DE3236354A1

DE3236354A1 - Von verbrennungswaerme unmittelbar beaufschlagtes, axial hin- und hergehend bewegtes bauteil einer hubkolbenbrennkraftmaschine mit hitzeschild

Info

Publication number: DE3236354A1
Application number: DE19823236354
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 8904 Friedberg Zatecky
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Priority date: 1982-02-03
Filing date: 1982-10-01
Publication date: 1983-08-11
Also published as: DE3236354C2

Description

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Von Verbrennungswärme unmittelbar beaufschlagtes, axial hin- und hergehend bewegtes Bauteil einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Hitzeschild

Die Erfindung betrifft ein von Verbrennungswärme unmittelbar beaufschlagtes, axial hin- und hergehend bewegtes Bauteil einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, an dessen dem Wärmeeinfall zugewandter Seite mittelbar gehalten ein Hitzeschild aus Keramik angeordnet ist.

Aus der US-PS 3 426 741 ist ein Auslaßventil bekannt, bei dem der Hitzeschild durch einen oder mehrere Ringe aus keramischem Material gebildet ist, die realtiv kompliziert gestaltete, schmale und tief in das Material des Ventiltellers eingearbeitete Ringnuten nach außen hin abschließen und so den Eintritt von Verbrennungsgasen in diese derart verschlossenen, mit Luft oder Asbest gefüllten Isolationsräume verhindern sollen.

Die in dieser US-PS offenbarten Ventilkonstruktionen sind jedoch einerseits technisch kaum realisierbar und wären andererseits im Betrieb wohl nur sehr kurzlebig; letzteres deshalb, weil der Ventilteller durch die radialen Einschnitte instabil wird, denn durch die stoßweise Beanspruchung während des Motorbetriebes treten Schwingungen im Veniltellerbereich auf, durch die sich die Keramikringe in den Nuten lösen und brechen sowie

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dann zu weitaus schwerwiegenderen Beschädigungen des Motors führen können. Darüber hinaus ist bei dieser bekannten Ventilkonstruktion keine gute Wärmedämmung erzielbar, denn der Wärmeeinfall in Ventilteller wird nur partiell und auch nur dort begrenzt, wo nicht mit höchsten Temperaturwerten zu rechnen ist.

Ferner ist es aus der DE-PS 725 761 bekannt, einen keramischen Hitzeschild am Kolbenboden anzuordnen. Der Hitzeschild ist dort in den Kolbenkörper eingegossen, wobei dessen Material für eine formschlüssige Halterung des Hitzeschildes Teile desselben hintergreift. Diese Befestigungsart für den Hitzeschild erweist sich als kaum praktikabel, da sich das Material des Kolbenkörpers wesentlich stärker ausdehnt im Betrieb der Maschine als jenes des Hitzeschildes. Letzterer würde dann am Kolbenboden flattern, was schlimmstenfalls wegen der ständigen Stoßbelastung zu einem Bruch desselben führen könnte.

Desweiteren ist es aus der DE-OS 2 821 506 bekannt, an einem Kolbenboden oder Auslaßventilteller einer Hubkolbenbrennkraftmaschine eine einen Hitzeschild bildende Scheibe aus keramischem Material anzuordnen. Mehrere Befestigungsvarianten für den Hitzeschild sind aufgezeigt. Beispielsweise soll dieser über einen Ring gehalten werden, der wiederum in einer' Vertiefung einer Tragplatte mit Preßsitz eingesetzt ist. Die Tragplatte selbst ist mittels Dehnschrauben am Kolben befestigt.

Auch diese bekannte Lösung erweist sich als kaum praxistauglich. Zum einen ist die den Hitzeschild bildende Keramikscheibe relativ dick. Dies hat zur Folge, daß zwischen deren Oberseite und Unterseite ein starkes Temperaturgefälle beim Betrieb der Maschine herrscht, wel-

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ches Temperaturgefälle an Ober- und Unterseite unterschiedliche Querdehnungen hervorruft. Diese unterschiedlichen Querdehnungen wiederum bewirken, daß sich die Keramikscheibe zur Seite des Wärmeeinfalls hin konvex wölbt. Dieses Aufwölben und außerdem die größere Ausdehnung der die Keramikscheibe haltenden metallischen Befestigungsmittel im Betrieb bewirken eine relativ starke Abnahme der Befestigungs- und Haltekräfte für die Keramikplatte. Außerdem wird die Keramikscheibe durch die einwirkenden Zünddrücke in Schwingungen versetzt, die schlimmstenfalls zu deren Bruch führen können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einem Bauteil der eingangs definierten Art einen gut wärmedämmenden Hitzeschild vorzusehen, der einfach und billig herzustellen, mit geringem Aufwand am Bauteil anbringbar sowie dort sicher gehalten und außerdem unempfindlich gegen mechanische und thermische Beanspruchungen ist, die während des Motorbetriebes auf das Bauteil einwirken.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Ausbildung und Anordnung des Hitzeschildes, wie im Anspruch 1 angegeben, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie Anwendungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße Hitzeschild erfüllt aufgrund seiner Ausgestaltung und unkomplizierten Anbringung am Bauteil die aufgabengemäß gestellten Anforderungen. Durch die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Oxidkeramikplatte bedingt wird die in das Bauteil eintretende Wärmemenge reduziert und so das Temperaturniveau der-

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selben abgesenkt. Die Oxidkeramikplatte ist am thermisch am höchsten beanspruchten Ort des Bauteiles angebaut und bewirkt somit aufgrund dieser Anordnung die größte Wärmedämmung. Durch die erfindungsgemäße Art der Vorspannung der Oxidkeramikplatte am Bauteil ist sichergestellt, daß diese im Betrieb der Maschine sicher an ihrem Ort befestigt bleibt und auch nicht in gefährliche Schwingungen versetzt werden kann. Die Durchbiegung der Oxidkeramikplatte beim Anbau des Hitze-Schildes ist gerade so groß, daß bei Betriebstemperatur die Plattenwölbung erhalten bleibt, sich jedoch infolge der an Plattenober- und -Unterseite unterschiedlichen Temperaturen und dadurch bedingt Unterschiedlichen Dehnungen die im kalten Zustand gegebenen platteninternen Spannungen weitgehend abbauen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung dargelegt. In der Zeichnung zeigen.

Fig. 1: ein teilweise und im Schnitt dargestelltes Gaswechselventil einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, vorbereitet für den Anbau eines Hitzeschildes . nach der Erfindung,

Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel eines Hitzeschildes nach der Erfindung, geeignet für eine Anbringung am Gaswechselventil nach Fig. 1, 30

Fig. 3: den Hitzeschild von Fig. 2 in anbaufertigem Zustand,

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Fig. 4: den Hitzeschild gemäß Fig. 3, angebaut am Gaswechselventil gemäß Fig. 1,

Fig. 5: das Gaswechselventil mit Hitzeschild gemäß Fig. 4 nach der Endbearbeitung,

Fig. 6: eine Variante zu dem in Fig. 5 dargestellten Gaswechselventil,

Fig. 7 eine Variante der Befestigung für einen Hitzeschild an einem Gaswechselventil,

Fig. 8: eine Variante im Auflagebereich eines Hitzeschildes nach der Erfindung an einem ihn tragenden Gaswechselventil,

Fig. 9: einen Längsschnitt durch einen Kolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Ausführungsmöglichkeit der Hitzeschildausbildung und -anbringung,

Fig. 10: einen Längsschnitt durch einen Kolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Ausführungsmöglichkeit der Hitzeschildausbildung und -anbringung,

Fig. 11: einen Längsschnitt durch einen Kolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Ausführungsform der Hitzeschildausbildung und -anbringung,

Fig. 12: einen Längsschnitt durch einen Kolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Ausführungsmöglichkeit der Hitzeschildausbildung und -anbringung.

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Ein nach, der Erfindung ausgebildeter Hitzeschild kann in der ebenfalls erfindungsgemäßen Art praktisch an jedem von Verbrennungswärme unmittelbar beaufschlagten, axial hin- und hergehend bewegten Bauteil einer Hubkolbenbrennkraftmaschine angebracht sein. Bei solchen Bauteilen kann es sich um die Gaswechselventile (Ein- und Auslaßventile) und die Kolben der Brennkraftmaschine handeln. Es können jedoch auch noch andere Ventile, die an einen Brennraum angrenzen, mit. einem Hitzeschild nach der Erfindung ausgestattet sein. Unter solchen Ventilen sind Anlaßventile für druckluftanlaßbare Maschinen und Überdrucksicherheitsventile zu verstehen. Desweiteren können auch Ventile, die im Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine im Turbinenbereich die Abblasung oder Umblasung von Verbrennungsgasen steuern, mit einem Hitzeschild nach der Erfindung ausgestattet sein. Es sei diesbezüglich darauf hingewiesen, daß ein Abgasturbolader als Bestandteil einer Brennkraftmaschine angesehen wird, sofern die Maschine für Laderbetrieb konzipiert und ausgelegt ist.

Unabhängig davon, um welches Bauteil einer Hubkolbenbrennkraftmaschine es sich handelt, ist als Hitzeschild eine dünne, bei Raumtemperatur ebene Oxidkeramikplatte verwendet, die die dem Wärmeeinfall zugewandte Fläche des Bauteiles größtenteils überdeckt und dort durch einen sie aufnehmenden und umfassenden Tragring gehalten ist. Die Oxidkeramikplatte ist in allen Figuren - soweit dargestellt - mit 1 und der Tragring - soweit dargestellt - mit 2 angezogen. Die Auflagefläche am Bauteil ist derart ausgebildet, daß die an ihr abgestützte Oxidkeramikplatte 1 schwach konvex gewölbt verspannt ist. Dabei ist diese Durchbiegung der Oxidkeramikplatte 1 gerade so groß fest-

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gelegt, daß bei Betriebstemperatur, d.h. wenn den heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt, die gegebene Wölbung der Oxidkeramikplatte 1 erhalten bleibt, sich jedoch deren platteninterne Spannungen weitgehend abbauen. Letzteres infolge des Temperaturgefälles zwischen der dem Wärmeeinfall zugewandten Plattenoberseite 3 und der dem Wärmeeinfall abgewandten Plattenunterseite 4 und der dadurch unterschiedlichen Dehnungen von Plattenober- und -Unterseite. Die am Bauteil mit 5 angezogene Fläche, an der die Oxidkeramikplatte 1 mit ihrer dem Wärmeeinfall abgewandten Seite anliegt, ist schwach konvex gewölbt ausgebildet und beispielsweise durch eine glatte Kugelfläche realisiert, die einem Krümmungsradius folgt, der etwa um Faktor 10 bis 50 größer ist als jener Durchmesser des Bauteiles, wie er in der Befestigungsebene für die Oxidkeramikplatte 1 gegeben ist. Alternativ hierzu kann die gewölbte Fläche 5 jedoch auch durch mehrere, zueinander konzentrische, senkrecht zur Bauteilachse stehende und axial nacheinander jeweils um ein geringes Maß zurückgesetzte ebene Flächenteile nachgebildet sein.

Zur Erzielung einer hervorragenden Wärmeisolation des Bauteiles kann jene Fläche 5 desselben, an der die Oxidkeramikplatte 1 abgestützt ist, auch noch - wie aus den Figuren 8 und 10 ersichtlich - durch Einformungen bzw. Vertiefungen, insbesondere konzentrische Ringnuten 6 hinterschnitten sein, die abgedeckt durch die Oxidkeramikplatte 1 luftgefüllte Isolationsräume bilden.

Die Oxidkeramikplatte 1 ist vorzugsweise aus Zirkonoxid hergestellt und weist aufgrund dieses Materials

ΑΌ

PB 3182/1591 - Steine Wärmeleitzahl (W/mK) vonT^ = 2,5 sowie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von OL = 9,8 χ 10 auf.

Die Dicke der Oxidkeramikplatte 1 hängt von der Größe des Bauteiles ab; sie liegt etwa im Bereich von 1/20 bis 1/150 jenes Durchmessers des Bauteiles, wie er in der Befestigungsebene für die Oxidkeramikplatte 1 gegeben ist.

Der die Oxidkeramikplatte 1 umfassende Tragring 2 ist vornehmlich aus einer hitze- und korrosionsbeständigen Metallegierung, beispielsweise Stahl der DIN-Bezeichnung 42CrMo4V hergestellt. Der Tragring 2 kann jedoch auch aus anderem Material hergestellt sein, wie einer Unter dem eingetragenen Warenzeichen "Nimonic" bekannten Legierung Nimonic 8OA, das eine Wärmeleitzahl (W/mK) von Ά*= 11,2 sowie einen Wärmeausdehnun

weist.

—6 dehnungskoeffizienten (m/mK) von OC= 15 χ 1Ο~ auf

Die Oxidkeramikplatte 1 kann mittels des Tragringes 2 formschlüssig gehalten, in diesem jedoch auch kraftschlüssig befestigt und beispielsweise in ihn einge- " schrumpft sein.

In den Figuren ist eine praxisgerechte Ausführung für den Form- und/oder Kraftschluß zwischen Tragring 2 und Oxidkeramikplatte 1 dargestellt, die sich in allen in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wiederfindet. Dabei besteht die Oxidkeramikplatte 1 am Umfang aus drei axial hintereinander liegenden, unterschiedlichen Ringflächen, nämlich einer vorderen zylindrischen Ringfläche 8, einer hinter zylindrischen, gegenüber der vorderen durchmessergrößeren Ringfläche

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und einer dazwischen liegenden, den übergang zwischen vorderer und hinterer Ringläche bildenden kegeligen Ringfläche 10, deren Neigung zur Plattenebene vorzugsweise 45 beträgt. Der Übersichtlichkeit, halber sind die Bezugszeichen für diese Ringflächen 8/ 9, IO nur in den Figuren 2 und 8 bis 12 eingetragen. An diese äußere Form der Oxidkeramikplatte 1 ist der Tragring 2 für einen Form- und/oder Kraftschluß angepaßt. Hierzu besitzt der Tragring 2 eine durchmesserseitig an die vordere Ringfläche 8 der Oxidkeramikplatte 1 angepaßte Durchgangsbohrung 11, an die sich eine nach hinten erweiternde Ansenkung 12 anschließt, deren Kegelwinkel an jenen der kegeligen Ringfläche 10 der Oxidkeramikplatte 1 angepaßt ist.

Nachstehend sind anhand der Figuren verschiedene Möglichkeiten einer Befestigung des die Oxidkeramikplatte umfassenden Tragringes 2 an verschiedenen Bauteilen einer Hubkolbenbrennkraftmaschine sowie mehrere unterschiedliche Ausbildungen des Tragringes 2 näher beschrieben. In den Figuren 1 bis 8 ist als ein solches Bauteil ein Gaswechselventil, in den Figuren 9 bis 12 dagegen ein Kolben dargestellt.

Bei den Ausführungsbexspielen gemäß den Figuren 1 bis 5, 7 und 8 ist die Oxidkeramikplatte 1 in einer Vertiefung 13 an der dem Brennraum, mithin der dem Wärmeeinfall zugewandten Stirnseite des Ventiltellers 14 eines ·,. Gaswechselventiles 15 eingesetzt und dort mittels des Tragringes 2 gehalten. Die Vertiefung 13 besitzt dabei eine solche Tiefe, daß die Oxidkeramikplatte 1 mit ihrer dem Wärmeeinfall, mithin dem Brennraum zugewandten Oberseite 3 in einer Ebene mit der Stirnfläche 16 am Ventilteller 14 liegt oder geringfügig aus dem Ventil-

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teller 14 herausragt. Der Boden der Vertiefung 13 umfaßt die gewölbte Fläche 5 an der die Oxidkeramikplatte 1 mit ihrer dem Wärmeeinfall, mithin dem Brennraum abgewandten Unterseite 4 abgestützt ist.

Aus der Bildfolge von Figur 1 bis Fig. 5 ist der Montage- und Endbearbeitungsablauf in der Reihenfolge der einzelnen Schritte ersichtlich. In Fig. 1 ist dabei das für die Anbringung des Hitzeschildes vorbereitete Gaswechselventil 15 gezeigt, wobei hieraus gut die Gestalt der Einformung 13 ersichtlich ist. Fig. 2 zeigt jeweils für ihre Zusammenfassung vorbereitet eine Oxidkeramikplatte 1 und einen Tragring 2. Fig. 3 zeigt den Tragring 2 mit eingesetzter Oxidkeramikplatte 1. In Fig. 4 ist der die Oxidkeramikplatte 1 umfassende Tragring 2 bereits in die Vertiefung 13 eingesetzt. Für die Halterung des Tragringes 2 in der Vertiefung 13 bestehen dabei verschiedene Möglichkeiten. So kann der Tragring 2 beispielsweise kraftschlüssig in der Vertiefung 13 gehalten und dabei in letztere eingeschrumpft sein. Im einzelnen sind für das Anbringen eines Hitzeschildes nach der Erfindung an einem Gaswechselventil 15, wie aus der Bildfolge von Fig. 1 bis Fig. 5 ersichtlich, folgende Maßnahmen durchzuführen.

Zunächst ist das Gaswechselventil 15 durch Einformung der Vertiefung 13 in den Ventilteller 14 für die spätere Aufnahme des Hitzeschildes vorzubereiten (Fig. 1). Außerdem sind, wie aus Fig. 2. ersichtlich, die Oxidkeramikplatte 1 sowie der sie aufnehmende Tragring 2 herstellungsseitig für ihren Zusammenbau vorzubereiten. Anschließend wird die fertig bearbeitete Oxidkeramikplatte 1 in den Tragring 2 eingesetzt, vornehmlich

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eingeschrumpft. Die Oxidkeramikplatte 1 ist dann mittels ihrer vorderen Ringfläche 8 in der Durchgangsbohrung 11 des Tragringes 2 mit Kraftschluß gehalten; außerdem liegt die Oxidkeramikplätte 1 mit ihrer kegeligen Ringfläche IO an der kegeligen Ansenkung 12 des Tragringes 2 an. Dieser zusammengebaute Zustand ist aus Fig. 3 ersichtlich. Danach folgt der in Fig. 4 gezeigte Herstellungsschritt, wobei beispielsweise das Gaswechselventil 15 erwärmt, dann der die Oxidkeramikplatte 1 umfassende Tragring in die Vertiefung 13 eingepreßt und anschließend eingeschrumpft wird. Von der dem Wärmeeinfall, mithin dem Brennraum zugewandten Oberseite 3 der Oxidkeramikplatte 1 ausgehend wird dann noch der zunächst axial überstehende Teil des Tragringes 2 spanabhebend abgearbeitet. Nach dieser Maßnahme besitzt das Gaswechselventil die in Fig. 5 gezeigte Form. Die Schrumpfverbindung zwischen Tragring 2 und Vertiefung 13 im Ventilteller 14 bleibt auch im betriebswarmen Zustand des Gaswech.selventiles sicher erhalten, weil die Oxidkeramikplatte 1 und auch der sie umfassende Tragring 2 eine höhere Temperatur aufnehmen als der ihn umschließende Ventilteller-Werkstoff. Außerdem stellt der größere Wärmeausdehnungskoeffizient des Tragring-· materiales einen zusätzlichen Sicherheitsfaktor dar.

Der die Oxidkeramikplatte 1 umfassende Tragring 2 kann alternativ zu der vorstehend beschriebenen Lösung jedoch auch - wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 formschlüssig in die Vertiefung 13 an der Stirnseite des Ventiltellers 14 eingesetzt und stoffschlüssig an letzterem befestigt, beispielsweise angeschweißt sein. Die ringsumlaufende Schweißnaht ist in Fig. 7 mit 17 bezeichnet.

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Eine weitere Variante für die Befestigung der Oxidkeramikplatte 1 ist in Fig. 6 dargestellt. Hierbei ist " der die Oxidkeramikplatte 1 umfassende Tragring 2 durch ein ringförmiges Ventiltellerteil 18 gebildet, das zur Komplettierung des Ventiltellers 14 mit einem weiteren, sich unten am Ventilschaft anschließenden zentralen Ventiltellerteil 19 vereinigt ist und an seiner Vorderseite die zur Halterung der Oxidkeramikplatte 1 dienenden Ringflächen 11 und 12 aufweist. Die Verbindung der beiden Ventiltellerteile 18 und 19 wiederum kann formschlüssig und kraftschlüssig oder form- und stoffschlüssig sein. Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsvariante sind die beiden Ventiltellerteile 18 und 19 lösbar über Gewinde 20 miteinander verschraubt und zur Verhinderung eines unerwünschten Lösens dieser Schraubverbindung gegeneinander durch Querstifte 21 gesichert. Anstelle ihrer Gewinde 20 können die beiden Ventiltellerteile 18 und 19 auch über eine Schrumpfverbindung miteinander verbunden sein, wobei das Ventiltellerteil 18 auf das andere Ventiltellerteil 19 aufgeschrumpft und gegebenenfalls zusätzlich durch Querstifte 21 gegen axiales Lösen bzw. Verschieben gesichert wäre. Unabhängig von der jeweiligen Verbindungsart ist die Oxidkeramikplatte 1 bei diesem Ausführungsbeispiel an der, an der Stirnfläche des Ventiltellerteiles 19 ausgebildeten, konvex gewölbten Fläche 5 abgestützt.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 9 bis 12 sind verschiedene Befestigungsvarianten für den Hitzeschild an einem insgesamt mit 22 bezeichneten Kolben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine aufgezeigt, die im Prinzip ähnlich jenen für das Gaswechselventil sind.

Wie aus den Fig. 9 bis 12 ersichtlich, ist ein Teil des

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Kolbenbodens 23 als Tragsockel 24 zur Abstützung der Oxidkeramikplatte 1 ausgebildet. Letztere ist auch hier durch einen Tragring 2 am Tragsockel 24 befestigt. In bevorzugter Ausführungsform ist der Tragring 2 durch ein Kolbenbodenteil 25 gebildet. Dabei sind das den Tragring 2 bildende Kolbenbodente.il 25 und der ebenfalls ein Teil des Kolbenbodens 23 bildende Tragsockel 24 aufeinander abgestimmt sich formmäßig ergänzend ausgebildet. Der Tragsockel 24 bildet einen zentralen Teil des Kolbenbodens 23, während das den Tragring 2 bildende Kolbenbodenteil 25 einen, den zentralen Teil umgebenden peripheren Bereich des Kolbenbodens 23 bildet. Der Tragsockel 24 und das Kolbenbodenteil 25 bilden vereinigt" mit der Oxidkeramikplatte 1 den Kolbenboden. Der Tragsockel 24 weist an seiner dem Wärmeeinfall, mithin dem Brennraum zugewandten Seite die gewölbte Fläche 5, an der die Oxidkeramikplatte 1 abgestützt ist, und an seinem Umfang eine koaxial zur Kolbenachse verlaufende, kreiszylindrische Außenfläche 26 zur Lagefixierung des dem Tragring 2 bildenden Kolbenbodenteiles 25 auf.

Letzteres wiederum weist an seinem oberen Bereich die zur Halterung der Oxidkeramikplatte 1 vorgesehenen Ringflächen 11 und 12 auf, die sich mit jenen Ringflächen 8 und 10 der Oxidkeramikplatte 1 ergänzen.

Das die Oxidkeramikplatte 1 umfassende, den Tragring 2 bildende Kolbenbodenteil 25 ist in verschiedenartiger Weise am Tragsockel 24 befestigbar. In bevorzugter Art ist das Kolbenbodenteil 25 an der kreiszylindrischen Außenfläche 26 des Tragsockels 24 kraftschlüssig gehaltert, insbesondere aufgeschrumpft - siehe Fig. 9 und 10 - . Das Kolbenbodenteil 25 kann gegen axiales Lösen vom Tragsockel 24 auch durch mehrere am Umfang verteilt angeordnete Querstifte 27, wie in Fig. 10 gezeigt, gesichert sein. Alternativ hierzu kann das die Oxid-

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keramikplatte 1 umfassende Kolbenbodenteil 25 auch mittels mehrerer, gleichmäßig am Umfang verteilt angeordneter, koaxial zur Kolbenachse stehender Schrauben 28 Figur 11 - oder Zuganker 29 - Figur 12 - am Kolbenmantel befestigt sein. Darüber hinaus erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Kolbenbodenteil 25 nicht nur als Halter für die Oxidkeramikplatte 1, sondern auch noch als Kolbenringträger ausgebildet ist und zu diesem Zweck außen wenigstens eine Ringnut 30 zur Aufnahme eines Kolbenringes aufweist.

Claims

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Patentansprüche:

Von Verbrennungswärme unmittelbar beaufschlagtes, axial hin- und hergehend bewegtes Bauteil einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, an dessen dem Wärmeeinfall zugewandter Seite mittelbar gehalten ein Hitzeschild aus Keramik angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- als Hitzeschild eine dünne, bei Raumtemperatur ebene Oxidkeramikplatte (1) verwendet ist, die die dem Wärmeeinfall zugewandte Fläche des Bauteiles (15, 22) zu einem Großteil überdeckt,

- die Oxidkeramikplatte (1) durch einen sie aufneh- -menden und umfassenden, metallischen Tragring (2, 18, 25) am Bauteil (15, 22) gehalten ist,

- die Auflagefläche (5) am Bauteil (15, 22) derart ausgebildet ist, daß die an ihr abgestützte Oxidkeramikplatte (1) schwach konvex gewölbt verspannt und diese Durchbiegung der Oxidkeramikplatte (1) gerade so groß ist, daß im betriebswarmen Zustand die Plattenwölbung erhalten bleibt, sich jedoch infolge des zwischen Plattenoberseite (3) und Plattenunterseite herrschenden Temperaturgefälles und dadurch bedingt unterschiedlicher Dehnungen die platteninternen Spannungen weitgehend abbauen.
2. Bauteil mit Hitzeschild, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (5), an der die Oxidkeramikplatte (1) mit ihrer dem Wärmeeinfall abgewandten Unterseite (4) anliegt, schwach konvex gewölbt ausgebildet ist und einem Krümmungsradius folgt, der etwa um Faktor 10 bis 50 größer als jener Durchmesser des Bauteiles (15, 22) ist, wie er in der Befestigungsebene für die Oxidkeramikplatte (1) gegeben

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ist.
3. Bauteil mit Hitzeschild, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gewölbte Fläche (5) durch eine glatte Kugelfläche gebildet ist.
4. Bauteil mit Hitzeschild, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gewölbte Fläche (5) durch mehrere zueinander konzentrische, senkrecht zur Bauteilachse stehende und axial nacheinander jeweils um ein Stück zurückgesetzte ebene Flächenteile nachgebildet ist.
5. Bauteil mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (5) am Bauteil (15, 22), an der die Oxidkeramikplatte (1) anliegt, durch Einformungen, insbesondere konzentrische Ringnuten (6) hinterschnitten ist, die abgedeckt durch die Oxidkeramikplatte (1) luftgefüllte Isolationsräume (7) bilden.
6. Bauteil mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (1) aus Zirkonoxid hergestellt ist und eine Wärmeleitzahl (W/mK) von A'= 2,5 sowie einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von OC = 9,8 χ 10~ aufweist.
7. Bauteil mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (1) eine Dicke aufweist, die etwa im Bereich von 1/20 bis 1/150 jenes Durchmessers liegt, wie er am Bauteil (15, 22) in der Befestigungsebene für die Oxidkeramikplatte (1) gegeben ist.

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8. Bauteil mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragring (2) aus einer hitze- und korrosionsbeständigen Metallegierung hergestellt ist.
9. Bauteil mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (1) formschlüssig im Tragring (2, 18, 25) gehalten ist.
10. Bauteil mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (1) kraftschlüssig im Tragring (2, 18, 25) befestigt ist.
11. Bauteil mit Hitzeschild, nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (1) in den Tragring (2) eingeschrumpft ist.
12. Bauteil mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (1) an ihrem Umfang aus drei axial hintereinander liegenden Ringflächen besteht, nämlich einer vorderen kreiszylindrischen Ringfläche (8), einer hinteren, gegenüber der vorderen (8) durchmessergrößeren, kreiszylindrischen Ringfläche (9) sowie einer den übergang zwischen vorderer und hinterer Ringfläche bildenden, kegeligen Ringfläche (10), deren Neigung zur Plattenebene vorzugsweise 45° beträgt.
13. Bauteil mit Hitzeschild, nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragring (2, 18, 25) eine durchmesserseitig an die vordere kreiszylindrische Ringfläche (8) der Oxidkeramikplatte (1) angepaßte Durchgangsbohrung (11) aufweist, an die sich eine

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nach hinten erweiternde Ansenkung (12) anschließt, deren Kegelwinkel an jenen der mittleren kegeligen Ringfläche (10) an der Oxidkeramikplatte (1) angepaßt ist.
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14. Bauteil mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn es sich um ein Gaswechselventil (15) Auslaßventil und/oder Einlaßventil - handelt, die Oxidkeramikplatte (.1) in einer Vertiefung (13) an der Stirnseite des Ventiltellers (14) eingesetzt ist.
15. Gaswechselventil mit Hitzeschild, nach'Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (1) mittels des Tragringes (2) in der Vertiefung (13) an der Stirnseite des Ventiltellers (14) gehalten ist.
16. Gaswechselventil mit Hitzeschild, nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidkeramikplatte (1) mit ihrer dem Brennraum zugewandten Oberseite (3) in einer Ebene mit der vorderen an den Brennraum angrenzenden Fläche (16) des Ventiltellers (14) liegt oder geringfügig aus letzterem herausragt und mit ihrer dem Brennraum abgewandten Unterseite (4) an der vom Boden der Vertiefung (13) umfaßten gewölbten Fläche (5) abgestützt ist.
17. Gaswechselventil mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der die Oxidkeramikplatte (1) umfassende Tragring (2) kraftschlüssig in der Vertiefung (13) an der Stirnseite des Ventiltellers (14) gehaltert ist.

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18. Gaswechselventil mit Hitzeschild, nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der die Oxidkeramikplatte (1) umfassende Tragring (2) in der Vertiefung (13) eingeschrumpft ist.
19. Gaswechselventil mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der die Oxidkeramikplatte (1) umfassende Tragring (2) formschlüssig in die Vertiefung (13) an der Stirnseite des Ventiltellers (.14) eingesetzt und stoffschlüssig an letzterem befestigt ist.
20. Gaswechselventil mit Hitzeschild, nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der die Oxidkeramikplatte (1) umfassende Tragring (2) am Ventilteller (14) angeschweißt ist.
21. Gaswechselventil mit Hitzeschild, nach Anspruch und 15, dadurch gekennzeichnet, daß der die Oxid— keramikplatte (1) umfassende Tragring (2) durch ein ringförmiges Ventiltellerteil (18) gebildet ist, das zur Komplettierung des Ventiltellers (14) mit einem sich unten am Ventilschaft anschließenden Ventiltellerteil (19) vereinigt sowie form- und kraft- oder stoffschlüssig mit letzterem verbunden ist und an seiner Vorderseite die zur Halterung der Oxidkeramikplatte (1) dienenden Ringflächen (11, 12) aufweist.
22. Gaswechselventil mit Hitzeschild, nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventiltellerteile (18, 19) lösbar über Gewinde (20) miteinander verschraubt sowie zur Verhinderung einer unerwünschten Lösung dieser Schraubverbindung gegeneinander durch Querstifte (21) gesichert sind.

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23. Gaswechselventil mit Hitzeschild, nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das den Tragring (2) für die Oxidkeramikplatte (1) bildende Ventiltellerteil (18) auf das andere Ventiltellerteil

(19) aufgeschrumpft und gegebenenfalls an diesem zusätzlich durch Querstifte (21) gegen axiales Lösen bzw. Verschieben gesichert ist.
24. Bauteil mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn es sich um einen Kolben (22) handelt, ein Teil des Kolbenbodens (23) als Tragsockel (24) zur Abstützung der Oxidkeramikplatte (1) ausgebildet ist, an welchem Tragsockel· (24) der Tragring (2) befestigt ist.
25. Kolben mit Hitzeschild, nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragring (2) durch ein Teil (25) des Kolbenbodens (23) gebildet ist.
26. Koiben mit Hitzeschild, nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragsockel (24) ein zentrales Kolbenbodenteil bildet, das von dem den Tragring (2) bildenden Kolbenbodenteil· (25) peripher umgeben ist, wobei der Tragsockel· (24) und das Kolbenbodenteil· (25) sich formmäßig ergänzend aufeinander abgestimmt sind und vereinigt mit der Oxidkeramikpiatte (l·) den Kolbenboden (23) ergeben.
27. Kolben mit Hitzeschild, nach den Ansprüchen 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragsockel (24) an seiner dem Brennraum zugewandten Stirnseite die gewölbte Fläche (5) zur Abstützung der Oxidkeramikplatte (l·) und an seinem Umfang eine koaxial zur Kolbenachse angeordnete kreiszylindrische

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Außenfläche zur Lagefixierung des den Tragring (2) bildenden Kolbenbodenteiles (25) aufweist.
28. Kolben mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet,

daß das die Oxidkeramikplatte (1) umfassende Kolbenbodenteil (25) kraftschlüssig an der kreiszylindrischen Außenfläche (26) des Tragsockels (24) gehalten ist.
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29. Kolben mit Hitzeschild nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das die Oxidkeramikplatte (1) umfassende Kolbenbodenteil (25) auf die kreiszylindrische Außenfläche (26) am Tragsockel 24) aufgeschrumpft ist.
30. Kolben mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß das die Oxidkeramikplatte (1) umfassende Kolbenbodenteil (25) durch mehrere am Umfang verteilt angeordnete Querstifte (27) am Tragsockel (24) gegen axiales Lösen gesichert ist.
31. Kolben mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das die Oxidkeramikplatte (1) umfassende Kolbenbodenteil (25) mittels mehrerer, gleichmäßig am Umfang koaxial zur Kolbenachse verteilt angeordneter Schrauben (28) oder Zuganker (29) am Kolbenmantel befestigt ist.
32. Kolben mit Hitzeschild, nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß das die Oxidkeramikplatte (1) umfassende Kolbenbodenteil (25) auch als Kolbenringträger ausgebildet ist und wenigstens eine Ringnut (30) zur Aufnahme eines Kolbenringes aufweist.