DE907607C - Kolben fuer Brennkraftmaschinen - Google Patents

Kolben fuer Brennkraftmaschinen

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Publication number
DE907607C
DE907607C DEG603A DEG0000603A DE907607C DE 907607 C DE907607 C DE 907607C DE G603 A DEG603 A DE G603A DE G0000603 A DEG0000603 A DE G0000603A DE 907607 C DE907607 C DE 907607C
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DE
Germany
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piston
pistons
internal combustion
ring
combustion engines
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Expired
Application number
DEG603A
Other languages
English (en)
Inventor
Dr-Ing Hans Scherenberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle GmbH
Original Assignee
Mahle GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Mahle GmbH filed Critical Mahle GmbH
Priority to DEG603A priority Critical patent/DE907607C/de
Application granted granted Critical
Publication of DE907607C publication Critical patent/DE907607C/de
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/02Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F02F3/022Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion the pistons having an oval circumference or non-cylindrical shaped skirts, e.g. oval
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00Sealings
    • F16J15/44Free-space packings

Description

  • Kolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft Kolben für Brennkraftmaschinen mit Ringnuten zur Erzielung einer Labyrinthwirkung.
  • Solche Ringnuten werden insbesondere in den dem Kolbenboden benachbarten Schaftteilen von Brennkraftmaschinenkolben vorgesehen. Sie ermöglichen den zwischen der Zylinderlauffläche und dem Kolbenschaft durchtretenden Verbrennungsgasen, durch Expansion einen größeren Raum einzunehmen, wobei die Spannung der Gase vermindert und infolgedessen ihr weiteres Vordringen erschwert wird. Es wird also eine Labyrinthdichtung erzielt, welche gegebenenfalls die übliche Abdichtung durch Kolbenringe ganz oder teilweise ersetzen kann. Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß die Ringspalte zwischen den nicht zurückgesetzten Schaftteilen und der Zylinderwand genügend eng sind, um eine hinlängliche Drossel-Wirkung zu gewährleisten, und daß die Ringnuten genügend geräumig sind, um eine wirksame Druckminderung der in ihnen expandierenden Gase zu ermöglichen.
  • Normalerweise geht man bei der Festlegung des Einibauspiel'eis zwischen Kolben und Zylinder vom Zustand der größten möglichen thermischen Belastung aus, d. h. man legt die Abmessungen so fest, daß auch bei der höchsten Belastung die Wärmedehnung des Kolbens nicht so groß wird, daß er sich an irgendeiner Stelle gegen die Zylinderwand anpreßt. Dabei besteht die Gefahr, daß der Kolben bei Teillastbetrieb insbesondere im Bereich der Kolbenringzone überhaupt nicht zum Anliegen an die Zylinderlauffläche kommt und damit die Ringzone nicht mit zum Tragen herangezogen wird, so daß die Abdichtung nur den Kolbenringen zufällt. Zur Vermeidung dieses Mangels hat man insbesondere in der Kolbenringzone über den normalen Schaftumfang hinausragende sogenannte Quetschstege, d. h. schmale ringförmige Erhöhungen von etwa ein Zehntelmillimeter radialer Höhe vorgesehen, deren Außendurchmesser sich beim Einlaufen durch Wegquetschen von Material selbsttätig auf das Maß verkleinern soll, bei dem gerade ein Fressen an der Zylinderlauffläche vermieden wird. Bei den bekannten Kolben mit Quetschstegen sind aber keine zur Erzielung einer Labyrinthwirkung geeigneten Ringnuten vorhanden. Die zwischen den Quetschstegen befindlichen und gegenüber deren Stirnflächen um nur etwa ein Zehntelmillimeter zurückspringenden Teile des normalen Schaftumfanges schließen Räume ein, die nicht genügend groß sind, um eine merkliche Expansion der Verbrennungsgase zu ermöglichen. Nach dem Einlaufvorgang sind diese Räume ohnehin mehr oder weniger stark durch das Material ausgefüllt, welches von den Quetschstegen abgetragen wurde. Eine eigentliche Quetschung, d. h. eine Deformation des Quetschsteges, bei welcher sich dieser im Sinne eines Nietkopfes verbreitert, kann in der Regel nicht eintreten, weil hierzu die radiale Höhe der Stege nicht groß genug ist. Diese Stege werden daher nicht eigentlich gequetscht, sondern durch Verschmieren deformiert.
  • Es ist ferner bereits vorgeschlagen worden, hinter die normale Kolbenlauffläche zurückspringende ringförmige Rillen sowohl in den Stegen zwischen den Kolbenringen als auch am Kolbenschaft vorzusehen. Auch solche Rillen können keine Labyrinthdichtung bewirken, weil sie gemäß dem erwähnten Vorschlag so eng gehalten werden sollen, daß in ihnen Schmieröl durch Kohäsion festgehalten werden soll, und weil sie sich während der Einlaufperiode des Kolbens mit von den nicht zurückgesetzten Ringstegteilen abgeriebenem Werkstoff zusetzen.
  • Schließlich ist auch schon vorgeschlagen worden, über den normalen Schaftumfang hinausragende Quetschstege vorzusehen, die einen ovalen Umriß aufweisen und die dem Kolbenkopf eine örtlich begrenzte Führung geben, um das Kolbenkippen zu vermeiden. Bei dieser Kolbenbauart kann ein Wegquetschen von Material nur in dem begrenzten Bereich der Anlage der Quetschstege am Zylinder erfolgen. Wegen der begrenzten Anlage können solche Quetschstege nicht die Abdichtung übernehmen oder unterstützen; die Aufgabe der Ab- f dichtung ist vielmehr ausschließlich den Kolbenringen übertragen. Nach einem Ausführungsbeispiel dieses Vorschlages kann unterhalb des obersten Quetschsteges eine Rille vorgesehen sein, deren Innendurchmesser ungefähr dem kleinen Ovaldurchmesser des Kolbenkopfes entspricht. Diese Rille ist geräumig genug, um vom obersten Steg weggequetschtes Material aufnehmen zu könzen, ohne sich dabei zuzusetzen; eine Labyrinth-Sichtung kann sie aber nicht bewirken, weil der ihr vorgeschaltete Quetschsteg mit der Zylinderwand keinen Drosselspalt bildet, sondern so stark oval ist, daß den Verbrennungsgasen im Bereich der kleinen Ovalachse ein kaum behinderter Durchtritt ermöglicht ist.
  • Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, Quetschstege an einem Kolben der eingangs beschriebenen Bauart derart vorzusehen, daß der vordere Steg mindestens einer der eine Labyrinthdichtung gewährleistenden Nuten als Quetschsteg ausgebildet ist. Dadurch wird ein ausgezeichnet wirksamer Drosselspalt vor der Nut gebildet, und es wird ferner auch Anpassung der Stege an den Zylinder durch Verquetschen dadurch wesentlich erleichtert, daß die Deformation bis in die Tiefe der Nut hinein erfolgen kann, so daß übermäßig lange Fließwege, die zum Verschmieren des Werkstoffes führen, vermieden «-erden.
  • Die Bemessung der Ringstege ist Erfahrungssache und muß, wie die Bemessung des Spieles bei Kolben normalen Durchmessers; dem Versuch überlassen bleiben. Es ist möglich, die Ringstege so zu dimensionieren, daß die beim Einlaufen bewußt herausgeforderten Zusammendrückungen und Verformungen kein das Zerstören des Kolbens verursachendes Fressen zur Folge haben. Die Ringstege sollen beim Einlaufen in Kolbenlaufrichtung von Stellen weggequetscht werden, wo örtliche überbeanspruchungen auftreten. Jeder Kolben läuft somit individuell ein, wobei unkontrollierbare Dehnungs- und Werkstoffunterschiede berücksichtigt werden.
  • Eine Vielzahl von schmalen Ringstegen begünstigen diese Einlaufeigenschaften, wobei in weiterer Ausgestaltung der Erfindung an eine Abstufung der Wirkung in dem Sinne gedacht ist, daß sich ein Teil der im Durchmesser vergrößerten Ringstege stärker verformt als der andere Teil.
  • Die erfindungsgemäß angeordneten Ringnuten werden gegebenenfalls zusätzlich zu den vorgesehenen, Kolbenringe aufnehmenden Nuten angeordnet werden.
  • In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand an Hand zweier schematischer Ausführungsbeispiele in Gegenüberstellung zum Stand der Technik veranschaulicht. Dargestellt sind jeweils im Axialschnitt von Kolbenschaft und Kolbenboden gebildete Ecken eines Kolbens (oberer Teil der sogenannten Kolbenringpartie).
  • Abb. r zeigt die bekannte Ausführung und Abb. 2 eine neue Ausführung; beide vor dem Einbau in den Motorzylinder; Abb. 3 veranschaulicht die Ausführung nach Abb. z nach dem Erwärmen auf Betriebstemperatur (bei einem Meßversuch vor dem Einbau) und Abb. q. diese Ausführung nach dem Einlaufen im Motorzylinder im betriebswarmen Zustande; beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 5 sind die Bereiche dargestellt, nach denen sich die Bemessung der Durchmesser bisher gerichtet hat bzw. nach der Erfindung richtet, während die Abb. 6 und 7 zeigen, wie sich ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beim Einlaufen ändert. Die im Durchmesser vergrößerten Ringstege ja des Kolbens i verformen sich beim Einlaufen unregelmäßig. Sie werden so verdichtet und gequetscht, daß gerade das kleinste erforderliche Laufspiel entsteht. Bei dem Verdichten und Quetschen kann Werkstoff in Richtung der Kolbenachse ausweichen, wobei sich die Stegquerschnitte in ähnlicher Weise verbreitern, wie sich ein Nietkopf beim Stauchen verformt, ohne daß dadurch die dazwischenliegenden Nuten ausgefüllt werden.
  • Durch das verkleinerte Spiel im Bereich der Stege ja wird die Labyrinthdichtung der zwischen den Stegen liegenden Nuten wesentlich verbessert. Die heißen Verbrennungsgase können daher weniger gut bis zu den Kolbenringen 2 vordringen. Dadurch wird die Gefahr des Verkokens der Kolbenringe 2 vermindert, so daß ein Kolben eine längere Lebensdauer erhält und die Termine zur Überholung des Motors verlängerbar sind. Die die Kolbenringe führenden Ringstege ib haben bei den gezeichneten Ausführungsbeispielen den normalen Durchmesser, d. h. den in der bisher üblichen Weise bestimmten und durch spanabhebende Werkzeuge begrenzten Durchmesser, der sich beim Einlaufen nicht oder nur unwesentlich ändert, wenn man von der durch die Wärmedehnung verursachten Durchmesservergrößerung absieht. Die strichpunktierte Linie C in der Abb: 2 zeigt zum Vergleich die Konturen des Kolbens nach Abb. i an.
  • In der Abb. 5 begrenzen die strichpunktierten Linien A und B den Bereich a, der bisher zur Bemessung der Durchmesser ausgenutzt wurde und der das Unterbleiben von Freßerscheinungen bei Ausführungsformen ohne Ringnuten gewährleistet. Die strichpunktierte Linie D entspricht der strichpunktierten Linie C in Abb. i. Im Bereich b treten Freßerscheinungen auf, wenn eine plastische Verformung ermöglichende Ringnuten fehlen. In diesem Bereich b werden nach der Erfindung die Laufbahndurchmesser dimensioniert (Ausführungsbeispiel Abb. 6 und 7 gemäß Linie E).

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Kolben für Brennkraftmaschinen mit Ringnuten zur Erzielung einer Labyrinthwirkung unter Ausführung des vorderen Steges mindestens einer Ringnut als Quetschsteg.
DEG603A 1949-12-16 1949-12-16 Kolben fuer Brennkraftmaschinen Expired DE907607C (de)

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DEG603A DE907607C (de) 1949-12-16 1949-12-16 Kolben fuer Brennkraftmaschinen

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DEG603A DE907607C (de) 1949-12-16 1949-12-16 Kolben fuer Brennkraftmaschinen

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DE907607C true DE907607C (de) 1954-03-25

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ID=7115863

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DE (1) DE907607C (de)

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