DE2312263A1

DE2312263A1 - PISTON FOR ROTATING PISTON INTERNAL ENGINE

Info

Publication number: DE2312263A1
Application number: DE2312263A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Hofbauer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1973-03-12
Filing date: 1973-03-12
Publication date: 1974-09-19
Also published as: JPS49125712A

Description

VOLKSWAGEHWERK Aktiengesellschaft
Wolfeburg VOLKSWAGEHWERK Aktiengesellschaft
Wolfeburg

Unsere Zeichen: K 1471Our reference: K 1471

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Kolben für Rotationskolben-BrennkraftmaschinePiston for rotary piston internal combustion engine

Me Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine, insbesondere auf einen Kolben mit trochoidenförmiger Mantelkontur.Me invention relates to a piston for a rotary piston internal combustion engine, in particular on a piston with a trochoidal jacket contour.

Bei Rotationskolben-Brennkraftmaschinen ist der Kolben eines der kritsehen Bauteile der Maschine, da dieser in hohem Maße durch mechanische und besonders thermische Belastungen beansprucht wird. Da dieser umlaufende, die in der Maschine gebildeten Arbeitsräume begrenzende Kolben von den in den Arbeitsräuraen herrschenden unterschiedlich hohen Temperaturen beaufschlagt wird, die zu unterschiedlichen Wärmedehnungen führen, entstehen im Hinblick auf eine einwandfreie und sichere Abdichtung der Arbeitsräume gegeneinander erhebliche Schwierigkeiten. Ein anderes Problem- ist das Gewicht des Kolbens bzw. die dadurch beim Umlauf des KolbensIn rotary piston internal combustion engines, the piston is one of the critical components of the machine because it has a high Dimensions is stressed by mechanical and especially thermal loads. Because of this circulating, which in the machine Formed working spaces delimiting pistons from the different high temperatures prevailing in the working spaces is applied, which lead to different thermal expansions, arise with a view to a flawless and secure sealing of the work spaces against each other considerable difficulties. Another problem is weight of the piston or the resulting when the piston rotates

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erzeugten !Fliehkräfte, die, da die Abtriebswelle nur in verhältnismäßig engen !Durchmessergrenzen variiert werden kann, die in der Maschine erreichbaren höchst zulässigen Drehzahlen auf verhältnismäßig niedrigere Werte begrenzen.Generated! Centrifugal forces, which, since the output shaft is only in relatively narrow! diameter limits can be varied, the maximum achievable in the machine Limit speeds to relatively lower values.

Besondere Schwierigkeiten ergeben sich bei den Kreiskolbenmaschinen, bei denen die Mantelkontur des umlaufenden Kolbens durch eine Trochoide gebildet wird, an deren Kolben ständig Partien mit hoher Temperaturbeaufschlagung und Partien mit verhältnismäßig niedriger Temperaturbeaufschlagung vorhanden sind. Bei einer derartigen über den Umfang des Kolbens verteilten, unterschiedlichen Temperaturbeaufschlagung ist die Gefahr der Beschädigung durch, thermischen Verzug des Kolbens sehr groß, zumal eine gute und wirkungsvolle Kühlung gerade an dem umlaufenden Teil besondere Schwierigkeiten macht. Der Verzug des Kolbens würde aber unweigerlich zu einer wesentlichen Beeinträchtigung der Abdichtung der Arbeitsräume führen^ da in diesem Pail die Aufrechterhaltung einer geschlossenen Dichtgrenze durch Anlaufen des'Kolbens an Teile des Gehäuses und durch Verformung der abzudichtenden Flächen nicht mehr gewährleistet werden kann.Particular difficulties arise with the rotary piston machines, in which the jacket contour of the circumferential piston is formed by a trochoid, on the piston constantly high temperature loads and There are parts with relatively low temperature exposure. With such over the scope the piston distributed, different temperature exposure is the risk of damage by, thermal Distortion of the piston is very great, especially since good and effective cooling is special on the rotating part Makes trouble. The distortion of the piston would inevitably lead to a significant impairment the sealing of the working spaces lead to the maintenance of a closed sealing boundary in this pail by the piston running against parts of the housing and can no longer be guaranteed due to deformation of the surfaces to be sealed.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird daher in der Schaffung eines Kolbens für eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kolbens mit trochoidenförmiger Mantelkontur für eine Kreiskolbenmaschine gesehen, der die vorerwähnten Nachteile weitgehend vermeidet und der insbesondere den aus der unterschiedlichen Temperaturbeaufschlagung herrührenden thermischen Belastungen ohne größeren Kühlungsaufwand standhält.The object on which the invention is based is therefore to create a piston for a rotary piston internal combustion engine, seen in particular a piston with a trochoidal jacket contour for a rotary piston machine, which the largely avoids the above-mentioned disadvantages and in particular from the different exposure to temperature withstands resulting thermal loads without major cooling effort.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß der Kolben aus einem keramischen Hartstoff besteht. Vorzugsweise soll dabei ein im wesentlichen aus reaktionsgesin-This object is achieved according to the invention in that the piston consists of a ceramic hard material. Preferably is intended to essentially consist of reaction-oriented

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tertem oder heißgepreßtem Siliziumnitrid bestehender nicht oxydischer keramischer Hartstoff oder aber ein oxydkeramischer Hartstoff auf Aluminiumoxyd-Basis verwendet werden. Durch die Verwendung derartiger keramischer Hartstoffe wird nun eine Reihe von Vorteilen erreicht, die sich in erheblichem Maße auf das Betriebsverhalten, die Leistung und den Wirkungsgrad einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine auswirken.tertiary or hot-pressed silicon nitride existing non-oxide ceramic hard material or an oxide ceramic Hard material based on aluminum oxide can be used. By using such ceramic hard materials a number of advantages are now achieved, which have a significant impact on the operating behavior, the Effect on the performance and efficiency of a rotary piston internal combustion engine.

So ergibt sich zunächst durch das gegenüber den bisher verwendeten Werkstoffen niedrigere Raumgewicht eines derartigen keramischen Werkstoffes ein Gewichtsvorteil, der eine Erhöhung der zulässigen Drehzahlen und dadurch eine Erhöhung der Leistung der Maschine ermöglicht. Zum anderen zeigen derartige Werkstoffe eine hohe Festigkeit und eine große Härte, so daß erhebliche mechanische Belastungen ohne die Gefahr einer Verformung aufgenommen werden können. Weiterhin sind die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Werkstoffe abriebbeständig und verschleißfest und weisen günstige Reibungswerte gegen das im allgemeinen aus Grauguß, Kohlenstoff oder Keramik bestehende Material der in den Rotationskolben-Brennkraftmaschinen verwendeten Dichtelemente auf.First of all, the lower density of such a ceramic material compared to the materials used hitherto results in a weight advantage which enables an increase in the permissible rotational speed and thus an increase in the performance of the machine. On the other hand, such materials show high strength and great hardness, so that considerable mechanical loads can be absorbed without the risk of deformation. Furthermore, the materials proposed according to the invention are abrasion-resistant and wear-resistant and have favorable coefficients of friction against the material of the sealing elements used in the rotary piston internal combustion engines, which generally consists of gray cast iron, carbon or ceramic.

Das wesentliche Charakteristikum dieser Werkstoffe besteht jedoch in einer geringen Wärmeleitfähigkeit und in einem "niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die geringe Wärmeleitfähigkeit hat nun bei der Verwendung dieser Werkstoffe als Kolbenmaterial für Rotationskolben-Brennkraftmaschinen zur Folge, daß der Kolben selbst das Arbeitsmedium nach einer Seite hin isoliert. Durch die gute Wärmedämmungswirkung des Materials ergibt sich ein besserer Wirkungsgrad des in der Brennkraftmaschine ablaufenden Arbeitsverfahrens infolge kleinerer Wärmeverluste. Bei den Maschinen, bei denen der Kolben auch die Gasführungskanäle zur Zufuhr und AbfuhrThe essential characteristic of these materials, however, is a low thermal conductivity and in one "low coefficient of thermal expansion. The low thermal conductivity now has when using these materials As a piston material for rotary piston internal combustion engines, the piston itself has the working medium isolated on one side. Due to the good thermal insulation effect the material results in a better efficiency of the working process taking place in the internal combustion engine as a result of smaller heat losses. In machines where the piston is also the gas duct for supply and discharge

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des Arbeitsmittels aufweist, ergibt sich eine einfache und wirkungsvolle Isolierung insbesondere der Auslaßleitung ohne einen besonderen, zusätzlichen Aufwand. Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient des verwendeten Materials bewirkt schließlich eine wesentliche Herabsetzung der Gefahr des Verzuges des Kolbens infolge der an seinem Umfang anstehenden unterschiedlich hohen Temperaturen. Insgesamt gesehen ergibt sich also, daß durch die Erfindung wesentliche Schwierigkeiten bei der Entwicklung eines den unterschiedlichen Beanspruchungen in einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine standhaltenden Kolbens behoben werden können.of the work equipment, there is a simple and effective insulation in particular of the outlet line without any special, additional effort. The low one Finally, the coefficient of thermal expansion of the material used significantly reduces the risk the distortion of the piston as a result of the different high temperatures applied to its circumference. All in all seen so it follows that the invention significant difficulties in the development of a the different stresses in a rotary piston internal combustion engine withstanding piston can be fixed.

Bevorzugte Beispiele der von der Erfindung vorgeschlagenen nichtoxydischen, keramischen Werkstoffe sind solche, die im wesentlichen aus reaktionsgesintertem oder heißgepreßtem Siliziumnitrid bestehen. So zeigt beispielsweise ein reaktionsgesintertes Siliziumnitrid mit etwa 20% Porosität ein Raumgewicht von 2,4 kg/dm , einen Ε-Modul von 10 - 15Preferred examples of the non-oxidic ceramic materials proposed by the invention are those in the consist essentially of reaction-sintered or hot-pressed silicon nitride. For example, shows a reaction sintered Silicon nitride with about 20% porosity, a density of 2.4 kg / dm, a Ε module of 10 - 15

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x 10 kp/mm und eine Biegefestigkeit von 15-20 kp/mm . Der Wärmeausdehnungskoeffizient dieses Werkstoffes liegtx 10 kp / mm and a flexural strength of 15-20 kp / mm. The coefficient of thermal expansion of this material is

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bei 3j0 χ 10~ grd ~ und die Wärmeleitfähigkeit bei 8,0 kcal/mh C. Ein ebenfalls verwendbares heißgepreßtes Silziziimnitrid hat bei einer Porosität von weniger als 0,5% ein Raumgewicht von 3,15 kg/dm , einen Ε-Modul vonat 3j0 χ 10 ~ degrees and the thermal conductivity at 8.0 kcal / mh C. A hot-pressed silicon nitride which can also be used has a porosity of less than 0.5% a density of 3.15 kg / dm, a Ε module of

AO p AO p

2,85 x 10^" kp/mm und eine Biegefestigkeit von 70 - 90 kp/mm Der Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt 3»3 x T0~ grd" und die Wärmeleitfähigkeit bei 1000°C 13 kcal/mh°C.2.85 x 10 ^ "kg / mm and a flexural strength of 70 - 90 kg / mm The coefficient of thermal expansion is 3 »3 x T0 ~ degrees" and the thermal conductivity at 1000 ° C 13 kcal / mh ° C.

Die ebenfalls vorgeschlagenen, im wesentlichen aus Aluminiumoxyd (Alp 0,,) bestehenden oxydischen, keramischen Hartstoffe haben ähnlich gute Kennwerte. So ist das Raumgewicht ■ eines derartigen Oxydkeramik-Stoffes mit 97% Al_ 0, -GehaltThe also proposed, consisting essentially of aluminum oxide (Alp 0 ,,) consisting of oxidic, ceramic hard materials have similarly good characteristics. The volume weight of such an oxide ceramic material with 97% Al_ 0, -content is

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5,75 kg/dnr, der Ε-Modul 5,8 χ 1Cr kp/mm und die Biegefestigkeit 50 kp/mm . Der Wärmeausdehnungskoeffizient "beträgt hier "bei 1100°C 8,5 χ 10~ grd ~ und die Wärmeleitfähigkeit bei 800°C etwa 5 kcal/mh°C.5.75 kg / dnr, the Ε module 5.8 χ 1Cr kp / mm and the flexural strength 50 kgf / mm. The coefficient of thermal expansion "here" at 1100 ° C is 8.5 χ 10 ~ degrees and the thermal conductivity at 800 ° C about 5 kcal / mh ° C.

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Claims

EXPECTATIONS

1.J Pistons for a rotary piston internal combustion engine, in particular with trochoidal jacket contour, characterized in that the piston is made of a ceramic Hard material.

2. Piston according to claim 1, characterized in that a ceramic hard material consisting essentially of reaction-sintered or hot-pressed silicon nitride is provided.

3. Piston according to claim 1, characterized in that an oxide ceramic mixer consisting essentially of aluminum oxide Hard material is provided.

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