DE102009017609A1

DE102009017609A1 - Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen

Info

Publication number: DE102009017609A1
Application number: DE102009017609A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr. Golle
Original assignee: GOLLE MOTOR AG
Current assignee: HUSS, JUERGEN, DE
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2010-10-21

Abstract

Eine schmierungsfreie Kolben/Zylinder-Gruppe ist eine wichtige Zielstellung für einen emissionsarmen Betrieb von Kolbenmaschinen. Dadurch entfallen alle "motorölbedingten" Emissionen, wie sie derzeit len. Auch ein dünner, mit abbrennender Ölfilm ergibt bis zu 30% der Schadstoffemissionen. Die Aufgabe besteht in der Schaffung der technischen Mittel, um bei Kolbenmaschinen mit vom Triebwerk abgetrennter Kolben/Zylinder-Gruppe einen ölfreien Betrieb dauerhaft zu gewährleisten. Die Lösung besteht in der Ausführung einer lösbaren oder unlösbaren Verbindung des Kolbens (1) mit einem Mantel (2) aus ölfrei gleitenden Werkstoffen, Kolbenringen (4), Verschleißringen (5) und Laufbüchsen aus ebensolchen Werkstoffen, Einsatz von besonderen DLC-Schichten und Mitteln einer zusätzlichen steuerbaren Mangelschmierung. Die Erfindung wird am Besten durch die Fig. 1 charakterisiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine spezielle Ausbildung von Brennkraftmaschinen, wie sie für den schadstoffarmen Gegenkolbenmotor nach Patent DE 100 26 458 C2 [1], aber auch andere schadstoffarme Zweitakt- und Viertaktmotoren notwendig ist.
Sie legt die besonderen technischen Mittel dar, wie sie für einen schmierölfreien Betrieb in der Kolben/Zylinder-Gruppe bezüglich der Kolben- und Zylindergestaltung, der Werkstoffe, der Paarungs- und Schmierverhältnisse, der Schmiermittel sowie der Triebwerksgestaltung erforderlich sind.
Es sind bereits eine Reihe von Erfindungsvorschlägen bekannt, welche durch Einsatz von Werkstoffen wie Kohlenstoff/Feinkorngrafit, Keramik und anderen Sonderwerkstoffen einen schmierungsarmen Betrieb ermöglichen.
So beschreiben die DE 198 48649 A1 [2], aber auch andere Druckschriften wie DE 101 28055.6 [3] besondere Gleitpaarungen und Werkstoffe/Werkstoffbeschichtungen für einen schmierungsarmen Motorbetrieb.
Eine Schmierungsfreiheit wird dabei nicht erreicht, weil durch die zum Triebwerksraum offene Zylinderbüchse (Tauchkolbenbauart) ein Einschleudern von Abspritzöl vom Triebwerk in diese Zylinderbüchse nicht verhindert werden kann.
So werden bei diesen Erfindungen, wie z. B. in der o. g. DE 198 48649 A1 Ölabstreifringe, Öltaschen und andere Elemente von herkömmlichen geschmierten Kolben vorgesehen. Die Kolben sind Ausführungen nach der Tauchkolbenbauart, d. h. sie besitzen einen Kolbenbolzen und die Pleuelstange ist über diesen Kolbenbolzen mit dem Kolben gelenkig verbunden. Dabei muss der Kolbenbolzen besonders stark dimensioniert sein, da die ertragbaren Flächenbelastungen solcher Sonderwerkstoffe geringer als diejenigen metallischer Werkstoffe sind.
Die Vorzüge beispielsweise eines Kohlenstoffkolbens bestehen bei diesen Erfindungsvorschlägen im geringerem Gewicht, kleinerem Einbauspiel, bes. im Feuerstegbereich, und in der hohen Warmfestigkeit des Kohlenstoffs. Ein ölfreier Betrieb in der Kolben/Zylinder-Gruppe kann, wie erwähnt, wegen der Tauchkolbenbauart nicht erreicht werden.
Es verbleibt stets ein Ölfilm auf der Zylinderinnenwand und dieser, nur wenige μm dicken Schicht kommt für die Emissionen eine hauptsächliche, stark umweltbelastende Rolle zu.
Der Ölfilm verdampft und brennt, während der Kolben im Arbeitstakt die Zylinderwanderung freigibt, mit ab und ist für einen hohen Schadstoffausstoß verantwortlich. Die Kohlenwasserstoffe (Soluble Organic Fraktion-SOF), die Nitrate, Phosphate, Salze, Aschen (Non Soluble Fraktion-NSF) werden in erheblichem Maße vom mit verbrennenden Ölfilm verursacht. Sie werden umso höher, je größer der Ölverbrauch eines Motors im Laufe seiner Betriebszeit ist.
Dabei wird er Ölverbrauch zu etwa 75% von der Kolben/Zylinder-Gruppe bestimmt, ihr kommt also eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der Schadstoffemissionen zu [4; 5; 6].
Ein weiterer, von der Tauchkolbenbauart mit offenem Zylinderrohr bedingter Nachteil ist die Verschmutzung und Versäuerung des Motoröles infolge der blow-by-Gase. Insbesondere bei Biogas- und Biodieselmotoren sind deshalb Ölwechsel nach erheblich kürzeren Betriebszeiten erforderlich. Dies führt bei Anlagen mit erneuerbaren Energien, z. B. Blockheizkraftwerken, zu deutlich erhöhten Kosten. Zudem ist der stärkere, nach Tausenden Liter zu messende Anfall von Altöl kein Beitrag zur Umweltentlastung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in luft- oder gemischverdichtenden Kolbenmaschinen, die nach dem Zweitakt- oder Viertaktverfahren oder als Kompressoren arbeiten, einen absolut schmierungsfreien – oder zumindest steuerbaren Mangelschmier-Betrieb in der Kolben/Zylinder-Gruppe zu ereichen und das Eindringen von Verbrennungsgasen in den Triebwerksraum zu unterbinden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf der Basis der Patente DE 100 26 458 C2 [1] und DE 10 2006 015 645 A1 [7] besondere technische Mittel für eine völlig schmierungsfreie bzw. gesteuert mangelgeschmierte Kolben/Zylinder-Gruppe eingesetzt werden.
Die Basis ist die in [1] und [7] gezeigte, besondere Kreuzkopfbauart, welche eine völlig öldichte Abschirmung der Kolben/Zylinder-Gruppe vom Triebwerksraum gewährleistet und alle Seitenkräfte (Normalkräfte) auf den bei ölfreiem Betrieb besonders verschleißempfindlichen Kolben vermeidet.
Die technischen Mittel werden in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
1 eine schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe, wobei der vorzugsweise aus metallischen Werkstoffen bestehende Kolben 1 mit einem Mantel 2 versehen ist und dieser Mantel mit einem geringen Einbauspiel im Zylinder 3 eingepasst ist und den Kolben 1 führt.
Der Mantel 2 besteht aus Feinkorngrafit, infiltriert mit verschiedenen Stoffen wie Kupfer, Aluminium, Antimon u. a., oder ähnlichen ölfrei gleitenden, mit Trockenschmiereigenschaften ausgestatteten Werkstoffen. Solche Werkstoffe können beispielsweise auch Kunststoffe wie PEEK-Werkstoffe, aramidverstärkte Thermoplaste, metallische Gläser (Metallic Glassy Alloys), mit PTFE chemisch verbundene Kunststoffe oder keramische Werkstoffe der verschiedensten Art sein. Dabei kann der Mantel 2 auch einen festen Werkstoffverbund mit dem Kolben 1 bilden. Der Kolben 1 kann auch vollständig aus den vorstehend genannten Werkstoffen bestehen. Im Kolben 1 sind Kolbenringe 4 radial und axial beweglich eingesetzt, wobei sie aus den gleichen Werkstoffen wie der Mantel 2 bestehen können.
Zwischen den Kolbenringen 4 ist ein besonderer Verschleißring 5 angeordnet, welcher als Festschmierstoff wie weicher Feinkorngrafit, Molybdändisulfid o. ä. das Trockenlaufverhalten unterstützt.
Zur Erhöhuug der Anpresskräfte werden dabei die Kolbenringe 4 und der Verschleißring 5 durch die Schlauchfedern 6 vorgespannt.
Vorzugsweise bestehen die Kolbenringe 4 aber – wie die heute üblichen Kolbenringe – aus besonderem Gusseisen oder Stahl und sind zumindest an der mit dem Zylinder 3 zusammen arbeitenden Lauffläche mit einer DLC-Beschichtung versehen (Diamond Like Carbon).
Bevorzugt werden dabei DLC-Schichten nach Patent WO 2007/118463 A1 aufgebracht, welche durch eine besondere Verfahrensführung eigenspannungsfrei hergestellt werden können. Auch die Mantelfläche des Kolbens 1 und die innere Lauffläche des Zylinders 3, der vorzugsweise aus Stahl oder Gusseisen besteht, können mit einer solchen besonderen DLC-Schicht versehen sein. Die Lauffläche kann aber auch in herkömmlicher Weise gehärtet, nitriert, insbes. mit Cromnitrid, oder keramisiert werden.
Schließlich kann aus den vorstehend genannten Sonderwerkstoffen auch eine Laufbüchse 7 in den Zylinder 3 eingezogen sein.
Die 2 stellt den Zylinder 3 mit einer erfindungsgemäß besonderen Laufbüchse 7a dar, derart, dass diese vollständig oder teilweise aus Keramik, Sinterwerkstoff oder Feinkorngrafit besteht und in einem bestimmten Abschnitt 8 eine gewisse Porosität aufweist, und der poröse Abschnitt 8 mit einem Schmierstoffreservoir 9 zwischen Zylinder 3 und Laufbüchse 7a in Verbindung steht. Diesem Reservoir 9 wird über den Zylinder 3 ein als Schmierstoff dienendes Medium wie Mineralöl, aber auch Wasser bzw. Emulsionen unter Druck zugeführt, so dass infolge der Materialporosität eine bestimmte, durch die Höhe des angelegten Druckes regelbare Mangelschmierung den Trockenlaufvorgang in der Kolben/Zylinder-Gruppe unterstützt. Die Druckhöhe und damit die Intensität der Mangelschmierung kann dabei mit der Laststufe der Kolbenmaschine gekoppelt sein.
Die Laufbüchse 7a, bzw. der Abschnitt 8, kann dabei auch als keramische Rohrmembran, wie sie z. B. zur Feinfilterung in der chemischen- oder Lebensmittelindustrie eingesetzt wird, ausgeführt sein.

1: Kolben
2: Mantel
3: Zylinder
4: Kolbenring
5: Verschleißring
6: Schlauchfeder
7/7a: Laufbüchse
8: Abschnitt
9: Schmierstoffreservoir

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10026458 C2 [0001, 0013]
- DE 19848649 A1 [0004, 0006]
- DE 10128055 [0004]
- DE 102006015645 A1 [0013]
- WO 2007/118463 A1 [0022]

Claims

Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen, welche nach DE 100 26 458 C2 und DE 10 2006 015 645 A1 ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben (1) mit einem Mantel (2) versehen ist, wobei der Mantel (2) aus Feinkorngrafit oder Kunststoffen wie PEEK-Werkstoffen, aramidverstärkten Thermoplasten, metallischen Gläsern, mit PTFE verstärkten Kunststoffen oder keramischen Werkstoffen besteht.
Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) einen festen, nicht lösbaren Verbund mit dem Mantel (2) bildet.
Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) vollständig aus den genannten Sonderwerkstoffen besteht.
Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kolben (1) eingesetzte Kolbenringe (4) aus den gleichen Werkstoffen wie der Mantel (2) bzw. der Kolben (1) bestehen.
Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein besonderer, aus weicheren Festschmierstoffen bestehender Verschleißring (5) zwischen den Kolbenringen (4) angeordnet ist.
Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenringe (4) und der Verschleißring (5) durch Schlauchfedern (6) vorgespannt sind.
Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenringe (4) mit DLC-Schichten (Diamond Like Carbon), insbes. nach Patent WO 2007/118463 A1 versehen sind.
Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche des Zylinders (3) mit einer DLC-Schicht versehen oder in herkömmlicher Weise gehärtet, nitriert oder keramisiert ist.
Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufbüchse (7) aus den in Anspruch 1 genannten Sonderwerkstoffen in den Zylinder (3) eingesetzt ist.
Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufbüchse (7a) einen porösen Abschnitt (8) aufweist, welcher mit einem Schmierstoffreservoir (9) in Verbindung steht.
Schmierölfreie Kolben/Zylinder-Gruppe für Kolbenmaschinen nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schmierstoffreservoir (9) Medien wie Mineralöl, Wasser, Emulsionen unter Druck zugeführt wird, wobei die Druckhöhe mit der Laststufe der Kolbenmaschine gekoppelt ist.