DE102009017609A1 - Piston/cylinder-group for piston engine, has piston provided with casing that is made of fine grain graphite, polyether ether ketone-materials, aramide-reinforced thermoplastic, PTFE reinforced plastic or ceramic materials - Google Patents

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Abstract

The group has a piston (1) provided with a casing (2) that is made of fine grain graphite or plastic such as polyether ether ketone-materials, aramide-reinforced thermoplastic, PTFE reinforced plastic or ceramic materials. Piston rings (4) are inserted into the piston, and a wearing ring (5) is arranged between the piston rings and made of softer solid lubricants. The piston rings and the wearing ring are pre-stressed by hose springs (6), where the piston rings comprise diamond like carbon (DLC) layers. A medium is supplied to a lubricant reservoir.

Description

Die Erfindung betrifft eine spezielle Ausbildung von Brennkraftmaschinen, wie sie für den schadstoffarmen Gegenkolbenmotor nach Patent DE 100 26 458 C2 [1], aber auch andere schadstoffarme Zweitakt- und Viertaktmotoren notwendig ist.The invention relates to a special design of internal combustion engines, as for the low-emission piston engine according to patent DE 100 26 458 C2 [1], but other low-emission two-stroke and four-stroke engines is necessary.

Sie legt die besonderen technischen Mittel dar, wie sie für einen schmierölfreien Betrieb in der Kolben/Zylinder-Gruppe bezüglich der Kolben- und Zylindergestaltung, der Werkstoffe, der Paarungs- und Schmierverhältnisse, der Schmiermittel sowie der Triebwerksgestaltung erforderlich sind.she lays down the special technical means, as they are for a lubricating oil-free operation in the piston / cylinder group with regard to the piston and cylinder design, the materials, the mating and lubricating conditions, the lubricant and the engine design are required.

Es sind bereits eine Reihe von Erfindungsvorschlägen bekannt, welche durch Einsatz von Werkstoffen wie Kohlenstoff/Feinkorngrafit, Keramik und anderen Sonderwerkstoffen einen schmierungsarmen Betrieb ermöglichen.It There are already a number of proposals for invention known which by using materials such as carbon / fine grain graphite, Ceramics and other special materials a low-lubrication operation enable.

So beschreiben die DE 198 48649 A1 [2], aber auch andere Druckschriften wie DE 101 28055.6 [3] besondere Gleitpaarungen und Werkstoffe/Werkstoffbeschichtungen für einen schmierungsarmen Motorbetrieb.So describe the DE 198 48649 A1 [2], but also other pamphlets like DE 101 28055.6 [3] Special mating and materials / material coatings for a low-lubrication engine operation.

Eine Schmierungsfreiheit wird dabei nicht erreicht, weil durch die zum Triebwerksraum offene Zylinderbüchse (Tauchkolbenbauart) ein Einschleudern von Abspritzöl vom Triebwerk in diese Zylinderbüchse nicht verhindert werden kann.A Lubrication is not achieved because of the for Engine room open cylinder liner (plunger type) a slinging of injection oil from the engine in this Cylinder liner can not be prevented.

So werden bei diesen Erfindungen, wie z. B. in der o. g. DE 198 48649 A1 Ölabstreifringe, Öltaschen und andere Elemente von herkömmlichen geschmierten Kolben vorgesehen. Die Kolben sind Ausführungen nach der Tauchkolbenbauart, d. h. sie besitzen einen Kolbenbolzen und die Pleuelstange ist über diesen Kolbenbolzen mit dem Kolben gelenkig verbunden. Dabei muss der Kolbenbolzen besonders stark dimensioniert sein, da die ertragbaren Flächenbelastungen solcher Sonderwerkstoffe geringer als diejenigen metallischer Werkstoffe sind.Thus, in these inventions, such as. B. in the above DE 198 48649 A1 Oil scraper rings, oil pockets and other elements provided by conventional lubricated pistons. The pistons are versions of the plunger type, ie they have a piston pin and the connecting rod is articulated via this piston pin with the piston. In this case, the piston pin must be particularly strong dimensions, since the tolerable surface loads of such special materials are lower than those of metallic materials.

Die Vorzüge beispielsweise eines Kohlenstoffkolbens bestehen bei diesen Erfindungsvorschlägen im geringerem Gewicht, kleinerem Einbauspiel, bes. im Feuerstegbereich, und in der hohen Warmfestigkeit des Kohlenstoffs. Ein ölfreier Betrieb in der Kolben/Zylinder-Gruppe kann, wie erwähnt, wegen der Tauchkolbenbauart nicht erreicht werden.The Advantages of, for example, a carbon piston exist in these proposals for invention in the lighter weight, smaller installation play, in particular in the Feuerstegbereich, and in the high heat resistance of carbon. Oil-free operation in the piston / cylinder group can, as mentioned, not reached because of the plunger type become.

Es verbleibt stets ein Ölfilm auf der Zylinderinnenwand und dieser, nur wenige μm dicken Schicht kommt für die Emissionen eine hauptsächliche, stark umweltbelastende Rolle zu.It always remains an oil film on the cylinder inner wall and this, only a few microns thick layer comes for the emissions are a major, heavily polluting Role too.

Der Ölfilm verdampft und brennt, während der Kolben im Arbeitstakt die Zylinderwanderung freigibt, mit ab und ist für einen hohen Schadstoffausstoß verantwortlich. Die Kohlenwasserstoffe (Soluble Organic Fraktion-SOF), die Nitrate, Phosphate, Salze, Aschen (Non Soluble Fraktion-NSF) werden in erheblichem Maße vom mit verbrennenden Ölfilm verursacht. Sie werden umso höher, je größer der Ölverbrauch eines Motors im Laufe seiner Betriebszeit ist.The oil film evaporates and burns while the piston is working The cylinder migration releases with and is for one responsible for high pollutant emissions. The hydrocarbons (Soluble Organic Fraction-SOF), the nitrates, phosphates, salts, ashes (Non Soluble Fraction-NSF) are used extensively by caused by burning oil film. They get higher, the greater the oil consumption of an engine in the course of its operating time.

Dabei wird er Ölverbrauch zu etwa 75% von der Kolben/Zylinder-Gruppe bestimmt, ihr kommt also eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der Schadstoffemissionen zu [4; 5; 6].there It will consume about 75% of the piston / cylinder group's oil consumption Certainly, so you have a key role in the creation pollutant emissions to [4; 5; 6].

Ein weiterer, von der Tauchkolbenbauart mit offenem Zylinderrohr bedingter Nachteil ist die Verschmutzung und Versäuerung des Motoröles infolge der blow-by-Gase. Insbesondere bei Biogas- und Biodieselmotoren sind deshalb Ölwechsel nach erheblich kürzeren Betriebszeiten erforderlich. Dies führt bei Anlagen mit erneuerbaren Energien, z. B. Blockheizkraftwerken, zu deutlich erhöhten Kosten. Zudem ist der stärkere, nach Tausenden Liter zu messende Anfall von Altöl kein Beitrag zur Umweltentlastung.One Other, of the plunger type with an open cylinder tube conditional Disadvantage is the pollution and acidification of the engine oil as a result of the blow-by gases. Especially for biogas and biodiesel engines are therefore oil changes after considerably shorter ones Operating times required. This leads to installations renewable energies, eg As combined heat and power plants, increased significantly Costs. In addition, the stronger, after thousands of liters too measuring accumulation of waste oil no contribution to environmental relief.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in luft- oder gemischverdichtenden Kolbenmaschinen, die nach dem Zweitakt- oder Viertaktverfahren oder als Kompressoren arbeiten, einen absolut schmierungsfreien – oder zumindest steuerbaren Mangelschmier-Betrieb in der Kolben/Zylinder-Gruppe zu ereichen und das Eindringen von Verbrennungsgasen in den Triebwerksraum zu unterbinden.Of the Invention is based on the object in air or mixture compressing Piston engines, after the two-stroke or four-stroke process or as Compressors work, an absolutely lubrication - or at least controllable lean lubrication operation in the piston / cylinder group to reach and the penetration of combustion gases into the engine room to prevent.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf der Basis der Patente DE 100 26 458 C2 [1] und DE 10 2006 015 645 A1 [7] besondere technische Mittel für eine völlig schmierungsfreie bzw. gesteuert mangelgeschmierte Kolben/Zylinder-Gruppe eingesetzt werden.This object is achieved in that on the basis of patents DE 100 26 458 C2 [1] and DE 10 2006 015 645 A1 [7] special technical means are used for a completely lubrication-free or controlled lack-lubricated piston / cylinder group.

Die Basis ist die in [1] und [7] gezeigte, besondere Kreuzkopfbauart, welche eine völlig öldichte Abschirmung der Kolben/Zylinder-Gruppe vom Triebwerksraum gewährleistet und alle Seitenkräfte (Normalkräfte) auf den bei ölfreiem Betrieb besonders verschleißempfindlichen Kolben vermeidet.The The basis is the special crosshead type shown in [1] and [7], which is a completely oil-tight shielding of the piston / cylinder group guaranteed by the engine room and all lateral forces (Normal forces) to the oil-free operation particularly sensitive to wear Avoids piston.

Die technischen Mittel werden in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt.The Technical means are shown in the following drawings.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe, wobei der vorzugsweise aus metallischen Werkstoffen bestehende Kolben 1 mit einem Mantel 2 versehen ist und dieser Mantel mit einem geringen Einbauspiel im Zylinder 3 eingepasst ist und den Kolben 1 führt. 1 a lubricating oil-free piston / cylinder group, wherein the preferably made of metallic materials piston 1 with a coat 2 is provided and this coat with a small installation play in the cylinder 3 is fitted and the piston 1 leads.

Der Mantel 2 besteht aus Feinkorngrafit, infiltriert mit verschiedenen Stoffen wie Kupfer, Aluminium, Antimon u. a., oder ähnlichen ölfrei gleitenden, mit Trockenschmiereigenschaften ausgestatteten Werkstoffen. Solche Werkstoffe können beispielsweise auch Kunststoffe wie PEEK-Werkstoffe, aramidverstärkte Thermoplaste, metallische Gläser (Metallic Glassy Alloys), mit PTFE chemisch verbundene Kunststoffe oder keramische Werkstoffe der verschiedensten Art sein. Dabei kann der Mantel 2 auch einen festen Werkstoffverbund mit dem Kolben 1 bilden. Der Kolben 1 kann auch vollständig aus den vorstehend genannten Werkstoffen bestehen. Im Kolben 1 sind Kolbenringe 4 radial und axial beweglich eingesetzt, wobei sie aus den gleichen Werkstoffen wie der Mantel 2 bestehen können.The coat 2 It consists of fine-grained graphite infiltrated with various materials such as copper, aluminum, antimony, etc., or similar oil-free sliding materials with dry lubricating properties. Such materials may be, for example, plastics such as PEEK materials, aramid-reinforced thermoplastics, metallic glasses (Metallic Glassy Alloys), with PTFE chemically bonded plastics or ceramic materials of various kinds. This can be the coat 2 also a solid composite material with the piston 1 form. The piston 1 may also consist entirely of the materials mentioned above. In the piston 1 are piston rings 4 used radially and axially movable, being made of the same materials as the jacket 2 can exist.

Zwischen den Kolbenringen 4 ist ein besonderer Verschleißring 5 angeordnet, welcher als Festschmierstoff wie weicher Feinkorngrafit, Molybdändisulfid o. ä. das Trockenlaufverhalten unterstützt.Between the piston rings 4 is a special wear ring 5 arranged, which supports the dry running behavior as a solid lubricant such as soft Feinkorngrafit, molybdenum disulfide o. Ä.

Zur Erhöhuug der Anpresskräfte werden dabei die Kolbenringe 4 und der Verschleißring 5 durch die Schlauchfedern 6 vorgespannt.To increase the contact pressure, the piston rings become 4 and the wear ring 5 through the hose springs 6 biased.

Vorzugsweise bestehen die Kolbenringe 4 aber – wie die heute üblichen Kolbenringe – aus besonderem Gusseisen oder Stahl und sind zumindest an der mit dem Zylinder 3 zusammen arbeitenden Lauffläche mit einer DLC-Beschichtung versehen (Diamond Like Carbon).Preferably, the piston rings exist 4 but - like today's piston rings - made of special cast iron or steel and are at least on the cylinder 3 working tread with a DLC coating (Diamond Like Carbon).

Bevorzugt werden dabei DLC-Schichten nach Patent WO 2007/118463 A1 aufgebracht, welche durch eine besondere Verfahrensführung eigenspannungsfrei hergestellt werden können. Auch die Mantelfläche des Kolbens 1 und die innere Lauffläche des Zylinders 3, der vorzugsweise aus Stahl oder Gusseisen besteht, können mit einer solchen besonderen DLC-Schicht versehen sein. Die Lauffläche kann aber auch in herkömmlicher Weise gehärtet, nitriert, insbes. mit Cromnitrid, oder keramisiert werden.Preference is given to DLC layers according to patent WO 2007/118463 A1 applied, which can be produced by a special process procedure without residual stress. Also the lateral surface of the piston 1 and the inner tread of the cylinder 3 which is preferably made of steel or cast iron may be provided with such a special DLC layer. But the tread can also be cured in a conventional manner, nitrided, esp. Cromnitrid, or ceramized.

Schließlich kann aus den vorstehend genannten Sonderwerkstoffen auch eine Laufbüchse 7 in den Zylinder 3 eingezogen sein.Finally, from the above-mentioned special materials also a liner 7 in the cylinder 3 be drafted.

Die 2 stellt den Zylinder 3 mit einer erfindungsgemäß besonderen Laufbüchse 7a dar, derart, dass diese vollständig oder teilweise aus Keramik, Sinterwerkstoff oder Feinkorngrafit besteht und in einem bestimmten Abschnitt 8 eine gewisse Porosität aufweist, und der poröse Abschnitt 8 mit einem Schmierstoffreservoir 9 zwischen Zylinder 3 und Laufbüchse 7a in Verbindung steht. Diesem Reservoir 9 wird über den Zylinder 3 ein als Schmierstoff dienendes Medium wie Mineralöl, aber auch Wasser bzw. Emulsionen unter Druck zugeführt, so dass infolge der Materialporosität eine bestimmte, durch die Höhe des angelegten Druckes regelbare Mangelschmierung den Trockenlaufvorgang in der Kolben/Zylinder-Gruppe unterstützt. Die Druckhöhe und damit die Intensität der Mangelschmierung kann dabei mit der Laststufe der Kolbenmaschine gekoppelt sein.The 2 puts the cylinder 3 with a particular invention liners 7a in such a way that it consists wholly or partly of ceramic, sintered material or fine grain graphite and in a certain section 8th has a certain porosity, and the porous section 8th with a lubricant reservoir 9 between cylinders 3 and liners 7a communicates. This reservoir 9 gets over the cylinder 3 a serving as a lubricant medium such as mineral oil, but also fed water or emulsions under pressure, so that due to the material porosity a certain, controllable by the amount of applied pressure lack lubrication supports the dry-running operation in the piston / cylinder group. The pressure level and thus the intensity of the lack of lubrication can be coupled with the load level of the piston engine.

Die Laufbüchse 7a, bzw. der Abschnitt 8, kann dabei auch als keramische Rohrmembran, wie sie z. B. zur Feinfilterung in der chemischen- oder Lebensmittelindustrie eingesetzt wird, ausgeführt sein.The liner 7a , or the section 8th , Can also be used as a ceramic tube membrane, as z. B. is used for fine filtration in the chemical or food industry, be executed.

11
Kolbenpiston
22
Mantelcoat
33
Zylindercylinder
44
Kolbenringpiston ring
55
Verschleißringwear ring
66
Schlauchfederhose spring
7/7a7 / 7a
Laufbüchseliner
88th
Abschnittsection
99
Schmierstoffreservoirlubricant reservoir

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • - DE 102006015645 A1 [0013] - DE 102006015645 A1 [0013]
  • - WO 2007/118463 A1 [0022] WO 2007/118463 A1 [0022]

Claims (11)

Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen, welche nach DE 100 26 458 C2 und DE 10 2006 015 645 A1 ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben (1) mit einem Mantel (2) versehen ist, wobei der Mantel (2) aus Feinkorngrafit oder Kunststoffen wie PEEK-Werkstoffen, aramidverstärkten Thermoplasten, metallischen Gläsern, mit PTFE verstärkten Kunststoffen oder keramischen Werkstoffen besteht.Lubricant-free piston / cylinder group for piston engines, which after DE 100 26 458 C2 and DE 10 2006 015 645 A1 are executed, characterized in that a piston ( 1 ) with a coat ( 2 ), wherein the jacket ( 2 ) made of fine graphite graphite or plastics such as PEEK materials, aramid-reinforced thermoplastics, metallic glasses, PTFE-reinforced plastics or ceramic materials. Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) einen festen, nicht lösbaren Verbund mit dem Mantel (2) bildet.Lubricant-free piston / cylinder group for piston engines according to claim 1, characterized in that the piston ( 1 ) a solid, non-detachable composite with the jacket ( 2 ). Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) vollständig aus den genannten Sonderwerkstoffen besteht.Lubricant-free piston / cylinder group for piston engines according to claim 1, characterized in that the piston ( 1 ) consists entirely of the specified special materials. Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kolben (1) eingesetzte Kolbenringe (4) aus den gleichen Werkstoffen wie der Mantel (2) bzw. der Kolben (1) bestehen.Lubricant-free piston / cylinder group for piston engines according to claim 1 to 3, characterized in that in the piston ( 1 ) used piston rings ( 4 ) made of the same materials as the jacket ( 2 ) or the piston ( 1 ) consist. Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein besonderer, aus weicheren Festschmierstoffen bestehender Verschleißring (5) zwischen den Kolbenringen (4) angeordnet ist.Lubricant-free piston / cylinder group for piston engines according to claim 1 to 4, characterized in that a special, consisting of softer solid lubricants wear ring ( 5 ) between the piston rings ( 4 ) is arranged. Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenringe (4) und der Verschleißring (5) durch Schlauchfedern (6) vorgespannt sind.Lubricant-free piston / cylinder group for piston engines according to claim 1 to 5, characterized in that the piston rings ( 4 ) and the wear ring ( 5 ) by hose springs ( 6 ) are biased. Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenringe (4) mit DLC-Schichten (Diamond Like Carbon), insbes. nach Patent WO 2007/118463 A1 versehen sind.Lubricant-free piston / cylinder group for piston engines according to claim 1 to 5, characterized in that the piston rings ( 4 ) with DLC layers (Diamond Like Carbon), esp. Patent WO 2007/118463 A1 are provided. Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche des Zylinders (3) mit einer DLC-Schicht versehen oder in herkömmlicher Weise gehärtet, nitriert oder keramisiert ist.Lubricant-free piston / cylinder group for piston engines according to claim 1 to 7, characterized in that the running surface of the cylinder ( 3 ) is provided with a DLC layer or conventionally cured, nitrided or ceramified. Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufbüchse (7) aus den in Anspruch 1 genannten Sonderwerkstoffen in den Zylinder (3) eingesetzt ist.Lubricant-free piston / cylinder group for piston engines according to claim 1 to 7, characterized in that a liner ( 7 ) from the specified in claim 1 special materials in the cylinder ( 3 ) is used. Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufbüchse (7a) einen porösen Abschnitt (8) aufweist, welcher mit einem Schmierstoffreservoir (9) in Verbindung steht.Lubricant-free piston / cylinder group for piston engines according to claim 1 to 7, characterized in that a liner ( 7a ) a porous section ( 8th ), which with a lubricant reservoir ( 9 ). Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schmierstoffreservoir (9) Medien wie Mineralöl, Wasser, Emulsionen unter Druck zugeführt wird, wobei die Druckhöhe mit der Laststufe der Kolbenmaschine gekoppelt ist.Lubricant-free piston / cylinder group for piston engines according to claim 1 to 10, characterized in that the lubricant reservoir ( 9 ) Media such as mineral oil, water, emulsions is supplied under pressure, wherein the pressure level is coupled to the load stage of the reciprocating engine.
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