DE608988C - Kolbenring fuer Brennkraftmaschinen o. dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring für Brennkraftmaschinen ο. dgl., bei welchem die Seitenwände der Kolbenringnut mit der Kolbenachse einen spitzen Winkel bilden und die Abschrägung der Seitenwände der Kolbenringnut vom Grunde der Nut aus nach dem Kolbenboden zu verläuft.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Anpreßdruck des Kolbenringes auf die Zylinderwand den jeweils im Zylinderraum herrschenden Drücken so anzupassen, daß keine unnötige Reibung zwischen Kolbenring und Zylinderwand in Kauf genommen werden muß.
Dieses Ziel wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß der geschützte Kolbenring mit axialem und radialem Spiel in der Kolbenringnut angeordnet ist und der axiale Abstand zwischen der oberen Seitenfläche des Kolbenringes und der zugehörigen Seitenwand der Kolbenringnut am äußeren Rande der Nut größer ist als an deren Grund. Diese Ausbildung hat zur Folge, daß bei Überdruck im Zylinderraum der Kolbenring mit einer Kraft an die Zylinderwand gepreßt wird, die dem von hinten auf den Kolbenring einwirkenden und um die Reibkraft des Kolbenringes auf der schrägen Seitenwand der Kolbenringnut verminderten Betriebsdruck entspricht. Bei Unterdruck wird der Kolbenring an die Zylinderwand durch eine Kraft angepreßt, die einer Komponente der auf den Kolbenring ausgeübten Saugkraft entspricht. Da in beiden Fällen, also sowohl bei Überdruck als auch bei Unterdruck, der Kolbenring durch den Betriebsdruck an die Zylinderwand angepreßt wird, kommt man mit einer sehr geringen Eigenspannkraft des Kolbenringes aus. Infolgedessen werden unnötige Reibungen, die durch eine große Eigenspannkraft des Kolbenringes hervorgerufen werden, vermieden.

Es sind Kolben bekannt, deren Kolbenringnuten schräg zur Mittelachse des Kolbens verlaufen. Bei diesen bekannten Kolben sind aber die Kolbenringe ohne axiales Spiel in die Ringnuten eingepreßt, so daß der Betriebsdruck nicht hinter die Kolbenringe gelangen kann. Infolgedessen kann auch die Anpreßkraft der Kolbenringe nicht durch den Betriebsdruck erzeugt werden. Vielmehr müssen hier die Kolbenringe eine dem höchsten Betriebsdruck entsprechende Eigenspannung erhalten, was aus betrieblichen Gründen unvorteilhaft ist.

Bei anderen bekannten Kolben ist der Kolbenring mit axialem und radialem Spiel in der Kolbenringnut gelagert, so daß der Betriebsdruck hinter den Kolbenring treten kann; dennoch kann dieser bekannte Kolbenring eine erhebliche Eigenspannkraft nicht entbehren, da die Seitenwände der Kolbenringnut senkrecht zur Kolbenlängsachse verlaufen und infolgedessen beim Saughub durch das Vakuum keine nach außen gerichtete Anpreßkraft erzeugt werden kann.

Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung als Beispiele dargestellt.

Fig. ι ist teils eine Seitenansicht, teils ein Schnitt eines mit einem neuen Kolbenring versehenen Kolbens einer Brennkraftmaschine.

Fig. 2 veranschaulicht in größerem Maßstabe einen Teilschnitt des in Fig. ι dargestellten Kolbens und Kolbenringes während des Verdichtungs-, Arbeits- und Auspuffhubes. Fig. 3 zeigt den Kolben und den Kolbenring während des Einlaßhubes. ^s Die Fig. 4 und 5 sind ebenfalls in größerem Maßstabe Teilschnitte einer Abänderungsform. Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen gleichfalls in größerem Maßstabe Teilschnitte einer weiteren Abänderungsform.

Der Kolbenring nach der Erfindung ist auf der Zeichnung in Anwendung bei einer Brennkraftmaschine dargestellt, deren Kolben in bekannter Weise aus einem Kopf 1 und dem offenen Ende 2 besteht. Es sei jedoch an dieser - Stelle bemerkt, daß der Kolbenring nach der Erfindung auch bei jeder anderen Art von Kolben verwendbar ist, bei denen Dichtungsringe erforderlich sind. Der Kolben ist innerhalb eines Maschinenzylinders 3 angeordnet. Der Kolbenkopf 1 ist mit einer obersten Ringnut 4 versehen, in welcher der Kolbenring 5 angeordnet ist. Der Kolben ist sodann noch mit einer oder mehreren Ringnuten 6 versehen, in denen Kolbenringe üblicher Bauart angeordnet sind.

Bei der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten - Ausführungsform ist die oberste Kolbenringnut 4 durch eine axiale Bodenwand 8 sowie eine obere und untere Seitenwand 9 bzw. 10 gebildet. Die Seitenwände 9, 10 verlaufen parallel und in einem Winkel von annähernd 20 ° zur Horizontalen. Die Seitenwände 9 und 10 brauchen nicht notwendigerweise parallel zueinander zu verlaufen, sie könnten auch von der Bodenwand 8 aus divergieren. Der von dem Ring auf die Zylinderwand ausgeübte Druck kann durch entsprechende Wahl des von der unteren Seitenwand 10 der Kolbenringnut zur Horizontalen gebildeten Winkels geregelt werden. Bei Verringerung des Neigungswinkels der Seitenwand 10 wird der Kolbenring durch den Gasdruck beim Verdichtungs-, Arbeits- und Auspuffhub an die Wand des Zylinders mit größerer Kraft angepreßt, als wenn der Winkel steiler gewählt würde. Im letzteren Fall würde der von der Seitenwand 10 ausgeübte Widerstand gegenüber der Expansion des Ringes auf den Zylinder zu kleiner sein. Umgekehrt würde bei Vergrößerung des Neigungswinkels der Seitenwand 10 der Kolbenring durch den Gasdruck mit einer geringeren Kraft gegen die Wand des Zylinders gepreßt werden.

Die Neigung der Seitenwand 9 der Kolbenringnut sollte jedoch so gewählt sein, daß beim Einlaßhub der Kolbenring in axialer Richtung mit einer so großen Kraftkomponente aus Zylinderwandreibung und unterschiedlichem Gasdruck gegen die schräge Wand 9 der Kolbenringe gepreßt wird, daß der Kolbenring ausgedehnt wird und eine ausreichende Dichtung zwischen dem Kolbenring und der Zylinderwand sowie der Seitenwand 9 der Kolbenringnut gewährleistet ist, um ein Hindurchlecken von Gas oder Öl zu verhindern.

Der Ring 5 ist geschlitzt und besteht aus einem einzigen Stück (Fig. 1). Die Seitenwände 12,13 des Kolbenringes verlaufen in dem 7" gleichen Winkel zur Horizontalen wie die entsprechenden Seitenwände 9, 10 der Kolbenringnut 4. Diese Seitenwände 12 und 13 bilden die mit den Wänden der Kolbenringnut zusammenwirkenden Sitzflächen des Kolbenringes.

Die nahe der Endfläche des Kolbens gelegene Seitenwand 12 des Kolbenringes erstreckt sich nicht über die ganze Breite des Kolbens; vielmehr ist nur ein verhältnismäßig schmaler, an der inneren Seite des Kolbenringes gelegener Sb Teil der Fläche abgeschrägt. Der übrige Teil dieser Fläche verläuft im wesentlichen senkrecht zur Kolbenringachse. Auf diese Weise hat die obere Sitzfläche 12 einen geringeren Flächeninhalt als die andere Seitenfläche 13 des Kolbenringes. Letztere wirkt auf ihrer ganzen Breite mit der Seitenwand 10 der Kolbenringnut zusammen. Radial außerhalb der schrägen Fläche 12 verbleibt zwischen der Seitenwand 12 des Kolbenringes und der Seitenwand 9 der Kolbenringnut 4 ein Zwischenraum 14. Die schmale Sitzfläche auf der Seite 12 des Kolbenringes kann, wie dargestellt, nahe der inneren Umfläche des Kolbenringes oder aber auch nahe der äußeren Umfläche vorgesehen sein.

Der Kolbenring 5 ist in die Nut 4 mit axialem und radialem Spielraum eingesetzt. Der Zweck wird weiter unten erläutert. Der Ring befindet sich ferner im Gegensatz zu den bisher gebräuchlichen Kolbenringen nur unter einer geringen Vorspannung.

Nach der Erfindung ist eine ausreichende Dichtung während des ganzen Arbeitsvorganges bei einer geringsten Zylinderwandreibung gesichert. Der Kolbenring braucht von Natur aus keine wesentliche Vorspannung zu erhalten, obgleich zweckmäßig eine geringe Vorspannung von annähernd 1,3 bis 1,8 kg für Brennkraftmaschinenzylinder von 76 mm Bohrung gewählt wird, damit ein geringer Druck gegen die Zylinderwandung vorhanden ist, wenn der Kolbenring seine Lage innerhalb der Kolbenringnut zwischen der oberen und unteren Endstellung ändert. Die notwendige Dichtung zwischen Zylinderwand und Kolben wird in erster Linie durch den unterschiedlichen Druck des Arbeitsmittels auf den Kolbenring aufrechterhalten.

Der axiale Spielraum und die schrägen ringförmigen Lagerflächen zwischen dem Kolbenring und dem Kolben gestatten dem Kolben eine Bewegung um seine Querachse, ohne daß

der Kolbenring von der Zylinderwand abgezogen oder abgekippt würde. Der Kolbenring bleibt jederzeit im wesentlichen parallel zur Zylinderwand, so daß eine konstante und ausreichende Dichtung zwischen dem Kolbenring und der Zylinderwand sowie zwischen dem Kolbenring und dem Kolben gewährleistet ist.

Beim Einlaßhub ist der Druckunterschied gering. Er wirkt auf die Kolbenendfläche. ίο Die aus der Abschrägung der oberen Wand der Kolbenringnut resultierende Reibkraftkomponente reicht aus, um den Kolbenring radial nach außen zu drücken und dadurch eine ausreichende Dichtung an der Zylinderwand aufrechtzuerhalten. Bei der oberen Dichtung zwischen den Schrägflächen 9 und 12 wirkt der geringe Druckunterschied und die andere Reibkraftkomponente unmittelbar gegen die obere Wand 9 der Kolbenringnut, so daß dadurch eine ausreichende Dichtung gesichert ist.

Beim Verdichtungshub ist die äußere Dichtung an der Zylinderwand entsprechend dem Gasdruck in ausreichendem Maße gesichert. Der äußere Dichtungsdruck steigert sich selbsttätig, wenn der Druck der zu komprimierenden Gase steigt. Das gleiche trifft zu für die innere Abdichtung zwischen dem Kolbenring 5 und der unteren Wand 10 der Kolbennut, da der unmittelbare axiale Druck und die Komponente des radialen Druckes und der Wandreibung entsprechend dem Anwachsen des Gasdruckes gesteigert werden.

Beim Übergang vom Verdichtungshub auf den Explosionshub könnte der Kolbenring an der oberen Wand 9 der Kolbenringnut zur Anlage kommen; da jedoch die Oberfläche des Kolbenringes nahezu radial verläuft und mit einer großen Fläche dem vollen Explosionsdruck ausgesetzt ist, so wird der Kolbenring sehr schnell wieder zur Anlage an der unteren Sitzfläche gebracht, da der Kolbenring, wenn der Druck ausreicht, um den Ring von seinem oberen Sitz abzuheben, die Neigung hat, rasch •45 auf den unteren Sitz zu gelangen. In dem zwischen der oberen Fläche des Kolbenringes und der Kolbenringnut gebildeten taschenförmigen Raum 14 bilden sich so lange hohe Drücke, bis der Kolbenring seinen oberen Sitz verläßt. Hiernach wird durch diesen hohen Druck der Kolbenring plötzlich auf seinen unteren Sitz gebracht.

Obgleich die Flächenberührung zwischen dem

Kolbenring und der dem offenen Ende des Kolbens nahegelegenen Wand der Kolbennut (Fig. 2) größer als die Berührungsfläche zwischen

dem Kolbenring und der gegenüberliegenden Seitenwand der Kolbenringnut ist, so könnte diese letztere Fläche doch wesentlich verkleinert und gegebenenfalls die gleiche Größe oder sogar eine geringere Ausdehnung erhalten als die andere Dichtungsfläche. Das könnte beispielsweise dadurch bedingt sein, daß eine raschere Wirkung oder eine sanftere Dichtung erforderlich ist. Um dies zu erreichen, könnte die Breite der Berührungsfläche wesentlich verringert werden, so daß dadurch der spezifische Flächendruck vergrößert würde. Dadurch wird eine schnell wirkende Dichtung erzielt und außerdem eine ringförmige Lagerfläche geschaffen.

Die Sitzfläche kann entweder am Kolbenring selbst oder an der dem offenen Ende des Kolbens nahegelegenen Seitenwand der Kolbenringnut verhältnismäßig schmal gehalten werden. Eine Art dieser Ausführung ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt, wo die untere Seitenfläche 16 des Kolbenringes 5^a die gleiche Größe hat wie die entsprechende Fläche des in Fig. 2 dargestellten Kolbenringes. Bei der Abänderungsform nach den Fig. 4 und 5 ist jedoch die schräge Seitenwand 17 der Kurvennut bei 18 an dem äußeren Teil der Kolbenringnut in dem erforderlichen Ausmaße abgesetzt, um die Berührungsfläche zwischen der Seitenfläche des Kolbenringes und der Seitenwand der Kolbenringnut beträchtlich zu verringern.

Eine weitere Abänderungsform ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt, nach welchen der Kolbenring 5⁶ trapezförmigen Querschnitt aufweist. Die Seitenflächen 21 und 22 des Querschnittes bilden verschiedene Winkel, so daß die Trapezflächen nach dem äußeren Umfange des Kolbenringes hin divergieren. Die Kolbenringnut 23 für den Kolbenring 5⁶ ist durch die Seitenwände 24 bzw. 25 begrenzt, die im wesentlichen im gleichen Winkel verlaufen wie die entsprechenden Seitenflächen 21 und 22 des Kolbenringes 5^δ. Bei dieser Abänderungsform ist die verhältnismäßig schmale Sitzfläche zwischen den Flächen 21 des Kolbenringes und der Seitenwand 24 der Kolbenringnut durch Abschrägung des äußeren Teiles der Seitenwand 24 der Kolbenringnut in der mit 26 bezeichneten Weise gebildet, so daß dadurch der Raum 27 zwischen dem Kolbenring und der Kolbenringnut frei bleibt.

Infolge des axialen Spielraumes bei der Kolbenringanordnung nach der Erfindung paßt der Kolbenring mit aneinandergelegten Enden in die Zylinderbohrung hinein. Die Notwendigkeit eines großen Spielraumes zwischen den Enden des Ringes entfällt daher. Bei normalen Betriebsverhältnissen werden die Kolbenringenden verhältnismäßig nahe aneinanderliegen, so daß dadurch eine bessere Dichtung und infolgedessen eine bessere Leistung erzielt wird, da das Arbeitsmittel zwischen den Enden des Ringes nicht von einer Kolbenseite zur anderen übertreten kann. Bei hohen Temperaturen können die Enden des Kolbenringes voreinander vorstehen, ohne daß ein Festklemmen

des Kolbenringes an der Zylinderwand ein-. treten könnte.

Der Kolbenring nach der Erfindung ist anwendbar für unrunde oder kegelförmig ausgelaufene Zylinder. Auch in derartigen Zylindern wird eine gute Abdichtung an der Zylinderfläche und an den Seitenflächen der Kolbenringnut erzielt.

Die neue Kolbenringanordnung ist nicht nur ίο für Brennkraftmaschinen mit Tauchkolben, sondern auch für Dampfmaschinen, Luftkompressoren, Flüssigkeits- und Gaspumpen sowie andere Vorrichtungen verwendbar, bei denen Dichtungsringe benutzt werden, ohne daß die besondere Ausbildung des Kolbens dabei von Bedeutung wäre.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Kolbenring für Brennkraftmaschinen ο. dgl., 'bei welchem die Seitenwände der Kolbenringnut mit der Kolbenachse einen spitzen Winkel bilden und die Abschrägung der Seitenwände der Kolbenringnut vom

   as Grunde der Nut aus nach dem Kolbenboden zu verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlitzte Kolbenring (5) mit axialem und radialem Spiel in der Kolbenringnut (4) angeordnet ist und der axiale Abstand zwischen der oberen Seitenfläche (12) des Kolbenringes (5) und der zugehörigen Seitenwand (9) der Kolbenringnut (4) am äußeren Rande der Nut größer ist als an deren innerem Ende.
2. 2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kolbenboden (1) zunächst gelegene obere Seitenfläche (12) des Kolbenringes (5) und die entsprechende Seitenwand (9) der Kolbenringnut (4) eine verhältnismäßig schmale Berührungsfläche aufweisen, die wesentlich kleiner ist als die Berührungsfläche zwischen der andern abgeschrägten Seitenwand (13) des Kolbenringes und der dazugehörigen Seitenwand (10) der Kolbenringnut.
3. 3. Kolbenring nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände der Kolbenringnut und dementsprechend die seitlichen Begrenzungsfiächen des Kolbenringes vom Innern des Kolbens aus nach außen hin divergieren (Fig. 6 und 7).

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen