DE725761C - Kolben, insbesondere Leichtmetallkolben fuer schnellaufende Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

• Kolben, insbesondere Leichtmetallkolben für schnellaufende Brennkraftmaschinen Erfahrungsgemäß werden die Kolben von" Brennkraftmaschinen bei höherer Belastung durch die auftretenden hohen Temperaturen an dem dem Brennraum zugekehrten Kolbenboden leicht zer§tört. Um dies zu vermeiden, hat man daher Kolben mit besonderen Kühleinrichtungen gebaut. Diese Kolbenkühlung setzt jedoch den thermischen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine herab und bedingt eine verwickelte Bauart des Kolbens. Außerdem bereitet die Weiterleitung der vom Kolben aufgenommenen Wärmemenge erhebliche Schwierigkeiten. Bei Flugmotoren beispielsweise erfordert die Rückkühlung von am Kolben erwärmtem Öl entsprechende Kühlflächen, die eine Vergrößerung des Flugwiderstandes bedingen. Man hat auch bereits Leichtmetallkolben gebaut, die am Boden mit besonderen Platten aus warmfesten Metallen versehen sind. Auch diese Platten haben jedoch Nachteile. Wegen des höhen spezifischen Gewichtes der warmfesten Sondermetalle werden sie sehr schwer. Es bereitet daher Schwierigkeiten, sie derart am Kolben zu befestigen, daß sie den .durch die hin und her gehende Bewegung -des Kolbens entstehenden Massenkräften standhalten. Ferner wurde infolge der guten Wärmeleitzahl dieser Schutzplatten das unter ihnen befindliche Leichtmetall häufig noch sehr stark erhitzt, so daß .es schmolz. Wesentlich aber ist, .daß die Platten aus warmfesten Metallen unter Umständen selbst noch angegriffen wurden. Neben der, insbesondere bei Zweitakt - und Dieselbrennkraftmaschinen, hohen Verbrennungstemperatur ist hierfür der im Zylinder vorhandene Luftüberschuß verantwortlich zu machen, der bewirkt, daß die Kolbenplatten wie von einer Sauerstoffflamme angefressen werden.
• Keramischer Werkstoff ist demgegenüber widerstandsfähiger, jedoch hat man von seiner Verwendung als Kolbenschutzplatte in der Praxis bisher Abstand genommen, weil verschiedene Nachteile dagegen - zu sprechen schienen. In erster Linie schien bisher die geringe Festigkeit der keramischen Stoffe ihrer Anwendung als Kolbenschutz glatt im Wege zu stehen. Sodann ist der große Unterschied in der Wärmedehnung `zwischen der Schutzplatte aus keramischem Werkstoff und dem Leichtmetallkolben beachtlich, da bei hohen Betriebstemperaturen ein Lockern und damit Schlagen der Schutzplatte eintreten kann.
• Urfi diesen Schwierigkeiten zu begegnen, wird erfindungsgemäß die Kolbenschutzplatte aus keramischer Masse derart ausgebildet, daß die gegen den metallischen Kolbenkörper anliegende. dem Verbrennungsraum abgewendete Oberfläche -der Schutzplatte die Form eines Druckgewölbes aufweist, auf welches die Massenkräfte bei der Kolbenverzögerung und -beschleunigung vor, im und nach dem oberen Totpunkt in der Hauptsache als Druckkräfte wirken und als solche auf ringförmige Berührungsflächen am Kolben übertragen werden.
• Im ersten Teil des Kolbenaufwärtsganges wird die Nasse der, Schutzplatte beschleunigt. Es treten demzufolge Kräfte auf, die die Schutzplatte fest gegen den Kolben drücken. Gegenüber diesen Druckkräften ist die keramische Platte weitgehend unempfindlich. Im oberen Teil des Kolbenaufwärtszuges treten dagegen infolge der starken Kolbenverzögerung bis zum oberen Totpunkt Massenkräfte in der Schutzplatte auf, die nach aufwärts gerichtet und bestrebt sind, die Schutzplatte vom Kolben zu lösen. Diese Massenkräfte erzeugen bei der bisher üblichen Schutzplattenausbildung Biegungskräfte, denen das keramische Material nicht gewachsen ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung :der keramischen Schutzplatte in Gewölbeform wirken die Massenkräfte jedoch auch im oberen Teil des Köl,benaufwärtsganges in der Hauptsache als Druckkräfte auf die Schutzplatte und werden als solche auf ringförmige Berührungsflächen am Kolben übertragen. Nach der Kölbenumkehr, also beim Kol.benabwärtsgang, treten die gleichen Erscheinungen auf, d. h. im oberen Teil des Kolbenabwärtsganges wirken auf die Schutzplatte auch .Massenkräfte, die bestrebt sind, die Platte vom Kolben zu lösen, während im unteren Hubteil die Massenkräfte in Richtung der Kolbenbewegung wirken. Die erfindungsgemäße Gewölbeform der keramischen Schutzplatte wirkt sich also in den Teilen des Kolbenaufwärtsganges und -abwärtsganges aus, die dem oberen Kolbentotpunkt benachbart sind sowie natürlich im oberen Totpunkt selbst. Wenn auch die Massenkräfte nach Kolbenumkehr im oberen Totpunkt in der Regel durch die auf die Platte entgegengesetzt wirkenden Verbrennungsdrücke aufgehoben werden, . muß doch beim Betrieb einer Brenn= kraftmaschine auch damit gerechnet werden. daß bei der Bewegung derKol@ben nicht immer Zündungen auftreten, wie dies insbesondere beim Abstellen des Motors der Fall ist. Ein weiterer Vorteil der Gewölbeform ist die gute Anpassung an die Erfordernisse der Brennraumgestaltung. Außerdem hat sie zur Folge. daß auch bei in der Platte auftretenden Rissen nicht unbedingt eine Zerstörung der gesamten Platte eintreten muß. Um das Lokkern der Platte während des Betriebes zu vermeiden, besteht in Weiterausbildung der Erfindung ein Teil der Berührungsflächen zwischen dein metallenen Kolbenkörper und der keramischen Schutzplatte aus -schwach konischen Flächen, so daß bei stärkerer Dehnung des die Schutzplatte umgebenden Leichtinetalles die Verbindung nicht lockerer, sondern höchstens noch fester wird.
• In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele von Kolben mit keramischer ' Schutzplatte, entsprechend der Erfindung, dargestellt, und zwar zeigen: Abb. i einen Längsschnitt durch einen Kolben, bei dem die Schutzplatte den ganzen oberen Kolbenteil bedeckt, Abb. 2 einen Längsschnitt durch einen Kolben, bei dem .die Schutzplatte nur den zentralen Teil des Kolbenbodens schützt.
• Abb. 3 einen Längsschnitt durch einen Kolben, bei dem der die Schutzplatte ringförmig umgebende metallische Kolbenboden mit radialen Schlitzen versehen ist, und Abb. .I eine Draufsicht auf den Kolben von Abb. 3. .
• Der Kolben i nach der Abb. i zeigt eine keramische Schutzplatte 2, die den Kolbenboden in seiner gesamten Ausdehnung bedeckt, während bei dem Kolben nach der Abb. 2 .die keramische Schutzplatte 2 nur den zentralen Teil des Kolbenbodens gegen den Angriff :der heißen Brenngase schützt und von einem ringförmigen Teil 3 des metallischen Kolbenkörpers i umgeben ist. In beiden Ausführungsbeispielen besteht ein Teil der Berührungsflächen zwischen dem metallenen Kolbenkörper i und der Schutzplatte 2 aus schwach konischen Ringflächen 4 und 6. Diese Flächen hauen den Zweck, die Berührung der Schutzplatte und des Kolbenkörpers auch bei unterschiedlicher Wärmedehnung während es Betriebes nicht .aufzuheben. Infolge der Konizität der Berührungsflächen wird bei einer Verschiebung des die Schutzplatte umgebenden ringförmigen Kolbenhubes nach außen eine noch erhöhte Anpressung der Schutzplatte erreicht. Eine Lockerung derselben ist .daher ausgeschlossen.
• Die keramische Schutzplatte 2 wird zweckmäßig in den Kolben eingegossen, d. h. der metallische Kolbenkörper i wird um die fertige Schutzplatte, die in die Kolbenform eingelegt ist, herumgegossen. Da jedoch die Wärmeausdehnung der Schutzplatte 2 im Vergleich zu derjenigen des umgebenden Metalls sehr klein ist, kann es vorkommen, daß bei der Erstarrung nach dem Gießen in dem die Schutzplatte 2 umgebenden ringförmigen oberen Teil des metallenen Kolbenkörpers i zu hohe Tangentialspannungen durch Schrumpfung entstehen. Um dem zu begegnen, ist -der obere Kolbenteil, wie in der Abb. 3 dargestellt, eingeschlitzt. Zwischen den Schlitzen 7 bleiben einzelne Zinnen 8 stehen (s. Abb. 4.), die infolge größerer Beweglichkeit den Schrumpfspannungen besser nachgeben und die auf die Schutzplatte dabei ausgeübten Kräfte vermindern. Um die elastische Beweglichkeit noch weiter zu erhöhen, kann man die in der- rechten Kolbenhälfte der Abb. 4 gezeigte ringförmige Aussparung 9 vorsehen, durch -welche die elastische Länge der einzelnen Zinnen 8 noch vergrößert wird. 'Bei der Ausbildung :der Schutzplatte 2, entsprechend der linken Kolbenhälfte in Abb. 3, ist der engste Querschnitt io, welcher» die Zinnen 8 mit dem übrigen Kolbenkörper verbindet, schon von vornherein klein gewählt, so daß sich hier eine Erhöhung der Elastizität der Zinnen 8 durch eine besondere Ausnehmung erübrigt. Wenn es mit Rücksicht auf die Beherrschung des Wärmeflusses im Kolben oder die Kolbenringabdichtung oder zur Vermeidung sonstiger Nachteile notwendig erscheint, können nach dem Guß die Aussparungen 9 und die Schlitze 7 mit Metall, keramischer Masse oder anderen geeigneten Werkstoffen ausgefüllt werden.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Kolben, insbesondere Leichtmetallkolben, für schnellaufende Brennkraftmaschinen, mit im Kolbenboden eingesetzter Schutzplatte aus feuerfestem keramischem Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß -die gegen den metallischen Kolbenkörper (i) anliegende, dem Verbrennungsraum abgewendete Oberfläche .der Schutzplatte (2) die Form eines Druckgewölbes aufweist, auf welches die Massenkräfte bei der Kolbenverzögerung und -beschleunig,ung vor, im und nach dem oberen Totpunkt in der Hauptsache als Druckkräfte wirken und als solche auf ringförmige Berührungsflächen (4., 6) am Kolben übertragen werden.
2. 2. Kolben nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, .daß ein Teil .der Berührungsflächen zwischen .dem metallischen Kolbenkörper (i) ünd der Schutzplatte (2) aus schwach konischen Ringflächen (q., 6) besteht.
3. 3. Kolben nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, .daß der obere die Schtotzplatte aufnehmende Teil des Kolbenkörpers (i) mit radial verlaufenden Schlitzen (7) versehen ist, die vom Kolbenumfang bis an die Schutzplatte (2) reichen. q.. Kolben nach Anspruch i und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (7) nachdem Guß des Kolbens mit einem geeigneten Werkstoff ausgefüllt sind.