DE102008008983B4

DE102008008983B4 - Kolbenring mit Sperrstoß

Info

Publication number: DE102008008983B4
Application number: DE102008008983.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gimsa Andreas
Original assignee: Enerlyt Technik GmbH
Current assignee: Enerlyt Technik GmbH
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2015-11-19
Anticipated expiration: 2028-02-14
Also published as: DE102008008983A1

Abstract

Beidseitig gasdichter Kolbenring bestehend aus mindestens einem Ringsegment bei dem die sich gegenüber liegenden Segment-Enden so beschaffen sind, dass ein Ende als Gleitgabel (A) und das andere Ende als T-Profil (B) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Gleitaussparung der Breite (a) des Gabel-Endes (A) eine äußerer Einschnürung der Breite (b) besitzt, und der innere Gleitzapfen der Breite (b') des T-Profil-Endes (B) eine äußere Verdickung der Breite (a') besitzt, dass Zapfen und Einschnürung passgenau auch bei Vergrößerung des Zylinderdurchmessers ineinander gleiten können bis bei einem bestimmten Zylinderdurchmesser die Ringsperrung eintritt, indem die Verdickung des Gleitzapfens am T-Profil-Ende (B) sich soweit in der inneren Gleitfläche (2) bewegt hat, bis sie an die Einschnürung der Gleitaussparung am Gabelende (A) gerät.

Description

Stand der Technik
Kolbenringe sind in den verschiedensten Ausführungsformen hinlänglich bekannt. Die Stöße können unterschiedlich ausgebildet sein. So gibt es bspw. gerade, schräge, überlappte und gasdichte Stöße. Kolbenringe mit beidseitig gasdichten Stößen, wie sie bspw. in der Erfindung DE 10 2007 034 418 A1 beschrieben sind, haben den Nachteil, dass sie im Laufe der Betriebszeit, je nach Gleitpaarung, mehr oder weniger verschleißen. Obwohl mit ihnen eine flexible Anpassung an einen während des Betriebes veränderlichen Zylinderdurchmesser möglich ist, wie sie bspw. auch in der Erfindung DE 10 2007 053 873 A1 beschrieben ist, mindert der Verschleiß die Lebensdauer der Ringe. Dieser Nachteil wird mit vorliegender Erfindung überwunden.
Aufbau
Bei Motoren, insbesondere der Heißgasbauart, tritt das Problem auf, dass sich der Zylinderdurchmesser durch thermische Ausdehnung während des Betriebes vergrößert. Da die Kolbenringe der i. d. R. trocken laufenden Systeme andere Ausdehnungskoeffizienten haben als die Zylinderwand, kommt es zu Undichtigkeiten.
Bislang wurde kein Kolbenring beschrieben, der beidseitig gasdicht ist und der bei einem bestimmten Betriebspunkt sperrt. Das heißt, sein Durchmesser sollte sich nicht weiter vergrößern können, sondern mit der Sperrung dem des Zylinderdurchmessers entsprechen. Anschließend wäre die Reibung bei fortbestehender Dichtigkeit, vergleichbar mit der eines geschlossenen Ringes, deutlich reduziert.
Der erfindungsgemäße beidseitig gasdichte Kolbenring besteht aus mindestens einem Ringsegment bei dem die sich gegenüber liegenden Segment-Enden so beschaffen sind, dass ein Ende als Gleitgabel (A) und das andere Ende als T-Profil (B) ausgebildet ist. Dabei besitzt die innere Gleitaussparung der Breite (a) des Gabel-Endes (A) eine äußerer Einschnürung der Breite (b), und der innere Gleitzapfen der Breite (b') des T-Profil-Endes (B) besitzt eine äußere Verdickung der Breite (a'). Dadurch können Zapfen und Einschnürung passgenau auch bei Vergrößerung des Zylinderdurchmessers solange ineinander gleiten bis bei einem bestimmten Zylinderdurchmesser die Ringsperrung eintritt. Die beiden Enden zur Kolbenabdichtung (A) und (B) können mit ihren Gleitflächen (1), (2), (3) mit (1'), (2') (3') in radialer Richtung ineinander gleiten.
Dieser beidseitig gasdichte Kolbenring besitzt wegen der Materialpaarungen zum optimalen Gleiten vorzugsweise einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) als der Zylinder in dem er läuft (bspw. Bornitrid in Edelstahl). Weil sich der Zylinder während des Betriebes mit erhöhter Temperatur mehr ausdehnt als die Ringe, ist es sinnvoll, dass der äußere Krümmungsradius (r_Ring) seiner Segmente im Einbauzustand geringfügig größer als der innere Krümmungsradius (r_Zyl) des Zylinders ist. Der Krümmungsradius kann recherisch so eingestellt werden, dass der äußere Krümmungsradius seiner Segmente bei Betriebstemperatur dem inneren Krümmungsradius des Zylinders entspricht.
Die Segment-Enden der Ringe können hinsichtlich ihrer möglichen Gleitwege so bemessen sein, dass sie beim Hochfahren der Maschine gleitend abdichten und genau bei Betriebstemperatur die Sperrung eintritt. Die Verdickung des Gleitzapfens vom T-Profil-Ende gerät dabei demzufolge bis an die Einschnürung der Aussparung des Gabel-Endes bei Übereinstimmung von Kolbenringsaußen- und Zylinderinnendurchmesser. Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Kolbenring wird ein Übermaß des Durchmessers im Einbauzustand vorgesehen, dass zum Einlaufen der Kolbenringe die Sperrung bei Betriebstemperatur noch nicht gleich einsetzt, jedoch nach dem Einlaufen der Ringe eintritt. Die beidseitig gasdichten Kolbenringe lassen sich vorzugsweise aus 3 Ringsegmenten fertigen, wobei das erste Segment 2 Gabel-Enden, das zweite 2 T-Profil-Enden und das dritte 1 Gabel- und 1 T-Profil-Ende besitzt. Auf diese Weise lassen sich die Ringe besonders vorteilhaft von außen in die Kolbenringnut von Kolben oder Kolbenstange einbringen. Der Kolbenring kann grundsätzlich aus mindestens 2 Segmenten bestehen wobei sich die Länge der Segmente voneinander unterscheiden können. Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung sind die Länge (x) von Aussparung und Zapfen gleich oder annähernd gleich groß.
Sinnvoll ist auch eine Anordnung bei der die Länge (y) der Aussparung der Länge (y) des Zapfens entspricht und gleichzeitig die Länge (z) der Aussparung der Länge (z) des Zapfens entspricht oder sich die Längen (x), (y) und (z) jeweils von Aussparung und Zapfen voneinander unterscheiden. Wenn keine Gleitbahnen benötigt werden, kann die Länge (y) der Aussparung der Länge (z) des Zapfens und die Länge (z) der Aussparung der Länge (y) des Zapfens entsprechen und der Kolbenring damit wie ein geschlossener Ring arbeiten. Das ist besonders dann von Vorteil, wenn eine einfache Montierbarkeit am Kolben gewährleistet werden soll und der Ring von Anfang an, wie ein geschlossener Ring wirken soll. Wegen seiner thermischen Abdichtung und der hervorragenden Verschleißeigenschaften ist der beidseitig gasdichte Kolbenring in der entsprechenden Stückzahl für die Expansions- oder Kompressionskolben eines 4-Zyklen-Motors nach WO 2007/019815 A1 besonders geeignet. Geeignete Materialien für die Ringsegmente sind Bornitrid oder einer Bornitrid-Legierung, Koks, Graphit, gebranntes Kohlenstoffmaterial, graphitiertes Kohlenstoffmaterial aus Rußkoks, graphitierter Rußkoks, eine Kombination dieser Werkstoffe, oder weiterer Legierungswerkstoffe.
Vorteile
Die besonderen Vorteile der beschriebenen Kolbenringe sind bei beidseitiger Gasdichtheit, die Reibungsarmut und damit hohe Lebensdauer sowie eine leichte Montierbarkeit von Mehrsegment-Ringen.
Bezugszeichenliste

A: Gleit-Gabel-Ende des Kolbenringsegmentes (KRS)
B: Gleit-T-Profil-Ende des KRS
P1: 1. Druckrichtung des KRS
P2: 2. Druckrichtung des KRS
1: Untere Gleitfläche am Gabel-Ende des KRS
1': Untere Gleitfläche am T-Profil-Ende des KRS
2: Innere Gleitfläche der Gleitaussparung am Gabel-Ende des KRS
2': Äußere Gleitfläche des Gleitzapfens am T-Profil-Ende des KRS
3: Äußere Gleitfläche der Gleitaussparung am Gabel-Ende des KRS
3': Innere Gleitfläche des Gleitzapfens am T-Profil-Ende des KRS
a: Breite der inneren Gleitaussparung des Gabel-Endes des KRS
a': Breite des äußeren Gleitzapfens des T-Profil-Endes des KRS
b: Breite der äußeren Gleitaussparung des Gabel-Endes des KRS
b': Breite des inneren Gleitzapfens des T-Profil-Endes des KRS
x: Länge eines KRS-Endes x = y + z
y: Länge von 2 und Länge von 3'
z: Länge von 3 und Länge von 2'

Claims

Beidseitig gasdichter Kolbenring bestehend aus mindestens einem Ringsegment bei dem die sich gegenüber liegenden Segment-Enden so beschaffen sind, dass ein Ende als Gleitgabel (A) und das andere Ende als T-Profil (B) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Gleitaussparung der Breite (a) des Gabel-Endes (A) eine äußerer Einschnürung der Breite (b) besitzt, und der innere Gleitzapfen der Breite (b') des T-Profil-Endes (B) eine äußere Verdickung der Breite (a') besitzt, dass Zapfen und Einschnürung passgenau auch bei Vergrößerung des Zylinderdurchmessers ineinander gleiten können bis bei einem bestimmten Zylinderdurchmesser die Ringsperrung eintritt, indem die Verdickung des Gleitzapfens am T-Profil-Ende (B) sich soweit in der inneren Gleitfläche (2) bewegt hat, bis sie an die Einschnürung der Gleitaussparung am Gabelende (A) gerät.
Beidseitig gasdichter Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als der Zylinder in dem er läuft.
Beidseitig gasdichter Kolbenring nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Krümmungsradius seiner Segmente im Einbauzustand geringfügig größer als der innere Krümmungsradius des Zylinders ist. Beidseitig gasdichter Kolbenring nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Krümmungsradius seiner Segmente bei Betriebstemperatur dem inneren Krümmungsradius des Zylinders entspricht.
Beidseitig gasdichter Kolbenring nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass seine Segment-Enden hinsichtlich ihrer möglichen Gleitwege so bemessen sind, dass sie beim Hochfahren der Maschine gleitend abdichten und genau bei Betriebstemperatur die Sperrung eintritt.
Beidseitig gasdichter Kolbenring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einlaufen der Kolbenringe diese ein Übermaß im Durchmesser besitzen, dass die Sperrung bei Betriebstemperatur noch nicht gleich einsetzt, jedoch nach dem Einlaufen der Ringe eintritt.
Beidseitig gasdichter Kolbenring nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er aus 3 Ringsegmenten besteht von denen das erste 2 Gabel-Enden, das zweite 2 T-Profil-Enden und das dritte 1 Gabel- und 1 T-Profil-Ende besitzt.
Beidseitig gasdichter Kolbenring nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er aus mindestens 2 Segmenten besteht und sich die Länge der Segmente voneinander unterscheiden.