DE3936813C1 - IC engine air buffer system - consists of blind bores in area of cylinder swept by piston rings - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinder einer Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-PS 12 16 612 ist ein Zylinder einer Hubkolben-Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem die Zylinderwand zum Zwecke des Druckausgleiches zwischen den von den Kolbenringen begrenzten Ringräumen Nuten aufweist, die so angeordnet sind, daß sie sich im unteren Totpunkt über den Bereich des obersten Kolbenringes erstrecken. Mit dieser bekannten Anordnung soll erreicht werden, daß sich der Druck in den Kolbenringzwischenräumen überwiegend zum Brennraum hin entspannt. Nachteilig ist bei der bekannten Anordnung, daß aufgrund der relativ großen axialen Ausdehnung der Nuten beim Abwärtsgehen des Kolbens im Arbeitstakt jeder der unteren Ringräume mit dem höheren Druckniveau des nächsthöheren Ringraumes beaufschlagt wird. Statt den Druck in den Ringnuten abzubauen, werden sogar Druckpolster auf höherem Niveau aufgebaut, womit der rechtzeitige Flankenwechsel der Kolbenringe behindert wird und die Gefahr des "Totliegens" der Kolbenringe wächst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinder einer Hubkolben-Brennkraftmaschine so zu gestalten, daß die Dichtwirkung des Kolbenringpakets verbessert und seine Lebensdauer bei voller Funktionsfähigkeit erhöht wird.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Mittels der in der Zylinderwand angeordneten Pufferräume werden die Ringräume zwischen den Kolbenringen im Kompressionstakt nacheinander gezielt mit Luft gefüllt. Dabei ist der Druck im obersten Ringraum am höchsten und nimmt nach unten hin ab. Die eingeschlossene Luft wirkt im Arbeitstakt als Sperrfluid gegen das Durchdringen von Brenngasen und Partikeln ins Kolbenringpaket. In der zweiten Hälfte des Arbeitstaktes wird die eingeschlossene frische Luft von unten nach oben wieder nacheinander in die Pufferräume abgegeben, so daß die Ringräume entlastet werden und dem rechtzeitigen Flankenwechsel der Kompressionsringe nichts entgegensteht. Nach Überstreichen des ersten Kompressionsringes entspannen sich die Pufferräume zum Brennraum hin, wobei zusätzlich der Vorteil eintritt, daß in den Bereich des Feuersteges eingedrungene Verbrennungsrückstände zum Brennraum zurückbefördert werden. Der Anteil, den der zweite und dritte Kompressionsring von der gesamten Druckdifferenz zwischen Brennraum und Kurbelgehäuse übernehmen, wird durch die Erfindung erhöht, wodurch der erste Kompressionsring entlastet und dessen Verschleiß erheblich reduziert wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Nachstehend sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erklärt. Es zeigen

Fig. 1 bis 5 einen Teillängsschnitt einer Kolben/ Zylinderanordnung in verschiedenen Phasen des Kompressionstaktes,

Fig. 6 bis 9 einen Teillängsschnitt einer Kolben/ Zylinderanordnung in verschiedenen Phasen des Arbeitstaktes,

Fig. 10 ein Kolbenweg/Druck-Diagramm, das die Druckverläufe im Arbeitsraum und den Ringräumen zwischen den Kompressionsringen darstellt,

Fig. 11 in perspektivischer Darstellung einen Teil einer Zylinderbuchse mit langlochartigen Pufferräumen,

Fig. 12 in perspektivischer Darstellung einen Teil einer Zylinderbuchse mit auf einer sattelförmigen Mantellinie angeordneten Pufferräumen,

Fig. 13 in perspektivischer Darstellung einen Teil einer Zylinderbuchse mit zwei axial gegeneinander versetzten Reihen von Pufferräumen und

Fig. 14 ein Kolbenweg/Druck-Diagramm, das die Druckverläufe im Arbeitsraum und den Ringräumen zwischen den Kompressionsringen bei Verwendung von gemäß Fig. 13 angeordneten Pufferräumen verdeutlicht.

In den Fig. 1 bis 9 ist mit 1 ein Kolben und mit 2 ein Zylinder einer nicht näher dargestellten Hubkolben-Brennkraftmaschine bezeichnet. Mit seiner Stirnseite begrenzt der Kolben 1 einen Arbeitsraum 3. Ein zwischen Seitenwand des Kolbens 1 und Zylinder 2 befindlicher Ringspalt 4 wird durch drei Kompressionsringe 6, 9, 12 und einen Ölabstreifring 15 abgedichtet. Der dem Arbeitsraum 3 am nächsten gelegene erste Kompressionsring 6 ist in eine im Kolben 1 eingearbeitete Ringnut 5, der zweite Kompressionsring 9 in eine Ringnut 8, der dritte Kompressionsring 12 in eine Ringnut 11 und der Ölabstreifring 15 in eine Ringnut 14 eingesetzt. Alle Kolbenringe 6, 9, 12, 15 sind bezüglich ihrer Bauhöhe geringfügig kleiner als die axiale Ausnehmung der sie aufnehmenden Ringnuten 5, 8, 11, 14. Die Kolbenringe 6, 9, 12, 15 liegen entsprechend der an ihnen angreifenden Kräfte (Massenkräfte aus Kolbenbeschleunigung, Druckkraft entsprechend der Druckdifferenz an der Kolbenringober- und -unterflanke, Reibungskraft der Zylinderwand) entweder an der oberen oder der unteren Flanke der jeweiligen Ringnut 5, 8, 11, 14 an. Im Ringspalt 4 zwischen Kolben 1 und Zylinder 2 werden durch den ersten und zweiten Kompressionsring 6 bzw. 9 ein erster Ringraum 7, durch den zweiten und dritten Kompressionsring 9 bzw. 12 ein zweiter Ringraum 10 und durch den dritten Kompressionsring 12 und den Ölabstreifring 15 ein dritter Ringraum 13 begrenzt.

In diesen Ringräumen 7, 10, 13 baut sich aufgrund der unvermeidbar an den Kolbenringen vorbeistreichenden Gase ein Druck auf, der im ersten Ringraum 7 höher ist als im zweiten Ringraum 10 und der im zweiten Ringraum 10 höher ist als im dritten Ringraum 13.

In Fig. 10 sind die Druckverlaufskurven im Arbeitsraum 3 und in den drei Ringräumen 7, 10, 13 während eines halben Arbeitsspieles, d. h. während des Kompressionstaktes und des Arbeitstaktes dargestellt.

Mit p ₀ ist der Druckverlauf im Arbeitsraum 3 bezeichnet, die mit p₁′ bezeichnete Kurve stellt den Druckverlauf im ersten Ringraum 7, die mit p₂′ bezeichnete Kurve den Druckverlauf im zweiten Ringraum 10 und mit p₃ bezeichnete Kurve den Druckverlauf im dritten Ringraum 13 dar, wobei p₁′ und p₂′ den Zustand ohne Anwendung der Erfindung zeigen. Der Druck p₃ im dritten Ringraum 13 unterscheidet sich aufgrund der schwachen Dichtwirkung des Ölabstreifrings gegen Gase nur unwesentlich vom Druck im Kurbelgehäuse. Er wird daher bei den folgenden Betrachtungen vernachlässigt.

Der Druckverlauf p₀ im Arbeitsraum 3 steigt in bekannter Weise während des gesamten Kompressionstaktes an, erreicht kurz nach dem oberen Totpunkt aufgrund der Ausbreitung der Flammenfront nach der Zündung seinen Höhepunkt und fällt anschließend während des restlichen Arbeitstaktes kontinuierlich wieder ab. Der Druckaufbau p ₁′ im ersten Ringraum 7 vollzieht sich aufgrund der starken 2 Drosselwirkung des ersten Kompressionsrings 6 demgegenüber mit einer großen zeitlichen Verzögerung und das Druckmaximum der Kurve p ₂′ des zweiten Ringraumes 10 wird durch die Drosselwirkung des zweiten Kompressionsringes 9 noch später erreicht. In den Bereichen, in denen die Kurven p ₁′ und p ₂′die abfallende Flanke der Kurve überschreiten, ist im ersten und zweiten Ringraum 7 bzw. 10 jeweils ein Druckpolster eingeschlossen, das den ordnungsgemäßen Flankenwechsel der Kompressionsringe verhindert. Ab dem Schnittpunkt der Kurve p ₁′ mit Kurve p ₀′ wird durch das eingesperrte Druckpolster der erste Kompressionsring 6 an die obere Flanke der Ringnut 5 und der zweite Kompressionsring 9 an die untere Flanke der Ringnut 8 gepreßt. Das Abgas im ersten Ringraum 7 wird wie in einer Leitung mit doppeltem Rückschlagventil eingeschlossen und kann sich nicht rechtzeitig im Arbeitstakt entleeren und dabei die Ringnuten säubern. Bei jedem Arbeitstakt erhöht sich die Menge der abgelagerten Schmutzpartikel, bis schließlich der zweite Kolbenring 9 in seiner radialen Bewegung behindert und somit hinsichtlich seiner Funktion außer Kraft gesetzt wird ("Ringfresser").

Der oberste Kompressionsring 6 trägt bei bekannten Kolben/Zylinder- Anordnungen während des gesamten Kompressionstaktes und eines großen Teils des Arbeitstaktes fast allein die gesamte Druckdifferenz zwischen Arbeitsraum und Kurbelgehäuse. Da die Druckdifferenz zwischen Arbeisraum 3 und erstem Ringraum 7 im wesentlichen maßgeblich ist für die wirksame Anpreßkraft dieses Rings an die Zylinderwand, ist dieser hohe Traganteil zwangsläufig mit einem hohen vorzeitigen Verschleiß verbunden.

Gemäß der Erfindung werden in der Wand des Zylinders 2 Pufferräume 16 vorgesehen, deren Volumen in der Summe ein mehrfaches eines Ringraumes 7, 10, 13 beträgt. Die Pufferräume 16 sind in einer solchen Höhe an der Zylinderwand angeordnet, daß sich der oberste Kolbenring (= Kompressionsring 6) im unteren Totpunkt unterhalb und daß sich der unterste Kolbenring (= Ölabstreifring 15) im oberen Totpunkt oberhalb derselben befindet. Die Pufferräume sind in den Fig. 1 bis 9 als zylindrische Bohrungen ausgeführt, die gleichmäßig am Umfang verteilt in einer zur Zylinderachse senkrechten Ebene verlaufen.

Nachfolgend soll anhand der Fig. 1 bis 9 die Funktion der Pufferräume 16 in einzelnen Phasen des Kompressions- und des Arbeitstaktes beschrieben werden. Die dabei in den einzelnen Ringräumen 7, 10 entstehenden Druckverläufe sind in Fig. 10 durch die Kurven p ₁ bzw. p ₂ dargestellt. Die den Fig. 1 bis 9 entsprechenden Zustände sind dort durch senkrechte Linien markiert, die analog zur Numerierung der Figuren mit gleichlautenden römischen Ziffern bezeichnet sind.

In Fig. 1 werden die Pufferräume 16 im Kompressionstakt mit komprimierter Frischluft gefüllt. In Fig. 2 überstreicht der erste Kompressionsring 6 die Mündung der Pufferräume 16. Dabei füllt sich der erste Ringraum 7 mit Frischluft, die sich auf einem etwas niedrigeren Druckniveau befindet, als es sich bis zu diesem Zeitpunkt im Arbeitsraum 3 aufgebaut hat. Dadurch wird der Druck im ersten Ringraum 7 - wie auf Höhe der Linie II in Fig. 10 ersichtlich - schlagartig auf ein Niveau p ₁ angehoben, das wesentlich höher ist als das Niveau p ₁′ im selben Ringraum ohne Verwendung der erfindungsgemäßen Pufferräume betragen hätte. Die Druckdifferenz Δ p ₀-p ₁ zwischen dem Arbeitsraumdruck p ₀ und dem Druck p ₁ im ersten Ringraum 7 wird ab diesem Zeitpunkt bei der Weiterbewegung des Kolbens wesentlich geringer als die Druckdifferenz zwischen Arbeitsraumdruck p ₀ und Ringraumdruck p ₁′ ohne Anwendung der Erfindung.

Die Druckdifferenz über dem ersten Kolbenring 6 ist aber ein Maß dafür, welchen Anteil dieser Ring an der gesamten Druckdifferenz zwischen Arbeitsraum und Kurbelgehäuse dichtend übernimmt, da durch die Druckdifferenz der radiale Anpreßdruck eines Ringes an die Zylinderand beim Kippen des Kolbens wesentlich mitbestimmt wird.

In Fig. 3 überstreicht der zweite Kompressionsring 9 die Mündung der Pufferräume 16. Dadurch wird der zweite Ringraum 10 - wie auf Höhe der Linie III in Fig. 10 zu sehen - schlagartig mit Frischluft auf ein wesentlich höheres Druckniveau p ₂ angehoben, als dort zum gleichen Zeitpunkt ohne Anwendung der Erfindung bestehen würde (siehe Kurve p ₂′). Der zweite Kompressionsring 9 übernimmt dadurch einen höheren Traganteil an der gesamten Dichtwirkung des Ringpaketes, was zu einer vergleichmäßigten Abnutzung aller Kolbenringe und dadurch zu einem verlangsamten Verschleiß des am stärksten belasteten ersten Kompressionsringes 6 beiträgt.

In Fig. 4 überstreicht der dritte Kompressionsring 12 die Mündung der Pufferräume 16. Dadurch wird die in dem Pufferräumen 16 befindliche Restluft in den dritten Ringraum 13 entspannt, in dem aufgrund der geringen Dichtwirkung des Ölabstreifrings 15 und der Kurbelgehäuseentlüftung annähernd Umgebungsdruck herrscht. Die vollständige Entspannung des geringen Restdruckes aus den Pufferräumen 16 findet in der in Fig. 5 dargestellten Bewegungsphase statt, in der der Ölabstreifring 15 an der Mündung der Pufferräume 16 vorbeistreicht.

Während des weiteren Verlaufs des Kompressionstaktes erhöht sich durch die vor allem über den Ringstoß gedrosselt aus dem Arbeitsraum 3 überströmende Luft des Druckniveaus in den Ringräumen 7 und 10 noch weiter. Während der ersten Phase des nun folgenden Arbeitstaktes (Fig. 6) bildet die in den Ringräumen 7, 10 eingeschlossene Frischluft eine wirksame Barriere gegen das Eindringen von Brenngasen und Verbrennungsrückständen in das Kolbenringpaket und gegen deren Durchdringen zum Kurbelgehäuse ("blow-by").

In Fig. 7 streicht der dritte Kompressionsring 12 in der Abwärtsbewegung an den Mündungen der Pufferräume 16 vorbei und gibt dabei die Verbindung des zweiten Ringraumes 10 zu denselben frei. Der Druck im zweiten Ringraum 10 wird dabei - wie an der Linie VII in Fig. 10 zu sehen ist - schlagartig auf ein wesentlich niedrigeres Druckniveau entspannt.

Kurz darauf (Fig. 8) überstreicht der zweite Kompressionsring 9 die Mündung der Pufferräume 16. Dabei wird, wie auf Höhe der Linie VIII in Fig. 10 zu sehen ist, der Druck im ersten Ringraum 7 schlagartig auf ein wesentlich niedrigeres Druckniveau entspannt. Durch die rechtzeitige Entspannung der in den Ringräumen 7, 10 eingesperrten Druckpolster, werden die Drucküberhänge, wie sie die Kurven p ₁′ und p ₂′ im rechten Teil der Fig. 10 jenseits der Kurve p ₀ darstellen, vermieden, so daß die Kolbenringe rechtzeitig aufgrund von Reibungs- und Massenkräften ihre Anlagefläche in der jeweiligen Kolbenringnut wechseln.

In der in Fig. 9 dargestellten Situation überstreicht der erste Kompressionsring 6 die Mündung der Pufferräume 16. Dabei entweicht die in den Pufferräumen 16 gespeicherte Luft düsenartig durch den schmalen Spalt zwischen der Oberkante ihrer Mündung und der Oberkante des Kompressionsrings 6 und anschließend durch den schmalen Ringspalt 4 entlang des Feuersteges zum Arbeitsraum 3. Dabei werden vorteilhafterweise eventuell dort vorhandene Verbrennungsrückstände mitgerissen und zum Arbeitsraum 3 zurückbefördert, wodurch das Ringpaket weitestgehend sauber und somit funktionsfähig bleibt.

Bezüglich Form und Anordnung der Pufferräume werden im folgenden anhand der Fig. 11 bis 13 mehrere Varianten beschrieben. In Fig. 11 sind die Pufferräume als langlochartige Taschen 17 ausgebildet, deren Längsachse sich im wesentlichen in einer senkrecht zur Kolbenachse 18 angeordneten Ebene erstrecken. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß der Querschnitt der Pufferräume und damit ihr Volumen gegenüber den zylindrischen Bohrungen des vorangegangenen Ausführungsbeispieles vergrößert wird, ohne daß ihre Ausdehnung in Richtung der Kolbenlängsachse, die auf die Bauhöhe der Kolbenringdichtflächen abgestimmt ist, dadurch vergrößert werden müßte. Für alle Ausführungsbeispiele gilt, daß alle Pufferräume zusammengenommen ein Mehrfaches - vorteilhafterweise etwa das drei- bis vierfache Volumen - eines Ringraumes 7, 10 oder 13 aufweisen. Bei einer solchen Abstimmung ergibt sich ein günstiger Druckauf- und -abbau in den Ringräumen, so wie er in Fig. 10 dargestellt ist.

In Fig. 12 sind die als zylindrische Bohrungen 19 gestalteten Pufferräume in axialer Richtung des Zylinders 2 gegeneinander versetzt auf einer sattelförmigen Mantellinie 20 der Zylinderlauffläche angeordnet. Dadurch vollziehen sich Auffüllung und Entleerung der Ringräume 7, 10 nicht mehr so abrupt wie im ersten Ausführungsbeispiel, sondern als fließender Übergang während eines Bewegungsintervalls des Kolbens, das vom obersten Punkt der am höchsten angeordneten Bohrung 19 a bis zum tiefsten Punkt der am niedrigsten gelegenen Bohrung 19 b reicht.

Bei einer weiteren, in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform sind in einem Zylinder 2 Pufferräume 21, 22 in zwei zueinander parallelen, zur Zylinderachse 23 senkrechten Ebenen angeordnet. Bei dieser Variante ergibt sich ein zweistufiges Auffüllen und Entleeren der Ringräume 7, 10, 13. Der Druckverlauf im ersten Ringraum 7, in Fig. 14 durch die Kurve 24, und der Druckverlauf im zweiten Ringraum 10, in Fig. 14 durch die Kurve 25 dargestellt, nähern sich dadurch stärker in ihrer Form der bereits aus Fig. 10 bekannten, mit p ₀ bezeichneten Kurve des Druckverlaufs im Arbeitsraum 3 an. Somit sind die Druckdifferenzen zwischen Arbeitsraum 3 und Kurbelgehäuse während des gezeigten Ausschnittes aus dem Arbeitsspiel des Motors in annähernd konstant bleibendem Verhältnis auf die beiden ersten Kompressionsringe 6 und 9 verteilt, was zu deren gleichmäßiger Belastung und Abnutzung beiträgt.

Claims (9)

1. Zylinder einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem im oberen Teil durch einen hin- und hergehenden Kolben begrenzten Arbeitsraum, wobei der Kolben in mehreren Ringnuten Kolbenringe trägt, deren Ober- oder Unterseiten in Verbindung mit der Kolbenseitenwand und der Zylinderlauffläche mehrere Ringräume bilden, und mit mehreren in der Zylinderwand angeordneten Aussparungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen als Pufferräume (16; 17; 19; 21, 22) ausgebildet sind, deren zusammengerechnetes Volumen ein mehrfaches eines Ringraumes (7, 10, 13) beträgt und daß die Pufferräume (16; 17; 19; 21, 22) in einer solchen Höhe an der Zylinderwand angeordnet sind, daß sich der oberste Kolbenring (6) im unteren Totpunkt unterhalb und daß sich der unterste Kolbenring (12) im oberen Totpunkt oberhalb derselben befindet.

2. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Pufferräume (16) radial in der Zylinderwand verlaufende Sacklochbohrungen verwendet werden.

3. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Pufferräume langlochartige Taschen (17) mit senkrecht zur Zylinderachse (18) verlaufender Längsachse verwendet werden.

4. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang gleichmäßig verteilt mehrere Pufferräume (16; 17; 19; 21, 22) vorgesehen sind.

5. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Pufferräume (16, 17) in einer senkrecht zur Zylinderachse (18) liegenden Ebene angeordnet sind.

6. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Pufferräume (19) in axialer Richtung gegeneinander versetzt auf einer sattelförmigen Mantellinie (20) der Zylinderlauffläche angeordnet sind.

7. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferräume (21, 22) in zwei zueinander parallelen, zur Zylinderachse (23) senkrechten Ebenen angeordnet sind.

8. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Volumen aller Pufferräume (16; 17; 19; 21, 22) das drei- bis vierfache des Volumens eines zwischen den Kolbenringen befindlichen Ringraumes (7; 10; 13) beträgt.

9. Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Ausdehnung eines Pufferraumes (16; 17; 19; 21, 22) im Bereich seiner Ausmündung in die Zylinderwand nur wenig größer ist als die axiale Bauhöhe der Dichtfläche eines Kolbenrings (6, 9, 12).