DE6800188U - Kolben mit kolbenringen fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Kolben mit Kolbenringen für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben mit Kolbenringen für Brennkraftmaschinen, der in Ringnuten mindestens zwei Kompressionskolbenringe trügt, wobei jeder Kolbenring eirs Gasdurchtrittsfläche aufweist, die durch die Zylinderwand der Brennkraftmaschine, den Ringütoß und die äußere Berührungskante zwischen Kolben und Kolbenring begrenzt ist.

Die Kompressionskolbenringe, die den während des Arbeitsspiels unter hohem Druck stehenden Brennraum gegen das Kurbelgehäuse abdichten, sind am Ringstoß geringfügig undicht. Dadurch baut sich zwischen dem ersten und zweiten Ring, sowie auch zwischen den evtl» folgenden, mit etwas Verzögerung gegenüber dem Druckverlauf im Brennraum während des Verdichtungs- und Expansionshubes ebenfalls ein hoher Druck auf, der bei gewissen Betriebszuständen während des Expanaionshubes des Kolbens die Druokhöhe im Brennraum erreicht bzv teilweise sogür überschreitet. Bei diesen Druckverhältnissen bewirkt dann der Gasdruck im Ringraum zwischen zwei Kompressionskolbenringen zusammen mit der Massenträgheit des Ringes und der Reibung zwischen Ring und Zylinder, daß sich der dem Brennraum nähere Kompressionskolbenring von der unteren Planke der Kolbenringnut löst und an die obere Planke anlegt. Während des Anlagewechsels entweicht das Gas aus dem Ringraum zwischen den beiden Kompressi.onskolbenringen hinten um den dem Brennraum näheren Ring herum durch die Ringnut zum Brennraum hin sowie durch die Gasdurchtrittsfläche am Ringetoß des vom Brennraum entfernteren Kolbenringes zum Kurbelgehäuse hin. Damit baut sich der Druck im Ringraum wieder auf einen Wert ab, der geringer ist als im Brennraum bzw. in dem nächsten, dem Brennraum näheren Ringraum. Der·dem Brennraum nähere Kolbenring wird dann vom Druck im Brennraum bzw. nächsten Ringraum wieder an die untere Planke seiner Ringnut"gedruckt. Dieser Vorgang wiederholt sich während eines Arbeitsspieles mehrfach, so daß besonders der erste Kompressionskolbenring, aber auch die evtl. folgenden Kompressionskolbenringe flattern bzw. schwingen und ihre Aufgabe, den Brennraum gegen das Kurbelgehäuse

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•-lir.uu Lohten, nur noch ungenügend erfüllen. Dieses Kolbenringflat- t: cn ^rührt zu erhöhtem Ölverbrauch, Aus α chi ragen der Ringnuten und zu Dauerbrüchen d?r Kompressionskolbenringe, die nachfolgend eine Zerstörung der Zylinderwand und des Kolbens ergeben.

Um dus Kolbenringflattern zu beheben, ist es bekannt, die Kolbenrin^spannung, die Abmessungen und das Gewicht der Kolbenringe abzustimmen und damit das Schwingungsverhalten der Kolbenringe zu beeinflussen. Aber diese Maßnahmen ergeben nur eine Dämpfung des Kolbcnringflutterns, können aber dessen Ursache nicht beseitigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Kolbenringflattern zu beseitigen oder zumindest in einen Drehzahlbereich zu verlegen, der.außerhalb der Betriebsdrehzahlen liegt.

Bei eier lösung der Erfindung wird davon ausgegangen, daß zwischen der dem Brennraum näheren und der dem Brennraum entfernteren Stirnringf.lache jedes Kompressionskolbenringes ein während des gesamten Arbeitsspiels gleichgerichtetes und genügend großes Druckgefrille zu schaffen ist, so daß die den Koapressionskolbenring an eine Ringnutfläche andruckende Kraft r tets größer ist, als die Resultierende der auftretenden Gegenk- äfte.

beiden äußeren Zu diesem Zweck besteht die Erfindung darin, daß die/ßerührungskunten zAvisohen Kolben und Kolbenring des dem Brennraum zweitnLlcr.jten Kompressionskolbenringes und - soweit vorhanden - der fol^-nden Kompressionokolbenringe durch eine Anfasung oder Eindrer.ung einer oder beider Ringnutaußenkanten und/oder einer oder beiuer Kompressionskcibenringaußenkanten zur Kolbenmittelachse hin verlegt sind.

Die Erfindung schlägt weiter vor, daß die Berührungskanten zwischen dem, dem Brennraum zweitnächsten Kompressionskolbenring und dem Kolben und - soweit vorhanden - der folgenden Kompressionskolbenringe nur im engeren Bereich des Kolbenringsto'ßes durcn örtliche Anfasung einer oder beider Ringnutaußenkanten und/ oder einer oder beider Konpreosionskolbenringaußenkanten zur KoI-

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benmittelachse hin verlegt sind«

Die erfindungsgemäße Gestaltung der Kolbenringnut- "bzw. Kolfaenringkanten ergibt auf einfache Weise eine Vergrößerung der Gasdurchtrittsfläche am Ringstoß. Dadurch wird der Durchfluß durch den jeweils vom Brennraum entfernteren Kompressionskolbenring vergrößert und damit der Druckabbau an der jeweiligen Unterseite des dem Brennraum näheren Kompressionskolbenringes beschleunigt. Da nur die G-asdurchtrittsfläche des dem Brennraum benachbarten Kompressionskolbenringes und - in geringerem Maße - der Druck vor und hinter diesem Kolbenring maßgebend für die Durchflußmenge sind und sich lediglich der Druck hinter diesem Kolbenring ändert, steigt die Durohflußmenge nur unbedeutend an» In jedem Falle ist sie jedoch unvergleichlich geringer, als bei auftretendem Kolbenringflfitte^n, denn die Dichtwirkung des dem Brennraum näheren Kornpressionskolbenringes ist durch die Erfindung bei jedem Betriebszustand gewährleistet. Sofern das Druckgefälle zwischen zwei Ringräumen nicht ausreicht, um den vom Brennraum entfernteren Kolbenring an seiner Unterseite in Anlage zu halten, bewirken Massenkräfte und Reibung, daß der Kolbenring in obere Anlage kommt. Durch die ebenfalls zur KoT^enmittelachse zurückversetzte obere Anlagekante zwischen Kolbenring und Kolbenringnut ist auch hierbei eine relativ große Durohtrittsfläche gegeben, die es verhindert, daß sich im Ringraum über diesem Kolbenring erhöhter Druck aufbaut. Somit ist die Anlage des darüber liegenden Kolbenringes an seiner Unterseite gewährleistet. Auch der in diesem Zustand oben anliegende Kolbenring behält diese Lage bei, solange das Verhältnis zwischen Gasdruck und Ringraum und Massenkraft, sowie Reibung aufrecht erhalten bleibt. Ein Flattern dieses Ringes ist selbst unter derart ungünstigen Verhältnissen ausgeschlossen.

Eb ist av/ar bereits bekannt» einen vom Brennraum aus gesehen zweiten Kolbenring als Nasenring mit zurückgesetzter unterer Berührungs kante auszubilden. In diesem Fall tritt jedoch - wie praktische Versuche gezeigt haben -· ebenfalls das nachteilige Kolbenringflattern auf, denn bei oberer Anlage eines solchen Nasenringes hat dieser die gleiche Dichtigkeit wie der erste Kompressionskolbenring. Daa erfindungsgemäße Zurücksetzen beider äußerer Berührungskanten

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riihrungskanten zwischen Kolbenrinftut und Kolbenring unterstützt die Wirkung der Erfindung auch noch dadurch, daß das Volumen tischen zwei Kolbenringen vergrößert ist und deshalb der Druck in diesem Ringraum langsamer als bisher ansteigt. Ein weiterer Vorteil des Zurücksetzens der Berührungskanten ist darin zu sehen, daß vor und nach dem jeweils nachfolgenden Ring ein Sammel- und Verteilraum vorhanden ist, der das (Jas vor der jeweiligen Gasdurchtrittsflache sammelt und dahinter wieder verteilt. Auch diese Maßnahme trägt zum schnellen Druckabbau in den Ringräumen bei.

V/eitere Einzelheiten sind aus der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt eines Zylinders einer Brenn-. kraftmaschine mit Kolben und Kolbenringen

Pig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Pig. 1 in vergrößerter Darstellung und

Pig. 3 einen Kolbenringausschnitt im Bereich des Ringstoßes in vergrößerter Darstellung.

Im Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine ist ein Kolben 2 angeordnet, der in Ringnuten 3. 3' und 3¹¹ einen Ölabstreifring 4 und zwei Kompressionskolbenringe 5 und 6 aufnimmt. An jedem Kom-, ressionskolbenring t> und 6 ist eine Gasdurchtrittsflache 7 bsw, ', 8 als Undichtstelle vorhanden, die bestimmt ist durch die ZyIm-Jerwand 1", den Ringstoß 9 und die äußere Berührungskante 1o bzw. 11, 11' von Kolben und Kolbenring. Die Gasdurchtrittsfläche 7 des ersten Kompressionskolbenringes 5 ist so,_klein wie möglich gehalten und durch das Kolbenspiel von nur wenigen hundertstel Millimetern und dem ebenfalls sehr kleinen Ringnt^ß 9 bestimmt. Dabei behindern die scharfen RingnutauRenk .nten 1o die Gasströmung.-Dagegen ist die Gasdurchtrittsfläche 7,P durch den zweiten Kolbenring 6 erfindungsgeiaäß vergrößert, indem der zweite Ring 6 als üblicher Nasenring mit einer Eindrehung 6· ausgebildet und dessen obere Ringnutaußenkante durch eine Anfasung 2' zur Kolbenmittelachse 12 hin zurückversetzt ist.

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Der Größenunterschied zwischen den Gasdurchtrittsflächen 7 und 7, 8 durch den ersten Kolbenring 5 und den zweiten Kolbenring 6 ist in Fig. 2 erkennbar. Die in der Zeichnung in stark übertriebenem Maße gezeichneten Verhältnisse» die etwa für einen Kolben 2 in kaltem Zustand gelten» nehmen bei Betriebstemperatur solche Vierte an, daß die Gasdurchtrittsfläche 7» 8 des zweiten Kolbenringes 6 etwa das Zehnfache der Gasdurchtrittsfläche 7 des ersten Kolbenringes 5 beträgt.

In Fib· 3 is"t ein Ausschnitt eines Kompressionskolbenringes dargestellt; dessen Kanten 15 nur im Bereich des Ringstoßes 9 mit Fasen 16 versehen sind. Dabei weisen die Fasen am Ringstoß 9 die größte Breite auf und werden vom Ringstoß 9 aus schmaler, bis sie in den "unten 15 des Kolbenringes verlaufen.

Der Strömungsverlauf des Leckgases ist folgender: das Gas, das im Brennraum 18 unter hohem Druck steht, entweicht zu einem sehr gerin gen Toil während des Kompressions- und Expansionshubes durch die sehr kleine Gasdurchtrittsfläche 7 des dem Brennraum benachbarten Kompressionskolbenringes 5 in den Ringraum 15. Dabei bestimmen die Größe der Gasdurohtrittsfläche 7 und der im Brennraum befindliche Gasdruck sowie der Gasdruck, der sich im ersten Ringraum 13 aufbaut, die Durchflußmenge. Die scharfen Kanten 1o der ersten Ringnut 3, die die Strömung im Spalt verwirbeln, setzen die Durchflußmenge weiter herunter. Das Gas expandiert nach Verlassen der Gasdurchtrittsfläohe 7 im ersten Ringraum 13· Das Gas entweicht weiter durch die größere Gasdurchtrittsfläche 7, 8 des zweiten Kompressionskolbenringes 6 in den zweiten Ringraum 17 und aus diesem vor dem Ölabstreifring 4 über die Ringnut 3¹¹ und die Ölbohrungen 14 in den Kolben 2. Im Rinnraum 13 stellt sich ein niedriger Gasdruck ein, der aus dem Gleichgewicht zwischen dem Zufluß und der Abfluß resuMert.

Da die Gasdurchtrittsfläche 7, 8 des zweiten Kompressionskolbenringes 6 etwa die zehnfache Größe der Gasdurchtrittsfläche 7 des ersten Kompressionskolbenringes 5 aufweist und hinter dem zweiten Kompressionskolbenring 6 nahezu atmosphärischer Druck besteht, ist

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nicht nur zwischen dem Brennraum '8 und dem ersten ?.>■-■<.- V3, omdern nuch zwischen dem ersten und zweiten Rlngraum ι'·;, 17 ^e_f-ctien. Aura eier zweite Kompressionskolbenring 6 wird da- (uxr-r-h nit Sicherheit an die Unterseite seiner Ringnut angedrückt. Dur-^; die erfindungsgeraäße Ausbildung wird gewährleistet, daß beide Kor.i ressionskolbenringe während des Arbeitsspiels stets an den Unterseiten ihrer Ringnuten 3 und 3¹ anliegen und nicht ins Flattorn kommen.

Patentansprüche;

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Claims (1)

1. 2.

   t an π ρ rü ο h e;

   Kolben mit Kolbenringen für Brennkraftmaschinen, der in Ringnuten mindestens zwei Kompressionskolbenringe trägt, wobei jeder Kolbenring eine Gasdurchtrittsfläche aufweist, die durch die Zylinderwand der Brennkraftmaschine, den Ringstoß des Kolbenringes und die äußere Berlihrungskante von Kolben und Kolbenring begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Berührungskanten (11, 11') zwischen dem Kolben (2) und dem dem Brennraum (18) zweitnächsten Kompressionskolbenring (6) und - soweit vorhanden - den folgenden Kompressionskolbenin^en durch eine Anfasung oder Eindrehung einer oder beider

   Ringnutaußenkanten und/oder einer oder beider Kompressionskolbenringaußenkanten zur Kolbenmittelachse (12) hin verlegt sind.

   Kolben mit Kolbenringen n^ch Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß .die Berührungskanten (11, 11') nur im engeren Bereich des Kolbenringstoßes (9) durch örtliche Anfasung (16) einer oder beider Ringnutaußenkanten und/oder einer oder beider Kompressionskoltenringaußenkanten (15) zur Kolbenmittelachse (12) hin verlegt sind.

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