DE1912631B2

DE1912631B2 - Geschlitzter Kolbenring

Info

Publication number: DE1912631B2
Application number: DE1912631A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Sealed Power Corp
Current assignee: SPX Corp
Priority date: 1968-03-14
Filing date: 1969-03-13
Publication date: 1975-05-28
Also published as: ES365201A1; US3542376A; FR2003891A1; BE729749A; DE1912631A1; GB1221287A

Description

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Die Erfindung betrifft einen geschlitzten Kolbenring für den Kolben einer Brennkraftmaschine mit L-förmigem Querschnitt, dessen radialer Steg mit axialem Spiel in einer nahe der Kolbenstirnfläche vorgesehenen Ringnut und dessen axialer Steg in einer zur Kolbenstirnfläche hin mit radialem Spiel offenen Ausnehmung angeordnet sind, so daß die Stirnfläche des axialen Steges zwischen Kolbensiirnfläche und Zylinderwand dem Brennraum gegenüber freiliegt.

Ein bekannter Kolbenring dieser Bauart (US-PS Π 59 Obb) weist in expandierter Stellung eine erhebliche Spaltgröße auf. so daß sich beim Arbeitshub entsprechende Durchblasvcrluste ergeben, die durch diesen Spalt ermöglicht werden. Noch größer werden diese Durchblasvcrluste beim Saughub, da die vorhandene Spaltgröße eine starke Kontraktion des Kolbenringes ermöglicht, die zu einem Abheben der Dichtfläche des Kolbenringes von der Zyünderwandung führt.

Ferner ist ein geteilter, gußeiserner Ölring zur Vcr- ft.s wendung in der ölnut eines Kolbens bekannt (US-PS 66 943), bei dem eine Schraubenfeder dafür vorgesehen ist, unter erheblicher Vorspannung die in erster Linie radial auswärts gerichteten Kräfte zu erzeugen, die den Ölring bei hoher Flächenpressung in Abstreifanluge an der Zylinderwand bringen. Dabei ist die radial innere Fläche des Ölringes gegenüber der Zylinderfläche geneigt ausgebildet, um die Druckfeder in eine bestimmte Lage relativ zum Ölring, bzw. im Fall von > vei in der gleichen Ringnut übereinander angeordneten Ölringen. gegenüber diesen beiden Ölringen zu bringen, um die letzteren gleichmäßig radial nach außen zu

drücken.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird darin gesehen, einen Kolbenring der eingangs genannten Bauart zu schaffen, der eine erhebliche Verringerung der Durchblasverluste ermöglicht und im übrigen weniger Verschleiß verursacht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verhältnis der radialen Gesamtbreite zum Außendurchmesser des Kolbenringes näherungsweise 1/26. und das Verhältnis der Größe des zwischen den Enden des Kolbenringes vorhandenen Spaltes zum Außendurchmesser im Betriebszustand höchstens 0.005 ist, daß der Kolbenring so bemessen ist, daß er an der weitesten Stelle des Zylinders näherungsweise spannungsfrei in der Ringnut sitzt, und daß die innere Umfangsfläche des radialen Steges gegenüber der Kolbenringachse zur Kolbenstirnfläche und zur Zylinderwand hin geneigt ist und zwischen Ringnutgrund und Umfangsfläche eine Ringdruckfeder voi gesehen ist. die längs ihres Umfangs sowohl an der oberen Begrenzungsfläche der Ringnut als auch an der inneren Umfangsfläche angreift. Vorteilhaft ist das zweitgenannte Verhältnis 0.0017 oder 0.0025.

Durch die eilindungsgemäßc Bemessung des Spaltes ergeben sich in gewünschter Weise von vornherein geringe Durchblasverluste beim Arbeitshub des Kolbens, bei dem naturgemäß in der Brennkammer die höchsten Drücke auftreten. Doch auch bei den niedrigsten Driikken, nämlich beim Saughub, bleiben die Durchblasverlusie gering, da der nur kleine Spalt von vornherein auch nur ein entsprechend geringes Abheben der Dichtungsfläche des Kolbenringes von der Zylinderwandung erlauben würde. Darüber hinaus verbindet jedoch die an sich mit geringer Spannung an der Innenfläche des Kolbenringes anliegende Ringdruckfeder im Zusammenwirken mit der inneren Umfangsfläche des radialen Steges des Kolbenringes und mit der oberen Begrenzungsfläche der Ringnut ein Zusammendrücken des Kolbenringes, da dieses nur bei einem Zusammendrücken der Ringdruckfedcr erfolgen könnte. Dem Zusammendrücken setzt die Ringdruckfeder jedoch erheblichen Widerstand entgegen.

Darüber hinaus sorgt die Ringdruckfeder dafür, daß der Kolbenring stets in Anlage an der unteren Begrenzungsfläche der Ringnut verbleibt und somit das axiale Spiel zwischen dem radialen Steg des Kolbenringes und der oberen Begrenzungsfläche der Ringnut stets erhalten bleibt, was einerseits beim Arbeitshub eine gute Druckbeaufschlagung der inneren Umfangsfläche des radialen Steges mil dem Innendruck des Zylinders mit dem Ergebnis entsprechend guter Abdichtung gcwährleisiei. und andererseits für eine rundum satte Anlage des Kolbenringes an der unteren Begrenzungsfläche der Ringnut sorgt, so daß dementsprechend auch die radiale Außenfläche des Kolbenringes überall sau an der Zylinderwand anliegt.

Bei der eingangs erwähnten Bauart kann sich demgegenüber der Kolbenring von der unteren Begrenzungsfläche der Ringnut abheben, unter Umständen sogar

tuch noch ungleichmäßig, was zu einer Verdrehung h_zw Verdrillung des Kolbenringes und damit einer verschlechterten Anlage der an der Zylinderwand abdichtenden Außenfläche führen muß. da eine solche Verdrehung bzw. Verdrillung ein örtliches Abheben von 5 der Zylinderwand verursacht, was ein Durchblasen ermöglicht.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt ^I0

F j g. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem an der Zylinderwand anliegenden Kolbenring nach der Erfin-

F ig 2 eine Draufsicht auf einen Kolbenring nach 15 der Erfindung in kleinerer Darstellung.

ρ j g 3 einen Radialschnitt durch den Kolben nach Fig.l in Höhe des Kolbenringes.
Γ i g. 4 einen Schnitt längs der Linie 8-8 in F i g. 2, Fig 5 einen der Fig.4 entsprechenden Schnitt 20 durch eine abgeänderte Ausführungsform des Kolbenringes.

Die Ringnut 42 ist durch parallele obere und untere ßegrenzungsflächen 66 und 68, durch einen sich axial erstreckenden Ringnutgrund 70 und durch eine sich axial erstreckende vordere Wand 72 begrenzt. Die Wand 72 hat einen Durchmesser, der etwa 3.17 mm geringer ist als der theoretische Durchmesser der Z\- linderwand 22, so daß die Ringnut 42 zum Brennraum hin öffnet. Die Oberkante des Kolbens 20 ist abgeschrägt. Die abgeschrägte Mäche 74 schneidet die Kolbenstirnfläche 52 und die Wand 72 unter etwa 45 . wobei die Abschrägung etwa halbwegs /wischen der Kolbenstirnfläche 52 und der oberen Begren/ungsfläche 6b endet. Diese Abschrägung verringert ein Abplatzen der Oberkante des Kolbens bei der Herstellung oder Wartung und fördert den Gasfluß vom Brennraum zur Ringnut 42.

Der Kolbenring 40 hat einen L-förmigcn Querschnitt, wobei der radiale Steg 78 zwischen den oberen und unteren Begrenzungsflächen 66 und 68 verläuft. Der Kolbenring 40 hat eine radiale Gesamtbreite Tund eine axiale Dicke VK Der radiale Steg 78 weist eine radiale Breite a und eine axiale Dicke w auf. Der axiale Steg 80 des Kolbenringes 40 hat eine radiale Breite / und eine axiale Dicke b. Der Kolbenring 40 ist so konstruiert, daß die radiale Breite t gleich 1.14 mm bis 1.1b mm ist, wobei der Auöendurchmesser Odes Kolbenringes 40 an der Lauffläche, die dem theoretischen Innendurchmesser der Zylinderbohrung entspricht, im Bereich von etwa 76.2 bis 114,3 mm liegt. Die radiale Gesamtbreite Γ des Kolbenringes 40 ist vorzugsweise 3.55 mm. Unabhängig vom Außendurchmesser D ist die Gesamtbreite Γ verhältnismäßig klein im Vergleich zu herkömmlichen Breiten von Kolbenringen. Der Grund dafür besteht darin, daß der Kolbenring 40 ein »toter« Ring ist. d. h., daß sein Außendurchmesser O im freien oder entspannten Zustand nicht eingeengt durch Zylinderbohrung oder den Kolben der gleiche ist wie der Betriebsdurchmesscr. Der Kolbenring 40 ist also so bemessen, daß er in Bctriebsstcllung an der weitesten Stelle des Zylinders fast spannungsfrei in der Ringnut 42 sitzt. Wie in Γ i g. 2 dargestellt, wo sich der Kolbenring 40 in seinem freien Zustand befindet, ist somit zwischen den Enden 84 und .86 ein freier Spalt 82 vornanden, der so gering ist, daß das Verhältnis der Größe des Spaltes 82 zum Kolbcnring-Außendurchincssei D höchstens 0,005 ist. Wenn der Kolbenring 40 seinen Betriebsdurchmesser D hat, ist der Spalt zwischen den Enden 84 und 86 vorzugsweise gleich null, aber auf Grund von Herstellungstoleranzen und thermischer Ausdehnung des Kolbenringes 40 unter Betriebsbedingungen ist es gewöhnlich notwendig, einen Spalt von etwa 0,127 bis 0,38 mm vorzusehen, wenn der Kolbenring 40 auf einen Durchmesser D eingestellt wird. Weil der Kolbenring 40 ein toter Ring mit einem sehr geringen freien Spalt ist, ist es erforderlich, eine geringe radiale Gesamtbreite Γ vorzusehen, so daß der Kolbenring 40 nicht überspannt wird, wenn seine Enden 84 und 86 auseinandergespreizt werden, um ihn auszudehnen und über die Wand 72 nach unten zu schieben, um ihn in die Ringnut 42 einzusetzen.

Die axiale Dicke Wist verhältnismäßig groß, im Bereich von 3.175 mm im Vergleich zu den 1,58 mm der aualen Dickenabmessung einiger bekannter Druckkompressionsringe von gleichem Durchmesser. Bei solch einem breiten Kolbenring ist es unter Berücksichtigung des unausgeglichenen L-förmigen radialen Querschnitts wichtig, daß der Kolbenring 40 sich so weit wie möglich einem spannungslosen Ring (»toten« Ring) annähert, wobei der freie Spalt in nicht eingebautem Zustand und der Spalt im Betriebszustand gleich sind, so daß der Kolbenring 40 nicht gespannt wird beim Aufbringen auf den Beiriebsdurchmesser. Andernfalls verdrillt sich der Kolbenring, wenn er beim Schließen gespannt wird, wobei eine geringe Dichtungswirkung gegenüber der Begren/ungsfläche 68 festgestellt wurde. Vorzugsweise ist das Verhältnis der axialen Gesamtdicke W des Kolbenringes 40 zur axialen Dicke n des Steges 78 2:1. In einigen Fällen, sowohl aus Herstellungsgründen als auch um die radial wirkende Gasbelastung des Kolbenringes 40 zu verringern, kann es erwünscht sein, dieses Verhältnis etwas kleiner zu machen.

Bei der abgewandelten Ausführungsform des Kolbenringes gemäß F i g. 5 ist der Kolbenring 119 gleich dem Kolbenring 40 mit der Ausnahme, daß die Außenfläche 121 anstatt zylindrisch kegelslumpfförmig ist, wobei sie relativ zur Achse des Ringes 119 um etwa ein Grad nach oben und innen abgeschrägt ist.

Die innere Umfangsfläche 122 des radialen Steges des Kolbenringes 40 ist gegenüber der Kolbenringachse zur Kolbenstirnfläche 52 und zur Zylinderwand hin geneigt. Ferner ist /wischen Ringnutgrund 70 und der Umfangsfläche 122 eine Ringdruckfeder 130 vorgesehen, die längs ihres Umfangs sowohl an der oberen Begren/ungsfläche 66 der Ringnut 42 als auch an der inneren Umfangsfläche 122 angreift. Dies begünstigt die Offenhaltung des radialen Spiels 124, so daß die Brennkammergase leichten Zugang z.u dem durch das axiale Spiel gebildeten Zwischenraum zwischen der oberen Begren/ungsfläche 66 der Ringnut 42 und der Oberfläche 128 des radialen Steges 78 haben. Es wurde festgestellt, daß ein axiales Spiel /wischen dem radialen Steg 78 und den oberen und unseren Begren/ungsflächen 66 und 38 im Bereich von 0,0254 mm bis 0.101b mm gute Ergebnisse brachte.

Die Ringdruckfeder 130 weist Enden 132, (F i g. 3) auf, die aneinanderliegen. wenn die Ringdruckfeder 130 sich in der Ringnut 42 befindet. Für einen wie oben erwähnt dimensionierten Kolbenring 40 kann die Ringdruckfeder 130 aus einem Draht hergestellt sein, der einen Durchmesser von 0,254 bis 0,508 mm aufweist und dessen Windungen einen Außendurchmesser von etwa 1.5 mm besitzen. Vorzugsweise beträgt die Neigung der inneren Umfangsfläche 122 etwa 5 bis 10

Die Ringdruckfeder 130 bildet somit eine Art Verteilung zwischen der oberen Begrenzungsfläche 66 und der inneren Umfangsfläche 122, wobei gleichzeitig eine leichte Belastung des Kolbenringes 40 in Richtung auf die untere Begrenzungsfläche 68 der Ringnut 42 erfolgt.

Obgleich die Wirkung nicht völlig geklärt ist, tritt trotz des verhältnismäßig großen Spiels 124 durch Ansammlungen von Kohlenstoffablagerungen kein Festfressen des Kolbenringes 40 in der Nut 42 auf. Da der. Kolbenring 40 fast spannungsfrei in der Ringnut 42 sitzt, hat er kaum ein Bestreben, sich in der Ringnut 42 zu verdrehen, was seine Abdichtwirkung verringern würde. Es versteht sich, daß die Durchblasverluste besonders gering sind, wenn die Enden 84 und 86 des Kolbenringes 40 sogar etwas aufeinanderliegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Geschlitzter Kolbenring für den Kolben einer Brennkraftmaschine mit L-förmigem Querschnitt. dessen radialer Steg mit axialem Spiel in einer nahe der Kolbenstirnfläche vorgesehenen Ringnut und dessen axialer Steg in einer zur Kolbenstirnfläche hin mit radialem Spiel offenen Ausnehmung angeordnet sind, so daß die Stirnfläche des axialen Steges zwischen Kolbenstirnfläche und Zylinderwand dem Brennraum gegenüber freiliegt, d a durch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der radialen Gesamtbreite (T) zum Außendurchmesser (D) des Kolbenringes (40, 119) näherungsweise 1/26 und das Verhältnis der Größe des zwischen den Enden (84, 86) des Kolbenringes (40, 119) vorhandenen Spalts (82) zum Außendurchmesser (D) im Betriebszustand höchstens 0,005 ist, daß der Kolbenring (40, 119) so bemessen ist, daß er an der weitesten Stelle des Zylinders (20) näherungsweise spannungsfrei in der Ringnut (42) sitzt, und daß die innere Umfangsfläche (122) des radialen Steges (78) gegenüber der Kolbenringachse zur Kolbenstirnfläche (52) und zur Zylinderwand (22) hin geneigt ist und zwischen Ringnutgrund (70) und Umfangsfläche eine Ringdruckfeder (130) vorgesehen ist, die längs ihres Umfangs sowohl an der oberen Begrenzungsfläche (66) der Ringnut (42) als auch an der inneren Umfangsfläche (122) ;ingreift.

2. Geschlitzter Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der inneren Umfangsfläche (122) etwa 5 bis 10° beträgt.

3. Geschlitzter Kolbenring nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdruckfeder (130) in an sich bekannter Weise eine Schraubenfeder ist.

4. Geschlitzter Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweitgenannte Verhältnis 0.0017 ist.

5. Geschlitzter Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweitgenannte Verhältnis 0.002'"> ist.