DE10213106A1

DE10213106A1 - Verfahren zum Entfernen von Ablagerungen an einem Ringnutgrund einer Ringnut eines Kolbens

Info

Publication number: DE10213106A1
Application number: DE2002113106
Authority: DE
Inventors: Erwin Schmidt; Manfred Ziegler
Original assignee: NPR OF EUROP GmbH; DaimlerChrysler AG
Current assignee: NPR OF EUROP GmbH; Daimler AG
Priority date: 2002-03-23
Filing date: 2002-03-23
Publication date: 2003-10-16

Abstract

Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Entfernen von Ablagerungen an einem Ringnutgrund einer Ringnut eines Kolbens einer Hubkolbenbrennkraftmaschine aus. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass ein der Ringnut zugeordneter Kolbenring an seiner Innenseite mit einer harten, rauen oder strukturierten Oberfläche versehen wird, mit der er bei einem Anlagewechsel des Kolbens gegen die Ablagerung gepresst wird und diese abträgt bzw. absprengt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Ablagerungen an einem Ringnutgrund nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Kolbenring zum Durchführen des Verfahrens.
Bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen wird in einem Brennraum periodisch am Ende eines Verdichtungstaktes und zu Beginn eines Expansionstaktes ein Kraftstoffluftgemisch entzündet und verbrannt. Der Brennraum wird zu einem Kurbelgehäuse hin von einem Kolben begrenzt, der gegenüber einer Zylinderlaufbuchse durch Kolbenringe abgedichtet ist. In der Regel werden mehrere Kolbenringe eingesetzt, wobei ein erster und ein zweiter Ring zum Brennraum hin zur Gasabdichtung dienen und mindestens ein weiterer Ring als Ölabstreifring den Ölhaushalt des Kolbens sowie der Kolbenringe kontrolliert.
Die Kolbenringe sind geschlitzt, besitzen aufgrund ihrer Funktion unterschiedliche Formen und Abmessungen und sind in entsprechenden Ringnuten des Kolbens eingebettet. Sie liegen federnd mit einer äußeren Kolbenringlauffläche an der Zylinderlaufbuchse des Arbeitszylinders an und bilden mit den Ringnuten ein Labyrinth. Dabei wirkt der Gasdruck auch auf die Innenseite der Kolbenringe und verstärkt den Anpressdruck gegen die Zylinderlaufbuchse während des Verdichtungstakts, des Expansionstakts und des Auslasstakts. Während des Ansaugtakts wirkt auf die Innenseite des Kolbenrings ein Unterdruck, der den federnden Anpressdruck entsprechend reduziert.
Da der Kolben über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden ist, wirken auf ihn während einer Hubbewegung Seitenkräfte, die ihn gegen die Zylinderlaufbuchse drücken. Dabei weichen die Kolbenringe in die Ringnuten zurück, so dass sich der Kolben großflächig mit einer relativ geringen Flächenpressung abstützen kann. Dadurch kann sich ein Schmierfilm ausbilden, der die Reibung und den Verschleiß minimal hält. Bei einer Umdrehung der Kurbelwelle wechseln die Seitenkräfte die Richtung und es findet ein Anlagewechsel des Kolbens an der Zylinderlaufbuchse statt.
Durch die heißen Brenngase und die hohen Temperaturen bilden sich vor allem am Ringnutgrund der Ringnuten und insbesondere der ersten Ringnut zum Brennraum hin Ablagerungen aus Verbrennungsrückständen und überhitztem Öl, so genannter Koks. Wenn die Ablagerungen ein bestimmtes Maß überschreiten, kann der Kolbenring beim Anlagewechsel des Kolbens nicht mehr in die Ringnut zurückweichen. Er "reitet" auf den harten Ablagerungen, wodurch eine hohe Flächenpressung an der Kolbenringlauffläche entsteht. Daraus resultiert, dass der Schmierfilm durchgedrückt wird, was zu einer Mischreibung und zu einem erhöhten Verschleiß an der Lauffläche des Kolbenrings und der Zylinderlauffläche der Zylinderlaufbuchse führt und die Reibungsverluste erhöht.

Um die Dichtwirkung und die Laufleistung von Kolbenringen zu verbessern, sind bereits unterschiedliche Prinzipien bekannt. In der DE 34 20 404 C1 ist ein Kolbenring beschrieben, der durch verschiedenartig gestaltete Hinterschneidungen der oberen und/oder der unteren Ringflanke durch die Bewegung des Kolbens und durch unterschiedlich an ihm wirksame Gas- und Reibungskräfte in Drehung versetzt wird, so dass die Zonen der Hauptbelastung am Kolbenring ständig wechseln. Aus der DE 32 27 583 C2 ist ein weiterer Kolbenring für eine Brennkraftmaschine bekannt, deren Zylinderlauffläche Schmieröffnungen aufweist. Eine ölführenden Nut kommuniziert über mindestens einen schräg zur Umfangsrichtung des Kolbenrings verlaufenden Kanal mit der den Brennraum zugewandten Seite des Kolbenrings. Während des Betriebs findet unter Gasdruck eine Ölströmung in Umfangsrichtung des im Kolbenring verlaufenden Kanals statt. Dabei soll das Öl gut am Umfang des Kolbenrings verteilt und zudem der Kolbenringkanal zwecks Reinigen von Abrieb und Verbrennungsrückständen durchspült werden. Aus der DE 195 04 803 C2 ist ferner eine Kolbenzylinder-Baugruppe bekannt, deren Freiräume zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen des Kolbenrings und der zugeordneten Ringnut sehr gering und mit einem Feststoffschmiermittelfilm beschichtet sind. Durch die Oberflächenadhäsion wird ein Wandern des Öls durch den Zwischenraum gehemmt und zudem ein Flattern des Kolbenrings im Zwischenraum verringert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine höhere Standzeit von Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen von Hubkolbenbrennkraftmaschinen zu erreichen und die Reibungsverluste zu verringern. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung ist ein der Ringnut zugeordneter Kolbenring an seinem Ringrücken mit einer harten, rauen oder strukturierten Oberfläche versehen, mit der er bei einem Anlagewechsel des Kolbens gegen die Ablagerung gepresst wird und die Ablagerung abträgt bzw. absprengt. Wächst im Laufe der Zeit am Ringnutgrund die Ablagerung so weit, dass der Kolbenring bei einem Anlagewechsel nicht mehr in die Ringnut zurückweichen kann, wird seine harte, raue oder strukturierte Oberfläche gegen die Ablagerung gepresst und trägt diese bei einer Bewegung in Umfangsrichtung ab. Da die Ablagerung in der Regel recht spröde ist, kann sie aber auch bei einem entsprechenden Druck abgesprengt werden, insbesondere wenn die zugewandte Oberfläche des Kolbenrings scharfkantig strukturiert ist, z. B. durch Erhebungen in Form von Rillen, Kegeln, Pyramiden oder dgl. Die abgetragenen oder abgesprengten, zertrümmerten Ablagerungen wandern durch die Bewegung des Kolbenrings aus der Ringnut und/oder werden von dem Schmieröl mitgenommen. Dadurch ist über die gesamte Betriebsdauer der Brennkraftmaschine eine einwandfreie Funktion der Kolbenringe gewährleistet und das so genannte "Kolbenreiten" mit seinen negativen Folgen wird vermieden.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Kolbenring zum Durchführen des Verfahrens vorgeschlagen, dessen Ringrücken entsprechende Erhebungen aufweist, die über den Umfang verteilt angeordnet sind. Diese Erhebungen werden z. B. durch Rillen gebildet, die zur inneren Mantelfläche des Kolbenrings unter einem Flankenwinkel eine scharfkantige Erhebung bilden. Die Rillen können im Wesentlichen nach Art eines Schraubengewindes in Umfangsrichtung des Kolbenrings verlaufen. Sie können aber auch unter einem Rillenwinkel β stärker geneigt zur Umfangsrichtung des Kolbenrings verlaufen, um den Austrag der abgetragenen Ablagerung aus der Ringnut zu beschleunigen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die Rillen einen unterschiedlichen Rillenwinkel auf, so dass sie sich kreuzen. Dadurch entsteht eine Vielzahl kleinflächiger, spitzer Erhebungen, die den Abtrag der Ablagerung beschleunigen.

Unabhängig von der Rillenform können die Erhebungen beliebig kegelförmig oder pyramidenförmig gestaltet werden und vereinzelt, gruppenweise oder flächenweise über den Umfang der Rückseite des Kolbenrings verteilt angeordnet sein.

Die Erhebungen können durch spangebende oder spanlose Verformungsverfahren, z. B. durch Drehen, Schleifen oder Prägen, aus der Oberfläche des Kolbenrings herausgeformt werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Erhebungen durch eine raue Schicht gebildet werden, die in einem Sputter-, PVD- oder CVD-Verfahren aufgetragen ist. Mit den genannten Verfahren, die zum allgemeinen Stand der Technik gehören, lassen sich gezielt mehr oder weniger grobkörnige und harte Schichten auftragen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt:
Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine im Bereich eines Kolbens,
Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Kolbenring nach Fig. 1 und
Fig. 3 bis 7 Varianten zu Fig. 2.
In einer Zylinderlaufbuchse 2, die in einem Zylindergehäuse 1 gelagert und von einem Kühlwasserraum 3 umgeben ist, befindet sich ein Kolben 5 kurz vor einem oberen Totpunkt, in dem er sich einem nicht näher dargestellten Zylinderkopf nähert und mit diesem, der Zylinderlaufbuchse 2 und einer Brennraummulde 7 im Kolbenboden 6 einen Brennraum bildet, in der ein Kraftstoffluftgemisch entzündet und verbrannt wird. Der Kolben 5 bewegt sich in der Zylinderlaufbuchse 2 auf und ab, wobei seine Hubbewegung in bekannter Weise über eine Pleuelstange auf eine Kurbelwelle übertragen und in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Dabei wirken auf den Kolben 5 Querkräfte die bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle ihre Richtung wechseln und eine radiale Kolbenbewegung 18 mit einem Anlagewechsel zwischen dem Kolben 5 und der Zylinderlaufbuchse 2 bewirken.
Der Kolben 5 besitzt zwischen seinem Kolbenmantel 8 und der Zylinderlaufbuchse 2 ein definiertes Kolbenspiel 9, das durch mehrere Kolbenringe 11, 12 abgedichtet wird. Diese sind in Ringnuten 13 des Kolbenmantels 8 eingelassen und als Federringe ausgebildet, so dass sie unter einer gewissen Vorspannung mit einer Kolbenringlauffläche 19 (Fig. 2 bis 4) an einer Zylinderlauffläche 4 der Zylinderlaufbuchse 2 anliegen. Von den Kolbenringen sind nur zwei 11, 12 dargestellt. Zum Kurbelgehäuse hin folgen in bekannter Weise noch weitere nicht dargestellte Kolbenringe, für die die Aussagen in gleicher Weise gelten. Wegen seines trapezförmigen Querschnitts wird der erste Kolbenring 11 auch Trapezring genannt. Der zweite Kolbenring 12 heißt wegen seiner leichten geschrägten Kolbenringlauffläche Minutenring. Er besitzt ferner in der Regel eine Innenphase 24. Bei einer Anlage des Kolbenmantels 8 an die Zylinderlauffläche 4 weichen die Kolbenringe 11, 12, in die Ringnut 13 bzw. den entsprechend zugeordneten Ringnuten zurück, so das sich zwischen dem Kolben 5 und der Zylinderlaufbuchse 2 ein großflächiger Schmierfilm bilden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nur an Hand des ersten Kolbenrings 11 erläutert. Es gilt entsprechend auch für die übrigen Kolbenringe. Auf Grund der Druckverhältnisse im Brennraum wirkt im Zwischenraum 9 zwischen dem Kolben 5 und der Zylinderlaufbuchse ein Gasdruck 10. Da im Verdichtungstakt, im Expansionstakt und im Auslasstakt im Brennraum ein Überdruck herrscht, entsteht zwischen dem Brennraum und dem Kurbelgehäuse ein Druckgefälle in Richtung der Pfeile 10. Dieses wird durch ein Labyrinth, das durch die Kolbenringe 11, 12 usw. im Zusammenwirken mit den zugeordneten Ringnuten 13 usw. abgebaut, so dass nur relativ geringe Gasmengen am Kolben 5 vorbei in das Kurbelgehäuse gelangen. Dabei wirkt der Gasdruck 10 gleichzeitig auf die Rückseite des Kolbenrings 11 und drückt diesen zusätzlich zu den Federkräften gegen die Zylinderlauffläche 4. Durch die heißen Verbrennungsgase bilden sich am Ringnutgrund 14 Ablagerungen 15, ein so genannter Koks, der aus Rückständen der Verbrennung und überhitztem Öl besteht. Die Ablagerungen 15 entstehen vor allem am Ringnutgrund 14 der Ringnut 13, die dem ersten Kolbenring 11 mit einer balligen Kolbenringlauffläche 19 zugeordnet ist. Der Kolbenring 11 besitzt an seiner Innenseite Erhebungen 17. Diese können verschieden gestaltet sein, z. B. durch Rillen 16 (Fig. 2), die im Wesentlichen nach Art eines Gewindes in Umfangsrichtung verlaufen, und deren Flanken unter einem Flankenwinkel α scharfe Kanten bilden. Bei einem anders ausgeführten Kolbenring 20 (Fig. 3) können die Erhebungen auch durch Rillen 22 gebildet werden, die unter einem Rillenwinkel β geneigt zur Umfangsrichtung des Kolbenrings 20 verlaufen. Dabei werden der Rillenwinkel β und der Flankenwinkel α so gewählt, dass die gelösten Ablagerungen leicht aus dem Spalt zwischen dem Kolbenring 20 und der Ringnut 13 durch die Gasströmung und das Öl sowie durch die Bewegung des Kolbenrings 20 beim Anlagewechsel heraus getragen werden können. Fig. 4 zeigt einen Kolbenring 21, bei dem die Rillen 23 unterschiedliche Rillenwinkel β aufweisen und sich somit kreuzen. Dadurch entstehen kleinflächige Spitzen, die besonders wirksam die Ablagerungen 15 aufbrechen. Die Variante nach Fig. 5 zeigt einen kegelförmigen Kolbenring 25 mit Erhebungen 17, wobei die Erhebungen 17 einzeln und über den Umfang gleichmäßig verteilt sind, während ein Kolbenring 26 nach Fig. 6 pyramidenförmige Erhebungen 17 in Gruppen angeordnet besitzt, die ihrerseits über den gesamten Umfang verteilt sind. Schließlich zeigt Fig. 7 eine Alternative, bei der an der Innenseite eines Kolbenrings 27 eine raue, harte Schicht 28 aufgetragen ist, z. B. durch Sputtern, oder in einem PVD- bzw. CVD-Verfahren.
Durch die radiale Bewegungen 18 des Kolbens 5 kommen die Erhebungen 17 mit den Ablagerungen 15 in Kontakt, sobald diese so stark geworden sind, dass sie die Bewegung des Kolbenrings 11 beim Anlagenwechsel beeinträchtigen. Durch den Anpressdruck des Kolbens 5 werden die Ablagerungen 15 abgesprengt oder durch die Relativbewegung zwischen dem Kolben 5 und dem Kolbenring 11 in Umfangsrichtung abgetragen. Entfernt sich der Kolben 5 beim Anlagewechsel wieder von der Zylinderlauffläche 4, vergrößert sich der Spalt zwischen dem Kolbenring 11 und der Ringnut 13, so dass die abgesprengten Rückstände aus dem Spalt heraus getragen werden können und die Funktion des Kolbenrings 11 nicht mehr beeinträchtigt wird. Bezugszeichen 1 Zylindergehäuse
2 Zylinderlaufbuchse
3 Kühlwasserraum
4 Zylinderlauffläche
5 Kolben
6 Kolbenboden
7 Brennraummulde
8 Kolbenmantel
9 Kolbenspiel
10 Gasdruck
11 erster Kolbenring
12 zweiter Kolbenring
13 Ringnut
14 Ringnutgrund
15 Koksablagerung
16 Rille
17 Erhebung
18 radiale Kolbenbewegung
19 Kolbenringlauffläche
20 Kolbenring
21 Kolbenring
22 Rille
23 Rille
24 Innenphase
25 Kolbenring
26 Kolbenring
27 Kolbenring
28 Schicht
α Flankenwinkel
β Rillenwinkel

Claims

1. Verfahren zum Entfernen von Ablagerungen an einem Ringnutgrund einer Ringnut eines Kolbens einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Ringnut (13) zugeordneter Kolbenring (11, 12, 20, 21, 25, 26, 27) an seiner Innenseite mit einer harten, rauen oder strukturierten Oberfläche versehen wird, mit der er bei einem Anlagewechsel des Kolbens (5) gegen die Ablagerung (15) gepresst wird und diese abträgt bzw. absprengt.

2. Kolbenring zum Durchführen eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er an seiner Innenseite Erhebungen (17) aufweist, die über den Umfang verteilt angeordnet sind.

3. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (17) durch Rillen (16, 22, 23) gebildet werden.

4. Kolbenring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (16, 22, 23) zur inneren Mantelfläche des Kolbenrings (11, 20, 21) unter einem Flankenwinkel (α) eine scharfkantige Erhebung bilden.

5. Kolbenring nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (16) im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Kolbenrings (11) verlaufen.

6. Kolbenring nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (22) unter einem Rillenwinkel (β) geneigt zur Umfangsrichtung des Kolbenrings (20) verlaufen.

7. Kolbenring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (23) einen unterschiedlichen Rillenwinkel (β) aufweisen und sich kreuzen.

8. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (17) kegelförmig oder pyramidenförmig gestaltet sind.

9. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (17) vereinzelt, gruppenweise oder flächenweise über den Umfang der Rückseite des Kolbenrings (25, 26) verteilt angeordnet sind.

10. Kolbenring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (17) durch eine harte, raue Schicht (28) gebildet werden, die in einem Sputter-, PVD-(Physical Vapour Deposition) oder CVD-(Chemical Vapour Deposition)Verfahren aufgetragen ist.