DE4203384C2

DE4203384C2 - Kolben einer Kolbenmaschine

Info

Publication number: DE4203384C2
Application number: DE19924203384
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Ing Hunger
Original assignee: Hunger Walter Dr Ing E H
Current assignee: Hunger Walter Dr Ing E H
Priority date: 1992-02-06
Filing date: 1992-02-06
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2012-02-07
Also published as: DE4203384A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kolbenmaschi nen, insbesondere Verbrennungsmotoren, aber auch Kolben verdichter, und hier auf die Abdichtung der Kolben der selben im Zylinder bzw. einer Zylinderbuchse.

Die bekannten Kolbenringe zur Abdichtung von Verbren nungsmotorkolben im Zylinder sind aus metallischem Werk stoff gefertigt und sind an einer Umfangsstelle ge schlitzt, damit sie einerseits zum Einsetzen in ihre Nut aufgeweitet und über den Kolben gestreift werden können und andererseits im Betrieb sich durch federndes Ausein anderspreizen dichtend an die Zylinderlauffläche anle gen. Zur ausreichenden Abdichtung sind eine Mehrzahl von Kolbenringen erforderlich, deren Stoßstellen in Umfangs richtung zueinander versetzt sein sollen.

Die bekannten Kolbenringe sind wegen der Schlitze von beschränkter Abdichtfähigkeit und verlieren darüber hin aus im Laufe des Betriebs an Federkraft, nämlich durch Verschleiß und durch temperaturwechselbedingte Material ermüdung. Dadurch kann das dichtende Anliegen an der Zylinderlauffläche verloren gehen. Ein unvermeidlich erscheinender Nachteil liegt darin, daß die in konstan ter Größe wirkende Spreizkraft der bekannten Kolbenringe einen nicht unwesentlichen Reibungswiderstand gegen die Bewegung des Kolbens entfaltet.

Es wurde auch ein Kolben vorgeschlagen, dessen Kolbenring ungeschlitzt ist, aus einem dehnbaren Material besteht und auf seiner radial innenliegenden Umfangs fläche vom im Zylinderraum herrschenden Druck beauf schlagt ist, so daß seine Anpreßkraft an die Zylinder lauffläche von diesem abzudichtenden Druck abhängt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Kolbens für Kolbenmaschinen, insbe sondere Verbrennungsmotore. Es soll vor allem eine Ab dichtung des Kolbens im Zylinder erzielt werden, die verbessert und über längere Betriebszeiten wirksam ist, wobei die auftretenden Reibungswiderstände geringer wer den sollen. Auf diese Weise soll ein gegebener Motor eine höhere Leistung entwickeln, mit geringerem Treib stoffverbrauch auskommen und eine höhere Lebensdauer erreichen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich aus den Patentansprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung wird der Kolbenring während jedes Zeitpunkts eines Arbeitszyklus nur mit der für die gewünschte Dichtwirkung jeweils erforderlichen Pressung an die Zylinderlauffläche angedrückt, so daß unnötige Reibung vermieden wird. Gegen Ende eines Kom pressionshubes, und, bei Betrachtung eines Verbrennungs motors, bei der Zündung und Verbrennung und im ersten Abschnitt des Expansionshubes treten die höchsten Drücke auf und werden durch entsprechende Andrückung des Kol benrings abgedichtet. Betrachtet man einen Viertaktmo tor, so herrschen während des Ausstoßens im 4. Takt und des Ansaugens im 1. Takt bei jeweils geöffnetem Auspuff- bzw. Einlaßventil nur geringe Drücke im Zylinderraum und entsprechend ist der Kolbenring auch nur schwach oder gar nicht angedrückt. Somit erzeugt er keine Reibung, was dem Wirkungsgrad des Motors zugute kommt.

Der vorgeschlagene Kolben mit elastisch verformbarem Kolbenring wird vorzugsweise eingesetzt in Maschinen, deren Zylinderlauffläche gemäß Anspruch 10 auf eine Rauhtiefe von weniger als Ra = 1 µm, vorzugsweise weniger als 0,3 µm, bearbeitet ist. Moderne oberflächenverfesti gende und rauhigkeitsvermindernde Bearbeitungsverfahren machen dies möglich. In der Paarung mit solchen Oberflä chen erreicht der Kolbenring eine befriedigende Lebens dauer.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der beigegebenen Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Kolbens;

Fig. 2 den Querschnitt gemäß Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 3 die Einzelheit C in Fig. 1 vergrößert;

Fig. 4 die Einzelheit D in Fig. 2 vergrößert;

Fig. 5 die Einzelheit E in Fig. 1 vergrößert;

Fig. 6 den Schnitt B-B in Fig. 4.

Der Kolben 1 besteht aus zwei Teilen, nämlich einem Kol benhemd 2 und einem Kolbenboden 3, die mittels eines Bajonettverschlusses 4 lösbar miteinander verbunden sind. Zu diesem Zweck hat der Kolbenboden 3 einen nach unten in das Kolbenhemd greifenden Hals 6, an dessen unterem Ende vier gleichmäßig über dem Umfang verteilte, radial nach außen ragende Riegelnasen 8 vorspringen, die in der Verbindungsstellung unter radial nach innen wei sende Riegelvorsprünge 9 greifen. Diese Drehstellung ist dadurch arretiert, daß an der Unterfläche jedes Riegel vorsprungs 9 ein Rastvorsprung 10 ausgebildet ist, wel cher in eine Rastausnehmung 11 der zugehörigen Riegelnase 8 greift.

Zur Lösung der Verbindung wird der Kolbenboden 3 um eine Achteldrehung gedreht, so daß die Riegelnasen 8 längs der zwischen den Riegelvorsprüngen 9 verbleibenden Räume in Axialrichtung herausgleiten können.

Ein Kolbenring 15 ist in eine Nut eingesetzt, welche zwischen dem Kolbenhemd 2 und dem Kolbenboden 3 gebildet ist. Diese Nut hat in der Längsschnittdarstellung eine sich nach außen erweiternde Keilform. Der Kolbenring 15 ist elastisch verformbar, so daß er eine geringe Annähe rungsbewegung des Kolbenbodens 3 an das Kolbenhemd 2 zuläßt, wobei sich der Nutspalt verkleinert und der im wesentlichen inkompressible Kolbenringwerkstoff unter der Wirkung des in ihm entstehenden allseitigen Spannungszustandes sich an seinem Außenumfang nach außen wölbt bzw. etwas nach außen austritt.

Die Abmessungen der Nut und des Kolbenrings im unver formten Zustand sind derart, daß der Kolbenring im Ver bindungszustand der beiden Kolbenteile unter einer ge ringen Spannung durch die Nutflanken steht, was den Ein griff der Rastvorsprünge 10 in die Rastausnehmungen 11 gewährleistet. Die zur Bewirkung der Achteldrehung zum Lösen der Kolbenteile voneinander erforderliche Annähe rung derselben so, daß die Rastvorsprünge 10 aus ihren Rastausnehmungen 11 austreten und über die seitlich hiervon gelegenen Flächen gedreht werden können, bleibt möglich.

Der Kolbenring 15 setzt sich zusammen aus einem Grund körper 17, der außen umgeben ist von einem Gleitring 19, und der seinerseits einen radial innengelegenen Stütz ring 21 umgibt. Der Grundkörper 17 selbst besteht aus einer Seele 23 und einer diese umgebenden Ummantelung 25.

Die Seele 23 kann aus Fluorsilikonkautschuk (FVMQ) oder vorgespanntem Gas und die Ummantelung aus Fluorkautschuk (FPM) bestehen. Der Gleitring 19, welcher der eigentli che Reibungspartner bezüglich der Zylinderlauffläche ist, kann aus einem Polyetheretherketon-Compound (PEEK) und der Stützring 21, welcher eine Spaltextrusion des Ummantelungswerkstoffs in den breitenveränderlichen Spalt zwischen Kolbenboden und Kolbenhemd verhindert, aus Polytetrafluorethylen-Compound (PTFE) bestehen.

Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel ist in die vom Kolbenboden 3 gebildete Nutflanke noch ein Wärmedäm mungsring 27 eingelegt, der im wesentlichen den Grund körper 17 vor übermäßiger Hitzeeinwirkung von Seiten des thermisch am höchsten beanspruchten Teils, des Kolbenbo dens 3, schützt. Dieser besteht beispielsweise aus einem Asbestwerkstoff.

Im Betrieb des beschriebenen Kolbens treten axiale Annä herungsbewegungen des Kolbenbodens in Richtung zum Kol benhemd und damit Deformationen des Kolbenrings 15 in nur geringem Maße auf. Der Gleitring 19 ist schon bei unbeaufschlagtem Kolbenboden 3 mit einer geringen Flä chenpressung an die Zylinderlauffläche angedrückt, so daß sich die bei höheren Druckbeaufschlagungen des Kol benbodens einstellenden Spannungszustände im Kolbenring weniger in einem Hervortreten oder Herauswölben dessel ben aus der Nut äußern, als vielmehr in einer entspre chenden Erhöhung der gegenüber der Zylinderlauffläche wirkenden Flächenpressung. Dadurch kann diese in einer proportionalen Funktion von der Kraftbeaufschlagung des Kolbenbodens 3, d. h. des abzudichtenden Drucks im Zylin derraum abhängen. Der Proportionalitätsfaktor ist dabei abhängig vom Verhältnis der Kolbenquerschnittsfläche zur Ringfläche des Kolbenringquerschnitts sowie vom Keilwin kel der Nutlängsschnittsform der Kolbenringnut.

Wegen der geringen Größe der Annäherungsbewegungen des Kolbenbodens 3 an das Kolbenhemd 2 muß nicht notwendi gerweise der Eingriff des Bajonettverschlusses 4, d. h. die Berührung des Rastvorsprungs 10 mit der Rastausneh mung 11 aufgehoben werden. Der Hals 6 kann bei ausrei chender Länge und geringer Querschnittsfläche u. U. aus reichend längselastisch sein, um die Annäherungsbewegun gen im Bereich der Nutflanken zu kompensieren, so daß lediglich die im Bajonettverschluß wirkenden Kräfte pe riodisch schwanken, nicht jedoch ein tatsächliches Ab heben der Rastflächen voneinander erfolgt.

Es versteht sich, daß der beschriebene Kolbenring nicht geschlitzt ist und durch Lösen des Kolbenbodens 3 vom Kolbenhemd 2 eingebaut bzw. gewechselt wird. Dadurch genügt die begrenzte Elastizität insbesondere des Gleit rings 19, der vor allem abriebfest und temperaturbestän dig sein muß, um die beschriebenen Wirkungen im Betrieb der Kolbenmaschine eintreten zu lassen.

Die Hauptteile des Kolbens können aus verschiedenen Werkstoffen und Werkstoffpaarungen bestehen, wobei fol gende Möglichkeiten in Frage kommen:

Kolbenboden
Kolbenhemd
Aluminium
Aluminium
Aluminium	Kunststoff
Keramik	Keramik
Keramik	Kunststoff
Keramik	Aluminium
Kunststoff	Kunststoff

Auf diese Weise kann ein leichter Kolben gebaut werden, der in jeder Phase der Maschinentakte die jeweils erfor derliche Abdichtung gewährleistet und keine darüber hin ausgehende schädliche Reibung erzeugt.

Claims

1. Kolben einer Kolbenmaschine, der an einer Zylinder lauffläche eines Zylinders verschiebbar gelagert ist und mit einem in eine umlaufende Nut eingelegten Kolbenring versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben aus zwei vonein ander trennbaren Teilen, nämlich Kolbenboden (3) und Kolbenhemd (2) besteht, die formschlüssig und lösbar miteinander verbunden sind und dabei eine begrenzte axiale Bewegungsmöglichkeit relativ zueinander aufweisen, und daß die umlaufende Nut zwischen diesen Teilen (3, 2) gebildet ist, wobei der darin eingelegte Kolbenring (15) aus elastisch verformbarem Werkstoff besteht und dadurch Kolbenboden (3) und Kolbenhemd (2) im Ruhezustand unter axialer Vorspannung gegeneinander gehalten werden und während des Betriebes, bei einer axialen Annäherungsbewegung des Kolbenbodens (3) in Richtung zum Kolbenhemd (2), der Kolbenring (15) radial nach außen an die Zylin derlauffläche angepreßt wird.

2. Kolben nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbindung des Kolbenbodens (3) mit dem Kolbenhemd (2) durch einen Bajonettverschluß (4) gebildet wird, wobei der Kolbenboden (3) einen in das Kolbenhemd (2) greifenden Hals (6) aufweist, an dessen Ende radial nach außen ragende Riegelnasen (8) vorspringen, die in der Verbindungsstellung unter radial nach innen weisende Riegelvorsprünge (9) des Kolbenhemdes (2) greifen.

3. Kolben nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Drehstellung des Bajonettverschlusses (4) dadurch arretiert ist, daß an der Unterfläche jedes Riegelvorsprunges (9) ein Rastvorsprung (10) ausgebildet ist, welcher in eine Rastausnehmung (11) der zugehörigen Rie gelnase (8) greift.

4. Kolben nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut im Längs schnitt eine sich nach außen erweiternde Keilform aufweist.

5. Kolben nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring (15) aus einem Grundkörper (17) und einem dessen Außen fläche umgebenden Gleitring (19) besteht.

6. Kolben nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring (15) bzw. der Grundkörper (17) aus einer Seele (23) aus Fluorsilikonkautschuk (FVMQ) oder vorgespanntem Gas mit einer Ummantelung (25) aus einem Fluorkautschuk (FPM) besteht.

7. Kolben nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen den radial inneren Längsschnittbereich des Kolbenrings (15) einnehmenden Stützring (21).

8. Kolben nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der obe ren Stirnfläche des Kolbenrings (15) und der mit dieser zusammenwirkenden Fläche des Kolbenbodens (3) ein Wärme dämmungsring (27) eingelegt ist.

9. Kolben nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitring (19) aus einem Teflon-Verbundwerkstoff besteht.

10. Kolben nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit ihm zu sammenwirkende Zylinderlauffläche durch eine rauhig keitsvermindernde und festigkeitserhöhende Druckbearbei tung mit gleitendem Werkzeug bis auf eine Rauhtiefe von weniger als 0,3 µm bearbeitet ist.