DE3924982A1 - Kolbenring-system - Google Patents
Kolbenring-systemInfo
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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Description
Die Erfindung betrifft ein Kolbenring-System zur Abdichtung zwischen
Arbeitsraum und Kurbelgehäuse an einem Kolben einer
Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Aus mehreren Kompressionsringen gebildete Kolbenringsysteme, die
zudem in aller Regel noch wenigstens einen auf der Seite des
Kurbelgehäuses anschließenden Ölabstreifring umfassen, sind seit
Jahrzehnten bekannt. Ringsysteme, deren oberster Kompressionsring
einen gasdichten Stoß aufweist, haben den Nachteil, daß dieser
oberste Ring und die von ihm insbesondere in der Nähe des oberen
Totpunktes überstrichenen Teile der Zylinderwand einem erhöhten
Verschleiß ausgesetzt sind, während die folgenden Kompressionsringe
kaum noch etwas zur Dichtwirkung des Systems beitragen können, da es
ihnen an dem für die radiale Anpressung an die Zylinderwand
erforderlichen Druck von ihrer Innenseite her fehlt.
Die US-PS 19 88 727 schlägt als Abhilfe ein Kolbenringsystem vor,
bei dem die oberen drei Kompressionsringe an ihrer oberen und an
ihrer unteren Flanke radiale Durchlässe aufweisen. Dadurch soll die
zwischen Arbeitsraum und Kurbelgehäuse bestehende Druckdifferenz in
gleichmäßiger Abstufung auf die zwischen den Kompressionsringen
vorhandenen Ringräume verteilt werden. Dieses System hat den
Nachteil, daß die Ringe und die Ringräume ständig von einer größeren
Menge verschmutzten Abgases umspült werden und dadurch zum
vorzeitigen Verschmutzen oder Verkleben neigen. Insbesondere für den
obersten Kompressionsring steigt dadurch die Gefahr des
Kollabierens, d.h. dieser Ring wird aufgrund der durch Verschmutzung
steigenden Reibung beim Kippen des Kolbens von der unteren
Ringflanke mitgenommen und hebt dabei von der Zylinderwand ab,
wodurch seine gesamte Dichtwirkung schlagartig zusammenbricht.
Darüber hinaus ist eine stabile Anlage der Ringe an der unteren
Nutflanke nicht gewährleistet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gut dichtendes
Ringsystem mit reduziertem Verschleißverhalten zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst. Dadurch, daß die untere Flanke der Kolbenringe dichtend
ausgebildet ist, wird auch bei hohen Zünddrücken ein "blow-by" von
Abgasen wirksam verhindert. Der oberhalb des ersten Kolbenringes im
Arbeitsraum anstehende Druck wird durch die Ringstöße teilweise auch
an die unteren Ringe weitergegeben, so daß diese etwas zur
Entlastung des ersten Kolbenringes beitragen können. Durch die
radialen Durchlässe zwischen oberer Nutflanke und oberer Ringflanke
werden die Ringräume zwischen den Kolbenringen andererseits sehr
schnell vom dort gespeicherten Druck entlastet, so daß über eine
reduzierte Anpreßdauer der Ringe an die Zylinderwand auch eine
Verschleißreduzierung erzielt wird. Das sehr schnelle Entweichen des
eingesperrten Druckes ist auch förderlich für eine Spülung der
Ringnuten, mittels derer Verbrennungsrückstände in Richtung
Brennraum zurückbefördert werden und deren Ablagerung in den
Ringnuten verhindert wird.
Nachfolgend sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Teillängsschnitt aus dem Mantelbereich eines
Kolbens in Höhe des Ringnutpakets bei der
Kolbenaufwärtsbewegung und im ersten Teil des
Expansionstaktes,
Fig. 2 die Anordnung gemäß Fig. 1 im letzten Teil des
Expansionstaktes,
Fig. 3 eine Ringnut als Detailvergrößerung im Teillängsschnitt
in einer Variante,
Fig. 4 eine Frontansicht auf den Ausschnitt gemäß Fig. 3,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines an seiner
Oberseite radiale Durchlässe aufweisenden Kolbenrings
und
Fig. 6 ein Diagramm, das die Drücke über den verschiedenen
Kompressionsringen während eines Arbeitspiels mit und ohne
Anwendung der Erfindung darstellt.
In Fig. 1 und 2 ist mit 1 ein Kolben einer nicht näher dargestellten
Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet. Der Kolben 1 führt in einem
Zylinder 2 eine auf- und abgehende Bewegung aus. Zylinderwand 3 und
obere Stirnseite des Kolbens 1 begrenzen in Verbindung mit einem
nicht dargestellten, den Zylinder 2 nach oben verschließenden
Zylinderkopf einen Arbeitsraum 4, der sich entsprechend der
jeweiligen Position des Kolbens 1 in seinem Volumen und seinem Druck
verändert.
Zur Abdichtung zwischen Arbeitsraum 4 und einem nicht dargestellten,
unterhalb des Kolbens 1 befindlichen Kurbelgehäuse ist am Kolben 1
in Ringnuten 6, 9, 12, 15 ein System von mehreren Kolbenringen 8,
11, 14, 16 vorgesehen. Die Kolbenringe 8, 11 und 14 dienen im
wesentlichen dazu, ein Durchtreten = "blow-by") der im Arbeitsraum
befindlichen, zeitweise unter hohem Druck stehenden Gase zum
Kurbelgehäuse zu verhindern. In Übereinstimmung mit der üblichen
Benennung werden sie im folgenden vom Arbeitsraum zum Kurbelgehäuse
hin als erster Kompressionsring 8, zweiter Kompressionsring 11 und
dritter Kompressionsring 14 bezeichnet.
Der unterhalb des dritten Kompressionsringes 14 angeordnete
Kolbenring 16 hat die Funktion, für eine ausreichende Schmierung der
Zylinderwand 3 zu sorgen und überschüssiges Schmieröl zum
Kurbelgehäuse zurückzubefördern. Er wird daher im folgenden als
Ölabstreifring 16 bezeichnet.
Alle Kolbenringe 8, 11, 14 und 16 weisen eine bestimmte, radial nach
außen gerichtete Vorspannkraft auf. Sie treten daher über den
Durchmesser des Kolbens 1 hinaus aus den Ringnuten 6, 9, 12 und 15
heraus und dichten den für die Beweglichkeit des Kolbens 1 zwischen
diesem und der Zylinderwand 3 vorgesehenen Ringspalt 5 ab.
Die Bauhöhe der Kolbenringe 8, 11, 14, 16 ist geringer als die der
Ringnuten 6, 9, 12, 15, wodurch sich die Kolbenringe entsprechend
der an ihnen angreifenden Kräfte in Achsrichtung des Kolbens
geringfügig bewegen und infolgedessen entweder an der oberen oder
der unteren Flanke einer Ringnut anliegen können. Als angreifende
Kräfte sind zu nennen: die sich aus dem Produkt der Druckdifferenz
an der Ringober- bzw. -unterseite und der von diesen Drücken
beaufschlagten Flächen ergebende Gaskraft, die aus der Masse der
Ringe und der Kolbenbeschleunigung resultierende Massenkraft und die
aus Ringvorspannung und der zusätzlich auf die Rückseite der Ringe
wirkenden Gaskraft in Verbindung mit dem Reibungskoeffizienten durch
die Zylinderwand 3 ausgeübte Reibungskraft.
Gemäß der Erfindung bilden die Kompressionsringe 8, 11 bzw. 14 mit
der oberen Ringflanke der sie aufnehmenden Ringnut 6, 9 bzw. 12
radiale Durchlässe und ist die untere Ringflanke der
Kompressionsringe 8, 11 bzw. 14 bei Anlage an der unteren Nutflanke
dichtend ausgebildet. Die radialen Durchlässe werden im
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 von Radialnuten 7, 10 bzw. 13
gebildet, die am Umfang verteilt in die Oberflanke der Ringnuten 6,
9 bzw. 12 eingearbeitet sind. Die Radialnuten 7, 10 bzw. 13 können
bezüglich ihres Querschnittes eine beliebige Form aufweisen.
Entscheidend ist, daß die Radialnuten 7, 10, 13 bei Anlage der
Kompressionsringe 8, 11, 14 an der jeweils oberen Flanke der
Ringnuten 6, 9 bzw. 12 eine Verbindung zwischen dem unterhalb und
oberhalb eines jeden Kompressionsringes liegenden Teil des
Ringspaltes 5 herstellen oder mit anderen Worten durch eine
rückseitige Umströmung der Kompressionsringe 8, 11, 14 einen
schnellen Druckausgleich zwischen deren Ober- und Unterseite
bzw. eine Entleerung der von den Kompressionsringen begrenzten
Ringräume ermöglichen. Die Wirkungsweise wird noch detaillierter
weiter unten beschrieben.
In Fig. 3 und 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines radialen
Durchlasses gezeigt. Zu diesem Zweck ist aus einem Kolben 31 ein eine
Ringnut 32 aufweisendes Teil herausgeschnitten und vergrößert
dargestellt. Die Ringnut 32 weist eine horizontale untere Nutflanke
33, einen vertikalen Nutgrund 34 und eine horizontale obere
Nutflanke 35 auf. In die obere Nutflanke 35 sind am Umfang verteilt
mehrere halbkreisförmige Radialnuten 36 eingearbeitet, die am
äußeren Rand zusätzlich eine Anfasung 38 aufweisen. Ferner ist der
Austrittsquerschnitt der Ringnut 32 zur Kolbenmantelfläche hin durch
eine sich über den gesamten Kolbenumfang erstreckende, an die obere
Nutflanke 35 nach oben anschließende und diese radial einwärts
gegenüber der unteren Nutflanke 33 verkürzende Eindrehung 37
vergrößert. Die besonderen Vorteile dieser Ausgestaltung werden
weiter unten im Zusammenhang mit der Funktionsbeschreibung
erläutert.
Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit, radiale Durchlässe zwischen
oberer Flanke einer Kolbenringnut und oberer Flanke eines
Kompressionsrings vorzusehen. Der dort gezeigte Kompressionsring 40
weist an seiner oberen Flanke 41 am Umfang verteilt mehrere
Radialnuten 42, 43, 44 auf, von denen eine vorzugsweise im Bereich
des Ringstoßes 39 angeordnet ist. Ein derartiger Kompressionsring 40
kann in jede herkömmliche Ringnut mit durchgehend ebener Oberflanke
eingesetzt werden. Aufgrund der Kerbwirkung der Radialnuten 42, 43,
44 ist diese Ausgestaltung bei hochbelasteten Kolbenringen im
Hinblick auf das Dauerfestigkeitsverhalten der Kolbenringe gegenüber
der Lösung mit Radialnuten in den oberen Ringflanken nicht so
vorteilhaft. Sie stellt jedoch eine kostengünstige Lösung für das
Nachrüsten von im Einsatz befindlichen Kolben dar.
In Fig. 6 ist ein Diagramm gezeigt, bei dem über einem halben
Arbeitsspiel (Kompressions- und Arbeitstakt) einer
Hubkolbenbrennkraftmaschine die Druckverlaufskurven über dem ersten
Kompressionsring (entspricht dem Druck im Arbeitsraum), im Ringspalt
zwischen erstem und zweitem und im Ringspalt zwischen zweitem und
drittem Kompressionsring einmal mit und einmal ohne Anwendung der
Erfindung dargestellt sind.
Die Abszisse ist dementsprechend in Grad Kurbelwinkel (° KW)
unterteilt, wobei unterer Totpunkt (UT) und oberer Totpunkt (OT)
besonders hervorgehoben sind. Auf der Ordinate ist der jeweilige
Druck in bar aufgetragen. Die Darstellung hat insgesamt nur
qualitativen Aussagewert; genaue Werte für einen bestimmten Druck
bei einer bestimmten Kolbenstellung können ihr nicht entnommen
werden.
Mit 45 ist der Druckverlauf oberhalb des ersten Kompressionsringes 8
bezeichnet, der in etwa dem Druck im Arbeitsraum entspricht und der
unabhängig von der Anwendung der Erfindung bei einem bestimmten
Motor bei gleichen äußeren Bedingungen gleichbleibt. Mit 46 ist der
Kompressionsring bei Verwendung herkömmlicher Kompressionsringe und
eines Kolbens mit herkömmlich gestalteten Ringnuten bezeichnet. Die
Kurve 47 gibt den Druckverlauf zwischen zweitem und drittem
Kompressionsring bei Nichtanwendung der Erfindung wieder.
Die Kurven 45 und 46 schließen im Bereich ihrer nach rechts
fallenden Flanken ein in der Zeichnung rechtssteigend schraffiertes
Differenzdruckgebiet 48 ein, in dem der Druck unterhalb des ersten
Kompressionsringes größer ist als der Druck oberhalb. Ebenso
schließen die Kurven 46 und 47 im Bereich ihrer nach rechts
fallenden Flanken ein in der Zeichnung nach rechts fallend
schraffiertes Differenzdruckgebiet 49 ein, in dem der Druck
unterhalb des zweiten Kolbenrings größer ist als oberhalb desselben.
Diese Differenzdruckgebiete 48, 49 entstehen dadurch, daß die
Zwischenräume zwischen den Kompressionsringen, die durch den
Ringstoß aufgrund des oberhalb des jeweils oberen Kompressionsringes
herrschenden höheren Druckes - beim Zwischenraum zwischen erstem und
zweitem Kompressionsring also des Druckes oberhalb des ersten
Kompressionsringes - mit zeitlicher Verzögerung gegenüber dem
dortigen Druckmaximum gefüllt werden, sich bei abfallendem Druck
oberhalb bedingt durch die starke Drosselwirkung des Ringstoßes und
die relativ kleine Druckdifferenz während der Entleerungsphase nur
sehr langsam entleeren. Dies führt bei den herkömmlichen
Kolbenring/Ringnut-Paaren dazu, daß der erste Kompressionsring
während des zweiten Teils der Expansionstaktes aufgrund des auf
seiner Unterseite wirksamen höheren Druckes gegen die obere Flanke
gedrückt wird, wohingegen der zweite Kompressionsring gegen die
untere Flanke gedrückt wird.
Bei einem in Fig. 6 mit α0 bezeichneten Kurbelwinkel ergibt sich
dabei die Situation, daß der zwischen dem Punkt auf der Kurve 46 und
der Abszisse abzulesende Druck der unterhalb des ersten
Kompressionsringes 8 eingeschlossenen Gasmenge gegenüber dem Punkt c
auf der Kurve 47 eine größere Druckdifferenz aufweist als gegenüber
dem Punkt b auf der Kurve 45. Dadurch wird sich die eingeschlossene
Gasmenge nicht so sehr nach oben zum Arbeitsraum, sondern mehr nach
unten zum Triebraum hin entleeren, mit der negativen Folge von
vermehrten Schmutzablagerungen in den unteren Ringnuten und einer
verstärkten Verschmutzung des Schmieröls.
Der erste Kompressionsring verharrt bei herkömmlichen Kolbenring-
Systemen an der Oberflanke der Ringnut, bis sich der Kolben kurz vor
dem unteren Totpunkt im Kurbelwinkel α1 befindet, an dem die
Auslaßventile öffnen und durch den dadurch bedingten schlagartigen
Druckabfall im Arbeitsraum eine Entleerung der zwischen erstem und
zweitem Kolbenring eingesperrten Gasmenge nunmehr bevorzugt nach
oben erfolgen kann.
Solange das zwischen erstem und zweitem Kompressionsring
eingeschlossene Gaspolster den ersten Kompressionsring gegen die
obere Flanke der ersten Ringnut preßt, übernimmt dieser nicht nur
die vollkommen überflüssige Aufgabe, den Arbeitsraum gegen das
Kurbelgehäuse abzudichten, sondern wird der erste Kompressionsring
aufgrund des über einen längeren Kolbenweg wirksamen radialen
Anpreßdruckes auch einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt. Ferner wird
durch die nicht rechtzeitig erfolgende, einen Flankenwechsel
bewirkende Entlastung der Ringe die Zufuhr der erforderlichen
Schmierölmenge vom Kurbelgehäuse zum Ringpaket erschwert, wodurch
die Gefahr des Trockenlaufens der Kompressionsringe mit sprunghaft
erhöhtem Verschleiß wächst.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung radialer Durchlässe zwischen
oberer Nutflanke und oberer Ringflanke werden die Zwischenräume
zwischen den Kompressionsringen 8, 11 und 14 beim Flankenwechsel in
der zweiten Hälfte des Arbeitstaktes aufgrund der vergrößerten zur
Verfügung stehenden Abströmquerschnitte sehr schnell zum Arbeitsraum
hin vom in ihnen eingesperrten Druck entlastet, wie nachstehend im
einzelnen ausgeführt.
Im Schnittpunkt der Kurven 45 und 46 sind die auf die Ober- und
Unterseite des ersten Kompressionsrings 8 wirkenden Gaskräfte gleich.
Die Reibungskraft und die Massenträgheitskraft bringen den ersten
Kompressionsring 8 kurz vor diesem Schnittpunkt zum Abheben von der
unteren und zum Anliegen an der oberen Ringflanke. Der unterhalb des
ersten Kompressionsringes 8 eingesperrte Gasdruck entweicht durch
die radialen Durchlässe - im ersten Ausführungsbeispiel durch die
Radialnuten 7 (Fig. 1 und 2) bzw. 36 (Fig. 3 und 4), im zweiten
Ausführungsbeispiel durch die Radialnuten 42, 43, 44 - sehr schnell
nach oben. Der Druckverlauf zwischen erstem und zweitem
Kompressionsring 8 bzw. 11 wird in Fig. 6 vom Kurvenast 50
dargestellt, der unterhalb des Schnittpunktes der Kurven 45 und 46
aus der letzteren hervorgeht.
Im Schnittpunkt der Kurven 50 und 47 sind die auf die Ober- und
Unterseite des zweiten Kompressionsrings 11 wirkenden Gaskräfte
gleich. Die Reibungskraft und die Massenträgheitskraft bringen den
zweiten Kompressionsring 11 kurz vor diesem Schnittpunkt zum Abheben
von der unteren und zum Anliegen an der oberen Ringflanke. Der
unterhalb des zweiten Kompressionsringes 11 eingesperrte Druck
entweicht durch die radialen Durchlässe sehr schnell nach oben.
Der daraus resultierende Druckverlauf zwischen zweitem und drittem
Kompressionsring 11 bzw. 14 wird in Fig. 6 vom Kurvenast 51
dargestellt, der unterhalb des Schnittpunktes der Kurven 50 und 47
aus letzterer hervorgeht.
Durch die in Fig. 3 und 4 gezeigte Querschnittserweiterung der
radialen Durchlässe zur Zylinderwand hin, die dort durch die
Eindrehung 37 oberhalb der oberen Nutflanke 35 und die Anfasung 38
realisiert ist, wird der Durchströmungsquerschnitt im Bereich der
Ringnuten noch zusätzlich vergrößert, und zwar so, daß für die aus
den Radialnuten 36 ausströmenden Gase insbesondere in
Umfangsrichtung zusätzliche Abströmungsmöglichkeiten bestehen.
Durch diese Maßnahme ist ein nahezu gleichmäßiges Abströmen über den
vollen Halbkreis (180°) der Ausmündung jeder Radialnut 36 möglich.
Als vorteilhaft hat sich in Verbindung mit dem Kern der Erfindung
ein Kolbenring-System erwiesen, bei dem der unterste
Kompressionsring - das heißt im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und
2 der dritte Kompressionsring 14 - mit einem gasdichten Stoß
versehen ist. Dadurch wird ein Durchtreten von Gasen in Richtung zum
Kurbelgehäuse besonders wirksam unterbunden. Ein Entweichen der im
Ringpaket eingeschlossenen Gase zum Kurbelgehäuse, wie es zur
Entlastung der Kompressionsringe bei herkömmlichen Ringsystemen
beispielsweise durch eine Vergrößerung der Ringstöße von oben nach
unten vorgesehen ist, ist beim Erfindungsgegenstand durch die
vollständige und schnelle Druckentlastung nach oben nicht notwendig.
Alle in den Gasen enthaltenen Schmutzpartikel und
Verbrennungsrückstände werden beim schnellen Entweichen der Gase aus
dem Ringpaket in den Arbeitsraum zurückbefördert. Das Schmieröl im
Triebraum wird somit länger rein erhalten; ein Verkleben der
Ringnuten durch Schmutzablagerungen wird durch den Spüleffekt
verhindert. Eine Gefahr des Kollabierens des ersten
Kompressionsringes infolge eines durch Ablagerungen erhöhten
Reibungskoeffizienten wird bei Anwendung der Erfindung
ausgeschlossen.
Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Kolbenring-System eine
baulich einfache Möglichkeit geschaffen, eine abgestufte Belastung
der Kompressionsringe bei reduziertem Verschleiß und dennoch
gleichzeitigem gutem Dichtverhalten zu erreichen.
Claims (6)
1. Kolbenring-System zur Abdichtung zwischen Arbeitsraum und
Kurbelgehäuse an einem Kolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine
mit mehreren am Kolben eingearbeiteten Ringnuten, die von je
einer oberen und einer unteren Nutflanke axial begrenzt werden,
mit mehreren in die Ringnuten mit axialem Spiel eingesetzten,
durch eine obere und eine untere Ringflanke begrenzten, einen
Ringstoß aufweisenden Kompressionsringen und mit radialen
Durchlässen, die bei wenigstens einem Teil der Kompressionsringe
äußere Ringräume, die von Kolbenmantelfläche, Zylinderwand und
benachbarten Kompressionsringen gebildet werden, mit zwischen
Nutgrund und innerer Ringmantelfläche befindlichen inneren
Ringräumen verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß radiale
Durchlässe (7, 10, 13; 36; 42, 43, 44) ausschließlich zwischen
oberer Nutflanke und oberer Ringflanke angeordnet sind und die
untere Ringflanke bei Anliegen an der unteren Nutflanke dichtend
ausgebildet ist.
2. Kolbenring-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die radialen Durchlässe als Radialnuten (7, 10, 13; 36) in die
obere Nutflanke eingearbeitet sind.
3. Kolbenring-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die radialen Durchlässe als Radialnuten (42, 43, 44) in die
obere Ringflanke eingearbeitet sind.
4. Kolbenring-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Durchlässe (36) auf
ihrer der Zylinderwand zugewandten Seite erweitert sind.
5. Kolbenring-System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die radialen Durchlässe (36) durch eine Eindrehung (37), die
sich oberhalb der oberen Nutflanke (35) befindet, in
Umfangsrichtung erweitert sind.
6. Kolbenring-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der dem Arbeitsraum entfernteste
Kompressionsring (14) gasdicht ausgebildet ist.
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