DEP0024164DA - Kolben- und Kolbenringanordnung für Brennkraftmaschinen mit profilierten Kolbenringen - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen, insbesondere die Bauart von Kolben und Kolbenringen zum Gebrauch in solchen Maschinen. Bei Brennkraftmaschinen mit hin und her gehendem Kolben ist die Gasmenge, die an den Kolbenringen vorbeileckt, (im allgemeinen als "Durchblasen" (blow-by) bekannt), im allgemeinen gering bis die Maschinendrehzahl auf einen gewissen Wert steigt, welcher Wert hauptsächlich von der Ring- und Kolbenbauart und der Belastung der Maschine abhängt. Wenn die Maschinendrehzahl weiter vergrössert wird, so wächst dieses Durchblasen sehr rasch an und bewirkt Kraftverlust, Störung der Zylinderschmierung und Abnutzung des Ringes, was bei manchen Maschinen einen Bruch des Ringes ergibt. Es ist gezeigt worden, dass dieses Phänomen, das allgemein als "Flattern des Kolbenringes" bekannt ist, nicht in einer Schwingbewegung im gewöhnlichen Sinne be- steht, sondern in einer radialen Verengung des Ringes während eines bestimmten Teiles jeder Arbeitsperiode der Maschine begründet ist.

Der Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung ist, dieses übermässige Durchblasen bei hohen Maschinendrehzahlen zu vermeiden.

Die Erfindung besteht demgemäss in einer Brennkraftmaschine, bei der die Querschnitte von Kolbenring und Nut in Bezug zueinander so gestaltet sind, dass, wenn der Ring unter der Wirkung der Trägheitskräfte sich axial in seiner Nut bewegt, der auf einen genügend grossen Teil der inneren Fläche des Ringes wirkende Gasdruck im wesentlichen ebenso hoch ist wie der Druck des Gases, das versucht, an dem Ring vorbeizulecken. Die auf die innere Fläche des Ringes wirkende resultierende Gaskraft ist dabei in Verbindung mit der Steifheit des Ringes so gross, dass eine radiale Verengung des Ringes infolge der durch das Gas, das zwischen der Aussenfläche des Ringes und der Zylinderwand durchsickert, ausgeübten Kraft vermieden wird.

Nach einer vorzugsweisen Anordnung ist sowohl der Kolbenring als auch die Nut mit je einer Zwischen-Anlagefläche zwischen der oberen und der unteren Begrenzungsfläche versehen, die in einer im wesentlichen rechtwinkligen Ebene zur Zylinderachse liegt. Die Anlage dieser Zwischen-Anlageflächen aneinander begrenzt die Aufwärtsbewegung des Kolbenringes und stellt sicher, dass stets ein genügendes Spiel zwischen dem Oberteil des Ringes und dem Oberteil der Nut vorhanden ist, um dem Gasdruck Zutritt zur inneren Fläche des Ringes zu geben, wobei vorausgesetzt wird, dass die Gase im Verbrennungsraum auf den Kolbenboden wirken.

Mit dieser Anordnung wird ein entsprechender Gasdruck über die ganze innere Fläche des Ringes erhalten, wenn der Ring an der unteren Grenze seiner axialen Wanderung ist bzw. über einen genügend grossen Teil der Innenfläche, wenn der Ring an der oberen Grenze seiner axialen Wanderung steht.

Die Erfindung wird vollständiger aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit der anliegenden Zeichnung verstanden, in welcher:

die Figuren 1, 2, 3 und 4 Längsschnitte von vier Ausführungsformen der Erfindung sind und in jedem Fall einen Teil eines Kolbenringes mit seiner zugehörigen Nut zeigen.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist der Kolbenring 1 mit einem im wesentlichen L-förmigen Querschnitt gebaut, wie in Fig. 1 gezeigt oder vorzugsweise und um einen mehr symmetrischen Querschnitt für den Ring zu verwenden, kann der Ring einen im wesentlichen U-förmigen oder W-förmigen Querschnitt besitzen, wie in Fig. 2 oder 3 gezeigt, wobei die Arme des U oder des W nach innen zeigen und die Basis des U oder des W die Zylinderwandung berühren. In jedem Falle ist der Kolben 10 mit einer abgesetzten Nute 3 versehen, die entsprechend geformt ist, um dem Querschnitt des Ringes zu entsprechen, wobei die diesbezüglichen Abmessungen des Ringes und seiner Nute so sind, dass nur die oberen und unteren Flächen 4 und 5 des unteren Armes 6 des Ringes 1 in Berührung mit den Wänden der Nute 3 kommen, während genügend Spiel zwischen dem Oberteil 7 des Ringes und den Wänden der Nute 3 gelassen ist, um den notwendigen Weg für den Gasfluss zu der inneren Fläche 9 des Ringes vorzusehen. Ein ähnliches Spiel ist zwischen dem Mittelteil 8 des Ringes und den Wänden der Nute 3 im Falle der Anordnung nach Fig. 3 gelassen.

Bei der abgeänderten Bauart nach Fig. 4 ist die Erfindung an einem keilförmigen Kolbenring angewendet gezeigt. Der Ring hat einen L-förmigen Querschnitt, aber die nach innen sich erstreckenden Flächen 11 und 12 konvergieren wie gezeigt, wobei der Oberteil des Ringes ebenfalls eine geneigte Fläche 13 aufweist. Der Kolben 10 ist mit einer abgesetzten Nute 14 versehen gemäss der Form des Kolbenringes, wobei das erforderliche Spiel für den Gasfluss zwischen den Flächen 13 des Oberteiles des Ringes und der Nut wie in dem Fall der Anordnung nach Fig. 1 vorgesehen ist. Die am meisten befriedigenden Ergebnisse zeigen sich, wenn der Winkel zwischen den Flächen 11 und 12 ungefähr 10° beträgt, während der Winkel zwischen den Flächen 11 und 13 ungefähr 20° ist.

Claims (3)

1) Kolben- und Kolbenring-Anordnung für Brennkraftmaschinen mit profilierten Kolbenringen, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des Kolbenringes auf der Nutseite im wesentlichen genau so ausgebildet ist wie das Profil der Nut, in welcher der Kolbenring Aufnahme findet und dass das Axialspiel des Kolbenringprofil-Radialschenkels, der sich auf der dem Verbrennungsraum abgewandten Seite des Kolbenringes befindet, auf der Verbrennungsraumseite kleiner ist als das Axialspiel der übrigen senkrecht oder im wesentlichen senkrecht zur Zylinderachse auf der Verbrennungsraumseite gelegenen, an den entsprechenden Nutflächen zur Anlage kommenden Anlageflächen des Kolbenringes ist, sodass, wenn sich der Kolbenring infolge seiner Trägheit innerhalb seiner Nut verschiebt, die Aufwärtsbewegung (d.h. die Bewegung in Richtung des Kolbenbodens) desselben begrenzt ist und zwischen der Kolbenring-Oberflanke und der oberen Nutflanke ein kleiner Zwischenraum bleibt, durch welchen der Gasdruck Zutritt zur Innenseite des Kolbenringes hat und auf diese Fläche wirken kann, sodass die Resultierende aus diesem Gasdruck und der Steifheits-Spreizkraft des Kolbenringes gross genug ist, um eine radiale Verengung des Ringes auf Grund des Druckes, der von dem zwischen Kolbenringaussenseite und Zylinderwand durchleckenden Gas ausgeübt wird, zu verhindern.

2) Kolben- und Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring einen L-, U-, W- oder keilförmigen Querschnitt aufweist, wobei der Kolben eine abgesetzte, dem Querschnitt des Ringes entsprechende Nut aufweist.

3) Kolben- und Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die relativen Abmessungen des Ringes und der Nut so sind, dass nur die obere und untere Fläche des unteren Schenkels des Ringes in Berührung mit den Flanken der Nut kommt und entsprechendes Spiel zwischen dem Oberteil des Ringes und den Wänden der Nut vorgesehen ist, um dem Gasdruck den Zutritt zu der inneren Fläche des Ringes zu ermöglichen.