FI103599B - Iskumäntäpolttomoottorikoneen sylinteri - Google Patents

Description

103599

Iskumäntäpolttomoottorikoneen sylinteri

Keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista iskumäntäpolttomoottorikoneen sylinteriä.

s Julkaisusta DE-PS 12 16 612 tunnetaan iskumäntäpolttomoottoriko neen sylinteri, jonka seinämässä on männänrenkaiden rajoittamien rengastilojen paineiden tasaamiseksi uria, jotka on sijoitettu siten, että ne ulottuvat alakuolo-kohdassa ylimmän männänrenkaan kohdalle. Tämän tunnetun järjestelyn avulla on tarkoitus saada paine männänrenkaan välitiloissa laskemaan pääosin palotilaa 10 kohti. Järjestelyn haittana on se, että kun mäntä työtahdin aikana liikkuu alaspäin, alimmat rengastilat joutuvat urien suhteellisen suuren aksiaalisen ulottuvuuden vuoksi alttiiksi aina kulloinkin ylemmän rengastilan suuremmalle paineelle. Sen sijaan että rengasurien paine purettaisiin, ylemmille tasoille syntyy jopa painetyy-nyjä, jonka vuoksi männänrenkaiden oikea-aikainen sivunvaihto estyy ja niiden 15 juuttumisen vaara lisääntyy.

Keksinnön tehtävänä on muotoilla iskumäntäpolttomoottorikoneen sylinteriä siten, että männänrengaspaketin tiivistysvaikutus paranee ja kestoikä pite-nee paketin täyden toimintakyvyn säilyessä.

Tehtävä ratkaistaan keksinnön mukaan patenttivaatimuksen 1 tun-20 nusmerkkiosan mukaisilla tunnusmerkeillä.

Männänrenkaiden väliset rengastilat täytetään puristustahdin aikana peräjälkeen ilmalla sylinterin seinämään sijoitettujen puskuritilojen avulla. Ylimmän rengastilan paine on suurin, ja paine alenee alaspäin. Sisään suljettu ilma toimii työtahdin aikana polttokaasujen ja hiukkasten männänrengaspakettiin pää-25 syn estävänä sulkuaineena. Työtahdin toisella puoliskolla ilma palautetaan taas alhaalta ylöspäin puskuritiloihin, niin että rengastilojen paine kevenee eikä puris-tusrenkaiden oikea-aikaiselle sivunvaihdolle ole estettä. Kun ensimmäinen puris-tusrengas on ylittänyt puskuritilat, niiden paine kevenee palotilaan päin, mistä on lisäksi etuna se, että männän sivuseinän ja sylinterin seinämän väliseen tilaan 30 tunkeutuneet palamisjätteet siirtyvät takaisin palotilaan. Toisen ja kolmannen pu-ristusrenkaan palotilan ja kampikammion välisestä kokonaispaine-erosta osalleen ottamat osuudet kohoavat keksinnön ansiosta, minkä ansiosta ensimmäisen puristustenkaan paine kevenee ja kuluminen vähenee huomattavasti.

Keksinnön edullisia jatkokehitelmiä on esitetty alivaatimuksissa.

35 Keksinnön eri suoritusesimerkkejä selvitetään seuraavassa piirustus ten avulla, joista 2 103599 kuviot 1-5 esittävät osittaisia pitkittäisleikkauksia mäntä/sylin-terijärjestelmästä puristustahdin eri vaiheissa, kuviot 6-9 esittävät osittaisia pitkittäisleikkauksia mäntä/sylin-terijärjestelmästä työtahdin eri vaiheissa, 5 kuvio 10 esittää männänisku/paine-diagrammin, joka kuvaa paineen kulkua työtilassa ja puristusrenkaiden välisissä rengastiloissa, kuvio 11 esittää perspektiivikuvana osan sylinterin sisävaipasta, jossa on pitkän reiän kaltaiset puskuritilat, kuvio 12 esittää perspektiivikuvana osan sylinterin sisävaipasta, jossa 10 on satulan muotoiseen muodostelmaan sijoitetut puskuritilat, kuvio 13 esittää perspektiivikuvana osan sylinterin sisävaipasta, jossa on kaksi aksiaalisesti toisiinsa nähden siirtynyttä puskuritilariviä, ja kuvio 14 esittää männänisku/paine-diagrammin, joka kuvaa paineen kulkua työtilassa ja puristusrenkaiden välisissä rengastiloissa, kun käytetään ku-15 vion 13 mukaisesti sijoitettuja puskuritiloja.

Kuvioissa 1 - 9 on numerolla 1 merkitty lähemmin esittämättä jätetyn iskumäntäpolttomoottorikoneen mäntää ja numerolla 2 sen sylinteriä. Männän 1 otsasivu rajoittaa työtilaa 3. Kolme puristusrengasta 6, 9 ja 12 sekä öljyrengas 15 tiivistävät männän 1 sivuseinän ja sylinterin 2 välissä olevan rengasraon 4. Työti-20 laa 3 lähinnä oleva ensimmäinen puristusrengas 6 on upotettu mäntään 1 työstettyyn rengasuraan 5, toinen puristusrengas 9 rengasuraan 8, kolmas puristus-rengas 12 rengasuraan 11 ja öljyrengas 15 rengasuraan 14. Männänrenkaat 6, 9, 12,15 ovat korkeudeltaan hieman pienempiä kuin niitä vastaanottavien rengas-urien 5, 8, 11, 14 aksiaalinen ulottuvuus. Männänrenkaat 6, 9, 12, 15 ovat niihin 25 vaikuttavia voimia (männän kiihtyvyyden aiheuttamat massavoimat, männänren-kaan ylä- ja alasivun välistä paine-eroa vastaava puristusvoima, sylinterin seinämän kitkavoima) vastaten joko kulloisenkin rengasuran 5, 8, 11, 14 ylä- tai ala-sivulla. Ensimmäinen ja toinen puristusrengas 6 ja 9 reunustavat männän 1 ja sylinterin 2 välisessä rengasraossa 4 rengastilaa 7, toinen ja kolmas puristusrengas 30 9,12 toista rengastilaa 10 ja kolmas puristusrengas 12 ja öljyrengas 15 kolmatta rengastilaa 13.

Näihin rengastiloihin 7, 10, 13 syntyy männänrenkaiden ohi väistämättömästi liukuvan kaasun johdosta paine, joka on ensimmäisessä rengastilassa 7 korkeampi kuin toisessa rengastilassa 10 ja toisessa rengastilassa 10 korkeam-35 pi kuin kolmannessa rengastilassa 13.

3 103599

Kuviossa 10 on esitetty paineen kulkukäyrät työtilassa 3 ja kolmessa rengastilassa 7,10,13 puolen työkierron aikana eli puristustahdin ja työtahdin aikana.

Käyrä po kuvaa paineen kulkua työtilassa 3, käyrä pj paineen kulkua 5 ensimmäisessä rengastilassa 7, käyrä pj paineen kulkua toisessa rengastilassa 10 ja käyrä P3 paineen kulkua kolmannessa rengastilassa 13, jolloin pV ja pj kuvaavat tilaa, jossa keksintöä ei vielä ole käytetty. Kolmannen rengastilan paine pa eroaa öljyrenkaan heikon kaasulta tiivistysvaikutuksen vuoksi vain hieman kampi-kammion paineesta. Sitä ei sen vuoksi oteta mukaan seuraaviin tarkasteluihin.

10 Työtilan 3 painekäyrä Po kohoaa tunnetulla tavalla koko puristustahdin ajan ja saavuttaa sytytyksen jälkeen huippunsa liekkirintaman leviämisen johdosta hieman yläkuolokohdan jälkeen, minkä jälkeen se laskee koko jäljellä olevan työtahdin ajan. Ensimmäisen rengastilan 7 painekäyrä pi' sitävastoin kohoaa ensimmäisen puristusrenkaan 6 kuristusvaikutuksen johdosta huomattavasti myöhem-15 min, ja toisen rengastilan 10 käyrän pj paineen huippu saavutetaan toisen puristusrenkaan 9 kuristusvaikutuksen vuoksi vielä myöhemmin. Kohdilla, joilla käyrät p^ ja P21 leikkaavat käyrän po laskevan kyljen, ensimmäiseen ja toiseen rengasti-laan 7,10 on muodostunut painetyyny, joka estää puristusrenkaiden asianmukaisen sivunvaihdon. Käyrien p,' ja po leikkauspisteestä alkaen painetyyny puristaa 20 ensimmäisen puristusrenkaan 6 rengasuran 5 yläsivua vasten ja toisen puristus-renkaan 9 rengasuran 8 alasivua vasten. Ensimmäisen rengastilan 7 pakokaasu suljetaan kuin kaksoisvastaventtiilin käsittävään johtoon eikä se pääse oikeaan aikaan tyhjenemään työtahdin aikana ja puhdistamaan rengasuria. Varastoituvien likahiukkasten määrä kasvaa jokaisella työtahdilla, kunnes toisen männänrenkaan * 25 9 säteen suuntainen liike estyy ja renkaan toiminta lakkaa.

Ylin puristusrengas 6 kantaa tunnetuissa mäntä/sylinterijärjestelmissä koko puristustahdin ja suuren osan työtahdista ajan melkein yksinään koko työtilan ja kampikammion välisen paine-eron. Koska työtilan 3 ja ensimmäisen rengastilan 7 välinen paine-ero pääosin ilmoittaa tämän renkaan puristusvoiman sy-30 linterin seinämään, tähän suureen osuuteen liittyy väistämättä suuri kuluminen.

: Sylinterin 2 seinämään on keksinnössä laitettu puskuritiloja 16, joiden tilavuus vastaa yhden rengastilan 7, 10, 13 monikertaa. Puskuritilat 16 on sijoitettu seinämään sellaiselle korkeudelle, että ylin männänrengas (= puristusrengas 6) on alakuolokohdassa niiden alapuolella ja alin männänrengas (= öljyrengas 15) 35 yläkuolokohdassa niiden yläpuolella. Puskuritilat on kuvioissa 1-9 toteutettu lie- 4 103599 riömäisinä aukkoina, jotka jakautuvat sylinterin pinnalle tasaisesti sylinterin akseliin nähden kohtisuorassa tasossa.

Puskuritilojen 16 toimintaa puristus-ja työtahdin eri vaiheissa kuvataan seuraavassa kuvioiden 1 - 9 avulla. Rengastiloihin 7, 10 tällöin muodostuvia pai-5 neita kuvataan kuviossa 10 käyrillä p! ja Ρ2. Kuvioita 1-9 vastaavat tilat on merkitty kuvioon 10 pystysuorin linjoin, joiden roomalainen numerointi vastaa kuvioiden numerointia.

Kuviossa 1 puskuritilat 16 täytetään kokoon puristetulla raikkaalla ilmalla puristustahdin aikana. Kuviossa 2 ensimmäinen puristusrengas 6 liikkuu 10 puskuritilan 16 suuaukon yli. Ensimmäinen rengastila 7 täyttyy tällöin raikkaasta ilmasta, jonka paine on hieman pienempi kuin työtilaan 3 tähän mennessä kasautunut paine. Ensimmäisen rengastilan 7 paine kohoaa tällä tavoin - kuten kuvion 10 linjan II kohdalla tapahtuu - yhdellä kertaa tasolle p1( joka on huomattavasti korkeampi kuin saman rengastilan taso pi' tapauksessa, jolloin ei käytetä 15 keksinnön mukaisia puskuritiloja. Työtilan paineen po ja ensimmäisen rengastilan 7 paineen pi ero A po - Pi on tästä ajankohdasta alkaen, männän liikkuessa eteenpäin, huomattavasti pienempi kuin työtilan paineen po ja rengastilan paineen pi' ero silloin, kun ei käytetä keksinnön mukaisia puskuritiloja.

Ensimmäisen männänrenkaan 6 kohdalla vallitseva paine-ero mittaa 20 samalla tämän renkaan tiivistyksen osuutta koko työtilan ja kampikammion väliseen paine-eroon, sillä paine-ero määrää huomattavasti renkaan säteittäistä puristusvoimaa sylinterin seinämään männän kallistuessa.

Kuviossa 3 toinen puristusrengas 9 liikkuu puskuritilojen 16 suuaukon yli. Raikas ilma kohottaa toisen rengastilan 10 paineen tämän vuoksi - kuten ku-* 25 vion 10 linja III osoittaa - yhdellä kertaa huomattavasti korkeammalle tasolle P2 kuin siellä samana ajankohtana ilman keksinnön käyttöä vallitsisi (vertaa käyrä P2'). Toinen puristusrengas 9 saa sen vuoksi osalleen suuremman osuuden ren-gaspaketin kokonaistiivistysvaikutuksesta, mikä myötävaikuttaa männänrenkaiden tasaisempaan kulumiseen ja hidastaa näin ollen eniten kuormitetun ensimmäisen 30 puristusrenkaan 6 kulumista.

: Kuviossa 4 kolmas puristusrengas 12 liikkuu puskuritilojen 16 suuau kon yli. Tämä saa aikaan puskuritiloissa 16 olevan lopun ilman purkautumisen kolmanteen rengastilaan 13, sillä öljyrenkaan 15 vähäisen tiivistysvaikutuksen ja kampikammion ilmauksen johdosta siellä vallitsee lähes ympäristön paine. Vähäi-35 sen jäljelle jäävän paineen täydellinen purkaminen puskuritiloista 16 tapahtuu ku- 5 103599 vion 5 esittämässä liikevaiheessa, jossa öljyrengas 15 liikkuu puskuritilojen 16 suuaukon yli.

Puristustahdin jatkuessa rengastilojen 7 ja 10 paine kohoaa ennen kaikkea kuristettuna rengastiivisteen yli työtilasta 3 vihaavan ilman johdosta 5 edelleen. Seuraavan työtahdin ensimmäisessä vaiheessa (kuvio 6) rengastiloihin 7, 10 suljettu raikas ilma muodostaa esteen, joka estää polttokaasujen ja pala-misjätteiden tunkeutumisen männänrengaspakettiin ja kampikammioon ("blow· by").

Kuviossa 7 kolmas puristusrengas 12 liikkuu alaspäin liikkuessaan 10 puskuritilojen 16 suuaukon yli ja avaa samalla yhteyden sieltä toiseen rengasti-laan 10. Toisen rengastilan 7 paine putoaa tällöin yhdellä kertaa - kuvion 10 linjan VII kohdalta näkyvällä tavalla - huomattavasti matalammalle tasolle.

Vähän sen jälkeen (kuvio 8) toinen puristusrengas 9 liikkuu puskuritilojen 16 suuaukon yli. Ensimmäisen rengastilan 7 paine putoaa tällöin yhdellä 15 kertaa - kuten kuvion 10 linjan Vili kohdalta näkyy - huomattavasti alemmalle tasolle. Rengastiloihin 7, 10 suljettujen ilmatyynyjen oikea-aikaisen paineen purkamisen ansiosta vältetään käyrien pT ja pj kuvion 10 oikeassa reunassa käyrän po ulkopuolelle muodostamat paineen ulkonemat, niin että männänrenkaat vaihtavat kitka- ja massavoimien johdosta oikea-aikaisesti tukipintaansa kussakin rengasu-20 rassa.

Kuvion 9 esittämässä tilanteessa liikkuu ensimmäinen puristusrengas 6 puskuritilojen 16 suuaukon yli. Puskuritiloissa 16 oleva ilma purkautuu tällöin suuaukon yläreunan ja puristustenkaan 6 yläreunan välisestä pienestä raosta kuin suuttimesta ja sen jälkeen kapeasta rengasraosta 4 männän sivuseinän ja * 25 sylinterin seinämän väliä pitkin työtilaan 3. Siellä mahdollisesti olevat palamisjät- teet kulkeutuvat tällöin mukana takaisin työtilaan 3, minkä ansiosta rengaspaketti pysyy puhtaana ja toimintakykyisenä.

Puskuritilojen 16 eri muotoja ja järjestelyjä kuvataan seuraavassa kuvioiden 11-13 avulla. Kuviossa 11 puskuritilat 16 ovat pitkän reiän omaisia on-30 kaloita 17, joiden pitkittäisakselit kulkevat jotakuinkin kohtisuoraan männän akse-liin 18 nähden olevalla tasolla. Tästä on se etu, että puskuritilojen poikkileikkaus ja samalla myös niiden tilavuus edellisen suoritusesimerkin lieriömäisiin aukkoihin verrattuna suurenee tarvitsematta lisätä niiden männän pituusakselin suuntaista ulottuvuutta, joka on sovitettu männänrenkaiden tiivistyspintojen mukaan. Kaikilla 35 suoritusesimerkeillä pätee se, että puskuritilojen yhteinen tilavuus vastaa yhden rengastilan 7, 10 tai 13 tilavuuden monikertaa - edullisimmin se on noin kolmin- 6 103599 nelinkertainen. Tällaisen sovittelun tuloksena rengastilojen paineen kasautuminen ja purkaminen saadaan edulliseksi, kuten kuvio 10 esittää.

Kuviossa 12 lieriömäisiksi aukoiksi 19 muotoillut puskuritilat 16 ovat sylinterin 2 pinnalla aksiaalisuunnassa satulan muotoisella vaippalinjalla 20. Tä-5 män ansiosta rengastilat 7,10 eivät enää täyty ja tyhjene niin jyrkästi kuin ensimmäisessä suoritusesimerkissä, vaan vähitellen männän liikkeen aikana, joka ulottuu ylimmän aukon 19a ylimmästä kohdasta alimman aukon 19b alimpaan kohtaan.

Kuvion 13 esittämässä suoritusesimerkissä sylinterin puskuritilat 21, 10 22 on sijoitettu kahteen samansuuntaiseen, sylinterin akseliin 23 nähden kohtisuoraan tasoon. Tässä vaihtoehdossa rengastilat 7, 10 täyttyvät ja tyhjenevät kaksivaiheisesti. Ensimmäisen rengastilan 7 paineen kulku, joka on kuviossa 14 esitetty käyrällä 24, ja toisen rengastilan 10 paineen kulku, joka on esitetty käyrällä 25, lähentyvät siksi muodoltaan selvästi kuviossa 10 jo esitettyä, poilla mer-15 kittyä työtilan 3 paineen kulun käyrää. Työtilan 3 ja kampikammion paine-erot ovat sen vuoksi moottorin esitetyn työkierron osan aikana jakautuneet lähes vakiona pysyvässä suhteessa kahdelle ensimmäiselle puristusrenkaalle 6 ja 9, mikä myötävaikuttaa siihen, että ne kuormittuvat ja kuluvat tasaisesti.

Claims (9)

1. Iskumäntäpolttomoottorikoneen sylinteri, jonka yläosaan edestakai-5 sin liikkuva mäntä rajoittaa työtilan, ja jonka männän rengasurissa on männänren- kaita, joiden ylä-ja alasivut muodostavat männän sivuseinän ja sylinterin liukupinnan kanssa rengastiloja, ja jonka seinämässä on aukkoja, tunnettu siitä, että aukot on toteutettu puskuritiloina (16, 17, 19, 21, 22), joiden yhteenlaskettu tilavuus vastaa yhden rengastilan (7, 10, 13) tilavuuden monikertaa, ja että puskuri-10 tilat (16, 17, 19, 21, 22) on sijoitettu sylinterin seinämään sellaiselle korkeudelle, että ylin männänrengas (6) on alakuolokohdassa niiden alapuolella ja alin män-nänrengas (15) yläkuolokohdassa niiden yläpuolella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sylinteri, tunnettu siitä, että puskuritiloina (16) käytetään sylinterin seinämässä säteen suuntaan kulkevia um- 15 pireikiä.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sylinteri, tunnettu siitä, että puskuritiloina käytetään sylinterin akseliin (18) nähden pääosin kohtisuoran pituusakselin omaavia pitkän reiän omaisia onkalolta (17).

4. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukainen sylinteri, t u n-20 n e 11 u siitä, että sen pinnalla on tasaisesti jakautuneena useampia puskuritiloja (16,17,19, 21,22).

5. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukainen sylinteri, t u n-n e 11 u siitä, että puskuritilat (16,17) on sijoitettu sylinterin akseliin (18) nähden kohtisuoralle tasolle. r 25

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen sylinteri, tunnettu siitä, että puskuritilat (19) on sijoitettu sylinterin liukupinnalle aksiaalisuunnassa katsottuna satulan muotoisella vaippalinjalla (20).

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen sylinteri, tunnettu siitä, että puskuritilat (21, 22) on sijoitettu kahteen samansuuntaiseen, sylinterin 30 akseliin (23) nähden kohtisuoraan tasoon.

: · 8. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukainen sylinteri, t u n- n e 11 u siitä, että puskuritilojen (16,‘ 17, 19, 21, 22) yhteinen tilavuus on kolmin-nelinkertainen yhden männänrenkaiden välissä olevan rengastilan (7,10,13) tilavuuteen verrattuna. 35 8 103599

7 103599

9. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukainen sylinteri, t u n-n e 11 u siitä, että puskuritilan (16, 17, 19, 21, 22) aksiaalinen ulottuvuus sen suuaukon kohdalla sylinterin seinämässä on vain hieman suurempi kuin männän-renkaan (6, 9,12) tiivistyspinnan aksiaalinen korkeus. 0 103599