DEP0024164DA

DEP0024164DA - Piston and piston ring arrangement for internal combustion engines with profiled piston rings

Info

Publication number: DEP0024164DA
Authority: DE
Original assignee: The Motor Industry Research Association, Brentford, Middlesex
Publication date: 1951-02-08

Description

Diese Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen, insbesondere die Bauart von Kolben und Kolbenringen zum Gebrauch in solchen Maschinen. Bei Brennkraftmaschinen mit hin und her gehendem Kolben ist die Gasmenge, die an den Kolbenringen vorbeileckt, (im allgemeinen als "Durchblasen" (blow-by) bekannt), im allgemeinen gering bis die Maschinendrehzahl auf einen gewissen Wert steigt, welcher Wert hauptsächlich von der Ring- und Kolbenbauart und der Belastung der Maschine abhängt. Wenn die Maschinendrehzahl weiter vergrössert wird, so wächst dieses Durchblasen sehr rasch an und bewirkt Kraftverlust, Störung der Zylinderschmierung und Abnutzung des Ringes, was bei manchen Maschinen einen Bruch des Ringes ergibt. Es ist gezeigt worden, dass dieses Phänomen, das allgemein als "Flattern des Kolbenringes" bekannt ist, nicht in einer Schwingbewegung im gewöhnlichen Sinne be- steht, sondern in einer radialen Verengung des Ringes während eines bestimmten Teiles jeder Arbeitsperiode der Maschine begründet ist.This invention relates to internal combustion engines, and more particularly to the types of pistons and piston rings for use in such machines. In reciprocating piston internal combustion engines, the amount of gas leaking past the piston rings (commonly known as "blow-by") is generally low until the engine speed rises to a certain value, which value is mainly dependent on Ring and piston design and the load on the machine depends. If the machine speed is increased further, this blow-through increases very quickly and causes a loss of power, disturbance of the cylinder lubrication and wear of the ring, which in some machines results in a breakage of the ring. It has been shown that this phenomenon, commonly known as "piston ring flutter", does not result in an oscillating motion in the ordinary sense. but is due to a radial narrowing of the ring during a certain part of each working period of the machine.

Der Hauptgegenstand der vorliegenden Erfindung ist, dieses übermässige Durchblasen bei hohen Maschinendrehzahlen zu vermeiden.The main object of the present invention is to avoid this excessive blowing at high engine speeds.

Die Erfindung besteht demgemäss in einer Brennkraftmaschine, bei der die Querschnitte von Kolbenring und Nut in Bezug zueinander so gestaltet sind, dass, wenn der Ring unter der Wirkung der Trägheitskräfte sich axial in seiner Nut bewegt, der auf einen genügend grossen Teil der inneren Fläche des Ringes wirkende Gasdruck im wesentlichen ebenso hoch ist wie der Druck des Gases, das versucht, an dem Ring vorbeizulecken. Die auf die innere Fläche des Ringes wirkende resultierende Gaskraft ist dabei in Verbindung mit der Steifheit des Ringes so gross, dass eine radiale Verengung des Ringes infolge der durch das Gas, das zwischen der Aussenfläche des Ringes und der Zylinderwand durchsickert, ausgeübten Kraft vermieden wird.The invention accordingly consists in an internal combustion engine in which the cross-sections of the piston ring and groove are designed in relation to one another so that when the ring moves axially in its groove under the action of inertia forces, it covers a sufficiently large part of the inner surface of the The gas pressure acting on the ring is essentially as high as the pressure of the gas attempting to leak past the ring. The resulting gas force acting on the inner surface of the ring, in conjunction with the rigidity of the ring, is so great that a radial narrowing of the ring due to the force exerted by the gas that seeps through between the outer surface of the ring and the cylinder wall is avoided.

Nach einer vorzugsweisen Anordnung ist sowohl der Kolbenring als auch die Nut mit je einer Zwischen-Anlagefläche zwischen der oberen und der unteren Begrenzungsfläche versehen, die in einer im wesentlichen rechtwinkligen Ebene zur Zylinderachse liegt. Die Anlage dieser Zwischen-Anlageflächen aneinander begrenzt die Aufwärtsbewegung des Kolbenringes und stellt sicher, dass stets ein genügendes Spiel zwischen dem Oberteil des Ringes und dem Oberteil der Nut vorhanden ist, um dem Gasdruck Zutritt zur inneren Fläche des Ringes zu geben, wobei vorausgesetzt wird, dass die Gase im Verbrennungsraum auf den Kolbenboden wirken.According to a preferred arrangement, both the piston ring and the groove are each provided with an intermediate contact surface between the upper and the lower boundary surface, which lies in a plane which is essentially at right angles to the cylinder axis. The abutment of these intermediate contact surfaces on one another limits the upward movement of the piston ring and ensures that there is always sufficient play between the upper part of the ring and the upper part of the groove to allow gas pressure access to the inner surface of the ring, assuming that the gases in the combustion chamber act on the piston crown.

Mit dieser Anordnung wird ein entsprechender Gasdruck über die ganze innere Fläche des Ringes erhalten, wenn der Ring an der unteren Grenze seiner axialen Wanderung ist bzw. über einen genügend grossen Teil der Innenfläche, wenn der Ring an der oberen Grenze seiner axialen Wanderung steht.With this arrangement, a corresponding gas pressure is obtained over the entire inner surface of the ring when the ring is at the lower limit of its axial migration or over a sufficiently large part of the inner surface when the ring is at the upper limit of its axial migration.

Die Erfindung wird vollständiger aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit der anliegenden Zeichnung verstanden, in welcher:The invention will be more fully understood from the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings, in which:

die Figuren 1, 2, 3 und 4 Längsschnitte von vier Ausführungsformen der Erfindung sind und in jedem Fall einen Teil eines Kolbenringes mit seiner zugehörigen Nut zeigen.Figures 1, 2, 3 and 4 are longitudinal sections of four embodiments of the invention and in each case show part of a piston ring with its associated groove.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist der Kolbenring 1 mit einem im wesentlichen L-förmigen Querschnitt gebaut, wie in Fig. 1 gezeigt oder vorzugsweise und um einen mehr symmetrischen Querschnitt für den Ring zu verwenden, kann der Ring einen im wesentlichen U-förmigen oder W-förmigen Querschnitt besitzen, wie in Fig. 2 oder 3 gezeigt, wobei die Arme des U oder des W nach innen zeigen und die Basis des U oder des W die Zylinderwandung berühren. In jedem Falle ist der Kolben 10 mit einer abgesetzten Nute 3 versehen, die entsprechend geformt ist, um dem Querschnitt des Ringes zu entsprechen, wobei die diesbezüglichen Abmessungen des Ringes und seiner Nute so sind, dass nur die oberen und unteren Flächen 4 und 5 des unteren Armes 6 des Ringes 1 in Berührung mit den Wänden der Nute 3 kommen, während genügend Spiel zwischen dem Oberteil 7 des Ringes und den Wänden der Nute 3 gelassen ist, um den notwendigen Weg für den Gasfluss zu der inneren Fläche 9 des Ringes vorzusehen. Ein ähnliches Spiel ist zwischen dem Mittelteil 8 des Ringes und den Wänden der Nute 3 im Falle der Anordnung nach Fig. 3 gelassen.As can be seen from the drawing, the piston ring 1 is constructed with a substantially L-shaped cross-section, as shown in Fig. 1 or, preferably and in order to use a more symmetrical cross-section for the ring, the ring can be substantially U-shaped or W-shaped cross-section, as shown in Fig. 2 or 3, with the arms of the U or W pointing inward and the base of the U or W touching the cylinder wall. In any case, the piston 10 is provided with a stepped groove 3 which is correspondingly shaped to correspond to the cross-section of the ring, the relative dimensions of the ring and its groove are such that only the upper and lower surfaces 4 and 5 of the lower arm 6 of the ring 1 come into contact with the walls of the groove 3, while there is sufficient play between the upper part 7 of the ring and the Walls of the groove 3 is left to provide the necessary path for gas flow to the inner surface 9 of the ring. A similar play is left between the central part 8 of the ring and the walls of the groove 3 in the case of the arrangement according to FIG.

Bei der abgeänderten Bauart nach Fig. 4 ist die Erfindung an einem keilförmigen Kolbenring angewendet gezeigt. Der Ring hat einen L-förmigen Querschnitt, aber die nach innen sich erstreckenden Flächen 11 und 12 konvergieren wie gezeigt, wobei der Oberteil des Ringes ebenfalls eine geneigte Fläche 13 aufweist. Der Kolben 10 ist mit einer abgesetzten Nute 14 versehen gemäss der Form des Kolbenringes, wobei das erforderliche Spiel für den Gasfluss zwischen den Flächen 13 des Oberteiles des Ringes und der Nut wie in dem Fall der Anordnung nach Fig. 1 vorgesehen ist. Die am meisten befriedigenden Ergebnisse zeigen sich, wenn der Winkel zwischen den Flächen 11 und 12 ungefähr 10° beträgt, während der Winkel zwischen den Flächen 11 und 13 ungefähr 20° ist.In the modified design according to FIG. 4, the invention is shown applied to a wedge-shaped piston ring. The ring has an L-shaped cross-section, but the inwardly extending surfaces 11 and 12 converge as shown, the top of the ring also having an inclined surface 13. The piston 10 is provided with a stepped groove 14 according to the shape of the piston ring, the clearance required for the gas flow being provided between the surfaces 13 of the upper part of the ring and the groove as in the case of the arrangement according to FIG. The most satisfactory results are seen when the angle between surfaces 11 and 12 is approximately 10 °, while the angle between surfaces 11 and 13 is approximately 20 °.

Claims

1) Piston and piston ring arrangement for internal combustion engines with profiled piston rings, characterized in that the profile of the piston ring on the groove side is essentially exactly the same as the profile of the groove in which the piston ring is received and that the axial play of the piston ring profile Radial leg, which is located on the side of the piston ring facing away from the combustion chamber, is smaller on the combustion chamber side than the axial play of the remaining contact surfaces of the piston ring that are perpendicular or essentially perpendicular to the cylinder axis on the combustion chamber side and come into contact with the corresponding groove surfaces, so that, if the piston ring moves within its groove due to its inertia, the upward movement (i.e. the movement in the direction of the piston crown) of the same is limited and a small space remains between the piston ring upper flank and the upper groove flank, through which the gas pressure can access the I. inside of the piston ring and can act on this surface, so that the resultant of this gas pressure and the stiffness expansion force of the piston ring is large enough to cause a radial narrowing of the ring due to the pressure exerted by the gas leaking between the piston ring outside and the cylinder wall , to prevent.

2) piston and piston ring arrangement according to claim 1, characterized in that the piston ring has an L-, U-, W- or wedge-shaped cross-section, the piston having a stepped groove corresponding to the cross-section of the ring.

3) piston and piston ring arrangement according to claim 2, characterized in that the relative dimensions of the ring and the groove are such that only the upper and lower surface of the lower leg of the ring comes into contact with the flanks of the groove and corresponding play is provided between the top of the ring and the walls of the groove to allow gas pressure to access the inner surface of the ring.