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Verfahren zum Schmieren des Zylinders von Verbrennungskraftmaschinen,
Pumpen, Kompressoren u. dgl. Die Erfindung bezieht sich auf Verbrennungskraftmaschinen,
bei denen ein mit Kolbenringen versehener Kolben in einem Zylinder arbeitet. Der
AusdruckZylinder umfaßt dabei auch eineZyl:nderbüchse, und der Ausdruck Verbrennungskraftmaschine
umfaßt Dieselmotoren und andere mit Kompression und Zündung arbeitende Maschinen.
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Wesentlich ist für solche Maschinen eine wirksame Schmierung der Zylinderwandung
und des Kolbens und das Verhindern einer übermäßigen Ölablagerung an der Stirnseite
des Kolbens und dem Zylinderkopf.
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Es ist allgemein üblich, die Zylinderwand frei von Schmiernuten zu
halten und die Zylinderwandung tauchbadartig durch das Öl zu schmieren, welches
von der Kurbelwelle und der Pleuelstange oder anderen bewegten Teilen abgezogen
wird. Der Kolben wird etwas kleiner im Durchmesser gemacht als die Bohrung des Zylinders,
so daß ein Ölfilm an der Zylinderwandung nach dem Durchgang des Kolbens verbleiben
kann, und es sind Schaberinge vorgesehen, um den Betrag des Öls zu regeln, welcher
an dem Kolben vorbeigehen kann. Der Kolben ist ferner mit Druckringen versehen,
die einen gleitenden, flüssigkeitsdichten Abschluß zwischen Kolben und Zylinderwand
bilden. Wenn der Kolben zu lose geht, findet ein Schlagen des Kolbens im Zylinder
statt, und wenn er zu dicht geht, ergibt sich eine unzureichende Schmierung mit
der Gefahr eines Festfressens.
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Das Schmierverfahren des Zylinders oder der Zylinderauskleidung einer
Verbrennungskraftmaschine, einer Pumpe, eines Kompressors o. dgl. gemäß der Erfindung
besteht darin, daß wenigstens
eine flache und schmale Schmiernut
in dem Zylinder schraubenförmig angeordnet ist, die bei der Arbeit mit Schmieröl
gefüllt ist, wobei die Nut solche Abmessungen aufweist und so angeordnet ist, daß
die Kolbenringe unter gewöhnlichen Arbeitsbedingungen ordnungsmäßig arbeiten.
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Ein Zylinder oder eine Zylinderauskleidung, bei der das Schmierverfahren
nach der Erfindung zur Ausführung kommen soll, ist durch die Anordnung wenigstens
einer schraubenförmig verlaufenden Schmiernut in der arbeitenden Fläche gekennzeichnet.
Die Nut kann richtig schraubenförmig sein, auch können mehr als eine solcher Nuten
angeordnet werden. Die Nut oder die Nuten müssen auch so angepaßt sein, daß sie
die gewöhnliche Arbeit der Kolbenringe nicht stören, da diese frei in dem Zylinder
auf und ab gleiten müssen.
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Es sind eine Zahl von Versuchen mit Verbrennungskraftmaschinen gemacht
worden, die eine Bohrung von 8o mm und einen Hub von 82 mm hatten, wobei der Zylinder
mit einer oder mehreren Schmiernuten versehen war. Es sind auch verschiedene Anordnungen
von Nuten versucht worden, und in allen Fällen waren die Nut oder die Nuten von
rechteckigem Querschnitt mit einer Tiefe von 0,381 mm (o,oi5") und einer Breite
von 1,27 mm (o,o5ö'). Der verwendete Kolben war von üblicher Bauart mit drei Kolbenringen
von einer Breite von 2,381 mm (3/32") und einem halben Schabering, wobei alle Ringe
zusammen an dem Kopfende angeordnet waren.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstands sind nachstehend
an Hand des dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Als Ausführungsbeispiel
wurde eine luftgekühlte Verbrennungskraftmaschine gewählt, obwohl das neue Schmierverfahren
sich in gleicher Weise für Pumpen, Kompressoren u. dgl. eignet. In den Zeichnungen
bedeutet Fig. i einen senkrechten Schnitt durch eine luftgekühlte Verbrennungskraftmaschine,
die gemäß der Erfindung ausgestaltet ist; Fig. 2 ist eine Abwicklung der Zylinderwandung
der Maschine nach Fig. i in halber Größe, wobei die Breite der Nut der Deutlichkeit
wegen übertrieben ist; Fig. 3 bis 8 sind ähnliche Abwicklungen von Zylindern, die
in Verbindung mit der Maschine nach Fig. 2 verwendet wurden und bei denen die Nutanordnung
gemäß der Erfindung abgewandelt wurde; Fig. 9 ist eine ähnliche Abwicklung des Zylinders
einerZweitaktverbrennungskraftmaschine von3öccm Fassungsvermögen, an der die Erfindung
zur Anwendung gekommen ist; Fig. io und i i sind ähnliche Abwicklungen von zwei
abgeänderten Ausführungsformen von Zylindern einer Zweitaktverbrennungskraftmaschine
mit 125 ccm Fassungsvermögen, an der die Erfindung zur Anwendung gebracht ist.
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Die in Fig. i dargestellte Viertaktverbrennungskraftmaschine besitzt
einen einzigen kleinen senkrechten Zylinder und ist als stationäre Maschine zum
Antrieb eines elektrischen Generators bestimmt. Sie enthält das Kurbelgehäuse io,
an dessen Boden ein Öltrog i i vorgesehen ist, der durch eine Meßöffnung 12 Öl aus
dem durch den Boden des Kurbelgehäuses gebildeten Sumpf 13 aufnimmt. Der luftgekühlte
Zylinder 15 ist mit Kühlrippen 16 versehen und auf der Oberseite des Kurbelgehäuses
io in der üblichen Weise befestigt. Der Zylinderkopf 20 ist mit Hilfe von Bolzen
in der üblichen Weise an der Oberseite des Zylinders befestigt und weist eine Einlaßöffnung
21 und eine Auspufföffnung auf, die verdeckt hinter der Einlaßöffnung liegt. Die
Einlaßöffnung wird durch ein Ventil 23 gesteuert, das durch den von der Einlaßkurve
25 gesteuerten Nocken 24 betätigt wird. Die Kurve 25 sitzt auf der Kurvenwelle 26,
die durch nicht dargestellte Zahnräder von der Kurbelwelle 27 der Maschine aus angetrieben
wird. In ähnlicher Weise wird das Auslaßventil durch eine Auspuffkurve gesteuert,
die durch einen Nocken von einer Kurve aus angetrieben wird, die ebenfalls auf der
Kurvenwelle26 sitzt. Diese Teile liegen hinter den entsprechenden Teilen für das
Einlaßventil und sind deshalb auf der Zeichnung nicht zu sehen. Die Kurbelwelle
27 besteht aus zwei Teilen 40, von denen nur eines zu sehen ist; dieses ist mittels
eines Kurbelzapfens 41 mit dem starken Ende der Pleuelstange 42 gekuppelt, während
das schmale Ende der Pleuelstange in dem an dem Aluminiumkolben 44 angebrachten
Zapfen 43 gelenkig befestigt ist. Von dem unteren Ende der Pleuelstange ragt ein
Tauchansatz nach unten, welcher bei jeder Umdrehung der Maschine in den Trog i i
eintaucht und 0I aufnimmt, das durch geeignete Kanäle in dem Tauchansatz und der
Pleuelstange 42 hindurchgeht, um das starke Ende der Pleuelstange an dem Kurbelzapfen
41 zu schmieren. Der Tauchansatz 45 spritzt bei seinem Durchgang durch den Trog
i i Ö1 in das Kurbelgehäuse aus, welches bei der üblichen Arbeitsweise solcher Maschinen
zur Spritzölung für die Zylinderwand und des kleinen Endlagers dient.
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Der Kolben 44 ist mit vier Ringnuten 51, 52, 53 und 54 versehen, die
am oberen Ende des Kolbens angeordnet sind, und von dem Boden der untersten Nut
gehen Löcher 55 aus.
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Die beiden oberen Ringnuten 51 und 52 dienen im wesentlichen für die
Kolbendruckringe. Ein abgesetzter Schabering wurde verwendet, und er war manchmal
in der unteren Nut 54 und manchmal in der dritten Nut 53 angeordnet, da sich hieraus
eine zusätzliche Steuerung ergab. Diese Änderung bildet aber keinen Teil der vorliegenden
Erfindung. Es war schon bekannt, daß das Einsetzen des Schaberings in die dritte
Nut die Ölmenge verringert, die an dem Kolben vorbeigeht, wenn ein üblicher nutenloser
Zylinder benutzt wird, und die gleiche Wirkung trat auch bei einem mit Nuten versehenen
Zylinder ein.
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Die Linien auf der linken Seite von Fig. 2 und in allen übrigen Figuren
bedeuten folgendes: D:.-Linie a ist die obere Grenze der Nuten, die Linie b zeigt
die Höhe der Kolbenstirn an, wenn das Auspuffventil sich beim Explosionshub öffnet,
und die
Linie c die Stellung der Kolbenstirn im unteren Totpunkt
des Kurbelzapfens 41.
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Die beschriebene Maschine hat eine Bohrung von 8o mm und einen Hub
von 82 mm und soll 4'/E PS bei einer GeschNvindigkeit von 2200 Umdr./Min. entwickeln.
Die Maschine wird durch Luftzug von einem nicht dargestellten Windflügel, der auf
der Kurbehvelle angeordnet ist und in einem Gehäuse 6o arbeitet, gekühlt, wobei
die Luft gegen die Kühlrippen 16 geblasen wird.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist nun der "Zylinder 15 mit Schmiernuten
in der Zylinderwandung versehen, und es hat sich als möglich erwiesen, entsprechend
der Ausführung und Anordnung dieser Nuten die Schmierung des Kolbens zu steuern
und zu verhindern, daß zuviel Schmieröl die Verbrennungskammer erreicht. Die folgende
Beschreibung ermöglicht die Anwendung der Erfindung für diesen "Zweck entsprechend
den Erfordernissen, da natürlich jeder besondere Formen der Ausführung wählt entsprechend
der Type, der Anzahl und der Anordnung der Ringe, so daß es unmöglich ist, ein starres
und festes Gesetz aufzustellen, (las befolgt werden muß. Die nachstehende Beschreibung
ermöglicht es aber, den Konstrukteur darüber aufzuklären, wie die Erfindung für
jede l@eson(lcre Maschinenausführtnig anzuwenden ist, obwohl es notwendig sein kann,
einige einfache Versuche auszuführen, bevor die endgültige Form der Nuten festgelegt
wird.
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Die Fig.2 ist eine Abwicklung des in Fig. 1 gezeigten Zylinders. In
der hier dargestellten Form war der Zylinder mit zwei parallelen durchlaufenden,
schraubenförmigen Nuten 70 von 25,4 mm (1") Steigung versehen, die 1,27 mm
(o,o5o") breit und 0,381 mm (o,o15") tief war. Die Nuten hatten rechtwinkligen
Querschnitt und erstreckten sich über die ganze Länge der Zylinderwand. In Fig.
2 und allen anderen ähnlichen Figuren stellt die Mittellinie 71 die Mitte der Vorderseite
des Zylinders dar, und infolgedessen sind die beiden seitlichen Linien 72 die Mittellinie
der Rückwand, an der entlang der Zylinder aufgeschnitten ist, um die Abwicklung
in einer Ebene darzustellen. In der unteren rechten Ecke ist der Kolben 44 durch
gestrichelte Linien in seiner untersten Stellung angedeutet, so daß seine Stirn
in gleicherRichtung mit der Linie c und sein unterstes Ende in gleicher Richtung
mit demZylinderhoden liegt. Bei dieserAnordnungwar zu bemerken, daß das
01 in dem oberen Teil der Nuten verkohlte und daß die Ablagerung von Kohle
am größten ani Kopf des Zylinders war. Es konnte auch festgestellt werden, daß die
Kohleablagerung tatsächlich vor der Linie b aufhörte, ferner wurde beobachtet, daß,
wenn der Motor eine Zeit gelaufen war, der Ölverbrauch erheblich niedriger wurde.
Bei der Prüfung des Kolbens zeigte er Zeichen einer sehr guten Schmierung, und es
waren weniger senkrechte Linien an dem Kolben, als wenn der g!eiclie Kolben bei
einem gleichen Versuch in einem vollen Zylinder, d. h. ohne die Schmiernuten gelaufen
wäre. Der Kolben hatte tatsächlich eine Oberfläche angenommen, die sich vollkommen
von der bei solchen Versuchen üblichen unterschied. Die Oberfläche hatte einen glatten,
satinartigen Schliff und war bemerkenswert frei von senkrechten Linien. Die Kolbenringe
zeigten eine geringere als die übliche Abnutzung. Eine Lehre, die man aus diesem
Versuch ziehen konnte, war, daß die Nuten nicht bis zum oberen Ende des Zylinders
durchgeführt zu sein brauchten.
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In Fig.3 ist die Abwicklung eines Zylinders gezeigt, bei welchem eine
einzige schraubenförmige Nut von 25,4 mm (1") Steigung und von denselben Abmessungen
wie vorher verwendet ist, die sich aber nicht bis an die Oberseite des Zylinders
erstreckt. Es ist zu sehen, daß sie sich über die Linie b hinaus erstreckt, d. h.
das obere Ende der Nut wurde von dem Kolben nicht bedeckt, bevor er das Auspuffventil
öffnete, also während noch ein erheblicher Druck in dem Zylinder war. Verschiedene
Versuche wurden angestellt, um die günstigste Stelle für die Beendigung der Nut
festzustellen. Diese '\' ersuche zeigten, daß das N ichtbedecken des oberen Endes
der Nut, bevor der Auspuff geöffnet ist, ein Mittel bildet, um die Ölmenge zu steuern,
die den Verbrennungsraum erreicht. Bei dem in Fig.3 gezeigten Beispiel ist die Linie
a, bei der die Nut endet, 34,925 mm (13/e") oberhalb der Ebene c und 25,4 mm (1")
oberhalb der Linie b. Es hat sich auch gezeigt, daß der Winkel der Schraube eine
Wirkung auf den Olverbrauch hat. Ein steilerer Winkel verursacht eine Verringerung
des Ölverbrauchs. Es wurden infolgedessen Versuche mit mehrgängigen schraubenförmigen
Nuten angestellt, wie aus Fig. 4 und 5 zu ersehen ist.
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In Fig. 4 wurden zwei Nuten von 5o,8 mm (2") Steigung und in Fig.
5 vier Nuten von 1o1,6 mm (4") Steigung verwendet, so daß in Fig. 3, 4 und 5 ein
Vergleich der Wirkung des Steigungswinkels der Schrauberform gemacht werden konnte,
während das Verhältnis des Nutenquerschnitts zum Querschnitt der Zylinderwandung
im wesentlichen unverändert blieb. Diese Versuche bestätigten die Lehre, daß bei
gleichbleibenden sonstigen Bedingungen die steilere Steigung der Nuten weniger
01
an dem Kolben vorbeiläßt. ' In Fig. 6 sind zwei Nuten von 25,4 mm (1")
Steigung in entgegengesetztem Sinne eingeschnitten, die sich vorn und hinten am
Zylinder kreuzen. Wie erwartet, ergab sich eine stärkere Kolbenschmierung als bei
einer einzelnen Nut, aber die Stellen, an denen die Nuten sich kreuzten, verringern
erheblich dieAbnutzungsfläche, und da die stärksteAbnutzung an der Vorder- und Rückseite
des Zylinders stattfindet, ist es offenbar besser, die Nuten so anzuordnen, daß
sie sich an den Seiten kreuzen.
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Ein Versuch wurde mit einer Anzahl von kurzen schraubenförmigen Nuten
durchgeführt, die in zwei Reihen an der Vorder- und Rückseite des Zylinders angeordnet
waren. Die aus diesem Versuch gezogene Schlußfolgerung war, daß eine ununterbrochene
schraubenförmige Nut besser ist als eine Anzahl kurzer Nuten. Die ununterbrochene
Nut schien den Vorteil zu haben, daß sich die Kohleteilchen oder andere abgeschliffene
Teile allmählich
in der Nut nach dem Ölsumpf bewegen können, wo
sie durch das Filter aufgefangen werden oder sich am Grund des Sumpfes absetzen.
Fig. 7 zeigt kurze schraubenförmige Nuten, die zickzackförmig angeordnet sind und
so zwei ununterbrochene Nuten bilden.
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Eine nach der Erfindung ausgeführte Maschine lief während einer Zeit
von mehreren Monaten in einer Atmosphäre, die mit, Schleifstaub geladen war, und
ohne jeden Luftfilter. Eine Prüfung zeigte, daß der Zylinder und Kolben in ausgezeichnetem
Zustande waren. Es zeigten sich weder an dem Zylinder noch an dem Kolben Zeichen
von übermäßiger Abnutzung, ,wie sie bei Versuchen mit einem gewöhnlichen Zylinder
als übliches zu erwartendes Ergebnis bezeichnet werden.
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Fig. 8 zeigt die Anordnung einer Anzahl kurzer Nuten 8o, die in der
obersten Windung der ununterbrochenen schraubenförmigen Nut 81 münden. Hierdurch
ist die Nut 81 mit einer Anzahl von Öffnungen 83 versehen, die dem Druck der Verbrennungskammer
unterworfen sind, bevor der Auspuff geöffn-t ist.
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Fig. 9 und io zeigen, wie die Erfindung bei dem Zylinder einer Zweitaktverbrennungskraftmaschine
anzuwenden ist. Fig. 9 ist die Abwicklung des Zylinders einer Maschine von nur 34
ccm, und die in Fig. to und i i dargestellten haben je eine Kapazität von
125 ccm. @Iicr haben die Versuche gezeigt, daß die besten Ergebnisse erhalten
werden, wenn die Nuten nicht nach der Auspufföffnung 92 zu offen sind. Infolge der
Länge der Einlaßöffnung 93 kann ihre Überschneidung mit den Nuten nicht leicht vermieden
werden, aber dieses hat anscheinend keine unangenehme Wirkung. In Fig. i i sind
rechts-und linksgängige Nuten verwendet worden, um eine gute Deckung zu geben und
dabei ein Überschneiden mit den Auspuf?- und überströmkanälen zu verin e, *den.
Während der verschiedenen Versuche, dic durchgeführt wurden, wurde auch ein Zylinder
geprüft, in welchem die Nut die Auspufföffnung schnitt, und dieses ergab, daß die
Auspufföffnungen rasch mit Kohleablagerung verstopft wurden.
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Ini Laufe der verschiedenen anderen Versuche mit den Maschinen, die
mit Zylindern der beschriebenen Art ausgestattet waren, wurden auch solche mit verschiedenen
Ringanordnungen, verschiedenen Arten von Ringcii durchgeführt, ferner mit verminderter
oder vergrößerter Olzufuhr zu dem Trog durch Änderung der Anzahl und der Größe der
itIeßöffnung;n 12. Wie erwartet, brachte jede Änderung allgemein die gleiche Wirkung
in Verbindung mit dein Zylinder nach der vorliegenden Erfindung licrvor, wie sie
bei einem üblichen Zylinder einzutreten pflegt, mit einem sehr wichtigen Unterschied:
Wenn der Ölstand in dem Sumpf so verinindert wurde, daß die Maschine Olmangel hatte
bis zu dem Punkt, bei dem bei dem üblichen Zylinder ein Festfressen eingetreten
wäre, ergab sich kein solches Festfressen des Kolbens, wodurch bewiesen ist, daß
die Nuten noch eine genügende Schmierung des Kolbens vornahmen.
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Die Verb endung von verchromten Kolbenringen, die im folgenden Chromringe
genannt werden sollen, in der oberen Nut verringert bekanntlich den Olverbrauch
bei dem üblichen nutenlosen Zylinder und hat bei einem mit Nuten gemäß der Erfindung
versehenen Zylinder eine ähnliche Wirkung. Bei dem gewöhnlichen Zylinder vergrößert
der vergrößerte Druck des Chromrings die Gefahr des Festfressens, aber es hat sich
gezeigt, daß selbst bei dem Versuch, bei dem die Maschine Olmangel hatte, kein Festfressen
eintrat, obwohl ein Chromring benutzt wurde, woraus hervorgeht, daß die Schmiernuten
mit genügend Schmiermittel versehen waren, um ein Festfressen selbst unter ungünstigsten
Bedingungen zu vermeiden.
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Die meisten Versuche wurden über eine Dauer von zehn Stunden bei 2200
Umdr./Min. mit einer Maschine unternommen, die 41/2 PS entwickelte. Leerlaufversuche
bei 5oo bis 6oo Umdr./Min. wurden während eines Zeitraums von zehn. Minuten durchgeführt,
um zu sehen, ob die Zündkerze durch 0l verschmutzt oder ob irgendwelche der üblichen
Anzeichen dafür auftraten, daß eine übermäßige Olmenge die Verbrennungskammer erreichte,
z. B. ein starkes Rauchen beim Offnen nach dem Leerlauf. Überall wurde eine Verbesserung
festgestellt durch Aufrechterhaltung einer besseren Kolbenschmierung. Nach jedem
Versuch wurde die,Maschine zur Prüfung auseinandergenommen. Es zeigte sich, daß
der Kolben dichter eingepaßt werden konnte, als dieses gewöhnlich der Fall ist,
ohne daß sich irgendwelche Zeichen von Anfressen zeigten. Messungen ergaben, daß
die Abnutzungen des Kolbens sichtlich geringer waren als gewöhnlich, und es war
besonders bemerkenswert, daß die mit dem Zylinder im Eingriff stehenden Oberflächen
des Kolbens poliert wurden oder blieben und selbst an der Druckseite sehr wenig
Längskratzer zeigtgn, an der gewöhnlich der Kolben solche in erheblichere Maße aufweist.
Die Kompression war nicht merklich geringer als bei einem ähnlichen, in der üblichen
Weise gebauten Kolben und Zylinder. In den meisten Fällen war sehr wenig Kohle an
dem Kolbenkopf oder Zylinderkopf vorhanden, jedenfalls viel weniger als bei einem
gewöhnlichen Zylinder, und die Zündkerze war im wesentlichen frei von Kohle, woraus
hervorgeht, daß die Verbrennungskammer keine zu starke Ölzufuhr hatte. Nach dem
Leerlauf ist gewöhnlich der Auspuff rauchig, aber es zeigte sich, daß bei dem Versuch
der Auspuff im wesentlichen frei von Rauch war, ein weiteres Zeichen, daß die Schmierung
des Zylinders wirksamer gesteuert war, als dies gewöhnlich der Fall ist.
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MitAusnahme einesVersuchs, der nicht erfolgreich war, war die schraubenförmige
Nut in derZylinderwandung scharfkantig, und wenn sie nicht in dem Zylinder zu hoch
hinaufgeführt wurde, war sie auch im wesentlichen frei von Kohle, und die Kolbenringe
zeigten keine ungewöhnlichen Zeichen von Abnutzung und sahen. gut poliert aus.
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Der nicht erfolgreiche Versuch wurde mit einer schraubenförmigen Nut
von bogenförmigem Querschnitt durchgeführt. Die Nut hatte die doppelte
Breite,
und es zeigte sich, daß sie den Ölverbrauch vergrößerte.
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Der Winkel der Nut hängt von allen vorhandenen Umständen ab, nämlich
von der Größe der Nut im Vergleich zu der Größe der Kolbenringe und der Arbeit,
für die die Maschine bestimmt ist. Für einen rasch laufenden Kompressor können die
Abmessungen vollkommen von denjenigen abweichen, die für eine langsam laufende Kompressionsmaschine
geeignet sind. In ähnlicherWeise kommen für Kompressoren oder Pumpen, bei denen
die Wärme der Verbrennungsgase nicht in Betracht gezogen zu werden braucht, andere
Erwägungen in Frage, die eine Änderung der Abmessungen, der Anzahl der Nuten und
der Steigung je nach den Umständen notwendig machen können.
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Der Ausdruck schraubenförmig deckt jede Form einer Nutenanordnung,
in welcher die allgemeine Richtung schraubenförmig ist, sei es mit gleichbleibender
Steigung oder in anderer Gestaltung.