DE2933702B1

DE2933702B1 - Kolbenring fuer insbesondere Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2933702B1
Application number: DE2933702A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl-Ing Dueck
Original assignee: Goetze GmbH
Current assignee: Goetze GmbH
Priority date: 1979-08-21
Filing date: 1979-08-21
Publication date: 1980-11-27
Also published as: DE2933702C2; US4355815A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring für insbesondere Brennkraftmaschinen mit radial nach innen offenem, U-förmigem Querschnitt zum Einbau, in. Kolbennuten mit dem Ringquerschnitt entsprechendem, einen mittleren Steg aufweisendem Nutquerschnitt.

Durch die US-PS 38 13 106 ist für eine Verbrennungskraftmaschine ein Kompressions-Kolbenring aus Grauguß bekannt, der ein U-förmiges Querschnittsprofil aufweist. Der Ring ist im Einbauzustand mit radialem und axialem Spiel in eine dem Ringquerschnitt entsprechende und zum Kolbenboden hin offene Nut des Kolbens eingesetzt. Infolge des gezielt unsymmetrisch gestalteten Ringquerschnittes kommt es während des Betriebes zu einem Vertwisten des Kolbenringes in der Kolbennut. Es soll erreicht werden, daß der dem Brennraum zugewandte radiale Schenkel des Ringes bei der der Zündung folgenden schlagartigen Verbrennung auf dem Kolbensteg zur Anlage kommt und somit der hohe Gasdruck sich nicht hinter dem Kolbenring auswirken kann. Außerdem wird vermieden, daß sich hinter dem Ring Verbrennungsrückstände ablagern, die zur Beeinträchtigung der Bewegungsfreiheit des Ringes in der Kolbennut führen. Durch das kontinuierliche Vertwisten des Kolbenringes während des Betriebes treten folgende, an sich bekannte Nachteile auf: es kann zu Ring- oder Stegbrüchen kommen, hoher und ungleichmäßiger Flankenverschleiß durch ausschließliche Linienberührung bei der Führung des Kolbenringes in der Kolbennut, ungleichmäßige Abnutzung der Lauffläche durch inkonstante Berührungsflächen zwischen Kolbenring und Zylinderwand, starker Verschleiß der Zylinderlauffläche.

Weiterhin ist durch die DE-OS 2107 563 ein Kompressions-Kolbenring aus gebogenem Stahlband bekannt, der ebenfalls ein U-förmiges Querschnittsprofil aufweist. Der Ring ist mit radialem und axialem Spiel in eine der Ringform entsprechende und zum Kolbenboden hin offene Nut des Kolbens eingesetzt Der dem Brennraum zugewandte Radialschenkel schließt mit dem Kolbenboden ab, wobei ein Spalt zwischen dem Boden der Nut und dem Radialschenkel gebildet ist. Dieser Ring wird über den der niedrigen Druckseite zugewandten Radialschenkel in der korrespondierenden Nut im Kolben geführt, während der hochdruckseitige Radialschenkel spielfrei sich in die Kolbennut erstreckt Angedrückt an die Zylinderwand wird der Kolbenring durch das während der Kompression und der Verbrennung unter hohem Druck stehende Gas, das durch den Spalt hinter den Kolbenring gelangt. Durch die vom Gasdruck unterstützte, relativ hohe und ungleiche Anpressung des Kolbenringes an die Zylinder wand wird die Lauffläche einem starken und ungleichmäßigen Verschleiß ausgesetzt. Dies erfordert teuere, verschleißfeste Werkstoffe auf der Kolbenring-Lauffläche. Darüberhinaus besteht auch hier die große Gefahr, daß sich Verbrennungsrückstände hinter dem Kolbenring ablagern, die sich im Laufe des Betriebes verhärten und so zur Beeinträchtigung der Bewegungsfreiheit des Ringes führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gemäß dem gattungsbildenden Teil des Hauptpatentanspruches einen Kolbenring konstruktiv derart zu gestalten, daß ohne eine Vertwistung des Ringes während des Betriebes Gasdruckspitzen hinter dem Kolbenring vermieden werden und somit das gesamte Verschleißverhalten, wie Flankenverschleiß, Laufflächenverschleiß

jo positiv beeinflußt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der der Hochdruckseite des abzudichtenden Mediums zugewandte radiale Schenkel des U-Profiles axial in Richtung auf den Nutsteg verformbar ist. Diese elastische Verformbarkeit ist vorzugsweise dadurch gewährleistet, daß der radiale Schenkel an seiner dem Steg abgewandten und/oder dem Steg zugewandten Fläche mit umlaufenden Ausnehmungen versehen ist Durch diese Ausnehmungen wird der dem Hochdruckraum zugewandte radiale Schenkel in dem Maße geschwächt, daß er beim Kompressionshub des Kolbens wie ein Ventil wirkt, und zwar derart, daß sich bei Druckbeaufschlagung das freie Ende des radialen Schenkels des Kolbenringes elastisch verbiegt und wenigstens mit Linienberührung abdichtend sich an den mittleren Steg anlegt. Auf diese Weise wird verhindert, daß der insbesondere bei der Verbrennung auftretende hohe Gasdruck an den übrigen inneren Umfangsflächen des Kolbenringes wirksam wird und darüberhinaus sich

*>o störende Ablagerungen zwischen Kolbenring und Nutgrund ansammeln können. Um einen optimalen Wirkungsgrad beim ventilartigen Schließen des Radialschenkels zu erzielen, sind die Ausnehmungen vorzugsweise im radial äußeren Umfangsbereich angeordnet.

^r>5 Um Kerbwirkungen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, die Ausnehmungen im Radiaischenkel des Kolbenringes abgerundet, etwa halbkreisförmig, auszubilden.

Für bestimmte Anwendungsfälle kann es einem weiteren Merkmal der Erfindung gemäß sinnvoll sein, daß der elastisch verformbare Schenkel einen zum Laufflächenteil des Kolbenringes sich verjüngenden Querschnitt aufweist. Vorzugsweise ist die dem Nutsteg zugewandte Innenfläche des elastisch verformbaren Schenkels radial nach außen zum Druckraum hin steigend ausgebildet. Auf diese Weise wird im Bereich des geringsten Schenkelquerschnittes ebenfalls eine biegeweiche Stelle erzeugt, die ihrer Aufgabe, den Ventileffekt zu steuern, gerecht wird. Ebenfalls denkbar

ist, die dem Nutsteg abgewandte Fläche des der Hochdruckseite zugewandten Radialschenkels zur Niederdruckseite hin abfallend auszubilden, um so eine biegeweiche Stelle zu schaffen. Um weitere günstige Kräfteverteilungen am Kolbenring bei Druckbeaufschlagung zu erzielen, ist es vorteilhaft, den zweiten der Niederdruckseite zugewandten Radialschenkel des U-Profiles ebenfalls radial nach außen zum Druckraum hin steigend auszubilden.

Wie schon der eingangs angeführte Stand der Technik zeigt, ist es auch hier möglich, sowohl Kolbenringe aus Gußwerkstoffen als auch aus Stahlband herzustellen und so einer Vielzahl von Anwendungsfällen gerecht zu werden. Die Merkmale der Erfindung können nicht nur auf Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen angewendet werden, sondern ebenfalls bei Verdichtern und anderen hydraulischen oder pneumatischen Kolben-Zylinder-Einrichtungen, die unter hohen oder wechselnden Mediendrücken arbeiten. Für diese Einrichtungen kann es sinnvoll sein, >o die Kolbenringe aus den jeweiligen Betriebsverhältnissen angepaßten Kunststoffen, eventuell mit Einlagen aus Gewebe oder Metall, herzustellen.

Beispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

F i g. 1 bis 4 unterschiedliche Kolbenring-Varianten mit in den dem Brennraum zugewandten Radialschenkel eingebrachten biegeweichen Schwachstellen.

Die Kolbenringe gemäß den F i g. 1 bis 4 weisen alle jo ein U-förmiges Querschnittsprofil auf und sind als oberster Kompressionsring am Kolben einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine angeordnet.

Fi g. 1 zeigt einen Kolben 1, dessen Boden 2 mit einer umlaufenden Ausnehmung 3 versehen ist. Im axialen j> Abstand zu dieser Ausnehmung 3 ist eine Nut 4 in den Kolben 1 eingebracht, so daß zwischen der Ausnehmung 3 und der Nut 4 ein doppelt konischer Steg 5 gebildet ist. Der U-förmige Kolbenring 6 sitzt sowohl mit radialem als auch mit axialem Spiel mit seinem ersten radialen Schenkel 7 in der Nut 4 und mit seinem zweiten radialen Schenkel 8 in der Ausnehmung 3. Der dem Hochdruckraum //zugewandte radiale Schenkel 8 weist im äußeren Umfangsbereich an seiner dem Steg 5 zugewandten Fläche 9 eine im Querschnitt halbkreisförmige Ausnehmung 10 auf, die bei Druckbeaufschlagung bewirkt, daß der innere Teil 11 des Radialschenkels 8 wenigstens mit Linienberührung auf dem korrespondierenden Teil des Steges 5 aufliegt und so verhindert, daß sich der Gasdruck hinter dem Ring auswirken kann. Der der Niederdruckseite N zugewandte Radialschenkel 7 ist zur Lauffläche 12, die in bekannter Weise beschichtet ist 13, konisch ansteigend ausgebildet.

Der in F i g. 2 dargestellte Kolbenring 6' ist entsprechend F i g. 1 gestaltet mit dem Unterschied, daß die im Querschnitt halbkreisförmige Ausnehmung 10' im äußeren Umfangsbereich auf der dem Hochdruckraum H zugewandten Seite des Radialschenkels 8' angeordnet ist.

F i g. 3 zeigt einen Kolben 14, in den am Kolbenboden 15 eine umlaufende Ausnehmung 16 und axial im Abstand zu dieser eine Nut 17 eingebracht ist, derart, daß der verbleibende Steg 18 parallele Flächen 19, 20 aufweist. In der Nut 17 und der Ausnehmung 16 ist der U-förmige Kolbenring 21 mit seinen Radialschenkeln 22, 23 mit radialem und axialem Spiel angeordnet. Die biegeweiche Stelle 24 befindet sich im radial äußeren Umfangsbereich des der Hochdruckseite H zugewandten Radialschenkels 23 und weist einen etwa halbkreisförmigen Querschnitt auf.

Fig.4 zeigt einen Kolbenring 25, der auf einen konisch zum Boden 26 des Kolbens 27 ansteigenden Steg 28 aufgezogen ist. Sowohl der dem Hochdruckraum //zugewandte Radialschenkel 29 als auch der der Niederdruckseite N zugewandte Radialschenkel 30 ist konisch zur Lauffläche 31 hin ansteigend ausgebildet, wobei der Radialschenkel 29 im Bereich seiner äußeren Umfangsfläche eine biegeweiche Stelle 32 bildet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kolbenring für insbesondere Brennkraftmaschinen mit radial nach innen offenem, U-förmigem Querschnitt zum Einbau in Kolbennuten mit dem Ringquerschnitt entsprechendem, einen mittleren Steg aufweisendem Nutquerschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß der der Hochdruckseite des abzudichtenden Mediums zugewandte radiale Schenkel (8; 8'; 23; 29) des U-Profiles in Richtung auf den Nutsteg (5; 18; 28) elastisch verformbar ist

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastisch verformbare Schenkel (8; 8'; 23) im radial äußeren Querschnittsbereich durch eine Ausnehmung (10; 10'; 24) geschwächt ist, die einen abgerundeten, etwa halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.

3. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastisch verformbare Schenkel (29) einen zum Laufflächenteil (31) des Kolbenringes (25) sich verjüngenden Querschnitt aufweist.

4. Kolbenring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die dem Nutsteg (28) zugewandte Innenfläche des elastisch verformbaren Schenkels (29) radial nach außen zum Druckraum hin steigend ausgebildet ist.