DE3924982C2 - Kolbenring-System - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kolbenring-System zur Abdichtung zwischen Arbeitsraum und Kurbelgehäuse an einem Kolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus mehreren Kompressionsringen gebildete Kolbenringsysteme, die zudem in aller Regel noch wenigstens einen auf der Seite des Kurbelgehäuses anschließenden Ölabstreifring umfassen, sind seit Jahrzehnten bekannt. Ringsysteme, deren oberster Kompressionsring einen gasdichten Stoß aufweist, haben den Nachteil, daß dieser oberste Ring und die von ihm insbesondere in der Nähe des oberen Totpunktes überstrichenen Teile der Zylinderwand einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt sind, während die folgenden Kompressionsringe kaum noch etwas zur Dichtwirkung des Systems beitragen können, da es ihnen an dem für die radiale Anpressung an die Zylinderwand erforderlichen Druck von ihrer Innenseite her fehlt.

Die US 1 988 727 schlägt als Abhilfe ein Kolbenringsystem vor, bei dem die oberen drei Kompressionsringe an ihrer oberen und an ihrer unteren Flanke radiale Durchlässe aufweisen. Dadurch soll die zwischen Arbeitsraum und Kurbelgehäuse bestehende Druckdifferenz in gleichmäßiger Abstufung auf die zwischen den Kompressionsringen vorhandenen Ringräume verteilt werden. Dieses System hat den Nachteil, daß die Ringe und die Ringräume ständig von einer größeren Menge verschmutzten Abgases umspült werden und dadurch zum vorzeitigen Verschmutzen oder Verkleben neigen. Insbesondere für den obersten Kompressionsring steigt dadurch die Gefahr des Kollabierens, d.h. dieser Ring wird aufgrund der durch Verschmutzung steigenden Reibung beim Kippen des Kolbens von der unteren Ringflanke mitgenommen und hebt dabei von der Zylinderwand ab, wodurch seine gesamte Dichtwirkung schlagartig zusammenbricht. Darüber hinaus ist eine stabile Anlage der Ringe an der unteren Nutflanke nicht gewährleistet.

Auch das JP-Abstract 58-167 850 offenbart ein Kolbenringsystem, bei dem gasdichte Kolbenringe zum Einsatz kommen. Die FR 11 93 072 offenbart einen Kompressionsring für einen Kolben mit mehreren radialen Durchlässen in der oberen Ringflanke. Damit soll die Dichtwirkung verbessert werden. Abgesehen davon, daß nur ein einzelner derartiger Kolbenring vorgesehen ist, liegt dieser während des gesamten Expansionstaktes an der unteren Nutzflanke, d. h. ist in Achsrichtung des Kolbens unbeweglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gut dichtendes Ringsystem mit reduziertem Verschleißverhalten zu schaffen, ohne daß die Ringe und die Ringräume durch Ablagerung von Verbrennungsrückständen vorzeitig verschmutzt oder verklebt werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß die untere Flanke der Kolbenringe dichtend ausgebildet ist, wird auch bei hohen Zünddrücken ein "blow-by" von Abgasen wirksam verhindert. Der oberhalb des ersten Kolbenringes im Arbeitsraum anstehende Druck wird durch die Ringstöße teilweise auch an die unteren Ringe weitergegeben, so daß diese etwas zur Entlastung des ersten Kolbenringes beitragen können. Durch die radialen Durchlässe zwischen oberer Nutflanke und oberer Ringflanke werden die Ringräume zwischen den Kolbenringen andererseits sehr schnell vom dort gespeicherten Druck entlastet, so daß über eine reduzierte Anpreßdauer der Ringe an die Zylinderwand auch eine Verschleißreduzierung erzielt wird. Das sehr schnelle Entweichen des eingesperrten Druckes ist auch förderlich für eine Spülung der Ringnuten, mittels derer Verbrennungsrückstände in Richtung Brennraum zurückbefördert werden und deren Ablagerung in den Ringnuten verhindert wird.

Nachfolgend sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Teillängsschnitt aus dem Mantelbereich eines Kolbens in Höhe des Ringnutpakets bei der Kolbenaufwärtsbewegung und im ersten Teil des Expansionstaktes,

Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 im letzten Teil des Expansionstaktes,

Fig. 3 eine Ringnut als Detailvergrößerung im Teillängsschnitt in einer Variante,

Fig. 4 eine Frontansicht auf den Ausschnitt gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines an seiner Oberseite radiale Durchlässe aufweisenden Kolbenrings und

Fig. 6 ein Diagramm, das die Drücke über den verschiedenen Kompressionsringen während eines Arbeitspiels mit und ohne Anwendung der Erfindung darstellt.

In Fig. 1 und 2 ist mit 1 ein Kolben einer nicht näher dargestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet. Der Kolben 1 führt in einem Zylinder 2 eine auf- und abgehende Bewegung aus. Zylinderwand 3 und obere Stirnseite des Kolbens 1 begrenzen in Verbindung mit einem nicht dargestellten, den Zylinder 2 nach oben verschließenden Zylinderkopf einen Arbeitsraum 4, der sich entsprechend der jeweiligen Position des Kolbens 1 in seinem Volumen und seinem Druck verändert.

Zur Abdichtung zwischen Arbeitsraum 4 und einem nicht dargestellten, unterhalb des Kolbens 1 befindlichen Kurbelgehäuse ist am Kolben 1 in Ringnuten 6, 9, 12, 15 ein System von mehreren Kompressionsringen 8, 11, 14, 16 vorgesehen. Die Kompressionsringe 8, 11 und 14 dienen im wesentlichen dazu, ein Durchtreten = "blow-by") der im Arbeitsraum befindlichen, zeitweise unter hohem Druck stehenden Gase zum Kurbelgehäuse zu verhindern. In Übereinstimmung mit der üblichen Benennung werden sie im folgenden vom Arbeitsraum zum Kurbelgehäuse hin als erster Kompressionsring 8, zweiter Kompressionsring 11 und dritter Kompressionsring 14 bezeichnet.

Der unterhalb des dritten Kompressionsringes 14 angeordnete Kompressionsring 16 hat die Funktion, für eine ausreichende Schmierung der Zylinderwand 3 zu sorgen und überschüssiges Schmieröl zum Kurbelgehäuse zurückzubefördern. Er wird daher auch als Ölabstreifring bezeichnet.

Alle Kompressionsringe 8, 11, 14 und 16 weisen eine bestimmte, radial nach außen gerichtete Vorspannkraft auf. Sie treten daher über den Durchmesser des Kolbens 1 hinaus aus den Ringnuten 6, 9, 12 und 15 heraus und dichten den für die Beweglichkeit des Kolbens 1 zwischen diesem und der Zylinderwand 3 vorgesehenen Ringspalt 5 ab.

Die Bauhöhe der Kompressionsringe 8, 11, 14, 16 ist geringer als die der Ringnuten 6, 9, 12, 15, wodurch sich die Kolbenringe entsprechend der an ihnen angreifenden Kräfte in Achsrichtung des Kolbens geringfügig bewegen und infolgedessen entweder an der oberen oder der unteren Flanke einer Ringnut anliegen können. Als angreifende Kräfte sind zu nennen: die sich aus dem Produkt der Druckdifferenz an der Ringober- bzw. -unterseite und der von diesen Drücken beaufschlagten Flächen ergebende Gaskraft, die aus der Masse der Ringe und der Kolbenbeschleunigung resultierende Massenkraft und die aus Ringvorspannung und der zusätzlich auf die Rückseite der Ringe wirkenden Gaskraft in Verbindung mit dem Reibungskoeffizienten durch die Zylinderwand 3 ausgeübte Reibungskraft.

Gemäß der Erfindung bilden die Kompressionsringe 8, 11 bzw. 14 mit der oberen Ringflanke der sie aufnehmenden Ringnut 6, 9 bzw. 12 radiale Durchlässe und ist die untere Ringflanke der Kompressionsringe 8, 11 bzw. 14 bei Anlage an der unteren Nutflanke dichtend ausgebildet. Die radialen Durchlässe 7, 10 bzw. 13 werden im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 von Radialnuten gebildet, die am Umfang verteilt in die Oberflanke der Ringnuten 6, 9 bzw. 12 eingearbeitet sind. Die Radialnuten können bezüglich ihres Querschnittes eine beliebige Form aufweisen. Entscheidend ist, daß die Radialnuten bei Anlage der Kompressionsringe 8, 11, 14 an der jeweils oberen Flanke der Ringnuten 6, 9 bzw. 12 eine Verbindung zwischen dem unterhalb und oberhalb eines jeden Kompressionsringes liegenden Teil des Ringspaltes 5 herstellen oder mit anderen Worten durch eine rückseitige Umströmung der Kompressionsringe 8, 11, 14 einen schnellen Druckausgleich zwischen deren Ober- und Unterseite bzw. eine Entleerung der von den Kompressionsringen begrenzten Ringräume ermöglichen. Die Wirkungsweise wird noch detaillierter weiter unten beschrieben.

In Fig. 3 und 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines radialen Durchlasses gezeigt. Zu diesem Zweck ist aus einem Kolben 31 ein eine Ringnut 32 aufweisendes Teil herausgeschnitten und vergrößert dargestellt. Die Ringnut 32 weist eine horizontale untere Nutflanke 33, einen vertikalen Nutgrund 34 und eine horizontale obere Nutflanke 35 auf. In die obere Nutflanke 35 sind am Umfang verteilt mehrere halbkreisförmige Radialnuten als Durchlaß 36 eingearbeitet, die am äußeren Rand zusätzlich eine Anfasung 38 aufweisen. Ferner ist der Austrittsquerschnitt der Ringnut 32 zur Kolbenmantelfläche hin durch eine sich über den gesamten Kolbenumfang erstreckende, an die obere Nutflanke 35 nach oben anschließende und diese radial einwärts gegenüber der unteren Nutflanke 33 verkürzende Eindrehung 37 vergrößert. Die besonderen Vorteile dieser Ausgestaltung werden weiter unten im Zusammenhang mit der Funktionsbeschreibung erläutert.

Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit, radiale Durchlässe zwischen oberer Flanke einer Kolbenringnut und oberer Flanke eines Kompressionsrings vorzusehen. Der dort gezeigte Kompressionsring 40 weist an seiner oberen Ringflanke 41 am Umfang verteilt mehrere Radialnuten als Durchlässe 42, 43, 44 auf, von denen eine vorzugsweise im Bereich des Ringstoßes 39 angeordnet ist. Ein derartiger Kompressionsring 40 kann in jede herkömmliche Ringnut mit durchgehend ebener Oberflanke eingesetzt werden. Aufgrund der Kerbwirkung der Radialnuten ist diese Ausgestaltung bei hochbelasteten Kolbenringen im Hinblick auf das Dauerfestigkeitsverhalten der Kolbenringe gegenüber der Lösung mit Radialnuten in den oberen Nutflanken nicht so vorteilhaft. Sie stellt jedoch eine kostengünstige Lösung für das Nachrüsten von im Einsatz befindlichen Kolben dar.

In Fig. 6 ist ein Diagramm gezeigt, bei dem über einem halben Arbeitsspiel (Kompressions- und Arbeitstakt) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine die Druckverlaufskurven über dem ersten Kompressionsring (entspricht dem Druck im Arbeitsraum), im Ringspalt zwischen erstem und zweitem und im Ringspalt zwischen zweitem und drittem Kompressionsring einmal mit und einmal ohne Anwendung der Erfindung dargestellt sind.

Die Abszisse ist dementsprechend in Grad Kurbelwinkel (° KW) unterteilt, wobei unterer Totpunkt (UT) und oberer Totpunkt (OT) besonders hervorgehoben sind. Auf der Ordinate ist der jeweilige Druck in bar aufgetragen. Die Darstellung hat insgesamt nur qualitativen Aussagewert; genaue Werte für einen bestimmten Druck bei einer bestimmten Kolbenstellung können ihr nicht entnommen werden.

Mit 45 ist der Druckverlauf oberhalb des ersten Kompressionsringes 8 bezeichnet, der in etwa dem Druck im Arbeitsraum entspricht und der unabhängig von der Anwendung der Erfindung bei einem bestimmten Motor bei gleichen äußeren Bedingungen gleichbleibt. Mit 46 ist der Druckverlauf zwischen erstem Kompressionsring und zweitem Kompressionsring bei Verwendung herkömmlicher Kompressionsringe und eines Kolbens mit herkömmlich gestalteten Ringnuten bezeichnet. Die Kurve 47 gibt den Druckverlauf zwischen zweitem und drittem Kompressionsring bei Nichtanwendung der Erfindung wieder.

Die Kurven 45 und 46 schließen im Bereich ihrer nach rechts fallenden Flanken ein in der Zeichnung rechtssteigend schraffiertes Differenzdruckgebiet 48 ein, in dem der Druck unterhalb des ersten Kompressionsringes größer ist als der Druck oberhalb. Ebenso schließen die Kurven 46 und 47 im Bereich ihrer nach rechts fallenden Flanken ein in der Zeichnung nach rechts fallend schraffiertes Differenzdruckgebiet 49 ein, in dem der Druck unterhalb des zweiten Kolbenrings größer ist als oberhalb desselben.

Diese Differenzdruckgebiete 48, 49 entstehen dadurch, daß die Zwischenräume zwischen den Kompressionsringen, die durch den Ringstoß aufgrund des oberhalb des jeweils oberen Kompressionsringes herrschenden höheren Druckes - beim Zwischenraum zwischen erstem und zweitem Kompressionsring also des Druckes oberhalb des ersten Kompressionsringes - mit zeitlicher Verzögerung gegenüber dem dortigen Druckmaximum gefüllt werden, sich bei abfallendem Druck oberhalb bedingt durch die starke Drosselwirkung des Ringstoßes und die relativ kleine Druckdifferenz während der Entleerungsphase nur sehr langsam entleeren. Dies führt bei den herkömmlichen Kolbenring/Ringnut-Paaren dazu, daß der erste Kompressionsring während des zweiten Teils der Expansionstaktes aufgrund des auf seiner Unterseite wirksamen höheren Druckes gegen die obere Flanke gedrückt wird, wohingegen der zweite Kompressionsring gegen die untere Flanke gedrückt wird.

Bei einem in Fig. 6 mit α₀ bezeichneten Kurbelwinkel ergibt sich dabei die Situation, daß der zwischen dem Punkt a auf der Kurve 46 und der Abszisse abzulesende Druck der unterhalb des ersten Kompressionsringes 8 eingeschlossenen Gasmenge gegenüber dem Punkt c auf der Kurve 47 eine größere Druckdifferenz aufweist als gegenüber dem Punkt b auf der Kurve 45. Dadurch wird sich die eingeschlossene Gasmenge nicht so sehr nach oben zum Arbeitsraum, sondern mehr nach unten zum Triebraum hin entleeren, mit der negativen Folge von vermehrten Schmutzablagerungen in den unteren Ringnuten und einer verstärkten Verschmutzung des Schmieröls.

Der erste Kompressionsring verharrt bei herkömmlichen Kolbenring- Systemen an der Oberflanke der Ringnut, bis sich der Kolben kurz vor dem unteren Totpunkt im Kurbelwinkel α₁ befindet, an dem die Auslaßventile öffnen und durch den dadurch bedingten schlagartigen Druckabfall im Arbeitsraum eine Entleerung der zwischen erstem und zweitem Kolbenring eingesperrten Gasmenge nunmehr bevorzugt nach oben erfolgen kann.

Solange das zwischen erstem und zweitem Kompressionsring eingeschlossene Gaspolster den ersten Kompressionsring gegen die obere Flanke der ersten Ringnut preßt, übernimmt dieser nicht nur die vollkommen überflüssige Aufgabe, den Arbeitsraum gegen das Kurbelgehäuse abzudichten, sondern wird der erste Kompressionsring aufgrund des über einen längeren Kolbenweg wirksamen radialen Anpreßdruckes auch einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt. Ferner wird durch die nicht rechtzeitig erfolgende, einen Flankenwechsel bewirkende Entlastung der Ringe die Zufuhr der erforderlichen Schmierölmenge vom Kurbelgehäuse zum Ringpaket erschwert, wodurch die Gefahr des Trockenlaufens der Kompressionsringe mit sprunghaft erhöhtem Verschleiß wächst.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung radialer Durchlässe zwischen oberer Nutflanke und oberer Ringflanke werden die Zwischenräume zwischen den Kompressionsringen 8, 11 und 14 beim Flankenwechsel in der zweiten Hälfte des Arbeitstaktes aufgrund der vergrößerten zur Verfügung stehenden Abströmquerschnitte sehr schnell zum Arbeitsraum hin vom in ihnen eingesperrten Druck entlastet, wie nachstehend im einzelnen ausgeführt.

Im Schnittpunkt der Kurven 45 und 46 sind die auf die Ober- und Unterseite des ersten Kompressionsrings 8 wirkenden Gaskräfte gleich. Die Reibungskraft und die Massenträgheitskraft bringen den ersten Kompressionsring 8 kurz vor diesem Schnittpunkt zum Abheben von der unteren und zum Anliegen an der oberen Ringflanke. Der unterhalb des ersten Kompressionsringes 8 eingesperrte Gasdruck entweicht durch die radialen Durchlässe - die im ersten Ausführungsbeispiel durch die Radialnuten 7 (Fig. 1 und 2) bzw. 36 (Fig. 3 und 4), im zweiten Ausführungsbeispiel durch die Radialnuten 42, 43, 44 gebildet sind - sehr schnell nach oben. Der Druckverlauf zwischen erstem und zweitem Kompressionsring 8 bzw. 11 wird in Fig. 6 vom Kurvenast 50 dargestellt, der unterhalb des Schnittpunktes der Kurven 45 und 46 aus der letzteren hervorgeht.

Im Schnittpunkt der Kurven 50 und 47 sind die auf die Ober- und Unterseite des zweiten Kompressionsrings 11 wirkenden Gaskräfte gleich. Die Reibungskraft und die Massenträgheitskraft bringen den zweiten Kompressionsring 11 kurz vor diesem Schnittpunkt zum Abheben von der unteren und zum Anliegen an der oberen Ringflanke. Der unterhalb des zweiten Kompressionsringes 11 eingesperrte Druck entweicht durch die radialen Durchlässe sehr schnell nach oben.

Der daraus resultierende Druckverlauf zwischen zweitem und drittem Kompressionsring 11 bzw. 14 wird in Fig. 6 vom Kurvenast 51 dargestellt, der unterhalb des Schnittpunktes der Kurven 50 und 47 aus letzterer hervorgeht.

Durch die in Fig. 3 und 4 gezeigte Querschnittserweiterung der radialen Durchlässe 36 zur Zylinderwand hin, die dort durch die Eindrehung 37 oberhalb der oberen Nutflanke 35 und die Anfasung 38 realisiert ist, wird der Durchströmungsquerschnitt im Bereich der Ringnuten noch zusätzlich vergrößert, und zwar so, daß für die aus den Radialnuten ausströmenden Gase insbesondere in Umfangsrichtung zusätzliche Abströmungsmöglichkeiten bestehen. Durch diese Maßnahme ist ein nahezu gleichmäßiges Abströmen über den vollen Halbkreis (180°) der Ausmündung jeder Radialnut möglich.

Als vorteilhaft hat sich in Verbindung mit dem Kern der Erfindung ein Kolbenring-System erwiesen, bei dem der unterste Kompressionsring - das heißt im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 der dritte Kompressionsring 14 - mit einem gasdichten Stoß versehen ist. Dadurch wird ein Durchtreten von Gasen in Richtung zum Kurbelgehäuse besonders wirksam unterbunden. Ein Entweichen der im Ringpaket eingeschlossenen Gase zum Kurbelgehäuse, wie es zur Entlastung der Kompressionsringe bei herkömmlichen Ringsystemen beispielsweise durch eine Vergrößerung der Ringstöße von oben nach unten vorgesehen ist, ist beim Erfindungsgegenstand durch die vollständige und schnelle Druckentlastung nach oben nicht notwendig. Alle in den Gasen enthaltenen Schmutzpartikel und Verbrennungsrückstände werden beim schnellen Entweichen der Gase aus dem Ringpaket in den Arbeitsraum zurückbefördert. Das Schmieröl im Triebraum wird somit länger rein erhalten; ein Verkleben der Ringnuten durch Schmutzablagerungen wird durch den Spüleffekt verhindert. Eine Gefahr des Kollabierens des ersten Kompressionsringes infolge eines durch Ablagerungen erhöhten Reibungskoeffizienten wird bei Anwendung der Erfindung ausgeschlossen.

Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Kolbenring-System eine baulich einfache Möglichkeit geschaffen, eine abgestufte Belastung der Kompressionsringe bei reduziertem Verschleiß und dennoch gleichzeitigem gutem Dichtverhalten zu erreichen.

Claims (6)

1. Kolbenring-System zur Abdichtung zwischen Arbeitsraum und Kurbelgehäuse an einem Kolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mehreren am Kolben eingearbeiteten Ringnuten, die von je einer oberen und einer unteren Nutflanke axial begrenzt sind, mit mehreren in die Ringnuten mit axialem Spiel eingesetzten, durch eine obere und eine untere Ringflanke begrenzten, einen Ringstoß aufweisenden Kompressionsringen und mit radialen Durchlässen, die bei wenigstens einem Teil der Kompressionsringe äußere Ringräume, die von Kolbenmantelfläche, Zylinderwand und benachbarten Kompressionsringen gebildet werden, mit zwischen Nutgrund und innerer Ringmantelfläche befindlichen inneren Ringräumen verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauhöhe der Kompressionsringe (8, 11, 14, 16) geringer ist als die der Ringnuten (6, 9, 12, 15), so daß ein freier Spalt zwischen beiden verbleibt und sich die Kompressionsringe (8, 11, 14, 16) entsprechend den an ihnen angreifenden Kräften in Achsrichtung des Kolbens (1) geringfügig bewegen und infolgedessen entweder an der oberen oder der unteren Flanke einer Ringnut (6, 9, 12, 15) anlegbar sind, und daß radiale Durchlässe (7, 10, 13; 36; 42, 43, 44) ausschließlich zwischen oberer Nutflanke (35) und oberer Ringflanke (41) angeordnet sind und die untere Ringflanke bei Anliegen an der unteren Nutflanke dichtend ausgebildet ist.

2. Kolbenring-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Durchlässe (7, 10, 13; 36) als Radialnuten in die obere Nutflanke (35) eingearbeitet sind.

3. Kolbenring-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Durchlässe (42, 43, 44) als Radialnuten in die obere Ringflanke (41) eingearbeitet sind.

4. Kolbenring-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Durchlässe (36) auf ihrer der Zylinderwand zugewandten Seite erweitert sind.

5. Kolbenring-System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Durchlässe (36) durch eine Eindrehung (37), die sich oberhalb der oberen Nutflanke (35) befindet, in Umfangsrichtung erweitert sind.

6. Kolbenring-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Arbeitsraum entfernteste Kompressionsring (14) gasdicht ausgebildet ist.