DE102020002726B4 - Hubkolben mit Ventil - Google Patents

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Abstract

Ein Hubkolben (7) für eine Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle (O). In der Decke des Hubkolbens (7) ein oder mehrere Ventile (10) angebracht sind, welche mithilfe jeweils einer Feder (9) geschlossen werden;- wobei die Ventile (10) zum Öffnen an ihren Schäften nah zur geometrischen Achse des Bolzens (8) von jeweils einem Stößelstab (5) angeschoben werden, welcher seinerseits von einer Stößelstange (4) angeschoben wird;- wobei der Öffnungs- sowie der Schließungspunkt der Ventile (10) durch den Drehwinkel der Kurbelwelle (O) und das geometrische Profil des am im Zapfen (1) der Kurbelwelle (O) integrierten Nockens (2) bestimmt wird. dadurch gekennzeichnet, dass- die Stößelstange (4) von einem hydraulisch gefüllten Stößel (3) bewegt wird, welcher seinerseits im Bereich des Pleuelfußes angeordnet ist;- wobei die Bewegung des hydraulisch gefüllten Stößels (3) mithilfe eines am Kurbelzapfen (1) integrierten Nockens (2) erzeugt wird;- wobei die Ventile (10) zum Öffnen an ihren Schäften gemeinsam von einem Verteiler (11) angeschoben werden, welcher seinerseits oberhalb der oberen Öse des Pleuels (6) angeordnet ist und an seinem Stift nah zur geometrischen Achse des Bolzens (8) von einem Stößelstab (5) angeschoben wird.

Description

  • Der Gaswechsel bei den Hubkolbenmaschinen, insbesondere bei den Verbrennungsmotoren, wird meistens mithilfe der Steuerventile durchgeführt, welche im Zylinderkopf angebracht sind. Um den Strömungswiderstand zu mindern werden öfters zwei Einlass- und zwei Auslassventile pro Zylinderkopf eingesetzt, damit die vorhandene Fläche der Wand der Verbrennungskammer effizient benutzt wird. Alternativ können die Einlassventile in der Decke des Hubkolbens angebracht werden. Für diese alternative Lösung wurden in der Patentliteratur Druckschriften ermittelt dessen Merkmale sich mit den Merkmalen dieser Anmeldung teilweise überschneiden:
    • - GB 464 022 A - Improvements in or relating to Internal Combustion Engines;
    • - DE 698 07 979 T2 - Brennkraftmaschine;
    • - DE 199 04 004 C1 - Zweitaktmotor;
    • - DE 100 25 873 A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine;
    • - DE 29 11 232 A1 - Universell verwendbare Turbinen/Kolbenkraftmaschine hohen Wirkungsgrades mit integriertem Getriebemechanismus sowohl zur Translation-Rotation-Bewegungstransformation als auch zur Drehgeschwindigkeitsuntersetzung sowie zur Arbeitsventilsteuerung, insbesondere als mehrstufig arbeitende Mehrkolbenkraftmaschine unterschiedlicher Bau- und Kolbenarten.
  • Dies beschreibt im Kurzen den Stand der Technik.
  • Zur Reduzierung des Strömungswiderstandes beim Gaswechsel bei den Hubkolbenmaschinen wird hier vorgeschlagen die Einlassventile in der Decke des Hubkolbens einzubringen. Diese Aufgabe wird mithilfe einer Vorrichtung nach jeweils Patentanspruch 1 und 2 gelöst.
  • Auf der ist ein Hubkolben (7) gezeigt, in dessen Decke das Ventil (10) angebracht ist. Das Ventil (10) wird mithilfe der Feder (9) geschlossen. Der Schaft von Ventil (10) endet nah zur geometrischen Achse des Bolzens (8): Dafür ist der Bolzen (8) von oben durchbohrt. Der Bolzen (8) soll gegen ein eventuelles Verdrehen in den Öffnungen des Kolbens (7) mit Dübeln gesichert werden. Die 2 Dübel sind auf der als schwarze Rechtecke gezeigt. Das Ventil (10) wird von unten von einem Stößelstab (5) angeschoben. Für den Stößelstab (5) ist unten im Bolzen (8) eine ovale Öffnung vorgesehen, wodurch das Schaukeln des Pleuels (6) am Bolzen (8) hin und her bezüglich der Hubachse des Hubkolbens (7) möglich ist. Der Schmierungspalt zwischen dem Bolzen (8) und der oberen Öse des Pleuels (6) wird nach unten mit dem Stößelstab (5) abgedichtet. Der Stößelstab (5) wird von unten von einer Stößelstange (4) angeschoben. Die Stößelstange (4) ist an beiden ihren Enden mit gehärteten Kappen versehen. Die Stößelstange (4) und der Stößelstab (5) bewegen sich im Hohlraum des Pleuels (6).
  • Auf der wird die Stößelstange (4) von unten von einem Stößel (3) angeschoben. Die Bewegung des Stößels (3) wird mithilfe eines Nockens (2) erzielt, welcher in den Kurbelzapfen (1) der Kurbelwelle (O) integriert ist. Die Spitze des Nockens (2) ist stets zur Drehachse der Kurbelwelle (O) gerichtet, somit wird das Ventil (10) bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle (O) geöffnet. Der Drehwinkel der Kurbelwelle (O) für den Öffnungs- sowie für den Schließungspunkt des Ventils (10) wird durch das geometrische Profil des Nockens (2) bestimmt. Bei einem 4-Takt Arbeitszyklus des Motors wird die frische Luft im Umkreis zu jeweils zweitem Unteren Totpunkt (UT) des Hubkolbens (7) durch das Einlassventil (10) eingesaugt. Eine mögliche Rückströmung des Abgases aus dem Zylinder durch das geöffnete Ventil (10) soll durch das voreilige Öffnen der Auslassventile im Zylinderkopf vermieden werden. Bei einem 2-Takt Arbeitszyklus des Motors erfolgt der Gaswechsel im Zylinder mithilfe eines Laders im Umkreis zu jedem (UT) durch das Einlassventil (10) in der Kolbendecke und gleichzeitig durch die geöffneten Auslassventile im Zylinderkopf. Durch die Einstellung beim Drehwinkel der Welle (O) des Öffnungs- und des Schließungspunktes für das Ventil (10) wird der Hubkolben (7) im 2-Takt Zyklus bei einem Kompressor eingesetzt.
  • Der Stößel (3) ist zweiteilig gefertigt, beide Teile sind an der Wand der Stößelkammer abgedichtet. Der Innenraum zwischen den beiden Teilen des Stößels (3) ist mit dem Öl aus dem Schmierungssystem des Motors gefüllt. Das Öl wird durch die Kanäle in der Kurbelwelle (O) geleitet; die Kanäle sind auf der nicht gezeigt. Am Eingang des Öls in den Innenraum des Stößels (3) ist ein Rückschlagventil vorgesehen, damit bei der Betätigung des Stößels (3) das Öl nicht rausgedrückt wird. Die Feder im Innenraum des Stößels (3) soll das Gewicht der oberen Teile ausgleichen um den Verlust des Öls aus dem Innenraum beim stehenden Motor zu verhindern. Die Stößelkammer und der Rückschlagventil für den Stößel (3) sind in den Pleuel (6) integriert. Durch die Anwendung eines hydraulisch gefüllten Stößels (3) ist die Einstellung eines Wärmedehnungsspaltes zwischen dem Stößelstab (5) und dem Schaft des Ventils (10) nicht nötig.
  • Die Steuerventile im Zylinderkopf eines Motors werden mithilfe von starken Federn geschlossen. Die Federkraft ist durch die kurze Schließungszeit der Ventile bestimmt. Je höher die Drehzahl des Motors desto größere Federkraft wird benötigt. Auf der wird das Ventil (10) mithilfe der Feder (9) geschlossen. Es darf eine relativ schwache und dementsprechend eine leichte Feder (9) eingesetzt werden. Im Umkreis zum (UT) wird der Kolben (7) nach oben beschleunigt, demzufolge wird das Ventil (10) durch die Trägheit eigener Masse geschlossen. Je höher die Drehzahl des Motors desto schneller wird das Ventil (10) geschlossen, eine größere Federkraft ist hinfällig. Im Umkreis zum Oberen Totpunkt (OT) wird der Kolben (7) nach unten beschleunigt, demzufolge sollte das Ventil (10) durch die Trägheit eigener Masse öffnen, dies wird durch den Gasdruck am (OT) verhindert, eine größere Federkraft ist ebenfalls nicht nötig.
  • Für das Auseinandersetzen des Kolbens (7) vom Pleuel (6) wird zunächst die obere Kappe von der Stößelstange (4) durch die Öffnungen im Pleuel (6) abgenommen, der Stößelstab (5) fällt runter. Danach wird das Ventil (10) gegen die Feder (9) nach oben gezogen, anschließend wird der Bolzen (8) aus dem Kolben (7) entfernt. Das Zusammensetzen des Kolbens (7) mit dem Pleuel (6) erfolgt umgekehrt in selben Schritten.
  • In der Kolbendecke dürfen sowohl eins als auch mehrere Einlassventile (10) angebracht werden. Ein Beispiel mit den drei Ventilen (10) ist auf der gezeigt. Die Anordnung der drei Ventile (10) in der Kolbendecke ist auf der im Ausschnitt (A - A) gezeigt. Jedes der drei Ventile (10) wird jeweils mithilfe einer Feder (9) geschlossen. Die drei Ventile (10) werden von unten von einem Verteiler (11) angeschoben. Der Verteiler ((11) ist zweiteilig gefertigt, beide Teile sind auf der gekreuzt schraffiert. Das obere Teil des Verteilers (11) ist tellerförmig und wird von unten in der Tellermitte von einem Verteilerstift (11) angeschoben. Der Verteilerstift (11) wird von unten vom Stößelstab (5) angeschoben. Für das Auseinandersetzen des Kolbens (7) vom Pleuel (6) lässt man ähnlich wie im Absatz [0007] den Stößelstab (5) runterfallen. Anschließend wird der Bolzen (8) zusammen mit dem Verteilerstift (11) entfernt. Das Zusammensetzen des Kolbens (7) mit dem Pleuel (6) erfolgt umgekehrt in selben Schritten.
  • Auf der wird das Ventil (10) von unten vom Stößelstab (5) nah zur geometrischen Achse des Bolzens (8) angeschoben. Dies ist durch das Schaukeln des Pleuels (6) am Bolzen (8) hin und her bezüglich der Hubachse des Hubkolbens (7) bedingt. Diese Bedingung entfällt wenn anstatt der Kurbelwelle (O) eine Doppelkurbel angewendet wird. Einige Ausführungen der Doppelkurbel sind in folgenden deutschen Patentschriften beschrieben:
  • Bei der Anwendung einer Doppelkurbel bewegt sich der Pleuel (6) entlang der Hubachse des Hubkolbens (7) ohne am Bolzen (8) hin und her zu schaukeln. Dies ermöglicht weitere Ausführungen für das Öffnen der Ventile (10) in der Kolbendecke.
  • Auf der sind in der Kolbendecke des Hubkolbens (7) zwei Ventile (10) angebracht. Beide Ventile (10) werden jeweils von einem Stößelstab (5) und jeweils einer Stößelstange (4) angeschoben. Beide Stößelstangen (4) werden jeweils von einem hydraulisch gefüllten Stößel (3) bewegt. Die Rückschlagventile am Eingang des Öls zu den beiden Stößel (3) sind auf der nicht gezeigt. Der Verteiler (11) ist auf der gekreuzt schraffiert und ist zwischen den Stößel (3) und dem Nocken (2) eingesetzt. Im Unterschied zur ist der Verteiler (11) auf der einteilig gefertigt. Gemäß der Eigenschaft der Doppelkurbel erfolgt die Hubbewegung des Kurbelzapfens (1) entlang der Hubachse des Hubkolbens (7). Im Umkreis zum (UT) des Hubkolbens (7) werden die Ventile (10) mithilfe des Nockens (2) geöffnet. Der Drehwinkel der Motorwelle für den Öffnungs- sowie für den Schließungspunkt der Ventile (10) wird durch das geometrische Profil des Nockens (2) bestimmt. Die Motorwelle ist auf der nicht gezeigt.

Claims (2)

  1. Ein Hubkolben (7) für eine Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle (O). In der Decke des Hubkolbens (7) ein oder mehrere Ventile (10) angebracht sind, welche mithilfe jeweils einer Feder (9) geschlossen werden; - wobei die Ventile (10) zum Öffnen an ihren Schäften nah zur geometrischen Achse des Bolzens (8) von jeweils einem Stößelstab (5) angeschoben werden, welcher seinerseits von einer Stößelstange (4) angeschoben wird; - wobei der Öffnungs- sowie der Schließungspunkt der Ventile (10) durch den Drehwinkel der Kurbelwelle (O) und das geometrische Profil des am im Zapfen (1) der Kurbelwelle (O) integrierten Nockens (2) bestimmt wird. dadurch gekennzeichnet, dass - die Stößelstange (4) von einem hydraulisch gefüllten Stößel (3) bewegt wird, welcher seinerseits im Bereich des Pleuelfußes angeordnet ist; - wobei die Bewegung des hydraulisch gefüllten Stößels (3) mithilfe eines am Kurbelzapfen (1) integrierten Nockens (2) erzeugt wird; - wobei die Ventile (10) zum Öffnen an ihren Schäften gemeinsam von einem Verteiler (11) angeschoben werden, welcher seinerseits oberhalb der oberen Öse des Pleuels (6) angeordnet ist und an seinem Stift nah zur geometrischen Achse des Bolzens (8) von einem Stößelstab (5) angeschoben wird.
  2. Eine Hubkolbenmaschine mit einem Hubkolben mit mehreren Ventilen nach Patentanspruch 1 und einer Doppelkurbel, welche aus einer Innen- und einer Außenkurbel mit dem gleichen Radius zusammengebaut ist; - wobei die Außenkurbel um den Zapfen der Innenkurbel rotiert; - wobei der Pleuel (6) vom Zapfen der Außenkurbel entlang der Hubachse des Hubkolbens (7) ohne am Bolzen (8) hin und her zu schaukeln bewegt wird. In der Decke des Hubkolbens (7) mehrere Ventile (10) angebracht sind, welche jeweils mithilfe einer Feder (9) geschlossen und zum Öffnen an ihren Schäften jeweils von einem Stößelstab (5) angeschoben werden, welche ihrerseits von jeweils einer Stößelstange (4) angeschoben werden. dadurch gekennzeichnet, dass - die Stößelstangen (4) jeweils von einem hydraulisch gefüllten Stößel (3) bewegt werden, welche ihrerseits im Bereich des Pleuelfußes angeordnet sind; - wobei die hydraulisch gefüllten Stößel (3) gemeinsam mithilfe eines Verteilers (11) bewegt werden, welcher seinerseits im Bereich des Pleuelfußes angeordnet ist und dessen Bewegung mithilfe eines am Kurbelzapfen (1) integrierten Nockens (2) erzeugt wird; - wobei der Öffnungs- sowie der Schließungspunkt der Ventile (10) durch den Drehwinkel der Kurbelwelle (O) und das geometrische Profil des Nockens (2) bestimmt wird.
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