DE602004009908T2

DE602004009908T2 - Kolben

Info

Publication number: DE602004009908T2
Application number: DE602004009908T
Authority: DE
Inventors: Georges Frederic Sidcup Galvin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-04-12
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2024-04-06
Also published as: WO2004090306A8; EP1616090A1; US7334554B2; ES2295849T3; DE602004009908D1; US20060243240A1; WO2004090306A1; JP2006522895A; AU2004227157A1; GB0308524D0; AU2004227157B2; ATE377700T1; EP1616090B1; CA2520076A1

Description

Diese Erfindung betrifft einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine.
Eine herkömmliche Verbrennungskraftmaschine setzt eine Kurbelwelle ein, um die Hin- und Herbewegung des (der) Kolben in ein Ausgangsdrehmoment umzuwandeln, um ein Fahrzeug anzutreiben oder auf irgendeine andere Last einzuwirken. Die Kurbelwelle ist in ihrer Fähigkeit, die Leistung, die aus der Kraftstoffverbrennung zur Verfügung steht, in ein nutzbares Ausgangsdrehmoment umzuwandeln, uneffizient. Dies liegt daran, daß die Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemischs abhängig von der Motordrehzahl und der Belastung etliche Grad vor der oberen Totpunkt-(OT)Position des Kolbens stattfindet. Die Druckkräfte des gezündeten Kraftstoff/Luft-Gemischs können kein Ausgangsdrehmoment erzeugen, wenn sich der Kolben entweder vor dem oder am OT befindet, da der Pleuel und der Kurbelzapfen vor dem OT ein umgekehrtes Drehmoment erzeugen und sich am OT praktisch in einer geraden Linie befinden, so daß es keine Kraftkomponente tangential zum Kurbelkreis gibt. Dies führt dazu, daß der größte Teil der verfügbaren Energie als Wärme verloren geht. Wenn die Zündung zu früh stattfindet, wird der größte Teil des erzeugten Drucks dabei verschwendet, den Motor anzuhalten (da dieser Druck versucht, den Kolben in die entgegengesetzte Richtung zu zwingen, in der er sich während des Kompressionshubs bewegt); und wenn sie zu spät erfolgt, wird der Druck infolge des zunehmenden Volumens über dem Kolben reduziert, wenn er seinen Abstieg für den Arbeitshub beginnt. Der optimale maximale Druckpunkt variiert von Motor zu Motor, liegt jedoch im Mittel um 12° nach dem OT.
Die Beschreibung meines UK-Patents 2 318 151 betrifft eine Anordnung aus Kolben und Pleuel für eine Verbrennungskraftmaschine. Die Anordnung weist einen Kolben, einen Pleuel und eine Feder auf, wobei der Pleuel ein erstes Ende, das betriebsfähig mit dem Kolben zur Bewegung damit verbunden ist, und ein zweites Ende aufweist, das mit einer Drehausgangswelle verbindbar ist. Die Feder wirkt zwischen dem Kolben und dem Pleuel, um den Pleu el vom Kolbenboden des Kolbens weg vorzuspannen. Der Kolben ist zum zweiten Ende (Kolbenbolzenende) des Pleuels um eine Strecke beweglich, die im wesentlichen gleich der Zylindertotraumhöhe ist. Ein Ergebnis der Verwendung einer Feder ist es, daß die Anordnung eine Resonanzfrequenz aufweist, deren Vorteile in der Beschreibung meiner internationalen Patentanmeldung WO 00/77367 beschrieben werden. Diese Anordnung wird überall in dieser Beschreibung als Energiespeicherkolben bezeichnet.
Im Gebrauch wird die Zündung durch ein herkömmliches Zeitsteuermittel zeitlich so gesteuert, daß sie zu einer vorgegebenen Zeit vor dem OT stattfindet, so daß die expandierenden Gase, die durch die Zündung der Verbrennung gebildet werden, den Kolben zwingen, während des Arbeitshubs schnell im Zylinder hinunterzugehen. Vor dem Erreichen des OT wird der Druck im Zylinder jedoch einen hohen Wert aufbauen, und der Kolben wird gegen die Kraft der Feder zum Kurbelzapfen gezwungen. Dies drückt die Feder zusammen, und erhöht das Volumen über dem Kolben, wobei eine Reduzierung des Drucks und der Temperatur im Zylinder bewirkt werden. Die gesenkte Temperatur reduziert Strahlungsverluste und den Wärmeverlust an das Kühlwasser und anschließend das Abgas, wobei der Druck gleichmäßig zwischen dem Zylindertotraumvolumen und der Feder verteilt wird. Diese in der Feder gespeicherte Energie wird freigesetzt, wenn der Kolben den OT passiert hat, und führt zur Erzeugung eines erhöhten Ausgangsdrehmoments. Dies wird erreicht, da der Federdruck nun mit dem Zylinderdruck nach dem OT kombiniert wird. Ein großer Anteil dieser gespeicherten Energie würde andernfalls infolge der Tatsache als Wärme verloren gehen, daß das Kraftstoff/Luft-Gemisch vor dem OT gezündet werden muß, was ein Ergebnis der Anforderung ist, daß das gezündete Kraftstoff/Luft-Gemisch für eine optimale Leistung den maximalen Druck bei etwa 12° nach dem OT erreicht.
Ein Problem mit dem Energiespeicherkolbentyp, der in den obenerwähnten Patentbeschreibungen offenbart wird, ist die Notwendigkeit, eine Relativbewegung zwischen dem Pleuelkolbenbolze nende und dem Kolbenboden zu erhalten, um Energie in der Federanordnung zu speichern, die zwischen diesen beiden Teilen angebracht ist. Dieses Problem hat sich in einem Verschleiß der Federanordnung und/oder benachbarter Teile geäußert, wobei dieser Verschleiß auf das Versagen der Anordnung zurückzuführen ist, eine starre axial Ausrichtung zwischen den beweglichen Teilen aufrechtzuerhalten. Diese Fehlausrichtung kann einen starken Verschleiß verursachen, und führt manchmal zu Reibverschweißungen zwischen benachbarten Teilen, insbesondere wenn sich der Kolben unter voller Last befindet.
Die Beschreibung meiner internationalen Patentanmeldung WO 01/75284 beschreibt einen Energiespeicherkolben, der verbesserte Ausrichtungseigenschaften aufweist. Dieser Kolben enthält eine Feder, die integral mit dem Kolben ausgebildet ist, als Balgenfeder gestaltet ist und aus Titan hergestellt ist.
Die Nachteile dieses Galgenfeder-Kolbens sind, daß er schwierig herzustellen ist, und unter übermäßigen Belastungskräften leiden kann, wenn er überlastet wird. Wenn die Balgenfeder folglich aus einem ringförmigen Block aus Titan hergestellt wird, indem innere und äußere Schlitze herausgearbeitet werden, kann dies nicht ohne eine numerische Computersteuerung (CNC) geschehen, und dies ist eine teuere Übung, das sie eine beträchtlichen Zeitaufwand erfordert, um den korrekten Querschnitt des Galgens zu erzeugen, um einen funktionsfähigen Kolben zu erzielen. Überdies führt die Bearbeitung der Schlitze zu einer beträchtlichen Verschwendung kostspieligen Titans, und jede Feder wird spezifisch für einen bestimmten Kolben und seine Anwendung entworfen werden müssen. Desweiteren sind aufgrund der gekrümmten inneren und äußeren Abschnitte der Balgenfeder und der Anforderung, daß die gegenüberliegenden Flächen benachbarter „Blätter" der Feder profiliert sein müssen, um die Belastungskonzentrationen zu verteilen, die Lücken zwischen benachbarten „Blättern" verhältnismäßig groß – in der Größenordung von 3 mm – und dies führt zum übermäßigen Belastungsproblemen, falls sie überlastet werden. Folglich wird eine Balgenfeder hergestellt, die verhältnismäßig wenige „Blätter" pro Einheitslänge aufweist, und diese müssen die großen Belastungskräfte aufnehmen, denen der Kolben im Gebrauch ausgesetzt ist. Folglich ist die Belastung pro „Blatt" verhältnismäßig hoch, und dies kann zum vorzeitigen Ausfall der Feder führen. Ein zusätzlicher Nachteil dieser Art Balgenfeder ist, daß sie, um zu versuchen, die erforderlichen Belastungs- und Auslenkungsbeträge zu erzielen, einen vergleichsweise großen Platz einnimmt, was den Kolbenentwurf schwierig macht. Folglich muß der Platz, der für andere Kolbenkomponenten erforderlich ist, mit dem Platz konkurrieren, der durch die Balgenfeder eingenommen wird. Überall in dieser Beschreibung sollte der Ausdruck „Blätter" so aufgefaßt werden, daß er jene Teile einer Balgenfeder meint, die die Wellen der Feder bilden.
Wenn alternativ einzelne Blätter der Feder durch Stanzen gebildet werden, und die Blätter aneinander diffusionsgebondet werden, um eine Galgenfeder zu bilden, kann eine kostengünstigere Balgenfeder hergestellt werden, jedoch leidet diese immer noch an übermäßigen Belastungsproblemen, die auf die verhältnismäßig großen Lücken zwischen den Blättern zurückzuführen sind, die einer Balgenfeder innewohnen, die gekrümmten innere und äußere Endabschnitte und nicht parallele Blattwände aufweist. Platzprobleme treten ebenfalls aus denselben Gründen auf, die oben behandelt werden.
Die Beschreibung meiner UK-Patentanmeldung 0216830.0 beschreibt einen Energiespeicherkolben, der eine Feder enthält, die im Gebrauch zwischen dem Kolben und einem zugehörigen Pleuel wirkt, um den Pleuel vom Kolbenboden des Kolbens weg vorzuspannen. Die Feder ist als Balgenfeder mit mehreren im wesentlichen parallelen Blätter gestaltet, die die Wellen der Balgenfeder definieren. Die inneren und äußeren Endabschnitte der Feder, die die Blätter verbinden, weisen eine rechteckige Gestaltung auf, und die Lücken zwischen benachbarten Blättern werden durch im wesentlichen parallele Oberflächen definiert.
Diese Feder weist die Vorteile auf, leichter herzustellen zu sein als frühere Balgenfedertypen, und daß sie nicht im selben Ausmaß unter einer Überlastung leidet. Sie nimmt jedoch immer noch viel Platz in einem Kolben ein, was zu Schwierigkeiten bei der Kolbengestaltung führt.
Die Beschreibung meiner UK-Patentanmeldung 0218893.6 beschreibt einen Kolben, der ein Federmittel enthält, das im Gebrauch zwischen dem Kolben und einem zugehörigen Pleuel wirkt, um den Pleuel vom Kolbenboden des Kolbens weg vorzuspannen. Das Federmittel ist als eine im wesentlichen kreisförmige Pufferfeder gestaltet, die im wesentlichen im Bereich des Kolbenbodens angeordnet ist und sich im wesentlichen über den gesamten transversalen Querschnitt des Kolbens erstreckt, wobei das Federmittel so gestaltet ist, daß es ermöglicht, daß sich der Kolbenboden des Kolbens relativ zum Pleuel axial bewegt.
Der Nachteil dieser Pufferfeder ist, daß sie aus zwei identischen Elementen hergestellt werden muß, deren Kanten miteinander verbunden werden müssen. Elektronenstrahlschweißen ist das bevorzugte Verbindungsverfahren, jedoch führt dieser Prozeß dazu, daß das Material im Schweißbereich über seine Beta-Transus-Temperatur gebracht wird, was dazu führt, daß das Material spröde wird, wodurch seine nutzbare Lebensdauer verkürzt wird.
Das Ziel der Erfindung ist es, einen verbesserten Kolben und insbesondere einen verbesserten Energiespeicherkolben bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Kolben bereit, der ein Federmittel enthält, das im Gebrauch zwischen dem Kolben und einem zugehörigen Pleuel wirkt, um das Pleuel vom Kolbenboden des Kolbens weg vorzuspannen, wobei das Federmittel durch ein Paar Tellerfedern gebildet wird, deren Umfangskantenabschnitte durch ein im wesentlichen ringförmiges Halteelement gehalten und getrennt werden, wobei das Federmittel im wesentlichen im Bereich des Kolbenbodens angeordnet ist und sich im wesentlichen über den gesamten transversalen Querschnitt des Kolbens erstreckt, wobei das Federmittel so gestaltet ist, daß es ermöglicht, daß sich der Kolbenboden des Kolbens relativ zum Pleuel axial bewegt, wobei das Halteelement durch jeweilige Ringe, die an den Umfangskantenabschnitten der Tellerfedern befestigt sind, und durch ein ringförmiges Band gebildet wird, das mit gekrümmten Halteflächen zum Rolleingriff mit den Ringen ausgebildet ist
Vorteilhafterweise sind die Ringe und das ringförmige Band aus gehärtetem Stahl hergestellt, und vorzugsweise ist das ringförmige Band mit Ölschmierlöchern ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Feder aus Titan, wie Titan 10-2-3 hergestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kolben ferner einen Träger auf, der im Kolben angeordnet ist, wobei der Träger im Kolben zur Axialbewegung relativ dazu verschiebbar angebracht ist und mit dem Pleuel in einer solchen Weise verbunden ist, daß es das Federmittel ermöglicht, daß sich der Kolbenboden des Kolbens relativ zum Träger axial bewegt. Vorteilhafterweise ist der Träger aus Aluminium hergestellt.
Vorzugsweise ist der Träger mit einer gewölbten Oberfläche versehen, die entfernt vom Kolbenboden mit der Tellerfeder in Eingriff gebracht werden kann, und ist der Kolbenboden mit einer gewölbten Oberfläche versehen, die angrenzend an den Kolbenboden mit der Tellerfeder in Eingriff gebracht werden kann. Vorteilhafterweise sind die gewölbten Oberflächen Spiegelbilder voneinander.
Vorzugsweise ist der Träger verschiebbar in einer Buchse angebracht, die an der Innenseite der zylindrischen Wand des Kolbens an dem Ende davon befestigt ist, das vom Kolbenboden entfernt ist, und ist die Buchse aus einer Bronze/Aluminium-Legierung hergestellt.
Die Erfindung wird nun in näheren Einzelheiten beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Schnittansicht eines Energiespeicherkolbens ist, der erfindungsgemäß aufgebaut ist; und
2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Feder der 1 ist und die Feder in einer nicht zusammengedrückten Gestaltung zeigt.
Auf die Zeichnungen bezugnehmend, zeigt 1 einen Hohlkolben 1 einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Kolben in einem (nicht gezeigten) Zylinder hin und her beweglich ist, der in einer herkömmlichen Weise mit Gußeisen oder Stahl ausgekleidet ist. Der Kolben 1 ist aus Aluminium hergestellt und weist einen Kolbenboden 2 auf, der eine nach unten herabhängende ringförmige Buchse 2a aufweist, die die Zylinderumfangsfläche des Kolbens definiert. Im Gebrauch dreht der Kolben 1 eine (nicht gezeigte) Kurbelwelle mittels eines Kolbenbolzens 3, eines Pleuels 4 und eines (nicht gezeigten) Kurbelzapfens, die alle aus Titan, Aluminium, Stahl, einer Magnesiumlegierung, einem Kunststoffmaterial oder irgendeinem anderen geeigneten Material hergestellt sein können. Der Kolbenbolzen 3 befindet sich in einem Preßsitz in einer zylindrischen Öffnung 5a, die in einem zylindrischen Träger 5 ausgebildet ist, der aus Aluminium hergestellt ist, und wird durch (nicht gezeigte) herkömmliche Sicherungsringe oder irgendein anderes geeignetes Mittel axial an seinem Ort gehalten. Dies verhindert eine axiale Rotation und laterale Bewegung des Kolbenbolzens 3 im Träger 5. Eine Buchse 6, die aus einer Bronze/Aluminium-Legierung hergestellt ist, ist mittels eines Paars (nicht gezeigter) Aluminiumscheiben am unteren Abschnitt der ringförmigen Kolbenbuchse 2a befestigt. Die Buchse 6 stellt eine Lagerfläche zum verschiebbaren Halten des Trägers 5 bereit, wie unten beschrieben wird. Die Buchse 6, die eine Lagerfläche für den Träger 5 bildet, ist aus diesem Material hergestellt, da sein Ausdehnungskoeffizient ähnlich zu dem des Aluminiums ist, aus dem der Träger und der Kolben 1 hergestellt sind. Überdies verhindert sie einen Aluminium-Aluminium-Gleitkontakt, der zum Abnutzen der sich berührenden Oberflächen führen könnte.
Das Pleuel 4 geht durch eine im wesentlichen rechteckige Öffnung 5b, die im Träger 5 ausgebildet ist, und ist mit dem Kol benbolzen 3 verbunden. Die rechteckige Öffnung 5b liegt unter rechten Winkeln zur zylindrischen Öffnung 5a. Es ist eine Federanordnung 8 im Kolben 1 zwischen einem nach unten weisenden, gewölbten Element 7, das im Kolben benachbart zum Kolbenboden 2 angeordnet ist, und einer nach oben weisenden gewölbten Oberfläche c des Trägers 5 angeordnet. Das gewölbte Element 7 befindet sich in einer Schiebepassung im Hohlkolben 1 benachbart zum Kolbenboden 2.
Die Federanordnung 8 wird aus zwei identischen flachen Tellerfedern 9, die aus Titan 10-2-3 hergestellt sind, einem gehärtetem Stahlband 10 und einem Paar gehärteter Stahlringe 11 (siehe 2) gebildet. Die Stahlringe 11 sind um die Ränder der Tellerfedern 9 reibschlüssig befestigt, um einen Rollkontakt mit komplementären gekrümmten Oberflächen 10a bereitzustellen, die durch das Stahlband 10 definiert werden. Das Band 10 und die Ringe 11 trennen und halten folglich die Tellerfedern 9.
Das untere Ende des Trägers 5 ist durch den Kolbenbolzen 3 am Pleuel 4 befestigt, und der Kolben 1 ist axial relativ zum Träger beweglich, und ist folglich bezüglich des Kolbenbolzens 3 und des Kurbelzapfens relativ beweglich. Die Anordnung ist so gestaltet, daß sich der Kolbenboden 2 um eine maximale Strecke zum Kurbelzapfen bewegen kann, die annährend gleich der Zylindertotraumhöhe ist (die Strecke zwischen der mittleren Höhe des Kolbenbodens 2 und der mittleren Höhe des oberen Teils der Verbrennungskammer). Die Federanordnung 8 spannt folglich den Pleuel 4 vom Kolbenboden 2 weg vor.
Es sind horizontale und vertikale Schmierlöcher 12 im Stahlband 10 vorgesehen, so daß ein Stahl-auf-Stahl-Rollvorgang adäquat geschmiert wird. Es sind (nicht gezeigte) herkömmliche Schmierlöcher im Bereich eines (nicht gezeigten) unteren Ölsteuerrings vorgesehen, so daß Öl über den Träger 5 geleitet wird, der mit (nicht gezeigten) gebohrten Ölkanälen ausgebildet ist, um das Pleuelkolbenbolzenende, den Kolbenbolzen 3 und den Kontaktbereich des Trägers mit der Buchse 6 zu schmieren.
Im Gebrauch wird die Zündung durch ein herkömmliches (nicht gezeigtes) Zeitsteuermittel zeitlich so gesteuert, daß sie zu einer vorgegebenen Zeit vor dem OT stattfindet, so daß die expandierenden Gase, die durch die Zündung der Verbrennung gebildet werden, den Kolben 1 zwingen, während des Arbeitshubs schnell im Zylinder hinunterzugehen. Vor dem Erreichen des OT wird der Druck im Zylinder jedoch einen hohen Wert aufbauen, und der Kolben 1 wird gegen die Kraft der Federanordnung 8 bezüglich des Trägers 5 zum Kurbelzapfen gezwungen. Dies drückt die Federanordnung 8 zusammen, und erhöht das Volumen über dem Kolben 1, wobei eine Reduzierung des Drucks und der Temperatur im Zylinder bewirkt werden.
Da während der Verbrennung Druck ausgeübt wird, krümmt sich der obere Teller 9 einwärts nach unten, während sich der untere Teller in einer komplementären Weise einwärts nach oben krümmt. Der Biegevorgang der Tellerfedern 9 bewirkt, daß sich die Stahlringe 11 um ihre Umfangsachsen drehen und in den gekrümmten Oberflächen 10a des Stahlbands 10 rollen. Die Verschiebung der Tellerfedern 9 ermöglicht es, daß der Kolbenboden 2 bezüglich des Pleuels und des Trägers 5 hinuntergeht, so daß das Zylindervolumen über dem Kolben 1 beim maximalen Druck verdoppelt wird, wodurch Energie in der Federanordnung 8 gespeichert wird, die andernfalls als Wärme durch die Zylinderwände verloren gehen würde. Die gespeicherte Energie wird dann freigesetzt, wenn sich die Kurbel in einem vorteilhafteren Winkel befindet, um ein zusätzliches Drehmoment zu erzeugen.
Die Federanordnung 8 und die gewölbten Oberflächen 5c und 7 sind so gestaltet, daß die gewölbten Oberflächen beim maximalen Verbrennungsdruck die Tellerfedern 9 vollständig auslenken, wobei die gewölbten Oberflächen im wesentlichen an die gesamten Außenflächen der Tellerfedern angreifen. Gleichzeitig ist die Anordnung so gestaltet, daß die Innenflächen der Tellerfedern 9 sich gerade berühren, wodurch eine Überlastung der Tellerfedern und folglich eine mögliches vorzeitiges Versagen verhindert wer den. Die maximale Kompression hängt vom Nachzündungsdruck und der Kurbelwellenbewegung ab, und die Federanordnung 8 ist geeignet gestaltet, den erforderlichen maximalen Druck zu erreichen, bevor eine Überlastung auftritt.
Wenn die Federanordnung 8 zusammengedrückt wird, widersetzt sie sich infolge ihrer Steifigkeit den Kräften, die ausgeübt werden, wobei diese Steifigkeit in Newton/Meter Auslenkung gemessen wird. Die gesenkte Temperatur, die sich aus der Kompression der Federanordnung 8 ergibt, reduziert die Strahlungsverluste und den Wärmeverlust an das Kühlwasser und anschließend das Abgas, wobei der Druck gleichmäßig zwischen dem Zylindertotraumvolumen und der Federanordnung 8 verteilt wird. Diese in der Federanordnung 8 gespeicherte Energie wird freigesetzt, wenn der Kolben 1 den OT passiert hat, und führt zur Erzeugung eines erhöhten Ausgangsdrehmoments. Dies wird erreicht, da die Energie durch die Federanordnung 8 freigesetzt wird, und mit dem Zylinderdruck nach dem OT zu einer Zeit kombiniert wird, wenn sich der Kurbelarm in einem vorteilhafteren Winkel befindet, um ein Drehmoment zu erzeugen. Ein großer Anteil dieser gespeicherten Energie würde andernfalls infolge der Tatsache als Wärme verloren gehen, daß das Kraftstoff/Luft-Gemisch vor dem OT gezündet werden muß, was ein Ergebnis der Anforderung ist, daß das gezündete Kraftstoff/Luft-Gemisch für eine optimale Leistung den maximalen Druck bei etwa 12° nach dem OT erreicht. Titan 10-2-3 ist aufgrund seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften das bevorzugte Material zur Herstellung der Tellerfedern 9, obwohl andere Materialien mit ähnlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften ebenfalls verwendet werden könnten.
Die Wirkung dieser Anordnung bedeutet, daß wenn der Motor normal zündet, es eine Bewegung des Kolbens 1 bezüglich des Pleuels 4 (und bezüglich seines Kurbelzapfens) bei jedem Arbeitshub geben wird. Die zeitliche Steuerung der Zündung des Motors ist so gestaltet, daß die Zündung zwischen annähernd 10° und 40° vor dem OT stattfindet, abhängig von der Belastung und der Drehzahl des Motors.
Ein Effekt der Bereitstellung der Energiespeicherfederanordnung 8 ist es, den Motorkraftstoffverbrauch erheblich zu reduzieren, ohne seine Leistungsabgabe zu reduzieren. Es kann eine Verbesserung von minimal 30% ohne eine Verstellung des Kompressionsverhältnisses, und bis zu 60% mit einer Verstellung des Kompressionsverhältnisses erzielt werden.
Es wird nicht nur der Wirkungsgrad des Motors verbessert, sondern es werden auch die Abgasemissionen reduziert. Folglich wird durch Senkung des Kraftstoffverbrauchs die Menge der Emissionen reduziert; durch Senkung der Temperatur der Verbrennung werden (im Fall des nicht erhöhten Kompressionsverhältnisses), die Stickoxidemissionen stark reduziert; und durch Erhöhung des Wirkungsgrads des Motors werden die unverbrannten Kohlenwasserstoffemissionen reduziert.
In einer üblichen Verbrennungskraftmaschine wird normalerweise ein Auslaßventil geöffnet, bevor der zugehörige Kolben den unteren Totpunkt (UT) erreicht, um die fortgesetzt expandierenden Gase aus dem Auspuff heraus jagen zu lassen, wodurch während einer Ventilüberlappung (das heißt, wenn sowohl die Einlaß- als auch Auslaßventile offen sind) der Eintritt einer frischen Ladung Kraftstoff und Luft in den Zylinder unterstützt wird, so daß die Auspuffgase effektiv aus der Verbrennungskammer gespült werden. Der Akt des Öffnens des Auslaßventils fördert früh die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe und verhindert, daß die fortgesetzt expandierenden Gase eine mechanische Rotation der Kurbelwelle liefern, da diese Gase in die Atmosphäre entlüftet werden. Die Verwendung der Federanordnung 8 ermöglicht jedoch nicht nur eine effizientere Nutzung des Kraftstoff/Luft-Gemischs, sondern ermöglicht, falls sie mit einem erhöhten Kompressionsverhältnis verwendet wird, die Verwendung einer Nockenwelle, die so gestaltet ist, daß das Auslaßventil fast bis zum UT geschlossen bleibt. Das Totraumvolumen im Zylinder wird daher deutlich reduziert, wodurch der größte Teil der Auspuffgase aus der Verbrennungskammer geräumt werden, ohne die Notwendigkeit, den Druck im Zylinder durch frühes öffnen des Auslaßventils abzulassen. Diese Nockengestaltung für ein spätes öffnen des Auslaßventils kann vorteilhaft auf jeden Motor angewendet werden, der die Federanordnung 8 nutzt.
Die Verwendung der Federanordnung 8 gibt gekoppelt mit der Masse des Schwungrads des Motors der gesamten Anordnung eine Frequenz (U/min), bei der sie in Resonanz kommt. Dies könnte als Vorteil genutzt werden, wenn sie in einem Motor eingesetzt wird, der dazu bestimmt ist, mit einer konstanten Drehzahl zu laufen.
Das Prinzip der Erhöhung des Motorwirkungsgrads und der Reduzierung der Abgasemissionen wird in der Beschreibung meines UK-Patents 2 318 151 beschrieben, und der oben beschriebene Kolben 1 weist folglich alle Vorteile jenes Kolbens auf.
Der oben beschriebene Kolben 1 weist alle Vorteile des Kolbens auf, der in der Beschreibung meiner internationalen Patentanmeldung WO 01/75284 beschrieben wird. Dieser Kolben weist außerdem Vorteile auf, wenn er mit der verbesserten rechteckigen Balgenfeder verglichen wird, die in der Beschreibung meiner UK-Patentanmeldung 0216830.0 beschrieben wird. Insbesondere ist die Federanordnung 8 sehr viel kleiner als die rechteckige Balgenfeder, so daß sie in den Raum zwischen dem Kolbenboden 2 und dem oberen Teil des Trägers 5 eingepaßt werden kann. Überdies verwendet sie, da sie kleiner ist, wesentlich weniger Titan, und führt also zu einem Kolben mit reduzierten Kosten. Desweiteren ermöglicht es die Verwendung der Federanordnung 8, die sich vollständig am Kolbenbodenende des Kolbens befindet, daß der Träger 5 vielmehr aus Aluminium als aus Titan hergestellt wird, was bei der Gestaltung der verbesserten rechteckigen Balgenfeder der Fall war, was dadurch zu einer weiteren Materialkostenreduzierung führt.
Die Federanordnung 8 ist außerdem sehr viel leichter als der rechteckige Balgenkolben; und infolge der Einfachheit ihrer Ges taltung ist ihr Herstellungsverfahren wirtschaftlicher, schneller und einfacher. Noch ein anderer Vorteil ist, daß vorhandene Kolbengestaltungen leicht modifiziert werden können, um die Federanordnung 8 aufzunehmen, wodurch es ermöglicht wird, daß vorhandene Verbrennungskraftmaschinen modifiziert werden, um sich den verbesserten Wirkungsgrad und die Kraftstoffeinsparungseigenschaften des Energiespeicherkolbens zunutze zu machen.
Ein weiterer Vorteil des oben beschriebenen Kolbens 1 ist, daß der Träger 5 fest in einer axialen Ausrichtung im Kolbenkörper gehalten wird. Wenn folglich infolge der Abweichung des Pleuels 4 aus der axialen Ausrichtung mit dem Kolben 1 eine nicht-axiale Belastung auf den Träger 5 ausgeübt wird, wird der Träger einem wesentlichen Seitwärtsschub ausgesetzt. Aufgrund der satten Anlage des Kolbens 1 in der Zylinderbohrung, der satten gleitenden Anlage des Trägers 5 in der Buchse 6, wird der Träger fest in einer axialen Ausrichtung im Kolbenkörper gehalten. Folglich weist der Träger 5 eine wesentlich verbesserte Verschleißfestigkeit auf.
Das Wesentliche des oben beschriebenen Kolbens ist, daß die Federanordnung 8 es ermöglicht, daß die Federkonstante progressiv ist, wodurch eine verhältnismäßig größere Auslenkung für leichtere Belastungen ermöglicht wird. Folglich ist sie mit der normalen Belastung auf den Kolben einer herkömmlichen Automobilverbrennungskraftmaschine kompatibler, so daß der wirtschaftliche Vorteil bei niedrigen und mittleren Belastungen ausgeprägter sein wird als bei hohen Belastungen. Alternativ könnte die Federanordnung 8 so gestaltet werden, daß sie eine Hochlastanwendung begünstigt, falls notwendig.
Ein anderer Vorteil der nach innen gewölbten Oberflächen, die die Tellerfedern 9 berühren, ist, daß ein größerer vertikaler Raum im Körper des Kolbens zur Verfügung steht, wodurch ein effizienter Einschluß aller notwendiger Komponenten ermöglicht wird, ohne die Festigkeit oder Zuverlässigkeit zu opfern.
Zusätzliche Vorteile der Verwendung von Titan zur Herstellung der Tellerfedern 9 sind:

1. Obwohl Titan dichter als Aluminium ist, wird tatsächlich aufgrund seiner überlegenen Festigkeit weniger Material benötigt, so daß das Gewicht des Kolbens 1 mit dem Gewicht einer Aluminiumkolbengestaltung vergleichbar ist.
2. Das Problem der Abnutzung, das bei unbehandelten Titan wahrgenommen wird, kann durch eine Oberflächenbehandlung beseitigt werden, so daß sein Reibungskoeffizient bei einer Ölschmierung kleiner als jener von ölgeschmiertem Kohlenstoffstahl ist.
3. Durch die Verwendung der Federanordnung 8 kann eine größere Federkraft ausgeübt werden, ohne Vollastbelastungswerte zu überschreiten, wobei folglich ihre Lebensdauer verlängert wird.

Obwohl der oben beschriebene Energiespeicherkolben einen Teil einer Verbrennungskraftmaschine bildet, wird klar sein, daß er vorteilhaft in anderen Vorrichtungen, wie einen Kompressor für eine Kältemaschine oder eine Pumpe verwendet werden könnte. Die Funktion eines Hubkolbenkompressors ist so, daß der Kompressionshub der Arbeitshub ist und die Energiezufuhr typischerweise durch einen Elektromotor erfolgt. In einem Luftkompressor erfolgt zum Beispiel die maximale Arbeit bei etwa 80° bis 100° vor dem OT, wenn der Kurbelarm im wesentlichen normal zum Pleuel angeordnet ist. In dieser Position wird der Druckgasdruck verhältnismäßig niedrig sein (weniger als 50% des Maximums), da das Volumen der Kompressionskammer noch verhältnismäßig hoch ist. Wenn sich der Kolben dem OT nähert, wird jedoch seine Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, stark reduziert, jedoch befinden sich der Druck und die Temperatur beide auf einem Maximum. Das Auslaßventil des Kompressors würde sich vor dem OT geöffnet haben, jedoch würde zu dieser Zeit Energie als Wärme an die Zylinderwände verloren gegangen sein.
Wenn ein geeignet gestalteter Energiespeicherkolben mit der Federanordnung des oben beschriebenen Typs in diesen Kompressor eingepaßt würde, würde jedoch bei etwa 80° bis 100° vor dem OT Energie in der Feder gespeichert werden, wodurch die Temperatur und der Druck des Gases, und folglich der Energieverlust als Wärme an die Zylinderwände und einen Speicher reduziert werden. Die Federanordnung würde ihre Energie abgeben, indem sie das Gas in den Speicher bei etwa dem OT treiben würde, wenn die Kurbelarmkompressionsbewegung am geringsten ist.
Überdies kann erkannt werden, daß diese Federanordnung, die in Verbindung mit der rotierenden trägen Masse (die Schwungscheibe, Kurbel usw.) arbeitet, eine Drehzahl aufweisen wird, bei der sie sich in Resonanz befinden. Indem die Drehzahl des Antriebsmotors an die Resonanzdrehzahl angepaßt wird, wird die Anordnung auf ihrem optimalen Wirkungsgrad von mindestens 30% über jenem eines üblichen Kompressors laufen.
Es wird deutlich sein, da Modifikationen am oben beschriebenen Kolben vorgenommen werden können. Zum Beispiel könnte anstatt ein getrenntes kalottenförmiges Element 7 vorzusehen, die Innenfläche des Kolbenbodens 2 so geformt sein, da sie eine gewölbte Oberfläche definiert.

Claims

Kolben (1), der ein Federmittel (8) enthält, das im Gebrauch zwischen dem Kolben und einem zugehörigen Pleuel (4) wirkt, um das Pleuel vom Kolbenboden (2) weg vorzuspannen, wobei das Federmittel durch ein Paar Tellerfedern (9) gebildet wird, deren Umfangskantenabschnitte durch ein im wesentlichen ringförmiges Halteelement (10, 11) gehalten und getrennt werden, wobei das Federmittel im wesentlichen im Bereich des Kolbenbodens angeordnet ist und sich im wesentlichen über den gesamten transversalen Querschnitt des Kolbens erstreckt, wobei das Federmittel so gestaltet ist, daß es ermöglicht, daß sich der Kolbenboden relativ zum Pleuel axial bewegen läßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement durch jeweilige Ringe (11), die an den Umfangskantenabschnitten der Tellerfedern befestigt sind, und durch ein ringförmiges Band (10) gebildet wird, das mit gekrümmten Halteflächen (10a) zum Rolleingriff mit den Ringen ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (11) und das ringförmige Band (10) aus gehärtetem Stahl bestehen.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Band (10) mit Ölschmierlöchern (12) ausgebildet ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (9) aus Titan 10-2-3 bestehen.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der ferner einen Träger (5) aufweist, der im Kolben (1) angeordnet ist, wobei der Träger im Kolben zur Axialbewegung relativ dazu verschiebbar angebracht ist und mit dem Pleuel (4) in einer solchen Weise verbunden ist, daß es das Federmittel (8) ermöglicht, daß sich der Kolbenboden (2) relativ zum Träger axial bewegen läßt.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (5) mit einer gewölbten Oberfläche versehen ist, die entfernt vom Kolbenboden (2) mit der Tellerfeder (9) in Eingriff gebracht werden kann, und der Kolbenboden mit einer gewölbten Oberfläche (7) versehen ist, die angrenzend an den Kolbenboden mit der Tellerfeder (9) in Eingriff gebracht werden kann.
Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gewölbten Oberflächen Spiegelbilder voneinander sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (5) aus Aluminium besteht.
Kolben nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (5) verschiebbar in einer Buchse (6) angebracht ist, die an der Innenseite der zylindrischen Wand des Kolbens (1) an dem Ende davon befestigt ist, das vom Kolbenboden (2) entfernt ist.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (6) aus einer Bronze/Aluminium-Legierung besteht.