DE3631279A1 - Kolben fuer eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Verbrennungs­ kraftmaschine, bestehend aus einem Kolbenschaft, auf dem ein Kolbenboden befestigt ist, der eine Brennraum­ mulde enthält.

Überlegungen hinsichtlich der Optimierung von Verbren­ nungsabläufen in Verbrennungskraftmaschinen führten dazu, die Brennräume der Zylinder von den übrigen Motorenteilen zu isolieren. Der Wirkungsgrad des Motorprozesses sollte erhöht werden, weil der an das Kühlsystem abgeführte An­ teil der Verbrennungswärme auf ein Minimum herabgesetzt wird. Der spezifische Kraftstoffverbrauch sowie die Schad­ stoffemission sollten vermindert werden.

Eine der konstruktiven Lösungen besteht darin, den Kolben­ boden aus einem Werkstoff geringer Wärmeleitfähigkeit zu fertigen. Der Kolbenboden besteht dabei in der Regel aus einem Keramikteil, in dem auch, je nach Bauart, eine Brennraummulde eingearbeitet sein kann. Ein Beispiel für solch eine ausgeführte Kolbenbodenisolierung mit einem auf den Kolbenschaft aufgesetzten Kolbenboden aus Keramik ist in der DE-OS 27 57 668 beschrieben.

Untersuchungen der Anmelderin haben aber ergeben, daß die oben angeführten Überlegungen und die theoretischen Be­ rechnungen nicht mit Versuchsergebnissen übereinstimmen. Bei der Brennraumisolierung mit keramischem Werkstoff stieg der Kraftstoffverbrauch an und ein unerwünschter An­ stieg des NOx-Gehalts der Abgase wurde ebenfalls festge­ stellt.

Beide Effekte werden auf eine Änderung des Gemischbildungs­ und Verbrennungsablaufes zurückgeführt, die durch die stark erhöhten Oberflächentemperaturen im Bereich der mit Keramik oder sonstigen, schlecht wärmeleitfähigen Werk­ stoffen ausgekleideten Mulde hervorgerufen wird. Die Grün­ de liegen in dem nichtlinearen überproportionalen Anstieg des Wärmeübergangskoeffizienten bei hohen Brennraumwand- Temperaturen.

Andererseits ist aber eine Wärmeisolation, besonders des Kolbenbodens, erwünscht. Diese Isolation bewirkt eine thermische Entlastung des Kolbens, insbesondere sinkt die als kritisch angesehene Temperatur der ersten Ringnut. Die Leistung des Motors kann deshalb gesteigert werden und der Kolbenlauf verbessert sich.

Aufgabe der Erfindung ist es, aufgrund der gegensätzlichen Wirkungen der Kolbenisolierung den Kolbenboden einer Ver­ brennungskraftmaschine so zu gestalten, daß gute Laufei­ genschaften erreicht werden, ohne Verschlechterung der Verbrennungs- und Abgasqualität.

Die Aufgabe wird mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß besteht der Kolbenboden mit Ausnahme der Brennraummulde aus mindestens einer Werkstoffschicht ge­ ringer Wärmeleitfähigkeit mit dichter Oberfläche. Die Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit bewirkt, daß in den Bereichen, wo sie aufgebracht ist, die in den Kol­ ben eingebrachte Wärme stark reduziert wird. Dadurch er­ gibt sich eine geringere thermische Belastung des Kolbens, besonders im Bereich der Kolbenringe.

Die Brennraummulde, die der höchsten thermischen Belastung ausgesetzt ist, ist nicht isoliert, so daß die entstehende Wärme gut abgeführt werden kann. Dadurch vermindert sich in vorteilhafter Weise die Temperatur der Brennraummulde unter die Temperatur einer isolierten Brennraummulde. Das hat eine positive Auswirkung auf die Gemischbildung und den Verbrennungsablauf. Der Brennstoffverbrauch und die Schadstoffemission sinken gegenüber dem Kolben mit iso­ lierter Brennraummulde.

Die Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit kann aus einem Metall bestehen, wie beispielsweise Eisenlegierungen, die für den Einsatz in dem Brennraum einer Verbrennungs­ kraftmaschine geeignet sind und gleichzeitig die Eigen­ schaft einer geringern Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Die Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit kann aber auch aus einem keramischen Werkstoff bestehen. Dieser ke­ ramische Werkstoff kann als eine Spritzschicht aufgebracht werden oder als eine Platte auf dem Kolbenschaft aufge­ schraubt werden. In vorteilhafter Weise lassen sich durch Spritzen aufzubringende Werkstoffe leicht verarbeiten, während sich die zu Platten geformten keramischen Werk­ stoffe, die beispielsweise aufgeschraubt sind, nach einer Beschädigung leicht auswechseln lassen.

Die Oberfläche der Werkstoffschichten geringer Wärmeleit­ fähigkeit, die den Brennraum begrenzen, sollen eine dichte und glatte Oberfläche aufweisen. Dadurch wird sehr stark die Möglichkeit verringert, daß sich Verbrennungsrückstän­ de auf der Oberfläche festsetzen und die Wärmeleitfähig­ keit beeinflussen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Kolbenboden aus einer schichtweisen Kombination der Werkstoffschichten geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen. Beispielsweise ist es möglich, metallische und keramische Werkstoffschichten miteinander zu kombinieren, um einerseits dadurch eine op­ timale Isolationswirkung zu erreichen und andererseits ei­ ne bestimmte, erwünschte Festigkeit.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Erfindung ist die lösbare Verbindung der Werkstoffschichten geringer Wärme­ leitfähigkeit mit dem Kolbenschaft. Bei Verschleiß oder Beschädigung lassen sich die Werkstoffschichten somit leicht auswechseln.

Zur Erhöhung der Isolationswirkung kann sich mindestens zwischen der Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit, die dem Kolbenschaft am nächsten liegt, und dem Kolben­ schaft ein allseits geschlossener, mit Luft gefüllter Spalt befinden.

Luft ist ein besonderes schlechter Wärmeleiter. Somit ha­ ben die Luftspalte zwischen den einzelnen Werkstoffschich­ ten eine zusätzliche Isolationswirkung. Diese Luftspalte zwischen den einzelnen Werkstoffschichten behindern vor­ teilhafterweise den Wärmeübergang von einer Werkstoff­ schicht auf die andere. Die Isolationswirkung wird so mit einem geringen Aufwand gesteigert.

Anhand zweier Ausführungsbeispiele wird der erfindungsge­ mäße Kolben mit seinen kennzeichnenden Merkmale in weite­ rer vorteilhafter Ausgestaltung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Kolben einer Verbrennungskraftmaschine mit ei­ ner Brennraummulde, bei dem der Kolbenboden aus Werkstoffschichten geringer Wärmeleitfähigkeit be­ steht;

Fig. 2 zeigt ebenfalls einen Kolben für eine Verbrennungs­ kraftmaschine mit einer Brennraummulde. Bei diesem Kolben besteht auch der Feuersteg aus einer Werk­ stoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit.

Fig. 1 zeigt einen Kolben, bei dem die Wärmeisolation als Werkstoffschichten geringer Wärmeleitfähigkeit auf dem Kolbenschaft aufgeschraubt worden sind.

Der Kolben 1 weist ein Bolzenauge 2 auf, in dem die hier nicht dargestellte Pleuelstange befestigt ist. Der Kolben­ schaft 3 weist Ringnuten 4, 5 und 6 auf, in denen die Kol­ benringe, die hier ebenfalls nicht dargestellt sind, ein­ gelegt werden. Die besonders ausgestaltete Nut 4 nimmt beispielsweise den Kompressionsring auf, während die Nuten 5 und 6 Ölabstreifringe aufnehmen.

In dem Kolbenboden 8 befindet sich zentral die Brennraum­ mulde 7, die symmetrisch zu der Mittelachse des Kolbens angelegt ist.

Der Kolbenboden 8 besteht aus zwei Werkstoffschichten ge­ ringer Wärmeleitfähigkeit. Die oberste Schicht ist eine Keramikschicht 9. Es ist eine Platte, die an ihrer Unter­ seite eine Vielzahl von Stegen 10 aufweist, mit der sie sich auf eine zweite Werkstoffschicht, eine Eisenlegierung 11, abstützt. Zwischen den Stegen befindet sich ein mit Luft gefüllter Spalt 12, der der weiteren Isolierung zwi­ schen der Keramikplatte und der Platte aus der Eisenlegie­ rung dient. Die Stege 10 verhindern, daß bei der hohen Druck- und Temperaturbelastung die Platte bricht. Unter­ halb der Platte 11 aus der Eisenlegierung befindet sich ebenfalls ein mit Luft gefüllter Spalt 13 zur Isolierung gegenüber dem Kolbenschaft 3.

Eine Schraubverbindung 16 sorgt für eine Befestigung der einzelnen Werkstoffschichten 9 und 11 mit dem Kolbenschaft 3. Hier liegt eine lösbare Verbindung vor, wodurch sich die einzelnen Werkstoffschichten bei Verschleiß leicht auswechseln lassen.

Ein Ringkanal für Kühlöl 17 sorgt für eine zusätzliche Ab­ führung der Wärme von der Wandung der Brennraummulde 7. Aufgrund der guten Wärmeabfuhr aus der Brennraummulde sinkt die Temperatur in deren Wandung, so daß sich ein be­ sonders günstiger Temperaturbereich für die Gemischbildung und den Verbrennungsablauf einstellt.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Kolbens. Die mit der in Fig. 1 übereinstimmenden Merkmale sind mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeich­ net.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt nicht nur eine Isolation des Kolbenbodens, sondern auch des seitlichen Feuerstegs. Bei der Werkstoffschicht geringer Wärmeleit­ fähigkeit 18 handelt es sich im vorliegenden Fall um eine Eisenlegierung. Die Werkstoffschicht hat eine Ringform mit L-förmigem Querschnitt. Dieser Ring ist auf dem Kolben­ schaft 3 aufgeschraubt. Damit dieser Ring nicht von dem Kolbenschaft heruntergedrückt wird, sind die Seitenwände der Brennraummulde 7 so weit hochgezogen, daß sie die in­ nere Kante des Ringes abdecken.

In Abwandlung dieser Ausführung ist es denkbar, daß der Ring 18 aus einem Werkstoff geringer Wärmeleitfähigkeit auch aus mehreren Schichten verschiedener Werkstoffe be­ stehen kann. Es ist außerdem denkbar, daß sich zwischen diesen Werkstoffschichten Luftspalte befinden, um dadurch die Wärmeleitung noch stärker zu unterbinden.

Claims (6)

1. Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einem Kolbenschaft auf dem ein Kolbenboden befestigt ist, der eine Brennraummulde enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (8) mit Aus­ nahme der Brennraummulde (7) aus mindestens einer Werk­ stoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit mit dichter Ober­ fläche besteht.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit aus einem Metall (11, 18) besteht.

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit aus keramischem Werkstoff (9) besteht.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (8) aus einer schichtweisen Kombination der in den vorhergehenden An­ sprüchen genannten Werkstoffe (9, 11) besteht.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffschicht bzw. Werkstoffschichten (9, 11, 18) mit dem Kolbenschaft (3) lösbar verbunden ist bzw. sind.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens zwischen der Werkstoffschicht geringer Wärmeleitfähigkeit (11) und dem Kolbenschaft (3) ein allseits geschlossener, mit Luft ge­ füllter Spalt (13) befindet.