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Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen und thermisch und mechanisch hochbeanspruchte Kompressoren
Die Erfindung betrifft Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen und thermisch sowie mechanisch hochbeanspruchte Kompressoren, die Regelglieder zur Steuerung des Laufspiels aufweisen. Sie sind im
Schaft in bekannter Weise angeordnet und durch Eingiessen oder Einpressen angebracht. Sie bestehen aus einem Werkstoff, der gegenüber dem des Kolbens einen wesentlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffi- zienten aufweist. Die Unterbringung der Regelglieder im Kolbenschaft erstreckt sich über den Bereich der
Kolbenbolzenaugen und weiterhin von dort aus peripher in die Tragflächen hinein. Die Fachwelt kennt eine grosse Anzahl verschiedenartiger Bauformen solcher Kolben.
Vielfach weisen sie Versteifungsrippen auf, die von den Bolzenaugen ausgehen und bis zu dem Kolbenboden reichen, um die thermischen und mechanischen Beanspruchungen, denen der Boden unterworfen ist, aufzunehmen.
Die Kolben, mit denen sich die Erfindung befasst, haben weiterhin eine Querschlitzung, durch welche die Ringpartie des Kolbenkopfes vom Schaft getrennt wird. Die Schlitzung ist rings um den Kolbenumfang geführt, mit Ausnahme des Bereiches der Kolbenbolzenaugen. Die Querschlitzung ist Voraussetzung für eine ungehemmte Wirkung der Regelglieder. Die Schlitzlänge bestimmt die Grösse der Regelwirkung mit.
Durch die fortschreitende mechanische und thermische Belastungssteigerung bei Brennkraftmaschinen und Kompressoren wird die Anwendung derbekannten Regelausführung immer gewagter oder auch gänzlich unmöglich, weil die benötigten Querschlitze nicht nur durch die örtliche Unterbringung des Wärmeabflussquerschnittes vom Kolbenkopf zum Schaftteil ein Anheben des Temperaturniveaus in der Zone der am stärksten temperaturgefährdeten ersten Ringnut hervorrufen, sondern auch zu einer Überschreitung der zulässigen mechanischen Belastbarkeit führen, um mit Sicherheit die auftretenden Beanspruchungen bei demVerbrennungs-oder Verdichtungsvorgang aufnehmen zu können.
Wenn daher die Belastbarkeit sowohl thermisch als auch mechanisch erhöht werden soll, müsste eine Kürzung der Querschlitze vorgenommen werden, was aber eine Reduzierung der Regelwirkung mit sich bringt, weil die Schlitzlänge für die Grö- sse derselben mitbestimmend ist.
Es sind weiterhin auch schon Ausführungen bekanntgeworden, bei denen auf den oder die eigentlichen Querschlitze verzichtet worden ist und an deren Stelle begrenzte Verbindungsstege zwischen dem Kolbenkopf und demSchaftteil vorgesehen wurden. Hiedurch ist aber ebenso wie bei einer Verkürzung der Schlitze auch nicht die entsprechend grosse Abnahme der angestrebten Regelwirkung zu umgehen, wenn diese Stege ihren Zweck in bezug auf den Wärmetransport und die mechanische Belastbarkeit erfüllen sollen.
Die brtindung zeigt einen ändern Weg, gemäss dem unter Beibehaltung der bei den bisherigen Regelkonstruktionen vorhandenen optimalen Regelwirkung eine wesentliche Steigerung der thermischen und mechanischen Belastbarkeit erreichbar ist.
Dies gelingt bei Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen und thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Kompressoren mit von den Bolzenaugen ausgehenden und bis zu dem Kolbenboden reichenden Versteifungsrippen sowie einer Querschlitzung, die die Ringpartie vom Kolbenschaft trennt und sich über den letzteren mit Ausnahme des Bereiches der Kolbenbolzenaugen bis zu den Versteifungsrippen er-
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streckt, wobei im Schaft eingegossene oder eingepresste Regelglieder mit einer gegenüber dem Kolben- werkstoff geringeren Wärmeausdehnung vorgesehen sind, die im Bereich der Kolbenbolzenaugen unter- halb der Ringpartie angeordnet sind und sich peripher bis in die Tragflächen hinein erstrecken, erfindungs- gemäss dadurch,
dass die Versteifungsrippen in Richtung zur Schlitzzone hin unter Verkleinerung des Um- fangbereiches der Querschlitzung verstärkt ausgebildet sind und dass die Regelglieder in axialer Richtung als Trennwand zwischen dem aussenliegenden Mantelwandteil und dem innenliegenden Teil der Verstär- kungsrippen bis in die im Querschlitz verlaufende Ringnut des unteren Dichtungsringes hochgezogen sind und diese hochgezogenen Teile der Regelglieder die Versteifungsrippen in Umfangsrichtung so weit durch- setzen, dass der verbleibende Teil dem ursprünglichen, unverstärkten Querschnitt der Versteifungsrippen annähernd entspricht.
Der Teil der Regelglieder, der als Trennwand zwischen dem äusseren Mantelwand- teil einerseits und dem innenliegenden Teil der Versteifungsrippen anderseits angeordnet ist, weist plat- tenförmige Verlängerungen auf, die sich zu der dem Kolbenboden abgewandten Stirnseite unmittelbar neben den Kolbenbolzenaugen erstrecken.
Die Figuren veranschaulichen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Regelkolben. Sie zeigen Längs- und Querschnitte durchleichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, deren Kopf vom Schaft durch
Querschlitze getrennt ist.
Entsprechend der Darstellung in Fig. l ist in der rechten Hälfte die Änderung der Gestaltung des Regelgliedes el gegenüber der allgemein üblichen Ausführung, die in der linken Hälfte veranschaulicht ist, zu erkennen. Der Kopf a eines Leichtmetallkolbens für Brennkraftmaschinen ist über Rippen d mit den Kolbenbolzenaugen c verbunden. Die Regelglieder e bzw. el umfassen die letzteren nur von oben und die unmittelbar benachbarten Bereiche etwa in der Höhe der Bolzenaugen. Die Grösse der Regelwirkung, die sich nach der Länge der Querschlitze richtet, ist durch die Entfernung der Abbohrlöcher f voneinander bestimmt, wie dies die bekannte Ausführung (linke Hälfte der Figur) erkennen lässt.
Die gleiche Regelwirkung wird beibehalten, wenn das Regelglied el in seiner Ausdehnung gegenüber e'geändert wird, wie dies aus der Darstellung der rechten Hälfte der beiden Figuren hervorgeht. Daselbst fehlt das Abbohrloch f. Die obere Kante des plattenartig gekrümmten Regelgliedes ist nach oben bis zum Querschlitz f1 gezogen und reicht somit bis zu der den geregelten Schaftteil begrenzenden untersten Ringnut. Die Verlängerung des Regelgliedes ist in den Figuren schraffiert angedeutet. Die Versteifungsrippe dl ist erfindungsgemäss über den Bereich der die Regelwirkung begrenzenden Stelle g in peripherer Richtung erweitert und verstärkt.
Die Wirkung des eingegossenen Regelgliedes el wird dadurch ermöglicht, dass es beim Einstechen der Nut fl auf der Nutenquerflanke freigelegt wird. Damit ist, wie die Figuren erkennen lassen, der Wirkungsbereich des Regelgliedes in seiner Umfangslänge nicht beeinflusst, weil der Streifen el freiliegt.
Fig. Z zeigt einen Horizontalschnitt durch die unterste Ringnut der Fig. l. Sie lässt deutlich die Verstärkung der Abstützrippe dl gegenüber d der bekannten Ausführung erkennen und veranschaulicht auch das freigelegte Regelglied el. Der bis zur Ringnut hochgezogene Teil des Regelgliedes el, der auf der Innenseite von der verstärkten Rippe dl bedeckt ist, erfüllt die Aufgabe einer Trennwand, weil dieser Teil des Regelgliedes den inneren Kolbenmantelteil vom äusseren scheidet. Der innere Abstützteil wird durch die Regelwirkung von el nicht beeinflusst. Der schraffierte Teil trägt ebenfalls nicht zur Regelwirkung bei.
Entsprechend der Darstellung in Fig. 3 ist das Regelglied e erfindungsgemäss in der Zone unterhalb der unteren Ringnut in horizontaler Richtung im Bereich k in Richtung der Tragflächen bzw. der Mitte der Regelzone verlängert. Diese Verlängerung wirkt hier als Trennwand und lässt zu, dass der Querschnitt der Versteifungsrippe für den Wärmetransport und im Hinblick auf die Festigkeit bis zum Ende dieser Verlängerung erstreckt werden kann, wobei eine Abnahme der Regelwirkung nicht eintritt. Bis zu der Stelle g reicht die Trennung zwischen Trag- und Regelteil. Der noch verbleibende eigentliche Querschlitz ist mit fl bezeichnet.
Die Trennwände liegen zwischen der aussenliegenden Kolbenmantelwand und dem innenliegenden Teil der Verstärkungsrippen. In diesen Bereich der Kolbenbolzenaugen sind aber die beiden Aluminiumkolbenteile miteinander verbunden. Die Verbindung besteht zwischen der Oberkante des Regelgliedes und der Unterkante der untersten Ringnut. Bezüglich der Regelwirkung besagt das, dass sie da nicht eintritt, wo der äussere Schaftteil von dem inneren mit einer Zwischenwand getrennt ist. Geregelt wird an und für sich immer nur der äussere Schaftteil. Soll die Regelwirkung nicht verändert werden, so muss der geregelte äussere Schaftteil in seiner bisherigen Umfangslänge von dem nicht geregelten inneren Schaft getrennt sein.
Nach der Erfindung ist nun die durch den Schlitz vorgeschriebene Grösse der Regelwirkung mittels der
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Trennwand herbeigeführt und ausserhalb des Bereiches g-g festgelegt. Der Bereich innerhalb g-g, der sich jeweils über die Kolbenbolzenaugen erstreckt, ist nicht geregelt, so dass sich die Regelwirkung nach wie vor immer erst auf eine Zone erstreckt, die von den Abbohrlöchern f-f bzw. von g-g ausgeht und in peripherer Richtung in den Laufflächenteil reicht.
Um die Regelwirkung wieder herzustellen, die durch die Verstärkung der Stützrippen verändert wor- den ist, werden die Regelglieder erfindungsgemäss bis zur untersten Nut in axialer Richtung hochgezogen und von da aus beiderseits der Bolzenaugen peripher in die Lauffläche hinein erstreckt.
Die Regelglieder können auch in Form von Ringen gestaltet sein, wie dies die Fig. 4-7 erkennen lassen. Die Fig. 4 zeigt im linken Teil eine Ausführung, wonach das Regelglied e den sogenannten Fassreifeneffekt herbeiführt. Er soll auch in der gleichen Weise bei der Ausbildung des Kolbens nach der rechten Bildhälfte eintreten.
Die Fig. 5 und 6 zeigen Ausschnitte in Längsrichtung aus einem Kolben in der Schnittlinie A-B nach Fig. 4. Der Querschnitt des Regelgliedes el ist in Fig. 5 vorzugsweise in der eingegossenen Zone trapezförmig ausgeführt, um ein Festschrumpfen beim Eingiessen in Pfeilrichtung zu verhindern. Es würde sich nämlich dadurch eine Veränderung der vorher vorhandenen Regelwirkung einstellen, was durch eine Ausbildung des Streifens verhindert wird, gemäss dem die Verlängerungslinien seiner oberen und unteren Kontur sich in einem Punkt ausserhalb der Kolbenlängsachse schneiden.
In Fig. 6 ist ein mit fertigungstechnisch kleinstem Aufwand herstellbares Regelglied el mit bekanntem Rechteckquerschnitt gezeigt.
Die ringförmigen Regelglieder el weisen plattenartige Wände 1, m auf. Während das Regelglied entsprechend der Darstellung in den Fig. 1 und 2 selbst eine Trennwand zwischen der verstärkten Abstützrippe d1 und dem äusseren Kolbenmantel bilden konnte, besteht bei einem ringförmigen Regelglied diese Möglichkeit nicht mehr. Daher muss eine besondere Trennwand zwischen der Abstützrippe und der äusseren Kolbenmantelwand vorgesehen werden. Es muss also der leil, um den die Versteifungsrippe vergrö- ssert worden ist, von der äusseren Mantelwand abgetrennt werden, damit die Regelwirkung nicht beeinflusst wird.
Dies ist durch die Darstellung in den Fig. 5 und 6 herausgestellt. Hier liegt die Trennwand 1 zwischen den beiden Leichtmetallteilen, von denen vorher die Rede war. Es besteht ferner noch die Möglichkeit, das Regelglied, wie nach den Fig. l und 2 bis zur untersten Ringnut hochzuziehen (Fig. 7) und den Schaft des Kolbens durch eine Wand m zu verstärken, die als Verlängerung des Regelgliedes angebracht ist. Damit wird die Versteifungsrippe, die auf der Innenseite des Schaftes weit nach unten gezogen worden ist, von der äusseren Schaftmantelwand durch die Wand m getrennt. Der verformbare äussere Teil kann somit unbehindert der Regelwirkung folgen.
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