DE2327551B1 - Brennkraftmaschinenkolben mit im Kolbenboden ausgebildeter Brennraummulde mit bewehrtem Muldenrand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennkraftmaschinenkolben mit im Kolbenboden ausgebildeter Brennraummulde mit Bewehrungselementen am Muldenrand. Durch derartige Bewehrungselemente soll der Bildung von Anrissen am Muldenrand entgegengewirkt werden.

Aus der DT-PS 745 396 ist es bekannt, den Muldenrand bei hochbelasteten Kolben dadurch zu schützen, daß er aus einem ringförmigen Einsatz aus einem Werkstoff mit höherer Warmfestigkeit als der des Kolbenwerkstoffes gebildet ist. Ein derartiger Schutz des Muldenrandes gegen die Bildung von Anrissen auf Grund des hohen und ständig wechselnden Temperatureinfalles ist zwar wirkungsvoll, aber erhöht das Gewicht des Kolbens. Diesen Nachteil weist auch ein Kolben nach dem DT-Gbm 1 978 875, dessen Muldenrand ebenfalls durch einen entsprechenden Ringansatz bewehrt ist, auf. Es wurden deshalb Ausführungen entwikkelt, bei denen auf Schwermetalleinlagen der beschriebenen Art verzichtet wird. So ist nach der DT-AS 1 122 325 der Muldenrand durch eine mittels Auftragsschweißung angebrachte Reinaluminiumschicht geschützt, während in der DT-AS 2 124 595 offenbart ist, einen Leichtmetallkolben im Bereich des Muldenrandes durch Umschmelzen mittels eines Ladungsträgerstrahles zu veredeln und damit gegen Anrisse widerstandsfähig zu machen. Nachteilig an diesen sonst sehr brauchbaren Lösungen ist der doch erhebliche Fertigungsaufwand.

Die Erfindung bezweckt, Mittel zum Schutz des Muldenrandes des Brennraums von Kolben zu schaffen, die wirksam und einfach sind und durch die das Kolbengewicht nicht oder nicht wesentlich erhöht wird.

Der Lösung dieser Aufgabe liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die mechanisch und die thermisch bedingten Spannungen am Muldenrand des Brennraums so zusammenwirken, daß dieser über seinen Umfang sehr unterschiedlich belastet ist. Diese Erscheinung ist folgendermaßen erklärbar: In bezug auf die KolbenboJ-zenachse weist der Kolben ein schwächeres Wider-Standsmoment gegen Biegung auf als in bezug auf eine Achse senkrecht zur Kolbenbolzenachse und zur Kolbenlängsachse, da die Bolzennaben und der dort gelagerte Bolzen eine erhebliche Versteifung des Kolbenbodens bewirken. Die meachanischen Kräfte versuchen

ίο demnach, den Kolben um den Kolbenbolzen herum zu verbiegen, wodurch sich in den den Bolzennaben benachbarten Bereichen des Muldenrandes Zugspannungen und in den den Tragseiten benachbarten Bereichen des Muldenrandes Druckspannungen ergeben. Anders als diese mechanisch bedingten Spannungen haben die thermisch bedingten Spannungen über den gesamten Umfang des Muldenrandes dasselbe Vorzeichen und etwa dieselbe Größe. Da sich der den Muldenrand bildende Kolbenwerkstoff bei Erwärmung zur Kolbenmitte hin auszudehnen versucht, bewirken diese thermisch bedingten Spannungen eine Druckbeanspruchung des Muldenrandes.

Bei Betrieb des Kolbens überlagern sich nun die mechanisch und die thermisch bedingten Spannungen, d. h.

sie gleichen sich in den den Bolzennaben benachbarten Bereichen des Muldenrandes weitgehend aus, während sie sich in den Umfangsbereichen, die den Tragseiten benachbart sind, summieren.

Erfindungsgemäß werden nun die Bewehrungsmittel zum Schutz des Muldenrandes des Brennraums gegen die Bildung von Anrissen derart angeordnet, daß sie ausschließlich auf Bereiche des Muldenrandes beschränkt sind, die den Tragseiten benachbart sind.
Die erfindungsgemäße Lösung stellt eine Abkehr von den bisher bekannten Maßnahmen dar, bei denen Wert auf den Schutz des gesamten Muldenrandes gelegt wurde. Gerade durch den Verzicht, die zum Schutz des Muldenrandes bestimmten Mittel auch in den Bereichen, die den Bolzennaben benachbart sind, vorzusehen, wird aber das Anreißen des Muldenrandes sehr wirksam vermieden: Es ist gewährleistet, daß die einander entgegenwirkenden, mechanisch und thermisch bedingten Spannungen in den den Bolzennaben benachbarten Umfangsbereichen des Muldenrandes im Sinne eines Ausgleiches ungehindert zusammenwirken können, während die übrigen Umfangsbereiche, in denen auch die mechanisch bedingten Spannungen als Druckbeanspruchung wirken, thermisch entlastet werden. Dadurch ist erreicht, daß der gesamte Muldenrand mit nur geringen und gleichmäßiger verteilten Spannungen beaufschlagt ist.

Besondere Vorteile weist eine Ausbildung der Erfindung auf, bei der die Mittel zum Schutz des Muldenrandes durch Abdeckschirme gebildet sind, die derart vom Zylinderkopf abstehen, daß sie bei der oberen Totlage des Kolbens in den Brennraum hineinragen und dabei in geringem Abstand parallel oder annähernd parallel zu dessen Muldenrand verlaufen. Zum Stand der Technik ist hier noch auf die DT-AS 1 272 620 und DT-OS 1 401 956 hinzuweisen, aus denen Brennkraftmaschinen mit direkter Einspritzung bekannt sind, bei denen das unmittelbare Auftreffen der Brennstoffstrahlen auf die Wand des jeweils im Kolben angeordneten Brennraums durch dort hineinragende, ähnliche Abdeckschirme verhindert wird. Deren Anzahl, Anordnung und Größe ist demgemäß durch die Art der Brennstoff-Einspritzung bestimmt, während es bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine darauf ankommt, daß die

Abdeckschirme ausschließlich in den Umfangsbereichen des Muldenrandes wirksam sind, die den Tragseiten des Kolbens benachbart sind. Da der größte Teil der durch die Verbrennung frei werdenden Wärmemengen kurz nach der oberen Totlage des Kolbens umgesetzt wird, genügt es im allgemeinen, wenn die Abdeckschirme bei dieser Stellung zwei bis drei mm in den Brennraum hineinragen.

Außerdem hat es sich herausgestellt, daß es ausreicht, wenn sich die Abdeckschirme über Umfangsbereiche erstrecken, die einem Winkel von höchstens 90° entsprechen. Ein Winkel von 30 bis 60° erscheint besonders zweckmäßig.

Es ist offensichtlich, daß durch die Erfindung in dieser Ausführung jede Erhöhung des Kolbengewichtes vermieden wird.

Die Mittel zum Schutz des Muldenrandes des Brennraums können auch bogenförmige, einen Teil des Muldenrandes bildende Einsätze aus einem Werkstoff mit höherer Warmfestigkeit als der des Kolbenwerkstoffes sein, die in dem Kolbenwerkstoff in an sich bekannter Weise fest verankert sind. Auch diese Lösung bietet gegenüber den bekannten Ausführungen mit geschlossenen ringförmigen Einsätzen gewichtsmäßige Vorteile.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil des Zylinderkopfes und des in seiner oberen Totlage befindlichen Kolbens der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie H-II der Fig. 1,

F i g. 3 in vergrößertem Maßstab eine Ansicht des Randes eines in F i g. 1 und 2 dargestellten Abdeckschirms,

F i g. 4 einen Längsschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung und

F i g. 5 eine Aufsicht auf den in F i g. 4 dargestellten Kolben.

Der in seiner oberen Totlage befindliche Leichtmetallkolben 1 ist mit einem zyntralen, zylindrischen Brennraum 2 versehen, der mit einem Muldenrand 3 in den Kolbenboden 4 übergeht. Der Zylinderkopf 5 weist zwei axial von ihm abstehende Abdeckschirme 6, 7 auf. Sie ragen in den Brennraum 2 hinein, verlaufen in geringem Abstand parallel zum Muldenrand 3 und decken damit einen Teil von diesem ab, so daß er vor der unmittelbaren Einwirkung der Verbrennungsgase geschützt ist. Die Abdeckschirme 6,7 sind nur in den Umfangsbereichen angeordnet, die den Tragseiten des Kolbens 1 benachbart sind, und erstrecken sich in LJmfangsrichtung über einen Bereich, der einem Mittelpunktswinkel von oc = 40° entspricht. Die übrigen, den Bolzennaben 8, 9 benachbarten Bereiche bleiben von den Abdeckschirmen 6, 7 frei. Die seitlichen Enden 10 der Abdeckschirme 6, 7 gehen — wie aus F i g. 3 ersichtlich — schräg und allmählich in die Ebene des Zylinderkopfes 5 über, damit sich in diesem Bereich örtlich keine zu großen Temperaturgefälle einstellen, die zu schädlichen Spannungsspitzen führen könnten.

F i g. 4 und 5 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Muldenrand 3 des Brennraums 2 im Kolben 1 ist hier in dem Bereich, der den Tragseiten benachbart ist, durch bogenförmige Einsätze 11,12 aus einer hochwarmfesten Eisen-Nickel-Legierung gebildet, die in an sich bekannter Weise über Stege 13, 14 mit einem Ringträger 15 in Verbindung stehen und dadurch fest im Kolbenwerkstoff verankert sind. Umfangsmäßig erstrecken sich die bogenförmigen Einsätze 11, 12 hier über einen Bereich, der einem Mittelpunktswinkel von ex. = 60° entspricht. Der übrige Bereich bleibt frei, wodurch erreicht ist, daß sich hier die mechanisch bedingten Druckspannungen weitgehend ausgleichen können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschinenkolben mit im Kolbenboden ausgebildeter Brennraummulde mit Bewehrungselementen am Muldenrand, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewehrungselemente (6, 7,11,12) ausschließlich auf Bereiche des Muldenrandes (3) beschränkt sind, die den Tragseiten des Kolbens (1) benachbart sind.

2. Brennkraftmaschinenkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewehrungselemente (6, 7, 11, 12) zum Schutz des Muldenrandes (3) sich über Umfangsbereiche erstrecken, die jeweils einem Mittelpunktswinkel (α) von höchstens 90°, vorzugsweise 30° bis 60°, entsprechen.

3. Brennkraftmaschinenkolben mit im Kolbenboden ausgebildeter Brennraummulde, deren Muldenraum bereichsweise mittels eines vom Zylinderkopfboden herabreichenden Abdeckschirmes in oberer Totpunktlage des Kolbens abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abdeckung (6,7) ausschließlich auf Muldenrandbereiche beschränkt, die den Tragseiten des Kolbens (1) benachbart sind.

4. Brennkraftmaschinenkolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden seitlichen Enden (10) eines Abdeckschirmes (6) in Umfangsrichtung kurvenförmig oder schräg auslaufen.