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Viertaktmotor
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Die Erfindung betrifft einen Viertaktmotor gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.
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Viertaktmotoren der genannten Art sind hinlänglich bekannt und können
als weitgehend konstruktiv ausgereift bezeichnet werden. In der Regel bestehen zumindest
die Kolben derartiger Motoren aus Alu, das insbesondere thermisch jedoch nur in
Grenzen belastbar ist, d.h. bis etwa 4500 C, wobei die Festigkeit bei zunehmenden
Temperaturen nachlassen.
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Außerdem hat Alu einen relativ hohen Ausdehnungskoeffizienten, so
daß die Kolben in bezug auf die Zylinderlauffläche ein relativ großes Spiel haben
müssen. Die Tendenz geht heute in Rücksicht auf die mit derartigen Motoren gegebene
Umweltbelastung dahin, das Benzin-Luftgemisch abzumagern, was aber zu höheren Temperaturen
beim Betrieb des Motors führt. Der Betrieb mit bleifreiem Benzin verlangt außerdem
höhere Oktanzahlen. Bei schlagartigen Belastungen; wie sie durch den Verbrennungsvorgangin
derartigen Motoren permanent gegeben sind, klingt Alu sehr hell, was also zu einer
Geräuschbildung mit relativ hoher Frequenz führt.
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In Rücksicht auf das Dehnungsverhalten von Alu, wie vor' erwähnt,
führt das notwendig große Spiel zwischen Kolben und Zylinderwand, insbesondere beim
Kaltstart, unvermein=zar zu einem mehr oder weniger starken Durchblasen. Wollte
rran dabei höhere Temperaturen in Betracht ziehen, so müßte der
thermisch hoch belastete, sogenannte Feuersteg des Kolbens bezüglich
seines Durchmessers noch weiter zurückgenommen werden, was die Durchblastendenz
noch weiter erhöht.
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Da die Motoren heutiger Bauart sowohl hinsichtlich der Materialauswahl
als auch konstruktiv als gewissermaßen voll "ausgereift" zu bezeichnen sind, besteht
für diese Motoren praktisch keine Möglichkeit mehr, den heutigen Tendenzen hinsichtlich
Kraftstoffersparnis und Umweltbelastung am Motor selbst Rechnung zu tragen.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Viertaktmotor
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß diesen Tendenzen besser
Rechnung getragen werden kann, ohne dabei das bisherige Konstruktionsprinzip verlassen
zu müssen.
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Diese Aufgabe ist mit einem Viertaktmotor der eingangs genannten Art
nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angeführten Merkmale
gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich nach den Unteransprüchen.
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Wesentlich für diese Lösung ist also, daß auf die Verwendung von Alu
für die Ausbildung des Kolbens ganz verzichtet wird, sondern dafür ein anderes,
bisher überhaupt noch nicht in Betracht gezogenes Material zu verwenden, nämlich
Preß- oder Elektrographit, das im Vergleich zu Alu einen relativ
geringen Ausdehnungskoeffizienten hat und thermisch höher belastbar ist. Allerdings
ist hierfür nicht schlechthin jeder Preßgraphit geeignet, sondern eine Hartbrandkohle
oder Elektrographit mit bestimmter Biegefestigkeit, denn es hat sich gezeigt, daß
Preßgraphite bzw. Hartbrandkohle mit geringeren Biegefestigkeiten den in derartigen
Motoren auftretenden Belastungen nicht gewachsen sind und im Bereich des Kolbenbodens
reißen. Mit der Auswahl eines derartigen Materials allein ist es aber auch nicht
getan, sondern es ist auch erforderlich, den Kolbenboden mindestens verbrennungsrawnseitig
- abbrandfest vergütet auszubilden, was aber problemlos bewerkstelligt werden kann,
indem man die Beaufschlagungsfläche karbidisiert bzw. siliziert und erforderlichenfalls
auch die Kolbenbodeninnenfläche. Erst diese beiden Maßnahmen zusammen, d.h. Auswahl
eines Materials mit ausreichender Biegefestigkeit und Ab-bzw. Ausbrandfestigkeit
des Kolbens ermöglichen es, einen Kolben aus Preßgraphit der genannten speziellen
Art benutzen zu können.
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Unter dem Begriff "vergütet" sind im vorliegenden Fall zu verstehen
Karbidisieren, Silizieren, Nitrieren aber auch modifizierende Behandlungen von Graphit,
insbesondere in Richtung auf größere Härtevermittlung und zwar für den Kolbenboden,
die Zylinderlauffläche und die Kolbenringe.
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Ferner ist unter der Definition "mindestens dieZylinderlau
fläche"
aus dem gleichen oder ähnlichen MaterialVhveMzvuv stellen, zu verstehen, daß ggf.
auch den den Zylinder enthaltende Block aus diesem Material bilden zu können, welcher
Möglichkeit aber aus wirtschaftlichen Gründen der Preis dieses Materials entgegensteht
und dies sowieso nur für eine Luftkühlung in Betracht gezogen werden könnte, die
keine Hohlformen des Blockesverlangt. Grundsätzlich könnte also der Zylinder aus
dem gleichen Material gebildet werden, bevorzugt wird aber, und zwar in Rücksicht
auf die Kühlbarkeit in herkömmlicher Weise mittels WasserdinCAusbildung der lauffläche
im Zylinder aus siliziertem Kohlenstoff, Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder bspw.
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Invar-Stahl mit einer keramischen Spritzschicht und zwar in Form einer
in den Zylinder einsetzbaren laufbüchse. Unter diesen Materialien sind die erwähnten
"ähnlichen Materialien" zu verstehen, die in etwa den gleichen Ausdehnungskoeffizienten
wie das Kolbenmaterial haben. Sofern das gleiche Material wie das für den Kolben
benutzt wird, besteht auch die Möglichkeit, die Kolbenringe aus entsprechendem Material
entsprechend vergütet zu fertigen. Hierbei wäre aber zu berücksichtigen, daß die
Elastizität von Kolbenringen aus derartigem Material nicht ausreicht, um derartige
Kolbenringe in ihre Nuten am Kolben einbringen zu können. Sofern also Kolbenringe
aus dem gleichen Material benutzt werden, bedarf dies einer Sonderkonstruktion,
nämlich vorteilhafterweise dahingehend, daß ein solcher Kolbenring zweiteilig ausgebildet
wird, wobei an mindestens
einem Stoßstellenbereich der beiden Ringteile
ein. federndes Spreizelement aus dem gleichen Material angeordnet ist, was noch
näher erläutert wird. Obgleich grundsätzlich möglich, sind wegen des ungünstigen
Verschleißverhaltens Kolbenringe aus unvergütetem Graphit zu vermeiden, zumal es
ohne weiteres möglich ist, wie bisher Ferroguß zu verwenden, der allerdings mit
einer Keramikbeschichtung versehen werden muß oder Kolbenringe aus Vollkeramik oder
schließlich Kolbenringe aus Carbonfasern, die ohne weiteres einer Silizierung zugänglich
sind. Je nach Auswahl des Materials für die Kolbenlaufbüchse im Zylinder, hat man
es also in der Hand, die jeweils erforderlichen Kolbenringe hinsichtlich ihrer Elastizität
entweder konstruktiv in noch zu erläuternder Weise anzupassen oder dafür ausreichend
elastisches Material der genannten Art zu verwenden.
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Hinsichtlich der bevorzugt vorgesehenen Ausbildung der lauffläche
in Form einer in den Zylinderblock einzusetzenden Büchse, was ja grundsätzlich bekannt
ist, ergibt sich in bezug auf das Material des Zylinderblockes bei Luftkühlung das
Problem unterschiedlichen Wärmedehnungsverhaltens, d.h. das Zylinderblockmaterial
dehnt sich schneller und weiter aus als das Material der laufbüchse, was dazu führte,
daß die Laufbüchse im Block ihren festen Halt verlöre. Dieses Problem, das sich
durch die bevorzugte Anwendung einer in den Zylinderblock einzlsetzenden
Büchse
ergibt, ist dadurch bewältigbar, daß man konstruktiv für eine elastische Umfassung
der Büchse sorgt, was ebenfalls noch näher erläutert wird. Die mit dem wesentlichen
Punkt der erfindungsgemäßen Maßgabe, nämlich Verwendung einer Hartbrandkohle bestimmter
Biegefestigkeit verbundenen Randprobleme sind also ebenfalls sowohl hinsichtlich
der Kolbenringe als auch hinsichtlich der zu berücksichtigenden unterschiedlichen
Dehnungsverhalten beherrschbar, zumal bei Wasserkühlung keine gravierenden Dehnungsprobleme
auftreten, da hier das Material des Zylinderblockes eine ausreichende Kühlung erfährt
und bei Dehnung dem Kolben gewissermaßen nicht "davonlaufen" kann.
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Dies gilt auch für den Bereich der Lagerung des Kolbenbolzens, an
dem das Pleuel angelenkt werden muß. Da für den Kolbenbolzen wegen der zu berücksichtigenden
Belastung nicht ebenfalls Preßgraphit benutzt werden kann, sondern eine Stahlbüchse,
die einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als Hartbrandkohle hat, würde dies sehr
schnell zu einem Zersprengen des Kolbens aus Hartbrandkohle führen. Bei herkömmlichen
Kolben aus Alu ergibt sich dieses Problem nicht, weil Alu im Vergleich zu Stahl
einen größeren Ausdehnungskoeffizienten hat, wodurch sich automatisch ein ausreichendes
Spiel im Betriebszustand für den Kolbenbolzen ergibt, das aber grundsätzlich für
den Betriebszustand an sich nicht wünschenswert ist. Im vorliegenden Fall ist diesem
Problem in einfacher Weise dadurch zu begegnen, daß die Bohrungen am Kolben für
den Kolbenbolzen in bezug auf den
Außendurchmesser des Kolbenbolzens
mit einem Spiel derart bemessen werden, daß sich bei Betriebstemperatur ein minimales
Spiel ergibt. Hierbei liegen also in günstiger Weise die Verhältnisse gerade umgekehrt,
d.h., der Kolbenbolzen hat im warm gefahrenen Betriebszustand des Motors sein ideales,
d.h. geringes Lagerspiel.
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Die erfindungsgemäße Lösung führt also im Endergebnis zu einem thermisch
höher belastbaren Motor und damit zu der Möglichkeit, den Motor mit abgemagertem
Treibstoff/Luftgemisch fahren zu können. Außerdem kann, und dies ist ebenfalls wesentlich,
das Spiel zwischen Kolben und laufbüchse wesentlich geringer gehalten werden, was
dem sogenannten Durchblasen vorteilhaft entgegenwirkt. Da Preßgraphit bzw. Hartbrandkohle
bei schlagartiger Belastung wesentlich dumpfer klingt, also mit wesentlich niedrigeren
Frequenzen schwingt, ist auch die Geräuschbildung durch einen derartigen Kolben
wesentlich reduziert. Hinzu kommt noch, daß das erfindungsgemäß benutzte Kolbenmaterial
mikrostrukturell gesehen, saugfähig ist, also Ö1 aufnehmen und wieder abgeben kann,
und demgemäß dessen sowieso gegebenen Selbstschmiereigenschaften dadurch noch verbessert
werden und damit die Kaltlaufeigenschaften eines solchen Motors wesentlich verbessert
sind.
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Der erfindungsgemäße Motor wird nachfolgend anhand der zeichnerischen
Darstellung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigt schematisch Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Viertaktmotor
mit Wasserkühlung; Fig. 2 einen Zylinder mit Kolben für Luftkühlung; Fig. 3 in Draufsicht
eine besondere Ausführungsform des Kolbenringes und Fig. 4 eine besondere Ausführungsform
des Zylinders für Luftkühlung.
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Wie aus Fig. 1 erkennbar, besteht der Viertaktmotor aus einem Zylinderblock
9 mit einem oder mehreren mit Ventilen versehenen Zylindern 4, wobei in jedem Zylinder
ein mit mindestens einem Kolbenring 5 bestückter Kolben angeordnet ist, der, mit
dem Kurbeltrieb in Verbindung stehend, im Zylinder 4 auf und ab beweglich ist. Der
bzw. die Kolben 1 sind aus Preßgraphit in Form von Hartbrandkohle oder Elektrographit
mit einer im Bereich von mindestens 75 N/mm2 liegenden Biegefestigkeit ausgebildet.
Wesentlich ist dabei, daß der Boden 2 mindestens an der Beaufschlagungsfläche 2'
abbrandfest vergütet ausgebildet ist und zwar vergütet im Sinne wie einleitend vorerwähnt,
was bspw. in der Weise erfolgen kann, daß Siliziumpulver in dünner Schicht aufgebracht
und im Autoklaven aufsiliziert wird, wobei das Pulver mit dem Graphit eine homogene
Verbindung eingeht und die "Vergütungsschicht" sowohl einen Abbrandschutz darstellt
als auch zur Verfestigung des Gefüges der Beaufschlagungsfläche 2' beiträgt. Ferner
ist die Lauffläche 3 des Zylinders aus gleichem aber laufflächenvergütetem oder
einem ähnlichen Material gebildet, das etwa
das gleiche Wärmedehnungsverhalten
wie das Material des Kolbens hat. Zweckmäßig und vorteilhaft wird dabei die Lauffläche
in Form einer Büchse eingesetzt, wobei es aber grundsätzlich auch möglich ist, die
Wandung des Zylinders entsprechend zu vergüten. Der mindestens eine Kolbenring 5
jedes Kolbens 1 ist aus gleichem und/oder abbrandfest gebildetem Material gebildet,
wobei dem Kolbenring 5 hinsichtlich seiner Elastizität konstruktiv oder durch Wahl
ausreichend elastischen Materials die erforderliche Elastizität vermittelt wird.
Die hier angesprochene Elastizität bezieht sich darauf, den Kolbenring bei radialer
Verformung in axialer Richtung auf den Kolben aufziehen zu können und in die entsprechende
Nut einrasten zu lassen.
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Um einen derart ausgebildeten Motor störungsfrei arbeiten lassen zu
können, besteht ein weiteres Merkmal darin, daß die Bohrungen 12 am Kolben 1 für
den Kolbenbolzen 13 in bezug auf den Außendruchmesser des Kolbenbolzens 13 mit einem
Spiel derart bemessen sind, daß bei Betriebstemperatur ein minimales Spiel gegeben
ist. Im kalten Zustand hat also der Kolbenbolzen 13 gemäß Fig. 2 in bezug auf die
Bohrung 12 ein ausreichendes Spiel, das dann weitgehend bei Erwärmung durch entsprechende
Ausdehnung des stählernen Kolbenbolzens 13 ausgeglichen wird, so daß dann im Betriebszustand
ein minimales Spiel vorhanden ist.
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In Rücksicht auf die . Laufflächenvergütung können die Kolbenringe
5 aus keramikbeschichtetem Ferroguß, aus Keramik,
wie Zirkonoxid
od. dgl. oder aus vergütetem Karbonfasermaterial gebildet sein. Es ist aber auch
möglich, das gleiche Material wie für den Kolben zu benutzen und zwar in Rücksicht
auf den Verschleiß ebenfalls entsprechend vergütet, was jedoch eine spezielle Konstruktion
des Kolbenringes im Sinne der Fig. 3 erfordert, da Hartbrandkohle bzw.
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Elektrographit keine ausreichende Elastizität hat, um den Kolbenring
aus diesem Material in axialer Richtung, wie vorerwähnt, auf den Kolben aufbringen
zu können. Ein derartiger Kolbenring besteht gemäß Fig. 3 aus zwei Teilen 5', zwischen
denen an mindestens einem Stoßstellenbereich 6 ein federndes Spreizelement 7 aus
dem gleichen Material angeordnet ist. Die beteiligten Flanken der Teile 5' und des
Spreizelementes 7 sind, wie dargestellt, konisch zugerichtet und das Spreizelement
ist im Inneren mit einer kleinen Feder 7' gegen den Nutboden des Kolbens abgestützt.
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Diese drei Teile können also ohne weiteres und ohne den Kolbenring
insgesamt axial aufziehen zu müssen, von der Seite her in die betreffende Kolbenringnut
eingesetzt werden, wonach der mit diesem Ring bestückte Kolben in den Zylinder 4
eingeschoben wird. Da das Spreizelement unter dem Druck der kleinen Feder 7' steht,
legen sich die Teile 5' des Kolbenrings dicht an die Kolbenlauffläche 3 des Zylinders
4 an. Durch die Zwischenschaltung des Spreizelementes ist auch bei dieser Materialauswahl
die entsprechende Federungseigenschaft in bezug auf den ganzen Ring gegeben, die
das andere genannte Kolbenringmaterial von sich aus mitbringt. Die Anordnung einer
laufbüchse 8 im
Sinne der Fig. 2 innerhalb eines Zylinderblockes
aus anderem Material geschieht in herkömmlicher Weise, wobei hinsichtlich des anderen
Dehnungsverhaltens des Zylinderblockmaterials, sei es Stahl-oder Aluguß, kein Problem
darstellt, da durch das Kühlwasser dieses Material ausreichend gekühlt wird, sich
entsprechend gering ausdehnt und damit der eingesetzten Laufbüchse 8, die einerseits
ein geringeres Ausdehnungsvermögen hat, andererseits aber stärker temperaturbeaufschlagt
ist, nicht davonlaufen" kann. Die verschiedenen Konstruktionsmöglichkeiten für den
Einsatz und die Fixierung derartiger Laufbüchsen bedarf keiner besonderen Erläuterung,
da hierfür eine Unzahl von Konstruktionsmöglichkeiten bekannt ist, einschließlich
der Möglichkeiten von Abdichtungen bei sogenannten nassen Zylinderlaufbüchsen.
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Wie vorerwähnt, besteht grundsätzlich die Möglichkeit bei Luftkühlung
den betreffenden Zylinder 4 aus dem gleichen Material zu fertigen, aus dem auch
der Kolben gefertigt ist. Wegen des Preises dieses Materials wird jedoch auch hierbei
die Anordnung einer Laufbüchse 8 im vorerwähnten Sinne bevorzugt, wobei jedoch zu
berücksichtigen ist, daß hierbei das die Büchse haltende Material nicht mehr so
intensiv gekühlt werden kann, wie das bei einer Wasserkunlung der Fall ist. Aus
diesem Grunde erfolgt in diesem Falle der Einbau der laufbüchse 8 unter Ausbildung
einer eZastischen Umfassung 11 und zwar im Sinne der in Fig. 4 dargestellten
Ausführungsform.
Wie aus Fig. 4 erkennbar, ist zur Ausbildung der elastischen Umfassung 11 der Büchse
8 die Wand des Zylinders 4 mit einem Schlitz 14 und mit Ansätzen 15 versehen, die
mit einer der Ausdehnung der Büchse 8 entgegenwirkenden Bimetallklammer 16 zusammengehalten
sind. Vorteilhaft erfolgt dabei die Anordnung auf der abgasfernen Seite, da hier
dieser Bereich des Motors relativ kühler ist.