DE3609752A1

DE3609752A1 - Thermisch isolierter kolben

Info

Publication number: DE3609752A1
Application number: DE19863609752
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Zernig
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1986-03-22
Filing date: 1986-03-22
Publication date: 1987-10-01
Also published as: DE3609752C2; GB8706659D0; GB2188123A; FR2596104B1; GB2188123B; FR2596104A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP-A 01 29 266 ist ein Kolben mit einer topf förmigen Brennraummulde bekannt, wobei die Brennraum muldenseitenwände thermisch isoliert sind. Durch diese Ausbildung werden eine thermische Isolierung und dem zufolge hohe Wandtemperaturen im Bereich der auftreffenden Kraftstoffstrahlen erreicht. Eine derartige Ausbildung bringt zwar im Hinblick auf den Kühlaufwand des Kolbens Vorteile, aber die thermische Isolierung der Brennraum seitenwände hat sich verbrennungsmäßig als nachteilig er wiesen. Untersuchungen an derartig isolierten Kolben haben ergeben, daß extrem heiße Brennraumwände einen ungünstigen Einfluß auf Verbrauch und Abgasqualität ausüben.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kolben mit einer topf förmigen Brennraummulde derart thermisch zu isolieren, daß der Kühlaufwand des Kolbens herabgesetzt wird, aber gleichzeitig die Verbrennung bezüglich Brennstoffverbrauch und Abgasqualität nicht nachteilig beeinflußt werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß die thermische Isolierung ausschließlich auf dem Kolbenboden und auf dem Brennraum boden aufgebracht ist, wird die Verlustleistung der Brenn kraftmaschine, bezogen auf die Bauteilkühlung, herabgesetzt. Gleichzeitig werden aber bei der derartig ausgebildeten Brennkraftmaschine keine Nachteile bezüglich eines höheren Brennstoffverbrauchs oder schlechterer bzw. höherer Abgasemissionen bewirkt. Dies liegt daran, daß die Zonen der Brennraummulde in dem Kolben, auf die der in die Brennraummulde eingespritzte Kraftstoff auftrifft, ther misch nicht isoliert sind und demzufolge die auftretende Wärme in die kühleren Zonen des Kolbens gut abgeleitet wird. Es hat sich gezeigt, daß die Temperaturen eines er findungsgemäß thermisch isolierten Kolbens im Bereich der Brennraumseitenwände auf ein Niveau unterhalb eines ther misch nicht isolierten Kolbens abgesenkt wird. Somit er geben sich neben einem geringeren Kühlaufwandes auch noch Vorteile bezüglich des Brennstoffsverbrauchs und der Schadstoffemissionen.

Nach Anspruch 2 wird die thermische Isolierung in Form einer keramischen Spritzschicht auf die zu isolierenden Bereiche des Kolbens aufgebracht. Für eine derartige ther mische lsolierung ist eine Spritzschicht auf der chemischen Basis von ZrO₂ gut geeignet. Eine derartige Spritzisolierung ist zudem verarbeitungsmäßig einfach zu handhaben, da die nicht zu isolierenden Bereiche des Kolbens während des Spritzvorgangs mit einfachen Mitteln abgedeckt werden können und somit die thermische Iso lierung ohne aufwendige Nachbearbeitung erreichbar ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung wird die thermische Isolierung von Brennraumboden und Kolbenboden durch massive Keramikplatten erreicht. Dabei kann die Keramikplatte auf dem Brennraumboden in einfacher Weise befestigt werden, indem sie in einer der Dicke der Keramikplatte entsprechenden Ausnehmung in dem Brennraum boden eingespannt wird. Dabei ist die Vorspannung, mit der die Keramikplatte eingespannt ist, so bemessen, daß die Keramikplatte auch bei den höchst zulässigen Betriebs temperaturen und den durch unterschiedliche Aus dehnungskoeffizienten des Kolben und Keramikwerkstoffes eintretenden Ausdehnungen sicher gehalten ist. Alternativ oder zusätzlich zu der durch Vorspannung bewirkten Be festigung der Keramikplatte kann die Ausnehmung in dem Brennraumboden sich zum Kolbenboden hin verjüngen, so daß eine entsprechend angepaßte Keramikplatte auch form schlüssig auf dem Brennraumboden gehalten wird.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die thermische Isolierung von Kolbenboden und Brennraumboden von einem metallischen Isolierungswerkstoff bewirkt. Eine derartige Ausführung hat den Vorteil, daß Ausdehnungs koeffizienten von dem metallischen Kolbenwerkstoff und dem metallischen Isolierungswerkstoff enger zusammenliegen und somit die durch unterschiedliche Wärmeausdehnung hervor gerufenen Befestigungsprobleme vereinfacht werden.

Bei einer Ausbildung der thermischen Isolierung nach An spruch 3 und 4 ist es zur weiteren Verringerung des über tragenden Wärmeflusses zwischen keramischer oder metallischer Isolierplatte vorteilhaft, zwischen der keramischen oder metallischen Isolierplatte und den je weils abgedeckten Kolbenbereichen in Teilbereichen einen Luftspalt vorzusehen. Dabei ragen eine genügende Zahl von Stützstegen, die an den Kolben oder an die Isolierplatte angeformt sind, durch den Luftspalt und stützen sich auf dem jeweils gegenüberliegenden Teil, also der Isolier platte oder dem Kolben ab. Durch diese Stützstege wird er reicht, daß die Isolierplatte vor Beschädigungen, ins besondere Bruchbeschädigungen, die durch die bei der Ver brennung entstehenden hohen Drücke hervorgerufen werden, vermieden werden.

Nach einer Weiterbildung gemäß Anspruch 6 wird für die thermische lsolierung von Kolbenboden und Brennraumboden eine unterschiedliche Isolierung nach den Ansprüchen 2, 3, 4 oder 5 verwendet. Als besonders vorteilhaft hat sich folgende Kombination herausgestellt. Der Kolbenboden wird mit einer ZrO₂-Spritzschicht isoliert, während der Brennraumboden mittels einer in einer entsprechenden Aus nehmung im Brennraumboden eingespannten ATI-Platte iso liert ist. Vorteilhaft ist auch die Isolierung von Kolben boden bzw. Brennraumboden mit einer metallischen lsolier platte, die zumindest auf der von den Verbrennungsgasen beaufschlagten Seite mit einer keramischen Spritzschicht versehen ist.

Die zuvor beschriebene thermische Isolierung ist bei allen Kolben mit topfartigen Brennräumen sinnvoll anwendbar, be sonders gute Ergebnisse hinsichtlich Verringerung des Kühlaufwands und Absenkung der Bauteiltemperaturen vom Kolben und Rohr bei gleichzeitiger Brennstoffverbrauchs minderung und Abgasemissionsverbesserung werden bei direkt einspritzenden, nach dem Drallverfahren arbeitenden selbstzündenden Brennkraftmaschinen erzielt. Dadurch, daß durch die thermische Isolation von Kolbenboden und Brenn raumboden die Brennraummuldenkante nicht so stark wie bei einer nicht isolierten Version erhitzt wird, wird die Rißanfälligkeit dieses Bereiches zudem deutlich verringert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Die einzige Figur zeigt einen Mittelschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben quer zu der Kolbenbolzenachse.

Der Kolben 1 ist ausgelegt für eine direkt einspritzende, nach dem Drallverfahren arbeitende, selbstzündende Brenn kraftmaschine. Der Kolben 1 wird üblicherweise an einem Pleuel mittels eines in das Bolzenauge 2 eingsetzten und mit dem Pleuelauge zusammenwirkenden Bolzen befestigt. In Ringnuten 4 und 5 werden Verdichtungsringe eingelegt, während in die Ringnut 3 ein Ölabstreifring eingesetzt ist. Gefertigt ist der Kolben 1 vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung.

In den Kolbenboden 6 ist ein zentraler, zu der Mittellinie des Kolbens 1 symmetrisch angeordneter topfförmiger Brenn raum 7 eingearbeitet. Der Brennraumboden 8 ist leicht kon kav geölbt und geht mit einem weichen Übergangsradius 9 in die Brennraumseitenwand 10 über. Dabei nimmt der Durch messer des Brennraums 7 ausgehend von dem Durchmesser, der an der Übergangsstelle von Übergangsradius 9 zur Brenn raumseitenwand 10 festgelegt ist, bis hin zu dem kolben bodenseitigen Ende der Brennraumseitenwand 10 kontinuier lich ab. Der Übergang 11 ist von der Brennraumseitenwand 10 zu dem Kolbenboden 6 scharfkantig ausgebildet. Der Kolbenboden 6 ist thermisch isoliert, wobei die thermische Isolierung in Form einer keramischen Spritzschicht 12 her gestellt ist. In dem Ausführungsbeispiel besteht die keramische Spritzschicht 12 aus ZrO₂. In den Brennraumboden 8 ist eine im wesent lichen kreisrunde Ausnehmung 13 eingelassen. In dieser Ausnehmung 13 ist eine thermische Isolierplatte einge spannt, wobei in dem Ausführungsbeispiel dies eine Keramikplatte 14 ist. Gehalten wird die Keramikplatte 14 in der Ausnehmung 13 sowohl form- als auch kraftschlüssig.

Claims

1. Kolben (1) mit einem in den Kolbenboden (6) topf förmig eingelassenen Brennraum (7) für eine selbstzündende Brennkraftmaschine, wobei der Kolben (1) zylinderkopf seitig teilweise thermisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung aus schließlich auf dem Kolbenboden (6) und auf dem Brenn raumboden (8) aufgebracht ist.

2. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung aus einer keramischen Spritzschicht (12) besteht.

3. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung aus einer Keramikplatte (14) besteht.

4. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolierung aus einer metallischen Platte besteht.

5. Kolben (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kolbenwerkstoff und lsolierplatte in Teilabschnitten ein Luftspalt einge schlossen ist.

6. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die thermische Isolierung von Kolbenboden (6) und Brennraumboden (8) eine Kom bination der thermischen lsolierung nach Anspruch 2 bis 5 verwendet wird.