Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit einer vorgeformten und eingegossenen Brennraumauskleidung Die Erfindung bezieht sich auf Leichtmetallkol ben für Brennkraftmaschinen, deren Brennraumaus- kleidung vorgeformt ist und beim Giessen des Kol bens in den Boden desselben miteingegossen wird.
Zur Erzielung eines recht günstigen Brennstoff verbrauches werden die Brennräume bekanntlich ver schiedenartig ausgebildet. In der Regel erhalten sie kugelige Form. Diese Gestalt wird vorzugsweise bei Dieselmotorkolben gewählt. Die kugeligen Brenn- räume können gegebenenfalls aber auch abgeflacht werden und sind dann birnenförmig gestaltet. Die Anfertigung derartiger Brennräume verursacht keine Schwierigkeiten, wenn der Öffnungsquerschnitt am Kolbenboden so gross bemessen ist, dass entweder ein Stahlkern oder auch notfalls ein Sandkern unterge bracht werden kann.
Es besteht weiterhin aber auch die Möglichkeit, den Kugelbrennraum aus Blech anzufertigen, ihn also vorzuformen und in den Kolbenboden einzugiessen. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, dass sie volu menmässig vor dem Eingiessen genau vorbestimmbar ist.
Es wurde nun erkannt, dass die Wandtemperatur solcher Brennräume die Arbeitsweise des Motors ganz wesentlich beeinflusst. Der Verbrauch an Brennstoff und die Art der Verbrennung werden durch die innere Oberflächentemperatur des Brennraumes massgebend bestimmt. Die Wandtemperatur der Innenoberfläche der Brennraumauskleidung muss verschieden gross sein. Sie wird zweckmässig so eingestellt, dass sie sich zwischen der Bodentemperatur des Kolbens, also der Temperatur des Kolbenwerkstoffes, und einer Tem peratur bewegt, die unter Umständen das Zwei- bzw. Dreifache der letzteren ausmacht.
Um den freien Wärmefluss von der stark wärme beaufschlagten Oberfläche der Brennraumauskleidung nach dem Kolbeninnern hin zu hemmen bzw. ganz zu unterbinden, ist es bereits bekannt, einen Luftspalt oder einen wärmeisolierenden Stoff zwischen einem nachträglich in den fertiggegossenen Kolbenkörper eingebrachten Einsatzkörper einerseits und dem Kol benwerkstoff anderseits vorzusehen.
Hierdurch ge lingt es aber nicht, verschieden hohe Temperaturen in bestimmten Bereichen auf der Oberfläche des Brennraumes entstehen zu lassen, weil der Spaltraum überall den gleich grossen Querschnitt aufweist. Damit ist es aber auch nicht möglich, einen vollkommenen Verbrennungsablauf bei der Verwendung unterschied licher Brennstoffe zu erreichen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Wandstärke einer Isolierschicht zwischen der beim Giessen des Kolbens miteingegossenen Brennraum- auskleidung und dem Kolbenwerkstoff oder der aus Isolierstoff selbst bestehenden Brennraumauskleidung an verschiedenen Stellen verschieden stark bemessen ist.
Die Stärke der Isolierschicht kann für den Fall der Verwendung einer aus Metall bestehenden, vor geformten Brennraumauskleidung so gewählt werden, dass sie im oberen Teil Null ist, während sie auf der Unterseite der Brennraumauskleidung, an der Stelle, an der die Kolbenlängsachse die Auskleidung durch dringt, den grössten Wert aufweist und bis zu diesem Betrag von Null aus zunimmt.
Die vorgeformte, mit dem Kolben gleichzeitig einzugiessende Brennraumauskleidung kann aus ver schiedenen Werkstoffen bestehen. Von den metalli schen Werkstoffen wird in der Regel Kupfer zu be vorzugen sein. Es können aber auch andere metal lische Werkstoffe Anwendung finden, deren Wärme leitfähigkeit geringer ist als die des Kolbenwerkstof fes.
Um die erwähnte Bedingung zu erfüllen, ist es zweckmässig, zwischen dem metallischen Werkstoff der einzugiessenden Brennraumauskleidung einerseits und dem Kolbenwerkstoff anderseits am oberen Teil- des im Kolbenkörper vorgesehenen Brennraumes eine einwandfreie stoffliche Bindung herzustellen, damit die Wärme in diesen Bereichen von der metallischen Brennraumauskleidung möglichst schnell an den Kol benwerkstoff abgeleitet wird.
Als Werkstoff für die Brennraumauskleidung kann aber auch ein keramischer Stoff dienen, der selbst schon eine so kleine Wärmeleitzahl aufweist, wie sie handelsüblich derartige Isoliermittel besitzen.
Die Zeichnung veranschaulicht zwei Ausführungs beispiele. Sie zeigt Querschnitte durch einen Kolben kopf.
Im Boden eines Kolbens<I>a</I> ist eine Aushöhlung<I>b</I> vorgesehen, die zur Aufnahme der Auskleidung c dient. Die letztere ist entsprechend der Darstellung nach Fig. 1 aus einem metallischen Werkstoff, bei spielsweise aus Kupfer oder einer Eisenlegierung, hergestellt. Die eigentliche Brennraumauskleidung c ist gegenüber dem Kolbenwerkstoff in bestimmten Bereichen verschieden stark isoliert. Die Isolierschicht ist in der Fig. 1 mit d bezeichnet. Im oberen Teil, also da, wo die Öffnung im Kolbenboden angebracht ist, befindet sich kein Isolierstoff.
In diesen Bereichen ist die vorgeformte metallische Kugelbrennraumaus- kleidung c mit dem metallischen Werkstoff des Kol bens a fest und innig und möglichst molekular ver bunden.
Die Fig. 2 veranschaulicht die Anordnung der aus keramischem Werkstoff e bestehenden kugeligen Brennraumauskleidung, die in die hierfür vorgesehene Ausnehmung <I>b</I> im Boden des Kolbens<I>a</I> miteingegos- sen wird. Die Auskleidung e weist verschieden grosse Wandstärken in verschiedenen Bereichen auf. Dank der beschriebenen Massnahmen ergeben sich im Betrieb auf der inneren Oberfläche der Ausklei dung verschiedene Temperaturen.
Light metal pistons for internal combustion engines with a preformed and cast-in combustion chamber lining. The invention relates to light metal pistons for internal combustion engines, the combustion chamber lining of which is preformed and is cast into the base of the piston when the piston is cast.
In order to achieve a very cheap fuel consumption, the combustion chambers are known to be designed in different ways. As a rule, they have a spherical shape. This shape is preferably chosen for diesel engine pistons. The spherical combustion chambers can, however, optionally also be flattened and are then designed in the shape of a pear. The production of such combustion chambers does not cause any difficulties if the opening cross-section on the piston crown is dimensioned so large that either a steel core or, if necessary, a sand core can be accommodated.
However, there is also the possibility of making the spherical combustion chamber from sheet metal, i.e. preforming it and casting it into the piston crown. Such a design has the advantage that it can be precisely predefined in terms of volume before pouring.
It has now been recognized that the wall temperature of such combustion chambers has a significant influence on the functioning of the engine. The consumption of fuel and the type of combustion are largely determined by the internal surface temperature of the combustion chamber. The wall temperature of the inner surface of the combustion chamber lining must be different. It is expediently set so that it moves between the bottom temperature of the piston, i.e. the temperature of the piston material, and a temperature which, under certain circumstances, is two or three times that of the latter.
In order to inhibit or completely prevent the free flow of heat from the highly heated surface of the combustion chamber lining towards the inside of the piston, it is already known to use an air gap or a heat-insulating material between an insert body subsequently introduced into the finished piston body on the one hand and the piston material on the other to be provided.
As a result, however, it is not possible to create different high temperatures in certain areas on the surface of the combustion chamber because the gap has the same cross-section everywhere. However, this also means that it is not possible to achieve a perfect combustion process when using different fuels.
The invention solves this problem in that the wall thickness of an insulating layer between the combustion chamber lining cast in during the casting of the piston and the piston material or the combustion chamber lining consisting of insulating material itself is dimensioned differently at different points.
In the event that a pre-formed combustion chamber lining made of metal is used, the thickness of the insulating layer can be selected so that it is zero in the upper part, while it is on the underside of the combustion chamber lining, at the point where the longitudinal piston axis penetrates the lining , has the greatest value and increases from zero up to this amount.
The preformed combustion chamber lining, which is to be cast in at the same time as the piston, can be made from different materials. Of the metallic materials, copper will generally be preferred. However, other metallic materials can also be used whose thermal conductivity is lower than that of the piston material.
In order to fulfill the mentioned condition, it is advisable to establish a perfect material bond between the metallic material of the combustion chamber lining on the one hand and the piston material on the other on the upper part of the combustion chamber provided in the piston body, so that the heat in these areas from the metallic combustion chamber lining as quickly as possible is derived from the piston material.
However, a ceramic material can also serve as the material for the combustion chamber lining, which itself already has such a low coefficient of thermal conductivity as are commercially available such insulating means.
The drawing illustrates two execution examples. It shows cross sections through a piston head.
A cavity <I> b </I> is provided in the bottom of a piston <I> a </I>, which is used to receive the lining c. The latter is made as shown in FIG. 1 from a metallic material, for example from copper or an iron alloy. The actual combustion chamber lining c is insulated to different degrees in certain areas in relation to the piston material. The insulating layer is denoted by d in FIG. 1. There is no insulating material in the upper part, i.e. where the opening is made in the piston crown.
In these areas, the preformed metallic spherical combustion chamber lining c is firmly and intimately connected with the metallic material of the piston a and as molecularly as possible.
FIG. 2 illustrates the arrangement of the spherical combustion chamber lining made of ceramic material e, which is also cast into the recess provided for this purpose in the bottom of the piston <I> a </I>. The lining e has wall thicknesses of different sizes in different areas. Thanks to the measures described, different temperatures arise on the inner surface of the lining during operation.