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Die Erfindung betrifft eine fremd-oder setbstgezündete Hubkotbenbrennkraftmaschme mit mindestens einem Brennraum, der mindestens einen ventilgesteuerten Einlass aufweist. und mindestens einem als Stufenkolben ausgebildeten Kolben, dessen Teil mit dem grösseren Querschnitt den Kolbenboden bildet, unter dessen Ringfläche die Ladung vorverdichtet wird. und dessen Teil mit dem kleineren Querschnitt die Kolbenstange bildet, wobei das Kolbenbolzenlager ohne Absatz im Kolbenstangendurchmesser In der Kolbenstange integriert Ist und wobei die Kolbenstange in ihrer gesamten Länge in einem Führungszylinder läuft und die Führung des oberen Pleuellagers übernimmt, entsprechend Patentanspruch 1.
Die DE 566 735 C beschreibt eine Viertakt-Dieselmaschine der eingangs erwähnten Art, bei der die Unterseite des Stufenkolbens zur Verdichtung einer Zusatzladung verwendet wird, welche dann über Einströmkanäle in den Arbeitszylinder gelangt, wobei der Stufenkolben als einteiliger Vollkörper ausgeführt ist.
Bel dieser Ausführung weist der Stufenkolben keinerlei Möglichkeit zur Schmierstoff- oder Kühlmittelzu- fuhr auf. Zusätzlich Ist durch die Überströmöffnungen in der Zylinderwand ein geschlossener Schmierstoffkreislauf ausgeschlossen, sodass die Ladung zusätzlich mit Schmiermittel belastet wird.
In der US 1 606 479 A ist eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine beschrieben, deren Stufenkolben während des Kompressionstaktes auf seinem Weg zum oberen Totpunkt auf der Kolbenunterseite Luft in einen durch die Kolbenstange abgeschlossenen Raum einsaugt, welche während des Arbeitstakte verdichtet wird und am Ende des Arbeitstakte über Einströmöffnungen in den Arbeitszylinder gelangt und das Austreiben der verbrannten Ladung unterstützt, in analoger Weise wird die Ladung durch vorkompnmlertes Frischgas, weiches aus dem Raum unter dem Kolbenboden über die Einströmöffnungen in den Arbe ! tszy- linder gelangt, erhöht.
Auch bel dieser Ausführung weist der Stufenkolben keinerlei Möglichkeit zur Schmierstoff-oder Kühlmittelzufuhr auf, und wie oben ist durch die Überströmöffnungen In der Zylinderwand ein geschlossener Schmierstoffkreislauf ausgeschlossen, womit die Ladung zusätzlich mit Schmiermittel belastet wird.
Ein aus Zweitakt-Brennkraftmaschme mit vorgeschaltetem Verdichter und nachgeschalteter Gasturbine bestehender Maschinensatz mit Kolbenkühlung, bei welchem eine Verbindung zwischen Verdichter und Gasturbine in der Nähe des oberen Totpunktes eines Tauchkolbens über vom Kolbenmantel gesteuerte Kühlkanäle im Kolben besteht, welcher dann Im oberen Totpunkt von Gas durchströmt wird, Ist In der DE 564 170 C beschrieben.
Abgesehen davon, dass es sich hier um einen Tauchkolben handelt, ist auch hier eine Möglichkeit zur Schmierstoff- oder Kühlmittelzufuhr in einem geschlossenen Kreislauf weder vorgesehen noch möglich, da die hier vorgesehene Kühlung Öffnungen in der Zylinderwand vorausetzt.
Ziel der Erfindung ist es, unter Vermeidung der erwähnten Nachteile einen Stufenkolben mit möglichst hoher Belastbarkeit bel verhältnismässig geringem Bauaufwand zur Verfügung zu stellen
Weiters ist es Ziel der Erfindung einen Kolben zur Verfügung zu stellen, mit dem ein Zweitaktmotor möglich wird, bel dem der Ölkreislauf vollständig getrennt vom Brennstoff- und Ladungskreislauf ISt, sodass die Abgaseigenschaften eines Viertaktmotors erreicht werden können.
Die Erfindung besteht darin, dass der Kolben auf einfache Weise aus zwei oder mehreren Teilen, welche z. B. durch Pressung Ineinandergefügt werden, gebaut werden kann. So kann z. B. der Kolbenboden mit dem Kolbenstangeninnenteil aus hochtemperaturfestem Material mit hoher Festigkeit bestehen, wodurch hohe Temperaturen im Brennraum und grosse Kraftübertragung über die Kolbenstange ermöglicht werden.
Dagegen können der Aussenteil des Kolbenmantels und der Kolbenstange aus einer Leichtmetallegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer Dichte gefertigt sein. Durch diese Kombination ergibt sich ein Kolben mit hoher thermischer Belastbarkeit bel dennoch geringem Gewicht, ohne dass dadurch der Bauaufwand wesentlich erhöht wird.
Hinsichtlich des Bauaufwandes für den Kolben bietet die hier beschnebene Konstruktionsart des Kolbens zusätzlich den Vorteil, dass die Teile, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, rotationssysmmetrisch gefertigt werden können, weil der Abstand zum Bolzenlager sehr gross Ist und der Kolben In diesem Bereich keine radialen Kräfte aufnehmen muss. Im Lagerbereich der Kolbenstange, wo die Führungskräfte auftreten, ist dagegen die thermische Belastung und damit die Wärmedehnung so viel gennger, dass hier ein Ovalschliff nicht erforderlich ist, Im Gegensatz zu Tauchkolben, die wegen des Bolzenauges Im Schaft und der hohen radialen Führungskräfte jedenfalls einen Ovalschliff erforderlich machen.
Selbst wenn-bei zweiteiliger Bauweise des Kolbens - das Aufeinanderpressen der beiden Kolbentetie mitgerechnet wird, ergibt sich für die rotationssymmetrischen Teile noch ein geringer Aufwand als bei Ovalschliff.
Weiters besteht die Erfindung dann, dass die Schmierung der Kolbenringe über eine Ölströmung Im Kolbeninneren erfolgt, sodass keinerlei Gemischschmierung erforderlich ist. Voraussetzung dazu ist, dass der Ladungswechsel nicht über Öffnungen in den Zylinderwänden im Arbeitsbereich des Kolbens erfolgt (diese würden eine Verbindung zum Ölkreislauf öffnen), sondern z. b. über den Zylinderkopf Dabei wirkt die
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Ölströmung zusätzlich als Kühlung für den Kolbenboden, oder es kann parallel zu der Ölströmung im Kolbeninneren ein Kühlmittelkreislauf zum Wärmeabtransport eingesetzt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung, den abhängigen Patentansprüchen und der Zeichnung zu entnehmen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemässen Stufenkolben dargestellt.
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1 zeigtFig. 2, und Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 111-111 in Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine dargestellt, in der ein Stufenkolben in einem Arbeitszylinder aufund abbewegbar geführt ist, wobei das Lager des Kolbenbolzens (11) ohne Absatz in der Kolbenstange (2 + 3) integriert ist. Dadurch kann die Kolbenstange (2 + 3) in ihrer gesamten Länge in einem Führungszy- linder (13) geführt werden und ersetzt so das Kreuzkopflager. Für die seitlichen Bewegungen des Pleuels (12) und für die Montage des Kolbenbolzens (11) sind im Führugszylinder (13) Ausnehmungen (27) bzw.
(28) vorgesehen.
Wegen des integrierten Bolzenlagers muss der Durchmesser der Kolbenstange relativ gross gewählt werden weshalb sie zur Reduktion der Kolbenmasse zweckmässigerweise innen hohl ausgeführt werden kann.
Zusätzlich lässt sich der gesamte Kolben aus einem Innenteil (1) und einem Aussenteil (2), welche konzentrisch angeordnet sind und einen mit einem Fluid zur Kühlung und Schmierung, vorzugsweise Motoröl, gefüllten oder von ihm durchströmten Raum (4) umschliessen, aufbauen. Die Zufuhr des Fluids kann über Bohrungen (5) bzw. (6) im Pleuel (12) und im Kolbenbolzen (11) erfolgen, der Abfluss erfolgt dann an der höchsten Stelle des Fluidgefüllten Raumes (4) zur Innenseite des hohlen Kolbeninnenteiles (2). Die Schmierung der Kolbenringe (9) erfolgt dann über Bohrungen (7) zu einem Ölabstreifring (10). Die Kühlung des Kolbens erfolgt zum einen Teil über den Wärmekontakt der Kolbenringe (9) bzw.
(10) mit dem Arbeitszylinder (25) und des Kolbenstaugen-Aussenteils (3) mit dem Kolbenstangen-Führungszylinder (13), zum anderen Teil über die Fluid-Strömung durch den Fluid-gefüllten Raum (4).
Der Transport der vorverdichteten Ladung aus dem Vorverdichtungsraum (14) erfolgt über ein oder mehrere Ventile (18), eine Ladeleitung (19), welche sinnvollerwelse mit einem Ladegaskühler (20) ausgestattet sein kann, und ein Einlassventil (21) in den Arbeitsraum des Motors. Ansaugventil (17) und Druckventil (18) sind in Fig. 1 der Einfachheit halber als selbsttätige Ventile eingezeichnet, können aber natürlich auch durch z. B. Nockenwellen betätigt werden.
Die Bauhöhe des In Fig. 1 prinzipiell dargestellten Motors erscheint gegenüber der eines hubraumgleichen Tauchkolbenmotors auf den ersten Blick um ca. 3/4 eines Hubes vergrössert. Durch das kompaktere Kolbenbolzenlager (d. h. weniger Bauhöhe unterhalb des Bolzens) und die grosse Führungslänge der Kolbenstange mit damit verbunden vergleichsweise geringem Flächendruck und geringer Kippung kann aber das Pleuelverhältnis vom für Tauchkolben üblichen Wert von ca. 1 : 3, 5 reduziert werden bis auf ca.
1 : 2, 5, womit die Bauhöhe letzten Endes etwa der eines hubraumgleichen Tauchkolbenmotors entspricht. Berücksichtigt man die Erhöhung des Liefergrades durch die Vorverdichtung auf der Unterseite, dann ergibt sich für leistungsgleiche Motoren eine Verringerung sowohl der Baugrösse als auch des Gewichts gegen- über der Tauchkolbenbauweise.