DE3207810C2 - Anordnung zur Abdichtung eines Kolbens in einem Zylinder - Google Patents

Abstract

Ein zusammengesetzter Kolbenring weist einen ersten sowie zweiten, in einer Ringnut eines Kolbens angeordneten Ring auf. Der erste Ring hat eine außenliegende Gleitfläche und eine Innenumfangsfläche mit einer an dieser ausgebildeten ringförmigen Abstufung. Der zweite Ring ist zwischen der Abstufung und einer ringförmigen Vertiefung, die im oberen Bereich der Grundfläche der Ringnut ausgebildet ist, angeordnet. Wenn die Ringe in die Ringnut derart eingesetzt sind, daß die untere Fläche des ersten Ringes mit der unteren Fläche der Ringnut in Anlage ist, so ist die untere Fläche des zweiten Ringes sowohl mit einer oberen Fläche der Abstufung des ersten Ringes wie auch mit einer oberen Fläche der Vertiefung im Nutengrund in Anlage.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abdichtung eines Kolbens in einem Zylinder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In jüngerer Zeit besteht ein starkes Verlangen nach Brennkraftmaschinen, die energiesparend und mit äußerst geringer Luftverschmutzung arbeiten. Um diesem Verlangen gerecht zu werden, wurden verschiedene Vorschläge gemacht, für welche eine Steigerung der Leistungsfähigkeit sowie des Betriebsverhaltens der Kolbenringe als einer der wesentlichsten Faktoren anzusehen ist. So ist es insbesondere von Vorteil, die Reibungskraft des Kolbenringes zu vermindern, da die dem Kolbenring eigene Reibungskraft für einen Großteil der in einer Brennkraftmaschine auftretenden Reibung verantwortlich ist. Um dieses Ziel zu erreichen, hat man der axialen Erstrekkung des Kolbenringes sowie dessen Dehnkraft Aufmerksamkeit zugewendet, d. h., die axiale Erstrekkung des Ringes sollte klein sein und seine radial auswärts gerichtete Dehnkraft sollte vermindert werden. Der Kolbenring muß jedoch seine grundsätzliche Aufgabe in bezug auf Fluidabdichtung bzw. -abdichtfähigkeit, in bezug auf Steuerung des Schmierölhaushalts und in bezug auf Abriebfestigkeit erfüllen. Was das betrifft, so wird es als schwierig angesehen, einen Kolbenring derart auszubilden, daß er die Eigenschaft einer Reibungsverminderung aufweist, dabei aber dennoch seine grundsätzliche Aufgabe erfüllt und eine hohe Leistungsfähigkeit zeigt.

Zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Standes der Technik wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, die in

Fig. 1 bis 5 im Schnitt verschiedene Bauarten von herkömmlichen Kolbenringen zeigen.

Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugszeichen, für sich entsprechende Elemente gleiche Bezugszeichen mit Kleinbuchstaben verwendet.

Die typische Arbeitsweise eines herkömmlichen Kolbenringes wird anhand der Fig. 1 erläutert. Ein Kolbenring 1 ist innerhalb einer Ringnut 4 eines Kolbens 5 angeordnet und wird gleitend längs einer innenumfangsfläche eines Zylinders 3 hin- und herbewegt. In diesem Fall kann die primäre Reibungskraft in radialer Richtung des Kolbenringes durch die Kraft P 3, die auf eine Innenumfangsfläche 13 des eine Außenumfangsfläche 11 des Ringes wirkt, und Kolbenringes 1 wirkt, durch die Kraft Fl, die auf durch die Kraft PE, die die Selbstdehnkraft des Kolbenringes ist, zusammengefaßt werden. Die Druckverteilung, wenn eine Brennkammer auf hohem Druck ist, ist in Fig. 1 dargestellt, und hierbei ist PE vernachlässigbar, da diese Kraft sehr viel niedriger ist als P 1 und P 3. Für die Druckverteilung von P I ergibt sich ein maximaler Druck ρ 7. das ist der Druck am oberen Kolbensteg 7, und ein minimaler Druck ρ 8.

das ist der Druck am unteren Kolbenmantel 8. Die auf die Innenumfangsfläche 13 des Kolbenringes wir-•:ende Druckverteilung hat einen gleichförmigen Druck ρ 7, der dem Druck ρ 7 am oberen Kolbensteg nahezu gleich ist und über einen Freiraun zwischen der Ringnut 4 sowie dem Kolbenring übertragen wird. Somit kann die längs einer radialen Richtung auf den Kolbenring aufgebrachte Kraft durch die folgende Formel wiedergegeben werden:

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worin h 1 die axiale Erstreckung oder die Höhe des Kolbenringes ist. Diese Kraft erreicht ihren maxima- is len Wert, wenn der Kolben im Bereich seines oberen Totpunktes anlangt, an welchem der Innendruck in der Brennkammer seinen höchsten Wert hat. Damit gleitet der Kolbenring an der Innenoberfläche des Zylinders mit einem extrem hohen Flächeiidruck, so daß der Verschleiß durch Reibung an der Innenoberfläche des Zylinders im oberen Totpunktbereich des Kolbens beträchtlich erhöht wird.

Ausgehend von der obigen Formel kann demzufolge die Reibungskraft durch Vermindern der Höhe h 1 des Kolbenringes herabgesetzt werden. Jedoch hat ein solcher Kolbenring mit einer geringen axialen Höhe keine ausreichende Wirkung in bezug auf eine Ölfilmbildung. Wegen des dünnen Ölfilms auf der Zylinderinnenfläche ist das Ergebnis, daß der jo Verschleiß durch Reibung erhöht wird. Ferner ist es auf Grund der geringen Höhe des Kolbenringes dann sehr schwierig, einen solchen vom Standpunkt der mechanischen Festigkeit und der Produktivität aus Gußeisen zu fertigen. Auch wenn andererseits ein soleher Ring aus Stahl hergestellt wird, so ist seine Schmierfähigkeit geringer als die bei einem Gußeisenring, und ferner kann eine thermische Verformung herbeigeführt werden, die die Selbstausdehnungseigenschaft des Kolbenringes beeinträchtigt, wodurch die Abdichtfähigkeit verschlechtert wird.

Es wurde ein anderer Vorschlag gemacht, wobei ein auf die Innenoberfläche des Kolbenringes wirkender Druck durch eine hierauf bezogene und dafür geeignete Anordnung, wie sie in F i g. 2 gezeigt ist, blockiert wird. Hierbei ist ein Sekundärring 2 auf einer oberen Fläche 12 des Kolbenringes 1 angeordnet, um den zwischen der oberen Fläche 12 und der Ringnut 4 vorhandenen Spalt abzudichten. Eine solche Konstruktion ist in der japanischen Patent-Auslegeschrift Nr. 44-66 47 (1969), in der Veröffentlichung zur japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr.52-49 205 (1977) und in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 52-148 716 (1977) gezeigt. Mit einer derartigen Anordnung wird jedoch, wenn die Koibenringnut vollständig abgeschlossen ist, der Kolbenring einem Druck ausgesetzt, der allein auf seine Außenoberfläche wirkt, was zum Ergebnis hat, daß der Ring radial einwärts gepreßt wird, wodurch seine Abdichtfähigkeit verschlechtert wird.

Weitere Konstruktionen bekannter Kolbenringe zeigen die F i g. 3 und 4, wobei ein Kolbenring 1 an seiner Innenumfangsfläche 13 einen abgestuften Bereich 10 hat und an diesem Bereich ein Sekundärring 2 vorgesehen ist. Bei dieser Konstruktion wird der von der oberen Fläche 12 a des Ringes 1 und der oberen Fläche 42 der Ringnut 4 α begrenzte Freiraum durch den Sekundärring la abgedichtet und gleichzeitig ein Druck auf die Innenumfangsfläche 13 a des abgestuften Bereichs 10 ausgeübt. Eine solche Anordnung ist Gegenstand der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 49-47 522 (1974) und der japanischen Patent-Offenlegungsrchrift Nr. 52-148 716 (1977). Bei einer solchen Anordnung muß jedoch die Anlage zwischen der oberen Fläche 22 des Sekundärringes 2 α und der oberen Fläche der Ringnut 4 a aufrechterhalten werden. Zu diesem Zweck muß bei der in F i g. 3 gezeigten Konstruktion der Sekundärring la eine ausreichende, radial auswärts gerichtete Dehnkraft besitzen bzw. liefern, die in der Lage ist, dem Druck am oberen Kolbensteg zu widerstehen. Das hat einen extrem hohen Flächendruck der Kolbenringgleitfläche gegen den Zylinder zum Ergebnis. Andererseits ist bei der Konstruktion gemäß Fig. 4 kein Freiraum zwischen dem Kolbenring und der Ringnut vorgesehen, so daß eine axiale Bewegung des Kolbenringes innerhalb der Ringnut verhindert ist. In diesem Fall dürfte es nahezu unmöglich sein, Verbrennungsrückstände oder Fremdkörper, die unvermeidlich während des Betriebs erzeugt werden, aus der Kolbenringnut nach außen herauszubringen.

Bei einer weiteren, in F i g. 5 gezeigten Kolbenringkonstruktion ist ein Sekundärring Ic zwischen einer Innenumfangsfläche 13 c des Kolbenringes 1 c und einer Grundfläche 43 der Ringnut gehalten. Bei dieser Anordnung wird die Anwendung eines Drucks an dem Auflagerflächenbereich des Kolbens zur Innenumfangsfläche des Kolbenringes unterbrochen, wie in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 36-10 004 (1961), in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 54-30 451 (1979) und in der USA-Patentschrift 25 04 671 beschrieben ist. Eine solche Konstruktion beschränkt jedoch die Bewegung des Kolbenringes innerhalb der Ringnut sowohl in radialer als auch in axialer Richtung, und ferner muß der Sekundärring 2 c außerordentlich dünn sein. Das hat zum Ergebnis, daß der Sekundärring verformt werden kann, wodurch der Nachteil des Auftretens einer Gasleckage gegeben ist.

Die US-PS 28 44 522 befaßt sich mit einer Anordnung zur Abdichtung eines Kolbens in einem Zylinder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Der Primärring besitzt dabei einen L-förmigen Querschnitt, wobei lediglich der obere Abschnitt des senkreckten Schenkels gegen den Zylinder drückt. Hinter diesem senkrechten Schenkel befindet sich ein Freiraum. Der waagrechte Schenkel ist verglichen mit dem senkrechten Schenkel verhältnismäßig kurz und in Horizontalrichtung kammartig ausgebildet. Der Kolben besitzt eine dazu entsprechende kammartige Ausbildung und in die miteinander fluchtenden Vertiefungen sind mehrere Sekundärringe eingefügt. Die bekannte Anordnung ist äußerst kompliziert und kostenaufwendig; außerdem ergibt sich durch das einseitige Anliegen des oberen Teils des Primärringes am Zylinder ein gewisses Verkanten, so daß die Sekundärringe kaum vollkommen plan an ihren gegenüberliegenden Flächen des Primärringes bzw. des Kolbens anliegen. Die Dichtigkeit läßt deshalb zu wünschen übrig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Abdichtung eines Kolbens in einem Zylinder derart auszubilden, daß sich die an den Innen- und Außenumfangsflächen auftretenden Drücke gegeneinander aufheben.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ergeben sich sehr geringe Anlagedrücke. Hierdurch wird der Abrieb auf ein Minimum herabgedrückt, und es kann Schmieröl mit niedriger Viskosität verwendet werden, was wiederum den gesamten Reibungsverschleiß vermindert. Ferner kann eine Fluidleckage von der Innenumfangsfläche her unterbunden werden; die verbrauchte Schmierölmenge wird auf ein Mindestmaß herabgesetzt. Hierbei genügt eine einzige Anordnung aus Primär- und Sekundärring.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anornung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

So sind bevorzugt an der unteren Fläche des Sekundärringes umlaufende Vorsprünge ausgebildet.

Die US-PS 41 32 414 zeigt zwar eine Anordnung mit Primär- und Sekundärring, wobei die obere und untere Fläche des Primärringes mit Kanäle bildenden Vorsprüngen versehen sind, die jedoch axial verlaufen. Zwischen Sekundärring und Primärring ist ein flexibler Metallstreifen eingesetzt.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

F i g. 6 einen zusammengesetzten Kolbenring einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung im Schnitt;

F i g. 7 eine Darstellung zur Erläuterung der Druckverteilung bei dem Kolbenring gemäß der Ausführungsform von Fig. 6;

F i g. 8 eine abgebrochene perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenringes;

F i g. 9 eine Darstellung zur Erläuterung der Druckverteilung in axialer Richtung bei einem Kolbenring allgemeiner Bauart;

Fig. 10 eine Darstellung zur Erläuterung der Druckverteilung in axialer Richtung bei einem KoI-benring der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 11 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der Druckverteilung bei einer abgewandelten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 12 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der Druckverteilung bei der ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig .13 bis 15 einen Kolbenring einer zweiten, dritten und vierten Ausführungssform gemäß der Erfindung im Schnitt;

Fig. 16 eine perspektivische Darstellung der ersten Ausführungsform eines Kolbenringes gemäß der Erfindung;

Fig. 17 bis 25 weitere Ausführungsformen von Kolbenringanordnungen gemäß der Erfindung im Schnitt;

Fig. 26 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der Druckverteilung in radialer Richtung bei einer weiteren abgewandelten Ausführungsform eines KoI-benringes gemäß der Erfindung.

Bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 6 und 7 hat ein erster Ring 1 d eine Außenumfangsfläche 11, die an einer Innenumfangsfläche eines Zylinders 3 gleitend hin- und hergeht. Der erste Ring 1 ti ist mit einer von seiner oberen Fläche 12 rf ausgehenden ringförmigen Abstufung 10 rf im Bereich seiner Innenumfangsfläche 13 d versehen. Im Kolben ist eine Ringnut 4 rf ausgebildet, von deren Grundfläche 43 d im oberen Teil der Nut 4 d eine ringförmige Vertiefung 40 ausgeht, die sich radial zur Kolbenachse hin erstreckt. Zwischen die Abstufung 10 rf sowie die Vertiefung 40 ist ein zweiter Ring 2 rf eingefügt, dessen untere Fläche 24 sowohl mit einer oberen Fläche 120 der Abstufung 10 rf als auch mit einer oberen Fläche 420 der Vertiefung 40 in Anlage ist. In diesem Fall ist, wie Fig. 6 zeigt, die obere Fläche 120 der Abstufung 10 rf in einer Flucht mit der oberen Fläche 420 der Vertiefung 40, wenn der erste Ring 1 rf mit der Bodenfläche 44 der Ringnut 4 rf in Anlage ist, so daß die untere Fläche 24 des zweiten Ringes 2 rf plan sein kann, um einen möglichst einfachen Aufbau und Fertigungsvorgang zu bieten. Die untere Fläche 24 des zweiten Ringes 2 rf ist in enger Anlage an der oberen Fläche 120 der Abstufung 10 rf und an der oberen Fläche 420 der Vertiefung 40. Die obere Fläche 42 rf der Ringnut 4 rf setzt sich ohne Unterbrechung in die Verliefung 40 hinein fort. Somit wird der Druck am oberen Kolbenstegbereich auf die obere Fläche 22 rf des zweiten Ringes 2rf über einen Freiraum einwirken, welcher zwischen der Ringnut 4 rf sowie dem ersten Ring 1 rf begrenzt ist, wobei der zweite Ring 2 rf kräftig gegen die oberen Flächen 120 und 420 gepreßt wird, um eine ausreichende Abdichtfähigkeit zu bieten und zu erhalten.

Ein hervorstechendes Merkmal wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert. Auf den Kolbenring in dessen radialer Richtung aufgebrachter Druck wird in idealer Weise verteilt, um damit den Reibungssverlust herabzusetzen. Wie oben erwähnt wurde, ist ein Kolbenring in seiner radialen Richtung einem Druck ausgesetzt, wobei der Druck P 1 auf die Außenumfangsfläche 11 und der Druck P 3 auf die Innenumfangsfläche 13 rf des Kolbenringes wirkt. Da der Druck und das Gas vom oberen Kolbensteg 7 her durch den zweiten Ring 2 rf abgesperrt werden, ist der auf den unteren Teil der Innenoberfläche 13 rf des Kolbenringes 1 rf wirkende Druck pl äußerst niedrig und sein Wert ist nahezu dem Druck ρ 8 gleich, der auf den unteren Teii der AuSenobei fläche des Kolbenringes wirkt. Andererseits ist die Innenoberfläche 130 der Abstufung 10 rf durch den zweiten Ring 2 rf dem Druck ρ 7 ausgesetzt, welcher im wesentlichem dem Druck am oberen Kolbensteg 7 gleich ist. Somit kann die auf den Kolbenring in radialer Richtung aufgebrachte Kraft durch die folgende Formel dargestellt werden:
(Kraft in radialer Richtung) =

(
= (pl · //3 +pl ■ hl) -

■ h 1

worin ist

/?1: axiale Länge der Außenumfangsfläche 11 des ersten Ringes 1:

/;2: axiale Länge der Innenumfangsfläche 13rfdes ersten Ringes 1:

/;3: axiale Länge der Innenoberfläche 130 der Abstufung 10.
Da in diesem Fall p8=p2 und /;1 = /;2 + /)3 ist. folgt:

(Kraft in radialer Richtung) =

= \(pl ■ hl +/j8 · /;2 -pl ■ hl -p% ■ Iß) =

Mit diesem Ausdruck ist es möglich, die auf den Kolbenring in radialer Richtung einwirkende Kraft gleich Null zu machen, was bedeutet, daß, um eine Druckeinwirkung von der Brennkammer oder der Druckkammer auf den Kolbenring zu vermeiden, die vertikalen Strecken h 3 und h 2 einander gleich sein sollen. Um genau zu sein, heißt das, daß die folgende Formel aufgestellt werden kann, um einen Null-Druck zu erhalten:

Im Hinblick hierauf unterliegt der Kolbenring einem in radialer Richtung wirkenden Druck allein aus seiner Selbstdehnungskraft, indem die entgegengerichtete radiale Druckanwendung vom oberen Kolbensteg oder vom Kompressionsdruck der Verdichtungskammer her gelöscht oder aufgehoben wird. Deshalb gleitet der Kolbenring an der Zylinderinnenfläche mit optimalem Druck. Das hat zum Ergebnis, daß bei dem Kolbenring ein Reibungsverlust weitgehend vermindert werden kann, da der Kolbenring nicht an der Zylinderfläche mit hohem Flächendruck gleitet.

Ferner wird normalerweise, was die Schmierstellen des hin- und hergehenden Mechanismus betrifft, ein Ölfilm am Kolbenring nur schwerlich gebildet. Deshalb muß ein Schmieröl hoher Viskosität verwendet werden, um einen ausreichenden Ölfilm unter Bedingungen hoher Temperatur und schwierigen Gleitens zu bilden. Aus diesem Grund wird im Zustand niedriger Temperatur und mäßigen Gleitdrucks, was für den größeren Teil der Arbeitsbedingungen des hin- und hergehenden Mechanismus zutrifft, der Reibungsverlust in ungünstiger Weise wegen der hohen Viskosität des Öls erhöht. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Anordnung liegt der Kolbenring nunmehr gleitend am Zylinder an, und zwar wegen der oben erwähnten Druckaufhebung mit niedrigem Anlagedruck ohne Rücksicht auf den hohen Druck von der Brenn- oder Verdichtungskammer her, so daß ein Ölfilm geschaffen werden kann, um auch bei Vei"wendun° von Schmieröl riiedri°er Viskosität gute Verschleiß- und Abriebfestigkeit zu bieten. Eine solche Anwendung von öl niedriger Viskosität kann hier erstmalig verwirklicht werden, und es kann ein Reibungsverlust an den anderen Schmierstellen, als da sind Kolben, Kurbelwelle und Nockenwelle, herabgesetzt werden. Das hat zum Ergebnis, daß dieser Kolbenring zur Verminderung des Reibungsverlustes im gesamten hin- und hergehenden Mechanismus bzw. in der diesen enthaltenden Maschine beiträgt.

Theoretisch kann der primäre Zweck erreicht werden, wenn die Beziehung der Höhen so eingestellt wird, daß h 3 = h 2 ist. Jedoch ist tatsächlich der untere Teil der Außenumfangsfläche 11 des Kolbenringes einem größeren Druck als ρ 8 ausgesetzt, so daß P 1 größer als (p 7 + ρ 8)/2 wird. In diesem Fall

kann h 3 geringfügig größer sein als —, um zu verhindern, daß der Kolbenring radial einwärts gedrückt wird.

Um die Gas-Abdichtfunktion weiter zu verbessern, wird ein lippenartiger Teil 15 des ersten Ringes 1 stufenartig ausgebildet, wie Fig. 8 zeigt, wobei diese Lippen 15 in der Umfangsrichtung des Ringes vorragen. Die abgestuften Lippen verhindern den Gas-

IO

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durchtritt an der Außenumfangsfläche des Kolbenringes.

Um die Gas-Abdichtfähigkeit noch weiter zu steigern, wird ein Gasdurchtritt an der Innenumfangsfläche des Kolbenringes nach außen berücksichtigt. Das heißt, daß, wie Fig. 9 zeigt, die Beweglichkeit des Kolbenringes in seiner axialen Richtung durch den auf die obere Fläche 12 g und auf die untere Fläche 14 g des Kolbenringes Ig wirkenden Druck und durch dessen Massenkraft / bestimmt wird. In F i g. 9 sind ρ 7 der Druck am oberen Kolbensteg und ρ 8 der Druck am Kolbenmantel unmittelbar am unteren Teil des Kolbenringes. Bei einem Kolbenring der in Fig. 9 gezeigten allgemeinen Bauart ist die Bedingung für das Abheben des Kolbenringes von der Bodenfiäche 44 g der Ringnut durch den folgenden Ausdruck darzustellen:

l>pT-T--

wobei T gleich der Breite des Kolbenringes in radialer Richtung ist.

Andererseits ist bei dem beanspruchten Kolbenring die sowohl auf die untere als auch obere Fläche 14/ bzw. 12/ des Ringes wirkende Druckverteilung, wie Fig. 10 zeigt, zu derjenigen von Fig. 9 unterschiedlich, weil der zweite Ring 2 den GasstrÖmungsweg zur unteren Kolbenringfläche blockiert. Die Bedingung für das Abheben des Kolbenringes von der

jo Bodenfläche 44 der Ringnut 4 wird durch den folgenden Ausdruck, in dem der zweite Ring 2 unberücksichtigt bleibt, dargestellt:

35 Wenn p2 = /j8. so wird der Ausdruck zu
lXpT-pi)-T

Hieraus wird klar, daß nunmehr, auch wenn eine zweimal so große Massenkraft wie diejenige bei einem herkömmlichen Kolbenring ausgeübt wird, der Kolbenring von der Bodenfläche der Ringnut nicht abgehoben oder zu dieser Fläche beabstandet wird. Das heißt mit anderen Worten, daß unter der Voraussetzung gleicher Masse mit einem Kolbenring herkömmlicher Art der Ring nunmehr nicht von der Bodenfläche der Ringnut abgehoben wiTd, auch wenn der Motor oder Kompressor eine positive Beschleunigung erfährt, die doppelt so groß ist wie die einer

herkömmlichen Maschine, in die ein üblicher Kolbenring eingebaut ist. Im Hinblick darauf ist bei hohen Drehzahlen der Maschine ein Abheben des Kolbenringes vermeidbar, um auf diese Weise einen Gasdurchtritt in dem von der unteren Fläche 14 des Kolbenringes und der Bodenfläche 44 der Ringnut begrenzten Raum zu unterbinden. In diesem- Fall ist die Wirkung des zweiten Ringes vernachlässigbar, da seine Masse sehr viel kleiner als diejenige des ersten Ringes ist, so daß seine Massenkraft gering ist Die Wahrscheinlichkeit eines Abhebens des zweiten Ringes im hohen Drehzahlbereich der Maschine ist somit kaum gegeben.

Um die Gas-Abdichtfähigkeit noch weiter zu steigern, kann ferner an der unteren Fläche 24 h des zweiten Ringes 2 h eine Vertiefung oder ein ausgesparter Bereich vorgesehen werden, wie Fig. 11 zeigt Diese Vertiefung bewirkt, daß der Druck ρ 2 auf die untere Fläche des zweiten Ringes lh ausgeübt wird und

nicht der Druck ρ 7 der maximalen Druckverteilung von Fig. 12. Der Druck ρ 2 ist der in einem Raum 100 herrschende Druck, welcher durch die untere Innenumfangsfläche 13 h des ersten Ringes 1 h, durch den zweiten Ring lh sowie die Ringnut 4 A bestimmt wird. Durch diese Ausbildung kann die Kraft für ein Abheben des Ringes lh auf das allergeringste Maß herabgedrückt werden.

Darüber hinaus kann der Innendruck ρ 2 im Raum 100 durch Vergrößerung des Innenvolumens desjenigen Raumes, der von der Innenfläche 13 Λ des ersten Ringes, von der unteren Fläche 24 h des zweiten Ringes und der Ringnut 4 Λ begrenzt wird, vermindert werden. Das Gas wird unvermeidbar in den Raum eingeführt, jedoch wird wegen des großen Innenvolumens des Raumse 100 Λ der Innendruck ρ 2 nicht besonders erhöht.

Insbesondere kann gemäß der Ausbildungsform von Fig. 13 am unteren Teil der Innenumfangsfläche des ersten Ringes 1 m eine Kehle oder Fuge 134 ausgearbeitet werden. Gemäß einer weiteren, in Fig. 14 gezeigten Ausführungsform wird an der Ringnut 4 p eine Furche oder zusätzliche Nut 440 ausgebildet, die mit dem Raum 100 p in Verbindung steht. Eine noch andere Möglichkeit zeigt die F i g. 15 auf, wonach von der unteren Fläche 24 k des zweiten Ringes 2 k ausgehend in diesen eine Rinne 200 eingearbeitet wird. Diese Rinne sollte jedoch nicht im Bereich von Lippen des zweiten Ringes ausgebildet werden, da sonst eine Gasleckage hervorgerufen werden kann.

Wie aus dem Obigen hervorgeht, kann ein Gasdurchtritt auf Grund eines Abhebens des Kolbenringes verhindert werden, und ferner wird ein Gasdurchtritt an der Außenfläche des Kolbenringes durch die abgestufte Lippe 15 ( F i g. 8 ) unterbunden. Insofern wird die Gas-Abdichtfähigkeit im Vergleich zu einem üblichen Kolbenring ganz beträchtlich gesteigert. Wenn bei einem herkömmlichen Gas-Abdichtring in dessen axialer Erstreckung Doppelringe vorgesehen werden mußten, so wird als Ergebnis nunmehr nur ein einzelner konzentrischer Ring verwendet, der eine ausreichende und die gewünschte Wirkung bietet, was mit Bezug auf Fig. 16 erläutert wird.

Wenn, wie Fig. 16 zeigt, der freie Spalt 153 zwischen den Lippen 25 des zweiten Ringes Zr in Umfangsrichtung gleich Gl und der Abstand zwischen der Innenfläche 13 r des ersten Ringes 1 r sowie der Ringnutgrundfläche 43 r gleich Cl ist, so ist der vjassirOiTiungSucrcich gleich Gl-C 2. Andererseits ist der Raum 151 an den oberen Lippen 15 r des ersten Ringes 1 r durch die Abstufung blockiert, so daß hier ein Gasdurchtritt nicht entsteht, während an den unteren Lippen ein Spalt 152 von der Größe G1 in Umfangsrichtung vorhanden ist, so daß, wenn der Raum zwischen dem Kolben und Zylinder gleich C1 ist, der Gasströmungsbereich gleich Gl-Cl wird. Der eine Verbindung zwischen den Lippen des ersten und zweiten Ringes bildende Raum 100 r wird durch die untere Fläche 24 r des zweiten Ringes, die Innenfläche 13 τ des ersten Ringes und die Nutgrundfläche 43 τ bestimmt. Wenn das Innenvolumen des Raumes 100 r groß ist, so wird der Druck des an den Lippen 25 r des zweiten Ringes durchtretenden Gases abgesenkt, und dieses wird zum Raum 152 der unteren Lippen des ersten Ringes geführt. Eine derartige Gasströmung würde einen zur herkömmlichen Gasleckageströmung gleichartigen Zustand herbeiführen, wobei der Strömungsweg in den Spalten zwischen den oberen und unteren Gasdichtungsringen sowie dem oberen Kolbenstegbereich zwischen den Ringen (Kopfring und zweiter Ring) bestimmt ist. Das bedeutet, daß die GasströmungsbereicheGl-Cl und Gl-Cl des zweiten sowie ersten Ringes annähernd gleich zueinander sind, so daß die Konstruktion die gleiche Funktion ergibt, wie sie bei Doppelkolbenringen von vertikaler Anordnung gemäß dem Stand der Technik gegeben ist. Wenn, wie im Fall der Anwendung von zwei Kolbenringen, das Innenvolumen des Raumes 100 r, das dem Innenvolumen des zwischen dem oberen und unteren Kolbenring

!5 bei einer herkömmlichen Konstruktion bestimmten Flächenbereichs entspricht, groß ist, so kann, da der Gasdruck atanimmt, die Gas-Abdichtfunktion begünstigt werden. Es muß der Raum 151 zwischen den oberen Lippen des Ringes 1 r verschlossen werden.

und deshalb soll dieser Raum 151 nicht mit dem abgestuften Bereich 10 verbunden sein. Ferner soll die Lage der Lippen des ersten Ringes zu denen des zweiten Ringes beabstandet sein, und der zweite Ring wird so bearbeitet, daß er an einer freien Drehung in Bezug zum ersten Ring gehindert wird. Es ist darüber hinaus klar, daß die Lippenabstufung am zweiten Ring anstelle der in Fig. 16 gezeigten Lippen in rechtwinkliger Ebene vorgesehen werden kann.
Die bisherige Beschreibung hat sich primär auf einen niedrigen Reibungsverlust und geringe Gasleckage bezogen. Jedoch läßt sich darüber hinaus noch mehr erreichen:

Wie oben erwähnt wurde, wird durch den beschriebenen Kolbenring nunmehr ein Heben des Kolbenringes innerhalb seiner Nut während eines Betriebs mit hoher Drehzahl verhindert, und ein Gasaustritt an der Außenumfangsfläche des Kolbenringes wird auf ein minimales Maß herabgesetzt, weshalb eine hohe Gas-Abdichtfähigkeit erhalten wird. Durch diese Tatsache wird auch der Verbrauch an Schmieröl vermindert. Im einzelnen Fall ist es so. daß bei einem herkömmlichen Kolbenring vom unteren Teil des Zylinders aufsteigendes Schmieröl allein durch die Außenumfangsfläche des Ringes abgesperrt wird.

während im Gegensatz hierzu solches aufsteigendes Schmieröl jetzt durch den rückwärtigen Seitenbereich und auch durch den Außenflächenbereich des Kolbenringes abgesperrt wird.

Ferner wird bei einem herkömmlichen Kolbenring die Wärme des Kolbens nur von der oberen sowie Uliiercfi j-läCiic ucS rvOiuciinngcS UuCrirägcFK uagcgen kann jetzt, da der zweite Ring zwischen den ersten Kolbenring und die Ringnut eingesetzt ist, im Kolben angestaute Wärme schnell auf den Zylinder übertragen werden.

Das hat zum Ergebnis, daß selbst bei Anwendung eines einzelnen zusammengesetzten Kolbenringes die Kühlwirkung für den Kolben die gleiche sein dürfte und sein wird wie die Kühlwirkung, die sich bei Doppelkolbenringkonstruktionen herkömmlicher Art ergibt.

Einige weitere Ausbildungsformen werden anschließend beschrieben
Es soll zuerst auf die Maßverhältnisse des Kolbenringes in radialer Richtung eingegangen werden. Gemäß der ersten, in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist der Außendurchmesser des zweiten Ringes 2 d im wesentlichen gleich dem Innendurchmes-

ser der Abstufung 10 d des ersten Ringes 1 d. Der zweite Ring liefert keine Selbstausdehnung in radialer Richtung nach außen. Es ist jedoch vorzuziehen, für eine Selbstausdehnung zu sorgen, die radial auswärts gerichtet ist, um die Spannung des ersten Ringes 1 rf zu unterstützen und zu ergänzen. In diesem Fall kann, da zwischen dem ersten und zweiten Ring eine Fluidabdichtung zu erhalten ist, der in Fig. 16 gezeigte Gasströmungsweg erhalten bleiben. Femer ist es möglich, einen zweiten Ring vorzusehen, der seinen Lippenbereich selbst schließt und zum ersten Ring, wie Fig. 17 zeigt, beabstandet ist. In diesem Fall wird der Spalt im Lippenbereich des zweiten Ringes gleich Null, da bei dieser Ausführung der zweite Ring eine radial einwärts pressende Kraft abgibt, und deshalb wird der Gasströmungsweg zwischen der oberen sowie unteren Lippe des ersten Ringes durch den Ringspalt zwischen erstem und zweitem Ring geschaffen.

Wie Fig. 11 zeigt, wird an der unteren Fläche24/i des zweiten Ringes überdies eine sehr kleine Vertiefung geschaffen, so daß der Druck ρ 2 des Raumes 100 nur auf die untere Fläche übertragen wird, um dadurch ein Anheben des zweiten Ringes 2 Λ zu verhindern. Gemäß einer anderen in Fig. 18 gezeigten Ausführungsform können jedoch auch ringförmige Vorsprünge 240 an der unteren Fläche 24 q des zweiten Ringes ausgebildet werden, wodurch eine gleichartige Wirkung wie mit der Ausbildung von Fig. 11 zu erhalten ist.

Die Fig. 19 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Feder 28 zwischen Ringnut und zweiten Ring 2 s eingesetzt ist, um eine ganz sichere fluiddichte Ausbildung zwischen dem zweiten Ring 2i, dem ersten Ring 1 s und der oberen Fläche 420 der Vertiefung in der Nutgrundfläche zu erreichen. Die an der unteren Fläche des zweiten Ringes 2/i (Fig. 11)ausgearbeitete Vertiefung oder der dort ausgesparte Bereich bzw. die ringförmigen Vorsprünge 240 (Fig. 18 und 19) ermöglichen es, daß der zweite Ring Iq bzw. 2 s in dichter Anlage an der oberen Fläche 120 q bzw. 12Oi der Abstufung des ersten Ringes und an der oberen Fläche 420 der Vertiefung im Nutengrund ist, wodurch eine ausgezeichnete Abdichtfähigkeit zu erreichen ist. Darüber hinaus kann, auch wenn die obere Fläche 420 der Vertiefung 40 <7 bzw. 4Oi in der Nutgrundfläche nicht mit der oberen Fläche 120 q bzw. 12Oi der Abstufung des ersten Ringes auf Grund von unvermeidbaren Abweichungen bei der maschinellen Bearbeitung fluchtet, der zweite Ring eine Linienberührang mit den Flächen 12Oq bzw.

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des zweiten Ringes dennoch aufrechterhalten. Insofern ist diese Ausbildung für den praktischen Gebrauch besonders zu empfehlen. Bei einer solchen Konstruktion bewahrt im Fall eines auf der Ausbildung der Abstufung beruhenden Verziehens oder Verwerfens des ersten Ringes der zweite Ring auch dann eine dichte Anlage am ersten Ring, um so die Abdichtfunktion beizubehalten.

Die in Fig. 20 gezeigte Ausführungsform bewahrt die Dichtfähigkeit auch im Fall der oben erwähnten Bearbeitungsabweichung am ersten Ring oder bei dessen Verwerfen. Hierbei ist wenigstens eine der Flächen 120 u oder 420 u gekrümmt ausgebildet und gleicherweise verläuft die untere Fläche 24 u des zweiten Ringes in einer Bogenform. Bei dieser Ausbildung hält, auch wenn der erste Ring 1 u verzogen ist, die untere Fläche 24 u des zweiten Ringes eine dichte Anlage an den Flächen 120« und 420« einer ringförmigen Linie oder auch mehrerer solcher bzw. an einer ringförmigen Fläche zwischen den Teilen 2«, 1 u und S u aufrecht, so daß die Abdichtfunktion gewährleistet ist.

Bei der in Fig. 21 gezeigten weiteren Ausführungsform sind geneigte Abschnitte, d. h. Abschrägungen, 124 und 424 an der freien Stirnseite 123 der ίο Abstufung des ersten Ringes 11 bzw. an der freien Stirnseite 423 der Vertiefung im Nutengrund ausgebildet, und es sind entsprechende geneigte Bereiche, d. h. Abschrägungen, 241 und 244 an der unteren Fläche 24 t des zweiten Ringes 2 / vorhanden. Durch !5 eine solche Ausbildung wird die Abdichtwirkung weiter gesteigert. Wenn in diesem Fall der Neigungswinkel α groß ist, so wird auf den zweiten Ring 2 / wirkender Axialdruck verstärkt auf den ersten Ring 11 übertragen, weshalb der Winkel α klein sein soll.
Es ist hier noch zu bemerken, daß die an der Innenumfangsfläche 131 des ersten Ringes ausgebildete Fuge 134 neben der Steigerung der Gas-Abdichtfähigkeit wirksam ein auf der Ausbildung der Abstufung 10 / beruhendes Verziehen des ersten Ringes verhindert.

Weitere Ausführungsformen sind in Fig. 22 und 23 gezeigt. Hierbei sind die obere Fläche 120 der Abstufung 10 ν bzw. 10 w des ersten Ringes 1 ν bzw. 1 w und die obere Fläche 420 w der Nutengrundvertiefung 40 ν bzw. 40 w miteinander in einer Flucht, sie sind jedoch mit Bezug zur radialen Erstreckung des Kolbenringes geneigt ausgebildet. Ferner erzeugt der zur Anwendung kommende zweite Ring einen radial einwärts gerichteten Druck, um seinen Lippenbereich zu schließen. Wenn bei dieser Ausbildung auch der Druck vom oberen Kolbensteg auf den zweiten Ring nicht wirkt, so hält dieser Ring dennoch seine Anlage an den oberen Flächen 120 ν bzw. 12Ow und 420 ν bzw. 420 w aufrecht. Derartige geneigte Flächen sind insbesondere als Gegenmaßnahme zu Verbrennungsrückständen in Dieselmotoren wirksam. Bei der in Fig. 24 gezeigten Ausführungsform ist die Ringnut durch maschinelle Bearbeitung des Kolbenkörpers gefertigt, und in den Kolben Sy ist durch ein Fenstergußverfahren ein Kolbenringträger 9y eingegossen, der für eine Abriebfestigkeit sorgt und Flächen 91, 92 aufweist, die jeweils mit der unteren Fläche des ersten Ringes 1 y bzw. des zweiten Ringes 2 y in Anlage sind. Der Träger 9 y kann ersichtlieh so vorgesehen werden, daß er die gesamte Oberfläche der Kolbenringnut 4 bedeckt.

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zweite Ring 2 χ eine relativ kurze axiale Erstreckung (Höhe), und in diesem Fall wird in der Ringnut 4 χ ein relativ großer Freiraum gebildet, in dem sich unverbranntes Gas bzw. Fremdkörper ansammeln können. Um den Freiraum klein zu halten, wird an der oberen Fläche 42 χ der Ringnut 4 χ ein ringförmiger Vorsprung 45 vorgesehen.

Wenn beispielsweise durch die Verbrennungsrückstände das ungünstige Aneinanderhaften (Kleben) von erstem und zweitem Ring hervorgerufen wird bzw. zu befürchten ist, so können erste und zweite Ringe mit abfallenden oder keilförmigen Berührungsflächen, wie die Fig. 22 und 23 zeigen, verwendet werden, es kann der zweite Ring gemäß Fig. 19 federbelastet sein, und die untere Fläche des zweiten Ringes kann eine Vertiefung, wie die Fig. 11, 18

und 19 zeigen, aufweisen. Ferner kann zusätzlich zu einer solchen Kombination eine Vergrößerung des Raumes JOO (wie nach Fig. 13 bis 15) in Betracht gezogen werden.

Die Außenumfangsfläche des ersten Ringes zeigt eine Ausgestaltung, soweit bisher erläuten wurde, die im wesentlichen derjenigen von herkömmlichen Kolbenringen gleich ist. Wenn jedoch beispielsweise, wie Fig. 26 zeigt, die Außenfläche des ersten Kolbenringes 1 einen konischen Flächenbereich 111 hat, so ist das Druckgleichgewicht theoretisch dadurch zu erhalten, daß die axiale Erstreckung (Höhe) h 2 der Innenumfangsfläche des Ringes 1 ζ gleich der halben Höhe von Λ4 gemacht wird, wobei A4 die axiale Erstreckung (Höhe) des nicht am Konus 111 beteiligten Bereichs der Außenumfangsfläche ist. Deshalb muß, wenn der Kolbenring einen konischen oder kegeligen bzw. einen z. B. nach Art einer Faßhälfte gekrümmten Bereich hat, die Höhe h 2 der Abstufung geregelt werden.

Es bedarf an sich keiner Erwähnung, daß das Material für den ersten und zweiten Ring die grundsätzliche Funktion nicht beeinflußt oder beeinträchtigt.

Als Werkstoffe kommen beispielsweise Gußeisen, Stahl, Sinterlegierung, synthetisches Harz und Faserverbundmaterialien in Betracht. Da jedoch für den zweiten Ring keine Selbstausdehnungskraft gefordert wird, ist es vorzuziehen, diesen Ring aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. aus einer Kupferlegierung, zu fertigen, so daß die Kühlwirkung für den Kolben gesteigert werden kann.
Ferner ist es möglich, die Gleitflächen des ersten

ίο und zweiten Ringes einer Oberflächenbehandlung zu unterwerfen, um die Abriebfestigkeit zu erhöhen. Bei-, spielsweise können nach Wahl ein Verchromen, eine Gas-Nitrierbehandlung bei niedriger Temperatur, ein Abschrecken und eine Schwefelungsbehandlung aus-

!5 geführt werden. Ferner kann der Reibungsbeiwert durch Einbetten von Material geringer Reibung, z. B. Molybdändisulfid und Polytetrafluorethylen, in die Gleitflächen herabgesetzt werden.

Durch die unabhängige Bewegbarkeit, die zwischen dem ersten und zweiten Ring zu erreichen ist, kann darüber hinaus die Gefahr des Zusammenklebens der Ringe auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Abdichtung eines Kolbens in einem Zylinder mit einer im Kolben ausgebildeten Ringnut, die eine obere und eine untere zur Kolbenachse im wesentlichen rechtwinklig liegende Seitenfläche hat und in der ein aus einem Primär- sowie Sekundärring zusammengesetzter Kolbenring angeordnet ist, wobei der Primärring eine an der Zylinderwand· anliegende Außenumfangsfläche sowie eine zu dieser be&bstandele, von seiner oberen Seitenfläche und von seiner Innenumfangssfläche ausgehende umlaufende Abstufung hat, in der der Sekundärring aufgenommen ist, wobei ferner die Kolbenringnut im oberen Bereich ihrer Nutgrundfläche mit einer ringförmigen Vertiefung versehen ist, der Sekundärring sowohl in der umlaufenden Abstufung des Primärringes als auch in der ringförmigen Vertiefung der Ringnut aufgenommen ist, bei in die Ringnut eingebautem Primärring und enger Anlage der unteren Seitenfläche des Primärringes an der unteren Seitenfläche der Kolbenringnut der Sekundärring mit seiner unteren Fläche an einer oberen Fläche der Abstufung anliegt und die unter der Abstufung des Primärringes sowie unter der Vertiefung im Nutgrund liegenden Flächen von Primärring und Kolben zwischen sich einen Ringraum begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Abstufung (10) und des Sekundärringes (2) so aufeinander abgestimmt sind und die Unterseite des Sekundärringes so ausgebildet ist, daß der Sekundärring gleichzeitig mit seiner unteren Fläche (24) an einer oberen Fläche (120) der Abstufung (10) sowie an einer oberen Fläche (420) der ringförmigen Vertiefung (40) anliegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der unteren Fläche (24) des Sekundärringes (2) umlaufende Vorsprünge (240; 241, 244) ausgebildet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der Ringnut (4) im Bereich ihrer unteren Seitenfläche (43) und ihres Nutengrundes (44) eine mit dem Ringraum (100) in Verbindung stehende, weitere Nut (440) ausgeht.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Höhe (A 3) der Innenumfangsfläche (130) der Abstufung (10) des Primärringes (1) gleich der oder größer als die Hälfte der axialen Höhe (/j I) seiner Außenumfangsfläche (11) ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der oberen Flächen (120 u bzw. 420 w) der Abstufung (10«) bzw. der Vertiefung (40 m) der Ringnut und die untere Fläche des Sekundärringes (2 m) bogenförmig ausgestaltet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Flächen von Abstufung (10 f) und Vertiefung (40 /) zueinander konvergierende Abschrägungen (124, 424) und die untere Fläche (10 t) des Sekundärringes (2/) entsprechende Abschrägungen (241, 244) aufweisen.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Fläche (12Ov) der Abstufung (10 v) und die obere Fläche (42Ov) der Vertiefung (40 v) miteinander fluchtend sowie mit Bezug zur Radialerstreckung des Kolbens (5 v) geneigt verlaufen und daß der Sekundärring (2 v) an seiner unteren Fläche (TA v) mit einer entsprechenden Neigung ausgebildet ist.