DE3337899A1

DE3337899A1 - Kolben

Info

Publication number: DE3337899A1
Application number: DE3337899A
Authority: DE
Inventors: Edward John West Yorkshire Murray
Original assignee: AE PLC
Current assignee: AE PLC
Priority date: 1982-10-20
Filing date: 1983-10-19
Publication date: 1984-04-26
Also published as: IT1169590B; IT8323364A0; FR2541374A1

Description

PAT ETN TAN WALTE

3 DiPL.-ing. ALEX ST E N G E R

Kaiser-Friedrlch-Ring 70 DIPL.-I NG. WOLFRAM WATZKE

D-4000 DÜSSELDORF Xl DIPL.-ING. H EINZ J. RING

Unser Zeichen: j ₂l^ _69Q ⁰^ 17. Oktober 1983

AE PLC Cawston, Cawston, Rugby, Warwickshire CV22 7SB, England

Kolben

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Kolbenkopf und einem Kolbenmantel.

Eine Punktion des Kolbenkopfes besteht darin, eine Begrenzung des Verbrennungsraumes zu bilden, so daß das Material des Kolbenkopfes hohen Temperaturen widerstehen können muß. Daher ist es üblich, den Kolbenkopf aus metallischem Material mit den erforderlichen Hitze-Widerstands-Eigenschaften herzustellen. Eine Aufgabe des Kolbenmantels besteht darin, den Kolben in seiner Hinund-her-Bewegung zu führen und, entsprechend, Maschinenleistungsverluste zu vermindern. Das Material des Kolbenmantels sollte einen so geringen Reibungskoeffizient wie möglich haben und möglichst wenig zum Kolbengewicht beitragen. Obwohl im allgemeinen für die Kolbsnköpfe geeignete metallische Materialien annehmbare Reibungskoeffizienten aufweisen und leichtgewichtig sind, gibt es eine Anzahl anderer Materialien, wie einige Kunststoffmaterialier. die in dieser Hinsicht verbesserte Eigenschaften aufweisen. Allgemein war es bislang nicht möglich, Kunststoffmaterialien zu verwenden, weil diese Materialien nicht in der Lage waren, den erhöhten Temperaturen während des Betriebes standzuhalten.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der eingangs genannten Art mit geringem Gewicht und geringem Reibungswiderstand zu schaffen.

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Als technische Lösung wird hierfür vorgeschlagen, daß der Kolbenkopf aus metallischem Material und der Kolbenmantel mittels einer hitzeisolierenden Barriere voneinander getrennt sind und der Kolbenmantel eine äußere Oberfläche aus Kunststoffmaterial aufweist. Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Erfindung wird u.a. der Vorteil erzielt ₃ daß erstmals erfolgreich Kolbenmäntel mit einer Kunststoffoberfläche verwendet und die günstigen Reibungs- und Gewichtseigenschaften solcher Materialien genutzt werden können.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung, im Sinne nicht einschränkender Beispiele beschrieben, dabei wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in dieser zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht, z.T. im Schnitt, einer ersten Form eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine;

Fig. 2 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 1, die eine Modifikation der ersten Form eines Kolbens zeigt;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Form eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine sowie

Fig. 4 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 3, die eine Modifikation der zweiten Form eines Kolbens zeigt.

Gemäß Fig. 1 ist der Kolben für einen Benzin-oder einen' Dieselmotor geeignet und besteht aus einem Kolbenkopf 10 und einem Kolbenmantel 11. Der Kolbenkopf 10 ist aus metallischem Material geformt, z.B. aus Aluminium oder Alumiumlegierung, mittels Gießen, z.B. Preßgießen, und kann Bestandteile wie einen Verbrennungsraum 23 enthalten. Bei einem Kolben für Dieselmotoren kann der Verbrennungsraum in seinem Mündungsbereich durch während des Gießens eingeführtes Verstärkungsmaterial verstärkt sein. Der Kolbenkopf 10 weist drei darin eingearbeitete Kolbenringnuten 12 auf, die mit verschleißfestem Material, das ebenfalls während des Gießens in den Kolbenkopf eingeführt wird, verstärkt sein können. Zwei verjüngte Kolbenbolzenaugen 13 erstrecken sich von der Unterseite, 'radial innerhalb der gekrümmten Oberfläche des Kolbenkopfes 10. Die Kolbenbolzenaugen (Augen) 13 weisen miteinander fluchtende Kolbenbolzenbohrungen (Bohrungen) 14 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (Bolzens) 15 auf. Gemäß einer alternativen, nicht darge-

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stellten, Ausführungsform können die Augen 13 parallel sein.

Der Kolbenmantel 11 ist aus Kunststoffmaterial derart hergestellt,' da/3 eine den zugehörigen Zylinder oder die zugehörige Laufbuchse berührende Kolbenmanteloberfläche aus Kunststoff vorhanden ist. Ein Paar diametral gegenüberliegender Kolbenbolzenbohrungen (Bohrungen) 16 ist vorgesehen, und der Kolbenmantel 11 paßt über die Kolbenbolzenaugen 13 des Kolbenkopfes 10. In dieser Position fluchten die Kolbenbolzenbohrungen l6 des Kolbenmantels mit den Kolbenbolzenbohrungen l4 des Kolbenkopfes, so daß der Kolbenbolzen 15 durch alle vier Bohrungen 14,16 hindurch paßt, um den Kolbenkopf 10 mit dem Kolbenmantel 11 gelenkig zu verbinden. Sprengringe 17 halten den Kolbenbolzen 15 in Position. Auf diese Weise entsteht eine durch den Luftspalt zwischen dem Kolbenkopf 10 und dem Kolbenmantel 11 gebildete hitzeisolierende Barriere, welche den Wärmefluß von dem Kolbenkopf 10 zu dem Kolbenmantel 11 begrenzt.

Dieses vermindert die Temperatur des Kolbenmantels 11 und gestattet es, den Kolbenmantel entweder aus hochtemperaturwiderstandsfähigem Kunststoffmaterial herzustellen, wie Polyetheretherketon, Polyetherketon, einer Kunststoffmischung aus einem aromatischen Polyetherketon und einem Polyarylensulfid (wie in der britischen Patentanmeldung Nr. 8 131 821 beschrieben), einer Polyparahydroxybenzoesäure oder einem silikonmodifizierten Polyester oder einem PoIyetherimid oder einem Polyimid oder aus jedem anderen, weniger temperaturwiderstandsfähigen Kunststoffmaterial, das ausreichende Festigkeit und die Fähigkeit besitzt, einen effektiven Schmierfilm zu bilden, wie z.B. Polytetrafluoräthylen (Teflon) oder Nylon. Das Kunststoffmaterial kann mit Glas, Metall, organischen oder Metalloxid-Fasern oder -Drähten verstärkt sein. Der Kolbenmantel 11 kann durch Extrudieren oder Spritzgießen hergestellt sein oder durch Pressen und Erhärten von Kunststoffstäuben oder durch Sprühen

oder jede andere geeignete Kunst.stofformgebungsmaßnahme.

Wenn das Kunststoffgemisch verwendet wird, kann es aus PoIyetherketon und Polyphenylsulfid im Gewichtsverhältnis zwischen 95 :.5 und 5 : 95 hergestellt sein. Dieses Gemisch hat eine für Kolbenmäntel geeignete Dauerfestigkeit und auch die Eigenschaft einen effektiven Schmierfilm auf seiner Oberfläche zu bilden, r-o daß, im Gebrauch, der Kolbenmantel 11 angemessen geschmiert ist. Das Gemisch kann hergestellt werden durch Flüs.sigvermischen, unter Verwendung von Benzylbenzoat als Lösungsmittel oder durch Schmelzmischen. Dies wird in der britischen Patentanmeldung 8 131 821 beschrieben.

In der Fig. 2 werden die der Fig. 1 entsprechenden Teile mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht mehr im Detail beschrieben. In der Modifikation gemäß Fig. 2 wird der Kolbenmantel 11 aus zwei Teilen gebildet: einem Stützelement 11a aus metallischem Material, wie Aluminium oder Aluminiumlegierung, umgeben von einer im wesentlichen zylindrischen Manschette 11b aus einem Kunststoffmaterial wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben. Die Manschette 11b bildet also die Kolbenmanteloberfläche. Die Kolbenbolzenbohrungen 16 des Kolbenmantels durchdringen das Stützelement 11a sowie die Manschette 11b, wobei der Sprengring 17 mit dem metallischen Stützelement 11a zusammenwirkt.

Die Manschette llb-kann in jeder beliebigen im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Methode hergestellt werden.

Die modifizierte Ausführungsform hat den Vorteil, daß das metallise Stützelement 11a dem Kolbenmantel 11 Steifigkeit verleiht und dazu beiträgt, Hitze nach unten von dem Kolbenbolzen 15 wegzuleiten. Außerdem ist das metallische Stützelement 11a besser in der Lage als das Kunststoff material der Manschette lib, j rn Betrieb durch den Kolbenbolzen 15 darauf einwirkende Kräfte aufzunehmen.

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Die in Pig. 3 dargestellte zweite Form eines Kolbens ist für den Gebrauch in Dieselmotoren geeignet und besteht aus einem Kolbenkopf 20 und einem Kolbenmantel 21. Der Kolbenkopf 20 weist eine ; Kopfplatte 22 aus eisenhaltigem Materials wie rostfreiem Stahl, auf und ist mit einem Verbrennungsraum 23 ausgestattet. Ein Ring 2·Μ mit U-förmigem Querschnitt, ebenfalls aus eisenhaltigem Material, wie rostfreiem Stahl, ist an der Peripherie der bodenseitigen Oberfläche der Kopfplatte· 22angeschweißt oder angelötet. Die bodenseitige Oberfläche des Ringes 2k wiederum ist an ein darunter liegendes Zwischenelement 25, das die gleiche Fläche wie die Kopfplatte 22 aufweist und aus metallischem Material, wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, angeschweißt oder angelötet oder mit ihm diffusionsverbunden. Ein Stapel von Ringscheiben oder Dichtungsscheiben 27_s die (zum Zwecke des Verminderns des Wärmeübergangs) durch Oxidieren aufgerauht sind, ist zwischen der Kopfplatte 22 und dem Zwischenelement 25» unterhalb des Verbrennungsraumes 23 angeordnet.

Auf diese Weise wird eine abgedichtete Hauptkammer 28 zwischen der Kopfplatte 22 und dem Zwischenelement 25 sowie eine abgedichtete Nebenkammer 29 zwischen dem Ring 2*J und der Kopfplatte 22 gebildet. Diese Kammern können Luft oder ein Vakkuum und/oder (nicht dargestellt) ein Isoliermaterial enthalten. Hierdurch wird eine hitzeisolierende Barriere zwischen der Kopfplatte 22 und dem Zwischenelement 2 5 geschaffen.

Das Zwischenelement 25 bildet gleichzeitig einen Bestandteil des Kolbenkopfes und einen Stützbereich 32 des Kolbenmantels 21. Die- j ser Stützbereich 32 trägt auf seiner äußeren Oberfläche eine Man- ; schette 33 aus einem der Kunststoffmaterialien, wie sie im Zu- I sarnmenhang mit Fig. 1 beschrieben wurden, und zwar verstärkt j oder unverstärkt und, mit Rücksicht auf die Gegenwart der iso- j lierenden Kammern 28, 29, hochtemperaturwiderstandsfähig oder j nicht. Die Manschette 33 bildet die Kolbenmanteloberfläche und wird in irgendeiner der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen

Methoden hergestellt.

Das Zwischenelement 25 ist mit drei Kolbenringnuten 30 und Kolbenbolzenbohrungen 31 ausgestattet, welch letztere ebenfalls durch die Manschette 33 hindurchgehen.

In der Fig. ^Λ4 sind gleiche Teile wie in der Fig. 3 mit denselben Bezugsziffern versehen und nachfolgend nicht einzeln beschrieben. Die Modifikation gemäß Fig. 4 besteht in einer zusätzlichen hitzeisolierenden Barriere 26 zwischen den Kammern 28, 29 und dem Γ- Zwischenelement 25; sie kann aus porösem Metallmaterial, wie verkitteten Metalldrähten oder Bändern oder dreidimensionalen Maschen oder einem unter dem Handelsnamen RETIME¹J.* das am Kopfende des Zwischenelementes 25 gehalten ist, bestehen. Dies kann erreicht werden durch Anordnen des porösen Metallmaterials in einer Form und anschließendes Darübergießen des Zwischenelementes, wobei das Metall in das poröse Material nur teilweise eindringt. Der Gießprozeß kann ein Preßgießprozeß sein.

In diesem Fall wird die bodenseitige Oberfläche des Ringes 24 wiederum an das poröse Metallmate^rial angeschweißt, gelötet oder mit ihm diffusionsverbunden. ;

' Em Vorzug besteht darin, daß das Kunststoffmaterial des Kolbenmantels, welches weiter oben im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben wurde, nicht einheitlich dasselbe Material sein muß. Z.B. kann das kolbenkopfseitige Ende des Kolbenmantels aus einem stärker hitzewiderstandsfähigem Kunststoffmaterial und das vom Kolbenkopf abgewandte Ende des Kolbenmantels aus einem weniger hitzewiderstandsfähigem Kunststoffmaterial bestehen.

Der Kolbenmantel muß sich nicht um den gesamten Kolben herum erstrecken, vielmehr kann er sich über Teilbereiche erstrecken und

* vertriebenem Material ©CTP^ j

in Segmenten ausgeführt sein. Das Kunststoffmaterial sowie falls vorgesehen - das Stützelement können miteinander verbunden sein und diese Verbindung kann mittels jeden geeigneten Verfahrens erfolgen. Das Verbinden kann mit einem metallischen Stützelement in Form eines Bleches erfolgen, gefolgt vom Biegen dieses Verbundes unter Herstellung des Kolbenmantels. Der Kolbenmantel kann an den Kolbenkopf in jeder im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschriebenen Weisen verbunden werden. Alternativ können der Kolbenkopf und das oder die Stütztelement(e) einstückig geformt sein und das Kunststoffmaterial in einem nachfolgenden Schritt auf das oder die Stützelement(e) aufgebracht werden.

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Bezugszeicheniis t'e

10 Kolbenkopf

11 Kolbenmantel 11a Stützelement

11b Manschette (Kunststoffelement)

12 Kolbenringnut

13 Kolbenbolzenaugen (Augen)

14 Kolbenbolzenbohrung (Bohrung)

15 Kolbenbolzen (Bolzen)

16 Kolbenbolzenbohrung (Bohrung)

17 Sprengring

20 Kolbenkopf

21 Kolbenmantel

22 Kopfplatte

23 Verbrennungsraum

24 Ring

25 Zwischenelement

26 hitzeisolierende Barriere (Material)

27 Dichtungsscheibe

28 Hauptkammer (Kammer)

29 Nebenkammer

30 Kolbenringnut

31 Kolbenbolzenbohrung

32 Stützbereich

33 Manschette

Claims

.:. ..' .:- -PATENTANWÄLTE DIPL.-ING.ALEX STENGER Kaise^Fricdrich-King 70 DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE D-4000 DÜSSELDORF 11 DIPL.-ING. H EINZ J. RING Unser Zeichen: 24 698 Datum: 17. Oktober I983 AE PLC Cawston House, Cawston, Rugby, Warwickshire CV22 7SB, England Ansprüche

1./Kolben für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Kolbenkopf und einem Ko-lbenmantel,
dadurch gekennzeichnet, •daß der Kolbenkopf (10;20) aus metallischem Material und der Kolbenmantel (11;21) mittels einer hitzeisolierenden Barriere voneinander getrennt sind und der Kolbenmantel eine äußere Oberfläche aus Kunststoffmaterial aufweist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial aus einem Polyether-Etherketon oder einem Polyetherketon oder einer Kunststoffmischung aus einem aromatischen Polyetherketon und einem Polyarylensulfid oder einer Polyparahydroxybenzoesäure oder einem silikonmodifizierten Polyester oder einem Polyetherimid oder einem Polyimid besteht.

D .

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß das Kunststoffmaterial mit Glas- oder Metall- oder organischen oder Metalloxid-Pasern oder -Drähten verstärkt ist.

k. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenmantel ein metallisches Stützelement (lla) aufweist, das auf einer äußeren Oberfläche ein die Kunststoffoberfläche des Kolbenmantels bildendes Kunststoff element (Hb) trägt.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffelement (lib) als im wesentlichen zylindrische, sich um die äußere Oberfläche des metallischen Stützelementes erstreckende Manschette ausgebildet ist.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben ein angelenkter Kolben mit einem getrennt von dem Kolbenmantel (11) ausgebildeten Kolbenkopf (10) ist und der Kolbenkopf und der Kolbenmantel korrespondierende Kolbenbolzenbohrungen (11,16) zum gegenseitigen Verbinden mittels eines Kolbenbolzens (15) aufweisen, und daß ein Luftspalt zwischem dem Kolbenkopf und dem Kolbenmantel eine hitzeisolierende Barriere bildet.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzeisolierende Barriere eine abgedichtete im Kolbenkopf (20) vorgesehene Kammer (28) aufweist.

8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (28) ein Vakuum enthält.

9. Kolben nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenkopf (20) eine mit dem Rest des Kolbenkopfes an dessen Peripherie verbundene aber von dem Rest des Kolbenkopfes innerhalb der Peripherie unter Ausbildung der Kammer (28) beabstandete Kopfplatte (22) aufweist.

10. Kolben nach einem der Ansprüche 7 bJc 9, gekennzeichnet durch eine weitere hitzeisolierende Barriere (26) in Form einer sich über die an die Kammer angrenzende Oberfläche des Kolbenkopfes erstreckenden Schicht aus hitzeisolierendem Material.

11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzeisolierende Material (26) ein im Kolbenkopf (20) enthaltenes poröses Metall-Material aufweist.