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Kolben mit nach einer Raumkurve gekrümmtem Bodenrand für Brennkraftmaschinen
Bei Zweitaktbrennkraftmaschinen strebt man zur Erzielung eines hohen Ver dichtungsenddruckes
an, den Brennraum möglichst klein zu halten. Man ordnet daher den dem Bodenrand
des Kolbens benachbarten Kolbenring, der den Brennraum nach außen ;.u abschließt,
möglichst nahe an dem Kolbenboden an, da zu dem Brennraum zwischen Kolbenboden und
Zylinder noch der Ringspalt zwischen Kolbenkörper, Zylinder und Kolbenring hinzutritt.
Dieser Ringraum ist insofern schädlich, als es nicht gelingt, die in diesem Ringspalt
enthaltene Verbrennungsluft mit dem Brennstoff gut zu durchmischen.
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Insbesondere macht sich die Größe dieser schädlichen Räume bei Maschinen,
bei denen in einem- Zylinderstern mehrere gegenläufige Kolben auf einen gemeinsamen
Brennraum arbeiten, bemerkbar, da mehrere Ringräume in den gemeinsamen Brennraum
münden. Hinzu kommt, daß bei diesen Maschinen zur Erzielung eines kleinen Brennraumes
die Kolben mit gekrümmten oder dachförmig ausgebildeten Böden versehen werden. Benutzt
man dabei die bekannten, nur in einer Ebene gekrümmten üblichen Kolbenringe, so
liegt der Ring infolge der Krümmung des Bodenrandes des Kolbens nach einer Raumkurve
nur an wenigen Stellen von diesem Bodenrand in dem zulässigen Mindestabstand; an
allen anderen Punkten ist der Abstand wesentlich größer, so daß die schädlichen
Ringräume entsprechend zunehmen. Dadurch werden auch die Oberflächen der schädlichen
Ringspalte, an welchen sich infolge der Krümmung des Kolbenbodens Werkstoffanhäufungen
befinden, verhältnismäßig groß; an diesen Stellen aber wird der Kolbenkörper durch
die Einwirkung der heißen Brenngase sehr heiß, so daß sich Riefen bilden und eine
starke Koksanhäufung in den langen Spalttaschen eintritt.
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Nach der Erfindung sind die Ringspalten dadurch auf ein Mindestmaß
gebracht, daß der dem Kolbenboden benachbarte Kolbenring und die im Kolbenkörper
vorgesehene, zur Aufnahme dieses Ringes dienende Nut entsprechend der Raumkurve
der Bodenrandlinie gekrümmt sind. Bei dieser Anpassung des Ringes und seiner Nut
an die Raumform des Kolbenbodens liegen alle oder doch nahezu alle Punkte des Kolbenringes
von dem gekrümmten Bodenrand in dem zulässigen Mindestabstand. Die schädlichen Ringspalträume
zwischen Kolbenkörper und Zylinder sind dadurch auf ein Mindestmaß gebracht. Einerseits
ist daher ein höherer Verdichtungsenddruck erzielbar, was bei kleinen Drehzahlen,
z. B. beim Anlassen der Maschine, von besonderer Bedeutung ist, anderseits ist die
Haltbarkeit des Kolbens erhöht, da die den heißen Brenngasen ausgesetzten Flächen
des Kolbenkopfes an den Stellen der Werkstoffanhäufung, insbesondere bei Kolben
mit dachförmigem Boden, an dessen Giebelseiten wesentlich verkleinert sind. Auch
ist eine Koksanhäufung in den Spalttaschen vermieden.
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Der Ausbau des nach der Raumkurve gekrümmten Kolbenringes aus dem
einteiligen Kolbenkörper ist bei dem üblichen rechteckigen
Ouerschnitt
nur schwierig durcHührbar, da der Ring imstande sein muß, außer den Spreizbewegungen
quer zur Kolbenachse auch noch gewisse Bewegungen in Richturig der Kolbenachse auszuführen.
Erfindungsgemäß ist der Ausbau des Kolbenringes dadurch wesentlich erleichtert,
daß die dem Kolbenboden zugewandte Seitenfläche der im Kolben vorgesehenen Kurvennut
schräg nach außen dem Kolbenboden zu gerichtet und der Kolbenring mit einer entsprechenden
Schrägfläche versehen sind.
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Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Kolbens nach
der Erfindung dargestellt.
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Fig. i und 2 zeigen einen Kolben mit dachförmigem Boden in zwei zueinander
rechtwinkligen Ansichten.
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Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen mit dem Kolben ausgerüsteten
Zylinderstern in kleinerem Maßstäbe, Fig.4 den Kolbenring in schaubildlicher Darstellung.
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Fig. 5 ist ein Schnitt durch den oberen Teil des Kolbens nach der
Linie A-B der F ig. 2 in größerem Maßstäbe, Fig. 6 ein Abschnitt des zugehörigen
Kolbenringes.
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Fig. 7 zeigt den oberen Teil des Kolbens in Ansicht und veranschaulicht
den Ausbau des Kolbenringes.
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Fig. 8 ist der Grundriß der Fig. 7, Fig. g ein senkrechter Schnitt
nach der Linie C-D der Fig. B.
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Fig. io und ii zeigen in Ansicht zwei Kolben bei anderen Ausführungen
des Kolbenbodens.
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Der in der. Fig. i und 2 dargestellte Kolben i besitzt einen dachförmigen
Kolbenboden, d. h. von dem mittleren Dachfirst aus fällt die Kolbenfläche 3, 3a
nach entgegengesetzten Richtungen hin gleichmäßig ab. Es bilden sich also an den
beiden Enden des Dachfirstes 2 Giebel q.. Der Zylinder 5 ist mit strichpunktierten
Linien angedeutet. Der Verdichtungsrauen der Maschine setzt sich aus dem zwischen
der Kolbenbodenfläche 3, 3"
und der Stirnwand 6 des Zylinders eingeschlossenen
Raum a und dem ringförmigen Spaltraum b zusammen, der einerseits von der seitlichen
Zylinderwandung, anderseits von dem Kolben i gebildet und nach unten hin von dem
obersten Kolbenring 7 abgeschlossen wird.
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Außer diesem Kolbenring 7 sind in der üblichen Weise noch zwei weitere
Ringe b, g und nahe dem unteren Kolbenende ein vierter Ring io vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist der dem Kolbenboden 3, 3a benachbarte Kolbenring
7 nach Möglichkeit der Kolbenbodenform angepaßt. Es liegen also fast alle Punkte
des Kolbenringes 7 in dem zulässigen Mindestabstand von der Begrenzungslinie i i.
Auf diese Weise ist der schädliche Spaltrauen b zwischen dem Kolbenring 7 und der
Begrenzungslinie i i ganz erheblich gegenüber der bisher üblichen Kolbenbauart verkleinert.
In Fig. 4 ist die Krümmung des Ringes 7 bei der dachförmigen Gestalt des Kolbenbodens
3, 3" veranschaulicht.
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Die Verkleinerung des schädlichen Raumes b bat eine Verringerung der
von den heißen Verbrennungsgasen beheizten Kolbenwandung, und zwar gerade an den
Stellen der großen Werkstoffanhäufung, nämlich an den Giebelseiten _i. des Kolbens
i, sowie eine höhere Verdichtung des Verbrennungsgeinisclies zur Folge.
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Diese Vorteile der Anpassung der Krüminung des Kolbenringes 7 an die
Form des holbenbodenrandes sind bei Brennkraftinaschinen nach Fig. 3, bei der mehrere
Xolben nach Fig. i und 2 auf einen gemeinsamen Brennraum a arbeiten, von besonderer
Bedeutung, da zu diesem Raum die Spalttaschen b dreier Kolben i hinzutreten.
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Ein weiterer Vorteil der Krümmung des Ringes 7 ergibt sich aus folgendem:
Bei dachförmigem Kolbenboden sind die Ein- und Auslaßschlitze ig (Feg. 3) in den
Zylindern 5 dieser Bodenform zweckmäßig angepaßt. Wenn auch die Steuerung der Schlitze
durch die Kolbenkante i i erfolgt, so steht doch wegen der Spalträume b beim Verdichtungshub
das Zylinderinnere noch so lange mit den Spülschlitzen in Verbindung, bis der dem
Kolbenboden benachbarte Kolbenring alle Spülschlitze vollständig abgedeckt hat.
Werden nun wie bisher in einer Ebene gekrümmte Kolbenringe verwendet, so würden
die Schlitze ig durch den dem Kolbenboden benachbarten Ring erst nach und nach abgedeckt
werden. Dabei muß der Kolben 2 eine gewisse Hubstrecke zurücklegen. Wird ein der
Kolbenbodenrandlinie ii angepaßter Kolbenring 7 verwendet, so hat der Kolben i zum
völligen Abschluß der Schlitze nur eine erheblich kleinere Hubstrecl-,e zurückzulegen,
um einen vollständigen Abschluß des mit der Verbrennungsluft gefüllten Zylinderraumes
zu erzielen. Hierdurch wird also an wirksamem Hub gewonnen.
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Um den nach der Raumkurve gekrümmten Kolbenring leicht ausbauen zu
können, ist bei der Ausführungsform nach Fig. 5 bis g die dem Kolbenboden zugewandte
Seiteniiächc i7a des Ringes 1; schräg nach außen nach dein Kolbenboden zu gerichtet.
Ebenso ist die Kurvennut t8 im Kolbenkörper i mit einer entsprechenden Schrägfläche
i8a versehen. Zum Ausbau spreizt man die Enden des Ringes
17 in
der aus Fig. 8 ersichtlichen Weise. Im Punkt a; liegt dabei noch der Ring in der
Nut 18. Bei der dargestellten Spreizbewegung der Enden des Ringes muß nun der' Ring
infolge seiner Krümmung nach einer Raumkurve nicht nur eine Bewegung in einer zur
Achse des Kolbens z senkrechten Ebene ausführen können, sondern auch eine gewisse
Bewegung in der Achsrichtung des Kolbens. Diese gleichzeitige Bewegung des Ringes
quer zur Kolbenachse und in Richtung der Kolbenachse ist durch- die Anordnung der
Schrägflächen i711, 18a ermöglicht. Entfernt sich beim Spreizen des Ringes gemäß
Fig. 8 der Punkt z des Kolbenringes 17 von dem Punkt z des Kolbens i um die
Strecke z-z' in der zur Kolbenachse senkrecht stehenden Ebene, so muß sich der Ring
in Richtung der Kolbenachse um die Strecke y (Fig. 9) bewegen können, damit er vom
Kolbenkörper freikommt. Es läßt sich auf diese Weise der Ring ohne Klemmungen und
ohne eine übermäßige Spreizung ausbauen.
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Bei starker Krümmung des Kolbenringes ist vorteilhaft auch die dem
Kolbenboden abgewandte Seitenfläche der Ringnut abgeschrägt, so daß der Ring im
Querschnitt die Form eines Trapezes hat.
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Die Böden der Kolben i können in verschiedener Weise nach einer Raumkurve
gekrümmt sein. Derartige Ausführungsformen zeigen die Fig. io und i i.
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Als ein weiterer Vorzug des nach einer Raumkurve gekrümmten Kolbenringes
hat sich herausgestellt, daß der Ring selbsttätig Bewegungen ausführt, die ein Festsetzen
des Ringes in seiner Nut verhindern. Bekanntlich dehnt sich im Betriebe der Ring
stärker aus als der Zylinder, wobei infolge wechselnder Wärmeeinflüsse sich die
Anlagestellen des Ringes an der Zylinderwandung häufig ändern. Da nun der nach einer
Raumkurve gekrümmte Ring in seiner Nut Auflageflächen hat, die in zur Kolbenachse
schrägen Ebenen liegen; führt der Ring bei einer Wärmeausdehnung nicht nur Bewegungen
in seiner Umfangsrichtung aus, sondern auch in Richtung der Kolbenachse. Es tritt
dadurch ein ständige Arbeiten des Kolbenringes in seiner Nut ein.