DE453812C - Kolben fuer Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

England.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für Brennkraftmaschinen, dessen Boden als massiver, die Wärme aufspeichernder Block ausgebildet ist und der mit einem im wesentlichen zylindrischen Kolbenringträger versehen ist.

Bei derartigen Kolben liegt die Betriebstemperatur so hoch, daß die Kolbenringe leicht überhitzt werden. Sie beziehen sich dann bekanntlich in der Regel mit einer Schicht von verkohltem Öl und kleben dadurch gleichsam in den Nuten, in denen sie liegen, fest, so daß sie sich nicht mehr frei ausdehnen und deshalb keine gute Dichtung ergeben können. Alsdann aber tritt infolge des Durchtretens der heißen Gase zwischen Kolben und Zylinderwand ein recht erheblicher Energieverlust ein. Dieses Durchblasen erhöht die Temperatur des Kolbens und des Zylinders, zerstört die Schmierschicht und verursacht größeren Verschleiß der inneren Zylinderfläche. Der Grund für diese Nachteile liegt unter anderem darin, daß die Kolbenringe nur unzureichend gekühlt werden.

Man hat nun bereits vorgeschlagen, bei derartigen Kolben zwischen dem den Kolbenboden bildenden massiven Block und dem Kolbenringträger in Gestalt eines an dem Boden befestigten Mantels einen Spielraum zur Ermöglichung der Ausdehnung des Kolbenbodens vorzusehen. Hierbei wird nun der Kolbenringträger mit Wasser gekühlt, während der Spielraum durch Ringe von guter Wärmeleitfähigkeit überbrückt wird, die dazu dienen, die Wärme vom mittleren Block zu dem Kolbenringträger überzuführen, von dem aus sie dann in die Kühlflüssigkeit übergeht. Der Kolbenboden konnte sich daher nicht sehr hoch erhitzen, sondern er wurde durch Überleitung seiner Wärme auf den Kolbenringträger gekühlt.

Die vorliegende Erfindung verfolgt nun das Ziel, Kolben der oben gekennzeichneten Bauart so auszubilden, daß der Kolbenboden auf sehr hoher Temperatur erhalten werden kann, während gleichzeitig der daran befestigte Kolbenringträger wirksam gekühlt wird, um die erwähnten Übelstände zu verhindern.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einem solchen Kolben, dessen Kolbenboden von einem massiven, die Wärme aufspeichernden Block gebildet wird und der mit einem im wesentlichen zylindrischen Kolbenringträger versehen ist, ein dünner Verbindungsring zwischen Kolbenboden und Kolbenringträger vorgesehen ist, der einerseits den Ringträger und den Kolbenboden genügend starr verbindet, aber andererseits einen so kleinen Drosselquerschnitt als praktisch möglich für

den Wärmestrom bildet, der vom Kolbenboden aus zu den Ringen fließt.

In den Zeichnungen ist die Erfindung an

verschiedenen Ausführungsbeispielen erläutert. Abb. ι zeigt einen Längsschnitt durch einen Kolben, bei dem die Erfindung angewendet ist. Abb. 2 zeigt ein ähnliches Bild in etwas abgeänderter Ausführung.

Abb. 3 stellt einen doppelt wirkenden Kolben

ίο dar, und Abb. 4 ist ein Teilschnitt einer wiederum abgeänderten Ausführungsform.

Bei Anwendung der Erfindung empfiehlt es sich, obgleich das nicht eine unumgängliche Bedingung ist, einen geschmiedeten oder gegossenen Kolbenkörper zu verwenden, der aus einem Stück mit der Kolbenstange besteht. Hierdurch wird der Explosionsdruck auf möglichst direktem Wege übertragen, während bei den meist üblichen Ausführungsformen der Druck von der Kolbenoberseite durch die Seitenwände des Kolbenkörpers auf einen Flansch der Kolbenstange oder durch einen Zapfen auf die Verbindungsstange übertragen wird. Abb. 1 zeigt einen Kolben, bei dem die Kolbenstange 10 aus einem Stück mit dem Kolbenkörper 11 gegossen oder geschmiedet ist. Die Stirnfläche 12, auf dieder Explosionsdruck zur Wirkung gelangt, kann flach oder, wie gezeichnet, ausgehöhlt sein, der Kolbenkörper kann kegelförmig zulaufen. Der Träger 13 für die Kolbenringe ist zylindrisch gestaltet und hat an seiner Außenfläche ringförmige Nuten 14, in denen die Ringe untergebracht werden. Mit dem Kolbenkörper 11 ist der Träger 13 durch einen dünnen Ringteil 15 verbunden. Außerdem besteht nur noch eine Verbindung in Form einer nachgiebigen Scheibe 17 am unteren Ende des Ringträgers. Dieses Verbindungsglied steht in keiner unmittelbaren Verbindung mit dem heißen Oberteil des Kolbenkörpers und wird außerdem wirksam gekühlt.

Da der Kolbenkörper 11 aus einem Stück mit der Kolbenstange 10 besteht, wird der Explosionsdruck unmittelbar auf die Kolbenstange übertragen, nicht aber etwa durch den Kolbenringträger 13, auf den nur derjenige geringe Anteil der Drucke trifft, der von der Undichtigkeit zwischen den Kolbenringen und der Zylinderwandung herrührt, und weiter von den kleinen Kräften, die parallel zum Hub durch Reibung und durch die Trägheit auf die Ringe zur Wirkung kommen. Der KoI-ben ist in der üblichen Weise einerseits durch einen Kreuzkopf am unteren (nicht mit dargestellten) Ende der Kolbenstange 10 und andererseits durch die Zylinderwandung geführt, an der der Kolben mit seinem Oberteil anliegen kann. Demgemäß erfährt der Kolbenringträger 13 keine Beanspruchung in der Querrichtung zum Hub. Der ringförmige Verbindungsteil 15 zwischen dem Kolbenringträger 13 und dem Kolbenkörper 11 kann demnach sehr dünn ausgeführt werden. Für einen Kolben von 28 engl. Zoll (etwa 711 mm) Durchmesser beispielsweise braucht der Verbindungsring 15 nur eine Dicke von etwa ¹I₁ Zoll (etwa 6,3 mm) zu haben. Da ein wesentlicher Teil der den Kolbenringen zugeführten Warme ihnen durch Leitung vom Kolbenkörper 11 zuströmt, so bewirkt der geringe Querschnitt des Verbindungsringes 15, daß sich dem Durchgang der Wärme ein großer Widerstand entgegensetzt und daher der wirklich übertragene Wärmebetrag nur sehr klein ausfällt.

Um diese dem Kolbenring durch Leitung zugeführte Wärme noch weiter zu vermindern, ist der Raum 16 zwischen der Innenfläche des Kolbenringträgers und dem Kolbenkörper durch eine Scheibe 17 abgeschlossen und wird von einer Kühlflüssigkeit durchströmt, die durch Kanäle 18 und 19 in der Kolbenstange und im Kolbenkörper zu- und abgeführt wird. Der Umlauf einer Kühlflüssigkeit an der Innenfläche der ringförmigen Verbindung 15 führt noch weiter Wärme von diesem ab, die andernfalls den Kolbenringen zuströmen und den Verbin- go dungsring 15 übermäßig erhitzen könnte.

Um eine .Überhitzung der Kolbenringe zu vermeiden, ist es weiter erforderlich, die diesen etwa doch zugeführte Wärme abzuleiten. Zu diesem Zweck wird auch der Ringträger 13 so dünn als möglich gemacht. Dadurch werden zwei Vorteile erreicht, nämlich erstens, daß der Querschnitt des die Wärme den Kolbenringen zuleitenden Trägers sehr klein wird, und zweitens, daß der Weg, den too die Wärme von den Ringen zur Kühlflüssigkeit passieren muß, so kurz als möglich wird. Die Ableitung der Wärme von den Ringen wird dadurch noch erheblich erleichtert.

Der Verbindungsring 15 zwischen dem Kolbenkörper und dem Kolbenringträger muß gemäß vorstehenden Ausführungen so dünn als denkbar gemacht werden. In der Praxis nimmt der Querschnitt zwischen der Stelle, wo er an den Kolbenkörper sich ansetzt, bis no zum Kolbenringträger ab, wodurch die örtlichen Beanspruchungen verringert werden, die davon herrühren, daß die Stirnfläche des Kolbens nicht gekühlt, der Verbindungsteil 15 aber gekühlt wird.

In der Ausführungsform der Abb. 2 sind Kolbenstange 10 und Kolbenkörper 11 im wesentlichen ebenso ausgebildet wie nach Abb. 1; indessen ist der hier mit 20 bezeichnete Kolbenringträger nicht aus einem Stück mit dem Kolbenkörper hergestellt, sondern als ein besonders zylindrischer Körper ausge-

führt und durch geeignete Befestigungsmittel, wie z. B. die Bolzen 21, an einem Flansch 22 befestigt, der seinerseits durch den dünnen ringförmigen Teil 15 am Kolbenkörper angebracht ist. An diesem letzteren liegt der Kolbenringträger 20 stumpf an, wie bei 23 ersichtlich ist. Das gibt einen noch erhöhten Widerstand für den Wärmedurchgang vom Kolbenkörper zu den Kolbenringen infolge der geringen Wärmeleitfähigkeit einer Stoßverbindung, wie sie bei 23 dargestellt ist. Durch die Befestigungsbolzen 21 wird selbstverständlich auch kein irgendwie nennenswerter Wärmedurchgang erfolgen.

Abb. 3 zeigt die Anwendung der Erfindung für den Doppelkolben von doppelt wirkenden Maschinen. Die hier mit 24 bezeichnete Kolbenstange hat einen Kopf 25, mit dem sie wieder aus einem Stück besteht, und an diesem ist ein weiteres Endstück 26 mit Schrauben 27 befestigt. Beide Stücke 25 und 26 bilden zusammen den Kolben, der zwei den Druck aufnehmende und auch hier wieder ausgehöhlte Stirnflächen 28 und 29 hat.

Beide Teile des Kolbens sind mit Kolbenringträgern 31 und 32 versehen, die in derselben Art wie bei der Ausführungsform der Abb. ι mit dem Kolbenkörper verbunden sind. Auch die einander zugewendeten Enden der Kolbenringträger sind miteinander verbunden, im dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Expansionsring 33, der den Raum zwischen den Kolbenringträgern und dem Kolbenkörper nach außen hin vollkommen abschließt. Demgemäß kann auch hier wieder eine Kühlflüssigkeit hindurchgeleitet werden wie bei der Ausführungsform der Abb. 1, und der Expansionsring 33 gestattet gegenseitige Wärmedehnungen der Kolbenteile, ohne daß unzulässige Beanspruchungen die Kolbenringträger treffen.

Abb. 4 ist eine abgeänderte Ausführungsform des Kolbenringträgers, der in genau derselben Weise auch bei den Ausführungen der Abb. ι bis 3 verwendet werden könnte. Bei dieser Ausführungsform ist eine besondere Maßnahme zur schnellen Abführung der Wärme von den Kolbenringen durch eine Kühlflüssigkeit vorgesehen, in der Weise, daß der hier mit 34 bezeichnete Kolbenringträger Nuten 35 hat, deren Flächen benachbart sind den Seitenflächen 36 der die Kolbenringe aufnehmenden Nuten 37. Die Kühlflüssigkeit dringt also in diese Nuten ein und kann daher die Wärme von den Flächen 36 in sehr wirksamer Weise abführen. Das wird besonders günstig geschehen, wenn die Wandung zwischen den Seitenflächen 36 und der Innenwandung der Nuten 35 recht dünn gemacht wird, ebenso wie man auch bei den übrigen Ausführungsformen die zylindrische Wandung des Kolbenringträgers so dünn als möglich macht. Der Wärmeleitungsweg wird hierdurch abgekürzt. Hierin wird man zweckmäßig so weit gehen, wie es die an sich ja geringeren mechanischen Beanspruchungen nur irgend zulassen.

Die Erfindung ist von besonderem Wert in der Anwendung auf Kolben von solchen Brennkraftmaschinen, bei welchen die dem Verbrennungsraum zugewendeten Ärnflächen auf einer sehr hohen. Temperatur, etwa von 450⁰ C, gehalten werden.

In der Regel erhält ein Kolben, wie er sich für die Anwendung der Erfindung eignet, einen Kopf oder Körper, der, in achsialer Richtung gemessen, dicker ist als gewöhnlich. So sind auch die Ausführungsbeispiele gezeichnet. Indessen ist die Erfindung keineswegs hierauf beschränkt, kann vielmehr auch bei Kolben gewöhnlicher Ausführungsart mit Vorteil Anwendung finden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kolben für Brennkraftmaschinen, dessen Boden als massiver, die Wärme aufspeichernder Block ausgebildet ist und der mit-einem im wesentlichen zylindrischen Kolbenringträger versehen ist, gekennzeichnet durch einen dünnen Verbin- go dungsring (15) zwischen Kolbenboden (11, 25, 26) und Kolbenringträger (13, 20, 31, 32), der einerseits hinreichend stark zur Herstellung einer festen Verbindung ist, aber andererseits einen so kleinen Drosselquerschnitt als praktisch möglich für den Wärmestrom bildet, der vom Kolbenboden aus zu den Kolbenringen fließt (Abb. 1).

2. Kolben nach Anspruch 1 für doppelt wirkende Maschinen mit zwei miteinander verbundenen Kolbenkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß jeder dieser Kolbenkörper (25, 26) mit einem zugehörigen Kolbenringträger (31, 32) durch den dünnen Verbindungsring nach Anspruch 1 verbunden ist (Abb. 3).

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenringträger (20) statt unmittelbar am Kolbenkörper (11) an einem Flansch (22) des Kolbenkörpers (11) durch Bolzen (21) o. dgl. von geringer Wärmeleitfähigkeit befestigt ist, wobei der Flansch durch den dünnen Verbindungsring (15) mit dem Kolben verbunden ist (Abb. 2).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.