei zur Dichtung des Verbrennungsraums gegenüber dem Kurbelgehäuse.
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In
den Kolbenringnuten bilden sich aufgrund der heißen Brenngase sowie der hohen
Temperaturen Ablagerungen aus Verbrennungsrückständen sowie überhitztem Öl, sog. Ölkohle. Die Ablagerung wirkt
sich dabei negativ auf eine Bewegbarkeit des Kolbenrings aus.
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Erfindungsgemäß sind daher
Innenwinkel 3, 4 an den Seitenflächen 13 und 14 ausgebildet.
In der dargestellten Ausführungsform
sind an jeder Seitenfläche 13, 14 zwei
Innenwinkel 3, 4 ausgebildet, wobei die Innenwinkel
symmetrisch bezüglich
der Radialrichtung des, Kolbenrings angeordnet sind. Es ist jedoch
auch denkbar, dass an einer oder beiden Seitenflächen 13, 14 nur
ein Innenwinkel 3, 4 oder mehr als zwei Innenwinkel
vorgesehen sind. Es ist weiter denkbar, die Innenwinkel 3, 4 asymmetrisch
anzuordnen.
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Durch
eine Twistbewegung des Kolbenrings 1 in den verschiedenen
Belastungszuständen
des Kolbens und der daraus resultierenden Relativbewegung der Innenwinkel
zu einer nicht dargestellten Kolbenringnut, werden Ablagerungen
an der Kolbenringnut abgekratzt. Dadurch wird ein übermäßiger Aufbau
an Ablagerungen, beispielsweise an Verbrennungsrückständen, in der Kolbenringnut
vermieden. Damit bleibt auch eine Beweglichkeit des Kolbenrings
gegeben.
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Aufgrund
der Innenwinkel 3, 4 an den Seitenflächen 13, 14 können Radien
im Nutgrund des nicht dargestellten Kolbens größer ausgebildet werden, als
dies bei einem herkömmlichen
Kolbenring möglich
ist. Dies führt
zu einer Verringerung des Gasvolumens hinter dem Kolbenring sowie
zu einer Festigkeitssteigerung der Stege am Kolben aufgrund einer geringeren
Kerbwirkung.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines Kolbenrings 1' eines
erfindungsgemäßen Kolbens.
Die Seitenflächen 13', 14' bilden dabei
einen Flankenwinkel α mit
der Radialrichtung des Kolbenrings 1'. Der Flankenwinkel liegt im Bereich
1° < α < 20°, vorzugsweise
im Bereich 3° < α < 8°.
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Sowohl
bei dem Kolbenring 1 gemäß 1 als auch
bei dem Kolbenring 1' gemäß 2 können die
Innenwinkel 3, 4 einfach und damit kostengünstig nachträglich, beispielsweise
nach dem Ausformen eines Kolbenring-Rohlings, in den Kolbenring 1, 1' eingearbeitet
werden.
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Die
Schenkel der Innenwinkel 3, 4 und/oder die Innenfläche des
Kolbenrings 1, 1' können gehärtet und/oder
aufgeraut werden, beispielsweise durch eine Laserstrukturierung
und/oder eine mechanische Nachbearbeitung. Dadurch lässt sich
ein Abkratzen der Ablagerungen weiter verbessern.