DE565853C - Kolbenabdichtung fuer Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Bei der üblichen Abdichtung der Kolben von Brennkraftmaschinen mittels in Kolbennuten eingelegter, an einer Umfangsstelle aufgeschnittener Ringe besteht der Übelstand, daß die Kraft, mit der die Ringe gegen die Zylinderwand angedrückt werden, in ihrer Größe sehr begrenzt ist und zudem längs des Ringumfanges starke Verschiedenheiten aufweist, was die Dichtungswirkung solcher Ringe beeinträchtigt und zudem ihr Festsetzen in den Kolbennuten begünstigt.

Nach der Erfindung soll zur Abdichtung des

Kolbens gegen den Zylinder ein geschlossener, an allen Umfangsstellen denselben Querschnitt aufweisender Ring benutzt werden, weil ein solcher infolge der über den ganzen Umfang völlig gleichmäßigen Baustoffverteilung auch ein überall gleichmäßiges Anliegen an die Zylinderwand am sichersten erwarten läßt.

Es ist bekannt, in sich geschlossene Ringe

ao aus verschleißfestem Baustoff an Leichtmetallkolben als Trag- oder Führungsringe anzubringen, um den eigentlichen Kolbenmantel vor Abnutzung zu schützen. Die Abdichtung dieser Kolben erfolgt durch Dichtungsringe üblicher Art, die dem Brennraum näher liegen als die mit dem Kolben durch Eingießen oder Annieten starr verbundenen Führungsringe, so daß letztere zur Abdichtung nichts oder höchstens ganz unwesentlich beitragen.

Die Verwendung in sich geschlossener Ringe als Dichtungsringe ist bei Kolben für Kompressoren, Luftpumpen, Bremsen u. dgl. bekannt. Das Andrücken des Ringes an die Zylinderwand erfolgt hierbei durch einen besonderen, am Rande konisch gestalteten, gegen die äußere Ringkante sich anlegenden und gegenüber dem Kolben unter Federdruck axial verschieblichen Deckel. Eine solche Einrichtung wäre für Brennkraftmaschinen unbrauchbar, weil der Deckel den Wärmeeinwirkungen der im Brennraum eingeschlossenen heißen Gase nicht standhalten würde. Verzichtet man aber auf dieses besondere Andrücken des Ringes an die Zylinderwand mittels des genannten Deckels, so besteht gegen die Verwendung eines solchen in sich geschlossenen Ringes das Bedenken, daß es infolge der unvermeidlichen Schwankungen des Wärmezustandes der Maschine und der daraus folgenden Änderungen der Wärmedehnung des Ringes nicht möglich sei, seine Einpassung in den Zylinder so vorzunehmen, daß er sich dem Zylinder immer richtig anschmiegt, daß er also nicht etwa abwechselnd bald zuviel Spiel aufweist und deshalb nicht dichtet, bald sich so stark ausdehnt, daß er klemmt.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, das Spiel zwischen Ring und Zylinderwand (die Anschmiegung des Ringes) so zu regeln, daß auch bei wechselndem Wärmezustand der Maschine einerseits die Abdichtungswirkung gewahrt bleibt, andererseits ein Klemmen des Ringes vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird eine selbsttätige Regelung der Ringanschmiegung mittels eines vom Ring zur Zylinderwand übergehenden Wärmeflusses herbeigeführt. Ein solcher Wärmefluß kann erzeugt werden, indem der Ring in den Kolbenkörper in Brennraumnähe so eingebaut

wird, daß er im Betriebe durch die im Brennraum eingeschlossenen heißen Gase entweder unmittelbar (durch Berührung) oder mittelbar (durch Wärmeübergang vom heißen Kolben auf den Ring) stark beheizt wird. Es entsteht so ein Temperaturgefälle zwischen dem geheizten Ring und der von außen her gekühlten Zylinderwand, welches den beabsichtigten Wärmefluß zur Folge hat.

Gegenüber dem Kolben ist der Ring in radialer Richtung verschieblich, so daß er vom Kolben in seiner Wärmedehnung nicht gehindert wird. Die Einpassung des Ringes in den Zylinder erfolgt so, daß in kaltem Zustande ein bestimmtes geringes Spiel zwischen Ring und Zylinder vorhanden ist.

Bei der Inbetriebnahme der Maschine ist der Wärmeübergangswiderstand vom Ring zum Zylinder infolge dieses Spiels noch groß, der Ring heizt sich demzufolge durch die Wärme der Brenngase rasch auf und dehnt sich dabei. aus; dabei wird der Abstand zwischen Ring und Zylinderwand und demzufolge auch der Wärmeübergangswiderstand immer kleiner. Der Wärmefluß vom Ring zur Zylinderwand nimmt deshalb immer mehr zu, bis sich schließlich bei einer bestimmten Ringtemperatur ein Gleichgewichtszustand einstellt, bei dem die vom Ring aufgenommene und die von ihm abgegebene Wärmemenge gleich sind. Ein solcher Gleichgewichtszustand tritt hierbei immer ein, gleichgültig, ob der Motor schwach oder stark belastet ist, nur ergibt sich bei starker Belastung, entsprechend der größeren Wärmeentwicklung im 5 Zylinder, au ch ein stärkerer Wärmefluß vom Ring zum Zylinder als bei schwacher Belastung. Diese Verschiedenheit des Wärmeabflusses aus dem Ring wirkt aber ausgleichend auf dessen Temperatur, die sich deshalb auch bei starken Schwankungen der Motorbelastung nur verhältnismäßig wenig ändert. Demzufolge ist auch die Wärmedehnung des Ringes nur geringenÄnderungen unterworfen, und es wird demnach bei entsprechender Bemessung des Anfangsspiels ein sicheres Abdichten ohne Gefahr des Klemmens bei allen Belastungsgraden erreicht.

Da der Zylinder (namentlich bei Luftkühlung) in Totraumnähe heißer wird als an den vom Totraum weiter abgelegenen Stellen, so wird auch die durch Wärmedehnung verursachte Vergrößerung seines Innendurchmessers in Totraumnähe am größten. Damit nun der geschlossene, also hinsichtlich der Größe seines Umfanges wenig nachgiebige Kolbenring während des Kolbenhinundherganges an allen Stellen des Zylinders möglichst gleichmäßig anliegt, d. h. weder klemmt noch zu großes Spiel hat, ist es zweckmäßig, den Zylinder in bekannter Weise so auszuführen, daß er in kaltem Zustande in Totraumnähe einen etwas kleineren Innendurchmesser hat als an den vom Totraum weiter abgelegenen Stellen, derart, daß sich bei dem im Betrieb herrschenden Wärmezustand an allen Stellen der Kolbenlaufbahn möglichst genau gleiche Durchmesser ergeben.

■ Der Ring wird zweckmäßig so gestaltet, daß seine Dicke (Abmessung quer zur Kolbenachse) klein ist im Verhältnis zu seinem Durchmesser. Eine solche Gestaltung ergibt verschiedene Vorteile. Zunächst ist das Temperaturgefälle im Ring von seiner die Wärme aufnehmenden Innenseite zu seiner die Wärme an die Zylinderwand abgebenden Außenseite klein, der Ring wird also an keiner Stelle übermäßig heiß. Vor allem ergibt ein solcher verhältnismäßig dünner Ring auch dann noch eine gute Abdichtung, wenn der Zylinderquerschnitt von der genauen Kreisform etwas abweicht, also z. B. infolge ungleicher Temperaturverteilung, ungleicher Abnutzung 0. dgl, etwas oval ist, weil der dünne, verhältnismäßig gut biegsame Ring durch das bei seiner Erwärmung in ihm wirksame Ausdehnungsbestreben auch in diese nicht genau kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Teile derZylinderhöhlungsohineingespritztwird, daß er sich auch diesen Teilen gut anschmiegt. Vorteilhaft ist es, den Ring aus einem Werkstoff mit kleinem Elastizitätsmodul herzustellen, weil der Ring dann einem Zusammenpressen, das beispielsweise durch längs des Kolbenweges auftretende Ungleichheiten des inneren Zylinderumfanges verursacht sein kann, geringeren Widerstand entgegensetzt, so daß in solchem Falle die Reibung zwischen Ring und Zylinderwand und demzufolge auch die Abnutzung kleiner bleiben als bei einem Ringbaustoff mit großem Elastizitätsmodul.

Ferner ist die Herstellung des Ringes aus einem Baustoff mit geringer Wärmeausdehnung zweckmäßig, weil die Umf angslänge eines solchen Ringes und mithin auch dessen Anschmiegung an die Zylinderwand sich in besonders geringem Maße ändert,' wenn die Ringtemperatur, die ja in gewissem Grade von der Belastung der Maschine abhängt, Änderungen erfährt. Vorzugsweise kann Perlitgußeisen zur Herstellung des Ringes Verwendung finden.

In der Regel genügt schon ein einziger Ring der neuen Bauart zur Abdichtung des Kolbens, es können aber auch mehrere derartige Ringe hintereinander vorgesehen sein.

Die Zeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung, und zwar im Schnitt längs der Zylinderachse.

Bei dem Beispiel nach Abb. 1 ist an dem dem Totraum ι des Zylinders 2 zugekehrten Ende des Kolbens 3 eine Vertiefung 4 ausgespart; in diese Vertiefung ist derin sich geschlossene Ring 5 ■ eingelegt. Dieser Ring ist, quer zur Achse gemessen, verhältnismäßig dünn; er wird in seiner Lage durch eine ihn übergreifende, am Kolbenboden 6 befestigte Platte 7 gehalten. Die von der

Platte 7 und der Kolbenvertiefung 4 gebildete Ringnut besitzt solche Abmessungen, daß der Ring 5 sich gegenüber dem Kolben jederzeit unbehindert ausdehnen oder zusammenziehen S kann. Die Erwärmung des Ringes auf die Betriebstemperatur erfolgt hierbei im wesentlichen durch Berührung bzw. Strahlung vom heißen Kolbenkörper her.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 2 ist der in sich geschlossene Ring 5' auf die Außenfläche des Kolbenbodens 6' aufgesetzt. Der Ring trägt an der dem Kolben 3' zugekehrten Seite einen nach innen gerichteten schmalen, ringsum laufenden Vorsprung 8, der in eine Ringnut 9 eingreift, die in den Randteil einer auf dem Kolben befestigten Platte 7' eingearbeitet ist. Zwischen der Innenwand des Ringes 5' und dem Seitenrand der Platte 7' bleibt ein Zwischenraum 10, der das ungehinderte Dehnen des Ringes entsprechend seiner Temperatur ermöglicht und den im Totraum 1 befindlichen heißen Gasen unmittelbaren Zutritt zur Ringinnenseite gewährt. Durch eine solche Anordnung wird die sonst in dem Raum zwischen Ring und Kolbenkörper leicht vorkommende Kohleablagerung vermieden, da infolge der hohen Gastemperatur und der Gasbewegung in diesem Spalt etwa sich ablagernde Kohle sogleich wieder verbrannt wird.

Bei Motoren mit vom Kolben gesteuerten Öffnungen in der Zylinderwand liegt ein weiterer Vorteil dieser Ringanordnung darin, daß diese Öffnungen von der freiliegenden Außenkante des dem Zylinder dicht anliegenden Ringes gesteuert werden, so daß sich eine sehr genaue Steuerung ergibt, \vährend bei der üblichen Steuerung solcher Öffnungen durch die Stirnkante des Kolbenkörpers, der immer einen gewissen Abstand von der Zylinderlauffläche hat, der Ab-

Schluß bzw. die Eröffnung der Öffnungen nicht genau festliegt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ! sind am Kolben außer dem dem Brennraum ; zunächst liegenden Dichtungsring 5' noch weitere . Ringe ii, 12,13 vorgesehen. Die dem Ring 5' benachbarten, aber auf der vom Brennraum 1 abgekehrten Seite desselben angeordneten Ringe und 12 sind Kolbendichtungsringe üblicher Art und haben hauptsächlich den Zweck, beim Anlassen des noch kalten Motors die Kolbenabdichtung sicherzustellen, da hierbei der Dichtungsring 5' noch undicht sein kann. Der nahe dem äußeren Kolbenende liegende Ring 13 dient in bekannter Weise zum Abstreifen überschüssigen Schmieröls von der Zylinderwand.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kolbenabdichtung für Brennkraftmaschinen, bei welcher der Abschluß des Spaltes zwischen Kolben und Zylinder durch einen gegenüber dem Kolben in radialer Richtung verschiebbaren, an der Brennraumseite des Kolbens liegenden Dichtungsring erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die die Abdichtung ergebende Anschmiegung des ungeteilten Dichtungsringes (5, 5') an die Zylinderwand selbsttätig mittels Wärmeflusses vom Ring zur Zylinderwand geregelt wird.

2. Kolbenabdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem ungeteilten Dichtungsring (5, 5') weitere Dichtungsringe (11, 12) von üblicher Art vorgesehen sind, die auch bei kalter Maschine eine für das Ingangsetzen ausreichende Kolbenabdichtung gewährleisten.

3. Kolbenabdichtung· nach Anspruch 1 oder 2 für luftgekühlte Motoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenlaufbahn des Zylinders in bekannter Weise so gestaltet ist, daß sie in kaltem Zustande in Totraumnähe etwas enger ist als an den vom Totraum weiter entfernten Stellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen