DE3428007C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Kolben mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Die US 16 67 548 zeigt einen Kolben dieser Gattung. Dieser Kolben ist vollständig mit Kompressionsringen ohne gasdichten Stoß bestückt. Es können daher Verbrennungsgase bis in den Triebwerksraum durchdringen. Dies führt auch dazu, daß sich an den unteren Kompressionsringen kein höherer Gasdruck aufbauen kann, der einerseits ein Flattern der Ringe, das zu erhöhtem Ölverbrauch führt, und andererseits auch einen Durchtritt von verunreinigtem Öl zum Triebwerksraum wirksam verhindert. Weiterhin bieten die vorgesehenen Kolbenringe mit zylindrischen Laufflächen keine Möglichkeiten zur Beeinflussung der Ölabstreifwirkung der einzelnen Ringe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der genannten Gattung zu schaffen, durch dessen Form und Kolbenringbestückung es gelingt, daß auch bei ausreichender Schmierung bis in den Bereich des obersten Kompressionsringes einerseits eine hohe Dichtwirkung gegenüber den Verbrennungsgasen sichergestellt ist und andererseits im Arbeitshub des Kolbens der an der Zylinderlauffläche haftende Schmierölfilm nicht in den Triebwerksraum gelangen kann.

Diese Aufgabe ist bei einem Kolben der eingangs genannten Art durch eine spezielle Ausbildung desselben und besondere Kolbenringbestückung mit im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Details dieser Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele dargelegt. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Kolben nach der Erfindung mit drei Kompressions­ ringen,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Kolben nach der Erfindung mit vier Kompressions­ ringen.

In den Figuren sind gleich bzw. einander entsprechende Teile bzw. Details derselben mit gleichen Bezugszeichen angezogen.

In den Figuren ist mit 1 eine Zylinderlauffläche an der Innenseite eines Zylinders oder einer Zylinderbuchse 2 und mit 3 ein Kolben einer schwerölbetriebenen Zwei-Takt- oder Vier-Takt-Brennkraftmaschine bezeichnet. Mit X ₀ ist in den Figuren zwischen Pfeilen der das Kolbenspiel vor­ gebende Abstand zwischen Kolbenaußenseite 4 und Zylin­ derlauffläche 1 bezeichnet. Mit 5 ist eine im Kolben 3 ausgebildete Ringnut und mit 6 ein oberster, also brenn­ raumnächster Kompressionsring bezeichnet. Mit 7 ist eine ebenfalls im Kolben 3 ausgebildete Ringnut und mit 8 ein darin eingesetzter, zum Triebwerksraum hin unter­ ster Kompressionsring bezeichnet. Mit 9 ist eine eben­ falls im Kolben 3 ausgebildete Ringnut und mit 10 der zum Triebwerksraum hin vorletzte Kompressionsring be­ zeichnet. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bilden die Kompressionsringe 6, 8, 10 die komplette Kompres­ sionsringbestückung, während beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 zwischen dem obersten Kompressionsring 6 und dem vorletzten Kompressionsring 10 noch ein weiterer, in einer Ringnut 11 eingesetzter Kompressionsring 12 vorhanden ist, also in diesem Fall die Kompressions­ ringbestückung des Kolbens aus vier Kompressionsringen besteht. Die erfindungsgemäße Lösung ist jedoch nicht auf eine Kompressionsringbestückung, bestehend aus drei oder vier Kompressionsringen, beschränkt; die Erfindung kann gleichermaßen auch bei mehr als vier Kompressions­ ringe aufweisenden Kolben realisiert sein.

In den Figuren ist weiterhin ein zwischen der Ringnut 5 für den obersten Kompressionsring 6 und der Ringnut 9 bzw. 11 für den zum Triebwerksraum hin nachfolgenden Kompres­ sionsring 10 bzw. 12 am Kolben verbleibender Steg mit 13 und zwischen Pfeilen mit X ₁ der Abstand zwischen der Außenfläche 14 dieses Steges 13 und der Zylinderlauffläche 1 bezeichnet. Mit 15 ist ein zwischen der Ringnut 9 für den vorletzten Kompressionsring und der Ringnut 7 für den untersten Kolbenring am Kolben verbleibende Steg und mit X ₂, bzw. X _2/1 der Abstand zwischen der Außenfläche 16 des Steges 15 und der Zylinderlauffläche 1 gegeben. In Fig. 2 ist beim dortigen Ausführungsbeispiel zwischen der Ringnut 11 und der Ringnut 9 ein Steg 17 am Kolben 3 gegeben, zwischen dessen Außenfläche 18 und der Zylinder­ lauffläche 1 ein mit X _2/2 bezeichneter und zwischen Pfeilen aufgenommener Abstand gegeben ist.

Der Kolben 3 weist erfindungsgemäß eine besondere Ge­ staltung und Kolbenringbestückung mit speziellen, nachfol­ gend beschriebenen Merkmalen auf.

Bei der erfindungsgemäßen Kolbenringbestückung besitzt nur der zum Triebwerksraum hin unterste Kompressions­ ring 8 einen gasdichten Stoß; außerdem ist dieser unter­ ste Kompressionsring 8 durch einen, einen Minutenwinkel α von 0,5° bis 2° aufweisenden Minutenring gebildet, der un­ ten eine kleine Außenfase 19 aufweist. Der innerhalb der erfindungsgemäßen Kolbenringbestückung brennraumnächste Kompressionsring weist eine asymmetrisch winklig oder ballige Lauffläche 20 mit abgerundetem Übergang 21 zur Ringunterflanke und außerdem einen nicht gasdichten Stoß auf. Letzterer ist zwar nicht dargestellt aber in seiner Art an sich bekannt; es handelt sich dabei um einen den Kolbenring radial durchdringenden Querschlitz, so daß die beiden Ringenden mit etwa planparallelen Flächen etwas beabstandet zueinander stehen.

Der innerhalb der erfindungsgemäßen Kolbenringbestückung zum Triebwerksraum hin vorletzte Kompressionsring 10 ist ebenfalls durch einen Minutenring gebildet, der auch einen nicht gasdichten Stoß wie vorstehend erläutert, einen Minutenwinkel β von 0,5° bis 2° und außerdem einen kurzen zylindrischen Laufflächenabschnitt 22 aufweist, an den sich unten eine Außenfase 23 (wie im Fall des Beispiels gemäß Fig. 1) oder eine Hohlkehle 24 (wie im Fall des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 dargestellt) mit einer bis zu 40% der Ringhöhe betragenden Höhe anschließt.

Entsprechend einem weiteren Kriterium der Erfindung sind die Abstände X ₁ und X _2/2 der Außenfläche 14, 18 eines zwischen dem obersten (6) und vorletzten Kompressions­ ring 10 befindlichen Steges 14, 17 zur Zylinderlauf­ fläche 1 gleich dem oder geringfügig größer als der das Kolbenspiel vorgebende Abstand X ₀ zwischen Kolben­ außenseite 4 und Zylinderlauffläche 1. Außerdem ent­ sprechen die Abstände X ₂ bzw. X _2/1 der Außenfläche des zwischen dem vorletzten (10) und untersten Kompressions­ ring 8 angeordneten Steges 15 und der Zylinderlauf­ fläche 1 etwa dem 2fachen des Abstandes X ₀ zwischen Kolbenaußenseite 4 und Zylinderlauffläche 1. Hierdurch ergeben sich zwischen den einzelnen Kompressionsringen von oben nach unten gesehen zunehmend größere wirk­ same Gasaufnahmevolumen, V ₂, V ₃ (im Falle des Beispiels gemäß Fig. 1) bzw. V _2/2, V _2/1, V ₃ (im Falle des Beispiels gemäß Fig. 2).

Entsprechend einem weiteren Kriterium der Erfindung schließt sich an die den untersten Kompressionsring 8 aufnehmende Ringnut 7 unmittelbar eine am Kolben umlau­ fende Aussparung 25 an, deren Boden 26 um ein Maß X ₃, das etwa dem 3- bis 4fachen des zwischen Kolbenaußen­ seite 4 und Zylinderlauffläche 1 gegebenen Abstandes X ₀ entspricht, von der Zylinderlauffläche beabstandet ist.

Entsprechend einem weiteren Kriterium der Erfindung be­ sitzt das zwischen dem vorletzten Kompressionsring 10 und dem vorherigen Kompressionsring 6 bzw. 12 gegebene Gasaufnahmevolumen V ₂ (im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1) bzw. V _2/1 (im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2) eine Größe, die etwa dem 2fachen der Größe jenes Gasaufnahmevolumens V ₁ entspricht, das den brennraumnächsten Kompressionsring 6 in dessen Ringnut 5 umgibt.

Das zwischen dem vorletzten (10) und untersten Kompres­ sionsring 8 gegebene Gasaufnahmevolumen V ₃ kann gering­ fügig kleiner oder gleich oder geringfügig größer dem den obersten Kompressionsring 6 in dessen Ringnut 5 um­ gebenden Gasaufnahmevolumen V ₁ sein. Das im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 zwischen dem ober­ sten (6) und zweiten Kompressionsring 12 gegebene Gas­ aufnahmevolumen V _2/2 kann kleiner oder gleich dem Gas­ aufnahmevolumen V _2/1 sein.

Die gegenüber dem Abstand X ₀ größeren Abstände X ₂ und X _2/1 und X _2/2 und gegebenenfalls auch X ₁ und auch die Aussparung 25 sind durch Abdrehungen des Kolbens 3 in diesem Bereich realisiert.

Die Höhe der Außenfase 19 am untersten Kompressions­ ring 8 beträgt 5 bis 30% der Ringhöhe. Außerdem kann der unterste Kompressionsring 8 ebenso wie der vorletzte (10) einen kurzen zylindrischen Laufflächenabschnitt auf­ weisen; ein solcher Laufflächenabschnitt ist beim Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 2 vorhanden und dort mit 27 be­ zeichnet.

Wenn die Kolbenringbestückung an einem Kolben aus mehr als drei Kompressionsringen besteht, also beispielswei­ se wie im Beispiel gemäß Fig. 2 gezeigt aus vier Kom­ pressionsringen, weist generell jeder zwischen dem obersten (6) und zum Triebwerksraum hin vorletzten (10) angeordnete Kompressionsring 12 einen nicht gasdichten Stoß auf; außerdem kann dieser Kompressionsring 12 eine beliebig gestaltete Lauffläche 28 besitzen.

Die Hohlkehle 24 am vorletzten Kompressionsring 10 kann (falls diese anstelle der Außenfase 23 vorhanden ist), wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 gezeigt, eine konkave Ringfläche aufweisen oder aus rechtwinklig oder stumpfwinklig zueinanderstehenden Ringflächen bestehen.

Schließlich kann, wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 gezeigt, im Bereich der unterhalb des untersten Kompressionsringes 8 angeordneten Aussparung 25 in den Kolben eine Ringnut 29 eingedreht und in dieser ein an die Zylinderlauffläche 1 angedrückter Ölabstreifring 30 eingesetzt sein.

Durch die erfindungsgemäße spezielle Ausbildung des Kolbens und spezielle Kolbenringbestückung desselben ist eine Entlastung des brennraumnächsten Kompressions­ ringes und gleichzeitig eine gezielte Belastung der die­ sem zum Triebwerksraum hin nachfolgenden Kompressions­ ringe erzielbar. Ein Durchströmen von Abgas aus dem Brenn­ raum in Richtung Triebwerksraum ist damit weitestgehend un­ terbunden. Die im Bereich der Kompressionsringe zwischen denselben gegebenen Gasaufnahmevolumina werden außerdem durch Spül- bzw. Ladeluft aufgefüllt und entleert; die Kompressionsringe und Ringstege bleiben deshalb sauber und verlacken nicht. Außerdem heizen sich die Stöße der Kompressionsringe weniger auf. Versuche haben gezeigt, daß an einem nach der Erfindung gestalteten und bestückten Kolben gegenüber einem Kol­ ben mit Normalringbestückung, bei der der brennraum­ nächste Kolbenring einen gasdichten Stoß aufweist, der brennraumnächste Kompressionsring mit wesentlich gerin­ gerem wirksamen Gasdruck an die Zylinderlauffläche angepreßt wird, gleichzeitig aber die zum Triebwerks­ raum hin folgenden Kompressionsringe vergleichsweise stärker beaufschlagt werden, wobei der hinter diesen Kompressionsringen in Radialrichtung wirksame Gasdruck etwa den 2- bis 3fachen Wert annehmen kann. Die daraus resultierende radiale Anpreßkraft erhöht sich zusätz­ lich noch um bis zu etwa 40% durch das Vorsehen einer Außenfase an den Kompressionsringen. Dies ist jedoch nur möglich geworden, weil erst der zum Triebwerksraum hin unterste Kompressionsring einen gasdichten Stoß be­ sitzt. Es ist damit in Verbindung mit einer Optimierung der Gasaufnahmevolumen zwischen den einzelnen Kompres­ sionsringen eine Druckverteilung erzielbar, die eine ausgezeichnete Stabilisierung derselben in ihren Ring­ nuten bewirkt. Im gesamten Arbeitstakt werden alle, also auch die unterhalb des brennraumnächsten angeord­ neten Kompressionsringe stabil auf die jeweils untere Ringnutflanke gepreßt, was wiederum eine gute Anpres­ sung der Ringlaufflächen an die Zylinderlauffläche und damit eine optimale Ölabstreifwirkung im gesamten Arbeitshub des Kolbens sicherstellt, mit der Folge, daß eine große Menge relativ sauberen Schmieröls von der Zylinderlauffläche abgezogen und in Richtung Trieb­ werksraum gefördert werden kann. Andererseits ist infolge der Phasenverschiebung der Druckbeaufschlagung der einzelnen Kompressionsringe von oben nach unten und richtige Wahl der einzelnen Gasaufnahmevolumina V ₂, V _2/1, V _2/2 und insbesondere V ₃ gewährleistet, daß beim Ausschiebetakt des Kolbens eine Gasströmung innerhalb des erfindungsgemäßen Kolbenringpaketes von unten in Richtung Brennraum stattfinden kann. Diese Strömung bewirkt, daß Schmutzpartikel, die im an der Zylinderlauffläche noch haftenden Schmierölfilm einge­ lagert sind, mit letzterem in Richtung Brennraum beför­ dert werden.

Aus all diesem wird deutlich, daß sich mit einem nach der Erfindung gebauten Kolben der Ölverbrauch reduzie­ ren läßt. Das Reinhalten und Regenerieren des Schmieröls ist auch bei sehr schlechten Brennstoffqualitäten auf einfache Weise möglich.

Claims (6)

1. Kolben einer Brennkraftmaschine, mit wenigstens drei in Ringnuten (5, 7, 9, 11) eingesetzten Kompressionsringen (6, 8, 10, 12), wobei

• - der zum Triebwerksraum hin unterste Kompressionsring (8) unten eine kleine Außenfase (19) besitzt und die über diesem zum Brennraum hin angeordneten Kompressionsringe (6, 10, 12) einen nicht gasdichten Stoß aufweisen,
• - der zum Triebwerksraum hin vorletzte Kompressionsring (10) unten eine Außenfase (23) oder Hohlkehle (24) aufweist,
• - die Außenfläche (16) des zwischen dem vorletzten (10) und untersten Kompressionsring (8) gegebenen Steges um einen Abstand (X ₂, X _2/1) von der Zylinderlauffläche (1) beabstandet ist, das größer als der Abstand (X ₀) zwischen Kolbenaußenseite (4) und Zylinderlauffläche ist, und
• - sich an die den untersten Kompressionsring (8) aufnehmende Ringnut (7) unmittelbar eine am Kolben umlaufende Aussparung (25) anschließt, deren Boden (26) um ein Maß (X ₃) von der Zylinderlauffläche (1) beabstandet ist, das größer als der zwischen Kolbenaußenseite (4) und Zylinderlauffläche vorhandene Abstand (X ₀) ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) für Schwerölbetrieb geeignet ausgebildet und an diesem folgende spezielle Kolbenformgebung in Verbindung mit folgender spezieller Kolbenringausbildung gegeben ist, dergestalt,

• - daß nur der zum Triebwerksraum hin unterste Kompressionsring (8) einen gasdichten Stoß aufweist und ansonsten durch einen einen Minutenwinkel α von 0,5° bis 2° aufweisenden Minutenring gebildet ist,
• - daß der brennraumnächste, oberste Kompressionsring (6) eine asymmetrisch winklig oder ballige Lauffläche (20) mit abgerundetem Übergang (21) zur Ringunterflanke aufweist,
• - daß der zum Triebwerksraum hin vorletzte Kompressionsring (10) durch einen, einen Minutenwinkel β von 0,5° bis 2° aufweisenden Minutenring mit einem sich an den konischen Laufflächenteil anschließenden kurzen zylindrischen Laufflächenabschnitt (22), an den sich unten die Außenfase (23) oder Hohlkehle (24) mit einer bis zu 40% der Ringhöhe betragenden Höhe anschließt, gebildet ist,
• - daß der Abstand (X ₁, X _2/2) der Außenfläche (14; 18) eines zwischen dem obersten (6) und vorletzten Kompressionsring (10) befindlichen Steges (13; 17) zur Zylinderlauffläche (1) gleich dem oder geringfügig größer als der das Kolbenspiel vorgebende Abstand (X ₀) ist,
• - daß der Boden (26) der sich an die den untersten Kompressionsring (8) aufnehmenden Ringnut (7) anschließenden Aussparung (25) um ein etwa dem 3- bis 4fachen des Abstands (X ₀) entsprechenden Maß (X ₃) von der Zylinderlauffläche (1) beabstandet ist, und
• - daß das zwischen dem vorletzten (10) und davor angeordneten Kompressionsring (6; 12) gegebene Gasaufnahmevolumen (V ₂; V _2/1) etwa dem 2fachen des den obersten Kompressionsring (6) in dessen Ringnut (5) umgebenden Gasaufnahmevolumens (V ₁) entspricht.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unterste Kompressions­ ring (8) ebenso wie der vorletzte Kompressionsring (10) einen kurzen zylindrischen Laufflächenabschnitt (27, 22) aufweisen.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr als drei Kompressionsringen jeder zwischen dem obersten (6) und zum Triebwerksraum hin vorletzten (10) ange­ ordnete Kompressionsring (12) eine beliebig gestaltete Lauf­ fläche (28) aufweist.

4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der unterhalb des untersten Kompressionsringes (8) angeordneten Aussparung (25) in den Kolben (3) eine Ringnut (29) eingedreht und in dieser Ringnut (29) ein an die Zylinderlauffläche (1) angedrückter Ölabstreif­ ring (30) eingesetzt ist.

5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen dem un­ tersten (8) und vorletzten Kompressionsring (10) gegebene Gasaufnahmevolumen (V ₃) geringfügig kleiner oder gleich oder geringfügig größer dem den obersten Kompressionsring (6) in dessen Ringnut (5) um­ gebenden Gasaufnahmevolumen (V ₁) ist.