DE19942241A1 - Hubkolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Bei einer Hubkolbenmaschine mit wenigstens einem Kolben (5), der mit wenigstens einem Kolbenring (6) versehen ist, der in einer zugeordneten Kolbenringnut (7) des Kolbens (5) angeordnet ist, die eine dem Kolbenring (6) zugeordnete Stützfläche (8) aufweist, lassen sich dadurch trotz hoher Pressungen im Bereich der Stützfläche (8) ein verschleißarmer Betrieb und eine lange Lebensdauer erreichen, dass der Kolbenring (6) zumindest im radial äußeren Bereich seiner der Stützfläche (8) zugewandten Unterseite zur Bildung von Öltaschen (13) und diesen benachbarten Auflagebereichen (18) mit Ausnehmungen (14, 15) versehen ist, denen eine Füllung (16, 17) zugeordnet ist, die aus einem Material mit von der Verschleißfestigkeit des Kolbenringgrundmaterials abweichender Verschleißfestigkeit besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Zweitakt-Großdieselmotor, mit wenigstens einem Kolben, der mit wenigstens einem Kolbenring versehen ist, der in einer zugeordneten Kolbenringnut des Kolbens angeordnet ist, die eine . dem Kolbenring zugeordnete Stützfläche aufweist, welche vorzugsweise zumindest im radial äußeren Bereich mittels einer Chromauflage verstärkt ist.

Die auf den Kolbenring wirkenden Kräfte erfahren in Folge der Auf und Abbewegung des Kolbens eine Richtungsänderung. Der Kolbenring wird daher zu Kippbewegungen angeregt. Dies führt im Bereich der radial äußeren Kante der Stützfläche der Kolbenringnut zu sehr hohen Pressungen, die den Schmierfilm beeinträchtigen können. Es kommt daher zu einer schlechten Schmierung und starken Abnutzung. Es wurde bereits versucht, dem dadurch entgegen zu wirken, dass die Stützfläche insbesondere im radial äußeren Bereich mit einer Verstärkungsauflage versehen wird. Dabei findet in der Regel Chrom Verwendung. Aber auch hierbei kommt es zu der oben erwähnten Abnutzung, wobei sich dies ganz besonders ungünstig auswirkt. In diesem Zusammenhang ist nämlich davon auszugehen, dass sich an der Oberfläche der Chromschicht eine dünne CrO-Schicht bildet, die in erwünschter Weise eine wesentlich höhere Härte als Chrom aufweist. Sobald jedoch diese CrO-Schicht zerstört ist, liegt das wesentlich weichere Chrom frei, so dass sich ein rasanter Verschleiß ergeben kann.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass trotz hoher Pressungen im Bereich der Stützfläche der Kolbenringnut ein verschleißarmer Betrieb und eine lange Lebensdauer erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kolbenring zumindest im radial äußeren Bereich seiner der Stützfläche zugewandten Unterseite zur Bildung von Öltaschen und diesen benachbarten Auflagebereichen mit Ausnehmungen versehen ist, denen eine Füllung zugeordnet ist, die aus einem Material mit von der Verschleißfestigkeit des Kolbenringgrundmaterials abweichender Verschleißfestigkeit besteht.

Im Neuzustand können die Ausnehmungen durch die zugeordnete Füllung ganz geschlossen sein. Es ergibt sich daher eine glatte unprofilierte Oberfläche, die einfach bearbeitet werden kann.

Bereits während der Einlaufphase bilden sich aber in Folge des schnelleren Verschleißes des weicheren Materials die gewünschten Öltaschen, deren Tiefe dabei in erwünschter Weise sehr klein ist, die aber mit zunehmendem Verschleiß des Kolbenrings in einem davon abhängigen Umfang fortschreiten, so dass während der gesamten Lebensdauer die erwünschten Öltaschen vorhanden sind. In diesen Öltaschen kann Schmieröl gespeichert werden, das bei stoßartig auftretenden Pressungen in den Spalt zwischen der Stützfläche der Kolbenringnut und den die Öltaschen umgebenden, kolbenringseitigen Auflageflächen hineingepresst werden. Da die Öltaschen eine vergleichsweise kleine Tiefe und damit ein vergleichsweise kleines Fassungsvermögen besitzen, ergibt sich praktisch ein dünner Ölfilm, der über der gesamten Kolbenringfläche trägt, so dass kein lokaler Anstieg der Flächenpressung zu erwarten ist. Die obigen Ausführungen zeigen, dass mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen die eingangs gestellte Aufgabe auf höchst einfache und kostengünstige Weise gelöst wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann das die Füllung der Ausnehmungen bildende Material eine geringere oder eine höhere Verschleißfestigkeit als das Kolbenringgrundmaterial aufweisen. Im ersten Fall bilden sich die Öltaschen im Bereich der mit einer Füllung versehenen Ausnehmungen. Im zweiten Fall entstehen die Öltaschen im Bereich zwischen den mit einer Füllung versehenen Ausnehmungen. Im ersten Fall kann aus der Stützfläche ausbrechendes Material in das vergleichsweise weiche Füllungsmaterial hineingedrückt und so fixiert werden. Auf diese Weise läßt sich eine freie Bewegung dieser Materialpartikel stoppen, wodurch hiervon verursachten Zerstörungen vorgebeugt ist. Im zweiten Fall kann ein gegenüber dem Kolbenringgrundmaterial wesentlich härteres Material gewählt werden, so dass sich ein nur sehr langsam fortschreitender Verschleiß ergibt.

Als gegenüber dem Kolbenringgrundmaterial weicheres Füllungsmaterial kann zweckmäßig eine Aluminium-Bronze Verwendung finden, welche Aluminium, Eisen und Kupfer enthält. Zur Bildung des gegenüber dem Kolbenringgrundmaterial härteren Füllungsmaterials kann eine Aluminium-Bronze Verwendung finden, welche Aluminium, Eisen, Mangan, Silicium, Kohlenstoff und Kupfer enthält.

In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen können die Ausnehmungen zumindest teilweise als voneinander beabstandete Nuten und/oder als gleichmäßig über die zugeordnete Fläche verteilte Sackbohrungen ausgebildet sein. Im ersten Fall ergibt sich eine vergleichsweise einfache Herstellung. Im zweiten Fall ergibt sich eine besonders gute Verteilung über die jeweils zugeordnete Fläche.

Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, dass der radial innere Bereich der Kolbenringunterseite ausnehmungsfrei ist. Hiermit läßt sich ein unerwünschter Gasdurchtritt besonders zuverlässig vermeiden, wenngleich auch die Füllung der Ausnehmungen, die im radial inneren Bereich der Kolbenringunterseite langsamer verschleißt als im äußeren Bereich, einem Gasdurchtritt entgegenwirkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung an Hand der Zeichnung näher entnehmbar.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Zylinder eines Zweitakt-Großdieselmotors teilweise im Schnitt,

Fig. 2 einen Radialschnitt durch einen Kolbenring mit zugeordneter Kolbenringnut,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit weicher Füllung der Ausnehmungen an Hand eines vergrößerten Ausschnitts der gegenseitigen Anlagebereiche von Kolbenring und Kolbenringnut,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit harter Füllung der Ausnehmungen in Fig. 3 entsprechender Darstellung,

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Unterseite eines Kolbenrings mit nutförmigen Ausnehmungen und

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Unterseite eines Kolbenrings mit bohrungsförmigen Ausnehmungen.

Die vorliegende Erfindung findet Anwendung bei Hubkolbenmaschinen, insbesondere Hubkolbenbrenn­ kraftmaschinen, vorzugsweise langsam laufenden Zweitakt- Großdieselmotoren in Kreuzkopfbauweise. Der Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Anordnungen sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr.

Der in Fig. 1 dargestellte Zylinder eines Zweitakt- Großdieselmotors enthält eine mit Einlaßschlitzen 1 versehene Zylinderbüchse 2, auf die ein nur teilweise dargestellter, eine nicht gezeichnete Auslaßanordnung enthaltender Zylinderkopf 3 aufgesetzt ist. Dieser bildet die obere Begrenzung eines Brennraums 4, dessen untere Begrenzung durch einen im Zylinder angeordneten, auf und abbewegbaren Kolben 5 gebildet wird, der in nicht dargestellter Weise über eine Kolbenstange mit einem Kreuzkopf verbunden ist, der über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle zusammenwirkt.

Der Kolben 5 ist mit einem hier aus vier Kolbenringen 6 bestehenden Kolbenringpaket versehen. Die Kolbenringe 6 sind, wie am besten aus Fig. 2 erkennbar ist, in einer jeweils zugeordneten Kolbenringnut 7 des Kolbenmantels angeordnet. Die Unterseite der Kolbenringe 6 liegt dabei auf einer zugeordneten, unteren Stützfläche 8 der zugehörigen Kolbenringnut 7 auf. Die äußere Umfangsfläche der Kolbenringe 6 ist als Lauffläche ausgebildet und liegt an der ebenfalls als Lauffläche ausgebildeten Innenseite der Zylinderbüchse 2 an.

Zur Schmierölversorgung der Laufflächen der Kolbenringe 6 und der Zylinderbüchse 2 sowie der gegenseitigen Anlageflächen der Kolbenringe 6 und der jeweils zugeordneten Kolbenringnut 7 kann die Zylinderbüchse 2, wie in Fig. 1 angedeutet ist, mit radialen Schmierölbohrungen 9 versehen sein, die über eine nicht näher dargestellte Einrichtung im Takt des Motors mit Schmieröl beaufschlagt werden können.

Die Kolbenringnuten 7 besitzen gegenüber dem jeweils zugeordneten Kolbenring 6 Übermaß, so daß sich oberhalb und radial innerhalb der Kolbenringe 7 ein in Fig. 2 sichtbarer Spalt 10 ergibt, der über den Spalt 11 zwischen Kolben 5 und Zylinderbüchse 2 mit dem Brennraum 4 verbunden ist und so während des Betriebs mit Brenngas beaufschlagt wird. Hieraus resultieren auf die Kolbenringe wirkende, nach radial außen gerichtete Radialkräfte und nach unten gerichtete Axialkräfte. Durch die Radialkräfte werden die Kolbenringe 6 an die Zylinderbüchse 2 angepresst. Durch die Axialkräfte werden die Kolbenringe 6 mit ihrer Unterseite an die jeweils zugeordnete Stützfläche 8 angepresst. Den aus dem Druck im Brennraum 4 resultierenden Axialkräften sind die Reibungskräfte überlagert, die bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 5 nach unten und bei der Abwärtsbewegung des Kolbens nach oben gerichtet sind.

Die nach unten gerichteten Kräfte führen zu einer sehr starken Pressung zwischen der Unterseite der Kolbenringe 6 und der jeweils zugeordneten nutseitigen Stützfläche 8. Die Stützfläche 8 ist daher durch eine vorzugsweise aus Chrom bestehende Auflage 12 verstärkt. Chrom besitzt zwar nur eine Härte von etwa 300 HV. An der Oberfläche der Chromschicht 12 bildet sich jedoch eine dünne CrO-Schicht, die eine wesentlich höhere Härte von etwa 800 HV erreicht, so dass sich gute Lagereigenschaften ergeben.

Auf Grund des Kraftrichtungswechsels bei der Auf- und Abbewegung des Kolbens 5 führen die Kolbenringe 6 eine leichte Kippbewegung aus, wodurch die Pressung im radial äußeren Bereich der Stützfläche 8 besonders stark wird. Dieser Bereich umfaßt etwa ein Drittel der Breite der Stützfläche 12. Auf Grund dieser hohen Pressung kann es ohne zusätzliche Maßnahmen zu einer Zerstörung des Ölfilms kommen, so dass die harte CrO- Schicht sehr schnell abgetragen wird und danach das vergleichsweise weiche Chrom frei liegt, was dann zu einem noch rasanter fortschreitenden Verschleiß führt.

Um dem entgegen zu wirken, sind die Kolbenringe 6 zumindest in ihrem dem radial äußeren Bereich der Stützfläche 8 zugeordneten Bereich ihrer Unterseite mit in Fig. 2 lediglich angedeuteten Öltaschen 13 versehen, denen in Fig. 2 nicht sichtbare, jedoch in den Fig. 3 und 4 gezeichnete Auflagebereiche 18 benachbart sind. Die Öltaschen 13 fungieren als Ölreservoir.

Zur Bildung der genannten Öltaschen 13 sind die Kolbenringe 6, wie am besten aus den Fig. 3 und 4 erkennbar ist, im Bereich ihrer Unterseite mit Ausnehmungen 14 bzw. 15 versehen, denen eine Füllung 16 bzw. 17 zugeordnet ist, die aus einem Material mit von der Verschleißfestigkeit des Grundmaterials der Kolbenringe 6 abweichender Verschleißfestigkeit besteht.

Bei dem der Fig. 3 zu Grunde liegenden Beispiel liegt der Füllung 16 der Ausnehmungen 14 ein Material mit gegenüber der Verschleißfestigkeit des Kolbenringgrundmaterials geringerer Verschleißfestigkeit zugrunde. Zur Bildung der Füllung 16 kann dabei eine Alumium-Bronze Verwendung finden, die Aluminium, Eisen und Kupfer enthält. Vorteilhaft können dabei 2%-20%, vorzugsweise 9%-11% Al, 0,5%-8%. vorzugsweise 0,5%-2% Fe und Rest Cu vorgesehen sein.

Im Neuzustand können die Ausnehmungen durch die zugeordnete Füllung ganz geschlossen sein. Es ergibt sich daher eine glatte, unprofilierte Oberfläche, die einfach bearbeitet werden kann. Bereits während der Einlaufphase bilden sich aber in Folge des schnelleren Verschleißes des Füllungsmaterials gegenüber dem Grundmaterial die gewünschten Öltaschen 13, die eine vergleichsweise geringe Tiefe besitzen und somit als vergleichsweise seichtes Öltreservoir fungieren.

Die außerhalb der Ausnehmungen 14 sich befindenden Bereiche der Kolbenringunterseite bilden die oben schon erwähnten Auflagebereiche 18. Das in den Öltaschen 13 gespeicherte Öl wird in Folge einer stoßartig auftretenden Pressung seitlich weggedrückt und gelangt dabei zwangsläufig in den Spalt 19 zwischen der kolbenringnutseitigen Stützfläche 8 und den kolbenringseitigen Auflageflächen 18. In Folge des vergleichsweise geringen Ölvolumens und der vergleichsweise geringen Tiefe der Öltaschen 13 ergibt sich dabei ein über die ganze Stützfläche 8 durchgehender, dünnen Ölfilm, der über der ganzen Stützfläche 8 gleichmäßig trägt, so dass trotz der vorhandenen Öltaschen 13 keine örtliche Zunahme der Flächenpressung im Bereich der Auflagefläche 18 erfolgt.

Bei dem der Fig. 4 zu Grunde liegenden Beispiel besitzt das die Füllung 17 der Ausnehmungen 15 bildende Material eine gegenüber der Verschleißfestigkeit des Kolbenringgrundmaterials höhere Verschleißfestigkeit. Im Neuzustand können die Ausnehmungen 15 dabei ebenfalls vollständig gefüllt sein, so dass sich eine glatte, unprofilierte Oberfläche ergibt, die einfach bearbeitet werden kann. Bereits während der Einlaufphase bilden sich hier in Folge des schnelleren Verschleißes des Kolbenringgrundmaterials gegenüber dem Füllungsmaterial die gewünschten Öltaschen 13 im Bereich zwischen den Füllungen 17 der Ausnehmungen 15. Die Füllungen 17 bleiben dabei stehen bzw. verschleißen nur sehr langsam und begrenzen die Öltaschen 13.

Als geeignetes Material kann hier eine Alumium-Bronze Verwendung finden, die zumindest Aluminium, Eisen, Mangan, Silicium, Kohlenstoff und Kupfer enthält. Vorzugsweise kann dieses Material 2%-20% Al, 0,5%-10 Fe, 0,1%-8% Mn, = , 1%-2% Si, 0,1%-10% Ni, = , 1%-2% C und zumindest eine der Komponenten Sb, Co, Be, Cr, Sn, Cd, Zn, Pb mit jeweils höchstens 5%-20% und Rest Cu enthalten. In besonders zweckmäßiger Weise können 14%-17% Al, 3%-5% Fe, 1%-3% Mn, 0,1%-2% Si, maximal 0,3% C und Rest Cu vorgesehen sein.

Die Unterseite der stehenbleibenden Füllungen 17 bildet hier die kolbenringseitigen Auflageflächen 18. Die Wirkung ist die selbe, wie oben im Zusammenhang mit Fig. 3 bereits angegeben wurde. In jedem Fall ergibt sich eine vergleichsweise geringe Tiefe der Öltaschen 13, die mit zunehmendem Kolbenringverschleiß in einem davon abhängigen Umfang fortschreiten. Bei stoßartig auftretenden Pressungen wird das in den Öltaschen 13 gespeicherte Öl in Form eines Films in den Spalt 19 zwischen der Stützfläche 8 und den Auflageflächen 18 gepresst. In Folge der geringen Tiefe der Öltaschen 13 ergibt sich ein über der ganzen Stützfläche 8 gleichmäßig tragender, dünnen Ölfilm.

Die oben erwähnten Ausnehmungen 14 bzw. 15 können eine beliebige Konfiguration aufweisen, z. B. als Nuten 20 ausgebildet sein, wie in Fig. 5 dargestellt ist, oder als Sackbohrungen 21, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Die voneinander beabstandeten Nuten 20 können radialen Verlauf oder, wie dargestellt, gebogenen Verlauf aufweisen. Die Nuten 20 können über die ganze Breite der Kolbenringe 6 durchgehen, wie in Fig. 5 rechts angedeutet ist, oder auf den äußeren Bereich beschränkt sein, wie in Fig. 5 links angedeutet ist. Diese zuletzt genannte Variante erleichtert die Verhinderung eines unerwünschten Gasdurchtritts unter den Kolbenringen 6.

Die Sackbohrungen 21 sind zweckmäßig gleichmäßig über die zugeordnete Fläche verteilt, wobei eine Verteilung über die ganze Kolbenringbreite vorgesehen sein, wie in Fig. 6 links angedeutet ist, oder nur über den radial äußeren Bereich, wie in Fig. 6 rechts angedeutet ist. Die Öltaschen 13 bilden bei diesem Beispiel praktisch von den Auflageflächen 18 umgebene Inseln, was in jedem Fall eine gute Sicherheit gegen unerwünschten Gasdurchtritt ergibt.

Um eine gute Ölverteilung im Bereich der umfangsseitigen Laufflächen der Kolbenringe 6 zu gewährleisten, können die Kolbenringe 6, wie Fig. 2 weiter erkennen läßt, im Bereich ihrer umfangsseitigen Lauffläche mit wenigstens einem, in Umfangsrichtung verlaufenden Kanal 22 versehen sein, der zur Bildung einer Öltasche 23 auf dem gesamten Umfang des zugeordneten Kolbenrings 6 von der dem Zylinderkopf 3 zugewandten Kolbenringoberseite durch einen ununterbrochen umlaufenden Steg 24 abgesetzt ist.

Claims (10)

1. Hubkolbenmaschine, insbesondere Zweitakt- Großdieselmotor, mit wenigstens einem Kolben (5) der mit wenigstens einem Kolbenring (6) versehen ist, der in einer zugeordneten Kolbenringnut (7) des Kolbens (5) angeordnet ist, die eine dem Kolbenring (6) zugeordnete Stützfläche (8) aufweist, die vorzugsweise zumindest im radial äußeren Bereich mittels einer Chrom-Auflage (12) verstärkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (6) zumindest im radial äußeren Bereich seiner der Stützfläche (8) zugewandten Unterseite zur Bildung von Öltaschen (13) und diesen benachbarten Auflagebereichen (18) mit Ausnehmungen (14, 15) versehen ist, denen eine Füllung (16, 17) zugeordnet ist, die aus einem Material mit von der Verschleißfestigkeit des Kolbenringgrundmaterials abweichender Verschleißfestigkeit besteht.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (16) bildende Material eine geringere Verschleißfestigkeit als das Kolbenringgrundmaterial aufweist.

3. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die Füllung (16) bildende Material zumindest teilweise aus einer Aluminium-Bronze besteht.

4. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Füllung (16) bildende Material aus einer Aluminium-Bronze besteht, die zumindest Aluminium, Eisen und Kupfer enthält.

5. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Füllung (17) bildende Material eine höhere Verschleißfestigkeit als das Kolbenringgrundmaterial aufweist.

6. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (17) bildende Material aus einer Aluminium-Bronze besteht, die zumindest Aluminium, Eisen, Mangan, Silicium, Kohlenstoff und Kupfer enthält.

7. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bildung der Öltaschen (13) vorgesehenen Ausnehmungen zumindest teilweise als von einander beabstandete Nuten (20) ausgebildet sind.

8. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bildung der Öltaschen (13) vorgesehenen Ausnehmungen zumindest teilweise als gleichmäßig über die zugeordnete Fläche verteilte Sackbohrungen (21) ausgebildet sind.

9. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Bereich der Unterseite der Kolbenringe (6) ausnehmungsfrei ist.

10. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring bzw. die Kolbenringe (6) im Bereich seiner umfangsseitigen Lauffläche mit wenigstens einem in Umfangsrichtung verlaufenden Kanal (22) versehen ist bzw. sind, der zur Bildung einer Öltasche (23) auf dem ganzen Umfang des zugeordneten Kolbenrings (6) von der dem Zylinderkopf (3) zugewandten Kolbenringoberseite durch einen ununterbrochen umlaufenden Steg (24) abgesetzt ist.