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Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit ungeteiltem Dichtungsring
Die als Kolbenbaustoffe verwendeten Leichtmetalle haben eine wesentlich größere.
Wärmedehnung als die heute beim Bau von B.rennkraftmaschinen für die Laufbüchsen
allgemein verwendeten Werkstoffe auf der Basis des Eisens. Infolgedessen muß besonders
der obere Teil des Leichtmetallkolbens, welcher im Betriebe hohe Temperaturen annimmt,
in seinem Durchmesser gegen die Laufbüchse stark zurückgesetzt werden. Im oberen
Teil des Kolbens besteht daher zwischen Büchse und Kolben ein verhältnismäßig großer
Spalt, der sich je nach dem Belastungszustand, d. h. nach der Temperatur dieses
Kolbenteils, ändert. Durch diesen Spalt dringen die sehr heißen Verbrennungsgase
bis zum obersten Kolbenring vor und bewirken eine zusätzliche Heizung dieses Kolbenringes,
der ohnehin vom Kolbenboden her eine ziemlich starke Wärmezufuhr erhält. Als Folge
dieser beiden Erscheinungen tritt besonders an dem obersten, dem Brennraum zugewandten
Kolbenring durch die thermische Belastung sehr rasch ein starkes Nachlassen der
Eigenspannung und häufig ein Festbrennen dieses Ringes ein.
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hat versucht, diesem Übelstand dadurch abzuhelfen, daß man oberhalb der holbcnringc
zur besseren Abdichtung einen ungtschlitzten Iring oder eine ungeschlitzte I;ü chse
aus einem hochverschleißfesten und elastisclicn Eisen-,verkstoff einsetzt, deren
Laufspiel gegen den Zylinder sehr gering ist, so daß sich dieser Ring oder die Büchse
unter Ausnutzung seines Wärmewachstums dicht schließend gegen die Laufbüchse anlegt.
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Der Anlagedruck dieses Ringes gegen die Zylinderwand regelt sich selbsttätig
durch s.eineii Temperaturzustand. Dieser Temperaturzustand Hängt von der Wärmezufuhr
zu dem Ring und vorn Wärmeabfluß vorn Ring zum Zylinder ab. Die Wärmezufuhr zu dem
Ring vorn Kolben her sowie durch die in den :Spalt zwischen Kolben und Büchse eindring
## 11d##n 13 - r-ciiii-as#c ist gegeben. Die Wärmeabgabe des Ringes auf die
Zylinderwand hängt aber von sein_rzi Anpreßdruck auf diese ab. -Mit zuneliinciider
Temperatur des Ringes -",-f rd einmal sein Wär meabfluß auf die Zy liiiderwand infolge
des größeren Temperaturgefälles gegenüber dieser größer, zum zweiten wird der Anlagedruck
des Ringes gegen die Zvlinderwand infolge seines Wachstums durch die Wärmeausdehnung
ebenfalls grö'er und damit der Wärmeübergangswiderstand kleiner, der Wärmeübergang
also zusätzlich größer.
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Bei(-12 Vorgänge bedingen eine automatische Reg,Iting der Temperatur
und damit der Wärmewachstunisverhältnisse des Ringes, ,v-eIclie eine einwandfreie
Abdichtung zwischen dein ungeteilten und =geschlitzten Dichtungsring und d, -r Zylinderwand
gewährleisten. Abdiclitr iiige dieser Art sind bekannt und erfolgreich.
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Die bekannten Abdichtringe sind jedoch nt@isc so ausgebildet. daß
sie nicht an einem einfachen ungeteilten Kolben angebracht werden Iz«n,ien. -Man
ist daher gezwungen, auf uriständlicli#.- Konstruktionen von geteilten Kolben zurückzugreifen.
Zwar ist auch versucht -worden, Dichtungsringe. bei einteiligen Kolben anzuv: enden.
In diesem Fall wurde meist der Dichtungsring aus zwei oder inelireren Teilen in
der 'Weise hergestellt, daß die Ringsegmente möglichst fugenlos gegeneinander anliegen.
Solche geteilten Ringe sind aber nur sehr schwierig mit der erforderlichen
Rundheit herzustellen.
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Schli°3lich ist auch ein Kolben bekanntden, bei dein ein einteiliger
Dichtungsring mittels eines in der -Nähe des Kolbenbodens sitzenden Liderungsringes
an einem einteiligen Kolben befestigt ist. Bei der bekanntai Ausführung besteht
aber der schwerwiegende Nachteil. daß der dem Verbrennungsraurr. zugewandte Liderungsring
unmittelbar von den Verbrennungsgasen bespült wird und daher so hohe Temperaturen
annimmt, daß er bald seine Eigenspannung verliert. die für seine Funktion als Haltering
unerläßlich ist. Es besteht also die Gefahr, daß der Dichtungsring seinen Halt v:
rliert und in den 1"erbrennungsrauni gestreift wird, was die Zerstörung der 'Maschinen
zur Folge h;itte. Eine weitere Gefahr bestellt bei d°ni bekannten Kolben mit durch
Liderungsring befestigtem Dichtungsring darin, daß die -Nut des Kolbens, in welche
der Liderungsring eingreift, so nahe am Isolbenbodenrand liegt, daß leicht ein Ausreißen
der oberen \ utflanke eintreten kann, «,=eil die Festigkeit des Kolbenkörpers aus
Leichtmetall am oberen Kolbenrand infolge der dort herrschenden hohen Temperatur
nur gering ist.
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Es ist das Ziel der vorliegend: n Erfindung, eine Lösung zu schaffen,
"-elclie die genannten Machteile ausschlieft und den vorhandenen Schwierigkeiten
in vollem Umfange Rechnung trägt. Dies ist gemäß d-Ir Erfindung dadurch erreicht,
daß ein ungeteilter Dichtungsring mittels Liderungsring in der Weise auf dem abgesetzten
Kopf eines ungeteilten Kolbens aus Leichtmetall befestigt ist, daß ein oder mehrere
zwischen der Innenseite des Dichtungsringes und dem abgesetzten Kolbenkopf vorgesehene
Liderungsringe in entsprechende Nuten sowohl am abgesetzten Kolbenkopf als auch
an der Innenwand des Dichtungsringes federnd eingreifen. Der Liderungsring soll
dabei möglichst kein Flankenspiel in den Ringnuten aufweisen. Bei einer besonderen
Ausführungsform der Erfindung weist die Dichtungsbüchse einen umgekehrt L-förmigen
Oberschnitt auf, und ihr nach innen vorragender Rand greift in eine entsprechende
Ausnehmung am oberen Kolbenrand ein, während der Liderungsring nahe dein vom Kolbenboden
abgewandten Rande des Dichtungsringes angeordnet ist. Diese Ausbildung bietet vor
allem den Vorteil, daß der Liderungsring, welcher den Schutzring an seinem Platz
festhält, der unmittelbaren Beaufschlagung durch die Verbrennungsgase entzogen und
an eine Stelle gesetzt ist, an welcher der Liderungsring -#veitgehend geschützt
und den für diesen Bauteil in Betracht kommenden niedrigsten Temperaturen ausgesetzt
ist. Die beiden -Nuten für den beiderseitigen Eingriff der Liderungsringe können
verhältnismäßig weit vom oberen Kolbenrand entfernt in einer Zone angeordnet werden,
in welcher höhere Festigkeiten des Kolbenwerkstoffes vorhanden sind. Ein Ausbrechen
der Ringflanke am Kolbenkopf ist daher nicht zu befürchten.
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Die Zeichnung veranschaulicht den Gegenstand der Erfindung an zwei
Ausführungsbeispielen.
Fig. i zeigt einen Kolben zur Hälfte in senkrechtem
Schnitt mit der durch einen Liderungsring befestigten Dichtungsbüchse; Fig.2 zeigt
in der gleichen Darstellungsweise die Anbringung einer Dichtungsbüchse von umgekehrt
L-förmiger Querschnittsform.
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In den Kolben z ist ein ungeteilter und ungeschlitzter Ring 2 aus
einem hochverschleißfesten Schwermetallwerkstoff eingelassen, der in dem Kolben
radiales Spiel aufweist. Der Schwermetaliringbesitzt auf seiner Innenseite eine
Nutung 3, in welche ein in einer Ringnut 5 des abgesetzten Kolbenkopfes liegender
Liderungsring 4 einschnappt, sobald der Dichtungsring über den Liderungsring geschoben
wird. Die Lage des Liderungsringes, der Nutung im Dichtungsring und der unteren
Schulter des Dichtungsringes gegen die entsprechende Schulter des Kolbens soll maßlich
so gestaltet werden, daß ein Spiel des Dichtungsringes gegen den Kolben in dessen
axialer Richtung sehr klein gehalten bzw. ganz verhindert wird. Die untere Stirnfläche
des Dichtungsringes liegt dann ohne Spiel auf der entsprechenden Kolbenschulter
auf. Zwischen Kolben und Dichtungsring soll das Spiel so bemessen werden, daß der
Kolben den Dichtungsring nicht gegen die Zylinderwand andrücken kann, d. h. daß
stets ein gewisses notwendiges radiales Spiel des Dichtungsringes gegen den Kolben
vorhanden ist, so daß sich der Dichtungsring einwandfrei an die Zylinderwand anlegen
kann. Ein Hindurchtreten von Verbrennungsgasen hinter dem Dichtungsring wird durch
den Liderungsring verhindert, insbesondere wenn dieser kein oder nur sehr geringes
Flankenspiel aufweist. Der Liderungsring soll auch in die Haltenut des Dichtungsringes
praktisch mit geringstem Flankenspiel eingebaut werden. Die Tiefe der Nut 5 im Kolben,
welche den Liderungsring aufnimmt, ist so zu bemessen, daß der Liderungsring beim
Überschieben des Dichtungsringes in die Nut zurückweichen kann. Der Dichtungsring
kann auch durch mehrere Liderungsringe in seiner Lage gehalten werden.
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In dem zwischen Kolben und Dichtungsring notwendigen Spalt kann während
der Verdichtung verbrennungsfähges Luft-Kraftstoff-Gemisch eingedrückt werden, wodurch
in der den Spalt begrenzenden ringfärmigen Kolbenfläche Erosionen und Verbrennungen
des Kolbenwerkstoffes auftreten. Um dies zu vermeiden, soll der Liderungsring möglichst
weit in den unteren, vom Verbrennungsraum abgewandten Teil des Dichtungsringes herabgeschoben
werden. Die Abdichtung des Spaltes zwischen Kolben und Dichtungsring gegen den Verbrennungsraum
kann in besonders wirksamer Weise vorgenommen werden, indem man dem Dichtungsring
eine umgekehrt L-färmige Gestalt gibt, welche die obere Kante des Kolbens übergreift.
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Einen solchen Dichtungsring zeigt die Fig. ä. Der im Querschnitt L-förmige
Dichtungsring 2 greift mit seinem nach innen vorragenden Rand 6 in eine entsprechende
Ausnehmung am oberen Kolbenrand ein. In diesem Fall wird man die untere Stirnfläche
des Liderungsringes nicht ohne Spiel auf der unteren Kolbenschulter aufsitzen lassen.