DE2811528B2

DE2811528B2 - Kolben und Kolbenring für Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2811528B2
Application number: DE2811528A
Authority: DE
Inventors: Robert L. Richmond Ind. Sharpe (V.St.A.)
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1977-03-18
Filing date: 1978-03-16
Publication date: 1980-10-16
Also published as: ES245900Y; IT7848443A0; AU518994B2; IT1105479B; AU3359178A; MX146871A; IN149502B; GB1586906A; FR2384177B1; AR216136A1; ES474064A1; BR7801530A; JPS53117156A; SE434772B; FR2384177A1; US4123072A; SE7803092L; ES245900U; DE2811528A1; CA1084548A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben und Kolbenring für Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, bei denen die axiale Dicke des aus Metall bestehenden Kolbenringes in Bereichen kleineren Durchmessers geringer als in Bereichen von demgegenüber größerem Durchmesser ist und jeweils wenigstens diejenigen einander gegenüberliegenden Seitenwände von Kolbenring und einer diesen lose aufnehmenden Ringnut des Kolbens, die während des Krafthubes des Kolbens abdichtend aneinander liegen, in radialer Richtung von außen nach innen, gegenüber der abgewandten Seitenwand von Kolbenring bzw. Ringnut im wesentlichen unter dem gleichen Winkel konvergieren.

Kolben und Kolbenring für Kolbenmaschinen mit diesen Merkmalen sind aus den US-PS 13 81 993 und 37 27 927 bekannt. Hierbei weist in einem Fall der Kolbenring im wesentlichen den Querschnitt eines gleichschenkligen Dreiecks auf, wobei die beiden gleichen Schenkel in eine entsprechende Nut von gleichem Querschnitt eingreifen. Die in die Nut eingreifende Spitze kann auch abgeflacht sein. Im anderen Fall ist bei ähnlichem Querschnitt die mit der Innenfläche des Zylinders zusammenwirkende Fläche des Kolbenringes ballig oder schräg auszubilden. Bei beiden bekannten Anordnungen hebt sich der Kolbenring jeweils ausschließlich während des Arbeitshubes des Kolbens unter der Wirkung des dann herrschenden Gasdruckes von der dem Druckraum näher liegenden Nutenwandung ab. Dadurch wird erreicht, daß auf diese Seitenwand des Kolbenringes der volle Gasdruck zur Wirkung kommen kann. Die Abdichtung zwischen Kolbenring und Ringnut erfolgt dabei ausschließlich zwischen der von dem Druckraum abweisenden Seitenwand des Kolbenringes und der entsprechenden Begrenzungsfläche der Nut, die einen größeren Querschnitt, insbesondere einen größeren öffnungswinkel als der dreieckförmige oder keilförmige Querschnitt des Kolbenringes aufweisen kann. Bei dieser bekannten Anordnung kann sich der Gasdruck voll auf die eine Seitenwand und auch auf die Rückseite oder dem Grund der Nut zugewandte Seite des Kolbenringes auswirken. Hierdurch wird der Kolbenring unter der Wirkung des Gasdruckes mit erhöhter Kraft radial nach außen gegen die Innenfläche der Zylinderwand gepreßt. Dies ist bei der bekannten Anordnung jedoch nur während des

ίο Arbeitshubes des Kolbens möglich. Während des Leerhubes ist dagegen der Anpreßdruck des Kolbenringes an die Zylinderinnenwand weitgehend nur durch die innere elastische Vorspannung des Kolbenringes selbst vorgegeben.

Bei einem Kolben und Kolbenringe für Kolbenmaschinen einer anderen Gattung weist der Kolbenring einen solchen Querschnitt auf, daß der Kolbenring quer zu seiner Umfangsrichtung tordiert oder in seinem Querschnitt automatisch schief gestellt wird. Diese Schiefstellung erfolgt derart, daß der Kolbenring sowohl während des Krafthubes als auch während des Leerhubes an beiden Seitenwänden der Ringnut anliegt Hierbei erfolgt ein linienförmiger Kontakt zwischen Kolbenring und Ringnut, und zwar deshalb, weil der Querschnitt des Ringes gegenüber dem Querschnitt der Ringnut gedreht ist (vgl. US-PS 24 59 395). Dabei soll bei der bekannten Vorrichtung dem Kolbenring eine vorbestimmte Torsionsrichtung vorgegeben werden. Diese wird so bestimmt, daß die Kontaktlinie im Bereich der Seitenwände, die dem Druckraum näher liegen, radial weiter nach außen gerückt ist, als die Kontaklinie auf der anderen Seitenwand. Gleichzeitig soll dabei gewährleistet werden, daß der Kolbenring mit einer seiner beiden radial außen liegenden Umfangskanten an der Innenfläche des Zylinders nach Art eines Schabers wirksam wird. Diese Schaberwirkung ist auch bei einer anderen Ausbildung von nicht tordierbaren Kolbenringen bekannt, bei denen die außenliegende Umfangskante im Querschnitt fingerartig zu einer Schaberlippe gebogen ist (vgl. US-PS 22 12 335). Bei beiden bekannten mit Schaberwirkung arbeitenden Anordnungen ist es praktisch nicht möglich, den vollen Gasdruck während des Krafthubes so auf den Kolbenring zur Wirkung zu bringen, daß sich der radiale Anpreßdruck

4^r> des Kolbenringes an die Innenfläche der Zylinderwand nur während des Krafthubes verstärkt. Dies ist schon deshalb nicht möglich, weil jeder Kolbenring die zugehörige Ringnut nach beiden Seiten hin abdichtet.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe

^r>o zugrunde, einen Kolben und Kolbenring für Kolbenmaschinen der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß die Abdichtungswirkung zwischen Kolben und Kolbenring verstärkt und dabei zuverlässig verhindert wird, daß Verbrennungsgase in das Kurbel-

Ti wellengehäuse oder dgl. Maschinenteile bzw. öl in überschüssigen Mengen in die Verbrennungskammer gelangen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens eine der beiden einander gegenüberlie-

W) genden, konvergierend ausgebildeten Seitenwände von Kolbenring und Ringnut einen Abschnitt größerer radialer Abmessung aufweisen, der in einer die Kolbenachse aufweisenden Ebene in der Weise konkav gekrümmt ist, daß zwischen den beiden Seitenwänden

hi nur ein linienförmiger Kontakt herstellbar ist.

Dieser linienförmige Kontakt wird nicht durch Tordierung des Kolbenringes, sondern durch die Formgestaltung der Teile erzielt. Dadurch wird es

möglich, den linienförmige!! Kontakt mit nur einseitiger Berührung von Kolbenring und Ringnut zu vereinigen, SG daß sich trotz des linienförmigen Kontaktes der volle Gasdruck auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenringes und auf der Rückseite <ies Ringes auswirken kann und daher der Gasdruck während des Krafthubes oder Arbeitshubes den Kolbenring mit zusätzlicher Kraft abdichtend gegen die Innenfläche der Zylinderwand drückt. Dadurch wird trotz Ausnutzung des vollen Gasdrucks zur Anpressung des Kolbenringes an die Zyjiaderwandung eine bessere Abdichtung zwischen der Brennkammer der Brennkraftmaschine und dem Kurbelgehäuse erreicht, so daß keine Verbrennungsgase in das Kurbelgehäuse und keine nennenswerten ölmengen in die Brennkammer gelangen können.

Vorteilhafterweise ist die oder jede Seitenwand des Kolbenringes über ihre ganze radiale Ausdehnung konkav gekrümmt Diese Krümmung am Kolbenring läßt sich leicht und billig herstellen, wobt/ die dazu geeigneten Maßnahmen in der Figurenbeschreibung näher erläutert sind.

Durch die neue Ausbildung wird auch die Notwendigkeit ausgeschaltet, zwei unterschiedliche Arten von Ringen vorzusehen, nämlich den eigentlichen Kolbenring als Druckring und zusätzliche Ringe als ölringe, welche den Übertritt von überschüssigen Mengen an Öl in die Brennkammer verhindern.

Versuche haben ergeben, daß die neuen Kolbenringe selbst noch während der Einlaufphase eines Kolbens wesentlich bessere Abdichteigenschaften als die üblichen Ringe zeigen. Wenn zwei Kontaktlinien auf der gleichen Seite des Kolbenringes vorgesehen sind, liegen diese in einem wesentlichen radialen gegenseitigen Abstand, der etwa der radialen Tiefe der Ringnut entspricht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht eines Kolbenringes mit den Merkmalen nach der vorliegenden Erfindung,

Fig.2 eine Seitenansicht des Kolbenringes nach Fig. 1,

F i g. 3 in größerem Maßstab einen Querschnitt durch den Kolbenring nach Fig. 1, wobei der Schnitt entlang der Schnittlinie 3-3 der F i g. 1 geführt ist,

Fig.4 in weiter vergrößertem Maßstab und im Ausschnitt einen Kolbenring nach F i g. 1 und 2 in seiner Gebrauchsstellung innerhalb der Ringnut eines zugehörigen Kolbens,

F i g. 5 in schematischer Darstellung eine Anordnung zur Herstellung der gewünschten Querschnittsform der oberen und der unteren Seitenwand des Kolbenringes nach Fig. 1 —4und

Fig.6 in ähnlicher Darstellung wie Fig.4 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel von Kolben und Kolbenring einer Kolbenmaschine.

Bei den Kolbenringen handelt es sich um elastisch vorgespannte ringförmige Metallringe, die in eine Nut eines Kolbens eingelegt sind, um eine bewegliche Abdichtung an der Innenfläche der Zylinderwand zwischen der Brennkammer und dem Kurbelgehäuse einer Kolbenmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine, zu gewährleisten.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 wird ein Kolbenring 10 beschrieben. Der Kolbenring ist bei 12 geschlitzt. Er weist eine äußere Umfangswand 14 auf, die häufig als die Kolbenring-Oberfläche bezeichnet wird. Weiterhin weist er eine radial nach innen konvergierende oder geneigte obere Seitenwand 16 und eine radial nach innen konvergierende Bodenwand 18 auf. Die innere Umfangswand ist mit 20 bezeichnet Die 5 obere Seitenwand 16 und die untere Wand 18 sind so ausgebildet, daß sie jeweils eine geringfügig konkave Querschnittsgestalt annehmen, wie dies noch deutlicher aus Fig.4 hervorgeht, in der der Kolbenring 10 in seiner Arbeitsstellung in einer Nut 22 geneigt ist, die in

ίο der Umfangswand eines zugehörigen Kolbens 24 eingearbeitet ist Die Nut 22 wird durch eine radiale nach innen konvergierende obere Seitenwand 26 und eine radial nach innen konvergierende Bodenwand 28 sowie eine Innenwand 30 begrenzt Der Kolben 24 ist geeignet innerhalb eines Zylinders hin- und herbewegt zu werden, der durch die Zylinderwand 32 angedeutet ist. Der Durchmesser des Ringes 10 im entspannten Zustand ist geringfügig größer als die lichte Weite der Zylinderbohrung. Wenn folglich der Ring in den Zylinder gedrückt wird, preßt er sich gegen die Zylinderwand 32 der Maschine an und neigt dazu, eine Dichtung herzustellen. Diese anfängliche Dichtungswirkung wird wesentlich im Betrieb durch die Drücke unterstützt oder verbessert die während des Druckhubes oder Krafthubes von der Maschine ausgeübt werden, wie dies in F i g. 4 angedeutet ist wobei hier die vorhandenen Spalte zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt sind. Der Druck der komprimierten Luft oder der komprimierten Gase gegen die Oberfläche 16 des Ringes 10 preßt den Ring nach unten auf die untere Seitenwand 28 der Umfangsnut 22 des zugehörigen Kolbens 24. Dadurch erhält man eine nockenartige Wirkung, aufgrund welcher der Ring 10 radial nach außen gedrückt wird. Dies führt zu einem Spalt an der Oberseite 16 des Ringes. Dieser Spalt läßt den Gasdruck auf die Rückseite 20 des Ringes einwirken. Dieser auf die Rückwand 20 einwirkende Druck treibt zusätzlich den Ring nach außen in festeren Kontakt mit der Zylinderwand 32. Wenn nur ein geringer oder kein Gasdruck abgedichtet werden muß, liegt der Ring in seiner Nut 22 frei mit Spiel, und seine eigene Spannung erzeugt nur einen geringen Druck gegen die Zylinderwand 32. Die Reibung und die Abnutzung sind in dieser Phase stark herabgesetzt. Wenn jedoch der Gasdruck ansteigt, wird der Ring um so fester sowohl gegen die Zylinderwand 32 als auch gegen die Kolbennutwand 22 gedrückt, was zu einer Verbesserung der Abdichtung und zur Verminderung des Ausleckens führt Man erhält somit eine effektivere und gegen Verschmutzung freie Maschine.

Es wurde festgestellt, daß die gekrümmte Querschnittsgestalt der oberen Seitenwand 16 und der unteren Wand 18 des Ringes 10 einen im Betrieb wirksameren Kolbenring schafft, der verbesserte Abdichtungseigenschaften und damit eine verbesserte Arbeitscharakteristik für die Maschine liefert. Aufgrund der gekrümmten Gestalt der oberen und unteren Seitenwände des Kolbenringes erhält man einen linienförmigen Kontakt zwischen einer der nach innen

bo konvergierenden oberen oder unteren Wände des Kolbenringes und der dieser Wand gegenüberliegenden Wand der Nut.

F i g. 4 zeigt insbesondere den Kolben und Kolbenring während eines Druckhubes der Maschine. Der

fei Druck der Verbrennungsgase wird augenblicklich auf die Oberseite 16 und die Rückwand 20 des Kolbenringes wirksam und liefert eine nach außen gerichtete Druckkomponente, die dazu neigt, die Ringfläche 14 in

abdichtende Berührung mit der Zylinderwand 32 zu halten. Es ist ersichtlich, daß die untere Wand 18 des Ringes dazu neigt, nockenartig nach außen entlang der geneigten Wand 28 der Nut 22 zu wandern, da die von oben kommenden Kräfte auf den Ring 10 wirken. Es wurde festgestellt, daß diese Wirkung dazu neigt, eine abdichtende Wirkung zu schaffen und aufrechtzuerhalten, und zwar zwischen der Ringfläche 14 und der Zylinderwand 32. Zu dieser Zeit steht gleichzeitig die untere Fläche 18 des Ringes in linienförmiger Kontaktberührung mit der unteren Fläche 28 der Nut 22, und zwar an der unteren Kante der Wand 20 des Ringes, wie dies bei A angedeutet ist, sowie an der äußeren Kante der unteren Wand 28 der Nut 22, wie dies bei Bangedeutet ist, so daß die senkrechten Kräfte dazu neigen, den Ring in abdichtende Beziehung mit der Nut 22 zu bringen, wobei diese Abdichtungskräfte konzentriert sind an den Kontaktlinien A und B. Es wurde festgestellt, daß selbst bei der Einlaufperiode von neuen Ringen die dargestellte Gestaltung zur verbesserten Arbeitscharakteristik führt. Insbesondere läßt sich dadurch der Ölverbrauch sowie die Menge der entweichenden Gase wesentlich herabsetzen.

Die Technik zum Fertigstellen der oberen Wand 16 und der Bodenwand 18 des Ringes 10 wird mit einer Vorrichtung bewerkstelligt, die schematisch in Fig.5 dargestellt ist. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer rotierenden Läpp-Kugel 40, deren Umfangsfläche mit Schleifpartikelchen überzogen ist. Der Kolbenring 10, der fertiggestellt werden soll, wird in entsprechender Weise in einer ringförmigen Halterung 42 unterstützt. Eine scheibenförmige Niederhalteplatte oder Andrückplatte 44 mit einem Durchmesser geringfügig größer als der Innendurchmesser der Halterung 42 dient dazu, einen im wesentlichen gleichförmig nach unten gerichteten Druck auf die obere Seitenwand 16 des Ringes 10 auszuüben, um die Bodenseitenwand des Ringes in innigem Kontakt mit der kugelförmigen Umfangsfläche der Läpp-Kugel 40 zu bringen. Wenn die Läpp-Kugel 40 um ihre Achse oder die Achse des Ringes rotiert, schaffen die Schleifpartikelchen auf deren Oberfläche eine konkave Fläche auf der Bodenseitenwand 18 des festgehaltenen Ringes 10. Wenn die gewünschte Oberflächengestalt und Glätte erreicht sind, wird der Ring umgedreht, so daß die entgegengesetzte Seitenwand 16 nunmehr in Kontakt mit der kugelförmigen Schleiffläche gebracht wird, um auch dort die gewünschte konkave Gestalt zu erzielen. Um den Radius der Läpp-Kugel bestimmen zu können, der verwendet werden muß für einen vorgegebenen Ring, kann die folgende Bestimmungsmethode mit Erfolg angewendet werden:

« = 180-90-0 = 90-0
Φ = 180-90-α = 90-α
Φ = 90-(90-θ)=θ
Φ =

oder R = AfSm θ.

Deshalb

Worin

A =

und

R = A/Sin θ .

Ringdurchmesser - Ringwandung

Da Φ = θ.

θ = der Keilwinkel ist.

ίο Die F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform ähnlich der, wie sie in der Ausführungsform nach F i g. 1 bis 5 dargestellt ist, jedoch weist der Kolbenring 10' nur eine radial nach innen konvergierende Seitenwand auf. In dieser besonderen Ausführungsform nach F i g. 6 ist die obere Seitenwand 16' flach und allgemein senkrecht zur Ringfläche Ϊ4'. Der Ring iö weist eine rückwärtige Wand 20', die allgemein parallel zur Ringfläche 14' verläuft, sowie eine nach innen konvergierende Bodenwand 18' auf. Die zugehörige Nut 22' des Kolbens 24' weist eine Innengestaltung ähnlich dem Querschnitt des Ringes 10' auf. Insbesondere umfaßt die Nut 22' eine obere Seitenwand 26', die allgemein flach ist, eine radial nach innen konvergierende Bodenwand 28' und eine flache rückwärtige Wand 30'. Wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Abdichtungswirkung des Kolbenringes 10' im Betrieb verbessert durch den Druck der Maschinengase. Während des Druckhubes drücken beispielsweise die komprimierten Gase gegen die obere Wand 16' des Ringes 10' und zwingen den Ring nach unten gegen die Wand 28' der Nut 22' des Kolbens 24'. Damit wird der Ring 10' nockenartig radial nach außen geschoben. Diese Wirkung führt zu einem Spalt an der Oberseite 16' des Ringes 10', so daß der Gasdruck nun auch an die rückwärtige Wand 20' gelangen kann, um zusätzlichen Druck gegen den Ring 10' auszuüben, um diesen nach außen gegen die Zylinderwand 32' zu expandieren.

Wie in dem zuvor beschriebenen Beispiel werden die verbesserten Dichtungseigenschaften und Betriebseigenschaften aufgrund der gekrümmten Gestaltung der Bodenwand 18' erreicht Der dadurch bedingte linienförmige Kontakt zwischen dem gekrümmten Boden 18' des Ringes 10' und der Bodenwand 18' der zugehörigen Nut 22', wie dies bei Λ'und 5'in F i g. 6 gezeigt ist, führt zu wesentlich verbesserten Betriebseigenschaften. Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das jedoch nicht so sehr bevorzugt wird wie das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel, umfaßt eine Kolbenringausbildung mit wenigstens einer radial nach innen konvergierenden Wand mit einer geringfügig konvex gekrümmten Gestalt Die zugehörige Nut des Kolbens ist geeignet, um den Ring aufzunehmen, und wird durch eine radial nach innen konvergierende, der konvexen Begrenzungsfläche des Ringes gegenüberliegende Wand begrenzt

Wie in den zuvor beschriebenen Beispielen wird die Abdichtungswirkung des Kolbenringes aufgrund der gekrümmten Gestalt der Ringoberfläche in Kontakt mit der zugehörigen Nutoberfläche erreicht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kolben und Kolbenring für Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, bei denen die axiale Dicke des aus Metall bestehenden Kolbenringes im Bereich kleineren Durchmessers geringer als in Bereichen von demgegenüber größerem Durchmesser ist und jeweils wenigstens diejenigen einander gegenüberliegenden Seitenwände von Kolbenring und einer diesen lose aufnehmenden Ringni. des Kolbens, die während des Krafthubes des Ko:^L 'ns abdichtend aneinanderliegen, in radialer Richsng von außen nach innen, gegenüber der abgc-wan(Jti^i:! Seitenwand von Kolbenring bzw. Ringnut, im -v,;sentlichen unter dem gleichen Winkel konvertieren, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden einander gegenüberliegenden, konvergierend ausgebildeten Seitenwände (16, 26 bzw. 18, 28) von Kolbenring (10) und Ringnut (22) einen Abschnitt größerer radialer Abmessungen aufweist, der in einer die Kolbenachse aufweisenden Ebene in der Weise konkav gekrümmt ist, daß zwischen den beiden Seitenwänden nur ein linienförmiger Kontakt herstellbar ist.

2. Kolben und Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Seitenwand des Kolbenringes (10) über ihre ganze radiale Ausdehnung konkav gekrümmt *,nd.