DE102011100418A1

DE102011100418A1 - Hubkolben für eine Kolbenmaschine

Info

Publication number: DE102011100418A1
Application number: DE102011100418A
Authority: DE
Inventors: Helmut Betzmeier
Original assignee: Neander Motors AG
Current assignee: Neander Motors AG
Priority date: 2011-05-04
Filing date: 2011-05-04
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2031-05-05
Also published as: DE102011100418B4

Abstract

Dieser Hubkolben ist für eine Kolbenmaschine ausgelegt, die als Pumpe, Kompressor, Epansionsmaschine oder dgl. wirkt, welcher in einer Zylinderbohrung eines Zylinders hin und her bewegbare Hubkolben ein Kolbenbodensystem, eine Kolbenringzone, einen Kolbenschaft und Kolbenbolzennaben aufweist, welches Kolbenbodensystem an einer einen Kompressionsraum im Zylinder zugekehrten Seite einen ersten Bereich und an einer auf die Kolbenbolzennaben weisenden Seite einen zweiten Bereich umfasst. Zur Optimierung dieses Hubkolbens ist im ersten Bereich ein oberes Bodenelement aus einem Werkstoff mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit z. B. Edelstahl angeordnet, das als vorgefertigtes Bauteil mit einem im zweiten Bereich vorgesehenen unteren Bodenabschnitt des aus einer Leichtmetalllegierung bestehenden Hubkolbens verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hubkolben für eine Kolbenmaschine, die als Pumpe, Kompressor, Expansionsmaschine oder dgl. wirkt, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist eine Kolbenmaschine für verschiedene Anwendungsgebiete bekannt, FR 1.011.422 , die einen Hubkolben aufweist. Der Hubkolben wird von einem Kühlmantel eines Zylindergehäuses umgeben und in einer Zylinderbohrung in entgegen gesetzte Richtungen bewegt. Der Hubkolben wirkt mit einem Betätigungshebel zusammen, der einerseits mit dem Hubkolben und andererseits mit zwei Pleueln zusammenarbeitet. Die Pleuel sind an zwei Kurbelwellen angeschlossen, die mit parallelem Abstand zueinander verlaufen. An den Kurbelwellen sind Stirnräder angebracht die miteinander kämmen, so dass sich die Kurbelwellenräder gegenläufig drehen.
Die DE 10 2006 053 923 B4 gibt eine Kolbenarbeitsmaschine wieder, die über zwei achsparallele Kurbelwellen verfügt. Die Kurbelwellen stehen über zwei Pleuel mit einem Hubkolben und über ein Stirnradgetriebe untereinander in Wirkverbindung, dergestalt, dass diese Kurbelwellen gegensinnig synchron rotieren. Der Hubkolben besteht aus einem Stück und begrenzt mit einem Kolbenboden einen Kompressionsraum in einem Zylindergehäuse, in dem beim Betrieb der Kolbenarbeitsmaschine als Kompressor eine höhere Temperatur herrscht als in einem vom Kompressionsraum abgekehrten Kurbelraum. An einem Kolbenschaft des Hubkolbens ist eine Kolbenringzone vorgesehen, die mit radialen Nuten versehen ist. In die mit axialem Abstand zueinander sich erstreckenden Nuten sind Kolbenringe eingesetzt. Damit der Kolben trocken in einer Zylinderbohrung des Zylindergehäuses betrieben werden kann bestehen die Kolbenringe aus Polytetrafluorethylen-PTFE-.
Es ist Aufgabe der Erfindung einen Hubkolben für eine Kolbenmaschine z. B. mit zwei Kurbelwellen und zwei Pleuel je Hubkolben zu konzipieren, der durch gezielte Gestaltung, insbesondere in einem Kolbenbodenbereich eine gute Funktion aufweist und den unterschiedlichen Wärmebelastungen in einem Kompressionsraum und einem davon entfernten Kurbelraum Rechnung trägt. Dabei sollten aber auch solche Maßnahmen getroffen werden, dass dieser Hubkolben mit vertretbaren Mitteln entwickel- und herstellbar ist.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile sind darin zu sehen, dass der Hubkolben dank der Ausbildung seines Kolbenbodensystems mit dem oberen Bodenelement und dem unteren Bodenabschnitt sich durch ausgezeichnete Betriebseigenschaften auszeichnet und den herrschenden Temperaturverhältnissen im Kompressionsraum und im Kurbelraum musterhaft standhält. Dazu leistet das aus einem Werkstoff mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit z. B. Edelstahl bestehende obere Bodenelement im ersten Bereich des Kolbenbodensystems einen besonderen Beitrag, welches Bodenelement auf ausgeklügelte Art und Weise mit dem unteren Bodenabschnitt des zweiten Bereichs des aus einer Leichtmetalllegierung bestehenden Hubkolbens verbunden ist. Als günstig hervorzuheben ist, dass der untere Bodenabschnitt und das obere Bodenelement in der Kolbenringzone zur Aufnahme von wenigstens zwei Kolbenringen versehen sind. Konstruktiv vorteilhaft ist auch, dass das Bodenelement eine ebene Bodenplatte besitzt, von der aus – in axialer Richtung des Kolbens betrachtet – ein Kragen weggeführt ist, der mit einem Endbereich auf einer Stützschulter des unteren Bodenabschnitts aufliegt. Dazu tragen auch die radialen oberen und unteren Stege des Bodenelements bei, wobei der obere Steg und der untere Steg bzw. der untere Steg und ein Abschnitt der Schulter Nute zur Aufnahme der Kolbenringe begrenzen. Maßstäbe setzt darüber hinaus die Ausführung, nämlich, dass in einem von dem Kragen und ein Teilbereich der Begrenzungsplatte definierten Raum eine zylinderische, zapfenartige Ausformung des untern Bodenabschnitts eingreift. Unterstütz wird vorstehendes auch dadurch, dass das obere Bodenelement und der untere Bodenabschnitt des Hubkolbens durch ein Gussverfahren miteinander verbunden sind. Eine andere Möglichkeit ist, das obere Bodenelement und den unteren Bodenabschnitt des Hubkolbens form- und/oder kraftschlüssig gegebenenfalls auch stoffschlüssig lösbar oder unlösbar zusammenzusetzen, vorzugsweise auch mittels eines Gewindes zwischen Kragen und Ausformung. Die Luftkammer oder Luftkammern zwischen Begrenzungsplatte des oberen Bodenelements und unterm Boden bewirken auf bemerkenswerte Weise, dass der Hubkolben, gerade in seinem ersten Bereich des Kobenbodensystems, der ja dem Kompressionsraum zugekehrt ist, den auftretenden Wärmegraden – 210°C bis 250°C – vorbildlich standhält. Die Kolbenringe des Hubkolbens sind für Trockenlauf – kein Schmiermittel – ausgelegt, bestehen aus bewährtem Polytetrafluorethylen und dichten den Hubkolben gegenüber der Zylinderwand der Zylinderbohrung in dem Zylindergehäuse funktionsgerecht ab, wobei Funktion und Montage des oberen Kolbenrings durch einen schrägen Stoß und des untern Kolbenrings durch einen schrägen Stoß positiv beeinflusst werden. Schließlich wird die Reibleistung des Hubkolbens in der Zylinderbohrung teleologisch dann noch optimiert, wenn der Kolbenschaft an der Außenfläche unterhalb der Kolbenringzone mit einer Beschichtung bspw. aus Teflon versehen ist.
In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das nachstehend näher erläutert wird.
Es zeigen
1 eine Seitenansicht einer Hubkolbenmaschine mit Getriebe, teilweise im Schnitt,
2 einen Schnitt nach der Linie II-III der 1,
3 einen Schnitt nach der Linie III-II der 2 mit einer ersten Ausführungsform,
4 und 5 Einzelheiten eines oberen Kobenrings des Hubkolbens,
6 und 7 Einzelheiten eines unteren Kolbenrings des Hubkolbens.
Eine Kolbenmaschine 1 ist so ausgebildet, dass sie als, Pumpe, Kompressor, Kompressionsmaschine oder dgl. arbeitet, und diese Kolbenmaschine 1 weist ein Zylindergehäuse 2 mit einer Zylinderbohrung 3 und einem Zylinderkopf 4, der mit einem Einlassventil 5 und einem Auslassventil 6 versehen ist. In der Zylinderbohrung 3 ist ein kreisförmiger Hubkolben 7 axialbeweglich angeordnet, der mit einem ersten Pleuel 8 und einem zweiten Pleuel 9 verbunden ist, und zwar unter Vermittlung von Kolbenpleuellagern 10 und 11. Auf der von den Kolbenpleuellagern 10 und 11 abgekehrten Seite Sa sind die Pleuel 8 und 9 mittels Kurbelwellenpleuellagern 12 und 13 an Kurbelwellenscheiben 14 und 15 von einer ersten Kurbelwelle 16 und einer zweiten Kurbelwelle 17 angeschlossen. An einem ersten Ende 18 der Kurbelwellen 16 und 17 sind die kreisförmigen Kurbelwellenscheiben 14 und 15 befestigt.
Die Kurbelwellen 16 und 17 verlaufen beiderseits einer Längsmittelebene A-A der Zylinderbohrung 3 mit parallelem Abstand zueinander, und sie erstrecken sich in einem Wellen-Getrieberaum 19, der von einem Gehäuse 20 umgeben ist. Beabstandet zum ersten Ende 18 der Kurbelwellenscheiben 14 und 15 sind Stirnzahnräder 21 und 22 eines Getriebes 23. Die ohne Schmierung arbeitenden Stirnzahnräder 21 und 22 des Getriebes 23 sind gegenseitig in Eingriff, so dass sich besagte Stirnzahnräder 21 und 22 gegenläufig synchron drehen. Die Kurbelwellen 16 und 17 werden im Wellen-Getrieberaum 19 von mit Abstand zueinander angeordneten Kurbelwellenlagern 24 und 25 aufgenommen, die mit einem gekapselten Schmiermittelsystem ausgestatte sind, so dass der gesamte Wellen-Getrieberaum 18 einschließlich der Stirnzahnräder 21 und 22 schmiermittelfrei ist.
Der sich in der Zylinderbohrung 3 mittels der Pleuel 8 und 9 hin und her bewegbare Hubkolben 7 ist mit einem Kolbenbodensystem 26 versehen, das über eine Kolbenringzone 27, einen Kolbenschaft 28 sowie Kolbenbolzennaben 29 und 30 verfügt. Das Kolbenbodensystem 26 besitzt an einer ersten einem Kompressionsraum 30 zugekehrten Seite 32 einen ersten Bereich 33 und an einer auf die Kolbenbolzennaben 29 und 30 weisenden zweiten Seite 34 einen zweiten Bereich 35. Das Kolbenbodensystem 26 und der Zylinderkopf 5 begrenzen den Kompressionsraum 31, dessen Medien-Einlass- und Auslass das Einlassventil 5 und das Auslassventil 6 steuern.
Im ersten Bereich 33 des Hubkolbens 7 ist ein oberes Bodenelement 36 vorgesehen, das aus einem Werkstoff mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit z. B. oder einem Werkstoff mit ähnlichen Eigenschaften besteht. Das obere Bodenelement 36 ist ein vorgefertigtes Bauteil, und es ist mit einem im zweiten Bereich 35 ausgebildeten unteren Bodenabschnitt 37 des aus einer Leichtmetalllegierung hergestellten Hubkolbens 7 verbunden. Der untere Bodenabschnitt 37 und das obere Bodenelement 36 sind in der Kolbenringzone 27 zur Aufnahme von wenigsten zwei – einem oberen und einem unteren – Kolberingen 38 und 39 ausgebildet. Das obere Bodenelement 36 umfasst eine zum Kompressionsraum 31 hin gerichtete Begrenzungsplatte 40, deren Durchmesser im Wesentlichen dem des Kolbenschafts 28 entspricht. Von der Begrenzungsplatte 40 aus ist – in axialer Richtung des Hubkolbens 7 betrachtet – ein ringartiger Kragen 41 weggeführt, der mit einem Endbereich 41 auf einer Schulter 42 des unteren Bodenabschnitts 36 aufliegt.
Von dem Kragen 41 des Bodenelements 36 ragen mit axialem Abstand radiale obere und untere Stege 44 und 45 ab. Der obere Steg 44 und der untere Steg 45 bzw. der untere Steg 45 und ein Abschnitt 46 der Schulter 43 des unteren Bodenabschnitts 37 begrenzen Nuten 47 und 48 zur Aufnahme der Kolbenringe 38 und 39. In einen von dem Kragen 41 und einem Teilbereich 49 der Begrenzungsplatte 40 definierten Raum 50 greift eine zylinderische, zapfenartige Ausformung 51 im Wesentlichen vollständig ein.
Das obere Bodenelement 36 und der untere Bodenabschnitt 37 sind durch ein Gussverfahren vereint. Denkbar ist aber auch das Bodenelement 36 und den unteren Bodenabschnitt 37 form- und/oder kraft- gegebenenfalls auch stoffschlüssig zusammenzusetzen. Auch besteht die Möglichkeit eine Außenseite 52 der Ausformung 51 und eine Innenseite 53 des Kragens 41 über ein Gewinde 54 miteinander zu verbinden.
Benachbart einer Innenseite 55 der Begrenzungsplatte 40 des oberen Bodenelements 36 sind in die Ausformung 51 des unteren Bodenabschnitts 37 gemäß 3 Ausformungen 56 und 57 eingearbeitet, die zusammen mit der Begrenzungsplatte 40 Luftkammern 58 und 59 zur gezielten Kühlung des Hubkolbens 7 sowohl in dem Kompressionsraum 31 wie auch in einem davon durch den Hubkolben 7 abgegrenzten Kurbelraum 31' dienen. Die Luftkammern 58, 59 können durch einen zwischen Begrenzungsplatte 40 und unterem Bodenabschnitt 37 verlaufendem Stützsteg 60 getrennt werden; eine andere Möglichkeit ist eine einzige Luftkammer vorzusehen und auf den Stützsteg zu verzichten.
Der Hubkolben 7 läuft in einer Zylinderlaufbahn 61 der Zylinderbohrung 3 im Zylindergehäuse 2 trocken, will heißen ohne Schmiermittel, weshalb eine Außenseite 62 des Kolbenschafts 28 unterhalb des unteren Kobenrings 39 mit einer Beschichtung 63 aus Teflon versehen ist. Darüber hinaus bestehen die Kolbenringe 38 und 39 aus Polytetrafluorethylen-PTFE- oder einem ähnlichen Werkstoff, wobei der obere Kolbenring 38 einen schrägen Stoß 64 aufweist. Dagegen ist der unter Kolbenring 39 mit einem gasdichten Stoß 65 versehen, d. h. eine erste Stoßseite 66 ist mit einer winkelförmigen Ausnehmung 67 versehen, die zur Aufnahme eines korrespondierenden in etwa im Querschnitt rechteckigen Schließelements 68 einer zweiten Stoßseite 69 ausgebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FR 1011422 [0002]
DE 102006053923 B4 [0003]

Claims

Hubkolben für eine Kolbenmaschine, die als Pumpe, Kompressor, Expansionsmaschine oder dgl. wirkt, welcher in einer Zylinderbohrung eines Zylinders hin und her bewegbare Hubkolben ein Kolbenbodensystem, eine Kolbenringzone, einen Kolbenschaft und Kolbenbolzennaben aufweist, welches Kolbenbodensystem an einer einen Kompressionsraum im Zylinder zugekehrten Seite einen ersten Bereich und an einer auf die Kolbenbolzennaben weisenden Seite einen zweiten Bereich umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im erste Bereich (33) ein oberes Bodenelement (36) aus einem Werkstoff mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit z. B. Edelstahl angeordnet ist, das als vorgefertigtes Bauteil mit einem im zweiten Bereich (35) vorgesehenen unteren Bodenabschnitt (37) des aus einer Leichtmetalllegierung bestehenden Hubkolbens (7) verbunden ist.
Hubkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Bodenabschnitt (37) und das obere Bodenelement (36) in der Kolbenringzone (27) zur Aufnahme von wenigstens zwei Kolbenringen (38 und 39) versehen ist.
Hubkolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass obere Bodenelement (36) eine Begrenzungsplatte (40) besitzt, von der aus – in axialer Richtung des Hubkolbens (7) betrachtet – ein Kragen (41) weggeführt ist, der mit einem Endbereich (42) auf einer Schulter (43) des unteren Bodenabschnitts (37) aufliegt.
Hubkolben nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Kragen (41) des oberen Bodenelements (36) axial beabstandete radiale obere und untere Stege (44 und 45) weggeführt sind, wobei der obere Steg (44) und der untere Steg (45) bzw. der untere Steg (45) und ein Abschnitt (46) der Schulter (43) Nuten (47 und 48) zur Aufnahme der Kolbenringe (38 und 39) begrenzen.
Hubkolben nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem von dem Kragen (41) und einem Teilbereich (49) der Begrenzungsplatte (40) definierten Raum (50) eine zylinderische, zapfenartigen Ausformung (51) des unteren Bodenabschnitts (37) eingreift.
Hubkolben nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, daducrh gekennzeichnet, dass das obere Bodenelement (36) und der untere Bodenabschnitt (37) des Hubkolbens (7) durch ein Gussverfahren miteinander verbunden sind.
Hubkolben nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Bodenelement (36) und der untere Bodenabschnitt (36) des Hubkolbens (7) form- und/oder kraft- gegebenenfalls auch stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Hubkolben nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenseite (52) der Ausformung (51) und eine Innenseite (53) des Kragens (41) über ein Gewinde miteinander (54) verbunden sind.
Hubkolben nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart der Begrenzungsplatte (40) des oberen Bodenelements (36) in die Ausformung (51) wenigstens eine Ausnehmung (55 und 56) eingearbeitet ist, die zusammen mit der Begrenzungsplatte (40) eine Luftkammer (57 und 58) bildet.
Hubkolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Begrenzungsplatte (40) und der Ausformung (51) zwei Luftkammern (57 und 58) vorgesehen sind, welche Luftkammern (57 und 58) durch einen zwischen Begrenzungsplatte (40) und Ausformung (51) verlaufenden axialen Stützsteg (60) getrennt sind.
Hubkolben nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Kolbenring (38) einen schrägen Stoß (64) und der untere Kolbenring (39) einen gasdichten Stoß (65) aufweisen.
Hubkolben nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenschaft (28) des Hubkobens (7) unterhalb des unteren Kolbenrings (39) zumindest bereichsweise mit einer Beschichtung (63) z. B. Teflon versehen ist.
Hubkolben für eine Kolbenmaschine, die als Pumpe, Kompressor, Expansionsmaschine oder dgl. wirkt, welcher in einer Zylinderbohrung eines Zylinders hin und her bewegbare Hubkolben ein Kolbenbodensystem, eine Kolbenringzone, einen Kolbenschaft und Kobenbolzennaben aufweist, welches Kolbenbodensystem an einer einen Kompressionsraum im Zylinder zugekehrten Seite einen ersten Bereich und an einer auf die Kolbenbolzennaben weisenden Seite einen zweiten Bereich umfasst, in welcher Kolbenmaschine wenigstens ein Hubkolben arbeitet, der unter Vermittlung von zwei Pleueln mit einer ersten Kurbelwelle und einer zweiten Kurbelwelle in Wirkverbindung steht, wobei die Kurbelwellen mit achsparallelem Abstand zueinander ausgerichtet sind und über ein Getriebe sich synchron gegenläufig drehen, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Bereich (33) ein oberes Bodenelement (36) aus einem Werkstoff mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit z. B. Edelstahl, das als vorgefertigtes Bauteil mit einem im zweiten Bereich (35) vorgesehenen unteren Bodenabschnitt (37) des aus einer Leichtmetalllegierung bestehenden Hubkolbens (7) verbunden ist.