DE10234528B4

DE10234528B4 - Kolbenringkombination

Info

Publication number: DE10234528B4
Application number: DE2002134528
Authority: DE
Inventors: Hubert Kirchner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2022-07-26
Also published as: DE10234528A1

Abstract

Kolbenringkombination zur Abdichtung eines Kolbens (1) gegenüber einem Zylinder (2) mit einem Verschluss des Ringstoßes (5, 6) durch zwei in der Kolbennut (8) ineinander liegenden Ringe (3, 4), deren Ringstöße (5, 6) versetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
– der äußere Kolbenring (3) am Ringstoß (5) eine beidseitige symmetrische und stufenförmige Abflachung (9) besitzt, wobei die Stufenhöhe von der Zylinderwand (2) in Richtung Kolbennuttiefe (8a) gleich, steigend oder in Stufen steigend ausgebildet ist,
– der innere Kolbenring (4) einen L-förmig abgewinkelten Formkörper (7) besitzt, der in die Abflachung (9) am Ringstoß (5) des äußeren Kolbenrings (3) derart eingreift, dass der Ringstoß (5) seitlich und von der Nuttiefe (8a) bis zur Zylinderwand (2) abgedeckt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenringkombination zur gasdichten Abdichtung eines Kolbens gegenüber einem Zylinder.

Aus dem US-Patent US 699135 ist ein hoch abdichtender Zylinderring bekannt, der aus einer Ringkombination von zwei Ringen besteht. Der eine äußere Ring ist L-förmig ausgebildet, bestehend aus einem senkrechten und einem waagerechten Kranz. Der zweite innere Ring liegt passgenau in dem L-förmigen Ring, so dass die Ringkombination insgesamt einen rechteckigen Querschnitt besitzt. Der senkrechte Kranz ist im Bereich des Ringstoßes derart ausgespart, dass in diese Lücke ein Vorsprung des inneren Ringes hineinpasst und den Ringstoß überdeckt.

Diese Kolbenringkombination hat den Nachteil, dass ihre passgenaue Fertigung kompliziert ist. Der L-förmige äußere Hauptring ist in seinem Querschnitt stark geschwächt und der innere Ring, der dem Verschluss des Ringstoßes des äußeren Ringes dient, besitzt eine geringe Elastizität. Der Ringstoß des äußeren Hauptringes ist nach hinten nicht vollständig abgedichtet, so dass sich ein Gasdruck von unten durch den Spalt aufbauen kann, dem die Abdichtung nicht standhält.

Ähnlich L-förmig aufgebaut ist der Kolbenring nach der britischen Patentschrift GB 616484 , wobei sich der L-förmige Hauptring und der in die L-förmige Ausnehmung gelegte Hilfsring an den Stößen gegenseitig durch Flansche überdecken.

Die Nachteile dieser Lösung entsprechen grundsätzlich den genannten Nachteilen zum US- Patent US 1699135 . Mit L-förmigen Profilen ist keine optimale Elastizität gegeben.

Ferner ist aus dem US- Patent US 1391845 eine Kolbenringkombination bekannt, bei der die Teilringe axial übereinanderliegen und die Stöße der Teilringe sich bei gleichbleibendem Querschnitt verjüngend spiralförmig überlappen, wobei jeweils der zylinderseitige Stoß spitz ausläuft und der jeweils innere kolbenseitige Stoß eine Kante besitzt, die durch ein an den Teilringen partiell eingeformtes L-förmiges Teil, ein Verdrehen der Teilringe gegeneinander verhindert.

Neben einer komplizierten Fertigung sind bei dieser Lösung die auslaufenden Spitzen der sich überlappenden Stöße durch Hitze und Kolbenspiel verschleißempfindlich. Ein nicht zu vermeidendes, sich vergrößerndes Kolbenspiel erhöht die Gefahr einer Durchfederung der spitzen Enden und schafft dadurch ein nicht kalkulierbares Risiko.

Im US- Patent US 1970892 liegen die beiden Teilringe übereinander, wobei der erste Teilring den Schlitz des zweiten Teilringes mit einem Verschluss überdeckt. Der Querschnitt der beiden Teilringe ist im wesentlichen gleich groß, so dass der vom Kolben zum Zylinder durchgehende Schlitz keine optimale Dichtung gewährleistet und richtungsabhängig unterschiedliche Parameter aufweist. Der Elastizität dieser Kolbenringkombination sind Grenzen gesetzt.

Aus der DE 1801049 B ist ein Kolbenring für einen Zweitaktmotor bekannt, der aus einem ersten Ringteil mit einem radialen Schlitz und einem zweiten Ringteil, der den radialen Schlitz in dem ersten Ringteil überdeckt, besteht. Das zweite Ringteil ist in eine U-förmige Ausnehmung des ersten Ringteils eingelegt und besitzt einen Vorsprung, der den radialen Schlitz im ersten Ringteil abdichtet.

Diese Kolbenringkombination hat ebenfalls den Nachteil einer komplizierten Fertigung. Der U-förmige äußere Hauptring ist durch sein Profil relativ steif. Durch die erforderliche axiale Höhe ist seine Dichtfunktion eingeschränkt und die Reibung groß. Beim Aufziehen auf den Kolben kann sich der Kolbenring verformen.

[Aufgabe der Erfindung]

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kolbenringdichtung zu schaffen, die einfach herzustellen und zu montieren ist sowie eine hohe Gasdichtung in beiden Bewegungsrichtungen des Kolbens bewirkt. Das Teil der Kolbenringkombination, das den Kolbenringverschluss trägt, soll hochelastisch sein und ein Verdrehen der Teilringe gegeneinander und der gesamten Kolbenringkombination gegenüber dem Kolben verhindern.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Kolbenringkombination zur Abdichtung eines Kolbens gegenüber einen Zylinder besteht aus zwei, in einer Kolbennut koaxial ineinander liegenden Ringen, deren Ringstöße versetzt angeordnet sind, wobei der innere Ring einen Verschluss für den Ringstoß des äußeren Ringes, der auch als Hauptring dient, aufweist.

Der äußere Kolbenring oder Hauptring ist an seinem Ringstoß beidseitig symmetrisch und stufenförmig abgeflacht, wobei die Stufenhöhe von der Zylinderwand in Richtung Kolbennuttiefe gleich, steigend oder in Stufen steigend ausgebildet ist.

Der innere Kolbenring besitzt einen L-förmig abgewinkelten Formkörper, der in die Abflachung am Ringstoß des äußeren Kolbenrings derart eingreift, dass der Ringstoß seitlich und von der Nuttiefe bis zur Zylinderwand abgedeckt ist. Der Formkörper füllt dabei bis auf einen geringen seitlichen Dehnungsspalt die Abflachung am Ringstoß des äußeren Kolbenrings voll aus. Durch diese Art des Ringstoßverschlusses sind beide Ringe gegen ein gegenseitiges Verdrehen gesichert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Formkörper in seiner Draufsicht trapezförmig ausgeführt, wobei die kürzere Seite des Trapezes zur Zylinderwand weist.

Gleichzeitig wird durch die koaxiale Anordnung des inneren Ringes in dem äußeren der Ringstoß des äußeren Ringes von hinten in der Nuttiefe vollständig abgedeckt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besitzt der innere Kolbenring an einer geeigneten Stelle eine Nase, die in eine Einkerbung im Kolbennut eingreift. Beispielsweise befindet sich die Nase am Formkörper.

In dieser erfinderischen Kolbenringkombination kann der äußere Hauptring aus einer Gusseisenlegierung und der innere Ring, der hauptsächlich eine abdichtende und federnde Wirkung haben muss, aus elastischem Stahl gefertigt sein. Es ist aber auch eine Anordnung aus Stahl und Stahl denkbar.

Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, dass bei Verwendung unterschiedlicher Materialien die Dehnungskoeffizienten im Prinzip nicht berücksichtigt werden müssen.

Außerdem ist es möglich, dass wie bei einer Einzelringanordnung, die gesamte Kolbenringkombination in ihrer Höhe gering gehalten werden kann.

Die hohe elastische Wirkung des inneren Ringes wird auch durch seine sehr geringe Wandstärke (ca. 0,6 mm) erreicht. Das Verschlussstück kann relativ kurz (ca. 10 mm) gehalten werden. Der geringe Anpressdruck des inneren Ringes erhöht durch seine Federspannung nicht wesentlich den Anpressdruck der gesamten Kolbenringkombination.

Die Dichtwirkung der Kolbenringkombination kann in beiden Richtungen (Brennraum → Kurbelgehäuse und Kurbelgehäuse → Brennraum) noch weiter verbessert werden, wenn zwei Kolbenringkombinationen entgegengesetzt angeordnet sind, d.h. der den Ringstoß des äußeren Kolbenringes abdichtende Formkörper weist einmal nach oben und einmal nach unten.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Kolbenringkombination besteht darin, dass der äußere Ring und der innere Ring über den Umfang, gegeneinander um 180° versetzt, eine gleichmäßig ansteigende und abnehmende Wandstärke besitzen, so dass die gemeinsame Wandstärke der Kolbenringkombination an jeder Stelle des Umfanges gleich ist. Wenn beispielsweise der innere Ring an seinem Ringstoß messerförmig ausläuft, ist die Tiefe dieses Ringstoßes aufgehoben.

Schließlich kann es vorteilhaft sein, dass an dem inneren Ring und/oder dem äußeren Ring ein ineinandergreifendes Profil (z.B. kleine Rillen) angeordnet ist, um ein vertikales Verschieben der beiden Ringe in der Kolbennut gegeneinander zu verhindern.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kolbenringkombination bestehen in:

– erheblich verlängerten Ölwechselfristen,
– einem höheren mittleren Drehmoment (mehr Leistung),
– gleichmäßigere Beanspruchung des Kolbens, vor allem bei Hochleistungsmotoren oder Dieselmotoren mit kleinem Kolbendurchmesser,
– bessere Laufruhe und einem späteren Zündzeitpunkt bzw. Förderbeginn,
– längere Motorlaufleistung bei durchschnittlich geringerer Umweltbelastung (Schadstoffreduzierung, weniger Ölaustritt am Kurbelgehäuse usw.),
– niedrigerer Kraftstoffverbrauch,
– einem besonders günstigen Kaltstartverhalten.

An Hand von Zeichnungen werden einige Ausführungsbeispiele der Kolbenringkombination näher beschrieben.
Es zeigen:
1a: Die beiden Ringe der Kolbenringkombination in einer Darstellung lose übereinander,
1b: Die beiden Ringe der Kolbenringkombination im Verbund,
2: Die Kolbenringkombination in einer Seitenansicht und montiert in einer Kolbennut,
3: Eine Darstellung der Kolbenringkombination im Schnitt A-A nach 1b,
4: Eine Darstellung der Kolbenringkombination im Schnitt B-B nach 1b,
5: Eine Ausführung der Kolbenringkombination mit gegenseitig ansteigender und abnehmender Wandstärke der Kolbenringe.
In den 1a und 1b ist der grundsätzliche Aufbau der neuen Kolbenringkombination mit dem äußeren Ring 3 und dem inneren Ring 4 in zwei perspektivischen Ansichten ohne Kolben 1 und Zylinder 2 dargestellt. 1a zeigt die beiden Ringe 3, 4 einzeln übereinander und 1b die Ringe 3, 4 im Verbund, so wie sie in einer Kolbennut 8 eingebaut sind.
Der äußere Ring 3 ist dabei der Hauptring und der innere Ring 4 dient als Abdicht-, Feder- und Verschlussring.

1: Kolben
2: Zylinder
3: Äußerer Kolbenring, Hauptring
4: Innerer Kolbenring
5: Ringstoß äußerer Ring
6: Ringstoß innerer Ring
7: Formkörper, Ringstoßverschluss
8: Kolbennut
8a: Kolbennuttiefe
9: Abflachung am Ringstoß
10: Nase
11: Einkerbung Kolbennut
12: Profil

Claims

Kolbenringkombination zur Abdichtung eines Kolbens (1) gegenüber einem Zylinder (2) mit einem Verschluss des Ringstoßes (5, 6) durch zwei in der Kolbennut (8) ineinander liegenden Ringe (3, 4), deren Ringstöße (5, 6) versetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der äußere Kolbenring (3) am Ringstoß (5) eine beidseitige symmetrische und stufenförmige Abflachung (9) besitzt, wobei die Stufenhöhe von der Zylinderwand (2) in Richtung Kolbennuttiefe (8a) gleich, steigend oder in Stufen steigend ausgebildet ist, – der innere Kolbenring (4) einen L-förmig abgewinkelten Formkörper (7) besitzt, der in die Abflachung (9) am Ringstoß (5) des äußeren Kolbenrings (3) derart eingreift, dass der Ringstoß (5) seitlich und von der Nuttiefe (8a) bis zur Zylinderwand (2) abgedeckt ist.
Kolbenringkombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (7) trapezförmig geformt ist, wobei die kürzere Seite des Trapezes zur Zylinderwand (2) weist.
Kolbenringkombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (7) rechteckig geformt ist.
Kolbenringkombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am inneren Kolbenring (4) eine Nase (10) für den Eingriff in eine Einkerbung (11) in der Kolbennut (8) angeordnet ist.
Kolbenringkombination nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nase (10) am Formkörper (7) angeordnet ist.
Kolbenringkombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Ring (3) und der innere Ring (4) über ihren Umfang, gegeneinander um 180° versetzt, eine gleichmäßig ansteigende und abnehmende Wandstärke besitzen, so dass die gemeinsame Wandstärke der Kolbenringkombination an jeder Stelle des Umfanges gleich ist.
Kolbenringkombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem inneren Ring (4) und dem äußeren Ring (3) ein ineinandergreifendes Profil (12) angeordnet ist.