DE2016386A1

DE2016386A1 - Kolben fur Einspritzbrennkraft maschinen, insbesondere Dieselmotoren

Info

Publication number: DE2016386A1
Application number: DE19702016386
Authority: DE
Inventors: G Elsbett; L Elsbett
Original assignee: Maschinenfabrik Augsburg Nürnberg AG . 8500 Nürnberg
Priority date: 1970-04-07
Filing date: 1970-04-07
Publication date: 1971-12-16
Also published as: CH535895A; GB1316046A; HU164219B; US3730163A; FR2089242A5; SE372309B; RO56544A; JPS5141165B1

Description

Kolben für Einspritzbrennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für Einspritz- ™ brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren mit einem im Brennraum vorgesehenen, .dem Zurückhalten von noch unverbrannten Kraftstoffbestandteilen dienenden Einsatz.

Im Motorenbau und hier insbesondere im Dieselmotorenbau besteht seit langem der Wunsch, die der Verbrennung zugeführten Kraftstoffe vollständig in den Brennräumen zu verbrennen, um auf diese Weise das Austreten giftiger und/oder übel riechender Abgase nach außen zu verhindern. Unter Verbrennung wird dabei ein Vorgang verstanden, bei dem die Brennstoff-, rückstände nach Abgabe ihrer Energie in einen neutralen Zustand umgewandelt werden, so daß sie eine weitere Reaktion | nicht mehr eingehen. Um dies zu erreichen, ist es hierbei erforderlich, den Kraftstoff und somit auch alle in ihn enthaltene Kraftstoffbestandteile mit einer derart optimalen Temperatur in den Brennräumen zu verbrennen, die mit Sicherheit die Verbrennung bzw. Ueutralisierung aller Kraftstoffbestandteile gewährleistet. Das Erreichen der optimalen Temperatur scheitert aber¹vielfach daran, daß zum einen die Motoren selten mit einer gleichbleibenden Drehzahl und somit auch Belastung laufen und zum andern die Brennraumwandungen die Temperierung des Brennraumes nicht belastungsabhängig bzw. temperaturabhängig steuern.
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Um die Temperatur eines Brennraumes trotz wechselnder Belastung des Motors nach einem vorgegebenen Wärmebild temperieren zu können, ist es bei Ausbildung des Brennraumes als Kugelbrennraum bekannt, diesen mit einem ihn ummantelnden Hohlraum zu versehen, in den eine Flüssigkeit eingespritzt wird. Die Flüssigkeit, deren Menge vom gewünschten Grad der Temperierung des Brennraumes abhängt, tritt an einer Stelle in den Hohlraum ein und verläßt diesen an einer anderen, der ersten abgewandten Stelle. Bei dieser Ausführung wird es jedoch als störend empfunden, daß zum einen die Brennraumwände ungleichmäßig temperiert werden, da die eingeführte Flüssigkeit von ihrem Eingang in den Hohlraum bis zu ihrem Ausgang aus diesem eine Temperaturänderung mitmacht und zum andern die Kraftstoffbestandteile an den kälteren Brennraumwänden kondensieren. Durch das Kondensieren dieser Kraftstoff bestandteile werden diese nicht vollständig verbrannt, so daß sie als giftige und/oder übel riechende Abgase nach außen gelangen. ( Stand der Technik: US-Patentschrift Nr. 3 221 722 )

Zum Temperieren des Brennraumes eines Kolbens ist es ferner bekannt, um diesen eine Anzahl von Kammern vorzusehen und diese Kammern mit einer die Brennraumwände temperierenden Füllung auszustatten. Die Kammern, die beispielsweise zylindrisch ausgeführt und parallel zur Kolbenlängsachse^irn den Brennraum angeordnet sein können, sind nur teilweise mit der Füllung gefüllt, so daß Expansionsräume für die Füllung in den Kammern verbleiben. Als Füllung werden unter anderem Metalle verwendet, die im warmen Zustand flüssig sind und sich daher gut als Wärmeträger eignen, während sie im kal ten Zustand entweder wie Quecksilber, gleichfalls flüssig oder wie Natrium fest sein können. Als Nachteil wird bei dieser Art von Temperierung empfunden, daß die Anbringung der Kammern um den Brennraum sehr lohnintensiv ist, zumal die einzelnen Kammern jeweils für sich allein angebracht, gefüllt und abgedichtet werden müssen. Hinzu kommt, daß

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zwischen den Kammern Rippen um den Brennraum verbleiben, die von der Füllung gar nicht oder nur teilweise temperiert werden. Ein weiterer Nachteil kann noch darin gesehen werden, daß bei Schräglage des Motors eine Veränderung des Temperaturbildes insofern eintritt, als die flüssige Füllung entsprechend der Schräglage des Motors wandert und Brennraumwandteile temperiert, z.B. kühlt, die einer Kühlung nicht so dringend, wie die gegenüber liegenden Wandteile bedürfen und umgekehrt. ( Stand der Technik: deutsche Patentschrift 762 820 ) ,

Ferner ist eine Brennkraftmaschine mit Regelung der Wärme- ™ ableitung aus dem Brennraum bekannt, bei der um einen kugelförmigen Brennraum ein diesen teilweise umschließender Ringkörper im Kopf des Kolbens eingebettet ist. Der Ringkörper, der der Ableitung der Wärme aus dem Brennräum oder Dämmen derselben im Brennraum dient, besteht ib einem Werkstoff, dessen Wärmeleitzahl mit steigender Temperatur zunimmt und umgekehrt mit sinkender Temperatur abnimmt, z.B. Chrom-Hickel-Stahl mit 18 ~fö Chrom- und 8 <fo Nickelgehalt. Zwar wird mittels dieses Ringkörpers eine gewisse Temperierung des Brennraumes und somit dessen Brennraumwände erreicht, indessen kann bei dieser Temperierungsart nicht verhindert werden, daß noch unverbrannte Kraftstoffbestand- ä teile den Brennraum verlassen, da diese beim Arbeitstakt des Motors aus dem Brennraum gesaugt werden. ( Stand der Technik: DAS 1 157 428 ) ■ '

Um die Temperierung des Kolbenbrennraumes einer brennkraftmaschine nach einem optimalen Wärmebild regeln zu können, ist es ferner vorgeschlagen'worden, in den Kolbenbrennraum einen Einsatz einzubringen'-und diesen Einsatz an seinem, dem Zylinder zugewandten Ende" mit einem zur Rotationsachse des Brennraumes gerichteten Umlenkschild auszustatten. Der Umlenkschild ist dabei-mit^seinem Rand derart zum Brennraum gerichtet, daß eine.:d.e,n-.Ratnd tangi.eren-

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de Gerade die Rotationsachse, vorzugsweise im Bereich des Bodens des Brennraumes schneidet. Durch das Versehen des Einsatzes mit dem Umlenkschild werden sich sich infolge Fliehkrafteinwirkung an die Wandungen des Einsatzes ablagernden Kraftstoffbestandteile, die unter einem Drall in den Brennraum eingeleitet werden, im Brennraum so lange zurückgehalten, bis deren Erhitzung so groß ist, daß sie von schädlichen Bestandteilen, befreit, infolge optimaler Verbrennung den Kolbenbrennraum verlassen. Um diese optimale Verbrennung der zurückgehaltenen Kraftstoffbestandteile zu bewirken, werden die Bestandteile erst nach Vorbeistreichen am Rand des Umlenkschildes aus dem Brennraum entlassen, was dazu führt, daß beim Vorbeistreichen der Verbrennungsgase am Rand diese Kraftstoffbestandteile am stark erhitzten Rand erheblich aufgeheizt werden. Durch dieses Vorerhitzen der Kraftstoffbestandteile an den Einsatzwänden und abschließende Erhitzen am Rand des Umlenkschildes werden die mitgeführten, noch unverbrannten Bestandteile auf die erforderliche hohe Temperatur aufgeheizt und dadurch gänzlich verbrannt. Um dabei eine gute Verbrennung zu erzielen, die allein für die Beseitigung giftiger Abgase und des unerwünschten, sogenannten Blaurauches maßgeblich ist, ist es von Vorteil, wenn zusätzlich zum Umlenkschild eine Temperierung des Einsatzes möglich ist.

Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, den im Brennraum eingesetzten Eindatz derart zu temperieren, daß dessen Wandungen die im jeweiligen Wandbereich für die optimale Verbrennung erforderliche Temperatur aufweisen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Kolben der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen dem Einsatz und dem Dichtmantel dee Kolbens ein den Brennraum nach einem vorgegebenen Wärmebild temperierendes Zwischenglied mit örtlich gleichbleibender oder unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist.

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. Durch diese Maßnahmen lassen sich die Wandungen des Einsat-.zes infolge einer guten oder schlechten Leitfähigkeit des Zwischengliedes dem gewünschten Wärmebild nach temperieren. Dadurch ist es möglich, die sich an den Wandungen ablagernden Kraftstoff "bestandteile schneller einer optimalen Erhitzung zuzuführen, was "bei schneilaufenden Brennkraftmaschinen wesentlich ist. Um den gewünschten Te'mperierungsgrad zu erreichen, kann das Zwischenglied auch eine bereichsweise unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Diese unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß gemäß der Erfindung das Zwi- ™ schenglied aus einem Kohlenstoff hergestellt ist. Kohlenstoff hat hier den Vorteil, daß er auf einfache Weise mit den unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten versehen werden.kann, da Kohlenstoff bei seiner Umwandlung, beispielsweise in Graphit, die gute bei seinem Belassen in Kohlenstoff die schlechte oder weniger gute Leitfähigkeit erhalten kann. , - ' -

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht ferner darin, dem Zwischenglied im Bereich der Ebenerer Brennraumöffnung bzw. im Bereich des UmIenkschildes eine schlechte, im Bereich des 'Brennraumbodens bzw. im Bereich . | des dem Umlenkschild abgewandten Endes des Einsatzes einegute bis gute Wärmeleitfähigkeit zu geben.

Aus fertigungstechnischen Gründen wird es von Vorteil sein, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung das Zwischenglied aus mindestens zwei ringförmigen Körpern zusammengesetzt ist, von denen der dem Brennraumboden zugeordnete die gute bis gute und der dem Umlenkschild zugeordnete die schlechte Leitfähigkeit aufweisen.

Auch kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung das Zwischenglied-eine entlang dem Glühteil verlaufende Tren-

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nung aufweisen, wobei der dem Brennraum zugewandte Teil des Zwischengliedes eine gute, der am Kolbenkopf anliegende Teil des Zwischengliedes eine schlechte Leitfähigkeit aufweist.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Kolbenkopf mit einem kugelförmigen Brennraum sowie einen in diesem Brennraum vorgesehenen Einsatz und

Fig. 2 einen Kugelkopf mit Kugelbrennraum und einem darin vorgesehenen Einsatz mit an seinem dem Zylinder zugewandten Ende angeordnetem Umlenkschild und dem zwischen Einsatz und Dichtmantel liegenden Zwischenglied.

In einem kugelförmigen Brennraum 1 eines Kolbens 2 für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren ist ein der Mantelfläche des Brennraumes angepaßter Einsatz 3 vorgesehen, zwischen dem und dem Dichtmantel 4 des Kolbens ein Zwischenglied 5 eingebettet ist. Einsatz 3 und Zwischenglied 5 sind hierbei als ringförmiger Rotationskörper ausgebildet und derart am Kolbenkopf befestigt, daß sie den kugelförmigen Brennraum 1 des Kolbens 2 bilden.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Einsatz mit einer großen freien öffnung versehen, über die der Brennraum 1 mit dem Zylinderraum verbunden -ist. Das Zwischenglied 5» das zwischen dem Einsatz 3 und dem Kopf des Kolbens 2 vorgesehen ist, weist eine von oben nach unten abnehmende Wandstärke auf, wobei es mit seinem dünnen Ende am Boden 7 des Brennraumes 1 abgestützt i3t. Das dem Boden 7 des Brennraumes 1 abgewandte Ende des Zwischengliedes ist über einen Ringflansch 8 des Einsatzes 3, der am Dicht-

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mantel 4 des Kolbens 2 /befestigt ist,.abgedeckt. Je nach dem gewünschten Wärmebild des Brennraumes 1 und somit dessen Brennraumwände kann das Zwischenglied 5 eine gute, schlechte oder weniger gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Um dieser Forderung entsprechen "zu können, besteht das Zwischenglied 5 vorzugsweise aus- einem Kohlenstoff, der durch Umwandlung in Graphit auf einfache Weise mit der unterschiedlichen- Wärmeleitfähigkeit versehen werden kann. Die Umwandlung des Kohlenstoffes in Graphit kann durch Erhitzen des Kohlenstoffes erfolgen, wobei der Grad der Erhitzung die gewünschte Graphitstruktur ergibt. Aus Fer- ■ g tigungsgründen kann es von Vorteil sein, wenn das Zwischenglied 5 aus zwei zusammengesetzten ringförmigen Hälften besteht, von denen jede Hälfte mit der erforderlichen Wärmeleitfähigkeit versehen werden kann, so daß beispielsweise die untere Hälfte mit der guten Leitfähigkeit die obere Hälfte, d.h. die dem Zylinder zugewandte,, d? schlechtere Leitfähigkeit aufweist. Die Trennung von guter zur schlech-. ten Leitfähigkeit muß natürlich nicht durch eine waagrechte Ebene gehen, sie kann gleichermaßen auch in der Struktur des Zwischengliedes 5 selbst liegen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Pig. 2 unterscheidet.sich von dem nach !ig. 1 im wesentlichen dadurch, daß der Ein- <J satz 3 an seinem dem Zylinder 6 zugewandten Ende mit einem Umlenkschild .9 versehen ist, dessen Rand 10 zum Brennraum .1 gerichtet ist und zwar derart, daß unterhalb des Randes, d.h. des Umlenkschildes eine Staukammer 11 zwischen diesem und der Einsatzwandung entsteht. Der zum Brennraum 1 gerichtete Rand 10 kann hierbei so weit in diesen hineingezogen sein, daß eine den Rand tangierende Gerade y die Rotationsachse- χ des Brennraumes 1 im Bereich des Bodens 7'desselben schneidet-. Um die noch nicht ganz verbrannten Kraftstoffbestandteile im·.Brennraum 1 zurückzuhalten, ist es erforderlich, .daß die_:-. denn Rand', 1.0 tangierende Gerade, y die Rotationsachse χ innerhalb -deS;.Brennraumes schneidet.

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Bei einer solchen Ausbildung des Umlenkschildes 9 wird mit Sicherheit erreicht, daß die noch nicht verbrannten Kraftstoffbestandteile, die infolge Fliehkrafteinwirkung sich an den Wandungen des Einsatzes 3 ablagern, allmählich im Brennraum 1 aufsteigen und diesen über den Rand 10 des Einsatzes verlassen. Da mittels des Zwischengliedes 5 der Brennraum 1 und somit auch der Einsatz 3, d.h. die Wände 12 entsprechend dem gewünschten Wärmebild temperiert werden, können die Wandteile, die der Ausströmöffnung des Brennraumes 1 benachbart sind, durch Anwendung einer schlechten Leitfähigkeit des Zwischengliedes 5 derart gedämmt werden, daß diese die gewünschte hohe Temperatur für die optimale Verbrennung der unverbrannten Bestandteile des Kraftstoffes gewährleisten. Das Zwischenglied 5 selbst kann, wie auch beim erstgenannten Ausführungsbeispiel ausgeführt und mit den dort angegebenen Wärmeleitfähigkeiten versehen sein.

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Claims

Patentansprüche

Kolben-für Einspritzbrennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren mit einem im Brennraum vorgesehenen Einsatz, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einsatz. (3) und dem Dichtmantel (4) des Kolbens (2) ein den'Brennraum (1) nach einem vorgegebenen Wärmebild temperierendes Zwischen- -Jj glied (5) mit örtlich gleichbleibender oder unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenglied (5) aus einem an sich bekannten Kohlenstoff besteht. ■
3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenglied (5) im Bereich der Ebene der Brennraumöffnung bzw. im Bereich des Umlenkschildes (9) eine schlechte, im Bereich des Brennraumbodens (7) bzw.

im Bereich des dem UmIenkschild abgewandten Randes des ^

Einsatzes (3) eine gute bis gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. ™
4. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenglied (5) aus mindestens zwei ringförmigen Körpern zusammengesetzt ist, von denen der dem Brennraumboden (7) zugeordnete die gute bis gute und der dem Umlenkschild (9) zugeordnete die schlechte leitfähigkeit aufweisen. '
5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenglied (5) eine entlang dem Glühteil verlaufende Trennung aufweist, und daß der dem Brennraum (1) zugewandte Zwischengliedteil eine gute, der am Kolbenkopf anil 21 1098-51/0409 ' · ·/·.'.

liegende Zwischengliedteil eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
6. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit des Kohlenstoffes so gerichtet ist, daß entlang des Einsatzes (3) bzw. koaxial zur Rotationsachse (z) eine gute und senkrecht zur Rotationsachse eine schlechte, bis schlechte Wärmeleitfähigkeit vorliegt.
7. Kolben nach Anspruch 1, 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenglied (5) aus einem Stück besteht und in sieh die unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten aufweist.

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