DE448268C

DE448268C - Pistons for heat engines

Info

Publication number: DE448268C
Application number: DEF59111D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1924-07-02
Filing date: 1925-06-13
Publication date: 1927-08-15

Description

DEUTSCHES REICHGERMAN EMPIRE

AUSGEGEBEN AM 15. AUGUST 1927ISSUED ON AUGUST 15, 1927

REICHSPATENTAMTREICH PATENT OFFICE

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

KLASSE 47 f GRUPPECLASS 47 f GROUP

Raymond de Fleury in Paris und Jacques Floquet in Levallois-Perret, Seine, Frankr.Raymond de Fleury in Paris and Jacques Floquet in Levallois-Perret, Seine, France.

Kolben für Wärmekraftmaschinen. Patentiert im Deutschen Reiche vom 13. Juni 1925 ab.Pistons for heat engines. Patented in the German Empire on June 13, 1925.

Die Erfindung betrifft einen Motorkolben für Wärmekraftmaschinen. Die Erfindung besteht darin, daß die den Innenboden des Kolbens bildenden, in an sich bekannter Weise aneinanderstoßenden Kegel einen so stumpfen Spitzenwinkel haben, daß ein gleichmäßiger Abfluß der Wärme nach der Zylinderwandung erfolgt.The invention relates to an engine piston for heat engines. The invention consists in that the forming the inner bottom of the piston, in a manner known per se butting cones have such an obtuse apex angle that a more uniform The heat is drained after the cylinder wall.

Zwecks gleichmäßiger Temperatur der Kolbenoberfläche ist die Kolbenbodenstärke in der Mitte des Kolbens entsprechend der Strahlung an den einzelnen Punkten vergrößert und am Rand des Kolbens verringert. Abb. ι bringt die geometrische Entwicklung für das Profil des Kolbenbodens.The piston crown thickness is necessary for the purpose of a uniform temperature of the piston surface in the center of the bulb enlarged according to the radiation at the individual points and reduced at the edge of the piston. Fig. Ι shows the geometric development for the profile of the piston crown.

Abb. 2 vereinigt zwei aus Abb. 1 entwickelte konstruktive Ausführungsformen, die durch eine gemeinsame Mittellinie -voneinander getrennt sind.Fig. 2 combines two structural embodiments developed from Fig. 1, which are separated from each other by a common center line.

Abb. 3 bis 6 bringen weitere Ausführungsformen. Fig. 3 to 6 show further embodiments.

Das wichtigste Kennzeichen des Kolbens ist, daß er besonders starke Querschnitte besitzt, die eine gute Abführung der vom Kolbenboden aufgenommenen Wärme ermögliehen. Die Querschnitte verändern sich inThe most important characteristic of the piston is that it has particularly large cross-sections, which allow good dissipation of the heat absorbed by the piston crown. The cross-sections change in

Funktion der aufgenommenen Wärmemenge, d. h. in Funktion der Oberfläche des Kolbenbodens. Schlägt man um die Mitte ο (Achse X-Y des Kolbens) des Kolbenbodens konzentrische Kreise mit den Radien p, r und R, so stellen die in einer Zeit dt aufgenommenen. WäTmemengein eine Funktion der durch iene Kreise gegebenen Ringflächen dar. Ihre Beziehung, in einer Gleichung ausgedrückt, lautet:Function of the amount of heat absorbed, ie as a function of the surface of the piston crown. If you strike concentric circles with the radii p, r and R around the center ο (axis XY of the piston) of the piston crown, then represent the recorded in a time dt . Thermal elements are a function of the areas of the ring given by circles. Their relationship, expressed in an equation, is:

SjSj

(R^z—r²\(R ^z -r ² \

= η — = m: = η - = m:

\r^z — ρ²! \ r ^z - ρ ² !

Die mittleren Kolbenbodenstärken e^x-e stehen also auch unter sich selbst in einer gewissen Beziehung. Da andererseits in theoretischen Mittelpunkten ο von· einer Absorption nicht die Rede sein kann (theoretisch würde das eine Kolbenbodenstärke gleich Null bedeuten), muß die Erzeugende O, N der kegeligen Kolbenbodenunterseite einedurch den Punkt O gehende Gerade sein. Die Berechnung zeigt, daß eine gute Kühlung vorliegt, sobald der Winkel an der Spitze dieser kegeligen Fläche den Wert 135⁰ besitzt. Eine Verkleinerung ihres Winkels würde eine Erhöhung der Kühlung bedeuten. Die Grundfläche jenes Kegels hängt davon ab, wie der Punkt α auf der Erzeugenden O, N bestimmt wird. Der Punkt α soll von der Kolbenbodenaußenfläche und von der Kolbenseitenwand in gleichen Abständen liegen. Demnach bestimmt sich seine Lage durch den Schnittpunkt der Geraden O, η und der Winkelhalbierenden des rechten Winkels 0, x, n. Mit der Bestimmung der Lage des Punktes α ist zugleich die Wandstärke e³ bestimmt.The mean piston crown thicknesses e ^x -e therefore also have a certain relationship among themselves. On the other hand, since in theoretical centers ο there is no question of absorption (theoretically this would mean a piston crown thickness equal to zero), the generating line O, N of the conical piston crown underside must be a straight line passing through point O. The calculation shows that there is good cooling as soon as the angle at the tip of this conical surface has the value 135 ⁰ . A decrease in its angle would mean an increase in cooling. The base of that cone depends on how the point α on the generating line O, N is determined. Point α should be at the same distance from the outer surface of the piston crown and from the piston side wall. Accordingly, its position is determined by the intersection of the straight lines O, η and the bisector of the right angle 0, x, n. With the determination of the position of the point α , the wall thickness e ^{3 is} determined at the same time.

Die Verbindung jener kegeligen Fläche mit der inneren Kolbenseitenwand geschieht, indem man auf x-o, ausgehend von x, eine Strecke x-m = x-n aufträgt und durch den Punkt m die Gerade m α -zieht, welche die innere Kolbenwand von der Stärke e² in einem Punkte b schneidet. Mit der Geraden oder Erzeugenden α b entsteht ebenfalls eine kegelige Fläche. Die Berechnung der Winkel ergibt, daß der Winkel an der Spitze dieses Kegels 45° beträgt, wenn der Winkel an der Spitze des anderen Kegels 13S⁰ ist. Die Kolbenbodeninnenwand ist also von zwei kegeligen, sich schneidenden bzw. durchdringenden Flächen begrenzt, Wobei die Spitze des Kegels genau in der Mitte der Kolbenbodenaußenwand liegt. Die Spitzenwinkel beider Kegel ergänzen sich zu i8o° (135⁰ + 45° == i8o°). Für eine noch intensivere Kühlung werden die Spitzenwinkel mit 120⁰ und 6o° gewählt (120⁰ + 60° = i8o°). Mit diesen Verhältnissen ist die größte Warmeleitfähigkeit bei höchster Leichtigkeit gegeben. In praxi und auch aus Gründen der Festigi keit kann man den Kolben allerdings nicht ganz nach den theoretisch ermittelten Umrißlinien bauen. So kann man dem Kolben u. a. in der Mitte des Kolbenbodens keine Wandstärke gleich Null geben und kommt deshalb auf die in der linken Hälfte der Abb. 2 dargestellte Ausführung. Die strichpunktierten Linien deuten an, daß die Außenfläche des Kolbens mit Bezug zum Profil der Innenseite auch überhöht werden kann, wobei das Profil der Innenseite dasselbe bleiben kann, wenn man größere Wandstärken und folglich größeren Widerstand oder größere Festigkeit erzielen will. Ein ganz ähnliches Profil kann auch dadurch erhalten werden, daß man zu den Geraden oder Erzeugenden Oa — ab die Umhüllungskurve zieht. Hierzu vergleiche die rechte Hälfte der Abb. 2.The connection of that conical surface with the inner piston side wall is done by plotting a distance xm = xn on xo, starting from x, and drawing the straight line m α through the point m , which the inner piston wall of thickness e ² at one point b cuts. The straight line or generating line α b also creates a conical surface. The calculation of the angles reveals that the angle at the apex of this cone is 45 ° if the angle at the apex of the other cone 13S is ⁰ . The inner wall of the piston crown is thus delimited by two conical, intersecting or penetrating surfaces, with the tip of the cone lying exactly in the center of the outer wall of the piston crown. The point angles of both cones add up to i8o ° (135 ⁰ + 45 ° == i8o °). For an even more intensive cooling, the tip angle of 120 ° ⁰ and 6o are selected (120 ⁰ + 60 ° = i8o °). With these ratios, the greatest thermal conductivity is given with the greatest lightness. In practice and for reasons of strength, however, the piston cannot be built entirely according to the theoretically determined outlines. For example, the piston cannot be given a wall thickness equal to zero in the center of the piston crown, and so the design shown in the left half of Fig. 2 is the result. The dash-dotted lines indicate that the outer surface of the piston can also be raised in relation to the profile of the inside, the profile of the inside can remain the same if one wants to achieve greater wall thicknesses and consequently greater resistance or greater strength. A very similar profile can also be obtained by drawing the envelope curve to the straight lines or generators Oa - ab. Compare the right half of Fig. 2.

Ist die Außenseite des Kolbenbodens ge- 8& wölbt, so kann schließlich das Profil _t der Innenseite derart umgestaltet werden, daß die mit Hilfe der Kegel für flachen Kolbenboden ermittelten Kolbenbodenstärken auch für den gewölbten Boden gewahrt bleiben.If the outside of the piston head is arched, the profile _{t of} the inside can finally be redesigned in such a way that the piston head thicknesses determined with the aid of the cones for flat piston heads are also maintained for the arched head.

Nach vorstehenden Angaben erhält man Kolben, die tatsächlich keiner Formveränderung unterliegen, obgleich das zu ihrer Herstellung verwendete Material (Leichtmetall) von hoher Wärmeleitfähigkeit ist, z. B. eine Aluminiumlegierung oder eine Aluminiumsilizium- oder Aluminiummagnesiumlegierung ist. Zu dieser hohen Leitfähigkeit kommt hinzu, daß die Kolben besonders starke Querschnitte besitzen und daß dadurch die Kühlung hauptsächlich durch Leitfähigkeit, nicht aber einzig und allein und wie es bei den jetzt gebräuchlichen Leichtmetallkolben der Fall ist, durch Strahlung oder Konvektion bewirkt ist. Der neue Kolben ist also ein Diatermalleichtmetallkolben, 'der aber auf Grund seiner großen Querschnitte im Vergleich zu den bekannten Aluminiumkolben verhältnismäßig schwer ist.According to the information given above, pistons are obtained which actually do not change their shape subject, although the material used for their production (light metal) is of high thermal conductivity, e.g. B. an aluminum alloy or an aluminum silicon or aluminum magnesium alloy. In addition to this high conductivity, the pistons have particularly large cross-sections own and that thereby the cooling mainly by conductivity, not but only and as it is with the light metal pistons in use now Case is caused by radiation or convection. So the new piston is a Diatermal light metal piston, but due to its large cross-sections in comparison is relatively heavy compared to the known aluminum pistons.

Die bezeichnete Kühlung verlangt für jeden konzentrischen Kreis des Kolbenbodens Wärmedurchgangsquerschnitte, die den Ab-Äorptionsflächen, d. h. den in Betracht kommenden konzentrischen Kreisflächen, gleich sind. Eine solche Bedingung" verlangt in no •erster Hinsicht für jeden Kreis eine dem Radius des betreffenden Kreises proportionale Kolbenbodenstärke, wobei jeweils beachtet werden muß, daß der von der Wärme durchlaufene Weg für Kolben stärkerer Bohrung wesentlich grSßer.ist. Es ist deshalb üblich, ganz am Umfange des Kolbenbodens eine Höhe h für eine der Kühlung kleinerer Kolben gleichwertige Kühlung vorzusehen. Natürlich ist die Höhe h für die erste Arr Kolben verhältnismäßig größer als für die zweite Art Kolben. Ebenso fällt die Höhe h The designated cooling requires, for each concentric circle of the piston head, heat passage cross-sections which are the same as the absorption areas, ie the concentric circular areas in question. Such a condition "requires for each circle a piston crown thickness proportional to the radius of the circle in question, whereby it must be taken into account that the path traversed by the heat is much greater for pistons with a larger bore. It is therefore common, quite Provide a height h on the circumference of the piston crown for cooling equivalent to the cooling of smaller pistons. Of course, the height h for the first piston type is relatively greater than for the second type of piston. The height h also falls

Claims

with the same effect and with the same piston size, it is much smaller if an even more conductive metal should be used to manufacture the piston instead of a less conductive material. It can be seen that the paths to be traversed by the heat, based on the cross-sectional unit in question for the absorbed heat, are, under such circumstances, much longer for the central parts of the piston crown than for the parts of the crown located on the circumference, and that from this a mean one Compensation temperature results, which is significantly higher in the center of the piston crown than on the circumference of the piston crown. Since during the operation of an engine the local temperature of a more heated point, especially with a larger piston, gives rise to malfunctions and the service life of the machine or piston is shortened, the invention aims to prevent this and increase operational reliability at the same time by attempting to lower the local temperature in the center of the piston crown and progressively with the imaginary concentric circles in that the absorbed heat, e.g. B. the absorbed heat for the concentric circle with the radius X, a passage cross section is made available which, based on the unit of heat absorption surfaces, in which. Dimensions become larger as the respective circle in question moves away from the surrounding area with the height α. The means by which this result can be achieved consist in the fact that the piston crown for a given height /; wall thicknesses are given for heat dissipation, the sizes of which can be determined for each point by the following equation (Fig. 5): Yn- IYn ^ Ä_ Xn- T-Xn "r 'This refers to the surface element of the conical or concave piston crown inner surface, especially for the In the event that the bottom has a completely flat surface on the outside. The advantage of such a profile is that the piston not only shows a lowest mean temperature, but also has the lowest local temperatures for a minimum of the material used. | In no way excludes the use of a conical surface with a convexly curved generatrix. With such conical surfaces, the point in the center of the piston head is appropriately blunted (Fig. 6). Not excluded are pistons with a uniform elevation, otherwise but has the same characteristics for the inside (dotted line in Fig. 6). It is also not excluded that the To connect the inner walls of the piston with the inner walls of the piston crown by free lines in such a way that simply rounded or truncated corners or hyperbolically curved, inward or outward corners are formed, through which at the same time certain cross-sections beyond the bottom for heat dissipation and more efficient distribution of heat to the side walls of the Pistons arise. In other words, a larger section of the piston running surface is used for intensive cooling. On the other hand, at least in the case that it is a piston with a flat bottom, the latter is characterized by the convex curvature of the surrounding surfaces, similar to a conical surface, as well as by the lines at the point where the two generators of the inside of the piston crown touch each other . The same law of change in the wall thickness of the piston crown applies to pistons with a domed crown. Of course, the enlargement of the wall thickness caused by the arched bottom would have to be taken into account accordingly. The various embodiments specifically require the manufacture of light metal, which at least allows large heat-conducting cross-sections to be constructed with a lower weight. PaTKnt claims:

1. Pistons for heat engines, characterized in that the Inner bottom of the piston forming, in an icn As is known, butting cones have such an obtuse apex angle that a uniform discharge the heat after the Zyjinderwandung takes place.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that for the purpose of more uniform The temperature of the piston surface, the thickness of the piston crown in the center of the piston is proportional to the radiation is increased in every point and decreased at the edge of the piston.

1 sheet of drawings.