DE1294098B - Mehrteiliger Kolben fuer Brennkraftmaschinen, vorzugsweise Dieselmaschinen - Google Patents

Mehrteiliger Kolben fuer Brennkraftmaschinen, vorzugsweise Dieselmaschinen

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DE1294098B DEI34924A DEI0034924A DE1294098B DE 1294098 B DE1294098 B DE 1294098B DE I34924 A DEI34924 A DE I34924A DE I0034924 A DEI0034924 A DE I0034924A DE 1294098 B DE1294098 B DE 1294098B
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Description

  • Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben für Brennkraftmaschinen, vorzugsweise Dieselmaschinen, mit einem im Kolbenboden mittig angeordneten Brennraum, der am Kolbenboden von einem kreisringförmigen Einsatz aus einem Werkstoff höherer Festigkeit als der Kolbenboden begrenzt wird.
  • Motorenkolben gehören zu den am höchsten beanspruchten Bauteilen überhaupt, wobei diese Beanspruchungen mechanische und/oder thermische Ursachen haben können. Da auch die Temperaturgradienten in Verbindung mit zyklischer Beanspruchung durch Verbrennungsdruck, Wärmeschock und Zentrifugalkräfte eine Rolle spielen, entsteht insgesamt gesehen ein sehr komplexes System statisch dynamischer Beanspruchung. Durch das Vorhandensein einer den Kolbenboden unterbrechenden Brennkammer werden die Festigkeitsverhältnisse in diesem Bereich des Kolbens noch um einiges verwickelter. So sind es denn auch die scharfkantigen Ränder des Brennraumes, die zuerst Rißbildung und sonstige Anzeichen einer dauernden Überbeanspruchung aufweisen, die die Gebrauchsdauer des ganzen Kolbens begrenzen. Der Rißbildung voraus gehen meist einzelne oder kombinierte Einwirkungen von Temperaturwechselbeanspruchungen und thermischer Restspannung sowie eine aus den Temperaturwechseln herrührende Werkstoffermüdung. In jedem Falle treten Risse und sonstige Veränderungen der Oberfläche immer dann auf, wenn die thermische Beanspruchung zu Spannungen führt, die Werkstoffestigkeit überschreitenden Brüche des Kolbenbodens und auch des ganzen Kolbens gehen daher von der Zone höchster Beanspruchung aus; das ist fast immer der bereits erwähnte obere Kantenbereich des Brennraumes.
  • Bekanntlich treten in Bauteilen, die ständig wechselnden Temperaturbeanspruchungen unterliegen, Ermüdungsrisse auf. Dabei spielt die Größe des Temperaturgradienten die ausschlaggebende Rolle. Bei einem im allgemeinen aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolben, der von einer höheren Temperatur plötzlich abgekühlt wird, ruft die dann in den Randzonen auftretende Zusammenziehung in den inneren Bereichen, die ihre ursprüngliche Temperatur noch längere Zeit beibehalten, Druckspannungen hervor. In einer übergangszone des Kolbenumfangs entstehen Zugspannungen, die sich teilweise den Druckspannungen überlagern, so daß rechnerisch und tatsächlich nur äußerst schwer erfaßbare resultierende Kräfte gegeben sind. Umgekehrte Verhältnisse spielen sich ab, wenn nach dem Anlassen der Maschine ein kalter Kolben in verhältnismäßig kurzer Zeit auf Betriebstemperatur gebracht wird. In diesem Falle erleiden die Randzonen des Kolbens gegenüber den noch kälteren Innenzonen eine höhere Wärmedehnung, so daß dann radial nach außen gerichtete Zugspannungen auftreten können. Wenn sich die beschriebenen thermischen Zyklen im Laufe des Motorbetriebs häufig wiederholen, wie es in Wirklichkeit der Fall ist, bilden diese Spannungswechsel die eigentliche Ursache für die schließlich in Form von Oberflächenrissen sichtbar werdende Werkstoffzerstörung. Der Zeitfaktor zeigt eine direkte Abhängigkeit vom Temperaturgradienten, d. h. bei einem steilen Gradienten in beiden Richtungen kann die Werkstoffzerstörung früher eintreten als bei einem flachen Gradienten. In seiner ungünstigen Form wird dieser Zusammenhang als sogenannter Hitzeschock erkennbar, bei dem schon nach einer kurzzeitigen Wechselbeanspruchung Werkstoffermüdung und damit Rißbildung eintreten können. In diesem Zusammenhang werden einige besondere Werkstoffeigenschaften wie thermische Leitfähigkeit, lineare Ausdehnung, Warmfestigkeit und Elastizitätsmodul zu wichtigen Einflußgrößen.
  • Mit der erfinderischen Aufgabestellung wird angestrebt, den beschriebenen schädlichen Einflüssen durch eine geeignete Werkstoffwahl in Verbindung mit einer bestmöglichen baulichen Gestaltung entgegenzuwirken. Die Maßnahmen der Erfindung beziehen sich im vorliegenden Falle vorzugsweise auf eine Dieselmaschine mit Brennraum im Kolben, für die eine solche Werkstoffzusammenstellung gewählt wurde, daß durch Ausgleich der schädlichen Einflüsse die Gebrauchsdauer des Kolbens beträchtlich verlängert wird. Im einzelnen sollen durch den vom ringförmigen Einsatz unterstützten oberen Kolbenring Kompressionsverluste vermieden werden, wobei durch Wegfall örtlicher überhitzungen die Beständigkeit gegen thermischen Schock zunimmt. Es gehört weiter zur erfinderischen Aufgabenstellung, daß in bestimmten Richtungen auftretende Spannungen durch Vorspannungen geeigneter Größenordnung mit umgekehrten Vorzeichen ganz oder teilweise ausgeglichen werden. Auf diese Weise sollen z. B. im Bereich der Brennraumkante nach außen gerichtete Zugspannungen angeglichen, d. h. durch entsprechende Druckspannungen aufgehoben werden.
  • Die Lösung nach der Erfindung sieht einen Kolben vor, dessen Einsatz eine gegenüber dem Kolbenboden kleinere Wärmedehnung aufweist, wobei zwischen dem Einsatz und dem Kolbenboden ein als Spannungssperre dienender, zylindrischer Ring angeordnet ist, der aus einem hochfesten Werkstoff mit einer dem Kolbenboden entsprechenden Wärmedehnung besteht. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist um den kreisringförmigen Einsatz mit jeweils warm aufgeschrumpftem Ring vorteilhafterweise der eigentliche Kolbenkörper herumgegossen.
  • Die zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen mehrteiligen Kolben nach der Erfindung mit einem Brennraum im Kolbenboden, Fi g. 2 eine Ansicht des Kolbens von oben in kleinerer Darstellung, F i g. 3 einen teilweisen Längsschnitt durch einen Kolben des zweiten Ausführungsbeispiels.
  • Mit 10 ist ein Kolben für beispielsweise Dieselbetrieb bezeichnet, für den Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Werkstoff verwendet wurde. Der Kolben 10 besteht wie üblich aus einem Kolbenboden 11 und einem diesen zylinderseitig fortsetzenden Kolbenschaft 12, der innen ein angegossenes Kolbenbolzenauge 13 sowie eine Bohrung 14 für den Kolbenbolzen selbst erkennen läßt. Zur Aufnahme einer Anzahl von Kolbenringen trägt der Kolben 10 in seinem oberen Teil mehrere Ringnuten 15, wobei für die obere Ringnut 15 ein besonderer Ringeinsatz 16 aus einem festeren Werkstoff, beispielsweise Stahl, eingelassen ist. Bekanntlich unterliegt der obere Kolbenring den höchsten Beanspruchungen, so daß auch die Ringnut 15 hinreichend beständig sein muß, um Ko-mpressionsverluste durch einen nicht genau passenden Kolbenring zu vermeiden. Die Oberfläche 17 des Kolbenbodens ist mit einem kugelförmigen Brennraum 18 versehen, während sich zwischen dem Kolben 10 und einem oberen ringförmigen Einsatz 22 eine Passungsfläche 19 ergibt. Der Brennraum 18 ist zweiteilig ausgeführt, wobei die obere Hälfte 21 Bestandteil des Einsatzes 22 ist. Für den Einsatz 22 eignet sich ein hochfester Werkstoff. Gegebenenfalls kann auch hochwertiges Gußeisen verwendet werden. In erster Linie sollte der Werkstoff für diesen Kolbenteil ein hohes Wärmeleitvermögen haben, damit die Wärme wirksam abgeführt und eine örtliche überhitzung vermieden werden kann. Es sollte ferner eine verhältnismäßig hohe Fließfestigkeit vorhanden sein, sodann sollten die Kriechbeständigke,it und der Widerstand gegen Werkstoffermüdung bei hohen Temperaturen ausreichend sein. Der Einsatz 22 findet nach unten seine Fortsetzung in einem flanschartigen Ringfortsatz 24, für den eine entsprechende Hinterdrehung im Kolbenoberteil vorhanden sein muß. Zwischen dem Einsatz 22 und dem Kolbenboden 11 ist ein weiterer Ring 26 aus einem insbesondere erhöhten Temperaturen beständigen Werkstoff eingesetzt worden. Es sollte ferner eine gute Beständigkeit gegenüber thermischem Schock vorhanden sein. Aus den genannten hohen mechanischen und thermischen Anforderungen folgt, daß für diesen Ring 26 entweder austenitischer oder martensitischer Stahl bzw. eine Nickellegierung mit bestimmter thermischer Ausdehnung genommen wird. Die am Aufbau des Kolbens 10 beteiligten Werkstoffe, einschließlich des eingesetzten Einsatzes 22, bedingen für den Ring 26 einen Werkstoff, dessen linearer Ausdehnungsbeiwert größer ist als der entsprechende Beiwert des Kolbenwerkstoffs, und daß er ferner mindestens gleich groß oder größer ist als der Ausdehnungsbeiwert des Einsatzes 22.
  • Aus bestimmten Versuchen sowie aus allgemeiner Erfahrung ist bekannt, daß bei einer erwarteten Beanspruchung in einer bestimmten Richtung durch Wahl einer geeigneten Vorspannung mit umgekehrtem Vorzeichen in dem in Frage kommenden Verbundsystem eine längere Gebrauchsdauer erreicht werden kann. Im vorliegenden Falle befindet sich der Kantenbereich 23 des Brennraumes 18 des Kolbens 10 auf Grund seiner besonderen geometrischen Form und Lage unter der Einwirkung höherer Beanspruchungen als jeder andere Teil des Kolbens 10 oder der ganzen Maschine. Der Kantenbereich 23 des Brennraumes 18 ist radial gerichteten Drücken ausgesetzt, wie sie durch die Verbrennungen im Brennraum 18 hervorgerufen werden. Diese Drücke führen zu Umfangsbeanspruchungen, weshalb auch der Einsatz 22 unter Druckvorspannung gebracht wird, bevor man ihn in die Ausnehmung des Kolbenbodens 11 einsetzt. Auf diese Weise lassen sich die nach auswärts gerichteten Beanspruchungen im Kantenbereich 23 größtenteils auffangen. Auch die thermisch ausgelösten Beanspruchungen in diesem Kolbenbereich, wie sie z. B. bei plötzlicher Abkühlung möglich sind, sind ausgesprochene Umfangsspannungen, die als Zugkräfte in Erscheinung treten.
  • Unter den Faktoren, die die Lebensdauer eines Dieselkolbens beeinflussen können, stehen die thermisch hervorgerufenen Beanspruchungen an erster Stelle. Diese sind weit kritischer als die durch Druck hervorgerufenen Spannungen, die von den Verbrennun-en herrühren. Es ist daher äußerst wichtig, daß der Einsatz 22 eine Druckvorspannung aufweist, wodurch thermisch ausgelöste Beanspruchungen aufgehoben werden.
  • Über das System der Vorspannungen hinaus sind noch weitere Maßnahmen vorgesehen, um die Gebrauchsdauer des Kolbens 10 zu verlängern. Eine dieser Maßnahmen besteht darin, daß Werkstoffe mit unterschiedlichen Ausdehnungsbeiwerten zusammengebaut werden, die die Nachteile thermisch bedingter Spannungen beheben. So kann es z. B. im Betrieb vorkommen, daß der Kolbenboden 11 während einer Vollgasfahrt eine bestimmte Höchsttemperatur annimmt. Wenn sich nun die Betriebsbedingungen plötzlich ändern, z. B. bei einer Talfahrt im Leerlauf und im niedrigen Gang, gelangt verhältnismäßig kalte Luft in den Zylinder, so daß auf den erhitzten Kolbenboden 11 eine Art Luftabschreckung einwirkt. Damit verbunden ist das Auftreten eines verhältnismäßig steilen Temperaturgradienten, wenn nämlich die Kolbenbodenfläche abgekühlt und das Kolbeninnere auf dem bisherigen Temperaturniveau verbleibt. In dieser übergangsphase können selbstverständlich beträchtliche Zugspannungen in den oberflächennahen Schichten des Kolbens 10 auftreten, besonders wo eine unmittelbare Berührung mit der kühlen Luft stattfindet. Das sich abkühlende Metall zieht sich naturgemäß zusammen, während die noch heiß bleibenden inneren Schichten sich dieser Zusammenziehung entgegenstellen und so zu einem Ausgleich der Spannungen führen.
  • In Kolben herkömmlicher Bauart, die also aus einem einheitlichen Werkstoff bestehen, bilden sich sehr schnell Wärmerisse in radialer Richtung aus. Besonders im Kantenbereich23 können diese Risse kritische Ausdehnungen annehmen. Diesem soll durch Anordnung eines Ringes 26 vorgebeugt werden, dessen Ausdehnungsbeiwert geringer ist als derjenige des übrigen Kolbenbodens 11. Wenn also die Kolbenbodenfläche plötzlich abgekühlt wird und dabei der erwähnte steile Temperaturgradient auftritt, sind in den abgekühlten Zonen unweigerlich kritische Spannungen vorhanden. Dabei ist der außerhalb des Ringes 26 liegende Kolbenbodenbereich mehr beeinflußt als dieser Ring 26 selbst. Wenn also die außerhalb des Ringes 26 liegenden Kolbenteile sich zusammenziehen, müssen die Spannungen von dem Ring 26, der sich weniger ausdehnt, aufgenommen werden. Auf diese Weise wird ein großer Teil der radialen Spannungen ausgeglichen und einer kritischen Rißbildung im Kolbenboden 11 vorgebeugt. Dies wirkt sich dahingehend aus, daß die innerhalb des Ringes 26 liegenden Kolbenteile gegen die äußeren Spannungen abgeschirmt werden. Durch die unterschiedlichen Ausdehnungsbeiwerte der Teile 22, 26 und 17 wird also eine Wirkung erreicht, die die auf den Kolbenboden 11 wirkenden Beanspruchungen, größtenteils hervorgerufen durch die Verbrennungsdrücke, insgesamt auf ein vertretbares Maß herabsetzt. Die Gebrauchsdauer eines solchen Kolbens 10 wird dadurch erheblich verlängert. Um dieses Ziel zu erreichen, stehen außer den genannten Werkstoffen noch zahlreiche andere zur Verfügung, die für die genannten Kolbenteile verwendet werden könnten.
  • Das zweite Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel unter anderem dadurch, daß der Kolbenboden 11 a des Kolbens 10 a eine Oberfläche 17 a aufweist, während auch in diesem Falle ein kugelförmiger Brennraum 18 a mit einem Ringspalt 19 a zur Aufnahme des Ringes 34 vorgesehen ist. Die obere Hälfte 28 der Brennkammer ist wieder Bestandteil des eingesetzten Einsatzes 27, wobei auch wieder eine ringförmige Kante 29 gebildet wird. Abweichend von der ersten Ausführungsform sind hier mehrere sich nach außen radial erstreckende Arme 31 vorgesehen, die integraler Bestandteil des Einsatzes 27 sind. An ihrem Umfang nehmen die Arme 31 streckenweise die obere Ringnut 15 a auf. Der Ring 34 wird warm aufgeschrumpft, so daß er dem Einsatz 27 unter Druck aufliegt. Der weitere Aufbau geht ähnlich wie vorstehend beschrieben vonstatten, d. h. der restliche Kolben wird um den Einsatz 27 mit dem aufgeschrumpften Ring 34 und den Arnien 31 herumgegossen. Die Schlußbearbeitung weicht von derjenigen des Kolbens 10 der ersten Ausführungsforin nicht ab.
  • Bei der Herstellung des Kolbens 10 wird der Ring 26 auf den Einsatz 22 heiß aufgeschrumpft, so daß nach der Abkühlung eine nach innen gerichtete Druckspannung übrigbleibt. Um diese beiden Teile wird dann der übrige Kolbenkörper, bestehend aus Kolbenboden 11 und Kolbenschaft 12, herumgegossen. Durch die abgeschrägte Kante 25 des Einsatzes 22 findet eine feste Verbindung zwischen diesen beiden Kolbenteilen statt. Mit eingegossen wird auch der obere Ringeinsatz 16. Da zwischen allen Teilen nach der Abkühlung eine Art Preßverbindung besteht, ist später auch ein einwandfreier Wärmeübergang gewährleistet. Nach dem Gießen wird der Kolben wie gewöhnlich spanabhebend fertig bearbeitet, wozu auch das Eindrehen der drei unteren Ringnuten 15 gehört.

Claims (2)

  1. Patentansprüche. 1. Mehrteiliger Kolben für Brennkraftmaschinen, vorzugsweise Dieselmaschinen, mit einem im Kolbenboden mittig angeordneten Brennraum, der am Kolbenboden von einem kreisringförmigen Einsatz aus einem Werkstoff höherer Festigkeit als der Kolbenboden begrenzt wird, d a d u r c h t' Creken nzeichn et, daß der Einsatz (22) eine gegenüber dem Kolbenboden (11) kleinere Wärmedehnung aufweist und zwischen dem Einsatz (22) und dem Kolbenboden (11) ein als Spannungssperre dienender, zylindrischer Ring (26) angeordnet ist, der aus einem hochfesten Werkstoff mit einer dem Kolbenboden (11) entsprechenden Wärmedehnung besteht.
  2. 2. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um den Einsatz (22 bzw. 27) mit jeweils warm aufgeschrumpftem Ring (26 bzw. 34) der eigentliche Kolbenkörper herumgegossen ist.
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