DE3827008A1 - Kolben mit keramischem einsatz, der den den hohlraum begrenzenden kolbenkopfabschnitt bedeckt - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich allgemein mit Brennkraftmaschi­ nen und insbesondere mit einem Kolben der Bauart, der einen Keramikeinsatz hat, der einen Kolbenkopfabschnitt bedeckt, der einen Hohlraum begrenzt, der als eine Brenn­ kammer bei einer Brennkraftmaschine dient.

Ein Kolben der vorstehend genannten Bauart ist bekannt und beispielsweise in Fig. 8 gezeigt. Der bekannte Kolben ent­ hält einen Keramikeinsatz (C), der in einen Kolbenkopf (A) eingebettet oder eingegossen ist, um vollständig einen Kol­ benkopfabschnitt zu bedecken, der einen Hohlraum begrenzt, d.h. vollständig den Umfangswandabschnitt (B) und den Bo­ denwandabschnitt (D) des Hohlraums zu bedecken.

Der Einsatz (C) ist in dem Kolbenkörper eingebettet oder eingegossen, indem der Keramikeinsatz an einem Kern ange­ bracht wird und in eine Gußform zusammen mit dem Kern so eingelegt wird, daß der Keramikeinsatz (C) in den Kolben­ körper gegossen wird, wenn die in die Form gegossene Me­ tallschmelze erstarrt.

Der übliche Kolben der vorstehend genannten Art hat einen Nachteil dahingehend, daß er bei der Herstellung des Kol­ bens Risse, Gasporen, eine Lücke (E) usw. leicht im gegos­ senen Kolbenkörperabschnitt in der Nähe eines Mittelvor­ sprungs (F) im Boden des Hohlraumes infolge des Schwunds des Metallgusses entstehen kann, so daß ein Belastungsun­ terschied zwischen dem Kolbenkörperabschnitt in der Nähe des Mittelvorsprungs (F) und dem restlichen Kolbenkörper­ teil bewirkt wird, wobei der Keramikeinsatz durch den Be­ lastungsunterschied bzw. den Spannungsunterschied zum Brechen neigt.

Nach der Erfindung wird ein weiterentwickelter Kolben be­ reitgestellt, der einen Gußkolbenkörper aufweist, der ei­ nen Kolbenkopf hat, der teilweise zur Bildung eines Hohl­ raumes ausgenommen ist und der einen Mittelvorsprung hat, der in den Hohlraum ragt, wobei ein ringförmiger Keramik­ gußeinsatz im Kolbenkörper derart vorgesehen ist, daß ein den Hohlraum begrenzender Kolbenkopfabschnitt, abgesehen vom Mittelvorsprung und dem benachbarten Kolbenkopfab­ schnitt bedeckt ist.

Gemäß einer Ausbildungsform nach der Erfindung ist ein Zwi­ schenraum zwischen dem Mittelvorsprung und dem benachbarten Kolbenkopfabschnitt und einem Rand des Keramikeinsatzes vorgesehen, durch den der Mittelvorsprung in den Keramikein­ satz ragt.

Diese Auslegung ist zweckmäßig zur Überwindung der vorste­ hend geschilderten Schwierigkeiten bei der üblichen Einrich­ tung.

Die Erfindung zielt darauf ab, einen verbesserten Kolben der vorstehend genannten Art bereitzustellen, bei dem ein Keramik­ einsatz in einen Kolbenkörper sicher und ohne Mängel gegossen werden kann.

Ferner bezweckt die Erfindung, einen verbesserten Kolben der vorstehend genannten Art bereitzustellen, bei dem der Bruch­ ausschuß und somit die Herstellungskosten gesenkt sind.

Ferner soll nach der Erfindung ein verbesserter Kolben der vorstehend genannten Art bereitgestellt werden, des­ sen Kolbengewicht vermindert werden kann.

Auch soll nach der Erfindung ein verbesserter Kolben der vorstehend genannten Art bereitgestellt werden, der für eine Hochleistungsbrennkraftmaschine geeignet ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevor­ zugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die bei­ gefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Kolbens,

der nach der Erfindung ausgelegt ist,

Fig. 2 bis 7 Schnittansichten des Kolbens von Fig. 1 zur Verdeutlichung von verschiedenen Aus­ bildungsformen nach der Erfindung, und

Fig. 8 eine den Fig. 2 bis 7 ähnliche Ansicht zur Verdeutlichung eines üblichen Kolbens.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 7 hat ein Kolben 1 in dem Kolbenkopf 2 eine Ausnehmung oder einen Hohlraum 3, der einen kreisförmigen Querschnitt hat und konze-trisch zum Kolben 1 an­ geordnet ist. Insbesondere weist der Kolbenkopf 2 einen ring­ förmigen, oberen Flächenabschnitt 2 a, einen kreisförmigen Bodenflächenabschnitt 2 b und einen zylindrischen oder Innen­ umfangswandabschnitt 2 c auf. Der Bodenflächenabschnitt 2 b hat einen Mittelquerschnitt, der nach oben unter Bildung eines Mittelvorsprungs 4 ragt. Der Bodenflächenabschnitt 2 b, abge­ sehen vom Mittelvorsprung 4 und dem benachbarten Kolbenkopf­ abschnitt und dem Umfangsflächenabschnitt 2 c ist durch eine Keramikschicht oder einen Keramikeinsatz 6 bedeckt, der aus einem Material besteht, das hauptsächlich aus Aluminiumti­ tanat usw. besteht. Der Keramikeinsatz 6 hat eine ringähn­ liche Form mit einer Bodenwand 6 a, die den Bodenflächenab­ schnitt 2 b des Kolbenkopfs 2 bedeckt, und eine Umfangswand 6 b, die den Umfangsflächenabschnitt 2 c des Kolbenkopfs 2 bedeckt. Die Bodenwand 6 a hat etwa im Mittelabschnitt eine Durchgangsöffnung 7, die ermöglicht, daß der Mittelvorsprung 4 in den Hohlraum 3 ragen kann, die als eine Brennkammer dient.

Bei der Herstellung wird der Keramikeinsatz 6 auf einen Kern (nicht gezeigt) gelegt und an Ort und Stelle zusammen mit dem Kern in einer Gußform (nicht gezeigt) zum Gießen des Kolbens 1 angeordnet. Nach dem Erstarren der in die Form eingegossenen Metallschmelze ist der Keramikeinsatz 6 in einen Kolbenkörper 5 aus einem Gießmetall eingebettet, d.h. er ist in den Kolbenkörper 5 eingegossen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausbildungsform, die im wesentli­ chen ähnlich der zuvor beschriebenen Ausbildungsform nach Fig. 2 abgesehen davon ist, daß der Rand 9 des Keramikein­ satzes 6, der die Durchgangsöffnung 7 begrenzt und mit dem Mittelvorsprung 4 und dem benachbarten Kolbenkopfabschnitt verbunden ist, an den oberen und unteren Enden abgerundet oder abgeschrägt ist, und daß der Keramikeinsatz 6 einen nach innen weisenden Flansch 6 c am oberen Ende der Umfangs­ wand 6 b hat.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildungsform, die im wesentli­ chen ähnlich der Ausbildungsform nach Fig. 1, abgesehen davon ist, daß die Durchgangsöffnung 7 im Durchmesser erweitert ist, so daß der Keramikeinsatz 6 den Umfangsflächenabschnitt 2 b des Kolbenkopfs 2 lediglich bedeckt, und daß der Keramik­ einsatz 6 einen nach innen weisenden Flansch 6 c am oberen Ende seiner Umfangswand 6 b hat.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausbildungsform, die im wesentli­ chen ähnlich der Ausbildungsform nach Fig. 2, abgesehen davon ist, daß der Keramikeinsatz 6 in den Kolbenkörper 5 derart gegossen ist, daß ein Zwischenraum 8 zwischen dem Mittelvorsprung 4 und dem benachbarten Kolbenkopfabschnitt vorgesehen ist, und der Rand des Keramikeinsatzes 6 die Durchgangsöffnung 7 begrenzt. Insbesondere haben der Mittel­ vorsprung 4 und der diesem benachbarte Kolbenkopfabschnitt einen zylindrischen Flächenabschnitt, der von dem zylin­ drischen Rand des Keramikeinsatzes durch das Vorsehen eines Zwischenraumes 8 dazwischen umgeben ist. Der Zwischenraum 8 beläuft sich beispielsweise auf 0,1 mm, wenn der Kolben 1 einen Außendurchmesser ( ) von 80 mm und der Keramikeinsatz 6 einen Außendurchmesser (m) von 50 mm, eine Dicke (t) von 4 mm hat und mit der Durchgangsöffnung 7 mit einem Durch­ messer (n) von 20 mm versehen ist. Bei dieser Ausbildungs­ form kann der vorstehend beschriebene Bruch des Keramikein­ satzes in sicherer Weise selbst dann verhindert werden, wenn der Keramikeinsatz 6 und der Mittelvorsprung 4 sowie der benachbarte Kolbenkopfabschnitt einer zyklischen Erwärmung und Abkühlung in wiederholter Weise ausgesetzt sind, da der Zwischenraum 8 die Kräfte reduzieren kann, die vom Mittel­ vorsprung 4 und dem benachbarten Kolbenkopfabschnitt auf den Keramikeinsatz 6 während der zyklischen Erwärmung und Abkühlung übertragen werden.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausbildungsform, die im wesentli­ chen ähnlich jener nach Fig. 5, abgesehen davon ist, daß die Durchgangsöffnung 7 konisch verläuft, d.h. der Rand des Keramikeinsatzes 6, der die Durchgangsöffnung 7 begrenzt, ist in sich verjüngender Weise ausgebildet, um einen Grund­ abschnitt des Mittelvorsprungs 4 zu umgeben. Der Grundab­ schnitt des Mittelvorsprungs 4 nimmt im Durchmesser derart zu, daß sich ein gekrümmter Umriß ergibt, so daß die äußere Fläche des Mittelvorsprunges 4 gleichförmig in den Bodenflä­ chenabschnitt 2 b des Kolbenkopfs übergehen kann. Diese Aus­ bildungsform ist derart bemessen, daß der Gußkolbenkörper 5 einen Außendurchmesser ( ) von 100 mm, der Keramikeinsatz 6 einen Außendurchmesser (m) von 60 mm und eine Dicke (t) von 5 mm und die sich verjüngende ausgebildete Durchgangsöffnung (7) einen minimalen Durchmesser (n) von 12 mm hat.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausbildungsform, die sich von der Ausbildungsform nach Fig. 6 dadurch unterscheidet, daß die Durchgangsöffnung 7 zylindrisch ist, d.h. von einem zylin­ drischen Rand des Keramikeinsatzes 6 begrenzt wird, so daß der gekrümmte Umrißgrundabschnitt des Mittelvorsprunges 4 umgeben wird und daß der Keramikeinsatz 6 einen nach innen weisenden Flansch 6 c am oberen Ende seiner Umfangswand 6 b hat.

Hierbei ist noch zu erwähnen, daß der Zwischenraum 8 vor­ zugsweise größer sein sollte als 0,2% x (n).

Ferner ist noch zu erwähnen, daß, wenn Risse in der Wand auf­ treten, die die Brennkammer begrenzt, d.h. im Keramikeinsatz und dem Mittelvorsprung des Gußkolbenkörpers, eine Anzahl von Gasporen oder ähnlichen kleinen Hohlräumen entsprechend in der Wand der Brennkammer auftreten, was dazu führt, daß der eingeleitete Brennstoff teilweise in die kleinen Hohl­ räume strömt, wodurch eine unvollständige Verbrennung ver­ ursacht wird und hierbei Rauch und Emissionen von HC, CO, usw. erzeugt werden.

Ferner ist noch zu erwähnen, daß das Vorsehen des nach innen weisenden Flansches am oberen Ende des Keramikeinsatzes bei den vorangehenden Ausbildungsformen nach den Fig. 4 und 7 dahingehend von Vorteil ist, daß man eine vollständige Verbrennung des eingeleiteten Brennstoffs erreicht und somit ein Rauch und die Emission von HC, CO, usw. verhin­ dert werden.

Claims (15)

1. Kolben, gekennzeichnet durch:
einen Gußkolbenkörper (1), der einen Kolbenkopf (2) hat, der teilweise unter Bildung eines Hohlraumes (3) ausgenommen ist, und der einen Mittelvorsprung (4) hat, der in den Hohlraum (3) ragt, und
einen ringförmigen Keramikeinsatz (6), der in den Kolbenkörper (1) derart eingegossen ist, daß ein den Hohl­ raum (3) begrenzender Kolbenkopfabschnitt, abgesehen vom Mittelvorsprung (4) und dem benachbarten Kolbenkopfab­ schnitt bedeckt ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikeinsatz (6) einen Rand (6 a) hat, der eine Öff­ nung (7) bildet, durch die der Mittelvorsprung (4) in den Keramikeinsatz (6) ragt, wobei der Rand (6 a) an den oberen und unteren Enden abgeschrägt ist.

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenkopf (1) einen oberen Flächenabschnitt (2 a), einen Bodenflächenabschnitt (2 b) und einen Umfangsflächen­ abschnitt (2 c) zwischen dem oberen Flächenabschnitt (2 a) und dem Bodenflächenabschnitt (2 b) aufweist, wobei der Boden­ flächenabschnitt (2 b) einen Mittelvorsprung (4) hat und der Keramikeinsatz (6) derart geformt ist, daß er nur den Umfangsflächenabschnitt (2 c) des Kolbenkopfs (2) bedeckt.

4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikeinsatz (6) im allgemeinen zylindrisch ausge­ staltet ist und am oberen Ende einen nach innen weisenden Flansch (6 c) hat.

5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikeinsatz (6) einen Rand (6 a) hat, der eine Öff­ nung (7) bildet, durch die der Mittelvorsprung (4) in den Keramikeinsatz (6) ragt, und daß die Öffnung (7) derart be­ messen ist, daß ein Zwischenraum (8) zwischen dem Rand (6 a) und dem Mittelvorsprung (4) sowie dem benachbarten Kolben­ kopfabschnitt vorhanden ist.

6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelvorsprung (4) und der benachbarte Kolbenkopfab­ schnitt einen zylindrischen Abschnitt hat, der von dem Rand (6 a) dadurch umgeben wird, daß dazwischen ein Zwischenraum (8) vorhanden ist, wobei der Rand (6 a) zylindrisch ausge­ bildet ist.

7. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelvorsprung (4) und der benachbarte Kolbenkopfab­ schnitt einen Basisabschnitt hat, deren Durchmesser derart größer wird, daß sich ein gekrümmter Umriß bildet, der vom Rand (6 a) umgeben ist, der konisch ausgebildet ist.

8. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelvorsprung (4) und der benachbarte Kolbenkopf­ abschnitt einen Basisabschnitt hat, der im Durchmesser derart größer wird, daß sich ein gekrümmter Umriß bildet, und daß der diesen umgebende Rand (6 a) zylindrisch aus­ gebildet ist.

9. Kolben, gekennzeichnet durch:
einen Gußkolbenkörper (1), der einen Kolbenkopf (2) hat, der teilweise unter Bildung eines Hohlraumes (3) aus­ genommen ist und einen oberen Flächenabschnitt (2 a), einen Bodenflächenabschnitt (2 b) und einen Umfangsflächenabschnitt (2 c) zwischen dem oberen Flächenabschnitt (2 a) und dem Bo­ denflächenabschnitt (2 b) aufweist,
wobei der Bodenflächenabschnitt (2 b) einen Mittelvor­ sprung (4) hat, der in den Hohlraum (3) ragt, und
einen ringförmigen Keramikeinsatz (6), der in den Kolbenkörper (1) gegossen ist und einen Umfangsrandabschnitt hat, der den Umfangsflächenabschnitt (2 c) des Kolbenkopfs (2) bedeckt,und einen Bodenwandabschnitt hat, der den Boden­ flächenabschnitt (2 b) des Kolbenkopfs (2), abgesehen von dem Mittelvorsprung (4) und dem benachbarten Kolbenkopfab­ schnitt bedeckt.

10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenwand des Keramikeinsatzes (6) einen Rand (6 a) hat, der eine Öffnung (7) begrenzt, durch die der Mittel­ vorsprung (4) in den Keramikeinsatz (6) ragt, wobei der Rand (6 a) des Keramikeinsatzes (6) an den oberen und unteren Enden abgeschrägt ist.

11. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenwand des Keramikeinsatzes (6) eine Wand (6 a) hat, der eine Öffnung (7) bildet, durch die der Mittelvorsprung (4) in den Keramikeinsatz (6) ragt, wobei der Mittelvorsprung (4) und der benachbarte Kolbenkopfabschnitt einen zylindri­ schen Abschnitt haben, der von dem Rand (6 a) derart umgeben ist, daß dazwischen ein vorbestimmter Zwischenraum (8) vor­ handen ist.

12. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenwand des Keramikeinsatzes (6) einen Rand (6 a) hat, der eine Öffnung (7) begrenzt, durch die der Mittelvor­ sprung (4) in den Keramikeinsatz (6) ragt, wobei der Mittel­ vorsprung (4) und der benachbarte Kolbenkopfabschnitt einen Grundabschnitt haben, der im Durchmesser derart größer wird, daß sich ein gekrümmter Umriß bildet, welcher von dem Rand (6 a) unter Einhaltung eines vorbestimmten Zwischenraums (8) umgeben ist, wobei der Rand (6 a) konisch ausgebildet ist.

13. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenwand des Keramikeinsatzes (6) einen Rand (6 a) hat, der eine Öffnung (7) begrenzt, durch die der Mittelvor­ sprung (4) in den Keramikeinsatz (6) ragt, wobei der Mittel­ vorsprung (4) und der benachbarte Kolbenkopfabschnitt einen Grundabschnitt haben, der im Durchmesser derart größer wird, daß sich ein gekrümmter Außenumriß bildet, der von dem Rand (6 a) unter Freilassung eines vorbestimmten Zwischen­ raumes (8) umgeben ist, wobei der Rand zylindrisch ausgebildet ist.

14. Kolben gekennzeichnet durch:
einen Gußkolbenkörper (1), der einen Kolbenkopf (2) hat, der teilweise unter Bildung eines Hohlraumes (3) ausge­ nommen ist und einen oberen Flächenabschnitt (2 a), einen Bo­ denflächenabschnitt (2 b) und einen Umfangsflächenabschnitt (2 c) zwischen dem oberen Flächenabschnitt (2 a) und dem Boden­ flächenabschnitt (2 b) aufweist,
wobei der Bodenflächenabschnitt (2 b) einen Mittelvor­ sprung (4) hat der in den Hohlraum (3) ragt, und
einen ringförmigen Keramikeinsatz (6), der in den Kolbenkörper (1) derart eingegossen ist, daß er nur den Umfangsabschnitt (2 c) des Kolbenkopfes (2) bedeckt.

15. Kolben nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikeinsatz (6) im wesentlichen zylindrisch ausge­ bildet ist und einen nach innen weisenden Flansch (6 c) an seinem oberen Ende hat.