DK172822B1 - Stempelring til et stempel i en forbrændingsmotor - Google Patents

Description

i DK 172822 B1

Opfindelsen angår en stempelring til et stempel i en forbrændingsmotor, navnlig en totakts, længdeskyllet krydshovedmotor, hvor stemplet i sin periferiflade har flere aksialt adskilte ringnoter, hver med en øvre og 5 en nedre notside samt en notbund, og hvor stempelringen er indsat i ringnoten for at tætne arbejdskammeret over øverste stempelring nedadtil i løbet af stemplets kompressions- og arbejdsslag, hvilken stempelring har en aksial højde, der er mindre end den aksiale afstand 10 mellem den øvre og den nedre notside i den tilhørende ringnot, så stempelringen kan bevæges sig aksialt i ringnoten, samt har en i det væsentlige gastæt ringdeling, der tillader udvidelse af ringens diameter ved monteringen i ringnoten, samt har flere over ringens 15 omkreds fordelte lækagespor.

En sådan stempelring kendes fra W094/12815, hvor lækagesporene er noter i ringens anlægsflade mod cylindervæggen, dvs. noterne forløber fra oversiden til undersiden af ringen.

20 Der kendes også stempelringe med en radial gennem skæring ved ringdelingen, hvor trykfaldet over ringen styres ved hjælp af bredden af den skråt forløbende radiale gennemskæring, kaldet ringgabet. I moderne totakts krydshovedmotorer er forbrændingstrykket højt, 25 hvilket giver store gashastigheder ned gennem ringgabet med medfølgende kraftig lokal opvarmning af den underliggende stempelring og af cylinderforingens inderside.

Da stempelringene roterer i ringnoterne, kan den underliggende stempelring blive ramt så mange steder af 30 den lokale overopvarmning, at den mister sin forspænding, hvorefter den ikke opretholder det fornødne tætnende anlæg mod foringens inderside. Efter et sådant kollaps af ring nr. 2 øges gasstrømmen gennem ringgabet i topringen, fordi hulrummet ned til ring nr. 3 skal 35 tryksættes for at opnå en mindre trykdifferens over DK 172822 B1 2 topringen. Dette øger varmebelastningen på topringen i området omkring ringgabet og giver risiko for kollaps af denne.

Den fra W094/12815 kendte stempeltopring løser 5 dette problem ved hjælp af en kontrolleret gaslækage fordelt på flere mindre lækagenoter. Disse lækagenoter indebærer dog også ulemper, især ved stempelringe, der I både termisk og spændingsmæssigt er højt belastede, dels fordi materialet omkring lækagenoterne bliver meget j 10 varmt, dels fordi noterne giver anledning til spændings koncentrationer i et spændingsmæssigt højt belastet ; område af ringen.

: Fra US patent 1 988 727 kendes en gastæt stempel- ring, der helt udfylder den tilhørende ringnot i 15 højderetningen. Da denne stempelring ikke bevæges aksialt i forhold til ringnoten i løbet af hver motorcyklus, er den uegnet til anvendelse i de moderne højtydende motorer, hvor ringløftningen i ringsporet er påkrævet for at undgå tilkoksning og fastlåsning af 20 stempelringen. Stempelringen i USA patentet er udført med et stort antal recesser og udsparinger i alle ringsider i et forsøg på at undgå fastlåsning af ringen.

I ringundersiden er hovedparten af anlægsarealet mod den nedre notside fjernet, og der er to radialvendte lækage-25 åbninger med kvadratisk tværsnit. Stempelringen er meget kompliceret at fremstille.

Fra US patent 1 365 348 kendes en anden stempel-ring, der også helt udfylder den tilhørende ringnot i højderetningen. For at undgå en gas- og olieakkumulering 3 0 i ringnoten bag ved ringen, er ringen udformet med plane over- og undersider for at slutte tættere til ringnotens øvre og nedre side samt med radialtgående spor i sin underside for at bortlede eventuelle små mængder indsivende gas og olie fra ringens bagside. Dermed 35 undgås en trykopbygning bag ved ringen.

Ϊ ~ * DK 172822 B1 3 I moderne motorer er det som nævnt væsentligt, at stempelringen kan bevæge sig aksialt i ringnoten, så der forekommer en ringløftning i ringnoten i hver motorcyklus. En sådan ring ligger an mod den nedre notside 5 i løbet af arbejdsslaget, hvor trykket i forbrændingskammeret er højt. Ringrummet bag ved stempelringen er således åbent ud mod cylinderforingen, hvorfor der ikke er behov for anvendelse af de radialgående spor kendt fra nævnte US patent for at modvirke en trykakkumulering 10 bag ved stempelringen.

Fra tysk patent 3 9 24 982 kendes en stempelring med et ringgab ved ringdelingen og med radialgående noter i ringoversiden. Det angives, at en sådan ringudformning ikke er fordelagtig ved højtbelastede stempelringe som 15 følge af spændingskoncentrationerne omkring noterne, og det foretrækkes derfor at udføre noterne i ringnotens øvre notside. Trykdifferensen over stempelringen mindskes ved gasstrømning gennem ringgabet. De radialgående noter tjener til hurtig trykudligning over stempel-20 ringene, når ringundersidens tætnende anlæg mod den nedre notside brydes ved ringløftningen i ringnoten.

Japansk patentskrift 2-48737 beskriver en stempelring med plan over- og underside og et stempel med ringnoter, hvor der for styring af trykfaldet over 25 stempelringene er lavet gasstrømningspassager i stempelmaterialet mellem ringnoterne. Disse passager er vanskelige at fremstille. Det angives, at ringene dimensioneres med lækager, der giver ens trykfald over alle ringene. Dette indebærer, at der enten anvendes så 3 0 små lækagemængder, at trykdifferencen over hver ring kun bliver lidt mindre, så der ikke opnås nævneværdig slidmindskende virkning, eller at volumenstrømmen af lækagegas er meget stor for at opbygge tryk i rummene mellem de nederste stempelringe, hvilket øger motorens DK 172822 B1 4 specifikke brændselsforbrug, fordi en mærkbar del af gassen i arbejdskammeret undviger.

Den foreliggende opfindelse har til formål at anvise en stempelring med forbedrede driftsegenskaber i 5 for motoren såvel som for ringen selv og for cylinder- : foringen.

I Med henblik herpå er stempelringen ifølge op findelsen ejendommelig ved, at lækagesporene er udformet i den til anlæg mod den nedre notside bestemte ring-10 underside og er spalteformede med en i ringens omkreds-retning vendende spaltebredde, der i det mindste er adskillelige gange større end den i aksialretningen forløbende spaltehøjde.

Placeringen af lækagesporene i ringundersiden 15 indebærer flere fordele. Først og fremmest hindres lækagegassen i at ramme direkte ned oven på den underliggende ring, og spændingskoncentrationerne bliver væsentligt mindre i materialet ved ringens yderperiferi, der er højt belastet af trækspændinger og dermed følsom 20 over for udmattelsesbrud. Den radialt udstrømmende lækagegas rammer cylinderforingens inderside, men da stempelringens bevægelse i forhold til denne inderside er langt større end i forhold til den underliggende stempelring, er risikoen for materialeskader væsentlig 25 mindre end ved ovennævnte stempeltopring med aksialt-gående lækagespor. Der opnås også den fordel, at lækagearealet er upåvirket af ringsliddet på ringens ydre periferiflade.

Lækagesporenes spalteformede facon er væsentlig for 30 opnåelsen af gode driftsegenskaber. Ved strømningen I gennem de spalteformede spor bremses gasstrømningen af friktionen mellem den viskøse gas og de brede relativt nærtliggende vægflader på henholdsvis ringen og ringnotens nedre notside, hvorved gassen afgiver en kontrol-35 leret energimængde til materialet omkring sporet, der

i ij , I

! li f a* i* DK 172822 B1 5 opvarmes af den afgivne energi. Gassen har typisk en temperatur beliggende i intervallet 800-1800°C, og sporenes spalteformede facon kan nedsætte den højeste gashastighed i sporet såpas meget, at sporvæggenes 5 temperatur bringes op i nærheden af eller over 500°C, også i de tilfælde, hvor volumenet af lækagegas er beskedent. Ved disse høje temperaturer kan forbrændingsrestprodukter ikke afsættes på sporvæggene og forkokse.

Det er ikke nødvendigt, at de høje materialetemperaturer 10 opnås vedvarende, når blot de opnås en gang imellem, idet eventuel fastsiddende koks i sporene vil løsnes, når temperaturen bringes op på omkring 500°C.

Det foretrækkes, at spaltehøjden er mindre end 1 mm, idet tværsnitsarealet af hvert lækagespor bliver for 15 stort ved større højder. Særligt fordelagtige gasstrømnings- og temperaturforhold kan opnås med spaltehøjder beliggende i intervallet 0,35-0,55 mm, idet de nærtliggende brede sporvægge også modtager energi fra gasstrømningen ved sporets midte og begrænser dennes 20 hastighed. Samtidig kan der opnås stort set ensartede strømningsforhold over hele sporbredden. Den fordelagtige lille spaltehøjde nødvendiggør også anvendelsen af flere spor for opnåelse af det samme tværsnitsareal af lækagesporene, og derved fordeles den totale varmeaf-25 sætning i ringen i løbet af en motorcyklus mere jævnt.

I en foretrukken udførelsesform er ringhøjden mindst 8 gange større end spaltehøjden, hvilket giver ringen stor materialetykkelse oven over lækagesporet, så ringmaterialet fordeler energien modtaget fra gassen 30 over et større område. Derved sikres, at temperaturen ved ringens overside er passende lavere end den høje temperatur på lækagesporets overflade.

Temperaturen i ringmaterialet oven over ringsporet kan også begrænses ved, at bredden af spalten er højst 35 20 gange større end spaltens største højde, idet en del DK 172822 B1 6 af varmen vil brede sig ud i omkredsretningen til det materiale, der ligger ved siden af ringsporet.

Det foretrækkes, at det diametralt modsat ringdelingen beliggende ringområde er friholdt for lækage-5 spor, idet de mekaniske spændinger er størst i dette område. Ved at friholde området for lækagespor undgås en yderligere belastning som følge af spændingskoncentrationer og termiske belastninger.

En vis fordeling af varmebelastningen på ringen j 10 opnås, når den har mindst 4 lækagespor. Der opnås dog en mere hensigtsmæssig varmefordeling, når stempelringen har mindst 6 lækagespor i ringundersiden. Udover varmefordelingen kan der ved fastlæggelsen af det mest hensigtsmæssige sporantal også tages hensyn til andre 15 forhold, såsom risikoen for koksafsættelser i ringrummet mellem ringens bagside og notbunden. Lækagegassen vil strømme ned forbi flere af stempelringene på stemplet, og den skal herved bevæge sig i stemplets omkredsretning for at strømme fra lækagesporene i en stempelring frem 20 til lækagesporene i den underliggende stempelring.

Gassen kan trække olierester og restprodukter fra forbrændingen med sig, og risikoen for afsættelse af restmaterialer, der kan forkokse, bliver større jo længere gassen skal strømme. Af hensyn til modvirkning 25 af koksafsættelser i ringrummet bag stempelringen foretrækkes derfor, at stempelringen har fra 8 til 16 lækagespor i sin underside. Den største strømningsvej i omkredsretningen mellem to stempelringe svarer omtrent til halvdelen af ringens periferilængde divideret med 30 antallet af lækagespor, hvis gassen strømmer hen til det nærmeste hosliggende lækagespor i den efterfølgende ring. Heraf ses, at større sporantal mindsker strømningsvejen, men samtidig øges fremstillingsomkostningerne, fordi der i ringen skal indarbejdes flere spor.

' I

i '1 DK 172822 B1 7 Lækagesporene kan med fordel være jævnt fordelte over ringens omkreds, evt. undtaget i området modsat ringdelingen, for at opnå ensartede driftsforhold.

Det samlede tværsnitsareal Atot af lækagesporene 5 kan hensigtsmæssigt være beliggende i intervallet fra 2 2 D /68000 til D /5000, hvor D er cylinderdiameteren i mm, og Atot er arealet i mm . Hvis arealet bliver mindre end D^/68000 bliver mindskningen af differenstrykket over stempelringen for beskedent til, at ringsliddet mindskes 10 væsentligt. Den øvre arealgrænse på D /5000 angiver et passende kompromis mellem en væsentlig mindskning af ringsliddet og en ikke for kraftig forværring af forbrændingsbetingelserne og dermed det specifikke brændselsforbrug. I det angivne interval kan opnås en 15 fordelagtig lang ringlevetid kombineret med gode driftsforhold for motoren som helhed. Arealet kan vælges større end den angivne øvre arealgrænse, men det må ikke vælges så stort, at trykket under stempelringene undviger så hurtigt umiddelbart efter åbningen af 20 udstødsventilen, at stempelringene ikke kan løftes op i ringsporet.

I særligt hårdt belastede stempelringe kan spændingskoncentrationerne omkring lækagesporene mindskes ved udformning af sporene på hensigtsmæssig måde. I en 25 spændingsmæssigt meget gunstig udførelsesform er oversiden af lækagesporet i tværsnit sammensat af mindst tre cirkelbuestykker, hvoraf de to yderste har centrum beliggende over ringundersiden og et mellemliggende har centrum beliggende under ringundersiden.

30 Et eksempel på en udførelsesform for opfindelsen forklares herefter nærmere med henvisning til den meget skematiske tegning, hvor fig. 1 i udsnit viser et tværsnit gennem stempel-ringe ifølge opfindelsen anbragt i ringspor i et stempel 35 anbragt i en cylinder, DK 172822 B1 8 fig. 2 i større skala et perspektivbillede af stempelringen i området omkring ringdelingen, fig. 3 et ovenfra set planbillede af en stempelring ifølge opfindelsen, 5 fig. 4 i større skala et udsnit af stempelringen ' i fig. 3 i området omkring et lækagespor, fig. 5 et sidebillede af ringudsnittet i fig. 4, fig. 6 i større skala et tværsnit af en stempelring indsat i en ringnot, og 10 fig. 7 et tværsnit gennem et lækagespor med en spændingsmæssigt fordelagtig facon.

I fig. 1 ses et stempel 1 monteret i en cylinderforing 2. Stemplet har flere aksialt adskilte rundt-gående ringnoter 3, der som vist i fig. 6 hver har en 15 øvre notside 4, en nedre notside 5 og en notbund 6.

Stempelringe 7 er indsat i ringnoterne for at hindre gastrykket i arbejdskammeret 8 over stemplet i at udbrede sig til rummet under stemplet. Stempelringen har en stort set gastæt ringdeling 9, som gør det muligt at 20 udvide ringdiameteren ved montagen i ringnoten 3 samt tillader, at ringens to ender ved delingen trækker sig bort fra hinanden efterhånden som ringen slides.

Et eksempel på udformningen af en ringdeling 9 ses i fig. 2, hvor gasstrømninger gennem delingen stort set 2 5 er hindret. Ringnotens ydre rand er antydet ved de stiplede linier 10. Ringens yderside 11 ligger an mod indersiden af cylinderforingen 2. Ved ringdelingen har den ene ende af ringen en udragende tap 12, der passerer ind i en modsvarende recess 13 i ringens anden ende. I 30 radialretningen er tappen 12 smallere end ringen 7, og ved indersiden af ringen er recessen 13 begrænset af en . i aksialtgående væg, der ligger an mod tappens inderside.

? j Tappen 12's højde er desuden mindre end ringhøjden, og ! recessen 13 er opadtil begrænset af en radialt udragende 35 væg, der ligger an mod tappens overside. Da tappen 12's DK 172822 B1 9 tværsnit udfylder tværsnittet af recessen 13, opnås en tilnærmelsesvis gastæt lukning af ringdelingen. Det er velkendt at udforme ringdelingen på andre gastætte måder.

5 Stempelringen 7 har flere lækagespor 14 i sin underside 15. I eksemplet vist i fig. 3 har ringen ti lækagespor 14, der er jævnt fordelte over ringens omkreds på en sådan måde, at de to lækagespor, der ligger diametralt modsat ringdelingen 9 er placeret 10 symmetrisk om den diameter 16, der går gennem ringdelingen, så ringens højest belastede område 17 ved denne diameter ligger mellem de to lækagespor. Hvis stempelringen alternativt laves med et ulige antal spor kan det være nødvendigt, at afstanden mellem de to 15 lækagespor ved området 17 er større end mellem de øvrige lækagespor.

Som tydeligst vist i fig. 4 står lækagesporene 14's længdeakse i en vinkel a i forhold til ringens radial-retning, så den udstrømmende lækagegas påvirker stempel-20 ringen med en kraft i omkredsretningen, hvilket får ringen til at rotere i ringsporet. Vinklen a kan eksempelvis ligge i intervallet 20-70“ og er i det viste eksempel 30°.

I fig. 5 ses stempelringen set udefra med lækage-25 sporet 14's udadvendende ende tegnet i fuld streg og den indadvendende ende i punkteret streg. Stempelringen har en højde på 6,5 mm, og lækagesporet har en højde på h 0,5 mm og en bredde på 5 mm. I tværsnit er bunden 18 af lækagesporet tilnærmelsesvist retliniet, og hver af 30 sporets sider er S-formet og sammensat af to cirkelbuestykker, hvoraf det yderste har en radius R på 2 mm med centrum over ringundersiden 15 og tangentialt forløb over i denne, mens det inderste har en radius på 2 mm med centrum beliggende under ringundersiden 15 og 35 tangentialt forløb over i lækagesporets bund 18 til den DK 172822 B1 10 ene side og over i den yderste cirkelbuestykke til den anden side. Det er naturligvis muligt at udforme lækagesporet med firkantet tværsnit, men dette giver større spændingskoncentrationer ved sporets hjørner. I ! 5 den i fig. 7 viste alternative udformning har også i lækagesporets bund 18 cirkelbueformet tværsnit med s forholdsvis stor krumningsradius og centrum herfor ’ beliggende under ringundersiden 15.

I tværsnittet vist i fig. 6 ligger stempelringens s 10 underside 15 an mod den nedre notside 5, og lækagesporet 14 ses at skabe gasstrømningsforbindelse mellem et rundtgående ringrum 19 mellem stempelringens inderside 20 og notbunden 6 og et under stempelringen beliggende ringrum 21 mellem indersiden af cylinderforingen 2 og 15 stemplet l's yderside. Da stempelringens overside 22 ligger et stykke under den øvre notside 4, kan gassen strømme fra et over stempelringen beliggende ringrum mellem indersiden af cylinderforingen 2 og stemplets yderside via hulrummet over stempelringen, ringrummet 20 19, lækagesporene 14 og ned i ringrummet 21, så dette tryksættes, og differenstrykket over stempelringen mindskes.

Lækagearealerne i stempelringene kan variere fra ring til ring, og den underste stempelring har naturlig-25 vis intet lækageareal, idet den danner den nederste tætning mod rummet under stemplet.

Når stempelringen er anbragt i ringnoten 3 og stemplet 1 er indsat i cylinderf or ingen 2, er ringdiameteren mindre end i ringens ubelastede tilstand, og 30 der er trækspændinger i ringmaterialet nær ydersiden 11 og trykspændinger i materialet nær indersiden 20. Ringspændingerne holder derfor ringens yderside li i anlæg mod cylinderforingens inderside.

Stempelringen ifølge opfindelsen er anvendelig til 35 forbrændingsmotorer af både totakts- og firtaktstypen, 1 i ! DK 172822 B1 11 men den er specielt fordelagtig ved store totakts krydshovedmotorer med længdeskylning, dvs. med skylle-luftporte i cylinderforingens nedre parti og en udstødsventil i cylinderdækslet. Sådanne motorer kan 5 eksempelvis have cylinderdiametre beliggende i intervallet 250-1000 mm, og slaglængder beliggende i intervallet 900-2400 mm, og de kan drives med meget høje middeltryk beliggende i intervallet 10-19 bar, hvilket giver store belastninger på stempelringene. I disse 10 motorer giver stempelringen ifølge opfindelsen mulighed for opnåelse af lang levetid af stempelringe og cylinderforing trods den høje belastning på ringene.

Claims (9)

1. Stempelring (7) til et stempel (1) i en forbrændingsmotor, navnlig en totakts, længdeskyllet krydsho- ! vedmotor, hvor stemplet i sin periferiflade har flere 5 aksialt adskilte ringnoter (3), hver med en ovre og en j nedre notside (4, 5) samt en notbund (6), og hvor stempelringen er indsat i ringnoten for at tætne arbejdskammeret (8) over øverste stempelring nedadtil i løbet af stemplets kompressions- og arbejdsslag, 10 hvilken stempelring (7) har en aksial højde, der er mindre end den aksiale afstand mellem den øvre og den nedre notside i den tilhørende ringnot, så stempelringen kan bevæges sig aksialt i ringnoten, samt har en i det væsentlige gastæt ringdeling (9) , der tillader udvidelse 15 af ringens diameter ved monteringen i ringnoten, samt har flere over ringens omkreds fordelte lækagespor, kendetegnet ved, at lækagesporene (14) er udformet i den til anlæg mod den nedre notside (5) bestemte ringunderside (15) og er spalteformede med en 20 i ringens omkredsretning vendende spaltebredde, der i det mindste er adskillelige gange større end den i aksialretningen forløbende spaltehøjde (h).

2. Stempelring ifølge krav 1, kendetegnet ved, at spaltehøjden (h) er mindre end l mm, for- 25 trinsvis beliggende i intervallet 0,35 - 0,55 mm.

3. Stempelring ifølge krav 2, kendetegnet ved, at ringhøjden er mindst 8 gange større end spaltehøjden (h).

4. Stempelring ifølge et af kravene 1 - 3, k e n -30 detegnet ved, at bredden af spalten er højst 20 gange større end spaltens største højde (h) .

5. Stempelring ifølge et af kravene 1 - 4, k e n -detegnet ved, at det diametralt modsat ring- * ; j delingen beliggende ringområde (17) er friholdt for 35 lækagespor (14). m j: DK 172822 B1

6. Stempelring ifølge et af kravene 1 - 5, k e n -detegnet ved, at ringundersiden (15) har mindst 4, fortrinsvis mindst 6, og hensigtsmæssigt fra 8 til 16 lækagespor (14).

7. Stempelring ifølge krav 6, kendeteg net ved, at lækagesporene (14) er jævnt fordelte over ringens (7) omkreds.

8. Stempelring ifølge et af kravene 1 - 7, k e n -detegnet ved, at det samlede tværsnitsareal Atot 10 af lækagesporene (14) er beliggende i intervallet fra D /68000 til D /5000, hvor D er cylinderdiameteren i mm, 2 og ACot er arealet i mm .

9. Stempelring ifølge et af kravene 1 - 8, k e n -detegnet ved, at oversiden af lækagesporet (14) 15. tværsnit er sammensat af mindst tre cirkelbuestykker, hvoraf de to yderste har centrum beliggende over ringundersiden (15) og et mellemliggende har centrum beliggende under ringundersiden (15).