DE2351166A1

DE2351166A1 - Mehrteilige kolben fuer verbrennungsmotoren, insbesondere fuer viertakt-dieselmotoren

Info

Publication number: DE2351166A1
Application number: DE19732351166
Authority: DE
Inventors: Edgar Dipl-Ing Presia; Guenter Dr-Ing Schott
Original assignee: METALLGUSSKOMBINAT LEIPZIG VEB
Current assignee: METALLGUSSKOMBINAT LEIPZIG VEB
Priority date: 1972-10-12
Filing date: 1973-10-11
Publication date: 1974-04-25
Also published as: DD99418A1

Description

Mehrteilige Kolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere für hochbeanspruchte Viertakt-Dieselmotoren.
Die Erfindung betrifft mehrteilige Kolben, insbesondere für Viertakt-Dieselmotoren mit hoher Leistung.
In leistungsgesteigerten Dieselmotoren unterliegen die Kolben hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen, die vom sogenannten Einmetallkolben nicht mehr ertragen werden0 Aus diesem Grunde werden oberhalb bestimmter Leistungsparameter als gebaute Kolben bekannte Elemente eingesetzt. Bei diesen Kolben besteht in der Regel das Oberteil aus Gußeisen oder Stahl mit hohen mechanischen und thermischen Festigkeitzeigenschaften. Die bekannten Ausführungen solcher Oberteile besitzen als charakteristisches Merkmal ein offenes Schnittprofil. Die Unterteile sind meist durch Abguß, Pressen oder Schmieden geeigneter Aluminium-Kolbenlegierungen hergestellt. Es ist bekannte daß beide Kolbenteile durch Dehnschrauben oder durch eine sogenannte Zentralverschraubung mechanisch miteinander verbunden sind0 Die Einführung der Dehnschrauben erfolgt - vorwiegend abhängig vom Kolbendurchmesser und der damit unter schiedlichen Möglichkeiten entsprechend geeigneter Gestaltgebung - entweder vom Oberteil oder vom Unterteil ause Die zwischen beiden Kolbenteilen vorgesehenen Hohlräume werden zur Annahme von Kühlflüssigkeit genutzt. Um das Entweichen des Kühlmittels entlang der Stoßflächen zum Kolbenmantel hin zu vermeiden, sind außer der Vorspannung der Dehnschrauben geeignete Dichtelemente eingesetzt.
Die als bekannt geschilderten Ausführungen sind mit einigen, wesentlichen Nachteilen behaStetO Das offene Profil des Oberteiles besitzt nur geringe Steifigkeit und unterliegt im Motorbetrieb relativ großen zyklischen Verformungen.
Das führt zur Übertragung von ebenfalls zyklischen, für Bauteile sehr ungünstigen Momentenbelastungen auf das Kolbenunterteil und die Verschraubungen. Die bereits einem Temperaturgefälle ausgesetzten, vorgespannten Schrauben erleiden dadurch nach verhaltnismäßig kurzer Betriebszeit einen wesentlichen Rückgang der Vorspannung. Das bedeutet bei dem vorliegenden Belastungsbild eine beträchtliche Einbuße ihrer Lebensdauer und einen entscheidenden Verlust ihrer Dichtfunktion. Die Verformungen des Oberteils müssen außerdem vom Kolbenunterteil abgefangen werden. Die dadurch bedingte Belastung stellt beim Unterteil qualitativ hohe Anforderungen an das Material und seine Homogenität.
Ein weiterer Nachteil ist! daß zur absoluten Abdichtung der Kühlräume Dichtelemente notwendig sind0 Auf diese Elemente wirken einmal sich ständig ändernde Verformungen ein , die hohe, zeitlich unbegrenzte Blasti2itätseigenschaSten des eingesetzten Dichtungsmaterials voraussetzen. Zum anderen sind die Dichtungen relativ hohen Temperaturen ausgesetzt, durch die ihre Funktion nicht beeinträchtigt werden dar.
Der augeführte Stand der Technik mit den dargelegten Nachteilen hinsichtlich Verformungs- bzw. Spannungsanfall, optimaler Materialausnutzung und Lebensdauer kann durch die Erfindung zu bedeutenden volkswirtschaftlichen Nutzen führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Mängel weitgehendst zu beseitigen. Dazu ist das Kolbenoberteil so zu gestalten, daß bei geringster Verformung ein hoher Anteil der Kolbenbelastung durch elastische Arbeit innerhalb des Oberteiles vernichtet wird und von ihm möglichst nur reine Zug-Druck-Krafte auf das Unterteil übertragen werden0 Die Verbindung der beiden Kolbenteile soll wahlweise durch metallischen Verbund und zusätzliche Verschraubung, durch Metallkleben und zusätzliche Verschraubung oder ausschließlich durch Schrauben erfolgen. Die Gestaltung der Einzelteile soll im Motorbetrieb Temperaturdifferenzen innerhalb der Schrauben vermeiden, eine torsionsfreie Vorspannung erlauben und ihren Abbau unter betrieblichen Belastungen unmöglich machen. Weiterhin sollen die bei den bekannten Ausführungen notwendigen Abdichtungen der Kiih1-mittel führenden hohlräume wegfallen0 Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben folgendermaßen gelöst: Das Kolbenoberteil ist ein mit Hohlräumen versehenes, sogenanntes geschlossenes System und besitzt die derartigen Elementen eigene hohe Steifigkeit gegenüber Verformungen.
An ihm sind ausschließlich Öffnungen zur Kühlmittelzu- und -abfuhr angebracht. Eine Abdichtung der Kühlmittel führenden Räume durch geeignete Dichtungen ist überflüssig. Die große Steifigkeit des Oberteils ermöglicht nahezu momentenfreie und gezielte Kraftübertragung auf das Kolbenunterteil. Die Verbindung des Kolbenoberteils mit dem Unterteil wird durch metallischen Verbund - bei einem Oberteil aus Eisenwerkstoff und einem Unterteil aus einer Aluminiumlegierung beispielsweise durch die bekannte ABerschicht - oder durch Metallkleben mit zusätzlicher Sicherung durch Schrauben oder ausschließlich durch Verschraubung hergestellt. Erfindungsgemäß sind hierfür Kühlflüssigkeit führende Rohrschrauben vorgesehen, die auch eingegossen sein könnens Um torsionsfreie Vorspannung dieser Rohrschrauben vollends zu sichern9 sind sie aus Werkstoff - mit kleinerem Wärmeausdehnungskoeffizienten als die der anderen Kolbenmaterialien gefertigte Der standite Fluß des Kühlmittels in den Rohrschrauben bewirkt, daß sie während des Betriebes einer nahezu durchweg konstanten, verhältnismäßig kleinen Temperatur ausgesetzt sind und der nach teilige Abbau der Vorspannung vermieden Wirda Bei der Zentralverschraubung sind Ober- und Unterteil in der Kolbenlängsachse verschraubt Als Rohrschraube ausgebildet kann diese Verbindung dem Kühlmittelabfluß dienen. Diese Funktion kann auch ein am Oberteil angearbeiteter9 angegossener oder angesetzter Rohrstutzen ausüben, der weiterhin zur Zentralverschraubung genutzt und ebenso wie die Rohrschraube in das Kolbenunterteil eingegossen werden kann0 Um beim metallischen Verbund oder beim Metalikleben der einzelnen Kolbenteile optimale Festigkeitseigenschaften der Verbundschicht zu erhalten, ist eine möglichst große Berührungsfläche zwischen Ober- und Unterteil anzustreben.
Diese Forderung wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Kolbenoberteils als geschlossenes System, das zum Unterteil hin lediglich durch die - bezogen auf die Gesamtfläche -unbedeutenden Oeffnungen für die Kühlmittelzu- und-abSuhr unterbrochen wird, erfüllt. Demgegenüber sind bei ausschließlicher Schraubverbindung die Berührungsflächen so zu bemessen und anzuordnen, daß der günstigste Kraftfluß zwischen den einzelnen Kolbenelementen gesichert ist.
Die technisch-ökonomische Bedeutung der Erfindung liegt darin, daß das Kolbenunterteil und die Verbindungselemente als Folge der besonderen Gestaltung des Oberteils weniger als bei den herkömmlichen Ausführungen beansprucht werden. Das bedeutet einerseits geringere Anforderungen an die Qualität der eingesetzten Materialien und bietet andererseits höhere Lebensdauer für den Kolben oder Übertragung größerer Motorleistungen durch den Kolben, Als ein weiterer, nicht unwesentlicher technisch-ökonomischer Vorteil ist der Wegfall aller Abdichtelemente zu werten.
Die Erfindung soll nachstehend an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden0 In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1: einen erfindungsgemäßen Kolben mit Metallverbund und mit durch Rohrschrauben gesicherter Verbindung von Kolbenober- und - unterteil, Fig. 2: einen erfindungsgemäßen Kolben mit Metallverbund zwischen Kolbenober- und -unterteil, mit eingegossenen Rohrschrauben und mit einem zur Zentralverschraubung genutzten, im Unterteil eingegossenen Rohrstutzen, Fig. 3: einen erfindungsgemäßen Kolben ohne Metallverbund und mit Verschraubung von Ober- und Unterteil durch ohrs chrauben, Bigo 4; einen erfindungsgemäßen Kolben entsprechend Fig. 3, jedoch mit zusätzlicher Zentralverschraubung.
In Fig. 1 wird ein mehrteiliger Kolben gezeigte Er besteht aus dem geschlossenen Oberteil 1, das mit Hohlräumen 2 und Stützrippen 3 versehen ist0 Durch eine metallische Verbundschicht 5 ist dieses Oberteil 1 mit dem Unterteil 4 verbundene Der zusätzlichen Sicherung und der Kühlmittelzu- und-abfuhr dienen die eingesetzten Hohrschrauben 6 und/oder die eben falls als Rohrschraube ausgeführte Zentralverschraubung 70 Fig, 2 zeigt einen Fig.1 gleichartigen Kolben. Neben der metallischen Verbundschicht 5 erfolgt auch hier eine zur sätzliche Sicherung -durch Rohrschrauben 6, die aber im Unterteil 4 eingegossen sind0 Die Zentralverschraubung ist so ausgeführt, daß ein Stutzen 8 am geschlossenen Oberteil n angegossen bzw. angearbeitet ist0 Auch dieser Stutzen 8 ist in das Unterteil 4 eingegossen.
In den Figuren 3 und 4 sind zwei Ausführungsbeispiele gezeigt, in denen die geschlossenen Oberteile 1 mit den Unterteilen 4 ausschließlich durch Schraubverbindungen zusammengefügt sind0 In diesen Beispielen sind ebenfalls Rohrschrauben 6 und 7 und Rohrstutzen 8 benutzt worden. Die Berührungsflächen 9 sind so gewählt, daß eine möglichst momentenfreie Kraftübertragung vom Oberteil 1 auf das Unterteil 4 erfolgen kann,

Claims

Patentansprüche: 1. Mehrteilige Kolben, insbesondere für hochbelastete Viertaft-Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß an einem mit Kühlräume (2) versehenen Kolbenoberteil (1) in geschlossener Bauweise das Kolbenunterteil (4) unter Bildung einer metallischen Verbundschicht (5) angegossen oder durch Metallkleben verbunden ist, wobei zur Sicherung beider Teile zusätzlich Schraubverbindungen -auch in Form von KuhlflüssiC-keit führenden Rohrschrauben (6; 7) - vorgesehen sind, die im Unterteil (4) eingegossen sein können.
2. Mehrteilige Kolben, insbesondere für hochbelastete Viertakt-Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Kühlräumen (2) versehenes Kolbenoberteil (1) in geschlossener Bauweise ohne Bildung einer metallischen Verbundschicht mit dem Kolbenunterteil t4) durch Schrauben - auch in Form von Kühlflüssigkeit führenden Rohrschrauben (8; 7) - verbunden ist und die Berührungsflächen (9) zwischen Oberteil (4) und Unterteil (4) so ausgebildet sind, daß eine nahezu momentenfreie Kraftübertragung erfolgt und vom Oberteil (1) im Unterteil (4) keine oder nur kleine Biegebeanspruchung ausgelöst wird.
3. Mehrteilige Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer torsionsfreien Vorspannung die Rohrschrauben (6; 7) aus einem Werkstoff mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizienten, als ihn die anderen Kolbenmaterialien aufweisen, hergestellt sindo
4. Mehrteilige Kolben nach Ansprüchen 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß in das Kolbenzentrum eine dem Kühlmittelabfluß dienende Rohrschraube (7) eingegossen, eingeschraubt oder eingesetzt ist, die zugleich als Zentralverschraubung ausgebildet werden kanne
5. Mehrteilige Kolben nach Ansprüchen 1 bis 3, , dadurch -gekennzeichnet, daß ein im Zentrum des Kolbenkopfes befindlicher, dem Kühlmittel abfluß dienender Rohrstutzen (8) in das Kolbenunterteil (4) eingegossen oder eingeführt ist und als Zentralverschraubung ausgebildet werden kann.