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Kolbenmaschine mit einem Fühler, der in einer die Arbeits-
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kammer in einem Zylinder umgebenden Wand montiert ist.
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit einem Fühler, der in
einer Querbohrung in einer Wand montiert ist, die die Arbeitskammer in einem Maschinenzylinder
umgibt, und dessen eine Stirnfläche mit der der Arbeitskammer zugekehrten Fläche
der Wand fluchtet oder im wesentlichen fluchtet.
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Es ist bekannt, zum automatischen überwachen relevanter Parameter,
wie z.B. Wandtemperaturen oder Abnutzung der Lauf fläche des Zylinders, einen oder
mehrere solcher Fühler in die Zylinderwand oder den Zylinderdeckel einer Kolbenbrennkraftmaschine
einzubauen. Da sich die Messtelle auf der Innenseite der betreffenden Wand befindet,
muss der Fühler notwendigerweise in einer durchgehenden Bohrung in der Wand montiert
werden.
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Bei einer bekannten Ausführungsform ist der Fühler mit den zugehörigen
Leitungen für seinen Anschluss an eine äussere Messschaltung in einen konischen
Pfropfen eingebaut, der von der Innenseite der Wand her in eine dazu passende, konische
Bohrung in der Wand hineingetrieben ist, was den Vorteil hat, dass bei in Betrieb
befindlicher Maschine der Gasdruck in der Arbeitskammer den Pfropfen in der Bohrung
festgepresst hält. Die Bearbeitung der Bohrung mit einer konischen Reibahle zwecks
Anpassu der Form der Bohrung an die Mantelfläche des Pfropfens muss von der Innenseite
der Zylinderwand her geschehen und ist deshalb ein umständlicher und zeitraubender
Vorgang. Ein weiterer Nachteil be-
steht darin, dass der Anschluss
der Leitungen des Fühlers an die äussere Messchaltung, der normalerweise durch direktes
Anlöten der Leitungen an äussere Leiter oder an einen Miniaturstecker in einer Kabeldose
auf der Aussenseite der Wand erfolgt, erst nach der Montage des Fühlers vorgenommen
werden kann und somit ein Hantieren der oft grossen und schweren Zylinderkomponenten
erfordert. Das Auswechseln eines beschädigten Fühlers, nachdem die Maschine fertiggestellt
und in Betrieb genommen worden ist, stellt ebenfalls einen äusserst umständlichen
und zeitraubenden Vorgang dar, der den Ausbau grosser Teile der Maschine notwendig
macht.
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Nicht zuletzt bei Schiffsmaschinen ist dies auf Grund der oft ungünstigen
Arbeitsbedingungen an Bord ein erheblicher Nachteil.
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Die erfindungsgemässe Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Fühler in einen Halter eingebaut ist, der von aussen her in die Bohrung mit enger
passung in dieser einsetzbar ist, und dass der Halter mit Hilfe einer äusseren Spannvorrichtung
in bezug auf die Wand der Arbeitskammer axial fixiert ist.
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Hierdurch werden die oben aufgeführten Mängel weitgehend behoben.
Der Einbau des Fühlers in einen Halter, der von aussen her in die Wand eingesetzt
werden kann, ermöglicht es, die Bearbeitung der Bohrung für den Halter ausschliesslich
von der Aussenseite des Zylinders her vorzunehmen und den Fühler zu montieren, nachdem
die Maschine im übrigen fertiggestellt und eventuell aufgestellt worden ist. Entsprechend
kann die Demontage und das Auswechseln eines defekten Fühlers ohne jeglichen Ausbau
anderer Teile der Maschine erfolgen. Die notwendigen Verbindungen zwischen den Fühlerleitungen
und einem äusseren Miniaturstecker können vor dem Einbau des Halters, d.h. unter
den günstigsten Arbeitsbedingungen, hergestellt werden. Die Spannvorrichtung ermöglicht
die Aufrechterhaltung eines passenden Anlagedrukkes zwischen den aneinanderliegenden
Dichtungsflächen am
Halter und an der Wand der Arbeitskammer, und
sie nimmt gleichzeitig die nach aussen gerichteten Kräfte auf, die der innere Druck
im Zylinder auf die Stirnfläche des Fühlers ausübt.
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Insbesondere bei einem Fühler, der an einer Stelle angeordnet ist,
an welcher er nur einem relativ niedrigen inneren Zylinderdruck ausgesetzt ist,
z.B. an dem vom oberen Totpunkt des Kolbens am weitesten entfernten Ende der Zylinderwand
in einer Brennkraftmaschine oder einem Kompressor, können die aneinanderliegenden
Passflächen auf der Aussenseite des Halters und in der Bohrung zylindrisch sein.
Im allgemeinen wird jedoch bevorzugt, dass der Halter und die Bohrung in der Wand
der Arbeitskammer konisch sind und dass sich der kleinste Durchmesser der Bohrung
auf der der Arbeitskammer zugekehrten Seite befindet. Es ist einfacher, eine satte
Passung zwischen dem Halter und der Wand der Bohrung durch konische Flächen zu erstellen,
und dies lässt sich auf besonderes einfache und sichere Weise durch Ausnutzung der
äusseren Spannvorrichtung erreichen, indem man die Bohrung mit einem derartigen
Untermass aufreibt, dass sich nach dem Einsetzen des Halters die innere Stirnfläche
des Fühlers noch ein kleines Stück im Inneren der Bohrung befindet, und anschliessend
mit Hilfe der Spannvorrichtung den Halter in die Bohrung hineinpresst, bis die Stirnfläche
des Fühlers mit der Wand des Zylinders fluchtet. Der hierdurch erzielte hohe Flächendruck
zwischen dem Halter und der Bohrung ist besonders vorteilhaft, wenn es sich beim
Fühler um einen Temperaturfühler handelt, weil er einen effektiven Wärmeübergang
von der Wand zum Fühler und somit eine genaue Registrierung der Wandtemperatur sicherstellt.
Ein weiterer Vorteil der Anwendung eines konischen Fühlerhalters ist, dass der Halter
beim Ausbau nur ein kurzes Stück bewegt zu werden braucht, um aus der Bohrung freizukommen,
und dass er deshalb nicht so leicht wie ein zylindrischer Halter in der Wand festrosten
kann.
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Der halter kann sich an dem nach aussen gekehrten Ende der Bohrung
in einem Verlängerungsstück fortsetzen, auf das die äussere Spannvorrichtung einwirkt.
Das Verlängerungsstück kann mit so grossem Durchmesser ausgestaltet werden, dass
sein äusseres Ende die eine Komponente einer elektrischen Steckverbindung aufnehmen
kann, mit deren Hilfe der Fühler über Leitungen, die durch das Verlängerungsstück
hindurchführen, an eine externe Schaltung angeschlossen werden kann.
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Das Verlängerungsstück und der Fühlerhalter können als zwei separate
Teile ausgebildet sein, die, insbesondere mit Hilfe eines Gewindes, lösbar miteinander
verbunden sind.
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Dies ist aus herstellungstechnischen Gründen oft vorteilhaft, weil
bei der Herstellung des Fühlerhalters bezüglich der Genauigkeit der Bearbeitung
wesentlich höhere Anforderungen gestellt werden als bei der Herstellung des herausragenden
Verlängerungsstückes.
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Die Spannvorrichtung kann eine Buchse umfassen, die das Verlängerungsstück
mit einem Spielraum umgibt und in der Wand der Arbeitskammer festgeschraubt ist
und die an ihrem äusseren Ende mit einem Gewinde versehen ist, das mit dem Gewinde
einer Uberwurfmutter zusammenwirkt, die beim Festziehen die axiale Belastung des
Verlängerungsstückes bewirkt.
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Zwischen der Uberwurfmutter und dem Verlängerungsstück kann eine Druckfeder
eingesetzt sein. Die Feder gewährleistet, dass eine gleichförmige und vorgegebene
axiale Spannkraft auf den Halter ausgeübt wird.
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Ist die Wand der Arbeitskammer von einem Kühlmantel umgeben, so kann
in diesen Kühlmantel ein Dichtungspfropfen eingepresst sein, der mit Hilfe der Buchse
gegen die Aussenseite der Arbeitskammerwand gedrückt wird. Hierdurch wird einem
Eindringen von Kühlmittel aus dem Kühlmantel in das Innere der Buchse der Spannvorrichtung
und von dort aus
weiter in die Bohrung in der Wand der Arbeitskammer
vorgebeugt. Eine derartige Leckage von Kühlmittel würde insbesondere in einer Brennkraftmaschine
auf Grund der relativ niedrigen Kühlwassertemperatur und der relativ hohen Temperaturen
der Zylinderwand eine erhebliche Korrosionsgefahr herbeiführen.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische
Zeichnung näher erklärt. Es zeigt Fig. 1 im Axialschnitt den oberen Teil eines Motorzylinders
in einem erfindungsgemässen mehrzylindrigen Dieselmotor mit einem in der Zylinderwand
montierten Fühler und Fig. 2 in grösserem Massstab einen lotrechten Schnitt durch
denjenigen Abschnitt des Zylinders, in dem der Fühler montiert ist.
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Eine Laufbuchse 1 in einem mehrzylindrigen Dieselmotor, z.B. einem
grossen Schiffsdieselmotor, ist in einem Motorblock 2 montiert, indem ein Kragen
3 am oberen Ende der Laufbuchse 1 mit Hilfe von Stehbolzen und zu diesen gehörenden
Muttern 5 zwischen dem Motorblock und einem Zylinderdeckel 4 axial festgespannt
ist. Ein Auslassventil 6 ist in ein Gehäuse 7 eingebaut, das im Zylinderdeckel montiert
ist. Ein sich in der Laufbuchse hin- und herbewegender Kolben 8 grenzt zusammen
mit der Lauffläche 9 der Buchse und der Innenseite des Zylinderdeckels eine Brennkammer
10 ab. Eine Kühlkammer 11 wird von der Aussenseite des Kragens 3 und einem auf diesem
Kragen dichtschliessend montierten Kühlmantel 12 abgegrenzt.
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Zum Messen eines für den Betrieb des Motors relevanten Parameters,
beispielsweise des Verlaufes der Temperatur auf der Innenseite der Wand, des Schmierungszustandes
zwischen der Lauffläche 9 und den Kolbenringen des Kolbens 8 oder der Abnutzung
der Lauffläche, ist in die Wand des Kragens 3 der Laufbuchse eine generell mit 13
bezeichnete Fühler-
vorrichtung eingebaut. Wie in Fig. 2 detaillierter
gezeigt ist, ist das eigentliche aktive Fühlerelement oder ein Körper, in den dieses
Fühlerelement eingebaut ist, als schlanker, konischer Pfropfen 14 ausgebildet, der
fest in einen ebenfalls konischen Halter 15 hineingepresst und mit Hilfe eines Stiftes
16 in bezug auf diesen Halter gesichert ist. Das aktive Fühlerelement könnte jedoch
anders als gezeigt gestaltet und im Halter eingebaut sein. Das dünnere Ende des
Fühlerelementes 14 ist im Inneren des Halters 15 gelegen, während das dünnere Ende
des Halters 15 der Brennkammer 10 zugekehrt ist. Die Stirnfläche des Fühlerelementes
14 fluchtet mit der Lauffläche 9 des Zylinders.
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Mit Hilfe der im folgenden beschriebenen Spannvorrichtung ist der
Halter 15 mit einer vorgegebenen Vorspannung in einer entsprechenden konischen Bohrung
in der Laufbuchse 1 festgepresst. Die genannte Bohrung setzt sich auf der Aussenseite
der Laufbuchse in einer grösseren zylindrischen Bohrung 17 fort, die mit Innengewinde
versehen ist. Vor seiner Montage in der Laufbuchse 1 wird der Halter 15 mit einem
Verlängerungsstück 18 fest zusammengeschraubt, das durch die Kühlkammer 11 und den
Mantel 12 hindurchragt.
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Das Verlängerungsstück 18 ist von einer Buchse 19 umgeben, die im
Gewinde in der Bohrung 17 festgeschraubt ist. Die Buchse 19 ist gegen die Kühlkammer
11 flüssigkeitsdicht abgesperrt mit Hilfe eines Pfropfens 20, der in einer durchgehenden
Bohrung im Kühlmantel 12 montiert und in bezug auf diese Bohrung und eine plane
Auflagefläche auf der Aussenseite der Laufbuchse 1 mit Hilfe von 0-ringen 21 abgedichtet
ist. Der Pfropfen 20 wird durch das Einschrauben der Buchse 19 in die Bohrung 17
festgehalten, indem ein Kragen an der Buchse über eine unter ihm angeordnete Dichtung
22 gegen die äussere Stirnfläche des Pfropfens drückt.
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Das nach aussen gekehrte Ende des Verlängerungsstückes 18 ist mit
einer Schulter ausgebildet, gegen die ein Druckring 23 anliegt. Das äussere Ende
der Buchse 19 ist mit ei-
nem Gewinde versehen, auf das eine Uberwurfmutter
24 aufgeschraubt ist. Zwei Tellerfedern 25 sind zwischen dem Druckring 23 und einer
Schulter im Inneren der Uberwurfmutter 24 montiert, und wenn die Mutter 24 so auf
das Gewinde der Buchse 19 aufgeschraubt ist, wie es in Fig.
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2 gezeigt ist, belasten die Federn den Druckring und damit das Verlängerungsstück
18 und den daran befestigten Fühlerhalter 15 mit einer im voraus festgelegten axialen
Kraft, die die bereits erwähnte Vorspannung zwischen den Passflächen am Halter 15
und in der dazu passenden konischen Bohrung in der Zylinderlaufbuchse 1 hervorbringt.
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Zwischen der Vberwurfmutter 24 und der Buchse 19 kann, wie gezeigt,
eine Dichtung 26 vorgesehen sein.
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Vom Fühlerelement gehen zwei elektrische Leitungen 27 aus, die im
Halter 15 und dem inneren Teil des Verlängerungsstückes 18 von einem starren Schutzrohr
28 umgeben sind. Die freien Enden der Leitungen 27 sind an eine im äussersten Ende
des Verlängerungsstückes untergebrachte Fassung 29 für einen elektrischen Miniatur
stecker angelötet. Das zugehörige Oberteil 30 des Steckers ist an einem Kabel 31
montiert, das den Fühler mit einer externen Schaltung verbindet, und kann durch
die Öffnung in der Vberwurfmutter 24 hindurch mit der Fassung 29 zusammengesteckt
werden. Nach dem Zusammenstecken dieser elektrischen Verbindung kann es zweckdienlich
sein, den äussersten Teil der Uberwurfmutter und das Kabel mit einer nicht eingezeichneten
elastichen Dichtungsmuffe zu umgeben, um auf diese Weise die elektrische Steckverbindung
vollständig gegen die Umgebung auszudichten.
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Damit verhindert wird, dass sich das Verlängerungsstück 18 in bezug
auf die Buchse 19 dreht, wenn das Verlängerungsstück und der Halter 15 mit Hilfe
der Oberwurfmutter in ihren Sitz hineingepresst werden, ist im äussersten Ende der
Buchse 19 ein axialer Schlitz 32 ausgebildet, in den ein in das Verlängerungsstück
eingeschraubter Führungszap-
fen 33 eingreift. Der Ausbau des Fühlerhalters
15 und des Verlängerungsstückes 18 erfolgt mit Hilfe einer Abziehmutter 34, die
mit einem Gewinde am Verlängerungsstück 18 zusammenwirkt und gegen die Stirnfläche
der Buchse 19 anliegt.
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Das Einpassen des Fühlerhalters 15 in die Laufbuchse 1 kann zweckmässigerweise
dadurch geschehen, dass die vorgebohrte Bohrungin der Laufbuchse zuerst mit einer
konischen Reibahle auf ein vorgegebenes Untermass aufgerieben wird, welches so bemessen
ist, dass sich die Stirnfläche des Halters 15 und des Fühlerelementes 14 einige
Millimeter von der Lauffläche 9 entfernt im Inneren der Bohrung befindet, wenn der
Halter mit der Hand in die konische Bohrung eingesetzt wird. Danach wird am Boden
der Bohrung 17 eine plane Auflagefläche für die Stirnfläche des Verlängerungsstückes
18 erstellt, und zu diesem Zweck kann eine Sitzfräse mit einem Schaft benutzt werden,
der mit einem Spielraum in die konische Bohrung für den Halter hineinpasst und die
gleiche Länge wie der konische Teil des Halters hat. Das Fräsen der Auflagefläche
ist beendet, wenn die inwendige Stirnfläche des Schaftes mit der Lauffläche 9 fluchtet.
Wenn das Verlängerungsstück 18 mit dem Halter 15 danach mit Hilfe der Uberwurfmutter
24 in die Laufbuchse hineingepresst wird, bis die Stirnfläche des Verlängerungsstückes
gegen die genannte Auflagefläche anliegt, sitzt der Halter mit der vorgegebenen
Presspassung und mit seinem dünneren Ende in Flucht mit der Lauffläche 9 in der
konischen Bohrung fest.
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Es ist ersichtlich, dass der oben beschriebene Einbau eines Fühlers
auch mit Vorteil an anderen Stellen ausgeführt werden kann, wo die Funktion relativ
zu einander beweglichen Maschinenteilen überwacht werden soll. Als Beispiel können
erwähnt werden Fühler zur Verschleissmessung in Lagern wo das Fühlerelement mit
einer ortsfesten Lagerfläche genau fluchten soll, und Fühler zur Messung von Lagertemperaturen,
wo ein inniger Kontakt zwischen dem ortsfesten
Lagerteil und dem
Fühler eine Voraussetzung dafür ist, dass eine Temperatursteigung genügend schnell
und genau festgestellt werden kann. In beiden Fällen ist es vorteilhaft, dass der
Fühler eingebaut und insbesondere (zwecks Auswechslung) ausgebaut werden kann ohne
Demontage des Lagers oder der im Lager unterstützten Welle.