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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Funktion eines mehrere übereinander angeordnete Kolbenringe enthaltenden Kolbenringpakets eines Kolbens einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere eines Zweitakt-Großdieselmotors, das bei jedem Arbeitstakt des Kolbens von oben dem im vom Kolben begrenzten Arbeitsraum erzeugten Verbrennungsdruck und von unten dem unterhalb des Kolbens vorhandenen Druck ausgesetzt ist, wobei im Bereich des Kolbenringpakets eine Leckage von aus dem Arbeitsraum entweichendem Gas vorhanden ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kolbenringpaket, das insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist.
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Die im Bereich der Kolbenringe vorhandene Leckage von Gas aus dem Arbeitsraum führt u. a. zu einer radialen Beaufschlagung der Kolbenringe mit Gasdruck, was erwünscht ist, um die Kolbenringe in radialer Richtung aufzudehnen und damit eine radiale Stabilisierung des Kolbens zu bewirken. Andererseits führt eine Leckage von Verbrennungsgas aus dem Arbeitsraum jedoch zu Leistungsverlusten. Die in der Praxis Verwendung findenden Kolbenringe lassen sich in zwei Gruppen einteilen, nämlich in geschlitzte Kolbenringe und sogenannte gasdichte Kolbenringe. Bei einem geschlitzten Kolbenring sind dessen Enden voneinander beabstandet, so dass sich ein Schlitz ergibt, der einen von oben nach unten gehenden Strömungsweg für Leckagegas bildet. Dieser Strömungsweg wird mit zunehmendem Verschleiß des Kolbenrings und damit mit zunehmender Aufweitung des Kolbenrings immer größer. Gasdichte Kolbenringe besitzen nach Art von Nut und Feder ineinander eingreifende Enden, so dass sich ein geschlossen umlaufender Umfang ergibt. Um hier eine Gas-Leckage zu ermöglichen, können den gasdichten Kolbenringen ihre Oberseite mit ihrer Unterseite verbindende Strömungswege, beispielsweise in Form umfangsseitiger Nuten zugeordnet sein.
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Bei einem in der
EP 0 742 875 B1 angegebenen Kolbenringpaket ist nur der oberste Kolbenring als gasdichter Kolbenring ausgebildet, der zur Erzielung einer kontrollierten Leckage von aus dem Arbeitsraum entweichendem Gas mit umfangsseitigen Nuten versehen ist. Die übrigen Kolbenringe können als geschlitzte Kolbenringe ausgebildet sein. Bei einer derartigen Anordnung ist die Leckagemöglichkeit am obersten, gasdichten Kolbenring gegenüber den darunterliegenden Kolbenringen am meisten eingeschränkt. Dementsprechend ist bei diesem Kolbenring auch die Differenz zwischen dem an seiner Oberseite und dem an seiner Unterseite anstehenden Druck am größten. Erfahrungsgemäß verschleißt dieser Kolbenring daher schneller als die übrigen Kolbenringe. Andererseits ist davon auszugehen, dass bei geschlitzten Kolbenringen der durch den Abstand der Ringenden jeweils gebildete Strömungsweg gegenüber den Leckagenuten des gasdichten Kolbenrings vergleichsweise groß ist, so dass sich ein schneller Druckausgleich ergibt und das Leckagegas schnell nach unten abströmen kann, was dazu führt, dass die unteren Kolbenringe mit nur geringem zeitlichen Abstand ihre maximale Druckbelastung bekommen, was zu einer Steigerung der Reibung und so zu einer schlechten Nutzung der zur Verfügung stehenden Energie führt. Hinzu kommt, dass die lichte Weite der Schlitze mit zunehmendem Verschleiß zunimmt, was die oben genannte Erscheinung noch verschärft und zu einem im Laufe der Lebensdauer des Kolbenringpakets zunehmenden Leistungsverlusts führt.
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Alternativ können bei dieser bekannten Anordnung auch mehrere gasdichte Kolbenringe mit umfangsseitigen Leckagenuten vorgesehen sein. Hiermit ist zwar eine gewisse Entlastung des obersten Kolbenrings erreichbar. Die aufeinander folgenden, gasdichten Kolbenringe sind jedoch identisch aufgebaut. Die an diesen Kolbenringen stattfindende Leckage ist daher mehr oder weniger gleich. Eine individuelle Beeinflussung der an den einzelnen Kolbenringen gegebenen Leckagemöglichkeiten zur Optimierung der Funktion des gesamten Kolbenringpakets ist hier daher nicht möglich.
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Dies gilt auch für das aus der
JP 58 167 860 A ersichtliche Kolbenringpaket, das ausschließlich aus gasdichten Kolbenringen besteht, wobei die übereinander angeordneten Kolbenringnuten zur Entlastung des obersten Kolbenrings über kolbenseitige Bohrungen miteinander verbunden sind. Jede dieser Verbindungen zwischen übereinander angeordneten Kolbenringnuten besteht dabei aus gleichviel Bohrungen, so dass die so gebildeten Leckagemöglichkeiten an den betreffenden Kolbenringen ebenfalls im Wesentlichen gleich sind und eine individuelle Anpassung der an den einzelnen Kolbenringen möglichen Leckage und damit des an den einzelnen Kolbenringen wirksamen Druckgefälles an die individuellen Belastungs- und Verschleißverhältnisse der einzelnen Kolbenringe und somit eine Optimierung der Funktion des gesamten Kolbenringpakets auch hier nicht möglich ist. Abgesehen davon sind die kolbenseitig von Kolbenringnut zu Kolbenringnut führenden Bohrungen von außen weder inspizierbar noch für eine Reinigung zugänglich.
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Eine alternative Anordnung mit ähnlichen Verhältnissen ergibt sich aus der
EP 1431 631 A1 . Diese zeigt einen gasdichten Kolbenring mit von oben nach unten durchgehenden Bohrungen, die zur Achse geneigt sind und im Bereich der unteren Stirnseite in die umfangsseitige Lauffläche einlaufen. Auch bei einem aus derartigen Kolbenringen aufgebauten Kolbenringpaket ist eine individuelle Beeinflussung der an den einzelnen Kolbenringen gegeben Leckagemöglichkeiten nicht möglich. Hinzu kommt, dass die Bohrungen hier in einem einem Verschleiß unterworfenen Bereich des Kolbenrings enden, so dass sich der Mündungsquerschnitt im Laufe der Zeit ändern kann.
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Die
DE 43 31 324 A1 beschreibt ein Kolbenringpaket mit mehreren, geschlitzen Kolbenringen, wobei der Schlitz von oben nach unten von Kolbenring zu Kolbenring enger wird. Die Weite des Schlitzes ändert sich jedoch in Abhängigkeit vom Verschleiß, der unkontrolliert verläuft, so dass auch hier eine kontrollierte, für jeden Kolbenring individuell bemessene Leckage nicht möglich ist.
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Die
DE 197 15 758 C1 zeigt wiederum ein Kolbenringpaket mit mehreren Kolbenringen, wobei zumindest einer oder alle Kolbenringe als geschlitzte und mit umfangsseitigen, von oben bis unten durchgehenden Nuten versehene Kolbenringe ausgebildet sind. Eine ähnliche Anordnung beschreibt die
DE-PS 800448 . Hieraus ergibt sich ein Kolbenringpaket mit unteren Dichtringen und oberen Drosselringen. Sowohl die Dichtringe als auch die Drosselringe sind als geschlitzte Kolbenringe ausgebildet, wobei die oberen Drosselringe zusätzliche, umfangsseitige, über die Höhe durchgehende Nuten aufweisen. Da infolge des Verschleißes der Kolbenringe die Schlitze weiter und die Nuten flacher werden, ist bei derartigen Anordnungen keine kontrollierte Leckage und erst recht keine individuelle Beeinflussung der an den einzelnen Kolbenringen gegebenen Leckagemöglichkeiten möglich.
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Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren eingangs erwähnter Art zu schaffen, das eine Optimierung der Funktion des Kolbenringpakets ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein hierfür geeignetes Kolbenringpaket anzugeben.
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Die auf das Verfahren sich beziehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an allen Kolbenringen des Kolbenringpakets eine kontrollierte, gegenüber Anordnungen mit geschlitzten Kolbenringen vergleichsweise kleine Leckage von aus dem Arbeitsraum entweichendem Gas zugelassen wird, die für jeden Kolbenring individuell bemessen ist, wobei die jeweils zugelassene Leckage von dem dem Arbeitsraum am nächsten benachbarten Kolbenring ausgehend bis zu dem am weitesten vom Arbeitsraum entfernten Kolbenring abnimmt.
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Die weitere, auf das Kolbenringpaket sich beziehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass allen Kolbenringen des Kolbenringpakets jeweils individuell bemessene, die Räume oberhalb und unterhalb jedes Kolbenrings verbindende Gas-Leckagewege mit gegenüber Kolbenringschlitzen vergleichsweise kleinem Gesamtquerschnitt zugeordnet sind, deren wirksamer Querschnitt im Falle einer Abnutzung des betreffenden Kolbenrings konstant bleibt, wobei die Größe des durch die jeweils einem Kolbenring zugeordneten Gasleckagewege gebildeten, freien Gesamtströmungsquerschnitts vom obersten Kolbenring ausgehend nach unten in individuell angepassten Stufen abnimmt.
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Hierbei wird anstelle einer Vergleichmäßigung der an den einzelnen Kolbenringen möglichen Leckage und damit anstelle einer Vergleichmäßigung der den einzelnen Kolbenringen jeweils zugeordneten Druckdifferenz zwischen den Drücken an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite eine individuelle Anpassung der an den einzelnen Kolbenringen gegebenen Leckagemöglichkeiten und damit der dort wirksamen Druckdifferenzen an die Verhältnisse jedes Kolbenrings im Sinne einer bleibenden Optimierung der Funktion des gesamten Kolbenringpakets vorgesehen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen lässt sich der durch die zugelassene Leckage von Gas aus dem Arbeitsraum verursachte Leistungsverlust auf niedrigem Niveau konstant halten, womit insgesamt ein guter Gesamtwirkungsgrad über der gesamten Lebensdauer eines Kolbenringpakets erreicht wird. Durch die individuelle Anpassung der gegebenen Leckagemöglichkeiten bei den einzelnen Kolbenringen ist auch eine individuelle zeitliche Verzögerung des Auftretens der jedem Kolbenring jeweils zugeordneten maximalen Druckbelastung und damit eine optimale Ausnutzung der gesamten zur Verfügung stehenden Energie bei jedem Kolbenhub erreichbar. Beim Auftreten der maximalen Druckbelastung der unteren, geringere Leckagemöglichkeiten aufweisenden Kolbenringe ist hier in Folge der Bewegung des Kolbens auch bereits ein Schmierfilm vorhanden, was einen verschleißarmen Betrieb weiter begünstigt. Die individuelle Anpassung der Leckagemöglichkeiten an den einzelnen Kolbenringen und damit deren Belastung ermöglicht in vorteilhafter Weise auch nicht nur die Erzielung eines vergleichsweise langsamen Verschleißes der Kolbenringe sondern auch eines etwa gleichmäßigen Verschleißes aller Kolbenringe des Kolbenringpakets und damit einer vergleichsweise langen Gesamtlebensdauer des gesamten Kolbenringpakets. Nach dieser Zeit sind in vorteilhafter Weise alle Kolbenringe austauschreif, wodurch ein gleichzeitiger Austausch ohne Materialverluste möglich ist.
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Gleichzeitig ist sichergestellt, dass die Wartungsintervalle zum Austausch der Kolbenringe vergleichsweise lang sind. Es ergibt sich daher auch ein vergleichsweise geringer Wartungs- und Instandhaltungsaufwand. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist darin zu sehen, dass die Kolbenringe in Folge der individuellen Anpassung der jeweils aufzunehmenden Belastung auch vergleichsweise massearm gestaltet sein können, was zu einer erwünschten Reduzierung der dynamischen Kräfte führt und sich daher ebenfalls günstig auf die Einsparung von Leistungsverlusten auswirkt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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So können zweckmäßig alle Kolbenringe des Kolbenringpakets als schlitzlose, umlaufend geschlossene Kolbenringe ausgebildet sein, wobei die individuell zugeordneten, von ihrer Oberseite zu ihrer Unterseite führenden Gas-Leckagewege als umfangsseitige Nuten ausgebildet sind, deren Tiefe größer als die Breite des Spalts zwischen dem Kolben und einer diesen aufnehmenden Zylinderbüchse zuzüglich des über die Lebensdauer zugelassenen Verschleißes der Kolbenringdicke ist und deren Gesamtquerschnitt individuell bemessen ist, wobei dem obersten Kolbenring den größten individuellen Gasleckagequerschnitt und dem untersten Kolbenring den klleinsten individuellen Gasleckagequerschnitt im Bereich des zugehörigen Kolbenringpakets (11) bildende Nuten zugeordnet sind. Durch die umfangsseitigen Nuten ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung der Gasleckage auf den Ringumfang und damit im Vergleich zu seiner Ausführung mit lediglich einer durch einen Schlitz gebildeten Leckageöffnung eine Reduzierung des Durchschlags des Leckagegases von oben nach unten. Außerdem lassen sich die umfangsseitigen Nuten im Bereich der Spülgasschlitze der Zylinderbüchse leicht inspizieren und falls nötig, reinigen. Die vorgeschlagene Tiefe der umfangsseitigen Nuten stellt sicher, dass der von diesen zur Verfügung gestellte, wirksame Strömungsquerschnitt während der gesamten Lebensdauer des zugeordneten Kobenrings dem vom Kolben nicht abgedeckten Bereich der Nuten entspricht und damit während der gesamten Lebensdauer konstant bleibt. Hierdurch wird daher sichergestellt, dass die mit Hilfe der umfangsseitigen Nuten zugelassene, kontrollierte Leckage über der gesamten Lebensdauer des zugeordneten Kolbenrings konstant bleibt, was Voraussetzung für eine Konstanz des nicht vermeidbaren Leistungsverlusts auf einem niedrigen Niveau ist. In vorteilhafter Weise kann daher von über der gesamten Lebensdauer des gesamten Kolbenringpakets gleichbleibenden Leistungsverhältnissen des Motors ausgegangen werden. Eine Leistungsänderung während der Lebensdauer des Kolbenringpakets ist in vorteilhafter Weise nicht zu befürchten.
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Eine für die Praxis gut brauchbare Bemessungsregel kann darin bestehen, die Anzahl der pro Kolbenring vorgesehenen, gleichen, umfangsseitigen Nuten vom obersten Kolbenring ausgehend von Kolbenring zu Kolbenring jeweils um die Hälfte bis auf höchstens eine umfangsseitige Nut reduziert wird und danach vorzugsweise gleich bleibt. Dabei handelt es sich um eine praxisgerechte Lösung, bei der an den oberen Kolbenringen eine stärkere Entlastung vorgesehen ist, als an den ohnehin weniger belasteten, unteren Kolbenringen, so dass sich insgesamt eine etwa gleichmäßige Belastung der Kolbenringe und damit ein gleichmäßiger Verschleiß und eine Konstanz des Leistungsverlusts ergeben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.
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In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:
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1 einen Vertikalschnitt durch den oberen Bereich eines Zylinder-Kolbenaggregats einer Hubkolbenbrennkraftmaschine,
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2 eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Kolbenrings,
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3 die Einzelheit III aus 1 in vergrößerter Darstellung und
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4–7 Abwicklungen der vier Kolbenringe des der 1 zugrunde liegenden Kolbenringpakets.
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Hauptanwendungsgebiet der Erfindung sind als Großmotoren ausgebildete Hubkolbenbrennkraftmaschinen, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotoren, wie sie beispielsweise für maritime Antriebe Verwendung finden. Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Anordnungen sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner weiteren Erläuterung mehr.
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Das der 1 zugrunde liegende Zylinder-Kolbenaggregat gehört zu einem Zweitakt-Großdieselmotor. Das dargestellte Zylinder-Kolbenaggregat besteht aus einem Zylinder 1 und einem in diesem aufgenommenen Kolben 2. Der Zylinder 1 enthält eine umlaufende Zylinderbüchse 3 und einen hierauf aufgenommenen Zylinderdeckel 4. Im Zylinder 1 ist ein Arbeitsraum 5 vorgesehen, dessen untere Begrenzung durch den in der Zylinderbüchse 3 geführten, auf und ab bewegbaren Kolben 2 gebildet wird und der mit einem oberen Abgasauslass 6 versehen ist, dem ein als Hubventil ausgebildetes Auslassventil 7 zugeordnet ist. Der Arbeitsraum 5 ist über wenigstens ein im Zylinderdeckel 4 angeordnetes Einspritzventil 8 mit Brennstoff und über im unteren Bereich der Zylinderbüchse 3 vorgesehene, hier nicht näher dargestellte Einlassschlitze mit im Wesentlichen aus Luft bestehendem Spülgas beaufschlagbar.
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Der Kolben 2 eines Großmotors hier vorliegender Art besteht in der Regel aus einem in 1 dargestellten Oberteil und einem hiermit verbundenen, nicht näher dargestellten Unterteil, das in nicht näher dargestellter Weise über eine Kolbenstange mit einem Kreuzkopf und über eine hieran angelenkte Pleuelstange mit einer Kurbelwelle zusammen wirkt. Der Kolben 2 ist im Bereich des dargestellten Oberteils mit mehreren, übereinander angeordneten Kolbenringnuten 9a, b, c, d versehen, in denen jeweils ein zugeordneter Kolbenring 10a, b, c, d angeordnet ist. Im dargestellten Beispiel sind vier übereinander angeordnete Kolbenringnuten 9a, b, c, d und dementsprechend vier übereinander angeordnete Kolbenringe 10a, b, c, d vorgesehen. Die übereinander angeordneten Kolbenringe 10a, b, c. D bilden ein sogenanntes Kolbenringpaket 11.
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Die Kolbenringe des Kolbenringpakets 11 decken den Spalt zwischen dem Außenumfang des Kolbens 2 und dem Innenumfang der Zylinderbüchse 3 ab. Das Kolbenringpaket 11 ist daher bei jedem Arbeitstakt des Kolbens 2 von oben dem im Arbeitsraum 5 erzeugten Verbrennungsdruck und von unten dem im Raum unterhalb des Kolbens 2 vorhandenen Druck ausgesetzt, bei dem es sich um den Druck des über die oben erwähnten Einlassschlitze der Zylinderbüchse 3 dem Arbeitsraum 5 zuführbaren Spülgases handelt.
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Das Kolbenringpaket 11 soll durch Kontakt seiner Kolbenringe mit der Zylinderbüchse 3 eine übermäßige Leckage von Verbrennungsgas aus dem Arbeitsraum 5 verhindern und gleichzeitig eine radiale Stabilisierung des Kolbens 2 bewirken. Hierzu werden die Kolbenringe 10a, b, c, d durch radial innen anstehenden Gasdruck in radialer Richtung aufgeweitet und an die Zylinderbüchse 3 angedrückt. Um dies zu bewerkstelligen, ist im Bereich des Kolbenringpakets 11 eine gewisse Gasleckage erforderlich, so dass nicht nur der oberste Kolbenring 10a, sondern auch die darauf folgenden Kolbenringe 10b, c, d von radial innen mit Gasdruck beaufschlagt werden. Hierzu sind die Kolbenringe 10a, b, c, d mit Mitteln für eine kontrollierte Leckage versehen. An jedem der Kolbenringe 10a, b, c, d ergibt sich daher eine von der zugeordneten Leckage abhängige Druckdifferenz zwischen den an seiner Oberseite und an seiner Unterseite anstehenden Drücken. Durch diese Druckdifferenz wird der Verschleiß des betreffenden Kolbenrings im Wesentlichen beeinflusst.
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Die notwendige Leckage von Verbrennungsgasen im Bereich des Kolbenringpakets 11 führt zwangsläufig zu einem gewissen Leistungsverlust. Dieser ist praktisch nicht vermeidbar, soll aber minimiert und über der ins Auge gefassten Lebensdauer des Kolbenringpakets 11 im Wesentlichen konstant gehalten werden. Hierzu muss der Verschleiß und als Voraussetzung dafür die Leckage an den einzelnen Kolbenringen 10a, b, c, d des Kolbenringpakets über der ins Auge gefassten Lebensdauer des Kolbenringpakets 11 konstant gehalten werden. Um dabei allen oder jedenfalls mehreren Einflussfaktoren Rechnung zu tragen, wird die an den einzelnen Kolbenringen 10a, b, c, d jeweils ermöglichte, kontrollierte Leckage für jeden Kolbenring 10a, b, c, d individuell an die jeweils vorliegenden Verhältnisse angepasst. Diese individuelle Anpassung erfolgt dabei so, dass sich an den einzelnen Kolbenringen 10a, b, c, d ein gleichmäßiger Verschleiß und somit eine konstante Leckage über der gesamten Lebensdauer ergeben. Dies führt dazu, dass sich auch die Beziehungen zwischen den an den einzelnen Kolbenringen 10a, b, c, d stattfindenden Leckagen über der gesamten Lebensdauer des Kolbenringpakets 11 nicht ändern, so dass insgesamt von einem über der gesamten Lebensdauer des Kolbenringpakets 11 konstanten Leistungsverlust ausgegangen werden kann.
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Die genannten Maßnahmen werden dadurch erleichtert, dass alle Kolbenringe 10a, b, c, d des Kolbenringpakets 11 als schlitzlose, umlaufend geschlossene, sogenannte gasdichte Kolbenringe der in 2 dargestellten Art ausgebildet sind, denen individuell bemessene Gas-Leckagewege beispielsweise in Form umfangsseitiger Nuten 12 zugeordnet sind. Zusätzlich oder alternativ zu den umfangsseitigen Nuten 12 könnten auch kolbenseitig vorgesehene, die übereinander angeordneten Kolbenringnuten 9a, b, c, d miteinander verbindende beziehungsweise von der untersten Kolbenringnut 9d nach unten abgehende, vorzugsweise durch Bohrungen gebildete Strömungswege vorgesehen sein. Die umlaufend geschlossene, schlitzlose Bauweise der Kolbenringe 10a, b, c, d wird dadurch erreicht, dass diese, wie 2 anschaulich erkennen lässt, mit nach Art von Nut und Feder ineinander eingreifenden Endbereichen versehen sind. Ein Endbereich, in 2 links, ist dabei mit einer nach radial außen und unten offenen, kammerförmigen Ausnehmung 13 versehen. Der andere Endbereich, in 2 rechts, ist mit einem in Umfangsrichtung vorspringenden Finger 14 versehen, der querschnittsmäßig an den Querschnitt der Ausnehmung 13 angepasst ist und in diese eingreift. Die gegenseitige Eingriffslänge von Ausnehmung 13 und Finger 14 ist so bemessen, dass auch im Falle einer Aufweitung des Kolbenrings in Folge von Verschleiß der gegenseitige Eingriff nie ganz aufgehoben wird.
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Die Tiefe t der die Gas-Leckagewege bildenden, umfangsseitigen Nuten 12 entspricht, wie am besten aus 3 erkennbar ist, der Breite b des Spalts zwischen der Mantelfläche des Kolbens 2 und der Lauffläche der Zylinderbüchse 3 zuzüglich des über die Lebensdauer des zugeordneten Kolbenrings 10 zugelassenen Verschleißes der Kolbenringdicke. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass während der gesamten Lebensdauer des Kolbenrings 10 der wirksame Strömungsquerschnitt, der sich aus Spaltbreite b × Nutbreite a ergibt, konstant bleibt. Zweckmäßig können die hier durch die umfangsseitigen Nuten 12 gebildeten Gas-Leckagewege schräg zur Ringebene, vorzugsweise um 45° hier gegen geneigt angeordnet sein. Dies begünstigt einen erwünschten, zeitlichen Verzug des Auftretens der maximalen Belastung der einzelnen, übereinander angeordneten Kolbenringe 10a, b, c, d des Kolbenringpakets 11.
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Die individuelle Bemessung der den übereinander angeordneten Kolbenringen 10a, b, c, d jeweils zugeordneten Gas-Leckagewege, d. h. deren wirksamer Strömungsquerschnitte, kann durch Variation von deren Anzahl, hier der Anzahl der Nuten 12 und/oder deren Breite, hier der Nutbreite a erfolgen. Zweckmäßig ist die Größe des wirksamen Strömungsquerschnitts vom obersten, dem Arbeitsraum 5 am nächsten benachbarten Kolbenring 10a ausgehend nach unten zu den nächsten Kolbenringen 10b, c, d in individuellen Stufen abgestuft. Dem obersten Kolbenring 10a ist dabei der größte Leckage-Strömungsquerschnitt zugeordnet, den darunter sich befindenden Kolbenringen 10b, c, d immer kleinere. Die jeweils zugelassene, kontrollierte Leckage nimmt daher mit zunehmendem Abstand vom Arbeitsraum 5 ab.
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Zweckmäßig sind alle umfangsseitigen Nuten 12 gleich breit, so dass der oberste Kolbenring 10a die meisten Nuten 12 aufweist und die Anzahl der Nuten 12 der darunter sich befindenden Kolbenringe nach unten abnimmt. Vorteilhaft wird dabei so vorgegangen, dass jeweils eine Abnahme um die Hälfte der Anzahl der Nuten 12 des vorhergehenden Kolbenrings erfolgt. Für die unteren Kolbenringe kann dabei gelten, dass alle unterhalb des letzten, mehr als eine umfangsseitige Nut 12 aufweisenden Kolbenringe jeweils eine umfangsseitige Nut 12 aufweisen.
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Die vorstehende Regel wird anhand der 4–7 verdeutlicht, denen jeweils ein Kolbenring des Kolbenringpakets 11 mit vier Kolbenringen zugrunde liegt. Der der 4 zugrunde liegende, oberste Kolbenring 10a enthält hier vier umfangsseitige Nuten 12. Die Anzahl der Nuten 12 des darunter sich befindenden, der 5 zugrunde liegenden Kolbenrings 10b ist um die Hälfte kleiner. Der Kolbenring 10b enthält dementsprechend nur noch zwei umfangsseitige Nuten 12. Dieselbe Regel gilt auch für den nächsten, der 6 zugrunde liegenden Kolbenring 10c. Dieser enthält daher nur noch eine umfangsseitige Nut 12. Diese Anzahl wird für alle weiteren Kolbenringe, hier den der 7 zugrunde liegenden, untersten Kolbenring 10d beibehalten, der am weitesten vom Arbeitsrum 5 entfernt ist. Es wäre aber auch eine andere Abstufung denkbar. So könnten z. B. die beiden mittleren Kolbenringe 10b, c jeweils gleich viele, z. B. zwei Nuten 12 und der unterste Kolbenring 10d eine oder gar keine Nut 12 aufweisen. Ebenso kann auch die Anzahl der übereinander angeordneten Kolbenringe vom dargestellten Beispiel mit vier Kolbenringen nach oben oder unten abweichen. In jedem Fall gilt jedoch, dass der Umfang der jeweils zugelassenen Leckage mit zunehmender Entfernung vom Arbeitsraum 5 abnimmt, d. h. oben direkt beim Arbeitsraum 5 größer als weiter bzw. ganz unten ist.
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Die oben geschilderte, individuelle Bemessung der jeweils zugelassenen, kontrollierten Leckage an den einzelnen Kolbenringen 10a, b, c, d führt zu den erwünschten Verhältnissen mit für einen gleichmäßigen Verschleiß der einzelnen Kolbenringe geeigneten, individuellen Belastungen und damit zu einer Konstanz des nicht vermeidbaren, laufenden Leistungsverlusts über der gesamten Lebensdauer des Kolbenringpakets 11. Um diesen Leistungsverlust zu minimieren, sind die Kolbenringe 10a, b, c, d so gestaltet, dass die Dichtwirkung des gesamten Kolbenringpakets 11 insgesamt die Dichtwirkung der eingangs geschilderten, bekannten Anordnungen übersteigt, so dass das bei jedem Arbeitstakt aus dem Arbeitsraum entweichende Leckagevolumen kleiner als die bei den bekannten Anordnungen zu erwartende Leckage ist. Hierzu ist der wirksame Strömungsquerschnitt der den einzelnen Kolbenringen 10a, b, c, d jeweils zugeordneten Gas-Leckagewege nach unten abgestuft, d. h. der wirksame Strömungsquerschnitt nimmt ausgehend vom obersten, dem Arbeitsraum 5 am nächsten Kolbenring 10a nach unten zum am weitesten vom Arbeitsraum entfernten Kolbenring 10d hin ab. Der so von oben nach unten, d. h. mit zunehmender Entfernung vom Arbeitsraum 5 reduzierte Leckage-Durchsatz führt in vorteilhafter Weise auch zu einem vergleichsweise langsamen Verschleiß der Kolbenringe und damit zu einer langen Gesamtstandzeit.
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Die obigen Ausführungen lassen erkennen, dass die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
