DE4331324C2

DE4331324C2 - Kolbenring-System

Info

Publication number: DE4331324C2
Application number: DE4331324A
Authority: DE
Inventors: Jordan Dipl Ing Gentscheff; Georg Dipl Ing Wachtmeister
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 1993-09-15
Filing date: 1993-09-15
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2013-09-16
Also published as: DE4331324A1; ITRM940473A0; GB2282431B; ITRM940473A1; GB9418167D0; IT1272333B; GB2282431A

Description

Die Erfindung betrifft ein Kolbenring-System für einen Kolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche aus mehreren Verdichtungsringen gebildeten Kolbenring-Systeme, die außerdem normalerweise noch wenigstens einen auf der Seite des Kurbelgehäuses anschließenden Ölabstreifring umfassen, sind seit langem, beispielsweise aus der DE 39 24 982 A1 bekannt. Die Verdichtungsringe sollen in erster Linie den Zylinderraum abdichten, aber sie beeinflussen auch die an der Zylinderwand verbleibende Ölmenge und damit die Reibungsverhältnisse für den Kolben und die Ringe selbst. Wegen der Querbewegung des Kolbens müssen die Ringe in der Nut beweglich sein. Deshalb ist die Bauhöhe der Kolbenringe geringer als die der Nuten. Um befriedigende Schmierbedingungen an den Flankenauflagen zu erhalten, ist eine Axialbewegung der Kolbenringe innerhalb des Ringnutspiels erforderlich, damit Öl zwischen den Ringflanken und den Nutflanken eindringen kann. Eine axiale Bewegung wird entsprechend der an den Kolbenringen in Achsrichtung angreifenden Kräfte ausgelöst, wobei sich die Ringe entweder an der oberen oder unteren Nutflanke anlegen können. Um die hohe Belastung vom obersten Verdichtungsring zu nehmen, ist es wichtig, die zwischen Arbeitsraum und Kurbelgehäuse bestehende Druckdifferenz in gleichmäßiger Abstufung auf die zwischen den Verdichtungsringen vorhandenen Ringräumen zu verteilen.

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 (in axialer Richtung), die aus der Masse der Ringe und der Kolbenbeschleunigung resultierende Massenkraft (in axialer Richtung) und die aus Ringvorspannung und der zusätzlich auf die Rückseite der Ringe wirkende Gaskraft (in radialer Richtung) in Verbindung mit dem Reibungskoeffizienten durch die Zylinderwand ausgeübten Reibungskräfte (in axialer Richtung).

Von diesen Bewegungsmöglichkeiten der Kolbenringe hat die ungestörte axiale Bewegung, also der Anlagenwechsel von einer Nutflanke zur anderen den größten Einfluß auf die Funktionstüchtigkeit des Kolbenring-Systems.

Da die spezifische Leistung, der maximale Zünddruck und der Ladedruck moderner Brennkraftmaschinen immer höher werden, stellen die Gaskräfte den wesentlichen Einflußfaktor auf das axiale Bewegungsverhalten der Kolbenringe dar. Denn bei höher werdenden Druckniveau im Arbeitsraum der Brennkraftmaschine wird es immer schwieriger die Ringkammern zwischen den einzelnen Verdichtungsringen rechtzeitig so zu entlasten, daß die Druckdifferenz ihr Vorzeichen umkehrt, um im Kompressionstakt des Kolbens einen ordnungsgemäßen Anlagenwechsel der Kolbenringe von unterer zur oberen Nutflanke möglich zu machen. Der rechtzeitige Flankenwechsel der Kolbenringe wird immer stärker behindert und die Gefahr des "Totliegens" der Kolbenringe wächst.

Auch die DE 34 28 007 A1 zeigt ein gattungsbildendes Kolbenring-System, bei dem aber der zum Triebwerksraum hin unterste Kompressionsring einen gasdichten Stoß besitzt und der oberste Verdichtungsring eine verkleinerte Auflagefläche der unteren Ringflanke aufweist.

Die DE 25 03 984 A1 zeigt ein Kolbenring-System, bei dem eine verringerte Auflagefläche eines Kolbenringes dadurch bedingt ist, daß eine relative Dreh- bzw. Schwenkbewegung zwischen dem Kolben und dem Kolbenring möglich sein soll, so daß die Kontaktfläche des Kolbenringes in Bezug auf die Zylinderwand während des Maschinenlaufs sich nicht verändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits ein gut dichtendes Kolbenring- System der genannten Art zu schaffen, das andererseits auch bei immer höher werdendem Druckniveau im Arbeitsraum, einen rechtzeitigen Flankenwechsel der Kolbenringe sicherstellt, so daß die Belastung des ersten Verdichtungsringes nicht zu groß wird, und bei dem in Richtung Kurbelgehäuse das Druckgefälle verringert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß zumindest bei einem Teil der Verdichtungsringe, bezogen auf die gesamte kurbelgehäuseseitige untere Ringflanke, nacheinander folgend eine verkleinerte Auflagefläche der unteren Ringflanke auf der unteren Nutflanke vorgesehen ist, in der Weise, daß eine Stufe ausgebildet ist, die einerseits als Auflagefläche und andererseits zur räumlichen Begrenzung eines Zwischenraumes zur Gasaufnahme unterhalb der unteren Ringflanke bei Aufliegen des Ringes auf der unteren Nutflanke dient, die radialen Weiten s_i einer jeden Stufe mindestens die Hälfte der radialen Weite S einer unteren Ringflanke beträgt, kann nun das den Gasdruck auf die obere Ringfläche verursachende Medium bei den betreffenden Verdichtungsringen teilweise unter die untere Ringflanke gelangen, so daß die Druckdifferenz zwischen zwei von einem solchen Ring getrennten Ringräumen sich soweit verringert, bzw. das Vorzeichen wechselt, daß der durch den vom Ringstoß bedingte Leckverlust verursachte Ringraumdruck einen Flankenwechsel der Kolbenringe ermöglichen kann.

Um andererseits eine gute Dichtwirkung des Systems der Verdichtungsringe zu gewährleisten und um das Druckgefälle in Richtung des Kurbelgehäuses gezielt zu vermindern, sind zusätzlich die Verdichtungsringe mit in Richtung des Kurbelgehäuses von Ring zu Ring enger werdenden Ringstößen, also mit einer dosierten "Undichtheit", ausgebildet.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Nachstehend sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erklärt. Es zeigt schematisch:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Kolben-Zylinderanordnung in Höhe eines ersten erfindungsgemäßen Kolbenring-Systems im Expansionstakt mit drei Verdichtungsringen,

Fig. 2 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Kolbenring-Systems gemäß Fig. 1 mit vier Verdichtungsringen,

Fig. 3 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbenring-Systems gemäß Fig. 1 mit Stufen unterschiedlicher radialer Weite,

Fig. 4 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbenring-Systems gemäß Fig. 1, bei dem alle Verdichtungsringe eine Stufe aufweisen,

Fig. 5 eine Ansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Kolbenring- Systems im Expansionstakt mit drei Verdichtungsringen, bei dem alle unteren Nutflanken der Ringnuten des Kolbens eine Stufe aufweisen.

In den Fig. 1 bis 5 ist mit 1 ein Kolben und mit 2 ein Zylinder einer nicht näher dargestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet. In Fig. 1 wird ein zwischen der Seitenwand des Kolbens 1 und des Zylinders 2 befindlicher Ringspalt 4 durch drei Verdichtungsringe 5, 6, 7, in Fig. 2 durch 4 Verdichtungsringe 5, 6, 7, 8 abgedichtet. Dies soll verdeutlichen, daß je mehr Verdichtungsringe verwendet werden, umso besser, das Kolbenring-System funktioniert, da die Leckverluste in Richtung des Kurbelgehäuses von Ring zu Ring kleiner werden.

Der Kolben 1 weist entsprechend der Zahl der verwendeten Kolbenringe eine Anzahl von eingearbeiteten Ringnuten 9, 10, 11, 12; 25, 26, 27 auf, die von je einer oberen und einer unteren Nutflanke axial begrenzt sind.

Die Verdichtungsringe 5, 6, 7, 8 (Fig. 1 und 2), 13, 14, 15 (Fig. 3) und 17, 18, 19 (Fig. 4) und 30, 31, 32 (Fig. 5) sind in die Ringnuten 9, 10, 11 und ggf. 12, sowie 25, 26, 27 mit axialem Spiel eingesetzt und durch je eine obere und eine untere Ringflanke begrenzt.

In Fig. 1 und 2 weisen mit Ausnahme des ersten Verdichtungsringes 5 alle weiteren Verdichtungsringe 6, 7 und 8 an der unteren Ringfläche mit der radialen Weite S je eine Stufe 20 mit gleicher radialer Weite s₁, die selbstverständlich kleiner als die gesamte radiale Weite S der unteren Ringflanke ist, auf. Damit ist die Auflagefläche der betreffenden Verdichtungsringe 6, 7 und 8 zur jeweils unteren Nutflanke verkleinert ihre radiale Weite ist um den Betrag S - s₁ verringert.

Des weiteren sind in allen Ausführungsbeispielen die Verdichtungsringe 5, 6, 7, 8; 13, 14, 15; 17, 18, 19; 25, 26, 27 geschlitzt, also mit Ringstößen versehen, die in Richtung des Kurbelgehäuses von Ring zu Ring enger werden. Ein Durchströmen von Abgasen aus dem Arbeitsraum in das Kurbelgehäuse ist damit trotz dosierter Leckverluste weitestgehend unterbunden und das Druckgefälle in Richtung Kurbelgehäuse von Ringraum zu Ringraum dosierbar.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist die Größe der Stufen 21, 22 des zweiten und dritten Verdichtungsringes 14, 15, also der Betrag der radialen Weite s_i mit _i = 2, 3, variiert.

Damit kann der Betrag der wirkenden Gas- und Massenkräfte ganz gezielt beeinflußt werden. Zum Beispiel kann die wirkende Gas- und damit Massenkraft für jeden Verdichtungsring 14, 15 an die Beschleunigung- bzw. Umdrehungszahl des Kolbens 1 angepaßt werden.

In Fig. 4 ist ein Kolbenring-System gezeigt, bei dem als vorteilhafte Maßnahme alle Verdichtungsringe 17, 18, 19, einschließlich des ersten Verdichtungsringes 17, an ihren unteren Ringflanken eine Stufe 23 aufweisen. Dies hat eine weitere verschleißmindernde Wirkung auf den ersten Kolbenring 17 zur Folge. Denn die maximale Pressung des obersten Kolbenrings 17 auf die Zylinderwand im sogenannten Zwickelbereich ist im wesentlichen proportional zur radialen Kolbenreibkraft an der unteren Ringflanke dieses obersten Kolbenringe 17. Da die Auflagefläche verkleinert ist, verringert sich somit auch die Reibkraft und der Verschleiß.

Des weiteren haben Versuche gezeigt, daß vorzugsweise die radialen Weiten s_i, mit _i = 1, 2, 3 . . . einer Stufe 20, 21, 22 oder 23 mindestens die Hälfte der radialen Weite S einer unteren Ringflanke betragen sollte.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Kolbenring-System, bei dem alle Ringnuten 25, 26, 27 für die Verdichtungsringe 30, 31, 32 an ihren unteren Nutflanken eine Stufe 33 aufweisen, die einerseits die Auflagefläche für die Ringe 30, 31, 32 liefert und andererseits zur räumlichen Begrenzung eines Zwischenraumes 34 zur Gasaufnahme unterhalb der unteren Ringflanke bei Aufliegen des Ringes 30, 31, 32 auf der unteren Nutflanke dient.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 5 gilt, daß je mehr Verdichtungsringe verwendet werden, umso besser das Kolbenring-System funktioniert. Die Größe der Stufen von Ringnut zu Ringnut gemäß den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 bis 4 gleichbleiben oder variieren können. Auch hier sollten die radialen Weiten der Stufen 33 mit dem Ringspalt 4 mindestens die Hälfte der radialen Weite der unteren Ringflanke betragen.

Claims

1. Kolbenring-System für einen Kolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mehreren in diesen Kolben eingearbeiteten Ringnuten, die von je einer oberen und einer unteren Nutflanke axial begrenzt sind, bei dem die Verdichtungsringe in die Ringnuten mit axialem Spiel eingesetzt, durch eine obere und untere Ringflanke begrenzt sind und je einen Ringstoß aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens einen Teil der Verdichtungsringe (5, 6, 7, 8; 13, 14, 15; 17, 18, 19; 30, 31, 32) bezogen auf die gesamte kurbelgehäuseseitige Ringflanke, nacheinander folgend eine verkleinerte Auflagenfläche der unteren Ringflanke auf der unteren Nutflanke vorgesehen ist, in der Weise, daß eine Stufe (20, 21, 22, 23, 33) ausgebildet ist, die einerseits als Auflagefläche und andererseits zur raumlichen Begrenzung eines Zwischenraumes (34, 35) zur Gasaufnahme unterhalb der unteren Ringflanke bei Aufliegen auf der unteren Nutflanke dient, die radialen Weiten s_i einer jeden Stufe (20, 21,,22, 23, 33) mindestens die Hälfte der radialen Weite S einer unteren Ringflanke beträgt, und daß die Verdichtungsringe (5, 6, 7, 8; 13, 14, 15; 17, 18, 19; 30, 31, 32) mit in Richtung des Kurbelgehäuses von Ring zu Ring enger werdenden Ringstößen ausgebildet sind.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Verdichtungsringe (5, 6, 7, 8; 13, 14, 15; 17, 18, 19) an der unteren Ringflanke mit der radialen Weite S je eine Stufe (20; 21, 22; 23) mit einer radialen Weite s_i (_i = 1, 2, 3 . . .) aufweisen, so daß jeweils die Auflagefläche zur unteren Nutflanke, bezogen auf die gesamte kurbelgehäuseseitige Fläche mit der radialen Weite S, verkleinert ist.

3. Kolbenring-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Ringnuten (25, 26, 27) für die Verdichtungsringe (30, 31, 32) an ihren unteren Nutflanken eine Stufe (33) aufweisen, die einerseits als Auflagefläche für die Ringe (30, 31, 32) und andererseits zur räumlichen Begrenzung eines Zwischenraumes (34) zur Gasaufnahme unterhalb der unteren Ringflanke bei Aufliegen des Ringes (30, 31, 32) auf der unteren Nutflanke dient.

4. Kolbenring-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Verdichtungsringe (17, 18, 19) eine Stufe (23) an der unteren Ringflanke aufweisen (Fig. 4).

5. Kolbenring-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ringnuten (25, 26, 27) eine Stufe (33) an der unteren Nutflanke aufweisen.

6. Kolbenring-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stufen (20, 23, 33) gleich groß sind.

7. Kolbenring-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen (21, 22) an den unteren Ringflanken der verschiedenen Verdichtungsringe (14, 15) unterschiedliche radiale Weiten (s₂ oder s₃ oder . . .) aufweisen und so den jeweiligen Druckverhaltnissen in den einzelnen Ringkammern angepaßt sind (Fig. 3).

8. Kolbenring-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen (33) an den unteren Nutflanken der verschiedenen Ringnuten (25, 26, 27) unterschiedliche radiale Weiten aufweisen.