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Kolbenringlose Abdichtung des Kompressionsraumes von
Hubkolbenmaschinen für gasförmige Medien
Die Erfindung betrifft eine kolbenringlose Abdichtung des Kompressionsraumes von Hubkolbenmaschinen für gasförmige Medien, insbesondere Brennkraftmaschinen oder Verdichtern, bei der die Dichtwirkung durch ein gasförmiges Sperrmedium in einem unterhalb des Kompressionsraumes befindlichen und hiezu koaxial angeordneten Ringraum erfolgt, der von der Zylinderwand und dem Kolbenmantel gebildet ist.
Bei den bekannten Kolbenmaschinen erfolgt die Abdichtung des Kolbens im Zylinder durch Kolbenringe, die jedoch mechanische Verluste durch Reibungsarbeit verursachen. Insbesondere bei hohen Kolbengeschwindigkeiten und höheren Kompressionsdrücken können diese Verluste grosse Werte erlangen. Die grössere Masse des Kolbenbodens, die wegen der Nut zur Aufnahme der Kolbenringe vorhanden sein muss, verursacht Wärmestauungen, die mitunter zu einem Festbrennen der Kolbenringe in ihrer Nut führen, wodurch die Dichtwirkung der Kolbenringe vermindert und die Zylinderwand beschädigt werden kann.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Verwendung der Kolbenringe dadurch zu vermeiden, dass im Arbeitszylinder unabhängig vom Kompressionsraum unter der Gleitfläche des Kolbenmantels an der Zylinderwand ein Kompressionsraum, etwa gleichen oder höheren Druckes als im Arbeitskompressionsraum, vorgesehen ist.
Dieser zusätzliche, als Dichtungsraum dienende Kompressionsraum wird dadurch erzielt, dass in einem stufenförmig abgesetzten Zylinder ein Stufenkolben angeordnet ist. Durch diese Anordnung entsteht zwischen der Zylinderstufe und der Kolbenstufe ein Ringraum, dessen Abmessung in Achsrichtung des Zylinders sich mit der Kolbenbewegung ändert.
Beim Kompressionshub des Kolbens wird bei der erfindungsgemässen Ausbildung der Zylinderwand und des Kolbenmantels nicht nur das Medium im Arbeitsraum zwischen Zylinderdeckel und Kolbenboden, sondern auch das in dem Raum zwischen der Zylinderstufe und der Kolbenstufe befindliche Medium komprimiert. Wird der tote Raum zwischen der Zylinderstufe und der Kolbenmantelstufe im Verhältnis zum Arbeitsraum geringer gewählt, so ist der erzielbare Kompressionsdruck in dem Ringraum grösser als im Arbeitsraum und das Medium im Ringraum drückt somit entlang der Kolbengleitfläche entgegen den vom Arbeitskompressionsraum wirkenden Druck, so dass das Medium aus dem Arbeitsraum nicht entlang des Spalts zwischen Zylinderwand und Kolbenmantel entweichen kann.
Da die Ringfläche des Dichtungsraumes sehr gering ist, ist der notwendige Arbeitsaufwand zur Erzielung der erforderlichen Kompression in diesem Raum gering.
Wird während des Ansaughubes in dem Ringraum zwischen den Absätzen ein Luft-Schmiermittelgemisch angesaugt und ist der Kompressionsdruck in diesem Raum grösser als im Arbeitsraum, dann wird nicht nur der Abfluss des Mediums aus dem Arbeitsraum verhindert, sondern der zusätzliche Vorteil erreicht, dass das Schmiermittelgemisch mit dem Druck der Kompression im Ringraum zwischen die Laufflächen des Kolbens dringt und eine sehr gute Schmierung an der Kolbengleitfläche erzielt.
Ein Nachteil dieser Ausführung, der darin gesehen werden kann, dass der Zylinder und der Kolben axial länger sein müssen, wird durch die gute axiale Führung des Kolbens sowie dem erzielbaren
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Leistungsgewinn aufgewogen.
Der Gegenstand der Erfindung wird an Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, erläutert. Fig. 1 zeigt einen Zylinder eines Viertaktmotors gemäss der Erfindung im Schnitt, Fig. 2 einen Schnitt durch den Zylinder eines Zweitaktmotors. Die Fig. 3 zeigt einen Teil eines Zylinders mit einem einfach wirkenden, als Rückschlagventil ausgebildeten Ansaugeventil im Kanal zum Ringraum im
Schnitt und Fig. 4 einen Schnitt durch einen Zylinder mit einem nockengesteuerten Saugventil im Kanal zum Ringraum.
In dem Zylinder-l-ist eine Zylinderbüchse-2-eingesetzt, deren Innenwand einen
Absatz aufweist. In dieser Zylinderbüchse ist ein Kolben, der eine Stufe besitzt, derart eingesetzt, dass der Kolbenteil mit dem geringeren Durchmesser ausschliesslich in dem Zylinderteil des geringeren
Durchmessers und der Kolbenteil mit dem grösseren Durchmesser in dem Zylinderteil grösseren
Durchmessers axial verschiebbar ist. Über dem Kolben befindet sich der Arbeitskompressionsraum --4-- und durch den Absatz im Zylinder mit der Schulter--14--und der Stufe im Kolben mit der Schulter --15-- ein weiterer Kompressionsraum-5--.
In diesem zusätzlichen
Kompressionsraum mündet eine durch die Zylinderbüchse-2-und den Zylinder-l-gehende
Bohrung--6--, die mit einem einfach wirkenden Steuerorgan, z. B. einem abnehmbaren Steuerkörper (Fig. 3), dessen Ansaugekanal-10-ein Rückschlagventil--7-besitzt, versehen ist. Diese beispielsweise angeführte einfache Einrichtung, die zur Steuerung des Einlasses des Luft-Schmiermittelgemisches allein während des Ansaughubes dient, reicht zur Herstellung eines
Kompressionsdruckes in dem Ringraum zwischen Zylinder- und Kolbenstufe bei Kompressoren, Pumpen und Zweitaktmotoren aus.
Bei Viertakt-Brennkraftmaschinen hingegen ist während des dritten Taktes, das ist während des
Expansionshubes, die zumindest teilweise Aufrechterhaltung des Kompressionsdruckes im zusätzlichen Absatzraum-5-erwünscht. Die Steuerung der Zufuhr des Schmiermittel-Luftgemisches in diesem Absatzraum erfolgt zweckmässig durch eine von der Nockenwelle--13-- (Fig. 4) abgeleitete Ventilsteuerung, wobei die öffnungs- und Schliessbewegungen des Ventils--11--im Ventilbzw. Steuergehäus--12--gering sind. Die Umdrehung der Nockenwelle--13--erfolgt in Übereinstimmung mit der Kurbelwelle.
Die Arbeitsweise des Kolbens im Zylinder ist etwa folgende : mit dem Ansaugen des Gasgemisches im Hauptverdichtungsraum--4--wird gleichzeitig im Ringraum--5--zwischen der Zylinder- und Kolbenstufe vorerst aus dem Kurbelgehäuse und anschliessend nach öffnen des Ventils --11-- ein Luft-Schmiermittelgemisch durch die Bohrung --6-- eingesaugt. während des folgenden Arbeitstaktes, des Kompressionshubes, wird im Hauptverdichtungsraum wie auch im Ringraum das eingeschlossene Gemisch verdichtet. Hiebei ist der Druck des Gemisches im Ringraum jeweils höher als im Arbeitsverdichtungsraum, so dass das im Hauptverdichtungsraum komprimierte Medium nicht durch den Spalt entlang der Kolbenmantel-Zylinderwand entweichen kann.
Ein Entweichen des Mediums aus dem Ringraum wird durch die enge Passung des Kolbenteils --16-- mit dem grösseren Durchmesser im Zylinder verhindert. Diese enge Passung des Kolbenteiles ist wegen der Entfernung dieses Kolbenteiles vom Arbeitskompressionsraum sowie wegen der besseren Kühlung und der dadurch bedingten geringeren thermischen Beanspruchung dieses Teiles zulässig. Mit der Kolbenaufwärtsbewegung wandert, durch den höheren Druck im Ringraum begünstigt, mit dem Kolbenmantel eine Schmiermittelschicht mit.
In Verbindung mit der Bohrung --6-- im Zylinder ist ein Steuerkörper --7-- (Fig. 3) angeordnet, in dessen Ansaugkanal --10-- ein Rückschlagventil vorgesehen ist, das im Ansaughub öffnet und dadurch den Zufluss eines Schmiermittel-Luftgemisches in den Ringraum-5-zulässt.
Bei einer Steuerung des Druckverlaufes im Ringraum gemäss der Fig. 4 wird nach der Kurbeldrehung von etwa 200 vom oberen Totpunkt durch öffnen des Ventils--11--ein Druckabfall erzielt, wodurch eine gute Kühlung des Zylinders und des Kolbens erreicht wird. Nach dem plötzlichen Druckabfall tritt durch die Kolbenbewegung vor Erreichung des unteren Totpunktes ein Ansaugen des Öl-Luftgemisches durch den Kanal--6--ein.
Während des Auspuffhubes wird aus dem Hauptverdichtungsraum das verbrannte Gemisch ausgeschoben und aus dem Ringraum das Schmiermittel-Luftgemisch ausgespült.
Bei einem bewährten Ausführungsbeispiel wird während des Ansaughubes mit der Kurbelstellung von 1020 vom oberen Totpunkt das Ventil --11-- geöffnet und bleibt während des Kompressionshubes bis 350 vom unteren Totpunkt offen. Während des Expansionshubes erfolgt die Öffnung zweckmässig bei einer Kurbelstellung von 20 vom oberen Totpunkt.
Dem Verhältnis der Durchmesser von Kolben und Zylinder oder, anders ausgedrückt, der
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Spaltweite zwischen dem mittig liegenden Kolben und der Zylinderwand, kommt bei dieser ringlosen Kolbendichtung eine erhöhte Bedeutung zu. Sie soll bei Zylinderweiten über 55 mm zwischen dem verjüngten Teil des Stufenkolbens und der Zylinderwand etwa bei 40 bis 50 und zwischen dem Bundteil des Kolbens und der Zylinderwand etwa 30 bis 40 JJ. betragen. Bei Zylinderdurchmessern unter 55 mm liegen die entsprechenden Zahlen bei 25 bis 30 but einerseits und bei 16 bis 20 U anderseits, so dass auch bei warmem Motor noch ein sicheres Gleiten des Kolbens im Zylinder gewährleistet ist.
Die Wärmehaltung des Motors soll bei etwa 1000C liegen und bei Verwendung von Al-Legierungskolben sehr genau eingehalten werden.
Desgleichen werden die Längenmasse von Kolben und Zylinder bei Hochdruckmaschinen (Dieselmaschinen und Verdichtern mit Arbeitsdrücken über 30 atü) grösser als normal gehalten werden müssen (etwa 1, 1 bis 1, 3mal grösser), wogegen die Längenmasse der Kolben und Zylinder bei höheren Kolbengeschwindigkeiten vermindert werden können.
Das radiale Mass des Zylinderabsatzes bzw. der Kolbenstufe soll gering gehalten werden, um Leistungsverluste durch die Kompression in diesem Raum möglichst gering zu halten.
Ein weiterer Vorteil dieser Kolbenabdichtung ist in der guten axialen Führung im Zylinder gelegen, so dass selbst bei langer Betriebsdauer weder der Zylinder noch der Kolben Stellen erhöhter Abnutzung aufweist.