DE4413324A1 - Piston with single ring groove for IC engine - Google Patents

Piston with single ring groove for IC engine

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Abstract

The piston rings (4,5,6) are separately moveable. At least one ring has several projections (10) on the side facing the other ring/s. This forms ring gaps (9) between neighbouring rings. The projections extend over only part of ring width and ring circumference. They are formed by denting or by Laser build-up welding.A spring ring element (8), esp. corrugated washer, is located in the base (7) of the ring groove (3), to tension the piston rings. The three piston rings are located above each other, and the central ring only is provided with projections.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftma­ schine mit einer einzigen, mehrere übereinanderliegend angeordnete Kolbenringe aufnehmenden Ringnut.The invention relates to a piston of an internal combustion engine machine with a single one, several on top of each other arranged piston ring receiving annular groove.

Wie bekannt dienen die Kolbenringe eines Brennkraftma­ schinen-Kolbens dazu, den Brennraum gegenüber dem Kurbel­ gehäuse abzudichten, den Ölverbrauch der Maschine zu be­ grenzen und Wärme vom Kolben an die Zylinderwand abzulei­ ten. Üblicherweise erfolgt die Abdichtung durch zwei in Serie angeordnete Kompressionsringe, die Regulierung des Ölhaushalts vorzugsweise durch einen meist mehrteiligen Ölabstreifring. Üblicherweise besitzt ein Brennkraftma- Schinen-Kolben zur Aufnahme dieser Ringe eine gleiche An­ zahl von Ringnuten, d. h. für jeden Kolbenring ist eine separate Ringnut vorgesehen. Dabei bestimmt dieses sog. Ringpaket inklusive der zwischen den Ringen liegenden Kolbenabschnitte die sog. Kompressionshöhe des Kolbens, d. h. den Abstand zwischen der Mitte des Kolbenbolzens und der Brennraumseite des Kolbenbodens. Diese Kompres­ sionshöhe soll dabei minimiert werden, um die Bauhöhe einer Brennkraftmaschine zu reduzieren. Gleichzeitig wird angestrebt, die Reibleistungsverluste einer Brennkraftma­ schine herabzusetzen. Daher werden in jüngerer Zeit zu­ nehmend Sog. Zweiring-Kolben oder sogar Einring-Kolben eingesetzt. Diese Kolben mit lediglich zwei oder sogar lediglich einem einzigen Kolbenring sind hinsichtlich der Abdichtung jedoch schlechter als die bislang üblichen Dreiring-Kolben und führen somit nicht nur zu einer ver­ größerten blow-by-Gasmenge, sondern auch zu einem höheren Ölverbrauch der Brennkraftmaschine.As is known, the piston rings serve as an internal combustion engine machine piston, the combustion chamber opposite the crank to seal the housing, the oil consumption of the machine limit and dissipate heat from the piston to the cylinder wall The sealing is usually done by two in Series arranged compression rings, the regulation of the Oil balance preferably by a mostly multi-part Oil control ring. Usually an internal combustion engine Schinen pistons to accommodate these rings have the same type number of ring grooves, d. H. there is one for each piston ring separate ring groove provided. This so-called Ring package including the one between the rings Piston sections the so-called compression height of the piston, d. H. the distance between the center of the piston pin and the combustion chamber side of the piston crown. These compresses height should be minimized to the overall height to reduce an internal combustion engine. At the same time aimed at the friction loss of an internal combustion engine seem to minimize. Therefore, more recently  taking suction. Two ring pistons or even single ring pistons used. These pistons with only two or even are only a single piston ring in terms of Sealing, however, is worse than the usual ones Three-ring pistons and therefore not only lead to a ver larger blow-by gas volume, but also to a higher one Oil consumption of the internal combustion engine.

Die Menge der sog. blow-by-Gase, d. h. die Menge der aus dem Brennraum über die Kolbenringe und insbesondere über den Ringstoß in das Brennkraftmaschinen-Kurbelgehäuse ge­ langenden Gase wird primär durch die sog. Ringspalte be­ stimmt, die durch den Kolben mit den Ringen einerseits und die Zylinderwandung andererseits definiert werden, wobei die Leckgase bei üblichen Brennkraftmaschinen den Gesetzen einer laminaren Strömung folgen. Der Druck der Verbrennungsgase wird dabei in Geschwindigkeit umgewan­ delt, die an einer darauffolgenden Querschnittsvergröße­ rung größtenteils durch Wirbelbildung und Drosselwirkung vernichtet wird. Dabei stellen die Kolbenringe sowie die dazwischenliegenden Ringspalte im Zusammenwirken mit der Zylinderwand eine Labyrinthdichtung dar, deren Teil­ systeme einen stufenweisen Druckabbau bewirken. Die nach Passieren des letzten Kolbenringes verbleibende Druckdif­ ferenz bestimmt die jeweilige Leckmenge, d. h. die Menge der blow-by-Gase. Aufgrund dieser Gesetzmäßigkeiten führt eine Reduzierung der Kolbenringzahl zwangsläufig zu einer verschlechterten Dichtwirkung.The amount of blow-by gases, i.e. H. the amount of out the combustion chamber via the piston rings and in particular via the ring joint in the engine crankcase ge longing gases are primarily caused by the so-called ring gaps true that by the piston with the rings on the one hand and the cylinder wall are defined on the other hand, the leakage gases in conventional internal combustion engines Follow the laws of a laminar flow. The pressure of Combustion gases are converted into speed delt due to a subsequent cross-sectional enlargement largely through vortex formation and throttling is destroyed. The piston rings and the intermediate ring gaps in cooperation with the Cylinder wall represents a labyrinth seal, the part of which systems cause a gradual reduction in pressure. The after Passing the last piston ring remaining pressure difference reference determines the respective amount of leakage, i. H. the amount the blow-by gases. Because of these laws leads a reduction in the number of piston rings inevitably leads to one deteriorated sealing effect.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Maßnahmen aufzuzei­ gen, mit Hilfe derer die Kompressionshöhe eines Kolbens bei Sicherstellung einer hohen Dichtwirkung minimiert werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß der Kolben eine einzige Ringnut besitzt, in der meh­ rere Kolbenringe einzeln bewegbar übereinanderliegend an­ geordnet sind, und daß zumindest einer der Kolbenringe auf seiner dem benachbarten Kolbenring zugewandten Ober­ fläche mehrere Vorsprünge aufweist, um zwischen den auf­ einanderliegenden Kolbenringen einen Ringspalt zu erzeu­ gen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.The object of the invention is therefore to record measures with the help of which the compression height of a piston minimized while ensuring a high sealing effect can be. To solve this problem, that the piston has a single annular groove in which meh Other piston rings can be moved one above the other are ordered, and that at least one of the piston rings  on its upper facing the adjacent piston ring has several protrusions to between the surface piston rings lying opposite each other to produce an annular gap Advantageous training and further education are content of subclaims.

Erfindungsgemäß sind weiterhin mehrere, zumindest zwei Kolbenringe vorgesehen, die über einen weiten Oberflä­ chenbereich voneinander beabstandet gehalten und dabei gegeneinander bewegbar sind, so daß eine wirkungsvolle Labyrinthdichtung gebildet ist. Erfindungsgemäß sind diese Kolbenringe jedoch in einer einzigen Ringnut ange­ ordnet, was die Kompressionshöhe des Kolbens deutlich re­ duziert. Zwar ist aus der DE-OS 15 25 920 bereits ein Kolben mit einer einzigen Ringnut bekannt, in der über­ einanderliegend mehrere Kolbenringe angeordnet sind, je­ doch ist zwischen diesen Kolbenringen beim bekannten Stand der Technik kein Ringspalt vorgesehen, so daß eine wirkungsvolle Labyrinth-Dichtung hierbei nicht vorliegt. Demgegenüber sind bei der vorliegenden Erfindung Maßnah­ men vorgesehen, die sicherstellen, daß zwischen den auf­ einanderliegenden Kolbenringen ein Ringspalt erzeugt wird, um eine optimale Labyrinth-Dichtwirkung zu gewähr­ leisten. Um diesen Ringspalt zu erzeugen, bzw. um einan­ der benachbarte Kolbenringe über weiten Oberflächenberei­ chen voneinander beabstandet zu halten, weist erfindungs­ gemäß zumindest einer der Kolbenringe auf seiner dem be­ nachbarten Kolbenring zugewandten Oberfläche mehrere Vor­ sprünge auf. Die Höhe dieser Vorsprünge bestimmt dabei die Dicke des Ringspaltes zwischen den einander benach­ barten Kolbenringen.According to the invention there are also several, at least two Piston rings are provided, which have a wide surface chenbereich held apart from each other and thereby are movable against each other, so that an effective Labyrinth seal is formed. According to the invention these piston rings, however, in a single annular groove arranges what the compression height of the piston clearly re induced. DE-OS 15 25 920 is already a Piston known with a single annular groove in the over several piston rings are arranged one above the other, each but is between these piston rings in the known State of the art no annular gap is provided, so that a there is no effective labyrinth seal. In contrast, measures are taken in the present invention Men provided to ensure that between the on piston rings lying opposite each other creates an annular gap to ensure an optimal labyrinth sealing effect Afford. To create this annular gap, or to one another the neighboring piston rings over a wide surface area Chen to keep apart from each other, fiction according to at least one of the piston rings on its the be neighboring piston ring facing surface several before jump on. The height of these projections determines the thickness of the annular gap between the neighbors beard piston rings.

Da zur Erzielung einer verbesserten Labyrinthdichtung die in der einzigen Ringnut vorgesehenen Kolbenringe einzeln bewegbar sind, unterscheidet sich die vorliegende Erfin­ dung auch wesentlich von dem aus der DE 30 38 340 C2 be­ kannten Stand der Technik, bei dem die mehreren in einer Ringnut vorgesehenen Kolbenringe stoffschlüssig miteinan­ der verbunden sind. Weiterhin ist aus der DE 40 20 399 A1 eine Kolbenringanordnung mit zwei Kolbenringen in einer Ringnut bekannt geworden, bei der die Kolbenringe jedoch nicht über weite Oberflächenbereiche voneinander beab­ standet sind und somit nicht die erfindungsgemäß vorgese­ hene Labyrinthdichtung bilden können. In diesem Zusammen­ hang soll ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß auch die aus der EP-0 069 175 A1 bekannte Kolbenringan­ ordnung vollständig verschieden ist von einem erfindungs­ gemäßen Kolben, da der vorbekannte Kolben wieder mehrere Ringnuten mit mehreren Kolbenringen aufweist.Since the to achieve an improved labyrinth seal piston rings provided individually in the single ring groove are movable, the present inven differs tion also significantly from that of DE 30 38 340 C2  knew the prior art, in which the several in one Piston rings provided ring groove cohesively who are connected. Furthermore, from DE 40 20 399 A1 a piston ring arrangement with two piston rings in one Ring groove became known, but in the case of the piston rings do not differ from each other over large surface areas are standing and therefore not the vorese according to the invention hene labyrinth seal can form. In this together hang should expressly point out that also the piston ring known from EP-0 069 175 A1 order is completely different from an invention appropriate piston, since the known piston again several Has ring grooves with several piston rings.

Bevorzugt werden die sich nur über einen Teil der Ring­ breite sowie über einen Bruchteil des Ringumfanges er­ streckenden Vorsprünge entweder durch örtliches Ausbuch­ ten, d. h. spanloses Umformen des Kolbenringes oder durch Laser-Auftragsschweißen erzeugt. Das letztgenannte ener­ giearme Auftragsschweißen läßt sich optimal in den Ferti­ gungsablauf für einen Kolbenring einfügen ohne daß dieser dabei verformt wird. So ist es möglich, den Kolbenring vor dem Auftragsschweißen zu Schleifen. Dabei können an zwei einander benachbarten Kolbenringen an deren beiden einander zugewandten Oberflächen im wesentlichen im glei­ chen Ringradiusbereich Vorsprünge vorgesehen sein, um zu verhindern, daß sich diese beiden Kolbenringe übermäßig gegeneinander verdrehen, und insbesondere um zu verhin­ dern, daß die beiden Ringstöße dieser beiden Kolbenringe übereinander zum Liegen kommen. Diese Maßnahme dient so mit der Verbesserung der Dichtwirkung. Gleichzeitig kann mit dieser Maßnahme verhindert werden, daß sich der Vor­ sprung des einen Kolbenringes im Ringstoß des anderen Kolbenringes verhakt. Es muß lediglich dafür Sorge getra­ gen werden, daß sich diese beiden Kolbenringe nur über einen gewissen Winkelbereich gegeneinander verdrehen kön­ nen.They are preferred only over part of the ring wide and over a fraction of the circumference of the ring stretching tabs either by local deregistration ten, d. H. chipless forming of the piston ring or by Laser cladding generated. The latter ener Low-iron build-up welding can be optimally carried out in the production Insert sequence for a piston ring without this is deformed. So it is possible the piston ring grinding before cladding. Doing so two adjacent piston rings on their two mutually facing surfaces essentially the same Chen ring radius area projections may be provided to prevent these two piston rings from becoming excessive twist against each other, and especially to prevent that the two ring joints of these two piston rings to lie on top of each other. This measure serves this way with the improvement of the sealing effect. At the same time This measure prevents the pre jump of one piston ring in the ring joint of the other Piston ring hooked. It only has to be taken care of conditions that these two piston rings only over  can rotate a certain angular range against each other nen.

Auch ein im Grund der Ringnut angeordnetes, insbesondere als Wellfeder ausgebildetes Ringfederelement kann verhin­ dern, daß sich die einzelnen Kolbenringe in der Ringnut gegeneinander verdrehen. Dabei kann dieses Ringfederele­ ment zugleich die Kolbenringe gegen die Zylinderlaufbahn verspannen. Daneben können die Kolbenringe selbstver­ ständlich auch selbstspannend ausgeführt sein.Also arranged in the base of the annular groove, in particular annular spring element designed as a corrugated spring can prevent change that the individual piston rings in the ring groove twist against each other. This can ring spring ment also the piston rings against the cylinder liner tense. In addition, the piston rings can ver also be self-tightening.

Zur Erzielung einer heute bereits üblichen Dichtwirkung bei deutlich reduzierter Kolben-Kompressionshöhe werden bevorzugt drei Kolbenringe in der einzigen Ringnut ange­ ordnet. Dabei kann lediglich der mittlere Kolbenring, dann jedoch beidseitig mit Vorsprüngen versehen sein, während der obere und untere Kolbenring wie üblich ausge­ bildet sein können. Insbesondere kann es sich beim unte­ ren Kolbenring dabei um einen üblichen Ölabstreifring handeln.To achieve a sealing effect that is already common today with a significantly reduced piston compression height preferably three piston rings in the single annular groove arranges. Only the middle piston ring, but then be provided with projections on both sides, while the upper and lower piston rings out as usual forms can be. In particular, the bottom Ren piston ring around a common oil scraper ring act.

Die beigefügte Prinzipskizze zeigt ein bevorzugtes Aus­ führungsbeispiel der Erfindung. In dieser Skizze ist mit der Bezugsziffer 1 die Wand eines Brennkraftmaschinen-Zy­ linders bezeichnet, in dem ein lediglich in einem Teil­ schnitt dargestellter Kolben 2 wie üblich geführt ist. Dieser Kolben 2 besitzt eine einzige Ringnut 3, in der drei Kolbenringe 4, 5, 6 übereinanderliegend angeordnet sind. Zusätzlich ist im Grund 7 der Ringnut 3 ein insbe­ sondere als Wellfeder ausgebildetes Ringfederelement 8 angeordnet.The attached schematic shows a preferred exemplary embodiment of the invention. In this sketch, the reference numeral 1 denotes the wall of an internal combustion engine cylinder, in which a piston 2 , which is only shown in part, is guided as usual. This piston 2 has a single annular groove 3 , in which three piston rings 4 , 5 , 6 are arranged one above the other. In addition, in the base 7 of the annular groove 3, a special annular spring element 8, which is designed in particular as a corrugated spring, is arranged.

Die Kolbenringe 4, 5, 6 sind voneinander auf Distanz ge­ halten, so daß zwischen den einander benachbarten Kolben­ ringen 4, 5 bzw. 5, 6 jeweils ein Ringspalt 9 entsteht. Erzeugt wird dieser Ringspalt 9 durch sog. Vorsprünge 10, die auf der Oberfläche 5′ des Kolbenringes 5 sowie auf der Oberfläche 6′ des Kolbenringes 6 vorgesehen sind. Da­ bei sind über dem Umfang des jeweiligen Kolbenringes 5, 6 verteilt mehrere derartige Vorsprünge 10 vorgesehen. Wie oben beschrieben ist es auch möglich, den Kolbenring 5 zusätzlich auf seiner dem Kolbenring 6 zugewandten Ober­ fläche 5′′ mit Vorsprüngen 10 auszustatten, dann sollten jedoch diese Vorsprünge 10 im wesentlichen im gleichen Ringradiusbereich R vorgesehen sein.The piston rings 4, 5, 6 are ge hold each other at a distance, so that rings between the adjacent pistons 4, 5 or 5, 6 respectively, an annular gap 9 is formed. This annular gap 9 is produced by so-called projections 10 , which are provided on the surface 5 'of the piston ring 5 and on the surface 6 ' of the piston ring 6 . Since there are several such projections 10 distributed over the circumference of the respective piston ring 5 , 6 . As described above, it is also possible to additionally equip the piston ring 5 on its upper surface 5 'facing the piston ring 6 ' with projections 10 , but then these projections 10 should be provided essentially in the same ring radius area R.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Ringbreite B 4,2 mm, während die Breite b der Vorsprünge 10 ca. 1 mm mißt. Die Ringdicke D beträgt wie üblich ca. 0,6 mm, die Höhe der Vorsprünge bzw. das Ringspaltmaß s beträgt dann 0,2 mm. Jedoch kann dies sowie weitere De­ tails insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.In a preferred embodiment, the ring width B is 4.2 mm, while the width b of the projections 10 measures approximately 1 mm. As usual, the ring thickness D is approximately 0.6 mm, the height of the projections or the annular gap dimension s is then 0.2 mm. However, this and other de tails, in particular of a constructive type, can be designed quite differently from the exemplary embodiment shown, without departing from the content of the claims.

Claims (6)

1. Kolben einer Brennkraftmaschine mit einer einzigen, mehrere übereinanderliegend angeordnete Kolbenringe (4, 5, 6) aufnehmenden Ringnut (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenringe (4, 5, 6) einzeln bewegbar sind und daß zumindest einer der Kolbenringe (5, 6) auf seiner dem benachbarten Kol­ benring (4, 5) zugewandten Oberfläche (5′, 6′) meh­ rere Vorsprünge (10) aufweist, um zwischen den auf­ einanderliegenden Kolbenringen (4, 5, 6) einen Ringspalt (9) zu erzeugen.1. Piston of an internal combustion engine with a single, several superposed piston rings ( 4 , 5 , 6 ) receiving annular groove ( 3 ), characterized in that the piston rings ( 4 , 5 , 6 ) are individually movable and that at least one of the piston rings ( 5 , 6 ) on its adjacent Kol benring ( 4 , 5 ) facing surface ( 5 ', 6 ') has several projections ( 10 ) in order to form an annular gap ( 9 ) between the piston rings ( 4 , 5 , 6 ) lying on top of each other produce. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich nur über einen Teil (b) der Ringbreite (B) sowie über einen Bruch­ teil des Ringumfanges erstreckenden Vorsprünge (10) durch Ausbuchten oder durch Laser-Auftragsschweißen erzeugt sind.2. Piston according to claim 1, characterized in that the projections ( 10 ) extending only over part (b) of the ring width (B) and over a fraction of the ring circumference are produced by bulging or by laser cladding. 3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Grund (7) der Ringnut (3) ein die Kolbenringe (4, 5, 6) Spannendes, insbe­ sondere als Wellfeder ausgebildetes Ringfederelement (8) angeordnet ist. 3. Piston according to claim 1 or 2, characterized in that in the base ( 7 ) of the annular groove ( 3 ) a the piston rings ( 4 , 5 , 6 ) exciting, in particular designed as a wave spring ring spring element ( 8 ) is arranged. 4. Kolben nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden einander zugewandten Oberflächen (5′′, 6′) benachbarter Kol­ benringe (5, 6) im wesentlichen im gleichen Ring­ radiusbereich (R) Vorsprünge (10) vorgesehen sind.4. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that on the two mutually facing surfaces ( 5 '', 6 ') adjacent Kol benrings ( 5 , 6 ) in the same ring radius area (R) projections ( 10 ) are provided . 5. Kolben nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß drei übereinanderliegend angeordnete Kolbenringe (4, 5, 6) vorgesehen sind.5. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that three piston rings ( 4 , 5 , 6 ) arranged one above the other are provided. 6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur der mittlere Kolben­ ring (5) Vorsprünge (10) aufweist und zwar an beiden Oberflächen (5′, 5′′).6. Piston according to claim 5, characterized in that only the central piston ring ( 5 ) has projections ( 10 ) on both surfaces ( 5 ', 5 '').
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