DE3214093A1

DE3214093A1 - Kolben fuer verbrennungskraftmaschinen mit einem seine brennraumnahen wandteile abdeckenden einsatz

Info

Publication number: DE3214093A1
Application number: DE19823214093
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl.-Ing. 8540 Schwabach Rösch
Original assignee: Alcan Aluminiumwerk Nuernberg GmbH; Alcan Aluminiumwerke GmbH
Current assignee: Novelis Deutschland GmbH
Priority date: 1982-04-16
Filing date: 1982-04-16
Publication date: 1983-10-20
Also published as: FR2525281B1; FR2525281A1; DE3214093C2

Description

HOFFMANN · ETTElS ^PARTNER

PAT E N TAN WALT E

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · Dl PL.-I NG.W. EITLE . DR. RER. NAT. K.HO FFMAN N · Dl PL.-I NG. W. LEHN

DIPL.-ING. K.FOCHSLE . DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 MO N C H EN81 . TELEFON (089) 911087 . TE LEX 05-29619 (PATHE)

v/er

Alcan Aluminiumwerk Nürnberg GmbH/ 6000 Prankfurt am Main

Kolben für Verbrennungskraftmaschinen mit einem seine brennraumnahen Wandteile abdeckenden Einsatz

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungskraftmaschinen mit einem seine brennraumnahen Wandteile abdeckenden/ aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff/ insbesondere Keramik, bestehenden Einsatz, der mit dem Kolbengrundkörper kraft- und formschlüssig verbunden ist.

Die Suche nach einer verbesserten Wirtschaftlichkeit von Verbrennungskraftmaschinen hat u.a. zu Überlegungen geführt, bei Kolben möglichst große Flächen der brennraumnahen Wandteile durch Einsätze, insbesondere aus Keramik, thermisch zu isolieren. Zur Verwirklichung

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dieser Überlegungen sind verschiedene konkrete Vorschläge gemacht worden.

Nach einem Lösungsvorschlag wird der Keramikeinsatz mit dem Kolbengrundkörper mittels einer Gewindeanordnung verbunden. Dies kann unmittelbar dadurch erfolgen, daß der Einsatz im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und an seiner Umfangsflache ein Außengewinde aufweist/ das in ein Innengewinde der Brennraummulde des Kolbens eingeschraubt wird (US-PS 2 870 754) . Die Verschraubung des Einsatzes mit dem Kolbengrundkörper kann aber auch mittelbar dadurch erreicht werden/ daß ein weiteres Bauteil mit dem Kolbengrundkörper verschraubt ist und zwischen diesem Bauteil und dem Kolbengrundkörper der Einsatz formschlüssig gehalten ist (DE-OS 27 36 815). Eine vergleichbare formschlüssige Fixierung des Einsatzes am Kolbengrundkörper kann auch dadurch erreicht werden, daß das Bauteil, das zusammen mit dem Kolbengrundkörper den Einsatz fixiert/ mit dem Kolbengrundkörper oder einem weiteren Bauteil des Kolbens verschweißt ist (ebenfalls DE-OS 27 36 815).

Da aber auf Kolben hohe dynamische Kräfte wirken, ist bei den angesprochenen Schraub- bzw. Klemmlösungen die Gefahr gegeben, daß sich die Einsätze schnell lockern.

Im Hinblick auf diese Gefahr hat man schon versucht/ den Einsatz nicht nur formschlüssig, sondern auch kraftschlüssig zwischen dem der Fixierung dienenden Bauteil und dem Kolbengrundkörper zu halten.

Hierzu wurden Federanordnungen, vorgesehen, die den Einsatz unter Vorspannung auf den Kolbengrundkörper drücken (ebenfalls DE-OS 27 36 815). Selbst bei einer hohen Vorspannung kann aber nicht in allen Fällen die hohe Wärmeausdehnung des Kolbengrundkörpers in bezug auf den Einsatz selbst kompensiert werden.

Nach einem weiteren Lösungsvorschlag der eingangs vorausgesetzten Art ist der Einsatz mit dem Kolbengrundkörper kraft- und formschlüssig verbunden (ebenfalls DE-OS 27 36 815). Der Kraftschluß wird dadurch herbeigeführt, daß durch Erwärmen des Kolbengrundkörpers und durch anschließendes Abkühlen desselben ein Schrumpfsitz zwischen dem Kolbengrundkörper und dem Einsatz erzielt wird. Der zusätzliche Formschluß ergibt sich durch eine hinterschnittene Ausbildung des Einsatzes und eine kongruente Ausbildung des den Einsatz umgebenden Wandteils des Kolbengrundkörpers bzw. des mit dem Kolbengrundkörper verbundenen Bauteils des Kolbens, der den Einsatz umgibt.

Bei der zuletzt angesprochenen Lösung weist allerdings der Einsatz eine relativ große Wandstärke auf, während demgegenüber die den Einsatz umgebenden Wandteile des Kolbengrundkörpers bzw. des angesprochenen Bauteils eine geringe Wandstärke aufweisen. Aufgrund dessen ist die mit Schrumpfsitz zu erzielende Vorspannung zwischen Kolbengrundkörper und Einsatz nur gering mit der Folge, daß bei Betriebstemperatur des Kolbens und der dabei eintretenden hohen Wärmeausdehnung des Kolbengrundkörper-Werkstoffs die

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Vorspannung so weit erniedrigt wird, daß der Einsatz nicht mehr ausreichend am Kolbengrundkörper fixiert ist. Aufgrund der relativ großen Wandstärke des Einsatzes treten darüber hinaus im Einsatz selbst große Wärme· Spannungen und -dehnungcn auf mit der Folge eines Reißens bzw. Brechens des Keramik-Einsatzes. Beides kann zu einem Versagen des Kolbens und damit einer Zerstörung des damit ausgerüsteten Verbrennungsmotors führen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kolben mit einem Einsatz, insbesondere aus Keramik, dahingehend weiterzubilden, daß bei einfacher Bauweise der Einsatz auch bei hohen dynamischen und thermischen Belastungen sowohl sicher mit dem Kolbengrundkörper verbunden ist bzw. bleibt als auch der Einsatz selbst nicht beschädigt wird, so daß sich insgesamt der Kolben auch bei extremen Bedingungen durch eine hohe Standzeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird bei einem Kolben der vorausgesetzten Art dadurch gelöst, daß der Einsatz mehrteilig ausgebildet ist und die Wandstärke der Einsatzteile im wesentlichen kleiner ist als die der den Einsatz im wesentlichen umgebenden Wandteile des Kolben-5 grundkörper s.

Aufgrund der mehrteiligen Ausbildung des Einsatzes des erfindungsgemäßen Kolbens sind die in den einzelnen Teilen des Einsatzes auftretenden Wärmespannungen und thermischen Dehnungen geringer als bei einem einteiligen Einsatz, so daß bei dem erfindungsgemäßen

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Kolben der Einsatz weniger beansprucht ist und deshalb eine längere Lebensdauer besitzt. Die' mehrteilige Ausbildung des Einsatzes des erfindungsgemäßen Kolbens ermöglicht zugleich, die Wandstärke der Einsatzteile zumindestens über deren größeren Flächenteile kleiner zu bemessen als die der den Einsatz im wesentlichen umgebenden Wandteile des Kolbengrundkörpers.,Damit wird erreicht/ daß die relativ dünnwandigen Teile des Einsatzes während des Herstellungsprozesses des Kolbens mit einer relativ dickwandigen Zone des Kolbenwerkstoffes umgeben werden, wodurch die Teile des Einsatzes sehr gut verankert werden. Dadurch wird sowohl eine ausgezeichnete kraft- als auch formschlüssige Verbindung des Einsatzes bzw. dessen Teile mit dem Kolben erreicht.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Einsatz längs mindestens einer Teilungslinie geteilt. Auf diese Weise besteht der Einsatz aus mindestens einem z.B.

kreisförmigen Teil und mindestens einem diesen Teil umgebenden ringförmigen Teil. Beide Teile können durch Hinterschneidungen oder dergleichen sowohl form- als auch kraftschlüssig in den Kolbengrundkörper eingelagert und darin sicher fixiert sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel empfiehlt es sich, den z.B. kreisförmigen Teil des Einsatzes, der im wesentlichen den Boden der Brennraummulde abdeckt, dickwandiger auszubilden als den ringförmigen Teil des Einsatzes, der die Umfangsflache der Brennraummulde isoliert. Damit ist die Wandstärke der Teile des Einsatzes, entsprechend deren unterschiedlicher thermischer Belastung angepaßt. Dadurch wird bei

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materialsparendem Einsatz von Keramik eine optimale thermische Isolierung der brennraumnahen Wandteile des Kolbens erreicht.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Teilungslinie des Einsatzes zwischen dessen Teile als eine Sollbruchstelle ausgebildet. Dies bedeutet/ daß der Einsatz "einteilig" in den Kolbengrundkörper eingebaut wird. Während des Betriebs des Kolbens kann aber die Sollbruchstelle reißen mit der Folge, daß dann ein mehrteiliger Einsatz vorliegt mit den geschilderten technischen Vorteilen.

Bei einem möglichen Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kolbens ist es zweckmäßig, daß die Teile des Einsatzes im Rohzustand teilweise oder insgesamt durch Verklebungen verbunden sind. Dadurch ist eine einfachere Handhabung des Einsatzes und damit ein herstellungstechnisch einfacher Einbau des Einsatzes in den Kolben erreicht. Die Verklebungen können vor oder während des Betriebs des Kolbens gelöst werden. Es ist aber auch möglich/ einen thermoplastischen Kleber zu verwenden, so daß die Teile des Einsatzes zwar miteinander verbunden sind bzw. bleiben, aber trotzdem eine ausreichende Beweglichkeit der'Teile des Einsatzes untereinander gegeben ist.

Nach einem anderen möglichen Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Kolbens ist der Einsatz im Rohzustand einteilig und ist die Teilungslinie zwischen den Teilen des Einsatzes durch einen bzw. mehrere

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Einschnitte vorgegeben/' längs dem bzw. denen bei der Fertigbearbeitung die Teile getrennt werden. Auch auf diese Weise kann mit einem "einteiligen" Einsatz bei der Herstellung des Kolbens zum Zwecke der Vereinfachung gearbeitet werden.

Der Einsatz besteht aus geeigneten Hochtemperatur" Keramiken. Aus einer Vielzahl möglicher Keramiken erfüllen Aluminiumtitanat,. Siliziumnitrid/ Siliziumkarbid und verschiedene Arten von Glaskeramik die Anforderungen am besten. Der Einsatz kann, durch Schlicken _f Gießen, Heißpressen, Sintern oder dergleichen hergestellt werden.

Der Kolben bzw. der Kolbengrundkörper selbst besteht bevorzugt aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierung. Er wird durch Gießen hergestellt, wobei zugleich der Einsatz eingegossen wird.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kolbens werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert..Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens, 25

Fig. 2 einen Axialschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbens, bei dem der Einsatz eine Sollbruchstelle aufweist,

Fig. 3 im Axialschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbens, bei dem die Teile des Einsatzes im Rohzustand teilweise oder vollständig miteinander verklebt sind, und

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Fig. 4 im Axialschnitt ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbens, bei dem der Einsatz im Rohzustand einteilig ist, und die Teilungslinie zwischen den Teilen durch einen Einschnitt vorgegeben ist, längs dem bei der Fertigbearbeitung die Teile des Einsatzes getrennt werden.

In den Figuren sind die gleichen Bauteile des Kolbens durch die gleichen Bezugszeichen markiert. Dabei ist der Grundkörper des Kolbens jeweils mit 10 und der Einsatz insgesamt mit 20 bezeichnet.

Bei dem Ausführunasbeispiel nach Fig. 1 wie auch beiden übrigen besteht der

Einsatz 20 aus Keramik aus zwei Teilen 21 und 22.

Der Teil 21 des Einsatzes 20 ist im wesentlichen kreisförmig ausgebildet und bedeckt den Boden der insgesamt mit 30 bezeichneten Brennraummulde. Der Teil 22 ist im wesentlichen ringförmig ausgebildet, umgibt den Teil 21 und deckt die Umfangs-

wand der Brennraummulde 30 ab. Die beiden Teile 21 und 22 des Einsatzes 20 sind durch eine Teilungsfuge 23 getrennt, die durch einen zur Kolbenachse konzentrischen Kreis dargestellt ist.

Insbesondere der Teil 22 weist eine Wandstärke 24 auf/ die kleiner ist als die Wandstärke 11 des diesen Teil des Einsatzes 20 umgebenden Wandteils des Kolbengrundkörpers 10. Der Teil 21 des Einsatzes 20 besitzt nur in seinem mittleren Bereich eine erhöhte Wandstärke, um der Brennraummulde 30 die übliche Form zu verleihen. Sowohl der Teil 21 als auch der Teil 22 des Einsatzes 20 weisen Hinterschneidungen 25 bzw· 26 auf, so daß

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sich eine formschlüssige Einlagerung des Einsatzes 20 bzw. dessen Teile 21 und 22 in den Kolbengrundkörper 10 ergibt. Darüber hinaus ist eine kraftschlüssige Fixierung des Einsatzes 20 in dem Kolbengrundkörper 10 dadurch erzielt, daß der Kolbengrundkörper auf den Einsatz 20 aufgeschrumpft ist. Dies ergibt sich entweder beim Umgießen des Einsatzes bei der Herstellung des Kolbens oder durch eine entsprechende Wärme-Nachbehandlung. Auf diese Weise ist der Einsatz 20 bzw. sind dessen Teile 21 und 22 auch bei hohen dynamischen■und thermischen Belastungen des Kolbens sicher fixiert.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Teilungslinie 27 zwischen den beiden Teilen 21 und 22 des Einsatzes als Sollbruchstelle ausgebildet. Der Einsatz 20 wird einteilig in den Kolbengrundkörper 10 eingebaut. Vor oder während des Betriebs brechen die beiden Teile 21 und 22 längs der Sollbruchstelle 27 auseinander, so daß ein zweiteiliger Einsatz 20 vorliegt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die beiden Teile 21 und 22 längs der Teilungslinie 28 teilweise oder vollständig durch einen geeigneten Kleber miteinander' verklebt . Die Verklebung längs der Teilungslinie 28 kann dadurch aufgehoben werden, daß, wie durch strichlierte Linie angedeutet, bei der Fertigbearbeitung des Kolbens bzw. des Einsatzes entsprechend Werkstoff von dem Einsatz abgetragen wird.

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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der Einsatz 20 im Rohzustand ebenfalls einteilig. Die Teilungslinie zwischen den zwei Teilen 21 und 22 ist durch einen Einschnitt 29 vorgegeben. Bei der Fertigbearbeitung - wie durch die str'ichlierte Linie angedeutet werden die beiden Teile 21 und 22 längs des Einschnittes 29 getrennt.

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Leerseite

Claims

PAT E N TAN WALT E

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . Dl PU-I N G. W. EITLE . D R. RER. NAT. K. H O FFMAN N · Dl PL.-1 NG. W. LEH N

DIPL.-ING. K. FOCHSLE . DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 M 0 NCH EN 81 . TELE FON (089) 911087 · TELEX 05-29419 (PATHE)

v/er Alcan Aluminiumwerk Nürnberg GmbH, 6000 Frankfurt am Main

Kolben für Verbrennungskraftmaschinen mit einem seine brennraumnahen Wandteile abdeckenden Einsatz

Patentansprüche:

Kolben für Verbrennungskraftmaschinen mit einem seine brennraumnahen Wandteile abdeckenden, aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff, insbesondere Keramik, bestehenden Einsatz, der mit dem Kolbengrundkörper kraft- und formschlüssig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (20) mehrteilig (21, 22) ausgebildet ist und die Wandstärke (24) der Einsatzteile (z.B. 22) im wesentlichen kleiner ist als die der den Einsatz (20) im wesentlichen umgebenden Wandteile (11) des Kolbengrundkörpers (10) .
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet/ daß der Einsatz (20) längs mindestens einer Teilungslinie (23; 27; 28; 29) geteilt ist, die _?,b. durch einen Kreis dargestellt ist. ":■ . V- ■ . ■
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet / daß die Teilungslinie (27) des Einsatzes 20) als eine Sollbruchstelle ausgebildet ist (Fig. 2).
4. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet / daß die Teile des Einsatzes im Rohzustand teilweise oder insgesamt durch Verklebungen verbunden sind (Fig. 3).
5. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Einsatz im Rohzustand einteilig ist und die Teilungslinie zwischen den Teilen durch Einschnitte vorgegeben ist/ längs denen bei der Fertigbearbeitung die Teile des Einsatzes getrennt werden (Fig. 4).