DE1476105A1 - Kolben- und Brennring - Google Patents

Description

Kolben- und Brennring

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben- und Brennring für Brennkraftmaschinen, besonders in Dieselmotoren.

Die Schwierigkeiten bei Dieselmotoren liegen im Hängenbleiben der oberen Kompressionsringe und im Festbrennen, insbesondere bei hochgezüchteten Maschinen, die mit höheren Drehzahlen laufen oder aufgeladen sind, um die Leistung der Motoren zu erhöhen·

Die normalerweise in diesen Hochleistungsmotoren benutzte Kolbenformgebung und Kolbenringanordnung ist so, daß der obere Kompressionsring in beträchtlichem Abstand vom Kolbenboden angebracht wird und dadurch einen nutzlosen großen Kopfsteg freiläßt. Dies trifft besondere auf Offenkammer-Dieselmotoren (Direkteinspritzung) zu, wo die Verbrennungskammer teilweise oder ganz im Kolben liegt. Die große Metallmasse am Kopfsteg und im Gebiet der Nut für den oberen Kompressionsring wird sehr heiß, da sie der Flamme des Verbrennungsprozesses ausgesetzt ist. Jedoch werden Brennstoff und Schmieröl nur teilweise in diesem Gebiet verbrannt und folglich bildet sich eine feste Ablagerung. Das Ergebnis kann zum Festbrennen führen, wenn die Ablagerung auf dem Steg so O dick wird, daß sie das normale Spiel zwischen dem ° Kolbensteg und der Zylinderwand ausfüllt. Ein Kolben-O3 fraß kann auch auftreten, wenn aAe Kohleablagerungen cn von teilweise verbranntem Brennstoff und Schmieröl _o das normale Spiel zwischen dem inneren Durchmesser

—*· des oberen Kompressionsrings und dem Innendurchmes-

co ser der Kolbennut oder zwischen der Ringfläche und

der Nutfläche ausfüllt. In den beiden letzteren Fällen wird der äußere Durchmesser des Rings ständig gegenüber den Kolbenstegen freigelegt, sobald das freie Spiel des Rings ausgefüllt ist. Wenn der Kolben während des normalen Betriebes leicht wackelt, entsteht ein sehr hoher Druck zwischen der Ringfläche und der Zylinderbohrung und deshalb tritt ein Festbrennen auf.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine bessere Kolben- und Brennringanordnung zu schaffen, um sowohl den Kopfsteg des Kolbens als auch seinen oberen Kompressionsring, welche sich auf dem Kolben in üblicher Lage befinden, zu schützen.

Ein weiteres Ziel ist, eine bessere Brennring- und Kolbenanordnung zu schaffen, die wirksam ist, um das Gebiet unterhalb des Brennrings gegen die Flammenfront abzuschirmen oder besser zu schützen, ohne daß die Brennringnut durch Kohleablagerungen verstopft wird·

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, eine bessere Kolben- und Brennringanordnung zu schaffen, die Wirksam ist, um die Zylinderwand von Ablagerungen freizuräumen, die sich im anderen Fall ihren Weg in die Kompressionsringnuten bahnen würden·

Die Erfindung ist in den Zeichnungen in Ausführungsbeispielen dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilaufriß einer Kolben-und Ringanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 einen Grundriß eines Brennringsegmentes der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt eines Teils der Fig. 1, die zwei Brennringsegmente zeigt, wie sie in der Brennringnut des Kolbens angeordnet sind.

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Fig. 4 einen Teilaueschnitt entsprechend Fig. 3t jedoch hiergegenüber im kleineren Maßstab, der eine abgewandelte Kolbennut für Aluminiumkolben darstellt,

Fig. 5 einen Teilausschnitt, ähnlich Fig. 4, der eine weitere abgewandelte Kolbennut zeigt und

Fig. 6 und 7 Teilaueschnitte ähnlich Fig. 3, jedoch im vergrößerten Maßstab, um die Arbeitsweise der Kolben- und Brennringanordnung von Fig. 3 ssu verdeutlichen·

In Fig. 1 wird der Kolben- und Brennring nach der vorliegenden Erfindung an einem üblichen Hochleistungskolben 10 angebracht dargestellt, wie er zum Zusammenspiel mit einem Zylinder 12 eines üblichen Dieselmotors, der weiter nicht dargestellt ist, angebracht ist. Der Kolben 10 ist Bit geeigneten, sich um den ganzen Umfang erstreckenden Ringnuten 14, 16 und 18 versehen, um entsprechende übliche obere und mittlere Kompressionsringe 20 und 22 und einen üblichen Ölabstreifring 24 aufzunehmen. Der Kolben 10 ist für eine Offenkammer-Dieselmaschine ausgelegt und daher mit einer großen Ausnehmung 26 im Kolbenboden versehen, die entweder den ganzen Verbrennungsraum oder einen Teil davon bildet. Im Ergebnis ist der obere Kompressionsring 20 in einem beträchtlichen Abstand von der BodenflKche 28 des Kolbens angeordnet und läßt dadurch einen ungewBhnlich großen Kopfsteg 30, der durch die Klammer in Fig· 1 angezeigt wird, stellen·

co In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird

to eine sich über den ganzen Umfang erstreckende Ringnut

^ 32 im Kopfsteg vorgesehen« die vorzugsweise so eng wie t" möglich an die Bodenfläche 28 de« Kolbens 10 gelegt o wird, soweit es die Fettigkeit des Stegmaterials zwi- ^ sehen der Nut 32 und der Bodenfläche 28 erlaubt. Eine *·* neue Brennringanordnung 3% 1st in die Nut 32 eingebettet, die vorzugsweise swei Stahlsegmente 36 und 38 aufweist, wie es übersichtlicher in Fig. 3 gezeigt wird.

Die Brennringsegmente eind gleioh und jedes bildet einen Kreis (Fig· 2) mit einem teilenden Spalt 39 und einer Süßeren Zylindergleitrandfläche 40, die entweder glatt sein kann, chromplattiert oder beschichtet oder plattiert mit einer anderen verschleißfesten Substanz;. Die Brennringsegmente können in der üblichen Art hergestellt werden, durch Biegen ron ge-* eignetem Stahlmaterial In die kreisförmige Ringform ν ron Fig. 2, einer Wärmebehandlung des Ringe bei 427°C (800°F), um die Biegespannung auf »uneben und, trenn es gewünscht wird, Plattieren der Außenfläche des Bittgs, um die Gleitfläche 40 «ti schaffen und dann VJüererhitzen, um die Plattierungsspannungen ku beseitigen· Während zwei Brennringsegmente 36« 38 bevorzugt werden, kann auch die Brennringanordnung au· einer Vielzahl solcher Segmente oder nur einem solchen Segment bestehen·

Sin kritisches Merkmal der Kolben- und Brennringanordnung liegt in der Dimensionsbeziehung der Brennringanordnung 34 in Bezug auf die Brennringnut 32 und den Durchmesser der Bohrung des Zylinders 12· Die ganze axiale Breite der zwei Brennringsegmente 36, 38« d.h. das Ausmaß der Segmente parallel zur Kolbenachse, ist beträchtlich geringer als die entsprechende axiale Breite der Brennringnut 32· Dies schafft ein relativ großes Ausmaß eines seitlichen oder axialen Spiels, so wie es in Fig· 3 zwischen der oberen Fläche 4l des Brennringsegmentes 36 und der oberen Wand 42 der Nut gezeigt ist, im Vergleich zu dem axialen Spiel, das normalerweise für einen üblichen Kompressionsring vorgeschrieben ist (gewöhnlich 0,05 - 0,10 mm m 0,002 0,004 inches)· Die Breite der Nut 32 wird durch den to Abstand zwischen der oberen Wand 42 und der unteren Wand 44 der Nut 32 festgelegt· Es ist herausgefunden worden, daß die besten Ergebnisse erhalten werden· Ot wenn die zwei Brennringe 36, 38 axial so dimensioniert ο sind, daß sich ein axiales Gesamtspiel über den Bereich JjJ von Ο.Ο76 - 0,305 mm (0,003 - 0,012 inches) ergibt.

der bevorzugte Bereich liegt zwischen 0,076 - 0,152 mm (0,003 - 0,006 inch·*)· Di· andere wichtige charakteriatische Dimension 4er Brennringsegmente 36, 38 sind ihre Außen- und Innendurchmesser in freien oder entspannten Zustand, wobei der Außendurchmesser in wesentlichen derselbe ist wie der Innendurchmesser der Bohrung des Zylinders 12, so dad dies· Segmente, wenn sie in Kolben 10 innerhalb d«s Zylinders 12 eingebaut sind, wenig oder keine radiale Kraft gegen die Zylinderwand ausüben· Der Innendurchmesser der Brennringsegmente 36, 38 i*t größer als der Innendurchmesser der Kolbennut 32, so daß die Segmente gegen die Bückwand 43 der Nut während der normalen Betätigung des Motors nicht anliegen oder aufstoßen· Somit wird deutlich, daß die Brennringanordnung 34 in der Kolbennut 32 eine Passung hat, die normalerweise als lose bezeichnet wird« Jedoch soll die Brennringanordnung 34 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung nicht eine 100 %±ge Abdichtung schaffen, wie es von einem Kompressionsring erwartet wird· Vielmehr ist es der Zweck dieser Brennringe, den Bereich unterhalb von ihnen vor der Flammenfront au schützen oder abzuschirmen und auch die Zylinderwand von Ablagerungen freigeräumt zu halten, die sich sonst ihren Weg in die Kompressionsringnuten 14 und l6 bahnen würden·

Die Arbeitsweise der Brennringsegmente 36 und 38 wird am besten in den Fig· 6 und' 7 dargestellt. Infolge des axialen Spiels in der Ringnut und des Fehlens eines radialen Drucks gegen die Wand des Zylinders 12 können die Brennringsegmente in der Hut 32 gegenüber dem Kolben 10 sich drehen und verlagern. Diese Bewegung wird durch Wechselwirkung des Kolbens im Zylinder erzeugt «o und führt zu einem Reinigungsprozeß zwischen den oberen U₃ und unteren Wänden 42 und 44 der Nut 32 und den änt- ^co sprechend benachbarten Oberflächen der Brennringseg-(n mente 36 und 38· Da die Brennringsegmente die Kompres-ο sion nicht vollständig abdichten, wird kein großer _m Druck hinter den Segmenten aufgebaut und sie werden ·** nicht mit extremen Drücken gegen die Zylinderwand

herausgepreßt. Vorzugsweise ist die radiale Dicke der Brennringsegmente 36, 38 im Vergleich zur axialen Breite groß, etwa im Verhältnis 6 ; 1, gegenüber einem üblichen Verhältnis von etwa 2*/4 t 1 für gewöhnliche Kompressionsringe· Ferner sind sie verhältnismäßig leicht, Dies führt infolge von Trägheitskräften zur Verringerung von Ringnutstößen·

Infolge ihrer verhältnismäßig losen Passung in der Nut 32, haben die Brennringsegmente 36 und 38 Platz in der Nut um zu kanten (d.h. eine Bewegung des Ringsegments von einer planeren in eine konische Form auszuführen) zwischen den gekippten Stellungen, die in durchgezogenen Linien in den Fig· 6 bzw· 7 gezeigt werden· Die ψ Kantbewegung rührt von dem nutzbaren kombinierten Effekt des Gasdrucks, der Trägheits- und Schwungkräfte und der Reibung zwischen den Brennringsegmenten 36, und der Zylinderwand während der Wechselwirkung des Kolbens her· Zum Beispiel nehmen die Ringsegmente 36, 38 beim Ansaugtakt eines 4-Taktmotors die aufwärtgekantete Stellung von Fig. 6 ein. Die abwarstgekantete Stellung, die mit durchgezogenen Linien in Fig. 7 gezeigt wird, ist ein Übergangszustand zu Beginn des Kompressionstakts· Während des restlichen Kompressionstakte, des Verbrennungstaktes und des Entladetaktes liegen die Ringsegmente 36, 38 flach gegen die Unterseite 44 der Nut 32 an, wie es in durchbrochenen Linien in Fig. 7 gezeigt wird. Diese Kantbewegung erzeugt das, was man eine •Bcheibenwischerwirkung" zwischen den Brennringsegmenten 36, 38 und der Wand des Zylinders 12 nennen könnte, die beim Sauberwischen der Zylinderwand hilft. Die Kantbewegung bewirkt auch, daß die aufeinanderliegenden Oberflächen der Brennringsegmente 36, 38 sich relativ zueinander radial bewegen, und sie hel-JP fen dabei, die Brennringanordnung sauber zu halten, so daß ihre Brennringsegmente 36, 38 frei davon bleiben, <n sich radial unabhängig voneinander zu bewegen, um den _o größten Kontakt zwischen der Brennringgleitoberfläche —* 4O mit der Wand des Zylinders 12 sicherzustellen·

Ist es erforderlich, eine Brennringanordnung nach der Erfindung in einen Kolben aus Aluminium oder einem anderen verhältnismäßig weichen Material einzubauen, wird vorzugsweise die abgewandelte Kolbenringauebildung, die in den Pig· 4 und 5 gezeigt wird, angewandt· In Fig. 4 wird ein Aluminiumkolben 50 teilweise gezeigt, der im allgemeinen dem Kolben 10 in der Formgebung und der Lage des oberen Kompressionsrlngs 20 und einer Nut 14 entspricht· Jedoch« anstatt eine Brennringnut direkt in das Kolbenmaterial zu gießen oder einzuarbeiten, wird ein ringförmiger Gußeiseneinsatz 54 in die Kolbenform gesetzt und das geschmolzene Aluminium wird rund um den Einsatz gegossen· Eine Brennringnut 56 wird dann in den Gußelseneinsatz 5k eingearbeitet, um die Brennringanordnung 34 aufzunehmen· Es ist selbstverständlich, daß die Dimensionsbeziehung zwischen der Brennringanordnung, der Einsatznut 56 und der Bohrung des Zylinders 12 so einzuhalten ist, wie in dem vorher beschriebenen Beispiel· Im anderen Fall kann der Aluminiumkolben 50, wie in Fig· 5 gezeigt wird, sogar mit einem größeren Gußeiseneinsatz 60 gegossen werden, der die Aufnahmestelle des Kompressionsring« 20 so gut umfaßt wie die Brennringanordnung 34· Dann werden sowohl eine Brennringnut 62 als auch eine Kompresslonsringnut 64 in den Einsatz 60 eingearbeitet, um die Brennringanordnung 3k und den oberen Kompressionsring 20 entsprechend aufzunehmen, dabei muß wieder die Dimensionsbeziehung, die hier offenbart wurde, beachtet werden. Auf diese Art kann das relativ weiche Aluminium oder anderes Material des Kolbens 50 von dem Abriebeffekt der Scheibenwischerwirkung der Brennringanordnung 34 isoliert werden·

Es ist deutlich, daß der zuvorerwähnte Bereich des axialen Spiels zwischen der Brennringanordnung 34 und der Nut 32 auf einen Bereich von Kolbengrößen angewandt werden soll, der laufend in bekannten Dieselmotoren des Hochleistungstyps eingebaut wird· Es ist auch die untere Grenze des zuvorerwähnten axialen

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Spiele kritischer als die obere Grenze· Venn weniger als das vorgeschriebene Spiel vorgesehen wird, wird ein Hängenbleiben der Ringe auftreten, wie in Brennringkonstruktionen nach dem Stand der Technik· Wenn mehr Spiel vorgesehen wird als für die obere Grenze besagten Bereichs vorgeschrieben ist, wäre die Brennringanordnung noch wirksam, um als Drossel zu dienen, um die Kompressionsringe darunter gegen die Flammenfront abzuschirmen und dabei die Gefahr des Hängenbleibens zu reduzieren, aber das überreichliche Spiel einer solchen Passung würde ein Klopfen der Brennringanordnung in der Brennringnut verursachen und zu einem überreichlichen Abrieb in der Ringnut führen·

Um lediglich ein Beispiel zu bringen, ohne dadurch den Gegenstand der Erfindung hierauf einschränken zu wollen, kann eine Kolben- und Brennringanordnung gemäß der Erfindung folgende Daten aufweisen!

Größte eigene axiale Veite

der Brennringsegmente 36, 38

beim Einbau ····«·······

Axiale Breite der Nut 32 Zyiinderbohrungs durchme s ser

Freier Außendurchmesser der Brennringsegmente 36, 38 ·

Eigene radiale Dicke der Brennringsegmente 36, 38

, · . 0,7874

(0,0310 inch··)

. . 1,727-1|753 mn« (0,068-0,069

inches)

• twalOl,6-130,2 nun (4,000- 5*125 inches)

im wesentlichen gleich dem Zylinderbahrungsdurohmesser

4,242-4,394 mm (0,167-0,173 inches) nach dem Plattieren

Spiel zwischen dem inneren
Durchmesser des Rings 24 und
dem Innendurchmesser der Kolbennut 32 ............ 8,128-1,066

(0,032-0,o42 inches)

Abstand über den Spalt 39 am

freien Außendurchmesser der

Brennringsegmente ········ 0,635-1«651 mm

(0,025-0,065 inches)

Material der Brennringsegmente. · ähnlich SJUS*-1070

909845/0153 gehärtet und getem

pert

Die oben beschriebenen Kolben- und Brennringbeispiele sind durch praktische Experimente belegt worden, daß sie weitgehend die Probleme des Hängenbleibens der oberen Kolbenringe und des Festbrennens reduzieren, besondere in Dieselhochleistungsmotoren· Die Brennringe der Erfindung reduzieren merkbar den Kohleniederschlag auf dem Kopfsteg des Kolbens und in der oberen Kompressionsringnut und verleihen dadurch einer Brennkraftmaschine eine beträchtlich längere Lebensdauer, sogar bei ungedrosseltem Betrieb, ohne ein Hängenbleiben weder der Dichtungs- noch der Brennringe. Es ist selbstverständlich, daß die Kolben- und Brennringanordnung, die hier offenbart wurde, gemäß der vorliegenden Erfindung ebenso bei anderen Dieselmotoren, die nicht dem Offenkammertyp angehören, wie auch bei Benzin- oder Gasmotoren angewandt werden kann, wenn die obenerwähnten Probleme auftreten·

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Claims (1)

1. /ο

   1) Kolbenringanordaung für BrennkraftMsehinen, gekennselehnet durch «1»·» Kopfsteg and einer de· Kopfsteg benachbarten Xeiqpressionsringnut, «owl« eine« darin !•lagerten Keapressiensrlng und einer Brennringnut, di· sieh in de« Kopfsteg «wischen der Koapree«ionsringnut und dem Kolbenboden innerhalb der Yerbren« nantrtiiir de« Zylinder· befindet« ferner dadurch, das der Brennring« der in der Brennringnut gelagert iet« eine axiale Stlrke aufweist, die geringer al· die axiale Tiefe der Brennringnut ist« um ein svi«ebenliegendes axiale· Spiel su schaffen« vodureh der Brennring kanten und eieh axial in der Brennringnut, infolge der Kolbenweehselvirkung, bewegen kann, wobei der Brennring einen freien AuAendurebjeeeaer aufweist, der ist wesentlichen gleich desi Innendurehaesser des Zylinders 1st« und einen freien Xnnendurehaeseer aufweist, der grtaer ist als der Innendurchaesser der Brennringnut, wodurch sich umr Brennring in Besug auf den Kolben, Infolge der Kolbenwechselwirkung, drehen kann·

   8) Kelbenringanordnung nach Anspruch 1, dadureh gekei se lohnet, den das axiale Spiel «wischen den Brennring und der Brennringnut groaer ist als das axiale Spiel »wischen dea Kompressionsring und der Koaprossionsringnut·

   3) Kolbenrlnganordnung nach Anspruch 1, dadureh gekennseiehnet, da· das axiale Spiel swisehen de« Brennring und der Brennringnut einen Bereich von etwa 0,076 0,2*5 ■■ (0,003 - «,«ta inches) aufweist.

   4) KolbenringanorejMtng nach Anspruch i« dadureh gekennseichnet« daS das axiale Spiel «wischen den Brennring und der Brennringnut eine» Bereich iron etwa 0,076 0,152 ■■ (0,003 * 0,006 inches) aufweist.

   909845/0153 BAD ORIGINAL

   3) IolMi»rin*au< >r4*uug Msh Anaprueh 1, 4a4urch gekcnn-. MiUiMt₁ te« der nrcnmrlng au· ilMi faar Rlngaigattnten b«ateht, 41· Ia aar Broimrlngaat Ü»*r«lnau4«r ft* lagert ftlnd, vomI j·«·· Ir«nmringe«gm9nt axial ■· 41-maaalemiart ist, 4*1 41« gauM axial· Dimenaioa jeM· Paar·* vom le gM nt en geringer let al· 41· axial· Dl» aanaiam aar Mmuurimgmit, vm 4a· axial· fpl«l ««1··μιι Faar MlmgMSMmt«a «b4 4»r lr«Murlaismt am aaaaft**·

   6) lalaaarlAfattardnttttg aa«h A&epru«h |_v MiihMt, 4aA j«4«· llPaaariagaagaWat «IM höh· T«rhlltAlasahl au· 4«r ■·■!·»«&« vom ra41al«r Ol«k· amr axlalam WrmtU im Y«r«l«idh «it Uhll«h«a Ko«t>r«««le&·-

   7) Kolh«iirlBsaaor4attag Hash Anawru«h €_v 4a4«reh MithMt, 4aB dl· ra41al· Dlek· aiur axialen Breite •in T«rhMltnl· voa «tn € ι 1 aufmlat, «ob«l 4aa r«rhSltala 4·· K«A«rtJi &«rthatt**ar· aar Breaarlasaaord· atoag et Ihrer radialen SIeJM etwa ·% ι t hetrttft.

   8) Kelli«nrin»aner4BMnf für ,

   ■aieamat durch «la«n r«latlT grola« Ko»fat«f au· aiat» TerhlltmlaaKBlf miilid Material wie Aluminium «aar Mh&ll«h«Bi_t wob«l φ** Kopf et· s alt aiaaav run«h«ruai laufenden rlngferais·» tune·tall·inmate au· aiaaa

   harten, iraraehlaiafaetaa Milailt wi· auao4*r Khnll«MBi beatvht un4 aar taijMtallaimaata ■lt aiaar darin au«g«blld«t«ii_t «i«h ttaar 4·η «aaaaa Uvfan« «retr«ekena«n Kln«aut₍ aavia alt «ln«r Mraaa*

   fareaha» iet_t 41· im 4«r ftimgamt g··

   lanrt let, wohai 4*r Breanrlns «iiM Olafe· aufweist, 41« garittfar let al· 41· axial· Dimamaiam aar Klngmmt und ao «im 4aawla«h«nll«Mn4·· axial.·· fpl«l •ehafft, wodurch aar Srammrimc lnfelf· aar •elwlrkune kanten und «leh axial in aar Vat kämmt ferner 4a4ar«h_t aal aar Srammrimg •imam fr«i«n AUMndurehMaa«r aufwallt, 4*r im waaemtlleMn gleich

   • J .

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   BAD ORIGiNAt

   dee Xnnendurohnesser des Zylinder* let und einen frei· •η Xnnendurebjeesser aufweist, der grtfAer 1st «1« der Durchmesser der Ringnut in dem Einsets, wodurch eich der Brsnnrlng gegenüber dem Kolben infolge der Kolbenweeheelvirlcang drehen kann*

   9) Kolbenringenordnung nach Anapruoh β, dadurch gekennflEeiehnet« daß der QuIkMteileineats eine »weite Ring» nut aufweist, die darin an der gegenüberliegenden Seite der ersten Ringnut ron der Texbrennungostirnfläohe des Kolbens ausgebildet 1st und daA ein Kompresslonering in der zweiten Ringnut des SinsatK.es wirksaai aufgenesnen ist*

   BAD ORIGINAL 9098A5/01S3

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