DE3447459A1 - Gasgeschmierte kolbenmaschine - Google Patents
Gasgeschmierte kolbenmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Kolbentriebe mit keramischen Zylindern und mit keramischen, gasgeschmierten Kolben.
Gasgeschmierte Kolbenmaschinen ermoeglichen die Konstruktion von oelfreien Kompressoren und oelfreien Verbrennungsmotoren.
Oelfreie Luftkompressoren liefern Pressluft ohne Oelbeimischungen, bei oelfreien Waermepumpen-Kompressoren
entfallen die thermodynamischen Verluste durch Mischungsenthalpie, die bei Zweistoffgemischen wie
Oel-Fluorkohlenwasserstoffentstehen, ferner der durch
auskondensierendes OeI erhoehte Waermewiderstand in den Waermeuebertragern, in denen sich bei oelhaltigem
Arbeitsmitteldampf ein waermedäemmender Film bildet. Eine -( - *■-weitere
Anwendung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren, die \,
keine Waermeverluste durch wassergekuehlte Wandungen des
Zylinders aufweisen und dadurch entsprechend hoehere thermodynamische Wirkungsgrade ermoeglichen.
Es sind Kolbenmaschinen beschrieben, bei denen Zylinder und Kolben aus Oxiden, Karbiden oder Nitriden bestehen und die ohne
OeI betrieben werden sollen. Der Nachteil solcher Kolbenmaschinen mit nur durch Gas geschmierte Kolben besteht
darin, dass die Tragfaehigkeit von Gasfilmen fuer die Aufnahme
der durch den Pleuel verursachten Querkraefte, die auf den Kolben wirken, nicht ausreicht, um beruehrungslosen Betrieb zu
ermoeglichen. Auch dann, wenn sich ein tragender Gasfilm ausbildet, entfaellt die Gasfilmbildung in der Naehe der
Totpunkte.
Die Erf-indting betrifft eine Anordnung, die diesen Nachteil nicht
besitzt. Gemaess der Erfindung wird ein tragender Gasfilm durch
Copy /
Rotation des Kolbens im Zylinder aufgebaut. Hierdurch bleibt auch in der Naehe der Totpunkte die Tragfaehigkeit erhalten,
weil stets eine ausreichende Relativgeschwindigkeit zwischen Kolben und Zylinder verbleibt. Die Rotation wird durch eine
Turbinenbeschaufelung oder einen elektromotorischen Laeufer erzeugt. Zusaetzlich sieht die Erfindung die Vermeidung von
radialgerichteten Kraeften vor, die Axialkraefte werden auf eine Kolbenstange und von dieser auf ein Puehrungselement
uebertragen, welches im oelgeschmierten Bereich der Kolbenmaschine liegen kann. An dieses Fuehrungselement ist das
Pleuel angelenkt/ welches die Kolbenkraefte auf eine Kurbelwelle uebertraegt. Dieses Fuehrungselement kann gleichzeitig der
Kolben einer weiteren Verdichter- oder Entspannungsstufe der Kolbenmaschine bilden.
Die Moeglichkeiten, die die Erfindung erschliesst, sollen anhand
eines erfindungsgemaessen Verbrennungsmotors dargestellt werden.
Der Vorteil der Verwendung von keramischen Werkstoffen liegt in den zuläessigen hohen Betriebstemperaturen und in der relativ
geringen Waermeleitfaehigkeit/ wodurch eine fast adiabatische
Entspannung verwirklicht werden kann. Die Unterbindung der Waermeabfuhr fuehrt ausserdem dazu, dass die Abgase den Zylinder
bei sehr hoher Temperatur verlassen, also dann noch einen erheblichen Energieinhalt aufweisen. Die Erfindung sieht deshalb
eine mehrstufige Verdichtung und/oder Entspannung vor. Hierdurch wird der thermodynamische Wirkungsgrad zusaetzlich angehoben.
Als weitere Massnahme zur Wirkungsgraderhoehung sieht die
Erfindung die Abfuehrung der Verdichtungswaerme nach jeder Verdichterstufe vor. Zur Ueberbrueckung der Zeiten zwischen den
Takten sind Pressluft- bzw. Pressgasspeicher vorgesehen.
Der gleiche Motor ist auch mit keramischen Kolben, die durch
komprimiertes Gas im Sinne des passiven Gaslagers in einem
vorgegebenen Abstand vom Zylinder gehalten werden, zu verwirklichen.
Die Erfindung soll an Ausfuehrungsbeispielen beschrieben werden:
Figuren la, Ib und Ic zeigen die symbolisierte Darstellung eines
zweistufigen Dieselmotors. Der Kolben 1 im Hochdruckzylinder 2 ist ueber eine Schubstange 3 rn.it dem Kolben 4 der
Niederdruckstufe verbunden. Der Kolbeq 4 gleitet im Zylinder 5 und uebertraegt die Entspannungsarbeit ueber das Pleuel 6 auf
die Kurbelwange 7 der Kurbelwelle 8. Aus dem Kolben 4 ragen zwei Profilstangen 9 heraus, die ueber das Kopfelement 10 und die
Schub- und Zugstangen 11 die Kolben 12 einer Luftkompressor-Stufe 13 und die Kolben 14 der ebenfalls
doppelwirkenden zweiten Stufe 15 antreiben. Jeder Arbeitszylindergruppe 2 und 5 sind zwei zweistufige Kompressoren
13 und 13* zugeordnet. Der Arbeitskolben 1 weist einen Turbinenschaufelkranz la auf, der aus schraegverlaufenden
Kanaelen Ib gebildet wird. Die Endbereiche dieser Kanaele ueberdecken die Auspuffschlitze 21, bevor der Kolbenboden den
vollen Querschnitt freigibt. Das in den Kanaelen Ib beschleunigte Gas verleiht dem Kolben 1 jeweils nach Erreichen
der Austrittsschlitze 2' einen starken Drehimpuls. Sowohl der Kolben 1 als auch der Zylinder 2 bestehen aus keramischen
Werkstoffen, vorzugsweise aus Siliziumkarbid oder Siliziumnitrit. Die Schubstange 3 uebertraegt die Kolbenkraefte
auf die Lagerplatte 16, die ueber Rollen 17 und Kugeln 18 im Kolben 4 gelagert ist. Der Kolben 4 ist in konventioneller Weise
geschmiert. Beim Verdichtungstakt bewegen sich alle Kolben 1, 4, 12, 12', 14, 14' in Richtung des Pfeiles 1". Dabei saugt der
Kolben 12 durch das Ventil 19 Frischluft an und verdichtet gleichzeitig die vorher durch das Ventil 20 eingetretene
Frischluft, wobei die durch die Verdichtung erhitzte Luft durch
COPY \
die Leitung 21 nach Durchsetzen eines nicht gezeigten Austrittsventiles in den Waermetauscher 22 eintritt. Durch einen
Kuehlluftstrom gemaess den Pfeilen 23 wird im Waermetauscher 22
die Verdichtungsenthalpie an die Aussenluft abgefuehrt. Dannach tritt die abgekuehlte, vorverdichtete Luft ueber die Leitung 24
durch ein nicht gezeigtes Eintrittsventil in den Zylinder 15 ein. Der Kolben 14 verdichtet diese vorverdichtete Luft auf den
endgueltigen Wert und treibt diese verdichtete Luft durch die Leitung 27 und den Waermetauscher 28 in den Druckluftakkumulator
29. Im Hochdruckzylinder 2 wird waehrend des Verdichtungshubes die im vorangegangenen Takt durch die Leitung 30 und das Ventil
31 eingetretene Pressluft so hoch verdichtet, dass die Zuendtemperatur des in bekannter Weise eingespritzten
Treibstoffes ueberschritten wird. Im oberen Totpunkt beginnt die Verbrennung, die daraus resultierende Druckerhoehung verdraengt
den Kolben 1 in Richtung des Pfeilses 32. Der Niederdruckkolben 4 hat waehrend des Verdichtungstaktes in Richtung des
Pfeiles I11 das entspannte Qas durch das Austrittventil 33
ausgetrieben. Im oberen Tptpunkt oeffnet sich das Ventil 34, wodurch das noch unter Druck stehende heisse Abgas des
Hochdruckzylinders 2, welches durch die Austrittsschlitze 21 in
den Verbrennungsgasspeicher 35 gelangte, in den Zylinder 5 eintreten kann. Hier erfolgt die zweite Stufe der Entspannung
unter entsprechender weiterer Temperaturabsenkung. Der Zylinder 2 ist im Verbrennungsgasspeicher 35 angeordnet, so dass auch die
durch die zylinderwand hindurchtretende Waerme fuer die zweite Entspannung erhalten bleibt. Der Verbrennungsgasspeicher 35 ist
durch eine HochtemperaturJ.solation 36 isoliert.
Durch die Rotation des Kolbens 1 baqt sich bei jeder
exzentrischen Auswanderung des Kolbens 1 relativ zur Zylinderachse 37 im engsten Bereich des Spaltes ein Druckpolster
auf, welches den Kolben 1 zentriert. Hierdurch ist ein
schmierstoffloser Betrieb der Hochdruckstufe moeglich.
Alternativ φι dieser Art der Zentrierung kann auch eine passive
Gaslagerung die Zentrierung des Kolbens 1 uebernehmen.
Figur 2 zeigt die mechanischen Bauelemente der Figur la von unten gesehen, wobei die Lager 38 der Kurbelwelle 9 geschnitten
dargestellt sind. Um die auf- und abgehenden Kopfelemente 10 nicht zubehindern, sind die Lagerschalen 38 im Bereich 39
ausgenommen, so dass die Profilstangen 9 bis unter das Kurbelwellenniveau 40 vordringen koennen. Das Schmieroel 8a
versorgt nicht nur den Kolben 4 sondern auch die Lager des Pleuels 6, fernerhin die Lagerung der Kreisplatte 16 und die
Kolben 12 und 14. Der erfindungsgemaesse Motor kann auch als Reihenmotor ausgebildet werden, wobei die Zylinder 5 und 51
annaehernd bis zur gegenseitigen Beruehrung aneinanderruecken koennen. Jedem Zylindersatz 2 und 5 sind zwei doppelwirkende
Kompressoren 13 und 13' und zwei diesen nachgeschaltete doppelwirkende Kompressoren 15 und 15 · zugeordnet.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausfuehrungsform, bei dem der Antrieb
fuer die Rotation des Kolbens 1 d.urch das in die Niederdruckstufe eintretende Gas erfolgt. Die Schubstange 3, die
ueber die Kreisplatte 16 im Kolben 4 gelagert ist, traegt eine Platte 41, die mit einer Turbinenbeschaufelung 42 versehen ist.
An die Stelle des Eintrittsventiles 34 tritt ein symbolisiert dargestelltes Drehschieberventil, dessen stationaerer Teil durch
den Zylinderboden 43 des Zylinders 5 gebildet wird, dessen mit tangentialer Komponente muendenden Kanaele 44 zu einem
Eintrittsdrall 46 gemaess den Pfeilen 45 fuehrt. Durch diesen Drall wird bewirkt, dass die Platte 41 und damit der Kolben
ueber die Beschaufelung 42 in Umdrehung versetzt wird. Der Verschlussring 47 weist Oeffnungen 48 auf, die mit dem
Verbrennungsgasspeicher 35 und waehrend des Einlasstaktes mit
den tangentialen Kanaelen 44 kommunizieren. Durch eine geeignete Antriebskinematik erfaehrt dieser Ring eine zyklische
Schwenkbewegung im Sinne eines Drehschieberventils.
Figur 4 zeigt das Druck-Volumen-Diagramm. Die obere Kurve zeigt den Verlauf des Druckes, der waehrend des Kompressionshubes
und waehrend des Arbeitshubes 51 auf den Hochdruckkolben 1 wirkt. Die untere Kurve zeigt im Bereich 52 die Einstroemphase
des Verbrennungsgases, das aus dem Raum 35 kommt und zeigt im Anschluss daran im Bereich 53 die Entspannungsphase bis zum
unteren Totpunkt, danach die Auspuffphase beginnend bei 54.
- Leerseite -
Claims (7)
1. Kolbenmaschine mit Gasschmierung mit wenigstens einem in einem Zylinder bei seiner hin- und hergehenden Bewegung
gefuehrten Kolben, der ueber eine Stange mit einer exzentrischen Anordnung derart verbunden ist, dass eine Umwandlung der hin-
und hergehenden Bewegung in eine Rotationsbewegung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der im Zylinder 2 laengs der
Rotationsachse 37 schwingende Kolben um die Rotationsachse 37 drehbar gelagert ist, und dass eine Antriebseinrichtung la, Ib,
41, 42 fuer die Rotation vorgesehen ist.
2. Dieselmotor mit Aufladung und einer im Abgaskreislauf angeordneten Kraftmaschine, dadurch gekeqnzeichnetf dass die
Kraftmaschine als Verdraengerraotor 4, 5, 6, 7, 8 ausgebildet
ist.
3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch '*
gekennzeichnet, dass eine Aufladung des Dieselmotorzylinders durch einen Kolbenkompressor erfolgt.
4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kolben 1 Schaufeln la traegt, die zwischen sich Kanaele Ib bilden, welche einen Teil des Abgasstromes zur Abgasoeffnung 21
hin durchtreten lassen, bevor die Abgasoeffnung vom Kolbenboden
erreicht ist.
5. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange 3 des Kolbens 1 mit dem Kolben 4 des
Verdraengermotors 4, 5, 6, 7, 8 kraftschluessig verbunden ist und an diesem Kolben 4 drehbar gelagert ist und dass der Kolben
4 selbst ueber ein Pleuel 6 mit der Kurbelwange 7 der Kurbelwelle 8 verbunden ist.
6. Kolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
COPY "* ·
die Stange 3 eine Radscheibe 41 mit einem Schaufelkranz 42
traegt und dass der Schaufelkranz vom durch tangentialgerichtete Kanaele 44 als Drallstroemung austretenden Gasstrom angetrieben
wird.
7. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Zylinder 2 und der Kolben 1 aus keramischem Material, vorzugsweise Siliziumkarbid bestehen und gasgeschmiert sind,
waehrend der Zylinder 5 und der Kolben 4 aus Metall bestehen und oelgeschmiert sind.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3447459A DE3447459A1 (de) | 1984-12-27 | 1984-12-27 | Gasgeschmierte kolbenmaschine |
US06/814,992 US4919104A (en) | 1984-12-27 | 1985-12-30 | Reciprocating machine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3447459A DE3447459A1 (de) | 1984-12-27 | 1984-12-27 | Gasgeschmierte kolbenmaschine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3447459A1 true DE3447459A1 (de) | 1986-07-03 |
Family
ID=6253934
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3447459A Withdrawn DE3447459A1 (de) | 1984-12-27 | 1984-12-27 | Gasgeschmierte kolbenmaschine |
Country Status (2)
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US (1) | US4919104A (de) |
DE (1) | DE3447459A1 (de) |
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- 1984-12-27 DE DE3447459A patent/DE3447459A1/de not_active Withdrawn
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- 1985-12-30 US US06/814,992 patent/US4919104A/en not_active Expired - Fee Related
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