DE3134768C2 - Kolbenzylinderaggregat für Brennkraftkolbenmaschinen, insbesondere für Otto- und Dieselmotoren - Google Patents

Kolbenzylinderaggregat für Brennkraftkolbenmaschinen, insbesondere für Otto- und Dieselmotoren

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Abstract

Bei einem Kolbenzylinderaggregat wird zur Vermeidung der Notwendigkeit von Kolbenringen vorgeschlagen, daß die Zylinderbuchse von einer aus einem Faserverbundwerkstoff bestehenden Bandage umgeben ist, deren thermische Ausdehnung in radialer Richtung geringer ist als die der Zylinderbuchse, wobei die von der Bandage hervorgerufene Ausdehnungsbehinderung über die Länge der Zylinderbuchse verschieden ist, daß der Kolben eine Kappe mit einem dem Verbrennungsraum zugewandten Kolbenboden und einem im wesentlichen zylindrischen, der Zylinderlauffläche benachbarten Kolbenhemd sowie einen Krafteinleitungskern umfaßt, welcher die Lagerung für den Kolbenbolzen und die kugelige Druckfläche aufweist, daß oberhalb der kugeligen Fläche ein bezüglich der Kolbenlängsachse rotationssymmetrischer Krafteinleitungsschluß zwischen Kolbenboden und Krafteinleitungskern vorgesehen ist, daß die Kappe am unteren Rand des Kolbenhemds mit dem Krafteinleitungskern verbunden ist, während sonst außer im Bereich des Krafteinleitungsschlusses kein Kontakt zwischen Kappe und Krafteinleitungskern besteht, und daß sowohl die Zylinderbuchse als auch die Kappe aus einem keramischen Werkstoff bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Koibenzylinderaggregat für Brennkraftkolbenmaschinen mit den im Oberbegriff des Anspruches 5 angegebenen Merkmalen.
Eine solche Konstruktion ist beispielsweise aus der DE-PS 2 81 030 bekannt.
Ein großer Anteil der Brennstoffwärme, die einer Brennkraftkolbenmaschine zugeführt wird, geht dadurch ungenutzt verloren, daß sie mit dem Kühlmittel abgeführt werden muß. Insgesamt beträgt der Anteil der mit dem Kühlmittel abgeführten Wärmeenergie bei üblichen Brennkraftkolbenmaschinen 25 bis 35% der zugeführten Brennstoffwärme. Die weitaus überwiegende Wärmeabgabe an das Kühlmittel erfolgt an den Wandungen des Verbrennungsraums, insbesondere an der Zylinderbuchse. Die Kühlung der Zylinderbuchse ist bei üblichen Brennkraftkolbenmaschinen notwendig, da sonst die thermische Beanspruchung von Zylinderbuchse und Kolben zu hoch wäre. Insbesondere ist die Kühlung auch notwendig, um eine Verkokung des Schmiermittels im Bereich der Kolbenringe zu vermeiden, da eine solche Verkokung zu einer Verminderung der Dichtwirkung zu einer Beschädigung der Kolbenringe führen würde. Diese Notwendigkeit beschränkt die maximale Temperatur in dem Bereich des Kolbenzylinderji aggregates, der mit dem Schmiermittel des Kolbenrings in Berührung kommt, auf ca. 220 bis 230°C.
Neben dem direkten Wärmeverlust durch Kühlung entstehen weitere Verluste durch den Betrieb des zur Kühlung notwendigen Kühlmittclkreisiaufcs. Die Notwendigkeil der Kolbenringe zur Erzielung einer einwandfreien Abdichtung zwischen Kolben und Zylinderlauffläche hai wegen der erforderlichen KoI-bcnringnuten auch noch Spannungskonzenlrationen im Kolben zur Folge. Diese erweisen sich als mechanische Schwachstcllen des Kolbens, so daß hier, insbesondere bei Verwendung von spröden Werkstoffen. Schaden auftreten können.
Es ist zwar bercks bekannt, gewisse Maßnahmen zu treffen, um die Wärmevcrluste des Verbrennungsraumcs zu mindern. Dazu gehört die Verwendung von Kolben mit keramischen Kolbenboden oder die Verwendung von Kolben mit getrenntem Kolbenboden und Gleitschuh (Eisbett, Entwicklung eines Dieselmotors mit wärmedichterem Verbrennungsraum,
MTZ 42-1981-3). Auch die Anwendung keramischer Werkstoffe in Kolben und Zylinderbuchse ist an sich bekannt (Ceramics Eliminate Diesel Cooling, Automot. Ind. 160-1980-6).
Alle diese Maßnahmen führen jedoch nicht an der Notwendigkeit vorbei, die Kolben mittels Kolbenringen gegenüber der Zylinderbuchse abzudichten, so daß die Forderung nach niedrigen Temperaturen im Dichtungsbereich aufrechterhalten bleiben muß.
Die eingangs bereits erwähnte deutsche Patentschrift 2 81030 zeigt einen Tauchkolben für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem Kolbenstange und Kolben derart ausgebildet sind, daß ein geringer Materialbedarf enlsteht. Die Beanspruchungen werden bei dieser Kon-
struktion in gleichmäßiger Weise zwischen dem Kopf des Kolbens und den Wänden verteilt Es ist aber bei dieser Konstruktion trotzdem notwendig, Dichtungsringe vorzusehen, um eine einwandfreie Abdichtung des Kolbens gegenüber dem Zylinder zu erreichen.
Es ist auch bekannt, die Kräfte des Kolbens über eine kugelige Druckfläche am Kolben in das Pleuel einzuleiten, jedoch ergibt sich bei dieser bekannten Konstruktion ein nichtrotationssymmetrischer Aufbau, der ebenfalls die Verwendung von Dichtringen notwendig macht (DE-OS 27 37 596).
Demgegenüber liegt dem Anmeldegegenstand die Aufgabe zugrunde, ein Ko!benzylinderaggregat vorzuschlagen, bei dem zur Abdichtung zwischen Kolben und Zylinderbuchse keine Kolbenringe notwendig sind, so daß insgesamt eine thermisch hochbelastbare Einheit entsteht.
Diese Aufgabe wird bei einem Kolbenzylinderaggregat der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 5 gelöst.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, auch bei den im Betrieb auftretenden hohen Temperaturen eine einwandfreie Dichtung zwischen dem Kolben und der Zylinderbuchse aufrechtzuerhalten, so daß die Notwendigkeit von Kolbenringen entfällt.
Dies wird durch eine Reihe von Einzelmaßnahmen erreicht, die sich gegenseitig so vorteilhaft ergänzen, daß insgesamt die gewünschten Dichteigenschaften erreichbar sind.
Durch die die Zylinderbuchse umgebende Bandage wird das radiale Ausdehnungsverhalten der Zylinderbuchse aufgrund der erhöhten Temperatur derart beeinflußt, daß die Zylinderbuchse eine an die Radialausdehnung des Kolbens angepaßte thermische Radialausdehnung erfährt, die dazuhin noch über die gesamte Länge der Zylinderlaufbuchse im wesentlichen gleich ist, und zwar unabhängig vom Temperaturgefälle, das im Betrieb in Längsrichtung der Zylinderbuchse auftritt. Zu diesem Zweck behindert die Bandage die Radialausdehnungder Laufbuchse über deren Länge unterschiedlich stark, im oberen, heißen Bereich wird die Radialausdehnung stärker behindert als im unteren, kühleren Bereich, so daß insgesamt die Radialausdehnung vergleichmäßigt wird. Weiterhin nimmt die Bandage durch eine entsprechende Druckvorspannung der keramischen Zylinderbuchse die Kräfte auf, die durch den Verbrennungsdruck entstehen. Somit wird eine Zugbeanspruchung der Zylinderbuchse vermieden.
Dies kann durch unterschiedliche Dicke der Bandage oder durch unterschiedlichen Aufbau der Bandage erfolgen, beispielsweise können in die aus Faserverbundwerkstoff bestehende Bandage im oberen Bereich andere Fasern eingelagert sein als im unteren Bereich oder die Anordnung der Fasern kann in verschiedenen Bandagenbereichen unterschiedlich sein.
Gleichzeitig wird durch den Aufbau des Kolbens sichergestellt, daß die dichtend an der Lauffläche anliegenden Teile des Kolbens tine rotationssymmetrische Temperaturverteilung aufweisen und die Kräfte rotationssymmetrisch in diese Teile eingeleitet werden. Dies führt dazu, daß auch die Verformungen des an der Lauffläche der Zylinderbuchse fliegenden Teils des Kolbens rotationssymmi:'riscH bleiben, obwohl durch die Anlenkung der Pleuelstange am Kolben Teile des Kolbens nicht rotationssymmetrisch aufgebaut werden können, im Rahmen der Erfindung wird dies durch die Aufteilung des Kolbens in zM/ei wesentliche Bestandteile erreicht, nämlich die den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzte, rotationssymmetrische Kappe und den nichtrotationssymmetrischen Krafteinleitungskern, der mit der Kappe nur über rotationssymmetrische Teile in Verbindung steht und nicht von den heißen Verbrennungsgasen beaufschlagt wird. So wird der Verbrennungsdruck durch eine zentrale Krafteinleitung rotationssymmetrisch in den Krafteinleitungskern übertragen. Die Kappe ist nur längs ihres unteren, kreiszylindrischen Randes mit einem entsprechend ausgebildeten Teil des Krafteinleitungskerns verbunden, so daß auch dadurch ungleichmäßige Verformungen des Kolbenhemdes vermieden werden.
Thermische Ausdehnungen des Krafteinleitungskerns, die nicht rotationssymmetrisch erfolgen, können somit nicht auf die Kappe wirken und sndererseits wird der Krafteinleitungskern durch die Kappe effektiv gegen die hohe Temperatur der Verbrennungsgase abgeschirmt, so daß aufgrund der gering/ ^n Erwärmung auch geringere nichtrctationssyrnrnetriäche Verformungen des Krafteinleitungskerns auftreten.
Günstig ist dabei auch, daß der Verbrennungsdruck nicht über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange übertragen wird, sondern unmittelbar auf den Kopf der Pleuelstange, so daß der Kolbenbolzen entlastet ist und nur noch die Massenfliehkräfte des Kolbens aufnehmen muß. Dadurch kann der Kolbenbolzen, der notwendig ein bezüglich der Zylinderlängsachse pjehtrotationssymmetrisches Bauelement darstellt, kleiner dimensioniert werden. Insgesamt wird dadurch die erwünschte Rotationssymmetrie weniger gestört.
Durch den Wegfall der Kolbenringe und durch die Verwendung von keramischem Werkstoff für die Kappe des Kolbens und für die Zylinderbuchse, kann die Einheit bei einer wesentlich höheren Temperatur betrieben werden. Es ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sogar vorteilhaft, wenn die Zylinderbuchse von einer sie gegenüber dem Zylinderblock thermisch isolierenden Schicht umgeben ist, so daß die Wärmeverluste mögl.L'hst gering gehalten werden können.
Vorteilhaft ist es, wenn die Teile, die eine Relativverschiebung erfahren, also Zylinderbuchse und Kappe, aus einem keramischen Werkstoff bestehen, der Graphit enthält, z. B. einem Siliziumkarbid-Graphitverbundwerkstoff. Dadurch wird eine Schmierung zwischen den Reibpartnern gewährleistet, die zumindest eine Notschmierung sicherstellt, falls andere Schmiermaßnahmen versagen.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Bereiche der Zylinderbuchse und der Kappe, die mit den heißen Brenngasen in direktem Kontakt stehen und an denen keine Pihtivverschiebung auftritt, also der obere Rand der Zylinderbuchse und der Kolbenboden, mit einer Schutzschicht versehen sind, welche verhindern daß die eingelagerten Graphitpartikel durch die heißen Verbrennungsgase zei stört werden. Diese Schutzschicht kann beispielsweise aus M0S12, AIjOj oder TaC bestehen. Es ist auch möglich, daß diese Schutzschicht aus dem keramischen Grundwerkstoff selbst gebildet ist, daß also die Zylinderbuchse und der Kolbenboden in dem fraglichen Bereich in der Randzone keine eingelagerten Graphitpartike! aufweisen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Kappe aus Siliziumnitrid, eine gegebenenb5 falls zwischen Kappe und Krafteinleitungskern angeordnete, thermisch isolierende, druckübertragende Zwischenschicht aus Aluminiumtitanat oder Cordierit. der Krafteinleitungskern aus Stahl, die Zylinderbuchse aus
Siliziumkarbid oder einem Siliziumkarbid-Graphitverbundwerkstoff, die Bandage aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff oder kohlefaserverstärktem Glas und die thermisch isolierende Schicht gegebenenfalls aus AIuminiumtitanat oder Cordierit besteht.
Diese Materialien sind besonders geeignet, den Temperaturen standzuhalten, die bei einer Konstruktion auftreten, bei der keine Kühlung der Zylinderbuchse vorgesehen ist. Diese Temperaturen können in der oberen Totpunktlage des Kolbsnbodens bei 700°C liegen. Daraus ergeben sich hohe Anforderungen bezüglich Temperaturfestigkeit, Thermoschockbeständigkeit und chemischer Resistenz (Oxidationsverhalten), die durch die Verwendung der beschriebenen keramischen Werkstoffe erfüllt werden können.
Bei einer Ausgestaltung, wie sie vorstehend beschrieben ist, kann auf eine Abdichtung durch Kolbenringe und auf eine Kühlung der Zylinderbuchse verzichtet werden; trotzdem erhält man eine gute Abdichtung zwischen Kolben und Zylinderlauffläche und kann die Einheit bei außerordentlich hohen Betriebstemperaturen betreiben.
Infolge der Verringerung der Wärmeverluste des Verbrennungsraums werden eine Reihe weiterer Vorteile erzielt, die im folgenden erläutert werden:
— Durch die geringeren Wärmeverluste des Verbrennungsraums erfolgt eine Umverteilung der Wärmeenergie auf das Abgas, welche in Abgasturboladern oder anderen ,·; achgeschalteten Anlagen genützt werden kann;
— die heißeren Abgase erleichtern nachgeschaltetc Maßnahmen zur Reduzierung von Schadstoffen;
— Kolben und Zylinderbuchse nehmen frühzeitige und auch höhere Oberflächentemperaturen an, was insbesondere beim Dieselmotor zu geringerem Zündvcrzug bzw. zu einer verkürzten Kaiistartphase führt:
— die verringerte Wärmeabfuhr an das Kühlmittel führt zu kleineren und leichteren Ausführungen von Kühlern.
Eine Reihe weiterer Vorteile hat seine Ursache im geringeren Laufspiel zwischen Kolben und Zylinderwand:
— Die Aufschlagkräfte und Geräusche des Kolbens beim Wechsel der Anlageseite im Zylinder werden verringert:
— die Bildung von Schadstoffen zwischen Kolbenschaft und Zylinderwand wird reduziert.
Weiterhin wird der Verschleiß des Zylinders durch den Einsatz verschleißfester keramischer Werkstoffe verrin seite zur Unterseite hin ab.
Die aus Zylinderbuchse und Bandage bestehende Einheit wird von einer Schicht 4 umgeben, welche die Zylinderbuchse I gegenüber dem Zylinderblock 2 thermisch isoliert.
In der Zylinderbuchse 1 ist ein Kolben 5 verschieblich gelagert, der im wesentlichen aus zwei Teilen aufgebaut ist, nämlich einer rotationssymmetrischen Kappe 6 und einem niehtrotationssymmetrischen Krafteinleitungs kern 7, der eine durchgehende Horizontalbohrung 8 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens 9 aufweist. Mittels des Kolbenbolzens 9 ist der Krafteinleitungskcrn 7 drehbeweglich mit einer Pleuelstange 10 verbunden, deren Kopf 11 eine kugelige Druckfläche 12 ausbildet, die flä chig an einer komplementären, zentralen Übertra gungsfläche 13 im Krafteinleitungskern anliegt.
Die Kappe 6 weist einen der Brennkammer 14 zugewandte« Kolbenboden 15 mit einer zentralen Vertiefung 16 sowie ein kreiszylindrisches Kolbenhemd 17 auf, dessen Außenflächen dichtend an der Lauffläche der Zylinderbuchse 1 anliegen. Auf der Unterseite der Vertiefung 16 ist im zentralen Bereich der Kolbenboden als ebene Druckfläche 18 mit einer außenliegenden Ringstufe 19 ausgebildet, die einer entsprechenden zcntra- ten, ebenen Druckfläche 20 mit einer außenliegenden RingstrJe 21 auf der Oberseite des Krafteinleitungskerns 7 gegenüberliegt. Zwischen beiden Druckflächen 18 und Jb befindet sich eine Zwischenschicht 22, die mit ihren verstärkten Randbereichen 23 in die Ringstufen 19
in und 21 der Druckflächen 18 bzw. 20 eintaucht und somit parallel zu den Druckflächen fixiert ist.
Der Krafteinleitungskern 7 weist in seinem unteren Bereich ein kreiszylindrisches Randteil 24 mit einem radial nach außen abstehenden Bund 25 auf. Der untere
J5 Randbereich 26 des Kolbenhemdes 17 liegt flächig am zylindrischen Randteil 24 des Krafteinleitungskerns 7 an und iicgt auf dem Bund 23 auf. In diesem Bereich sind Kappe 6 und Krafteinleitungskern miteinander verbunden, sei es durch eine formschlüssige oder eine kraft- schlüssige Verbindung, sei es durch eine Verklebung.
Diese Verbindungsstelle sowie die zentrale Krafteinleitung Ober die Zwischenschicht 22 bilden die einzigen Kontaktstellen zwischen Kappe und Krafteinleitungskern, im übrigen sind beide Teile durch einen die zentra- Ie Krafteinleitungsstelle umgebenden Ringhohlraum 27 voneinander getrennt.
Die von den Brenngasen erzeugten Kräfte werden über den Kolbenboden, die Druckfläche 18, die Zwischenschicht 22, die Druckfläche 20, die Übertragungs- fläche 13 und die Druckfläche 12 unmittelbar auf den Kopf 11 der Pleuelstange 10 übertragen, der Kolbenbolzen hingegen hat nur die Massenfliehkräfte des Kolbens aufzunehmen und kann entsprechend kleiner dimensioniert sein.
gert
Die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt eine Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbenzylinderaggregates. w>
Eine Zylinderbuchse I ist in eine entsprechende Ausnehmung eines Zylinderblockes 2 eingesetzt. Die Zylinderbuchse 1 ist auf ihrer Außenseite im wesentlichen über ihre gesamte Länge von einer Bandage 3 umgeben, die aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, in dem die Fasern vorzugsweise in Umfangsrichtung der Zylinderbuchse verlaufen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt die Dicke der Bandage 3 von der Ober-
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Claims (8)

Patentansprüche:
1. Koibenzylinderaggregat für Brennkraftmaschinen, mit einer Zylinderbuchse und einem darin verschieblich geführten Kolben, der eine Kappe mit einem dem Verbrennungsraum zugewandten Kolbenboden und einer im wesentlichen zylindrisches, der Zylinderlauffläche benachbartes Kolbenhemd sowie einen Krafteinleitungskern umfaßt, welcher die Lagerung für einen Kolbenbolzen zur drehbeweglichen Anordnung eines Pleuels aufweist, wobei ein bezüglich der Kolbenlängsachse rotationssymmetrischer Krafteinleitungsschluß zwischen Kolbenboden und Krafteinleilungskern vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderbuchse (1) von einer aus einem Faserverbundwerkstoff bestehenden Bandage (3) umgeben ist, deren thermische Ausdehnung in radialer Richtung geringer ist alsdÄ der Zylinderbuchse (1), wobei die von der Bandage (3) hervorgerufene Äusdehnungsbehinderung über die Länge der Zylinderbuchse (1) verschieden ist, und daß der Kraftcinleitungskern (7) eine an sich bei Kolben bekannte kugelige Druckfläche (13) besitzt. Die flächig an einer entsprechenden kugeligen Druckfläche (12) drs Pleuels (10) anliegt und unterhalb des Krafteinleitungsschlusses angeordnet ist, und daß die Kappe (6) am unteren Rand des Kolbenhemds (17) mit dem Krafleinleitungskern (7) verbunden ist, während sonst außer im Bereich des Kraftei: leitungsschlusses kein Kontakt zwischen Kappe (6) und Krafterileitungskern (7) besteht, und daß sowohl die Zylinderbuchse (1) als auch die Kappe (6) aus einem kcrair/ phen Werkstoff besteht.
2. Koibenzylinderaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderbuchse (1) von einer sie gegenüber dem Zylinderblock (2) thermisch isolierenden Schicht (4) umgeben ist.
3. Koibenzylinderaggregat nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderbuchse (1) und/oder die Kappe (6) aus einem keramischer Werkstoff bestehen, in dem Graphit eingelagert ist.
4. Kolbenzyünderaggregat nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (15) und/oder der dem Verbrennungsraum (14) benachbarte Rand der Zylinderbuchse (1) mit einer korrosions- und oxidationsbeständigen Schutzschicht versehen ist.
5. Koibenzylinderaggregat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus M0S12. AbOj oder TaC besteht oder durch den keramischen Grundwerkstoff selbst gebildet ist.
6. Kolbenzylinderaggregal nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (6) aus Siliziumnitrid, eine gegebenenfalls zwischen Kappe (6) und Krafteinlcitungskcrn (7) angeordnete, thermisch isolierende, druckübertragende Zwischenschicht (22) aus Aluminiumtitanat oder Cordierit, der Krafteinleitungskern (7) aus Stahl, die Zylinderbuchse aus Siliziumkarbid oder einem Siliziumkarbid-Graphitverbundwerkstoff, die Bandage (3) aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff oder kohlefaserverstärktcm Glas und die thermisch isolierende Schicht (4) gegebenenfalls aus Aluminiumtitanal oder Cordierit besteht.
7. Koibenzylinderaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufflächen der Zylinderbuchse (1) und/oder der Kappe (6) mit einer reibungsvermindcrnden Gleitschicht versehen sind.
8. Kolbenzylinderaggregal nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht aus TiN, TiC oder W2C besteht.
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