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Anordnung zur Abdichtung eines Kolbens
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Abdichtung eines
Kolbens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Für die Gewährleistung der Abdichtfunktion der als Kompressionsringe
ausgebildeten und an der Zylinderbohrung anliegenden Kolbenringe von Hubkolben-Brennkraftmaschinen
ist eine Radialkraft erforderlich, die sich im allgemeinen aus der dem Ring innenwohnendenEigenvorspannung
und zum anderen Teil aus der infolge Druckwirkung auf der Kolbenringinnenseite entstehenden
Gaskraft zusammensetzt. Während aber die Gaskraft im wesentlichen nur während des
Verdichtungs- und Expansionstaktes, also gerade immer dann, wenn die Abdichtung
auch erforderlich ist, infolge des dann in dem Brennraum herrschenden tberdruckes
zur Wirkung kommt, jedoch infolge des aus Fuhrungsründen relativ engen Sitzes desKolbearinges
in der Ringnut sehr stark gedrosselt ist, wirkt die Vorspannkraft des Kolbenringes
ständig und drückt den Kolbenring also auch in solchen Betriebszuständen an die
Zylinderwand, in denen eine Gasabdichtung eigentlich nicht, jedenfalls nicht in
diesem Maße erforderlich ist. Eine Abdichtung gegen Ölübertritt von dem Kurbelgehäuseraum
/den Brennraum erfolgt bekanntlich durch besondere Ölabstreifringe, auf
die
sich die vorliegende Erfindung jedoch nicht beziehen soll.
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Die Folge der ständig hohen Anpressung der Kompressions-Kolbenring
an die Zylinderwand sind Reibungsverluste des Triebwerkes, die zu verringern Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs
1. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß durch Verringerung der Vor
spannung und gleichzeitige Erhöhung der Gaskraft eine spürbare Reduzierung der Reibverluste
zumindest während der Ansaug- und Auslaßtakte der Brennkraftmaschine erreichbar
ist.
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Durch Verringerung des Widerstandsmomentes und Verbindung des den
Ringnutgrund mit dem oberhalb des Kolbenrings liegenden Ringspalt zwischen Kolben
und Zylinder wird zum einen eine einfachere Aufweitbarkeit des Ringes und zum anderen
eine geringere Drosselung des Gasdruckes erreicht, so daß insgesamt gesehen der
Ring während der Kompressions- und Expansionstakte mit einer höheren, aus der Gaskraft
herrührenden Radialkraft an die Zylinderwand gedrückt wird. Diese höhere Gaskraft
ist damit ohne weiteres in der Lage, in den für die Abdichtung besonders wichtigen
Betriebszuständen der Brennkraftmaschine die geringere Vorspannung des Kolbenringes
auszugleichen. Die Verbindung des den Kolbenring mit der Gaskraft beaufschlagenden
Druckraumes mit der dem Brennraum zugewandten Seite des Ringraums zwischen Kolben-
und Zylinderwand ergibt einen Selbstregeleffekt in der Weise, daß jeweils derjenige
Druck, gegen den der Kolbenring abdichten soll, zur Erzeugung der radialen Anpreßkraft
des Kolbenringes verwendet wird. Dieser Effekt kann sich dann als besonders günstig
auswirken, wenn neben einem ersten Kolbenring noch ein zweiter Kolbenring zur Abdichtung
vorgesehen ist, da bei Anwendung der Erfindung dieser zweite Kolbenring nur dann
mit Gasdruck rbeaufschlagt und somit zur Abdichtung mitherangezogen wird, wenn der
erste Ring nur ungenügend oder gar nicht abdichtet, so daß in dem Ringraum zwischen
den beiden Kolbenringen ein namenswerter Gasüberdruck entstehen kann.
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Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung, die sich insbesondere mit
Möglichkeiten der Verringerung des Widerstandsmomentes des Kolbenringes und mit
Maßnahmen zur Einleitung eines möglichst ungedrosselten
Gasdruckes
in den Druckbeaufschlagungsraum befassen, sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Abdichtanordnung
schematisch dargestellt. Dabei zeigen Figur 1 einen Teil eines Längs schnitts durch
einen in einem Zylinder gleitenden Kolben mit der erfindungsgemäßen Kolbenring-
und Ringnutausbildung, Figur 2 eine andere Ausführung der Kolbenring- und Ringnutausbildung
bei einer der Figur 1 ähnlichen Kolbendarstellung und Figur 3 eine Draufsicht auf
einen erfindungsgemäßen Kolbenring.
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In den Figuren der Zeichnung sind für jeweils gleiche oder vergleichbare
Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet worden. So wird mit 1 ein
Zylinder einer herkömmlichen Hubkolben-Brennkraftmaschine, beispielsweise für ein
Personenkraftfahrzeug, bezeichnet, in dem ein Kolben 2 auf und ab gleitet. Der Kolben
schließt dabei gegenüber einem hier nicht gezeigten Zylinderkopf einen Brennraum
3 mit veränderlichem Volumen ein. Dem Brennraum wird in üblicher Weise ein gasförmiges
Arbeitsmittel, das aus einem Luft-Kraftstoff-Gemisch besteht, zugeführt, das im
weiteren Verlauf des Arbeitsprozesses verdichtet, gezündet, expandiert und wieder
ausgeschoben wird, wobei die einzelnen Betriebszustände wesentlich durch die Bewegung
des Kolbens bestimmt werden.
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Während der Kompressions- und Expansionsphase weist das Arbeitsmittel
einen teilweise erheblich über dem Umgebungsdruck liegenden Druck auf, gegen den
der Brennraum 3 abgedichtet werden muß. Insbesondere ist eine Abdichtung in dem
Ringraum 4 zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinder 1 erforderlich, und zwar in einer
Weise, die eine möglichst reibungsarme Verschiebung des Kolbens 2 in dem Zylinder
1 zuläßt. Üblicherweise werden dazu Kolbenringe 5 verwendet, die in in der Kolbenwandung
angeordneten Ringnuten 6 geführt sind und die infolge einer ihnen innewohnenden
Vorspannkraft sowie der an ihrer radialen Innenseite aufgebrachten, aus dem Gasdruck
herrührenden Druckkraft radial nach außen gegen die Zylinderwand gedrückt werden.
Der dabei wirksam werdende Gasdruck in dem Druckbeaufschlagungsraum 8 ist jedoch
normalerweise
relativ stark gedrosselt, da zwischen den Wänden
der Ringnut 6 und dem Kolbenring 5 aus Gründen einer sicheren, klapperfreien Führung
nur ein sehr geringes Spiel zugelassen wird.
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Der erfindungsgemäße Kolbenring 5 soll nun eine nur geringe radiale
Vorspannung aufweisen, und die infolgedessen geringere radiale Anpreßkraft des Ringes
an die Zylinderwand soll durch eine höhere Gaskraftwirkung ersetzt werden. Zu diesem
Zweck weist der Kolbenring 5 an seiner Innenseite über den Umfang gleichmäßig verteilte
radiale Einschnitte 9 auf, die die radiale Vorspannung des Kolbenrings verringern
und gleichzeitig sein Widerstandsmoment gegenüber von außen aufgebrachten Radialkräften
herabsetzen. Der Kolbenring kann also leichter, das heißt durch geringere radiale
Druckkräfte, aufgeweitet werden, was eine höhere Anpressung an die Zylinderwand
bewirkt. Die Widerstandsverminderung des Kolbenringes gegenüber von außen aufgebrachten
radialen Kräften könnte natürlich auch auf andere Weise, beispielsweise durch Wahl
einer geeigneten Querschnittsform, beispielsweise eines radial nach innen geöffneten
U, erreicht werden.
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Die Verbindung des Druckbeaufschlagungsraumes 8 am Grund der Ringnut
6 mit dem Ringraum 4 oberhalb des Kolbenringes 5, das heißt mit der dem Brennraum
3 zugewandten Seite des Ringraumes 4, wird bei der Ausführung nach der Figur 1 durch
Anbringung radial verlaufender Ausnehmungen 7 an der dem Brennraum zugewandten seitlichen
Wand der Ringnut 6 erreicht. Anstelle solcher radialer Ausnehmungen an der Ringnut
könnten natürlich auch entsprechende Ausnehmungen an der Oberseite des Kolbenringes,
das heißt an der dem Brennraum 3 zugewandten Stirnseite, vorgesehen sein.
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Bei der Ausführung nach der Figur 2 ist anstelle solcher radialer
Ausnehmungen eine umlaufende Phase 10 an der dem Brennraum 3 zugewandten Begrenzungswand
der Ringnut 6 angebracht, die so weit nach innen reicht, daß sie zur Verbindung
des Druckbeaufschlagungsraumes 8 mit dem Ringraum 4 oberhalb des Kolbenringes 5
mit den radialen Einschnitten 9 des Kolbenringe s 5 korrespondiert. Der Schnittpunkt
der umlaufenden Phase 10 mit der Ringnutwand befindet sich also auf einem kleineren
Durchmesser als das radial äußere Ende der Einschnitte 9.
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Bei allen von der Erfindung vorgeschlagenen Maßnahmen zur Verbindung
des Druckbeaufschlagungsraumes 8 mit dem Ringraum 4 ist wesentlich, daß die Führungsfunktion
der Ringnut 6 für den Xolbenring 5 nicht beeinträchtigt wird.
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Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße
Kolbenabdichtung bei allen Eubkolbenmaschinen,insbesondere aber bei Brennkraftmaschinen,
anwendbar ist, wobei sich diese Anwendung bei Anordnung mehrerer Kompressionskolbenringe
auf alle diese Kolbenringe erstrecken kann.
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