DE10320207B4

DE10320207B4 - Kolbenmaschine mit einer Vorrichtung zur Stabilisierung des Kolbens

Info

Publication number: DE10320207B4
Application number: DE2003120207
Authority: DE
Inventors: Yakiv Cherkasky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2023-05-08
Also published as: DE10320207A1

Abstract

Kolbenmaschine mit mindestens einem in einem Zylinder hin- und herbewegten Kolben, dessen Bewegung durch einen Pleuel in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle umgesetzt wird, wobei eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Kolbenbewegung aus einem am Kolben befestigten Führungsteil (1) besteht, welches mit einer Gleitführung im Eingriff ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitführung an einem Wellenzapfen (3a) der Kurbelwelle (3) angeordnet ist und dass das Führungsteil (1) bügelförmig ausgebildet ist und mit zwei am Kolben befestigten Führungen (1a, 1b) sowie mit einer Traverse (1c) den Wellenzapfen (3a) umgreift.

Description

Die Erfindung optimiert ökonomische und ökologische Eigenschaften von Verbrennungsmotoren und anderen Kolbenmaschinen durch der Verminderung innerer Verluste mit Hilfe einer Stabilisierung der Kolbenachse.
Stand der Technik:
Es ist bekannt, dass Kolben im Zylinder eines Verbrennungsmotors mit einem notwendigen Montagewärmespiel montiert werden. Der Kolben hat dabei eine ballige Form mit abnehmendem Durchmesser in Richtung des Kolbenbodens. Während des Arbeitstaktes des Verbrennungsmotors (oder einer anderen Kolbenmaschine) entsteht bei geneigter Lage der Pleuelstange eine Kraft senkrecht zur Kolbengleitbahn. Diese Kraft erhöht im Bereich des Kontaktes zwischen dem Kolben und der Zylinderlauffläche einerseits die Reibungskraft des Kolbens mit der Zylinderlauffläche und andererseits verursacht sie durch das Spiel des Kolbens ein Kippmoment sowie Schwingungen um den Kolbenbolzen in der Ebene der Bewegung der Pleuelstange. Dabei werden die Kolbenringe verformt, so dass bei jedem Kolbenhub zwischen den Kolbenringen und der Zylinderfläche Spalte entstehen. Obwohl diese Spalte sehr klein sind, führen sie zum Ausströmen der Gase aus dem Arbeitsraum während des Hubs.
Dadurch wird die Kompression und der effektive Arbeitsdruck und somit der Wirkungsgrad vermindert. Während des Betriebs vergrößert sich zudem das Kolbenspiel in Folge des Verschleißes beständig, so dass vermehrt Gas ausströmt. Dabei gelangt nicht vollständig verbranntes Brenngemisch in das Kurbelgehäuse, so dass die Lebensdauer des Motoröls infolge der intensiven Oxidation vermindert wird.
Zur Verkleinerung des Pendelwinkels des Kolbens muss dieser einen längeren Kolbenschaft aufweisen, so dass die Masse des Kolbens zunimmt. Dies erzeugt überflüssige Trägheitskräfte, wodurch der Wirkungsgrad verschlechtert wird.
Aus dem Stand der Technik sind Schiffsmotoren bekannt, bei denen der Kolben durch eine zusätzliche Stange, die durch eine Laufbuchse im unteren Teil des Zylinders läuft, mit dem Pleuel verbunden sind. Diese Stange ist fest am Kolben angebracht. Durch diese Konstruktionen werden zwar Schwingungen des Kolbens um den Kolbenbolzen vermieden, jedoch stellt die Stange eine zusätzlich bewegte Masse dar und vergrößert das Baumaß des Motors.
Aus der DE 199 39 230 C2 und der DE 100 00 613 A1 sind weitere Methoden bekannt, die Amplitude von Kolbenschwingungen und die Baulänge bzw. Masse des Kolbens zu vermindern. Jedoch bestehen diese technischen Lösungen aus zahlreichen Einzelteilen, die sehr exakt gefertigt werden müssen, so dass die Herstellung sehr kompliziert ist.
Darüber hinaus ist durch die DE 197 54 480 A1 eine Stabilisierungsvorrichtung bekannt, die aus einem am Kolben befestigen biegsamen Band besteht, welches durch Führungsleisten geführt wird. Zudem ist es mit einem benachbarten zweiten Kolben fest verbunden. Ein Kippen des Kolbens wird dadurch jedoch nicht sicher verhindert. Ferner ist durch die DE 29 20 381 Al ein Triebwerk für Kolbenmaschinen bekannt, bei dem ein durch ein Gestänge fest mit dem Kolben verbundener Kreuzkopf den Kolben führt und am Kippen hindert. Die Anwendung dieser technischen Lösung vergrößert jedoch den Bauraum und das Gewicht des Motors und ist daher nicht vorteilhaft.
Aufgabe der Erfindung:
Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer einfachen technischen Vorrichtung für die Stabilisierung der Kolbenachse einer Kolbenmaschine zur Verbesserung des Wirkungsgrades.
Das Ziel wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung aus einem bügelförmigen Führungsteil besteht das den Wellenzapfen umschließt und am Kolben befestigt ist.
Beschreibung der Erfindung:
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen:
1: Einen Querschnitt des Verbrennungsmotors mit der Vorrichtung zur Stabilisierung der Kolbenachse in Form eines Bügels.
2: Schnitt A-A gemäß 1.: Die Vorrichtung am Längsschnitt.
3: Ansicht B gemäß 1.
4: Detail I gemäß 1: Das Führungsteil mit Ausnehmungen zur Reduktion der Masse.
5: Detail II gemäß 3: Die Position des Führungsteils bezgl. der Stirn des Kolbens.
6: Detail C gemäß 5: Die Befestigung des Führungsteils in unterem Teil des Kolbens mit Hilfe der Sperrklinken.
7: Schnitt D-D gemäß 5: Die Form des Querschnitts der Traverse
8: Detail III – gemäß 1: Der zusammengesetzte Gleitstein
9: Schnitt E-E gemäß 8: Eine Variante der Konstruktion des Traverse.
10: Schnitt G-G gemäß 8: Montage des Gleitsteins mit Hilfe von Sperrklinken.
11: Schnitt H-H gemäß 2: Eine Variante der Führung des Führungsteils im Zusammenwirken mit Vorsprüngen im Kurbelgehäuse.
12: Detail K gemäß 11.
Die Vorrichtung zur Stabilisierung der Kolbenachse besteht aus einer bügelförmigen Führung (1) die an der Unterseite des Kolbens (2) befestigt und mit einer Gleitführung an einem Wellenzapfen (3a) der Kurbelwelle (3) angeordnet ist. Der mit Kolbenringen (6) versehen Kolben (2) ist über einen Kolbenbolzen (5) und der Pleuelstange (4) mit der Kurbelwelle (3) verbunden. Auf den Zylinderblock (8), der mit einer Zylinderlauffläche versehen ist, ist der Zylinderkopf (9) und die Ölwanne (10) montiert.
Auf der Unterseite des Kolbens (2) befinden sich zwei Knaggen (2a) und zwei Bohrungen (2b) die parallel zur Kolbenachse angeordnet sind. Die Knaggen (2a) weisen ferner zwei rechtwinklige Bohrungen (2c) auf, um das Führungsteil (1) über zwei Zylinderteile (1f) mit Hilfe einer Sperrklinken (1g) darin zu befestigen. Das Führungsteil (1) besteht aus zwei Führungen (1a, 1b) die durch eine Traverse (1c) miteinander verbunden sind.
Die Traverse (1c) hat neben Aussteifungen (1d) und zur Verminderung des hydrodynamischen Widerstands im Ölbad einen elliptischen Querschnitt (1r). Das Führungsteil (1) ist zudem mit Ausnehmungen (1e) versehen, um die bewegte Masse zu reduzieren.
Eine Variante sieht vor, dass am Wellenzapfen (3a) ein zweigeteilter Gleitstein (11) angeordnet ist, der zusammen mit dem Führungsteil (1) die Gleitführung bildet. Die Teilungsebene des Gleitsteins (11) kann dabei beliebig angeordnet sein. Die beiden Einzelteile des Gleitsteins (11a, 11b) werden mit Hilfe der Sperrklinken (11c) miteinander verbunden.
Das Führungsteil (1) und der Gleitstein (11) bestehen vorzugsweise aus Kunststoff z.B. aus CFK-Monocoques.
Die technische Lösung der Stabilisierung der Kolbenbewegung ist für unterschiedliche Kolbenmaschinen unabhängig von Größe, Zusammenstellung und verwendeten Kraftstoffen einsetzbar.
Während des Arbeitsprozesses wirkt das Führungsteil (1) mit dem Wellenzapfen (3a) zusammen und führt den Kolben (2) im Zylinder. Dadurch wird das Kippmoment des Kolbens (2) vermindert so dass weniger Gas aus dem Arbeitsraum ausströmen kann und somit die Kompression und damit der Wirkungsgrad des Arbeitstaktes erhöht wird.
Durch die Verminderung der Kippbewegung des Kolbens (2) lässt sich dieser verkürzen und somit seine Masse verringern. Die eingesparte Masse ist dabei größer als die Masse des Führungsteils (1), so dass sich die Masse der bewegten Teile reduziert.
Dadurch ergeben sich folgende Vorteile:

– Der Kraftstoffverbrauch wird reduziert.
– Die Lebensdauer des Motoröls verlängert sich.
– Der Verschleiß der Kolbenringe und des Kolbens wird reduziert.
– Der Materialeinsatz bei der Herstellung der Kolbenmaschine ist geringer.
– Das Beschleunigungsvermögen erhöht sich durch geringere bewegte Massen.
– Die ökologischen Eigenschaften der Kolbenmaschine werden verbessert.

Claims

Kolbenmaschine mit mindestens einem in einem Zylinder hin- und herbewegten Kolben, dessen Bewegung durch einen Pleuel in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle umgesetzt wird, wobei eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Kolbenbewegung aus einem am Kolben befestigten Führungsteil (1) besteht, welches mit einer Gleitführung im Eingriff ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitführung an einem Wellenzapfen (3a) der Kurbelwelle (3) angeordnet ist und dass das Führungsteil (1) bügelförmig ausgebildet ist und mit zwei am Kolben befestigten Führungen (1a, 1b) sowie mit einer Traverse (1c) den Wellenzapfen (3a) umgreift.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Führungsteils (1) durch eine Sperrklinke (1g) in Bohrungen (2b) des Kolbens (2) befestigt sind.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Führungsteil (1) Ausnehmungen (1e) vorgesehen sind.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Traverse (1c) des Führungsteils (1) einen elliptischen Querschnitt (1r) hat.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Wellenzapfen (3a) ein zweigeteilter Gleitstein (11) angeordnet ist, der zusammen mit dem Führungsteil (1) die Gleitführung bildet.
Kolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Teile des Gleitsteins (11) durch Sperrklinken (11c) miteinander verbunden sind.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilebene des zweiteiligen Gleitsteins (11) beliebig angeordnet sein kann.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsteil (1) während der Translationsbewegung die Vorsprüngen (8a, 8b), die im Kurbelgehäuse symmetrisch zum Wellenzapfen. (3a) angebracht sind, berührt.
Kolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (8a, 8b) im Bereich der Berührung mit dem Führungsteil (1) abgerundet ausgebildet sind.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsteil (1) aus Kunststoff hergestellt ist.