DE3214093C2

DE3214093C2 - Kolben für Verbrennungskraftmaschinen mit einem in einer brennraumnahen Kolbenkopfvertiefung angeordneten Einsatz

Info

Publication number: DE3214093C2
Application number: DE19823214093
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl.-Ing. 8540 Schwabach Rösch
Original assignee: Alcan Aluminiumwerk Nuernberg GmbH
Current assignee: Novelis Deutschland GmbH
Priority date: 1982-04-16
Filing date: 1982-04-16
Publication date: 1985-08-08
Also published as: FR2525281A1; FR2525281B1; DE3214093A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungskraftmaschinen mit einem seine brennraumnahen Wandteile abdeckenden aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff, insbesondere Keramik, bestehenden Einsatz, der mit dem Kolbengrundkörper kraft- und formschlüssig verbunden ist. Um zu erreichen, daß bei einfacher Bauweise der Einsatz auch bei hohen dynamischen und thermischen Belastungen sicher mit dem Kolbengrundkörper verbunden bleibt und der Einsatz nicht beschädigt wird, ist erfindungsgemäß der Einsatz (20) mehrteilig (21, 22) ausgebildet. Ferner ist die Wandstärke (24) der Einsatzteile (z.B. 22) im wesentlichen kleiner als die der den Einsatz im wesentlich umgebenden Wandteile (11) des Kolbengrundkörpers. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Einsatz längs mindestens einer Teilungslinie geteilt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungskraftmaschinen mit einem in einer brennraumnahen Kolbenkopfvertiefung angeordneten Einsatz aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff, insbesondere Keramik, der durch Umguß mit dem Kolbengrundkörper kraft- und formschlüssig verbunden ist, wobei die Wanddicke des Einsatzes im wesentlichen kleiner ist als die den Einsatz umgebenden Wandteile des Kolbengrundkörpers.

Die Suche nach einer verbesserten Wirtschaftlichkeit von Verbrennungskraftmaschinen hat u a. zu Überlegungen geführt, bei Kolben möglichst große Flächen der brennraumnahen Wandteile durch Einsätze, insbesondere aus Keramik, thermisch zu isolieren. Zur Verwirklichung dieser Überlegungen sind verschiedene konkrete Vorschläge gemacht worden.

Ein derartiger Lösungsvorschlag ist der aus der DE-PS 7 25 761 bekannte Kolben der eingangs genannten Gattung. Bei diesem ist der Einsatz einteilig ausgebildet. Aus dieser Tatsache ergeben sich im wesentlichen zwei Nachteile. Der eine Nachteil besteht darin, daß sich die Wärmespannungen und -dehnungen über die Gesamtabmessungen des einteiligen Einsatzes summieren mit der Folge eines Reißens bzw. Brechens des Einsatzes. Der zweite Nachteil ist darin zu sehen, daß aufgrund der relativ großen Masse des einteiligen Einsatzes beim Betrieb des Kolbens große Kräfte auf die kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen Einsatz und Kolbengrundkörper wirken mit der Gefahr eines Lockerns des Einsatzes und damit eines Versagens des Kolbens.

Eine vergleichbare Kolbenkonstruktion ist aus der DE-OS 27 36 815 (Fig. 18) bekannt

Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kolben mit den eingangs genannten Merkmalen so weiterzubilden, daß bei einfacher Bauweise der Einsatz auch bei hohen dynamischen und thermischen Belastungen sicher mit dem Kolbengrundkörper verbunden bleibt und ferner der Einsatz selbst nicht beschädigt wird, so daß sich der Kolben durch eine hohe Standzeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird bei einem Kolben mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch gelöst, daß eine mehrteilige Ausbildung des Einsatzes entlang geeignet gestalteter Teilungslinien, z. B. einer Kreislinie, derart vorgegeben ist daß jeder einzelne Teil kraft- und formschlüssig mit dem Kolbengrundkörper verbunden ist.
Danach besteht der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung darin, den Einsatz so auszubilden, daß er zwar einteilig eingebaut werden kann, jedoch eine mehrteilige Ausbildung des Einsatzes entlang geeignet gestalteter Teilungslinien derart vorgegeben ist, daß jedes einzelne Teil kraft- und formschlüssig mit dem Kolbengrundkörper verbunden ist. Erst nach dem Einbau und bei Betrieb des Kolbens wirkt sich also die Mehrteiligkeit des Einsatzes aus.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht im wesentlichen darin, daß aufgrund der Tatsache, daß jedes einzelne Teil des Einsatzes kraft- und formschlüssig mit dem Kolbengrundkörper verbunden ist, sich über die entsprechenden kleinen Teile nur relativ geringe Wärmedehnungen und -spannungen aufbauen können und darüber hinaus jeder der eine geringere Masse aufweisenden Teile für sich mit dem Kolbengrundkörper verbunden ist mit der Folge, daß auf die Verbindungen zwischen den Teilen des Einsatzes und dem Kolbengrundkörper nur geringe Kräfte bei der Bewegung des Kolbens wirken. Damit ist ein Kolben geschaffen, dessen Einsatz stets sicher mit dem Kolbengrundkörper verbunden bleibt und ferner nicht durch dynamische oder thermische Belastungen beschädigt wird, so daß dieser Kolben eine hohe Standzeit erreicht.

Zwar ist durch die GB-PS 13 88 712 ein Kolben bekannt, bei dem der Kolbenkopf aus einer Mehrzahl von Keramikteilen besteht, die durch Hinterschneidungen verklammert und durch Federn oder Gasdruck an der Zylinderwand in Anlage gehalten sind. Dieser Kolbenkonstruktion liegt eine völlig unterschiedliche Problematik zugrunde, weil bei diesem Kolben die genannten Teile frei zueinander beweglich sind und sich deshalb keine Spannungen aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen verschiedener Werkstoffe aufbauen können.

Zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen. So ist es beispielsweise von Vorteil, daß die Teilungslinie des Einsatzes als Sollbruchlinie ausgebildet ist, entlang derer der Einsatz unter dem Einfluß der Betriebsbelastung in Teile vorgegebener Gestalt zerbricht. Dies bedeutet, daß der Einsatz »einteilig« in den Kolbengrundkörper eingebaut wird. Während des Betriebes zerbricht der Einsatz in Teile vorgegebener Gestalt, so

daß dann ein mehrteiliger Einsatz vorliegt mit den geschilderten technischen Vorteilea

Eine weitere mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens besteht darin, daß die Teile des Einsatzes im Ausgangszustand durch eine Klebeverbin- dung zusammengehalten werden, die sich unter dem Einfluß der Betriebsbelastungen in Alt einer Sollbruchstelle löst

In diesem Zusammenhang kann es sich aber auch als zweckmäßig erweisen, daß die Teile des Einsatzes im Ausgangszustand durch eine Klebeverbindung zusammengehalten werden, die auch unter dem Einfluß der Betriebsbelastungen als plastisch weiche Verbindung erhalten bleibt Schließlich kann es von Vorteil sein, daß der Einsatz im Ausgangszustand einteilig ausgebildet ist und als Einschnitte ausgebildete Teilungslinien enthält, längs denen der Einsatz bei der Fertigbearbeitung in THIe von vorgegebener Gestalt getrennt wird.

Der Einsatz besteht aus geeigneten Hochtemperatur-Keramiken. Aus einer Vielzahl möglicher Keramiken erfüllen Aluminiumtitanat, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und verschiedene Arten von Glaskeramik die Anforderungen am besten. Der Einsatz kann durch Schlicken, Gießen, Heißpressen, Sintern oder dergleichen hergestellt werden.

Der Kolben bzw. der Kolbengrundkörper selbst besteht bevorzugt aus Leichtmetall,, insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierung. Er wird durch Gießen hergestellt, wobei zugleich der Einsatz eingegossen wird.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kolbens werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens,

F i g. 2 einen Axialschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbens, bei dem der Einsatz eine Sollbruchstelle aufweist

F i g. 3 im Axiulschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbens, bei dem die Teile des Einsatzes im Rohzustand teilweise oder vollständig miteinander verklebt sind, und

F i g. 4 im Axialschnitt ein viertes Ausführungsbeispie! des erfindungsgemäßen Kolbens, bei dem der Einsatz im Rohzustand einteilig ist, und die Teilungslinie zwischen den Teilen durch einen Einschnitt vorgegeben ist, längs dem bei der Fertigbearbeitung die Teile des Einsatzes getrenvit werden.

In den Figuren sind die gleichen Bauteile des Kolbens durch die gleichen Bezugszeichen markiert. Dabei ist der Grundkörper des Kolbens jeweils mit 10 und der F.insalz insgesamt mit 20 bezeichnet.

Bei dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 1 wie auch bei den übrigen besteht der Einsatz 20 aus Keramik aus zwei Teilen 21 und 22. Der Teil 21 des Einsatzes 20 ibt im wesentlichen kreisförmig ausgebildet und bedeckt den Boden der insgesamt mit 30 bezeichneten Brennraummulde. Der Teil 22 ist im wesentlichen ringförmig ausgebildet, umgibt den Teil 21 und deckt die Umfangswand der Brennraummulde 30 ab. Die beiden Teile 21 und 22 des Einsatzes 20 sind durch eine Teilungsfuge 23 getrennt, die durch einen zur Kolbenachse konzentrischen Kreis dargestellt ist.

Insbesondere der Teil 22 weist eine Wandstärke 24 auf, die kleiner ist als die Wandstärke 11 des diesen Teil des Einsatzes 20 umgebenden Wandteils des Kolbengrundkörpers 10. Der Teil 21 des Einsatzes 20 besitzt nur in seinem mittleren Bereich eine erhöhte Wandstärke, um der Brennraummulde 30 die übliche Form zu verleihen. Sowohl der Teil 21 als auch der Teil 22 des Einsatzes 20 weisen Hinterschneidungen 25 bzw. 26 auf, so daß sich eine formschlüssige Einlagerung des Einsatzes 20 bzw. dessen Teile 21 und 22 in den Kolbengrundkörper 10 ergibt Darüber hinaus ist eine kraftschlüssige Fixierung des Einsatzes 20 in dem Kolbengrundkörper 10 dadurch erzielt daß der Kolbengrundkörper auf den Einsatz 20 aufgeschrumpft ist Dies ergibt sich entweder beim Umgießen des Einsatzes bei der Herstellung des Kolbens oder durch eine entsprechende Wärme-Nachbehandlung. Auf diese Weise ist der Einsatz 20 bzw. sind dessen Teile 21 und 22 auch bei hohen dynamischen und thermischen Belastungen des Kolbens sicher fixiert

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist die Teilungslinie 27 zwischen den beiden Teilen 21 und 22 des Einsatzes als Sollbruchstelle ausgebildet Der Einsatz 20 wird einteilig in den Kolbengrundkörper 10 eingebaut Vor oder während des Betriebs brechen die beiden Teile 21 und 22 längs der Sollbruchstelle 27 auseinander, so daß ein zweiteiliger Einsatz 20 vorliegt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 sind die beiden Teile 21 und 22 längs der Teilungslinie 28 teilweise oder vollständig durch einen geeigneten Kleber miteinander verklebt. Die Verklebung längs der Teilungslinie 28 kann dadurch aufgehoben werden, daß, wie durch strichlierte Linie angedeutet bei der Fertigbearbeitung des Kolbens bzw. des Einsatzes entsprechend Werkstoff von dem Einsatz abgetragen wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 ist der Einsatz 20 im Rohzustand ebenfalls einteilig. Die Teilungslinie zwischen den zwei Teilen 21 und 22 ist durch einen Einschnitt 29 vorgegeben. Bei der Fertigbearbeitung — wie durch die strichlierte Linie angedeutet — werden die beiden Teile 21 und 22 längs des Einschnittes 29 getrennt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kolben für Verbrennungskraftmaschinen mit einem in einer brennraumnahen Kolbenkopfvertiefung angeordneten Einsatz (20) aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff, insbesondere Keramik, der durch Umguß mit dem Kolbengrundkörper (10) kraft- und formschlüssig verbunden ist, wobei die Wanddicke (24) des Einsatzes (20) im wesentlichen kleiner ist als die den Einsatz (20) umgebenden Wandteile (JI) des Kolbengrundkörpers (10), dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrteilige Ausb^;ldung (21, 22) des Einsatzes (20) entlang geeignet gestalteter Teilungslinien (23; 27; 28; 29), z. B. einer Kreislinie, derart vorgegeben ist, daß jeder einzelne Teil (21,22) kraft- und formschlüssig mit dein Kolbengrundkörper (10) vei bunden ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungslinie als Sollbruchlinie (27) ausgebildet ist, entlang derer der Einsatz (20) unter dem Einfluß der Betriebsbelastung in Teile (21, 22) von vorgegebener Gestalt zerbricht

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (21,22) des Einsatzes (20) im Ausgangszustand durch eine Klebeverbindung zusammengehalten werden, die sich unter dem Einfluß der Betriebsbelastungen in Art einer Sollbruchstelle (28) löst

4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (21,22) des Einsatzes (20) im Ausgangszustand durch eine Klebeverbindung zusammengehalten werden, die auch unter dem Einfluß der Betriebsbelastungen als plastisch weiche Verbindung erhalten bleibt.

5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (20) im Ausgangszustand einteilig ausgebildet ist und als Einschnitte (29) ausgebildete Teilungslinien enthält, längs denen der Einsatz (20) bei der Fertigbearbeitung in Teile (21, 22) von vorgegebener Gestalt getrennt wird.