DD256895A1 - Thermisch isolierender kolben fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermisch isolierenden Kolben fuer Brennkraftmaschinen bestehend aus einem Kolbenunterteil, auf dem ein Kolbenoberteil aus einem waermeisolierenden, hochtemperaturbestaendigen Werkstoff, beispielsweise aus Keramik, mittels laengs geteilten Spannringes befestigt ist, insbesondere fuer mittelgrosse und grosse Brennkraftmaschinen. Erfindungsgemaess besitzt das Kolbenoberteil (1) im Bereich der Verbindungsstelle zwischen Kolbenober- und -unterteil (1; 2) einen Kegelstumpf. Der grosse Kegelstumpfdurchmesser betraegt das 0,4 bis 0,6fache des Kolbendurchmessers. Der Spannring (4) besitzt einen dem Kegelstumpf angepassten Innenkonus und ist mittels durch das Kolbenunterteil (2) durchgehenden Schrauben an diesem befestigt. Die Konusverbindung gewaehrleistet, dass im Kolbenoberteil (1) nahezu keine Zugspannungen auftreten. Sie sichert ferner in Verbindung mit der durch das Durchmesserverhaeltnis bedingten relativ kleinen Auflageflaeche des Kolbenoberteils (1) auf dem Kolbenunterteil (2) auch bei thermischer Beanspruchung einen festen Sitz beider Teile. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen thermisch isolierenden Kolben für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Kolbenunterteil, auf dem ein Kolbenoberteil aus einem wärmeisolierenden, hochtemperaturbeständigen Werkstoff, beispielsweise aus Keramik, befestigt ist, insbesondere für mittelgroße und große Brennkraftmaschinen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Um eine ausreichende thermische Isolierung zwischen Brennraum und Kolben bei gleichzeitig langer Lebensdauer des Kolbens zu erreichen, hat man bereits das aus dem wärmeisolierenden, hochtemperaturbeständigen Werkstoff bestehende Kolbenoberteil auf verschiedene Weise mit dem Kolbenunterteil verbunden.

So ist in der DE-OS 3110292 A1 ein Kolben für Verbrennungsmotor gezeigt, bei dem die zylinderkopfseitige Stirnwand des Kolbens von einer Isolierscheibe aus Quarzglas, hochfester Keramik oder Sintermetall gebildet wird. Die maximale Stärke der Isolierscheibe beträgt wenigstens das 0,35fache des Kolbendurchmessers. Sie ist in einen sie peripher umgebenden ringförmigen metallischen Kragen eingepreßt, in dem ein oder mehrere Kolbenringe angeordnet sind. Der ringförmige metallische Kragen kann als selbständiges Teil mit dem Kolbenunterteil verschraubt sein.

Diese technisch wirkungsvolle und verhältnismäßig einfache Variante hat allerdings den Nachteil, daß sie im wesentlichen nur für hohe Kolben, also Kolben mit einer großen Kompressionshöhe geeignet ist. Konstruktionsbedingt ergeben sich daraus eine große Bauhöhe und Motormasse. ,

Der in der DE-PS 3237469 C2 gezeigte Kolben mit einem Bauteil aus teilstabilisiertem Zirkonoxid besitzt eine kleinere, derzeit durchaus übliche Bauhöhe. Das Kolbenoberteil ist in seinem dem metallischen Kolbenunterteil zugewandten Bereich kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei der größere Durchmesser des Kegelstumpfes in der Berührungsebene mit dem Kolbenunterteil liegt. Ebenso.istdas Kolbenunterteil in seinem dem Oberteil zugewandten Bereich kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei der größere Kegelstumpfdurchmesser in der Berührungsebene mit dem Kegelstumpf des Oberteils liegt. Die beiden großen Durchmesser der Kegelstümpfe sind gleich groß. Kolbenunter- und -oberteil werden in ihren kegelstumpfförmigen Bereichen durch ein in Richtung der Längsachse des Kolbens zweigeteiltes ringförmiges Bauelement mit einer den kegelstumpfförmigen Ausbildungen des Kolbenober- und -Unterteils entsprechenden Innenkontur und einem auf das ringförmige Bauteil aufgeschrumpften Außenring miteinander verbunden. Das ringförmige Bauteil kann aus Stahl bestehen. Diese Ausführung verfügt über wesentliche Mängel. So ist ein sehr hoher Fertigungsaufwand notwendig, da viele und sehr enge Passungen für die Befestigung mittels geteiltem Doppelkegelring sowie Schrumpfring zu bearbeiten sind. Wegen der Befestigung des Kolbenoberteiles nahe der Kolbenlauffläche kommt es bei Erwärmung des Kolbens zu einer Aufwölbung in der Mitte des Oberteiles, so daß sich ein Spalt zwischen Ober- und Unterteil einstellt. Bei Wirken der Gas- und Massenkräfte erfolgt eine weitere, in diesem Falle schwingende Veränderung der Spaltgröße und somit eine zusätzliche Belastung des Kolbenoberteiles, die zu einer schnellen Ermüdung des Keramikwerkstoffes führt. Des weiteren werden infolge der damit verbundenen ständigen Relativbewegung zwischen Kolbenunter- und -oberteil die Paßflächen der Kolbenoberteilbefestigung tribologisch belastet. Dies bewirkt einen frühzeitigen Verschleiß der Paßflächen und in der Folge einen Spannungsabbau in der Schrumpfverbindung. Ein weiterer wesentlicher Mangel dieser Ausführung besteht darin, daß auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungszahlen und Temperaturen von Ober- und Unterteil die Pressung in der aus zwei Ringen bestehenden Schrumpfverbindung nachläßt und so die Gefahr einer Loslösung des Kolbenoberteils vom Unterteil besteht. Es ist anzunehmen, daß die Lebensdauer eines derartigen Kolbens gering ist.

Ziel der Erfindung

. Ziel der Erfindung ist ein thermisch isolierender Kolben, der bei vertretbarem Herstellungsaufwand sowie Materialeinsatz eine hohe Lebensdauer besitzt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten thermisch isolierenden Kolben derart zu verändern, daß ohne Vergrößerung der Bauhöhe eine sichere, auch thermischen und dynamischen Belastungen standhaltende Verbindung von Kolbenober- und -unterteil auf einfachere Weise als bisher, insbesondere mit einer geringen Zahl an Passungen erreicht wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Kolbenoberteil in bekannter Weise im Bereich der Verbindungsstelle zwischen Kolbenober- und -unterteil einen Kegelstumpf aufweist. Der große, auf dem Kolbenunterteil aufsitzende Kegelstumpfdurchmesser beträgt das 0,4-0,6fache des Kolbendurchmessers. Zur Befestigung beider Teile miteinander ist ein Spannring mit einem dem Kegelstumpf des Kolbenoberteils angepaßten Innenkonus vorgesehen, der mittels durch das Kolbenunterteil durchgehenden Schrauben mit diesem fest verbunden ist.

Zur Erhöhung der Sicherheit der Verbindung ist es vorteilhaft, daß der Spannring mittels Dehnschrauben am Kolbenunterteil befestigt ist. .

Bei den umfangreichen Untersuchungen, insbesondere im Ergebnis der rechnergestützten Auswertung hat sich das erfindungsgemäße Verhältnis des großen Kegeldurchmessers zum Kolbendurchmesser als sehr günstig erwiesen. Die Berührungsfläche zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil ist kleiner geworden und erstreckt sich im wesentlichen auf die Bereiche um die Achse des Kolbens. Dadurch werden eine Aufwölbung des Oberteils bei thermischer Beeinflussung und somit alle daraus folgenden, die Festigkeit der Verbindung verringernden sowie den Verschleiß an der Fugestelle begünstigenden Wirkungen vermieden. Dadurch, daß nur noch ein Spannring eingesetzt wird, wurde die Anzahl der Fügestellen, an denen infolge der Wärmeeinwirkung ein Spannungsabbau möglich ist, reduziert. Bei ausreichend großer Vorspannung dürften die unterschiedlichen Wärmeausdehnungszahlen der Werkstoffe des Kolbenober- und -Unterteils keine Ursache für eine eventuelle Lockerung der Verbindung sein. Die konstruktive Ausführung des Preßsitzes ermöglicht normale Bauhöhen des Kolbens. Ein weiterer Vorteil besteht in der Vereinfachung derVerbindung,fürdie nur noch eine Passung zu fertigen ist. Die Fügefläche des Kolbenunterteils wurde eben gestaltet, so daß sich auch die Innenkontur des Spannringes vereinfachte.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben quer zum Bolzen des Kolbens, Fig. 2: einen Schnitt durch den Spannring der Verbindung und

Fig. 3: einen Schnitt quer zum Bolzen des Kolbens mit einer weiteren Befestigungsmöglichkeit des Spannringes.

Der Kolben besteht aus einem Kolbenoberteil 1 aus Keramik und einem Kolbenunterteil 2 aus einer Aluminiumlegierung. Das Kolbenoberteil 1 besitzt brennraumseitig die übliche Vertiefung und Kontur. Seine dem Brennraum abgewandte Seite ist als Kegelstumpf ausgebildet, dessen großer Durchmesser halb so groß ist wie der Durchmesser des Kolbens. Zur Verhinderung großer Kerbwirkungen im Kolbenoberteil 1 geht der kleinere Durchmesser des Kegelstumpfes mit einem ausreichend großen Radius in den breiteren Teil des Kolbenoberteils 1 über. An die große Kegelstumpffläche schließt sich im vorliegenden Beispiel ein schmaler zylindrischer Teil 3 an, dessen ebene Stirnfläche auf der ebenen oberen Stirnfläche des Kolbenunterteils 2 aufsitzt. Der Kegelstumpf des Kolbenoberteils 1 ist von einem im vorliegenden Beispiel in seiner Längsachse geteilten Spannring 4 umgeben (Fig. 1 und 2), der eine dem Kegelstumpf des Kolbenoberteils 1 konische Innenkontur besitzt. Die beiden Hälften des Spannringes 4 sind mittels Zylinderschrauben 5 fest miteinander verbunden. Dehnschrauben 6 (Fig. 1), die durch das Kolbenunterteil 2 geführt sind, ziehen den Spannring 4 in Richtung des Kolbenunterteils 2, so daß dadurch auch das Kolbenoberteil 1 fest gegen das Kolbenunterteil 2 gepreßt wird. Dabei bleibt zwischen Kolbenunterteil 2 und dem Spannring 4 ein Spalt, der etwa der Dicke des zylindrischen Teils 3 des Kolbenoberteils 1 entspricht. Das Spiel an der äußeren Auflage des Kolbenoberteils 1 auf dem Kolbenunterteil 2 ist so bemessen, daß im Betriebszustand die Zugspannungen gering gehalten werden. Zur Gewährleistung der zulässigen Flächenpressung am Kolbenunterteil 2 ist zwischen der Dehnschraube 6 und dem Kolbenunterteil eine Scheibe 7 vorgesehen. Die Passung zwischen Kolbenober- und -unterteil 1; 2 oberhalb des Spannringes ist eine Spielpassung mit geringen Toleranzen. Sie dient zur zentrischen Montage des Kolbens, stellt aber auch eine gewisse Abdichtung gegen das Eindringen von Verbrennungsgasen in den Freiraum zwischen Kolbenober- und -unterteil 1; 2 dar. Im Kolbenoberteil befinden sich Ringnuten 8 zur Abdichtung des Brennraumes.

Die in Fig.3 dargestellte Ausführungsform entspricht im wesentlichen der gemäß Fig. 1. Kolbenober- und -unterteil 1; 2 werden bei dieser Ausführungsform durch einen Spannring 9 gegeneinander gepreßt, dessen Teile mittels eines Klemmringes 10 zusammengehalten werden. Spannring 9 und Klemmring 10 sind mittels Zylinderschrauben 11 verschraubt, so daß durch diese Verbindung eine kompakte, das Kolbenoberteil 1 form- und kraftschlüssige umgebende Baugruppe entsteht, die wiederum in zuvor beschriebener Weise durch die Dehnschrauben 6 gegen das Kolbenunterteil 2 gespannt wird.

Claims (2)

1. Thermisch isolierender Kolben für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Kolbenunterteil, auf dem ein Kolbenoberteil aus einem wärmeisolierenden, hochtemperaturbeständigen Werkstoff mittels in Richtung der Längsachse des Kolbens geteilten Spannringes befestigt ist, der eine konische Innenfläche aufweist und mit dieser auf dem im Bereich der Verbindungsstelle zwischen Kolbenober- und -unterteil als Kegelstumpf ausgebildeten Kolbenoberteil aufsitzt, gekennzeichnet dadurch, daß der große Kegelstumpfdurchmesser des Kolbenoberteils (1) das 0,4-0,6fache des Kolbendurchmessers beträgt und der Spannring (4; 9) mit dem Kolbenunterteil (2) mittels durch das Kolbenunterteil (2) hindurchgeführten Schrauben fest verbunden ist.

2. Thermisch isolierender Kolben nach.Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß der Spannring (4; 9) mittels Dehnschrauben (6) am Kolbenunterteil befestigt ist.