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Die Erfindung bezieht sich auf Kolben für schnelllaufende Kolbenmaschinen,
wie Verdichter oder Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für schnelllaufende
Dieselmaschinen, und mit einem am Kolbenkopf vorgesehenen, einen ölabstreifring
einschließenden Satz von Kolbenringen.
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Es sind Kolben für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei denen zur
Vermeidung eines Ölaustritts in den Verbrennungsraum am Kolbenumfang etwa symmetrisch
zum Kolbenbolzen ein durch Kolbenringe begrenzter Ringspalt vorgesehen ist, dem
von außen über einen Kranz von in der Zylinderwand mündenden Düsen Druckluft zugeführt
wird (USA.-Patentschrift 2 359 672). Der Ringspalt ist auf der Kolbenkopfseite durch
mehrere Kompressionsringe und auf der dem Kurbelwellengehäuse zugewandten Seite
durch einen zum Kurbelgehäuse fördernden Ölabstreifring begrenzt. Durch die im Ringspalt
eingeschlossene Luft wird der öldurchtritt zum Verbrennungsraum verhindert. Außerdem
wird durch den um den Umfang des Zylinders herum angeordneten Satz von Lufteintrittsdüsen
eine Zentrierwirkung auf den Kolben ausgeübt. Stoßartige Querbewegungen des Kolbens
werden bei dieser Anordnung nicht gedämpft.
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Es ist auch bekannt, in der Zylinderfläche des Kolbens einer Kolbenführung
Drucktaschen auszubilden, welche jeweils über einen Drosselkanal mit der von einem
unter Druck stehenden Arbeitsmittel, wie Öl, Wasser oder Gas, beaufschlagten Stirnfläche
des Kolbens in Verbindung stehen (deutsche Patentschrift 837 026). Die Drosselkanäle
sind hierbei so bemessen, daß die Menge des den Drucktaschen zuströmenden Arbeitsmittels
der Menge des aus den Drucktaschen durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinder
abfließenden Arbeitsmittels entspricht. Durch die in den Drucktaschen gebildeten
Arbeitsmittelpolster wird - auch bei seitlich auf den Kolben wirkenden Auslenkkräften
- eine Berührung des Kolbens mit seiner Gleitfläche vermieden. Bei einer Auslenkung
wird auf einer Seite des Kolbens der Abflußquerschnitt an den Taschenrändern verringert.
so daß in der dort liegenden Tasche der Druck steigt, und an der gegenüberliegenden
Seite der Abflußquerschnitt an den Taschenrändern vergrößert, so daß hier der Druck
in der Tasche sinkt. Es entsteht also ein einseitiger statischer Überdruck, der
bestrebt ist, den Kolben zu zentrieren und eine Wandberührung zu verhindern. Es
handelt sich also um eine sogenannte hydrostatische oder pneumostatische Abstützung
und Führung des Kolbens. Eine wirksame Dämpfung von stoßartigen Querbewegungen des
Kolbens ist mit dieser Anordnung nicht möglich.
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Bei Kolbenmaschinen, vor allem bei schnellaufenden Dieselmotoren,
hat sich gezeigt, daß die kühlwasserseitigen Flächen der Zylinderlaufbuchsen mit
der Zeit Schäden in Form tiefer Erosionsgrübchen aufweisen. Forschungsarbeiten haben
ergeben, daß diese Schäden auf Schwingungen der Zylinderlaufbuchsen zurückzuführen
sind, die durch Trägheitskräfte innerhalb der Maschine entstehen, die als stark
variierende Querkräfte durch den Kolbenbolzen auf den Kolben übertragen werden.
Zwischen dem Kolben und der Laufbuchse ist ein bestimmtes endliches Arbeitsspiel
vorhanden, und die sich schnell aufbauenden, am Kolben angreifenden Querkräfte stoßen
den Kolben gegen die Wandung der Laufbuchse. Wenn diese Querkräfte ihre Richtung
ändern und sich in der neuen Richtung zu einem hohen Wert aufbauen, unterliegt der
Kolben einer Querbeschleunigung und nimmt eine in der Querrichtung wirkende Bewegungsenergie
auf, deren Spitzenwert sich nach der Masse des Kolbens und der maximalen Geschwindigkeit
richtet, die der Kolben in der Querrichtung erreicht, während er durch die Querkraft
längs der durch das Kolbenspiel gegebenen Strecke beschleunigt wird. Die Änderung
der Bewegungsgröße, welcher der Kolben beim Auftreffen auf die Laufbuchse ausgesetzt
ist, ruft Schwingungen der Laufbuchse hervor, und wenn diese Schwingungen genügend
stark sind, geben sie zum Auftreten von Kavitation auf der Kühlwasserseite der Laufbuchse
Anlaß, so daß hier die charakteristischen, auf Hohlsog-Erosion zurückzuführenden
Anfressungen auftreten. Durch die Schwingungen der Zylinderlaufbuchse bilden sich
nämlich kurzzeitig Zonen niedrigen Druckes an der Trennfläche zwischen dem Kühlwasser
und der Zylinderlaufbuchse aus, so daß Kavitationsblasen entstehen. Bei einer Erhöhung
des Druckes fallen diese Blasen zusammen und erzeugen an der Zylinderlaufbuchse
für die sogenannte Hohlsog-Erosion charakteristische Grübchen. Die Laufbuchsen müssen
deshalb bei solchen Maschinen oftmals schon nach kurzer Zeit ausgewechselt werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kolben der eingangs genannten
Bauart zu schaffen, bei welchem stoßartige Querbewegungen zumindest so stark gedämpft
werden, daß die nachteiligen Wirkungen dieser Bewegungen auf die Zylinderwandung
vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kolben der eingangs erwähnten
Art dadurch gelöst, daß zur Dämpfung von stoßartigen Querbewegungen des Kolbens
ein etwa symmetrisch zum Kolbenbolzen liegender und von Kolbenringen begrenzter
Ringspalt vorgesehen ist, wobei die Laufflächen dieser Kolbenringe jeweils in Richtung
auf das benachbarte Kolbenende hin abgeschrägt sind, so daß bei der Hin- und Herbewegung
des Kolbens Schmieröl von der Zylinderwand in den .Ringspalt gefördert und dort
eingeschlossen gehalten wird.
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Durch das in den Ringspalt zwischen den beiden abgeschrägten Kolbenringen
eingeschlossene Schmieröl, das bei jeder Querbewegung von einer Kolbenseite durch
die engen Spalte auf die andere Kolbenseite strömen rnuß, wird bereits eine gute
Dämpfung von stoßartigen Kolbenquerbewegungen erreicht. Durch die dämpfende Wirkung
des Schmieröls wird die Endgeschwindigkeit des Kolbens bei seiner Querbewegung herabgesetzt;
hierdurch vermindert sich die dem Kolben innewohnende Bewegungsenergie in Querrichtung,
so daß die durch den Kolben auf die Zylinderlaufbuchse aufgebrachten Stöße entsprechend
abgeschwächt werden. Damit wird die sogenannte Hohlsog-Erosion der Zylinderlaufbuchse
auf der Kühlwasserseite vermieden. Kolbenmaschinen mit erfindungsgemäß ausgebildeten
Kolben besitzen daher eine wesentlich längere Lebensdauer.
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Kolbenringe mit abgeschrägter Lauffläche, die in der einen Bewegungsrichtung
des Kolbens ausreichend Öl von der Zylinderwand abschaben und in der anderen Bewegungsrichtung
infolge des Keils öl
fördern, sind für sich bekannt (deutsche Patentschrift
867633).
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung hat es sich noch als vorteilhaft
erwiesen, den Ringspalt
mittels an den Enden des Kolbenbolzens sich
axial zwischen den abgeschrägten Kolbenringen erstreckender Trennleisten in zwei
Abschnitte zu unterteilen. Reichen hierbei die Spalte zwischen Trennleisten und
Kolbenringen und Kolbenringnuten und Kolbenringen nicht für das Überströmen des
Schmieröls vom einen Ringspaltabschnitt in den anderen aus, so ist es zweckmäßig,
die beiden Ringspaltabschnitte noch durch die Trennleisten überbrückende Drosselkanäle
zu verbinden.
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Sollte in besonderen Fällen die Förderwirkung des den Ringspalt zum
Kurbelgehäuse hin abgrenzenden abgeschrägten Kolbenrings nicht ausreichen, um die
Schmierölverluste aus dem Ringspalt zu decken, können gemäß der Erfindung in den
Ringspalt mit dem Druckölsystem der Kolbenmaschine in Verbindung stehende Kanäle
für die zusätzliche Zufuhr von Schmieröl münden. Dabei ist es zweckmäßig, daß diese
Kanäle für die zusätzliche Schmierölzufuhr in die die Ringspaltabschnitte verbindenden
Drosselkanäle münden, weil dadurch verhindert wird, daß von einer Kolbenseite durch
die Verbindungskanäle auf die andere Kolbenseite strömendes Schmieröl in die öldruckleitungen
zurückgedrückt werden könnte.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt im Schnitt einen erfindungsgemäßen Kolben, und zwar
teilweise in auseinander gezogener Darstellung der Einzelteile; F i g. 2 zeigt einen
Schnitt längs der Linie VII-VII nach F i g. 1.
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F i g. 1 zeigt einen in einer nicht dargestellten Zylinderlaufbuchse
hin- und herbewegbaren Kolben 1, auf dem drei normale Kompressionsringe 2 angeordnet
sind. Unmittelbar unterhalb dieser Kompressionsringe 2 ist ein in bekannter Weise
ausgebildeter ölabstreifring 3 angeordnet. Darunter ist oberhalb und unterhalb des
Kolbenbolzens 5 je ein Kolbenring 4 mit abgeschrägten Laufflächen vorgesehen, deren
Spalte gegeneinander versetzt sind; beide Kolbenringe 4 verjüngen sich jeweils in
Richtung auf das ihnen benachbarte Ende des Kolbens. Dadurch wird während der Hin-
und Herbewegung des Kolbens infolge der für derartige Ringe bekannten Pumpwirkung
an der Zylinderwand haftendes Schmieröl bei der einen Bewegungsrichtung infolge
des Nachgebens in den Ringspalt gefördert und bei der anderen Bewegungsrichtung
in diesem festgehalten. Jeder Schmierölverlust aus dem Ringspalt wird durch die
Förderwirkung des unteren Kolbenrings 4 wieder ersetzt.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ringspalt zwischen den
Kolbenringen 4 noch in zwei Abschnitte unterteilt. Hierzu sind an beiden Enden des
hohlen Kolbenbolzens 5 die zwei Bauteile 6 und 7 vorgesehen. In sich axial zum Kolben
erstreckenden Schlitzen in den Bauteilen 6 und 7 und dem Kolben zwischen den Nuten
für die Kolbenringe 4 sind Trennleisten 8 gleitend beweglich gelagert, deren äußere
Krümmung der Laufbuchsenkrümmung entspricht. Die Bauteile 6 und 7 sind ebenfalls
an ihren Außenflächen entsprechend der Kolbenkrümmung profiliert. Die Trennleisten
8 passen mit Gleitsitz in die zugehörigen Nuten, wobei am Boden der Nut ein Spiel
vorhanden ist, damit sich der Kolben ausdehnen kann. Die Länge der Trennleisten
8 ist so gewählt, daß zwischen ihren Enden und den beiden Kolben ringen 4 ein kleines
Spiel vorhanden ist. Zwischen den Bauteilen 6 und 7 ist eine Feder 9 vorgesehen,
durch welche die Trennleiste 8 radial nach außen gegen die Wand der Zylinderlaufbuchse
gedrückt wird.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen, daß Schmierölverluste
aus dem Ringspalt nicht völlig durch die Förderwirkung des unteren abgeschrägten
Kolbenrings 4 gedeckt werden. Es ist daher vorgesehen, dem Ringspalt zwischen
den beiden Kolbenringen 4 noch unter Überdruck stehendes Schmieröl zusätzlich zuzuführen.
Hierzu wird Drucköl aus dem Druckölsystem der Kolbenmaschine von der hohlen Pleuelstange
über Bohrungen im Kolbenbolzenlager und in der Wand des Kolbenbolzens zum Inneren
des Kolbenbolzens geleitet. Eine auf der Achse des Kolbenbolzens liegende Ölzuführungsbohrung
10 im Bauteil 7 leitet das Drucköl -zu der rechtwinklig zu der Bohrung 10 verlaufenden
Querbohrung 11. Das Bauteil 6 weist zwei einander diametral gegenüberliegende, mit
der Bohrung 11 fluchtende Bohrungen 12 auf, von denen in F i g. 1 nur eine zu erkennen
ist. Diese beiden Bohrungen 12 in dem Bauteil 6 leiten das Drucköl über Nuten 13
und 14 an den Arbeitsflächen des Kolbens in den Ringspalt. Die durch die Feder 9
auf das Bauteil 7 aufgebrachte, radial nach außen wirkende Kraft wird durch den
auf die Innenfläche des Bauteils 7 wirkenden Öldruck in dem hohlen Kolbenbolzen
noch ergänzt. Gegebenenfalls könnte die radiale Last auch nur durch die Feder oder
nur durch den Öldruck aufgebracht werden.
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Wenn der Koblen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel seitlich in
einer Richtung an die Zylinderwand angedrückt ist, ist der Ringspalt auf der entgegengesetzten
Seite mit Öl gefüllt. Wenn sich nun die Wirkungsrichtung der Querkräfte gegenüber
dem Kolben ändert, wird der Kolben beschleunigt und mit großer Geschwindigkeit quer
zur Zylinderbohrung bewegt. Dieser Querbewegung wird durch das in dem Ringspalt
eingeschlossene Öl ein Widerstand entgegengesetzt, den ein Überströmen des Öls auf
die gegenüberliegende Seite des Kolbens kann nur durch die unvermeidlichen Spalte
zwischen der Trennleiste 8 und den beiden Kolbenringen 4 und in den
Kolbenringnuten sowie über die durch die Bohrungen 11 und 12 gebildeten Drosselkanäle
erfolgen. Diese Drosselkanäle sind genügend eng, damit sie von dem Öl mit hoher
Geschwindigkeit durchströmt werden; diese hohe Strömungsgeschwindigkeit bedingt
eine entsprechende Drucksteigerung innerhalb des sich verkleinernden Ringspaltabschnitts,
da nur hierdurch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufen werden kann. Wenn
sich die an dem Kolben angreifenden Querkräfte erneut umkehren, so daß sich der
Kolben seitwärts in der entgegengesetzten Richtung bewegt, wird die Bewegung des
Kolbens in Richtung auf die jetzt die Querkräfte aufnehmende Seite der Zylinderlaufbuchse
gedämpft.
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Wegen der hohen Geschwindigkeit, mit der das Öl die Drosselkanäle
11 durchströmt, ist der statische Druck in den Drosselkanälen während des überstromvorgangs
verhältnismäßig niedrig. Hierdurch wird der Gefahr entgegengewirkt, daß Öl entgegen
dem Öldruck in dem hohlen Kolbenbolzen durch die Zuführungsbohrungen 10 in den Kolbenbolzen
hinein abströmt. Das zum Ersatz der Leckverluste aus dem Ringspalt durch die Bohrungen
10 zugeführte
Drucköl wird intermittierend zugeführt, wenn der statische
Druck in den Drosselkanälen 11 bis unter den Zuführungsdruck des Öls absinkt.