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Kolbenring für Viertakt-Verbrennungsmotor
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Die Erfindund betrifft einen Kolbenring, der in einer Ringnut am Kolben
eines Viertakt-Verbrennungsmotors sitzt und wenigstens eine, die Lauffläche begrenzende
Olabstreifkante besitzt.
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Bei Viertakt-Verbrennungsmotoren mit über Pleuelstangen an die Kurbelwelle
angelenkten Kolben treten in der Regel immer nachfolgend geschilderte Probleme auf.
Aufgrund ihrer Anlenkung uber die Pleuelstangen und aufgrund der im Maschinenbetrieb
auf sie einwirkenden Druckkräfte führen die Kolben von Viertakt-Verbrennungsmotoren
innerhalb der Zylinder eine pendelnde Bewegung aus, die in Fachkreisen üblicherweise
als das "Kippen" bezeichnet wird. Beim Kippen eines mit herkömmlichen Kolbenringen
und Ölabstreifringen bestückten Kolbens wird aus dem Bereich seiner Druckseite bzw.
Gegendruckseite das an der Zylinderlauffläche anhaftende Ö1 durch die Kolbenringe
seitlich in Richtung weniger belasteter Bereiche weggedrückt. An Stellen, die ohnehin
weniger belastet sind, ist dann mengenmäßig etwas zuviel 01 vorhanden, das mit einem
konventionellen, gleichmäßig vorgespannten Kolbenring, jedoch nicht vollständig
ableitbar ist.
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Man hat nun zwar schon versucht, durch eine höhere Vorspannung der
Kolbenringe die Abstreifwirkung zu erhöhen. Dabei wurde aber der auf der Druckseite
und Gegendruckseite des Kolbens unbedingt benötigte
Schmierölfilm
zu stark geschwächt, so daß dann sowohl die Kolbenringe als auch der Kolben und
die Zylinderlauffläche partiell trockengelaufen sind mit der Folge eines hohen Verschleißes.
Eine Olverbrauchsreduzierung konnte jedoch nur für einen kurzen Zeitraum erzielt
werden, weil durch den erhöhten Verschleiß der Abstreifkanten der Kolbenringe und
der Zylinderlauffläche die Durchlässigkeit für das Schmieröl wieder anstieg und
damit auch der Ölverbrauch wieder zunahm.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kolbenring zu schaffen,
der sicherstellt, daß zumindest an den am höchsten belasteten Bereichen des Kolbens
Schmieröl in ausreichender Menge jederzeit vorhanden, trotzdem aber eine möglichst
günstige Abstreifwirkung erzielbar ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein herkömmlicher
Kolbenring - Minutenring bzw. Kolbenring mit oberhalb und/oder unterhalb der Lauffläche
angeordneter schräger Umlauffläche bzw.
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Ölabstreifring gezielt nachbearbeitet ist, dergestalt, daß zumindest
in einem bestimmten Winkelbereich beiderseits des Ringstoßes die Lauffläche partiell
abgearbeitet, somit einer von der runden Normalform partiell zurückgesetzte Kontur
und damit wenigstens ein definierter Schmieröldurchlaß gegeben ist, wobei die Querschnittsflächengröße
eines solchen zwischen der zurückgesetzten Wandfläche am Kolbenring und der Zylinderlauffläche
gegebenen Schmieröldurchlasses die Größe der Öldurchlässigkeit bestimmt, und daß
dieser Kolbenring mittelbar gegen Verdrehung gesichert so in der Ringnut gehalten
ist, daß der Schmieröldurchlaß im Bereich der Druckseite des Kolbens angeordnet
ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Lösung sind
in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Nachstehend sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert. Die Vorteile und Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen
Kolbenringes sind in Verbindung mit Fig.15 am Ende der Figurenbeschreibung dargelegt.
In der Zeichnung zeigen:
Fig.1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Kolbenringes in Einbaulage, Fig.2 einen Querschnitt durch die
Darstellung gemäß Fig.1 entlang der Schnittlinie II-II, Fig.3 einen Querschnitt
durch die Darstellung von Fig.1 entlang der dort eingezeichneten Schnittlinie III-III,
Fig.4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbenringes in Einbaulage,
Fig.5 einen Querschnitt durch die Darstellung von Fig.4 entlang der dort eingetragenen
Schnittlinie V-V, Fig.6 einen Querschnitt durch die Darstellung gemäß Fig.4 entlang
der dort eingetragenen Schnittlinie VI-VI, Fig.7 ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kolbenringes in Einbaulage, Fig.8 einen Querschnitt durch
die Darstellung von Fig.7 entlang der dort eingetragenen Schnittlinie VIII-VIII,
Fig.9 einen Querschnitt durch die Darstellung von Fig.7 entlang der dort eingetragenen
Schnittlinie IX-IX, Fig.10 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbenringes in Einbaulage, Fig.11 einen Querschnitt durch die Darstellung von Fig.
10 entlang der Schnittlinie XI-XI, Fig.12 einen Querschnitt durch die Darstellung
von Fig. 10 entlang der Schnittlinie XIt-XII,
Fig.13 einen Querschnitt
durch einen Kolben für einen Viertakt-Verbrennungsmotor, Fig.14 einen Querschnitt
durch einen weiteren Kolben eines Viertakt-Verbrennungsmotors, Fig.15 ein Diagramm,
das die Ölverbrauchsreduzierung durch Verwendung der erfindungsgemäßen Kolbenringe
aufzeigt.
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In den Figuren sind mit 1 eine Zylinderbohrungswand bzw. Zylinderbuchse
und mit 2 deren Zylinderlauffläche bezeichnet. Mit 3 ist ein Kolben bezeichnet,
der ebenso wie die Zylinderbohrungswand bzw. Zylinderbuchse 1 Teil eines Viertakt-Verbrennungsmotors
und über eine Pleuelstange an einer Kurbelwelle angelenkt ist. Der Kolben 3 trägt
mehrere Kolbenringe 4, die entweder, wie Fig.13 zeigt, alle im oberen Bereich des
Kolbens axial voneinander beabstandet oder so wie in Fig.14 gezeigt angeordnet sein
können, wobei im letzteren Fall beispielsweise vier Kolbenringe 4 im oberen Bereich
des Kolbens 3 und im Bereich des unteren Kolbenendes ein Kolbenring 4 vorhanden
sind. Jeder dieser Kolbenringe 4 sitzt in einer Ringnut 5 des Kolbens 3. Außerdem
besitzt vorzugsweise jeder der Kolbenringe 4 wenigstens eine seine Lauffläche 6
begrenzende Ölabstreifkante 7, die am Übergang von der achsparallelen Lauffläche
6 zu einer oberhalb und/oder unterhalb der Lauffläche 6 angeordneten schrägen Umlauffläche
8 angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist ein herkömmlicher Kolbenring 4, bei dem es sich
um einen sogenannten Minutenring (siehe Figuren 4 bis 6), also einen Kolbenring
4 mit oberhalb der Lauffläche 6 angeordneter schräger Umlauffläche 8, bzw. einen
Kolbenring mit oberhalb und/oder unterhalb der Lauffläche 6 angeordneter schräger
Umlauffläche (siehe Fig.7 bis 9) bzw. einen Olabstreifring (siehe Fig.1 bis 3) handeln
kann, gezielt nachbearbeitet, dergestalt, daß zumindest in einem bestimmten, sich
beiderseits des Ringstoßes 9 erstreckenden Winkelbereich oL die Lauffläche 6 partiell
abgearbeitet, somit eine von der runden Normalform partiell zurückgesetzte Kontur
und damit wenigstens ein definierter Schmieröldurchlaß 10 gegeben ist. Die Querschnittsflächen-
größe
eines solchen zwischen der zurückgesetzten Wandfläche 11 am Kolbenring 4 und Zylinderlauffläche
2 gegebenen Schmieröldurchlasses 10 bestimmt die Größe der Schmieröldurchlässigkeit.
Außerdem ist ein solchermaßen gestalteter Kolbenring 4 mittelbar gegen Verdrehung
gesichert so an einer Ringnut 5 gehalten, daß der Schmieröldurchlaß 10 im Bereich
der Druckseite des Kolbens angeordnet ist, also in jenem Bereich, in dem der Kolben
im Maschinenbetrieb am höchsten belastet ist.
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Besonders günstige Verhältnisse sind dadurch erzielbar, wenn ein solcher
Kolbenring 4 auch noch für einen zweiten, im Bereich der Gegendruckseite des Kolbens
3, also dem ersten Schmieröldurchlaß 10 diametral gegenüberliegenden definierten
Schmieröldurchlaß 12 gezielt so nachbearbeitet ist, daß auch in einem dem Ringstoß
9 diametral gegenüberliegenden Winkelbereich die Lauffläche 6 partiell abgearbeitet
und eine von der runden Normalform abweichende, partiell zurückgesetzte Wandfläche
13 gegeben ist.
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Unabhängig davon, ob ein Schmieröldurchlaß oder zwei Schmieröldurchlässe
vorgesehen sind, wird ein solcher Schmieröldurchlaß 10, 12 durch spanabhebende Bearbeitung
des Kolbenringes 4 und damit eine Wegnahme eines Teils der Kolbenringlauffläche
6 in den angegebenen Winkelbereichen Ct, ß hergestellt. Die seitlichen Übergänge
von der dann gegebenen Wandfläche in die verbleibende Kolbenringlauffläche 6 sind
zur Vermeidung scharfer Kanten verrundet.
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Die beiden Schmieröldurchlässe 10, 12 können gleich groß und auch
formmäßig gleich sein. Ein solcher Fall ist bei den Kolbenringen gemäß Fig.1 und
7 beispielhaft dargestellt.
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Die beiden Schmieröldurchlässe 10, 12 können alternativ jedoch auch
querschnittsflächenmäßig und/oder formmäßig ungleich sein.
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Ein solcher Fall ist beispielhaft an dem in Fig.4 dargestellten Kolbenring
aufgezeigt. Der an der Druckseite des Kolbens angeordnete Schmieröldurchlaß 10 ist
dabei größer als der an der Gegendruckseite des Kolbens angeordnete Schmieröldurchlaß
12.
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Unabhängig davon, ob ein Schmieröl durchlaß 10 oder zwei Schmieröldurchlässe
10, 12 vorgesehen sind, können diese verschiedenartige, nachfolgend aufgezeigte
Querschnittsflächenformen besitzen, die durch entsprechende Bearbeitung des Kolbenringes
4 realisiert sind. Beispielsweise kann die Wandfläche 11 bzw. 13 eines Schmieröldurchlasses
10 bzw. 12 am Kolbenring 4 betrachtet von dessen Mittelachse aus konvex gewölbt
sein. Ein solcher Fall ist an dem in Fig.1 dargestellten Kolbenring realisiert.
Alternativ hierzu kann die Wandfläche 11 bzw. 13 eines Schmieröldurchlasses 10 bzw.
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12 eben ausgebildet sein. Dieser Fall ist bei dem Kolbenring gemäß
Fig.4 beispielhaft aufgezeigt. Eine andere Alternative ist durch den Kolbenring
gemäß Fig.7 aufgezeigt, an dem die Wandfläche 11 bzw. 13 eines Schmieröldurchlasses
10 bzw. 12 am Kolbenring 4, betrachtet von dessen Mittelachse aus, konkav gewölbt
ist.
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Eine weitere Alternative für die Realisierung eines Schmieröldurchlasses
10 bzw. 12 ist in Fig.10 an dem dort dargestellten Kolbenring 4 aufgezeigt. Dieser
Kolbenring besitzt nur im Bereich der Druckseite des Kolbens einen Schmieröldurchlaß
10.
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Letzterer ist dort aber nicht wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
durch vollständige Abarbeitung eines segmentartigen Teiles der Kolbenringlauffläche
6 realisiert, sondern durch eine Vielzahl achsparalleler Einschnitte 14, die innerhalb
des Winkelbereiches von außen her nebeneinander mit gleichen oder ungleichen Abständen
und gleicher oder ungleicher Tiefe in den Kolbenring eingeschnitten sind und diesen
in Achsrichtung von oben nach unten vollständig durchsetzen.
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Damit der Schmieröldurchlaß 10 bzw. die Schmieröldurchlässe 10, 12
während des Maschinenbetriebes immer in richtiger Lage in der Ringnut 5, also im
Bereich der Druckseite bzw. der Druckseite und der Gegendruckseite des Kolbens 3
bleiben, ist der Kolbenring 4, beispielsweise wie in den Figuren 1, 4, 7 und 10
aufgezeigt, durch einen im Bereich des Nutgrundes im Kolben 3 befestigten und in
einen den Ringstoß 9 bildenden Querschlitz eintauchenden Querstift 15 gegen Verdrehung
gesichert in der Ringnut 5 gehalten.
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Bezugnehmend auf die Figuren 13 und 14 sei darauf hingewiesen, daß
zwar alle der an einem Kolben 3 angeordneten Kolbenringe für einen solchen Schmieröldurchlaß
10 bzw. 10 und 12 ausgebildet sein können, aber nicht notwendigerweise sein müssen.
Es kann beispielsweise genügen, wenn von den am Kolben 3 gemäß Fig.13 vorhandenen
vier Kolbenringen 4 nur der unterste oder die beiden untersten Kolbenringe 4 einen
Schmieröldurchlaß 10 bzw. zwei Schmieröldurchlässe 10, 12 aufweisen. Beim Kolben
3 gemäß Fig.14 ist der am unteren Ende des Kolbens 3 angeordnete Kolbenring 4 nach
der Erfindung gestaltet. Es können jedoch auch von den im oberen Bereich dieses
Kolbens 3 angeordneten Kolbenringen 4 der unterste oder die beiden untersten Kolbenringe
4 nach der Erfindung gestaltet, also für einen Schmieröl durchlaß 10 oder für zwei
Schmieröldurchlässe 10, 12 ausgebildet sein.
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Nachstehend sind die Wirkungsweise und die Vorteile der erfindungsgemäß
gestalteten Kolbenringe 4 in Verbindung mit dem Diagramm gemäß Fig.15 dargelegt.
Dieses Diagramm zeigt die Schmierölverteilung, damit den Schmierölverbrauch und
die Olfilmstärke über den Umfang in ihrer Abweichung dargestellten Zylinderlauffläche
6 auf.
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Durch die gestrichelte Linie 16 und die darunterliegende, rechteckige
Fläche sind im Diagramm jener Schmierölverbrauch, die Schmierölverteilung und die
Olfilmstärke aufgezeigt, der bzw. die bei Verwendung von herkömmlichen, also nicht
nach der Erfindung gestalteten Kolbenringen, hervorgerufen wird. Durch die im Diagramm
eingezeichnete Linie 17 und die darunterliegende Fläche sind die Schmierölverteilung,
die Ölfilmstärke und damit der Schmierölverbrauch aufgezeigt, wie er mit nach der
Erfindung gestalteten Kolbenringen erzielbar ist. Die Gründe für dieses hervorragende
Ergebnis sind nachfolgend dargelegt.
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Während des Maschinenbetriebes kann beim Aufwärtsgang eines Kolbens
3 durch die, quasi undichte Stellen bildenden Schmieröldurchlässe 10, 12 an den
Kolbenringen 4 im Bereich der Druckseite bzw.
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der Druckseite und der Gegendruckseite des Kolbens (je nachdem, ob
ein Schmieröldurchlaß oder zwei Schmieröldurchlässe vorgesehen
sind)
eine genügend große Menge an Schmieröl an der Zylinderlauffläche 2 verbleiben. Die
an der Zylinderlauffläche 2 in diesen am höchsten belasteten Bereichen des Kolbens
verbleibende Schmierölmenge ist jedenfalls wesentlich größer als jene Schmierölmenge,
die ein normaler, also ringsum gleichmäßig vorgespannter, herkömmlicher Kolbenring
beim Aufwärtsgang des Kolbens an der Zylinderlauffläche belassen würde. Hierdurch
ist sichergestellt, daß in den Bereichen größerer Belastung günstigere Gleitverhältnisse
zwischen dem Kolben 3 und der Zylinderlauffläche 2 gegeben sind.
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Beim Abwärtsgang des Kolbens 3 im Arbeitstakt bleibt in definierten
Umfangsbereichen, nämlich den Bereichen größter Belastung des Kolbens auf der Druckseite
und der Gegendruckseite, ebenfalls der Ölfilm zwischen der Zylinderlauffläche 2
und dem Kolben 3 wegen der an den Kolbenringen 4 vorhandenen Schmieröldurchlässen
erhalten. Dadurch wird auch im Arbeitstakt des Kolbens 3 eine sichere, ausreichende
Schmierung der aneinandergleitenden Laufflächen sichergestellt.
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Dagegen wird aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Kolbenringe
4 generell in jenen Umfangsbereichen, die an in Zylindern von Viertakt-Verbrennungsmotoren
arbeitenden Kolben naturgemäß weniger stark belastet sind, das Schmieröl intensiv
abgestreift und zwar so, daß nur noch ein minimaler Schmierölfilm erhalten bleibt.
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Letzteres deshalb, weil die erfindungsgemäße Formgebung der Kolbenringe
eine höhere als bisher mögliche Vorspannung der Kolbenringe 4 und damit eine höhere
Flächenpressung derselben an den nicht abgearbeiteten Umfangsstellen zuläßt.
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Aus vorstehenden Darlegungen und durch einen Größenvergleich der unter
den Linien 16, 17 gegebenen Flächen wird deutlich, daß insgesamt gesehen der Olverbrauch
mit den erfindungsgemäßen Kolbenringen erheblich reduzierbar ist, ferner durch die
örtlich gezielte Intensivschmierung das Laufverhalten der Kolben 3 verbesserbar
und damit letztendlich die Lebensdauer von Kolben, Kolbenringen und Zylinderbohrungswand
bzw. Zylinderbuchse 1 wesentlich erhöhbar ist. Die Schmierölverbrauchsreduzierung
ist im Diagramm dadurch
erkennbar, daß die Fläche unterhalb der
Linie 17 insgesamt wesentlich kleiner als die Fläche unterhalb der Linie 16 ist,
die den Schmierölverbrauch mit herkömmlichen Kolbenringen angibt.
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Nachdem der Ölfilm bei Verwendung der erfindungsgemäß gestalteten
Kolbenringe 4 am Umfang der Zylinderlauffläche 2 ungleichmäßig stark ist, werden
auch die durch die Relativbewegung zwischen Kolben 3 und Zylinderlauffläche 2 hervorgerufenen
Scherkräfte kleiner, damit auch die Reibarbeit kleiner. Die Folge davon ist wiederum
eine Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors.
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Bezugszeichenliste 1 Zylinderbohrungswand bzw. Zylinderbuchse 2 Zylinderlauffläche
3 Kolben 4 Kolbenring 5 Ringnut 6 Lauffläche 7 Ölabstreifkante 8 Umlauffläche 9
Ringstoß 10 Schmieröldurchlaß 11 Wandfläche 1 2 Schmieröldurchlaß 13 Wandfläche
14 Einschnitte 15 Querstift 16 gestrichelte Linie 17 Linie