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Die Erfindung betrifft einen Kolben für Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit einem aus Blechscheiben bestehenden, seinen Durchmesser bei Erwärmung auf Arbeitstemperatur nicht oder nur geringfügig ändernden Kolbenboden und einem daran befestigten Kolbenmantel.
Aus verschiedenen Gründen, z. B. zur Herabsetzung des Verschleisses, zur Vermeidung bzw. Verminderung von Schmierstoff oder zur Spielverkleinerung, könnte es notwendig oder zumindest wünschenswert sein, die Zylinder von Hubkolben-Brennkraftmaschinen aus keramischem Werkstoff zu fertigen oder zumindest mit einer Auskleidung aus einem solchen Werkstoff zu versehen.
Nun weisen aber keramische Werkstoffe od. dgl. einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten auf, der etwa dreimal so klein als jener von Stahl und etwa sechsmal kleiner als jener von Leichtmetall ist. Wenn man den normalen Arbeitstemperaturbereich des Kolbenbodens von etwa -200 bis +250OC in Betracht zieht, müsste zwischen dem Metallkolben und dem Zylinder aus einem Werkstoff geringer Wärmedehnung ein stark vergrössertes Spiel vorhanden sein, um dem Kolben die erforderliche Wärmedehnungsmöglichkeit innerhalb des sich in seinem Durchmesser kaum verändernden Zylinders zu geben. Ein derartig stark vergrössertes Kolbenspiel ist selbstverständlich äusserst ungünstig.
Es ist zwar bereits ein Kolben bekannt (US-PS 1 455 786), dessen Kolbenboden aus einem Blech mit sehr geringer Wärmedehnung und einer aufgenieteten Verschleissplatte besteht, wobei der Kolbenboden mit seinem umgebördelten Rand zwischen die Schenkel eines im Längsschnitt in U-Form gebogenen und daher doppelten Kolbenmantels greift, dessen Aussenteil durch Längsschlitze spreizfähig ausgebildet ist und dadurch die Kolbenringe ersetzen soll. Der Kolbenmantel wird ausserdem durch einen an seinem Innenteil angenieteten zylindrischen Stutzen verstärkt, an dem auch der Kolbenboden an nur zwei Stellen mittels Nieten befestigt ist.
Hier handelt es sich aber um eine vergleichsweise komplizierte Kolbenausbildung, die dennoch den heutigen Anforderungen an eine Brennkraftmaschine nicht genügt, zumal keine geeigneten Bleche mit ausreichend niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten zur Verfügung stehen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen und einen Kolben der eingangs geschilderten Art zu schaffen, bei dem eine merkbare Durchmesserveränderung mit verhältnismässig einfachen konstruktiven Mitteln und mit allgemein vorhandenen Werkstoffen verhindert wird.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass bei zumindest an seiner Innenseite aus einem Werkstoff geringer Wärmedehnung, insbesondere einem keramischen Werkstoff, gefertigten Zylinder der Kolbenboden aus zwei auseinandergewölbten bzw. -gebogenen und an ihren Rändern durchlaufend miteinander und mit dem Kolbenmantel fest verbundenen Blechscheiben besteht, zwischen denen ein in Richtung der Kolbenachse wirkender Spreizkörper aus einem Werkstoff mit hohem Wärmedehnungskoeffizienten eingesetzt ist
Durch die vergleichsweise hohe Wärmedehnung des Spreizkörpers werden die beiden gewölbten Blechscheiben auseinandergedrückt und dadurch die sonst zu einer Durchmesservergrösserung des Kolbenbodens führende Wärmedehnung der Blechscheiben ausgeglichen, so dass der Durchmesser des Kolbenbodens bzw.
der Durchmesser des Kolbens praktisch konstant oder innerhalb vorbestimmter Weitungsgrenzen gehalten wird. Dabei kann durch entsprechende Wahl der Ausdehnungskoeffizienten, der axialen Erstreckung des Spreizkörpers, der Wänneübergangswerte und der Dicke und Steifigkeit der beiden Blechscheiben das gewünschte Durchmessermass sehr genau erreicht werden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung besteht der Spreizkörper aus einem ummantelten Kern aus Natrium, Lithium od. dgl., so dass einerseits die gewünschte hohe Wärmedehnung erreicht, anderseits aber durch die Ummantelung eine Dehnung des Spreizkörpers in radialer Richtung weitgehend verhindert wird.
Um die Wärmedehnung des Spreizkörperkerns, also des Natriums, Lithiums od. dgl. im festen Zustand für die axiale Dehnung besser zu nutzen, weist die Ummantelung des Spreizkörpers im wesentlichen Kegelform auf, wobei der Kegelspitzenwinkel grösser als der Reibungswinkel zwischen der Ummantelung und dem Kern des Spreizkörpers gewählt isL
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand bespielsweise dargestellt, und zwar zeigen die Fig. 1 und 2
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ihren Rändern miteinander und mit dem Kolbenmantel (1) durchlaufend fest verbunden bzw. verschweisst sind.
Zwischen den beiden Blechscheiben (4), (5) ist ein Spreizkörper (6) eingesetzt, der für sich einen kegeligen Mantel (7) und einen Kern (8) aus Natrium, Lithium od. dgl. aufweist. Der Spreizkörper (6) hat also einen hohen Wärmedehnungskoeffizienten und wirkt in Richtung der Kolbenachse, so dass die beiden Blechscheiben (4), (5) bei Erwärmung auseinandergedrückt und dadurch die Wärmedehnung der Blechscheiben (4), (5) in bezug auf den Kolbendurchmesser ausgeglichen wird.
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The invention relates to a piston for reciprocating piston internal combustion engines with a piston plate consisting of sheet metal disks, the diameter of which does not change or changes only slightly when heated to the working temperature, and a piston skirt attached to it.
For various reasons, e.g. B. to reduce wear, to avoid or reduce lubricant or to reduce play, it could be necessary or at least desirable to manufacture the cylinders of reciprocating internal combustion engines from ceramic material or at least to provide them with a lining made of such a material.
However, ceramic materials or the like have a very low coefficient of expansion, which is about three times smaller than that of steel and about six times smaller than that of light metal. If one takes into account the normal working temperature range of the piston crown of approximately -200 to + 250OC, there should be a greatly increased play between the metal piston and the cylinder made of a material with low thermal expansion in order to give the piston the necessary thermal expansion possibility within the diameter to give changing cylinders. Such a large piston stroke is of course extremely unfavorable.
There is already a piston known (US-PS 1 455 786), the piston crown of which consists of a sheet with very low thermal expansion and a riveted wear plate, the piston crown with its flanged edge between the legs of a U-shape in longitudinal section and bent therefore double piston skirt engages, the outer part of which is designed to expand by means of longitudinal slots and is intended to replace the piston rings. The piston skirt is also reinforced by a cylindrical socket riveted to its inner part, to which the piston crown is also attached at only two points by means of rivets.
However, this is a comparatively complicated piston design, which nevertheless does not meet today's requirements for an internal combustion engine, especially since there are no suitable sheets with sufficiently low thermal expansion coefficients available.
The invention is therefore based on the object of eliminating these deficiencies and of creating a piston of the type described at the outset, in which a noticeable change in diameter is prevented with relatively simple constructional means and with generally available materials.
The invention solves the stated problem in that, in the case of cylinders manufactured at least on the inside from a material with low thermal expansion, in particular a ceramic material, the piston crown consists of two sheet metal disks which are curved or bent apart and continuously connected at their edges to one another and to the piston skirt , between which an expansion body acting in the direction of the piston axis and made of a material with a high coefficient of thermal expansion is inserted
The comparatively high thermal expansion of the expansion body pushes the two curved sheet metal disks apart, thereby compensating for the thermal expansion of the sheet metal disks that would otherwise lead to an increase in the diameter of the piston crown, so that the diameter of the piston crown or
the diameter of the piston is kept practically constant or within predetermined expansion limits. The desired diameter dimension can be achieved very precisely by appropriate selection of the expansion coefficients, the axial extent of the expansion body, the transition values and the thickness and rigidity of the two sheet metal disks.
In a further embodiment of the invention, the expansion body consists of a coated core made of sodium, lithium or the like, so that on the one hand the desired high thermal expansion is achieved, but on the other hand the expansion largely prevents expansion of the expansion body in the radial direction.
In order to make better use of the thermal expansion of the expanding body core, i.e. sodium, lithium or the like in the solid state for the axial expansion, the casing of the expanding body has an essentially conical shape, the cone tip angle being greater than the angle of friction between the casing and the core of the Spreading body selected isL
The subject matter of the invention is shown in the drawing, for example, FIGS. 1 and 2
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their edges are permanently connected or welded to one another and to the piston skirt (1).
Between the two sheet metal disks (4), (5), an expansion body (6) is inserted, which has a conical shell (7) and a core (8) made of sodium, lithium or the like. The expansion body (6) thus has a high coefficient of thermal expansion and acts in the direction of the piston axis, so that the two sheet metal disks (4), (5) are pressed apart when heated and thereby the thermal expansion of the sheet metal disks (4), (5) in relation to the piston diameter is balanced.