DE19942242A1 - Hubkolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Bei einer Hubkolbenmaschine mit wenigstens einem Kolben (5), der mit wenigstens einem Kolbenring (6) versehen ist, der im Bereich seiner umfangsseitigen Lauffläche mit wenigstens einem in Umfangsrichtung verlaufenden Kanal (11) versehen ist, lassen sich dadurch ein verschleißarmer Betrieb und eine lange Lebensdauer erreichen, dass zumindest der oberste, in Umfangsrichtung verlaufende Kanal (11) zur Bildung einer Öltasche (10) auf dem ganzen Umfang des zugeordneten Kolbenrings (6) von der dem Zylinderkopf (3) zugewandten Kolbenringoberseite durch einen ununterbrochenen Steg (12) abgesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Zweitakt-Großdieselmotor, mit wenigstens einem Kolben, der mit wenigstens einem Kolbenring versehen ist, der im Bereich seiner umfangsseitigen Lauffläche mit wenigstens einem in Umfangsrichtung verlaufenden Kanal versehen ist.

Eine Anordnung dieser Art ist aus der GB 2 124 332 A bekannt. Die im Bereich der Lauffläche der Kolbenringe vorgesehenen, umlaufenden Kanäle sollen eine gute Schmierölverteilung gewährleisten. Bei der bekannten Anordnung kommunizieren die genannten Kanäle jedoch über quer hierzu angeordnete Seitenarme mit dem oberhalb des jeweils zugeordneten Kolbenrings sich befindenden Bereich des vom Brennraum abgehenden Spalts zwischen Kolben und Zylinderbüchse. Dieser Bereich wird daher bei jedem Arbeitstakt mit heißen Verbrennungsgasen beaufschlagt, die nach Art einer Flamme mit hoher Geschwindigkeit und Temperatur in die Seitenarme und über diese in den jeweils zugeordneten, umlaufenden Kanal eintreten und das dort vorhandene Schmieröl verbrennen und austreiben. In der Folge davon kann es zu einer unzureichenden Schmierölversorgung und damit zu einer Wärmekorrosion und einer schnellen Ausbreitung beginnender Kolbenfresser kommen. Ein weiterer, ganz besonderer Nachteil der bekannten Anordnung ist darin zu sehen, dass das in die Seitenarme und über diese in den umlaufenden Kanal eintretende Gas den betreffenden Kolbering von der Zylinderbüchse nach radial innen wegdrückt. Die Folge davon sind ein schlechter Wirkungsgrad sowie eine große seitliche Bewegbarkeit des Kolbens, was sich verschleißfördernd auswirkt. Bei der bekannten Anordnung kommt daher die erwünschte Wirkung einer guten Schmierölverteilung praktisch nicht zum Tragen.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass ein verschleißarmer Betrieb und damit eine lange Lebensdauer gewährleistet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei der gattungsgemäßen Anordnung zumindest der oberste, in Umfangsrichtung verlaufende Kanal zur Bildung einer Öltasche auf dem ganzen Umfang des zugeordneten Kolbenrings von der dem Zylinderkopf zugewandten Kolbenringoberseite durch einen ununterbrochenen Steg abgesetzt ist.

Der den umlaufenden Kanal von der Kolbenringoberseite trennende, ununterbrochene Steg stellt in vorteilhafter Weise sicher, dass die Verbrennungsgase keinen Zugang zum umlaufenden Kanal finden. Das im Kanal gesammelte Schmieröl wird daher nicht verbrannt und ausgetrieben, sondern bei der Auf- und Abbewegung des Kolbens auf die ganze Lauffläche des zugeordneten Kolbenrings verteilt. Der umlaufende Kanal fungiert bei der erfindungsgemäßen Anordnung als echte Öltasche, die einen erwünschten Ölvorrat aufnehmen kann. Da die Verbrennungsgase keinen Zugang zum umlaufenden Kanal finden, ist auch sichergestellt, dass die Verbrennungsgase zuverlässig auf die der Kolbenring-Lauffläche gegenüberliegende Rückseite des betroffenen Kolbenrings gelangen und diesen mit seiner Lauffläche an die Lauffläche der Zylinderbüchse anpressen, was eine zuverlässige Spaltabdichtung sowie eine zuverlässige Stabilisierung des Kolbens und damit einen verschleißarmen Lauf sowie einen hohen. Wirkungsgrad gewährleistet. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen werden die Nachteile der bekannten Anordnung ersichtlich vollständig beseitigt und die oben erwähnte Aufgabe auf höchst einfache und kostengünstige Weise gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So können die oberen Kolbenringe eines Kolbenringpakets zweckmäßig mehr umfangsseitige Öltaschen aufweisen als die unteren Kolbenringe. Dies ergibt eine der höheren Belastung der oberen Kolbenringe entsprechende größere Anzahl von Öltaschen im Bereich der oberen Kolbenringe. Im Bereich der unteren Kolbenringe genügt in der Regel eine umfangsseitige Öltasche, was den Herstellungsaufwand reduziert.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass die umfangsseitige Öltasche schraubenlinienförmigen Verlauf aufweist. Dies ergibt insbesondere bei Anordnungen mit lediglich einer Öltasche eine besonders gute Ölverteilung.

In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen kann bei einem offenen Kolbenring mit einen Spalt begrenzenden Enden die umfangsseitige Öltasche im Bereich der Enden verschlossen sein. Die verschlossenen Enden wirken einem Ölverlust entgegen. Das Öl wird vielmehr in der so gebildeten Öltasche gehalten. Außerdem wirkt diese Maßnahme auch einem Zugang der Verbrennungsgase vom Spalt her entgegen. Die genannte Maßnahme stellt daher eine besonders zu bevorzugende Fortbildung dar.

Vorteilhaft kann die Öltasche einen im Bereich der Ecken durch Radien abgerundeten Querschnitt aufweisen. Dies gewährleistet einen guten Abtransport der Wärme aus den gefährdeten Eckbereichen, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die Erzielung einer langen Lebensdauer auswirkt.

Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, dass der umfangsseitig umlaufende Kanal nach radial außen divergierende Seitenflanken aufweist. Dies erleichtert in vorteilhafter Weise die Anbringung einer Beschichtung. Bei beschichteten Kolbenringen kann der oben erwähnte, im Bereich der Kolbenringenden vorgesehene Verschluß des umlaufenden Kanals einfach durch entsprechende Verdickung der Beschichtung erreicht werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung an Hand der Zeichnung näher entnehmbar.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Zylinder eines Zweitakt-Großdieselmotors teilweise im Schnitt,

Fig. 2 die Einzelheit A aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 eine Ansicht des Endbereichs eines mit einem Spalt versehenen Standard-Kolbenrings,

Fig. 4 einen Teilquerschnitt durch einen oberen Kolbenring und

Fig. 5 einen Teilquerschnitt durch einen unteren Kolbenring.

Die vorliegende Erfindung findet Anwendung bei Hubkolbenmaschinen, insbesondere Hubkolbenbrenn­ kraftmaschinen, vorzugsweise langsam laufende Zweitakt- Großdieselmotoren in Kreuzkopfbauweise. Der Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Anordnungen sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr.

Der in Fig. 1 dargestellte Zylinder eines Zweitakt- Großdieselmotors enthält eine mit Einlaßschlitzen 1 versehene Zylinderbüchse 2, auf die ein nur teilweise dargestellter, eine nicht gezeichnete Auslaßanordnung enthaltender Zylinderkopf 3 aufgesetzt ist. Dieser bildet die obere Begrenzung eines Brennraums 4, dessen untere Begrenzung durch einen im Zylinder angeordneten, auf und abbewegbaren Kolben 5 gebildet wird, der in nicht dargestellter Weise über eine Kolbenstange mit einem Kreuzkopf verbunden ist, der über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle zusammenwirkt.

Der Kolben 5 ist mit einem hier aus vier Kolbenringen 6 bestehenden Kolbenringpaket versehen. Die Kolbenringe 6 sind, wie am besten aus Fig. 2 erkennbar ist, in einer jeweils zugeordneten Nut 7 des Kolbenmantels angeordnet und liegen mit ihrer äußeren Umfangsfläche an der Innenseite der Zylinderbüchse 2 an. Die Nuten 7 besitzen gegenüber dem jeweils zugeordneten Kolbenring 6 Übermaß, so dass sich oberhalb und innerhalb der Kolbenringe 6 ein Spalt 8 ergibt, der im Betrieb mit Brenngas beaufschlagt wird.

Die äußere Umfangsfläche der Kolbenringe 6 und die innere Umfangsfläche der Zylinderbuchse 2 sind als Laufflächen ausgebildet, die mit Schmieröl versorgt werden. Hierzu kann die Zylinderbüchse 2, wie in Fig. 1 angedeutet ist, mit radialen Schmierölbohrungen 9 versehen sein, die über eine nicht näher dargestellte Einrichtung im Takt des Motors mit Schmieröl versorgt werden können.

Zur Erzielung einer guten Verteilung des Schmieröls über die genannten Laufflächen sind die Kolbenringe 6, wie Fig. 2 weiter erkennen läßt, an ihrer der Zylinderbüchse 2 zugewandten, äußeren Umfangsfläche mit jeweils mindestens einer umlaufenden Öltasche 10 versehen. Diese fungiert als Ölreservoir, das das aufgenommene Schmieröl während der Auf- und Abbewegung des Kolbens 5 auf eine größere Fläche verteilt und so der Entstehung von Kolbenfressern entgegen wirkt bzw. einen beginnenden Kolbenfresser stoppt und damit die bisher befürchtete, schnelle Ausbreitung des beim Beginn eines Kolbenfressers geschädigten Bereichs verhindert.

Zur Bildung jeder derartiger Öltasche 10 sind die Kolbenringe 6 jeweils im Bereich ihrer umfangsseitigen, der Zylinderbüchse 2 zugewandten Lauffläche mit einem in Umfangsrichtung verlaufenden Kanal 11 versehen, wobei zumindest der oberste Kanal 11 auf dem ganzen Umfang durch einen ununterbrochenen Steg 12 von der dem Zylinderkopf 3 zugewandten Oberseite des zugeordneten Kolbenrings 6 abgesetzt ist, wie aus Fig. 2 erkennbar ist. Der ununterbrochen durchgehende Steg 12 verhindert eine Verbindung jedes darunter sich befindenden Kanals 11 mit dem oberhalb des zugehörigen Kolbenrings 6 sich befindenden, vom Brennraum 4 abgehenden Bereichs des Spalts zwischen Kolben 5 und Zylinderbüchse 2. Die in diesen Spalt eindringenden Verbrennungsgase gelangen daher nicht in einen umfangsseitigen Kanal 11 und können daher den Kolbenring 6 nicht von der Zylinderbüchse 2 wegdrücken. Der umlaufende Steg 12 gewährleistet auch eine zuverlässige Beaufschlagung des Spalts 8 mit Verbrennungsgasen, so dass sich eine wirksame Ausbildung der in Fig. 2 bei K angedeuteten Radialkräfte ergibt, durch welche die Kolbenringe 6 an die Zylinderbüchse 2 gepresst werden.

Um eine vollständige Abschottung der Öltasche bzw. -taschen 10 gegenüber den in den Spalt zwischen Kolben 5 und Zylinderbüchse 2 eindringenden Brenngasen zu gewährleisten, ist bei einem einen Spalt 13 begrenzende Enden aufweisenden Standard-Kolbenring jeder jeweils eine Öltasche 10 enthaltende Kanal 11 im Bereich jedes Kolbenringendes verschlossen, wie in Fig. 3 durch in den Kanälen 11 angebrachte Füllstücke 14 angedeutet ist. Hierdurch wird auch eine Zugänglichkeit der Kanäle 11 vom Spalt 13 her unterbunden. Zur Bildung endseitig verschlossener Kanäle 11 können auch bei der Bearbeitung der Kanäle Endstücke stehengelassen werden.

Der erste und der zweite Kolbenring 6 des Kolbenringpakets besitzen mehr als eine umlaufende Öltasche 10. Im dargestellten Beispiel sind der erste und der zweite Kolbenring 6 wie die Fig. 2 und 3 erkennen lassen, mit jeweils zwei übereinander sich befindenden Öltaschen 10 versehen. Diese können durch parallele, in achsnormalen Ebenen umlaufende Kanäle 11 gebildet werden und symmetrisch zur Mittelebene des zugeordneten Kolbenrings 6 angeordnet sein. Der in Fig. 4 bei a angedeutete Mittenabstand beträgt in derartigen Fällen etwa 40% der Höhe H des zugeordneten Kolbenrings 6. Der dritte und vierte Kolbenring des Kolbenringpakets besitzen jeweils lediglich eine Öltasche 10. Der diese bildende Kanal 11 kann, wie in Fig. 5 dargestellt ist, jeweils auf mittlerer Höhe des zugeordneten Kolbenrings 6 angeordnet sein. In den dargestellten Beispielen verlaufen die jeweils eine Öltasche 10 bildenden Kanäle 11, wie oben schon angedeutet wurde, in achsnormalen Ebenen. Es wäre aber auch ein schraubenlinienförmiger Verlauf der Öltaschen 10 denkbar.

Die in Fig. 4 bei t angedeutete Tiefe der Öltaschen 10 liegt zweckmäßig im Bereich von 0,25% bis 0,4%, vorzugsweise bei etwa 0,33% des Durchmessers des jeweils zugeordneten Kolbenrings 6. Dies ergibt auch im Falle eines umfangsseitigen Verschleißes des Kolbenrings 6 noch ein zuverlässiges Fassungsvermögen der Öltaschen 10 und damit eine lange Wirkungszeit.

Die Kolbenringe 6 gemäß Fig. 4 und 5 sind jeweils zur Bildung ihrer Lauffläche mit einer umfangsseitigen Beschichtung 15 versehen. Diese besteht aus einem gute Gleiteigenschaften aufweisenden, korrossions- und fressfesten Material, wie Aluminium-Bronze, Nickel-Graphit und dergleichen. Auch Oxide und Karbide könnten Verwendung finden. Die Beschichtung 15 ist auch im Bereich der umfangsseitigen Öltaschen 10 vorgesehen. Bei so beschichteten Kolbenringen 6 werden vor der Beschichtung in das Grundmaterial 16 den gewünschten Öltaschen 10 entsprechende Nuten 17 eingeschnitten. Diese besitzen zweckmäßig einen Querschnitt mit nach außen divergierenden Seitenflanken, was die nachträgliche Anbringung der Beschichtung 15, z. B. als Schweiß- oder Spritzauftrag, erleichtert. Die nachträglich aufgebrachte Beschichtung 15 folgt der Kontur des genuteten Grundmaterials, so dass sich nach der Anbringung der Beschichtung 15 unter Berücksichtigung der Dicke d der Beschichtung 15 die jeweils eine Öltasche 10 enthaltenden Kanäle 11 ergeben. Die Dicke d beträgt zweckmäßig 0,5 mm.

Die Kanäle 11 besitzen einen Querschnitt mit abgerundeten Ecken, wie in Fig. 4 durch die Radien r angedeutet ist. Der innere, bodenseitige Radius kann dabei 1,5 mm, der im Bereich der äußeren Kanten vorgesehene Radius etwa 0,5 mm betragen.

Die abgerundeten Kanten gewährleisten einen schnellen Abtransport der Wärme. Je größer der Radius ist, desto besser ist der Wärmeabtransport. Zur Erzeugung der Radien r besitzen auch die Nuten 17 einen Querschnitt mit abgerundeten Kanten, wie durch die Radien R angedeutet ist. Diese sind unter Berücksichtigung der Dicke der Beschichtung 15, die etwa 0,5 mm betragen kann, auf die Radien r abgestimmt.

Die den Kolbenringen 6 zugeordneten Auflageflächen der kolbenseitigen Nuten 7 sind vielfach mit einer Chromauflage versehen, an deren Oberfläche CrO entsteht, das eine erwünschte hohe Härte aufweist. Im radial äußeren Kantenbereich wird die CrO-Schicht auf Grund der hohen Pressung stark beansprucht. Sobald die CrO-Schicht verschlissen ist, liegt die Chrom-Schicht frei, deren Härte wesentlich geringer als die Härte von CrO ist. Um das zu verhindern, bzw. dem jedenfalls entgegen zu wirken, werden an der Unterseite der Kolbenringe 6 in Fig. 2 lediglich angedeutete Öltaschen 18 vorgesehen.

Hierzu sind zumindest im radial äußeren Bereich der Unterseite der Kolbenringe 6 Ausnehmungen vorgesehen, denen eine Füllung zugeordnet ist, die aus einem eine geringere Verschleißfestigkeit als das Grundmaterial aufweisenden Material besteht. Im Neuzustand können die genannten Ausnehmungen durch die zugeordnete Füllung ganz geschlossen sein, so dass sich eine glatte, unprofilierte Oberfläche ergibt, die einfach bearbeitet werden kann. Bereits während der Einlaufphase bilden sich aber in Folge des schnelleren Verschleißes des weicheren Materials die gewünschten Öltaschen. Diese besitzen eine vergleichsweise geringe Tiefe. Diese Öltaschen 18 füllen sich im Betrieb mit Öl, das bei stoßartiger Pressung seitlich ausgepresst wird und so unter die den Öltaschen 18 benachbarten Stützflächen des betreffenden Kolbenrings 6 gelangt. Auf diese Weise ergibt sich eine zuverlässige Schmierung dieser Stützflächen, wodurch die CrO-Schicht geschont wird.

Zur Bildung der den Öltaschen zu Grunde liegenden Ausnehmungen können radiale Nuten, Bohrungen etc. vorgesehen sein.

Claims (13)

1. Hubkolbenmaschine, insbesondere Zweitakt- Großdieselmotor, mit wenigstens einem Kolben (5) der mit wenigstens einem Kolbenring (6) versehen ist, der im Bereich seiner umfangsseitigen Lauffläche mit wenigstens einem in Umfangsrichtung verlaufenden Kanal (11) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der oberste, in Umfangsrichtung verlaufende Kanal (11) zur Bildung einer Öltasche (10) auf dem ganzen Umfang des zugeordneten Kolbenrings (6) von der dem Zylinderkopf (3) zugewandten Kolbenringoberseite durch einen ununterbrochenen Steg (12) abgesetzt ist.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Kolbenringe (6) eines Kolbenringpakets mehr umfangsseitige Öltaschen (10) aufweisen als die unteren Kolbenringe (6).

3. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der oberste Kolbenring, vorzugsweise der erste und der zweite Kolbenring, eines Kolbenringpakets mehr als eine Öltasche (10), vorzugsweise zwei Öltaschen (10) aufweist bzw. aufweisen und dass jeder sich darunter sich befindende Kolbenring (6) eine Öltasche (10) enthält.

4. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öltasche bzw. -taschen (10) zumindest teilweise einen schraubenlinienförmigen Verlauf aufweist bzw. aufweisen.

5. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Öltasche bzw. Öltaschen (10) im Bereich zwischen 0,25%-0,40%, vorzugsweise bei etwa 0,33% des Durchmessers des zugeordneten Kolbenrings (6) liegt.

6. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem offenem Kolbenring (6) mit einen Spalt (13) begrenzenden Enden jede Öltasche (10) im Bereich der Kolbenringenden verschlossen ist.

7. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der nutseitige Verschluß der Öltasche bzw. -taschen (10) jeweils als Füllstück (14) ausgebildet ist.

8. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öltasche bzw. -taschen (10) einen im Bereich der Ecken durch Radien abgerundeten Querschnitt aufweist bzw. aufweisen.

9. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kolbenringen (6), die eine auf ihr Grundmaterial (16) aufgebrachte, umfangsseitige Beschichtung (15) aufweisen, in das Grundmaterial (16) jeweils wenigstens eine Nut (17) eingearbeitet ist und dass die Beschichtung (15) der Kontur der Nut (17) folgt.

10. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut einen Querschnitt mit nach außen divergierenden Seitenflanken aufweist.

11. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem offenen Kolbenring mit einen Spalt (13) begrenzenden Enden die Beschichtung (15) im Bereich der Kolbenringenden als Verschluß der Öltasche bzw. -taschen (10) ausgebildet ist.

12. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (15) aus einem korrosions- und fressfestem Material, vorzugsweise Aluminium-Bronze und/oder Nickel- Graphit besteht.

13. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenringe (6) im Bereich ihrer Unterseite mit Ausnehmungen versehen sind, denen eine Füllung zugeordnet ist, deren Verschleißfestigkeit zur Bildung von Öltaschen (18) von der Verschleißfestigkeit des Grundmaterials abweicht.