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Verbrenrlur.gssaum für Kolbenhubmotor.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verbrennungsraum für
Kolbenhubmotoren.
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Zur Verringerung der Wandungsverluste von Verbrennungsmotoren (Diesel-
Benzinmotoren), die 20 - 25 % der zugeführten Wärme ausmachen, wurde bisher die
Isolierung der Brennraumflächen (Kolbenstirnfläche, innere Zylinderkopffläche, innere
Ventilflächen, Innenflächen der Zylinderlaufbiichse) durch Keramik-oder Metalloxydschichten
in Stärke von etwa C,3 mm versucht, die auf die metallischen Grundflächen meist
aufgesintert oder aufgesprüht wurden. Der Isolierungseffekt dieser Keramik- oder
Metalloxydschichten war ungenügend, da die Schichtstarke von 0,3 min zu klein war
und dickere Schichtstärken (in der Größe von einigen Millimetern) den Beanspruchungen
des idiotorbetriebes auf die Dauer nicht standhielten.
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uberdies wurde vjm erfinder in der deutschen Of,enlegutlgsschrift
24 50 C77 die Isolierung der Brennraumflächen mit Quarzglas vorgeschlagen. Detaillierte
Ausführungen zur konstruktiven Realisierung wurden jedoch nicht gemacht. Für die
Verwirklichung des Vorschlages ist jedoch die Auffindung von brauchbaren und dauerhaften
konstruktiven Lösungen von entscheidender bedeutung.
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Zur Erreichung eines weitgehend wärmedichten Verbrennungsraumes für
solbenhubsotoren wird nun ein solcher vurgeschlagen, der erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Stirnfläche des Kolbens durch eine Verbund-Isolierplatte
oder durch eine mit der. Kolbenkörper mittels Preßsitz verbundene Isolierplatte
abgedeckt und/Qder daß die Innenfläche des Zylinderkopfes durch eine Verbund-Isolierplatte
abgedeckt ist.
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Ist der Kolben durch eine Verbund-Isolierplatte abgedeckt, so ist
diese am Kolbenkörper lösbar befestigt, vorzugsweise angeschraubt. Die befestigungsschrauben
sind vorteilhaft als Dehnschrauben ausgebildet und wenigstens teilweise in den Freiräumen
seitlich des kolbenseitigen Pleuellagers angeordnet. Dic Anordnung von Dehnschrauben
hält ale spar£aungsmäßige Verbindung auch
während der arbeitsspiele
des Betriebes und bei durchwärmtem autor aufrecht.
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Um eine übermäßige Erwärmung der metallischen Stützplatte der Verbund-Isolierplatte
während des Betriebes zu vermeiden, sind im Kolbenboden eine oder mehrere Sühlöffnungen
vorgecehen.
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Um bei Motoren (Dieselmotoren) nit direkter Brernstoffeinspritzung
optimale Verbrennungsverhältnisse zu schaffen, ist in der eigentlichen Isolierschichte
der Verbund-Isolierplatte oder in der einteiligen Isolierplatte des Kolbens auf
der Seite der Flammengase in an sich bekannter Weise eine zylinderförmige oder muldenförmige
oder kugelähnliche Ausnehmung für die Verbrennung des Treibstoffes angeordnet.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist in sehr einfacher Weise
eine Isolierung der Kolbenstirnfläche mittels einer einteiligen Isolierplatte dadurch
möglich, daß der Kolben über seinem Boden eine ringförmige, periphere Bordwand besitzt,
in die die einteilige Isolierplatte eingepreßt ist. (Erforderlichenfalls ist der
Kolben vor dem Einpressen der Isolierplatte auf ca. 2000C zu erwärmen.) Besteht
der Kolben aus einem metall mit relativ großem Wärmeausdehnungskoeffitienten (Leichtmetallkolben),
so besitzt er über seinem Boden einen - gegebenenfalls radial geschlitzen -ringförmigen
Verbindungswulst, in dem die einteilige Isolierplatte eingepreßt ist Lcrid der vor
betrieblicher Erwärmung durch die Isolierplatte weitgehend geschützt ist.
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Dabei besitzt die ringförmige, periphere Bordwand bzw.
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der Verbindungswulst des Kolbens an ihrer bzw. seiner Innenseite mehrere
Kämme, die beim Einpressen der eigentlichen Isolierplatte plastisch verformt werden.
Ein Lösen (Lockern) dieser Verbindung währcnd des Motorbetriebes ist dadurch ausgeschlossen.
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Zum besoiideren Schutz des kolbenseitigen Verbindungswulstes vor
betrieblicher Erwärmung besitt die einteilige Isolierplatte an der den Flammengasen
abgewandten Seite einen ringförmigen, peripheren Bordwulst und eine ringförmige
Ausnehmung, welche den Verbindungswulst des Kolbens aufnimmt.
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Zwischen der einteiligen Isolierplatte und dem Kolben ist
eine
(metallische) Dichtung und eine kraftübertragende elastische Zwischenschichte angeordnet.
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Bei großen Kolben (Durchmesser 0,5 m und mehr) ist es im Hinblick
auf die schwierige Herstellung großer Verbund-Isolierplatten bzw. großer einteiliger
Isolierplatten zweckmäßig, den Kolbenboden durch mehrere kleinere Verbund-Isolierplatten
oder Isolierplatten abzudecken, welche vorzuaweise symmetrisch angeordnet sind.
Dabei ist zur Bildung einer Ausnehmung für die Treibstoffverbrennung im Zentrum
der Kolbenstirnfläche die flammengasseitige Oberfläche der zentralen Verbund-Isolierplatte
bzw.
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Isolierplatte gegenüber den flammengasseitigen Oberflächen der peripheren
Verbund-Isolierplatten bzw. Isolierplatten zurückgesetzt angeordnet.
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Die Verbund-Isolierplatte des Zylinderkopfes ist in an sich bekannter
Weise zwischen Zylinderlaufbüchse bzw. lviotorblockkörper einerseits und Zylinderkopl
andererseits festgeklemmt. Da die Herstellung mehrerer Öffnungen in dieser Verbund-Isolierplatte
schwierig ist, wird zweckmäßig eine gemeinsame Öffnung für Ventile und Einspritzdüse
bzw. Zündkerze vorgesehen.
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Nach einem weiteren Isiierkmal der Erfindung ist in die Zylinderlaufbüchse
zylinderkopfseitig ein rohrförmiger, aus äußerem, metallischen Stützmantel und eigent
ichem Isolierzylinder bestehender Verbund-Isolierzylinder eingepreßt. Oder aber
es ist die Zylinderlaufbüchse selbst als Verbund-Isolierzylinder mit Dehnschlitzen
und/oder Kämmen sowie gegebenenfalls mit Ankerrippen ausgebildet.
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Bei größerem Durchmesser der Zylinderlaufbüchse ist zwecks leichterer
herstellung der eigentliche Isolierzylinder wenigstens aus vier lsoliersegmenten
zusammengesetzt und in den umhüllenden metallischen Stützmantel bzw. in die Zylindersaufbüchse
eingepreßt.
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Nach einem anderen Merkmal der Erfindung sind die Innenflächen der
Motorventile je wenigstens durch eine Verbund-Isolierplatte abgedeckt, die am Ventil
- vorzugsweise mittels eines
Dehnbolzens oder einer Dehnschraube
- festgeschraubt ist.
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Nach einem wesentlichen Merkmal der Erfindung besteht die Verbund-Isolierplatte
aus der eigentlichen Isolierschichte und aus der mit ihr fest verbundenen metallischen
Stützplatte.
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Dabei besteht die eigentliche Isolierschichte vorzugsweise aus Quarzglas
bzw. einem anderen, einen hohen Si O-Anteil enthaltenden Stoff oder aus Siliziumnitrid
bzw. Siliziumkarbid.
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Die eigentliche Isolierschichte kann aber auch aus anderen geeigneten
Stoffen bestehen.
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Die metallische Stützplatte ist zweckmäßig aus einem Stahl mit besonders
kleinem Wärmeausdehnungskoeffitienten (Invarstahl) hergestellt. In der metallischen
Stützplatte sind in an sich bekannter Weise Gewindebohrungen für die Dehnschrauben
vorgesehen. Die metallische Stützplatte kann auch ringförmige ausgebildet sein oder
kreisförmigen Umriß besitzen.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besitzt die metallische
Stützplatte - vorzugsweise in ihrem peripherem Bereicheine zylindrische Bordwand
in welche die eigentliche Isalierschichte eingepreßt ist. Hierdurch wird auf die
eigentliche Isolierschichte eine Druckspannung als Vorspannung aufgebracht, die
die Bruchgefahr während des Betriebes sehr vermindert. Zwischon der Bordwand der
metallischen Stützplatte und der eigentlichen Isolierschichte kann auch ein federnder
Zwischenring (aus gehärtetem Stahl) angeordnet sein.
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Damit die Verbund-Isolierplatte die starken verbrennungsseitigen
Druckstöße während des Motorbetriebes ohne Schaden erträg-t;, , Zu Kraftübertragung
zwischen der eigentlichen Isolierb@@@ @d der metallischen Stützplatte wenigstens
eine elastisch @e@ @ schichte angeordnet, die vorzugsweise kammprofi @der @nl @@
besitzt.
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Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist auf die mit Anker@ b
@ Ankerrippen versehene metallische Stützplatte bzw.
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auf den metalischen St@@zmantel eine hochfeste und hochtemperaturbe@tä@@ige
eigentlich Isolierschichte aus Quarzglas und/oder Silizium@tr @ @ einem anderen
geeigneten Isolierstoff aufgeschmolzen oder aufgesintert.
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Um die Isolierwirkung der eigentliehen Isolierschichte der Verbund-Isolierplatte
bzw. der einteiligen Isolierplatte weiter zu steigern besteht diese aus einer vollen
Grundschichte, einer porösen Zwischenschichte und einer den Flwrnnengasen zugewandten
dichten Deckschichte. Die poröse Zwischenschichte ist aus Kügelchen des Isolierstoffes
(vorzugsweise quarzglas) von 0,1 - 0,5 mm Durchmesser geformt, die unter Bildung
von Zwischenräumen aneinander gesintert sind. Die Stärke dieser porösen Zwischenschichte
beträgt 1 - 5 inril.
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Die poröse Zwischensci,ichte kann sich aus Quarzglaswolle gebildet
sein, die unter hohem Druck -(mindestens 200 bar) zu einem festen Körper gepreßt
ist.
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Die Stärke der dichten Decksehichte beträgt 0,1 - 0,3 (max. 1) Ba.
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Die poröse Zwischenschichte setzt die Wärmeleitfähigkeit der eigentlichen
Isolierschichte bzw. der einteiligen I olierplatte weiter herab. Die dichte Deckschichte
verhindert das Eindringen von Verbrennungsgasen in die poröse Zwischenschichte.
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In den Zeichnungen sind eine Reihe von ausführungen der Erfindungsgegenstände
beispielhaft dargestellt.
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Fig. 1 zeigt den Axialschnitt durch den Verbrennungsraum eines Kolbenhubmotors,
bei dem die eigentlichen Isolierschichten auf die metallischen Stützplatten aufgeschmolzen
bzw. aufgesintert sind.
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Fig. 2 zeigt den Axialschnitt durch, einen Kolben mit zylinderförmiger
Ausnehmung in der stirnflächenseitigen Isolierschichte.
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Fig. 3 zeigt den Axialschnitt durch einen Kolben mit muldenförmiger
Ausnehmung in der stirnflachensei-igen Isolierschichte und zwei Dehnschrauben.
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Fig. 4 zeigt den Axialochnitt dA ch einen Kolben mit ringförmiger
metallischer Stützplatte und zwei Drehnschrauben.
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Fig. 4a zeigt den Axialschnitt durch einen Kolben, bei dem eine einteilige
Isolierplatte direkt durch Preßsitz mit dem Wolbenkörper verbunden ist.
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Fig. 4b zeigt einen Axialschnitt durch einen Kolben, bei dem eine
einteilige Isolierplatte direkt durch Preßsitz mit dem Kolbenkörper verbunden und
die Verbindungsstelle besonders vorteilhaft vor betrieblicher Beheizung geschützt
ist.
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Fig. 5 zeigt den partiellen Axialschnitt durch den Oberteil eines
großen Kolbens nach der Linie A - 3 von Fig. 6, dessen Stirnfläche von sieben kleinen
Verbund-Isolierplatten abgedeckt ist.
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Fig. 6 zeigt die Draufsicht auf die Stirnfläche dieses großen Kolbens.
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Fig. 7 zeigt den Axialschnitt durch die Verbund-Isolierplatte eines
Zylinderkopfes nach der Linie E - F von Fig. 8.
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Fig. 8 zeigt die Draufsicht auf diese Verbund-Isolierplatte eine
Zylinderkopfes jig. 9 zeigt den Axialschnitt durch den Oberteil einer Zylinderlaufbüchse
nach der Linie G - H von Fig 10
Fig. 10 zeigt den Achsnormalschnitt
durch diese Zylinderlaufbüchse nach der Linie J - K von Fig. 9.
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Fig. 11 zeigt den Axialschnitt durch ein Motorventil mit isolierter
Stirnfläche.
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Fig. 12 zeigt einen Normalschnitt durch eine Verbund-Isolierplatte
im Maßstab von etwa 10 : 1 (zehnfache Vergrößerung) Bei dem in Fig. 1 dargestellten
Verbrennungsmotor ist im Motorblockkörper 1 die Zylinderlaufbüchse 2 eingepreßt.
Stirnseitig befindet sich der Zylinderkopf 3. Der Kolben 4 mit Kolben boden 4a tragt
das ileuellager 5. Auf der Stirnseite des Kolbens 4 ist die Verbund-Isolierplatte
6/7 angeordnet, die aus der eigentlichen Isolierschichte 6 und der metallischen
Stützplatte 7 besteht.
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Bei dieser Ausführung der Verbund-Isolierplatte 6/7 is-t die metallische
Stütztplatte mit Ankerrippen 8 und Dehnschlitzen 9 versehen und die eigentliche
Isolierschichte 6 ist auf die metallische Stützplatte 7 aufgeschmolzen bzw. aufgesintert.
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Die Verbund-Isolierplatte 6/7 is-t mittels der Schraube 10 am Kolben
4 befestigt. Zur Kühlung der metallischen Stützplatte 7 sind im Kolbenboden 4a Kühlbohrungen
11 angeordnet.
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In der metallischen Stützplatte 7 ist die Gewindebohrung 10' angeordnet.
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geklemmte Die Innenseite des Zylinderkopfes 7 ist durch die/Verbund-Isolierplatte
6'/7' abgedeckt.
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Das Motorventil 12 ist an seiner innenfläche durch die Verbund-Isolierplatte
6''/7'' abgedeckt, die mittels des Gewindebolzens 13 am ventil 12 befestigt ist.
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Die Isolierung der Zylinderlaufbüchse 2 ist in zwei Konstruktionsvarianten
dargestellt. Links in ig. 1 ist im zylinderkopfseitigen Bereich in die zylindrischeLaufbüchse
2 ein Verbund-Isolierzylinder 14/15 eingepreßt, der aus dem eigentlichen Isolierzylinder
14 und dem metallischen Jtützmantel 15 bestehen.
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Rechts in Xig. 1 ist der eigentliche Isolierzylinder 14 direkt
auf
die mit Ankerrippen 8 und Dehnschlitzen 9 versehene Zylinderlaufbüchse 2 aufgeschmolzen.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Kolben 4 ist stirnseitig in der eigentlichen
Isolierschichte 6 eine zylindrische Ausnehmung 16 für die Treibstoffve-rbrenriung
vorgesehen. Durch das begrenzende Isoliermaterial dieser Ausnehmung 16 ist der Wärmeentzug
aus der Flamme stark abgemindert, was den spezifischen Treibstoffverbrauch des Motors
senkt. Im Betrieb begünstigt das sehr heiße Isoliermaterial auch die Zündung des
eingebrachten Treibstoffes.
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Zwischen der Verbund-Isolierplatte 6/7 und dem Kolben 4 ist eine
(kammprofillierte) Dichtung 17 angeordnet.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Kolben 4 ist stirnseitig in der eigentlichen
Isolierschichte 6 eine Muldenförmige Ausneh-.nung 16' für die reibstoffverbrennung
vorgesehen.
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Die Verbund-Isolierplatte 6/7 ist mittels der Dehnschrauben 18 und
der Dehnhülsen 19 am Kolben 4 befestig. In der metallischen Stützplatte 7 sind hierzu
Gewindebohrungen 10' angebracht.
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Ein Kolbenboden 4a ist nicht vorhanden.
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Die metallische Stützplatte 7 besitzt peripher eine ringförmige Bordwand
20 die innen mit Kämmen 21 versehen ist. Die eigentliche Isolierschichte 6 wird
mechanisch oder hydraulisch in die ringförmige Bordwand 20 eingepreßt, wobei sich
die Kämme 21 bleibend deformieren.
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ur besseren Übertragung der Gasdruckkräfte von der eigentlichen solierschichte
6 auf die metallische Stützplatte 7 ist zwischen diesen beiden Körpern eine elastische
Zwischenschichte 2@ mit kammprofiliertem Querschnitt angeordnet.
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Bei dem in Fig. 4 dargestellten Kolben 4 ist die metallische Stützplatte
7 ringförmige gestaltet. Hier stützt sich die elastische wischenschichte 22 direkt
auf den Kolbenboden 4a ab.
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Die ringförmige metallische Stützplatte 7 besitzt ebenfalzes ne ringförmige
3crdwan: 20, die mit einem federndem Zwischenring 23 verstiftet @@@. Letzterer kann
auch geschlitzt und gegebenenfalls aus gehärtetem Staht ausgeführt sein und umfaßt
die
eigentliche Isolierschichte 6. An der Innenseite des federnden Zwischenringes 23
sind wieder Kämme 21 vorgesehen. Das Zusammenfügen der Teile 6, 7 und 23 geschieht
wieder mechanisch oder hydraulisch.
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Das besondere Kennzeichen dieser Ausführungsform nach Fig. 4 besteht
darin, daß die Zugkräfte der Dehnschrauben 18 und Dehnhülsen 19 permanent direkt
in die eigentliche Isolierschichte 6 geleitet werden.
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bei dem in Fig. 4a dargestellten Kolben 4 besitt derselbe über dem
Kolbenboden 4a eine ringförmige, periphere Bordwand 4b die an ihrer Innenseite mit
Kämmen 21 versehen ist. In diese Bordwand 4b ist eine einteilige Isolierplatte 6x
eingepreßt, die eine kugelähnliche Ausnehmung 16'' für die Treibstoffverbrennung
besitzt. Zwischen Isolierplatte 6x und Bordwand 4b ist eine metallische Dichtung
17 angeordnet. Zwischen der Isolierplatte dX una dem Kolbenboden 4a befindet si:n
eine elastische Zwischenschicht 22 zur Kraftübertragung.
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Bei dem in Fig. 4b dargestellten Kolben 4 besitzt dieser über seinem
Kolbenboden 4a einen ringförmigen Verbindungswulst 4c der an seiner Innenseite ebenfalls
mit Kämmen 21 versehen ist.
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In diesen Verbindungswulst 4c ist die einteilige Isolierplatte 6x
eingepreßt, die an der den Flammengasen abgewandten Seite einen ringförmigen peripheren
Bordwulst 6aX und eine ringförlilige Äusnehmung 6bx besitzt.
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uie in Fig. 4b gezeigte Konstruktionsvariante eignet sich besonders
für Kolben, deren Material einen hohen Wärmeausdehnungskoeffitienten besitzt (Leichtinetallkolben)
Sowohl der in Fig 4a als auch der in Fig. 4b gezeigte Kolben zeichnet sich durch
gesondere konstruktive Einfachheit und Billigkeit der Herstellung aus.
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Bei dem in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellten Cberteil eines großen
Kolbens 4 i3t dessen Stirnseite durch eine zentrale Verbund-Isoli erplatte 60/70
und sechs periphere Verbund-lso Lierplatten 600/700 abgedeckt. Die zentrale Verbund-Isolierplatt
6°/7° ist zur Bildung einer zylinderförmigen Ausnehmung ib
gegenüber
den peripheren Verbund-Isolierplatten 600/700 zurückgesetzt.
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Ein großer Kolben kann auch durch mehrere einteilige Isolierplatten
6x abgedeckt sein, die in entsprechende Verbindungswülste oder Bordwände desselben
eingepreßt sind.
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Die in Pig. 7 und Fig. 8 dargestellte Verbund-Isolierplatte 61/71
für den Zylinderkopf 3 hat eine gemeinsame Öffnung 24 für die Motorventile 12 und
die Einspritzdüse bzw. Zündk-erze.
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Die eigentliche Isolierschichte 6' ist mittels des federnden Zwischenringes
23 in die mit peripherer Bordwand versehene etallische Stützplatte 7' eingepreßt.
Zwischen der eigentlichen Isolierschichte 6' und der metallischen Stützplatte 7'
ist eine elastische Zwischenschichte 22 angeordnet.
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Die in Fig. 9 und Fig. 10 bezeichnete Zylinderlaufb:chse 2 ist in
zwei Konstruktionsvarianten dargestellt.
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In der linken Hälfte ist in die Zylinderlaufbüchse 2 ein Verbund-Isolierzylinder
14/15 eingepreßt. Letzterer besteht aus dem metallischen Stützmantel 15 in den Isoliersegmente
14' eingepreßt sind.
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In der rechten Hälfte sind in di Ilit Kämmen 21 verseheisen Zylinucrlaufbüchse
2 ebenfalls Isoliersegmente 14' eingepreßt.
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Bei dem in Fig. 11 dargestellten Motorventil 12 ist die Verbund-Isolierplatte
6't/7'' durch einen Dehnbolzen 18' im Ventilschaft festgeschraubt. Die eigentliche
Isolierschichte 6'' ist mit dem federnden Zwischenring 23 in die metallische Stützplatte
7'' eingepreßt.
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bei der in 1?ig. 12 in vergrößertem Maßstab dargestellten Verbund-Isolierplatte
besteht die eigentliche Ioolierschichte 6 aus einer tragenden Grundschichte 6x,
einer porösen Zwischenschichte 6y und einer dünnen, dich-ten Deckschichte 6z.
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Die tragende Grundschichte Jx ist auf die metaliische Stützplatte
7 aufgeschmolzen oder aufgesintert. Die porö3e
Zwischenschichte
6y besteht aus Kügelchen des Isoliermaterials (Quarzglases) von 0,1 - 0,5 mm Durchmesser,
die unter Bildung von Hohlräumen aneinander gesintert sind. Diese Ilohlräume verringern
die Wärmeleitzahl des Quarzglases noch beträchtlich.
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Die poröse Zwischenschichte 6y kann auch aus Quarzglaswolle bestehen,
die unter hohem Druck zu einem festen Körper gepreßt ist. Die Stärke der porösen
Zwischenschichte 6y beträgt 1-5 mm.
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Die dichte Deckschichte 6z verhindert das Eindringen der Flammengase
in die poröse Zwischenschichte 6y. Die Stärke der dichten Deckschichte 6z beträgt
0,1 - 0,) (iitaximal 1) m.
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Auch eine Isolierpiatte 6x ohne metallische Stützplatte 7 (einteilige
Isolierplatte) kann aus einer tragenden Grundschichte 6x, einer porösen Zwischenschichte
6y und einer dichten Deckschichte 6z gebildet sein.
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Es sei noch erwähnt, daß sowohl Quarzglas als auch Siliziumnitrid
und Siliziumkarbid mit Sonderwerkzeugen mechanisch bearbeitbar sind wobei verhältnismäßig
kleine Maßtoleranzen eingehalten werden können.