Kolben mit Kolbenring in Druckzylindern. Die wirksame Abdichtung eines Gas maschinenzylinders gegen Verluste von kom primiertem Brennstoff und Explosionsgasen durch richtig wirkende Kolbenringe ist wesentlich für die wirksame Arbeitsweise der Maschine, da die gesamte Maschinenleistung von der ursprünglichen Kompression ab hängig ist und folglich die Leistungsabgabe von der Explosion des Brennstoffgemisches.
Zahlreiche und verschiedene Arten von Kol bendichtungsringen sind von Zeit zu Zeit für diesen Zweck vorgeschlagen worden, und bei allen Arten von Verbrennungskraftmaschi- nen, einschliesslich kleinen Dieselmaschinen, waren die bisher entwickelten Kolbenringe im allgemeinen zufriedenstellend für die Er zeugung einer wirksamen Abdichtung.
Bei dem vergrösserten Kompressionsverhältnis da gegen, welches höhere Spitzendrücke ergibt, haben sich gewöhnliche Kolbenringe als un wirksam erwiesen, um die Gase sowohl beim Kompressions- als beim Arbeitshub abzu dichten, besonders während der Hochdruck phasen des Arbeitskreislaufes. Daher ergibt sich die Notwendigkeit eines richtig funk tionierenden Ringes,
welcher bei Hochkom- pressionsmasehinen den Zylinder wirksam ge gen Kompressions- und Kraftverluste .abdich- tet und ein Ausblasen des Brennstoffge- misches beim Kompressionshub und der Explosionsgase beim Arbeitshub verhindert.
Die Eifindung bezieht sich auf einen Kol ben mit Kolbenring in Druckzylindern, ins besondere in Gasmaschinenzylindern, wobei der Kolbenring in einer Umfangsnut .des -Kol bens so angeordnet ist,
dass er sich radial aus dehnen und zusammenziehen kann und mit seinen stirnseitigen Anlageflächen passend in der Nut liegt und wobei die auf der der Druckseite entgegengesetzten Seite befind lichen Stirnflächen der Nut und des Ringes in bezug.auf die Kolbenaxe nach aussen von der Druckseite des Kolbens weg geneigt sind.
Erfindungsgemäss sind bei diesen Kolben mit Kolbenring auf der Druckseite des Ringes radial einwärts sich über die ganze Breite des Ringes erstreckende Druckmitteldurch- lässe zwischen den entspxecbenden Stirn- flächen des Ringes und der Nut gebildet.
welche in ihrem Bereiche eine unmittelbare Einwirkung des Druckmittels auf die druck- seitige Stirnfläche des Ringes ermöglichen, wobei die dadurch auf die druckseitige Stirn fläche des Ringes wirkende Druckkraft zu sammen mit den genannten geneigten Stirn flächen des Ringes und der Nut eine radial auswärts gerichtete Druckkomponente er zeugt, welche den Ring dichtend gegen die Z3-linderwand presst.
im Zeitpunkt, wenn der Druck bestrebt ist, das Druckmittel am Ring vorbeizudriieken, das Ganze zum Zwecke, einen Durchlass des Druckmittels zu verhin dern.
Der Kolben und Kolbenring gemäss der Erfindung kann auch für Kompressoren, Pumpen, Stossdämpfer oder andere Vorrich tungen zur Verhinderung von Kompressions verlusten oder ITndiehtheiten verwendet wer den.
Auf der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegen standes dargestellt.
Fig. 1 ist ein senkrechter Schnitt eines Teils eines ersten Beispiels.
Fig. 2 ist ein Teilschnitt des Kolbens nach Fig. 1 in grösserem Massstab, wobei der Schnitt durch eine Nut des obersten Kolben ringen gelegt ist.
Fig. 3 ist ein ähnlicher Teilschnitt wie Fig. 2, bei dem aber der Kolbenring in vollem Querschnitt gezeigt ist.
Fig. 4 ist eine perspektivisehe Detail ansicht des obersten Kolbenringes.
Fig. 5 ist ein Teilschnitt eines andern Beispiels.
Fig. 6 ist eine Ansicht eines weiteren Beispiels der Erfindung.
In allen Figuren bezeichnet 1 die Seiten wand eines Maschinenzylinders, in welchem der Kolben 2 läuft. der mit einer obersten Nut 3 für einen ausdehnbaren. als Dichtungs ring 4 wirkenden Ring und mit untern Nuten 5 für Ölringe 6 versehen ist. In der Nut kann der geschlitzte Ring 4 sich radial ausdehnen und zusammenziehen.
Bei dem in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die obere Stirn wand 7 der obersten Ringnut 3 des Kolbens in einer rechtwinklig zur Kolbenaxe liegen den Ebene und die untere Stirnfläche 7' ist in bezug auf die Kolbenaxe nach aussen ge- tieigt, und zwar von der Druckseite des Kol bens weg geneigt. Die obere Stirnfläche 8 des Dichtungsringes 4 steht ebenfalls senk recht zur Kolbenaxe und die untere Stirn fläche 8' ist schräg, entsprechend der Form der Nut 3.
Damit der Dichtungsring 4 durch den Gasdruck, der im Maschinenzylinder oberhalb des Kolbenringes herrscht, betätigt wird, sind eine Anzahl im wesentlichen gleiche, radial angeordnete, breite Durch- lässe 9 auf der obern, das heisst druckseitigen Stirnseite des Ringes vorgesehen, welche sich über die ganze Breite der Stirnfläche des Ringes erstrecken.
Diese breiten, die Durch- lässe bildenden Einschnitte sind verhältnis mässig flach, aber, wie in Fig. 2 gezeigt ist, genügend tief, um einen raschen Durchfluss der Gase über die Oberseite des Ringes zu gestatten.
Der Ring 4 sitzt in der Ringnut 3, so dass die schräge Stirnfläche 8' des Ringes die schräge Stirnfläche 7' der Ringnut be rührt, und die Abmessungen des Ringes sind derart, dass der letztere im wesentlichen die Nut ausfüllt mit geringem Spielraum 10 auf der Rückseite des Kolbenringes und mit mi nimalem Zwischenraum zwischen der obern Stirnfläche der Ringnut und den nicht ein- (11eschnittenen, die obere stirnseitige Anlage fläche bildenden Teilen 11 des Kolbenringes. Die untere stirnseitige Anlagefläche des Ringes ist 8'.
Es ist ersichtlich, dass die Ein schnitte sich über wenig mehr als die Hälfte der obern Stirnfläche erstrecken können und dennoch genügend Oberfläche oder Streifen lassen, um ein Pochen des Ringes zu verhin dern, während sie gleichzeitig einen einem sehr grossen Ringspielraum entsprechenden Zustand ergeben. Die eingeschnittenen und nicht eingeschnittenen Teile des Ringes, die dem Druck der Gase ausgesetzt sind, sind vorteilhaft flache Flächen in rechtem Winkel zur Kolbenaxe liegenden Ebenen. Aus obigem geht hervor, dass der Ring mit seinen stirn- zeitigen Anlageflächen passend in der Nut liegt.
Zufolge der Einschnitte in der obern Stirnfläche des Kolbenringes sind Flächen teile von der ganzen Breite .des Ringes dem unmittelbaren Einfluss des Gasdruckes im Maschinenzylinder in demselben Augenblick ausgesetzt, in welchem der Druck bestrebt ist, die Gase zwischen dem Ring und der Zylinderwand hindurchzuzwängen. Dieser vollständige und sofortige Einfluss des Gas druckes bewirkt eine auf die obere Stirn fläche des Ringes wirkende Druckluft, wel che zusammen mit den auswärts geneigten Stirnflächen des Ringes und der Nut eine radial auswärts gerichtete Druckkomponente ergibt, welche den Ring dichtend gegen die Zylinderwand hält.
Die Zeitdauer, während welcher der Druck auf die Oberseite des Zylinderringes zur Einwirkung kommt, ist ein wichtiger Faktor bei .der Verhinderung von Druckverlusten und des Abblasens, wie aus folgenden Bemerkungen ersichtlich ist. Bekanntlich ist der Zwischenraum zwischen den Kolbenringen und der Zylinderwand vollständig und fortwährend durch einen Schmiermittelfilm von passender Beschaffen heit gefüllt, um dem Druck der Gase, die über .die Kolbenringe zu entweichen suchen, zu widerstehen.
Unter normalen Leistungs bedingungen, wie sie bei den gebräuchlichen, im Handel befindlichen Maschinen und mit richtig funktionierenden Kolbenringen er reicht werden, ist der Widerstand des Ölfilms gewöhnlich genügend, um irgendwelchem. Durchtritt oder Ausblasen von Brennstoff durch die Ringe wirksam zu widerstehen. Die Erhöhung der Maschinengeschwindig keit und bei sehr hohem Druckanstieg be kommt das Ausblasen die Oberhand.
Dies ist dem Umstand zuzuschreiben, dass während der Hochdruckstufen des Arbeitskreislaufes der Widerstand des Ölfilms auf dem Aussen durchmesser des Kolbenringes durch den hohen Gasdruck überwunden wird, derart, dass sich die Gase zwischen der Zylinder wand und der obern äussern Kante des Ringes hindurchzwängen.
Obschon der Ölfilm aus dem Zwischenraum zwischen dem Ring und der Zylinderwand nicht vollständig ausgebla sen zu sein braucht, kann er doch teilweise an seinem obern Ende verschoben sein, und die Kraft der Gase, welche gegen die obere äussere gante -des Ringes wirken, überwinden die Ringspannung genügend, um den Ring weiter weg von der Zylinderwand zu drücken.
Der bereits geschwächte Ölfilm, der durch die Wegnahme des Ringträgers weniger widerstandsfähig gemacht ist, kann .dem auf ihn ausgeübten Druck nicht wirksam wider stehen und daraus ergibt sich ein Ausblasen. Bei Maschinen mit hohen Geschwindigkeiten ist das Zeitintervall, während welchem Druck auf .den Ring einwirkt, zu kurz, damit der Druck die Rückseite des Ringes erreicht, be vor der letztere von der Zylinderwand weg gestossen wird.
Ausserdem wäre der Druck auf die Rückseite des Ringes unwirksam, um dem Druck auf der Vorderseite des Ringes entgegenzuwirken, wo die Umfangsfläche auf der Vorderseite grösser ist als auf der Rückseite im Verhältnis des Aussen- zum Innendurchmesser des Ringes.
Damit die ent gegenwirkende Kraft ein Verlassen des Ringes von der Zylinderwand wirksam ver hindern kann, muss sie wie bei dem beschrie benen Beispiel auf die Oberseite des Ringes einwirken und die untere Stirnseite des Ringes und der Nut müssen, wie dargestellt, geneigt sein, damit sie eine sofortige, aus wärts gerichtete Komponente ergeben, welche den Ring gegen die Zylinderwand drückt. Das in Fig. 1 bis 4 dargestellte Beispiel ist so ausgebildet, dass es. nach diesem Prinzip arbeitet.
Die in Umfangsrichtung in Abstän- den. voneinander vorgesehenen Einschnitte 9 ergeben offene Zwischenräume, durch welche sich über die ganze Ringbreite erstreckende Flächen der obern Stirnseite des Ringes dem unmittelbaren und vollständigen Einfluss des Druckes im Zylinder ausgesetzt sind. Somit wirkt der Druck auf die freiliegenden obern Flächen des Ringes im gleichen Augenblick, in welchem er versucht, die Gase zwischen den Ring und die Zylinderwand zu drücken.
Die Grösse des Druckes zusammen mit den
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geneigten <SEP> Flächen <SEP> des <SEP> Ringes <SEP> und <SEP> der <SEP> Nut
<tb> ergeben <SEP> eine <SEP> Kraftkomponente, <SEP> welche <SEP> be @virkt, <SEP> dass <SEP> der <SEP> Ring <SEP> dicht <SEP> gegen <SEP> die <SEP> Zylinder wand <SEP> gedrückt <SEP> wird. <SEP> Der <SEP> Druck <SEP> auf <SEP> den
<tb> Ring <SEP> entgegen <SEP> dem <SEP> Ölfilm <SEP> verstärkt <SEP> den <SEP> letz teren <SEP> und <SEP> macht <SEP> ihn <SEP> widerstandsfähiger <SEP> ge gen <SEP> das <SEP> Herausblasen <SEP> aus <SEP> dem <SEP> Zwischenraum
<tb> zwischen <SEP> Ring <SEP> und <SEP> Zylinderwand, <SEP> besonders
<tb> während <SEP> den <SEP> Hochdruckstufen <SEP> des <SEP> Arbeits kreislaufes.
<SEP> Bei <SEP> üblichen <SEP> bekannten <SEP> Ausfüh rungen <SEP> des <SEP> Kolbenringes <SEP> und <SEP> Kolbens <SEP> ist <SEP> der
<tb> kleine <SEP> Zwischenraum <SEP> zwischen <SEP> der <SEP> obern
<tb> Stirnseite <SEP> des <SEP> Kolbenringes <SEP> und <SEP> der <SEP> zuge hörigen <SEP> Ringnutstirnseite <SEP> nicht <SEP> genügend, <SEP> um
<tb> einen. <SEP> raschen <SEP> Durchfluss <SEP> der <SEP> Gase <SEP> über <SEP> die
<tb> Oberseite <SEP> des <SEP> Ringes <SEP> zu <SEP> ermöglichen. <SEP> Die
<tb> Verzögerung <SEP> des <SEP> Gasdurchflitsses <SEP> verursacht
<tb> notwendigerweise <SEP> eine <SEP> Verzögerung <SEP> oder
<tb> einen <SEP> Verlust <SEP> in <SEP> der <SEP> Übertragung <SEP> des <SEP> Druckes
<tb> über <SEP> die <SEP> Oberseite <SEP> des <SEP> Ringes.
<SEP> Durch <SEP> die <SEP> Ein schnitte <SEP> 9 <SEP> dagegen, <SEP> die <SEP> in <SEP> dem <SEP> Spielraum <SEP> 20
<tb> zwischen <SEP> Zylinder <SEP> und <SEP> Kolben <SEP> münden. <SEP> er gibt <SEP> sich <SEP> eine <SEP> geringere <SEP> Einschränkung <SEP> des
<tb> Gasflusses <SEP> über <SEP> die <SEP> Oberseite <SEP> des <SEP> Ringes, <SEP> und
<tb> die <SEP> Ausdehnung <SEP> der <SEP> Gase <SEP> durch <SEP> die <SEP> sich
<tb> durch <SEP> die <SEP> Einschnitte <SEP> ergebenden <SEP> Zwischen räume <SEP> geht <SEP> sehr <SEP> schnell <SEP> vor <SEP> sich. <SEP> Somit <SEP> wir ken, <SEP> wie <SEP> in <SEP> Fig.
<SEP> 2 <SEP> durch <SEP> einen <SEP> Pfeil <SEP> ange deutet <SEP> ist, <SEP> die <SEP> senkrechten <SEP> Komponenten
<tb> des <SEP> Gasdruckes <SEP> im <SEP> wesentlichen <SEP> sofort <SEP> und
<tb> senkrecht <SEP> gegen <SEP> die <SEP> obere <SEP> Stirnfläche <SEP> des
<tb> Kolbenringes <SEP> von <SEP> der <SEP> äussern <SEP> bis <SEP> zur <SEP> innern
<tb> Kante <SEP> des <SEP> letzteren <SEP> und <SEP> pressen <SEP> den <SEP> Ring
<tb> gleichmässig <SEP> abwärts <SEP> gegen <SEP> die <SEP> schräge <SEP> untere
<tb> Wand <SEP> der <SEP> Ringnot, <SEP> wodurch <SEP> der <SEP> Kolbenring
<tb> radial <SEP> ausgedehnt <SEP> wird, <SEP> so <SEP> dass <SEP> er <SEP> wirksam
<tb> gegen <SEP> die <SEP> Zylinderwand <SEP> abdichtet.
<SEP> Wenn <SEP> der
<tb> Ring- <SEP> ausgedehnt <SEP> ist, <SEP> ist <SEP> innen <SEP> in <SEP> der <SEP> Nut
<tb> ein <SEP> Spielraum <SEP> 10 <SEP> vorhanden. <SEP> Die <SEP> Innenfläche
<tb> des <SEP> Ringes <SEP> liegt <SEP> auf <SEP> einem <SEP> gleichachsig <SEP> mit
<tb> der <SEP> Kolbenachse <SEP> angeordneten <SEP> Zylinder, <SEP> so
<tb> dass <SEP> beim <SEP> Eindringen <SEP> des <SEP> Gases <SEP> in <SEP> den <SEP> Spiel raum <SEP> der <SEP> Nut <SEP> der <SEP> Gasdruck <SEP> radial <SEP> auswärts
<tb> auf <SEP> die <SEP> Innenfläche <SEP> des <SEP> Ringes <SEP> wirkt <SEP> und
<tb> dabei <SEP> die <SEP> radial <SEP> auswärts <SEP> gerichtete <SEP> Kompo nente <SEP> des <SEP> abwärts <SEP> gerichteten <SEP> Druckes <SEP> ver stärkt.
<SEP> Da <SEP> der <SEP> abwärts <SEP> gerichtete <SEP> Druck <SEP> im
<tb> wesentlichen <SEP> über <SEP> die <SEP> ganze <SEP> Breite <SEP> des
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Ringes <SEP> gleichmässig <SEP> ist, <SEP> ergibt <SEP> sich <SEP> kein <SEP> Man gel <SEP> an <SEP> Gleichgewicht <SEP> zwischen <SEP> den <SEP> äussern
<tb> und <SEP> innern <SEP> Teilen <SEP> das <SEP> Ringes, <SEP> welche <SEP> be wirken <SEP> würden, <SEP> dass <SEP> der <SEP> letztere <SEP> um <SEP> die <SEP> un tere <SEP> äussere <SEP> Kante <SEP> der <SEP> Ringnut <SEP> oder <SEP> auf
<tb> andere <SEP> Weise <SEP> schaukelt, <SEP> wodurch <SEP> Kräfte <SEP> er zeugt <SEP> würden, <SEP> die <SEP> bestrebt <SEP> wären, <SEP> dass <SEP> der
<tb> Ring <SEP> in <SEP> seiner <SEP> Nut <SEP> stecken <SEP> bleibt.
<SEP> Bei <SEP> prak tischen <SEP> Ausführungen <SEP> kann <SEP> der <SEP> Neigungs winkel <SEP> der <SEP> schrägen <SEP> Stirnflächen <SEP> 7' <SEP> und <SEP> 8 <SEP> der
<tb> Ringnut <SEP> bezw. <SEP> des <SEP> Kolbenringes <SEP> verändert
<tb> werden, <SEP> um <SEP> den <SEP> individuellen <SEP> Arbeitsbedin- <SEP> ,
<tb> gungen <SEP> zu <SEP> genügen.
<tb> Fig.
<SEP> 5 <SEP> der <SEP> Zeichnung <SEP> stellt <SEP> ein <SEP> anderes
<tb> Ausführungsbeispiel <SEP> dar, <SEP> bei <SEP> welchem <SEP> die
<tb> Ringnut <SEP> 3 <SEP> und <SEP> der <SEP> Dichtungsring <SEP> 4 <SEP> sowohl
<tb> auf <SEP> ihren <SEP> Oberseiten <SEP> (Stirnflächen <SEP> 7a <SEP> und <SEP> 8a)
<tb> als <SEP> auf <SEP> ihren <SEP> Unterseiten <SEP> (Stirnflächen <SEP> 7b
<tb> und <SEP> 8b) <SEP> schräg <SEP> oder <SEP> geneigt <SEP> sind.
<tb> Die <SEP> obern <SEP> Stirnflächen <SEP> 7a, <SEP> 8a <SEP> sind <SEP> in
<tb> bezug <SEP> auf <SEP> die <SEP> Kolbenaxe <SEP> nach <SEP> aussen <SEP> geneigt,
<tb> und <SEP> zwar <SEP> gegen <SEP> die <SEP> Druckseite <SEP> hin <SEP> geneigt
<tb> und <SEP> die <SEP> untern <SEP> Stirnflächen <SEP> 7b,
<SEP> 8b <SEP> sind <SEP> in
<tb> bezug <SEP> auf <SEP> die <SEP> Kolbenachse <SEP> nach <SEP> aussen <SEP> ge neigt, <SEP> und <SEP> zwar <SEP> von <SEP> der <SEP> Druckseite <SEP> weg <SEP> ge neigt, <SEP> so <SEP> dass <SEP> die <SEP> Stirnflächen <SEP> 7a, <SEP> 8a <SEP> mit <SEP> den
<tb> Stirnflächen <SEP> 7b, <SEP> 8b <SEP> einwärts <SEP> gegen <SEP> das <SEP> Kol beninnere <SEP> zusammenlaufen. <SEP> Bei <SEP> dieser <SEP> An ordnung <SEP> ist <SEP> der <SEP> RichtunIgswechsel <SEP> des <SEP> durch
<tb> den <SEP> Spielraum <SEP> 20 <SEP> in <SEP> die <SEP> Durchlässe <SEP> 9 <SEP> eintre tenden <SEP> Gases <SEP> weniger <SEP> schroff, <SEP> indem <SEP> der
<tb> Winkel <SEP> des <SEP> Richtungswechsels <SEP> kleiner <SEP> ist <SEP> als
<tb> ein <SEP> rechter <SEP> Winkel.
<SEP> Da <SEP> die <SEP> Durchlässe <SEP> ein wärts <SEP> und <SEP> abwärts <SEP> geneigt <SEP> sind, <SEP> ist <SEP> der <SEP> Gas flut <SEP> über <SEP> die <SEP> Oberseite <SEP> des <SEP> Ringes <SEP> 4 <SEP> be schleunigt. <SEP> Ausserdem <SEP> wirkt <SEP> der <SEP> Druck <SEP> an <SEP> der
<tb> Oberseite <SEP> des <SEP> Ringes <SEP> unmittelbarer <SEP> und <SEP> mit
<tb> grösserer <SEP> Kraft <SEP> gegen <SEP> den <SEP> Ring, <SEP> um <SEP> denselben
<tb> egen <SEP> die <SEP> Zylinderwand <SEP> auszudehnen, <SEP> was
<tb> eine <SEP> Folge <SEP> der <SEP> Neigung <SEP> der <SEP> obern <SEP> Stirn flächen <SEP> des <SEP> Kolbenringes <SEP> und <SEP> der <SEP> Ringnut
<tb> sowie <SEP> des <SEP> Umstandes <SEP> ist,
<SEP> dass <SEP> der <SEP> senkrecht
<tb> gegen <SEP> die <SEP> schräge <SEP> obere <SEP> Stirnfläche <SEP> des
<tb> lEnges <SEP> ausgeübte <SEP> Druck <SEP> Kräfte <SEP> in. <SEP> Richtung
<tb> abwärts <SEP> und <SEP> auswärts <SEP> zur <SEP> Ringnut <SEP> erzeugt,
<tb> wie <SEP> durch <SEP> Pfeile <SEP> angedeutet <SEP> ist.
<tb> Fig. <SEP> 6 <SEP> veranschaulicht <SEP> eine <SEP> Konstruktion,
<tb> bei <SEP> welcher <SEP> die <SEP> Durchlässe <SEP> zur <SEP> Ermöglichung, dass der Gasdruck schnell und wirksam auf die obere Stirnfläehe des Ringes wirkt, im Kolben anstatt im Kolbenring vorgesehen sind. Dies kann dadurch geschehen, dass Ein schnitte in der obern Wand :der Ringnut vor gesehen sind, wie mit 9a gezeigt ist.
In bei den Fällen sind aber die Durchlässe zwischen den obern Stirnflächen des Ringes und der Nut gebildet.