DE1425497A1 - Kolbenmaschine mit verschleissfceiev Dichtung - Google Patents

Description

• Kolbenmaschine mit verschleißfreier Dichtung Bekannte seien es Lotoren oder Kompressoren, e-#-2thalten in einem Zylinder geführte Kolben, wobei die Dichtung zwischen Zylinder und Kolben durch Kolbenringe bewirkt ist. Durch diese sogenannte Berührungsdichtung wird zl.!jangsweise auch bei -,der Verwendung von Schmieruitteln Reibung erzeugt, die Verschleiß zur ivolge hat und zwangsläufig den Wirkungsgrad der 11..aschine herabsetzt.
• bs besteht demgemäß die ii-Ufgabe, eine Dichtung für eine -1,'-olbeiiinaschine anzugeben, die reibungsfrei arbeitet und die außerde-!ii zur -,'#i'rzielung eines guten Wirkungsgrade5 den Arbeitsraum der M.aschine wirkungsvoll abdichtet.
• Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Kolbenmaschine mit geradlinig oszillierender Bewegung eines außerhalb eines Arbeitsraumes geführten 'Kolbens in einer zwischen dem Kolben und der Gehäusewand angeordneten den Arbeitsraum verschließenden berührungsfreien Vollabyrinthdichtung.
• Durch diese erfindunAsgemäße Ausbildung kann auf eine Kühlung verzichtet -aerden, da man nicht auf die hrhaltung des Schmiermittels auf den Berührungsflächen angewiesen ist.
• Die Kolbenabdichtung ohne V--landber'"Lihrung wird erfindungsgemäß durch das ±#rinzip einer at-,1.enden Jollabyrinthdichtung herbeigeführt, bei der ineinanderragende Labyrinthdichtungselemente relativ zueinander in der Richtung ihrer Längenerstreckung oszillieren und dadurch die zgischen ihnen liegenden Räume periodisch vergrößern -%,.nd verkleinern. .äufgrund dieser im Betrieb periodischen Veränderung dei Räume zwischen den Labyrinthdichtungseleinenten ist diese Labyrinthdichtuhg eine instationäre Labyrinthdichtung. Der Ausdruck "atmend" gibt die abwechselnde Verdichtung und z#;ntspannung des kompressiblen Liediums in der Labyrinthdichtung an. Unter Vollabyrinthdichtung wird eine Labyrinthdichtung verstanden, bei der durch uberdeckung der Labyrinthdichtungselemente eine mehr,-iialige Strömungsumkehr der Leckströmung erzwungen wird. Die Dichtwirkung dieser Dichtung wird durch den iiiit der oszillierenden 1#ewegung herbeigeführten Staudruck innerhalb der Labyrinthdichtung verbessert. Bei der 11,aschine, an der das erfindungsgemäße Prinzip zur Anwendung kommt, werden der Kolben und das Arbeitsgehäuse bzw. die zur Dichtung herangezogenen Labyrinthelernente vorzugsweise zylindrisch ausgebildet; sie haben die-Form zylindrischer Röhren#schwacher Wandstärke. Jedoch kann diese Form auch nichtzylindrisch sein.
• Im Folgenden wird die brfindung an zylindrisch ausgebildetem Kolben und Zylinder erläutert. Die röhrenförmigen Labyrinthdichtungselemente sind konzentrisch zum Kolbenumfang geschichtet angeordnet und ragen parallel zu ihren Lantelflächen in Richtung ihrer Mittelachse verschieblich ineinander. Ihre-Helativbewegung erfolgt parallel zur Richtung der Mittelachse des Zylinders, wodurch sie als eine Art von atmenden Lab.#rinthdichtungen gekennzeichnet sind.
• Die L,rfindung sei anhand von.Ausführungsbeispielen einer Verbrennungskraftmaschine und eines Kompressors näher erläutert.
• Izig. 1 zeigt einen nach dem Dieselverfahren arbeitenden Viertakt-Verbrennungsmotor.
• 1-ig. 2 zeigt einen Schnitt nach Linie II-II in ii'ig. 1.
• l'ig. 3 zeigt eine Konstruktionsmöglichkeit für die Befestigung der Labyrinthdichtungsele-mente am Kolben.
• l'ig. 4 zeigt einen Schnitt nach Linie IV-IV der Konstruktionin Fig. 3. l'ig. 5 zeigt einen nach dem Dieselverfahren arbeitenden Viertakt-Verbrennungsmotor in anderer Konstruktionsweise.
• Fig. 6 zeigt einen Kompressor. In Fig. 1 ist eine Ausführungsform als Verbrennunzrskraftmaschine gezeigt. Diese besteht aus einem Kolben 1 und einem Zylindergehäuse 2 mit zugehörigen Labyrinthdichtungselementen.3 und 4, einem x,inlaßventil 5 und einem.Auslaßventil 6 sowie Kanälen 7 zwischen Arheitsraum 8 und Vorkammer 9 der als Dieselmotor gedachten L.aschine. Der Kolben 1 ist durch die Kolbenstange 10 in einer Führung 11 außerhalb des Arbeit#sraumes geführt. Die Bewegung des Kolbens 1 kann mittels einer Kreuzkopfkonstruktion 12 über die Pleuelstange 13 in die Drehbewegung der Kurbel 14 und somit in die Drehung eines Schwungrades überführt werden. Die Ventile 5 und--,6 steuern Ein- und Auslaß. 15 stellt die Linspritzvorrichtung dar. Die einzelnen zylinderförmigen, am Kolben 1 befestigten Labyrinth-

  dichtungselemente 3 greifen derart in die am Zylinder 2 befestigten

  tl> -

  labyGriiithdichtungselemente 4 ein, daßMich bei der Expansions-

  bzw. Ansaugbewegung des Kolbens so ineinander verschieben, daß

  sich die Räume 16 zwischen den labyrinthdichtungselementen verkleinern und sich das darin befindliche liedium verdichtet. Durch den dabei auftretenden Staudruck wird die, Abdichtung des Arbeitsraumes 8

  verbessert. Die Räume 16 müssen beim Expansionsendpuj*noch ein

  genügend großes Ausmaß besitzen; um Störungen zu vermeiden, darf die

  Verdichtung des Restgases in den Räumen 16 nicht zu hoch getrieben werden.
• Bei Wärmekraftmaschinen und Arbeitsm#-,schinen, in denen höhere Temperaturen auf kommen und damit Wärmedehnungen Rechnung getragen werden muß, ist dafür zu sorgen, daß die Berührungsfreiheit der Labyrinthdichtungselemente erhalten bleibt. Dies kann dadurch geschehen, daß die radialen Abstände in der Labyrinthdichtung entsprechend bemessen werden. Die Labyrinthdichtungselemente können an ihren Trägern, dem Kolben bzw. Zylinder einzeln derart befestigt werden,

  daß%ich bei Wärmeausdehnung in ihren Verschraubungen verschie-

  ben können.

  In Fig. 3 und 4 ist eine Konstruktionsmöglichkeit für die am Kolben zu befestigenden Labyrinthdichtungselerlente aufgezeichnet. In Fig- 3 ist 1 der Kolben und 10 die Kolbenstange, mit der der Kolben geführt wird. Die Stiftschrauben 179 die in den Labyrinthdichtungeelementen 18 fest eingelassen sind, ragen durch radiale Schlitzöffnuligen 19 (Fig. 4) im Boden des Kolbens 1, mit de.i sie durch Brücken 20 und läuttern 21 fest verankert sind. Die Labyrintbdichtungselemente 18 stützen sich jeweils auf einen an die Labyrinthdichtungselemente 22 gedrehten Bund 23, sodaß die an den Labyrinthdichtungselementen 18 befestigten Schrauben 17 die nicht mit Stiftschrauben versehenen Labyrinthdichtungselemente 22 an den Boden des Kolbens 1 pressen. Da sich die Stiftschrauben 17 in den Schlitzöffnungen 19 in radialer Richtung verschieben können, wird den Labyrinthdichtungselemonten die Löglichkeit gegeben, sich bei Wärmeeinflüssen radial frei auszudehnen oder zusw#menzuziehen. iiu!ii Schutz der Verschraubungen ist eine Abdeckplatte 24 darüber angebracht. Bei dem in Fig. 1.dargestellten Verbrennungsmotor sind die Labyrinthdichtungselemente 3 mit dem Kolben 1 so verbunden, daß ihre freien Enden:in die Richtung der Kolbenstange zeigen, wodurch sich die .Labyrinthdichtungselemente 3 und 4 beim Expansionshub bzw. Ansaughub ineinander hineinbewegen und dabei die dazwischenliegenden Räume 16 verkleinert werden. In diesem Fall erhöht sich beim #Gxpansionshubp dem Arbeitshub der Maschinet die Dichtwirkung durch den in den Räumen 16 auftretenden Staudreuk.
• i#s ist jedoch auch möglich, die Labyrinthdichtungselemente mit dem Kolben so zu verbinden, daß ihre freien Enden zum Zylinderkopf zeigen, waaurch sich die lia-byrinthdichtungselemente von Kolben und Zy- linder beim Kompressionshub ineinander hineinbewegen und dabei die dazwischenlie-genden Räume verkleinert werden. In diesem Fall erhöht sich durch den Staudruck die Dichtwirkung beim iEompre--sionshub.
• In Fig. 5 ist*-eine Konstruktionsweise für einen nach dem Dieselverfahren arbeitenden Viertakt-Verbrennungsmotor dargestellt., bei der durch die Anordnung der Labyrinthdichtungselemente beim Kompressionshub Staudruck in den dazwischenliegenden Räumen erzeugt wirdg was besseze Kompression ergibt.
• Der Motor nach 1-ig. 5 besteht aus einem Kolben 11 und einem Zylindergehäuse 2' mit zugehörigen labyrinthdichtungselementen 3' und V, einem Einlaßventil 5' und einem Auslaßventil 6'. Der Kolben l' ist durch die KolbenstLnge 10' in einer Führung 11' außerhalb des Arbeitsraumes geführt. Die Bewegung des Kolb ens l' kann mittels Einern greuzkopfkonstruktion 12' über die Pleuelstange 13' in die Drehbeivegung der Kurbel 141 überführt werden. 15' stellt eine i"inspritzvorrichtung dar. Die freien ßnden der Labyrinthdichtungselemente 3' zeigen zum Zylinderkopf und ragen in die Labyrinthdichtungselemente 4' hi ,-Pein, die am Zylinderkopf be#est--;J-gt sind. Bei der oszillierenden Bewegung der Labyrinthdichtungselemente vergrößern und verkleinern sich periodisch die Räume Wund das darin befindliche üMedium wird jeweils beim Kompressionshub bzw. 1,rbeitshub entsprechend verdichtet und entspannt.
• In Fig. 6 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Holbenmaschine als Kompressor dargestellt. Hierfür ist die Anordnung der Labyrinthdichtungselemente gemäß 11,0-. 5 gewählt. Der Kolben 25 wird durch die Kolbenstange 26, die in der #Uhrung 27 außerhalb des Arbeitsraumes geführt ist, im Zylindergehäuse 28 bewegt. Die Umsetzung der Drehbewegung der Kurbel in die oszillierende Kolbenbewegung erfolgt wie bei den in Fig. 1 und 4 beschriebenen Maschinen. In den Arbeitsraum 29 tritt das Medium im Ansaugtakt durch das Einlaßventil 30 ein ti*d und nach dem Kompressionstakt durch das Auslaßventil 31 aus dem Arbeitsraum aus.
• Bei dem dargestellten Kompressor greifen die am Kolben 25 befestigten Labyrinthdichtungselemente 32 derart in die am Zylindergehäuse 28 befestigten Labyrinthdichtungselemente 33 ein, daß sie sich bei der Ansaugbewegung des Kolbens so zueinander verschieben, daß sich die zwischen den labyrinthdichtungselemente n befindlichen Räume 34 vergrößern. Hierdurch wird beira Arbeitshub des Kompressors eine Verkleinerung dieser Räume erreicht, was im Arbeitshub die Dichtwirkung erhöht.
• Die durch die hrfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Kolbenmaschinen, die erfindungsgemäß nach dem Prinzip einer atmenden Vollabyrinthdichtung gedichtet sind, ohne Wandberührung abgedichtet werden können, Dieses Prinzip ermögliäht es, Kolbenmaschinen mit hohen Kolbengeschwindigkeiten zu bauen, da Reibung und Verschleiß von Zylindern und Kolbenringen fortfallen, und sichert damit hohe Betriebszeiten und lange Lebensdauer der Maschinen.
• Die berührungsfreie Dichtung nach der Erfindung benötigt keine Sch-mierung und erspart die kostspielige Sch-niermittelz"fuhr zu den Zylinderlaufbüchsen und den Kolbenringen der bekannten Maschinen-. Somit können auch Zylinderschmiereinrichtungen entbehrt werden. Hierdurch wird der wirtschaftliche Wirkungsgrad der-Kolbenarischine bMdeutend gesteigert.
• Die durch die Reibung der Kolbenringe an der Zylinderwand verursachten Leistungsveriuste können eingespa&rt werden. Hierdurch wird der mechanische Wirkungsgrad der Kolbenmase hine verbessert.
• Für Kolbenkompressoren bestehen die Vorteile der Erfindung daring daß sie völlig saubere und schmiermittelfreie Arbeitsräume gewähr-

  leistet. Damit können Luft, Sauerstoff und andere Gase ölfrei ver-

  dichtet werden, was insbesondere4nKderhhemischen und petro",chemischen

  Industrie,der Lebensmittelindustrie und in der Kältete'chnik vorteilhaft ist. Da hohe Kolbengeschwindigkeiten gewählt werden könneng sind die erfindungsgemäßen Maschinen bequem mit schnellaufenden .Antriebsmotoren un:t-tiittelbar zu kuppeln-.
• Im Vergleich zu den bisher bekannten Möglichkeiten einer berührungsfreien Dichtung von Kolbenmaschinenjwie sie beispielsweise der Sulzerkompres sor aufweist, hat die erfindungsgemäße Dichtung nach dem -urinzip einer atinenden Vollabyrinthdichtung den Vorteilt-daß die durch sie erzielten langen Drosselaege und die Strömungsumkehr .der Leckströmung eine Verbesserung der Dichtwirkung erbringen.
• lUr Kolbenmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung, bestehen die Vorteile der Lrfindung neben den vorgenannten der Reibungs- und Verschleißfreiheit darin, daß die Kühlung des Brennraumes aufgegeben werden kanng Mit dem dadurch höher gerückten Temperaturniveau des Arbeitsprozesses wird der theoretisch- ther. mische Wirkungsgrad gesteigert, wodurch der Frennstoffverbrauch gesenkt werden kann.

Claims (1)

1. Patentäns-Prüche: 1.) Kolbenmaschine mit geradlinig oszillierender Bewegung eines außerhalb eines Arbeitsraumes geführten Kolbens, e k o n n z e i a h n e t d u r o h eine zwischen dem Kolben und der Gehäusewand angeordnete den Arbeitsraum verschließende berührungsfreie, atmende Vollabyrinthdiohtunge 2.) Kolbenmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n s e i o h n e t 9 daß die Dichtung des Kolbens gegen die Gehliuaewand durch parallel zur Kolbenumfangsfläche angeordnete Labyrinthdiohtungselemente geschieht, die abwechselnd mit dem Kolben bzw. der Gehäusewand verbunden sind und die parallel zur Kolbenumfangsfläche in Richtung ihrer Mittelaohse eine Relativbewegung zueinander ausführen. Kolbemaeohine nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n s e i o h n e t 9 daß die Dichtungselemente hohlzylindrisoh gestaltet sind. 4.) KolbenmasohinelL nach einem der Ansprüche 1 bis 39 d a -d u r o h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Labyrinthdichtungselemente mit dem Kolben so verbunden sind, daß ihre freien Enden zum Arbeitsraum hinweiseng wodurch die Zwisohen den Labyrinthdichtungselementen vorhandenen Räume beim Expansionehub #zw. Ansaughub vergrößert werden. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Labyrinthdichtungselemente mit dem Kolben so verbunden sindg daß ihre freien Endenvom Arbeitsraum weg weiseng wodurch die.zwischen den labyrinthdichtungselementen vorhandenen Räume beim Expansionshub bzw. Ansaughub verkleinert werden.. 6.). Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n xi z.e i c h n e t daß der in der Vollabyrinthdichtung auftretende Staudruck dürch Variation der beim Expansionshub bzw. Kompressionshub an den Totpunkten noch vorhandenen Restvolumina in den Räumen deesten Endender labyrinthdichtungseleniente begrenzt an wird. 7.) Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 69 d a d u r c h g e k e xi n z e i c li n e t , daß in die Räume an den festen Enden der LabyrinthdichtungseleLlerite durch DU-sen Kühl- oder S-.,)errluf-ü eingeblasen wird'.