DE4025869A1 - Kolbenring fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring für Brennkraftmaschinen mit einem einen Stoß bildenden axialen Einschnitt und einer Abschrägung im Stoßbereich auf der Kolbenringunterflanke, wobei die Abschrägung, vom Stoß aus schmaler werdend, in die untere Laufflächenkante ausläuft.

Während des Betriebes einer Brennkraftmaschine ist der Kolbenring einem Wechselspiel von Beschleunigungs-, Gas- und hydraulischen Kräften unterworfen. Insbesondere in hohen Drehzahlbereichen kann es vorkommen, daß die Kolbenringe in einen Zustand der Labilität geraten und dann nicht mehr dichtend mit einer Flanke an der Kolbennutenflanke anliegen.

In Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Kolbens, des Arbeitstaktes der Brennkraftmaschine und des Kurbelwellenwinkels wirken Gaskraft und Massenkraft entweder in gleicher Richtung oder entgegengesetzt.

Im Arbeitstakt 90° vor und 90^o nach dem oberen Zündtotpunkt beispielsweise ist die Massenkraft der resultierenden Gaskraft entgegengesetzt. Solange die Massenkraft nicht größer als die Gaskraft ist, bleibt der Kolbenring an der unteren Kolbennutflanke in Anlage. Im Stoßbereich kann das Gas mit Verbrennungsdruck über die untere Stoßflächenkante unter den Kolbenring fließen, so daß die Stoßenden keine Gasdruckdifferenz aufweisen, mit der Folge, daß die Massenkraft in der Lage ist, die Stoßenden von der unteren Kolbennutflanke abzuheben, während der übrige Kolbenringbereich in der unteren Anlage bleibt. Beim Abheben der Stoßenden vergrößert sich der Leckagequerschnitt mit entsprechend höherem Gasfluß, was sich mit Nachlassen der Motorleistung bemerkbar macht. Darüber hinaus treten hohe Spannungen auf, da die Ringenden gegenüber dem übrigen, an der Nutflanke anliegenden Ringbereich gebogen werden.

Um das Abheben des Kolbenringes von der Nutflanke zu vermeiden, wurde bereits gemäß der DE-OS 18 00 264 vorgeschlagen, einen Kolbenring in der zweiten Kolbennut im Stoßbereich besonders gasdurchlässig zu gestalten, indem durch die Fase auf der oberen und/oder unteren Laufflächenkante die Gasdurchtrittsfläche im Stoß vergrößert wurde.

Auf diese Weise soll unterhalb des Kolbenringes in der ersten Nut ein schneller Druckabbau hervorgerufen werden, damit die Druckdifferenz ober- und unterhalb des Kolbenringes den Kolbenring in der unteren Anlage hält. Diese Maßnahme kann aber nicht verhindern, daß das Gas im Stoßbereich über die Stoßflächenkante unter den Kolbenring gelangt. Folglich sind bei diesem Ring die Stoßenden gasdruckentlastet und heben von der Nutflanke ab, wodurch sich der Leckagedurchtritt vergrößert und die beschriebenen Nachteile entstehen.

Um ein Abheben der Stoßenden von der Nutflanke zu vermeiden, wurde nach der EP-PS 02 53 069 vorgeschlagen, im Stoßbereich die Ringenden massenarm zu gestalten, um so die Massenkraft zu verringern. Mit dieser Maßnahme kann eventuell ein Abheben der Ringenden verzögert werden, jedoch besteht je nach Motordrehzahl die Gefahr, daß die Ringenden dennoch abheben, da die Massenkraft nicht ausgeschaltet werden kann. Darüber hinaus kann auch bei derartigen Kolbenringen das Gas am Stoßbereich unter die Flanke gelangen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die schädliche Bewegung der Stoßenden bei gattungsgemäßen Kolbenringen zu unterbinden oder mehr als bisher einzuschränken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abschrägung in radialer Richtung über die gesamte Ringunterflanke verläuft und auf der unteren Ecke der Stoßinnenkante ausläuft.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Abschrägung ist die axiale Ringhöhe am Außendurchmesser kleiner als am Kolbenringinnendurchmesser, so daß sich, in radialer Richtung gesehen, ein divergierender Spalt ergibt. Ein divergierender Spalt stellt strömungstechnisch eine Drosselstelle dar, in der der einströmende Gasdruck sich abbaut. Somit entsteht im Stoßbereich im Moment des Abhebens der Ringenden gegenüber der Kolbenringoberflanke eine Druckdifferenz mit einer nach unten gegen die Massenkraft gerichteten, resultierenden Kraft, welche die Stoßenden an die Kolbennutunterflanke preßt.

Die Abschrägung verläuft in radialer Richtung unter einem Winkel zwischen 10° und 60° um die untere Ecke der Stoßinnenkante und läuft, vom Stoß gemessen, in Umfangsrichtung unter einem Zentrierwinkel zwischen 10° und 45° in die Laufflächenkante aus.

Auf diese Weise kann der Ring durch Gaskräfte im Stoßbereich so gedreht werden, daß die Abschrägung plan auf der Kolbennutunterflanke aufliegt. Erst wenn die Massenkraft die Stoßenden abhebt, wird die beschriebene Drosselstelle erzeugt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Kolbenringausschnitt mit erfindungsgemäßem Stoßbereich,

Fig. 2 einen Kolbenring gemäß Fig. 1 mit Ansicht auf die untere Ringflanke.

In der Fig. 1 ist schematisch ein Ausschnitt eines Kolbenringes (1) im Stoßbereich dargestellt. Die erfindungsgemäße Abschrägung im Stoßbereich ist stark übertrieben dargestellt, der Winkel Beta beträgt maximal 60^o.

Zur Verdeutlichung der Lage der Abschrägung werden die Kanten des Kolbenringes (1) wie folgt benannt: Ziffer 2, 3 bezeichnen die obere (3) und untere (2) Laufflächenkante der Kolbenringlauffläche. Die am Stoß (4) senkrecht verlaufenden Kanten werden als Stoßaußenkante (5) und Stoßinnenkante (6) bezeichnet. Die Abschrägung des Stoßes verläuft in radialer Richtung über die gesamte Ringunterflanke (7) und läuft, beginnend an der unteren Ecke (8) der Stoßaußenkante (5), auf der unteren Ecke (9) der Stoßinnenkante (6) aus.

In der Fig. 2 ist die Ringunterflanke (7) dargestellt. In Umfangsrichtung läuft die Abschrägung, vom Stoß (4, 4′) gemessen, unter einem Zentriwinkel Alpha zwischen 10° und 45°, je nach Kolbenringdurchmesser in die Laufflächenkante (2) aus.

Aufgrund des kleinen Winkels Beta können während des Betriebes auftretende Gaskräfte den Kolbenring (1) im Stoßbereich verdrehen, so daß die untere Stoßflächenkante (10) auf der korrespondierenden Kolbennut (nicht gezeichnet) plan auf liegt. Erst wenn die Massenkraft den Kolbenring (1) an den Stoßenden abhebt, stellt sich der Stoßbereich in die in der Fig. 1 dargestellte Lage, so daß an der unteren Ecke (9) der Stoßinnenkante (6) ein divergierender Spalt gebildet wird. An dieser Drosselstelle ist der Gasdruck wesentlich kleiner als der Verbrennungsdruck, wodurch eine resultierende Gaskraft erzeugt wird, die den Stoß in Richtung Nutunterflanke drückt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Abschrägung sind die Stoßenden nunmehr nicht mehr gasentlastet, das heißt es besteht immer eine Druckdifferenz zwischen der Kolbenringober- und -unterflanke.

Claims (3)

1. Kolbenring für Brennkraftmaschinen mit einem einen Stoß bildenden axialen Einschnitt und einer Abschrägung im Stoßbereich auf der Kolbenringunterflanke, wobei die Abschrägung, vom Stoß aus schmaler werdend, in die untere Laufflächenkante ausläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschrägung in radialer Richtung über die gesamte Ringunterflanke (7) verläuft und auf der unteren Ecke (9) der Stoßinnenkante (6) ausläuft.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschrägung in radialer Richtung unter einem Winkel Beta zwischen 10° und 60° in die untere Ecke (9) der Stoßinnenkante (6) ausläuft.

3. Kolbenring nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschrägung, in Umfangsrichtung vom Stoß gemessen, unter einem Zentriwinkel Alpha zwischen 10^o und 45^o in die Laufflächenkante (2) ausläuft.