Arbeitszylinder mit Rohrsteuerschieber für Brennkraftmaschinen. Die Erfindung betrifft einen Arbeits zylinder mit Rohrsteuerschieber für Brenn- kraftmaschinen, insbesondere Zweitaktbrenn- kraftmaschinen, bei dem im Zylinder Steuer schlitze angeordnet sind, wobei mindestens ein Teil dieser Steuerschlitze vom Rohr steuerschieber gesteuert wird.
Die Erfindung besteht darin, dass in kal tem Zustand die Zylinderlauffläche und die längs derselben gleitende äussere Schieber lauffläche am im Betriebe wärmeren Schie ber- und Zylinderende einen kleineren Durch messer aufweisen als am in Betriebe kälteren Schieber- und Zylinderende.
Die Zeichnung stellt Ausführungsbei spiele des Erfindungsgegenstandes dar. Die Fig. I zeigt das erste Beispiel in einem Längsschnitt in kaltem Zustand; Fig. II zeigt dieses Beispiel in gleichem Schnitt in warmem Zustand; Fig. III zeigt das zweite Beispiel in einem Längsschnitt in kaltem Zustand, und Fig. IV zeigt dieses Beispiel in gleichem Schnitt in warmem Zustand; die Fig. V bis XI zeigen je einen Längs schnitt von weiteren Beispielen in betriebs warmem Zustand.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. I ist 1 der mit dem Kühlmittel direkt in Be rührung stehende und die Auspuffkanäle a und die Spülkanäle b enthaltende Zylinder. Die Auspuffkanäle a weisen die äussere Steuerkante a und die innere Kante au auf.
2 ist der mit dem Zylinder fest verbun- dene Zylinderdeckel mit Dichtungsringteil e und Dichtungsringen e'. 3 ist der hin- und Hergehende,
die Kolbengleitbahn und das Steuerorgan bildende und die Verbrennungs drücke ganz oder teilweise aufnehmende Rohrsteuerschieber mit seiner äussersten Steuerkante 30 und den Steuerschlitzen b' mit der äussern Steuerkante b'o. 4 ist der hin- und hergehende Arbeitskolben mit dem Dichtungsteil c, den Dichtungsringen c', dem Ölabstreifring c" und dem Führungsteil d.
Sowohl die Auspuff- wie die Spülkanäle a und b und die entsprechenden Rohrsteuer schieberschlitze b' sind am ganzen Zylinder und Rohrsteuerschieberumfang vollkommen oder nahezu gleichmässig verteilt.
Die Fig. I zeigt den Rohrsteuerschieber 3 in seinem obern Totpunkt. Die gestrichel ten Linien zeigen ihn im untern Totpunkt. Der Auspuff der Verbrennungsgase erfolgt am äussern Ende, das demgemäss im Betriebe heisser ist als das andere Ende und der Ein tritt der Spül- und Ladeluft oder des Lade gemisches erfolgt am innern und im Betriebe kühlem Ende. In dem Bereiche zwischen der Steuerkante a und der Steuerkante 3 er folgt die Abdichtung des Arbeitsraumes gegen die Auspuffschlitze a. Im Abdich tungsbereich gleitet die Schieberfläche D3 über die Zylinderfläche D1. Die eine Ab dichtungsfläche bildende Zylinderfläche D1 beginnt bei a und endet bei Da1. Die die zugehörige Abdichtungsfläche bildende Schie berfläche D3 beginnt bei 3 und endet bei Du3.
Die Fläche Dl wird durch die Punkte a , Da1, die Fläche D3 durch die Punkte 3 und Du3 begrenzt. Die Zylinderlauffläche und die im Zylinder gleitende Schieberlauf fläche weisen in kaltem, also im Nicht betriebszustand, am im Betriebe wärmeren Schieber- und Zylinderende (in Fig. I am obern Ende) einen um die Beträge s1 und s3 kleineren Durchmesser auf, als am im Be triebe kälteren Zylinder- und Schieberende. Der Übergang vom kleineren zum grösseren Durchmesser erfolgt durch die sanfte koni sche Erweiterung K1 im Zylinder und die sanfte konische Erweiterung K3 im Schieber, die beide im Bereiche des Arbeitsraumes lie gen. Die Erweiterung K1 des Zylinders be ginnt bei der untern Schlitzkante au also in der Nähe der Abdichtungsfläche D1 des Zy linders.
Die Erweiterung K3 des Schiebers beginnt etwas innerhalb des Punktes Du3 gegenüber der Schlitzkante au, also in der Nähe der Abdichtungsfläche D3 des Schie bers. Der innerhalb der Spülkanäle b lie gende, ins Kurbelgehäuse hineinragende Teil des Zylinders, und der bei in der äussern Totpunktlage befindliehem Rohrsteuerschie- ber innerhalb der Spülkanäle liegende Teil des Schiebers sind zylindrisch. Dem zufolge sind die von diesen Teilen gebildeten, übereinander gleitenden Laufflächenteile der kühleren Enden des Zylinders und des Schie bers ausserhalb des Bereiches des Arbeits raumes zylindrisch.
Ebenso ist in kaltem Zustand zylindrisch die Abdichtungsfläche D3, welche Fläche über die Dauer der Höchst drücke im Verbrennungsraum ziemlich gleich mässig erhitzt wird.
Die Fig. II zeigt nun denselben Zylinder in betriebswarmem Zustand. Die Temperatur des mit Wasser gekühlten Zylinders ober- und unterhalb der Auspuffkanäle beträgt an den Stellen Tê1 und T 1 zirka 140 C, wäh rend sie am innern Zylinderende bei T41, wo die Spül- und Ladeluft oder das Ladegemisch eintritt, nur zirka 60 C beträgt. Die Erwei terungen K1 des Zylinders und K3 des Schie bers sind zufolge der höheren Temperafn- am äussern Zylinder= und Schieberende ver schwunden und der Schieber weist gegenüber dem Zylinder das konstante Laufspiel s auf.
das sowohl wie die Masse s, und s., übertrie- ben gross gezeichnet ist. Bei einer Zylinder bohrung von 164 mm und einer Sehieber- wandstärke von zirka 2 mm beträgt in kal tem Zustand das Mass s, bei dem unter Voll- last-Temperatur vollkommen zylindrischen Zylinder zirka 0,226 mm, während das Mass s" infolge der Temperatur von 70 o C am innern Schieberende an der Stelle T".;
und der um zirka 90 o C höheren Temperatur des Rohrsteuerschiebers am äussern Ende an der Stelle T% zirka 0,247 mm beträgt, wenn auch der Rohrsteuersehieber bei Vollast voll kommen zylindrisch sein soll. Bei der Aus führungsform gemäss Fig. III, IV erfolgt im Betrieb der Austritt der Verbrennungs gase am innern und kühleren Zylinderende, während der Eintritt der Spül- und Ladeluft oder des Ladegemisches am äussern Zylinder ende erfolgt.
Dadurch wird ein gewisser Ausgleich der Temperaturdifferenzen er reicht, da die äussere ohnehin schon heissere Partie des Zylinders und des Rohrsteuer- Schiebers durch die eintretende Spül- und Ladeluft oder durch das Ladegemisch stark gekühlt und die innere kühle Partie des Zy linders und des Rohrsteuerschiebers durch die austretenden Verbrennungsgase stark ge heizt wird. Die absoluten Grössen von s1 und s sind daher hier viel kleiner als im Bei spiel gemäss Fig. I. Trotzdem erfolgt hier der Übergang vom kleineren zum grösseren Durchmesser durch zwei verschiedene sich aneinander reihende, konische Teile Ku des Schiebers und K1 des Zylinders. Die Fig. IV zeigt den Zylinder nach Fig. III in betriebs warmem Zustand.
Der Durchmesser des Schiebers ist in kaltem Zustand im Bereiche seiner äussern Steuerkante 3 hier sogar etwas grösser als der Durchmesser des Schie bers direkt im Bereiche des Verbrennungs raumes, da die Steuerkante 3 von der ein tretenden Spül- und Ladeluft, respektive von dem Ladegemisch intensiv gekühlt wird.
Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Zylinders in den auftreten den Betriebstemperaturbereichen angenähert gleich, vorzugsweise etwas grösser ist als der jenige des Rohrsteuerschiebers, können die in Fig. I bis IV dargestellten, aussen spannenden, üblichen Richtungsringe e' im Zylinderkopf vollständig weggelassen werden, falls die Schieberwandstärke und die Passung der ein ander überdeckenden Abdichtungsflächen D1 und D3 zum Zwecke der selbständigen Ab dichtung des Arbeitsraumes derart gewählt wird, dass diese Flächen mindestens zufolge eines innern Überdruckes während der Ver dichtung und Expansion elastisch gegenein ander gepresst werden.
Die Fig. V zeigt in betriebswarmem Zu stand den äussersten Teil eines Arbeitszylin ders im Längsschnitt mit den Einlassschlit zen b und der äussern Steuerkante b und der Abdichtungsfläche D1, sowie dem Steuer schieber 3 mit Abdichtungsfläche D3 und der äussern Steuerkante 30. Hier sind die aussen spannenden, in Fig. I, II, III und IV er sichtlichen, üblichen Dichtungsringe e' weg gelassen und die Schieberwandstärke und Passung der zum Zwecke der Abdichtung des Arbeitsraumes einander überdeckenden Abdichtungsflächen D1 und D3 sind derart gewählt, dass die Flächen D1 und D3 min destens bei innerem Überdruck während der Verdichtung und Expansion elastisch gegen einander gepresst werden.
Die Dichtungs fläche Dl erstreckt sich von der äussern Steuerkante b im Zylinder bis zum Punkte D 1, der der Schieberoberkante 3 in der äussern Schiebertotlage gegenüberliegt, und die Dichtungsfläche D;, erstreckt sich von der äussern Steuerkante<B>30</B> am Schieber bis un gefähr zum Punkte Du;.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwi schen den Abdichtungsflächen D, und D;, in betriebswarmem Zustand noch ein Lauf spiel von maximal 0,01 mm vorhanden. Das Abdichten und Anliegen der Abdichtungs fläche D3 an die Abdichtungsfläche<I>D,</I> erfolgt unter dem innern Überdruck im Arbeitsraum unmittelbar nach Beginn der Kompression. Damit dieses Anliegen schon bei kleinem inneren Überdruck eintritt, ist das äussere abdichtende Schieberende, das bei<B>30</B> be ginnt und bei Du, endet, auf der Innenseite bei A auf kleinste federnde Wandstärke ab gedreht.
Damit der Rohrsteuerschieber leicht läuft, weist er innerhalb der Abdichtungs fläche im Betriebszustand ein Laufspiel von zirka 0,05 mm auf. Um einen Schmieröl übertritt in die Steuerschlitze zu unterbinden, beginnt dieses Laufspiel, wie in Fig. V er sichtlich, erst unterhalb der Steuerschlitze. Der Übergang von einem Spiel zum andern erfolgt durch den konischen Teil K'. Die konischen Teile K' verschwinden also auch bei warmer Maschine nicht. Die gestrichelten Linien in derselben Figur zeigen die Steuer teile des Schiebers im untern Totpunkt.
Die strichpunktierten Linien dieser Figur und der folgenden Figuren zeigen andere Ausfüh rungsarten der Zylinder- und Schieberflächen. Ein Klemmen oder Fressen wird auch bei raschestem und stärkstem Belastungswechsel der Maschine nicht eintreten, da zwischen den elastisch gegeneinander gepressten und durch einen Ölschleier von kaum einigen 1/looo mm voneinander getrennten laufenden Abdich- tungsflächen sich eine Temperaturdifferenz von höchstens 10' C einstellt.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. VI unterscheidet sich von dem gemäss Fig. V nur durch die Form des äussern abdichtenden Schieberendes. Dieses ist auf seiner Innen seite bei A konisch statt zylindrisch aus gedreht.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. VII ist nahe dem äussern Arbeitsraum ende der Auslass a mit der äussern Steuer kante a angeordnet.
Bei dieser Ausführungsform wird die Ausdrehung A der Wandstärke des die Ab dichtungsfläche D3 bildenden Teils auf ein geringeres Mass nicht über die Steuerkante 3 hinaus, sondern nur um zirka eine Rohr schieberwandstärke an dieses heran ausge führt, so dass die Steuerkante 3 selbst einen Verstärkungswulst V dieser dünnen, radial federnden Endfläche bildet. Der Verstär kungswulst V verhindert einerseits ein Zu heisswerden des dünnen, federnden Teils und ein örtliches Verbrennen des Ölschleiers durch die darüber hinwegstreichenden hocherhitzten Auspuffgase und anderseits ein zu starkes Hineinspringen der Steuerkante 3 in die Schlitze a beim Übergleiten derselben.
Die Fig. VIII zeigt ein Ausführungs beispiel, bei welchem eine sehr gute Abdich tung sowohl in betriebswarmem Zustand wie bei kalter Maschine ohne Überdruck im Ar beitsraum vorhanden ist. Der Schieber 3 hat bis an den äussersten Rand mit Ausnahme der minimalen Verdickung durch das Über mass M konstante Wandstärke und steuert mit seinem äussern Rand den Auslass a. Die Figur unterhalb der Fig. VIII gehört zur Fig. VIII und zeigt in übertriebenem Mass stab das abdichtende Rohrschieberende und die Abdichtungsfläche D3 in aus dem Zylin der herausgezogener Lage. Bei dieser Aus führungsform wird das Abdichten bewirkt durch die sich elastisch gegen den Zylinder 1 stemmende Rohrsteuerschieber-Abdieh tungsfläche D3 auch ohne innern Überdruck.
Dieses wird dadurch erreicht, dass die zur Abdichtung die Abdichtungsfläche D1 über gleitende Abdichtungsfläche D3, die bei Du3 anfängt und bei Du" endet, gemäss Fig. VIII gegenüber der Abdichtungsfläche Dl des Zy linders 1 in warmem Zustand mit einer Pas sung ausgeführt ist, die zwischen einem Übermass M, beispielsweise von g/IOo mm und einem Untermass von '%",o mm liegt. Die Ab dichtungsfläche D, beginnt von der Steuer kante a an. Durch starke oder schwache Ab rundung der Kante, kann der Beginn dieser Fläche vori Fall zu Fall variieren.
In der Zeichnung ist nur das mittlere Drittel der Fläche D;, des Rohrsteuer schiebers 3 mit dem maximalen Übermass M versehen und ungefähr konstant gehalten, so dass es eine nahezu oder vollkommen zylin drische Fläche bildet. Im äussersten Drittel der Abdichtungsfläche sinkt das Übermass wiederum stetig auf ungefähr Null herab. An dem in demontierter Lage gezeichneten, in warmem Zustand befindlichen Schieber ist ersichtlich, dass die Abdichtungsfläche D., des Schiebers 3 um den Abstand M der beiden vertikalen dünnen Linien in der Figur radial herausgefedert ist. Dieser Abstand M stellt das maximale Übermass dar.
Die um dieses Übermass durch die zylindrische Dichtungs fläche D, des Zylinders 1 zu einem Zylinder zusammengepressle Endfläche D3 des Rohr steuerschiebers 3 bewirkt dann bei kalter und warmer Maschine ohne innern Überdruck eine einwandfreie gasdichte Abdichtung, ohne Zu hilfenahme besonderer beweglicher Dich tungselemente im Zylinderkopf und trotzdem einen leichten Lauf, denn der Konstrukteur hat es in der Hand, durch die Wand des Übermasses M und seines Verlaufes, sowie der radialen Stärke der betreffenden Schie bemeile die elastische Kraft, mit der die Flä chen<I>D,</I> und Dgegeneinander gepresst werden, so zu wählen,
dass ein dazwischen liegender Ölschleier nicht verdrängt oder zerrissen oder sonstwie örtlich zerstört wird, sondern viel mehr eine einwandfreie Anschmiegung der Rohrschieberabdichtungsfläche an den Zylin der auch beim Anfahren der Maschine ein tritt. Das Ausführungsbeispel gemäss Fig. IX unterscheidet sich vom vorhergehenden nach Fig. VIII lediglich dadurch, dass das äussere Schieberende den Einlass steuert und somit im Abdichtungsbereich auf kleinste Wand stärke ausgedreht werden konnte. Beim Aus führungsbeispiel nach Fig.
X erfolgt die Steuerung des Auslasses a durch das äussere Schieberende, wobei zur Verhinderung einer allzustarken Erhitzung des Schieberendes dieses auf der Innenseite im Abdichtungs bereiche nur leicht konisch ausgedreht wurde.
Für noch heisser werdende Maschinen eignet sich die Ausführungsform nach Fig. XI. Bei derselben ist das steuernde und abdichtende Schieberende einerseits sehr ela stisch zufolge der Hinterdrehung bei A und anderseits äusserst widerstandsfähig gegen Erhitzung zufolge des Verstärkungswulstes V. Zwecks besserem Überlauf über die Steuerkante a sinkt das Übermass M gegen den Wulst V hin langsam auf Null herunter.
Bei allen diesen Ausführungsformen kann bei mit heissen Flüssigkeiten gekühlten Zy lindern (Äthylenglykol oder Dampfkühlung) infolge der hohen Temperatur der Kühl flüssigkeit der Zylinder zwischen den Ein- und Auslasskanälen nahezu oder vollkommen zylindrisch, aber mit kleinerem Durchmesser als der ungekühlte, ins Kurbelgehäuse hin einragende Zylinderteil innerhalb der Kanäle im innern Kolbentotpunkt fabriziert werden, und zwar deswegen,
weil infolge der hohen Kühlflüssigkeitstemperatur von 120 bis 140 C und entsprechend gewählter Durch- flussgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit längs der Zylinderwand die Temperaturdif ferenz des Zylinders am äussern und innern Arbeitsraunende fast vollständig ausge glichen werden kann.
Gemäss den Beispielen wird der Rohr- stenerschieber zweckmässig so gestaltet, dass seine Dicke quer zur Schieberachse klein ist im Verhältnis zu seinem Durchmesser. Da durch bleibt das Temperaturgefälle im Rohr steuerschieber von seiner wärmeaufnehmen den Innenseite zu seiner wärmeabgebenden Aussenseite klein.
Aueh ergibt ein sdacher verhältnismässig dünner Rahrsteuerschieber auch dann eine gute Wärmeableitung, gute Laufeigenschafiten und eine gute Abdichtung, wenn der Zylinderquerschnitt von der ge nauen Kreisform infolge ungleicher Tem peraturverteilung, ungleicher Abnützung und dergleichen, abweicht, weil der dünne, ver hältnismässig gut biegsame Rohrschieber nicht nur durch das bei seiner Erwärmung in ihm wirkende Ausdehnungsbestreben in die nicht mehr kreisförmigen Querschnitte hineingesprengt wird, sondern weil er einem daraus resultierendem örtlichen Druck durch den Zylinder, ohne sich stark abzunützen oder gar zu fressen, elastisch nachgibt und sich dieser Fläche anschmiegt.
Ein derart dünnwandiger Rohrstenerschieber hat ausser dem Vorteil geringster Massenkräfte die Eigenart, dass er Während aer Dauer des höchsten Verbrennungsdruckes im Arbeits raum von Ken hochgespannten Gasen ela stisch und vollkommen gleichmässig gegen den Zylinder gepresst wird und dadurch eine einwandfreie Wärmeableitung sichert.