DE3442449C1

DE3442449C1 - Anordnung zum Abdichten eines Kolbens in einem Zylinder

Info

Publication number: DE3442449C1
Application number: DE3442449A
Authority: DE
Inventors: Anton Dipl.-Ing. Illnau Steiger
Original assignee: Sulzer AG; Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1984-01-31
Filing date: 1984-11-22
Publication date: 1985-11-21

Abstract

Der in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine hin- und herbewegliche Kolben (1) weist eine Ringnut auf, in der ein an der Innenfläche (5) des Zylinders (2) anliegender Kolbenring (9) angeordnet ist, der auf seiner dem Zylinder (2) abgewendeten Umfangsfläche (14) eine Abstufung enthält. Die Abstufung ist teilweise von einem zweiten, ebenfalls in der Ringnut angeordneten Ring (17) ausgefüllt, dessen in Richtung der Kolbenachse (3) gemessene Höhe gleich der in derselben Richtung gemessenen Tiefe der Abstufung ist. Die Abstufung im Kolbenring (9) und mit ihr der zweite Ring (17) befinden sich auf der dem Kompressionsraum abgewendeten Seite des Kolbenringes, und der zweite Ring (17) liegt mit seiner inneren Umfangsfläche an der zylindrischen Grundfläche (8) der Ringnut an. Mit seiner dem Kompressionsraum abgewendeten ebenen Begrenzungsfläche liegt der zweite Ring (17) teilweise auf der benachbarten ebenen Seitenfläche (7) der Ringnut auf, auf der auch die dem Kompressionsraum abgewendete ebene Begrenzungsfläche (12) des Kolbenringes (9) aufliegt. Die Dichtungsanordnung gewährleistet bei ausreichender Dichtwirkung einen geringen Reibverschleiß des Kolbenringes am Zylinder und ist konstruktiv und herstellungsmäßig sehr einfach.

Description

Aus der DE-AS 1007 580 ist die Abdichtung eines Kolbenrings mit L-förmigem Querschnitt bekannt, wobei ein relativ dünner Schenkel am Zylinder anliegt und der andere dickere Schenkel in einer Ringnut des Kolbens untergebracht ist. An der dem Kompressionsraum abgewendeten Stirnfläche des letztgenannten Schenkels liegt ein Hilfsdichtring an, der von einer besonderen Ringnut des Kolbens aufgenommen ist. Da der Hilfsdichtring nicht in einer Abstufung des Kolbenringes liegt und er dessen Anpreßkraft an die Zylinderwand nicht vcrkleinert, kann diese Dichtungsanordnung keine Anregung für die Erfindung vermitteln.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Anordnung sind in den Unteransprüchen 3 und 4 angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Axialschnitt durch einen Teil eines Kolbens mit einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung darin und F i g. 2 einen Schnitt entsprechend der Linie Il-ll in Fig. 1.
In F i g. 1 und 2 ist mit 1 ein Kolben bezeichnet, der in einem Zylinder 2 - bezogen auf F i g. 1 - auf- und abbeweglich ist. Die Achse des Kolbens und des Zylinders ist in F i g. 1 mit 3 bezeichnet, wobei der Abstand zur Mantelfläche 4 des Kolbens 1 bzw. zur Innenfläche 5 des Zylinders 2 verkürzt dargestellt ist. Der Kolben und der Zylinder sind Bestandteile einer Brennkraftmaschinc, z. B. der Diesel bauart, wobei der nicht gezeichnete Kompressions- und Brennraum - bezogen auf F i g. 1 - oberhalb des Kolbens 1 liegt.
Der Kolben 1 ist mit einer Ringnut versehen, die im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist und von einer dem Kompressionsraum zugewendeten ebenen Seitenfläche 6, einer dem Kompressionsraum abgewendeten ebenen Seitenfläche 7 und einer in Umfangsrichtung verlaufenden zylindrischen Grundfläche 8 begrenzt ist, deren Erzeugende eine Gerade ist, die parallel zur Achse 3 verläuft. In der Ringnut ist ein Kolbenring 9 angeordnet, der mit seiner äußeren Umfangsfläche 10 an der Innenfläche 5 des Zylinders 2 anliegt. Der Kolbenring 9 weist außer der zylindrischen Außenfläche 10 eine dem Kompressionsraum zugewendete ebene Begrenzungsfläche 11 auf, die mit Spiel der Seitenfläehc 6 der Ringnut benachbart ist. Auf der dem Komprcssionsraum abgewendeten Seite ist der Kolbenring 9 mit einer ebenen Begrenzungsfläche 12 versehen, mit der er auf der Seitenfläche 7 der Ringnut aufliegt. In der Begrenzungsfläche 12 sind über den Umfang des Kolbenringes 9 verteilt mehrere radiale Nuten 13 vorgesehen, von denen in F i g. 1 und 2 je eine zu sehen ist Die der Grundfläche 8 der Ringnut benachbarte zylindrischc Innenfläche 14 des Kolbenrings 9 weist eine in den Ringquerschnitt einspringende rechteckige Abstufung auf, die an der dem Kompressionsraum abgewendeten Seite des Kolbenringes vorhanden ist und die von einer zylindrischen Fläche 15 und einer ebenen Fläche 16 begrenzt ist. Die zylindrische Fläche 15 verläuft parallel zur Achse 3 und steht rechtwinklig auf der Fläche 16.
In der so ausgebildeten Abstufung des Kolbenringes 9 ist ein zweiter Ring 17 angeordnet, der die Abstufung teilweise ausfüllt, indem zwischen der zylindrischen Außenfläche des Ringes 17 und der zylindrischen Fläche 15 des Kolbenringes 9 ein Ringraum 18 freibleibt. Die Innenfläche des zweiten Ringes 17 liegt an der Grundfläche 8 der Ringnut an, während zwischen der oberhalb der Abstufung liegenden Innenfläche 14 des Kolbenringes 9 und der oberhalb des zweiten Ringes 17 liegenden Grundfläche 8 der Ringnut ein Ringraum 19 besteht.
Der Ringraum 19 steht über das Spiel zwischen der ebenen Begrenzungsfläche 11 des Kolbenringes 9 und der ebenen Seitenfläche 6 der Ringnut sowie über das sich daran anschließende Spiel zwischen der Mantelfläche 4 des Kolbens und der Innenfläche 5 des Zylinders mit dem Kompressionsraum in Verbindung. Der Ring- raum 18 dagegen ist über die radialen Nuten 13 und das sich daran anschließende Spiel zwischen der Mantelfläche 4 und der Innenfläche 5 mit der dem Kompressionsraum abgewendeten Seite in Verbindung. Der zweite Ring 17 ist mittels Schrauben 20 in der Ringnut des Kolbens 1 befestigt, und zwar an der zylindrischen Grundfläche 8.
Wie sich aus F i g. 1 ergibt, wirkt im Ringraum 19 eine vom Gasdruck im Kompressionsraum herrührende radiale Belastung, deren Resultierende durch einen Pfeil P1 bezeichnet ist und die den Kolbenring 9 nach außen gegen die Innenfläche 5 des Zylinders 2 preßt. Auf die Außenfläche 10 des Kolbenringes 9 wirkt eine ebenfalls vom Gasdruck im Kompressionsraum herrührende Belastung, die von der Begrenzungsfläche 11 zur Begrenzungsfläche 12 hin linear abnimmt und deren Resultierende mit dem Pfeil P2 bezeichnet ist. Aus dem Größenvergleich der Resultierenden P1 und P2 ergibt sich, daß P1 nur wenig größer ist als P2, was bedeutet, daß der Kolbenring nur mit einem verhältnismäßig geringen Überdruck gegen die Innenfläche 5 gepreßt wird. Damit wird einerseits eine ausreichende Abdichtung und andererseits ein möglichst geringer Reibverschleiß erzielt.
Außerdem liegen die beiden Resultierenden Pl und P2 praktisch in einer Ebene, d. h. daß - im Gegensatz zu normalen Kolbenringen - kein Kippmoment auftritt.
Wie sich weiter aus F i g. 1 ergibt, ist die Größe der Resultierenden P1 von der in axialer Richtung gemessenen Höhe des zweiten Ringes 17 abhängig, da dieser zusammen mit der ebenen Fläche 16 der Abstufung eine Abdichtung des Ringraumes 19 gegenüber dem Ringraum 18 auf der dem Kompressionsraum abgewendeten Seite des Kolbenringes bewirkt. Wird bei gleichbleibender Höhe des Kolbenringes 9 die Höhe des zweiten Ringes 17 vergrößert, so verringert sich entsprechend die Höhe der zylindrischen, vom Gasdruck belasteten Innenfläche 14 und damit die Größe der Resultierenden P t und umgekehrt.
Um eine gute und sichere Abdichtung mittels des zweiten Ringes 17 zu gewährleisten, muß die in axialer Richtung gemessene Höhe der Abstufung im Kolbenring 9 genau gleich der Höhe des zweiten Ringes 17 sein.
Dies wird dadurch erreicht, daß nach dem Herstellen des Kolbenringes 9 der zweite Ring 17 in die Abstufung eingelegt wird und dann beide Ringe zusammen auf der Begrenzungsfläche 12 überschliffen werden. Wenn der zweite Ring 17, wie im Ausführungsbeispiel beschrieben, mittels Schrauben 20 im Kolben 1 befestigt wird, so können die Durchgangslöcher im zweiten Ring dazu dienen, beide Ringe auf einem Bearbeitungstisch festzuspannen, indem eine Spannvorrichtung in die Durchgangslöcher eingreift, wobei dann die Begrenzungsfläche 11 auf dem Bearbeitungstisch ruht.
Bei der Ausführungsform mit im Kolben 1 festgeschraubtem zweitem Ring 17 wird dieser aus dem gleichen Werkstoff hergestellt wie die benachbarte Kolbenpartie, um sicherzustellen, daß die vom Kolbenring 9 berührte Fläche des zweiten Ringes 17 und die Seitenfläche 7 der Ringnut der gleichen Abnutzung unterliegen. Die in der Begrenzungsfläche 12 des Kolbenringes 9 vorgesehenen radialen Nuten 13 sorgen dafür, daß im Ringraum 18 stets der gleiche Druck herrscht wie auf der dem Kompressionsraum abgewendeten Seite des Kolbenringes. Statt radial, können die Nuten 13 auch unter einem Winkel zur radialen Ebene verlaufen.
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Claims

Patentansprüche: 1. Anordnung zum Abdichten eines in einem Zylinder hin- und herbeweglichen Kolbens mit mindestens einer Ringnut, in der ein an der Innenfläche des Zylinders anliegender Kolbenring angeordnet ist, der auf seiner dem Zylinder abgewendeten Umfangsfläche eine Abstufung aufweist, die teilweise von einem zweiten, ebenfalls in der Ringnut des Kolbens angeordneten Ring ausgefüllt ist, dessen in Richtung der Kolbenachse gemessene Höhe gleich der in derselben Richtung gemessenen Tiefe der Abstufung ist und der mit seiner inneren Umfangsfläche an der Grundfläche der Ringnut anliegt, d a d u r e h gekennzeichnet, daß die den Kolbenring (9) und den zweiten Ring (17) aufnehmende Ringnut im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, daß die Abstufung im Kolbenring (9) und mit ihr der zweite Ring sich auf der dem Kompressionsraum abgewendeten Seite des Kolbenringes befinden und daß der zweite Ring mit seiner dem Kompressionsraum abgewendeten ebenen Begrenzungsfläche mindestens teilweise auf derselben benachbarten ebenen Seitenfläche (7) der Ringnut aufliegt, auf der auch die dem Kompressionsraum abgewendete ebene Begrenzungsfläche (12) des Kolbenringes (9) aufliegt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der dem Kompressionsraum abgewendeten Begrenzungsfläche (12) des Kolbenringes (9) mehrere, über den Umfang des Kolbenringes verteilte Nuten (13) vorgesehen sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ring (17) in der Ringnut befestigt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ring (17) aus dem gleichen Werkstoff wie die benachbarte Kolbenpartie besteht.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Abdichten eines in einem Zylinder hin- und herbeweglichen Kolbens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Anordnungen sind aus der DE-PS 32 07 810 bekannt. Bei allen Anordnungen liegt die Abstufung auf der dem Kompressionsraum zugewendeten Seite des Kolbenringes. Bei den meisten Anordnungen (F i g. 6, 11 bis 15, 17 bis 23 und F i g. 25) ist eine etwa gleichgroße Abstufung in der zylindrischen Grundfläche der Ringnut des Kolbens vorgesehen. Bei diesen Anordnungen stützt sich der zweite Ring - ohne mit seiner inneren Umfangsfläche an der Grundfläche der Ringnut anzuliegen - wie eine Brücke mit seiner dem Kompressionsraum abgewendeten Fläche sowohl auf der benachbarten Stufenfläche des Kolbenrings als auch auf der benachbarten Stufenfläche der Ringnut ab und bewirkt damit eine Abdichtung zwischen der dem Gasdruck aus dem Kompressionsraum ausgesetzten Oberfläche des Kolbenrings und der dem Kompressionsraum abgewendeten Seite des Kolbenrings. Bei der Anordnung nach F i g. 24 der DE-PS ist außer dem Kolbenring und dem zweiten Ring ein dritter Ring vorgesehen, der als Kolbenringträger bezeichnet und in den Kolbenmantel eingegossen ist. Er bildet die zweite Stufenfläche für den brückenartig gelagerten zweiten Ring, der in diesem Fall mit seiner inneren Umfangsfläche an der Grundfläche der Ringnut anliegt. Mit diesen Abdichtungen wird erreicht, daß die vom Gasdruck herrührende radiale Belastung des Kolbenrings, die den Kolbenring gegen die Innenfläche des Zylinders preßt, etwa gleich groß wird wie die entgegengesetzt wirkende Belastung durch den Gasdruck, die auf die Außenfläche des Kolbenringes wirkt und von dessen dem Kompressionsraum zugewendeten Seite zur dem Kompressionsraum abgewendeten Seite des Kolbenringes hin linear abnimmt. Durch die Angleichung der Anpreßkraft wird unter Aufrechterhaltung einer ausreichenden Dichtwirkung der Rcibverschleiß des Kolbenringes an der Innenfläche des Zylinders verringert. Diese erwünschte Wirkung ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß die konstruktive Ausbildung der Dichtungsanordnung kompliziert und damit schwierig herzustellen ist, denn an beiden Abstufungen müssen enge Toleranzen eingehalten werden. Die Hcrstellung der bekannten Dichtungsanordnung ist somit auch kostspielig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß unter Beibehaltung der etwa gleich großen Anpreßkraft des Kolbenringes an die Innenfläche des Zylinders und dem dadurch bedingten, verringerten Reibverschleiß die konstruktive Ausbildung der Dichtungsanordnung wesentlich vereinfacht wird, so daß dcren Herstellung kostensparender erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Durch das Verlegen der Abstufung auf die dem Kompressionsraum abgewendete Seite des Kolbenringes crgibt sich nur noch eine Auflagefläche zwischen dem Kolbenring und dem zweiten Ring, deren Abdichtung einfacher und sicherer zu bewerkstelligen ist als bei der bekannten Anordnung. Außerdem wird bei der neuen Anordnung das Anbringen einer Abstufung in der Grundfläche der Ringnut vermieden, was die Herstellung der Ringnut vereinfacht. Im gleichen Sinne wirkt auch, daß die dem Kompressionsraum abgewendete ebene Seitenfläche der Ringnut die gemeinsame Auflagefläche sowohl für den Kolbenring als auch für den zweiten Ring bildet. Damit müssen keine unterschiedlichen Toleranzen für die Auflagefläche der Ringnut in bezug auf die beiden Ringe eingehalten werden.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind in der dem Kompressionsraum abgewendeten Begrcnzungsfläche des Kolbenringes mehrere, über dessen Umfang verteilte Nuten vorgesehen. Dadurch wird sichergestellt, daß in dem Ringraum zwischen der Abstufung des Kolbenringes und dem zweiten Ring stets der gleiche Druck herrscht wie auf der dem Kompressionsraum abgewendeten Seite des Kolbenringes. Dies ist besonders wichtig, wenn der Kolbenring an seiner Schlitz- oder Trennstelle gasdicht ausgebildet ist.

Aus der US-PS 19 94491 ist es bekannt, zum Druckausgleich zwischen der inneren und der äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes radiale Nuten in der ebcnen Begrenzungsfläche des Kolbenringes vorzusehen.