Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere Kolbenmotor mit Zylinder, Kolben, Kolbenstange und Kurbelwelle, wobei der hemdlose Kolben mit der Kolbenstange starr verbunden und durch seinen Rand schwenkbar und dichtend an einem Zylinder geführt ist, dessen Wandung entsprechend der Hüllfläche des pendelnden Kolbenrandes eingeschnürt ist.
Kolbenmaschinen mit solchen Pendelkolben eignen sich als Verbrennungsmotoren beliebiger Grösse, Zylinderzahl und Zylinderanordnung (vom Modellflugmotor bis zum Schiffsdiesel), die im Zwei- oder Viertakt und als Otto-, Diesel-, Stirling- oder Gasmotor arbeiten, jedoch auch für Dampfmotoren, Kompressoren und Pumpen. Als Hauptvorteile sind die einfache, kompakte und leichte Bauart und der ruhige Lauf (Wegfall des Kolbenschlags, geringe Massenkräfte und Reibungsverluste) zu nennen.
Ein Ausführungsbeispiel (Automobilmotor) mit stehendem Zylinder ist in Fig. 1 im Querschnitt und in Fig. 2 im halben Längsschnitt ersichtlich. Varianten von Pendelkolben mit liegendem Zylinder sind in Fig. 3 im Längsschnitt und in Fig. 4 im Querschnitt dargestellt, während Fig. 5 eine weitere Variante im halben Querschnitt zeigt. Diese Ausführungsbeispiele sind nachfolgend erläutert.
Der hemdlose Kolben 1 und die Kolbenstange 2 gemäss Fig. 1 rechts und Fig. 2 sind aus einem Stück hergestellt und bilden den Pendelkolben, der vorzugsweise aus geschmiedetem Leichtmetall oder Temperguss besteht. Der Kolbenring 3 mit V-förmiger Lauffläche und überlapptem Stoss bildet den Kolbenrand und dient als Gasdichtung und Ölabstreifer und ausserdem als Kolbenführung. Hierzu ist der Kolbenring 3 durch eine entsprechend starke Wellfeder 4 hinterlegt, die ihn unter Vorspannung an die Zylinderwandung 5 andrückt. Diese Zylinderwandung 5 ist nur im Längsschnitt (Fig. 2) gerade, im Querschnitt (Fig. 1) jedoch derart eingeschnürt, dass trotz der Pendelbewegungen des Kolbenrandes (Kolbenring 3) dieser überall kreisrund bzw. optimal anliegt.
Dies erfordert, wie ersichtlich, im allgemeinen eine lange Einbuchtung 6 zwischen den Totpunktlagen 7 und 8 des Kolbens und je eine kurze Einbuchtung 9 bzw. 10 an den Zylinderenden. Die mathematische Bestimmung dieser Hüllkurve 9-6-10 ist nicht elementar, da der Mittelpunkt 11 des Kolbenrandes in Fig. 1 nicht auf der Längsachse 12 der Zylinderwandung 5, sondern vorzugsweise auf einer langgestreckten Acht läuft. Die linke Seite dieser Hüllkurve ist symmetrisch zur rechten bezüglich der Längsachse 12, und der Übergang zu der im Längsschnitt (Fig. 2) geradlinigen Zylinderwandung 13 erfolgt durch Ellipsen, die in den Totpunkten 7 und 8 zu Kreisen werden.
Auf dieser eingeschnürten Zylinderwandung läuft der Kolbenring 3 mit V-förmiger Lauffläche mit Linienkontakt, was durch die relativ geringen Seitenkräfte zwischen Kolben 1 und Zylinderwandung 5 ermöglicht wird. Diese Seitenkräfte beschränken sich auf die Reaktion der Lagerreibung des Pendelkolbens 1/2 auf dem Hubzapfen 14, die Reaktion der Massenträgheitskraft des Pendelkolbens 1/2 bei seiner Oszillation um den Mittelpunkt 11 und die Anpresskraft des Kolbenrings 3 aus Vorspannung und Gasdruck. Dagegen bewirken die üblichen Massenkräfte und die resultierende Gaskraft keinerlei Seitenkräfte, da sie stets in der Längsachse des Pendelkolbens 1/2 wirken und direkt in den Hubzapfen 14 eingeleitet werden.
Immerhin scheint aus Gründen der Abnützung ein Kolbenring 3 mit V-förmiger Lauffläche auf kleine Kolbendurchmesser beschränkt zu sein oder jedenfalls auf relativ geringe Kolbengeschwindigkeiten. Zweckmässig ist eine Wahl des V Winkels der Lauffläche des Kolbenrings 3 derart, dass im Bereich des bezüglich quergerichteter Massenträgheitskraft kritischen Kolbenstangenausschlages (Fig. 1) nicht Linien-, sondern Flächenkontakt zur Zylinderwandung 5 besteht. Nötigenfalls kann ausserdem die Ringträgerzone des Pendelkolbens 1/2 zur Abstützung der maximalen Seitenkraft herangezogen werden. Wichtig ist ferner möglichst kleines Massenträgheitsmoment des Pendelkolbens 1/2 um den Mittelpunkt 11 und kleine Lagerreibung auf dem Hubzapfen 14.
Die Schmierung und Kühlung des Pendelkolbens 1/2 erfolgt vom Hubzapfen 14 her mittels Drucköl, das durch die Spritzdüsen 15 möglichst quer zur Schlagebene des Pendelkolbens austritt. Die Ölabstreifung wird durch Rücklaufnuten 16 im unteren Ringträger verbessert und gegebenenfalls durch Aufteilung des Kolbenrings 3 in zwei untereinander gleiche Ringe, die auf der Linie 7 (Fig. 2) aneinandergrenzen. Bei diametral versetzten Ringstössen kann ein gegenseitiges Verdrehen durch Nuten auf der Innenseite der Ringe verhindert werden, in die die Wellfeder 4 eingreift.
Als Variante zeigt Fig. 1 links einen Pendelkolben in leichter, zweiteiliger Ausführung in einfachster Form. Hier besteht der Kolbenboden aus einer Blechscheibe 17 (z. B. warmfester Federstahl) mit angebördeltem Rand 18, die durch Schweissung, Nietung oder Klebung mit dem oben hohlen Unterteil 19 verbunden ist. Die eingeschnürte Zylinderbüchse 20 ist aus einem dünnwandigen Rohr umgeformt und weist eine ähnliche Wandung auf wie die gegossene Büchse 21 (Fig. 1 rechts). Die geringen Formunterschiede ergeben sich aus dem nunmehr bogenförmigen Rand 18, der bezüglich Abnützung viel günstiger ist (und wegen der fehlenden Nachstellung auch sein muss) als die V-förmige Lauffläche des Kolbenrings 3.
Dieser Rand 18 läuft mit der nötigen Vorspannung und federnd in der Zylinderbüchse 20, wobei die Blechscheibe 17 derart auszubilden ist, dass ihre Deformation unter dem Gasdruck diese Vorspannung verstärkt. Die Wandungen der Zylinderbüchsen 20 und 21 sind nötigenfalls mit Schutzschichten versehen und geschliffen, insbesondere bei Leichtmetall-Ausführung. Ihre Feinbearbeitung erfolgt vorzugsweise bei rotierender Büchse auf numerisch gesteuerten Maschinen. Diese Komplikation gegenüber zylindrischen (uneingeschnürten) Büchsen wird durch die geringe Bearbeitungslänge, die nur wenig grösser ist als der Kolbenhub, mehr als kompensiert. Es sind auch Zylinderblöcke mit büchsenlosen, eingeschnürten Zylindern möglich, doch wird bei dieser Ausführung die Feinbearbeitung erschwert und ein allfälliger Austausch viel aufwendiger.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 3 und 4 besteht der ganze Pendelkolben aus gepresstem Leichtmetall- oder Stahlblech. Durch Schweissung sind miteinander verbunden: die Lagerstützschale 22, die zwei unter sich gleichen Schafthälften 23 und 23' sowie der Kolbenboden 24. Bei der Variante gemäss Fig. 4 oben ist der Rand des Kolbenbodens zweimal U-förmig umgeformt zur Aufnahme des Kolbenrings 26 mit bombierter Lauffläche und der Schlauchfeder 27; ausserdem ist am Schaftteil 23/23' ein aus Kunststoff oder Blech bestehender Ölkanal 28 befestigt. Dieser Ölkanal 28 leitet das Schmier- und Kühlöl vom Hubzapfen 14 direkt zum Kolbenboden 25, bevor es durch die Randwellung 29 (Fig. 3 unten) austritt. Der nicht gezeichnete Lagerdeckel wird durch die Zentrierung 30 geführt und durch die Schrauben 31 mit Hammerkopf 32 gehalten.
Die oszillierenden Massen dieses nahezu unbearbeiteten Pendelkolbens betragen nur etwa 1/3 derjenigen eines konventionellen Tauchkolbens mit Pleuelstange.
Die wohl günstigste Ausführung bezüglich Gewicht, Kosten und Klangstumpfheit ist in Fig. 5 skizziert. Hier besteht der Schaftteil 33 des Pendelkolbens aus einem hitzefesten, vorzugsweise mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Kunststoff, der mit einem aufgeklebten Hitzeschild aus Blech, eventuell mit Asbestzwischenlage, versteift ist. Der Kolbenring 35 hat Uförmigen Querschnitt (aus einem Streifen Federstahl, Messing usw. umgeformt) und einen überlappten Stoss und umschliesst die Schlauchfeder 36. Der eingeformte Ölkanal 37 mündet in radiale Austrittskanäle 38. Als Variante ist ein Hitzeschild etwa gemäss Kolbenboden 24 vorgesehen, dessen Rand um den oberen Rand des Schaftteils 33 derart umgeformt wird, dass sich der Hitzeschild frei drehen kann.
Durch geringfügiges
Schrägstellen der Längsachse 39 dieses Pendelkolbens gegen über einer Normalebene zur Kurbelwelle kann diese Rotation automatisch erfolgen, was gleichmässigen Verschleiss des
Randes des Hitzeschildes bewirkt. Analoges gilt auch für die
Kolbenringe 3, 26 und 35. Statt aus Kunststoff kann der
Schaftteil 33 z. B. aus Magnesium, Titan usw. gegossen sein, doch ist stets auf genügende Längssteifigkeit zu achten, da sonst Kolben- und Zylinderform nicht zueinander passen.
Kolbenmaschinen gemäss Fig. 1 bis 5 haben in der Ausfüh rung als Automobilmotoren einen leicht muldenförmigen
Kolbenboden, der zusammen mit dem flachen Zylinderkopf günstige Voraussetzungen für schadstoffarmen Betrieb bietet.
Durch die Pendelbewegung des Kolbenbodens im Bereich des oberen Totpunktes ergibt sich eine Querverschiebung der
Ladung, was für die Gemischdurchwirbelung und die Verhin derung von Klingel- und Klopferscheinungen sehr interessant ist. Indessen kann der Kolbenboden auch flach oder leicht nach oben konisch sein gemäss Linie 41 (Fig. 1), gegebenenfalls mit tiefer Mulde 42 (Diesel), jedoch auch dachförmig gemäss Linie 43 (V-Ventilanordnung). Die Pendelbewegung des Kolbenbodens im Bereich des unteren Totpunktes ermög- licht auf einfachste Weise die zeitliche Staffelung der Freilegung von Spül- und Auslassfenstern im Zylinder (asymmetrisches Steuerdiagramm bei schlitzgesteuerten Zweitaktmotoren).
Die dargelegten, ausserordentlich einfachen und kompakten Kolbenmaschinen zeichnen sich durch hohen mechanischen Wirkungsgrad und grösste Laufruhe aus (kein Kolbenschlag, minimale oszillierende Massen), wodurch dünnwandige Motorblöcke aus Leichtmetall anwendbar werden. Der Massenausgleich wird problemlos und die Zylinderzahl und Zylinderanordnung frei wählbar.
In analoger Weise sind Dampfmotoren, Kompressoren und Pumpen mit hemdlosen Pendelkolben und eingeschnürten Zylindern zu gestalten.
The invention relates to a piston machine, in particular a piston engine with cylinder, piston, piston rod and crankshaft, the shirtless piston being rigidly connected to the piston rod and guided by its edge pivotably and sealingly on a cylinder whose wall is constricted according to the envelope surface of the oscillating piston edge.
Piston engines with such pendulum pistons are suitable as internal combustion engines of any size, number of cylinders and cylinder arrangement (from model aircraft engines to marine diesel engines), which work in two or four stroke and as Otto, diesel, Stirling or gas engines, but also for steam engines, compressors and pumps . The main advantages are the simple, compact and light design and the smooth running (elimination of the piston stroke, low inertia forces and friction losses).
An exemplary embodiment (automobile engine) with an upright cylinder can be seen in FIG. 1 in cross section and in FIG. 2 in half longitudinal section. Variants of pendulum pistons with a horizontal cylinder are shown in Fig. 3 in longitudinal section and in Fig. 4 in cross section, while Fig. 5 shows a further variant in half cross section. These exemplary embodiments are explained below.
The shirtless piston 1 and the piston rod 2 according to FIG. 1 on the right and FIG. 2 are made from one piece and form the pendulum piston, which is preferably made of forged light metal or malleable cast iron. The piston ring 3 with a V-shaped running surface and an overlapping joint forms the piston edge and serves as a gas seal and oil scraper and also as a piston guide. For this purpose, the piston ring 3 is backed by a correspondingly strong corrugated spring 4, which presses it against the cylinder wall 5 under pretension. This cylinder wall 5 is straight only in longitudinal section (FIG. 2), but constricted in cross section (FIG. 1) in such a way that, despite the pendulum movements of the piston edge (piston ring 3), it rests circularly or optimally everywhere.
As can be seen, this generally requires a long indentation 6 between the dead center positions 7 and 8 of the piston and a short indentation 9 or 10 at the cylinder ends. The mathematical determination of this envelope curve 9-6-10 is not elementary, since the center point 11 of the piston edge in FIG. 1 does not run on the longitudinal axis 12 of the cylinder wall 5, but preferably on an elongated figure eight. The left side of this envelope curve is symmetrical to the right with respect to the longitudinal axis 12, and the transition to the cylinder wall 13, which is straight in the longitudinal section (FIG. 2), is effected by ellipses which become circles at the dead points 7 and 8.
The piston ring 3 with a V-shaped running surface with line contact runs on this constricted cylinder wall, which is made possible by the relatively low side forces between the piston 1 and the cylinder wall 5. These side forces are limited to the reaction of the bearing friction of the pendulum piston 1/2 on the crank pin 14, the reaction of the inertia force of the pendulum piston 1/2 when it oscillates around the center 11 and the contact pressure of the piston ring 3 from preload and gas pressure. In contrast, the usual inertia forces and the resulting gas force do not cause any side forces, since they always act in the longitudinal axis of the pendulum piston 1/2 and are introduced directly into the crank pin 14.
After all, for reasons of wear and tear, a piston ring 3 with a V-shaped running surface appears to be limited to small piston diameters or at least to relatively low piston speeds. It is expedient to select the V angle of the running surface of the piston ring 3 in such a way that in the region of the piston rod deflection (FIG. 1) which is critical with regard to the transverse mass inertia force there is not linear contact with the cylinder wall 5 but area contact. If necessary, the ring carrier zone of the pendulum piston 1/2 can also be used to support the maximum lateral force. Furthermore, the smallest possible mass moment of inertia of the pendulum piston 1/2 around the center point 11 and low bearing friction on the crank pin 14 are important.
The pendulum piston 1/2 is lubricated and cooled from the crank pin 14 by means of pressure oil, which exits through the spray nozzles 15 as transverse to the plane of impact of the pendulum piston. The oil control is improved by return grooves 16 in the lower ring carrier and, if necessary, by dividing the piston ring 3 into two rings which are identical to one another and which adjoin one another on line 7 (FIG. 2). In the case of diametrically offset ring joints, mutual twisting can be prevented by grooves on the inside of the rings in which the corrugated spring 4 engages.
As a variant, Fig. 1 shows on the left a pendulum piston in a light, two-part design in the simplest form. Here the piston head consists of a sheet metal disk 17 (e.g. heat-resistant spring steel) with a flanged edge 18, which is connected to the lower part 19, which is hollow at the top, by welding, riveting or gluing. The constricted cylinder liner 20 is formed from a thin-walled tube and has a wall similar to that of the cast liner 21 (FIG. 1 right). The slight differences in shape result from the now arcuate edge 18, which is much more favorable in terms of wear (and must also be due to the lack of adjustment) than the V-shaped running surface of the piston ring 3.
This edge 18 runs with the necessary pretension and resiliently in the cylinder liner 20, the sheet metal disk 17 being designed in such a way that its deformation under the gas pressure increases this pretension. If necessary, the walls of the cylinder liners 20 and 21 are provided with protective layers and ground, especially in the case of light metal designs. Their fine machining is preferably carried out with the bushing rotating on numerically controlled machines. This complication compared to cylindrical (unconstricted) bushings is more than compensated for by the short machining length, which is only slightly greater than the piston stroke. Cylinder blocks with linerless, constricted cylinders are also possible, but fine machining is made more difficult in this design and any replacement is much more expensive.
In the exemplary embodiments according to FIGS. 3 and 4, the entire pendulum piston consists of pressed light metal or sheet steel. The following are connected by welding: the bearing support shell 22, the two mutually identical shaft halves 23 and 23 'and the piston head 24. In the variant according to FIG. 4 above, the edge of the piston head is formed twice in a U-shape to accommodate the piston ring 26 with cambered Running surface and the hose spring 27; In addition, an oil channel 28 made of plastic or sheet metal is attached to the shaft part 23/23 '. This oil channel 28 guides the lubricating and cooling oil from the crank pin 14 directly to the piston head 25 before it emerges through the corrugation 29 (FIG. 3 below). The bearing cap, not shown, is guided through the centering 30 and held by the screws 31 with hammer head 32.
The oscillating masses of this virtually unmachined pendulum piston are only about 1/3 that of a conventional plunger piston with a connecting rod.
Probably the most favorable version with regard to weight, costs and sound dullness is sketched in FIG. Here, the shaft part 33 of the pendulum piston consists of a heat-resistant plastic, preferably reinforced with carbon fibers, which is stiffened with a glued-on heat shield made of sheet metal, possibly with an asbestos layer. The piston ring 35 has a U-shaped cross-section (formed from a strip of spring steel, brass, etc.) and an overlapped joint and surrounds the tube spring 36. The molded oil channel 37 opens into radial outlet channels 38. As a variant, a heat shield is provided roughly according to the piston head 24, its edge around the upper edge of the shaft part 33 is deformed in such a way that the heat shield can rotate freely.
By slight
Inclination of the longitudinal axis 39 of this pendulum piston with respect to a normal plane to the crankshaft, this rotation can take place automatically, which results in uniform wear of the
Edge of the heat shield causes. The same applies to the
Piston rings 3, 26 and 35. Instead of plastic, the
Shaft part 33 z. B. be cast from magnesium, titanium, etc., but always ensure that there is sufficient longitudinal stiffness, otherwise the piston and cylinder shape will not match.
Piston machines according to FIGS. 1 to 5 have a slightly trough-shaped design as automobile engines
Piston crown which, together with the flat cylinder head, offers favorable conditions for low-emission operation.
The pendulum movement of the piston head in the area of the top dead center results in a transverse displacement of the
Charge, which is very interesting for the mixing of the mixture and the prevention of ringing and knocking phenomena. However, the piston head can also be flat or slightly conical towards the top according to line 41 (FIG. 1), optionally with a deep depression 42 (diesel), but also roof-shaped according to line 43 (V-valve arrangement). The pendulum movement of the piston crown in the area of the bottom dead center enables the staggering of the exposure of the flushing and exhaust windows in the cylinder in the simplest way (asymmetrical control diagram for slot-controlled two-stroke engines).
The described, extremely simple and compact piston machines are characterized by high mechanical efficiency and extremely smooth running (no piston impact, minimal oscillating masses), which means that thin-walled engine blocks made of light metal can be used. The mass balancing is problem-free and the number and arrangement of cylinders can be freely selected.
Similarly, steam engines, compressors and pumps with shirtless pendulum pistons and constricted cylinders are to be designed.