DE10118910B4

DE10118910B4 - Kolbenringanordnung

Info

Publication number: DE10118910B4
Application number: DE2001118910
Authority: DE
Inventors: Dietmar Pinkernell; Franz Dr. Bergbauer; Jordan Gentscheff
Original assignee: MAN Diesel SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2021-04-20
Also published as: DE10118910A1

Abstract

Kolbenringanordnung für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei geschlitzten Kolbenringen, die in je einer Kolbenringnut eines in einer Zylinderbuchse geführten Kolbens gelagert sind, wobei die Unterseite (9) des obersten Kolbenringes (3) mit der unteren Auflagefläche (4) der Kolbenringnut (2) einen sich zur Zylinderbuchse (11) hin öffnenden Spalt (12) bildet, wobei die den Spalt (12) begrenzende Unterseite (9) des Kolbenringes (3) und die Auflagefläche (4) geradlinig durchlaufend ausgebildet sind, so dass der Spalt (12) von einer Auflagestelle (10) der Auflagefläche (4) am der Zylinderbuchse (11) abgewandten Ende ausgehend unter einem Winkel zur Auflagefläche (4) verläuft und das grösste der Zylinderbuchse (11) zugewandte Öffnungsmaß (x) des Spaltes (12) 1%–5%, der radialen Erstreckung (S) der Unterseite (9) des Kolbenringes (3) entspricht, gleichzeitig der Kolbenring (3) eine in seiner Grundstellung parallel zu einer oberen Begrenzungsfläche (5) verlaufende Oberseite (7) aufweist, und wobei die der Zylinderbuchse (11) zugewandte Außenfläche (13, 14) des obersten Kolbenringes (3) zumindest...

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenringanordnung für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei geschlitzten Kolbenringen, die in je einer Kolbenringnut eines in einer Zylinderbuchse geführten Kolbens gelagert sind.
Beispielsweise zeigt die DE 3532244 A1 eine eingangs genannte Kolbenringanordnung mit zwei geschlitzten Kolbenringen, die hauptsächlich dadurch bedingt ist, dass der Zylinder und der Kolben in Länge und Gewicht kleiner sein sollen, als diejenigen, welche in einer herkömmlichen Kombination von drei Kolbenringen benutzt werden.
Weiterhin sind solche oben genannten Kolbenringanordnungen auch bereits aus der US 4,299,401 A , der JP 63-230948 A , der US 4,973,066 A oder der DE 19908542 A1 bekannt.
Bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit hoher Leistung sind sowohl die Bauteiltemperaturen als auch die Zünddrücke hoch. Dies führt bei den derzeit gebräuchlichen Anordnungen zu einem starken Verschleiß an der Unterseite des obersten Kolbenringes und seiner Auflagefläche, vor allem in dem der Zylinderbuchse zugewandten äußeren Bereich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenringanordnung zu schaffen, bei der der Verschleiß an den Kolbenringen und den Kolbenringnuten im Vergleich zu oben zitiertem Stand der Technik reduziert ist.
Erfindungsgemäß wird dies durch die gemeinsame Anwendung aller Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
Durch diese Maßnahme werden die Belastungen des obersten Kolbenringes im radial äußeren Bereich vermindert.
So verläuft die Unterseite des obersten Kolbenringes ausgehend von einer Auflagestelle an dem der Zylinderbuchse abgewandten Ende der senkrecht zur Achse der Zylinderbuchse verlaufenden Auflagefläche unter einem Winkel zu dieser Fläche. Eine derartige Maßnahme ist herstellungstechnisch günstig, weil nur der oberste Kolbenring eine vom Üblichen abweichende Formgebung erhalten muss.
Weiterhin entspricht das größte, der Zylinderbuchse zugewandte Öffnungsmaß des Spaltes 1%–5%, vorzugsweise 1,4% bis 3%, der radialen Erstreckung der Unterseite des Kolbenringes.
Die der Zylinderbuchse zugewandte Außenfläche des obersten Kolbenringes ist zumindest teilweise ballig ausgebildet. Dadurch wird vermieden, dass dieser Kolbenring mit einer Kante an der Zylinderbuchse anliegen kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung.
In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:
1 einen Schnitt durch ein Kolbenoberteil,
2 eine Einzelheit aus 1 in einem vergrößerten Maßstab und
3 eine perspektivische Darstellung eines Teiles des Kolbenoberteils.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind in einen insgesamt mit 1 bezeichneten Kolben mehrere Kolbenringnuten 2 eingebracht. In der obersten Kolbenringnut 2 ist ein Kolbenring 3 gelagert. Die Kolbenringnut 2 ist durch eine hier in radialer Richtung rechtwinklig zur Kolbenachse angeordnete, geradlinig durchlaufende, untere Auflagefläche 4, eine dazu parallele ebene obere Begrenzungsfläche 5 und eine achsparallele Nutengrundfläche 6 begrenzt.
Der Kolbenring 3 weist eine in seiner gezeigten Grundstellung parallel zur Begrenzungsfläche 5 verlaufende Oberseite 7, eine im Abstand von der Nutengrundfläche 6 angeordnete, hierzu parallele Rückseite 8 und eine ebene Unterseite 9 auf. Die Übergänge von der Oberseite 7 und der Unterseite 9 zur Rückseite 8 sind abgeschrägt. Die Unterseite 9 verläuft ausgehend von einer der Zylinderbuchse 11 abgewandten, rückwärtigen Auflagestelle 10 zur Bildung eines sich zur Zylinderbuchse 11 hin erweiterden Spaltes 12 schräg zur rechtwinklig zur Kolbenachse verlaufenden Auflagefläche 4. Dabei beträgt das größte der Zylinderbuchse 11 zugewandte Öffnungsmaß (x) des Spaltes 12 1%–5%, vorzugsweise 1,4%–3%, der radialen Erstreckung S der Unterseite 9.
Alternativ zur vorstehend geschilderten Konfiguration können auch die Oberseite 7 und die Unterseite 9 des Kolbenrings 3 untereinander und zur rechtwinklig zur Kolbenachse verlaufenden Begrenzungsfläche 5 parallel ausgebildet sein. Dann ist die Auflagefläche 4 der Kolbenringnut 2 zur Bildung eines sich zur Zylinderbuchse 11 hin öffnenden Spaltes entsprechend schräg auszuführen.
Auch eine Kombination der beiden vorstehend erwähnten Alternativen wäre denkbar derart, dass sowohl die Unterseite des Kolbenrings 3 als auch die Auflagefläche 4 der Kolbenringnut 2 zur Bildung des erfindungsgemäßen, sich zur Zylinderbuchse 11 hin öffnenden Spaltes entsprechend schräg zu einer Radialebene verlaufen. In jedem Fall ist dabei ebenfalls das oben erwähnte Öffnungsmaß zu realisieren.
Die der Zylinderbuchse 11 zugewandte Lauffläche des obersten Kolbenringes 3 weist einen unteren, schwach ballig ausgebildeten Abschnitt 13 und einen daran anschließenden, rechtwinklig zur Unterseite 9 verlaufenden oberen Abschnitt 14 auf. Auf die Bereiche 13, 14 ist eine harte Laufschicht 15 aufgebracht, die in etwa der Kontur der durch die Bereiche 13, 14 gebildeten Aufnahmefläche folgt.
Wenn sich der Kolben 1 ausgehend vom unteren Totpunkt im Kompressionstakt nach oben bewegt, strömt zunächst, wie durch die Pfeile in 3 angedeutet ist, Frischluft durch den Schlitz 16 und anschließend durch den Spalt 12, durch den sie über den ganzen Umfang des Kolbenringes 3 verteilt austritt. Diese Frischluft gelangt dabei unter wachsendem Druck zu dem benachbarten Kolbenring 17. Durch diese – verglichen mit einem normalen ersten Kolbenring mit zur Auflagefläche 4 paralleler Unterseite 9 – vermehrte Zufuhr von Frischluft zum Bereich hinter dem obersten Kolbenring 3 wird im Bereich hinter dem obersten Kolbenring 3 ein Frischluftpolster aufgebaut, welches das Einströmen von Abgas im anschließenden Arbeitstakt reduziert. Dies führt zu einer wesentlichen Herabsetzung der Verschmutzung der Kolbenringnuten durch Partikel im Abgas während des Betriebes der Brennkraftmaschine. Dadurch wird auch die Reibarbeit zwischen den Laufflächen der Kolbenringe und der Innenwand der Zylinderbuchse 11 verringert.
Steigt im weiteren Verlauf des Kompressionstaktes der Druck über dem ersten Kolbenring 3, so wird dieser unter elastischer Verformung mit seiner Unterseite 9 gegen die Auflagefläche 4 gedrückt, wodurch der Spalt 12 geschlossen wird. Die Unterseite 9 liegt nunmehr plan auf der Auflagefläche 4 auf. In Folge des durch die Verformungsspannungen induzierten Gegenmomentes des Kolbenringes 3, der Formgebung der Unterseite 4 und des erhöhten Drucks im Bereich zwischen dem Kolbenring 3 und den nachfolgenden Kolbenringen wird die Pressung zwischen dem Kolbenring 3 und der Auflagefläche 4 im äußeren Bereich reduziert. Dadurch werden die tribologischen Verhältnisse über die gesamte Auflagefläche vergleichmäßigt.
Diese homogenere Druckverteilung führt zu einer Verbesserung des Verschleißverhaltens des Kolbenringes 3 und der ihn aufnehmenden Kolbenringnut 2, die sich insbesondere in dem der Zylinderbuchse 11 zugewandten Bereich auswirkt.
In Folge des höheren Drucks zwischen dem Kolbenring 3 und den anschließenden Kolbenringen und der elastischen Verformung des Kolbenringes 3 öffnet dieser während des Arbeitstaktes früher als bei herkömmlichen Kolbenringen. Dadurch wird die Zeit der Flächenbelastung der Lauffläche und die damit verbundene Reibarbeit zwischen Kolben und Zylinderbuchse reduziert. Es wird daher die bisher hauptsächlich vom obersten Kolbenring ausgeführte Dichtarbeit auf die weiteren Ringe verteilt und somit eine gleichmäßigere Auslastung aller Kolbenringe erreicht.
Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims

Kolbenringanordnung für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens zwei geschlitzten Kolbenringen, die in je einer Kolbenringnut eines in einer Zylinderbuchse geführten Kolbens gelagert sind, wobei die Unterseite (9) des obersten Kolbenringes (3) mit der unteren Auflagefläche (4) der Kolbenringnut (2) einen sich zur Zylinderbuchse (11) hin öffnenden Spalt (12) bildet, wobei die den Spalt (12) begrenzende Unterseite (9) des Kolbenringes (3) und die Auflagefläche (4) geradlinig durchlaufend ausgebildet sind, so dass der Spalt (12) von einer Auflagestelle (10) der Auflagefläche (4) am der Zylinderbuchse (11) abgewandten Ende ausgehend unter einem Winkel zur Auflagefläche (4) verläuft und das grösste der Zylinderbuchse (11) zugewandte Öffnungsmaß (x) des Spaltes (12) 1%–5%, der radialen Erstreckung (S) der Unterseite (9) des Kolbenringes (3) entspricht, gleichzeitig der Kolbenring (3) eine in seiner Grundstellung parallel zu einer oberen Begrenzungsfläche (5) verlaufende Oberseite (7) aufweist, und wobei die der Zylinderbuchse (11) zugewandte Außenfläche (13, 14) des obersten Kolbenringes (3) zumindest teilweise ballig ausgeführt ist.
Kolbenringanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (9) des obersten Kolbenringes (3) ausgehend von einer Auflagestelle (10) an dem der Zylinderbuchse (11) abgewandten Ende der rechtwinklig zur Achse der Zylinderbuchse (11) verlaufenden Auflagefläche (4) unter einem Winkel zur Auflagefläche (4) verläuft.
Kolbenringanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Auflagefläche (4) der Kolbenringnut (2) schräg zu einer zur Kolbenachse rechtwinkligen Radialebene verläuft.
Kolbenringanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das größte der Zylinderbuchse (11) zugewandte Öffnungsmaß (x) des Spaltes (12) 1,4%–3% der radialen Erstreckung (S) der Unterseite (9) des Kolbenringes (3) entspricht.
Kolbenringanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Außenfläche (13, 14) des obersten Kolbenringes (3) eine harte Laufschicht (15) aufgebracht ist.