DE3104437A1

DE3104437A1 - "diesel-brennkraftmaschine mit abgasrueckfuehrung"

Info

Publication number: DE3104437A1
Application number: DE19813104437
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Gotenba Shizuoka Tokoro; Hiromichi Yanagihara
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1980-09-04
Filing date: 1981-02-09
Publication date: 1982-09-02
Also published as: US4409947A; DE3104437C2

Description

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GD * Dipl.-Ing. H.Tiedtke

RUPE - rELLMANN ~5- Dipl.-Chem. G.Bühling

Dipl.-Ing. R. Kinne 10 ü U 31 Dipl.-Ing. R Grupe

Dipl.-Ing. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.:089-539653

Telex: 5-24 845 tipat

cable: Germaniapatent München

9. Februar 1981

DE 1006 case 2574-DE

Toyota Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha Toyota-shi, Japan

Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, bei der ein Teil des in das Abgassystem der Diesel-Brennkraftmaschine abgegebenen Abgases zum Ansaugsystem der Diesel-Brennkraftmaschine zurückgeführt wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte Kolbenausbildung bei einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, wobei die verbesserte Kolbenausbildung dazu dient, mechanischen Abrieb und Verschleiß sowie chemische Korrosion von mechanischen Teilen sowie eine Verschlechterung des Schmiermittels zu verhindern, was andernfalls durch Verunreinigungen in Form kleinster Teilchen, die schwefelsäurehaltige Bestandteile aufweisen und bei der Verbrennung in der Diesel-Brennkraftmaschine erzeugt werden, hervor gerii fen würde.

Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070 Die3dner Bank (München) Kto. 3939 B44 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

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ßei einer herkömmlichen Benzin-Brennkraftmaschine werden zunächst der Kraftstoff und die Luft miteinander vermischt, wonach das auf diese Weise erzeugte brennbare Gasgemisch in einen Brennraum eingeleitet wird. Daher werden in der Regel keine kleinsten Teilchen erzeugt,, nachdem das Gasgemisch verbrannt worden ist. Wenn ein Teil des Abgases vom Abgassystem zum Ansaugsystem zurückgeführt wird, um den Gehalt an Stickoxiden (NO ) im Abgas zu verringern, treten daher bei diesen Benzin-Brennkraftmaschinen die Schwierigkeiten nicht auf, die mit der Erzeugung solcher kleinen Teilchen verbunden sind.

Im Gegensatz dazu werden bei einer Diesel-Brennkraftmaschine, bei der der Kraftstoff in verdichtete Luft eingespritzt wird, bei Betrieb unter hoher Last kleine Teilchen erzeugt. Bei einer herkömmlichen Diesel-Brennkraftmaschine ist jedoch die Menge der maximalen Kraftstoffeinspritzung so begrenzt, daß die Entstehung kleiner Teilchen auf ein Ausmaß beschränkt ist, bei dem die Diesel-Brennkraftmaschine zufriedenstellend betrieben werden kann, obwohl die Nutzleistung der Diesel-Brennkraftmaschine im Verhältnis zum maximal möglichen Wert stark verringert ist.

Um die Abgasreinhaltungsvorschriften zu erfüllen, ist es in jüngster Zeit notwendig geworden, Diesel-Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung zu betreiben, um die Emission von Stickoxiden zu verringern. Wenn Abgas bei einer Diesel-Brennkraftmaschine zurückgeführt wird, kann jedoch die Verbrennung in den Brennräumen unvollständig werden, was zur Folge hat, daß in demjenigen Betriebsbereich, in dem mit Abgasrückführung gearbeitet wird, häufig eine große Menge kleiner Teilchen erzeugt wird. Kraftstoff für eine Diesel-Brennkraftmaschine enthält mehr schwefelhaltige Bestandteile als Benzin, und demzufolge enthalten auch die auf vorstehend erläuterte Wei-5 se durch Abgasrückführung entstehenden kleinen Teilchen eine

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große Menge schwefelhaltiger Bestandteile. Wenn solche kleinen Teilchen, die eine große Menge schwefelhaltiger Bestandteile enthalten, durch den Zwischenraum zwischen einem Kolben einer Diesel-Brennkraftmaschine und einer Zylinderlaufbüchse und vorbei an den Kolbenringen gelangen, werden sie mit Schmiermittel gemischt, das dadurch verschlechtert wird. Wenn Schmiermittel, dem solche kleinen Teilchen zugemischt sind, das Ventilantriebssystem der Diesel-Brennkraftmaschine erreicht, kann es dadurch außerdem zu mechanischem Verschleiß und Abrieb sowie chemischer Korrosion der Diesel-Brennkraftmaschine kommen.

Wie sich aus der vorstehenden Erläuterung ergibt, verursacht die Abgasrückführung bei Diesel-Brennkraftmaschinen ernste Verschleiß-, Abrieb- und Korrosionsprobleme bei den Teilen der Diesel-Brennkraftmaschine, beispielsweise den Kolben, den Kolbenringen und den Zylinderlaufbüchsen, sowie eine Verschlechterung des Schmiermittels. Diese Schwierigkeiten sind ein erhebliches Hindernis bei der Anwendung von Abgasrückführung bei Diesel-Brennkraftmaschinen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung zu schaffen, bei der der Transport von kleinen Teilchen, die während der Abgasrückführung ernste Schwierigkeiten verursachen können, von den Brennräumen zum Schmiermittel und weiter zum Ventilantriebssystem verhindert werden kann, so daß bei der Diesel-Brennkraftmaschine die durch die kleinen Teilchen verursachten Probleme nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Diesel-Brennkraftmaschine gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung wird ein Teil des Abgases vom Abgassystem

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der Diesel-Brennkraftmaschine zu ihrem Ansaugsystem zurückgeführt. Die Diesel-Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, daß auf einem Abschnitt der Außenseite des Kolbens, der in der Diesel-Brennkraftmaschine verschiebbar ist, eine Ringnut ausgebildet ist, wobei dieser Abschnitt zwischen der einem Brennraum der Diesel-Brennkraftmaschine zugewandten Oberseite des Kolbens und einer einer Zylinderlaufbüchse zugewandten Gleitfläche eines Kolbenringes des Kolbens, der sich nahe der Oberseite des Kolbens befindet, liegt, und daß in Eingriff mit der Ringnut ein im wesentlichen kreisförmiger Schutzring steht, der den Transport von kleinem Teilchenmaterial, das im Brennraum erzeugt worden ist, zur Gleitfläche des Kolbenringes verhindert.

Durch die Anwendung der Erfindung bei einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung können die Schwierigkeiten, die durch kleines Teilchenmaterial verursacht werden und bei herkömmlichen Diesel-Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung auftreten, verhindert werden. Dabei ist zu beachten, daß keine der herkömmlichen Diesel-Brennkraftmaschinen Maßnahmen zur Behebung dieser Schwierigkeiten aufweist und daß demzufolge bei keiner dieser herkömmlichen Diesel-Brennkraftmaschinen Abgasrückführung im praktischen Betrieb durchgeführt werden kann.

Der im wesentlichen kreisförmige Schutzring, der bei der Erfindung zur Anwendung kommt, kann einen Umfangsabschnitt, der sich in Umfangsrichtung entlang der Außenseite des Kolbens erstreckt, sowie einen radialen Abschnitt aufweisen, dessen eines Ende mit dem Umfangsabschnitt verbunden ist und dessen anderes Ende sich radial vom Umfangsabschnitt in Richtung zur Mittelachse des Kolbens erstreckt. Der im wesentlichen kreisförmige Schutzring kann ein sogenannter L-Ring oder T-Ring sein, und der radiale Abschnitt dieses Schutz-.

ringes kann in Eingriff mit der am Kolben ausgebildeten

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Ringnut stehen.

Vorzugsweise steht der im wesentlichen kreisförmige Schutzring mit der Ringnut des Kolbens unter einer niedrigen Spannung im Bereich von 0 und 0,7 kp in Eingriff, wobei diese Spannung entsprechend den Regelungen in der JIS (japanische Industrienorm) B 8130 gemessen wird. Die Spannung, mit der der im wesentlichen kreisförmige Schutzring der erfindungsgemäßen Diesel-Brennkraftmaschine belastet ist, ist wesentlieh geringer als diejenige, unter der ein normaler Kolbenring steht, da der im wesentlichen kreisförmige Schutzring bei der Erfindung eine spezielle Aufgabe hat, die darin liegt, den Durchtritt von kleinem Teilchenmaterial zu verhindern.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Dicke des Umfangsabschnittes des im wesentlichen kreisförmigen Schutzringes allmählich vom Verbindungsbereich mit dem radialen Abschnitt in Richtung zur Oberseite des Kolbens abnimmt. Aufgrund dieser speziellen Ausbildung ist die Fläche des im wesentlichen kreisförmigen .Schutzringes, die dem Druck im Brennraum ausgesetzt ist, größer, wobei der im wesentlichen kreisförmige Schutzring dennoch ausreichende Festigkeit gegenüber der Dehnungsbeanspruchung aufgrund der Verbrennungsgase hoher Temperatur im Brennraum hat, weil die Dicke an der Basis des Umfangsabschnittes nicht zu gering ist.

In weiterer vorteilhafter Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß eine oder mehrere zusätzliche Ringnuten

auf der Außenseite des Kolbens ausgebildet sind, die zwischen der Ringnut, die mit dem im wesentlichen kreisförmigen Schutzring in Eingriff steht, und der Gleitfläche des Kolbenringes liegen.
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Die zusätzliche Ringnut bzw. die zusätzlichen Ringnuten dienen als Mittel zur Verzögerung des Anstiegs des Drucks, der auf den im wesentlichen kreisförmigen Schutzring wirkt und an diesem vorbeigelangt, weil der Schutzring möglicherweise nicht vollständig gegen Gas abdichtet.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

Figur 1

einen schematischen senkrechten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung;

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Figur 2

eine ausschnittsweise vergrößerte Darstellung einer Einzelheit von Figur 1;

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Figur 3 Figur 4

eine Draufsicht gemäß III-III in Figur 1;

eine Draufsicht auf einen weiteren im wesentlichen kreisförmigen Schutzring, der
das Durchdringen von kleinem Teilchenmaterial verhindert;

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Figur 5

eine vergrößerte, ausschnittsweise Ansicht zu Figur 4;

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Figur 6

Figur 7

eine ausschnittsweise vergrößerte Schnittdarstellung eines S.chutzringes gemäß einer weiteren Ausführungsform;

eine ausschnittsweise vergrößerte Schnittdarstellung eines Schutzringes gemäß einer weiteren Ausführungsform;

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Figur 8 eine ausschnittsweise vergrößerte Schnittdarstellung eines Schutzringes gemäß einer wiederum weiteren Ausführungsform;

Figur 9 eine ausschnxttswexse vergrößerte Schnittdarstellung eines Schutzringes gemäß einer wiederum weiteren Ausführungsform;

Figur 10 ein Diagramm, das die durch die Erfindung erzielten Vorteile hinsichtlich der Verringerung

des Abriebs bei der Dicke von Kolbenringen zeigt;

Figur 11 ein Diagramm, das die durch die Erfindung erzielten Vorteile hinsichtlich der Verringerung

des Abriebs bei der Breite von Kolbenringen zeigt;

Figur 12 ein Diagramm, das die durch die Erfindung erzielten Vorteile hinsichtlich der Verringerung

des Abriebs bei Nockenhöckern zeigt;

Figur 13(A) ein Diagramm, das den Abrieb einer Zylinderlaufbüchse bei einer herkömmlichen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung zeigt;

Figur 13(B) ein Diagramm, das den Abrieb einer Zylinderlaufbüchse bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung zeigt; 30

Figur 14 eine ausschnxttswexse vergrößerte Schnittdarstellung eines Schutzringes gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Figur 15 eine ausschnxttswexse vergrößerte Schnitt-

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darstellung eines Schutzringes gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Figur 16

Figur 17

Figur 18

Figur 19

eine ausschnittsweise vergrößerte Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

ein Diagramm, das den Verlauf von Drücken zeigt, die auf in Figur 18 dargestellte Teile wirken; und

Figur 20

eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt achematisch eine Schnittdarstellung eines Zylinders einer erfindungsgemäßen Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung. Eine Zylinderlaufbüchse 2 ist in eine in einem Motorblock 1 ausgebildete Zylinderbohrung 1a eingepaßt. Am Motorblock 1 ist ein Zylinderkopf 3 befestigt. In der Zylinderlaufbuchse 2 sitzt auf- und abbewegbar ein Kolben 5, so daß die Zylinderlaufbüchse 2, der Zylinderkopf 3 und die Oberseite des Kolbens 5 einen Brennraum 7 begrenzen. Im Zylinderkopf 3 sind ein Einlaßkanal 9, durch den ein Gas bzw. Gasgemisch in den Brennraum 7 eingeleitet werden kann, sowie ein Auslaßkanal 11 ausgebildet, durch den verbrannte Abgase aus dem Brennraum 7 abgeleitet werden können. Ferner ist im Zylinderkopf 3 ein Einspritzventil 13 angeordnet, das

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zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum 7 dient. An der Stelle, an der der Einlaßkanal 9 in den Brennraum 7 mündet, ist ein nicht dargestelltes Einlaßventil angeordnet, und an der Stelle, an der der Auslaßkanal in den Brennraum 7 mündet, ist ein Auslaßventil 15 angeordnet. Das Einlaßventil und das Auslaßventil 15 werden mittels eines nicht dargestellten Ventilantriebssystems synchron zur Bewegung einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben, die über eine Pleuelstange 17 mit dem Kolben 5 verbunden ist. Ein Auspuffkrümmer, der in Verbindung mit dem Auslaßkanal 11 steht, und ein Ansaugkrümmer, der in Verbindung mit dem Einlaßkanal 9 steht, sind miteinander durch eine Abgasrückführleitung 19 sowie ein Steuerventil 21 verbunden, das herkömmlich ausgebildet ist und zur Steuerung der Abgasrückführung dient, so daß ein Teil des Abgases aus dem Auspuffsystem in das Ansaugsystem zurückgeführt werden kann.

Auf der Außenseite des Kolbens 5 ist eine kreisförmige Ringnut 5a ausgebildet, in der ein vorgespannter Kolbenring 23 sitzt. Zwischen dem Kolben 5 und der Zylinderlaufbuchse 2 besteht ein ringförmiger Zwischenraum 25, und auch zwischen der Innenseite des vorgespannten Kolbenringes 23 und dem Boden der Ringnut 5a besteht ein Zwischenraum 27. Die vorstehend beschriebene Ausbildung stimmt im·wesentlichen mit der entsprechenden Ausbildung einer herkömmlichen Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung überein. Diese herkömmliche Brennkraftmaschine hat den Nachteil, daß im Brennraum 7 erzeugtes Abgas, das kleine und kleinste Teilchen enthält, die im wesentlichen aus Schwefel bzw. Schwefelverbindungen bestehen, durch den ringförmigen Zwischenraum 25 zwischen dem Kolben 5 und der Zylinderlaufbüchse 2 und dann in den Zwischenraum 27 gelangt, der zwischen dem vorgespannten Kolbenring 23 und der Ringnut 5a ausgebildet ist. Da der vorgespannte Kolbenring 23 bei jedem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine in seiner Ringnut 5a in senkrechter Richtung bewegt wird, werden die

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im Abgas enthaltenen kleinen Teilchen allmählich zu einem weiteren Kolbenring 24 transportiert, der tiefer als der obere Kolbenring 23 angeordnet ist. Während dieses Transportvorganges dringen einige kleine Teilchen in den Raum auf der Unterseite des Kolbenringes 23 ein, was dazu führt, daß die Unterseite des Kolbenringes 23 bei seiner senkrechten Bewegung erheblichem Abrieb unterliegt. Da - wie bereits erwähnt wurde - kleine Teilchen im Laufe der Zeit auch zum unteren Kolbenring 24 transportiert werden, wird auch der zweite vorgespannte Kolbenring 24 auf ähnliche Weise verschlissen. ■ Ein ölabstreifring 29,der unterhalb der vorgespannten Kolbenringe 23 und 24 angeordnet ist, ist nicht nur den kleinen Teilchen sondern auch dem Schmiermittel ausgesetzt, das ihm vom Schmiersystem der Brennkraftmaschine zugeführt wird, so daß der ölabstreifring bisweilen stärkerem Abrieb als die darüber angeordneten Kolbenringe 23 und 24 ausgesetzt ist.

Kleine Teilchen, die in vorstehend beschriebener Weise allmählich zu den Kolbenringen 23 und 24 sowie zum ölabstreifring 29 transportiert werden, werden schließlich mit dem Schmiermittel der Brennkraftmaschine gemischt. Das Schmiermittel mit den zugemischten kleinen Teilchen wird vom nicht dargestellten Schmiersystem auch zum Ventxlantriebssystem gefördert, so daß auch die im Schmiermittel enthaltenen kleinen Teilchen das Ventilantriebssystem erreichen und demzufolge die das Ventilantriebssystem bildenden Teile wie Nocken, Ventilstößel und Kipphebel starkem Verschleiß unterliegen.

Obwohl einige der kleinen Teilchen, die in den ringförmigen Zwischenraum 25 zwischen der Zylinderlaufbüchse 2 und dem Kolben 5 eindringen, in flachen Nuten 5b abgefangen werden, die auf der Außenseite des Kolbens 5 ausgebildet sind, werden die übrigen kleinen Teilchen auf der Innenseite der Zylinderlaufbüchse 2 und der Außenseite des Kolbens 5 abgelagert. Die auf der Außenseite des Kolbens 5 abgelagerten klei-

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nen Teilchen führen zu Abrieb an allen miteinander in Berührung stehenden Oberflächen des Kolbens 5 und der Zylinderlaufbüchse 2 während der Auf- und Abbewegung des Kolbens 5.

Um den durch die im Abgas einer herkömmlichen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung enthaltenen kleinen Teilchen verursachten Abrieb bzw. Verschleiß zu vermeiden, um den Verschleiß und Abrieb des Ventilantriebssystems zu vermeiden/ der durch zum Schmiermittel zugemischte kleine Teilchen verursacht wird, das dem Ventilantriebssystem zugeführt wird, und um Verschleiß und Abrieb der in Berührung miteinander stehenden Flächen zu vermeiden, der durch die Gleitbewegung des Kolbens verursacht wird, wenn auf dessen Außenseite kleine Teilchen abgelagert sind, ist bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform die im folgenden beschriebene, spezielle Ausbildung vorgesehen. An einer Stelle nahe der Oberseite des Kolbens 5 ist eine Ringnut 5c ausgebildet, und in die Ringnut 5c ist ein Schutzring 31 eingesetzt, der die Überführung bzw. den Transport von im Brennraum 7 erzeugten kleinen Teilchen zu den Kolbenring-Gleitflächen verhindert.

Im folgenden wird ausführlicher auf Figur 2 eingegangen. Die an einer Stelle nahe der Oberseite des Kolbens 5 ausgebildete Ringnut 5c weist eine im wesentlichen waagerechte Unterseite 5d, eine etwas bezüglich der waagerechten Unterseite 5d geneigte Oberseite 5e sowie einen senkrechten Boden 5f auf, der die Unterseite 5d mit der Oberseite 5e verbindet. Die Ringnut 5c divergiert von der Mitte des Kolbens 5 zu seiner Außenseite, und die Länge der Oberseite 3e 4er Ringnut 5c ist geringer als die Länge der Unterseite 5d (siehe Figur 2). Der Schutzring 31 hat einen L-förmigen Querschnitt und umfaßt einen radialen Abschnitt 31a, dessen Querschnittsprofil dem der Ringnut 5c des Kolbens 5 entspricht, sowie einen Umfangsabschnitt 31b, der vom radial äußeren Ende des radialen Abschnittes 31a nach oben verläuft. Der radiale Abschnitt 31a

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weist eine ebene Unterseite 31c sowie eine Oberseite 31d auf, die entsprechend der Oberseite 5e der Ringnut 5c geneigt verläuft. Der radiale Abschnitt 31a wird schlanker in Richtung zur Mitte des Kolbens 5. Die in Berührung mit der Zylinderlaufbuchse 2 stehende Fläche des Umfangsabschnittes 31b ist durch Verchromen oder aufgespritztes Ferrit gehärtet. Die Dicke t^ (siehe Figur 2) ist deutlich geringer als der Zwischenraum t zwischen der sich ah die Oberseite 5e der Ringnut 5c im Kolben 5 anschließenden ümfangsfläche 5g und der Innenseite der Zylinderlaufbüchse 2. Der Schutzring 31 ist in die Ringnut 5c des Kolbens mit geringer Vorspannung eingesetzt, die im Bereich zwischen 0 und 0)7 kp liegt, wobei diese Vorspannung entsprechend den Vorschriften der JIS (japanische Industrienorm) B 8130 gemessen ist. Der Schutzring 31 nimmt eine zum Kolben 5 koaxiale Lage aufgrund der Zentrierwirkung der zusammenwirkenden Oberseiten 31d und 5e ein.

Wenn ein solcher Schutzring 31 mit L-förmigem. Querschnittsprofil nahe der Oberseite des Kolbens 5 in diesen eingesetzt ist, wird dadurch verhindert, daß im Abgas enthaltene kleine Teilchen während des Expansionstaktes der Brennkraftmaschine durchgelassen werden, so daß sie in der Regel nicht zwischen die sich berührenden Oberflächen der Zylinderlaufbüchse 2 und des Kolbens 5 gelangen können. Das Abgas selber kann allerdings durch den zwischen dem Umfangsabschnitt 31b des Schutzringes 31 und der Innenseite der Zylinderlaufbüchse 2 ausgebildeten engen Durchlaß 33 strömen, und es ist tatsächlich durch Untersuchungen bestätigt worden, daß eine Gasströmung am Ort des vorgespannten Kolbenringes 23 (siehe Figur 1) stattfindet. Im Gegensatz dazu können jedoch die im Abgas enthaltenen kleinen Teilchen den engen Durchlaß 33 nicht durchströmen, obwohl sie in diesen eindringen; vielmehr werden die kleinen Teilchen im enge.n Durchlaß 33 abgelagert. Dies hat zur Folge, daß es für nachfolgende kleine Teilchen noch schwieriger ist, . den Durchlaß zu durchströmen, so daß die Teilchenmenge, die

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den vorgespannten Kolbenring 23 erreicht, sehr klein wird. Dies hat zur Folge, daß die durch die Gleitbewegung des vorgespannten Kolbenringes 23 verursachte chemische Korrosion der Zylinderlaufbüchse 2 auf ein Minimum vermindert werden kann. Dabei ist folgendes zu beachten. Da der Schutzring 31 zwar mit Vorspannung im Kolben 5 sitzt, diese jedoch gering ist, wie bereits erwähnt wurde, ist einerseits die Menge kleiner Teilchen, die auf der dem engen Durchlaß zugewandten Außenseite des Schutzringes 31 abgelagert wird, klein, während andererseits der mechanische Abrieb der Zylinderlaufbüchse 2 aufgrund der auf dem Schutzring 31 abgelagerten kleinen Teilchen kleiner ist. Auf der Oberseite des Schutzringes 31, die dem Brennraum 7 (siehe Figur 1) zugewandt ist, haftende kleine Teilchen verbrennen zusammen mit dem brennbaren Gemisch im Brennraum, wenn die Brennkraftmaschine in einem Betriebszustand arbeitet, bei dem die Temperatur des brennenden Gases hoch ist. Die Ablagerung kleiner Teilchen auf der Oberseite des Kolbens 5 ist daher minimal.

Wenn in der Oberseite des in Figur 1 gezeigten Kolbens 5 eine kleeblattförmige Brennkammer 7a ausgebildet ist, wie dies in Figur 3 gezeigt ist, ist die öffnung 31f des Schutzringes 31 vorzugsweise am weitesten entfernt von der kleeblattförmigen Brennkammer 7a angeordnet, in der die thermische Belastung am höchsten ist, damit dem Durchblasen von brennendem Gas vorgebeugt ist und damit möglichst wenige kleine Teilchen durch die öffnung 31f des Schutzringes 31 gelangen. In diesem Fall kann, wie dies in Figur 9 gezeigt ist, eine geeignete Ausnehmung 5h in der Unterseite 5d der Rin.gnut 5c ausgebildet sein, wobei dann ferner ein Vorsprung 31g an der Unterseite 31c des Schutzringes 31 ausgebildet ist, so daß die Ausnehmung 5h und der Vorsprung 31g miteinander in Eingriff stehen, um den Schutzring 31 in bestimmter Stellung in Umfangsrichtung festzulegen. Alternativ ist es möglich, einen nicht dargestell-' ten Vorsprung an der Unterseite 5d der Ringnut 5c sowie eine

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nicht dargestellte Ausnehmung in der Unterseite 31c des Schutzringes 31 vorzusehen, wobei dann diese Ausnehmung und dieser Vorsprung in Eingriff miteinander stehen. Die Anzahl der Vorsprühge und der Ausnehmungen kann eins oder mehr be~ tragen und wird entsprechend den Anforderungen festgelegt.

Statt der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, bei denen die öffnung 31f des Schutzringes 31 an einer bestimmten Stelle festgelegt ist, kann die öffnung 31f des Schutzringes 31 in der Weise komplizierter ausgebildet sein, daß kleine Teilchen nicht leicht durch die öffnung 31f gelangen können, wie dies in den Figuren 4 und 5 gezeigt ist, auf die im folgenden ausführlicher eingegangen wird. Die Enden 31f des radialen Abschnittes 31a des Schutzringes 31 sind dabei etwas bezüglich der Enden 31f" des Umfangsabschnittes 31b verlagert, so daß sich eine kurbeiförmige öffnung 31f ergibt. Die kurbeiförmige öffnung 31f verhindert, daß kleine Teilchen leicht durch sie hindurch gelangen können.

Die' in Figur 6 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform in folgender Weise. Die Dicke t.. des Umfangsabschnittes 31b des Schutzringes 31 ist ungefähr gleich dem Zwischenraum t zwischen der Umfangsflache 5g des Kolbens 5'und der Innenseite der Zylinderlaufbüchse 2 oder etwas kleiner als dieser Zwischenraum. Die Oberseite 31d des radialen Abschnittes 31a des Schutzringes 31 und die Oberseite 5e der Ringnut 5c verlaufen parallel zur Unterseite 31c bzw. 5d. Allerdings können die Oberseiten 31d und 5e geneigt, verlaufen, wie dies in Figur 2 0 gezeigt ist. Mit der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform können ähnliche Vorteile wie mit den vorstehend erläuterten Ausführungsformen erreicht werden. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 6 besteht der Schutzring 31 vorzugsweise aus einem Werkstoff mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, damit die ungünstigen Auswirkungen der Wärmedehnung

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gering sind.

Bei der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der Umfangsabschnitt 31b des Schutzringes 31 bezüglich des radialen Abschnittes 31a sowohl nach oben als auch nach unten, so daß der Schutzring 31 ein T-förmiges Profil hat. Außerdem sind die Oberseite 31d und die Unterseite 31c des Schutzringes 3.1 derart schrägverlaufend ausgebildet, daß sie in Richtung zur Mitte des Kolbens 5 konvergieren. Die Ober-, seite 5e und die Unterseite 5d der im Kolben 5 ausgebildeten Ringnut 5c sind derart ausgebildet, daß die Ringnut 5c nach außen divergiert. Aufgrund der Berührung zwischen den Oberseiten 31d und 5c sowie zwischen den Unterseiten 31c und 5d wird der Schutzring 31 koaxial zum Kolben 5 gehalten. Da bei dieser Ausführungsform außerdem der Umfangsabschnitt 31b symmetrisch bezüglich einer horizontalen Mittelebene ausgebildet ist, ist es nicht notwendig, bei der Handhabung den Schutzring 31 in bestimmter Weise auszurichten, so daß die Handhabung des Schutzringes 31 vereinfacht ist.

Die in Figur 8 dargestellte Ausführungsform weist einen Schutzring 31 mit L-förmigem Querschnittsprofil und ähnlicher Ausbildung wie bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 auf. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 8 ist der Schutzring 31 jedoch so angeordnet, daß der Umfangsabschnitt 31b nach unten weist. Auch mit dieser Ausführungsform können einige der Vorteile der Ausführungsformen gemäß Figur 2 erreicht werden. Da jedoch der Umfangsabschnitt 31b nicht in Richtung zum Brennraum 7 weist, werden nicht alle Vorteile der Ausführungsformen gemäß den Figuren 2, 7 und 9 erreicht, weil der Druck der Verbrennungsgase nicht von innen auf den Umfangsabschnitt 31b wirkt und dieser somit nicht nach außen aufgeweitet wird, so daß der enge Durchlaß 33 zwischen dem Umfangsabschnitt 31b und der Zylinderlaufbuchse nicht weiter verengt wird, um den Durchtritt kleiner Teilchen noch mehr zu erschweren.

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Die Vorteile der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsform werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 10 bis 12 erläutert. In den Figuren 10 bis 12 gelten weiße Säulen für den Abrieb, der auftritt, wenn der erfindungsgemäße Schutzring nicht benutzt wird. Die schraffierten Säulen gelten dagegen für den Abrieb, der auftritt, wenn der erfindungsgemäße Schutzring benutzt wird. Figur 10 gibt den Dickenabrieb (.T-Maß) der vorgespannten Kolbenringe und des ölabstreifringes wieder. Figur 11 gibt den Breitenabrieb (B-Maß) der vorgespannten Kolbenringe und des ölabstreifringes wieder. Aus den Figuren 10 und 11 ist erkennbar, daß bei Anwendung der Erfindung der Abrieb der Kolbenringe und des ölabstreifringes deutlich verringert ist. Ferner zeigt Figur 12 den Abrieb der Nockenhöcker des Ventilantriebssystems. Auch hier ist erkennbar, daß der Abrieb der Nockenhöcker durch die Erfindung stark verringert werden kann.

Die Figuren 13(A) und 13(B) zeigen den Abriebzustand der Oberfläche der Zylinderlaufbüchse nach einem Langzeittest.

Figur 13(A) gibt das Ergebnis eines Tests wieder, bei dem kein erfindungsgemäßer Schutzring benutzt wurde, wogegen Figur 13(B) das Ergebnis eines Tests wiedergibt, bei dem der erfindungsgemäße Schutzring benutzt wurde. In den Figuren 13(A) und 13(B) geht der mit (a) bezeichnete Abrieb auf einen mechanischen Abriebmechanismus zurück, während der mit (b) bezeichnete Abrieb auf einen auf chemischer Korrosion basierenden Abriebmechanismus zurückgeht. Aus den Figuren 13(A) und 13(B) ist erkennbar, daß der Abrieb der Zylinderlaufbüchse in gewünschter Weise durch die Erfindung verringert wird.

Zur weiteren Verstärkung des durch die Ausführungsformen gemäß den Figuren 2, 7 und 9 erreichten Vorteils, nämlich der Tatsache, daß der Schutzring 31 vom Druck der Verbrennungsgase nach außen aufgeweitet wird, so daß seine äußere ümfangsfläche gegen die Zylinderlaufbüchse 2 gedrückt wird und so

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daß kleine Teilchen am Durchdringen zu den Kolbenringen 23 und 24 gehindert werden, ist es vorteilhaft, einen ausreichend großen Raum zwischen der senkrechten Umfangsfläche 5g des Kolbens und der inneren senkrechten Ümfangsfläche 31e des Schutzringes 31 vorzusehen. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 14 ist die Dicke des umfangsabschnittes 31b des Schutzringes 31 verringert, so daß der Ringraum zwischen dem Kolben 5 und dem Schutzring 31 ein ausreichendes Volumen hat.

Wenn jedoch der Umfangsabschnitt 31b übermäßig dünn ausgebildet ist, kann der Umfangsabschnitt 31b schmelzen oder brechen, wenn er Verbrennungsgas mit hoher Temperatur ausgesetzt ist. Bei der in Figur 15 dargestellten Ausführungsform nimmt die Dicke des Umfangsabschnittes 31b des Schutzringes 31 von der Basis aus allmählich ab, an der der Umfangsabschnitt 31b mit dem radialen Abschnitt 31a und dem oberen Ende des Kolbens 5 verbunden ist. Dies heißt mit anderen Worten, daß statt der senkrechten Ümfangsfläche 31e der Ausführungsform gemäß Figur 14 eine schräge Ümfangsfläche 31e¹ vorgesehen ist, die mit einer. Senkrechten einen Winkel θ einschließt, so daß die Fläche des Schutzringes 31, auf die der Druck im Brennraum 7 wirkt, ausreichend groß ist und außerdem die Lebensdauer des Schutzringes 31 hoch ist, weil die Dicke des Umfangsabschnittes nicht übermäßig verringert ist* Bei der in Figur 16 dargestellten Ausführungsform ist statt der senkrechten Ümfangsfläche 5g der Ausführungsform gemäß Figur 15 eine Ümfangsfläche 5g¹ vorgesehen, die entgegengesetzt zur geneigten Ümfangsfläche 3Ie¹ geneigt ist und einen Winkel Θ" mit der Senkrechten einschließt. Aufgrund der geneigten Umfangsflachen 5g¹ und 31e' ist zwischen diesen ein großer Raum vorhanden.

Bei der in Figur 17 dargestellten Ausführungsform wird ein Schutzring 31 mit einem T-förmigen Querschnittsprofil benutzt, bei dem der obere Abschnitt des Umfangsabschnittes 31b eine c7cineigte innere Umfanq.'3fluche hat, ao dafJ doMMon Di.eko von

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seiner Basis bis zu seinem oberen Ende allmählich abnimmt.

Wie bereits weiter oben unter Bezugnahme auf Figur 1 erläutert wurde, tritt eine Gasströmung um den Kolbenring 23 herum auf. Dies heißt mit anderen Worten, daß es sehr schwierig ist, den im Brennraum herrschenden Druck Pg mittels des Schutzringes 31 einzuschließen, so daß eine kleine Teilchenmenge durch den engen Durchlaß 33 zum vorgespannten Kolbenring 23 gelangen kann. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 18 ist auf der Außenseite des Kolbens 5 eine Ringnut 35 ausgebildet, die zwischen der Ringnut 5c, in der der Schutzring 31 sitzt, und der Ringnut 5a angeordnet ist, in der der erste vorgespannte Kolbenring 23 sitzt, so daß die Ringnut 35 eine Druckverzögerungskammer bildet. Aufgrund dieser Druckverzögerungskammer erfolgt der Anstieg des Drucks Pc, der auf den vorgespannten Kolbenring 23 wirkt, verzögert. Dies ist in Figur 19 dargestellt. Darin gibt eine ausgezogene Kurve den Verlauf des Drucks Pg im Brennraum während des Expansionstaktes wieder. Eine strichpunktierte Kurve gibt den Verlauf des Drucks Pd wieder, der an einer Stelle unmittelbar unterhalb des Schutz-, ringes 31 herrscht (siehe Figur 1). Da der enge Durchlaß 33 eine Drosselwirkung ausübt, erfolgt der Anstieg des Drucks Pd verzögert, wobei sich allerdings der Druck Pd dem Druck Pg nähert. Wenn die Druckverzögerungskammer vorgesehen ist, ist der Druck Pc am vorgespannten Kolbenring 23 deutlich verzögert, wie dies die gestrichelte Kurve in Figur 19 zeigt, und da die Zeitdauer des Expansionstaktes sehr kurz ist, ist der am vorgespannten Kolbenring 23 wirkende Druck Pc um Δ Ρ niedriger als der im Brennraum 7 herrschende Druck. Dies hat zur Folge, daß trotz der Tatsache, daß der Schutzring 31 nicht für vollständige Gasdichtheit sorgt, kleine Teilchen in der Regel nicht am vorgespannten Kolbenring 23 vorbei • nach unten gelangen, da der Druck des die kleinen Teilchen enthaltenden Gases gering ist. Der Verschleiß und Abrieb dor vorgespannten Kolbenringe 23 und 24 sowie des ölabstreif-

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ringes 29 sind somit deutlich verringert, und die Verschlechterung des Schmiermittels ist ebenfalls eingeschränkt.

Das Querschnittsprofil der die Druckverzögerungskammer bildenden Ringnut 35 kann auf verschiedene Weise abgewandelt sein. Beispielsweise kann sie bei der Ausführungsform gemäß Figur 20 ein dreieckiges Querschnittsprofil haben. Ferner kann die Anzahl der Ringnuten 35 größer als eins sein.

Bei einer Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung,

bei der ein Teil des Abgases vom Abgassystem zum Ansaugsystem zurückgeführt wird, ist auf der Außenseite des Kolbens eine Ringnut ausgebildet, und in diese Ringnut ist ein Schutzring eingesetzt, der den Durchtritt von kleinen Teilchen verhindert, die im Brennraum entstehen.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Diesel-Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, bei der ein Teil des in das Abgassystem der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgases zum Ansaugsystem der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird,

dadurch gekennzeichnet , daß in einem Abschnitt der Außenseite des Kolbens (5) der Diesel-Brennkraftmaschine eine Ringnut (5c) ausgebildet ist, wobei dieser Abschnitt zwischen der dem Brennraum (7) der Diesel-Brennkraftmaschine zugewandten Oberseite des Kolbens und einer einer Zylinderlaufbüchse (2) zugewandten Gleitfläche eines nahe der Oberseite des Kolbens angeordneten Kolbenringes (23) des Kolbens liegt, und daß ein im wesentlichen kreisförmiger Schutzring (31) in Eingriff mit der Ringnut steht, der dazu dient, das Durchdringen von im Brennraum erzeugten kleinen Teilchen zur Gleitfläche des Kolbenringes zu verhindern.
2. Diesel-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der im wesentlichen kreisförmige Schutzring (31) einen

Deutsche Hank (München) Kto. S1/61070

Dresdner Bank (München) Kto. 3939 644

Posticheck (München) Kto. 670-43-604

Umfangsabschnitt (31b) der in Umfangsrichtung entlang der Außenseite des Kolbens (5) verläuft, sowie einen radialen Abschnitt (1a) aufweist, dessen eines Ende mit dem Umfangsabschnitt verbunden ist und dessen anderes Ende sich vom umfangsabschnitt ausgehend radial zur Mittelachse des Kolbens erstreckt, und daß der radiale Abschnitt des Schutzringes in Eingriff mit der Ringnut (5c) steht, die auf der Außenseite des Kolbens ausgebildet ist.
3. Diesel-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der im wesentlichen kreisförmige Schutzring (31) ein L-förmiges Querschnittsprofil hat und daß der Umfangsabschnitt (31b) des Schutzringes näher an der Oberseite des Kolbens (5) als der radiale Abschnitt (31a) des Schutzringes angeordnet ist.
4. Diesel-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen kreisförmige Schutzring (31) ein T-förmiges Querschnittsprofil hat und daß der Umfangsabschnitt (31b) des Schutzringes bezüglich des radialen Abschnittes (31a) sowohl auf dessen der Oberseite des Kolbens zugewandter Seite als auch auf dessen dem· Kolbenring

(23) zugewandter Seite angeordnet ist.
5. Diesel-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke (t..) des der Oberseite des Kolbens (5) näheren Umfangsabschnittes (31b) des im wesentlichen kreisförmigen Schutzringes (31) so viel kleiner als der Abstand (t) zwischen der Zylinderlaufbüchse (2) und dem Kolben ist, daß ein Zwischenraum zwischen der inneren Umfangsflache (31e, 31e') des Umfangsabschnittes des im wesentlichen 5 kreisförmigen Schutzringes und der äußeren Umfangsflache

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(5g, 5g¹)des Kolbens vorhanden ist, wenn der Schutzring in die Ringnut (5c) eingesetzt ist.
6. Diesel-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrachtung des Kolbens (5) im Querschnitt in einer die Mittelachse des Kolbens einschließenden Ebene die auf der Außenseite des Kolbens ausgebildete Ringnut (5c) von der Mittelachse des Kolbens aus in Richtung zur Außenseite des Kolbens divergiert und daß der radiale Abschnitt (3a) des im wesentlichen kreisförmigen Schutzririges (31) von der Außenseite zur Mittelachse des Kolbens in der Ringnut entsprechenderweise konvergiert.
7. Diesel-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet , daß der im wesentlichen kreisförmige Schutzring (31) mit der Ringnut (5c) des Kolbens (5) unter geringer Vorspannung im Bereich von 0 bis 0,7 kp steht, wobei die Vorspannung gemäß den Regelungen der JIS (japanische Industrienorm) B 8130 gemessen ist.
8. Diesel-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Umfangsabschnittes (31b) des im wesentlichen kreisförmigen Schutzringes (31) von einem Bereich, an dem der Umfangsabschnitt mit dem radialen Abschnitt (31a) verbunden ist, in Richtung zur Oberseite des Kolbens (5) allmählich abnimmt.
9. Diesel-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

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dadurch gekennzeichnet , daß auf der Außenseite des Kolbens (5) zumindest eine weitere Ringnut (35) ausgebildet ist, die zwischen der Ringnut (5c), die in Eingriff mit dem im wesentlichen kreisförmigen Schutzring (31) steht, und der.Gleitfläche des Kolbenringes (23) angeordnet ist, so daß zumindest eine Druckverzögerungskammer vorhanden ist.