CH658106A5

CH658106A5 - PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH A SLOTED PISTON RING.

Info

Publication number: CH658106A5
Application number: CH4395/82A
Authority: CH
Inventors: Goosen Joop Hellingman
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1982-07-19
Filing date: 1982-07-19
Publication date: 1986-10-15
Also published as: JPS6336417B2; DE3227583A1; DK273983D0; DK154720C; JPS5928050A; GB8319157D0; GB2124332A; DK154720B; IT1163760B; DE3227583C2; DK273983A; IT8322023A0; GB2124332B

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine mit einem geschlitzten Kolbenring, welcher in seiner Lauffläche eine sich quer zur Kolbenringachse erstreckende Nut aufweist, wobei die Nut über wenigstens einen quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Kanal mit der dem Zylinderkopf zugekehrten Seite des Kolbenrings verbunden ist, und einer Schmieröffnungen aufweisenden Zylinderlauffläche. The invention relates to a piston internal combustion engine with a slotted piston ring, which has in its tread a groove extending transversely to the piston ring axis, the groove being connected via at least one channel running transversely to the circumferential direction to the side of the piston ring facing the cylinder head, and a cylinder running surface having lubrication openings .

Kolbenbrennkraftmaschinen mit derartigen Kolbenringen sind an sich bekannt. So ist z.B. im «Engineer's Handbook of Piston Rings, Seal Rings, Mechanical Shaft Seals», Eighth Edition, Koppers Company, Inc., Seite 55, ein Kolbenring offenbart, welcher eine senkrecht zur Kolbenringachse verlaufende Umfangsnut mit parallel zur Kolbenringachse verlaufenden Kanälen aufweist. Piston internal combustion engines with such piston rings are known per se. For example, in the "Engineer's Handbook of Piston Rings, Seal Rings, Mechanical Shaft Seals", Eighth Edition, Koppers Company, Inc., page 55, discloses a piston ring which has a circumferential groove running perpendicular to the piston ring axis with channels running parallel to the piston ring axis.

Dieser Stand der Technik weist jedoch den Nachteil auf, dass die Ölverteilung entlang der Nut verhältnismässig schlecht ist, da die Gasströmung beim Eintritt in die Umfangsnut in kinetisch ungünstiger Weise in einem Winkel von 90° umgelenkt werden muss, was zu einem Verlust eines grossen Teils der im Gasstrom enthaltenen kinetischen Energie führt. Die Folge ist einerseits eine ungenügende Verteilung in Umfangsrichtung und andererseits eine ungenügende Durchspülung der Umfangsnut, was zur Ansammlung von Verbrennungsrückständen und baldiger Verstopfung der Umfangsnut führt. Eine weiterer Nachteil ist, dass bei dem bekannten Kolbenring weder eine Bestimmung der Stellung des Kolbenrings relativ zum Kolben in Umfangsrichtung desselben noch eine Überwachung der Abnutzung des Kolbenrings möglich ist. However, this prior art has the disadvantage that the oil distribution along the groove is relatively poor, since the gas flow must be deflected in a kinetically unfavorable manner at an angle of 90 ° when entering the circumferential groove, which leads to a loss of a large part of the kinetic energy contained in the gas stream. The result is, on the one hand, an insufficient distribution in the circumferential direction and, on the other hand, an insufficient flushing of the circumferential groove, which leads to the accumulation of combustion residues and the blockage of the circumferential groove soon. A further disadvantage is that in the known piston ring it is neither possible to determine the position of the piston ring relative to the piston in the circumferential direction thereof nor to monitor the wear of the piston ring.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kolbenbrennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche nicht nur eine wesentlich wirkungsvollere Ölverteilung in Umfangsrichtung des Kolbenrings und somit bessere Laufeigenschaften aufweist, sondern auch eine Stellungs- und Abnutzungsbestimmung für die Kolbenringe gestattet. The object of the invention is to provide a piston internal combustion engine of the type mentioned, which not only has a significantly more effective oil distribution in the circumferential direction of the piston ring and thus has better running properties, but also permits position and wear determination for the piston rings.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Nut zusammenhängend über dem Umfang des Kolbenrings schraubenlinienförmig verläuft. The solution to this problem is characterized in that the groove extends helically around the circumference of the piston ring.

Hierdurch lässt sich erreichen, dass beim Überstreichen der Schmierbohrungen durch den Kolbenring unter Einwirkung des Gasdruckes eine Ölströmung in Umfangsrichtung und in Axialrichtung der im Kolbenring schraubenlinienförmig verlaufenden Nut stattfindet. Somit wird nicht nur eine gute Ölverteilung in Umfangsrichtung erreicht, sondern auch eine wirkungsvolle Durchspülung der im Kolbenring verlaufenden Nut zwecks Reinigung von Abrieb und Verbrennungsrückständen erzielt. In this way it can be achieved that when the lubrication bores are swept through the piston ring under the action of the gas pressure, an oil flow takes place in the circumferential direction and in the axial direction of the groove running helically in the piston ring. This not only achieves a good oil distribution in the circumferential direction, but also an effective flushing of the groove running in the piston ring for cleaning abrasion and combustion residues.

Ausserdem lässt sich anhand der schraubenlinienförmi-gen Nut eine Stellungs- und Abnutzungsbestimmung durchführen, wie in der DE-PS 2 517 751 offenbart. Diese bereits bekannte Nut ist jedoch mit einem nicht magnetisierbaren festen Material gefüllt und daher für die Schmierzwecke gemäss der Erfindung unbrauchbar. In addition, the helical groove can be used to determine the position and wear, as disclosed in DE-PS 2 517 751. However, this already known groove is filled with a non-magnetizable solid material and is therefore unusable for the lubrication purposes according to the invention.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann der mit der Nut verbundene Kanal schräg zur Umfangsrichtung verlaufen. Hierdurch lässt sich die Strömung des Öls in der Nut mit Hilfe des in Strömungsrichtung wirkenden Gasdrucks wesentlich beschleunigen und zusätzlich eine Drall Wirkung erzeugen, welche die Verteilung des Öls in einer bestimmten Umfangsrichtung bei einer vorgegebenen Schrägungsrichtung wesentlich verbessert. According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the channel connected to the groove can run obliquely to the circumferential direction. As a result, the flow of the oil in the groove can be significantly accelerated with the aid of the gas pressure acting in the direction of flow and, in addition, a swirl effect can be produced which significantly improves the distribution of the oil in a certain circumferential direction at a given direction of inclination.

Die Nut kann einen Querschnitt mit einer Breite B aufweisen, welche mit zunehmendem Abstand von der Lauffläche des Kolbenrings abnimmt. Hierdurch lässt sich auf einfache Art in an sich bekannter Weise die Abnutzung der Lauffläche des Kolbenrings bestimmen. The groove can have a cross section with a width B, which decreases with increasing distance from the running surface of the piston ring. In this way, the wear of the running surface of the piston ring can be determined in a simple manner in a manner known per se.

Der Nutquerschnitt kann dabei dreieckförmig sein. Hierdurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ölspeicherwir-kung der Nut. The groove cross section can be triangular. This results in a particularly advantageous oil storage effect of the groove.

Die untere Nutflanke kann senkrecht zur Lauffläche des Kolbenrings verlaufen. Durch diese Gestaltung ist eine besonders einfache Bestimmung der Stellung bzw. Drehlage des Kolbenrings möglich. The lower flank of the groove can run perpendicular to the running surface of the piston ring. This design enables a particularly simple determination of the position or rotational position of the piston ring.

Schliesslich kann das Nutensystem des Kolbenrings mit als Bohrungen ausgebildeten Schmieröffnungen in der Zylinderlauffläche zusammenwirken. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Gestaltung der Schmierölzufuhr in den Zylinder. Finally, the groove system of the piston ring can interact with lubrication openings formed as bores in the cylinder running surface. This results in a particularly simple design of the lubricating oil supply in the cylinder.

Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit nachstehender Zeichnung. Es zeigen: The invention is explained in more detail using exemplary embodiments in conjunction with the drawing below. Show it:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Zylinder einer Kolbenbrennkraftmaschine mit einem darin befindlichen, mit Kolbenringen versehenen Kolben, 1 shows a longitudinal section through the cylinder of a piston internal combustion engine with a piston located therein and provided with piston rings,

Fig. 2 einen Abschnitt eines der Kolbenringe nach Fig. 1 in vergrösserter Darstellung von vorne, in seiner Ringebene betrachtet, 2 shows a section of one of the piston rings according to FIG. 1 in an enlarged view from the front, viewed in its ring plane,

Fig. 3 eine Grundriss zu Fig. 2, 3 is a plan view of FIG. 2,

Fig. 4 einen Abschnitt eines gasdichten Kolbenrings, in mit Fig. 2 analoger Darstellung, und Fig. 4 shows a portion of a gas-tight piston ring, in an analogous representation with Fig. 2, and

Fig. 5 einen Schnitt gemäss der Linie V—V nach Fig. 4. Eine Zylinderbüchse 10 (Fig. 1) einer Zweitakt-Diesel-maschine, z.B. für Schiffsbetrieb, ist in bekannter Weise mit Einlassöffnungen 12 und Auslassöffnungen 14 versehen und weist an ihrer inneren Zylinderwand 16 Schmierbohrungen 20 auf, welche mit Schmieröl gespeist werden. In der Zylinderbüchse 10 ist ein Kolben 22 beweglich angeordnet, mit einem Oberteil 24, in welchem in Kolbenringnuten Kolbenringe 26 konventioneller Art sowie Kolbenringe 28, 30 mit über den Umfang schraubenlinienförmig verlaufenden Nuten geführt sind. An den Oberteil 24 schliesst sich ein Unterteil 32 an, der eine im wesentlichen zylindrische Aussenfläche aufweist, deren Aussendurchmesser etwas geringer ist als der Aussendurchmesser des Oberteils 24. Der Kolben 22 ist an einer nicht dargestellten Kolbenstange befestigt, deren ande2 Fig. 5 shows a section along the line V-V of Fig. 4. A cylinder liner 10 (Fig. 1) of a two-stroke diesel engine, e.g. for ship operation, is provided in a known manner with inlet openings 12 and outlet openings 14 and has on its inner cylinder wall 16 lubrication holes 20 which are fed with lubricating oil. A piston 22 is movably arranged in the cylinder liner 10, with an upper part 24, in which piston rings 26 of a conventional type and piston rings 28, 30 with grooves extending helically over the circumference are guided in piston ring grooves. Connected to the upper part 24 is a lower part 32, which has an essentially cylindrical outer surface, the outer diameter of which is somewhat smaller than the outer diameter of the upper part 24. The piston 22 is fastened to a piston rod, not shown, the other of which

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

658 106 658 106

res Ende in bekannter Weise an einem nicht dargestellten Kreuzkopf angelenkt ist. res end is articulated in a known manner on a crosshead, not shown.

Der Kolbenring 28 (Fig. 2, 3) weist in bekannter Weise eine zum Anpressen an die Zylinderwand 16 der Zylinderbüchse 10 bestimmte Lauffläche 34 sowie als Schloss einen Schlitz 38 auf, welcher eine Federung und ein Anpressen der Lauffläche 34 an die Zylinderwand 16 gestattet. The piston ring 28 (FIGS. 2, 3) has, in a known manner, a tread 34 intended for pressing against the cylinder wall 16 of the cylinder liner 10 and, as a lock, a slot 38, which permits suspension and pressing of the tread 34 against the cylinder wall 16.

Erfindungsgemäss weist der Kolbenring 28 eine zusammenhängend über den Umfang desselben schraubenlinienförmig verlaufende Nut 36 auf und ist mit schräg zur Umfangsrichtung verlaufenden Kanälen 40 versehen, die in die Nut 36 einmünden und welche zur oberen Stirnfläche 42 des Rings bzw. seiner Umfangsrichtung unter einem Winkel a verlaufen, der zweckmässigerweise mehr als ca. 30° beträgt, jedoch kleiner als 90° ist. According to the invention, the piston ring 28 has a groove 36 which extends helically around the circumference thereof and is provided with channels 40 which run obliquely to the circumferential direction and which open into the groove 36 and which run at an angle a to the upper end face 42 of the ring or its circumferential direction , which is expediently more than about 30 °, but is less than 90 °.

Der gasdichte Kolbenring 30 (Fig. 4, 5) weist als Schloss 44 an seinen Enden ineinandergreifende Lappen 46,48 auf, wie z.B. aus der CH-PS 482 954 bekannt ist. Die schrauben-linienförmige Nut 50 endet in diesem Falle vor dem Schloss 44, wobei senkrecht zur oberen Stirnfläche 42 bzw. Umfangsrichtung verlaufende Kanäle 52 in die schraubenlinienförmig verlaufende Nut 50 einmünden. The gas-tight piston ring 30 (FIGS. 4, 5) has, as a lock 44, interlocking tabs 46, 48 at its ends, e.g. is known from CH-PS 482 954. In this case, the helical groove 50 ends in front of the lock 44, channels 52 running perpendicular to the upper end face 42 or circumferential direction opening into the helical groove 50.

Für ein Betriebsbeispiel der Kolbenbrennkraftmaschine wird angenommen, dass sich der Kolben 22 unter Einwirkung des Gasdruckes aus seiner oberen Totpunktlage in Richtung zur Kurbelwelle bewegt, wobei gemäss Fig. 4 die 5 schematisch dargestellte Schmierbohrung 20 mit der Nut 50 koinzidiert. Gemäss Pfeil 54 strömt Gas durch den Kanal 52 bzw. durch die Nut 50, wobei Gas gemäss Pfeil 56 über die Schmierbohrung 20 strömt und die Schmierölströmung durch die Nut beschleunigt. Gleichzeitig findet eine Durch-io spülung bzw. Reinigung der Umfangsnut durch die Gasströmung gemäss Pfeil 58 statt. Zusätzlich dienen die Kanäle 40, 52 zum Druckausgleich in Verbindung mit der Nut 36, 50. For an operating example of the piston internal combustion engine, it is assumed that the piston 22 moves under the action of the gas pressure from its top dead center position in the direction of the crankshaft, the lubrication bore 20 shown schematically in FIG. 4 coinciding with the groove 50. According to arrow 54, gas flows through the channel 52 or through the groove 50, gas according to arrow 56 flowing over the lubrication bore 20 and accelerating the lubricating oil flow through the groove. At the same time, the circumferential groove is flushed or cleaned by the gas flow according to arrow 58. In addition, the channels 40, 52 serve for pressure equalization in connection with the groove 36, 50.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, verläuft die untere Flanke 60 der Nut 50 senkrecht zur Lauffläche 34 des Kolbenrings 30. 15 Der Abstand L zur unteren Stirnfläche 62 des Kolbenrings ergibt dabei die Stellung des Kolbenrings am Kolben 22 in Umfangsrichtung. Durch Messung der Breite B lässt sich die Abnutzung der Lauffläche 34 bestimmen. 5, the lower flank 60 of the groove 50 runs perpendicular to the running surface 34 of the piston ring 30. 15 The distance L to the lower end face 62 of the piston ring results in the position of the piston ring on the piston 22 in the circumferential direction. The wear of the tread 34 can be determined by measuring the width B.

20 Es versteht sich, dass die Kanäle 40, 52 wenigstens teilweise auch als Bohrungen ausgeführt sein können. It goes without saying that the channels 40, 52 can at least partially also be designed as bores.

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

658 106 PATENTANSPRÜCHE658 106 PATENT CLAIMS

1. Kolbenbrennkraftmaschine mit einem geschlitzten Kolbenring, welcher in seiner Lauffläche eine sich quer zur Kolbenringachse erstreckende Nut aufweist, wobei die Nut über wenigstens einen quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Kanal mit der dem Zylinderkopf zugekehrten Seite des Kolbenrings verbunden ist, und einer Schmieröffnungen aufweisenden Zylinderlauffläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (36,50) zusammenhängend über den Umfang des Kolbenrings (28, 30) schraubenlinienförmig verläuft. 1. Piston internal combustion engine with a slotted piston ring, which has a groove extending transversely to the axis of the piston ring in its running surface, the groove being connected via at least one channel running transversely to the circumferential direction to the side of the piston ring facing the cylinder head, and a cylinder running surface having lubrication openings characterized in that the groove (36, 50) runs helically around the circumference of the piston ring (28, 30).

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Nut (36) verbundene Kanal (40) schräg zur Umfangsrichtung verläuft. 2. Piston internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the channel (40) connected to the groove (36) extends obliquely to the circumferential direction.

3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (36, 50) einen Querschnitt mit einer Breite (B) aufweist, welche mit zunehmendem Abstand von der Lauffläche (34) des Kolbenrings (28,30) abnimmt. 3. Piston internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the groove (36, 50) has a cross section with a width (B) which decreases with increasing distance from the running surface (34) of the piston ring (28,30).

4. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutquerschnitt dreieckförmig ist. 4. Piston internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the groove cross section is triangular.

5. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Nutflanke (60) senkrecht zur Lauffläche (34) des Kolbenrings (28, 30) verläuft. 5. Piston internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the lower groove flank (60) extends perpendicular to the running surface (34) of the piston ring (28, 30).

6. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (36, 50) mit als Bohrungen (20) ausgebildeten Schmieröffnungen in der Zylinderlauffläche (16) zusammenwirkt. 6. Piston-type internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the groove (36, 50) cooperates with lubrication openings in the cylinder running surface (16) designed as bores (20).