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KOLBEN, VORZUGSWEISE FÜR VERBRENNUNGSMOTO@EN,
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SOWIE MIT SOLCHEN KOLBEN AUSGESTATTETE KOLBENK@AFTMASCHIN@N Die Erfindung
betrifft einen Kolben, sowie die mit solchen Kolben versehenen Kolbenkraftmaschinen,
insbesondere Verbrennungskraftmaschinen mit hoher thermischer Belastung und hohem
Durchschnittsdruck.
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Wie bekannt, werden die Kol@en von Verbrennungsmotoren fast ausnahmslos
mit Dichtungsringe@ abgedichtet.
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Diese Dichtungsringsysteme können als Labyrinth dichtungen betrachtet
werden. /Siehe Carl STGTISCH: Kolbenringe I./ Diese Lösung hat aber verschiedene
mangel aufzuweisen. Liner der wichtigsten unter diesen ist, dass der von der Eigenelastizität
des Kolbenringes herrührende Oberflächendruck ans ich zu gering für ein zuverlassiges
abdichten ist. Die auf diese Weise erzeugte Spannkraft aber ist - erfahrungsgemäss
-bei Motoren mit hohem Spitzendruck so gross, dass ein rascher Verschleiss der Kolbenringe
erfolgt. ferner ist die Druckverteilung auf die verschiedenen Kolben ringe im abzudichtenden
Raum nicht gleichmässig. Sie ist von der Drehzahl und vom Abnützungsgrad abhängig.
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Ein weiterer Mangel der bekannten Dichtungsarten besteht darin, dass
die über die Luftspalte an den Ringen abbiasenden Gase der dünne Schmierölfilm auf
diesen Flächen oxydiert wird. Mit den herkömmlichen Schmiervorrichtungen aber kann
der rasche Ersatz des Schmierölfilmes nur schwer gesichert werden, und das beeinträchtigt
natürlich den Schmiereffekt.
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Ein Mangel der bekannten Dichtungen ist auch der Umstand, dass mit
ihnen die Kühlung weder der Dichtungsringe - besonders des dem abzudichtenden Raum
zunächst gelegenen Ringes - noch die Kühlung des Kolbens bisher zufriedenstellend
gelöst worden ist.
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Von den Ringen wird die vom Kolben erzeugte Wärme und die Reibungswärme
an die aussengekühlte ZXlinderlaufbuchse abgegeben. Für eine wirksame Wärmeübertragung
wäre eine Verminderung der Wandstärke der Zylinderlaufbuchse, zur Erhöhung ihrer
Steifheit aber eine Verstärkung der Laufbuchsenwand erwünscht.
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Zufolge.der ooenbeschriebenen Mängel ist mit der herkömmlichen Kolbenringdichtung
die Erhöhung der
thermischen Belastbarkeit und des Verbrennungsdruckes
des Motors begrenzt. Beides ist jedoch nötig, um die Wirtschaftlichkeit der Verbrennunpskraft
maschinen zu verbessern, vor allem dann, wenn das durch die Erhöhung des Füllungsdruckes
erreicht werden soll.
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Das Ziel der Erfindung ist, alle diese Mängel gleichzeitig zu beseitigen.
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Die der Erfindung gestellte Aufgabe ist somit die Ausgestaltung eines
solchen Kolbens, der eine fast optimale Abdichtung restlos erfüllt, d.h. der komplexen
Anforderung genügt, die als Sicherung einer guten Schmierung samt schnellem Ersatz
des oxydierten Schmierölfilmes, sowie als wirksame Kühlung des Kolbens und der Zylinderlaufbuchse
determiniert werden kann.
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Die Grundlage der Erfindung ist die Brkenntnis, dass man die Aufgabe
leicht lösen kann, wenn im Mantel und im Innern des Kolbens Flüssigkeitsräume ausgestaltet
werden, die mit den Nuten der Dichtung ringe kommunizieren, da man dann mit reguliertem
Druck an die empfindlichsten zellen einen Schmierstoff gelangen lassen kann, der
nicht nur die Schmierung besorgt, sondern ausser der Schmierung auch die Funktion
der Kühlung versieht.
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Der Kolben gemäss der Erfindung ist also die Weiterentwicklung einer
solchen bekannten Kolbenkonstruktion, die wenigstens zwei ringförmige Dichtungseinheiten
besitzt. Die Weiterentwicklung, dbh.
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die Erfindung besteht nun darin, dass der Kolbenquerschultt zwischen
den beiden Abdichtungseinheiten vermindert ist und die auf diese Weise geschaffte
Vertiefung mit dem Innenraum wenigstens der einen
Dichtungseinheit
kommuniziert.
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Gegenetand der Erfindung ist ferner die mit dem Kolben gemäss der
Erfindung versehene Kolbenkraftmaschine, uei welcher der Kolben - in ansich bekannter
Weise - in eine Zylinderlaufbuchse eingebaut ist, doch im Sinne der Erfindung in
der Zylinderbuchse zwischen den Endstellungen des Kolbens eine in die am Kolben
nergestellte Vertiefung mündende Öffnung vorgesehen, und diese Oeffnung mit einer
regulierbaren Druckmediumquelle verbunden ist.
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Bei dieser Bauart ka kann man das Druckmedium auf einfache Weise
an den Kolben gelangen lassen.
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Die Erfindung soll eingehender anhand der beigelegeten Zeichnungen
erläutert werden. Von diesen sind: Fig 1: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäss
in die Zylinderlaufbuchse eingebauten Kolbens; teils im Schnitt Fig. 2: Schnitt
in der Ebene II-II in Fig. 1 in relativ verkleinertem Massstab Fig.. 3: Perspektivisches
bild von Fig. 1 in relativ verkleinertem Massstab Fig. 4: Schnitt in der Ebene IV-IV
in Fig. 1 Wie aus Fig.l zu ersehen, is-s der Kolben 10 in der Zylinderbuchse 12
verschiebbar eingebaut. Die Zylinderbuchse 12 ist mit einer Öffnung 14 versehen,
welche - in der zeichnung nicht dargestellt - mit der DruckSlüssickeit, z03. mit
einer aruckölquelle in
Verbindung steht. Die Öffnung 14 kann beispielsweise
tangential hergestellt sein /Fig.2/. Gleichfalls in der Zeichnung nicht dargestellt
ist die Druckölquelle mit der unter dem Kolben 10 vorgesehenen "Ölwanne" verbunden.
Der Kolben 10 besteht aus dem Kolbendeckel 16 und dem Kolbenschaft 18. Auf der unteren
Seite des Kolbendeckels 16 in Fig.l ist die Aussparung 2C hergestellt, in die der
mit einer Schulter versehene Ring 22 eingesetzt ist. In deji Schulterteil 24 des
Schulterringes 22 sind die z.B in Fig.3 zu sehenden Öffnungen 26 hergestellt. An
der in Fig.1 dargestellten Oberseite des olbenschaftes 18 ist die Aussparung 28
vorgesehen, in welche der Ring 30 eingesetzt ist. Der Kolbendeckel 16 ist am Kolbenschaft
18 mit den Schrauben 32 befestigt. Die Distanz zwischen dem deckel 16 und dem Kolbenschaft
18 wird von dem auf dem aing 30 aufsitzenden Schulterring 22 bestimmt. Von dem Schulterring
22 un dem Ring 30 wird öldicht die obere Ringeinheit 34 unu der Unterlagsring 36
umfasst. Die öldichte obere Ringeinheit 34 besteht aus den ans ich bekannten Kolbenringen
38, deren Überlappungen 40 /Fig.4/ in radialer Richtung das Schliessen gewährleisten.
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Die beiden Kolbenringe 38 sina zweckmässig so angeordnet und zueinander
fixiert, dass ihre überlappungen 40 im Winkel von 180° zu liegen kommen. In der
Nut 42 des Deckels 16 iet ein Dichtungsring - im vorliegenden Fall ein Elastomer-Ring
- 44 eingssetzt. Dieser versieht die Abdichtung der Anschlussstelle zwischen dem
Deckel 16 und dem Schulterring 22. In der Nut 46 des Schulterringes 22 ist ein weiterer
Dichtungsring 45 vorgesehen. Dieser sichert nach dem Anziehen der Schrauben 32 außer
dem elastischen Zusammenpressen des @nterlagsringes 36 und der beiden Kolbenringe
3 auch die axiale Abdichtung. Zwischen dam ijcckel 16 und dem Kol@enschaft 18 befindet
sich der Innenraum
48, der über die Öffnung 26 des Schulterringes
22 mit dem Raum 50 zwischen der oberen Ringeinheit 34 und dem Schulterring 22 kommuniziert.
Am Kolbenschaft 18 ist - im unteren Weil von Fig.1 - die Aussparung 52 hergestellt,
in welche in Übereinstimmung mit der oberen Ringeinehit 34 die untere Ring einheit
54 eingebaut ist. Zwischen den beiden Ringeinkeiten 34 und 54 hat der Querschnitt
des Kolbenschaftes 18 veinen kleineren Durchmesser, und die auf diese -leise entstandene
Vertiefung 56 steht mit der Öffnung 14 der Zylinderlaufbuchse auf der ganzen Kolbenhublänge
in Verbindung. /In Sig.l ist die obere Endstellung des Kolbens durcn eine dick ausgezogene
Linie, die untere Endstellung aber durch eine gestrichelte Linie dargestellt/. Zwischen
den beiden Ringeinheiten 34 und 54, sowie zwischen der Vertiefung 56 und der Zylinderbuchse
12 entsteht aui diese Weise der Ölraum 80. Der Ölraum 80 steht über die Öffnung
58 des Kolbenschaftes 18 mit dem Innenraum 48, sowie über die Öffnung 26 im Schulterring
22 mit dem Raum 50 zwischen der oberen Ringeinheit 34 und dem Schulterring 22, ferner
über die Offnungen 60 mit dem Raum 62 zwischen der unteren Ringeinheit 54 und dem
Kolbenschaft 18 in Verbindung. Der Kolbenscnaft 18 hat einen Innenraum 64 von bekannter
Form, in dem sich die mit der Buchse 66 versehene Pleuelstange 68 befindet. Der
an der Bucnse 66 angesonlossene Rohrbolzen 70 ist mit den Ringen 74 in der Bohrung
72 des Kolbenschaftes 18 befestigt. Der Rohrbolzen 70 ist im vorliegenden Fall mit
den radialen Bohrungen 76 versehen. Ferner ist der Innenraum 48 zwischen dem Kolbendeckel
16 und dem Kolbenschaft 18 mit dem Innenraum 64 des Kolenschaftes über die Drosseloohrung
78 verbunden.
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Die Arbeitsweise des als Ausführungsbeispiel in Fig.1, 2, 3, und
4 dargestellten Kolbens gemäss der Erfindung ist folgende:
Sowie
der Wollen 10 in der Zylinderlaufbuchse eine alternierende Bewegung verrichtet,
strömt aus der Druckmediumquelle /z.B. von der Zahnradpumpe her/ Drucköl über die
Bohrung 14 in den Ölraum 80. In Fig.1 und 2 ist der Weg des drucköls mlt dem Pfeil
82, der Weg des druckentspannten Öles aber mit dem gestrichelten Pfeil 84 angedeutet.
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In dem Ölraum 8¢ bildet das Drucköl einen Ölpolster, der zusammen
mit dem Koluen 10 eine alternierende Bewegung verrichtet. Das Drucköl gelangt aus
dem Ölraum 80 über die Öffnungen 58 des Kolbenschaftes 18, sowie über die Öffnungen
26 im Schulterring 22 in den Raum 50 zwischen der oberen Ringeinheit 34 und dem
Schulterring 22. Das in den Raum 50 gelangte Drucköl übt auf die Innenfläche der
oberen Ringeinheit 34 einen nacn augen gerichteten DrucK aus. Ähnlich wie vorher
gelangt das Drucköl aus dem Raum 80 über die Öffnungen 60 im Kolbenschaft 18 aucn
in den Raum 62 zwischen der unteren Ringeinheit 54 und der Aussparung 52 im Kolbenscnaft
18. Das in den Raum 62 gelangte Drucköl übt auf die Innenmantelfläche der unteren
Ringeinheit 54 gleichfalls einen nach auBen gerichteten Druck aus.
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Der Druck des Drucköls bestimmt, um wieviel grösser der abdichtende
Manteldruck auf die Ringeinheiten 34 und 54 sein wird, als der von ihrer Eigenelastizität
herrührende Manteldruck. Bei der als Beispiel dargestellten, vorliegenden Ausführungsform
kann z.B.
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mit einem Öldruck von 5-10 kp/cm2 ein Raum von 15-20 kp/cm2 effektivem
Mitteldruckwert und 120-180 kp/cm2 Spitzendruck entsprechend abgedichtet werden.
Auch eine solche Lösung ist möglich, bei welcher in Abhängigkeit von dem mittleren
oder momentanen Druckwert im abzudichtenden Raum, also äe nach der Belastung der
Kraftmaschine der Öldruckwert während
des Betriebes geändert werden
kann. Aus Obengesagtem ist ersichtlich, dass mit dieser Erfindung die erste der
gestellten Bedingungen erfüllt ist.
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Wir erwShlllen bereits, dass das Drucköl im Ölraum 80 zusammen mit
dem Kolben 10 auch eine alternierende Bewegung volführt. Auf diese Weise wird der
Schmierölfilm der Zylinderlaufbuchse 12 je Hub erneuert. Das aber sichert eine optimale
Schmierung durch Vermindern der Kolbenreibung, die den Haupanteil der mechanischen
Verluste verursacht. Dadurch aber steigt der ökonomische /effektive/ Wirkungsgrad
der Kraftmaschine.
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Das Drucköl gelangt über die öffnungen 58 des Kolbens 10 in den Innenraum
48 und über die Drosselbohrung 78 in den Innenraum 64. Von hier flieht das nunmehr
druckentspannte Öl in die mit der Druckölquelle in Verbindung stehende "Ölwanne"
zurück. Die gute Schmierung der Buchse 66 und des Rohrbolzens 70 wird dadurch bewirkt,
dass das Drucköl über die radialen Bohrungen 76 des Rohrbolzens 70 zwischen die
Buchse 66 und den Rohrbolzen 70 gelangt. Damit aber ist auch die der Erfindung gestellte
zweite grundsätzliche Bedingung erfüllt.
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Auf die beschriebene Weise ist das Drucköl in ständiger Zirkulation
und versieht damit drei Kühlungsaufgaben: - Erstens: wird die Reibungswärme der
oberen Ringein heit 34 und der unteren ingeinheit 54 abgeführt.
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- Zweitens: besorgt das im Raum 80 und in den Innenräumen des Kolbens
10 ständig vorhandene und kommunizierende Öl die wirksame Kühlung des Kolbens 10.
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- Drittens: Durch das im Raum 80 auch eine alternative Bewegung vollführende
1 wird auch die Zylinderlaufbuchse 12 wirksam von innen gekühlt. Zufolge der intensiven
Innenkühlung der Zylinderlaufbuchse 12 kann ihre Wandstärke relativ grösser und
dadurch die Buchse relativ steifer gewählt werden. Somit ist auch die dritte an
die erfindung gestellte Bedigung erfüllt.
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Aufgrund des Obengesagten ist einzusehen, dap durch Anwendung der
als beispielsweise Ausführungsform dargelegten Lösung gemäss der Erfindung eine
Steigerung der theimischen Belastung und eine Erhöhung des Verbrennungsdruckes ermöglicht
wird. Das aber ist grundsätzlich erforderlich, um die iiirtschaitlichkeit der Verbrennungskraftmaschinen
weiter verbessern zu können.
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L e e r s e i t e