DE3604661A1

DE3604661A1 - Kolben mit kolbenring

Info

Publication number: DE3604661A1
Application number: DE19863604661
Authority: DE
Inventors: Jeremey William Bradford Yorkshire Holt; Brian Leonhard Wetherby Yorkshire Ruddy
Original assignee: AE PLC
Current assignee: AE PLC
Priority date: 1985-02-16
Filing date: 1986-02-14
Publication date: 1986-08-21
Also published as: CA1275013A; DE3604661C2; ES296510Y; KR950000917B1; KR860006625A; CN86100808A; JPS61190154A; JPH0337026B2; CN1004369B; EP0192114A3; EP0192114A2; ES296510U; GB8504008D0; AU5343586A; BR8600530A; ZA86573B; EP0192114B1; US5001965A; IN166593B; AU587226B2

Description

GEYER, HAGEMANN & KEHL

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EUROPEAN PATENT ATTORNEYS .".."... >

lsmanmger Straße 108 · 8000 München 80 · Telefon D 089/9807 31-34 · Telex 5216136 hage d · Telegramm: hageypatent · Telefax 089/982421 Automat (CCITT Cr. 2)

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3604561

AE PLC München,

u.Z.: Pat/HGM 628/1-86M 14.02.86

Dr.G/2/bw

Kolben mit Kolbenring

Die Erfindung bezieht sich auf Kolben und Kolbenringe für Verbrennungsmotoren, bei denen mindestens eine ringförmige Kolbenringnut im Kolben vorgesehen ist, wobei die Nut zwei sich radial erstreckende Wände sowie eine sich axial erstreckende Wand aufweist, und wobei ein Kompressionsring vorgesehen ist, der in der Kolbenringnut zum Dichtungseingriff mit einer zugeordneten Zylinderwand oder Laufbuchse aufgenommen ist.

/
^νΛ / Kolbenringe werden an Kolben eingesetzt, sowohl um zu verhindern, daß

Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsraum entweichen (was als Durchblasen bekannt ist), als auch um die Menge an Schmieröl zu begrenzen, die in den Verbrennungsraum eintritt und ansonsten einen übermäßigen Ölverbrauch verursachen würde. Um diese Ziele zu erreichen, werden im allgemeinen drei oder mehr Kolbenringe eingesetzt. Moderne Verbrennungsmotoren verwenden oftmals eine Kolbenringanordnung aus drei Ringen, mit zwei Kompressionsringen in einer oberen und mittleren Lage sowie einem Ölabstreifring in einer unteren Lage. Es hat sich im allgemeinen durchgesetzt, daß für praktische Zwecke zwei Kompressionsringe, die in Berührung mit der Zylinderwand stehen, die erforderliche Mindestanzahl sind, um ein Durchblasen von Verbrennungsgas wirksam zu kontrollieren, und dies zusammen mit einem annehmbaren Ölverbrauch.

Wenn es möglich wäre, einen wirksam arbeitenden Kolben zu schaffen,

der nur einen Kompressionsring aufweist, welcher in Berührung mit der Zylinderwand steht, würde dies viele Vorzüge bringen. Als erstes zeigen sich hier Vorteile, was die Abmessungen angeht, z.B. es könnte die

3 6 O 4 R 6

Kompressionshöhe und das Gewicht des Kolbens verringert werden. Zum zweiten ergäben sich aber auch Vorzüge wegen herabgesetzter Reibungsverluste. Eine Verringerung der Kompressionshöhe, d.h. des Abstands zwischen Kolbenboden und Kolbenbolzenachse ermöglicht eine Verkleinerung der gesamten Motor-Bauhöhe, was entsprechend niedrigere Motorhaubenkonturen bei einem Kraftwagen ermöglichen und verbesserte aerodynamische Eigenschaften etc. schaffen könnte. Darüberhinaus führt auch das Kolbengewicht zur Verringerung der Belastungen, die auf den Kolbenbolzen, die Pleuelstangen, die Lager, Kurbelwelle usw. aufgebracht werden, weshalb auch all diese Teile kleiner und leichter ausgebildet werden könnten.

Es wurden schon verschiedene Verfahren zum Verbessern der Gasabdichtung von Kompressionsringen vorgeschlagen. Dabei werden Ringe mit " einer einzigen Nut, aber mehreren Einzelelementen eingesetzt, die gegen die Zylinderwand anliegen. Eine solche Anordnung ist z.B. in der europäischen Offenlegungsschrift Nr. 0 069 175 (Schunichi) beschrieben.
Andere Verfahren umfassen die Verwendung eines Hilfsrings, der in zwei Nuten liegt, von denen eine in der inneren Axialfläche eines Kolbenrings und die andere in der Axialwand der Kolbenringnut ausgebildet ist und der Hilfsring somit eine Dichtung zwischen Hauptring und Kolbenring ausbildet. Beispiele dieser Art einer Ringanordnung finden sich in der GB-OS 2 117 868 (Graham) und in der US-PS 2 228 495 (Williams). Die Ausführungsformen, die durch Graham beschrieben sind, zeigen in der Kolbenringnut eine verhältnismäßig tiefe Nut für den Hilfsring, vergleichbar mit der Nuttiefe in der inneren axialen Fläche des Kolbenrings, der gegen die Zylinderwand anliegt. Der Hilfsring ist bei manchen Ausführungsbeispielen als frei schwimmend gelagerter Ring in den Nuten gezeigt, der weder nach außen, noch gegen den äußeren Kolbenring ^ expandieren kann, noch die Innenwand seiner eigenen Nut im Kolben berührt. Bei einem Beispiel ist der Hilfsring als zweiteilige Anordnung im wesentlichen aus zwei halbkreisförmigen Elementen gezeigt. Der Hilfsring ist auch in zwei Ausführungsbeispielen als starres, flanschartiges Gebilde beschrieben, das sich von der inneren Axialfläche der Kolbenringnut nach auswärts erstreckt.

Williams beschreibt eine Anordnung, bei der ein innerer Ring in eine ringförmige Nut eingreift, die in die Axialwand der Kolbenringnut eingeschnitten ist. Dabei wirkt der Innenring wiederum mit einer

entsprechenden Nut in der inneren Axialfläche jenes Kolbenrings, der 5

gegen die Zylinderwand anliegt, zusammen.

Es ist bei dem Vorschlag von Williams jedoch notwendig, daß der innere Hilfs- oder Dichtungsring eine expandierende Funktion erfüllt, um jene Kraft zu erhöhen, mit welcher der Hauptkolbenring gegen die Zylinderwände anliegt. Zusätzlich ist es erforderlich, daß der innere Dichtungsring "saugend" in seinen Nuten in der Kolbenwand und im Hauptring sitzt, um ein Kippen zu verhindern und die Bewegung des Hauptrings in Axialrichtung des Kolbens zu begrenzen. Für den "saugenden" Sitz des Dichtungsrings in beiden Nuten ist es nötig, daß die axiale Tiefe jeder Nut gleich groß ist. Die Dichtungsringnut in der Kolbenwand sollte auch eine größere radiale Tiefe als die entsprechende Nut im Kolbenring aufweisen. Es ist deshalb klar, daß die dichtende Wirkung des inneren Ringes hauptsächlich infolge dessen engen bzw. "saugenden" Sitzes in seinen

Nuten und auch infolge der Labyrinthdichtungswirkung erfolgt.
20

Sowohl Graham als auch Williams zeigen den Dichtungsring mit geraden, parallelen und konzentrischen axialen Innen- und Außenflächen, und Williams hebt dieses Merkmal im Text sogar noch hervor.

Ausgehend von diesem Stand der Technik möchte die Erfindung eine weitere Verbesserung schaffen und die aufgezeigten Nachteile möglichst weitgehend vermeiden. Dies wird bei einem Kolben der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß der Kompressionsring eine Aussparung aufweist, die radial ausgerichtet ist, daß ein Hilfsdichtungsring ständig, aber ablenkbar in Berührung mit der sich axial erstreckenden Wand der ringförmigen Kolbenringnut steht und in die Aussparung im Kompressionsring hineinragt, und daß eine solche Anordnung getroffen ist, daß der Hilfsdichtungsring das Ausmaß der Bewegung des Kompressionsrings in der ringförmigen Kolbenringnut körperlich nicht begrenzt. Bei der Erfindung sind der innere Hilfsring und der äußere Hauptring so aufgebaut, daß der innere Ring nicht die

Bewegungen des Außenrings in seiner Nut begrenzt und ferner imstande ist, zu kippen und eine Dichtung mit dem äußeren Hauptring zu bilden, wodurch sich völlig überraschenderweise ganz unerwartet gute Ergebnisse erzielen lassen.

In vorteilhafter Ausführung der Erfindung kann die Aussparung im Kompressionsring als vorzugsweise im Schnitt kegelstumpfförmig ausgebildete Nut in dessen innerer Axialfläche oder in Form eines zurückgesetzten Absatzes in der oberen Fläche des Kompressionsrings ausgebildet sein.

Die radialen Begrenzungswände, und zwar die obere und die untere einer solchen Nut in der Innenfläche des Kompressionsrings, müssen nicht notwendigerweise parallel und exakt radial ausgerichtet sein, sondern sie können vorzugsweise unter einem Winkel zwischen 0 und 4 zu einer exakt ausgerichteten Radialebene liegen, die die Nut durchdringt, wobei sich die obere Nutfläche nach oben und zur Nutöffnungsseite und die untere Nutfläche nach unten und ebenfalls zur Nutöffnungsseite hin erstrecken.

Dabei wird bevorzugt die radiale Tiefe der Nut größer als 0,5 mm und, noch weiter bevorzugt, nicht kleiner als 1 mm gewählt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht auch darin, daß in der sich axial erstreckenden Wand der Kolbenringnut im Kolben eine sich in Umfangsrichtung erstreckende flache Vertiefung ausgebildet ist, deren Tiefe ausreicht, um den inneren Hilfsdichtungsring beispielsweise in der Mitte der sich axial erstreckenden Wand anzuordnen, um das Anpassen des Kompressionsringes an den Kolbenkörper zu erleichtern und um die Axialbewegungen des inneren Hilfsringes bei Betrieb zu begrenzen.

Bevorzugt weist der Hilfsdichtungsring die Form einer Stahlschiene auf, die, wiederum vorzugsweise, zumindest mit einer abgerundeten inneren Endfläche versehen ist und zwar derart, daß eine Ablenkung des Hilfsdichtungsrings durch ein Verschwenken um die innere Endfläche crliMcliliM'l; ist.

Bevorzugt steht der innere Hilfsdichtungsring über die innere axiale Fläche des Kompressionsrings um einen Abstand von mindestens 0,5 mm, in jedem Fall aber um nicht weniger als 0,25 mm und, noch weiter bevorzugt, bis zu einer Überdeckung von mehr als 1 mm über.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht auch darin, daß die Aussparung nicht in Form einer Nut, sondern in Form eines zurückgesetzten Absatzes in der oberen Fläche des Kompressionsringes ■,η ausgebildet ist. Vorzugsweise wird dabei der Hilfsdichtungsring konkav gewölbt und federnd so vorgespannt, daß er im wesentlichen ständig in Anlagekontakt mit dem Kompressionsring steht. Gleichermaßen vorzugsweise kann aber auch der Kompressionsring konkav gewölbt sein.

,c Eine andere, vorteilhafte Ausgestaltung kann darin gesehen werden, daß der ausgesparte Absatz im Kompressionsring einen im wesentlichen radial ausgerichteten Abschnitt sowie einen hierzu geneigten Abschnitt aufweist.

Der erfindungsgemäße Kolben kann aber auch, falls gewünscht, mit einem zweiten Kompressionsring versehen sein, der in einer zweiten ringförmigen Kolbenringnut im Kolben aufgenommen ist, wobei dieser zweite Kompressionsring vorzugsweise als Verbundring ausgeführt ist.

Es ist vielfach von Vorteil, wenn der erfindungsgemäße Kolben zusätzlich noch mit einem Ölabstreifring versehen ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im Prinzip beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Teil eines ruhenden erfindungsgemäBen Kolbens mit Kolbenring innerhalb eines Motors,

Fig. 2 den Kolben mit Kolbenring aus Fig. 1 während des Arbeitstaktes og in einem Verbrennungsmotor,

* to-

Fig. 3 den Kolben mit Kolbenring aus Fig. 1 während der Phase der Abdichtung gegenüber einer Abwärtsströmung des Gases,

Fig. 4 den Kolben mit Kolbenring aus Fig. 1 während einer Abdichtung gegenüber einer Aufwärtsströmung von Öl,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine erste weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens mit Kolbenring,
10

Fig. 6 einen Axialschnitt durch eine zweite weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens mit Kolbenring,

Fig. 7 einen Axialschnitt durch eine dritte weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens mit Kolbenring,

Fig. 8 einen Axialschnitt durch einen Teil einer vierten weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens mit Kolbenring, sowie

Fig. 9 einen Axialschnitt durch einen Teil einer fünften weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens mit Kolbenring.

Es wird zunächst auf die Fig. 1 bis 4 Bezug genommen, in denen gleiche Merkmale durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind.

In Fig. 1 ist der Körper eines Kolbens insgesamt mit 10 bezeichnet. Im Körper 10 befindet sich eine Umfangs-Kolbenringnut, die insgesamt mit 11 bezeichnet ist. Die Nut 11 weist zwei parallele Radialflächen 12 und 13 sowie eine innere, sich axial erstreckende Fläche 14 auf, in deren Mitte sich eine flache, in Umfangsrichtung umlaufende Vertiefung 15 befindet. In der Nut 11 liegt ein Haupt-Kompressionskolbenring, der aus Gußeisen hergestellt ist und insgesamt mit 16 bezeichnet ist. Der Kolbenring 16 weist eine äußere Axialfläche 17 auf, die gegen eine Zylinderwand 18 anliegt, weiterhin zwei im wesentlichen parallele Radialflächen 19 und 20 sowie eine innere Axialfläche 21. In letzterer befindet sich eine Nut, die insgesamt mit 22 bezeichnet ist und eine Axialfläche 23 sowie zwei radiale Begrenzungsflächen 24 und 25 aufweist, die unter

einem Winkel von etwa 2 /u durch din NuI ΊΊ hindiirrhlaufeiHlen ' Horizontalebenen 26 verlaufen (die in Fig. 1 als gestrichelte Linien eingezeichnet sind). Ein Hilfsdichtungsring ist insgesamt mit 27 bezeichnet, sitzt in der Vertiefung 15 und ragt ebenfalls in die Nut 22 hinein. Der Hilfsdichtungsring 27 ist als kreisförmige, aufgetrennte Stahlschiene ausgeführt und mit einem Durchmesser ausgebildet, der kleiner ist als jener des Kolbens 10, so daß die Schiene ständig in Berührung mit dem Kolben 10 steht, wenn sie passend eingebaut ist. Der Hilfsdichtungsring 27 weist ferner zwei parallele Radialflächen 28 und 29 sowie abgerundete Enden 30 und 31 auf.

Bei einem typischen Kolben von etwa 68 mm Durchmesser kann der Hauptkompressionsring 16 eine axiale Dicke von etwa 1,5 mm und eine radiale Dicke von etwa 3,25 mm aufweisen. Die Nut 22 hat dann eine radiale Tiefe von etwa 1,8 mm und eine axiale Mindesttiefe, begrenzt durch die Fläche 23, von etwa 0,6 mm. Der Hilfsdichtungsring 27 weist eine radiale Dicke von etwa 2,5 mm sowie eine axiale Dicke von etwa 0,5 mm auf. Die Eindringtiefe des Hilfsdichtungsrings 27 in die Nut 22 liegt veränderlich zwischen etwa 1,25 und 1,75 mm unter normalen Laufbedingungen. Die Vertiefung 15 kann zwischen 0,05 und 1,0 mm in radialer Richtung liegen, beträgt aber typischerweise etwa 0,25 mm.

Fig. 2 zeigt die Ausbildung, welche die ringförmigen Komponenten während eines Verbrennungstaktes im Verbrennungsmotor einnehmen. Der Gasdruck der abnehmenden Treibstoffladung drückt den Hauptkompressionsring 16 so nach unten, daß die Fläche 13 der Kolbenringnut 11 und die Fläche 20 des Rings 16 in enger Berührung liegen. Das Ende 30 des Hilfsdichtungsrings 27 wird ebenfalls in einer Richtung nach unten gedrückt und zwar durch Schwenken um die Endfläche 31, die in der Vertiefung 15 sitzt, um die Fläche 25 in der Nut 22 zu berühren. Der Gasdruck drückt auch den Ring 16 in einer Richtung nach außen, wodurch eine Radialkraft erzeugt wird, um die Fläche 17 gegenüber der Zylinderwand 18 abzudichten, so daß eine wirksame Gasdichtung bewirkt wird. Das Durchblasen um die Rückseite des Kolbenrings 16 wird durch jene Abdichtungen, die zwischen dem Ende 31 und der Vertiefung 15 sowie zwischen dem Ende 30 und der Nutfläche 25 gebildet sind, auf ein

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-ist-

' Mindestmaß verringert.

Der Gasdruck, der den Ring 16 in Auswärtsrichtung drückt, um die Fläche 17 gegenüber der Zylinderwand 18 abzudichten, kann im wesentlichen nur radial auf den oberen Abschnitt der Fläche 21 und auf die Fläche 23 wirken. Hieraus ergibt sich, daß die Reibung zwischen der Ringfläche 17 und der Zylinderwand 18 gegenüber den Verhältnissen bei einem herkömmlichen Ring verringert wird. Weil ferner die Nut 22 in die Rückseite des Rings 18 eingearbeitet ist, ist auch die tangentiale Spannung oder Belastung, die vom Ring in radialer Richtung gegen die Zylinderwand 18 aufgebracht wird, herabgesetzt, was eine zusätzliche Verringerung der Reibung zwischen Ring und Zylinder bewirkt. Die Absenkung der tangentialen Spannung liegt in einer Größenordnung von 10% bis 20% und die Verringerung der Radialkraft, die durch den Gasdruck erzeugt wird, in einer Größenordnung von 20% bis 40%.

Fig. 3 zeigt jene Ausbildung, die von den ringförmigen Komponenten eingenommen wird, wenn der obere Todpunkt eines Ausstoßtaktes eingenommen wird, wenn also der Kolben 10 gerade seine Richtung geändert hat, um sich im Zylinder abwärts zu bewegen, aber die Massenträgheit des Kolbenrings 16 den Ring gegen die Oberseite der Ringnut 11 drückt, wo dann die Flächen 19 und 12 aufeinandertreffen. Wenn noch irgendein Gasdruck oberhalb des Rings 16 vorliegt, wird dieser danach trachten, den Hiifsdichtungsring 27 niedergedrückt zu halten, dessen Ende 30 dabei gegen die Fläche 25 abdichtet und damit ein Durchblasen verhindert. Andernfalls könnten die Bestandteile jene Lage einnehmen, die in Fig. 4 gezeigt ist und in der das Ende 30 des Hilfsdichtungsringes 27 dichtend diesmal gegen die obere Fläche 24 der Nut 22 anliegt. Bei dieser Anordnung verhindert der Hiifsdichtungsring 27 den Durchtritt von Öl in den Raum oberhalb des Hilfsdichtungsrings 27, wo das Öl durch die Verbrennungsgase verbrannt werden könnte. Dies könnte einen höheren Ölverbrauch und die Möglichkeit des Ablagerns von Verkohlungen und damit des Verstopfens von Räumen und Spalten, die für ein ordnungsgemäßes Arbeiten des Motors erforderlich sind, bewirken.

Im allgemeinen hängen die Winkel- und die Axiallage, die von Kolbenring

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und Dichtungsring eingenommen werden, vom Kräftegleichgewicht und von den Drehmomenten ab, die sich aus den Gasdrücken, den Massenträgheiten der Bestandteile und aus der Reibung zwischen Berührungsflächen ergeben.
5

Es hat sich gezeigt, daß bei Kolben, bei denen zwei herkömmliche obere Kompressionsringe durch einen Verbundring ersetzt wurden, wie er vorstehend beschrieben wurde, sich eine Verkürzung der Kompressionshöhe des Kolbens in einer Größenordnung von 10 bis 15% erreichen läßt. Bei einem Kolben von etwa 68 mm Durchmesser wurde eine Verringerung der Kompressionshöhe von 13% gegenüber einem herkömmlichen Kolben erreicht. Diese Verringerung der Kompressionshöhe bei dem 68 mm-Kolben führte auch zu einer Verringerung des Kolbengewichts von 8%, was andere mögliche Vorteile, die weiter oben schon beschrieben sind, nach sich zog. Bei anderen Kolbenausführungen ließen sich sogar Gewichtsverminderungen von bis zu 10% erreichen.

Die Kolben können so hergestellt werden, wie dies oben ausgeführt ist, wobei zwei herkömmliche obere Kompressionsringe ersetzt werden durch

einen solchen Verbundring. Dies liefert Vorteile, die unmittelbar dem Verbundring an sich zuzurechnen sind, sowie zusätzlich indirekte Vorteile, die darin liegen, daß die Reibung noch weiter durch Entfall des zweiten herkömmlichen Kompressionsrings verringert wird. Wenn allerdings eine Verringerung des Ausmaßes des Gasdurchblasens und/oder des Ölverbrauchs bei einem herkömmlichen Motor für noch wichtiger angesehen wird als z.B. eine Verringerung der Kompressionshöhe o.a., dann ist es natürlich vorteilhaft, angesichts dieser Parameter einen Verbundring gemäß obiger Beschreibung als obersten Ring eines 3-Ring-Kolbens einzusetzen. Der zweite Ring kann dann ein anderer Verbundring sein. Selbst

dort, wo ein 3-Ring-Kolben beibehalten wird, trägt der Einsatz von Verbundringen gemäß der vorstehenden Beschreibung dazu bei, daß sich der Vorteil einer verringerten Reibung zwischen Ring und Zylinder erzielen läßt und zwar zusätzlich zu einem verkleinerten Durchblasgrad und einem verringerten Ölverbrauch. Der zweite oder dritte Ring eines 2- oder

3-Ring-Kolbens wird üblicherweise als Ölabstreifring ausgebildet sein.

Mit erfindungsgemäßen Kolben wurden umfangreiche Motorenversuche auf Prüfständen ausgeführt, wobei sich eine Gesamt-Versuchszeit von mehr als 3500 Motorlaufstunden ergab. Kolben, die mit einem einzigen Verbund-Kompressionsring (und einem herkömmlichen, anpaßbaren Ölabstreifring) versehen waren, sowie Kolben, die einen oberen Verbund-Kompressionsring und einen herkömmlichen, einteiligen zweiten Kompressionsring (zusätzlich zu einem Ölabstreifring) aufwiesen, wurden dabei im Motorversuch geprüft. Die Ergebnisse dieser Motorversuche wurden verglichen mit Versuchen, die an Motoren aus der Serienfertigung durchgeführt wurden und herkömmliche 3-Ring-Kolben aufwiesen. In Tabelle 1 werden die Ergebnisse der Motoren-Prüfstandsversuche gezeigt:

Tabelle 1

Motor Anzahl der Kom

pressionsringe

Art der Kompressionsringe

maximales Ölver-Durchblasen brauch l/min cm³/h

1,6 1-Ford 4 Zylinder-Benzinmo tor

Ein Verbundring

31

Ein Verbundring 25

Ein herkömmlicher Ring

Zwei herkömmliche Ringe

(Serienfertigung)

25

30

14

40

2,0 1-General Motors 4 Zylinder-Ben zinmotor

Ein Verbundring

34

Zwei herkömmliche Ringe

(Serienfertigung)

27

12,5

14

1,6 1-

British-Ley-

land-4 Zylinder-Ben- zinmotor

Ein Verbundring

33

Zwei herkömmliche Ringe

(Serienfertigung)

32

40

30

Bei den Versuchen, deren Ergebnisse in der vorstehenden Tabelle darge-

stellt sind, waren alle Kolben der Motoren mit einem herkömmlichen Ölabstreifring versehen.

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß ein einziger Verbund-Kompressionsring zu Gas-Durchblasraten führt, die vergleichbar sind mit denen eines herkömmlichen 3-Ring-Kolbens und die in ihrer Leistung völlig ausreichen. Der Ölverbrauch ist jedoch in allen Fällen überlegen, wenn man einen einzigen Verbundring benutzt, verglichen mit dem Fall eines herkömmlichen Standard- bzw. Serienkolbens. Im Falle des vermessenen 1,6 1-Ford-Motors lieferte ein einziger Verbundring eine Verbesserung von 25% gegenüber dem Serienmotor und, wenn er in Verbindung mit einem herkömmlichen zweiten Kompressionsring eingesetzt wurde, sogar eine Verbesserung von mehr als 60%.

Ein Fahrzeugversuch über mehr als 48 000 km mit einem Ford Escort unter Verwendung eines 1,6 1-Benzinmotors, der bereits 400 Laufstunden am Prüfstand betrieben worden war und einen einzigen Verbund-Kompressionsring sowie einen herkömmlichen Ölabstreifring aufwies, ergab einen Ölverbrauch von 12.318 km/1 (35.000 miles pro gallon (imp.)) unter normalen Fahrbedingungen.

Ein zweiter Fahrzeugtest mit einem British Leyland Typ Montego unter Verwendung eines 1,6 1-Motors, der ebenfalls bereits 400 Prüfstandstunden gelaufen war und mit einem einzigen Verbund-Kompressionsring sowie einem herkömmlichen Ölabstreifring ausgestattet war, führte zu einem Ölverbrauch von 8.490 km/1 (24.000 miles pro gallon (imp.)) über 16.000 km unter normalen Fahrbedingungen.

Für manche Anwendungsfälle lassen sich auch andere Ausführungsformen in Betracht ziehen:

Fig. 5 zeigt eine Kolbenausführung ähnlich der aus Fig. 1, wobei jedoch die Vertiefung 15 aus Fig. 1 weggelassen wurde. Der Hilfsdichtungsring 27 ist noch immer so ausgeführt, daß er gegen die Axialfläche 14 der Kolbennut mit einer einwärts gerichteten Radialkraft anliegt. Das Kraftmaß kann auch noch erhöht werden, um eine nennenswerte

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-χι- 3 6 04 5

Axialbewegung des Endes 31 des Hilfsdichtungsringes 27 relativ zur Fläche 17 zu begrenzen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 gezeigt. Hierbei wird ein Haupt-Kompressionsring, der insgesamt mit 40 bezeichnet ist, eingesetzt, der keine volle Nut an seiner inneren Umfangsfläche aufweist, sondern einen Absatz mit einem oberen vertikalen Flächenabschnitt 41, einem geneigten Flächenabschnitt 42 und einem unteren vertikalen Flächen-

jQ abschnitt 43. Ein Dichtungsring ist insgesamt mit 44 bezeichnet, weist abgerundete Enden 45 und 46 auf und sitzt in einer Vertiefung 15 in der Axialfläche 14 oder einer Kolbenring-Umfangsnut, die insgesamt mit 11 bezeichnet ist. Der Dichtungsring 44 ist konkav so gewölbt, daß er ständig in die Vertiefung 15 mit einer einwärts gerichteten Radialkraft

·,,- eingreift. Er ist aber auch so ausgebildet, daß sein Ende 45 ständig federnd gegen den geneigten Flächenabschnitt 42 angedrückt und mit diesem unter den meisten Betriebszuständen in Anlagekontakt steht.

In einem dritten, weiteren Ausführungsbeispiel, das in Fig. 7 gezeigt ist,

2Q ist ein Kolben 50 mit einem Durchmesser von 74 mm mit einer Kolbenringnut 51 versehen. Der Hauptkompressionsring 52 weist eine axiale Nennhöhe von 1,2 mm und eine radiale Dicke von 3,6 mm auf. Der Ring 52 ist in der oberen Fläche 53 mit einem Absatz versehen, wobei ein oberer Flächenabschnitt 54 und eine hierzu geneigte Fläche 55

ο= vorliegen. Der Ring 51 ist leicht konkav gewölbt und die obere Fläche 53 sowie eine untere Fläche 56 berühren die obere und untere Begrenzungsfläche der Kolbenringnut 51 an den Stellen 57 bzw. 58 (vgl. Darstellung der Fig. 7). Die innenliegende Axialfläche der Ringnut 51 ist so profiliert, daß sich wirkungsmäßig letztlich eine Ergänzungsnut 59 ergibt,

OQ die den aus einer Stahlschiene gebildeten Dichtungsring 60 an seinem einen Ende 61 sowohl axial in seiner Lage festlegt, als auch hierfür einen Sitz bildet. Der Dichtungsring 60 ist in seinem freien Zustand gewölbt und mit seiner natürlichen Vorspannung in einer Richtung nach unten passend eingesetzt. Die freie Lage des Rings 60 in Abwesenheit des

qc Hauptringes 52 ist als gestrichelte Linie 62 in Fig. 7 eingezeichnet. Die radiale Dicke des Dichtungsrings 60 beträgt etwa 2,75 mm und seine axiale Dicke 0,5 mm. Wenn sich der Hauptring 52 und der Dichtungsring

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60 in ihrer Einbaulage befinden, dann berührt der Dichtungsring den Hauptring am Punkt 63 an der geneigten Fläche 55. Im Betrieb verhält sich der gezeigte Verbundring folgendermaßen: bei der Verbrennung wird der Hauptring 52 in einer Richtung nach unten und außen so gedruckt, daß die Fläche 56 gegen die untere radiale Begrenzungsfläche der Nut 51 und gegen die Zylinderwand 64 angedrückt wird, so daß gegenüber den Verbrennungsgasen eine Abdichtung erfolgt. Der Dichtungsring wird auch in einer Richtung nach unten gedrückt, was die Dichtungskraft an der Stelle 63 erhöht. Die Lage des Hauptrings 52 während des Auspufftaktes hängt ab vom Gleichgewicht der wirksamen Kräfte, aber der Dichtungsring 60 befindet sich im wesentlichen stets in Berührung mit dem Hauptring 52 am Punkt 63, so daß er eine wirksame Gas- und Ölabdichtung aufrechterhält. Beim Ansaugtakt berührt der Hauptring 52 die Nut 51 an den Stellen 57 und 58 und trägt somit dazu bei, den Durchtritt von Öl hinter dem Ring auf ein Mindestmaß zu reduzieren.

Der Hauptring 52, der in Fig., 7 gezeigt ist, kann entweder aus Gußeisen oder Stahl hergestellt sein, wie dies auch gleichermaßen für den Hauptring jedes der beschriebenen Ausführungsbeispiele gilt. Das letztgenannte Material (Stahl) kann in Form eines extrudierten Drahtabschnitts vorliegen, der auf Form gewickelt sein kann, und zwar mit oder ohne nachfolgende spanende Bearbeitung. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 kann leichter und somit wirtschaftlicher hergestellt werden infolge der weniger strikten und leichter einzuhaltenden Toleranzen am Absatz des Rings 52, verglichen mit den Nuten jener Ausführungsbeispiele, die in den Fig. 1 bis 5 gezeigt sind. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß dieser Ring eine äußerst niedrige axiale Höhe aufweist und möglicherweise die Kompressionshöhe des Kolbens noch weiter verringert.

Fig. 8 zeigt einen Ausschnitt einer Ring- und Kolben-Anordnung ähnlich der aus Fig. 7. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die innere axiale Wand 70 der Nut 71 flach. Der Dichtungsring 60 sitzt an der Wand 70 an einer Stelle 61 und der Verbundring arbeitet im wesentlichen auf dieselbe Weise wie das Ausführungsbeispiel aus Fig. 7. Es reicht beim Zusammenbau aus sicherzustellen, daß der Aufsitzpunkt 61 des Dichtungs-

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rings 60 gegen die Oberseite der Wand 70 anliegt, um ein leichtes Einsetzen des Hauptringes 52 zu ermöglichen.

In Fig. 9 ist der Hauptring 80 mit einem Absatz in der oberen Fläche 81 5

versehen, der einen oberen Flächenabschnitt 82, einen insgesamt horizontalen Abschnitt 83 und einen geneigten Abschnitt 84 aufweist. Der Zweck des geneigten Abschnitts 84 ist bei diesem Ausführungsbeispiel darin zu sehen, daß während des Zusammenbaus eine Einführung für den Dichtungsring 85 geliefert wird, der in seinem freien Zustand (ähnlich jenem, der bei Fig. 7 beschrieben ist) nach unten konkav gewölbt ist. Das Ende 86 des Rings 85 ruht im Betrieb auf dem Flächenabschnitt 83. Das Ende 87 des Rings 85 liegt in einer Ergänzungsnut 88 der Kolbenringnut 89.

Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es ersichtlich, daß der innere Dichtungsring das Ausmaß der Bewegung des Hauptkompressionsrings innerhalb dessen Nut körperlich nicht hemmt oder beschränkt. Die Fähigkeit des Dichtungsrings, an seinem Sitz an der Kolbenwand zu verschwenken, ermöglicht es, dynamische Abdichtungen mit verschiedenartigen Flächen der Nut oder Aussparung im Kompressionsring auszubilden, so daß somit die Leistung des Kolbens gefördert wird. Obgleich der Dichtungsring gemäß der Beschreibung aus Stahl sein soll, kann er aber auch aus Legierungen auf Aluminium- oder Kupfer-Basis oder selbst aus einigen der modernen Kunststoff-Maschinenbaustoffe hergestellt sein, zu denen z.B. Polyetheretherketon (PEEK) gehört.

In allen Fällen müssen die relativen Abmessungen so sein, daß der Hauptkompressionsring imstande ist, sich voll unter von seitlichen Kolbenbewegungen herrührenden Schubbedingungen in seine Nut zurück- ° zuziehen, ohne dabei durch den Dichtungsring behindert zu werden. Im Gegensatz hierzu sollte jedoch unter Bedingungen, in denen sich der Hauptkompressionsring von seiner Nut aus am weitesten auswärts erstreckt, das Eindringen des Dichtungsrings in die Nut in der inneren

Axialfläche des Hauptrings vorzugsweise nicht geringer sein als 1 mm.
35

Ein dem in Fig. 1 usw. gezeigten Ausführungsbeispiel zuzuordnender

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* A-

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Vorteil liegt darin, daß die Nut 22 beträchtlich einfacher und somit wirtschaftlicher dadurch herzustellen ist, daß sie (im Querschnitt) eine kegelstumpfförmige Form (und nicht etwa parallele Radialflächen) aufweist.

Der in Fig. 1 bis 5 gezeigte Hauptring kann in Verbindung mit einem konkav gewölbten Dichtungsring jener Art verwendet werden, die in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist.

Der Hauptkompressionsring 16 bzw. 40 bzw. 52 bzw. 80 kann auch auf jede bekannte Weise oberflächenbehandelt sein, beispielsweise durch Aufsticken und Aufkohlen, durch Chrom- oder Molybdänbeschichtung usw., um hierdurch seine Verschleißeigenschaften zu verbessern.

Wenn der Hauptring in Verbindung mit einem konisch gewölbten Dichtungsring eingesetzt wird, zeigte es sich, daß die Abnutzung der unteren Fläche der Kolbenringnut im Kolben verringert ist.

Die vorstehend beschriebene Erfindung kann ferner mit Kolbenkörpern jener Art kombiniert werden, wie sie etwa in der GB-PS 2 104 188 beschrieben sind, bei denen die Kolbenschürze mit angehobenen Stegen versehen ist. Die Anordnung solcher Stege mit geeigneten Konturen ermöglicht die hydrodynamische Schmierung des Kolbens in der Zylinderbohrung, was zu einer Reibungsabsenkung zwischen Kolben und Zylinderwand führt.

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Claims

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Dr.G/2/bw

ANSPRÜCHE

(l· / Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit mindestens einer ringförmigen Kolbenringnut im Kolben, wobei die Nut zwei sich radial erstreckende Wände sowie eine sich axial erstreckende Wand aufweist, und mit einem Kompressionsring, der in der Kolbenringnut zum Dichtungseingriff mit einer zugeordneten Zylinderwand oder Laufbuchse aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsring (16; »*

52; 80) mit einer radial gerichteten Aussparung (22; 41, 42; 54, 55; 82, J

83, 84) versehen ist, ^

und daß ein Hilfsdichtungsring (27; 44; 60; 85) ständig, aber ablenkbar in Berührung mit der sich axial erstreckenden Wand (14; 59; 70; 88) der ringförmigen Kolbenringnut (11) steht und in die Aussparung im Kompressionsring hineinragt, ohne dabei jedoch das Ausmaß der Bewegung des Kompressionsrings in der ringförmigen Kolbenringnut körperlich zu begrenzen.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung im Kompressionsring (16) als Nut (22) in dessen innerer Axialfläche (21) ausgebildet ist.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (22) in der inneren Axialfläche des Kolbenrings (16) im Schnitt kegelstumpfförmig ist.
4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere (24)

und die untere (25) Radialfläche der Nut (22) im Kompressionsring (16) sich unter einem Winkel zwischen Q und 4 zu einer durch die Nut (22) hindurchlaufenden radialen Ebene (26) erstrecken, und daß sich die obere Begrenzungsfläche (24) nach oben zur Öffnungsseite der Nut (24) und die untere Begrenzungsfläche (25) nach unten hin ebenfalls zur Öffnungsseite der Nut (22) hin erstrecken.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Tiefe der Nut (22) größer ist als 0,5 mm.
6. Kolben nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsring (16) verschleißbeständig ausgebildet ist.
7. Kolben nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der sich axial erstreckenden Wand (14) der Kolbenringnut (11) im Kolben (10) eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Vertiefung (15) ausgebildet ist.
8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (15) eine radiale Tiefe zwischen 0,05 mm und 1,0 mm aufweist.
9. Kolben nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsdichtungsring (27; 44; 60; 85) eine Stahlschiene ist.
10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens

das radial innere Ende des Stahlschienenabschnitts abgerundet ist (31; 46: 87).
11· Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß beide Enden des Stahlschienenabschnitts angerundet sind.
12. Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das radial äußere Ende (30) des Hilfsdichtungsringes (27) in die Nut (22) in der inneren Axialfläche des Kompressionsrings (16) um mindestens 0,5 mm eindringt.

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13. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung in Form eines zurückgesetzten Absatzes (41, 42; 54, 55; 82, 83, 84) in der oberen Fläche (53; 81) des Kompressionsrings (52; 80) ausgebildet ist.
14. Kolben nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsdichtungsring (60) konkav gewölbt (62) und federnd so vorgespannt ist, daß er im wesentlichen ständig in Anlagekontakt mit dem Kompressionsring (52) steht.
15. Kolben nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsring (52) konkav gewölbt ist.
16. Kolben nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der ausgesparte Absatz im Kompressionsring (80) einen im wesentlichen radial ausgerichteten Abschnitt (83) sowie einen hierzu geneigten Abschnitt (84) aufweist.
17. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Kompressionsring vorgesehen ist, der in einer zweiten ringförmigen Kolbenringnut im Kolben aufgenommen ist.
18. Kolben nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kompressionsring als Verbundring ausgebildet ist.
19. Kolben nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Ölabstreifring versehen ist.

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Cawston House
Cawston, Rugby

Warwickshire CV22 7SA

England

KOLBEN MIT KOLBENRING

Beanspruchte Priorität: Land: Großbritannien

^Datum: 16. Februar 1985 Az.: 85.040Ü8