DE2302674C2 - Zylinder-Kolbenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolbenanordnung, insbesondere für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Bewegung eines Kolbens insbesondere eines Brennkraftmaschinenkolbens in dem Zylinder soll der bzw. sollen die in die Ringnut(en) eingelegte(n) Kolbenring^) eine mögliche Seitenbewegung des Kolbens während seines Laufes durch das Radialspiel ausgleichen. Um eine freie Beweglichkeit des Kolbens zu ermöglichen, ist dieser an seinem Umfang aufgeschnitten und so auf den Kolben aufgesetzt, daß er unter Vorspannung an der Zylinderwand anliegt, wobei die Ufer der Schnittstelle unter allen Arbeitsbedingungen einander nicht berühren sollen. Durch das Axial- und das Radialspiel kann sich der Kolbenring während der Hubbewegungen des Knibens relativ frei bewegen und immer an der Zylinderwand anliegen. Während der Kolbenbewegungen wirken Beschleunigungs- bzw. Trägheitskräfte, Reibungskräfte (von der Reibung zwischen Kolbenring und Zylinderwand), Druckkräfte, insbesondere beim Arbeitshub auf den Kolbenring ein, so daß dieser mit einer gewissen Phasenverschiebung der Bewegung des Kolbens folgt.

Um die durch die Bewegung des Kolbenringes bzw. der Kolbenringe in der jeweiligen Ringnut entstehenden Verschleiß- und Dichtprobleme zu vermindern, ist es bekannt (US-PS 35 25 530) ein Hilfsringelement zwischen dem oder jedem Kolbenring und einer seitlichen Nutwand einzulegen, das am Nutboden abdichtend anliegt und die Zylinderwandung nicht berührt; dieses Hilfsringelement wird unter Druckeinfluß teilweise in den Ringraum zwischen Nutboden und Kolbenring geschoben, so daß es diesen gegen die Zylinderwandung andrückt und so seine Anclruckspannung erhönt. Dadurch wird zwar die Abdichtung verbessert, jedoch die freie Beweglichkeit des Kolbenrings in der Ringnut behindert, so daß dieser seitliche Bewegungen des Kolbens nicht mehr ausgleichen kann.

Ferner ist bekannt (US-PS 26 00 310), dem Kolbenring einen etwa L-förmigen Querschnitt so zu geben, daß die breitere Kolbenseite an der Zylinderwandung

ίο anliegt, und in den entstehenden Freiraum zum Nutboden zu zwischen Kolbenring und einer Nutwand wird ein Hilfsringelement eingesetzt, das aus einer Zweifach-Federwendel bestehe Diese Federwendel verleiht nun dem eigentlichen Kolbenring eine Vorspannung in Richtung zur gegenüberliegenden Nutwand. Sie wirkt a'.so als Abstandselement für den Kolbenring; da diese Vorspannungskrafi: am längeren Schenkel des L-förmigen Querschnitts angreift, wird der Kolbenring leicht verdrillt und legt sich dadurch besser an die Zylinderwand an. Diese Verdrillung ändert sich jedoch mit der Anpressung des Kolbenringes gegen die Doppelwendel, und außerdem ist die Beweglichkeit des Kolbenringes in Radialrichtung behindert.

Aus der DE-AS 19 18 690 sind Dichtungsringe aus selbstschmierendem Werkstoff, insbesondere aus PoIytetrafluoräthylen (PTFE) bekannt, die in sich geschlossen sind und eine Metalleinlage in Form eines eingesinterlen, in sich geschlossenen, profilierten und allseitig vom Dichtungsriingwerkstoff umgebenen Metallrings enthalten, wobei Dichtuings- und Einlagering in ihrem Durchmesser se* bemessen sind, daß der Dichtungsring bei Erreichen der Betriebstemperatur die Lauffläche der Zylinderwand mit Minimalspiel berührt, wobei die Profilierung beispielsweise dadurch erreicht wird, daß der Metallring einen T-förmigen Querschnitt aufweist. Dadurch soll dem Dichtungsring eine gewisse Elastizität erteilt werden, die dem selbstschmierenden PTFE-Material fehlt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zylinder-Kolbenanordnung zu scsistfen, bei der die durch die Reibungskraft am Zylinder erzeugte Phasenverschiebung des Kolbenringes gegenüber der durch Trägheitskräfte zu erreichenden Ringlage vermindert und der Kolbenring dadurch befähigt wird, die insbesondere bei Brennkraftmaschinen erwünschte Dicht- und Ventilwirkung zu erfüllen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kolben-Zylinderanordnung nach Anspruch 1. Das als Trägheitsring wirkende Hilfs-Ripgelement kann den Beschleunigungsso bzw. Verzögerungsvorgängen bei dem jeweiligen Kolbenhub besser folgen, da er den Reibungskräften an der Zylinderwand nicht unterworfen ist und auch keinen Form- bzw. Kraftschlmß mit dem zugeordneten Kolbenring aufweist. Das Arbeiten des Kolbenringes in der von den einfachen Kolbenringen her bekannten Weise am frühen Beginn bzw. am späten Ende des jeweiligen Hubes und die radiale Beweglichkeit des Kolbenringes wird nicht oder doch nur wenig behindert, und zugleich wird ein Abdichten in den Zeitabschnitten erreicht, in denen der Kolbenring an seinem »Phasenwechsel« durch die Kombination der auf ihn einwirken= den Kräfte noch gehindert ist Die beim eventuell vorgesehenen ölabstreifring erwünschte Freigabewirkung des angesammelten Öles wird sichergestellt durch das Zusammenwirken zwischen Trägheitsring und dem als Abstreifring ausgebildeten Kolbenring, wobei die an sich bekannte Anordnung des Hilfs-Ringelements mit Abstand von der Zylinderwandung einen zusätzlich

vergrößerten ölsammelraum vor dem Abstreifring ergibt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 verbessert noch die Beweglichkeit des Trägheitsringes am Nutboden. Die Hilfs-Ringelemente können aus metallischen Werkstoffen gefertigt sein, wobei eine Vorspannung zum Kolben, d. h. zum Boden der Kolbennut hin die Abdichtung gewährleistet, es können jedoch auch Hilfs-Ringelemente aus Fluorelastomer bzw. ^uS dem bereits genannten Werkstoff PTFE eingesetzt werden. Wegen der praktisch fehlenden Elastizität des zuletzt genannten Werkstoffes stellt eine Weiterbildung nach Anspruch 3 in diesem Fall die Vorspannung des Hilfs-Ringelements zum Nutboden, d. h. die Abdichtung des Ringes mit dem Kolben sicher, während in beiden Fällen eine vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 4 die erwünschten Trägheitskräfte vergrößert

Die Erfindung erreicht also nicht nur eine Herabminderung des Verschleißes der Kolbenringe und der Kolbennut, sondern verbessert auch die Abdichtung bei der bevorzugten Verwendung in einer Brennkraftmaschine zwischen Verbrennungskammer und iCurbelgehäuse. Der Dichtring wirkt dabei gleichzeitig bereits als ölabstreifring.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführung der Zylinder-Kolbenanordnung mit Trägheitsringen während des ersten Teils des Ansaughubes,

Fig.2 eine weitere Ausführung während des Endes des Ansaughubes,

F i g. 3a eine dritte Ausführung der auf den Abstreifring bezogenen Trägheitsringanordnung während des ersten Teils des Verdichtungs- bzw. Ausstoßhubes,

Fig.3b eine weitere Abwandlung der Abstreifring-Trägheitsringanordnung bei Beginn der zweiten Hälfte des Verdichtungs- bzw. Ausstoßhubes,

Fig.3c eine weitere Abwandlung der Anordnungen aus Fig.3a und 3b während des Endes des Verdichtungs- bzw. Ausstoßhubes und

F i g. 4 eine Abwandlung der zum oberen Kolbenring zugeordneten Trägheitsringanordnung während des Beginns der zweiten Hälfte des Ansaughubes.

In Fig.2 ist ein Brennkraftmaschinenkolben 101 gezeigt, der sich in Richtung des Pfeils FA in einem Zylinder 102 während des ersten Teils des Ansaughubes bewegt. In einer oberen Nut 103 sind ein als Dichtring arbeitender oberer Kolbenring 104 und ein Trägheitsring 105 eingesetzt. In einer darunter befindlichen weiteren Nut 106 sind ein Abstreifring 107 und ein Trägheitsring 108 eingesetzt.

Der Dichtring 104 und der Abstreifring 107 sind auf bekannte Weise ausgebildet. Durch elastische Vorspannung legen sie sich dicht an die Wand des Zylinders 102 an. In üblicher Weise sind beim Dichtring 104 ein Innenspiel 109 und ein Axialspiel 110 und beim Abstreifring 107 ein Innenspiel 113 und ein Axialspiel 114 vorgesehen. Dadurch kann bei der Bewegung des Kolbens in radialer Richtung die Berührung der Ringe mit der Zylinderwand aufrechterhalten werden. Die Trägheitsringe 105 und 108 stehen mit ihren Innenflächen 111 bzw. 115 mit dem Nutboden des Kolbens in Gleitberührung.

Die Trägheitsring: 105 und 108 nach F i g. 1 sind aus einem Metall mit gewisser Elastizität wie Gußstahl, Schmiedestahl oder Bronze gefertigt. Sie sind aufgeschnitten, um das Einsetzen zu ermöglichen, und das Schnittspiel ist so eingestellt, daß es möglichst gering ist, jedoch unter Berücksichtigung der Herstelltoleran^en die Gefahr des Anliegens aneinander bei hoher Temperatur vermieden ist Sie besitzen eine elastische Vorspannung auf den Nutboden hin, und ihre Innenfläche 111 bzw. 115 ist jeweils so ausgebildet, daß die Ringe innerhalb der Grenzen des Axialspiels 110 bzw. 114 auf dem Nutboden im Kolben gleiten können.

ίο In Fig.2 ist eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1 in bezug auf die Ausführung der Trägheitsringe 205 und 208 gezeigt. Es ist die Stellung dargestellt, die während des Endes des Ansaughubes (Pfeil F2) eingenommen wird. Der Trägheitsring 205 besteht aus Metall, wie Gußstahl, Schmiedestahl oder Bronze, ist aufgeschnitten und so elastisch vorgespannt, daß die Schnittflächen einander berühren, so daß ein praktisch starrer Ring entsteht. Die Innenfläche 211 ist mit Spiel zum Nutboden versehen, und in der zwischen dem Trägheitsring und dem Kolben-Nutboden entstehenden ringförmigen Kammer 218 ist >n Dichtring 217 angeordnet. Stau in dem Trägneitsri.;g 705 nach F i g. 2 kann die ringförmige Kammer 218 auch im Kolben, d. h. im Nutboden ausgebildet sein. Der Dichtring 217 kann kreisförmigen Querschnitt besitzen, so daß er in der Kamm?r rollen kann und dadurch das Gleiten des Trägheitsringes 205 auf dem Nutboden erleichtert. Für den Dichtring 217 kann ein elastisches Material, beispielsweise Fluorel.istomer, verwendet werden.

Der andere Trägheitsring 208 beiteht aus einem gegen die Umgebungsbedingungen des Kolbenringes beständigen Kunststoff, beispielsweise Polytetrafluoräthylen (PTFE), der gegebenenfalls mit Füllstoffen wie Bronze, Glas, Graphit, Molybdändisulfid versehen ist.

j5 Zum Erleichtern der Montage ist er gleichfalls aufgeschnitten, und zwar mit einem für seine thermische Ausdehnung ohne Zusammenstoßen der Schnittflächen ausreichendem Schnittspiel, und er wird durch ein elastisches Organ an den Kolbennutboder; angedrückt.

In F i g. 2 besteht das elastische Organ aus einer Schraubenfeder 219.

;n F i g. 3a ist eine weitere Abwandlung bei Beginn des Verdichtungs- bzw. Ausstoßhubes (Pfeil F. 3.1.) dargestellt. Der Trägheitsring 308a besteht aus einem im wesentlichen elastischen Material, so daß er ungeschnitten eingesetzt werden kann und eine ausreichende Vorspannung zum Nutboden hin beibehält, so daß er dicht auf diesem gleitet; er kann beispielsweise aus Fluorelastomer gefertigt sein.

Auch die Trägheitsringe 3086 in F i g. 3b sowie 308c in F i g. 3c bestehen aus einem Kunststoff wie PTFE, entsprechend dem Ring 208 in Fig. 2, jedoch ist das elastische Organ in diesem Falle ein elastischer Merllring, z. B. ein Federstahlring 3196 bzw. 319c, der geschnitten ist und den Trägheitsring 3086 bzw. 308c gegen den Kolben 301 andrückt Den TragVieitsringen aller Figuren gemeinsam ist, wie der Name sagt, eine gewisse Trägheit eigen, da ihre Eigenbewegungen nur von ihrer Reibung auf dem Nu'.boden des Kolbens und ihrer Trägheit bestimmt werden. Falls sie aus Kunststoff gefertigt sind, wie die Trägheitsringe 208,308a, 3086 und 308c, können sie, wie es am Trägheitsring 30Dc durch den metallischen Ballast 321 gezeigt ist, beschwert sein.

Eine Darstellung einer weiteren abgewandelten

h5 Anordnung, in dipsem Falle auf den oberen oder Dichtring 404 im Kolben 401 bezogen, ist während des Beginns der zweiten Hälfte des Ansaughubes (Pfeil FA) in Fig.4 dargestellt. Es ist hier ein Dichtring 404, ein

durch ein elastisches Organ 419 an den Kolben 401 angepreßter Trägheitsring 405 aus Kunststoff und ein Nutboden-Dichtring 422 aus einem verformbaren Werkstoff, beispielsweise Fluorelastomer, vorgesehen.

Die Wirkungsweise der Zylinder-Kolbenanordnung ist folgende: Wenn die kombinierten Druck-, Reibungs- und Trägheitskräfte den Kolbenring an den zugeordneten Trägheitsring andrücken, ist seine Arbeitsweise die gleiche wie bei einem einfach in eine Kolbennut eingesetzten Dichtring, jedoch wird durch den Trägheitsring die Dichtung gegenüber einer Anordnung, die nur einen Kolbenring enthält, verbessert, wenn er aus einem Kunststoff wie PTFE besteht.

Wenn jedoch der Kolbenring so in seiner Nut durch die kombinierten genannten Kräfte bewegt wird, daß er sich nicht an den Trägheitsring anlegt, so folgt dieser, durch seine Trägheit geschoben, dem Kolbenring in seiner Bewegung und schließt dadurch den durch das Kolbenringspiel auf der Nutbodenseite und dem Äxiaispiei des Kolbens vorhandenen Durchgang ab.

Diese Wirkungsweise wird in den wichtigsten Phasen des Brennkraftmaschinenzyklus in den Figuren dargestellt.

Zu Beginn des Ansaughubes (Pfeil F.\ in Fig.]) werden die Kolbenringe und die Trägheitsringe gegen die schiebende Nutseite zur Verbrennungskammer hin gedrückt. Der Durchgang für aufsteigendes Öl durch das Spiel 109 zwischen Dichtring 104 und Nutboden 103 wird auf der Kurbelgehäuseseite (Nutseitenwand 128) durch den mit seiner Innenfläche 111 am Nutboden 103 anliegenden Trägheitsring 105 verschlossen. Der Abstreifring 107 arbeitet in normaler Weise.

Gegen Ende des Ansaughubes (Pfeil F.2 in Fig. 2) werden die Kolbenringe 204 und 207 durch die Trägheitskraft wegen des sich verlangsamenden Kolbens gegen die Kurbelgehäuse-Seitenwände (128 und 129 in Fig. 1) der zugehörigen Nuten gedruckt. Der Durchlaß für aufsteigendes öl durch das Spiel zwischen Abstreifring und der zugeordneten Nut wird auf der Verbrennungskammerseite durch den Trägheitsring 208 verschlossen. Der Dichtring arbeitet in normaler Weise, jedoch ist seine Dichtwirkung erhöht, falls der Trägheitsring aus einem dichtend wirkenden Material wie Kunststoff gefertigt ist.

Während des aufsteigenden Hubes in der Abfolge F i g. 3a, 3b und 3c werden im ersten Teil des Hubes (Pfeil F3.1. in Fig.3a) die Kolbenringe 304 und 307 sowie die Trägheitsringe 305 und 308a an die nun schiebenden Seiten (entsprechend Nutseitenwand 128 und 129 in F i g. 1) des Kolbens 301 angedrückt.

Der Dichtring arbeitet wie ein normaler Dichtring, jedoch ist der bei einem normalen Abstreifring offene Durchgang infolge des Spiels zwischen Abstreifring 307 und Nut durch den Trägheitsring 308a geschlossen, der den Spiel-Raum 314a verschließt. Es ist an der Außenseite dieses Trägheitsringes eine ölaufnahmekammer 320 gebildet, die das durch den Abstreifring von der Zylinderwand abgestreifte öl 323a aufnimmt.

Gelangt der Kolben 301 in die zweite Hälfte seines Hubes (Pfeil F3.2. in F i g. 3b) kehren sich die Trägheitskräfte wegen der Verlangsamung des Kolbens 301 um, jedoch werden zunächst der Dichtring 304 und sein zugeordneter Trägheitsring 305 sowie der Abstreifring 307 weiterhin an der kurbelgehäuseseitigen Nutwand (entsprechend Nutwände 128 und 129 in F i g. 1) durch die Reibung der Kolbenringe an der Wand des Zylinders 302 gehalten. Der dem Abstreifring 307

ίο zugeordnete Trägheitsring 308/> wird jedoch unter Einfluß seiner Trägheit an die verbrennungskammer!· tige Nutwand gedruckt und öffnet über das Spiel 314b. den Nutboden und die öffnung 324 im Kolben einen Durchgang zur Ableitung des angesammelten Öls (323a

π in Fig. 3a)zum Kurbelgehäuse.

Während des Endes dieses Hubes (Pfeil F. 3J. in F i g. 3c) werden beide Kolbenringe 304 und 307 sowie die zugeordneten Trägheitsringe 305 und 308c wieder gegen die verbrennungskammerseitige Nutwand ge druckt, und das Verhalten ist wie bei normalen Kolbenringen.

Es zeigt sich also, daß bei dem Ablauf des Arbeitszyklus eines Viertaktmotors das aufsteigende Öl während des ersten Teils des Ansaughubes (Fig. I) nicht über den Verdichtungsring gelangen kann, da der Trägheitsring diesen Durchgang verschließt. Zum Ende des Ansaughubes (F i g. 2) kann auch kein aufsteigendes öl mehr über den Abstreifring gelangen. Die seitliche Abdic'iiiung der Kolbenringe wird bei Trägheitsringen, die aus einem abdichtungsgünstigen Werkstoff gefertigt sind, verbessert. Der Verschleiß der Kolbenringe und der Nuten wird herabgesetzt, da die Trägheitsringe die Auswirkung dieses Spiels während der für den Verschleiß wichtigen Zeiten beseitigt.

j5 Während der in Fig.4 dargestellten kurzen Zeit zwischen dem in Fi g. 1 dargestellten Anfangs-Ansaughubabschnitt und dem Ansaug-Hubende nach Fig.2 wird der dem Dichtring 404 zugeordnete Trägheitsring 405 wegen der nun eintretenden Verlangsamung der Kolbengeschwindigkeit an die kurbelgehäuseseitige Nutwand angedrückt, während der Verdichtungsring 404 durch seine Reibung an dem Zylinder noch an der verbrennungskammerseitigen Nutwand sitzt Auf diese Weise ergibt das Spiel 425 während kurzer Zeit einen

Durchgang für das aufsteigende Öl zu dem Nutboden unter dem Dichtring 404. Während dieses Zeitabschnitts verschließt dann der zusätzliche Nutboden-Dichtring 422, der denselben Trägheitsgesetzen wie der Trägheitsring 405 unterliegt, den Durchgang des Öls durch das Spiel 425, da er in Berührung mit dem Nutboden und der Innenseite des Dichtrings 404 bleibt Dadurch wird das aufsteigende Öl weiterhin daran gehindert, an dem Dichtring vorbeizutreten. Damit wird der Dichtring mit einer verbesserten Abstreifwirkung für das öl versehen.

5ί und es wird gleichzeitig der Durchgang der Gase von der Verbrennungskammer zum Kurbelgehäuse verringert oder ausgeschlossen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Zylinder-Kolbenanordnung, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit zumindest einer im Kolben vorgesehenen Ringnut, in der ein Kolbenring mit axialem Spiel sowie zwischen diesem Kolbenring und einer seitlichen Nutwand ein Hilfs-Ringelement angeordnet ist, das abdichtend am Nutboden anliegt und einen Abstand von der Zylinderwandung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das als Trägheitsring ausgebildete Hilfs-Ringelement (105, 108; 205, 208; 305, 308a, 3086,308c; 405) zwischen der Arbeitsseite (126,127) des zugeordneten Kolbenringes (104, 107; 204, 207; 304, 307; 404) und der dieser gegenüberliegenden Nutwand (128,129) angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Trägheitsring (205) und dem Nutgrund des Kolbens (201) ein Dichtring (217) eingesetzt ist.

3. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein kreisförmiges elastisches Organ (219; 3196; 319c; 419) vorgesehen ist, welches den Trägheitsring (208; 3086, 308c; 405) an den Kolben (201; 301; 401) anpreßt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Trägheitsring (30Sc) ein Ballastring (321) aus einem Material mit höherem spezifischen Gewicht als das Material des Trägheitsringes eingebettet ist.