DE2166443C2 - Brennkraftmaschinenkolben mit einem Abdichtungsring mit U-Profil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennkraftmaschinenkolben mit einem Abdichtungsring mit U-Profil, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Brennkraftmaschinenkolben ist aus der US-PS 24 14 013 bekannt. Der U-Profil-Dichtungsring umgreift bei diesem Brennkraftmaschinenkolben einen durch eine Ringnut am oberen Kolbenrand gebildeten Steg. Seine Schenkel liegen dabei an den radial verlaufenden Stegflächen klemmend an. Zwischen den Schenkeln, dem Umfangsabschnitt des Dichtungsringes und der axial verlaufenden Stegfläche des Kolbens ist ein Ringraum gebildet. Die Schenkel des Dichtungsringes sind durch einen Umfangsabschnitt zusammengehalten, der mit in Umfangsrichtung verlaufenden Längsschlitzen versehen ist. Diese Längsschlitze verleihen dem Umfangsabschnitt eine Federelastizität, durch die die radial abstehenden Schenkel des Dichtungsringes in fester Anlage an den radial verlaufenden Flächen des Kolbensteges gehalten werden. Mit Ausnahme dieser Längsschlitze im Umfangsabschnitt des Dichtungsringes weist der Ringraum zwischen diesem Umfangsabschnitt und dem Außenumfang des Kolbensteges keinerlei Entlüftungs- oder Dränageöffnungen auf.

Es wurde gefunden, daß beim Betrieb einer mit solchen Kolben ausgestatteten Brennkraftmaschine sich im Bereich des Dichtungsringes an der Zylinderwand Brennstoff ansammelt, der in Spaltbereiche hineingedrückt wird, die überall dort entstehen, wo der Dichtungsring nicht satt und eng an den Stegflächen des Kolbenkopfes anliegt. Wenn der Kolben sich im Zylinder während des Kompressionshubes nach oben bewegt, kann ferner Brennstoff an der Zylinderwandung kondensieren und wird in die genannten Spaltbereiche hineingedrückt.

Wegen des geringen Volumens kann in diesen Spaltbereichen keine Verbrennung stattfinden, so daß der dort angesammelte Kraftstoff nicht oder nur unvollständig verbrennt. Dies führt zur Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, die ganz erheblich zur Luftverschmutzung beitragen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Brennkraftmaschinenkolben der genannten Art zu schaffen, bei dem an der Zylinderwand kondensierter Brennstoff, der während des Kompressionshubs in den Kolbenbereich gelangt, noch im Dichtungsringabschnitt so abgeführt werden kann, daß dadurch die Abgasemissionswerte nicht nachteilig beeinflußt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenkolben können kondensierte Brennstoffanteile oder auch Verunreinigungen aus dem zwar sehr schmalen, aber doch stets vorhandenen Spalt zwischen dem Dichtungsring des Kolbens und der Zylinderwand zunächst in einen innerhalb des Dichtungsringes liegenden Ringraum und dann von dort unter Umgehung des unteren Ringwulstes axial nach unten abgeführt werden.
Aus der US-PS 25 54 289 ist bereits ein Kolbenring mit an seinem Außenumfang vorgesehenen, den Durchmesser vergrößernden Wülsten bekannt. Jedoch hat dieser Kolbenring weder ein U-Profil, noch wird durch ihn eine Ableitung angesammelter Brennstoffreste erreicht.
Auch aus der DE-PS 7 00 300 ist ein Kolbenring bekannt, dessen Außenumfang so gestaltet ist, daß er nur bereichsweise an der Zylinderwand anliegt. Auch bei diesem Kolbenring ist jedoch keinerlei Dränagemöglichkeit des Kolbenringbereiches vorgesehen, so daß an der Zylinderwand kondensierender Brennstoff und andere Ablagerungen im Bereich des Dichtungsringes verbleiben und beim Ausstoß die Abgase belasten.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenkolben verhindert die Ausgestaltung des Dichtungsringes nicht nur die Bildung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, sondern vermindert auch das Durchblasen sowie die Abscheidung von Kohlenstoff.

Es ist vorteilhaft, die Oberseite des am oberen Kolbenrand gebildeten Steges gegenüber der Kolbenoberseite durch eine an dieser ausgebildete Umfangsaussparung zurückzuversetzen. Um die Wirkungsweise des Dichtungsringes weiterhin zu verbessern, ist es günstig, zwischen dem Innenumfang dieses Dichtungsringes und dem Steg einen Expanderring anzuordnen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform; und

Fig. 3 eine Schnittansicht längs Linie III-III in Fig. 2. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenkolbens 10 mit einem Dichtungsring 70, der einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist. Der Dichtungsring 70 weist einen oberen radialen Schenkel 71 und einen unteren radialen Schenkel 72 auf. Diese beiden Schenkel werden durch einen äußeren Umfangsstegabschnitt 73 im Abstand von einander gehalten. Der Kolben 10 weist eine radial sich erstreckende Ringnut 74 auf, die in axialem Abstand von der Oberseite 20 des Kopfes des Kolbens 10 angeordnet

ist. Eine Umfangsaussparung 75 erstreckt sich um die Oberseite des Kolbenkopfes herum. Die Umfangsaussparung 75 weist eine axiale Wandung 76 auf, die eine Länge hat, die etwa gleich der Breite des radialen Schenkels 71 des Dichtungsringes 70 ist. Eine radiale Wandung 77 der Aussparung 75 erstreckt sich von der axialen Wandung 76 nach außen bis zu einer axialen Wandung 78, die einen äußeren Durchmesser hat, der geringer ist als der äußere Durchmesser 79 des Hauptabschnittes des Kolbenkopfes. Die Wandung 78 erstreckt sich von der Wandung 77 der Aussparung 75 bis zur Ringnut 74. Ein Steg 80 wird durch die radiale Wandung 77, die axiale Wandung 78 und die Ringnut 74 gebildet. Dieser Steg 80 weist eine axiale Länge auf, die im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den radialen Schenkeln 71 und 72 des Dichtungsringes 70 ist, so daß dieser auf dem Steg 80 sitzen kann. Der Steg 80 wirkt als ein Abschnitt eines Paßsitzes, und das offene Profil des Dichtungsringes 70 wirkt als anderer Abschnitt des Paßsitzes.

Eine Expanderfeder 81, die als Wellenfeder dargestellt ist, ist zwischen der axialen Wandung 78 und dem inneren Umfang des Umfangsstegabschnittes 73 des Dichtungsringes 70 angeordnet, um den äußeren Umfang des Dichtungsringes in Dichtungsanlage gegen die Wandung 22 der Zylinderbohrung zu drücken. Da der Dichtungsring 70 am Steg 80 sitzt, liegt die untere Wandung 82 des Schenkels 71 in Dichtungsanlage gegen die radiale Wandung 77 der Aussparung 75 an und verbleibt in dieser Lage während des Betriebes der Brennkraftmaschine. Der Raum hinter dem Dichtungsring 70 steht deshalb nicht mit der Brennkammer in Verbindung, und es kann kein Brennstoffdampf in diesen Ring eindringen. Der Dichtungsring 70 weist im Betrieb eine minimale Reibung auf, da die Brenngase lediglich gegen den Schenkel 71 des Ringes wirken.

Um zu verhindern, daß sich ein Druck hinter dem inneren Umfang des Dichtungsringes 70 infolge eines Durchleckens an der Dichtung zwischen dem Schenkel 71 und der Wandung 77 aufbaut, ist eine Entlüftung 85 vorgesehen, um den Raum mit der Niederdruckseite unterhalb des Dichtungsringes 70 zu verbinden.

Um ferner die Reibung zu vermindern, und um die Wirkung der Gase gegen den Dichtungsring 70 abzugleichen, sind Dichtungswülste 86 größeren Durchmessers am äußeren Umfang des Umfangsstegabschnittes 73 vorgesehen. Die Wülste 86 können, wie bei 87 gezeigt, mit einem harten verschließfesten Material beschichtet sein.

Die Wülste 86 sind vorzugsweise in axialem Abstand voneinander angeordnet und verlaufen entweder kontinuierlich um den Umfang herum oder in Form von Segmenten. In den Fällen, in denen die Wülste kontinuierlich um den Umfang herumlaufen, ist zur Verhinderung eines Druckaufbaues im Raum 88 zwischen den Wülsten eine Entlüftung 89 vorgesehen, um den Raum 88 in den Raum hinter dem inneren Umfang des Steges hinein zu entlüften. Gase können deshalb aus diesem Raum durch

;i- die Entlüftung 85 hindurch austreten.

F i g. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des in Fig. 1 dargestellten Dichtungsringes. Der Steg 80 ist wie bei 91 und 92 dargestellt, am oberen und unteren Umfang abgeschrägt, um den Kontaktbereich zwischen

Γ) dem Steg und den Schenkeln 71 und 72 des Dichtungsringes 70 zu vermindern. Dadurch wird ein größeres radiales Ansprechen des Dichtungsringes 70 erzielt, während gleichzeitig die Dichtungsanlage zwischen dem Schenkel 71 und der radialen Wandung 77 der Ausspa-

■?i> rung 75 aufrechterhalten wird. Die Abschrägungen 91 und 92 dienen ferner zur leichteren Isolation des Ringes.

In den Fällen, in denen die Zylinderbohrung 11 mit

einer Abschrägung versehen ist, wie es bei 93 gezeigt ist, kann der obere Wulst 94 axial nach unten versetzt wer-

-'■) den, und zwar in eine solche Stellung, daß dieser Wulst frei von der Abschrägung 93 ist, wenn sich der Kopf des Kolbens 10 am oberen Totpunkt seines Hubes befindet. Der untere Wulst 94 kann an irgendeiner Stelle unterhalb des oberen Wulstes 94 angeordnet sein, und zwar an

•io einer solchen Stelle, daß der Abgleich des Dichtungsringes bei seiner Anlage gegen die Wandung 22 der Zylinderbohrung 11 in bestmöglicher Weise erfolgen kann.

Der Dichtungsring kann ein gegossener Ring oder ein zu einem U-Profil gewalzter Ring sein. Die verminderte

s> Dicke des Dichtungsringes verglichen mit Standard-Kompressionsringen ermöglicht ein besseres Ansprechen des Dichtungsringes auf die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine. Wegen der großen Temperaturen, die an der Oberseite des Kolbens auftreten, werden nor-

^4|i male Kompressionsringe außerordentlich stark abgenutzt. Aus diesem Grund sind die erfindungsgemäßen Ringe vorzugsweise mittels eines Flammensprühverfahrens mit Molybdän oder ähnlichen Metallen beschichtet. Die Dichtungsringe können auch mittels eines Plasma-

⁴> Strahlverfahrens mit hitzebeständigen Metallegierungen beschichtet sein, wie es in der US-Patentanmeldung Serial No. 9 96 645 beschrieben wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschinenkolben mit einem Abdichtungsring mit U-Profil, der einen durch eine Ringnut am oberen Kolbenrand gebildeten Steg umgreift und dabei mit seinen Schenkeln den radial verlaufenden Stegflächen klemmend anliegt, wobei Teile der Schenkel zusammen mit dem Umfangsabschnitt des Dichtungsringes und der axial verlaufenden Stegfläche einen Ringraum bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsabschnitt (73) des Dichtungsringes (70) auf seiner Außenseite mehrere, seinen Durchmesser vergrößernde ringförmige Wülste (86, 94) aufweist, daß wenigstens eine Öffnung (89) des Dichtungsringes den Ringraum zwischen den Wulsten (86, 94) mit dem Ringraum verbindet, der zwischen dem Dichtungsring (70) und dem Kolbensteg (80) liegt, und daß dieser Ringraum durch wenigstens eine Öffnung (85) des Dichtungsringes (70) mit dem axial darunter liegenden Ringraum zwischen Zylinder- und Kolbenwand verbunden ist.

2. Brennkraftmaschinenkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang der Wülste (86, 94) des Dichtungsringes (70) mit einer hitzebeständigen Metallegierung (87) beschichtet ist.

3. Brennkraftmaschinenkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wülste (86, 94) des Dichtungsringes (70) in Umfangsrichtung in Segmente unterteilt sind.