DE3337899A1 - Kolben - Google Patents
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Description
PAT ETN TAN WALTE
3 DiPL.-ing. ALEX ST E N G E R
Kaiser-Friedrlch-Ring 70 DIPL.-I NG. WOLFRAM WATZKE
D-4000 DÜSSELDORF Xl DIPL.-ING. H EINZ J. RING
Unser Zeichen: j 2l^ 69Q 0^ 17. Oktober 1983
AE PLC Cawston, Cawston, Rugby, Warwickshire CV22 7SB, England
Kolben
Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen, bestehend
aus einem Kolbenkopf und einem Kolbenmantel.
Eine Punktion des Kolbenkopfes besteht darin, eine Begrenzung
des Verbrennungsraumes zu bilden, so daß das Material des Kolbenkopfes hohen Temperaturen widerstehen können muß. Daher ist es
üblich, den Kolbenkopf aus metallischem Material mit den erforderlichen
Hitze-Widerstands-Eigenschaften herzustellen. Eine Aufgabe des Kolbenmantels besteht darin, den Kolben in seiner Hinund-her-Bewegung
zu führen und, entsprechend, Maschinenleistungsverluste zu vermindern. Das Material des Kolbenmantels sollte
einen so geringen Reibungskoeffizient wie möglich haben und möglichst wenig zum Kolbengewicht beitragen. Obwohl im allgemeinen
für die Kolbsnköpfe geeignete metallische Materialien annehmbare Reibungskoeffizienten aufweisen und leichtgewichtig sind, gibt
es eine Anzahl anderer Materialien, wie einige Kunststoffmaterialier. die in dieser Hinsicht verbesserte Eigenschaften aufweisen. Allgemein
war es bislang nicht möglich, Kunststoffmaterialien zu verwenden, weil diese Materialien nicht in der Lage waren, den erhöhten
Temperaturen während des Betriebes standzuhalten.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen Kolben der eingangs genannten Art mit geringem Gewicht und geringem Reibungswiderstand zu schaffen.
<- ί
Als technische Lösung wird hierfür vorgeschlagen, daß
der Kolbenkopf aus metallischem Material und der Kolbenmantel mittels einer hitzeisolierenden Barriere voneinander getrennt
sind und der Kolbenmantel eine äußere Oberfläche aus Kunststoffmaterial aufweist. Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Erfindung wird u.a. der Vorteil erzielt 3 daß erstmals
erfolgreich Kolbenmäntel mit einer Kunststoffoberfläche verwendet und die günstigen Reibungs- und Gewichtseigenschaften solcher
Materialien genutzt werden können.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung, im Sinne nicht einschränkender Beispiele beschrieben, dabei wird
auf die Zeichnung Bezug genommen, in dieser zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht, z.T. im Schnitt, einer ersten
Form eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine;
Fig. 2 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 1, die eine Modifikation der ersten Form eines Kolbens zeigt;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Form eines Kolbens
für eine Brennkraftmaschine sowie
Fig. 4 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 3, die eine
Modifikation der zweiten Form eines Kolbens zeigt.
Gemäß Fig. 1 ist der Kolben für einen Benzin-oder einen' Dieselmotor
geeignet und besteht aus einem Kolbenkopf 10 und einem Kolbenmantel 11. Der Kolbenkopf 10 ist aus metallischem Material geformt,
z.B. aus Aluminium oder Alumiumlegierung, mittels Gießen, z.B. Preßgießen, und kann Bestandteile wie einen Verbrennungsraum
23 enthalten. Bei einem Kolben für Dieselmotoren kann der Verbrennungsraum
in seinem Mündungsbereich durch während des Gießens eingeführtes Verstärkungsmaterial verstärkt sein. Der Kolbenkopf
10 weist drei darin eingearbeitete Kolbenringnuten 12 auf, die mit verschleißfestem Material, das ebenfalls während des Gießens
in den Kolbenkopf eingeführt wird, verstärkt sein können. Zwei verjüngte Kolbenbolzenaugen 13 erstrecken sich von der Unterseite,
'radial innerhalb der gekrümmten Oberfläche des Kolbenkopfes 10. Die Kolbenbolzenaugen (Augen) 13 weisen miteinander fluchtende
Kolbenbolzenbohrungen (Bohrungen) 14 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens
(Bolzens) 15 auf. Gemäß einer alternativen, nicht darge-
-H-
QQPf ·
stellten, Ausführungsform können die Augen 13 parallel sein.
Der Kolbenmantel 11 ist aus Kunststoffmaterial derart hergestellt,'
da/3 eine den zugehörigen Zylinder oder die zugehörige Laufbuchse berührende Kolbenmanteloberfläche aus Kunststoff vorhanden ist.
Ein Paar diametral gegenüberliegender Kolbenbolzenbohrungen (Bohrungen) 16 ist vorgesehen, und der Kolbenmantel 11 paßt über
die Kolbenbolzenaugen 13 des Kolbenkopfes 10. In dieser Position fluchten die Kolbenbolzenbohrungen l6 des Kolbenmantels mit den
Kolbenbolzenbohrungen l4 des Kolbenkopfes, so daß der Kolbenbolzen
15 durch alle vier Bohrungen 14,16 hindurch paßt, um den Kolbenkopf
10 mit dem Kolbenmantel 11 gelenkig zu verbinden. Sprengringe 17 halten den Kolbenbolzen 15 in Position. Auf diese Weise entsteht
eine durch den Luftspalt zwischen dem Kolbenkopf 10 und dem Kolbenmantel 11 gebildete hitzeisolierende Barriere, welche den Wärmefluß
von dem Kolbenkopf 10 zu dem Kolbenmantel 11 begrenzt.
Dieses vermindert die Temperatur des Kolbenmantels 11 und gestattet
es, den Kolbenmantel entweder aus hochtemperaturwiderstandsfähigem Kunststoffmaterial herzustellen, wie Polyetheretherketon, Polyetherketon,
einer Kunststoffmischung aus einem aromatischen Polyetherketon und einem Polyarylensulfid (wie in der britischen Patentanmeldung
Nr. 8 131 821 beschrieben), einer Polyparahydroxybenzoesäure oder einem silikonmodifizierten Polyester oder einem PoIyetherimid
oder einem Polyimid oder aus jedem anderen, weniger temperaturwiderstandsfähigen
Kunststoffmaterial, das ausreichende Festigkeit und die Fähigkeit besitzt, einen effektiven Schmierfilm
zu bilden, wie z.B. Polytetrafluoräthylen (Teflon) oder Nylon. Das Kunststoffmaterial kann mit Glas, Metall, organischen oder
Metalloxid-Fasern oder -Drähten verstärkt sein. Der Kolbenmantel 11 kann durch Extrudieren oder Spritzgießen hergestellt sein oder
durch Pressen und Erhärten von Kunststoffstäuben oder durch Sprühen
oder jede andere geeignete Kunst.stofformgebungsmaßnahme.
Wenn das Kunststoffgemisch verwendet wird, kann es aus PoIyetherketon
und Polyphenylsulfid im Gewichtsverhältnis zwischen
95 :.5 und 5 : 95 hergestellt sein. Dieses Gemisch hat eine für
Kolbenmäntel geeignete Dauerfestigkeit und auch die Eigenschaft
einen effektiven Schmierfilm auf seiner Oberfläche zu bilden, r-o daß, im Gebrauch, der Kolbenmantel 11 angemessen geschmiert ist.
Das Gemisch kann hergestellt werden durch Flüs.sigvermischen, unter Verwendung von Benzylbenzoat als Lösungsmittel oder durch
Schmelzmischen. Dies wird in der britischen Patentanmeldung 8 131 821 beschrieben.
In der Fig. 2 werden die der Fig. 1 entsprechenden Teile mit denselben
Bezugszeichen versehen und nicht mehr im Detail beschrieben. In der Modifikation gemäß Fig. 2 wird der Kolbenmantel 11 aus
zwei Teilen gebildet: einem Stützelement 11a aus metallischem Material, wie Aluminium oder Aluminiumlegierung, umgeben von einer
im wesentlichen zylindrischen Manschette 11b aus einem Kunststoffmaterial wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben. Die Manschette
11b bildet also die Kolbenmanteloberfläche. Die Kolbenbolzenbohrungen
16 des Kolbenmantels durchdringen das Stützelement 11a sowie die Manschette 11b, wobei der Sprengring 17 mit dem metallischen
Stützelement 11a zusammenwirkt.
Die Manschette llb-kann in jeder beliebigen im Zusammenhang mit
Fig. 1 beschriebenen Methode hergestellt werden.
Die modifizierte Ausführungsform hat den Vorteil, daß das metallise
Stützelement 11a dem Kolbenmantel 11 Steifigkeit verleiht und dazu beiträgt, Hitze nach unten von dem Kolbenbolzen 15 wegzuleiten.
Außerdem ist das metallische Stützelement 11a besser in der Lage als das Kunststoff material der Manschette lib, j rn Betrieb durch den
Kolbenbolzen 15 darauf einwirkende Kräfte aufzunehmen.
333V899
Die in Pig. 3 dargestellte zweite Form eines Kolbens ist für den Gebrauch in Dieselmotoren geeignet und besteht aus einem Kolbenkopf
20 und einem Kolbenmantel 21. Der Kolbenkopf 20 weist eine ; Kopfplatte 22 aus eisenhaltigem Materials wie rostfreiem Stahl,
auf und ist mit einem Verbrennungsraum 23 ausgestattet. Ein Ring 2·Μ mit U-förmigem Querschnitt, ebenfalls aus eisenhaltigem Material,
wie rostfreiem Stahl, ist an der Peripherie der bodenseitigen Oberfläche der Kopfplatte· 22angeschweißt oder angelötet.
Die bodenseitige Oberfläche des Ringes 2k wiederum ist an ein darunter liegendes Zwischenelement 25, das die gleiche Fläche
wie die Kopfplatte 22 aufweist und aus metallischem Material, wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, angeschweißt
oder angelötet oder mit ihm diffusionsverbunden. Ein Stapel von Ringscheiben oder Dichtungsscheiben 27s die (zum Zwecke des
Verminderns des Wärmeübergangs) durch Oxidieren aufgerauht sind, ist zwischen der Kopfplatte 22 und dem Zwischenelement 25»
unterhalb des Verbrennungsraumes 23 angeordnet.
Auf diese Weise wird eine abgedichtete Hauptkammer 28 zwischen der
Kopfplatte 22 und dem Zwischenelement 25 sowie eine abgedichtete Nebenkammer 29 zwischen dem Ring 2*J und der Kopfplatte 22 gebildet.
Diese Kammern können Luft oder ein Vakkuum und/oder (nicht dargestellt) ein Isoliermaterial enthalten. Hierdurch wird eine
hitzeisolierende Barriere zwischen der Kopfplatte 22 und dem Zwischenelement 2 5 geschaffen.
Das Zwischenelement 25 bildet gleichzeitig einen Bestandteil des Kolbenkopfes und einen Stützbereich 32 des Kolbenmantels 21. Die- j
ser Stützbereich 32 trägt auf seiner äußeren Oberfläche eine Man- ;
schette 33 aus einem der Kunststoffmaterialien, wie sie im Zu- I
sarnmenhang mit Fig. 1 beschrieben wurden, und zwar verstärkt j oder unverstärkt und, mit Rücksicht auf die Gegenwart der iso- j
lierenden Kammern 28, 29, hochtemperaturwiderstandsfähig oder j
nicht. Die Manschette 33 bildet die Kolbenmanteloberfläche und wird in irgendeiner der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen
Methoden hergestellt.
Das Zwischenelement 25 ist mit drei Kolbenringnuten 30 und Kolbenbolzenbohrungen
31 ausgestattet, welch letztere ebenfalls durch die Manschette 33 hindurchgehen.
In der Fig. Λ4 sind gleiche Teile wie in der Fig. 3 mit denselben
Bezugsziffern versehen und nachfolgend nicht einzeln beschrieben. Die Modifikation gemäß Fig. 4 besteht in einer zusätzlichen hitzeisolierenden
Barriere 26 zwischen den Kammern 28, 29 und dem Γ- Zwischenelement 25; sie kann aus porösem Metallmaterial, wie verkitteten
Metalldrähten oder Bändern oder dreidimensionalen Maschen oder einem unter dem Handelsnamen RETIME1J.* das am Kopfende des
Zwischenelementes 25 gehalten ist, bestehen. Dies kann erreicht werden durch Anordnen des porösen Metallmaterials in einer Form
und anschließendes Darübergießen des Zwischenelementes, wobei das Metall in das poröse Material nur teilweise eindringt.
Der Gießprozeß kann ein Preßgießprozeß sein.
In diesem Fall wird die bodenseitige Oberfläche des Ringes 24 wiederum an das poröse Metallmate^rial angeschweißt, gelötet oder
mit ihm diffusionsverbunden. ;
' Em Vorzug besteht darin, daß das Kunststoffmaterial des Kolbenmantels,
welches weiter oben im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben wurde, nicht einheitlich dasselbe Material sein muß.
Z.B. kann das kolbenkopfseitige Ende des Kolbenmantels aus einem
stärker hitzewiderstandsfähigem Kunststoffmaterial und das vom Kolbenkopf abgewandte Ende des Kolbenmantels aus einem weniger
hitzewiderstandsfähigem Kunststoffmaterial bestehen.
Der Kolbenmantel muß sich nicht um den gesamten Kolben herum erstrecken,
vielmehr kann er sich über Teilbereiche erstrecken und
* vertriebenem Material ©CTP^ j
in Segmenten ausgeführt sein. Das Kunststoffmaterial sowie falls
vorgesehen - das Stützelement können miteinander verbunden sein und diese Verbindung kann mittels jeden geeigneten Verfahrens
erfolgen. Das Verbinden kann mit einem metallischen Stützelement in Form eines Bleches erfolgen, gefolgt vom Biegen dieses Verbundes
unter Herstellung des Kolbenmantels. Der Kolbenmantel kann an den Kolbenkopf in jeder im Zusammenhang mit den Zeichnungen
beschriebenen Weisen verbunden werden. Alternativ können der Kolbenkopf und das oder die Stütztelement(e) einstückig geformt
sein und das Kunststoffmaterial in einem nachfolgenden Schritt auf das oder die Stützelement(e) aufgebracht werden.
333789
10 Kolbenkopf
11 Kolbenmantel 11a Stützelement
11b Manschette (Kunststoffelement)
12 Kolbenringnut
13 Kolbenbolzenaugen (Augen)
14 Kolbenbolzenbohrung (Bohrung)
15 Kolbenbolzen (Bolzen)
16 Kolbenbolzenbohrung (Bohrung)
17 Sprengring
20 Kolbenkopf
21 Kolbenmantel
22 Kopfplatte
23 Verbrennungsraum
24 Ring
25 Zwischenelement
26 hitzeisolierende Barriere (Material)
27 Dichtungsscheibe
28 Hauptkammer (Kammer)
29 Nebenkammer
30 Kolbenringnut
31 Kolbenbolzenbohrung
32 Stützbereich
33 Manschette
Claims (11)
1./Kolben für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Kolbenkopf und einem Ko-lbenmantel,
dadurch gekennzeichnet, •daß der Kolbenkopf (10;20) aus metallischem Material und der Kolbenmantel (11;21) mittels einer hitzeisolierenden Barriere voneinander getrennt sind und der Kolbenmantel eine äußere Oberfläche aus Kunststoffmaterial aufweist.
dadurch gekennzeichnet, •daß der Kolbenkopf (10;20) aus metallischem Material und der Kolbenmantel (11;21) mittels einer hitzeisolierenden Barriere voneinander getrennt sind und der Kolbenmantel eine äußere Oberfläche aus Kunststoffmaterial aufweist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Kunststoffmaterial aus einem Polyether-Etherketon oder einem Polyetherketon oder einer Kunststoffmischung aus einem aromatischen
Polyetherketon und einem Polyarylensulfid oder einer
Polyparahydroxybenzoesäure oder einem silikonmodifizierten
Polyester oder einem Polyetherimid oder einem Polyimid besteht.
D
.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß das
Kunststoffmaterial mit Glas- oder Metall- oder organischen oder Metalloxid-Pasern oder -Drähten verstärkt ist.
k. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 35 dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolbenmantel ein metallisches Stützelement (lla) aufweist,
das auf einer äußeren Oberfläche ein die Kunststoffoberfläche des Kolbenmantels bildendes Kunststoff element (Hb)
trägt.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffelement
(lib) als im wesentlichen zylindrische, sich um die äußere Oberfläche des metallischen Stützelementes erstreckende
Manschette ausgebildet ist.
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolben ein angelenkter Kolben mit einem getrennt von dem Kolbenmantel (11) ausgebildeten Kolbenkopf (10) ist und
der Kolbenkopf und der Kolbenmantel korrespondierende Kolbenbolzenbohrungen (11,16) zum gegenseitigen Verbinden mittels
eines Kolbenbolzens (15) aufweisen, und daß ein Luftspalt zwischem dem Kolbenkopf und dem Kolbenmantel eine hitzeisolierende
Barriere bildet.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die hitzeisolierende Barriere eine abgedichtete im Kolbenkopf (20) vorgesehene Kammer (28) aufweist.
8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (28) ein Vakuum enthält.
9. Kolben nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kolbenkopf (20) eine mit dem Rest des Kolbenkopfes an dessen Peripherie verbundene aber von dem Rest des Kolbenkopfes innerhalb
der Peripherie unter Ausbildung der Kammer (28) beabstandete Kopfplatte (22) aufweist.
10. Kolben nach einem der Ansprüche 7 bJc 9, gekennzeichnet durch
eine weitere hitzeisolierende Barriere (26) in Form einer sich über die an die Kammer angrenzende Oberfläche des Kolbenkopfes
erstreckenden Schicht aus hitzeisolierendem Material.
11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzeisolierende
Material (26) ein im Kolbenkopf (20) enthaltenes poröses Metall-Material aufweist.
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