DE2811528B2 - Kolben und Kolbenring für Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen - Google Patents
Kolben und Kolbenring für Kolbenmaschinen, insbesondere BrennkraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben und Kolbenring für Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen,
bei denen die axiale Dicke des aus Metall bestehenden Kolbenringes in Bereichen kleineren
Durchmessers geringer als in Bereichen von demgegenüber größerem Durchmesser ist und jeweils wenigstens
diejenigen einander gegenüberliegenden Seitenwände von Kolbenring und einer diesen lose aufnehmenden
Ringnut des Kolbens, die während des Krafthubes des Kolbens abdichtend aneinander liegen, in radialer
Richtung von außen nach innen, gegenüber der abgewandten Seitenwand von Kolbenring bzw. Ringnut
im wesentlichen unter dem gleichen Winkel konvergieren.
Kolben und Kolbenring für Kolbenmaschinen mit diesen Merkmalen sind aus den US-PS 13 81 993 und
37 27 927 bekannt. Hierbei weist in einem Fall der Kolbenring im wesentlichen den Querschnitt eines
gleichschenkligen Dreiecks auf, wobei die beiden gleichen Schenkel in eine entsprechende Nut von
gleichem Querschnitt eingreifen. Die in die Nut eingreifende Spitze kann auch abgeflacht sein. Im
anderen Fall ist bei ähnlichem Querschnitt die mit der Innenfläche des Zylinders zusammenwirkende Fläche
des Kolbenringes ballig oder schräg auszubilden. Bei beiden bekannten Anordnungen hebt sich der Kolbenring
jeweils ausschließlich während des Arbeitshubes des Kolbens unter der Wirkung des dann herrschenden
Gasdruckes von der dem Druckraum näher liegenden Nutenwandung ab. Dadurch wird erreicht, daß auf diese
Seitenwand des Kolbenringes der volle Gasdruck zur Wirkung kommen kann. Die Abdichtung zwischen
Kolbenring und Ringnut erfolgt dabei ausschließlich zwischen der von dem Druckraum abweisenden
Seitenwand des Kolbenringes und der entsprechenden Begrenzungsfläche der Nut, die einen größeren
Querschnitt, insbesondere einen größeren öffnungswinkel als der dreieckförmige oder keilförmige Querschnitt
des Kolbenringes aufweisen kann. Bei dieser bekannten Anordnung kann sich der Gasdruck voll auf die eine
Seitenwand und auch auf die Rückseite oder dem Grund der Nut zugewandte Seite des Kolbenringes auswirken.
Hierdurch wird der Kolbenring unter der Wirkung des Gasdruckes mit erhöhter Kraft radial nach außen gegen
die Innenfläche der Zylinderwand gepreßt. Dies ist bei der bekannten Anordnung jedoch nur während des
ίο Arbeitshubes des Kolbens möglich. Während des
Leerhubes ist dagegen der Anpreßdruck des Kolbenringes an die Zylinderinnenwand weitgehend nur durch die
innere elastische Vorspannung des Kolbenringes selbst vorgegeben.
Bei einem Kolben und Kolbenringe für Kolbenmaschinen einer anderen Gattung weist der Kolbenring
einen solchen Querschnitt auf, daß der Kolbenring quer zu seiner Umfangsrichtung tordiert oder in seinem
Querschnitt automatisch schief gestellt wird. Diese Schiefstellung erfolgt derart, daß der Kolbenring
sowohl während des Krafthubes als auch während des Leerhubes an beiden Seitenwänden der Ringnut anliegt
Hierbei erfolgt ein linienförmiger Kontakt zwischen Kolbenring und Ringnut, und zwar deshalb, weil der
Querschnitt des Ringes gegenüber dem Querschnitt der Ringnut gedreht ist (vgl. US-PS 24 59 395). Dabei soll bei
der bekannten Vorrichtung dem Kolbenring eine vorbestimmte Torsionsrichtung vorgegeben werden.
Diese wird so bestimmt, daß die Kontaktlinie im Bereich der Seitenwände, die dem Druckraum näher liegen,
radial weiter nach außen gerückt ist, als die Kontaklinie auf der anderen Seitenwand. Gleichzeitig soll dabei
gewährleistet werden, daß der Kolbenring mit einer seiner beiden radial außen liegenden Umfangskanten an
der Innenfläche des Zylinders nach Art eines Schabers wirksam wird. Diese Schaberwirkung ist auch bei einer
anderen Ausbildung von nicht tordierbaren Kolbenringen bekannt, bei denen die außenliegende Umfangskante
im Querschnitt fingerartig zu einer Schaberlippe gebogen ist (vgl. US-PS 22 12 335). Bei beiden
bekannten mit Schaberwirkung arbeitenden Anordnungen ist es praktisch nicht möglich, den vollen Gasdruck
während des Krafthubes so auf den Kolbenring zur Wirkung zu bringen, daß sich der radiale Anpreßdruck
4r> des Kolbenringes an die Innenfläche der Zylinderwand
nur während des Krafthubes verstärkt. Dies ist schon deshalb nicht möglich, weil jeder Kolbenring die
zugehörige Ringnut nach beiden Seiten hin abdichtet.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe
r>o zugrunde, einen Kolben und Kolbenring für Kolbenmaschinen
der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß die Abdichtungswirkung zwischen
Kolben und Kolbenring verstärkt und dabei zuverlässig verhindert wird, daß Verbrennungsgase in das Kurbel-
Ti wellengehäuse oder dgl. Maschinenteile bzw. öl in
überschüssigen Mengen in die Verbrennungskammer gelangen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens eine der beiden einander gegenüberlie-
W) genden, konvergierend ausgebildeten Seitenwände von
Kolbenring und Ringnut einen Abschnitt größerer radialer Abmessung aufweisen, der in einer die
Kolbenachse aufweisenden Ebene in der Weise konkav gekrümmt ist, daß zwischen den beiden Seitenwänden
hi nur ein linienförmiger Kontakt herstellbar ist.
Dieser linienförmige Kontakt wird nicht durch Tordierung des Kolbenringes, sondern durch die
Formgestaltung der Teile erzielt. Dadurch wird es
möglich, den linienförmige!! Kontakt mit nur einseitiger
Berührung von Kolbenring und Ringnut zu vereinigen, SG daß sich trotz des linienförmigen Kontaktes der volle
Gasdruck auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenringes und auf der Rückseite
<ies Ringes auswirken kann und daher der Gasdruck während des Krafthubes oder Arbeitshubes den Kolbenring mit
zusätzlicher Kraft abdichtend gegen die Innenfläche der Zylinderwand drückt. Dadurch wird trotz Ausnutzung
des vollen Gasdrucks zur Anpressung des Kolbenringes an die Zyjiaderwandung eine bessere Abdichtung
zwischen der Brennkammer der Brennkraftmaschine und dem Kurbelgehäuse erreicht, so daß keine
Verbrennungsgase in das Kurbelgehäuse und keine nennenswerten ölmengen in die Brennkammer gelangen
können.
Vorteilhafterweise ist die oder jede Seitenwand des Kolbenringes über ihre ganze radiale Ausdehnung
konkav gekrümmt Diese Krümmung am Kolbenring läßt sich leicht und billig herstellen, wobt/ die dazu
geeigneten Maßnahmen in der Figurenbeschreibung näher erläutert sind.
Durch die neue Ausbildung wird auch die Notwendigkeit ausgeschaltet, zwei unterschiedliche Arten von
Ringen vorzusehen, nämlich den eigentlichen Kolbenring als Druckring und zusätzliche Ringe als ölringe,
welche den Übertritt von überschüssigen Mengen an Öl in die Brennkammer verhindern.
Versuche haben ergeben, daß die neuen Kolbenringe selbst noch während der Einlaufphase eines Kolbens
wesentlich bessere Abdichteigenschaften als die üblichen Ringe zeigen. Wenn zwei Kontaktlinien auf der
gleichen Seite des Kolbenringes vorgesehen sind, liegen diese in einem wesentlichen radialen gegenseitigen
Abstand, der etwa der radialen Tiefe der Ringnut entspricht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Draufsicht eines Kolbenringes mit den Merkmalen nach der vorliegenden Erfindung,
Fig.2 eine Seitenansicht des Kolbenringes nach
Fig. 1,
F i g. 3 in größerem Maßstab einen Querschnitt durch den Kolbenring nach Fig. 1, wobei der Schnitt entlang
der Schnittlinie 3-3 der F i g. 1 geführt ist,
Fig.4 in weiter vergrößertem Maßstab und im
Ausschnitt einen Kolbenring nach F i g. 1 und 2 in seiner Gebrauchsstellung innerhalb der Ringnut eines zugehörigen
Kolbens,
F i g. 5 in schematischer Darstellung eine Anordnung
zur Herstellung der gewünschten Querschnittsform der oberen und der unteren Seitenwand des Kolbenringes
nach Fig. 1 —4und
Fig.6 in ähnlicher Darstellung wie Fig.4 ein
abgewandeltes Ausführungsbeispiel von Kolben und Kolbenring einer Kolbenmaschine.
Bei den Kolbenringen handelt es sich um elastisch vorgespannte ringförmige Metallringe, die in eine Nut
eines Kolbens eingelegt sind, um eine bewegliche Abdichtung an der Innenfläche der Zylinderwand
zwischen der Brennkammer und dem Kurbelgehäuse einer Kolbenmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine,
zu gewährleisten.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 wird ein Kolbenring 10 beschrieben. Der Kolbenring ist bei 12
geschlitzt. Er weist eine äußere Umfangswand 14 auf, die häufig als die Kolbenring-Oberfläche bezeichnet
wird. Weiterhin weist er eine radial nach innen konvergierende oder geneigte obere Seitenwand 16 und
eine radial nach innen konvergierende Bodenwand 18 auf. Die innere Umfangswand ist mit 20 bezeichnet Die
5 obere Seitenwand 16 und die untere Wand 18 sind so ausgebildet, daß sie jeweils eine geringfügig konkave
Querschnittsgestalt annehmen, wie dies noch deutlicher aus Fig.4 hervorgeht, in der der Kolbenring 10 in
seiner Arbeitsstellung in einer Nut 22 geneigt ist, die in
ίο der Umfangswand eines zugehörigen Kolbens 24
eingearbeitet ist Die Nut 22 wird durch eine radiale nach innen konvergierende obere Seitenwand 26 und
eine radial nach innen konvergierende Bodenwand 28 sowie eine Innenwand 30 begrenzt Der Kolben 24 ist
geeignet innerhalb eines Zylinders hin- und herbewegt zu werden, der durch die Zylinderwand 32 angedeutet
ist. Der Durchmesser des Ringes 10 im entspannten Zustand ist geringfügig größer als die lichte Weite der
Zylinderbohrung. Wenn folglich der Ring in den Zylinder gedrückt wird, preßt er sich gegen die
Zylinderwand 32 der Maschine an und neigt dazu, eine
Dichtung herzustellen. Diese anfängliche Dichtungswirkung wird wesentlich im Betrieb durch die Drücke
unterstützt oder verbessert die während des Druckhubes oder Krafthubes von der Maschine ausgeübt
werden, wie dies in F i g. 4 angedeutet ist wobei hier die vorhandenen Spalte zur Verdeutlichung übertrieben
dargestellt sind. Der Druck der komprimierten Luft oder der komprimierten Gase gegen die Oberfläche 16
des Ringes 10 preßt den Ring nach unten auf die untere Seitenwand 28 der Umfangsnut 22 des zugehörigen
Kolbens 24. Dadurch erhält man eine nockenartige Wirkung, aufgrund welcher der Ring 10 radial nach
außen gedrückt wird. Dies führt zu einem Spalt an der Oberseite 16 des Ringes. Dieser Spalt läßt den Gasdruck
auf die Rückseite 20 des Ringes einwirken. Dieser auf die Rückwand 20 einwirkende Druck treibt zusätzlich
den Ring nach außen in festeren Kontakt mit der Zylinderwand 32. Wenn nur ein geringer oder kein
Gasdruck abgedichtet werden muß, liegt der Ring in seiner Nut 22 frei mit Spiel, und seine eigene Spannung
erzeugt nur einen geringen Druck gegen die Zylinderwand 32. Die Reibung und die Abnutzung sind in dieser
Phase stark herabgesetzt. Wenn jedoch der Gasdruck ansteigt, wird der Ring um so fester sowohl gegen die
Zylinderwand 32 als auch gegen die Kolbennutwand 22 gedrückt, was zu einer Verbesserung der Abdichtung
und zur Verminderung des Ausleckens führt Man erhält somit eine effektivere und gegen Verschmutzung freie
Maschine.
Es wurde festgestellt, daß die gekrümmte Querschnittsgestalt der oberen Seitenwand 16 und der
unteren Wand 18 des Ringes 10 einen im Betrieb wirksameren Kolbenring schafft, der verbesserte
Abdichtungseigenschaften und damit eine verbesserte Arbeitscharakteristik für die Maschine liefert. Aufgrund
der gekrümmten Gestalt der oberen und unteren Seitenwände des Kolbenringes erhält man einen
linienförmigen Kontakt zwischen einer der nach innen
bo konvergierenden oberen oder unteren Wände des
Kolbenringes und der dieser Wand gegenüberliegenden Wand der Nut.
F i g. 4 zeigt insbesondere den Kolben und Kolbenring während eines Druckhubes der Maschine. Der
fei Druck der Verbrennungsgase wird augenblicklich auf
die Oberseite 16 und die Rückwand 20 des Kolbenringes wirksam und liefert eine nach außen gerichtete
Druckkomponente, die dazu neigt, die Ringfläche 14 in
abdichtende Berührung mit der Zylinderwand 32 zu halten. Es ist ersichtlich, daß die untere Wand 18 des
Ringes dazu neigt, nockenartig nach außen entlang der geneigten Wand 28 der Nut 22 zu wandern, da die von
oben kommenden Kräfte auf den Ring 10 wirken. Es wurde festgestellt, daß diese Wirkung dazu neigt, eine
abdichtende Wirkung zu schaffen und aufrechtzuerhalten, und zwar zwischen der Ringfläche 14 und der
Zylinderwand 32. Zu dieser Zeit steht gleichzeitig die untere Fläche 18 des Ringes in linienförmiger
Kontaktberührung mit der unteren Fläche 28 der Nut 22, und zwar an der unteren Kante der Wand 20 des
Ringes, wie dies bei A angedeutet ist, sowie an der äußeren Kante der unteren Wand 28 der Nut 22, wie
dies bei Bangedeutet ist, so daß die senkrechten Kräfte
dazu neigen, den Ring in abdichtende Beziehung mit der Nut 22 zu bringen, wobei diese Abdichtungskräfte
konzentriert sind an den Kontaktlinien A und B. Es wurde festgestellt, daß selbst bei der Einlaufperiode von
neuen Ringen die dargestellte Gestaltung zur verbesserten Arbeitscharakteristik führt. Insbesondere läßt sich
dadurch der Ölverbrauch sowie die Menge der entweichenden Gase wesentlich herabsetzen.
Die Technik zum Fertigstellen der oberen Wand 16 und der Bodenwand 18 des Ringes 10 wird mit einer
Vorrichtung bewerkstelligt, die schematisch in Fig.5
dargestellt ist. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer rotierenden Läpp-Kugel 40, deren Umfangsfläche
mit Schleifpartikelchen überzogen ist. Der Kolbenring 10, der fertiggestellt werden soll, wird in
entsprechender Weise in einer ringförmigen Halterung 42 unterstützt. Eine scheibenförmige Niederhalteplatte
oder Andrückplatte 44 mit einem Durchmesser geringfügig größer als der Innendurchmesser der
Halterung 42 dient dazu, einen im wesentlichen gleichförmig nach unten gerichteten Druck auf die
obere Seitenwand 16 des Ringes 10 auszuüben, um die Bodenseitenwand des Ringes in innigem Kontakt mit
der kugelförmigen Umfangsfläche der Läpp-Kugel 40 zu bringen. Wenn die Läpp-Kugel 40 um ihre Achse
oder die Achse des Ringes rotiert, schaffen die Schleifpartikelchen auf deren Oberfläche eine konkave
Fläche auf der Bodenseitenwand 18 des festgehaltenen Ringes 10. Wenn die gewünschte Oberflächengestalt
und Glätte erreicht sind, wird der Ring umgedreht, so daß die entgegengesetzte Seitenwand 16 nunmehr in
Kontakt mit der kugelförmigen Schleiffläche gebracht wird, um auch dort die gewünschte konkave Gestalt zu
erzielen. Um den Radius der Läpp-Kugel bestimmen zu können, der verwendet werden muß für einen
vorgegebenen Ring, kann die folgende Bestimmungsmethode mit Erfolg angewendet werden:
« = 180-90-0 = 90-0
Φ = 180-90-α = 90-α
Φ = 90-(90-θ)=θ
Φ =
Φ = 180-90-α = 90-α
Φ = 90-(90-θ)=θ
Φ =
oder R = AfSm θ.
Deshalb
Worin
A =
und
R = A/Sin θ .
Ringdurchmesser - Ringwandung
Da Φ = θ.
θ = der Keilwinkel ist.
ίο Die F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform ähnlich der, wie
sie in der Ausführungsform nach F i g. 1 bis 5 dargestellt ist, jedoch weist der Kolbenring 10' nur eine radial nach
innen konvergierende Seitenwand auf. In dieser besonderen Ausführungsform nach F i g. 6 ist die obere
Seitenwand 16' flach und allgemein senkrecht zur Ringfläche Ϊ4'. Der Ring iö weist eine rückwärtige
Wand 20', die allgemein parallel zur Ringfläche 14' verläuft, sowie eine nach innen konvergierende
Bodenwand 18' auf. Die zugehörige Nut 22' des Kolbens 24' weist eine Innengestaltung ähnlich dem Querschnitt
des Ringes 10' auf. Insbesondere umfaßt die Nut 22' eine obere Seitenwand 26', die allgemein flach ist, eine radial
nach innen konvergierende Bodenwand 28' und eine flache rückwärtige Wand 30'. Wie in dem zuvor
beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Abdichtungswirkung des Kolbenringes 10' im Betrieb verbessert
durch den Druck der Maschinengase. Während des Druckhubes drücken beispielsweise die komprimierten
Gase gegen die obere Wand 16' des Ringes 10' und zwingen den Ring nach unten gegen die Wand 28' der
Nut 22' des Kolbens 24'. Damit wird der Ring 10' nockenartig radial nach außen geschoben. Diese
Wirkung führt zu einem Spalt an der Oberseite 16' des Ringes 10', so daß der Gasdruck nun auch an die
rückwärtige Wand 20' gelangen kann, um zusätzlichen Druck gegen den Ring 10' auszuüben, um diesen nach
außen gegen die Zylinderwand 32' zu expandieren.
Wie in dem zuvor beschriebenen Beispiel werden die verbesserten Dichtungseigenschaften und Betriebseigenschaften
aufgrund der gekrümmten Gestaltung der Bodenwand 18' erreicht Der dadurch bedingte linienförmige
Kontakt zwischen dem gekrümmten Boden 18' des Ringes 10' und der Bodenwand 18' der zugehörigen
Nut 22', wie dies bei Λ'und 5'in F i g. 6 gezeigt ist, führt
zu wesentlich verbesserten Betriebseigenschaften. Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das jedoch nicht so sehr
bevorzugt wird wie das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel, umfaßt eine Kolbenringausbildung mit
wenigstens einer radial nach innen konvergierenden Wand mit einer geringfügig konvex gekrümmten
Gestalt Die zugehörige Nut des Kolbens ist geeignet, um den Ring aufzunehmen, und wird durch eine radial
nach innen konvergierende, der konvexen Begrenzungsfläche des Ringes gegenüberliegende Wand
begrenzt
Wie in den zuvor beschriebenen Beispielen wird die Abdichtungswirkung des Kolbenringes aufgrund der
gekrümmten Gestalt der Ringoberfläche in Kontakt mit der zugehörigen Nutoberfläche erreicht
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Kolben und Kolbenring für Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, bei denen die
axiale Dicke des aus Metall bestehenden Kolbenringes im Bereich kleineren Durchmessers geringer als
in Bereichen von demgegenüber größerem Durchmesser ist und jeweils wenigstens diejenigen
einander gegenüberliegenden Seitenwände von Kolbenring und einer diesen lose aufnehmenden
Ringni. des Kolbens, die während des Krafthubes des Ko:L 'ns abdichtend aneinanderliegen, in radialer
Richsng von außen nach innen, gegenüber der
abgc-wan(Jtii:! Seitenwand von Kolbenring bzw.
Ringnut, im -v,;sentlichen unter dem gleichen Winkel
konvertieren, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden einander gegenüberliegenden,
konvergierend ausgebildeten Seitenwände (16, 26 bzw. 18, 28) von Kolbenring (10) und
Ringnut (22) einen Abschnitt größerer radialer Abmessungen aufweist, der in einer die Kolbenachse
aufweisenden Ebene in der Weise konkav gekrümmt ist, daß zwischen den beiden Seitenwänden nur ein
linienförmiger Kontakt herstellbar ist.
2. Kolben und Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Seitenwand
des Kolbenringes (10) über ihre ganze radiale Ausdehnung konkav gekrümmt *,nd.
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