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Kolben
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Die Erfindung betrifft einen Kolben für Viertakt-Brennkraftmaschinen
und Kompressoren mit wenigstens einem Verdichtungsring und einem Ölabstreifring.
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Bei einem solchen Kolben ist es die Aufgabe der Kolbenringe, den Arbeitsraum
gegen den Getrieberaum abzudichten, d.h. die Durchblasmenge so klein wie möglich
zu halten sowie die Wärmeleitung vom Kolben zur Zylinderwand zu unterstützen und
den Ölhaushalt zu regeln. Eine kleine Durchblasmenge ist der aussagefähigste Parameter
für eine gute Ölversorgung der Lauf- und gleichzeitig Dichtflächen zwischen Zylinder,
Kolbenringen und Kolbenringnuten.
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Dieser, sich daraus ergebenden wichtigen Aufgabe kann der Kolbenring
nur gerecht werden, wenn zwischen Zylinder-und Ringlauffläche dauernd eine - bis
auf die Stoßspielstelle - geschlossene Linienführung besteht und zugleich eine der
beiden Kolbenringplanflächen gasdicht an der entsprechenden Kolbennutflanke anliegt.
Dies geschieht dadurch, daß sich der Kolbenring zunächst unter der Wirkung seiner
eigenen Spannung an die Zylinderwand anlegt und dann unter der Einwirkung der Gaskräfte,
die durch Aufbau eines Druckes zwischen Ringinnenmantelfläche und Nutgrund entstehen,
verstärkt an die Zylinderwand angedrückt wird. Es muß angestrebt werden, daß die
geometrischen Formen von Zylinder und Kolbenring soweit
wie möglich
in Übereinstimmung bleiben, auch unter den veränderlichen Drücken und Temperaturen,
denen die Zylinder von Verbrennungskraftmaschinen in oft raschem Wechsel unterworfen
sind. Letzteres wird beispielsweise durch ein größeres Stoßspiel am Kolbenring der
zweiten Ringnute verbunden mit mehr Abfluß der sich im Raum zwischen der ersten
und zweiten Ringnute befindlichen Leckgase und dadurch erhöhter Druckdifferenz zum
Brennraum erreicht.
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Die negative Begleiterscheinung einer erhöhten Durchblasmenge zum
Kurbelraum begrenzt den Einsatz dieser Maßnahme.
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Bei höher drehenden Brennkraftmaschinen kann in bestimmten Drehzahlbereichen
Kolbenringflattern auftreten, das sich durch plötzlichen Anstieg der Durchblasmenge
und Nachlassen der Leistung bemerkbar macht. Dies wird dadurch verursacht, daß die
Ringe nicht mehr ihre Funktion erfüllen, da sie in einen Zustand der Labilität geraten.
Diese Bewegung, durch das Wechselspiel von Beschleunigungs-, Gas- und hydraulischen
Kräften hervorgerufen, kann in axialer und in radialer Richtung eintreten und ist
nur im Drehzahlbereich zu verschieben oder überhaupt zu vermeiden, wenn beispielsweise
die Ringhöhe (Masse) oder die Druckverhältnisse am Steg zwischen dem ersten und
zweiten Kolbenring verändert werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei dem eingangs beschriebenen
Kolben den Stoßspalt des Verdichtungsrings so zu gestalten, daß die Durchblasmenge
so klein wie möglich ist und die Stabilität im Ringbewegungsverhalten im ganzen
Betriebsbereich gewährleistet ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einer Kombination,
nach der die Flächen der Stoßenden wenigstens des Verdichtungsrings über einen Teil
der
axialen Ringhöhe von einer der Ringflanken her und die Stirnflächen
der Ringstege wenigstens über einen Teil der axialen Steghöhe zurückgesetzt sind,
so daß die Stoßspaltweite an oberer und unterer Ringflanke unterschiedlich groß
ausgeführt ist.
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Die Zurücksetzung der Flächen der Stoßenden kann bis zu 150 % der
axialen Ringhöhe betragen.
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Im Rahmen der besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Flächen
der Stoßenden vorzugsweise unter einem Winkel von 30 bis 600 zu einer der Ringflanken
hin geneigt.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und
wird nachfolgend näher beschrieben: In Fig. 1 ist ein in dem Zylinder 1 laufender,
mit zwei Ringnuten 2, 3 versehener Kolben 4 dargestellt, wobei in der ersten Ringnute
2 ein Verdichtungsring 5 und in der zweiten Ringnute 3 ein Ölabstreifring 6 mit
geradem Stoßspalt 7 angeordnet sind. Der Stoßspalt 8 des Verdichtungsrings 5 ist
in seinem oberen Teil durch angeschrägte Zurücksetzung der Flächen der Stoßenden
erweitert ausgebildet.
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Die kleine Weite des unteren Teils des Stoßspaltes 8 des Verdichtungsrings
sorgt dafür, daß, wenn der Gasdruck im Brennraum 10 überwiegt und der Verdichtungsring
5 mit seiner kolbenschaftseitigen Ringflanke an der korrespondierenden Flanke der
Ringnute 2 anliegt, nur geringe Durchblasmengen in den zwischen der Stirnfläche
des Ringstegs 9 und der Zylinderlaufbahn 11 bestehenden Ringraum 12 gelangen. Da
im Ablauf eines Arbeitsspiels
Phasen eintreten, bei denen der Gasdruck
im Ringraum 12 größer als der Gasdruck im Brennraum 10 ist, wirkt sich die erweiterte
Ausbildung des oberen Teils des Stoßspaltes 8 des Verdichtungsrings 5 in der Weise
aus, daß die zunächst über den engen Teil des Stoßspaltes 8 abgewanderte Durchblasmenge
über seinen erweiterten Teil zum Brennraum 10 zurückfließt und nicht in den Getrieberaum
abwandert.
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In Fig. 2, die einen Ausschnitt des Ringfeldes des Kolbens gemäß Fig.
1 darstellt, ist insoweit eine Abwandlung wiedergegeben als der untere Teil des
Stoßspaltes 7 des Ölabstreifrings 6 durch angeschrägte Zurücksetzung der Flächen
der Stoßenden erweitert ausgebildet ist, was zur Folge hat, daß die über den Stoßspalt
8 des Verdichtungsrings 5 in den zwischen der Stirnfläche des Ringstegs 9 und der
Zylinderlaufbahn 11 in den Ringraum 12 gelangte Durchblasmenge zur Verringerung
des Gasdrucks in diesem Bereich über den erweiterten Teil des Stoßspaltes 7 des
Clabstreifrings 6 abgeleitet wird. Die dadurch vermehrt zum Getrieberaum abfließende
Durchblasmenge wird teilweise kompensiert durch die größere Durchblasmenge, die
über den verbreiterten Teil des Stoßspaltes des Verdichtungsrings 5 in den Brennraum
10 zurückfließt.
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Die Fig. 3 zeigt einen in dem Zylinder 13 angeordneten Kolben 14 mit
den beiden Verdichtungsringen 15, 16 und dem Ölabstreifring 17. Der Stoßspalt des
ersten Verdichtungsrings 15 ist in seinem unteren Teil und der Stoßspalt 19 des
zweiten Verdichtungsrings 16 in seinem oberen Teil durch angeschrägte Zurücksetzung
der Flächen ihrer Stoßenden erweitert ausgebildet. Die Stirnfläche des ersten Ringsteges
20 ist auf ihrer axialen Höhe auf dem Umfang unter Bildung eines Ringraums 21
mit
der Zylinderlauffläche 22 zurückgesetzt. Bei dieser Kolbenringanordnung wird bei
einem relativ großen Volumen des Ringraums 21 und dadurch eines normalerweise zu
kleinen Gasdrucks eine große Durchblasmenge diesem Bereich zugeführt und durch den
engen Teil des Stoßspaltes 18 des ersten Verdichtungsrings 15 ein zu großer Rückfluß
der Durchblasmenge in den Brennraum 23 vermieden. Durch diese Ausführungsform ist
erreicht, daß gegenüber dem Druckanstieg im Brennraum eine zeitliche Verschiebung
im Druckaufbau des Ringraums 21 eintritt, was wiederum die Stabilität der Ringbewegung
beeinflußt.
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Die Fig. 4 zeigt eine mögliche andere erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Verdichtungsrings 24, bei dem der Stoßspalt 25 in Form einer rechteckigen
Zurücksetzung der Flächen der Stoßenden erweitert gestaltet ist.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die Flatterdrehzahl, die
den Einsatzbereich der Brennkraftmaschine begrenzt, verhindert.
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