DE102011106545A1

DE102011106545A1 - Vorrichtung Kolbenabstützung an Hubkolbenmaschinen

Info

Publication number: DE102011106545A1
Application number: DE201110106545
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-10

Abstract

Bei allen kolbenbetriebenen Maschinen stützt sich der Kolben, konstruktiv bedingt, an der Zylinderinnenwand ab. Dies bewirkt einen erhöhten Verschleiß, besonders im Bereich des oberen Totpunktes, was sich als mechanischer Leistungsverlust, durch erhöhte Wärmeentwicklung in diesem Bereich bemerkbar macht, da es zur „Mischreibung” kommen kann, die den Schmierfilm zwischen Kolbenring und Zylinderinnenwand ungünstig beeinflusst. Durch za und entsprechenden Werkstoffpaarungen hat man versucht der Wärmeentwicklung beizukommen. Es gibt nur wenige Varianten, die dieser Wärmeentstehung auf konstruktiven Weg begegnen. Die vorliegende Erfindung beschreibt solch einen konstruktiven Weg, bei dem komprimiertes Gas aus dem Arbeitsraum abgezweigt und so über den Kolben umgelenkt wird, dass sich immer an der Seite, wo der Kolben sich abstützt, ein Gaspolster aufbaut, welches der Stützkraft des Kolbens entgegenwirkt. Die vorliegende Variante ist für alle kolbenbetriebenen Maschinen, wie Kompressore, 2- und 4 Takt-Motore anwendbar.

Description

Gegenstand dieser Erfindung ist es, eine Hubkolben-Maschine anzubieten, bei der die seitlich wirkenden Stützkräfte des Hauptkolbens auf die Zylinderbohrung im Bereich des oberen Totpunktes (OT) des Kolbens weitestgehend reduziert werden.
In diesem Bereich, der sich ca. 90° vor und nach dem (OT) befindet, treten die größten seitlichen Kräfte auf, die den Schmierfilm zwischen Kolbenringe und Zylinderbohrung ungünstig beeinflussen und die Triebwerksverluste vom Motor erhöhen.
(siehe „Beitrag zur experimentellen Bestimmung der Kolben- und Kolbenringreibung in Verbrennungsmotore", von Dipl. Ing. Klaus Bruchner, Berlin 1983)
Um das oben beschriebene Problem zu begegnen, existieren verschiedene Lösungsansätze.
Die meißten Untersuchungen hierzu beziehen sich auf den Einsatz bestimmter Werkstoffpaarungen mit verschiedenen Schmierstoffen. Folgende Schriften gehen den Weg einer konstruktiven Lösung.
Die DE 10 2006 033 270 B4 beschreibt einen Doppelkurbelwellenmotor. Bei diesem Motor, dessen Triebwerk unter anderem aus 2 Kurbelwellen und 2 Pleuel besteht, ist die Anordnung so gewählt, dass die seitlichen Stützkräfte auf die Zylinderbohrung sich gegenseitig aufheben.
Ein anderer Lösungsansatz zur Reduzierung der Triebwerksverluste im Bereich Kolben/Zylinderinnenwand ist in den Schriften DE 447475 A , DE 3704 114 C2 und in der DD 234 907 A1 beschrieben. Dieser Ansatz basiert auf den Einsatz von Wälzkörpern. In EP 0892 198 A1 ist zur Verringerung der Stützkräfte am Kolben der Einsatz eines Kreuzkopfes mit Führungsschuh angegeben. Der Führungsschuh ist ebenfalls auf Wälzkörper gelagert.
Eine weitere Variante beschreibt die DT 2405 542 A1 . Hier wird mit Hilfe von stromdurchflossenen Spulen eine Gegenkraft erzeugt, welche die Stützkräfte vom Kolben auf die Zylinderwand reduziert.
Eine noch andere Möglichkeit ist in der DE 730 546 A dargestellt. In dieser Variante ist eine zentrische Kolbenführung durch eine hydraulische Kolbenabstützung beschrieben. Allerdings nicht für Verbrennungsmotore.
Die hier beschriebene Variante eignet sich für alle kolbenbetriebenen Maschinen, wie 2 Takt,- 4 Takt- Verbrennungsmotore oder Kompressoren.
Die Erfindung basiert auf dem Prinzip, das ein Teil des komprimierten Gases im Arbeitszylinder, egal ob durch die oszillierende Bewegung des Kolbens oder durch die Verbrennung eines Kraftstoff-Gemisches erzeugt, so umgelenkt wird, dass ein Gaspolster zwischen Kolben und Zylinderinnenwand entsteht und dessen Druckkraft der seitlichen Stütz-Kraft vom Kolben entgegen wirkt. Vorrangig im Bereich von 90° vor – und nach dem oberen OT. Dadurch wird die Stützkraft des Kolbens/Kolbenringe auf die Zylinderinnenwand verringert, was eine Stabilisierung des Schmierfilms zwischen Kolbenring und Zylinderwand und somit eine verringerte Reibung zwischen diesen beiden Komponenten zur Folge hat.
Zur Umsetzung dieses Prinzips benötigt man lediglich entsprechende Bohrungen im Kolben, zusätzliche Abdichtungen zwischen mind. 2 Kolbenringen und eine Steuereinheit, welche am Pleuel befestigt ist. Die Steuereinheit ist ein gebogenes Blech mit entsprechenden Vertiefungen. Bei geeigneter Bauweise kann das Pleuel auch als Steuerorgan verwendet werden.
Nähere Erläuterung der Erfindung siehe Zeichnungen:
In 01...04 sind die Hauptkomponenten eines Kolben-Motors und die zusätzlichen Veränderungen am Triebwerk, anhand einer 360° Umdrehung dargestellt. Jeweils um 90° versetzt. Es zeigen:
05...07 die erforderlichen Veränderungen am Kolben 3 auf.
08 ein Dichtungselement 6 und
09 und 10 das Pleul 4 mit der Steuereinheit 5
07 zeigt die Draufsicht des Kolbens 3. Dieser Ansicht kann man entnehmen, dass mind. 4 Dichtungselemente 6/Kolben 3 erforderlich sind, um 2 weitestgehend abgeschlossene Räume zwischen den Kolbenringen 7 zu bilden.
Diese Räume werden von folgenden Oberflächen begrenzt:

1. Raum
2 × Oberfläche a von den Kolbenringe 7 (liegen gegenüber)
1 × Oberfläche b vom Kolben 3
2 × Oberfläche c vom Dichtungselement 6
1 × Oberfläche d von der Zylinderinnenwand (DS)

1. Raum
2 × Oberfläche a von den Kolbenringe 7 (liegen gegenüber)
1 × Oberfläche b vom Kolben 3
2 × Oberfläche c vom Dichtungselement 6
1 × Oberfläche d von der Zylinderinnenwand (GDS)
Die Seite, wo der Kolben sich abstützt wird als Druckseite (DS) und die gegenüberliegende Seite als Gegendruckseite (GDS), bezeichnet.
Arbeitsweise und Zusammenwirken der zusätzlichen Komponenten:
Es wird immer nur der DS-Raum mit komprimierten Gas beaufschlagt!
Der Druck im DS-Raum muss immer etwas geringer sein als der Druck im Raum zwischen den beiden oberen Kolbenringen, falls vor dem DS-Raum (in Richtung Kolbenboden) sich noch weitere Kolbenringe befinden. Dies gilt auch, wenn der DS Raum sich unmittelbar unter dem obersten Kolbenring befindet.
Andernfalls kann es zur Beeinträchtigung der Funktionsweise des oberen Kolbenringes (oberster Ring, betrachtet von der Lage des DS Raumes) durch Verkanten kommen.
Eingestellt wird der Druck im DS-Raum über die Größe der Bohrungen AC bzw. BD im Kolben 3.
Der Wechsel wird gesteuert über die Stellung des Pleuels 4 im Zusammenwirken mit der Steuereinheit 5, nachdem der OT oder UT passiert wurde, da sich hier die Stellung des Pleuels 4 ändert.
Beim Wechsel des DS-Raumes zum GDS-Raum am UT (03) ist es möglich, Restgase, beim Verbrennungsmotor über die Bohrung J Im Zylinder 2 ins Abgassystem abzuleiten. Beim Wechsel des DS-Raumes am OT ist dies nicht möglich, aber auch nicht erforderlich, da bei der Kompression nicht solch hohe Drücke entstehen, wie bei einem Arbeitstakt im Verbrennungsmotor.
Leckagen von Gas, die aus den beiden GDS und OS Räumen entweichen, gelangen ins Kurbelgehäuse.
01 zeigt einen Motor mit der Kurbelwelle (KW) in der OT-Stellung. In der Beschreibung entspricht dies 0°. Die Kurbelwelle 1 soll nach rechts drehen,
In dieser Stellung sowie in der 180° Stellung, 03, treten kaum seitliche Stützkräfte auf. Folglich ist es nicht notwendig. Maßnahmen zu ergreifen. Die entsprechenden Bohrungen AC bzw. BD im Kolben 3 bleiben durch die Steuereinheit 5 verriegelt.
Angenommen in der Stellung 0°, 01, ging ein Kompressionsvorgang voraus und der Motor befindet sich vor einem Arbeitstakt. Nach der Zündung baut sich der Druck auf und treibt den Kolben in Richtung KW 1. Das Pleuel 4, das mit dem Kolbenbolzen und dem Zapfen von der KW 1 verbunden ist, führt, während es die Kraft vom Kolben 3 auf die KW 1 überträgt, eine leichte Drehbewegung aus.
Diese Drehbewegung betätigt gleichzeitig die Steuereinheit 5, da sie mit dem Pleuel 4 fest verbunden ist und beaufschlagt somit den druckseitigen Raum (DS) mit komprimierten Gas, indem sie die Bohrungsöffnungen AC vom Kolben 3 über die Kanalbohrung F, von der Steuereinheit 5, freigibt. Siehe 02. Die Bohrungsöffnungen für den anderen Raum (GDS) bleiben geschlossen.
Die Oberfläche f vom Kolben 3 und die Oberfläche g von der Steuereinheit 5 reiben einander, ähnlich wie bei einem Gleitlager.
Die Bohrung K in der Steuereinheit 5 dient lediglich zur Schmierung zwischen den oben genannten Oberflächen f und g. Das Öl kommt aus dem Kurbelgehäuse. s. 09
Der so gefüllte 1. Raum mit komprimiertem Gas drückt den Kolben 3 in die entgegengesetzte Richtung und erleichtert dadurch die Ausbildung oder Beibehaltung eines Schmierfilmes zwischen den Oberflächen e der Kolbenringe 7 und der Oberfläche Zylinderinnenwand d.
Über die Bohrungen E gelangt komprimiertes Gas zu den Dichtungselementen 6, die radial nach außen auf die Oberfläche von der Zylinderinnenwand d gedrückt werden und die seitliche Abdichtung der beiden oben beschriebenen Räume 1 und 2 gewährleisten.
Die Sackbohrungen H und die Aussparungen I dienen lediglich der Aufnahme der Dichtungselemente 6.
Nach Durchschreiten des Unteren Totpunktes (UT) wechselt die bisherige DS zur GDS und umgekehrt. In dieser Abfolge werden die Bohrungsöffnungen BD vom Kolben 3 über die Kanalbohrung G von der Steuereinheit 5 geöffnet und die Bohrungen AC verriegelt.
Bezugszeichenliste

1: Kurbelwelle
2: Zylinder
3: Kolben
4: Pleuel
5: Steuereinheit
6: Dichtelement
7: Kolbenring
a: Kolbenring seitlich
b: Kolben zwischen Pos 7e
e: Kolbenring stirnseitig
f: Kolbeninnenboden
d: Zylinderinnenwand
A: Bohrung im Kolben 3 zum Arbeitsraum
B: Bohrung im Kolben 3 zum Arbeitsraum
E: Bohrung im Kolben 3 zum Arbeitsraum
C: Bohrung im Kolben 3 seitlich
D: Bohrung im Kolben 3 seitlich
GDS: Gegendruckseite
DS: Druckseite

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 102006033270 B4 [0006]
DE 447475 A [0007]
DE 3704114 C2 [0007]
DD 234907 A1 [0007]
EP 0892198 A1 [0007]
DT 2405542 A1 [0008]
DE 730546 A [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Beitrag zur experimentellen Bestimmung der Kolben- und Kolbenringreibung in Verbrennungsmotore”, von Dipl. Ing. Klaus Bruchner, Berlin 1983 [0003]

Claims

Vorrichtung Kolbenabstützung an Hubkolbenmaschinen hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß über eine Steuereinrichtung 5 am Pleuel 4 komprimiertes Gas aus dem Arbeitsraum über Bohrungen AC oder BD vom Kolben 3 (s. 01...07) in einen abgeteilten Raum geleitet wird, der sich zwischen zwei Kolbenringe 7 vom Kolben 3 und der Zylinderoberfläche d befindet.
Vorrichtung Kolbenabstützung an Hubkolbenmaschinen nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, das dieser Raum (DS Raum) genannt, sich immer auf der Seite befindet, an der der Kolben 3 sich abstützt und durch das gebildete Gaspolster den Kolben 3 immer in die entgegengesetzte Richtung drückt.
Vorrichtung Kolbenabstützung an Hubkolbenmaschinen nach Patentanspruch 1–2 dadurch gekennzeichnet das am Pleuel 4 eine Steuereinheit 5 fest verbunden ist, welche durch die Drehbewegung des Pleuel 4 den Gasstrom zum DS Raum steuert. In Abhängigkeit von der Stellung des Pleuel 4 sind immer die entsprechenden Bohrungen im Kolben 3 zum DS Raum geöffnet und die gegenüberliegenden Bohrungen geschlossen. In der OT bzw. UT Stellung des Pleuel 4 sind alle Bohrungen im Kolben 3 geschlossen.
Vorrichtung Kolbenabstützung an Hubkolbenmaschinen nach Patentanspruch 1–3 dadurch gekennzeichnet das die Oberfläche f vom Kolben 3 gleitlagermäßig die Drehbewegung vom Pleul 4 aufnimmt.
Vorrichtung Kolbenabstützung an Hubkolbenmaschinen nach Patentanspruch 1–4 dadurch gekennzeichnet das durch die Bohrungen E die Dichtelemente 6 radial an die Zylinderoberfläche d gedrückt werden sobald sich im Arbeitsraum von der Kolbenmaschine ein Druck aufbaut.
Vorrichtung Kolbenabstützung an Hubkolbenmaschinen nach Patentanspruch 1–5 dadurch gekennzeichnet das mindestens 4 Dichtelemente 6 zum Einsatz kommen, welche so angeordnet sind, wie in 07 dargestellt. Dadurch kann der DS Raum verkleinert werden.