DE19514918C2 - Kolben für Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Kolben für Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Zur Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads von Brennkraftmaschinen ist die Erhöhung des Verbrennungshöchstdrucks eine wirksame Methode. Mit der Erhöhung des Verbrennungshöchstdrucks erhöht sich jedoch auch die Belastung der brennraumbegrenzenden Bauteile, wie Kolben, Kolbenringe, Zylinderlaufbuchse. Insbesondere der erste, obere Kolbenring ist höchsten Druckbelastungen ausgesetzt.

Bekannt ist es aus der EP 0 495 129 B1, Kolbenringe am Kolben einer Brennkraftmaschine so auszubilden, daß die Druckverhältnisse an den brennraumbegrenzenden Bauteilen verbessert werden können. Gemäß dem genannten Stand der Technik ist eine Brennkraftmaschine mit jeweils einem Kolben in Zylindern vorgesehen, wobei ein erster oberer Ring und ein zweiter unterer Ring am Kolben angebracht ist. Zwischen dem Zylinder, dem Kolben, dem ersten oberen und dem unteren Ring ist eine Gaskammer gebildet, die über einen Gasdurchgang mit einem Brennraum der Brennkraftmaschine verbunden ist, so daß der Druck aus dem Brennraum in der Gaskammer und damit ständig der gleiche Druck auf Ober- und Unterseite des ersten oberen Kolbenrings anliegt. Die ständige Verbindung der Gaskammer mit dem Brennraum führt zu einer verringerten Dichtwirkung der Kolbenringe.

Aus der JP 58-167850 A, die als nächstkommender Stand der Technik anzusehen ist, geht es bereits als bekannt hervor, Kanäle vorzusehen, die im Kolben verlaufen und Verbindungen zwischen verschiedenen Kolbenringnuten darstellen, wobei die Kanäle jeweils vom Nutgrund einer ersten Kolbenringnut ausgehen und im oberen Anlagenbereich des Kolbenrings einer zweiten Kolbenringnut münden. Mit dieser Ausbildung soll die Beanspruchung insbesondere des obersten Kolbenrings verringert werden, weil dadurch während des Verdichtungs-Verbrennungstaktes auf der Unterseite des Kolbenrings der Brennraumdruck anliegen kann. Nachteil ist, daß die Kolbenringe bei oberer Anlage an der Kolbenringnut die Mündungen der Kanäle überdecken, was hinsichtlich der Dichtwirkung gegen Öldurchtritt ungünstig ist.

Beim Kolben nach der DE 39 24 982 A1 sind die Kolbenringnuten an den Oberseiten mit radialen Durchlässen versehen, die auch bei oberer Anlage der Kolbenringe offen bleiben. Im Kompressionstakt und im ersten Teil des Arbeitstakts liegen die Kolbenringe gut dichtend an der unteren Flanke an. Über die radialen Durchlässe erfolgt nach dem Flankenwechsel im zweiten Teil des Arbeitstakts ein Druckausgleich. Als Nachteil ist zu sehen, daß über die offenen Kanäle Öl ständig ungehindert und in großer Menge in den Brennraum abströmen kann.

Aus der DE 28 49 276 A1 geht ein Kolben mit Kolbenringen als bekannt hervor, die ballige Außenflächen haben. Verbindungskanäle zwischen Brennraum und den zwischen den Kolbenringen eingeschlossenen Räumen sind nicht vorhanden, sodaß ein Druckausgleich nicht möglich ist.

Der aus der US-PS 2,356,909 ersichtliche Kolben weist eine Verbindungsleitung im Kolben auf, die den Nutgrund von drei Kolbenringe enthaltenden Nuten verbindet. Diese Verbindungsleitung dient allerdings nur dazu, den im Brennraum herrschenden Verbrennungsdruck auf der Rückseite aller drei Kolbenringe wirken zu lassen, um eine verbesserte radiale Anpressung der Kolbenringe an die Zylinderwandungen zu erreichen. Ein Druckausgleich zwischen radial einwärts und auswärts an die Kolbenringe anschließende Räume ist jedoch nicht vorgesehen. Vielmehr haben die Kolbenringe geringstmögliches axiales Spiel, sodaß ein Vorbeiströmen von Verbrennungsgasen verhindert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Dichtwirkung der Kolbenringe gegen Öldurchtritt zu verbessern.

Die Lösung erfolgt mit einem Kolben für Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Gemäß der Erfindung ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Dieselmotoren, mit einer ersten, oberen Nut am Umfang des Kolbens, einem ersten, oberen Kolbenring, der in der ersten, oberen Nut angeordnet ist, und mindestens zwei weiteren unteren Nuten am Umfang des Kolbens, in denen jeweils untere Kolbenringe enthalten sind, versehen. Die Kolbenringe sind zwischen zwei Anlagepositionen beweglich in den Nuten angeordnet, und wirken für den Druck- und Ölaustausch wie Ventile. Eine Verbindungsleitung führt, außerhalb der Anlagebereiche der Kolbenring, von einem Nutgrund der ersten oberen Nut durch den Kolben zu mindestens einem Raum zwischen einem äußeren Umfang des Kolbens, zwei Kolbenringen und dem inneren Umfang des Zylinders. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Verbindungsleitung von einem Nutgrund der ersten oberen Nut durch den Kolben zu einem oder mehreren Nutgründen der unteren Nuten ist für die Druckverhältnisse in den Räumen zwischen den Kolbenringen und damit für die Anlage der Kolbenringe von Bedeutung. Bei einer Anlageposition an einer oberen Wandung der ersten oberen Nut schließt der obere Kolbenring die Verbindung vom Brennraum zum Nutgrund der ersten oberen Nut und zur Verbindungsleitung und damit die Druckverbindung vom Brennraum zu den Räumen zwischen den Kolbenringen. Solange ein Kolbenring an der oberen Wandung der Nut anliegt, kann aus einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine Öl in die Nut fließen, das beim Wechsel der Anlage des Kolbenrings von der oberen zu einer unteren Wandung der Nut um den Kolbenring herum in Richtung Brennraum strömt. Liegt der Kolbenring an der unteren Wandung der Nut an, kann kein Öl in die Nut nachströmen. Die Menge des in Richtung Brennraum strömenden Öls wird größer je länger der Kolbenring an der oberen Wandung der Nut anliegt. Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Verbindungsleitung wird die Dauer, während der der Kolbenring an der oberen Wandung der Nut anliegt, verkürzt und damit auch die Dichtwirkung der Kolbenringe verbessert. Während eines Ausschubtakts verschiebt sich der Kolbenring aufgrund der Kolbenverzögerung in die obere Anlage und während eines anschließenden Ansaugtakts verschiebt sich der Kolbenring gemäß der Erfindung früher in die untere Anlage als dies bei Kolbenringen gemäß dem genannten Stand der Technik erfolgt, wobei der frühere Wechsel der Anlage des Kolbenrings gemäß der Erfindung von oben nach unten bedingt ist durch den geringeren Druck auf die Unterseite des Kolbenrings. Der Druck auf die Unterseite des Kolbenrings ist geringer, weil der erste obere Kolbenring während der Anlage an der oberen Wandung der ersten oberen Nut den Durchgang vom Brennraum zur Verbindungsleitung verschließt, sodaß der Druck des Brennraums nur auf die Oberseite des ersten oberen Kolbenrings wirkt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die geometrischen Verhältnisse der Verbindungsleitung an die gewünschten Druckverhältnisse zwischen Ober- und Unterseite der Kolbenringe angepaßt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Kolbenringe zur Druckentlastung mit balligen Außenflächen versehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Kolbens mit Verbindungsleitung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm der Bewegungen eines Kolbenrings in einem Kolben mit Verbindungsleitung gemäß der Erfindung, und

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines alternativen Kolbens mit Verbindungsleitung gemäß der Erfindung.

Fig. 1: Eine Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) weist einen Zylinder mit einer Zylinderlaufbuchse 1 auf. Ein Kolben 2 ist an seinem Außenumfang nahe einem Brennraum 3 des Zylinders mit einer ersten oberen Nut 4 und weiter unterhalb in Richtung einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine mit einer weiteren unteren Nut 5 ausgestattet. Unterhalb der unteren Nut 5 ist in Richtung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere untere Nut (nicht dargestellt) in dem Kolben 2 enthalten.

In den Nuten 4, 5 sind Kolbenringe 6, 7 beweglich angeordnet. Von einem Nutgrund 8 der Nut 4 verläuft eine Verbindungsleitung 10 zunächst ein Stück 11 radial nach innen, um ein Stück 12, das dem mittleren Abstand zwischen den Nuten 4 und 5 entspricht, in Laufrichtung des Kolbens 2 und von da ein Stück 13 radial nach außen durch den Kolben 2 bis zu einem Nutgrund 9 in der Nut 5. An das Stück 12 kann unter der Voraussetzung, daß der nächste untere Kolbenring (nicht dargestellt) nicht ein Ölring ist, in Richtung zur Kurbelwelle eine weitere Verbindungsleitung 14 anschließen aus einem Stück 15 in Laufrichtung des Kolbens 2 und von da ein weiteres Stück 16 radial nach außen durch den Kolben 2 bis zum Außenumfang des Kolbens 2.

Fig. 2: Während eines Kompressionshubs von einem unteren Totpunkt des Kolbens 2 zu einem oberen Totpunkt mit Zündung liegen die Kolbenringe 6, 7 an unteren Wandungen 19, 20 der Nuten 4, 5 an. Die Verbindung vom Brennraum 3 zu der Verbindungsleitung 10 am Kolbenring 6 bleibt auch während des anschließenden Verbrennungstakts geöffnet, so daß sich ein aus dem Brennraumdruck abgeleiteter Druck zwischen den Kolbenringen 6 und 7 aufbaut. Während eines ersten, an den Verbrennungstakt anschließenden Abschnitts des Ausschubtakts verbleiben die Kolbenringe 6, 7 an unteren Wandungen 19, 20 der Nuten 4, 5 und verhindern weiterhin das Eindringen von Öl in die Nuten 4, 5. Noch während des Ausschubtakts heben die Kolbenringe 6, 7 aufgrund der Kolbenverzögerung von den unteren Wandungen 19, 20 der Nuten 4, 5 ab und legen sich an obere Wandungen 21, 22 der Nuten 4, 5 an. Öl dringt in die Nuten 4, 5 ein. Die Verbindung vom Brennraum 3 zu der Verbindungsleitung 10 ist von Kolbenring 6 unterbrochen, so daß sich der aus dem Brennraumdruck abgeleitete Druck zwischen den Kolbenringen 6 und 7 abbaut. Der Druck auf die Unterseite des Kolbenrings 6 ist reduziert, so daß während der anschließenden Ansaugphase die Kolbenringe 6, 7 relativ früh wieder in Anlage an die unteren Wandungen 19, 20 wechseln und kein Öl aus dem Kurbelgehäuse in eine der Nuten 4, 5 nachströmen kann. Die Dichtwirkung der Kolbenringe 6, 7 ist durch die verkürzte Dauer, während der die Kolbenringe 6, 7 an den oberen Wandungen 21, 22 anliegen, verbessert.

Fig. 3: Entsprechende Merkmale der Erfindung sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 und Fig. 2 versehen. Kolben 2 ist an seinem Außenumfang nahe dem Brennraum 3 des Zylinders mit der ersten oberen Nut 4 und weiter unterhalb in Richtung Kurbelwelle der Brennkraftmaschine mit der weiteren unteren Nut 5 ausgestattet. Unterhalb der Nut 5 sind in Richtung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Nut (nicht dargestellt) in dem Kolben 2 enthalten, in der noch nicht ein Ölring sein darf.

In den Nuten 4, 5 sind Kolbenringe 6, 7 beweglich angeordnet. Von einem Nutgrund 8 der Nut 4 verläuft eine Verbindungsleitung 10 zunächst um ein Stück 11 radial nach innen, um ein Stück 12 in Laufrichtung des Kolbens 2 und von da um ein Stück 13 radial nach außen durch den Kolben 2 bis zum Außenumfang des Kolbens 2. Vom Nutgrund 9 der Nut 5 kann unter der Voraussetzung, daß der nächste untere Kolbenring (nicht dargestellt) nicht ein Ölring ist, in Richtung zur Kurbelwelle eine weitere Verbindungsleitung 14, deren Verlauf dem der Verbindungsleitung 10 entspricht, abgehen. Die Kolbenringe 6, 7 sind ballig ausgebildet an Außenflächen 23, 24, die der Zylinderlaufbuchse 1 zugewandt sind. Die balligen Außenflächen 23, 24 sind jeweils in einem Mittenbereich mit Öl benetzt, und in Randbereichen vom Gasdruck beaufschlagt.

Der Gasdruck zwischen einer Unterseite und einer Oberseite der Kolbenringe 6, 7 im Raum zwischen dem Außenumfang des Kolbens 2, der Zylinderlaufbuchse 1 und den Kolbenringen 6, 7 beträgt bei einer bevorzugten Geometrie und einem bevorzugten Querschnitt der Verbindungsleitungen 10, 14 zur Steuerung der Druckverhältnisse beispielsweise ca. 25% des Brennraumdrucks, so daß der Kolbenring 6 entlastet ist. Der Gasdruck im Raum zwischen dem Außenumfang des Kolbens 2, der Zylinderlaufbuchse 1 und den Kolbenringen 6, 7 kann aber je nach Auslegung der Verbindungsleitung auf ca. 50-60% des Brennraumdrucks angehoben werden.

Claims (3)

1. Kolben (2) für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Dieselmotoren, mit einer ersten oberen Nut (4) an einem Außenumfang des Kolbens (2), einem ersten oberen Kolbenring (6), der in der ersten oberen Nut (4) angeordnet ist, und mindestens zwei weiteren, unteren Nuten (5) am Außenumfang des Kolbens (2), in denen jeweils untere Kolbenringe (7) enthalten sind, wobei die Kolbenringe (6, 7) zwischen zwei Anlagepositionen axial beweglich in den Nuten (4, 5) angeordnet sind, und wobei ein Kanal besteht, der von einer im Kolben (2) verlaufenden Verbindungsleitung (10) und mit dieser kommunizierenden Spalten auf Ober- und Unterseite der Kolbenringe (6, 7) gebildet ist, wobei der Kanal den Nutgrund (8) der ersten oberen Nut (4) mit mindestens einem, vom Außenumfang des Kolbens (2), zwei Kolbenringen (6, 7) und einem inneren Umfang des Zylinders begrenzten Raum druckübertragend verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (10) jeweils außerhalb der Anlagebereiche der Kolbenringe (7) in den jeweils auf der Rückseite der Kolbenringe (7) befindlichen Nutgrund (9) mündet.

2. Kolben (2) für Brennkraftmaschinen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Verhältnisse in den Verbindungsleitungen (10) zur Steuerung der Druckverhältnisse zwischen jeweils einer Unterseite und einer Oberseite der Kolbenringe (6, 7) einstellbar sind.

3. Kolben (2) für Brennkraftmaschinen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenringe (6, 7) mit balligen Außenflächen (23, 24) versehen sind.