DE3240224A1 - Kolben fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

• Kolben für Brennkraftmaschinen
• Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen mit einer auf dem Kolbengrundkörper befestigten Bodenplatte aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff mit einer im Vergleich zum Werkstoff des Grundkörpers geringeren Wärmeleitfähigkeit. Die Anordnung einer solchen Bodenplatte ist ein aussichtsreicher Schritt auf dem Weg zur Kraftstoffeinsparung durch Entwicklung eines wärmedichten Motors, bei welchem alle von heißen Verbrennungsgasen beaufschlagten Flächen isoliert sein sollten, um Wärmeverluste möglichst gering zu halten.
• Geht man davon aus, daß die heißen Verbrennungsgase der Brennkraftmaschine bis zum Kompressionsring des Kolbens gelangen, ist es notwendig, den Feuersteg ganz oder teilweise und eventuell sogar das obere Ringfeld des Kolbens in das Material der Bodenplatte miteinzubeziehen. Eine solche Kolbenausführung kann bevorzugt bei Kolben mit tiefen Brennräumen, z.B. sog. Heron-Brennräumen bei Ottomotoren oder Brennraummulden bei Direkteinspritz-Dieselmotoren angewendet werden. Da die Brannraummulden vollständig durch die Bodenplatte bewehrt sind, besitzt diese in axialer Richtung erhebliche Abmessungen, d.h. die Masse dieser Bodenplatte ist groß. Die Massenkräfte und die auf die große Fläche wirkenden Gaskräfte können nur von Werkstoffen mit hohen mechanischen Festigkeitseigenschaften ertragen werden.
• Ein für diesen Einsatzfall geeignetes Material ist z.B.
• Zirkondioxid mit seinem niedrigen Wärmeleitwert. Der Nachteil liegt jedoch in dem relativ hohen spezifischen Gewicht dieses Materials und darin, daß für eine gute thermische Isolierung des Kolbens auch die Kompressionsringnut in der Bodenplatte angeordnet sein soll. Ein nach herkömmlicher Art konstruierter Kolben wird damit wesentlich schwerer als der bisherige Leichtmetallkolben in Standard-Bauweise.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die sich aus vorstehenden Gegebenheiten ergebende Mehrmasse bei möglichst einfacher Bauart des Kolbens so gering wie möglich zu halten.
• Ihr liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dies dadurch erreicht werden kann, wenn die Trennfuge zwischen der Bodenplatte und dem Kolbengrundkörper im Bereich des Ringfeldes, also am Kolbenmantel, höher liegt als unterhalb des Brennraumes, daß also die Höhe der Bodenplatte im Bereich des Kolbenmantels geringer ist als im Bereich der Kolbenachse. Dies ist durch eine entsprechende Abstufung der Trennfuge möglich, was jedoch bezüglich Herstellbarkeit und Haltbarkeit der Abstufung erhebliche Nachteile mit sich bringen würde.
• Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird daher erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trennfuge zwischen Bodenplatte und Kolbengrundkörper im wesentlichen sphärisch ausgeführt ist und zwar derart, daß die Bodenplatte am Kolbenmantel bzw. im Bereich des Ringfeldes des Kolbens geringere Höhe hat als im Bereich der Kolbenachse. Durch diese sphärische Ausbildung werden jegliche Spannungsspitzen vermieden, die bei einer Abstufung der Auflageflächen zwischen Bodenplatte und Kolbengrundkörper vorhanden wären.
• Zweckmäßig ist die gesamte Bodenplatte aus keramischem Material ausgebildet, so daß sie den Kolbengrundkörper gegenüber den heißen Verbrennungsgasen isolierend abschirmt.
• Vorteilhaft ist auch die Ausführung der Bodenplatte aus einem hochtemperaturbeständigen metallischen Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit, z.B. aus den als Superlegierungen bekannten Werkstoffen. Die Befestigung der Bodenplatte am Kolbengrundkörper kann durch Schrauben, Kleben, Schweißen, Löten oder Schrumpfen erfolgen. Bei einer Befestigung mit Schrauben muß bei der sphärischen Trennfuge nicht auf eine genaue Auflage Rücksicht genommen werden, wie dies bei einer abgestuften Trennfuge der Fall wäre. Die sphärische Form der Trennfuge kann wirtschaftlich hergestellt werden. Die Zunahme der Kolbenmasse aufgrund der spezifisch schwereren Bodenplatte wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Kolbens in Grenzen gehalten.
• Bei einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Kolbens liegt zwischen der Keramikbodenplatte und dem Kolbengrundkörper eine Ausgleichsschicht aus einem Material, welche die thermischen bzw. mechanisch bedingten örtlich überhöhten Pressungen in den Grenzschichten der beiden Teile reduziert. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn bei der Bearbeitung der Kontaktflächen der Bodenplatte und des Kolbengrundkörpers kleine Abweichungen in der sphärischen Oberfläche auftreten.
• In der Zeichnung sind zwei besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kolbens dargestellt, die im folgenden näher beschrieben werden: Abb. 1 zeigt einen Axialschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbens; Abb. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens in gleicher Darstellungsweise.
• Bei beiden Ausführungsbeispielen sind die Konstruktionsdetails mit gleichen Bezugsziffern versehen, soweit sie bei beiden Kolben identisch soanden sind.
• So ist bei beiden AusfW=mngsbeispielen die Trennfuge zwischen dem Kolbengrundkörper 1 und der aus keramischem Material bestehenden Bodenplatte 2 in gleicher Weise sphärisch ausgestaltet und zwar derart, daß die Trennfuge am Kolbenmantel im Bereich des Ringfeldes 10 höher liegt als im Bereich der Kolbenachse. Die Trennfuge 4 ist etwa gleich breit und nimmt eine Ausgleichsschicht 5 auf. Diese kann aus einer geschlossenen Schicht aus einem Material bestehen, welches die thermischen bzw. mechanischen Belastungen zwischen Kolbengrundkörper 1 und Keramik-Bodenplatte 2 reduziert. Die Schicht kann aber auch aus einem oder mehreren lamellenförmigen im gegenseitigen Abstand befindlichen Streifen aus einem solchen oder ähnlichen Material bestehen, zwischen welchen Streifen sich Luftspalte in der Trennfuge befinden, um den Isoliereffekt zu steigern.
• Diese Lamellen können im Kolben spiralförmig oder koaxial angeordnet sein. Es ist auch möglich, insbesondere bei Verwendung einer geschlossenen Ausgleichsschicht an einer oder beiden Oberflächen derselben spiralförmige oder koaxiale Profilierungen vorzusehen. Durch diese Maßnahmen kann der Traganteil der Ausgleichsschicht 5 bis auf den zulässigen Wert für die Pressung im Schichtmaterial zurückgenommen werden.
• Die Befestigung der bis zum Kolbenmantel reichenden und mit der Kompressionsringnut 9 ausgestalteten Bodenplatte 2 am Kolbengrundkörper 1 ist durch Befestigungsschrauben 3 vorgenommen, die in etwa gleichen Abständen um die Kolbenachse herum angeordnet sind. Bei den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen ist eine ungerade Anzahl von Befestigungsschrauben 3 vorhanden, so daß in den dargestellten Schnitten nur jeweils eine Schraube zu sehen ist. Die Befestigungsschrauben liegen in diesem Fall auf einem koaxial zur Brennraummulde angeordneten Teilkreis.
• Die Brennraummulde 8 ist zur Gänze in der Bodenplatte anangeordnet. Die Schrauben sitzen in Schraubenlöchern, die sich zum Teil in der Bodenplatte 2, zum Teil in dem Kolbengrundkörper 1 erstrecken. Mit radial über ihren Schraubenschaft 12 hinausragendem Schraubkopf 3 sitzen sie über vorzugsweise anpassungsfähigen, z.B. elastischen, abdichtenden Zwischenscheiben 11 auf ringförmigen Sitzflächen in der Bodenplatte 2. Unterhalb des Schraubensitzes haben die Schraubenschäfte 12 reduzierten Durchmesser, so daß sich Ringspalte 15 zwischen ihnen und der jeweiligen Wand der sie aufnehmenden Schraubenlöcher in der Bodenplatte 2 und dem Kolbengrundkörper 1 ergeben. In diesen Ringspalt mün- den Bohrungen 13 ein, die vom im Ringfeld 10 angeordneten ölring 14 ausgehen bzw. in den Hohlraum des Kolbengrundkörpers 1 führen und zum Transport von Schmieröl an die Schraubenschäfte heran dienen. Bei Hin- und Herbewegung des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine wird dadurch ein intensiver Wärmetransport von den heißen Köpfen der Schrauben 3 über das öl an die kühle Zone des Kolbengrundkörpers 1 ermöglicht.
• Zur Vermeidung der überhitzung der Befestigungsschrauben 3 sind diese mit ihren Köpfen derart in der Bodenplatte 2 versenkt, daß über den Köpfen in die Schraubenlöcher noch vorzugsweise keramische Abschlußpfropfen eingesetzt werden können, welche die Schraubenköpfe abdecken. Diese Abschlußpfropfen sind konisch ausgebildet und mit Hochtemperaturklebstoff in den Schraubenlöchern verankert. Der intensive Wärmeübergang auf die Schraubenköpfe kann auch durch Aufspritzen einer isolierenden Keramikschicht auf die Schraubenköpfe verkleinert werden.
• Da durch die sphärische Auflage der Bodenplatte 2 und die zu deren Festschrauben am Kolbengrundkörper 1 dienenden Befestigungsschrauben 3 allein keine exakte Fixierung der Bodenplatte 2 auf dem Kolbengrundkörper möglich ist, ist bei dem in Abb. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel hierfür eine zentrale Zentrierschraube 7 vorgesehen, mit der vom Innenraum des Kolbengrundkörpers 1 her die Bodenplatte 2 auf dem Kolbengrundkörper fixiert werden kann. Bei dem in Abb. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind anstelle dieser zentralen Fixierschraube Zentrierbüchsen 16 vorgesehen, die in eine Erweiterung der Schrauben löcher für die Aufnahme der Befestigungsschrauben 3 im Bereich der Trennfuge 4 zwischen dem Kolbengrundkörper 1 und der Bodenplatte 2 eingesetzt sind. Anstelle der in den Abb. 1 und- 2 dargestellten Fixierorgane können auch ein Stift, ein Bund, ein Paßbund, eine Paßschraube oder eine Paßbüchse zwischen Kolbengrundkörper und Bodenplatte vorgesehen werden. Die Befestigungsschrauben können als Dehnschrauben ausgebildet sein, bei welchen die Schraubenschäfte kleineren Durchmesser haben als der Gewindeteil.

Claims (15)

1. Kolben für Brennkraftmaschinen Patentansprüche 1. Kolben für Brennkraftmaschinen mit einer auf dem Kolbengrundkörper befestigten Bodenplatte aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff mit einer im Vergleich zum Werkstoff des Kolbengrundkörpers schlechteren Wärmeleitfähigkeit, dadurch g e k e n n z e i c h ne t daß die Trennfuge (4) zwischen Bodenplatte (2) und Kolbengrundkörper (1) im wesentlichen sphärisch ausgeführt ist, und zwar derart, daß die Bodenplatte am Kolbenmantel bzw. im Bereich des Ringfeldes des Kolbens geringere Höhe hat als im Bereich der Kolbenachse.
2. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Bodenplatte (2) mit dem Kolbengrundkörper (1) durch Schrauben, Kleben, Schweißen, Löten oder Schrumpfen verbunden ist.
3. 3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß in der Trennfuge (4) zwischen dem Kolbengrundkörper (1) und der Bodenplatte (2) eine Ausgleichsschicht (5) aus einem die thermisch bzw. mechanisch bedingten örtlich überhöhten Pressungen in den Grenzschichten der beiden Teile reduzierenden Material angeordnet ist.
4. 4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Material ein weiches Metall, wie Kupfer, ein wärmfester Kunststoff oder ein mineralischer Werkstoff ist.
5. 5. Kolben nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Ausgleichsschicht (5) nur stellenweise in der Trennfuge (4) angeordnet ist.
6. 6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Ausgleichsschicht in Lamellenform spiralförmig oder radialförmig angeordnet ist.
7. 7. Kolben nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Oberfläche der Ausgleichsschicht (5) profiliert ist und über diese Profilierung nur teilweise mit der Bodenplatte (2) bzw. dem Kolbengrundkörper (1) in Berührung steht.
8. 8. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die gesamte Bodenplatte (2) aus hochwarmfestem Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, z.B.

   Keramik, besteht und den Kolbengrundkörper (1) gegenüber den heißen Verbrennungsgasen isolierend abschirmt.
9. 9. Kolben nach Anspruch 1 mit Brennraummulde, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Brennraummulde (8) vollständig und mindestens der obere Bereich des Feuersteges im Material der Bondenplatte (2) liegen.
10. 10. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Bodenplatte (2) mittels eines oder mehrerer Paßstifte, Paßschrauben (7), Paßbüchsen (16) oder Zentrierstufen am Kolbengrundkörper justiert ist.
11. 11. Kolben anch den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Köpfe der Befestigungsschrauben (3) durch eine wärmeisolierende Schicht vorzugsweise aus keramischem Material abgedeckt sind.
12. 12. Kolben nach den Ansprüchen 2 oder 11, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Köpfe der Befestigungsschrauben (3) in den sie aufnehmenden Schraubenlöchern in der Bodenplatte (2) versenkt und mit vorzugsweise in die Schraubenlöcher eingesetzten Abschlußpfropfen (6) abgedeckt sind.
13. 13. Kolben nach Anspruch 12, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Abschlußpfropfen (6) in die Schraubenlöcher eingeklebt sind und vorzugsweise aus keramischem Material bestehen.
14. 14. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Schraubenlöcher im Bereich der Schraubenschäfte (12) größeren Durchmesser haben als die Schraubenschäfte, so daß zwischen den Schraubenschäften und der Wand der Schraubenlöcher Ringspalte (15) bestehen, in welche vom ölring (14) ausgehende und bzw. oder in den Hohlraum des Kolbengrundkörpers (1) führende Schmieröl-Bohrungen (13) einmünden.
15. 15. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß zwischen der Schraubenkopfauflagefläche in der Bodenplatte (1) und dem Schraubenkopf eine oder mehrere Zwischenscheiben (11) angeordnet sind.