DE102006033293B4 - Zylinder-Kolben-Anordnung - Google Patents

Abstract

Zylinder (1; 1';1") einer Kraft erzeugenden und/oder Arbeit verrichtenden Maschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors, mit wenigstens einem Hohlraum (2;2';2") und einem darin in einer Richtung linear verschiebbar geführten Kolben (3;3';3"), wobei ein Schnitt durch den Hohlraum (2;2';2") quer zu der Verschieberichtung unabhängig von der Verschiebeposition ist, und wobei der Kolbenquerschnitt etwa dem Querschnitt des Hohlraums (2;2';2") entspricht, und wobei der Hohlraum (2;2';2") und der Kolben (3;3';3") einen Querschnitt aufweist, dessen Umfang zumindest bereichsweise unterschiedlichen Krümmungsradien folgt, und wobei ferner eine Pleuelstange an der Unterseite des Kolbens (3;3';3") im Schwerpunkt der Kolbenquerschnittsfläche angelenkt ist. dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelstange an der Unterseite des Kolbens (3;3';3") mit einem Kugelgelenk angelenkt ist, wobei der Hohlraum (2;2';2") und der Kolben (3;3';3") eine oder mehrere Kanten parallel zu der Verschieberichtung aufweisen.

Description

• Die Erfindung richtet sich auf die Anordnung eines Zylinders für eine Kraft erzeugende und/oder Arbeit verrichtende Maschine, vorzugsweise einen Verbrennungsmotor; mit einem Hohlraum und einem darin in einer Richtung linear verschiebbar geführten Kolben, wobei ein Schnitt durch den Hohlraum quer zu der Verschieberichtung unabhängig von der Verschiebeposition ist, und wobei der Kolbenquerschnitt etwa dem Querschnitt des Hohlraums entspricht, und wobei der Hohlraum und der Kolben einen Querschnitt aufweist, dessen Umfang zumindest bereichsweise unterschiedlichen Krümmungsradien folgt, und wobei ferner eine Pleuelstange an der Unterseite des Kolbens m Schwerpunkt der Kolbenquerschnittsfläche angelenkt ist.
• Zylinder mit Kolben finden eine breite Anwendung in den verschiedensten Einrichtungen und/oder Mechanismen, bspw. in Kraft erzeugende Maschinen wie Verbrennungs- und Hydraulikmotoren, aber auch in Arbeit verrichtenden Maschinen wie Hydraulikpumpen, Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, etc.
• Ein Mangel existierender Zylinder-Kolben-Konstruktionen ist die Notwendigkeit einer Wärmeableitung von dem Zylinder-Kolben-Paar. Bei Verbrennungsmotoren gibt es in dem Zylinderhohlraum eine sehr starke Wärmeentwicklung. Aber auch die Flüssigkeit in Hydraulikkreisläufen erwärmt sich erheblich, so dass die Wärme abgeführt werden muß. Dies kann zwar durch eine zusätzliche Vergrößerung der Oberfläche erreicht werden. Solches kompliziert jedoch die Konstruktion und vergrößert die Menge des einzusetzenden Rohstoffs, der zur Herstellung benötigt wird.
• Die zum Stand der Technik herangezogene DE 41 06 395 A1 offenbart eine Eliptikalzylinderkolbeneinheit für eine Verbrennungskraftmaschine und die daraus resultierende andere räumliche Ausdehnung des Verbrennungsraumes, des Kühlsystems und der Kurbelwelle. Zwar gibt es hier einen Kolben mit einem elliptischen Querschnitt; jedoch wird eine bessere Kühlung dabei nicht erwähnt, und als Nachteil ergibt sich eine größere Reibungsfläche zwischen Kolbenringen und Zylinderwand, so dass eine derartige Anordnung nicht wirtschaftlich ist.
• Eine ähnliche Offenbarung ist der GB 2 058 919 A zu entnehmen. Auch dort haben die Kolben nicht kreisrunde Querschnitte, was eine Tendenz zu einer vermehrten Reibung mit sich bringt und somit unwirtschaftlich ist.
• Das zweite Dokument DE 38 18 926 A1 beschreibt eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Viereckkolben. Um eine Spülung zu gewährleisten, bei der möglichst wenig Frischgasverlust auftritt, sind die Auspuffschlitze auf einer Deckelseite und die Einlasskanäle in beiden dazu senkrechten Seitenwänden des Motorgehäuses angeordnet. Im Gegensatz zu dem hier gattungsgemäßen Stand der Technik verfügt bei der DE 38 18 936 A1 jeder Kolben über zwei Pleuelstangen, von denen keine im Schwerpunkt der Kolbenquerschnittsfläche angelenkt ist. Vielmehr sind beide Pleuelstangen über jeweils ein eigenes Lager mit dem Kolben verbunden, wobei die beiden Lagerachsen parallel zueinander sind. Eine Anordnung mit zwei Kolbenstangen pro Zylinder ist aber nicht nur anfälliger gegenüber Verkantungen, sondern erfordert auch einen höheren Konstruktions- und Montageaufwand und erhöht außerdem auch die Reibung und ist daher nicht wirtschaftlich realisierbar.
• Auch bei der DE 36 02 660 C2 . welche eine Verbrennungskraftmaschine betrifft, ist jeder Kolben mittels zweier Pleuelstangen an eine Kurbelwelle gekoppelt, wobei keine der beiden Pleuelstangen im Schwerpunkt der Kolbenquerschnittsfläche angelenkt ist; vielmehr sind beide Pleuelstangen über jeweils ein eigenes Lager mit dem Kolben verbunden, wobei die beiden Lagerachsen miteinander fluchten. Auch diese Anordnung leidet daher an einem erhöhten Konstruktions- und Montageaufwand und an einer erhöhten Reibung und ist somit nicht wirtschaftlich ungünstig.
• Ähnliches gilt auch für die DE 29 42 033 C2 , welche eine Brennkraftmaschine offenbart. Auch dort verbinden jeweils zwei Pleuelstangen jeden Kolben mit Kurbelwellenlagern auf einer Kurbelwelle, wobei sich keine der beiden Pleuelstangen unter dem Schwerpunkt der Kolbenquerschnittsfläche befindet. Die Verdoppelung der Pleuelstangenzahl pro Zylinder zieht einen vermehrten Konstruktions- und Montageaufwand und eine erhöhte Reibung nach sich und ist daher wirtschaftlich nicht erstrebenswert.
• Die DE 43 08 751 A1 beschreibt eine Kolben-Pleuel-Anordnung für Brennkraftmaschinen mit einem kugelförmigen Pleuelknopf, der in einer kugelabschnittförmigen Vertiefung des Kolbenbodens und in einem Haltering mit kugelschichtförmigem Einbauraum gelagert ist, wobei sich auf der Innenseite des Schafts ein umlaufender als Widerlager für den vom Ende der Schaftpartie her eingesetzten Haltering dienender Bund befindet. Zur Erhöhung der Laufzeit des Kolbens sind in der Leichtmetallmatrix des Kolbens aus Spänen aus austenitischem Gusseisenwerkstoff gepresste und gesinterte Formkörper eingelagert. Eine Maßnahme zur Verbesserung der Wärmeableitung von dem Zylinder ist bei diesem Dokument jedoch nicht offenbart.
• Ähnlich verhält es sich mit der EP 1 528 245 A1 , die einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zum Gegenstand hat. Auch dieses Dokument offenbart zwar ein Kugelgelenk zwischen Kolben und Pleuelstange; gleichzeitig ist aber keine Maßnahme zur Verbesserung der Wärmeableitung erkennbar.
• Aus den erwähnten Einschränkungen des beschriebenen Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, die Ableitung der Wärme zu verbessern, ohne dass darunter der Konstruktions- oder Montageaufwand oder die Wirtschaftlichkeit leidet.
• Die Lösung dieses Problems gelingt bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch eine Veränderung der Form der Zylinder-Kolben-Konstruktion unter gleichzeitiger Optimierung ihres Wirkungsgrades, insbesondere dadurch, dass der Hohlraum und der Kolben ein oder mehrere Kanten parallel zu der Verschieberichtung aufweist, wobei die Pleuelstange an der Unterseite des Kolbens mit einem Kugelgelenk angelenkt ist.
• Indem der Hohlraum ein oder mehrere Kanten parallel zu der Verschieberichtung aufweist, wobei solche Kanten für den Querschnitt je eine Ecke bedeuten, also einen Umfangsbereich mit einem sehr kleinen Krümmungsradius, im Grenzfall kann dieser Krümmungsradius gegen Null gehen, erfährt der Kolben eine optimale Führung, was den Verschleiß reduziert. Solche Ecken können jedoch auch abgerundet sein mit einem Krümmungsradius von mehr als 0,1 mm, vorzugsweise mehr als 0,2 mm, insbesondere mehr als 0,5 mm. Dadurch ist es möglich, Kolbenringe mit einer endlichen Biegung zu verwenden, so dass die Gefahr eines erhöhten Verschleißes minimiert ist.
• Für Einrichtungen wie Verbrennungsmotoren oder (Luft-) Kompressoren ermöglicht es die angebotene Veränderung der Form der Zylinder-Kolben-Konstruktion, die für die Wärmeableitung geeignete Oberfläche um 12 % oder mehr zu vergrößern, wie weiter unten im einzelnen dargelegt wird.
• Einerseits ist es dadurch möglich, die Lebensdauer des Zylinder-Kolben-Paares zu vergrößern (da sich die Temperatur infolge einer Vergrößerungen der Oberfläche der Wärmeableitung verringert) bei unveränderter Belastung des Zylinder-Kolben-Paares.
• Andererseits ist es auch infolge der Reduzierung der Temperatur als Ergebnis der Veränderung der Wärmeableitung möglich, bei unveränderter Lebensdauer der Konstruktion die Leistungsfähigkeit bzw. Belastung der betreffenden Kraft- oder Arbeitsmaschine zu erhöhen bis zu einem Wert, wo die Temperatur im Nenn-Arbeitspunkt der Betriebstemperatur einer vergleichbaren, ursprünglichen Konstruktion entspricht, denn, ausgehend von der Gasgleichung, läßt sich der Carnot-Zyklus optimieren, indem der Grad der Kompression erhöht wird.
• Andererseits ist an der Unterseite des Kolbens im Schwerpunkt der Kolbenquerschnittsfläche eine Pleulstange angelenkt, um den Kolben bewegungsmäßig an eine An- oder Abtriebseinrichtung anzukoppeln.
• Da im Gegensatz zu streng zylindrischen Kolben erfindungsgemäß die Kolben keine Rotationssymmetrie aufweisen, sieht die Erfindung vor, dass die Pleulstange an der Unterseite des Kolbens mit einem Kugelgelenk angelenkt ist, so dass die Führung bzw. rotationsmäßige Ausrichtung des Kolbens der Form des Zylinderhohlraums überlassen wird und ein Verklemmen ausgeschlossen ist.
• Der Querschnitt durch den Zylinderhohlraum könnte ein Polygon mit abgerundeten Ecken sein, wobei der Umfang des Polygons zwischen den Ecken jeweils einem geraden Verlauf folgen kann, d.h., der Krümmungsradius ist dort unendlich groß, oder zumindest einer Krümmung mit einem sehr großen Krümmungsradius.
• Besondere Vorzüge ergeben sich, wenn der Querschnitt durch den Hohlraum in Form eines Polygons mit abgerundeten Ecken zwischen diesen Ecken einem regelmäßiges Polygon entspricht. Solchenfalls ergibt sich eine hohe Symmetrie, so dass Anlenkpunkte, insbesondere für eine Kolbenstange, exakt im Zentrum einer solchen Fläche vorgesehen werden können und ein Verkanten und/oder Verklemmen des Kolbens in dem Zylinderhohlraum vermieden wird.
• Die Erfindung erlaubt eine Weiterbildung dahingehend, dass mehrere Zylinder-Kolben-Anordnungen mit gleichem Querschnitt durch den Hohlraum im Rahmen einer Kraft- oder Arbeitsmaschine zusammengefaßt sind. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit der betreffenden Maschine einem Vielfachen der Leistungsfähigkeit eines Zylinders entsprechend gewählt werden.
• In Verfolgung dieses Erfindungsgedankens ist ferner vorgesehen, dass mehrere Zylinder-Kolben-Anordnungen mit gleichem Querschnitt durch den Hohlraum seitlich nebeneinander angeordnet sind. Sie können daher einen gleichen Abstand zu der Drehachse einer Kurbelwelle aufweisen, mit der sie allesamt zwecks Kraftübergabe gekoppelt sind.
• Vorzugsweise ist die räumliche Ausrichtung der zusammengefaßten Zylinder-Kolben-Anordnungen identisch. Dadurch ergibt sich eine einfache Anordnung, wobei für alle Kolben ein einheitliches Ersatzteil vorgehalten werden kann, da eine unterseitig angelenkte Pleuelstange stets die selbe Richtung der Lagerachse aufweist.
• Andererseits ist es auch möglich, benachbarte Zylinder-Kolben-Anordnungen in unterschiedlichen, räumlichen Richtungen auszurichten, bspw. um einen Winkel ±φ gegeneinander gedreht. Beispielsweise lassen sich Zylinder-Kolben-Anordnungen mit einem blütenartigen Querschnitt nach Art von ineinandergreifenden Zahnrädern anordnen, so dass eine besonders hohe, gegenseitige Nähe möglich ist, was sich förderlich für einen kompakten Aufbau erweist, ohne dass dabei die Zwischenwand zwischen einzelnen Zylindern zu dünn und dadurch evtl. instabil würde.
• Vorzugsweise sind die zusammengefassten Zylinder-Kolben-Paarungen in einer oder mehreren Reihen hintereinander angeordnet, entsprechend und vorzugsweise entlang der gerade gestreckten Drehachse einer Kurbelwelle, die der Zusammenfassung der einzelnen Drehbewegungen aller Kolben dient. Natürlich eignet sich das erfindungsgemäße Prinzip auch für Boxermotoren (2 Reihen von Zylindern) oder Sternmotoren (wobei die Zylinder entlang einer Kreislinie um eine Abtriebsachse angeordnet sind).
• Eine maximal kompakte Anordnung läßt sich realisieren, wenn die zusammengefassten, in einer Reihe hintereinander angeordneten Zylinder-Kolben-Paarungen derart ausgerichtet sind, dass ihre kürzeren Querschnittsabmessungen parallel zu der Reihe ausgerichtet sind. Durch eine solche Maßnahme läßt sich die Länge eines Motors gegenüber einem herkömmlichen Motor mit streng zylindrischen Kolben verkürzen. Bei Sternmotoren wird es dadurch möglich, eine besonders große Anzahl von „scheibenartigen“ Zylinder-Kolben-Anordnungen kreisförmig um eine zentrale Achse herum anzuordnen.
• Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, den Abstand zwischen benachbarten Zylinder-Hohlräumen größer zu gestalten als die Hälfte ihrer kürzeren Querschnittsabmessung, insbesondere größer als ihre kürzere Querschnittsabmessung. Dadurch wird es möglich, in dem Raum zwischen benachbarten Zylinder-Hohlräumen weitere Hohlräume zur Kühlung vorzusehen, die vorzugsweise von einem Kühlmedium, insbesondere von einer Kühlflüssigkeit, durchströmt werden können, um die in dem Brennraum anfallende Verlustwärme abzutransportieren.
• Der bestehende Bedarf nach einer Verbesserung sowie weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger Beispiele von Verbrennungsmotoren sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
• 1 einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Zylinder-Kolben-Anordnung mit quadratischem Kolbenquerschnitt;
• 2 den Hubraum der Zylinder-Kolben-Anordnung aus 1 in einer perspektivischen, schematischen Ansicht, wobei der Kolben strichliert dargestellt ist;
• 3 eine der 2 entsprechende Darstellung des Hubraums einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit einem rechteckigen Kolbenquerschnitt; sowie
• 4 eine der 2 entsprechende Darstellung des Hubraums einer wiederum abgewandelten Ausführungsform der Erfindung mit einem dreieckigen Kolbenquerschnitt.
• Ein Verbrennungsmotor verfügt über einen oder mehrere Zylinder 1 mit einem Hohlraum 2 von langgestreckter Gestalt konstanten Querschnitts, in welchem ein Kolben 3 in der Zylinderlängsrichtung oszillierbar geführt ist. Dies wird üblicherweise dadurch bewirkt, dass der Querschnitt des Kolbens 3 kongruent zu dem Hohlraum 2 innerhalb des Zylinders 1 ist, jedoch minimal kleiner Abmessungen hat. In am Umfang 4 des Kolbens 3 rundum laufenden Nuten sind federnde Kolbenringe eingelegt, welche den minimalen Spalt zwischen dem Kolben 3 und der Innenwand des Zylinders 1 abdichtet. Im folgenden soll jedoch vereinfachend angenommen werden, dass der Querschnitt des Kolbens 3 identisch mit dem lichten Querschnitt des Zylinderhohlraums 2 ist. Wie allgemein üblich, ist an der Unterseite des Kolbens 3 eine nach unten ragende Schürze vorhanden, in der eine Pleulstange 5 gelagert ist, deren anderes Ende an einem exzentrischen Teil der Kurbelwelle 6 angelenkt ist.
• In den Raum oberhalb des Kolbens 3 wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch 7 angesaugt, der etwa im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens 3 gezündet wird und sodann den Kolben 3 nach unten drückt; gleichzeitig entwickelt sich dabei jedoch ein großes Maß an Abwärme, die abzuführen ist. Hierzu steht nur die Oberseite 8 des Zylinderhohlraums 2 zur Verfügung sowie dessen Mantelfläche 9 in dem Bereich des Hubraums, der beim unteren Totpunkt von dem expandierten Gemisch 7 gefüllt ist und von diesem einen Teil der Abwärme übernimmt.
• Die Leistung eines Verbrennungsmotors hängt in erster Linie von seinem Hubvolumen bzw. Hubraum V ab. Der Hubraum V ergibt sich anhand des Produkts der Fläche des Querschnitts S .des Kolbens 3 und der Größe seines Hubs H : $$\text{V}=\text{S}*\text{H}.$$

  
• Zur Erleichterung des Verständnisses der Funktionsweise wird - wie oben bereits angedeutet - die Gleichheit der Fläche des Querschnitts S des Zylinderhohlraums 2 und des betreffenden Kolbens 3 angenommen.
• Bei bekannten Konstruktionen bildet der Querschnitt des Zylinderhohlraums 2 und des Kolbens 3 jeweils einen Kreis mit dem Radius R und einer Querschnittsfläche $${\text{S}}_{\text{k}}=\mathrm{3,14}*{\text{R}}^2.$$

  
• Im Rahmen der Erfindung wird der Querschnitt des Kobens 3 und entsprechend des Zylinderhohlraums 2 ohne Veränderung des Hubraums V und des Hubs H des Kolbens 3 von rund auf vieleckig verändert (quadratisch, rechteckig, dreieckig, usw.).
• Da V = S * H = const. und H = const., so folgt daraus, dass dabei auch S = const. Bei der erfindungsgemäßen Veränderung der Konstruktion bleibt also der Hubraum V des Verbrennungsmotors, die Querschnittsfläche S des Zylinders und des Kolbens, als auch der Hub H des Kolbens unverändert.
• Daraus folgt, dass die Menge des für die Herstellung des Zylinder-Kolben-Paares benötigten Rohstoffs, z. B. Metalls, unverändert bleibt.
• Gemäß der Ausführungsform nach 2 wird als Querschnitt des Zylinderhohlraums 2 und des Kolbens 3 jeweils ein Polygon gewählt, nämlich ein Quadrat mit einer Querschnittsfläche S_q = A². Aus der obigen Bedingung S_k = S_q folgt: $${\text{A}}^2=\mathrm{3,14}*{\text{R}}^2,$$

  

  bzw.: $$\text{A}=\mathrm{1,77}*\text{R},$$

  

  so dass A kleiner ist als der Durchmessers D des Zylinderhohlraums bzw. des Kolbens, welcher sich ergibt aus D = 2 * R.
• Zur Erleichterung des Verständnisses der Beschreibung wird vorausgesetzt, dass die Wärmeableitung im wesentlichen über die Mantelfläche des Zylinderhohlraums 2 erfolgt.
• Für die bekannten Konstruktionen bestimmt sich die Wärmeableitung eines Zylinders mit dem Radius R über dessen Seitenoberfläche wie das Produkt des Ringumfangs P_k = 6,28 * R mal seiner Höhe H. Für den gegebenen Fall ist dies eine Größe des Kolbenhubs H: $${\text{S}}_{\text{sk}}={\text{P}}_{\text{k}}*\text{H}=\mathrm{6,28}*\text{R}*\text{H}.$$

  
• Für das obige Zylinder-Kolben-Paar 1, 3 mit quadratischem Querschnitt bestimmt sich der für die Wärmeableitung zur Verfügung stehende Mantelflächenbereich S_sq wie das Produkt des Umfangs des Quadrates mit der Seite A, nämlich P_q = 4 * A ,mal seiner Hubhöhe H: $${\text{S}}_{\text{sq}}={\text{P}}_{\text{q}}*\text{H}=4*\text{A}*\text{H}=4*\mathrm{1,77}*\text{R}*\text{H}=\mathrm{7,08}\text{ R}*\text{H}.$$

  
• Demnach ist der für die Wärmeableitung zur Verfügung stehende Mantelflächenbereich des Zylinder-Kolben-Paares mit rundem Querschnitt S_sk = 6,28 * R * H, und der entsprechende Bereich der Konstruktion mit quadratischem Querschnitt S_sq = 7,08 R * H. Daraus folgt eine Vergrößerung der für die Wärmeableitung wirksamen Seitenoberfläche des Zylinder-Kolben-Paares 1, 3 in einem Verhältnis $${\text{S}}_{\text{sq}}/{\text{S}}_{\text{sk}}=\mathrm{7,08}*\text{R}*\text{H}=\mathrm{1,128,}$$

  

  d.h. mit einem Zuwachs von 12,8 %.
• Von größerem Interesse als der vorangehend beschriebene Fall einer Zylinder-Kolben-Paarung mit quadratischem Querschnitt ist eine solche Anordnung 1', 3' mit einem rechteckigen Querschnitt gemäß 3, wobei eine Seite, die im folgenden als Breite b bezeichnet werden soll, um einen Faktor n kleiner ist als die Seitenlänge A des obenerwähnten Quadrates, d.h. b = A/n, und andere Seite des rechteckigen Querschnittes, die im folgenden als Länge I bezeichnet werden soll, ist um eben diesen Faktor n größer als A, d.h. I = A*n. Dabei bleibt die Fläche des Querschnitts $${\text{S}}_{\text{r}}=\text{b}*\text{I}=\text{A/n* A*n}={\text{A}}^2,$$

  

  d.h. unverändert ergibt sich $${\text{S}}_{\text{r}}={\text{S}}_{\text{q}}={\text{S}}_{\text{k}}=\mathrm{3,14}*{\text{R}}^2.$$

  
• Der Umfang dieses Rechtecks ist $${\text{P}}_{\text{r}}=2\text{A/n}+2\text{A*n}=2\text{A}*\left(\text{n}+\text{1/n}\right)=\mathrm{3,54}*\text{R}*\left(\text{n}+\text{1/n}\right).$$

  
• Die für die Wärmeableitung des Zylinder-Kolben-Paares 1', 3' maßgebende Seitenoberfläche ist in diesem Fall $${\text{S}}_{\text{sr}}={\text{P}}_{\text{r}}*\text{H}=\mathrm{3,54}*\text{R}\left(\text{n}+1/\text{n}\right)*\text{H}\text{.}$$

  
• Daraus folgend ergibt sich in diesem Fall für die Vergrößerung der für die Wärmeableitung des Zylinder-Kolben-Paares maßgebende Seitenfläche $${\text{S}}_{\text{sr}}/{\text{S}}_{\text{sk}}=\left(\mathrm{3,54}*\text{R}*\left(\text{n}+1/\text{n}\right)*\text{H}\right)/\left(\mathrm{6,28}*\text{R}*\text{H}\right)=\mathrm{0,5637}*\left(\text{n}+\text{1}/\text{n}\right).$$

  
• Der Faktor n kann dabei völlig willkürlich gewählt werden, bspw. aus der Menge der natürlichen Zahlen oder aus der Menge der positiven reellen Zahlen. In ersterem Fall ergibt sich folgende Reihe für die Relativvergrößerung S_sr/S_sk der für die Wärmeableitung maßgeblichen Seitenoberfläche:

  n		1	2	3	4	5	usw.
  Ssr/Ssk	Absolutwert	1,128	1,410	1,880	2,400	2,930	usw.
  	%-Vergrößerg.	12,8	41,0	88,0	140,0	193,0	usw.

• Man erkennt daraus, dass die zur Kühlung geeignete Fläche um so größer wird, je unsymmetrischer bzw. langgestreckter der rechteckige Querschnitt gewählt wird. Je größer der Faktor n gewählt wird, um so effektiver kann daher die Lebensdauer und/oder Leistungsfähigkeit der Zylinder-Kolben-Paarung 1', 3' gesteigert werden. Allerdings muss aus konstruktiven Gründen, insbesondere auch hinsichtlich der Stabilität, ein Kompromiss gefunden werden, bspw. mit 2 ≤ n ≤ 5.
• Andererseits könnte es auch von Interesse sein, der Zylinder-Kolben-Paarung 1", 3" einen anderen Querschnitt zu erteilen, bspw. den eines gleichseitigen Dreiecks mit der Seitenlänge B gemäß 4. Die Berechnung der Verbesserung hinsichtlich der Wärmeableitungsfläche ist der obenerwähnten Herleitung ähnlich. Als Querschnittsfläche des Dreieckes ergibt sich $${\text{S}}_{\text{d}}={\text{B}}^2*\mathrm{1,73}/4=\mathrm{1,433}*{\text{B}}^2.$$

  
• Aus der Gleichheit S_d = S_k, d.h. 0,433 * B² = 3,14 * R², folgt $$\text{B}=\mathrm{2,693}*\text{R}\text{.}$$

  
• Als Umfang des Dreieckes erhält man $${\text{P}}_{\text{d}}=3*\text{B}=3*\mathrm{2,693}\text{ R}=\mathrm{8,0834}*\text{R}\text{.}$$

  
• Die für die Wärmeableitung maßgebende Seitenoberfläche ist demnach $${\text{S}}_{\text{sd}}={\text{P}}_{\text{d}}*\text{H}=\mathrm{8,0834}*\text{R}*\text{H}\text{.}$$

  
• Demzufolge vergrößert sich die für die Wärmeableitung maßgebende Seitenoberfläche gegenüber der streng zylindrischen Anordnung wie folgt: $${\text{S}}_{\text{sd}}/{\text{S}}_{\text{sk}}=\left(\mathrm{8,0834}*\text{R}*\text{H}\right)/\left(\mathrm{6,28}*\text{R}*\text{H}\right)=\mathrm{1,287,}\text{ d}.\text{h}.\text{ auf 28}\text{,7\%}\text{.}$$

  
• Demzufolge ist eine dreieckige Geometrie des Kolbens 3" ebenfalls gegenüber der streng zylindrischen Anordnung zu bevorzugen.

Claims (10)

1. Zylinder (1; 1';1") einer Kraft erzeugenden und/oder Arbeit verrichtenden Maschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors, mit wenigstens einem Hohlraum (2;2';2") und einem darin in einer Richtung linear verschiebbar geführten Kolben (3;3';3"), wobei ein Schnitt durch den Hohlraum (2;2';2") quer zu der Verschieberichtung unabhängig von der Verschiebeposition ist, und wobei der Kolbenquerschnitt etwa dem Querschnitt des Hohlraums (2;2';2") entspricht, und wobei der Hohlraum (2;2';2") und der Kolben (3;3';3") einen Querschnitt aufweist, dessen Umfang zumindest bereichsweise unterschiedlichen Krümmungsradien folgt, und wobei ferner eine Pleuelstange an der Unterseite des Kolbens (3;3';3") im Schwerpunkt der Kolbenquerschnittsfläche angelenkt ist. dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelstange an der Unterseite des Kolbens (3;3';3") mit einem Kugelgelenk angelenkt ist, wobei der Hohlraum (2;2';2") und der Kolben (3;3';3") eine oder mehrere Kanten parallel zu der Verschieberichtung aufweisen.
2. Zylinder mit einem Kolben (3;3';3") nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten abgerundet sind mit einem Krümmungsradius von mehr als 0,1 mm, vorzugsweise mehr als 0,2 mm, insbesondere mehr als 0,5 mm.
3. Zylinder mit einem Kolben (3;3';3") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zylinder-Kolben-Anordnungen mit gleichem Querschnitt durch den Hohlraum (2;2';2") und durch den Kolben (3;3';3") im Rahmen einer Kraft- oder Arbeitsmaschine zusammengefasst sind.
4. Zylinder mit einem Kolben (3;3';3") nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zylinder-Kolben-Anordnungen mit gleichem Querschnitt durch den Hohlraum (2;2';2") und durch den Kolben (3;3';3") seitlich nebeneinander angeordnet sind.
5. Zylinder mit einem Kolben (3;3';3") nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Ausrichtung der zusammengefassten Zylinder-Kolben-Anordnungen identisch ist.
6. Zylinder mit einem Kolben (3;3';3") nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengefassten Zylinder-Kolben-Paarungen in einer Reihe hintereinander angeordnet sind.
7. Zylinder mit einem Kolben (3;3';3") nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengefassten, in einer Reihe hintereinander angeordneten Zylinder-Kolben-Paarungen derart ausgerichtet sind, dass ihre kürzeren Querschnittsabmessungen parallel zu der Reihe ausgerichtet sind.
8. Zylinder mit einem Kolben (3;3';3") nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen benachbarten Hohlräumen (2;2';2") größer ist als die Hälfte ihrer kürzeren Querschnittsabmessung, insbesondere größer als ihre kürzere Querschnittsabmessung.
9. Zylinder mit einem Kolben (3;3';3") nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Raum zwischen benachbarten Hohlräumen (2;2';2") weitere Hohlräume zur Kühlung vorgesehen sind.
10. Zylinder mit einem Kolben (3;3';3") nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlräume von einem Kühlmedium, insbesondere von einer Kühlflüssigkeit, durchströmt werden.

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