-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, das den hin- und hergehenden
Kolben von Wärmekraftmaschinen im Zeitabschnitt der Zündung ein besseres
Gleiten ermöglicht, wobei gefahrlos während des gleichen Zeitabschnitts die
Schwingungstendenz des Kolbenbodens vermindert wird. Sie bezieht sich auch auf
eine Einrichtung zur Verwendung dieses Verfahrens.
-
Es ist bekannt, daß die hin- und hergehenden Kolben von modernen Motoren im
allgemeinen die Form eines unregelmäßigen Kegelstumpfes haben, wobei der
Kolbenboden den kleinsten Durchmesser und das untere Ende des Kolbenmantels
den größten Durchmesser aufweist. Außerdem sind die Kolben oval, speziell auf
Höhe des Kolbenmantels, der ebenfalls elastisch ist, wobei (im kalten Zustand)
das parallel zur horizontalen Achse des Kolbens gemessene Spiel zwischen dem
Kolbenmantel und dem Zylinder ungefähr einen Zentimeter oberhalb des unteren
Endes des Kolbenmantels zwischen einigen hundertstel Millimetern im Bereich
seines größten Durchmessers im Sinne der Schwenkbewegung des Kolbens halten,
und einigen zehntel Millimetern im Bereich des geringsten Durchmessers liegt.
Daraus folgt beim Betrieb eine Spannung zwischen dem Kolbenmantel und dem
Zylinder, da die Wärmeausdehnung des Kolbenmantels größer ist als die des
Zylinders, wobei die Spannung ferner wesentlich zur vertikalen Stabilität des
Kolbens beiträgt, indem sie verhindert, daß der Kolbenboden, der zur
Verhinderung des Festfressens immer einen geringfügig kleineren Durchmesser als der
Zylinder aufweist, abwechselnd und senkrecht zur obengenannten Achse am
Zylinder anschlägt, was den Kolbenboden und den Zylinder beschädigen könnte. Diese
Spannung verändert sich mit den Schwingungen des Pleuels, sie wird aber vor
allem während des Zeitabschnitts der Zündung verändert, in dem der
Kolbenmantel besonders mit einer unter seiner horizontalen Achse liegenden Seite einen
sehr hohen Druck gegen den Zylinder überträgt, der die Verschiebung des
Kolbens erheblich bremst. Es ist sicher gut bekannt, daß die
Motorbetriebsstoffe, indem sie sich hinter dem Kolbenring ansammeln, besondere hinter dem
"Feuerring", eine torische Dichtung bilden, die mit dem Druck zwischen dem
Kolbenring und dem Boden der Kolbenringnut zur Vermeidung der Oszillation des
Kolbens um seine bereits genannte horizontale Achse beiträgt. Jedoch kann
diese Dichtung der Oszillation aufgrund des enormen Druckes, der auf den
Kolben während der Verbrennung einwirkt, kaum entgegenwirken; die torische
Dichtung verformt sich und nimmt an einer Seite die Form einer aufgeblähten
Dichtung und an der gegenüberliegenden Seite die Form einer verdünnten
Dichtung an; dies verstärkt sich, wenn die Betriebsstoffe bei der höchsten
Motorbetriebstemperatur sehr gasförmig werden.
-
Wie bei anderen Nachteilen der herkömmlichen Kolben bemerkt man, daß nichts
zur Verhinderung von Zunderablagerungen, hauptsächlich auf den Wänden des
Bodens der Ringnut des Kolbenringes, der "Feuerring" genannt wird, und auf
seinem inneren Umfang vorgesehen ist. Dieser Zunder drückt während der größten
Wärmeausdehnung des Kolbens auf den Kolbenring, was für den einwandfreien
Betrieb des Kolbens wie auch für die Schmierung der Berührpunkte des Kolbens
und des Oberteils des Zylinders nachteilig ist und zu einer geringeren
Leistung des Motors und zu einem Anwachsen des Verschleisses führt.
-
Ebenfalls bekannt ist die Existenz verschiedener Geräusche, die bei
unterschiedlichen Drehzahlen entstehen, speziell bei starken Beschleunigungen des
Motors, wobei diese Geräusche Folgen des obengenannten Schwingens des
Kolbenbodens sind, das in der Praxis bei herkömmlichen Motoren unvermeidlich ist. Um
alle diese Nachteile zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dem Kolbenring,
speziell dem "Feuerring", verschiedene zusätzliche Elemente zuzufügen, die
allgemein Dehnelemente genannt werden. Diese verschiedenen Einrichtungen haben zur
Aufgabe, die Federkraft des Kolbenringes zu ersetzen oder zu erhöhen, wobei
sie sich stark am Kolbenring abstützen, was zu einer ungleichmäßigen Abnutzung
des Kolbenringes, der Kolbenringnut und der Zylinderwand führt. Außerdem sind
diese Einrichtungen zu statisch und werden zu großen und sehr schnellen
"Sammlern" von Zunder mit den bekannten Folgen.
-
Unter den Dehnelementen des Standes der Technik sind jene des Patents
US-A-2 666 678 zu nennen, welche speziell an den in diesem Patent
beschriebenen selbstschmierenden Kolben angepaßt sind. Obwohl dieses Dehnelement
aufgrund
seines Aufbaus einen Druckgradienten ausbilden kann, der sich
gegebenenfalls durch die Ausbildung eines torischen und permanent unter Druck stehenden
Bandes überträgt, das weniger verformbar ist als das übliche Band, kann das
Dehnelement aufgrund seines Aufbaus in einem herkömmlichen Kolben nicht
korrekt angebracht werden. Ferner ist es aus Kohlenstoff gebildet, um die
selbstschmierende Funktion des Kolbens zu unterstützen, der so ausgelegt ist,
daß er ab einem atmosphärischen Druckgradienten funktioniert. Man bemerkt
auch, daß an den Kolbenringen eine Anordnung von Durchgangslöchern ausgeführt
ist, um die Ventilation und die Selbstschmierung zu begünstigen. In der
FR-A-1 239 823 ist ein herkömmliches Dehnelement beschrieben, das von außen
auf den Kolbenring drückt. Die ausgehend von diesen beiden Dehnelementen
erhaltenen torischen, unter Druck stehenden Dichtungen weisen keine
Beständigkeit auf, da sie sich so verformen, daß sie die Form einer aufgeblähten
Dichtung an der einen Seite und einer verdünnten Dichtung an der anderen Seite
aufweisen, da die auf den Kolben aufgebrachten Spannungen von den
entsprechenden Dehnelementen nicht ausreichend eingedämmt werden.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben dargestellten
Nachteile zu vermeiden, indem ein Verfahren bereitgestellt wird, das gleichzeitig
die Spannungen des Kolbens auf den Zylinder im Bereich der Kolbenringe
vereinheitlicht, speziell im Bereich des "Feuerringes", und das eine größere
Elastizität des Kolbenmantels unterstützt.
-
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das
es erlaubt, die schädlichen Zunderablagerungen zu vermeiden, was auch zu einer
Verminderung des oben beanstandeten Geräusches führt.
-
Die vorliegende Erfindung hat also ein Verfahren zur Aufgabe, das das axiale
Gleitens von hin- und hergehenden Kolben von Wärmekraftmaschinen verbessert
und das der Kippbewegung der Kolben entgegenwirkt, wonach man durch die
Wirkung von elastischen, schwingenden Mitteln, die radial hinter einem Kolbenring
des Kolbens angeordnet sind und die den von der Zündung erzeugten thermischen
und chemischen Beanspruchungen widerstehen, und durch das übliche Einbringen
von Motorbetriebsstoffen in die Kolbenringnut eines Kolbens einen
Druckgradienten erzeugt, der sich beim Betrieb des Motors durch das Ausbilden eines
permanent unter Druck stehenden, torischen Fluidbandes überträgt, das radial
hinter den elastischen Mitteln angeordnet und von den Seiten der Ringnut und
den elastischen Mitteln begrenzt ist, wobei die elastischen Mittel eine Höhe
aufweisen, die im wesentlichen gleich der Höhe der Kolbenringnut ist, um den
Strom der Motorbetriebsstoffen zwischen der inneren und der äußeren radialen
Seite der elastischen Mittel zu begrenzen.
-
Die Erfindung bezieht sich auch auf die elastische, schwingende Einrichtung,
die zur Verwendung des obengenannten Verfahrens benötigt wird, wobei die
Einrichtung gebildet ist durch einen Kolben mit wenigstens einer Ringnut,
einen Kolbenring und wenigstens einen geschlitzten Ring aus nichtrostendem
Stahl, der zickzack gewellt oder gebogen ist und eine solche Elastizität
aufweist, daß er nur punktförmig den inneren Rand des Kolbenrings, hinter dem
er angebracht ist, berührt, wobei der Ring von dem Rand intermittierend
beabstandet ist aufgrund des Flusses der Motorbetriebsstoffe, die abgesehen
vom Ende der Kompression und während der Verbrennung im wesentlichen keinen
Druck auf den Kolbenring ausüben, und wobei der geschlitzte Ring eine Höhe
aufweist, die im wesentlichen gleich der der Ringnut ist, um den Fluß der
Motorbetriebsstoffe zwischen der inneren und der äußeren radialen Seite des
geschlitzten Ringes zu begrenzen.
-
Die Tatsache, daß der Ring aus rostfreiem Stahl besteht, erlaubt dem torischen
Band, permanent den mechanischen und thermischen Spannungen zu widerstehen,
ohne sich zu verformen. Daraus folgt eine Verminderung der Schwingung des
Kolbens, was die Schläge des Kolbens gegen den Zylinder und damit auch das
Motorgeräusch stark vermindert. Die im Moment der Zündung aufgrund der
Schwingung aufgenommene Energie wird also axial in der Druckrichtung des Kolbens
wiedererlangt und führt zu einer Vergrößerung der Leistungsfähigkeit des
Motors. Die Ursache liegt in den Merkmalen der mechanischen Festigkeit, der
Elastizität und der Widerstandsfähigkeit gegen chemische Mittel und gegen
thermische Spannungen, wobei der nichtrostende Stähl die folgenden Merkmale
aufweist: Qualität 18-8, Zugfestigkeit 220 bis 240 kg/mm².
-
Der nichtrostende Stahl wirkt aufgrund seiner Oberflächeneigenschaften auch
großen Zunderansammlungen entgegen, während die Dehnelemente nach dem Stand
der Technik wahre Zunderfallen darstellten. Außerdem wird die Berieselung im
oberen Teil des Zylinders mit Öl verbessert. Zusätzlich wird die
charakteristische Wirkung der thermischen Brücken des Dehnelements, die die Wärme des
Kolbens und des Zylinders nach außen abführen, permanent aufgrund der
Beständigkeit des aus rostfreiem Stahl bestehenden Rings der Erfindung
gewährleistet.
-
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung einer Ausführungsform eines geschlitzen Ringes gemäß der Erfindung
mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
-
Fig. 1 perspektivisch den geschlitzten und gewellten Ring gemäß der Erfindung;
-
Fig. 2 im vergrößerten Maßstab ein Detail des gewellten Ringes aus Fig. 1
entlang der Linie II-II aus Fig. 1; und
-
Fig. 3 eine Ansicht entlang der Linie III-III aus Fig. 2.
-
In Fig. 1 ist perspektivisch ein geschlitzter Ring 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung mit seinen Facetten 1a dargestellt, die von Faltlinien 1b begrenzt
und gemäß dem dem Ring in der Zone der Facetten verliehenen Neigungsgrad
ausgerichtet sind. In Fig. 2 ist in vergrößertem Maßstab ein Detail
dargestellt, das einen proportionalen Ausbruch des durchbrochenen Ringes 1 zeigt,
der zwischen dem hinteren Rand 8 eines Kolbenringes S und dem Boden 6 der
Kolbenringnut angeordnet ist. Man erkennt, daß die Flächen 6 und 8 und der
geschlitzte Ring 1 eine gewisse Anzahl von Räumen 2 abgrenzen, die jeweils
einen Teil des Motorbetriebsstoffes F zurückhalten. Wie in Fig. 3 dargestellt,
sind die Motorbetriebsstoffe F auf diese Weise zwischen den Flächen 3 und 4
des geschlitzten und gewellten Ringes 1 untergebracht, wobei die Flächen 5, 6
und 7 die Ringnut G des Kolbens P und den inneren Rand 8 des Kolbenringes S
begrenzen.
-
Durch das Betrachten der Figuren der beigefügten Zeichnung ergibt sich, daß
die Motorbetriebsstoffe F, selbst im gasförmigen Zustand, nicht im Boden der
Ringnut G zirkulieren können, wie sie es früher mehr oder weniger leicht
konnten, d. h., daß sie nicht mehr mehr oder weniger leicht von einem Abteil 2
in das andere gelangen können. Diese Behinderung der Zirkulation ist am Ende
der Verdichtung am wichtigsten, und der in diesem Moment am Beden der Nut des
Kolbens, z. B. des "Feuerringes", herrschende Druckgradient erreicht außerdem
im allgemeinen seinen Maximalwert ab dem maximalen Drehmoment des Motors, das
dank der speziellen Bauweise des Ringes 1 der Erfindung bei einer geringeren
Drehzahl auftritt, bis zu seiner maximalen Leistung, die aufgrund der
speziellen Bauweise des geschlitzten Ringes gemäß der Erfindung merklich erhöht ist.
Man erkennt auch, daß die Veränderungen des Drucks im Boden der Ringnut G
gemeinsam mit den vertikalen Bewegungen des Kolbens P, der ständig sehr
schnellen, wechselnden Beschleunigungen und Verzögerungen aufgrund des
Betriebes des Motors und den thermischen Veränderungen unterworfen ist,
Verstellungen, zeitweilige Verformungen und Schwingungen des Ringes 1 bewirken, wobei
die Schwingungen von der großen elastischen Weichheit des Ringes 1 bei
gewissen Temperaturbereichen unterstützt werden. Alle diese vorübergehenden
Bewegungen des Ringes 1 tragen wesentlich dazu bei, die Wände der Ringnut und den
innere Rand des Kolbenringes vor Zunderansammlungen zu schützen, die sich
üblicherweise wie oben beschrieben ausbilden. Es muß auch bemerkt werden, daß
der Ring der Erfindung eine ungewohnte Stille beim Betrieb erzeugt, da er eine
Dämpfung der Schwingung des Kolbenbodens bewirkt. Aufgrund der Anwesenheit des
beim entsprechenden Kolbenring eingefügten Ringes der Erfindung wird außerdem
die Abkühlung des Bodens der Ringnut, die er bedeckt, verbessert.
-
Aufgrund der durch die Elastizität des Ringes erzeugten Schwingungsphänomene
und durch den oben beschriebenen Zustrom eines Druckgradienten bildet sich am
Ende der Verdichtung einer neuer torischer unter Druck stehender Ring aus, der
relativ unverformbar ist. Dieser torische, unter Druck stehende Ring reguliert
das kreisförmige Abstützen des Kolbenringes am Zylinder, was prinzipiell den
Verschleiß dieser beiden Elemente verlangsamt. Zusätzlich vermindert dieses
neue, unter Druck stehende Band durch seine Wirkung die Schwingneigung des
Kolbenbodens, indem er dieses Schwingen reduziert, was zu einer merklichen
Erhöhung der Leistung des Motors führt.
-
Der Ring der Erfindung kann im allgemeinen ohne Veränderung hinter dem
"Feuerring" angeordnet werden und ist vorteilhafterweise gebildet aus einem Streifen
aus Federstahl oder rostfreiem Stahl mit einer Länge, die ungefähr mit der des
Kolbenringes übereinstimmt, und einer Dicke von einigen zehntel Millimetern.
Dieser Ring ist vorteilhafterweise zickzack gewellt oder gefaltet, um eine
Dicke aufzuweisen, die im kalten Zustand und ohne Spannungen größer ist als
die Breite des Bodens der Ringnut, in der er angeordnet werden soll. Man
bemerkt auch, daß dieser sehr einfache Ring mit einem relativ geringen
Herstellungspreis gewerblich herstellbar ist. Es ist offensichtlich, daß beim
Betrieb des Kolbens aufgrund der thermischen und mechanischen Spannungen der
Ring sich geringfügig verformen und schwingen kann, besonders, wenn er von den
Motorbetriebsstoffen getroffen wird, die in Richtung des Bodens der
Kolbenringnut strömen, worauf der Ring mit der Kolbenringnut zusammenwirkt, um das
neue torische, oben beschriebene, unter Druck stehende Band auszubilden.
-
Aufgrund der Tatsache, daß der Ring aus nichtrostendem Stahl besteht, kann er
eine sehr geringe Dicke in der Größenordnung von 1/10 bis 2/10 mm aufweisen,
während die Dicke der herkömmlichen Dehnelemente ein Maximum von 3/10 mm
erreicht, wobei seine Höhe eine Funktion der Höhe der Kolbenringnut ist,
in der er angeordnet werden soll.
-
Die nach der Erwähnung der technischen Merkmale in den Patentansprüchen
eingefügten Bezugszeichen haben nur das Ziel, das Verständnis der Ansprüche zu
erleichtern, jedoch nicht, ihren Umfang zu beschränken.