DE1039782B

DE1039782B - Internal combustion engine, e.g. B. two-stroke machine

Info

Publication number: DE1039782B
Application number: DEG19431A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Elsbett
Original assignee: UEBERSEEHANDEL M B H GES
Current assignee: UEBERSEEHANDEL M B H GES
Priority date: 1956-04-19
Filing date: 1956-04-19
Publication date: 1958-09-25

Description

Brennkraftmaschine, z. B. Zweitaktmaschine Die Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen, z. B. Zweitaktmaschinen, und beschäftigt sich insbesondere mit der Aufgabe, die Kolbendichtung zu verbessern.Internal combustion engine, e.g. B. Two-stroke engine The invention relates to Internal combustion engines, e.g. B. two-stroke machines, and deals in particular with the task of improving the piston seal.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Kolbendichtung von dem Vorhandensein eines geschlossenen Schmierölfilmes in der Dichtungsfuge abhängt. Dieser Schmierölfilm wird bei den bekannten mit mehr oder minder zahlreichen Kolbenringen ausgerüsteten Brennkraftmaschinen dadurch zu erhalten gesucht, daß diese Kolbenringe bei jedem Hub frisches Schmieröl in die Dichtungsfugen schleppen. Es hat sich aber gezeigt, daß besonders bei Maschinen geringen Zylinderdurchmessers und unter diesen besonders bei Zweitaktern, der dichtende Schmierfilm nur bei sehr kleinem Spiel zwischen Kolben und Laufbüchse aufrechterhalten bleibt. Aus diesem Grunde ist daher der Erfindung die Aufgabe gestellt, das Spiel zwischen den bewegten Kolbenteilen und der Zylinderwand möglichst gering zu halten. Diese Möglichkeit ist aber durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen im Betrieb sehr erschwert.The invention is based on the knowledge that the piston seal depends on the presence of a closed lubricating oil film in the sealing joint. This lubricating oil film is used in the known piston rings with more or less numerous piston rings sought to obtain equipped internal combustion engines that these piston rings Drag fresh lubricating oil into the sealing joints with each stroke. But it has shown that especially in machines with small cylinder diameters and under these especially with two-stroke engines, the sealing lubricating film only with very little play is maintained between the piston and liner. For this reason, therefore the invention set the task of the game between the moving piston parts and to keep the cylinder wall as small as possible. But this possibility is through the different thermal expansions in operation are very difficult.

Gemäß der Erfindung wird diese durch die Wärmedehnung gegebene Schwierigkeit dadurch überwunden, daß zur Dichtung des Kolbens gegen den Zylinder an Stelle von dichtenden Kolbenringen die Stelle geringsten Spiels zwischen der Kolbenaußenfläche und der Zylinderinnenfläche benutzt ist, wobei diese Stelle dort angeordnet ist, wo bei oberer Totlage des Kolbens die mittlere Temperaturdifferenz. zwischen den beiden genannten Flächen den geringsten Wert hat.According to the invention, this problem posed by thermal expansion becomes overcome in that to seal the piston against the cylinder in place of sealing piston rings the point of least play between the piston outer surface and the inner surface of the cylinder is used, this point being located there, where at top dead center of the piston is the mean temperature difference. between has the lowest value in the two areas mentioned.

Die Stelle geringster Temperaturdifferenz zwischen Kolbenaußenfläche, an der erfindungsgemäß das geringste Spiel zwischen diesen beiden Flächen hergestellt sein soll, läßt sich durch Temperaturmessungen genau ermitteln. Sie liegt desto weiter vom Kollbenboden entfernt, je mehr Wärme vom Verbrennungsraum auf das Kolbenhemd übergeht. Um die erfindungsgemäße Vorschrift zu erfüllen, daß in dieser Zone das geringste Kolbenspiel liegen soll, ist es aus Konstruktionsgründen notwendig, diese Zone nicht allzu weit entfernt vom Kolbenboden zu legen. Dies gelingt bei sonst geeigneter Ausführung bei Brennkraftmaschinen, z. B. Zweitaktmaschinen, bei denen mit l;Tberschuß geförderte Spül- und Ladeluft als Kühlmittel verwendet wird und vorzugsweise auch zur Innenkühlung des Arbeitskolbens dient, wobei die durch die Ein- und Austrittsöffnungen des Zylinders strömende Luftmenge derart bemessen ist, daß sie die zur Entfernung der Verbrennungsrückstände erforderliche Spülluftmenge übersteigt und dieser Überschuß den Zylinder und den Kolben wieder auf die vor Beginn des Verbrennungsvorganges erforderliche Temperatur abkühlt. Daher bezieht sich die Erfindung auf Maschinen der soeben angegebenen Art. Außerdem umfaßt die Erfindung auch noch andere Mittel, die wirksam dafür sorgen, daß die Zone geringster Temperaturdifferenz zwischen Kolbenaußenfläche und Zylinderinnenflädhe nahe genug am Kolbenboden liegt.The point of smallest temperature difference between the piston outer surface, at the inventively produced the smallest play between these two surfaces should be, can be determined exactly by temperature measurements. She lies the more farther away from the piston crown, the more heat from the combustion chamber to the piston skirt transforms. In order to meet the inventive requirement that in this zone the The smallest piston play is to be, it is necessary for design reasons, this The zone should not be placed too far away from the piston crown. Otherwise this works suitable execution in internal combustion engines, z. B. two-stroke machines where flushing and charge air conveyed with excess oil is used as coolant and is preferably also used for internal cooling of the working piston, the through the The amount of air flowing in and out of the cylinder is dimensioned in such a way that that they have the required amount of purge air to remove the combustion residues exceeds and this excess the cylinder and the piston back on before the start the temperature required for the combustion process cools. Hence the Invention on machines of the type just specified. The invention also encompasses also other means that effectively ensure that the zone of lowest temperature difference lies close enough to the piston crown between the piston outer surface and the inner cylinder surface.

Es sind zwar mehrere Ausführungen bekanntgeworden, bei denen das kleinste Spiel zwischen dem Zylinder und dem Kolben in der Nähe der unteren Kolbenkante liegt. Außerdem ist es aus der Literatur bekannt, daß in praktisch vorkommenden Fällen auch die Stelle geringster Temperaturdifferenz im Bereich der unteren Kolbenkante Regt. Jedoch ist beä den bekannten Konstruktionen, die das geringste Spiel in der Nähe der unteren Kolbenkante aufweisen, dieses geringste Spiel nicht als Dichtung des Kolbens benutzt. Vielmehr ist in solchen Fällen bisher die Stelle geringsten Spieles nur zur mechanischen Führung benutzt worden und außerdem weit von dieser Stelle entfernt durch Kolbenringe in bisher allgemein üblicher Weise eine Dichtung bewirkt. Diese Trennung zwischen führender Stelle und dichtender Stelle wird gemäß der Erfindung aufgegeben.Several versions have become known, the smallest of which Clearance between the cylinder and the piston is near the lower edge of the piston. It is also known from the literature that in practical cases also the point of the lowest temperature difference in the area of the lower edge of the piston However, it is the known constructions that have the least amount of play in the Have near the lower edge of the piston, this slightest play not as a seal of the piston used. Rather, in such cases the position has been the lowest so far Game has only been used for mechanical guidance and also far from this Place removes a seal by piston rings in the usual manner up to now causes. This separation between leading body and sealing body is in accordance with abandoned the invention.

Damit die vorzugsweise abdichtende Zone mit Sicherheit einen Schmierölfilm erhält, kann gemäß der Erfindung in der Nähe dieser Zone geringsten Spieles mindestens ein Kolbenring angebracht sein. Man kann auch Kolbenringe zu beiden Seiten dieser Zone anordnen, vorzugsweise wird man gemäß der Erfindung einen Kolbenring in der Nähe der genannten Zone auf der Seite anordnen, die in Richtung der Kurbelwelle liegt.So that the preferably sealing zone is sure to have a film of lubricating oil receives, can according to the invention in the vicinity of this zone of least play at least a piston ring be attached. You can also get piston rings on either side of this Arrange zone, preferably one will according to the invention a piston ring in the Place near the said zone on the side facing towards the crankshaft lies.

Als ein hervorragendes Mittel zur Verlagerung der Zone geringster Temperaturdifferenz in die Nähe des Kolbenbodens hat sich die an sich bekannte Konstruktion des Kolbens mit getrenntem Kolbenträger erwiesen, wonach der Kolbenbolzen in einem Teil untergebracht ist, der völlig von dem Kolbenhemd getrennt bleibt und nur seinem Kopfende mit dem Kolbenboden verbunden ist. Dadurch wird bewnt'kt, d'aß der Wärmeabfluß größtenteils nicht über das Kolbenhemd, sondern über diesen Kolbenträger erfolgt.As an excellent means of relocating the least zone Temperature difference in the vicinity of the piston crown has the construction known per se of the piston with a separate piston carrier has been proven, after which the piston pin is housed in a part that remains completely separate from the piston skirt and only its head end is connected to the piston crown. This causes it to happen most of the heat is not dissipated via the piston skirt, but via this piston carrier he follows.

Besonders wirksam läßt sich die Verlagerung der Zone geringster Temperaturdifferenz in der Nähe des Kolbenbodens dadurch erreichen, daß über dem Kolbenboden eine Feuerplatte aufgesetzt wird, die durch einen dünnen Luftspalt vom Kolbenboden isoliert ist. Der eigentliche Kolben wird also zwischen der Feuerplatte und dem Kolbenträger durch eine zentrale Verschraubung eingeklemmt .und ist so der Aufheizung nur wenig ausgesetzt. Die Feuerplatte kann sich infolge des Luftspaltes ungehindert allseitig ausdehnen. Um die Wärmeleitung an der Klemmstelle möglichst herabzusetzen, wird die Auflagefläche so klein gehalten, wie es die Druckfestigkeit des Materials erlaubt.Shifting the zone of the lowest temperature difference can be particularly effective in the vicinity of the piston head by placing a fire plate above the piston head is placed, which is isolated from the piston crown by a thin air gap. The actual piston is thus between the fire plate and the piston carrier a central screw connection is clamped and is therefore only slightly exposed to heating. The fire plate can expand unhindered on all sides due to the air gap. In order to reduce the heat conduction at the clamping point as much as possible, the contact surface kept as small as the compressive strength of the material allows.

Eine unzulässig hohe Temperatur der isolierten Feuerplatte wird dadurch vermieden, daß über die ringsherum liegenden Einlaßschlitze ein verstärkter Spülstrom eingeblasen wird, der so groß bemessen ist, daß er die Platte auf einem zulässigen Temperaturniveau hält. Der gleiche Kühlstrom kühlt natürlich auch den übrigen Verbrennungsraum stark aus, so daß die äußere Kühlung weitgehend unterbleiben kann.An unacceptably high temperature of the insulated fire plate is thereby avoids an increased flushing flow via the surrounding inlet slots is blown in, which is dimensioned so large that he the plate on a permissible Temperature level. The same cooling flow naturally also cools the rest of the combustion chamber strong, so that the external cooling can largely be omitted.

Die erwähnte Stelle gleicher Temperatur von Kolben und Büchse kann auf die geschilderte Weise bis nahe an die obere Kolbenkante gerückt werden, was zu so guten Abdichtergebnissen und zu so geringem Kolbenspiele geführt hat, daß auch ringlose Kolben mit Erfolg gefahren werden können. Das Fortlassen der Ringe hat insofern eine große Bedeutung, als der Ölauswurf aus den Schlitzen bei Zweitaktmotoren hauptsächlich durch die Kolbenringe erfolgt, was zu gefährlichen Auspuffbränden und sonstigen Störungen Anlaß gibt.The mentioned point of the same temperature of the piston and sleeve can be moved in the manner described to close to the upper edge of the piston, what has led to such good sealing results and to such small piston clearances that ringless pistons can also be operated with success. The omission of the rings is of great importance as the oil ejection from the slots in two-stroke engines mainly occurs through the piston rings, causing dangerous exhaust fires and other disturbances.

Bei hochbelasteten Zweitaktern ist es sehr erwünscht, die Dichtstelle, also die Stelle gleicher Temperatur von Kolben und Büchse, nicht nur in die Nähe, sondern ganz an die obere Kolbenkante zu bringen. Nach Vorstehendem (Ableitung der Wärme in den Kolbenträger bzw. an die Spülluft) kann der dichtende Teil des Kolbens auch gänzlidh vom Kolbenboden getrennt werden. Dieses abgetrennte Mantelstück liegt dann frei zwischen Feuerplatte und Kolben und wird durch eine elastische Dichtkante vom Kolben abgestützt. Wahlweise kann dieser Dichtmantel mit oder ohne Kolbenringe ausgeführt werden.In the case of highly stressed two-stroke engines, it is very desirable that the sealing point, so the point of the same temperature of the piston and sleeve, not just in the vicinity, but to bring it all the way to the upper edge of the piston. According to the above (derivation of the Heat in the piston carrier or to the scavenging air) can be the sealing part of the piston also be completely separated from the piston crown. This separated piece of jacket lies then free between fire plate and piston and is secured by an elastic sealing edge supported by the piston. This sealing jacket can be optionally available with or without piston rings are executed.

Die genannten Mittel, die sämtlidh gemäß der Erfindung dazu dienen können, die Zone geringster Temperaturdifferenz zwischen Kolbenaußenfläche und der Zylinderinnenfläche möglichst nahe an den Kolbenboden heranzuverlegen, können auch in verschiedenen Kombinationen benutzt werden. Man kann z. B. sowohl den Querschnitt zwischen Kolbenboden und Kolbenhemd mit einer Einschnürung ausführen als auch gleichzeitig einen kühlenden Luftstrom von -mehreren Seiten gegen die Kolbenkante richten.The means mentioned, all of which are used according to the invention can, the zone of lowest temperature difference between the piston outer surface and the Moving the cylinder inner surface as close as possible to the piston crown can also can be used in various combinations. You can z. B. both the cross section run between the piston crown and piston skirt with a constriction and at the same time direct a cooling air flow from several sides against the piston edge.

. Die Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele des 'Erfindungsgegenstandes bei einer Zweitakt-Brenn-Ivaftmaschine.. The drawings show exemplary embodiments of the subject matter of the invention with a two-stroke internal combustion engine.

' F.ig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungs-$tmäße Maschine längs der Mittellinie des Zylinders; Fig. 2 zeigt den oberen Teil des Zylinders einer erfindungsgemäßen Maschine in ähnlicher Darstellung wie Fig. 1, jedoch mit etwas abweichender Ausführung; Fig. 3 zeigt, wieder in ähnlicher Darstellung, einen Teil des Zylinders und den Kolbenkopf mit einer dritten Ausführungsform.'F.ig. 1 shows a section through a machine according to the invention along the center line of the cylinder; Fig. 2 shows the upper part of the cylinder a machine according to the invention in a representation similar to FIG. 1, but with slightly different design; Fig. 3 shows, again in a similar representation, a Part of the cylinder and the piston head with a third embodiment.

In Fig. 1 ist 1 die Kurbelwelle der Maschine, 2 die Pleuelstange und 3 der Kolben, der in dem Zylinder 4 arbeitet. Der Zylinder hat Einlaßschlitze 5, die gleichmäßig am Umfang des Zylinders verteilt sind und durch einen ringförmig um den Zylinder herumlauf-enden Einfaßkanal6 gespeist werden. 7 ist ein Kreiselgebläse zur Lieferung der Spül- und Kühlluft. Die von diesem Gebläse gelieferte Spül- und Kühlluft gelangt durch den Ringkanal 6 und die Schlitze 5 des Zylinders 4 bei dem unteren Totpunkt unmittelbar gegen die Ränder des Kolbenbodens. Dieser ist durch eine Verschraubung 8 mit dem Kolbenträger 9 verbunden, der von dem Kolbenhemd durch einen Luftspalt getrennt ist. 10 ist das Auslaßventil.In Fig. 1, 1 is the engine's crankshaft, 2 is the connecting rod and 3 the piston working in the cylinder 4. The cylinder has inlet slots 5, which are evenly distributed around the circumference of the cylinder and are ring-shaped Umfaßkanal6 running around the cylinder are fed. 7 is a centrifugal fan for supplying the rinsing and cooling air. The flushing and Cooling air passes through the annular channel 6 and the slots 5 of the cylinder 4 in the bottom dead center directly against the edges of the piston crown. This is through a screw connection 8 is connected to the piston carrier 9, which extends from the piston skirt is separated by an air gap. 10 is the exhaust valve.

Die äußere Form dies Kolbenhemdes und die Zylinderbohrung sind absichtlich verzerrt gezeichnet, damit man die erfindungsgemäße Lage der Zone geringsten Spieles zwischen der Kolbenaußenfläche und der Zylinderinnenfläche deutlich erkennt. Die Schrägurigen dieser beiden Flächen sind in Wirklichkeit so gering, daß man sie mit bloßem Auge nicht erkennen kann. Sie liegen aber so, wie die übertriebenen Schrägurigen in der Zeichnung andeuten. Der obere Teil 11 der Zylinderbohrung hat einen geringeren Durchmesser als der untere Teil 12 dieser Bohrung. Die beiden sind durch eine schwach konische Fläche 13 verbunden. Der Kolben ist auf seiner gesamten Außenfläche 14 schwach konisch. Die Neigung der KolbenauBenfläche ist jedoch geringer als die Neigung der konischen Fläche 13 des Zylinders. Dadurch entsteht eine Stelle 15 geringsten Spieles zwischen Kolben und Zylinder. Das ist die Stelle, bei der die mittlere Temperaturdifferenz zwischen den beiden einander berührenden Flächen den geringsten Wert hat. Bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel ist der Kolben 3 mit zwei Kolbenringen versehen. Der erste Kolbenring 16 sitzt so, daß er bei der oberen Totlage in unmittelbarer Nähe der Stelle 15 geringsten Spieles liegt, der andere Kolbenring 17 sitzt in der Nähe des Kolbenbodens.The outer shape of this piston skirt and the cylinder bore are drawn intentionally distorted, so that the position according to the invention of the zone of minimal play between the piston outer surface and the cylinder inner surface can be clearly recognized. The obliquities of these two surfaces are actually so small that they cannot be seen with the naked eye. But they lie as the exaggerated lopsidedness in the drawing suggest. The upper part 11 of the cylinder bore has a smaller diameter than the lower part 12 of this bore. The two are connected by a slightly conical surface 13. The piston is slightly conical on its entire outer surface 14. However, the inclination of the piston outer surface is less than the inclination of the conical surface 13 of the cylinder. This creates a point 15 of minimal play between the piston and cylinder. This is the point at which the mean temperature difference between the two touching surfaces has the lowest value. In the illustrated embodiment, the piston 3 is provided with two piston rings. The first piston ring 16 is seated in such a way that it is in the immediate vicinity of the point 15 with the least amount of play in the upper dead position, the other piston ring 17 is seated in the vicinity of the piston crown.

In Fig.2 ist 20 der Zylinder und 21 der Kolben. Auch hier wieder wird der Kolben von einem getrennten Kolbenträger 22 getragen und,ist mit diesem durch eine Verschraubung 23 verbunden. Dieselbe Verschraubung 23 dient auch dazu, eine Feuerplatte 24 zu halten, die von dem Kolbenkörper durch einen Luftspalt 25 getrennt ist. Die durch die Schlitze 26 des Kolbens eintretende Kühl- und Spülluft wird von mehreren Seiten unmittelbar gegen den Außenrand und die gesamte Fläche der Feuerplatte 24 geblasen. Der Kolbenkörper 21 trägt etwas unterhalb des Luftspaltes 25 einen Kolhenring27. 28 ist das Auslaßventil.In Figure 2, 20 is the cylinder and 21 is the piston. Again it will be the piston is carried by a separate piston carrier 22 and is through with this a screw connection 23 connected. The same screw connection 23 also serves a Keep fire plate 24 separated from the piston body by an air gap 25 is. The cooling and purging air entering through the slots 26 of the piston is of several sides directly against the outer edge and the entire surface of the fire plate 24 blown. The piston body 21 carries a somewhat below the air gap 25 Kolhenring27. 28 is the exhaust valve.

In Fig. 3 ist 30 der Zylinder und 31 der Kolben, der auf dem Kolbenträger 32 durch die Verschraubung 33 befestigt ist. Dieselbe Verschraubung 33 hält auch die Feuerplatte 34, die, ähnlich wie bei der Ausführung nach Fig. 2, durch einen Luftspalt von dem Kolben getrennt ist. Zum Unterschied von der Ausführung nach Fig. 2 befindet sich jedoch zwischen dem Kolbenkörper 31 und der Feuerplatte 34 ein abgetrennter ringförmiger Teil 36 des Kolbenmantels. Dies ist ein geschlossener Ring, in dem ein Kolbenring 35 angeordnet sein kann. Er ist von innen durch einen elastischen Ringteil 39 gegen den Kolbenboden abgedichtet. Dieser Ringteil stützt sich innen gegen einen zylindrischen Fortsatz 37 der Feuerplatte 34 und ist durch eine Ringnut 38 federnd gestaltet. An Stelle des Fort- Satzes 37 der Feuerplatte kann auch eine getrennt von der Feuerplatte unter dieser angeordnete besondere Stützplatte treten.In Fig. 3, 30 is the cylinder and 31 is the piston, which is on the piston carrier 32 is fastened by the screw connection 33. The same screw connection 33 also holds the fire plate 34, which, similar to the embodiment of FIG. 2, by a Air gap is separated from the piston. In contrast to the version according to Fig. 2, however, there is a separated one between the piston body 31 and the fire plate 34 annular part 36 of the piston skirt. This is a closed ring in which a piston ring 35 can be arranged. It is inside by an elastic Ring part 39 sealed against the piston head. This part of the ring is supported on the inside against a cylindrical extension 37 of the fire plate 34 and is through an annular groove 38 resiliently designed. Instead of the Set 37 of the fire plate can also have a special support plate arranged below the fire plate separately from the fire plate step.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Internal combustion engine, e.g. B. two-stroke engine, in which excess flushing and charge air is used as a coolant and is preferably also used for internal cooling of the working piston, the amount of air flowing through the inlet and outlet openings of the cylinder is such that it is required to remove the combustion residues Purge air volume and this f_berschuß the. The cylinder and the piston cools down again to the temperature required before the start of the combustion process, characterized in that the point of minimal play between the piston outer surface and the cylinder inner surface is used to seal the piston against the cylinder instead of sealing piston rings, this point being arranged there , where with the upper dead position of the piston the mean temperature difference between the two surfaces mentioned has the lowest value. z. Internal combustion engine according to Claim 1, characterized in that at least one piston ring (16) is fitted in the vicinity of this zone (15) with the least amount of play. 3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the piston is designed in a manner known per se with a piston carrier (9) which is separate from the piston skirt and is screwed to the piston head (3). 4. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the piston head (21) connected to the piston body is clamped between a separate piston carrier (22) and a fire plate (24) and the fire plate through an air gap (25) from the piston head ( 21) is isolated. 5. Brennkraftmaschkne according to claim 4, characterized in that the air gap between the fire plate and the piston crown d'urc'h is filled with a non-thermally conductive seal. 6. Internal combustion engine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the uppermost part of the piston skirt is designed as a separated ring (36) which is separated from both the piston body and the fire plate (34) and is pressed on from the inside elastic ring part (39) is sealed against the piston head. 7. Internal combustion engine according to claim 6, characterized in that the elastic sealing edge forms the outer edge of a support plate and is separated from this by a screwed-in annular groove. B. Bretmkraftmaschine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the material cross-section is constricted at the junction between the piston head and the piston skirt made in one piece with this. 9. Internal combustion engine according to one or more of the preceding claims, characterized in that the inlet slots are arranged in the cylinder, d'ass they are in the upper dead position of the piston immediately next to its lower edge and direct the air flow against this edge. Considered publications: German Patent Nos. 571993, 699 216, 710 666, 722 123, 755 235; Swiss patents No. 206 806, 244 427; French Patent No. 744 189; U.S. Patent No. 2,534,573; "Automobiltechnische Zeitschrift" (ATZ), 1937, p. 519, picture @ 2; "Mahle piston customer" from Mahle KG, 1st edition, 1954, p. 53.