DE1776219B2

DE1776219B2 - Anordnung von Kolbenringen für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE1776219B2
Application number: DE1776219A
Authority: DE
Inventors: Lewis M. Davis; Donald M. Hesling; Laverne W. Kibbey
Original assignee: Sealed Power Corp
Current assignee: SPX Technologies Inc
Priority date: 1962-01-29
Filing date: 1963-01-24
Publication date: 1978-11-30
Also published as: GB957885A; DE1476105A1; DE1776219A1; DE1776219C3; US3174762A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von Kolbenringen für Brennkraftmaschinen in der dem Kolbenkopf nächstgelegenen Ringnut, wobei die Kolbenringe aus geschlitzten Ringlamellen bestehen, deren gewölbte Kolbenringlaufflächen an der Zylinderwand entlangwischen, und die Ringnut mit axialem Übermaß versehen ist, das Schräglagen der Kolbenringe erlaubt, wobei die Ringlamellen ohne Spannung mit losem Sitz in der Ringnut angeordnet sind, nach Patent 1476105.

Es ist bekannt, mehrere Ringlamellen übereinander in der dem Kolbenkopf nächstgelegenen Ringnut anzuordnen (FR-PS 826497), jedoch liegen diese Ringe infolge ihrer Spreizspannung an der Zylinderwand an, sind also nicht spannungslos in der Ringnut angeordnet.

Es ist ferner bekannt, in der Ringnut einen Stapel von Ringlamellen anzuordnen, die paarweise an der Zylinderwand bzw. der Ringnutwand anliegen (US-PS 2585952). Die Ringlamellen sind somit weder spannungslos noch mit losem Sitz in der Ringnut angeordnet.

Es ist ferner bekannt, einen L-förmigen Druckring zusammen mit zwei in der Ringnut verborgenen Ringlamellen vorzusehen (US-PS 2600310), welche die Stoßfuge des L-förmigen Druckringes abdecken sollen.

Schließlich ist es nicht mehr neu (US-PS 2938758), zwei nach außen hin sich verjüngende Ringlamellen in einer Ringnut vorzusehen, so daß sich die Ringlamellen bezüglich ihres äußeren Randes ein wenig axial verschieben können. Die Spannungslosigkeit der Ringlamellen wird nicht offenbart, und dem Verhältnis der radialen Dicke zur axialen Breite wird keine Bedeutung zugemessen. Aus der Zeichnung ergibt sich ein Verhältnis von 10:3.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kolbenringanordnung nach dem Hauptpatent besonders wirkungsvoll hinsichtlich der Verhinderung der Ablagerung von Ölkohle sowie für eine große Stabilität der Anordnung zu gestalten.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei Verwendung von zwei Ringlamellen diese eine Form mit einem Verhältnis der radialen Dicke zur axialen Breite von etwa 6:1 und zum äußeren Durchmesser

von etwa 1:24 aufweisen.

Wegen ihrer geringen axialen und relativ großen radialen Abmessung können die Ringlamellen sich leicht konisch federnd verformen, wobei die angrenzenden Oberflächen aufeinander gleiten und sich anlagernde Ölkohle zermahlen wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kolbenkopf, Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ringlamelle gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine vergrößerte Einzelheit aus Fig. 1, die die Ringlamellen in der Ringnut des Kolbens zeigt,

15. Fi g. 4 und 5 eine nochmals vergrößerte Einzelheit, um die Wirkungseise der Ringlamellen zu verdeutlichen.

Ein Kolben 10 einer Hochleistungs-Brennkraftrnaschine ist in einem Zylinder 12 gleitend geführt. Der Kolben 10 ist mit Ringnuten 14,16 und 18 versehen, in denen eine obere Spannringdichtung 20, eine mittlere Spannringdichtung 22 sowie ein üblicher Ölabstreifring 24 ?itzen. Der Kolben 10 weist am Kolbenkopf 28 eine große Ausnehmung 26 auf, die entweder den ganzen Verbrennungsraum oder einen Teil davon bildet. Die obere Spannringdichtung 20 befindet sich in einem beträchtlichen Abstand vom Kolbenboden, wodurch ein großer Kopfsteg 30 gebildet wird.

Über der obersten Spannringdichtung 20 befindet sich eine Ringnut 32, die dem Kolbenboden möglichst nahe benachbart ist. In der Ringnut 32 ist eine Lamellendichtung 34 angeordnet, die aus Ringlamellen 36 und 38 besteht. Eine einzelne Ringlamelle 36 ist in Fig. 2 dargestellt. Sie weist einen Schlitz 39 sowie eine

J5 gewölbte Lauffläche 40 auf, mit der sie an der Zylinderwand entlangwischt. Die Lauffläche 40 kann chromplattiert oder mit einem anderen verschleißfesten Werkstoff beschichtet sein. Die Ringlamellen 36, 38 können in üblicher Weise durch Biegen von Stahlband hergestellt werden, wonach eine Wärmebehandlung bei etwa 430° C folgt, um Biegespannungen aufzuheben und um etwaige Plattierungsspannungen zu beseitigen. Es werden zwei Ringlamellen 36,38 übereinander angewendet.

Wichtig ist die Bemessung der Lamellendichtung 34 in bezug auf die Ringnut 32 und den Durchmesser der Bohrung des Zylinders 12. Die Ringlamellen 36, 38 sind ohne Spannung mit losem Sitz in der Ringnut 32 angeordnet, d. h., sowohl die radiale als auch die axiale Erstreckung der Ringlamellen 36, 38 ist beträchtlich geringer als die radiale Tiefe und die axiale Breite der Ringnut 32. Dadurch ist ein großes radiales und axiales Spiel gegeben, wie es in Fig. 3 zwischen der oberen Fläche 41 der Ringlamelle 36 und der oberen Wand 42 der Ringnut 32 gezeigt ist. Bei üblichen Kompressionsringen ist ein axiales Spiel von 0,05 bis 0,1 mm vorgeschrieben. Es wurde gefunden, daß sich beste Ergebnisse mit zwei Ringlamellen 36, 38 erzielen lassen, die axial so bemessen sind, daß sich ein

to Gesamtspiel zwischen den Wänden 42 und 44 der Ringnut 32 von 0,076 mm bis zu 0,3 mm ergibt; der bevorzugte Bereich liegt zwischen 0,076 mm und 0,15 mm. Das andere wichtige Charakteristikum der Ringlamellen 36, 38 besteht darin, daß der Außen-

t,5 durchmesser im freien oder entspannten Zustand etwa dem Innendurchmesser des Zylinders 12 entspricht, so daß keine radiale mechanische (Vorspannungs-) Kraft gegen die Zylinderwand ausgeübt wird. Der In-

nendurchmesser der Ringlamellen 36, 38 ist größer als der Innendurchmesser des Bodens 43 der Ringnut 32. Dadurch wird der lose Sitz der Ringlamellen 36, 38 gewährleistet. Eine Abdichtung, wie sie boi Spannringdichtungen erwünscht ist, soll hier nicht geschaffen werden. Vielmehr ist es der Zweck dieser Ringlamellen 36,38, den darunterliegenden Bereich vor den Flammen abzuschirmen und die Zylinderwand von Ablagerungen freizuhalten, die sich sonst ihren Weg in die Ringnuten 14, 16 bahnen würden.

Die Arbeitsweise der Ringlamellen 36 und 38 ist am besten in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Infolge des axialen Spiels in der Ringnut 32 und des Fehlens der radialen mechanischen Vorspannung können sich die Ringlamellen 36, 38 in der Nut 32 gegenüber dem Kolben 10 im bestimmten Maße drehen und verlagern. Diese Bewegung wird durch das Hin- und Hergehen des Kolbens 10 im Zylinder 12 erzeugt und führt zu einem Reinigungsprozeß zwischen r*en oberen und unteren Wänden 42 und 44 der Nut 32 und den entsprechend benachbarten Oberflächen der Ringlamellen 36 und 38. Da die Ringlamellen 36, 38 während der Kompression nicht vollständig abdichten, wird kein großer Gasdruck hinter den Ringlamellen 36, 38 aufgebaut und sie werden somit nicht mit großen Drücken gegen die Zylinderwand gepreßt. Die radiale Dicke der Ringlamellen 36,38 ist im Vergleich zur axialen Breite groß, etwa im Verhältnis 6:1, gegenüber einem sonst üblichen Verhältnis von etwa 2,25 zu 1 für Spannringe. Da die Ringlamellen 36, 38 vergleichsweise leicht sind, führt dies infolge Verminderung der Trägheitskräfte zur Verringerung der Gefahr des Ausschiagens der Ringnut 32.

Infolge ihrer verhältnismäßig losen Passung in der Ringnut 32 haben die Ringlamellen 36 und 38 in der J5 Nut Platz, um zwischen den gekippten Stellungen, die in den Fig. 4 und 5 in durchgezogenen Linien dargestellt sind, zu kanten bzw. sich zu konischer Gestalt aufzuwölben. Die Kippbewegungen werden durch den Gasdruck, die Trägheitskräfte und die Reibung zwisehen den Ringlamellen 36,38 und der Zylinderwand während des Hin- und Hergehens des Kolbens erzeugt. Zum Beispiel nehmen die Ringlamellen 36, 38 beim Ansaugtakt eines Viertaktmotors die Stellung nach Fig. 4 mit Außenrand oben ein. Die Stellung nach Fig. 5 mit Außenrand unten ist ein Übergangszustand zu Beginn des Kompressionstaktes. Während des restlichen Kompressionstaktes, des Verbrennungstaktes und des Ausschubtaktes liegen die Ringlamellen 36, 38 flach gegen die untere Wand 44 der Ringnut 32 an, wie es in durchbrochenen Linien in Fig. 5 gezeigt wird. Dieses Verkanten oder Aufwölben erzeugt das, was man eine »Scheibenwischerwirkung« zwischen den Ringlamellen 36, 38 und der Wand des Zylinders 12 nennen könnte, die beim Sauberwischen der Zylinderwand hilft. Das Verkanten oder Aufwölben bewirkt auch, daß die aufeinanderliegenden Oberflächen der Ringlamellen 36, 38 sich gegeneinander radial verschieben, und sie helfen dabei, die Lamellendichtung 34 selbst sauberzuhalten, so daß sich die Ringlamellen 36, 38 unabhängig voneinander radial bewegen können, um die größte Berührungsmöglichkeit zwischen den Laufflächen 40 der Ringlamellen 36, 38 mit der Wand des Zylinders 12 sicherzustellen.

Wenn die Ringlamellen 36, 38 in einen Leichtmetallkolben einzubauen sind, wird vorzugsweise ein Ringträger mit einer Ringnut für die Ringlamellen 36, 38 bzw. gegebenenfalls mit einer zusätzlichen Ringnut für die Spannungsringdichtung 20 verwendet.

Das axiale Spiel zwischen der Lamellendichtung 34 und der Ringnut 32 in der Größenordnung 0,076 bis 0,3 mm gilt für Kolbengrößen üblicher Hochleistungs-Dieselmotore. Die untere Grenze des Spiels ist kritischer als die obere Grenze, weil bei zu kleinem Spiel der Ring hängenbleibt. Bei reichlich Spiel ist die Lamellendichtung 32 noch als Drossel wirksam und schirmt die Spannringe darunter gegen die Flammenfront ab, jedoch besteht die Gefahr des Ausschiagens der Ringnut 32.

Beispiel

Größte eigene axiale Breite der Ringlamellen 36. 38 beim Einbau: 0,7874 mm.

Axiale Breite der Nut 32: 1,727 bis 1,753 mm.

Zylinderbohrungsdurchmesser etwa 101,6 bis 130,2 mm.

Freier Außendurchmesser der Ringlamellen 36, 38 im wesentlichen gleich dem Zylinderbohrungsdurchmesser.

Eigene radiale Dicke der Ringlamellen 36, 38: 4,242 bis 4,394 mm nach dem Plattieren.

Spiel zwischen dem inneren Durchmesser des Rings 34 und dem Innendurchmesser der Kolbennut 32: 8,128 bis 1,066 mm.

Abstand über dem Spalt 39 am freien Außendurchmesser der Brennringsegmente: 0,635 bis 1,651 mm.

Material der Ringlamellen gehärtet und getempert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Anordnung von Kolbenringen für Brennkraftmaschinen in der dem Kolbenkopf nächstgelegenen Ringnut, wobei die Kolbenringe aus geschlitzten Ringlamellen bestehen, deren gewölbte Kolbenringlaufflächen an der Zylinderwand entlangwischen, und die Ringnut mit axialem Übermaß versehen ist, das Schräglagen der Kolbenringe erlaubt, wobei die Ringlamellen ohne Spannung mit losem Sitz in der Ringnut angeordnet sind, nach Patent 1476105, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung von zwei Ringlamellen (36, 38) diese eine Form mit einem Verhältnis der radialen Dicke zur axialen Breite von etwa 6:1 und zum äußeren Durchmesser von etwa 1:24 aufweisen.