DE102007053873A1

DE102007053873A1 - Geteilter Kolbenring für Heißgasmotoren mit einer Vorspannung, die bei Betriebstemperatur verschwindet

Info

Publication number: DE102007053873A1
Application number: DE200710053873
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Gimsa
Original assignee: Enerlyt Technik GmbH
Current assignee: Enerlyt Technik GmbH
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2009-05-14

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen geteilten Kolbenring zum Einsatz in Heißgasmotoren, dessen Vorspannung so eingestellt ist, dass sie bei Motorbetriebstemperatur verschwindet.

Description

Stand der Technik
Kolbenringe sind in den verschiedensten Ausführungsformen hinlänglich bekannt. Die Stöße können unterschiedlich ausgebildet sein. So gibt es bspw. gerade, schräge, überlappte und gasdichte Stöße. Die Ringe lassen sich bezogen auf den Kolbenumfang einteilig oder bestehend aus mehreren Segmenten ausführen. Ein Ring kann demzufolge bspw. aus 3 Segmenten mit gasdichten Stößen bestehen, wie sie in der Patentanmeldung DE 10 2007 034 418 beschrieben sind. Die Ringe können unabhängig davon, ob sie geteilt oder einteilig sind, mit einer definierten Vorspannung versehen werden. Das wird damit erreicht, dass der Ringaußendurchmesser geringfügig größer ausgeführt wird als der Zylinderinnendurchmesser. Die Ringe werden während des Betriebes an die Zylinderwand gepresst und dichten den Kolben ab. Ein Nachteil der Vorspannung ist, dass die Ringe im Zylinder keine ideale Kreisform besitzen und damit eine vorspannungsbedingte Gasleckage auftritt. Durch die abweichende Kreisform tritt an den Stellen, an denen der Ring stärker an die Zylinderwandung drückt, erhöhter Verschleiß auf. Das mindert die Vorspannung. Mit vorliegender Erfindung können diese Nachteile für Motoren mit hoher Zylinderwandtemperatur, insbesondere Heißgasmotoren, überwunden werden.
Aufbau
Die Zylinder von Motoren weisen oft eine deutlich über der Umgebungstemperatur liegende Betriebstemperatur auf. Insbesondere bei Heißgasmotoren ist es möglich, dass die Zylindertemperaturen weit über 100°C betragen.
Die vorliegende Erfindung beschreibt einen geteilten Kolbenring für Heißgasmotoren mit einem Außendurchmesser größer als der Zylinderinnendurchmesser, der dadurch gekennzeichnet ist, dass seine Vorspannung über den Außendurchmesser so eingestellt ist, dass der Ring, dessen Material einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Zylinder, bei Betriebstemperatur genau den gleichen Durchmesser hat, wie der Zylinder.
Kolbenringe, insbesondere der doppelt wirkenden Bauart, können auch ohne Vorspannung gut abdichten, indem der Gasleckagestrom zwischen Ring und Zylinderwand für einen statischen Unterdruck sorgt, der die Ringe an die Wand saugt. Dieses System versagt bei zu geringen Druckunterschieden der Kolbenseiten. Beim Hochfahren des Motors dichten die Kolbenringe durch ihre Vorspannung ab. Auch bei geringen Druckunterschieden an bspw. doppelt wirkenden Kolben werden so gute Abdichtergebnisse erzielt. Mit der Zylindererwärmung dehnt sich die Zylinderwand aus und in geringerem Maße auch die Kolbenringe. Mit Erreichen der Betriebstemperatur sollen Zylinder und Kolbenring den gleichen Durchmesser haben.
Das wird mit einer definierten Übergröße des Ringes (oder Ringsegmente) erreicht:
Die Längenänderung eines Materials ausgehend von 20°C Umgebungstemperatur zu einer hohen Temperatur lässt sich wie folgt berechnen: ΔL = αLL0(Thoch – T20°C) [1]
Dementsprechend gilt für die Längenänderung des Umfanges eines zylindrischen Rohres oder Ringes: ΔU = αLU0(Thoch – T20°C) [2]
Der Umfang eines Rohres, dessen Betriebstemperatur auf hohem Niveau liegt, ergibt sich zu: UBetrieb = U20°C + ΔU [3]
[2] in [3] eingesetzt und vereinfacht führt zu: UBetrieb = πd20°C[1 + αL(TBetrieb – T20°C)] [4]
Da gewährleistet sein soll, dass der Kreisumfang des Kolbenringes bei Betriebstemperatur dem Kreisumfang des Zylinders entspricht, lässt sich schreiben: URing Betrieb = Uzyl Betrieb [5]
[4] indiziert für Kolbenring und Zylinder und eingesetzt in [5] führt zu: πdRing 20°C[1 + αRing(TBetrieb – T20°C)] = πdZyl 20°C[1 + αZyl(TBetrieb – T20°C)] [6]
Der Durchmesser des Kolbenringes, der eine leichte Vorspannung beim Anfahren der Maschine gewährleistet und bei Betriebstemperatur sicherstellt, dass der Ring eine ideale Kreisform besitzt und außerdem der Ringaußendurchmesser gleich dem Zylinderinnendurchmesser ist, beträgt:
Da nun die Vorspannung verschwunden ist, dichten die Ringe allein durch den beschriebenen Bernoulli-Effekt. Das führt zu einem gegenüber der Vorspannung deutlich reduzierten und gleichmäßigeren Verschleiß. Die Reibungsarmut erhöht die Ausbeute an mechanischen Maschinenarbeit. Die Ringe können während des Betriebes annähernd über ihre gesamte Stärke verschleißen ohne dass das System undicht wird. So werden hohe Standzeiten erreicht.
Ein geteilter Kolbenring nach der erfindungsgemäßen Ausführung kann aus einem Stück oder aus mindestens 2 Segmenten bestehen. Seine Stöße können überlappend oder gasdicht ausgeführt sei.
Als besonders vorteilhaft erweist sich der beschriebene Ring für die Expansions- oder Kompressionskolben eines 2-Zyklen-Motors nach EP 1306539 und US 6,968,688 sowie eines 4-Zyklen-Motors nach PCT/DE2005/001833 . Da diese Motoren auf der Expansionsseite sehr hohe Zylindertemperaturen besitzen, lässt sich hier die Einstellung der Vorspannung besonders gut vornehmen.
Eine vorteilhafte Materialpaarung stellt das System Zylinder aus Edelstahl 1.4541 und Ring aus Bornitrid oder aus einem bornitridhaltigen Material dar. Hiermit lassen sich sehr gute Bearbeitungsqualitäten sowie Gleiteigenschaften bei hohen Temperaturen erzielen.
Die Ringe lassen sich auch aus anderen gleitfähigen Materialien fertigen, die einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizenten besitzen als die Zylinderwand.
Vorteile
Die allgemeinen Vorteile der beschriebenen Kolbenringe sind die Gasdichtheit bei allen Betriebszuständen, die Reibungsarmut und die hohen Standzeiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007034418 [0001]
- EP 1306539 [0014]
- US 6968688 [0014]
- DE 2005/001833 [0014]

Claims

Geteilter Kolbenring für Heißgasmotoren mit einem Außendurchmesser größer als der Zylinderinnendurchmesser, dadurch gekennzeichnet, dass seine Vorspannung über den Außendurchmesser gemäß Formel [7] so eingestellt ist, dass der Ring, dessen Material einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Zylinder, bei Betriebstemperatur genau den gleichen Durchmesser hat, wie der Zylinder.
Geteilter Kolbenring für Heißgasmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring aus einem Stück oder aus mindestens 2 Segmenten besteht.
Geteilter Kolbenring für Heißgasmotoren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass seine Stöße überlappend oder gasdicht sind.
Geteilter Kolbenring für Heißgasmotoren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er für die Expansions- oder Kompressionskolben eines 2-Zyklen-Motors nach EP 1306539 und US 6,968,688 sowie eines 4-Zyklen-Motors nach PCT/DE2005/001833 zum Einsatz kommt.
Geteilter Kolbenring für Heißgasmotoren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Bornitrid oder aus einem bornitridhaltigen Material besteht und in einem Zylinder aus Edelstahl 1.4541 eingesetzt wird.
Geteilter Kolbenring für Heißgasmotoren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem beliebigen gleitfähigen Material gefertigt wird.