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Brennraum in einer der relativ zueinander bewegten Begrenzungswände
des Verbrennungsraumes der Zylinder von Zweitakt-Dieselbrennkraftmaschinen Die Erfindung
bezieht sich, auf einen Brennraum in .einer der relativ zueinander bewegten Begrenzungswände
des Verbrennungsraumes der Zylinder von. Zweitakt-Dieselbrennkraftmaschinen mit.
einem eine hinterschnittene Brennraumkante bildendem und einen zylindrischen Außenmantel
aufweisenden, mit der zugeordneten Begrenzungswand bündsig eingegossenen Einsatzring
aus warm- und zunderfestem Werkstoff.
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1,1,erartig@e Brennräume werden in bekannter Weise als Rotationisholilkörper,
vorzugsweise in Ellipsoidform, ausgebildet, um die Verbrennungsluft gegen das Ende
des Verdichtungstaktes in Form eines Torus--,vi,rbels durch den Brennraum zu leiten
und hierdurch ihr inniges Vermischen mit dem eingespritztem Kraftstoff herbeizuführen.
Bei dieser Ausbildung des Brennraumes ergibt sich eine himterschnittene Brennraumkante,
die infolge der hohen Geschwindigkeit der s:e unnspül,enden heißen Brenngase thermisch
außerordentlich hoch beansprucht ist. Infolgedessen ist die Bremnraumkante, insbesondere
bei Zvli@:nd,erköpferl bzw. Kolben aus Leichtmetall, schon nach kurzer Betriebszeit
der Brennkraftmaschine verzundert und weggehrannt, wodurch die für das Vermilschen
des Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft günstige Luftströmung durch die abgebrannte
Brennraumkante empfindlich gestört wird. Daher ist der Einsatzring aus wärme- und
zunderfes.tem Werkstoff vorgesehen, d°r die Zerstörung der Brennraumkante vermeiden
soll und der in die Begrenzungswand des Verbrennungsraumes entweder eingegossen,
eingeschraubt oder eingeschwei,13t ist. Es hat sich indessen herausgestellt, daß
der Einsatzring infolge des verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten seines Materials
gegenüber dem des Grundmaterials, also des Zylinderkopfes oder Kolbens, locker wird
oder Rißbitdungen aufweist. Um dem Einsatzring eine axiale Beweglichkeit zu verleihen,
ist bereits vorgeschlagen worden, seinem dem Grundmaterial zugekehrten Außenmantel
eine zylindrische Form zu geben und zur Befestigung im Gru.n.dmaterial einen wulstartigen
Ansatz in halber Höhe dies Einsatzringes auf dem Außenmantel vorzusehen. Bei dieser
Ausbildung kann jedoch ein Reißen oder ein Lockerwerden des Einsatzringes nicht
verhindert werden, weil der innere, über dem Ansatz Biegende Teil des Einsatzringes
sich infolge der Unnachgiebigkeit des ihn umschließenden Grundmaterials sich nicht
ausdehnen kann, so daß hierdurch unzulässig hohe Spannungen im Einsatzring oder
Defarmation.en des Ansatzes entstehen. DieDeformation desAnsatzes wird dabei noch
begünstigt, weil dieser verhältnismäßig nahe am Verbrennungsraum des Zylinders liegt
und daher einer hohen Erwärmung ausgesetzt ist. Lediglich der dem Verbrennungsraum
des Zylinders zugekehrte, unterhalb des Ansatzes liegende Teil des Einsatzringes
vermag sich in axialer Richtung ungeh-indert auszudehnen.
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Es ist auch bereits bekannt, am inneren Ende eines mit einem kugeligen,
der Brenu.raumform entsprechenden Außenmantel versehenen Einsatzringes einen Ringflansch
als Halteorgan anzuordnen. Dieser Ringflansch behindert jedoch das Heranführen des
Kühlraumes an den Einsatzring, so daß dieser hohe Temperaturen annimmt. Außerdem
wird durch diesen Ringflansch die Festigkeit des Kolbens bzw. Zylinderkopfes wesentlich
beeinträchtigt.
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Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, den einen Teil
des Brennraumes eines Zylinderkopfes oder Kolbens, insbesondere den die B.rennraumkante
bildenden Einsatzring aus warm- und; z.underfestem Material mit einem zylimdrischen
Außenmantel so auszubilden, daß bei allen Betrielxsverhältnissen der Brennkraftmaschine
der Festsitz des Einsatzringes ohne Festigkeitsverminderung des diesen aufnehmenden
Zyliimderkopfes oder Kolbens gewährleistet ist und Rißbildungen mit Sicherheit vermieden
werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen,
daß der Einsatzring an seinem der Brennraumkante gegenüberliegenden Ende Haltenasen
aufweist, die senkrecht zur Zylinderachse auf dessen Außenmantel angeordnet und
prismatisch ausgebildet sind.
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Hierbei ist bei einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf mit radialen
Trennwänden im Kühlraum im vorteilhafter Weise jede prismatische Haltenase symmetrisch
zur Längsmittelebene der zum Zylinderkopf-
Boden senkrechten Trennwände
angeordnet und mit einer geringeren Breite als die Dicke der Trennwände ausgebildet.
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Vorteilhaft ist weiterhin, daß der Einsatzring einen Ringflansch an
seinem dem Verbrennungsraum des Zylinders zugekehrten Ende aufweist, dessen Außen-Räche
mit dem Kolbenboden in einer Ebene liegt.
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Durch diese Ausbildung wird in vorteilhafter Weise ein ungehindertes
axiales Ausdehnen des Einsatzringes einmal durch seine zylindrische Form und zum
anderen Ma,1 durch seine einseitige Befestigung im Zylinderkopf bzw. Kolben mittels
der lediglich im Bereich seines inneren Endes am Außenmantel angeordneten Haltenasen
ermöglicht. Dieses freie Ausdehnen wird. auch dann nicht behindert, wenn das die
Brenn.raumkante bildende Ende des Einsatzringes flanschart.ig nach außen verbreitert
ist, weil dieser Flansch an der axialen Ausdehnungsbewegung des Einsatzringes teilnimmt
und hierbei aus dem Zylinderkopf bzw. Kolben herauswächst. Bei Temperaturänderungen
des. Einsatzringes während des Betriebes der Br.ennkraftmaschi.ne vermögen die sich
hierbei verkürzenden bzw. verlängernden Haltenasen infolge ihrer prismatischen Form
in ihrem Lager im Zylinderkopf bzw. Kolben ungehindert zu gleiten, wobei durch ihre
senkrecht zur Bren.nraumachs:e vorgesehene Anordnung am Einsatzring ein Lockern
dieses Ringes trotz dessen axialer Bewegungsfreiheit ausgeschlossen ist. Diese Ausbildung
und Anordnung ist auch insofern von besonderer Bedeutung, als der sich im Bereich
der hocherhitzten Brennraumkante erheblich ausdehnende Einsatzring den Zylinderkopf-
bzw. Kolbenwerkstoff staucht, wodurch ein zum inneren Ende des Einsatzringes keilförmig
verjüngter Ringspalt entsteht, der das Lockern des Einsatzringes begünstigt. Hierbei
deckt der am freien Ende des Einsatzringes angeordnete Flansch diesen Spalt ab,
so daß sich in diesem keine Brennstoffrückstände ablagern können. Schließlich beansprucht
die Befestigung des Einsatzringes mittels der Haltenasen in vorteilhafter Weise
nur einen verhältnismäßig geringen Platzbedarf im Zylinderkopf, so daß dreh zwischen
benachbarten Haltenasen bestehende Raum zum Heranführen des im Zylinderkopf vorgesehenen.
Kühlraumes an den hocherhitzten Einsatzring ausgenützt werden kann, ohne daß hierdurch
die Festigkeiit des Zylinderkopfes wesentlich vermindert wird.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
schematisch Es, zeigt Abb. 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinderkopf aus Leichtmetall
einer Zweitakt-Di.eSelbrennlCraftmaschine miit einem Brennraum und eimiem in diesem
angeordneten Einsatzring mit sechs Haltenasen, Abb.2 eine Draufsicht auf den Einsatzring
nach Abt. 1, Abb.3 einen der Abb. 1 entsprechenden Zylinderkopf mit ,einem vier
Haltenasen aufweisenden Üinsatzring im Brennraum nach der Schnittlinie III-111 der
Abb. 4, Abb. 4 einen Schnitt durch den Zylinderkopf der Abb. 3 nach der Schnittlinie
IV-IV und Abb. 5 einen Längsschnitt durch einen Leichtmetallkolben m.i.t einem Brennraum
und einem in diesem angeordneten Einsatzring.
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Dem Ausführungsbeispiel nach Abb.1 lmegt ein flüssigkeitsgekühlter
Zylinderkopf aus Leichtmetall für Zweitakt-Dieselbrenmkraftmasch,inen zugrunde.
Im Boden 1 des Zylinderkopfes, der eiine relativ zum r_.c'It dargestellten Kolben
bewegte Begrenzungswand des Z'erbrennungsraumes im gleichfalls nicht abgebildeten
Zylinder darstellt, ist axial zur Zylinderkopfachse ein Brennraum 2 angeordnet,
dessen Grundform ein Hohilellipsoid ist. Zentral im Zylinderkopf isst eigne Pfeife
3 für eine Einspritzdüse vorgesehen, deren Spritzkopf in den Brennraum ragt. Diese
Pfeife ist von einem ringförmigem Raum 4 für ein flüssiges Kühlmittel umgeben, der
mittels radial verlaufendier Trennwände 5 in vier Kammern unterteilt ist. Diese
Kammern sind durch enge Durchtrittsöffnu.ngen 6 im Bereich der Pfeife 3 für die
Einspritzdüse und des Brennraumes 2 miteinander verbunden. Durch diese Durchtrittsöffnungen
wird das Kühlmittel beschleunigt und hierdurch der hocherhitzte Sitz der Einspritzdüse
und der obere Bereich des Brennraumes 2 intensiv gekühlt. Zur weiteren Verbesserung
der Kühlung des Brennraumes 2 ist der ringförmige Raum 4 seitlich desselben herunterg.eführt.
Der ringföTmige Raum 4 steht mittels in Abb. 3 dargestellter Bohrungen 6a mit dem
Kühlraum des Zylinders in Verbindung und öffnet sich nach außen durch eine Auslaßöffnung
7, an die das Rückleitungsrohr für das Kühlmittel angeschlossen ist. Die übzigen
gleichartigen Öffnungen 8 sind durch Stopfen verschlossen und dienen lediglich zum
Entfernen des nach dem Gießen im Raum 4 verbliebenen Formsandes. Durch die Ell.i,pso,isdform
des Brennraumes 2 entsteht 'an dessen Mündung eine himtersch@nittene Brennraumkante
9, die von den heißen Brenngasen mit großer Geschwindigkeit umspült wird und daher
thermisch hoch beansprucht ist. Um hierbei ein Verzundern, Abbrennen oder Einreißen
der Brennraumkante 9 zu vermeiden, ist ein Einsatzring 10 aus warm- urid zunderfesbem
Material vorgesehen, durch den eine widerstandsfähige Brennraumkante 9 gebildet
ist. Dieser Einsatzring ist inn Grundmaterial eingegossen und erstreckt sich über
die Seitenwandung bis zur Decke des Brennraumes 2. Der Außenmantel dies Einsatzringes
10 ist zylindrisch ausgebildet, während der Innenmantel der Ellipsoidform des Brennraum-es
2 angepaßt ist. Im Bereich des der Brennraumkante 9 gegenüberliegenden Endes des
Einsatzringes sind gemäß der Erfindung Haltenasen 11 rechteckigen Querschnittes
angeordnet, die sich in: radialer Richtung senkrecht zur Zylinderkopfachse in das
Grundmaterial des Zylinderkopfes erstrecken und hierdurch dem Einsatzring 10 einen
zuverlässigen Halt im Zylinderkopf verleihen. Die Hadtenas,°n 11 weisen im wesentlichen
eine prismatische Form auf. Hierdurch ist die Möglichkeit einer radialen Längenänderung
gegeben, die durch die verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten .das Materials des
Einsatzringes und des Zylsnderkopfes hervorgerufen wird. Diese Längenänderung der
Haltenasen 11 ist jedoch verhältnismäßig gering, weil die Erwärmung des Einsatzringes
10 bzw. der Haltenasen 11 infaIge der guten Kühlung des Zylinderkopfes durch die
Kühlflüssigkeit im Bereich der Haltenasen 11 verhältnismäßig gering ist. Wie Versuche
gezeigt haben, treten in diesem Bereich Temperaturen von nur etwa 180 bis 210° C
auf, während im Bereich der Brennraumkante Temperaturen von etwa 650° C gemessen
w arden.
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In Abb. 2 .ist die Grundrdßform des mit sechs Haltenasen 11 versehenen
Einsatzringes 10 für den Zylinderkopf nach Abb. 1 ersichtlich. Der im Abb. 3 dargestellte
Einsatzring 10 «eist hingegen nur vier Haltenasen auf. Diese sind im Zylinderkopf
so angeordnet, daß ihre Längsachsen m,i.t denen der senkrecht auf dem Zylinderkopfbod:en
stehenden Trennwände zusammenfallen, wie Abb. 4 zeigt. Hierdurch wird erreicht,
daß
der ringförmige Raum 4 für das Kühlmittel im Zvlinderkopf zwischen den Haltenasen
11 besonders nahe an den Einsatzring 10 herangeführt werden kann, so daß dieser
im Bereich der Haltenasen 11 besonders gut gekühlt wird. Der geringe Zwischenraum
zwischen dem Brennraum und dem Raum für <las Kühlmittel ist in Abb. 4 ersichtlich.
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In Abb. 5 ist ein Leichtmetallkolben mit einem mit dem erfindungsgemäß
ausgebildeten: Einsatzring 10 ausgestatteten Brennraum 2 dargestellt. Der Unterschied
des Einsatzringes 10 nach diesem Ausführungsheispi:el gegenüber den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen ist lediglich darin zu sehen, daß der dem Verbrennungsraum
des Zylinders benachbarte Rand des Einsatzringes nach außen durch einen Ringflansch
12 verbreitert ist und hierdurch einen Teil des Kolbenbodens 13 abdeckt. Durch diese
Ausbildung wird der Kolbenboden 13 im Bereich der größten Wärmeeinwirkung der Brenngase
geschützt. Bei Graugußkolben kann der Einsatzring 10 vor dem Eingießen an dein Stellen
verkupfert werden, an denen eine innige Bindung des Stahls des Einsatzringes 10
mit dem Grauguß des Kolbens erwünscht ist. Da. der Einsatzring 10 bei Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine, in denen nicht die Höchsttemperatur auftritt, mit seinem
Außenmantel nicht fest an dem Innenmantel der den Einsatzring aufnehmenden Ausnehmung
im Zylinderkopf bzw. Kolben anliegt, ist die Wärmeableitung durch das Grundmaterial
verhältnismäßig gering. Infolgedessen nimmt die B.rennraumkante 9 habe Temperaturen
an. Um ein Verzundern oder Abbrennen zu vermeiden, wird die mit den heißen Brenngasen
in Berührung kommende Oberfläche, insbesondere die Brennraumkante 9 verchromt, um
dem Sauerstoff der Verbrennungsluft den Zutritt zur hocherhitzten Oberfläche zu
verwehren.