-
Kolbenringlose Abdichtung des. Kompressionsraumes von Hubkolbenmaschinen
für gasförmige Medien Die Erfindung bezieht sich auf eine kolbenringlose Abdichtung
des Kompressionsraumes von Hubkolbenmaschinen für gasförmige Medien, insbesondere
Brennkraftmaschinen und Verdichter.
-
Bei den bekannten Kolbenmaschinen erfolgt die Abdichtung des Kolbens
im Zylinder durch Kolbenringe, die- jedoch mechanische Verluste durch Reibungsarbeit
verursachen. Insbesondere bei hohen Kolbengeschwindigkeiten und höheren Kompressionsdrücken
können diese Verluste große Werte erlangen. Die größere Masse des Kolbenbodens,
die wegen der Nut zur Aufnahme der Kolbenringe vorhanden sein muß, verursacht Wärmestauungen,
die mitunter zu einem Festbrennen der Kolbenringe in ihrer Nut führen, wodurch die
Dichtwirkung der- Kolbenringe vermindert und die Zylinderwand beschädigt werden
kann.
-
Es sind Kolbenmaschinen bekannt, bei denen ein stufenartig abgesetzter
Kolben in einem entsprechend diesem Kolbenman=tel stufenartig abgesetzten Zylinder
gleitet. Zur Dichtung des Kolbens ist in dem Raum zwischen der Zylinderstufe und
der Kolbenstufe ein Dichtungsring aus einem elastischen Material eingesetzt. Bei
einer anderen Kolbenmaschine mit einem Stufenkolben sind durch die Kolbenstufen
und die Zylinderstufen mehrere Förderräume gebildet, wobei die einzelnen Kolbenstufen
-zur Dichtung in den entsprechenden Zylinderstufen je mit 'Kolbenringen versehen
sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verwendung und die damit
verbundenen Nachteile von Kolbenringen zu vermeiden. Das angestrebte Ziel, die Abdichtung
des Arbeitsraumes; soll, durch einen Druckraum erreicht werden, - dessen Medium
dem Abfließen des Arbeitsmediums aus dem Arbeitskompressionsraum -entgegenwirkt.
Hierzu ist im Arbeitszylinder unabhängig vom Arbeitskompressionsrauen über der Kolbenstirnfläche
an der Zylinderwand unter der Gleitfläche des Kolbenmantels ein Ringraum vorhanden,
in dem etwa der gleiche oder ein höherer Druck als im Arbeitskompressionsraum herrscht.
-
Demzufolge wird die vorstehend genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß
der Hubkolben als Stufenkolben mit einem dem Arbeitsraum zugewandten Teil kleineren
Durchmessers ausgebildet ist, während der Zylinder in umgekehrter Weise derart ausgebildet
ist, daß die an Kolben und Zylinder entstandenen Schultern in der oberen Totpunktlage
des Kolbens zur Bildung eines-gegenüber dem Arbeitsraum sehr kleinen ringförmigen
Kompressionsraumes voneinander einen Abstand haben; der. kleiner ist als der Abstand
zwischen .Kolben und Zylinderdeckel, und daß der Zylinder eine Bohrung aufweist,
durch die ein Schmiermittel-Luft-Gemisch. als Sperrmedium zugeführt wird.
-
Durch diese Anordnung entsteht zwischen der Zylinderstufe und der
Kolbenstufe ein Ringraum, dessen Abmessung in Achsrichtung des Zylinders sich mit
der Kolbenbewegung ändert. Zur Erzielung eines höheren Kompressionsdruckes in diesem
Ringrauen ist der Abstand der Schulter der Kolbenstufe von der Schulter der Zylinderstufe
im oberen Totpunkt des Kolbens kleiner als der Abstand zwischen der Kolbenstirnfläche
und .dem Zylinderdeckel. Um aber den Arbeitsaufwand zur Erzielung des höheren Druckes.in
diesem Ringraum gering zu halten, ist das radiale Maß dieses Ringraumes besonders
klein.
-
Beim Kompressionshub des Kolbens wird bei der erfindungsgemäßen Ausbildung
der Zylinderwand und des Kolbenmantels nicht nur das Medium im Arbeitsraum zwischen
Zylinderdeckel und Kolbenboden,-sondern auch das. in dem Raum zwischen der Zylinderstufe
und der Kolbenstufe befindliche Medium komprimiert. Wird der axiale Abstand zwischen
Zylinderstufe-Kolbenmantelstüfe geringer gewählt als der Abstand zwischen Kolben
und Zylinderdeckel, so ist der erzielbare Kompressionsdruck im Ringraum infolge
des höheren Verdichtungsverhältnisses größer als im Arbeitsraum. Das Medium im Ringraum
drückt somit entlang der Kolbengleitfläche entgegen den vom Arbeitskompressionsraum
wirkenden Druck, so daß "das Medium aus dem Arbeitsraum nicht entlang des Spalts
zwischen Zylinderwand und
Kolbenmantel entweichen kann. Da die Ringfläche
des Dichtungsraumes sehr gering ist, ist der notwendige Arbeitsaufwand zur Erzielung
der erforderlichen Kompression in diesem Raum gering.
-
Wird während des Ansaughubes in dem Ringraum zwischen den Absätzen
ein Luft-Schmiermittel-Gemisch angesaugt und ist der Kompressionsdruck in diesem
Raum größer als im Arbeitsraum, dann wird nicht nur der Abfluß des Mediums aus dem
Arbeitsraum verhindert, sondern der zusätzliche Vorteil erreicht, daß das Schmiermittelgemisch
mit dem Druck der Kompression im Ringraum zwischen die Laufflächen des Kolbens dringt
und eine sehr gute Schmierung an der Kolbengleitfläche erzielt. Durch das Weglassen
der Kolbenringe bei Zylinder-Kolben-Anordnungen für gasförmige Medien entfallen
sämtliche Nachteile, die durch die Anordnung von Kolbenringen bedingt sind. Der
Kolben wird gewichtsmäßig leichter und ergibt eine größere Laufruhe, auch werden
die nachteiligen Pendelbewegungen vermieden.
-
Ein Nachteil dieser Ausführung, der darin gesehen werden kann, daß
der Zylinder und der Kolben axial länger sein müssen, wird durch die gute axiale
Führung des Kolbens sowie dem. erzielbaren Leistungsgewinn aufgewogen.
-
Der Gegenstand der Erfindung wird an Ausführungsbeispielen, die in
der Zeichnung dargestellt sind, erläutert.
-
F i g. 1 zeigt einen Zylinder eines Viertaktmotors gemäß der Erfindung
im Schnitt, F i g. 2 einen Schnitt durch den Zylinder eines Zweitaktmotors, F i
g. 3 einen Teil eines Zylinders mit einem einfach wirkenden Ansaugeventil im Kanal
zum Ringraum im Schnitt und F i g. 4 einen Schnitt durch einen Zylinder mit einem
gesteuerten Saugventil im Kanal zum Ringraum.
-
Im Zylinder 1 ist eine Zylinderbüchse 2 eingesetzt, deren Innenwand
einen Absatz aufweist. In diese Zylinderbüchse ist ein Kolben, der ebenfalls eine
Stufe aufweist, derart eingesetzt, daß der Kolbenteil mit dem geringeren Durchmesser
ausschließlich in dem Zylinderteil des geringeren Durchmessers und der Kolbenteil
mit dem größeren Durchmesser in dem Zylinderteil größeren Durchmessers axial verschiebbar
ist. Über dem Kolben befindet sich der Arbeitskompressionsraum 4 und zwischen der
Zylinderschulter 14 und der Kolbenschulter 15 ein weiterer Kompressionsraum 5. In
diesem zusätzlichen Kompressionsraum mündet eine durch die Zylinderbüchse 2 und
den Zylinder 1 gehende Bohrung 6, die mit einem einfach wirkenden Regelorgan, z.
B. einem abnehmbaren Reglerkörper 7 (F i g. 3), dessen Ansaugekanal 10 eine Düseneinstellschraube
8 und Sicherungsmutter 9 aufweist, versehen ist. Diese beispielsweise angeführte
einfache Regeleinrichtung, die zur Regelung des Einlasses des Luft-Schmiermittel-Gemisches
allein während des Ansaughubes dient, genügt für die Aufrechterhaltung des Kompressionsdruckes
im Ringraum zwischen Zylinder- und Kolbenstufe bei Kompressoren, Pumpen und Zweitaktmotoren.
-
Bei Viertakt-Brennkraftmaschinen hingegen ist während des dritten
Taktes; das ist während des Expansionshubes, eine zumindest teilweise Aufrechterhaltung
des Kompressionsdruckes im Raum 5 erwünscht. Die Regelung der Zufuhr des Schmiermittel.-Luft-Gemisches
in diesem Raum erfolgt zweckmäßig durch eine von der Nockenwelle 13 (F i g. 4) abgeleitete
Ventilsteuerung, wobei die öffnungs- und Schließbewegungen des Ventils 11 im Ventil-
bzw. Reglergehäuse 12 gering sind. Die Umdrehung' der Nockenwelle 13 erfolgt
in Übereinstimmung mit der Kurbelwelle.
-
Die Arbeitsweise des Kolbens im Zylinder ist folgende: Mit dem Ansaugen
des Gasgemisches im Hauptverdichtungsraum 4 wird gleichzeitig im Ringraum 5 zwischen
Zylinder- und Kolbenstufe vorerst aus dem Kurbelgehäuse und anschließend nach öffnen
des Ventils 11 ein Luft-Schmiermittel-Gemisch durch die Bohrung 6 eingesaugt. Während
des folgenden Arbeitstaktes, des Kompressionshubes, wird im Hauptverdichtungsraum
wie auch im Ringraum das eingeschlossene Gemisch verdichtet. Hierbei ist der Druck
des Gemisches im Ringraum. jeweils höher als im Arbeitsverdichtungsraum, so daß
das im Hauptverdichtungsraum komprimierte Medium nicht durch den Spalt zwischen
Kolben und Zylinder entweichen kann. Bei der Kolbenaufwärtsbewegung wandert, durch
den höheren Druck im Ringraum begünstigt, mit dem Kolbenmantel eine Schmiermittelschicht
mit.
-
Während des Explosionshubes ist bei einer Steuerung gemäß F i g. 3
jeweils der Druck im Ringraum hinreichend hoch, um ein Abströmen des Druckmittels
aus dem Arbeitsraum zu verhindern.
-
Bei einer Steuerung des Druckverlaufes im ^ Ringraum gemäß der F i
g. 4 wird nach der Kurbeldrehung von etwa 20° vom oberen Totpunkt durch Öffnen des
Ventils 11 ein Druckabfall erzielt, wodurch eine gute Kühlung des Zylinders und
des Kolbens erreicht wird. Nach dem plötzlichen Druckabfall tritt durch die Kolbenbewegung
vor Erreichung des unteren Totpunktes ein Ansaugen des öl-Luft-Gemisches durch den
Kanal 6 ein.
-
Während des Auspuffhubes wird aus dem Hauptverdichtungsraum das verbrannte
Gemisch ausgeschoben und aus dem Raum 5 das Schmiermittel-Luft-Gemisch ausgespült.
-
Ein Entweichen von wesentlichen Teilen des im Raum 5 vorhandenen Mediums
während des Kompressionshubes in den Arbeitsraum 4 ist nicht zu befürchten, weil
zur Zeit des Auftretens hoher Kompressionswerte im Raum 5 der Arbeitskolben tief
in den Zylinder reicht und daher die Länge der an der Zylinderwand liegenden Kolbenfläche
hinreichend groß ist, um bei der vorhandenen Druckdifferenz ein Abströmen des Mediums
aus diesem Raum zu verhindern. Der Druck im Raum 5 soll nur so hoch sein, um ein
Abströmen des Mediums aus dem Arbeitsraum 4 zu verhindern und dem Druck im Arbeitsraum
entgegenzuwirken, so daß ein Austausch der Medien zwischen dem Arbeits- und dem
Dichtraum 5 nicht stattfindet. Einem solchen Austausch der Medien tritt auch der
Umstand entgegen, daß .die Zeit für einen Austausch durch die Kolbenbewegung sehr
kurz ist.
-
Um das gewünschte Ziel der Abdichtung des Arbeitsraumes zu erreichen,
genügt ein Ringraum sehr geringer Breite, so daß der Leistungsaufwand zur Erzielung
des hohen Druckes im Dichtraum gering ist und sogar geringer ist als die Verluste;
die durch die Kolbenringe bei äquivalenten Zylinder-Kolben-Anordnungen hervorgerufen
werden, so daß
gegebenenfalls ein Leistungsgewinn durch das Weglassen
der Kolbenringe erreicht werden kann.
-
Bei einem bewährten Ausführungsbeispiel wird während des Ansaughubes
mit der Kurbelstellung von 102° vom oberen Totpunkt das Ventil 11 geöffnet
und bleibt während des Kompressionshubes bis 35° vom unteren Totpunkt offen. Während
des Explosionshubes erfolgt die Öffnung bei einer Kurbelstellung von 20° vom oberen
Totpunkt.
-
Der Weite des Spaltes zwischen Kolben und Zylinder kommt bei dieser
ringlosen Kolbenabdichtung eine erhöhte Bedeutung zu. Sie soll bei Zylinderweiten
über 55 mm zwischen dem verjüngten Teil des Stufenkolbens und der Zylinderwand etwa
bei 40 bis 50 Mikron und zwischen dem Bundteil des Kolbens und der Zylinderwand
etwa 30 bis 40 Mikron betragen. Bei Zylinderdurchmessern unter 55 mm liegen die
entsprechenden Zahlen bei 25 bis 30 Mikron einerseits und bei 16 bis 20 Mikron andererseits,
so daß auch bei warmem Motor noch ein sicheres Gleiten des Kolbens im Zylinder gewährleistet
ist. Die Wärmehaltung des Motors soll bei etwa 100°C liegen und bei Verwendung von
Al-Legierungskolben sehr genau eingehalten werden.
-
Desgleichen werden die Längenmaße von Kolben und Zylinder bei Hochdruckmaschinen
(Dieselmaschinen und Verdichtern mit Arbeitsdrücken über 30 atü) größer als normal
gehalten werden müssen (etwa 1,1 bis 1,3mal größer), wogegen die Längenmaße von
Kolben und Zylinder bei höheren Kolbengeschwindigkeiten vermindert werden können.
-
Das radiale Maß des Zylinderabsatzes bzw. der .Kolbenstufe soll gering
gehalten werden, um Leistungsverluste durch die Kompression in diesem Raum möglichst
gering zu halten. Als besonderer Vorteil dieser Zylinder-Kolben-Ausbildung konnte
die gute axiale Führung im Zylinder erkannt werden, so daß selbst bei langer Betriebsdauer
weder der Zylinder noch der Kolben Stellen. der besonderen Abnutzung aufwiesen.