DE4301860A1

DE4301860A1 - Spezialkolben für Kolbenmaschinen

Info

Publication number: DE4301860A1
Application number: DE19934301860
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Phys Stock
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-01-25
Filing date: 1993-01-25
Publication date: 1994-09-22

Description

Verbrennungsmotore und Pumpen bzw. Kompressoren nach dem Kolbenprinzip sind schon lange Zeit bekannt. Die wichtig sten Ausführungen hiervon sind Zwei- und Viertaktversionen von Otto- und Dieselmotoren. Eine Beschreibung hiervon findet sich z. B. in "Kraftfahrzeugtechnik", Prof. Fried rich Niess, Klett-Verlag Stuttgart, 3. Auflage 1982, S. 76-198. In diesem Werk wird auf S. 100-106 der Motorkol ben und auf S. 107-110 die Pleuelstange ausführlich be schrieben. Kolbenpumpen und -kompressoren arbeiten in der Regel wie Viertaktmotoren mit Ventilen, wobei jedoch nur die Takte Ansaugen und Ausstoßen verwendet werden. Eine Ansicht hiervon findet sich z. B. in "DAS NEUE DUDEN- LEXIKON", Band 8, DUDENVERLAG Mannheim/Wien/Zürich, S. 3080.

Kolben und Pleuelstange werden bisher als getrennte Bauteile verwendet. Verbunden werden sie durch ein weite res Bauteil, den Kolbenbolzen. Die Ausführung des Kolbens ist, da er erhebliche Kräfte sowohl auf die Pleuelstange als auch auf die Zylinderwände übertragen muß und außerdem hohe Temperaturen vertragen muß, zweckentsprechend in Kolbenboden, Feuersteg, Ringzone, Kolbenschaft und Bol zenauge aufgeteilt.

Der Kolbenbolzen überträgt hohe Kräfte vom Kolben auf die Pleuelstange. Deshalb muß er besonders spielarm im Kolben liegen und wird oft nur zusammen mit diesem ausge liefert, da das Kolbenauge genau angepaßt ist. Der Kolben bolzen muß ferner schnelle Beschleunigungen vertragen, soll aber möglichst leicht gebaut werden.

Die Pleuelstange setzt die geradlinige Bewegung des Kol bens in eine Drehbewegung um, indem sie den Kolben mit der Kurbelwelle verbindet. Sie überträgt auch die Kraft vom Kolben auf die Kurbelwelle und erzeugt so an der Kur belwelle ein Drehmoment. Sie muß daher großen Druck aus halten und knickfest sein. Ihre beiden Lager (zur Ver bindung mit dem Kolbenbolzen und der Kurbelwelle) müssen möglichst spielfrei, dabei aber leicht drehbar und druck fest sein.

Die Ausführung von Kolben, Kolbenbolzen und Pleuelstange ist aufgrund der hohen Anforderungen kompliziert und teu er. Außerdem weisen diese Bauteile ein erhebliches Gewicht auf, welches den Verschleiß der Kurbelwelle, der Pleuel lager und des Kolbenbolzens fördert. Eine höhere Masse von Kolben, Kolbenbolzen und Pleuelstange führt auch zu stär keren Vibrationen der Maschine im Lauf.

Das Ersetzen der Teile Kolben, Kolbenbolzen und Pleu elstange durch das eine Teil Spezialkolben nach den Pa tentansprüchen 1 und 2 hat folgende Vorteile:
Da in einem ebenen Durchschnitt betrachtet der Spezial kolben nach Patentansprüchen 1 und 2 als Kreisausschnitt an der geraden Zylinderwand liegt, ist die Dichtigkeit zwischen Brennraum und Kurbelwellenraum auch ohne Kolben ringe sehr gut. Der Spezialkolben nach den Patentan sprüchen 1 und 2 muß nicht entlang der Zylinderachse geradlinig geführt werden, was seine Baulänge und damit sein Gewicht reduziert. Das obere Pleuellager und der Kolbenbolzen entfallen, was ebenfalls das Gewicht redu ziert. Der Spezialkolben nach Patentansprüchen 1 und 2 kann ferner in bereits vorhandene Maschinen eingebaut wer den, was die Entwicklungskosten auf die des Teiles selbst reduziert. Da der Kugelausschnitt den Zylinder immer senkrecht zur Zylinderachse kreisförmig abschließt (egal, wie eine Kugel gedreht wird, sie schließt einen Zylin der, in den sie genau hinein paßt, immer kreisförmig ab) wirkt die vom Gasdruck ausgehende Kraft immer in Richtung der Zylinderachse, wie beim herkömmlichen Kolben. Deshalb ist auch keine besonders hohe Zylinder- bzw. Laufbuchsen abnutzung zu befürchten. Der Spezialkolben nach Patent ansprüchen 1 und 2 besteht aus weniger Teilen als eine herkömmliche Konstruktion, was die Zahl der Fehlerquellen und den Preis senken dürfte. Das geringere Gewicht kann wegen der daraus resultierenden geringeren Beschleuni gungskräfte zum erreichen höherer Drehzahlen verwendet werden. Dies führt u. U. zu Leistungssteigerungen.

Zur Ausgestaltung der Erfindung ist es erforderlich, daß der Kugelausschnitt des Spezialkolbens nach Patent ansprüchen 1 und 2 beidseitig der Senkrechten zur Zylin derachse einen Mindestwinkel überdeckt. Dieser Mindest winkel ist gegeben durch den Winkel, um den der Spezial kolben nach Patentansprüchen 1 und 2 bei einer vollstän digen Drehung der Kurbelwelle maximal aus der senkrechten gekippt wird. Er wird anhand von Zeichnung 2 erläutert. Es ist sinnvoll, den Kugelausschnitt über den Mindestwin kel hinaus auszubilden, den das dürfte die Dichtigkeit erhöhen und die Verdrängung des Ölfilms an der Zylinder wand verringern.

Es zeigen

Zeichnung 1: Nr. 1 den Kugelmittelpunkt des Kugelaus schnittes nach Patentanspruch 2; Nr. 2 den Mittelpunkt der drehbaren Verbindung des Spezialkolben nach Patentan spruch 1 (der Kreis, auf dem dieser Mittelpunkt liegt, zeigt dessen Lage während einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle); Nr. 3 die Laufbuchse bzw. die Zylinder wände; Nr. 4 die Mittelachse des Zylinders; Nr. 5 die Kur belwelle.

Zeichnung 2: Nr. 1 den Mittelpunkt des Kugelausschnittes nach Patentanspruch 2; Nr. 2 den Mittelpunkt der drehbaren Verbindung des Spezialkolbens nach Patentanspruch 1; Nr. 3 die Laufbuchse bzw. die Zylinderwände; Nr. 4 die Mittel achse des Zylinders; rK bedeutet Kurbelradius (der Kur belwelle) α ist der maximale Winkel, um den der Spezial kolben nach Patentanspruch 1 und 2 während einer Kurbel wellendrehung ausgelenkt wird. Bezeichnet man den Abstand zwischen Punkt 1 und Punkt 2 mit X, so gilt für α:

rK/X = TAN(α) ⇔ α = ARCTAN(rK/X)

Somit kann man den minimalen Winkel des Kugelausschnittes nach Patentanspruch 2 berechnen. Da im Laufe einer Kur belwellenumdrehung der Spezialkolben nach Patentanspruch 1 und 2 in beide Richtungen aus der Senkrechten gekippt wird, ist auch der Kugelausschnitt nach Patentanspruch 2 in beide Richtungen um eine Linie senkrecht zur Mittelach se nach Zeichnung 1 auszuführen, insgesamt ist der mini male Winkel des Kugelausschnittes nach Patentanspruch 2 also 2*α.

Die Wirkungsweise dem Spezialkolbens nach Patentanspruch 1 und 2 besteht darin, das obere Pleuelgelenk und den Kolbenbolzen wegzulassen. Pleuelstange und Kolben werden als nur noch ein fest miteinander verbundenes Bauteil (eben dem Spezialkolben nach Patentanspruch 1 und 2) aus gebildet. Die während einer Kurbelwellenumdrehung erfor derliche Drehfreiheit des Spezialkolbens nach Patentan spruch 1 aus der Mittelachse des Zylinders heraus wird durch die kugel- oder kugelausschnittsförmige Ausbildung des mit der Zylinderwand in gleitendem Kontakt stehenden Teils nach Patentanspruch 2 erreicht.

Will man den Spezialkolben nach Patentanspruch 1 und 2 be sonders leicht bauen, so kann man ihn in Richtung des Kur belwellenraumes hohl lassen (in Zeichnung 1 angedeutet) Durch kugelförmiges Ausgestalten des Brennraumes und des Spezialkolbens nach Patentanspruch 1 und 2 lassen sich beliebig hohe Verdichtungen erreichen.

Claims

1. Spezialkolben für Verbrennungsmotoren, Kolbenpumpen und Kolbenkompressoren, gekennzeichnet durch Verbindung der bisher bei feststehendem Zylinder und feststehender Laufbuchse sowie Drehmomentübertragung durch eine Kurbelwelle getrennten Teile Kolben, Kolben bolzen und Pleuelstange zu einem einzigen Teil, welches drehbar mit der Kurbelwelle verbunden wird.

2. Spezialkolben nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch Ausführung des Kolbenteils, der mit der Laufbuchse bzw. den Zylinderwänden in gleitendem Kontakt steht, als Ku gel oder Kugelausschnitt.