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Die Anmeldung bezieht sich auf Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen,
bei welchen in die Kopfzone Regelglieder eingegossen sind. Die Erfindung befaßt
sich damit insbesondere mit der Regelung der Kopfzone des Kolbens. Es ist bekannt,
die Schaftteile von Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere von solchen aus
Leichtmetall, nach den verschiedensten Grundsätzen zu regeln. Grundsätzlich wird
dabei von der Bimetallwirkung einerseits und von der Faßreifenwirkung andererseits
Gebrauch gemacht. Bezüglich der Bimetallwirkung ist es schon bekannt, die Regelglieder
vom Kolbenboden bis zum unteren Schaftende durchlaufen zu lassen. Die Ringnuten
werden dabei u. a. so weit eingestochen, daß die hülsenförmigen Regelglieder geteilt
werden, wobei vornehmlich in Laufflächenrichtung durch Bimetallwirkung eine Einbauspielverkleinerung
erzielt wird. Es ist dabei erforderlich, den Kolben oval auszuführen, wobei die
kleine Achse in Bolzenrichtung liegen muß.
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Bei der fortschreitenden Entwicklung der Brennkraftmaschinen und der
dabei sich ergebenden thermischen Belastungssteigerung verlieren die Kolbenringe,
welche als Abdicht und Wärmetransportmittel eingesetzt sind, immer mehr an Wirksamkeit
als Wärmetransportmittel, da durch die Schmierfähigkeit bekannter Motorenöle die
Temperatur sowohl des Kolbens als auch des Zylinders in der Abdichtzone begrenzt
ist. Man ist nun heute beispielsweise bei luftgekühlten Maschinen mit der Zylinderwandtemperatur
schon fast an dieser Grenze angekommen, so daß bei Berücksichtigung der bei Verwendung
von Kolbenringen vorhandenen Wärmedrossel zwischen diesen und dem Kolben ein für
die Wärmeableitung erforderliches Temperaturgefälle zur Zylinderwand nicht mehr
im wirksamen Umfang vorhanden ist.
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Es ist auch schon ein Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen bekannt,
bei welchem zur Regelung der Kopfzone des Kolbens in den Werkstoff der Kopfzone
des Kolbens ein ringförmiges Regelglied aus Werkstoff mit kleinerem Wärmeausdehnungsbeiwert
eingegossen ist, welches in einem bestimmten Abstand von der Kolbenbodenfläche beginnt
und sich haubenförmig nach außen erweitert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Regelung der Kopfzone
von derartigen Leichtmetall-Kolben den Problemen der Wärmeabführung und der Kolbenabdichtung
im Zylinder in gleicher Weise gerecht zu werden. Dies ist erfindungsgemäß dadurch
erreicht, daß die Innenfläche des Regelglieds mindestens größtenteils vom Kolbenwerkstoff
getrennt ist. Durch eine axialsymmetrische Anordnung der erfindungsgemäßen Regelglieder,
die aus einem Werkstoff mit kleinerem Wärmeausdehnungsbeiwert gegenüber dem Kolbenwerkstoff
bestehen, entsteht beim Erkalten nach dem Erstarren ein Ringspalt zwischen dem Kolbenwerkstoff
und der Innenseite des ringförmigen Regelglieds, wobei der das Regelglied außen
umschließende Kolbenwerkstoff zusammen mit dem Regelglied einen kleineren Schrumpfweg
hat, was gleichbedeutend mit einer entsprechenden Ausdehnungswegverkürzung bei der
Erwärmung des Kolbens im Betrieb ist. Im Gegensatz zu bekannten Regelkolben ist
bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform nicht nur ein guter Wärmefluß vom Kolbenkopf
zu den Schaftteilen gewährleistet, sondern es ist auch in der geregelten Kopfzone
über den gesamten Umfangsbereich in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine
ein guter Wärmeübergang zur wärmeabführenden Zylinderwand vorhanden. Durch diesen
guten Wärmeübergang ist weiterhin erreicht, daß die erfindungsgemäß geregelte Kopfzone
des Kolbens eine so gute Abdichtwirkung gewährleistet, daß teilweise sogar auf Kolbenringe
zur Abdichtung gegen den Verbrennungsdruck verzichtet werden kann. Versuche haben
ergeben, daß unter bestimmten Verhältnissen nur noch ölabstreifringe erforderlich
sind. Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß das Regelglied die Außenwand eines
im Kolbenkopf ringförmig angeordneten Hohlraums bildet, der zur Aufnahme eines Kühlmittels
geeignet ist.
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Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Regeleinrichtung auch
in Verbindung mit bereits bekannten Schaftregelkonstruktionen ausgeführt werden.
Im Rahmen der Erfindung wird weiterhin vorgeschlagen, die Regelglieder so auszubilden,
daß sie gleichzeitig als Ringträger dienen können. Es wird hierzu empfohlen, sie
mit nach außen gerichteten, nutenbildenden Stegen zu versehen, deren Außenkante
vorzugsweise mit dem Außenumfang des Kolbens abschließt, so daß die Kolbenringe
innerhalb je zweier Stege geführt werden können.
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Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
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Die A b b. 1 zeigt ausschnittweise einen Längsschnitt durch die Kopfzone
eines Kolbens mit einem eingegossenen, ringförmigen Regelglied. In den A b b. 2
und 3 sind ebenfalls Kolbenlängsschnitte, die quer zur Bolzenachse liegen, dargestellt,
mit eingegossenen Regelgliedern in der Kopfzone des Kolbens. In der rechten Hälfte
der A b b. 2 sowie in der linken Hälfte der A b b. 3 finden sich Lösungsvorschläge
für Maßnahmen zur gleichzeitigen Aufnahme von Kolbenringen für die erfindungsgemäßen
Regelglieder. Weiterhin ist in der rechten Hälfte der A b b. 3 die Anordnung eines
Hohlraums zur Aufnahme eines Kühlmittels innerhalb des Regelglieds angegeben.
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Das ringföhnige Regelglied a gemäß der A b b. 1 bewirkt beim Erkalten
des Kolbenwerkstoffs auf Grund seines gegenüber dem Kolbenwerkstoff kleineren Wärmeausdehnungsbeiwerts
eine elastische Schrumpfwegverkürzung des Kolbenteils k in radialer Richtung. Da
der als Tragkörper dienende Kolbenteil l von dem Regelglied a bei
diesem Vorgang nicht in seinem Schrumpfbestreben gehindert wird, entsteht ein Spalt
zwischen dem Regelglied a und dem Kolbenteil 1. Dieser Spalt ist mit d bezeichnet.
Beim Erwärmen des Kolbens auf Betriebstemperatur stellt sich in gleicher Weise wie
beim Abkühlungsvorgang eine Ausdehnungswegverkürzung des Kolbenteils k ein und der
Spalt d wird durch die ungehinderte Ausdehnung des Kolbenteils l in radialer Richtung
kleiner. In die Nut g kann beispielsweise ein Ölabstreifring eingesetzt werden.
Da im Bereich in des Regelglieds a der Kolbenwerkstoff der Kolbenteile
k und 1 in Verbindung steht, befindet sich hier, bzw. oberhalb der Oberkante
des Regelglieds a der Übergang zu einem kleineren, nicht mehr unter der unmittelbaren
Regelwirkung stehenden Bereich des Kolbenbodens i.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, zwischen der oberen Kolbenringnut
und dem Kolbenboden eine Rille f vorzusehen, welche vorzugsweise am Ende der voll
geregelten Zone angeordnet ist. Ein Anhaltspunkt für die vollgeregelte Zone des
Kolbenwerkstoffs ist die Ausdehnung des Spalts d. Außer der Begrenzung des voll
geregelten Kolbenteils erfüllt die Rille fauch
in bekannter Weise
die Aufgabe, die am Kolben vorbeistreichenden Verbrennungsgase zu entspannen und
Verbrennungsrückstände aufzunehmen. Zur Verankerung des Regelglieds a, bzw. zur
gelegentlichen Beeinflussung der Regelwirkung können Durchbrüche e vorgesehen sein.
Weitere Lösungsvorschläge auf diesem Gebiet sind beispielsweise an den Regelgliedern
umlaufende Stege oder Nuten (Sicken), oder auch angefalzte Kanten.
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Das Regelglied a gemäß der rechten Darstellung der A b b. 2 ist so
ausgebildet, daß in ihm beispielsweise eine Nut g vorzugsweise zur Aufnahme eines
O1abstreifrings angeordnet ist. Eine ähnliche Ausführungsform ist in der linken
Hälfte der A b b. 3 dargestellt. In dieser Darstellung ist weiterhin am Regelglied
a ein nach außen gerichteter ringförmiger Steg o vorgesehen zur Verstärkung des
Widerstandsmoments des Regelglieds, womit die Regelwirkung beeinflußt werden kann.
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In der rechten Hälfte der A b b. 3 ist gezeigt, wie auf einfache Weise
mit Hilfe des einzugießenden ringförmigen Regelglieds a ein Hohlraum
n gebildet werden kann, welcher zur Aufnahme eines Kühlmittels, vorzugsweise
Öl, dient. Mit c ist ein Zuführungsstutzen für das Kühlmittel im Hohlraum n gekennzeichnet.
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Das in Richtung zum offenen Kolbenschaft liegende Ende des Regelglieds
a muß, sofern es nicht zu seiner freien Beweglichkeit vom Kolbenschaft gelöst ist,
zu diesem Zweck mit einer Schräge von mindestens 2° geneigt verlaufen. Dies ist
in beiden Hälften der A b b. 3 zeichnerisch erläutert.
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Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße ringförmige Regelglied
a beliebig in Richtung Schaftunterkante verlängert werden, wobei jedoch hinsichtlich
des Kolbengewichts bestimmte Grenzen gesetzt sind.