DE470631C

DE470631C - Pipe slide for an internal combustion engine

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Publication number: DE470631C
Application number: DER69277D
Authority: DE
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Priority date: 1925-11-10
Filing date: 1926-11-09
Publication date: 1929-02-25

Description

Rohrschieber für eine Brennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf Rohrschieber für eine Brennkraftmaschine, bei der der Zylinder aus Aluminium, Magnesium oder aus einer Legierung beider Stoffe besteht.Pipe slide for an internal combustion engine The invention relates to on pipe valve for an internal combustion engine, in which the cylinder is made of aluminum, Magnesium or an alloy of both substances.

Die Anwendung dieser Stoffe oder Legierungen ist für Zylinder, insbesondere für luftgekühlte Zylinder, wegen des leichten Gewichts und der hohen Wärmeleitfähigkeit sehr vorteilhaft. Mit Rücksicht auf die Weichheit dieser Nichteisenmetalle und ihrer darausfolgenden Ungeeignetheit, der Schleifwirkung der Kolben und Kolbenringe zu widerstehen, namentlich wenn auch nichteiserne und aus ähnlichem Stoff bestehende Kolben Verwendung finden, hat man anderseits vorgeschlagen, den aus Aluminium oder eisenfreiem Stoff bestehenden Zylinder mit einer festen Auskleidung eines normalen Eisenmetalls zu versehen, z. B. Gußeisen oder Stahl. Nun ist jedoch bekannt, daß in der Praxis die verschiedensten Wärmeausdehnungskoeffizienten des Eisenmetalls und des Aluminiums o. dgl. zu Störungen führen, besonders bei luftgekühlten Zylindern infolge der höheren Temperaturen, die bei solchen Zylindern auftreten.The application of these substances or alloys is for cylinders, in particular for air-cooled cylinders, because of their light weight and high thermal conductivity very advantageous. With regard to the softness of these non-ferrous metals and theirs consequent unsuitability, the grinding effect of the pistons and piston rings resist, especially if non-iron and made of similar material Find pistons use, it has been proposed, on the other hand, made of aluminum or non-ferrous fabric existing cylinder with a solid lining of a normal To provide ferrous metal, e.g. B. cast iron or steel. However, it is now known that in practice the most varied coefficients of thermal expansion of the ferrous metal and aluminum or the like lead to malfunctions, especially in the case of air-cooled cylinders due to the higher temperatures encountered with such cylinders.

Man nahm jedoch an, daß ähnliche Störungen nicht zu befürchten wären, wenn ein Rohrschieberventil aus eisenhaltigem Metall bei einem Zylinder aus Aluminium, Magnesium oder einer Legierung aus diesen verwendet würde, und zwar aus folgenden Gründen: In der Mehrzahl der praktischen Ausführungen von Rohrschieberventilmaschinen ist die Passung des Rohres im Zylinder nicht mit Rücksicht darauf ausgeführt, daß Leckverluste vermieden werden sollen, weil während des Hochdruckteils des Kreisganges die Rohrschieberöffnungen vom Zylinderkopf überdeckt werden, der mit Dichtungsringen zur Verhinderung von Gasundichtigkeitsverlusten versehen ist. Somit konnte eine Expansion des Zylinders im Sinne der Entfernung von dem Rohr theoretisch keine erhöhten Undichtigkeitsverluste hervorrufen. Wenn ein Aluminiumzylinder im Sinne der Abhebung von einer festen Auskleidung expandiert, so sucht sich der Raum zwischen beiden mit Gas oder verkohltem Öl zu füllen, die beide sehr schlechte Wärmeleiter sind, so daß die Auskleidung ihre Wärme nicht auf den Zylinder abgeben kann und infolgedessen zu Überhitzung neigt. Bei einer Rohrschieberventihnaschine dagegen wird der Ölschleier zwischen Zylinder und Rohrschieber durch die Bewegung des Rohrschiebers in Bewegung gehalten und überträgt demnach Wärme von dem Rohrschieber auf den Zylinder durch einen Vorgang, der mechanische Konvektion genannt werden könnte. Es wurde angenommen, daß diese Wirkung, die ausreicht, um einen aus Eisenmetall bestehenden Rohrschieber zu kühlen, der in einem Eiseiunetallzylinder arbeitet, nicht wesentlich durch den anwachsenden Spalt beeinträchtigt werden würde, der sich aus Anwendung eines Metalls starker Wärmeausdehnung für den Zylinder ergibt.It was assumed, however, that similar disturbances were not to be feared. if a pipe slide valve made of ferrous metal for a cylinder made of aluminum, Magnesium or an alloy of these would be used, namely of the following Reasons: In the majority of the practical designs of tubular slide valve machines the fit of the tube in the cylinder is not carried out with regard to the fact that Leakage losses should be avoided because during the high pressure part of the circuit the pipe slide openings are covered by the cylinder head with sealing rings is provided to prevent gas leaks. So one could Theoretically, expansion of the cylinder in terms of distance from the pipe is not increased Cause leakage losses. When an aluminum cylinder in the sense of withdrawal expands from a solid lining, the space is sought between the two to fill with gas or charred oil, both of which are very poor conductors of heat, so that the liner cannot transfer its heat to the cylinder and as a result tends to overheat. In the case of a pipe slide valve machine, on the other hand, the oil curtain becomes between the cylinder and the slide valve due to the movement of the slide valve in motion held and accordingly transfers heat from the tubular slide to the cylinder a process that could be called mechanical convection. It was assumed, that this effect is sufficient to make a pipe valve made of ferrous metal to cool that in one Eiseiunetalylinder works, not significantly would be affected by the growing gap resulting from application of a metal of high thermal expansion for the cylinder.

Auf Grund dieser Annahme hat man Versuche sowohl mit wassergekühlten wie mit luftgekühlten Zylindern aus LeichtIegierungen von Aluminium oder Magnesium u. dgl. gemacht, bei denen Rohrschieber aus Stahl. Oder Eisen normaler Expansion benutzt wurden; dabei fand man aber folgende Störungen: Die Dehnung des Leichtlegierungszylinders im Sinne der Entfernung von dem Rohrschieber beließ diesen ohne genügende Stützung zur Aufnahme der Expansionsdrücke mit dem Ergebnis, daß er sich schneller ausbauchte, als die Kopfpackungsringe zu folgen vermochten, so daß ein Leckverlust von heißen Gasen an diesen Ringen vorbei eintritt, der gleichzeitig zu einem Energieverlust und zu einer Kohlenstoffablagerung in dem Ringraum oberhalb der Packungsringe führte. Ferner fand man, daß mit Zunahme des Freiraumes zwischen Rohrschieber und Zylinder der Wärmeabfluß von dem Rohrschieber zum Zylinder beträchtlich behindert wurde, so daß der Rohrschieber leichter auf beträchtlich höhere Temperaturen auflief als bei Maschinen mit Zylindern von eisenhaltigem Stoff niederer Wärmedehnung. Das führte zu einer weiteren Verkokung und schnellerer Abnutzung.On the basis of this assumption, experiments have been carried out with both water-cooled like air-cooled cylinders made of light alloys of aluminum or magnesium and the like. Made in which pipe valve made of steel. Or normal expansion iron were used; However, the following disturbances were found: The elongation of the light alloy cylinder in terms of distance from the pipe slide left this without sufficient support to absorb the expansion pressures with the result that it bulged faster, than the head packing rings were able to follow, so that leakage of hot Gases past these rings, which at the same time leads to a loss of energy and resulted in carbon deposition in the annulus above the packing rings. It was also found that with an increase in the free space between the pipe slide and cylinder the heat flow from the pipe valve to the cylinder has been significantly impeded, so that the pipe slide ran more easily to considerably higher temperatures than in machines with cylinders made of ferrous material with low thermal expansion. That led to further coking and faster wear.

Diese Wirkungen waren naturgemäß am ausgesprochensten bei luftgekühlten Maschinen infolge der höheren Zylindertemperaturen bei diesen, und dadurch wurden sie um so störender, weil gerade bei dieser Maschinengattung die Anwendung von Leichtlegierungszylindern infolge ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit besonders erwünscht ist. Aber auch bei wassergekühlten Maschinen waren die Störungen vorhanden, und es zeigte sich, daß die Leistung merklich abfiel, wenn die Wassertemperatur auf einen Punkt anstieg, wie er bei Brennkraftmaschinen im allgemeinen wünschenswert ist, und zwar trotz der unter diesen Umständen verminderten mechanischen Reibung.These effects were naturally most pronounced with air-cooled ones Machines as a result of the higher cylinder temperatures at these, and thereby were they are all the more disruptive, because it is precisely with this type of machine that light alloy cylinders are used is particularly desirable due to its high thermal conductivity. But also with water-cooled Machines were the faults and it was found that the performance was noticeable dropped when the water temperature rose to a point such as that in internal combustion engines is generally desirable, despite the diminished values under the circumstances mechanical friction.

Um diesen ,erwähnten Schwierigkeiten aus dem Wege zu gehen, fand man es demnach erstrebenswert, Zylinder und Rohrschieber aus Stoffen herzustellen, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten sich erheblich weniger unterschieden als die von normaler Aluminium- oder Magnesiumlegierung und normalem Gußeisen oder Stahl, und es wurden Versuche mit Leichtlegierungen angestellt, die so beschaffen sein sollten, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient niedrig genug wäre. Es konnte jedoch keine Legierung ermittelt werden, die die geschilderten unerwünschten Wirkungen merklich zu beseitigen'vermochte.In order to avoid these difficulties mentioned, one found it is therefore desirable to manufacture cylinders and slide valves from materials, their Coefficients of thermal expansion differed considerably less than that of normal Aluminum or magnesium alloy and ordinary cast iron or steel, and there were Experiments made with light alloys, which should be such that the Coefficient of thermal expansion would be low enough. However, it could not be an alloy can be determined which markedly eliminate the described undesirable effects.

Daraufhin richtete sich die Aufmerksamkeit auf ein Material für den Rohrschieber, das einen genügend hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwies, jedoch gleichzeitig das notwendige günstige Verhalten in bezug auf Abnutzung zeigte. Bronze wurde ausgeschieden, weil die Erfahrung gezeigt hatte, daß zwischen diesem Metall und den Leichtlegierungen eine sehr rasche Abxiutzung eintritt, weil die Härte dieser beiden Metallklassen nicht sehr verschieden ist. So richtete man das Augenmerk schließlich auf eisenhaltige Metalle, die auch gemäß der Erfindung Anwendung finden. Solche eisenhaltigen Metalle wurden zunächst nicht als geeignet betrachtet, obgleich sie einen verhältnismäßig hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwiesen, weil sie von weicher Beschaffenheit, gemessen nach den üblichen Methoden, sind. Versuche zeigten nun aber, daß sie die Eigenschaft der Bearbeitungshärtung (work-hardening) in einem hohen Maße aufwiesen, d. h. daß sie im Gebrauch an den Abnutzungsflächen eine harte Haut entwickelten, die die Abnutzung sehr viel geringer machte, als sie bei sonstigen anderen Stoffen der gleichen Anfangshärte gewesen sein würde.Then attention turned to a material for the Pipe valve that had a sufficiently high coefficient of thermal expansion, however at the same time showed the necessary favorable behavior with respect to wear. bronze was eliminated because experience had shown that between this metal and the light alloys wear very quickly because of their hardness the two metal classes is not very different. That is how the focus was finally turned on ferrous metals, which are also used according to the invention. Such ferrous metals were initially not considered suitable, although they did had a relatively high coefficient of thermal expansion because they were of soft texture, measured by the usual methods. Experiments showed but now that they have the property of work-hardening in one exhibited high levels, d. H. that it has a hard on the wear surfaces in use Developed skin which made the wear and tear much less than that of others other substances would have been of the same initial hardness.

Gemäß der Erfindung wird somit der in einem Zylinder aus Aluminium, Magnesium oder einer Legierung davon mit verhältnismäßig hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten arbeitende und in diesem Zylinder bewegliche Rohrschieber aus einer eisenhaltigen Legierung gefertigt, deren Wärmeausdehnungskoeffizient sich im Bereich der auftretenden Betriebstemperaturen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Stoffes nähert, aus dem der Zylinder besteht.According to the invention is thus the in a cylinder made of aluminum, Magnesium or an alloy thereof with a relatively high coefficient of thermal expansion working and movable in this cylinder slide valve from a ferrous Alloy manufactured whose coefficient of thermal expansion is in the range of the occurring Operating temperatures approximates the coefficient of thermal expansion of the substance from which the cylinder exists.

Ein eisenhaltiges Metall, das für die Konstruktion des Rohrschiebers geeignet ist, ist ein solches, das 15 bis 25 0/0, vorzugsweise 2o bis 2 1 % Nickel enthält, z. B. ein 2oprozentiger Nickelstahl oder ein 2oprozentiges Nikkelgußeisenoder auch ein Stahl, der z. B. 18 % Chrom und 8 % Nickel aufweist. Statt dessen kann auch ein eisenhaltiges Metall mit einer Vereinigung von Nickel und Mangan angewendet werden. So kann Gußeisen oder Stähl mit 8 bis 13 0,o Mangan oder von 15 bis 25 Einheiten Nickel und Mangan angewendet werden, wobei i % Nickel als eine Einheit und i % Mangan als 2,15 Einheiten gerechnet ist. Ein anderes Beispiel eines eisenhaltigen Metalles ist Gußeisen oder Stahl mit etwa i q. % Silizium.A ferrous metal which is suitable for the construction of the pipe slide is one which contains 1 5 to 25%, preferably 2o to 2 1% nickel, e.g. B. a 2% nickel steel or a 2% nickel cast iron or a steel which z. B. 18% chromium and 8% nickel. Instead, a ferrous metal with a combination of nickel and manganese can also be used. Cast iron or steel with 8 to 13.0 manganese or from 15 to 25 units of nickel and manganese can be used, with i% nickel being calculated as one unit and i% manganese as 2.15 units. Another example of a ferrous metal is cast iron or steel with about i q. % Silicon.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient nichteisenhaltiger Metalle oder ihrer Legierungen, wie sie gewöhnlich bei. der Konstruktion der- Außenteile von Zylindern Anwendung finden, liegt im allgemeinen in den Grenzen von 22 bis 27 X 1o - "`C über dem Arbeitstemperaturbereich, während der Wärmeausdehnungskoeffizient von Gußeisen oder Stahlsorten, wie sie gewöhnlich für Zylinderauskleidungen und Rohrschieberventile benutzt werden, bei io bis 1i x io-''°C liegt. Wenn somit diese Stoffe für den Zylinder bzw. den Rohrschieber gebraucht werden, so entsteht die oben angedeutete Schwierigkeit infolge ungleichmäßiger Dehnung der Teile. Wird aber gemäß der Erfindung der Rohrschieber aus einem eisenhaltigen Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Arbeitsbereich der Temperatur'gewählt,"der 16 X =o-'' überschreitet, so wird der Unterschied in den Dehnungen der beiden konzentrischen Teile auf ein Maß zurückgebracht, das den Nachteil infolge ungleichmäßiger Dehnung wesentlich vermindert oder sogar gänzlich beseitigt.The coefficient of thermal expansion of non-ferrous metals or theirs Alloys, as they are usually used in. the construction of Exterior parts of cylinders are generally used within the limits of 22 to 27 X 1o - "` C above the working temperature range, while the coefficient of thermal expansion of cast iron or types of steel, such as those commonly used for cylinder liners and Pipe slide valves are used at io to 1i x io - '' ° C. So if this Substances are needed for the cylinder or the pipe slide, this is how the Difficulty indicated above due to uneven stretching of the parts. But it will According to the invention of the pipe slide made of a ferrous material with a Thermal expansion coefficient in the working range of the temperature 'selected, "the 16 X = o- '', the difference in the elongations of the two becomes concentric Parts brought back to a level that has the disadvantage of uneven stretching substantially reduced or even completely eliminated.

Wenn 2o 0,'o Nickelstahl oder 2o ()"0 \Tickelgußeisen bei der Herstellung des Ruhrschiebers verwendet werden, so sind beide Metalle, die einen Wärmeausdelinungskoefiizienten von der Dimension 2o x =o - `' - C haben zur Anwendung in einem Zylinder geeignet, der aus normaler Aluminium- oder Magnesiumlegierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 22 bis a5 X =o- e @ C besteht. 13e- einem Zylinder, der aus Silizium-Aluminium-Legierung mit einem Wärmeausdeh. nungskoeffizienten 18 x io-e°C besteht, ist es :angebracht, !für den Rohrsch:-eber einen 25prozentigen Nickelstahl zu verwenden, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 16 bis 17 x =o -`'° C aufweist. Der Temperaturarbeitsbereich des Rohrschiebers im Zylinder kann angenommen werden zwischen o bis i 2o° C bei wassergekühlter und von o bis 2oo° C bei luftgekühlter Maschine.If 2o 0, 'o nickel steel or 2o () "0 \ Tickel cast iron during manufacture of the Ruhr slide valve are used, both metals have a coefficient of thermal expansion of the dimension 2o x = o - '' - C are suitable for use in a cylinder, the one made of normal aluminum or magnesium alloy with a coefficient of thermal expansion from 22 to a5 X = o- e @ C. 13e- a cylinder made of silicon-aluminum alloy with a thermal expansion. temperature coefficient 18 x io-e ° C, it is: appropriate, ! for the Rohrsch: -eber to use a 25 percent nickel steel, which has a coefficient of thermal expansion from 16 to 17 x = o -` '' ° C. The temperature working range of the pipe valve in the cylinder can be assumed between o to i 2o ° C for water-cooled and from 0 to 2oo ° C with an air-cooled machine.

Eisenhaltige Metalle der für den Rohschieber angegebenen Art können vielfach durch den Stickstoffprozeß oberflächengehärtet werden. Dieses Verfahren besteht kurz in einer Erhitzung des durch Einsatzhärtung zu härtenden Gegenstandes in einem Gas, das hauptsächlich aus Ammoniak besteht, und zwar bei einer Temperatur, die 58o° C nicht überschreitet und wobei man nach genügender Einsatzhärtungstiefe die Teile mit dem Ofen abkühlen läßt. Die beanspruchte Zeit schwankt zwischen 4.o bis 6o Stunden. Ein solcher Härtevorgang kann z. B. eine Oberflächenhärtungstiefe von etwa o,5 bis o,8 mm herbeiführen, und da sie weiter wenig oder gar kein Verziehen des gehärteten Gegenstandes herbeiführt, so ist das Verfahren besonders anwendbar auf Gegenstände wie Rohrschieber, bei denen es besonders darauf ankommt, ein Verziehen zu vermeiden.Ferrous metals of the type specified for the pipe slide can are often surface hardened by the nitrogen process. This method briefly consists in heating the object to be hardened by case hardening in a gas composed mainly of ammonia at a temperature does not exceed 58o ° C and after sufficient case hardening depth let the parts cool down in the oven. The time required varies between 4.o up to 60 hours. Such a hardening process can, for. B. a surface hardening depth from about 0.5 to 0.8 mm, and since they continue to cause little or no warping of the hardened object, the method is particularly applicable on objects such as pipe slides, where it is particularly important, warping to avoid.

Es ist klar, daß gegebenenfalls ein eisenhaltiges Metall hoher Expansion der angegebenen Art für den Bau des ganzen oder eines Teiles des Kolbens verwendet werden kann,- der in einem Rohrschieber gemäß der Erfindung Verwendung findet. -Allgemein gilt, daß es wünschenswert ist, für die Herstellung des Rohrschiebers ein eisenhaltiges Metall zu -wählen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in dem in Frage kominenden Arbeitstemperaturbereich sich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des nichteisenhaltigen Metalls, aus dem der Zylinder besteht, nähert, jedoch etwas geringer ist. Weiter ist es für den Kolben vorzuziehen,, entweder das gleiche oder ein im wesentlichen gleiches nichteisenhaltiges Metall zu benutzen, wie es für den Zylinder benutzt wird, indem man den notwendigen Freiraute für die Expansion durch die üblichen Kolbenringe aufnehmen läßt. Auch kann man den Kolben ganz oder teilweise entweder aus einem nichteisenhaltigen oder eisenhaltigen Metall herstellen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in der Nähe des Wärmeausdehnungskoeffizienten des eisenhaltigen Metalls ,los Rohrschiebers ist, jedoch etwas unter diesem Werte liegt, in welchem Falle ein gerin-:;eres Spiel zwischen Kolben und Rohrschieber belassen werden kann.It is clear that a high expansion ferrous metal may be used of the specified type used for the construction of all or part of the piston - which is used in a pipe valve according to the invention. -Generally holds true that it is desirable for the manufacture of the pipe valve a ferrous Metal to choose whose coefficient of thermal expansion is in the one in question Working temperature range is based on the coefficient of thermal expansion of the non-ferrous Of the metal of which the cylinder is made, but is slightly less. Further it is preferable for the piston, either the same or one essentially use the same non-ferrous metal as used for the cylinder is done by making the necessary free diamond for expansion through the usual piston rings lets take up. You can also use the piston in whole or in part either from one Manufacture non-ferrous or ferrous metal, its coefficient of thermal expansion close to the coefficient of thermal expansion of the ferrous metal, go on pipe valve is, however, slightly below this value, in which case a slight play can be left between the piston and tubular slide.

Claims

PATENT CLAIM: IIE: i. Pipe valve for an internal combustion engine, in which the cylinder is made of aluminum, magnesium or an alloy of both substances, characterized in that the pipe valve movable in the cylinder consists of an iron-containing alloy, the coefficient of thermal expansion of which corresponds to that of the cylinder in the range of the operating temperatures occurring. Pipe slide according to claim i made of austenitic steel with about 1 8 % chromium and 8% nickel. 3. Pipe slide according to claim i made of an iron-containing alloy with 15 to 2 5 o'0 nickel or with 6 to 13% manganese. :1. Pipe slide according to claim i made of an iron-containing alloy with 15 to 25 units of nickel and manganese, i% nickel being to be assessed as one unit and i% manganese as 2, 1 5 units. 5. Pipe slide according to claim i made of cast iron with approximately 14% silicon content.