DE102012001627A1

DE102012001627A1 - Hubkolbenmotor, insbesondere Hubkolbendampfmotor

Info

Publication number: DE102012001627A1
Application number: DE201210001627
Authority: DE
Inventors: Christian Bausch; Jens Grieser; Jürgen Berger
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor, insbesondere Hubkolbendampfmotor, – mit einem Kolbengehäuse; – mit einem im Kolbengehäuse unter Beaufschlagung durch ein Arbeitsmedium wechselseitig bewegbaren Kolben; wobei – der Kolben mittels wenigstens einer Dichtung gegen das Kolbengehäuse abgedichtet ist und der Kolben im Bereich der wenigstens einen Dichtung wenigstens einen von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkanal aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben radial innerhalb des wenigstens einen Kühlkanals einen Isolationsraum aufweist, dessen Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem umgebenden Bereich des Kolbens vermindert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor, insbesondere Hubkolbendampfmotor, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Gattungsgemäße Hubkolbenmotoren weisen ein Kolbengehäuse und einen unter Beaufschlagung durch ein Arbeitsmedium wechselseitig im Kolbengehäuse bewegbaren Kolben auf. Durch die Expansion des Arbeitsmediums im Zylinderraum des Hubkolbenmotors wird der Kolben im Kolbengehäuse verschoben und treibt über einen Pleuel eine Kurbelwelle an.
Aufgrund des heißen Arbeitsmediums und des kleinen Spiels zur Abdichtung des Zylinderraums zwischen dem Kolben und dem Kolbengehäuse, wobei die Abdichtung in der Regel durch eine in den Kolben eingesetzte Dichtung, beispielsweise in Form von einem oder mehreren Kolbendichtringen verbessert wird, wird der Kolben herkömmlich im Betrieb des Hubkolbenmotors dadurch gekühlt, dass ein Kühlmedium durch einen in dem Kolben eingebrachten Kühlkanal geleitet wird. In der Regel sind mehrere Kühlkanäle vorgesehen oder der Kühlkanal erstreckt sich in über dem gesamten Durchmesser des Kolbens verteilte Räume, um eine möglichst gleichmäßige Kühlung des gesamten Kolbens zu erreichen.
Die bekannten Hubkolbenmotoren arbeiten aufgrund der ausgereiften thermischen Optimierung der mit dem Arbeitsmedium beaufschlagten heißen Bereiche, insbesondere des Kolbens, zuverlässig. Allerdings besteht ein fortwährender Bedarf, den Wirkungsgrad von Hubkolbenmotoren zu steigern, um die eingesetzte Energie effizient in eine Drehbewegung umzuwandeln.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Hubkolbenmotor, insbesondere Hubkolbendampfmotor, anzugeben, bei dem die eingesetzte Energie noch besser verwertet, das heißt in Antriebsleistung umgesetzt wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Hubkolbenmotor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Hubkolbenmotor, der insbesondere als Hubkolbendampfmotor ausgebildet ist, das heißt mit dem Arbeitsmedium Dampf arbeitet, weist ein Kolbengehäuse und einen in dem Kolbengehäuse unter Beaufschlagung durch ein Arbeitsmedium wechselseitig bewegbaren Kolben auf. Durch Expansion des Arbeitsmediums in einem Zylinderraum wird der Kolben angetrieben und überträgt seine Bewegung in der Regel über ein Pleuel auf eine Kurbelwelle.
Selbstverständlich kann auch mehr als ein Kolben vorgesehen sein, bei einem oder mehreren Zylindern.
Der Kolben ist mittels wenigstens einer Dichtung gegen das Kolbengehäuse abgedichtet. Die Dichtung kann entweder nur durch einen engen Spalt zwischen dem Kolben und dem Kolbengehäuse gebildet sein oder vorteilhaft durch einen oder mehrere in den Kolben oder das Kolbengehäuse eingesetzte(n) Dichtkörper. Beispielsweise können in den äußeren Umfang des Kolbens ein oder mehrere Kolbendichtringe eingebracht sein. Beispielsweise kann der Kolben an seiner äußeren Oberfläche eine oder mehrere Umfangsnuten aufweisen, in der der eine oder die mehreren Kolbendichtringe eingesetzt ist/sind.
Der Kolben weist im Bereich der wenigstens eine Dichtung wenigstens einen von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkanal auf. Natürlich können auch mehrere Kühlkanäle vorgesehen sein. Der wenigstens eine Kühlkanal ist in der Regel radial relativ weit außen im Kolben vorgesehen, sodass seine Kühlwirkung auch die Dichtung erreicht.
Erfindungsgemäß ist der Kolben nun radial innerhalb des wenigstens einen Kühlkanals mit einem Isolationsraum versehen, dessen Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem umgebenden Bereich des Kolbens vermindert ist.
Der Isolationsraum kann beispielsweise als luftgefüllter, gasgefüllter oder evakuierter Hohlraum ausgeführt sein. Alternativ oder ergänzend ist der Isolationsraum mit einem Isolationsmaterial, insbesondere Wolle, Styropor, Schaumstoff oder Keramik, teilweise oder vollständig gefüllt.
Es können auch mehrere Isolationsräume vorgesehen sein, die leitend miteinander verbunden sind oder voneinander getrennt sind. Beispielsweise kann ein erster Isolationsraum von einem zweiten Isolationsraum umschlossen, insbesondere konzentrisch umschlossen sein.
Günstig ist, wenn der Kolben wenigstens zweiteilig ausgeführt ist und der Isolationsraum durch wenigstens zwei Kolbenteile gemeinsam begrenzt wird. Natürlich kommen auch mehr als zwei Kolbenteile in Betracht, die den Isolationsraum gemeinsam begrenzen.
Beispielsweise kann der erste Kolbenteil durch einen Deckelkörper gebildet sein und der zweite Kolbenteil kann insbesondere durch einen Anschlusskörper gebildet sein. Der Deckelkörper ist dem Zylinderraum des Hubkolbenmotors, in dem das Arbeitsmedium des Hubkolbenmotors expandiert, zugewandt und begrenzt diesen insbesondere unmittelbar beziehungsweise wird durch das Arbeitsmedium beaufschlagt. Der Anschlusskörper kann einem Pleuel zugeordnet sein, insbesondere an einem Ende desselben angeschlossen sein, welches die Bewegung des Kolbens auf eine Kurbelwelle überträgt. Das Pleuel wird in der Regel drehbar in dem Anschlusskörper gelagert sein.
Günstig ist es, wenn die beiden Kolbenteile, insbesondere der Deckelkörper und der Anschlusskörper, miteinander verschraubt sind. Jedoch kommen auch andere stoffschlüssige oder formschlüssige Verbindungen in Betracht.
Der zweite Kolbenteil weist beispielsweise die Form eines Hohlzylinders auf, der an einem stirnseitigen Ende gemäß einer vorzuziehenden Ausführungsform verschlossen ist.
Auch der wenigstens eine Kühlkanal kann durch wenigstens zwei Kolbenteile, insbesondere den ersten und den zweiten zuvor beschriebenen Kolbenteil, gemeinsam begrenzt sein.
Das Kühlmedium, das in den Kühlkanal eingebracht wird, kann zugleich das Schmiermedium des Hubkolbenmotors sein, mit welchem die Lager des Hubkolbenmotors geschmiert werden. Insbesondere ist wenigstens eine Düse, beispielsweise Fächerdüse, vorgesehen, mittels welcher das Kühlmedium in den Kühlkanal eingespritzt wird.
Durch die Erfindung kann vermieden werden, dass ungünstig viel Wärme über die Kühlung des Kolbens aus dem Arbeitsmedium abgeleitet wird. Der Isolationsraum, insbesondere im radial mittleren Bereich des Kolbens, hält die Wärme im Arbeitsmedium, wohingegen nur die kritischen Bereiche nahe der Dichtung zwischen Kolben und Kolbengehäuse gekühlt werden. Somit kann der Wirkungsgrad des Hubkolbenmotors gesteigert werden.
Das Kolbengehäuse kann beispielsweise einen Einsatz aufweisen, in welchem der Kolben gleitet. Andere Ausführungsformen sind jedoch möglich.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden.
Es zeigen:
1 eine seitliche Draufsicht auf einen erfindungsgemäß ausgeführten Kolben;
2 eine seitliche Draufsicht versetzt um 90 Grad gegenüber jener der 1;
3 eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie in der 1;
4 eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie in der 2;
5 eine dreidimensionale schräge Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Kolben gemäß den 1 bis 4.
In der 1 ist ein Kolben 1 dargestellt, der sich innerhalb des nur gestrichelt angedeuteten Kolbengehäuses 2 eines Hubkolbenmotors bewegt und seine Bewegung über ein Pleuellager 4 auf ein Pleuel (Pleuelstange) 3 überträgt. Dabei wird der Kolben 1 stirnseitig vom expandierenden Arbeitsmedium in dem Zylinderraum 5 beaufschlagt.
Zur Abdichtung des Kolbens 1 gegenüber dem Kolbengehäuse 2 weist der Kolben 1 im Bereich seines dem Zylinderraum 5 zugewandten Endes eine Anzahl von Kolbenringnuten 7 auf, in die Kolbendichtringe 6 eingesetzt sind.
In der 2 ist der Kolben 1 aus der 1 nochmals in einer zweiten seitlichen Draufsicht dargestellt, jetzt ohne Kolbendichtringe 6 und Kolbengehäuse 2.
Aus den Schnittdarstellungen in den 3 und 4, deren Verlauf sich durch die Schnittlinien in den 1 und 2 ergibt, erkennt man, dass der Kolben 1 zweiteilig ausgeführt ist, umfassend einen Deckelkörper 8 und einen Anschlusskörper 9. Der Deckelkörper 8 und der Anschlusskörper 9 sind auch in der 2 beziffert.
Wie aus der 4 ersichtlich ist, sind der Deckelkörper 8 und der Anschlusskörper 9 mittels Schrauben 10, die von der dem Zylinderraum 5 abgewandten Seite eingeschraubt sind, miteinander verbunden.
Der Deckelkörper 8 und der Anschlusskörper 9, wobei der Anschlusskörper 9 das Lager 4 für den Pleuel aufnimmt und der Deckelkörper 8 die mit dem Arbeitsmedium beaufschlagte Oberfläche des Kolbens 1 ausbildet, begrenzen gemeinsam eine Anzahl von Hohlräumen. Der radial äußerste Hohlraum stellt einen Kühlkanal 12 für ein Kühlmedium dar, mittels welchem der Bereich der Kolbenringnuten 7 gekühlt wird. Der innere Hohlraum hingegen ist als Isolationsraum 13 ausgeführt, um den Zylinderraum 5 gegenüber dem sogenannten Entlastungsraum 14 auf der abgewandten Seite des Kolbens 1 zu isolieren.
Erfindungsgemäß kann ein Isolationsraum 13 vorgesehen sein, oder es können mehrere Isolationsräume 13 vorgesehen sein, wie beispielweise im Schnitt A-A der 3 erkennbar. Hier wird der erste Isolationsraum 13 vom zweiten Isolationsraum 13 konzentrisch umschlossen.
In der 5 ist der Kolben nochmals in einer perspektivischen Ansicht schräg von oben auf die mit dem Arbeitsmedium beaufschlagte Fläche, bei einer Ausführung des Kolbens als Zylinder in Form einer Kreisringfläche, und auf das Lager 4 dargestellt.

Claims

Hubkolbenmotor, insbesondere Hubkolbendampfmotor, 1.1 mit einem Kolbengehäuse (2); 1.2 mit einem im Kolbengehäuse (2) unter Beaufschlagung durch ein Arbeitsmedium wechselseitig bewegbaren Kolben (1); wobei 1.3 der Kolben (1) mittels wenigstens einer Dichtung gegen das Kolbengehäuse (2) abgedichtet ist und der Kolben (1) im Bereich der wenigstens einen Dichtung wenigstens einen von einem Kühlmedium durchströmten Kühlkanal (12) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass 1.4 der Kolben (1) radial innerhalb des wenigstens einen Kühlkanals (12) einen Isolationsraum (13) aufweist, dessen Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem umgebenden Bereich des Kolbens (1) vermindert ist.
Hubkolbenmotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsraum (13) als luftgefüllter, gasgefüllter oder evakuierter Hohlraum ausgeführt ist.
Hubkolbenmotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsraum (13) mit einem Isolationsmaterial, insbesondere Wolle, Styropor, Schaumstoff oder Keramik, teilweise oder vollständig gefüllt ist.
Hubkolbenmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Isolationsräume (13) vorgesehen sind, wobei insbesondere ein erster Isolationsraum (13) von einem zweiten Isolationsraum (13) umschlossen oder konzentrisch umschlossen wird.
Hubkolbenmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) wenigstens zweiteilig ausgeführt ist und der Isolationsraum (13) durch wenigstens zwei Kolbenteile gemeinsam begrenzt wird.
Hubkolbenmotor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolbenteil durch einen einem Zylinderraum (5), in dem das Arbeitsmedium des Hubkolbenmotors expandiert, zugewandten Deckelkörper (8) gebildet wird und der zweite Kolbenteil durch einen einem Pleuel (3), der die Bewegung des Kolbens (1) auf eine Kurbelwelle überträgt, zugewandten Anschlusskörper (9) gebildet wird, wobei beide Teile insbesondere miteinander verschraubt sind.
Hubkolbenmotor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolbenteil die Form eines, insbesondere einseitig verschlossenen, Hohlzylinders aufweist.
Hubkolbenmotor gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Kühlkanal (12) durch wenigstens zwei Kolbenteile, insbesondere den ersten und den zweiten Kolbenteil, gemeinsam begrenzt wird.
Hubkolbenmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium, welches insbesondere zugleich das Schmiermedium des Hubkolbenmotors ist, über wenigstens eine Düse, insbesondere Fächerdüse, in den Kühlkanal (12) eingespritzt wird.