DE3447459A1

DE3447459A1 - Gasgeschmierte kolbenmaschine

Info

Publication number: DE3447459A1
Application number: DE3447459A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Prof. Dr.-Ing. 3000 Hannover Hensel; Karsten Dipl.-Ing. Laing; Oliver Dipl.-Phys. 7148 Remseck Laing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-12-27
Filing date: 1984-12-27
Publication date: 1986-07-03
Also published as: US4919104A

Description

GASGESCHMIERTE KOLBENMASCHINE

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

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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

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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.

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Claims

PATENTANSPRUBCHE

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 gekeqnzeichnet_f 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

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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.