DE3039718C2

DE3039718C2 -

Info

Publication number: DE3039718C2
Application number: DE3039718A
Authority: DE
Inventors: Bengt Nils Johan Dipl.-Ing. Nykvarn Se Palm
Original assignee: Saab Scania AB
Current assignee: Saab AB
Priority date: 1979-10-22
Filing date: 1980-10-21
Publication date: 1989-09-14
Also published as: SE433376B; US4530341A; SE7908739L; DE3039718A1; GB2061383B; GB2061383A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, mit einem warmfesten Kolbenoberteil, das in einer hülsenförmigen Halterung eines Kolbenteils durch einen Preßsitz befestigt ist.

Ein solcher Kolben ist bekannt (US-PS 34 02 644). Dort ist das warmfeste Oberteil ringförmig und mit einem Außendurchmesser kleiner als der Kolbendurchmesser ausgebildet, so daß es innerhalb eines ringförmigen Kolbenrandes aus üblichem Kolbenwerkstoff eingebettet ist. Zur Befestigung des warmfesten Kolbenoberteils ist zwischen diesem und dem Kolbenrand die hülsenförmige Halterung angeordnet, die ein keilförmiges Profil aufweist und den Preßsitz bewirkt. Dieser Preßsitz dient auch dazu, wegen einer Hinterschneidung des warmfesten Kolbenoberteils auf dieses wirkende axiale Kräfte des Verbrennungsdruckes aufzunehmen. Durch die hülsenförmige Halterung ist das warmfeste Oberteil zwar vom Kolbenrand distanziert, liegt jedoch im übrigen am metallischen Kolben an.

Die bekannte Befestigung des warmfesten Kolbenoberteils ist durch die gesonderte hülsenförmige Halterung vergleichsweise aufwendig und ermöglicht auch kein Kolbenoberteil, das sich schützend im wesentlichen über die gesamte, die Brennkammer begrenzende Stirnwand des Kolbens erstreckt. Demzufolge ist die Wärmeabschirmung durch das Kolbenoberteil begrenzt, wobei sich natürlich auch die ringförmige Gestaltung des Kolbenoberteils und dessen fehlende Isolierung gegenüber dem restlichen Kolben ungünstig auswirken.

Im übrigen erscheint nicht gewährleistet, daß die bekannte Anordnung mit einer keilförmigen Halterung eine ausreichend sichere Befestigung bietet, die auch bei den hohen Temperaturunterschieden, die auf den Kolben einwirken und zu werkstoffspezifischen Dehnungen bzw. Schrumpfungen führen, gewährleistet ist.

Es ist allerdings bekannt, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine brennkammerseitig mit einer wärmeisolierenden Einlage zu versehen, die sich im wesentlichen über die gesamte Stirnfläche des Kolbens erstreckt. Dabei erfolgt die Befestigung durch Wärmeschrumpfung. Allerdings fehlt es hier an einem warmfesten Kolbenoberteil, das auch mechanischen Belastungen standhält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gute mechanische Belastbarkeit und Wärmeisolation bei gleichzeitig einfacher Herstellung zu erreichen, ohne daß eine Lockerung der Befestigung unter den auftretenden großen Temperaturschwankungen zu befürchten ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Kolbenoberteil und der hülsenförmigen Halterung eine Einlage aus einem wärmeisolierenden Werkstoff angeordnet ist, dessen Wärmedehnungszahl und Elastizitätsmodul kleiner sind als die entsprechenden Werkstoffwerte des Kolbenoberteils und der hülsenförmigen Halterung.

Da die vorangehenden Hinweise nicht nur für einen Kolben sondern in entsprechender Weise für den die Brennkammer begrenzenden Zylinderkopf gelten, betrifft die Erfindung ebenfalls einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, mit einer warmfesten Abdeckung, die eine Brennkammer begrenzt und in einer zylindrischen Ausnehmung der Innenwand des Zylinderkopfes durch einen Preßsitz befestigt ist. Dabei wird die vorgenannte Erfindungsaufgabe in entsprechender Weise dadurch gelöst, daß in der Ausnehmung zwischen der Innenwand und der Abdeckung eine Einlage aus einem wärmeisolierenden Werkstoff angeordnet ist, dessen Wärmedehnungszahl und Elastizitätsmodul kleiner sind als die entsprechenden Werkstoffwerte der Innenwand des Zylinderkopfes und der Abdeckung.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung ist die wärmeisolierende Einlage durch den Preßsitz zwischen dem warmfesten Teil (Kolbenoberteil bzw. Abdeckung) und der hülsenförmigen Halterung bzw. Innenwand eingespannt, ohne daß dafür ein gesondertes Befestigungsteil erforderlich wäre. Gleichzeitig sind durch den Preßsitz die genannten drei Teile in ihrer Betriebsstellung miteinander verbunden. Lokale Spannungskonzentrationen, wie sie bei Verwendung gesonderter Befestigungsmittel auftreten, treten nicht auf. Durch Berücksichtigung der genannten Werkstoffeigenschaften (Wärmedehnungszahl und Elastizitätsmodul) ist die Gewähr für einen sicheren Festsitz der Bauteile trotz der großen Temperaturschwankungen im Brennraum gegeben. Somit widersteht der erfindungsgemäße Kolben oder Zylinderkopf den auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen dauerhaft.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Ende eines Kolbens;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine; und

Fig. 3a-c Längsschnitte, die das Zusammenwirken der Kolbenteile mit dem erfindungsgemäßen Preßsitz verdeutlichen.

In Fig. 1 ist in der rechten Zeichnungshälfte ein vertikaler Schnitt durch das Kolbenbolzenlager eines Kolbens, in der linken Zeichnungshälfte ein gegenüber dem ersten Schritt um 90° versetzter vertikaler Schnitt dargestellt. Der Kolben hat einen Kolbenschaft 1 und einen Kolbenboden 2. Der Kolbenboden 2 ist zusammengesetzt aus einem Kräfte aufnehmenden Kolbenteil 3, einer wärmeisolierenden Einlage 4 und einem den Kolbendeckel bildenden warmfesten Kolbenoberteil 5. Jedes dieser Bauteile kann ein- oder mehrteilig sein. Der in Fig. 1 dargestellte Kolbenteil 3 hat eine hülsenförmige Halterung 6 und einen Boden 8, mit dem der Kolbenteil 3 im Zusammenwirken mit einer Zentrierschulter am oberen Ende des Kolbenschaftes 1 aufruht und an diesem mit mehreren Schrauben 12, von denen nur eine gezeichnet ist, befestigt ist. Die wärmeisolierende Einlage 4 ist in die Halterung 6 des Kolbenteils 3 eingesetzt und hat einen zylindrischen Abschnitt 7 und einen Boden 9. Die offene Seite des zylindrischen Abschnitts 7 weist nach oben. In den zylindrischen Abschnitt 7 ist der warmfeste Kolbenoberteil 5 eingesetzt, der einen Flansch und eine zumindest annähernd mittig angeordnete kreisringförmige Vertiefung 10 aufweist, die Teil einer Verbrennungskammer in einem Dieselmotor mit direkter Einspritzung bildet.

Auf gleichem Niveau mit dem Boden 8 des Kolbenteils 3 ist in letzterem eine Kolbenringnut 13 ausgebildet. Weitere, nicht dargestellte Kolbenringnuten können im Kolbenteil 3 oberhalb der Kolbenringnut 13 oder im Kolbenschaft 1 unterhalb der Kolbenringnut 13 angeordnet sein. An der zylindrischen Fläche des Kolbens ist zwischen dem Kolbenteil 3 und dem Flansch des warmfesten Kolbenoberteils 5 ein Luftspalt 14 ausgebildet, der als Wärmeisolierung dient und die Ausbildung der wärmeisolierenden Einlage 4 als Teil der zylindrischen Fläche des Kolbens unnötig macht. Die wärmeisolierende Einlage 4 wird dadurch vor Verunreinigungen und Drucklasten während der Verbrennung geschützt.

Die Einlage 4 und das Kolbenoberteil 5 sind dadurch aneinander und am Kolbenteil 3 befestigt, daß die Einlage 4 und ihr zylindrischer Abschnitt 7 in die hülsenförmige Halterung 6 des Kolbenteils 3 eingeschrumpft sind, wodurch auch der Kolbenoberteil 5 im zylindrischen Abschnitt 7 der Einlage 4 eingepreßt wird. Weiter unten wird im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert, wie die in diesem Falle wirksame Pressung erzeugt werden.

Fig. 2 zeigt einen Zylinderkopf 20, der mit einem wärmeisolierenden Einsatzstück 21 versehen ist. Das Einsatzstück 21 bedeckt ganz denjenigen Abschnitt des Zylinderkopfes 20, der Teil der Begrenzungswände der Verbrennungskammer bildet. Ähnlich wie beim Kolben gemäß Fig. 1 hat das Einsatzstück 21 eine wärmeisolierende Einlage 22 und einen beim gezeigten Beispiel als kreisrunde Platte ausgebildete warmfeste Abdeckung 23. Die wärmeisolierende Einlage 22 ist als Platte ausgebildet und hat ein kreisrundes unteres Loch, in das die Abdeckung 23 eingesetzt ist. Sowohl in der Abdeckung 23 als auch im Boden der wärmeisolierenden Einlage 22 sind Löcher 24 für eine Kraftstoffeinspritzdüse und Einlaß- und Auslaßkanäle ausgebildet, wobei in Fig. 2 nur ein Loch 24 für einen Einlaß- oder Auslaßkanal dargestellt ist. In der Abdeckung 23 sind auch Sitze für Ventile 26 ausgebildet, wobei nur ein Ventil 26 und ein Sitz gezeichnet sind. Die Abdeckung 23 ist, wie bereits erwähnt, in die wärmeisolierende Einlage 22 eingesetzt, und das so gebildete Einsatzstück 21 ist, mit der Abdeckung 23 nach außen weisend, in eine Innenwand 27 eingeschrumpft, die beim gezeigten Beispiel vom Zylinderkopf 20 gebildet ist. Diese Ausführungsform ermöglicht es der warmfesten Abdeckung 23, die wärmeisolierende Einlage 22 während der Verbrennung vor der direkten Einwirkung mechanischer Lasten zu schützen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Innenwand 27 als getrennte Platte auszubilden, die mit dem eigentlichen Zylinderkopf verschraubt ist. Wie bei der in Fig. 1 dargestellten Verbindung erzeugt der Schrumpfsitz Klemmkräfte sowohl zwischen der Innenwand 27 und der wärmeisolierenden Einlage 22 als auch zwischen letzterer und der warmfesten Abdeckung 23.

Das in Fig. 3a bis 3c dargestellte Beispiel betrifft das Zusammenwirken zwischen dem warmfesten Kolbenoberteil 5, der wärmeisolierenden Einlage 4 und dem Kolbenteil 3 an der oberen linken Ecke des Kolbens gemäß Fig. 1. In Fig. 3a bis 3c sind die Durchmesser dieser Bauteile bei verschiedenen Temperaturen an einer Skala D aufgetragen.

Fig. 3a zeigt die Beziehungen zwischen den Durchmessern des Kolbenoberteils 5, des zylindrischen Abschnitts 7 der wärmeisolierenden Einlage 4 und der hülsenförmigen Halterung 6 des Kolbenteils 3 bei der Temperatur 0°C. Der anfängliche Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 7 der wärmeisolierenden Einlage 4 ist um den Abstand a größer als der Innendurchmesser der Halterung 6 des Kolbenteils 3, und der Abstand a ist größer als ein Abstand b, um den der Innendurchmesser der Einlage 4 den Außendurchmesser des warmfesten Kolbenoberteils 5 übersteigt.

In Fig. 3a ist von jeder der miteinander zusammenwirkenden radialen Flächen ausgehend eine Skala Δ D eingezeichnet. Der Ort des Ausgangspunktes jeder Skala Δ D gibt die Größe des betreffenden Durchmessers bei der nicht angegebenen Temperatur von 0°C an. Die Eintragung "500°C" gibt die Größe des Durchmessers des betreffenden Bauteils bei dieser Temperatur an. Somit ist an jeder Skala Δ D die Durchmesserveränderung aufgetragen, die das betreffende Bauteil bei Erwärmung erfährt.

Gemäß Fig. 3a hat der Kolbenteil 3 (Halterung 6) beim gezeigten Beispiel die größte Wärmedehnungszahl, der warmfeste Kolbenoberteil 5 eine Wärmedehnungszahl, die etwa ein Drittel der Wärmedehnungszahl des Kolbenteils 3 (Halterung 6) beträgt, und die Wärmedehnungszahl der wärmeisolierenden Einlage 4 (Abschnitt 7) beträgt nur ein Drittel der Wärmedehnungszahl des warmfesten Kolbenoberteils 5.

Beim Zusammenbauen dieser Bauteile läßt sich der Kolbenoberteil 5 wegen des Durchmesserunterschiedes ohne Schwierigkeiten in die Einlage 4 (Abschnitt 7) einsetzen. Das so gebildete Einsatzstück wird danach in den Kolbenteil 3 (Halterung 6) eingesetzt, der zuvor so erwärmt wurde, daß sich sein Durchmesser um mehr als den Abstand bzw. das Maß a gemäß Fig. 3a vergrößert hat. Dies bedeutet, daß beim gezeigten Beispiel der Kolbenteil 3 (Halterung 6) auf wenigstens 300°C erwärmt werden muß, bevor diese Durchmesservergrößerung um das Maß a erreicht wird.

Beim Abkühlen des Kolbenteils 3 (Halterung 6), aus dem sich eine entsprechende Schrumpfung ergibt, wird das Einsatzstück im Kolbenteil 3 (Halterung 6) eingepreßt. Die wärmeisolierende Einlage 4 (Abschnitt 7) hat gegenüber dem Kolbenteil 3 (Halterung 6) und dem warmfesten Kolbenoberteil 5 einen niedrigen Elastizitätsmodul, der es der Einlage 4 (Abschnitt 7) ermöglicht, den anderen Teilen der Verbindung nachzugeben. Außerdem ist die Einlage 4 (Abschnitt 7) von ausreichender Druckfestigkeit, um die Klemmkräfte des Kolbenteils 3 (Halterung 6) auf den Kolbenoberteil 5 zu übertragen, ohne selbst zu brechen. Das Schrumpfen des Kolbenteils 3 (Halterung 6) führt somit dazu, daß die wärmeisolierende Einlage 4 (Abschnitt 7) zwischen den beiden anderen Bauteilen fest eingepreßt wird und der warmfeste Kolbenoberteil 5 dadurch in die wärmeisolierende Einlage 4 (Abschnitt 7) eingepreßt wird. Dies bedeutet, daß sich der Außendurchmesser der Einlage 4 (Abschnitt 7) nach dem Abkühlen um den Abstand bzw. das Maß a verkleinert hat, wogegen sein Innendurchmesser um einen Betrag abgenommen hat, der zumindest den Abstand bzw. das Maß b übersteigt.

Der erzeugte Preßsitz, der in Fig. 3b für die Temperatur von 0°C dargestellt ist, muß den Lasten standhalten, die sowohl bei niedrigen Temperaturen (Kaltstart des Motors) als auch bei hohen Temperaturen während der Verbrennung im Motor auftreten. Gemäß Fig. 3a hat der Kolbenteil 3 eine beträchtlich größere Wärmedehnung als der warmfeste Kolbenoberteil 5; die Wärmedehnung der wärmeisolierenden Einlage 4 kann in diesem Zusammenhang vernachlässigt werden. Dies bedeutet, daß der Preßsitz zwischen den Bauteilen der in Fig. 3b dargestellten Verbindung beim Abkühlen zunimmt, beim Erwärmen dagegen abnimmt. Beim Erwärmen auf die von den Bauteilen erreichbare höchste Temperatur wird keine Dehnung des Kolbenteils 3 zugelassen, die so groß wäre, daß der Preßsitz zwischen der Einlage 4 (Abschnitt 7) und den beiden anderen Bauteilen zum Zusammenhalten der Bauteile unzureichend werden würde.

Bei der Festlegung der Abmessungen der Bauteile sind auch Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen. Im Einzelfalle, beim Erwärmen auf die von den Bauteilen erreichbare höchste Temperatur, gilt die folgende Beziehung:

a-b- Δ D _Kolbenteil + Δ D _{Kolbenoberteil} < Mindestklemmung.

Dies bedeutet, daß eine geringste notwendige Pressung (Mindestpressung) nicht unterschritten werden darf, wenn die bei Raumtemperatur bestehende Pressung (a-b) beim Erwärmen dadurch verringert wird, daß sich der Kolbenteil 3 mehr dehnt als der warmfeste Kolbenoberteil 5 (Δ D _Kolbenteil < Δ D _{Kolbenoberteil}).

In Fig. 3c sind an der Durchmesserskala die diametralen Abmessungen der verschiedenen Bauteile bei den an ihnen eingetragenen Temperaturen aufgetragen. Die eingetragenen Werte sind repräsentativ für die Temperaturen, die von den verschiedenen Bauteilen während der Verbrennung in einem Dieselmotor erreicht werden.

Geeignete Werkstoffe für die einzelnen Bauteile sind z. B. folgende:

Warmfester Kolbenoberteil 5 - isostatisch warmgepreßtes Siliziumnitrid Si₃N₄
wärmeisolierende Einlage 4 - Aluminiumtitanat Al₂TiO₅
Kolbenteil 3 - martensitischer Ventilstahl X45CrSi9.

Im Rahmen des Lösungsgedankens der Erfindung sind auch andere Werkstoffe für einen erfindungsgemäß ausgebildeten, großen Lasten ausgesetzten Kolben denkbar. Für den Zylinderkopf und eine Zylinderauskleidung sind die Werkstofforderungen nicht in gleichem Maße streng, da in diesem Falle nur Drucklasten auftreten und außerdem für eine gute Kühlung gesorgt ist. Wesentlich ist jedoch, daß der Elastizitätsmodul der wärmeisolierenden Einlage 4 zumindest unter 50% des Elastizitätsmoduls des Kolbenteils 3 und des warmfesten Kolbenoberteils 5 liegt. Außerdem sollte die Wärmedehnungszahl der wärmeisolierenden Einlage 4 zumindest unter 20% der Wärmedehnungszahl des Kolbenteils 3 liegen.

Die dem Kolbenteil 3 entsprechende Innenwand 27 im Zylinderkopf oder in der Zylinderauskleidung bzw. Zylinderlaufbüchse kann auch aus anderen Werkstoffen, beispielsweise aus Gußeisen hergestellt sein. Wesentlich ist jedoch, daß dessen Wärmedehnungszahl so klein wie möglich ist, wodurch der Schrumpfsitz bei kleinstmöglicher Anforderung an die Abkühlung des Kolbenteils 3 bzw. der Innenwand 27 gewährleistet wird. Selbstverständlich muß die Festigkeit des Werkstoffes bei den Temperaturen während der Verbrennung im Motor auf ausreichend hohem Niveau erhalten bleiben.

Im Rahmen des Lösungsgedankens der Erfindung ist es auch möglich, den Kolbenteil 3 so auszubilden, daß er von innen radial gegen die wärmeisolierende Einlage 4 preßt, die ihrerseits gegen den radial außen angeordneten warmfesten Kolbenoberteil 5 gepreßt wird.

Claims

1. Kolben für eine Brennkraftmaschine, mit einem warmfesten Kolbenoberteil (5), das in einer hülsenförmigen Halterung (6) eines Kolbenteils (3) durch einen Preßsitz befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kolbenoberteil (5) und der hülsenförmigen Halterung (6) eine Einlage (4) aus einem wärmeisolierenden Werkstoff angeordnet ist, dessen Wärmedehnungszahl und Elastizitätsmodul kleiner sind als die entsprechenden Werkstoffwerte des Kolbenoberteils (5) und der hülsenförmigen Halterung (6).

2. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, mit einer warmfesten Abdeckung (23), die eine Brennkammer begrenzt und in einer zylindrischen Ausnehmung der Innenwand (27) des Zylinderkopfes (20) durch einen Preßsitz befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausnehmung zwischen der Trennwand (27) und der Abdeckung (23) eine Einlage (22) aus einem wärmeisolierenden Werkstoff angeordnet ist, dessen Wärmedehnungszahl und Elastizitätsmodul kleiner sind als die entsprechenden Werkstoffwerte der Innenwand (27) des Zylinderkopfes (20) und der Abdeckung (23).

3. Kolben oder Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastizitätsmodul der wärmeisolierenden Einlage (4; 22) weniger als 50% des kleinsten der Elastizitätsmodule der Werkstoffe der beiden anderen benachbarten Kolbenteile (5, 6) bzw. Zylinderkopfteile (23, 27) beträgt.

4. Kolben oder Zylinderkopf nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedehnungszahl der wärmeisolierenden Einlage (4; 22) weniger als 20% der Wärmedehnungszahl des Kolbenteils (3) mit der Halterung (6) bzw. der Innenwand (27) des Zylinderkopfes (20) beträgt.

5. Kolben oder Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Brennkammer begrenzende Wandabschnitt des Kolbens bzw. des Zylinderkopfes (20) von dem warmfesten Kolbenoberteil (5) bzw. von der warmfesten Abdeckung (23) vollständig bedeckt ist.

6. Kolben oder Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierende Einlage (4; 22) als zumindest annähernd zylindrischer Napf mit einem Boden (9) ausgebildet ist.

7. Kolben oder Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierende Einlage (4; 22) aus Aluminiumtitanat (Al₂TiO₅) und das warmfeste Kolbenoberteil (5) bzw. die warmfeste Abdeckung (23) des Zylinderkopfes (20) aus isostatisch warmgepreßtem Siliziumnitrid (Si₃N₄) hergestellt sind.