DE3311845A1 - Oelringanordnung - Google Patents

Description

SHOICHI FURUHAMA

6-3, Okusnwa 5-chome

Setagaya-ku, K 45^3

Tokyo, Japan

Beschreibung ÖIringanordnung

Die Erf indung bezieht sich, auf eine Öl- bzw. Schraierölringanordnung zur Steuerung bzw. Regulierung von Schmieröl in Brennkraftmaschinen und in Kolbenverdichtern.

Im allgemeinen umfaßt eine Kolbenringeinrichtung für die Verwendung in einer Brennkraftmaschine eine Kompressionsringanordnung, umfassend eine Vielzahl von Kompressionsringen für eine Gasabdichtung eines Zwischenraums zwischen einem Zylinder und einem Kolben sowie eine Ölringanordnung mit einem Ölring, der in einer Ölringnut unterhalb des unteren Kompressionsrings eingepaßt ist, und Abflußlöcher, die von dem Seitenumfang zur Innenseite des
Kolbens hin verlaufen. Die Ölringanordnung wird dazu herangezogen, einen Schmierölfilm zwischen dem Kompressions·; ring und dem Zylinder zu bilden und davon Öl in einem
Kurbelgehäuse zu sammeln.

Der Ölring wird durch den Verbrennungsdruck zwar weniger
beeinträchtigt bzw. beeinflußt, jedoch durch die Trägheitskraft aufgrund seiner eigenen Masse stärker beein-

flußt, und zwar im Vergleich zu dem Kompressionsring.
Obwohl der Gasdruck keine ernsthafte Wirkung auf die
Rückseite des Ölrings ausübt, ist jedoch der auf die
Vorderseite des Rings wirkende Druck bedeutsam hinsichtlich der Ausbildung des Schmierölfilms. Der bekannte

Ölring ist mit zwei oberen und unteren Zylinderberührungsflächen und einem Ausdehnungselement, wie einer

Schraubenfeder, versehen, welche den Ölring radial zu dem Zylinder mit einem hohen Druck ausweitet, um einen guten Ölabstreifeffekt zu erzielen.

Eine Art der bekannten Ölringe ist mit den beiden oberen und unteren Zylinderberührungsflächen zusammenhängend ausgebildet, und ein dazwischen vorgesehenes Abflußfenster erfüllt eine sogenannte Absperrventilwirkung. Der Ölring liegt auf der unteren Seite der Ölringnut während des Aufwärtshubes des Kolbens an und an der oberen Seite der Ölringnut während des Abwärtshubs des betreffenden Kolbens, um Öl in 'das Abflußloch in dem Kolben abzustreifen. Bezüglich der oberen und unteren Zylinderberührungsflächen ist zu-erwarten, daß dadurch ein doppelter Ölabstreifeffekt erzielt wird.

Die beiden oberen und unteren Zylinderberührungsflächen machen den Ölring jedoch größer und massiver, so daß bei mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Vorgängen der Ölring eine unzureichende Absperrventilwirkung erfüllt und eine Steigerung des Ölverbrauchs mit sich bringt. Darüber hinaus ist die Fläche relativ weit bzw. breit und erfordert einen hohen Zylinderkontaktdruck zur Ausbildung eines geeigneten Ölfilms. Dies führt zu einem Ansteigen des Reibungsverlustes. Daneben macht der bekannte axiale große Ölring den KoXben oder die Maschine größer, schwerer und führt zu einem höheren Kraftstoffverbrauch,

Der andere bekannte Typ wird üblicherweise in einem Benzinmotor angewandt. Er besteht aus zwei voneinander unabhängigen Kupferschienen und einem Abstands-Ausdehnungselement, welches die betreffenden Schienen in dichten Kontakt mit der Zylinderwand drücken. Der betreffende Dichtungstyp ist radial flexibel und vermag der Zylinderwand gut zu folgen. Die Schienen machen die Ölringnut luftdicht und verhindern, daß davon Öl abgestreift

— ¹S —

wird. Es ist jedoch unmöglich, den Ölring in der axialen Höhe auf das Ausmaß zu verkürzen, daß der Reibungsverlust vermindert ist. Daneben ist es nicht leicht, den Ölring in die Ölringnut einzusetzen.

Das bedeutsamste Problem bei dem bekannten Ölring besteht, mit wenigen Worten gesagt, in einem relativ hohen Verbrauch an Schmieröl bei mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Arbeitsvorgängen, bei denen der Ölring dem Zylinder weniger gut bzw. schlechter zu folgen vermag. Ein weiteres Problem besteht darin, daß der bekannte Ölring den Reibungsverlust nicht vermindern kann. Ein noch weiteres Problem besteht darin>daß der bekannte Ölring zu groß ist, um das Gewicht des Motors bzw. der Maschine zu verringern.

Zum Zwecke der Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme ist in der JP-Anm. Sho 47-1965O ein Ölring mit zwei dünnen Schienen beschrieben. In der JP-Gbm.-Schrift Sho

^O 55-^1502 ist ein weiterer Ölring mit einer einzigen Schiene beschrieben. Der betreffende Ölring weist jedoch Nachteile auf, deren einer darin liegt, daß das Dehnungselement eine axiale Bewegung oder eine Absperrventilwirkung der Seitenschi.ene verhindert. Ein weiterer Nachteil be-

2-2 steht darin, daß die dünne Schiene durch den Zylinderberührungsdruck in der schalenartigen Form verzogen ist, so daß die Dichtung der Ölringnut versagt.

Die Erfindung zeigt nun einen Weg, wie eine Ölringanord-•^ Hung aufzubauen ist, die hinsichtlich der Steuerfähigkeit bzw. Regulierbarkeit des Schmieröls überlegen ist. Der Ölring gemäß der Erfindung ist weniger massiv, dünner und stabiler, um die folgenden Gleichungen zu erfüllen:

(1) 0,01 έ B/D έ 0,025,
(2)

wobei B die axiale Höhe des Ölrings,· D der Außendurchmesser des Ölrings und T die radiale Dicke des Ölringes bedeuten. Der Ölring ist mit einer einzigen Zylinderberührungsfläche versehen, um an der Zylinderwand mit einem

Druck von 2 bis 6 kg/cm anzuliegen; er ist so dimensioniert, daß die folgende Gleichung erfüllt ist:

(3) 0,1 ^ t/b ^ 0,
wobei t die Breite der Zylinderberührungsfläche bedeutet.

Die Vorteile, die die Erfindung mit sich bringt, liegen hauptsächlich darin, daß sogar bei mit hoher Geschwindigkeit laufenden Operationen bzw. Betriebsvorgängen der Ölring eine Absperrventilwirkung ausübt, wodurch der Ölverbrauch merklich herabgesetzt ist. Darüber hinaus weist der Ölring einen verminderten Reibungsverlust auf und trägt zur Verringerung des Gewichts der Maschine bzw. des Motors bei, und zwar aufgrund der geringen bzw. dünnen Breite des Ölrings.

Anhand von Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen-Fig. 1 eine vergrößerte ausschnittweise Schnittansieht

der Ölringanordnung gemäß der Erfindung, unter Veranschaulichung des Zustands während der Ausführung eines Aufwärtshubes eines Kolbens, Fig. 2 eine der Ansicht gemäß Fig. 1 ähnliche Ansicht, wobei der Zustand während des Abwärtshubes des Kolbens veranschaulicht ist, Fig. 3 Abmessungen und Kräfte, die auf den Ölring wirken, Fig. 4 in einem Diagramm eine Beziehung zwischen einer

Reibungskraft und einem Kurbelwinkel, Fig. 5 in einem Diagramm eine Beziehung zwischen einer Trägheitskraft und einem Kurbelwinkel, Fig. 6 in einer vergrößerten ausschnittweisen Seitenansicht die Ölringanordnung,

Fig. 7 eine der Ansicht gemäß Fig. 1 ähnliche Ansicht unter Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 8 in einem Diagramm das Ergebnis eines Tests zur Durchführung eines Vergleichs zwischen «rfindungsgemäßen und herkömmlichen Ölringen.

In Fig. 1 und 2 ist ein Ölring 4 beim Aufwärtshub bzw. beim Abwärtshub eines Kolbens veranschaulicht. Der Ölring 4 ist in eine Ölringnut 25 eingesetzt, um eine ausgezeichnete Absperrventilwirkung bei beiden Hüben auszuüben. Beim Aufwärtshub liegt der Ölring 4, wie dies Fig. 1 zeigt, mit seiner unteren Fläche 44 an der unteren Seite 24 der Ölringnut 25 an, um Öl aus dem Bereich 5 des Kolbens 2 zu dem Abführloch 20 längs der oberen Fläche 42 des Ölrings 4 abzuführen. Beim Abwärtshub liegt der Ölring, wie dies Fig. 2 veranschaulicht, mit seiner oberen Fläche 42 an der oberen Seite 22 der Ölringnut 25 an, um Öl vom Koibenmantel 6 zu dem Abflußloch 20 längs der unteren Seite 24 des Ölrings abzuführen. Die obere Fläche 42 des Ölrings sowie die obere Seite 22 der Ölringnut sind in wünschenswerter Weise genau bearbeitet, um die Absperrventilwirkung auszuüben.

Eine resultierende Kraft der Reibungskraft F und der Trägheitskraft I wirkt auf den Ölring 4 so ein, wie dies in Fig. 3 veranschaulicht ist. Die Reibkraft F steht dabei im Verhältnis zu dem Produkt zwischen dem Außendurchmesser D des Ölrings, der Breite t der Zylinderberührungsfläche 47 und dem Zylinderkontaktdruck pe. Die Trägheitskraft I ist proportional zu dem Produkt der Masse des Ölrings und dem Quadrat der Drehzahl.

^Die Reibkraft F und die Trägheitskraft I sind schematisch in Bezug auf den Kurbelwinkel in Fig. 4 und 5 veranschaulicht. Die Trägheitskraft-Kurve weist dabei eine Phasen-

nacheilung von etwa 105 in Bezug auf die Reibkraft auf. Wenn sich die Trägheitskraft vermindert, wird die Absperrventilwirkung weniger effektiv. Wenn die resultierende Kraft aus den Trägheits- und Reibkräften Null Wird nahe der oberen und unteren Totpunkte (TDC und BCD) , dann ist die Absperrventilwirkung effektiv. Dies wird dadurch erreicht, daß die Trägheitskraft oder das Gewicht des Ölrings herabgesetzt wird. Der Ölring sollte stabil genug sein, um der schalenartigen Verformung zu widerstehen. Ansonsten würde er in die ausgehöhlte Form verzogen werden, wodurch die Ölabdichtung in der Ölringnut an der oberen oder unteren Seite der betreffenden Anordnung versagen würde, wobei die Zylinder-Berührungsfläche des betreffenden Rings abnormal an den Z3<-linder angepreßt würde, was zu einem abrupten Ansteigen des Reibungsverlustes führen würde.

Der Ölring gemäß der Erfindung ist in seiner axialen Höhe B zur Verringerung des Gewichts reduziert, wie dies Fig.

veranschaulicht. Wenn die radiale Dicke vermindert wäre, wäre die Ausdehnungskraft des betreffenden Rings, die proportional zu der Reibkraft ist, zu sehr vermindert. Die Festigkeit bzw. Stabilität des Ölrings ist hauptsächlich durch die Ausdehnungskraft und das Verhältnis von T zu B bestimmt, so daß sie klein wird, wenn die Ausdehnungskraft oder wenn T/B zunimmt. Defihalb wird bevorzugt, daß B/D innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 0,25 liegt und daß T/B kleiner ist als 4. Das Verhältnis B/D sollte kleiner sein als 0,025, um die Masse des Öl.rings zu vermindern, und höher als 0,01, um dem Ölring eine erforderliche Stabilit&t zu geben. Andererseits werden weder die Ölnut mit Genauigkeit bearbeitet sein noch der Ölring eine ausreichende Festigkeit aufweisen, wenn B/D kleiner ist als 0,01. Das Verhältnis T/B sollte über 4 liegen; ansonsten wird der Ölring weniger stabil sein und hinsichtlich der Absperrventilwirkung ausfallen.

Die Ausdehnungskraft des Ölrings ist der dritten Potenz von T proportional, so daß der Ölring eine angemessene Ausdehnungskraft hat, wenn T/B größer ist als 1,5· Wenn der Ölring jedoch mit einem Ausdehnungsglied, wie einer Feder, versehen ist, kann T/B kleiner sein als 1,5· Bei dem Ölring gemäß der Erfindung sind B sowie B/D klein genug, um die Höhe des Kolbens oder der Maschine zu reduzieren und um den Maschinenwirkungsgrad zu erhöhen.

Die eine und einzige Zylinderberührungsfläche 47 am Außenumfang des Ölrings weist eine Breite t auf, die durch die Beziehung

0,1 £ t/B ^ 0,5
bestimmt ist und die an der Zylinderwand mit einem Druck von 2 bis 6 kg/cm anliegt. Der Ölring sollte eine kleine Selbstausdehnungskraft aufweisen,' da die axiale Höhe B sowie die radiale Dicke T klein sind. Erreicht wird dies dadurch, daß die Breite t der Zylinderberiihrungsflache h'J

eingeengt wird.
20

Der Ölring ist dazu bestimmt, die Dicke des Schmierölfilms zu regulieren. Die Dicke des Ölfilms nimmt ab, wenn bei festliegender Größe t der Zylinderkontaktdruck zunimmt. Sie nimmt ferner ab, wenn t abnimmt, sofern der Zylinderkontaktdruck festliegt. Der Zylinderkontaktdruck sowie die Breite der Zylinderkontaktfläche sind so reduziert, daß eine geeignete Dicke des Ölfilms aufrechterhalten wird, was dazu führt, daß sich der Reibungsverlust ebenfalls vermindert, da er proportional dem Produkt des Zylinderkontaktdrucks und der Breite der Zylinderkontaktfläche ist.

Der Zylinderkontaktdruck von 2 bis 6 kg/cm ist klein im Vergleich zu dem üblichen Wert von 8 kg/cm . Wenn t/B>0,5 •^ ist, dann sind weder der Reibungsverlust vermindert noch wird das Schmieröl reguliert, da nämlich der Ölring schmal

-ΙΟΙ ist und hinsichtlich der Selbstausdehnungseigenschaft unterlegen ist hinsichtlich des Verstärkens eines Ölfilms auf der Zylinderkontaktfläche. Wenn demgegenüber t/B < 0,1 ist, ist die Breite t zu schmal in Bezug auf die Rauhheit des Zylinders und mangelhaft hinsichtlich der Einpaßbarkeit und des sich Anschließens an den Zylinder. Demgemäß wird das Verhältnis t/B in .einem Bereich von 0,1 bis 0,5 gehalten. Der Zylxnderkontaktdruck sollte einen Wert von 6 kg/cm nicht überschreiten. Wenn der Zylinderkontaktdruck mehr als 6 kg/cm betrüge, sollte der Ölring weiter sein, um den Rei-. bungsverlust zu erhöhen; ansonsten würde er verformt werden. Wenn der betreffende Druck kleiner als 2 kg/cm wäre, wäre die Breite t zu schmal. Deshalb muß der betreffende Druck in einem Bereich von 2 bis 6 kg/cm liegen.

Bei dem Ölring gemäß der Erfindung beträgt der Zylinderkontaktdruck etwa die Hälfte des üblichen Kontaktdrucks von etwa 8 kg/cm , und die Breite der Zylxnderkontakt-. fläche beträgt etwa ein Drittel der herkömmlichen Breite von etwa 0,8 mm, was die Summe der oberen und unteren Zylinderkontaktflächen ist. Dies führt dazu, daß der Reibungsverlust auf etwa ein Fünftel des herkömmlichen Reibungsverlustes herabgesetzt werden kann. Es dürfte einzusehen sein, daß der Reibungsverlust auf die Hälfte absinkt, da die beiden oberen und unteren Zylinderkontaktflächen durch eine einzige dünne Fläche ersetzt sind.

Der Außenumfang 41 ist durch ein oder zwei Flächen der oberen und unteren konischen oder geneigt verlaufenden Flächen geschnitten, welche die obere und untere Fläche hZ bzw. hh des Ölrings unter einem spitzen Winkel schneiden. Dadurch ist die Zylxnderkontaktfläche 47 ge-

■22 bildet, wie dies in Fig. 1 und 2 veranschaulicht ist« Die abrupt verlaufenden schrägen Flächen 48 halten die

Breite der Zylinderkontaktfläche 47 sogar in dem Fall weitgehend konstant, daß sich die betreffende Fläche abnutzt} die betreffenden Flächen begrenzen einen weiten Zwischenraum zwischen der unteren Seite 24 und der schräg verlaufenden Fläche 48, um überschüssiges Öl aufzunehmen und dann an das Abflußloch 20 abzuleiten. Das Abflußloch 20 verläuft von der unteren Seite 24 der Ölringnut.25 aus zur Innenseite des Kolbens 2 hin. Wie aus Fig. 6hervorgeht, weist die ÖIringanordnung gemäß der Erfindung eine Art von Abflußlöchern 20 auf, die zum Seitenumfang des Kolbens 2 hin und zu den rückwärtigen und unteren Seiten der Ölringnut 25 offen sind, in der der Ölring 4 sitzt. Im Unterschied dazu weist die konventionelle Ölringanordnung ein erstes Abflußloch in der Rückseite der Ölringnut und ein zweites Abflußloch unterhalb der Ölringnut auf.

Wenn der Zylinderkontaktdruck unzureichend ist, kann an der Rückseite 43 des Ölrings 4 ein übliches Ausdehnungsglied 8, wie eine Feder, vorgesehen sein,wie dies Fig. 7 veranschaulicht. Außerdem kann der Ölring 4 auf seinem Außenumfang 41 von einem harten Überzug 7 ^aus einer Chromauflage oder durch Nitriex*ung überzogen sein.

Es wurde ein Test durchgeführt, um die Wirkung zu veranschaulichen, die sich aus dem Ölring gemäß der Erfindung im Vergleich zu dem bekannten Ring ergibt. Die folgenden Testbedingungen wurden angewandt:
Ölring gemäß der Erfindung: I: -B= 1,0mm, T= 2,65 mm,

3Ot= 0,3 mm, 3,9 g.

Bekannter Ölring: 1 : - B = 4,0 mm, T = 2,65 mm,

t = 0,5 mm, 11,4g.

Bekannter Ölring: 2: - B = 2,0 mm, T = 3,4 mm,

t = 0,5 mm, 8,1 g.

Durchmesser: 73 nun,

Zylinderkontaktdruck: 43 kg/cm .

- 12 -Motor:

Durchmesser» 73 π™»

Hub: 77 nun,

Schmieröl SAB Nr. 20,
Kompressionsring: 2 rechteckförmige Ringe, Testmethode: Messung des Schmierölverbrauchs bei 2000, 3000,' 4000 und 5000 U/min.

Das Testergebnis ist in Fig. 8 veranschaulicht, in der ein Diagramm eine Beziehung zwischen dem Schmierölverbrauch und dem Ölringgewicht veranschaulicht. Das Diagramm zeigt, daß der Ölverbrauch mit Abnahme des Ölringgewichts sowie der Breite der Zylinderkontaktflache abnimmt und daß dies im Bereich hoher Drehzahlen noch offensichtlicher ist.

Leerseite

Claims (6)

1. Patentansprüche

   e/Ölringanordnung mit einem Kolben (2), einer im Seitenumfang des Kolbens gebildeten Olringnut (25), einem in

   5 der Olringnut untergebrachten Ölring (4) und einer Vielzahl von radial von der Olringnut zur Innenseite des Kolbens verlaufenden Abflußlöchern (20), dadurch gekennzeic h-n e t , daß der Ölring (4) eine an seinem Seitenumfang (4i) ge-

   10 bildete einzelne Zylinderberührungsfläche (47) aufweist, die so angeordnet ist, daß sie einem Zylinderkontaktdruck von 2 bis 6 kg/cm ausgesetzt ist,

   und daß der Ölring (4) und die Zylinderkontaktfläche (47) so dimensioniert sind, daß die folgenden Gleichungen er-

   15 füllt sind:

   (1) 0,1 £ B/D £ 0,025,

   (2) T?B ± 4,

   (3) 0,1 ύ t/B έ 0,5,

   wobei B die axiale Höhe des Ölrings (4), D der Außendurch-20 messer des Ölrings (4), T die radiale Dicke des Ölrings (4) und t die Breite der Zylinderkontaktfläche (47) bedeuten.
2. 2. Ölringanordnung nach Anspruch 1,dadurch g e 25 kennzeichnet , daß die Zylinderberührungsfläche durch obere und untere konische Flächen (48) gebildet

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   1 IMn Ii ♦ * 7HRÄT7I ICH Ol G MÜNCHEN UND BAYER. OBERSTES LANDESGERICHT

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   ' ist, welche die oberen und unteren Flächen (42, 44) des Ölrings (4) unter einem spitzen Winkel schneiden.
3. 3. Ölringanordnung nach Anspruch 1,dadurch g e -> kennzeichnet, daß das Abflußloch (20) die untere Seite (24) der Ölringnut (25) derart schneidet, daß sie zum Seitenumfang des Kolbens (2) hin' offen ist.
4. 4. Ölringanordnung nach Anspruch 1,dadurch g e kennzeichnet, daß der Ölring (4) mit einem Dehnungsteil (8) versehen ist, welches den Ölring (4) trägt.
5. 5. Ölringanordnung nach Anspruch 1,dadurch g e ■* kennzeichnet, daß der "Ölring (4) einen Seitenumfang (41) aufweist, der von einem Hartüberzug (7) überzogen ist.
6. 6. Ölringanordnung nach Anspruch 3»<i^a<iu.rch g e -

   kennzeichnet , daß die untere konische Fläche

   (48) einen ringförmigen Leerraum auf der Unterseite (24) der Ölringnut (25) bildet, wobei dieser Leerraum Öl sammelt und zu den Abflußlöchern (20) hinfließen läßt.