DE2849276C2 - Ringnut eines Kolbens für mittelschnellaufende Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Ringnuten eines Kolbens für mittelschnellaufende Verbrennungsmotoren zur Aufnahme von Kompressions-Kolbenringen mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches.

Bei Kolben von mittelschnellaufenden Großmotoren verformen sich die Nutenflanken der Kompressionsringnuten, insbesondere die Oberflanke der dem Kolbenboden nächstgelegenen Ringnut während des Motorbetriebes bedingt durch die mechanischen und thermischen Belastungen, die die Verbrennungsgase auf den Kolben ausüben. Bei der dem Kolbenboden nächstliegenden Ringnut führt dies dazu, daß die Ringnutoberflanke am Außenumfang des Kolbens zur unteren Ringnutflanke hin verschoben wird. Dadurch verringert sich im Betriebszustand die Nutenhöhe gegenüber dem Kaltzustand. Dabei nimmt die Nutenhöhe am Umfang des Kolbens am stärksten ab. Zum Nutengrund hin wird die Abstandsverringerung kleiner. Im Nutengrund selbst bleibt der .Nutenabstand, abgesehen von einer durch Wärmedehnung bedingten Längenänderung, praktisch unverändert.

Die beschriebene Nutabstandsänderung bei Motorbetrieb ist bekannt und wird heute bei der konstruktiven Auslegung der Nuthöhe berücksichtigt. Es wird also in der Praxis das Nutspiel derart ausgelegt, daß trotz einer zur Nutverengung führenden Verformung der Ringnutflanken im Motorbetrieb der Kolbenring die zur Erfüllung seiner Funktion notwendige Bewegungsfreiheit besitzt. Das Nutenspiel wird also um das Maß erhöht, um das sich der Nutflankenabstand über die radiale Erstreckung der Ringnut am stärksten vermindert. Das führt dazu, daß die Nutenhöhe sich nach den Verhältnissen am Außenumfang der Ringnut richten muß. Hierdurch ergeben sich beträchtliche Nachteile. Betrachtet man nur einmal die obere Ringnutflanke, so ergeben sich dort folgende Verhältnisse. Bei einer im Kaltzustand rechteckförmigen Ringnut neigt sich im Motorbetrieb die Ringnutoberflanke vom Nutengrund aus gesehen zur unteren Flanke hin und zwar derart, daß die Abstandsänderung vom Nutengrund radial nach außen kontinuierlich zunimmt. Es bildet sich also zwischen Oberflanke des Ringes und Oberflanke der Ringnut ein im Kolbenlängsschnitt dreieckähnlicher Spalt mit vom Nutengrund radial nach außen abnehmender Spalthöhe aus. Dies hat zwei wesentliche Nachteile. Der Ring liegt an der oberen Nutflanke im Motorbetrieb nicht auf der gesamten Fläche der oberen Ringflanke auf, sondern nur jeweils linienförmig am Außenumfang dieser Flanke. Durch die linienförmige Berührung kommt es in diesem Bereich zu einem erhöhten Verschleiß an Ring und Ringnutflanke. Selbst wenn Beschädigungen am Ring selbst vermieden werden können, so kommt es zu einem unerwünscht schnellen Materialabtrag an der Ringnutoberflanke, die eine Spielvergrößerung bedingt und damit ein vorzeitiges Ausschlagen der Ringnut ?.w Folge hat Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die radial nach innen ίο verlaufende Spalterweiterung im Motorbetrieb zwischen Oberflanke der Ringnut und Oberflanke des Ringes zu einer Einschnürung der zur Druckbeaufschlagung des Kolbenringes hinter den Kolbenring zu führenden Gase führt. Dabei bewirkt die Einschnürung eine Drosselung der Gase, die wiederum den erzielbaren Gasdruck im Nutengrund hinter dem Ring zeitlich verzögert und vom Betrag her verringert Dadurch wird die Funktion des Kolbenrings an der Motorzylinderwar.d und Nutunterflanke bezüglich Abdichtung jeweils negativ beeinflußt

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nutenhöhe im Kaltzustand des Kolbens so auszulegen, daß sich im Nennbetrieb des Motors, in dem mittelschnellaufende Motoren die überwiegende

Zeit betrieben werden, ein optimales über die gesamte radiale Länge der Ringnut gleichmäßiges Spiel zwischen Ring und Nut einstellt. Damit soll vermieden werden, daß in irgendeinem Bereich der Ringnut ein größeres Spiel vorgesehen ist, als es für einen optimalen

Motorbetrieb erwünscht ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ausgestaltung der Ringnutflanken nach der Lehre des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs.

Die bei Befolgung dieser Lehre im Einzelfall auf die Ringnutflanken aufzubringende Form muß experimentell durch Modellversuche oder Berechnungen ermittelt werden. Die Methoden hierzu sind dem Kolbenfachmann geläufig. Im Stand der Technik sind zwar aus den zur gleichen Patentfamilie gehörenden Schriften US-PS 37 59 148 und GB-PS 12 24 486 Ringnuten für Rechteckringe bekannt, deren Nutflanken im Kaltzustand nicht planparallel zu den Flanken des Ringes verlaufen. Diese Ausführung ist allerdings nicht vergleichbar mit der erfindungsgemäßen, da dort die Formabweichung auch im Betriebszustand und gerade dort erhalten bleiben soll. Der bei jenen Ringnuten vorgesehene sich radial nach außen erweiternde Spalt zwischen Ring und Ringnut soll nämlich gerade beim Betrieb des Motors bewirken, daß Kompressionsgase insbesondere sicher

so auf die obere Flanke des Ringes gelangen zu können, damit der Ring durch Anpressen an die untere Nutflanke eine optimale Dichtfunktion erreicht. Zu diesem Zweck wird das Ringspiel am Umfang der Ringnut absichtlich größer gewählt als im Bereich des Nutengrundes.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, die einen Teilschnitt durch einen Kolben für mittelschnellaufende Motoren darstellt.
Der Ring ist mit 1, die Ringnut mit 2 und der Kolben, in dem die Ringnut liegt, ist mit 3 bezeichnet. Andeutungsweise ist auch noch die Zylinderwand 4 wiedergegeben, an der der Ring 1 entlanggleitet. Die Umgrenzung mit der ausgezogenen Linie 5 gibt die Form der Ringnut im Kaltzustand wieder. Die gestrichelte Linie 6 zeigt den Einfluß der Temperaturbelastung im Nennbetrieb des Motors auf die Nutform und die strichpunktierte Linie 7 gibt die entsprechende Formveränderung der Nut unter gleichzeitigem Einfluß

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der thermischen und mechanischen Kräfte der Verbren- die Unterflanke durch die thermische und mechanische

nungsgase im Motornennbetrieb wieder. Belastung durch die Verbrennungsgase im Motorbe-

Erfindungsgemäß wird nun im Kahzustand der trieb zum Kolbenfuß hin verformt wird, muß diese

Oberflanke der Ringnut eine Form nach der punktierten Flanke im Kaltzustand vom Außenumfang zum

Linie 8 gegeben, die zur Linie 5 gesehen spiegelbildlich 5 Nutengrund hin abnehmend zum Kolbenboden hin

zur Linie 7 verläuft verformt werden, damit sich im Nennbetrieb die

In gleicher Weise kann bei du Unterflanke der gewünschte Planparallelität zum Kolbenring einstellt.
Ringnut vorgegangen werden. Im Hinblick darauf, daß

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Ringnut eines Kolbens für mittelschnellaufende Verbrennungsmotoren zur Aufnahme eines Kom- pressJonsringes, wobei die Oberflanke und die Uitterfhnke der Ringnut bei kaltem Kolben gegenüber der jeweils angrenzenden Oberflanke bzw. Unterflanke des Kolbenringes von einer planparallelen Lage abweichen, dadurch ge kennzeichnet, daß die Größe der Abweichung von der planparaUelen Lage für jede der Ober- und Unterflanken der Ringnut (2) derart festgelegt ist, daß die Nutflanken sich unter der mechanischen und thermischen Belastung der Verbrennungsgase bei Nennlastbetrieb des Motors in eine zu den Ring(l)-Flanken planparallele Lage verformen.