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Die
Erfindung betrifft einen Kolbenring für den Kolben eines Verbrennungsmotors
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Aus
der Deutschen Offenlegungsschrift 25 04 087 ist ein Kolbenring mit
U-förmigem
Querschnitt bekannt, dessen Schenkel nach radial innen gerichtet
sind und einen Ringraum einschließen, in dem eine Expanderfeder
mit U-förmigem
Querschnitt angeordnet ist, deren Schenkel ebenfalls nach radial
innen gerichtet sind und einen weiteren ringförmigen Raum begrenzen. Nachteilig
ist hierbei, dass sich in dem ringförmigen Raum ölhaltige
Verbrennungsgase ansammeln. Die in dem ringförmigen Raum herrschenden hohen
Temperaturen führen
dazu, dass das Öl
der Verbrennungsgase verkokt, sodass der Kolbenring seine radiale
Beweglichkeit verliert und der Motor Schaden nimmt. Zudem sammelt
sich in dem ringförmigen
Raum unverbranntes Gas an, das beim Ausstoßtakt mit dem restlichen Abgas
ausgeschieden wird und damit die Abgaswerte verschlechtert.
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Diese
Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden ist Aufgabe der Erfindung.
Gelöst
wird die Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden
Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Hierbei
wird der Innenraum der Nut, in dem der Kolbenring angeordnet ist,
durch einen umlaufenden Kragen mit rechteckigem Querschnitt fast
volllständig
ausgefüllt,
so dass sich darin kaum ölhaltige Verbrennungsgase
oder unverbrannte Gas ansammeln können. Der Kolben behält damit
seine radiale Beweglichkeit. Und zudem werden durch den Kragen die
Abgaswerte des Motor verbessert.
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Einige
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen
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1 einen
Schnitt durch einen in einer zweigeteilten Nut angeordneten Kolbenring
gemäß der Erfindung
mit balliger Kolbenringlauffläche,
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2 einen
Schnitt durch einen in der zweigeteilten Nut angeordneten Kolbenring
mit einer in Richtung Kolbenboden konisch zulaufender Kolbenringlauffläche,
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3 eine
weitere Möglichkeit,
einen U-förmigen
Kolbenring und eine Expanderfeder in einer Kolbenringnut anzuordnen
und
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4 einen
U-förmigen
Kolbenring mit einer asymmetrisch geformten Expanderfeder, die ein
Verdrehen des Kolbenringes bewirkt.
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1 zeigt
das Schnittbild eines Kolbenrings 3 mit U-förmigem Querschnitt,
der in einer kolbenbodennahen Nut 1 eines im Teilschnitt
dargestellten Kolbens 2 angeordneten ist, und der gemäß Ausführungsbeispiel
die Funktion eines Kompressionsringes hat. Der Kolbenring 3 besteht
aus einem Verbindungssteg 4 mit beidseitig damit verbundenen Schenkeln 5 und 6,
die im rechten Winkel zum Verbindungssteg 4 und parallel
zueinander angeordnet sind. Der Kolbenring 3 ist in der
Nut 1 derart angeordnet, dass die beiden Schenkel 5, 6 nach
radial innen gerichtet sind, sodass die radiale Außenfläche des Verbindungssteges 4 eine
Kolbenringlauffläche 10 bildet,
die im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ballig
ausgebildet ist, und die mit der Zylinderlauffläche 7 der Bohrung 8 eines
Zylinders 9 in Reibkontakt steht.
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An
der radialen Innenfläche
des Kolbenrings 3 liegt eine Expanderfeder 11 an,
deren Aufgabe darin besteht, den Kolbenring 3 bis zur Anlage
an die Zylinderlauffläche 7 aufzuspreizen.
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Die
Nut 1 weist einen an den Nutgrund 12 angeformten,
nach radial außen
weisenden, umlaufenden Kragen 13 mit rechteckigem Querschnitt
auf, dessen radiale Außenfläche 13' gegenüber der
radialen Außenfläche 2' des Kolbens 2 in
Richtung Kolbenachse zurückgesetzt
ist, und der die Nut 1 in eine obere Teilnut 14 und
eine untere Teilnut 15 unterteilt, wobei die obere Teilnut 14 dem
in den Figuren nicht dargestellten Boden des Kolbens 2 näher liegt
als die untere Teilnut 15. Der obere Schen kel 5 des
Kolbenrings 3 ist zusammen mit dem daran anliegenden, oberen,
nach radial innen gerichteten Schenkel 18 der Expanderfeder 11 derart
in der oberen Teilnut 14 angeordnet, dass sich zwischen
der oberen Flanke 16 der oberen Teilnut 14 und
dem Schenkel 5 des Kolbenrings 3 und zwischen
der unteren Flanke 17 der oberen Teilnut 14 und
dem oberen Schenkel 18 der Expanderfeder 11 ein
Zwischenraum 19 bildet. Zudem sind der obere Schenkel 5 des
Kolbenrings 3 und der obere Schenkel 18 der Expanderfeder 11 auf Abstand
zum Nutgrund 12 angeordnet, sodass sich hier der Zwischenraum 19 fortsetzt.
Weiterhin drückt die
Expanderfeder 11 insoweit nach radial außen, dass
sich auch zwischen der radialen Außenfläche 13' des Kragens 13 und der
Expanderfeder 11 der Zwischenraum 19 befindet.
In der unteren Teilnut 15 sind der untere Schenkel 6 des
Kolbenrings 3 und der daran anliegende untere, nach radial
innen gerichteter Schenkel 20 der Expanderfeder 11 derart
angeordnet, dass sich der Zwischenraum 19 schließlich auch
zwischen dem unteren Schenkel 20 der Expanderfeder 11 und
der oberen Flanke 21 der unteren Teilnut 15 fortsetzt,
und dass der Schenkel 6 des Kolbenrings 3 an der
unteren Flanke 22 der unteren Teilnut 15 anliegt.
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Der
Kolbenring 2, 23 nimmt die in den 1 und 2 eingezeichnete
Position beim Kompressionshub und beim Explosionshub ein, wobei
die unter Druck stehenden und im Brennraum befindlichen Gase in
den Zwischenraum 19 eindringen und den Kolbenring 2, 23 und
die Expanderfeder 11 nach unten treiben, sodass der Kolbenring 2, 23 auf
der unteren Flanke 22 der unteren Teilnut 15 zur
Anlage gelangt.
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Der
Kragen 13 hat hierbei den Vorteil, dass damit der vom Kolbenring 3 und
von der Expanderfeder 11 nicht ausgefüllte Innenraum der Nut 1 verkleinert
wird, sodass sich darin nur eine geringe Menge an ölhaltigem
Verbrennungsgas ansammeln kann, sodass auch nur eine geringe Menge
des im Verbrennungsgas enthaltenen Öles in der Nut 1 wegen
der darin herrschenden, hohen Temperaturen verkoken kann. Ein weiterer
Vorteil des Kragens 13 besteht darin, dass dadurch in der
Nut 1 sich ergebendes Totvolumen reduziert wird. Ohne Kragen 13 sammelt
sich in dem Totvolumen der Nut 1 unverbranntes Gas an, das
beim Ausstoßtakt
mit dem restlichen Abgas ausgeschieden wird und damit das Abgas
verschlechtert. Der Kragen 13 bewirkt, dass sich weniger
unverbranntes Gas in der Nut 1 ansammelt, sodass dadurch
eine Verbesserung des Abgaswerte bewirkt wird. Darüberhinaus
reduziert der Kragen 13 die Gaslässigkeit der Kolbendichtung
vom Brennraum zum Kurbelgehäuse
(Blowby).
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Der
Zwischenraum 19 zwischen den Flanken 16 und 17 der
oberen Teilnut 14 und dem oberen Schenkel 5 beziehungsweise
dem oberen Schenkel 18 der Expanderfeder 11, zwischen
der radialen Außenfläche 13' des Kragens 13 und
der Expanderfeder 11 und zwischen der obere Flanke 21 der
unteren Teilnut 15 und dem unteren Schenkel 20 der
Expanderfeder 11 bewirkt, dass sich hier das unter Druck stehende,
komprimierte Kraftstoff-Luft-Gemisch oder die unter Druck stehenden
Verbrennungsgase ansammeln, die über
die untere Teilnut 15 nicht abfließen können, weil hierzu zwischen
der Flanke 22 und dem unteren Schenkel 6 des Kolbenrings 3 bei
der in den 1 und 2 eingezeichneten
Position des Kolbenringes 3, 23 kein Platz ist.
Dadurch wird bewirkt, dass die im Zwischenraum 19 sich
ansammelnden und unter Druck stehenden Gase den Kolbenring 3 zusätzlich zu
der den Kolbenring 3 nach radial außen auf die Zylinderlauffläche 7 drückenden
Kraft der Expanderfeder 11 nach radial außen treiben
und damit einen weiteren Beitrag dazu leistet, den Brennraum gegenüber dem
Kurbelgehäuse
abdichten.
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2 zeigt
einen Kolbenring 23, der sich von dem in 1 dargestellten
Kolbenring 3 durch eine Lauffläche 24 unterscheidet,
die eine in Richtung Kolbenboden konisch zulaufende Form aufweist
(Minutenring). Der Vorteil hiervon liegt darin, dass der Kolbenring 23,
der in erster Linie die Funktion eines Kompressionsrings hat, zudem
zu einer Reduzierung des Ölverbrauches
dadurch beiträgt,
dass dessen Tragkante 25 auf der Zylinderlauffläche 7 befindliches, überschüssiges Öl abstreift
und somit daran hindert, in dem durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 2 sich
oberhalb des Kolbens 2 bildenden Verbrennungsraum zu verbleiben
und wegen der dort herrschenden hohen Temperaturen zu verkoken.
Allgemein kann der Kolbenring gemäß der Erfindung aber jede für einen
Kompressionsring geeignete Lauffläche aufweisen.
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Die
Kolbenringe 3 und 23 gemäß den 1 und 2 können aus
Gusseisen bestehen und im Gießverfahren
hergestellt sein. Die Kolbenringe 3 und 23 können aber
auch aus Stahl hergestellt sein, wobei zunächst ein Stahlband mit geeigneter
Breite bereitgestellt wird, das mittels einer Biege- oder Stanzvorrichtung
insoweit bearbeitet wird, dass dessen Querschnitt die Form eines "U" erhält.
Anschließend
wird das Stahlband rund gebogen und erhält damit die Gestalt eines
Kolbenrings. Der Lauffläche des
Kolbenrings wird dann durch Schleifen entweder eine ballige Form
wie der Lauffläche 10 des
Kolbenrings 3 gemäß 1 oder
eine konische Form wie der Lauffläche 24 des Kolbenrings 23 gemäß 2 gegeben.
Die Laufflächen 10 und 24 der
Kolbenringe 3 und 23 können dann zur Verbesserung
der Laufeigenschaften und zur Verringerung des Verschleißes weiterbearbeitet
und beispielsweise mit einer Hartchromschicht versehen oder auch
nitriert werden.
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Der
die Funktion eines Verdichtungsrings aufweisende Kolbenring 3, 23 mit
U-förmigem Querschnitt
gemäß der Erfindung
hat zum einen den Vorteil, dass sich dessen Lauffläche 10, 24 flexibler
als die Lauffläche
eines Verdichtungsringes mit rechteckigem oder trapezförmigem Querschnitt
an die häufig
Asymmetrien aufweisende Zylinderlauffläche 7 anlegt, sodass
damit der Verbrennungsraum besser abgedichtet wird und der "Blow by"-Effekt reduziert wird.
Zum anderen hat der Kolbenring 3, 23, gemäß der Erfindung
gegenüber
herkömmlichen
Kompressionsringen mit rechteckigem oder trapezförmigem Querschnitt ein geringeres
Gewicht, was eine Verringerung der Massenkräfte des Kolbens mit sich bringt. Der
erfindungsgemäße Kolbenring 3, 23 erzeugt
außerdem
geringere Tangentialkräfte
als ein herkömmlicher
Kompressionsring, wodurch der Kolbenring 3, 23 weniger
stark, als es bei den bekannten Kompressionsringen üblich ist,
auf die Zylnderlauffläche 7 gedrückt wird,
sodass dadurch die im Motorbetrieb aufzubringende Reibleistung reduziert
wird. Der Effekt der beiden letzteren Merkmale ist ein verbesserter Wirkungsgrad
eines mit dem erfindungsgemäßen Kompressionsring
ausgestatteten Motors gegenüber Motoren
mit herkömmlichen
Kompressionsringen.
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3 zeigt
eine weitere Möglichkeit,
den U-förmigen
Kolbenring 3 in der Nut 1 anzuordnen und von einer
Expanderfeder 26 zur Anlage an die Zylinderlauffläche 7 aufspreizen
zu lassen. Hierbei ist die Expanderfeder 26 radial innerhalb
des Kolbenringes 3 angeordnet und drückt auf die Schenkel 5, 6 des Kolbenrings 3.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Expanderfeder 26 und
der Kolbenring 3 sehr einfach und schnell montierbar sind.
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Es
besteht auch die Möglichkeit,
den Kolbenring gemäß der Erfindung
um seine zirkulare Achse zu verdrehen, d.h., zu "twisten", was eine Verringerung des Ölverbrauches
und des "Blowby" mit sich bringt.
Eine Möglichkeit,
dies zu erreichen, ist in 4 dargestellt,
wobei der Kolbenring 23 in Form eines Minutenringes von
einer asymmetrisch ausgebildeten Expanderfeder 27 zur Anlage
an die Zylinderlauffläche 7 aufgespreizt
wird. Die Expanderfeder 27 stützt sich hierbei an dem oberen
Bereich der radialen Innenfläche
des Kolbenringes 23 ab und bewirkt dadurch ein Verdrehen
des Kolbenbringes 23 in Richtung des Pfeiles 28.
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Weitere
in den Figuren nicht dargestellte Möglichkeiten, ein Verdrehen
("Twisten") des Kolbenringes
zu erreichen, bestehen darin, die U-Schenkel des Kolbenringes unterschiedlich
dick und/oder unterschiedlich lang auszubilden, oder die U-Schenkel mit
Phasen zu versehen, das heißt,
das Ende eines der U-Schenkel des Kolbenringes abzuschrägen und dadurch
an diesem U-Schenkel Material zu entfernen.
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Gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen kann
der erfindungsgemäße Kolbenring
auch als Ölabstreifring
ausgebildet sein und die Zylinderlauffläche eines Nasenringes oder
eines Nasenminutenringes aufweisen. Da derartige Kolbenringe aus
dem Stand der Technik seit langem allgemein bekannt sind, wird auf
eine weitere Beschreibung und eine weitere zeichnerische Darstellung
dieser Kolbenringe verzichtet.
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- 1
- Nut
- 2
- Kolben
- 2'
- radiale
Außenfläche des
Kolbens 2
- 3
- Kolbenring
- 4
- Verbindungssteg
des Kolbenrings 3
- 5,
5'
- oberer
Schenkel des Kolbenrings 3, bzw. 23
- 6,
6'
- unterer
Schenkel des Kolbenrings 3, bzw. 23
- 7
- Zylinderlauffläche
- 8
- Bohrung
- 9
- Zylinder
- 10
- Kolbenringlauffläche, Lauffläche
- 11
- Expanderfeder
- 12
- Nutgrund
- 13
- Kragen
- 13'
- radiale
Außenfläche des
Kragens 13
- 14
- obere
Teilnut
- 15
- untere
Teilnut
- 16
- obere
Flanke der oberen Teilnut 14
- 17
- untere
Flanke der oberen Teilnut 14
- 18
- oberer
Schenkel der Expanderfeder 11
- 19
- Zwischenraum
- 20
- unterer
Schenkel der Expanderfeder 11
- 21
- obere
Flanke der unteren Teilnut 15
- 22
- untere
Flanke der unteren Teilnut 15
- 23
- Kolbenring
- 24
- Lauffläche
- 25
- Tragkante
- 26,
27
- Expanderfeder
- 28
- Pfeil