DE3440565A1 - Isolierter kolben - Google Patents

Isolierter kolben

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DE3440565A1
DE3440565A1 DE19843440565 DE3440565A DE3440565A1 DE 3440565 A1 DE3440565 A1 DE 3440565A1 DE 19843440565 DE19843440565 DE 19843440565 DE 3440565 A DE3440565 A DE 3440565A DE 3440565 A1 DE3440565 A1 DE 3440565A1
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DE19843440565
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Rudolf Dr. 6800 Mannheim Wieser
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WIESER DR RUDOLF
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WIESER DR RUDOLF
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    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
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    • F02F3/10Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12Pistons  having surface coverings on piston heads
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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Description

  • Isolierter Kolben-
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen isolierten Kolben für schnellaufende Fahrzeug-Dieselmotoren.
  • Es wurde bereits in der Patentanmeldung P 31 10 292 ein Kolben für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen, bei dem an der zylinderkopfseitigen Stirnwand desselben eine dickwandige Isolierscheibe in einen sie peripher umgebenden ringförmigen Kragen aus hochfestem Stahl oder aus einer hochfesten Aluminiumumlegierung eingepreßt ist. Dieser metallische Kragen ist als separater ringförmiger oder schalenförmiger Bauteil ausgebildet und mit dem kurbelseitigen Zylinderschaft des Kolbens mittels zweier Dehnschrauben oder Dehnbolzen verbunden.
  • Diese in der Anmeldung P 31 10 292 vorgeschlagene Kolbenkonstruktion erfordert einen größeren Fertigungsaufwand und ist besonders geeignet für (ortsfeste) Dieselmotoren mit sehr hohen Verbrennungsdrücken (von max. ca. 150 bar).
  • Für Dieselmotoren mit niedrigeren Verbrennungsdrücken - Fahrzeug-Dieselmotoren besitzen maximale Verbrennungsdrücke von ca.
  • 80 bar - ist eine Kolbenausführung erwünscht, die sich mit geringerem Fertigungsaufwand herstellen läßt.
  • Um dieser Forderung zu entsprechen, wird ein isolierter Kolben vorgeschlagen, der aus einem metallischen, innen teilweise oder zur Gänze ausgehöhlten Zylinderschaft mit zwei Bohrungen für die Lagerung des Kolbenbolzens und aus einer dickwandigen Isolierscheibe besteht, und der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Zylinderschaft in seiner zylinderkopfseitigen Hälfte stirnseitig eine konische, nach außen sich erweiternde Bohrung bzw. Ausnehmung aufweist und die dickwandige Isolierscheibe in diese konische Bohrung bzw. Ausnehmung eingepreßt oder eingegossen ist.
  • Ein Vorteil dieser konstruktiven Lösung besteht darin, daß der Kolben aus nur zwei Hauptbestandteilen besteht und daß dadurch sein Fertigungsaufwand reduziert wird.
  • Durch den Fortfall der beiden Dehnschrauben bzw. Dehnbolzen entfällt auch das Problem, diese Verbindungselemente so zu sichern, daß sie sich während des Motorbetriebes nicht lockern bzw.
  • lösen.
  • Bei der ersten Ausführungsvariante des neuen Kolbens mit mechanisch bearbeiteter konischer Bohrung im Zylinderschaft wird die dickwandige Isolierscheibe beim Zusammenbau dosiert in diese eingepreßt.
  • Bei der zweiten Ausführungsvariante des neuen Kolbens mit eingegossener dickwandiger Isolierscheibe erfolgt dieses Eingießen in der Weise, daß die Isolierscheibe nur im Bereich der konischen Verbindungsfläche vom Zylinderschaft umfaßt und gestützt wird.
  • Dadurch wird bei beiden neuen Kolbenausführungen während des Motorbetriebes bei jedem Kompressionshub und bei jedem Arbeitshub die dickwandige Isolierscheibe durch den Gasdruck in die konische Bohrung bzw. Ausnehmung des Zylinderschaftes hineingepreßt. Auf diese Weise wird auch nach einer sehr langen Betriebszeit die Gefahr der Lockerung der dickwandigen Isolierscheibe ausgeschlossen.
  • (Bei einem Kolben mit herkömmlich eingegossener Isolierscheibe besteht die Gefahr, daß nach einigen Tausend oder Zehntausend Betriebsstunden ein Bruch der Isolierscheibe auftritt).
  • Auch bei einer dritten Ausführungsvariante des neuen Kolbens, bei der die dickwandige Isolierscheibe in ihrem konischen Bereich von einem hochfesten metallischen Vorspannring umgeben ist und letzterer in den Zylinderschaft eingegossen oder eingepreßt ist, werden die dickwandige Isolierscheibe und der metallische Vorspannring während des Motorbetriebes bei den Kompressions- und Arbeitshüben von den Gasdrücken in die konische Ausnehmung bzw. konische Bohrung des Zylinderschaftes hineingepreßt.
  • Auch dadurch ist die Gefahr der Lockerung von Isolierscheibe und Vorspannring vermieden.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsmäßigen Ausführung des Kolbens gegenüber einem Kolben mit herkömmlich eingegossener Isolierscheibe besteht darin, daß bei ersterer die gesamte Stirnfläche isoliert ist. Bei den erfindungsmäßigen Ausführungen des Kolbens ist die dickwandige Isolierscheibe nur in ihrem peripheren Bereich in der konischen Bohrung bzw. Ausnehmung gelagert, während ihre kurbelseitige Stirnfläche nicht gestützt ist. Dadurch ergeben sich hinsichtlich der Stützkräfte eindeutige und überschaubare Verhältnisse.
  • Auch wird bei der ersten Ausführungsvariante des Kolbens die dickwandige Isolierscheibe durch das dosierte Einpressen in die konische Bohrung des Zylinderschaftes in einen Vorspannungszustand gesetzt, der durch das ausschließliche Auftreten von Druckspannungen gekennzeichnet ist. (Auch bei der zweiten Ausführungsvariante mit eingegossener dickwandiger Isolierplatte wird letztere durch das erstarrende Metall des Zylinderschaftes in einen Vorspannungszustand mit Druckspannungen gesetzt. Nur ist eine genauere Dosierung dieser Vorspannung nicht möglich). Da die Materialien der dickwandigen Isolierplatte alle hohe zulässige Druckfestigkeiten - aber meist nur geringere zulässige Zugfestigkeiten - aufweisen, wird dadurch die Bruchgefahr für die Isolierscheibe eliminiert.
  • Um den Vorspannungszustand der dickwandigen Isolierplatte ausreichend groß machen zu können, beträgt die Tiefe der konischen Bohrung bzw. Ausnehmung des Zylinderschaftes wenigstens ein Fünftel der Länge L des Zylinderschaftes und der mittlere Durchmesser Dm der konischen Bohrung bzw. Ausnehmung höchstens drei Viertel des Kolbendurchmessers D.
  • Zur Einsparung an Kolbengewicht - und um dadurch während des Motorbetriebes die Massenkräfte gering zu halten - ist der mittlere Durchmesser der konischen Bohrung bzw. Ausnehmung kleiner als der kurbelseitige (mittlere) lichte Durchmesser D1 des Zylinderschaftes.
  • Um die Verbindung zwischen der dickwandigen Isolierscheibe und den sie umgebenden Teil des Zylinderschaftes zu verbessern (d.h. die Flächenpressung zu vergleichmäßigen) kann - bei der ersten Ausführungsvariante - die Sitz flache der konischen Bohrung des Zylinderschaftes mehrere flache, ringförmige Rillen aufweisen. (Beim Einpressen der dickwandigen Isolierscheibe treten an den vorstehenden Teilen der Sitzfläche dann geringe plastische Verformungen auf).
  • Bei der ersten Ausführungsvariante mit eingepreßter dickwandiger Isolierscheibe ist in der zylinderkopfseitigen ringförmigen Stirnfläche des Zylinderschaftes eine kreisförmige Rille zur Aufnahme eines Dichtringes angeordnet. Als letzterer wird zweckmäßig ein metallischer Hohlring gewählt, der keine übermäßig hohen Verformungskräfte erfordert.
  • Besteht der Zylinderschaft z.B. aus einer Aluminiumlegierung mit nur mittleren Festigkeitswerten, so kann zur Erhöhung seiner Festigkeit in seine zylinderkopfseitige Hälfte auch ein hochfester Stützring (aus Stahl) eingegossen sein, der'die konische Bohrung bzw. Ausnehmung umfaßt.
  • Bei der ersten Ausführungsvariante des Kolbens mit eingepreßter dickwandiger Isolierscheibe kann der Kolben auch eine Zwischenwand aufweisen, die auf die Kolbenlängsachse normal steht und sich zwischen der dickwandigen Isolierscheibe und den beiden Bohrungen des Kolbenbolzens befindet. Diese Zwischenwand ist mit dem rohrförmigen peripheren Teil des Zylinderschaftes zusammengegossen. Durch die Zwischenwand wird die Formstabilität des Zylinderschaftes erhöht und während des Betriebes der Wärmeverlust über den Kolben weiter verringert.
  • Die dickwandige Isolierscheibe besteht in an sich bekannter Weise aus Quarzglas oder hochfester Keramik oder Sinterstoffen (Sintermetallen) und ist als drucktragende Stirnwand des Kolbens ausgebildet. In der Isolierscheibe ist ein Brennraum beliebiger Gestalt ausgespart.
  • Um die Bruchgefahr für die dickwandige Isolierscheibe weiter zu verringern, kann deren zylinderkopfseitiger peripherer Bordring an seiner Außenfläche einen metallischen Spannring tragen, der vorzugsweise aus hochfestem Invarstahl besteht.
  • Um bei der ersten Ausführungsvariante des Kolbens mit eingepreßter dickwandiger Isolierscheibe die Flächenpressung zu vergleichmäßigen, ist zwischen der Isolierscheibe und der konischen Bohrung des Zylinderschaftes ein Weichmetallreifen angeordnet, der sich mit seiner Außenfläche an der Sitzfläche der konischen Bohrung abstützt.
  • Die in der zylinderkopfseitigen Hälfte des Zylinderschaftes angeordneten Kolbenringe umschließen die konische Bohrung bzw.
  • Ausnehmung desselben. Dadurch wird ein unerwünscht großer Abstand zwischen den Kolbenringen und der Kolbenstirnfläche vermieden.
  • Auch bei der zweiten Ausführungsvariante des neuen Kolbens mit eingegossener dickwandiger Isolierscheibe ist die kurbelseitige Stirnfläche der letzteren von Umgebungsluft beaufschlagt.
  • Im Gegensatz zu den Kolben mit herkömmlich eingegossener Isolierscheibe ist bei der neuen Lösung die dickwandige Isolierscheibe nur in ihrem konischen Bereich abgestützt und wird dadurch bei den Kompressions- und Arbeitshüben des Motors durch die Gasdrücke ebenfalls in die konische Ausnehmung des Zylinderschaftes eingepreßt.
  • Hierzu ist es auch notwendig, daß zwischen dem peripheren Bordring der eingegossenen dickwandigen Isolierscheibe und der zylinderkopfseitigen ringförmigen Stirnfläche des Zylinderschaftes ein ringförmiger Luftspalt ausgespart ist.
  • In einer dritten Ausführungsvariante des neuen Kolbens ist die Isolierscheibe in ihrem konischen Bereich von einem ebenfalls konischen hochfesten metallischen Vorspannring umgeben, der in die zylinderkopfseitige konische Ausnehmung des Zylinderschaftes eingegossen ist. Dadurch ist auch bei dieser Gußkonstruktion eine besonders hohe Sicherheit gegen einen Bruch der dickwandigen Isolierscheibe erreichbar.
  • Die Isolierscheibe, die in ihrem konischen Bereich von einem ebenfalls konischen, hochfesten, metallischen Vorspannring umgeben ist, kann auch in die mechanisch bearbeitete stirnseitige Bohrung des Zylinderschaftes (dosiert) eingepreßt sein.
  • Die Stärke S der dickwandigen Isolierscheibe beträgt bei al- ' len Ausführungsvarianten des neuen Kolbens in an sich bekannter Weise wenigstens das 0,35fache des Kolbendurchmessers D. (Die tatsächliche Stärke S der dickwandigen Isolierscheibe beträgt etwa das 0,6fache des Kolbendurchmessers D). Auch dadurch ist eine große Sicherheit gegen den Bruch der Isolierscheibe gegeben. Überdies ist dadurch die Integration von tiefen Verbrennungsräumen in die Isolierscheibe ausführbar. (Tiefe - vorzugsweise kugelähnliche -Brennräume haben eine besonders große Isolierwirkung).
  • In den Zeichnungen sind drei Formen der ersten Ausführungsvariante mit eingepreßter dickwandiger Isolierscheibe und eine zweite Ausführungsvariante mit eingegossener dickwandiger Isolierscheibe sowie eine dritte Ausführungsvariante mit eingegossenem metallischen Vorspannring der dickwandigen Isolierscheibe beispielhaft dargestellt.
  • Es zeigt: Figur 1 in einem Längsschnitt einen Kolben mit in den Zylinderschaft eingepreßter dickwandiger Isolierscheibe als erste Form der ersten Ausführungsvariante.
  • Figur 2 einen Längsschnitt des zum Kolben von Figur 1 gehörenden Zylinderschaftes.
  • Figur 3 in einem Längsschnitt einen Kolben mit in den Zylinderschaft eingepreßter dickwandiger Isolierscheibe und Zwischenwand als zweiter Form der ersten Ausführungsvariante.
  • Figur 4 in einem Längsschnitt einen Kolben mit in den Zylinderschaft eingegossener dickwandiger Isolierscheibe als zweite Ausführungsvariante.
  • Figur 5 in einem Längsschnitt einen Kolben, bei der die dickwandige Isolierscheibe in ihrem konischen Bereich von einem hochfesten metallischen Vorspannring umfaßt und dieser in den Zylinderschaft eingegossen ist, als dritte Ausführungsvariante.
  • Figur 6 in einem Längsschnitt einen Kolben für sehr hohe Verbrennungsdrücke (max. 150 bar), mit zweiteiligem Zylinderschaft, als dritter Form der ersten Ausführungsvariante Bei der in Figur 1 dargestellten ersten Form der ersten Ausführungsvariante des Kolbens weist die aus Quarzglas bestehende dickwandige Isolierscheibe 1 stirnseitig einen muldenförmigen Brennraum 2 sowie einen peripheren Bordring l auf.
  • Der Zylinderschaft 3 besitzt in seiner zylinderkopfseitigen Hälfte stirnseitig eine konische, nach außen sich erweiternde Bohrung 4, mit mechanisch bearbeiteter Sitzfläche, in welche die Isolierscheibe 1 mit ihrem konischen Bereich dosiert eingepreßt ist. (Letzteres erfolgt vorteilhaft auf hydraulischem Wege).
  • Die dickwandige Isolierscheibe 1 ist in an sich bekannter Weise als drucktragende Stirnwand des Kolbens ausgebildet. Sie wird während des Motorbetriebes bei jedem Kompressions- und Arbeitshub durch die Gasdrücke in die konische Bohrung 4 des Zylinderschaftes 3 gepreßt. Die Stärke S der dickwandigen Isolierschicht 1 beträgt wenigstens das 0,35fache (hier das O,6fache) des Kolbendurchmessers D.
  • Zwischen dem peripheren Bordring lx der dickwandigen Isolierscheibe 1 und der ringförmigen Stirnfläche 5 des Zylinderschaftes 3 ist in einer kreisförmigen Rille 6 ein Dichtring 7 (hohler Metalldichtring) angeordnet.
  • In der zylinderkopfseitigen Hälfte des Zylinderschaftes 3 sind drei Kolbenringe 8 angeordnet, die die konische Bohrung 4 desselben umschließen.
  • Im mittleren Bereich des Zylinderschaftes sind zwei Bohrungen 9 für die Lagerung des Kolbenbolzens vorgesehen.
  • Am unteren Ende des Zylinderschaftes 3 befindet sich ein ölabstreifring 8.
  • In Figur 2 ist der in Figur 1 gezeichnete Zylinderschaft 3 separat im Längsschnitt dargestellt.
  • Die Tiefe T der konischen Bohrung 4 des Zylinderschaftes 3 beträgt mehr als ein Fünftel der Länge L des Zylinderschaftes 3.
  • Dadurch wird eine ausreichend feste Verbindung zwischen dickwandiger Isolierscheibe 1 und Zylinderschaft 3 gewährleistet.
  • Der mittlere Durchmesser Dm der konischen Bohrung 4 des Zylinderschaftes 3 ist kleiner als drei Viertel des Kolbendurchmessers D. Dadurch wird in der zylinderkopfseitigen Hälfte des Zylinderschaftes 3 eine ausreichende Festigkeit desselben erreicht. Auch ist.dadurch die Anbringung der oberen Kolbenringe 8 und der kreisförmigen, stirnseitigen Rille 6 möglich.
  • In der Sitzfläche der konischen Bohrung 4 des Zylinderschaftes 3 sind flache, ringförmige Rillen 10 eingearbeitet. An den überstehenden Bereichen zwischen den Rillen 10 treten beim dosierten Einpressen der dickwandigen Isolierscheibe 1 plastische Verformungen auf, die eine Vergleichmäßigung der Flächenpressung bewirken.
  • Um an Kolbengewicht zu sparen - und dadurch während des Motorbetriebes auch die Massenkräfte zu verringern - ist der mittlere Durchmesser Dm der konischen Bohrung 4 kleiner als der (mittlere) kurbelseitige lichte Durchmesser Dl des Zylinderschaftes 3.
  • Bei der in Figur 3 dargestellten zweiten Form der ersten Ausführungsvariante des Kolbens weist die dickwandige Isolierscheibe 1' einen in sie integrierten kugelähnlichen Brennraum 2' auf. Dieser ermöglicht während des Motorbetriebes eine besonders wirksame Abminderung des Wärmeentzuges aus der Flamme.
  • Der Zylinderschaft 3' weist in seiner zylinderkopfseitigen Hälfte stirnseitig wieder eine konische, nach außen sich erweiternde Bohrung 4 mit mechanisch bearbeiteter Sitzfläche auf.
  • In diese ist wieder die dickwandige Isolierscheibe 1' dosiert eingepreßt. Zur Vergleichmäßigung der Flächenpressung ist dabei zwischen der Isolierscheibe 1' und dem zylinderkopfseitigen Bereich des Zylinderschaftes 3' ein konischer Weichmetallreifen 11 (aus Weicheisen oder Weichkupfer) angeordnet, der sich mit seiner Außenfläche an der Sitzfläche der konischen Bohrung 4 abstützt.
  • Um die Tragfähigkeit des Zylinderschaftes 3' zu vergrößern, ist in dessen zylinderkopfseitigen Hälfte ein hochfester metallischer Stützring 12 eingegossen, der die konische Bohrung 4 umfaßt. (Diese Lösung ist besonders vorteilhaft, wenn der Zylinderschaft 3' aus einer Aluminiumlegierung und der Stützring 12 aus hochfestem Stahl besteht).
  • Zur weiteren Erhöhung der Tragfähigkeit des Zylinderschaftes 3' weist dieser eine Zwischenwand 13 auf, die auf die Kolbenlängsachse normal steht und sich zwischen der dickwandigen Isolierscheibe 1' und den beiden Bohrungen 9 des Kolbenbolzens befindet. Diese Zwischenwand 13 ist mit dem rohrförmigen peripheren Teil des Zylinderschaftes 3' zusammengegossen.
  • Um die Festigkeit der dickwandigen Isolierscheibe 1' zu erhöhen, trägt deren zylinderkopfseitiger peripherer Bordring lx an seiner Außenfläche einen gesonderten metallischen Spannring 14. Dieser ist auf der konischen Außenfläche des peripheren Bordringes lx aufgepreßt und besteht - um den Einfluß unterschiedlicher Temperaturen auszuschalten - aus hochfestem Invarstahl.
  • Bei der in Figur 4 dargestellten zweiten Ausführungsvariante des Kolbens ist die dickwandige Isolierscheibe 1 in den Zylinderschaft 1 eingegossen, die dazu stirnseitig eine konische Ausnehmung 4' besitzt.
  • Durch das Eingießen der dickwandigen Isolierscheibe 1 in den Zylinderschaft 3 erfährt erstere beim Erstarren des Metalls ebenfalls eine Druckvorspannung in radialer Richtung.
  • Das Eingießen der dickwandigen Isolierscheibe 1 erfolgt dabei vorteilhaft in der Weise, daß die kurbelseitige Stirnfläche der Isolierscheibe 1' von Umgebungsluft beaufschlagt und daß zwischen dem peripheren Bordring lx der dickwandigen Isolierscheibe 1 und der zylinderkopfseitigen ringförmigen Stirnfläche 5 des Zylinderschaftes 3 ein ringförmiger Luftspalt 15 ausgespart ist. (Die Stärke a des Luftspaltes 15 beträgt 0,5 bis 1 mm).
  • Durch diese besondere Art des Eingießens wird auch bei dieser Ausführungsvariante des Kolbens während des Motorbetriebes die dickwandige Isolierscheibe 1 bei den Kompressions- und Arbeitstakten durch die Gasdrücke in die Sitzfläche der konischen Ausnehmung 4' eingepreßt und damit die Gefahr der Lockerung bzw.
  • die Bruchgefahr für die Isolierscheibe 1 vermindert.
  • Bei der in Figur 5 dargestellten dritten Ausführungsvariante des Kolbens ist die dickwandige Isoloerscheibe 1' mit ihren konischen Bereich in einen ebenfalls konischen, hochfesten, metallischen - vorzugsweise stählernen - Vorspannring 16 eingepreßt. Dieser Vorspannring 16 ist wiederum stirnseitig in den Zylinderschaft 3 eingegossen. (Gegebenenfalls kann die Isolierscheibe 1 mit Vorspannring 16 auch in die konische Bohrung 4 des Zylinderschaftes 3 eingepreßt sein. Dabei ist die Vorspannung zwischen Isolierscheibe 3 und Vorspannring 16 wesentlich größer als zwischen dem Vorspannring 16 und dem zylinderkopfseitigen Bereich des Zylinderschaftes 3).
  • Bei der in Figur 6 dargestellten Ausführungsvariante des Kolbens handelt es sich um einen solchen für sehr hohe Verbrennungsdrücke (max. 150 bar).
  • Hier besteht der Zylinderschaft aus einem zylinderkopfseitigen, die Kolbenringe 8 tragenden, hochfesten Stützring 12' und einem kurbelseitigen Gleitzylinder 3X, wobei der hochfeste Stützring 12' in den Gleitzylinder 3x eingegossen - alternativ eingeschraubt - ist.
  • Der hochfeste Stützring 12' - aus Spezialstahl oder Spezialaluminium - weist stirnseitig ebenfalls eine konische, nach außen sich erweiternde Bohrung 4 auf. In diese ist wieder die dickwandige Isolierscheibe 1' - über einen Weichmetallreifen 11 - eingepreßt.
  • Der hochfeste Stützring 12' weist in seinem kurbelseitigem Bereich periphere Rillen 17 oder ein Gewinde 17' auf.
  • Ist der hochfeste Stützring 12' in den Gleitzylinder 3x eingeschraubt, so trägt der Gleitzylinder 3x in seinem zylinderkopfseitigen Bereich ebenfalls eine Gewinde 17', das als Innengewinde ausgebildet ist.
  • Um ein Lösen der Teile 3x und 12' zu vermeiden, ist im Bereich von deren axialen Überdeckung - d.h. im Bereich des Gewindes 17' - ein radialer Sicherungsstift 18 angeordnet.
  • Der in Figur 6 dargestellte Kolben eignet sich -da er sehr hohe Verbrennungsdrücke erträgt - auch für den Einsatz in ortsfeste Dieselmotoren.
  • Die Positionen in Figur 2, Figur 3, Figur 4, Figur 5 und Figur 6 stimmen mit den Positionen in Figur 1 dann überein, wenn die Positionsnummern dieselben sind.
  • Bei schnellaufenden Fahrzeug-Dieselmotoren läßt sich durch Kolben mit hochwertiger Isolierwirkung aus folgendem Grunde eine besonders große Ersparnis an Treibstoff erzielen (geschätzte Treibstoffeinsparung ca. 10 %): Bei diesen schnellaufenden Fahrzeug-Dieselmotoren steht für die Verbrennung des eingespritzten Treibstoffes nur eine sehr kurze Zeitspanne zur Verfügung. Daher setzt sich bei herkömmlichen Motoren mit nichtisolierten Kolben die Verbrennung bis in den Expansionshub fort, wodurch Abgastemperaturen bis 800° C auftreten (Abgase mit solch hohen Temperaturen ergeben einen besonders großen Abgasverlust).
  • Bei schnellaufenden Fahrzeug-Dieselmotoren mit isolierten Kolben hingegen sind zufolge der hohen Wandtemperaturen der Isolierscheibe (diese betragen etwa 600 OC, während bei Leichtmetallkolben deren maximale Temperatur nur ca. 260 OC erreicht) die Zünd- und Verbrennungsverhältnisse für den eingespritzten Treibstoff wesentlich verbessert. Es wird ein beschleunigter Verbrennungsablauf erreicht. Dadurch wird - bei gleicher Treibstoffeinspritzmenge - eine Steigerung des mittleren effektiven Arbeitsdruckes erzielt und so die Treibstoffausnutzung verbessert.
  • Besonders vorteilhaft ist dabei noch eine weitgehende Integration des Brennraumes in die dickwandige Isolierscheibe, wie dies bei den in Figur 3/und Figur 6 gezeichneten Kolben der Fall ist. Figur 5 Isolierte Kolben ermöglichen auch die bessere chemische Umsetzung bei der Verbrennung des Treibstoffes, was u.a. zu einer Reduktion der CO- und CH-Gehalte der Motorabgase führt.
  • Auch die Verbrennung von schlechteren Treibstoffen (z.B.
  • von Schweröl) wird durch den Einsatz isolierter Kolben verbessert.
  • - Leerseite -

Claims (21)

  1. Patentansprüche 1. Isolierter Kolben für Verbrennungsmotor, bestehend aus einem metallischen, innen teilweise oder zur Gänze ausgehöhlten Zylinderschaft mit zwei Bohrungen für die Lagerung des Kolbenbolzens, und aus einer dickwandigen Isolierscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderschaft (3, 3') in seiner zylinderkopfseitigen Hälfte stirnseitig eine konische, nach außen sich erweiternde Bohrung (4) bzw. Ausnehmung (4') aufweist und die dickwandige Isolierscheibe (1, 1') in diese konische Bohrung (4) bzw. Ausnehmung (4') - entweder direkt oder über einen Weichmetallreifen (11) bzw. metallischen Vorspannring (16) - eingepreßt oder eingegossen ist.
  2. 2. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (T) der konischen Bohrung (4) bzw. Ausnehmung (4') wenigstens ein Fünftel der Länge (L) des Zylinderschaftes (3, 3') beträgt.
  3. 3. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Durchmesser (Dm) der konischen Bohrung (4) bzw. konischen Ausnehmung (4') des Zylinderschaftes (3, 3') höchstens drei Viertel des Kolbendurchmessers (D) beträgt.
  4. 4. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Durchmesser (Dm) der konischen Bohrung (4) bzw. Ausnehmung (4') kleiner ist als der kurbelseitige (mittlere) lichte Durchmesser (D1) des Zylinderschaftes (3, 3').
  5. 5. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, mit eingepreßter dickwandigen Isolierscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitze fläche der konischen Bohrung (4) des Zylinderschaftes (3, 3') mehrere ringförmige Rillen (10) aufweist.
  6. 6. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, mit eingepreßter Isolierscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß an der zylinderkopfseitigen ringförmigen Stirnfläche (5) des Zylinderschaftes (3, 3') eine kreisförmige Rille (6) zur Aufnahme eines Dichtringes (7) angeordnet ist.
  7. 7. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zylinderkopfseitigen Hälfte des Zylinderschaftes (3, 3') ein hochfester metallischer - vorzugsweise stählerner - Stützring (12) eingegossen ist, der die konische Bohrung (4) bzw. Ausnehmung (4') umfaßt.
  8. 8. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, mit eingepreßter Isolierscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderschaft (3') eine Zwischenwand (13) aufweist, die auf die Kolbenlängsachse normal oder ungefähr normal steht und sich zwischen der dickwandigen Isolierscheibe (1, 1') und den beiden Bohrungen (9) des Kolbenbolzens befindet und die mit dem rohrförmigen peripheren Teil des Zylinderschaftes (3') zusammengegossen ist.
  9. 9. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dickwandige Isolierscheibe (1, 1') in an sich bekannter Weise aus Quarzglas oder hochfester Keramik oder Sinterstoffen (Sintermetallen) besteht und daß sie als drucktragende Stirnwand des Kolbens ausgebildet und in ihr ein Brennraum (2, 2') beliebiger Gestalt ausgespart ist.
  10. 10. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylinderkopfseitige periphere Bordring (1 X) der dickwandigen Isolierscheibe (1, 1') an seiner Außenfläche wenigstens einen gesonderten metallischen Spannring (14) trägt, der vorzugsweise aus hochfestem Invarstahl besteht.
  11. 11. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, mit eingepreßter Isolierscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der dickwandigen Isolierscheibe (1, 1') und dem zylinderkopfseitigen Bereich des Zylinderschaftes (3, 3') ein Weichmetallreifen (11) angeordnet ist, der sich mit seiner Außenfläche an der Sitzfläche der konischen Bohrung (4) abstützt.
  12. 12. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der zylinderkopfseitigen Hälfte des Zylinderschaftes (3, 3') angeordneten Kolbenringe (8) die konische Bohrung (4) bzw. Ausnehmung (4') desselben umschließen.
  13. 13. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, mit eingegossener dickwandiger Isolierscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß die kurbelseitige Stirnfläche der dickwandigen Isolierscheibe (1, 1') in an sich bekannter Weise von Umgebungsluft beaufschlagt ist.
  14. 14. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, mit eingegossener dickwandiger Isolierscheibe, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem peripheren Bordring (1 X) der dickwandigen Isolierscheibe (1, 1') und der zylinderkopfseitigen ringförmigen Stirnfläche (5) des Zylinderschaftes (3) ein ringförmiger Luftspalt (15) ausgespart ist.
  15. 15. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dickwandige Isolierscheibe (1, 1') in ihrem konischen Bereich von einem ebenfalls konischen hochfesten metallischen Vorspannring (16) umgeben ist und dieser Vorspannring (16) in die zylinderkopfseitige konische Ausnehmung (4') des Zylinderschaftes (3) eingegossen oder in die zylinderkopfseitige konische Bohrung (4) des Zylinderschaftes (3, 3') eingepreßt ist.
  16. 16. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke (S) der dickwandigen Isolierscheibe (1, 1') in an sich bekannter Weise wenigstens das 0,35fache des Kolbendurchmessers (D) beträgt.
  17. 17. Isolierter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderschaft (3")aus einem zylinderkopfseitigen, die Kolbenringe (8) tragenden, hochfesten Stützring (12') und einem kurbelseitigen Gleitzylinder (3X) besteht, wobei der hochfeste Stützring (12') in den Gleitzylinder eingegossen oder eingeschraubt ist.
  18. 18. Isolierter Kolben nach Anspruch 1 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß der hochfeste Stütaring (12) in an sich bekannter Weise stirnseitig eine konische, nach außen sich erweiternde Bohrung (4) aufweist und die dickwandige Isolierscheide (1, 1') in die konische Bohrung (4) - entweder direkt oder über einen Weichmetallreifen (11) - eingepreßt ist.
  19. 19. Isolierter Kolben nach Anspruch 1 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß der hochfeste Stützring (12') in seinem kurbelseitigem Bereich periphere Rillen (17) oder ein Gewinde (17') trägt.
  20. 20. Isolierter Kolben nach Anspruch 1 und 17, bei dem der hochfeste Stützring in den Gleitzylinder eingeschraubt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitzylinder (3X) in seinem zylinderkopfseitigen Bereich ein Gewinde (17') trägt, das vorzugsweise als Innengewinde ausgebildet ist.
  21. 21. Isolierter Kolben nach Anspruch 1 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (1 # ) und der Gleitzylinder ( im Bereich ihrer axialen Überlappung wenigstens einen radialen Sicherungsstift (18) tragen.
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