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Leichtmetallkolben, insbesondere für Dieselmotoren Die Erfindung
bezieht sich auf einen Leichtmetallkolben mit im Kolbenboden angeordneten mit einem
aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff bestehenden Bewehrungselement ausgestatteten
Brennraum für Verbrennungskraftmaschinen, vorzugsweise Dieselmotoren, insbesondere
mit Direkteinspritzung.
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Bei schnellaufenden Dieselmotoren wie Fahrzeugmotoren, Bootsmotoren
oder dergleichen hat sicb der aus Leichtmetall gefertigte Kolben durchgesetzt, weil
Leichtmetallkolben aufgrund ihrer besseren Wärmeleitfähigkeit bei hohen Mitteldrücken
eine Temperatur aufweisen, die wesentlich unter der Temperatur eines Vergleichskolbens
aus Grauguß liegt. Die Verbesserung der Eigenschaften des Leichtmetalls hat derartige
Fortschritte gemacht, daß beim Leichtmetallkolben eine vergleichsweise gleichmäßige
Wärmeverteilung erfolgt, wodurch die inneren S-paniiunge und damit die Gefahr -der
Wärmerißbildung gemindert werden. Der Leichtmetallkolben ha-t ferner den Vorteil,
daß er nur halb SO schwer ist wie ein Graugußkolben. Dadurch sind die bewegten Massen
des Motors kleiner, der Massenausgleich einfacher, so daß sich die Möglichkeit zur
Erhöhung der Kolbengeschwindigkeit ergibt.
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Bei noch aufgeladenen Dieselmotoren sind die Leichtmetallkolben jedoch
relativ hohen Zünddrücken mit entsprechend gesteigerter mechanischer Beanspruchung
sowie vermehrtem Wärmeeinfall mit den damit verbundenen höheren Temperaturen,
die
dann im allgemeinen bei etwa 350°C oder darüber liegen.
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insbesondere am Kolbenboden, ausgesetzt, so daß die thermische Belastbarkeit
der bekannten Leichtmetallkolbenwerkstoffe oft nicht ausreicht und demzufolge Wärmerisse
am Kolbenboden entstehen können. Insbesondere führen örtlich starke Überhitzungen,
z.B. unter Verbrennungskammern von Dieselmotoren oder Zündkerzen von O-ttorno-toren,
zu hlz- o oder Ausschmelzungen am Kolbenboden Gegen Wärmer 1 ss und Ausschmelzungen
sind folgende Maßnahmen bekannt: a) Niedrighalten der Kolbenbodentemperaturen in
für den Leichtmetallwerkstoff erträglichen Grenzen durch Spritzkithlung des Kolbenbodens
oder durch in den Kolbenboden eingegossene von einem Kühlmittel durchströmte Kühlschlangen.
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b) Auftragen einer hochtemperaturbeständigen Werkstoffschicht mit
hoher Zeitstandfestigkeit und hohem Schmelzpunkt auf den Kolbenboden.
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c) Eingießen von Bewehrungsteilen, beispielsweise aus einem Eisenwerkstoff,
am Rand des Brennraums eines Kolbens für Dieselmotoren mit Direkteinspritzung oder
an den Stellen des Kolbenbodens, bei denen die Gefahr einer starken Überhitzung
besteht. Der am Rand des Brennraums angebrachte Bewehrungsteil, kann bei Leichtmetall-Ringträgerkolben
über Stege mit dem Ringträger einteilig verbunden sein.
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d) Einbau von ventil artigen Einsätzen in durch den Kolbenboden geführte
Bohrungen, wobei die Einsätze im Kolbeninneren verschraubt sind, Hierbei besteh-t
jedoch der Nachteil, daß bel Beschädigung der Abdichtung zwischen Einsatz und Bohrung
ein Teil der Verbrennungsgase in das Kurbelgehäuse durcllb:l.äst.
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Durch die vorgenannten Maßnahmen können zwar die Probleme
der
Warmrissigkeit und der An- oder Ausschmelzungen infolge thermischer Überbelastung
des Leichtmetallkolbens hinreichend gelöst werden, sie reichen jedoch nicht aus,
wenn gleichzeitig im Hinblick auf die Probleme des Umweltschutzes eine von schädlichen
Bestandteilen weitgehend freie Abgaszusammensetzung erzielt werden soll. Zu einer
optimalen Kraftstoffluftgemischaufbereitung und dessen Verbrennung sind beispielsweise
bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung Temperaturen in dem im Kolbenboden befindlichen
Brennraum erforderlich, die weit über der zulässigen Temperatur belastung der bekannten
Leichtmetallkolbenwerkstoffe liegen.
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So muß die Kolbenbodentemperatur, wie Versuche gezeigt haben, teilweise
örtlich in der Größenordnung von 600°C liegen. Die sich durch eine derartige Temperaturbelastung
ergebenden Probleme könnten durch aus hochtemperaturbeständigen Eisenwerkstoffen,
z.Bs Stahl, Grauguß oder dgl., bestehende Kolben oder durch sogenannte gebaute Kolben,
bei denen die Kolbenkrone aus Stahl und der Kolbenschaft aus Leichtmetall gefertigt
sind, gelöst werden. Das bringt jedoch die Nachteile eines erhöhten Gewichts und
darn.it einer Drehzahlbegrenzung sowie eine wesentlich verschlechterte Wärmeableitung
mit sich. Bei gebauten Kolben ist zudem auch die Herstellung relativ aufwendig Aufgabe
der Erfindung soll es deshalb sein, einen Leicht metallkolben mit einem im Kolbenboden
angeordneten Brennraum so zu gestalten, daß die Kolbenbodenfläche auf einer die
optimale Verbrennung des Kraftstoffluftge'ni schs gewähr leistenden Temperatur gehalten
werden kann, ohne daß Wärmerisse und/oder An- bzw. Ausschmelzungen im Kolbenboden
auftreten.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in eine
entsprechend gestaltete auf dem Umfang des Brennraums angebrachte te Ausnehmung,
die sich vorzugsweise über den
größten Teil der achsialen Länge
des Brennraums er 5 tre ckt) ein hutmanschettenartiges Bewehrungselement angeordnet
ist.
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Das Bewehrungselement, dessen Radialteil, der vorzugsweise eine radial
Breite von mindestens 15 7% des Durchmessers des Brennraums aufweist, einen wesentlichen
Teil der Kolben bodenfläche bildet, ist über ein im Bereich des kolbenschaftseitigen
Endes seines Ach sialteil s angebrachtes vorgesetztes Bolzengewiride mit einem entsprechenden
im Kolbenkörper befindlichen vorgesetzten Muttergewinde in der Weise verschraubt,
daß zwischen dem Axialteil des Bewehrungselementes und dem Kolbenkörper im Bereich
von der Verschraubung bis in den Übergangsbereich in den Radialteil ein Ringkanal
vorhanden ist.
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Das Bewehrungselement besteht zweckmäßigerweise aus einem Werkstoff
hoher Temperaturbeständigkeit wie Stahl, Grauguß, Sphäroguß oder dgl. Die diesen
Werkstoffen anhaftende vergleichsweise schlechte Wärmeleitfähigkeit, führt zu der
gewünschten Erhöhung der brennraumseitigen Oberflächentemperaturen und damit zu
einer optimalen Verbrennung des Kraftstoffluftgemisches.
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Da die am Kolbenboden herrschende vergleichsweise hohe Temperatur
Schäden im Bereich der Verschraubung wegen der mangelnden Warmfestigkeit des Leichtmetallkolbenwerkstoffs
hervorrufen körnfte, i.st es nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zweckmäßig,
daß im Kolbenkörper befindliche Muttergewinde an der der thermisch am höchsten belasteten
Stelle gegenüberliegenden Seite, vorzugsweise im Bereich der kolbenschaftseitigen
Hälfte der Ausnehmung, anzubringen.
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In vielen Fällen ist es sinnvoll, wenn das Muttergewinde in einem
im Kolbenkörper eingegossenen oder eingepreßten aus einem vom Kolbenwerkstoff abweichenden
Werkstoff, zQB Stahl, bestehenden ringförmigen Einsatz angebracht ist0
Bei
Leichtmetallringträgerkolben kann der ringförmige Ein satz mit dem in der kolbenbodenseitigen
Ringnute angebrauchten Ringträger über Stege verbunden sein, Damit die Wärmeableitung
von dem Bewehrungselement zum Kolbenkörper hin behindert ist, wird die Länge des
zwischen dem Bewehrungselement und dem Kolbenkörper befindlichen Ringkanals so groß
gewählt, daß weniger als 50 % der Außen mantelfläche des Bewehrungselementes in
thermisch unbelastetem Zustand am Kolbenkörper anliegen.
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Das Ziel die für die Verbrennung notwendige Temperatur der Kolbenbodenoberfläche
über den genannten Belastungsbereich möglichst konstant zu halten, wird dann erreicht,
wenn der zwischen dem Axialteil des Bewehrungselementes und dem Kolbenkörper befindliche
Ringkanal eine solche radiale Breite aufweist, daß dieser im Betriebszustand bei
einer entsprechenden Temperaturdifferenz zwischen Bewehrungselement und Kolbenkörper
geschlossen ist und somit ein großflächiger Kontakt für einen normalen Wärme abfluß
vom Bewehrungselement zum Kolbenkörper gegeben ist.
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Damit das Gewicht des Bewehrungselementes nicht zu groß wird, ist
es zweckmäßig, wenn die Außenmantelfläche im Bereich des Ringkanals mit umlaufenden
Rillen, Nuten oder dgl. Ausnehmungen versehen ist, Ferner können derartige Rillen
auch als Drossel für die Wärmeabftihr von der thermisch am höchsten beanspruchten
Stelle des Bewehrungselementes, welche im allgemeinen am Übergang vom Brennraum
zur Itol.benbodenoberfläche liegt, in den Bereich der Verschraubung dienen.
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Um zu verhindern, daß Verbrennungsgase in den Bereich der Verschraubung
zwischen Bewehrungselement und Kolbenkörper eindringen k önnen, 1 st am kolbens
chafts eitigen Ende des
Axialteils des Bewehrungselementes eine
umlaufende am Kolbenkörper anliegende Dichtlippe angebracht.
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Zur Abdic.h-tung gegen Verbrennungsgase und zur Temperatur steuerung
ist auf der dem Kolbenboden abgewandten Seite des Radialteils gegenüberliegenden
Fläche der Ausnehmung ein ringförmiges Dichtelement aus einem vom Kolbenwerkstoff
abweichenden Werk stoff z.BF Eisenwerkstoff, in den Kolben körper eingelagert eingespritzt,
eingegossen oder eingepreßt.
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Dieses Dichtelement weist auf seiner zum Kolbenboden gewandten Fläche
zur Erhöhullg de.r Dichtwirkung umlaufende Rillen aufO Durch Variation der Größe
der Dichtfläche wird der Wärmeübergang vom Bewehrungselement zum Kolbenkörper verändert,
so daß die für eine optimale Verbrennung erforderliche Oberflächentemperatur des
Beweh:eungselements einge stellt werden kann.
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Eine Abwandlung der Erfindung besteht darin, daß in die auf dem Umfang
des Brennraums angebrachte Ausnehmung eine hutmanschettenartige Einlage zwischen
Kolbenkörper und Bewehrungselemen-t aus einem Werkstoff, dessen Ausdehnungskoeffizient
dem des Leichtmetalls ähnlich ist, eingesetzt ist In der Kolbenkrone des Kolbenkörpers
können zusätzlich von einem Kühlmittel, vorzugsweise Ö1, durchströnte Kühlkanäle
angeordnet sein, wodurch eine weitere Temperatursenkung erzielt wird Diese Ausführungsform
hat sich insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen mit Direkteinspritzung bewehrt.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt.
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und wird im einzelnen näher erläutert Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt
durch einen Leichtmetallkolben 1
mit in Kolbenboden angeordneten
Brennraum 2 mit auf dem Umfang aufgebrachter Ausnehmung 3 in der ein hutmanschettenartiges
Bewehrungselement 4 über die Versch.raubung 5 angebracht ist. Zwischen dem Axial
teil des Bewehrungselementes 4 und dem Kolbenkörper 1 befindet sich im Bereich von
der Verschraubung 5 bis zum Übergang in den Radialteil ein Ringkanal 6.
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Fig. 2 einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch die Kolbenkrone
eines Leichtmetallkolbens 7, mit einem in der auf dem Umfang des Brennraums 8 angeorine-tell
Ausnehmung 9 über die Verschraubung 10 eingesetzten Bewehrungselement 11. Das Muttergewinde
der Ver.-schraubung ist in einem in den Kolbenkörper einige goss eiien ringförmigen
Einsatz 12 angebracht.
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Fig. 3 einen ausschnittsweisen Längs schnitt durch die Kolenkrone
eines Leichtmetallkolbens 13o In der auf dem Umfang des Brennraums 14 angebrachten
Ausnehmung 15 ist ein Bewehrungselement 16 angebracht. Auf der dem Radialteil des
Bewehrungselements 16 kolbenschaftseitig gegenüberliegenden Seite des Kolben~ körpers
ist ein ringförmiges aus Grauguß bestehendes Dichtelement 17 eingegossen, das auf
seiner dem Bewehrungselement 16 zugewandten Seite mit umlaufenden Rillen 18 versehen
ist0 Fig. 4 eine ausschnittsweise Vergrößerung der Fig. 3 im Bereich des Dichtelementes
17.
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Fig. 5 einen ausschnittssweisen Längsschnitt durch die Kolbenkrone
eines Leichtmetallkolbens 19. Auf dem Umfang des Brennraums 20 ist eine Ausnehmung
21 angeordnet, in die das Bewehrungselement 22 einen schraubt ist. Das Bewehrungselement
besitzt auf der Außenmantelfläche seines Axialteils im Bereich zwischen Verschraubung
23 und dem Übergang in den
Radialteil mehrere umlaufende Rillen
24. Am kolbenschaftseitigen Ende des Axialteils befindet sich eine umlaufende am
Kolbenkörper 19 anliegende Dichtlippe 25.
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Fig. 6 einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch die Kolbenkrone
eines Leichtmetallkolbens 26. In einer auf dem Umfang des Brennraums 27 angebrachten
Ausnehmung 28 ist eine hutmanschettenartige Einlage 29 eingeschraubt, mit der das
Bewehrungselement 30 verschraubt ist.
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Patentansprüche