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Zylinderbauart für Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich
auf eine Bauart für Brennkraftmaschinen, bei denen eine dünne Hartseele in den Zylindermantel
eingezogen wird, insbesondere für Brennpulverkraftmaschinen.
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Solche dünnen Hartseelen werden nach bekannten Verfahren bisher entweder
in einen * ßeren Mantel eingeschrumpft, so daß der ll g
äußere
Mantel die Zugkräfte der Zünddrücke aufnimmt und von der spröden eingesetzten Laufseele
dadurch fernhält, daß dieselbe von dem Außenmantel mit einer entsprechenden Vorspannung
von außen radial zusammengedrückt wird, oder die für sich hergestellte Hartseele
wird in den getrennt hergestellten Zylindermantel eingesetzt und der Zwischenraum
mit einer Hintergießmasse ausgefüllt.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Zylinder innen mit einer
ganz harten dünnen Seele z. B. aus Stahlblech zu versehen, welche auch von den härtesten
Ascheteilcheii nicht wesentlich geritzt wird. Die Stahlsorte ist hochlegierter Stahl,
z. B. Scbnelldrehstalil mit hohem Gehalt an Wolfram, Chrom, Vanadium, Molybdän oder
Titan usw. Diese Blechseelen können aus dem vollen Stück gelocht und nahtlos auf
die dünne Wandstärke ausgewalzt sein oder aus einer Blechtafel ausgeschnitten, rund
gebogen und an der Stoßfuge zusammengeschweißt werden. In beiden Fällen fällt oft
die Blechseele nicht so genau rund aus, daß der Zylinder nach dem erstgenannten
Verfahren leicht hergestellt werden kann, weil die Hartseele nicht metallisch dicht
auf ihrer ganzen Länge in den Zylindermantel hineinpaßt. Letzterer kann genau rund
ausgedreht werden, nicht aber erlauben die dünne Wandstärke und die große Härte
der Blechseele ein Nachdrehen. Man kann sich dann entweder durch Einschleifen der
Blechseele oder durchEinpressen unter hohem Druck helfen. Dabei muß aber auf genau
zentrischen Sitz der Seele geachtet werden. Dieses Einhalten des genau zentrischen
Sitzes (Zentrieren) wird mit Hilfe der Erfindung ungemein erleichtert und gesichert.
Sie besteht darin, daß die Hartseele entweder durch eine um sie herumgelegte Rohrschlange
oder durch ringförmige oder spiralförmige innere Rippen des äußeren Zylindermantels
oder entsprechende äußere Rippen ihrer Außenseite, gegebenenfalls unter Verdrückung,
in die kreisrunde Form gebracht und zentriert und gegebenenfalls in die für die
Kühlung nicht benutzten Zwischenräume noch eine Gießmasse zur Einspannung der Hartseele
eingegossen wird. Offenbar wird durch die Erfindung die Reibungsoberfläche zwischen
den beiden Zylindern verringert. Der Einspannungsdruck des äußeren Zylindermantels
konzentriert sich auf die geringere Be- -rührungsfläche der beiden Zylinder und
drückt dadurch die Hartseele in die richtige runde Form, die wohl der äußere stärkere
Zylindermantel durch das Drehen erhalten hat, die aber die spröde Hartseele oft
nicht aufweist. Vorteilhaft ist es dabei, der Hartseele erst nach oder beim Einziehen
die richtige Härte
zu geben, weil sie dann beim Zentrieren noch
etwas elastischer ist. Verwendet man jedoch eine fertige, ganz harte, spröde Blechseele
zum Einziehen, so werden gemäß der Erfindung die den Druck zwischen Stützmantel
und Hartseele vermittelnden Organe elastisch ausgeführt, indem zwischen Hartseele
und Zylindermantel ein Spiralrohr gelegt wird. Diese Rohrschlange bekommt vorteilhaft
durch Abdrehen den entsprechenden inneren und äußeren Durchmesser und wird z. B.
über die Hartseele vor dem Einsetzen in den äußeren Stützmantel übergezogen. Dadurch
wird die Hartseele gegebenenfalls schon rund gezogen. Zieht man darauf die Hartseele
mit derRohrschlange in den äußerenZylindermantel ein, so werden die letzten cznrunden
Stellen noch rund gedrückt. Was durch die Rohrschlange allein vielleicht noch nicht
ganz erreicht werden konnte, wird also durch den Zylindermantel erzielt, indem die
Rohrschlange als elastisches Zwischenorgan den Einspannungsdruck des äußeren Stützmantels
auf die Hartseele überträgt. Eine weitere Zusammenpressung des Zwischenrohres, etwa
durch die Zünddrücke im Betriebe, die dann ein Sprengen der Hartseele verursachen
würden, wird durch Ausgießen der verbleibenden Zwischenräume mit Metall vermieden.
Das Spiralrohr selbst dient dann im Betriebe als Kühlschlange. Auch das ist ein
weiterer Vorteil der Erfindung, weil der Hitzefluß durch die nur dünne Wandstärke
sogleich abgeleitet wird, also die Temperatur auf der Zylinderinnenseite nicht sehr
hoch ansteigen kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht auch noch darin,
daß sich die Kühlung recht weit hinauf bis an den Zylinderdeckel erstreckt. Diese
gute Kühlung verhindert eine übermäßige Ausdehnung und Längsstreckung der dünnen
Zylinderseele.
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Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele der Zylinderbauart gemäß
der Erfindung in Abb. r, 4 und 5 im Längsschnitt eines Zylinders. Die Abb. 2 und
3 zeigen Einzelheiten in größerem Maßstabe.
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In den Zylinder i gemäß Abb. i ist die Hartseele z eingesetzt. Diese
spröde Hartseele erlaubt nicht, daß ein Zug in ihrem Mantel durch die Zündungsdrücke
des Arbeitsraumes entsteht. Dieser Zug wird von dem die Hartseele 2 einschließenden
Zylinder i aufgenommen, welcher außen aus vollem widerstandsfähigem Material 3 besteht.
An der inneren Seite besitzt der Zylinder i spiralförmige Rippen ,., die ein leichtes
Zentrieren der Hartseele ermöglichen. Zwischen den Rippen 4 (Abb.2) ist teilweise
Metall 5 (z. B. Messing, Bronze o. dgl.) eingegossen. Der andere Teil zwischen den
Rippen 4 wird vor dem Eingießen des Metalls 5 durch einen hitzebeständigen Stoff
6, z. B. Lehm, Ton o. dgl., ausgefüllt, der sich nach dem Eingießen und Erhärten
des Metalls durch Säure oder Wasser auslösen oder durch mechanische Mittel entfernen
läßt. Durch die entstandenen Hohlräume 6 wird das Kühlmittel beim späteren Maschinenbetrieb
geleitet, welches etwa dein untersten Spiralring durch Leitung 7 zugeführt und oben
bei 8 abgeleitet wird.
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Durch die Zwischengießmasse 5, die sich beim Erstarren ausdehnt, wird
vorteilhaft noch ein stärkerer Verspannungs- und Umklammerungsdruck von außen um
die Hartstahlseele 2 hergestellt, als im Betriebe die Arbeitsgase den Zylinder 2
nach außen ausdehnen wollen. Dann kann man auch den härtesten und sprödesten Stoff
für die Hartseele 2 verwenden, der sonst unter dem Arbeitsdruck von 3o bis 5o Atm.
infolge Zugspannungen aufreißen könnte.
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Bei Abb. 3 'sind die Rippen 4 ringförmig im Zylinder r angeordnet.
Die Verbindung vom ersten bis letzten Ringkanal zwischen den Rippen 4 ist durch
Ausbrechen eines Teiles 9 der Rippen .4 hergestellt. Im übrigen entspricht die Bauart
der Abb. i.
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In Umkehrung der Ausführung können die zylindrischen oder spiralförmigen
Rippen auch an der Außenseite der Hartseele angebracht sein.
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In die Kanäle io ist nach Abb.4 ein Spiralrohr i i aus Stahl, Kupfer,
Messing o. dgl. eingelegt. Bei Abb. 5 ist um die Hartseele 2 ohne Rippenkanäle eine
elastische Rohrschlange ii herumgelegt, durch welche die meist sehr spröde Hartseele
2 zentriert wird. Außerdem drückt sich das Rohr i i bei letzteren beiden Ausführungen
je nach seiner Wandstärke eher zusammen und verhindert, daß das sich ausdehnende
Hintergießmetall 5 die eingesetzte Hartseele 2 nach innen infolge ihrer geringen
Wandstärke auswölbt, und bewirkt noch, daß das Zwischengießmeta115 unter einer solchen
federnden Spannung des Rohres i i steht, daß es sich dicht an die Hartseele 2 anpressen
muß.
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Wenn die eingesetzte Büchse sehr genau rund und dicht gehend besonders
an ihrem Kopf- und Fußende in den Außenmantel eingesetzt werden kann, läßt sich
gegebenenfalls das. Ausgießen entbehren.
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'Auch ändert es nichts an der Erfindung, wenn nicht durchgängig auf
der ganzen Außenseite der Hartseele Rippen oder Rohrschlange angeordnet sind, sondern
nur teilweise oder in Abwechslung zwischen Rippen und Rohrschlange.
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Weil man durch Gießen Seelen von der dünnen Wandstärke von etwa 3
bis 5 mm nur schwer und teuer herstellen kann, wird die Laufseele am besten aus
Blech, also vorzugsweise
Edelstahlblech, durch Runden und Längsschweißen
der Stoßfuge desselben hergestellt. Dann ist auch die Außen- und Innenseite schon
vom Rundwalzen her glatt, rein und gleichmäßig dick. Diese Art dürfte auch billiger
kommen, als wenn die Hartseele aus dem vollen Block gelocht und nahtlos bis auf
die gewünschte dünne Wandstärke ausgezogen wird. Letzteres lohnt vielleicht z. B.
bei Zylindern von etwa bis i 5o mm Durchmesser, während größere Zylinderdurchmesser
billiger längs geschweißt werden; denn auch die normalen Stahlrohre größeren Durchmessers
werden nicht nahtlos gezogen, sondern pflegen billiger durch Längsschweißen erzeugt
zu werden. Die Zylinder von Brennpulverkraftmaschinen werden jetzt Schon mit 5oo
bis 700 mm Durchmesser verlangt. Bei vorgewalzten Blechen hat man auch den
besonderen Vorteil, daß bei der Wandstärke von 3 bis 8 mm Dicke kein Zunder oder
sonstige harte Körnchen wie beim Auswalzen nahtlos aus einem Stück in das Material
hineingewalzt werden und Löcher in das Material hineinkommen. Eine größere Abnutzung
als 2 bis 5 mm, also etwa =(2 bis i °jo des Zylinderdurchmessers, möchte bei Brennkraftmaschinen
nicht zugelassen werden, weil sonst auch der Kolben sich schwer licht halten läßt.
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Die Blechseele wird außen und innen durch die gleichmäßige Blechdicke
genau rund und glatt und braucht nicht noch lange durch Schleifen von den Unreinheiten
und Unebenheiten befreit werden. Man spart also Material und Schleifarbeit. Die
gleichmäßige Blechdicke trägt noch zur Innehaltung des genau zentrischen Sitzes
in dem Zylindermantel bei.
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Nachdem das Blech zum Zylinder gerundet und längs geschweißt ist,
kann es dann nach verschiedenen Verfahren z. B. mit Gußeisen umgossen werden. Dabei
verfährt man vorteilhaft so, daß die stehende Laufseele nicht mit Sand- und Kernmasse
ausgefüllt wird, sondern hohl bleibt und von lznten her mit einer Preßluft oder
anderen Kühlleitung mit oberer Ableitung versehen wird. Durch das heiße Gußeisen
wird auch die Seele zum Glühen gebracht. Sie könnte im Gußeisen verschmelzen oder
selbst Löcher, Beulen usw. erhalten oder im flüssigen Eisen ganz aufgelöst werden.
Um das zu verhindern und um gleichzeitig die hergestellte Glühhitze der Seelen zum
Härten derselben auszunützen, wird im geeigneten Moment nach Erreichen der Glühhitze
der Wind von unten angestellt und die Seele von innen so stark abgekühlt, daß die
Innenseite die verlangte große Härte erhält; die Laufseele braucht also nicht durch
besonderes Glühen gehärtet werden, sondern man benutzt die Hitze des Mantelgxßstoffes
zur Erzeugung dieser Härtehitze. Das Durchblasen von einem Kühlmittel muß dann so
lange fortgesetzt werden, bis der umgossene Mantel völlig abgekühlt ist. Seine äußerste
Schicht bleibt dabei am längsten heiß und schrumpft die innere Seele gleichmäßig
mit einer solchen Vorspannung zusammen, daß die Zünddrücke praktisch keine gefährlichen
Zugspannungen in der spröden Hartseele erzeugen können.
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Vor dem Umgießen umwickelt man die Laufseele mit einer Spiralwulst
aus hitzebeständigem Stoff, z. B. mit Kernmasse getränkte Asbestfäden, spiralförmig
so, daß zwischen Seele und Mantel ein spiralförmiger Kanal für das Kühlwasser entsteht.
Dann erreicht also der Mantelstoff zwischen den Spiralgängen die Seele ebenfalls
als Spiralrippe: Man braucht dann also keine Rippen auf der eingesetzten Seele ausführen
und erreicht dasselbe.
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Die dünnwandige Laufseele läßt sich ohne den Mantel leichter, billiger
und genauer rund und glatt schleifen und muß bei gewissen, besonders großenMaschinen
schon vor diesem Schleifen auf die gewünschte, sehr große Härte gebracht werden.
Solche vor dein Einsetzen, also schon fertig gehärtete und geschliffene Laufseelen
werden im allgemeinen eingepreßt oder mit Hintergießmasse in den Außenmantel befestigt.
Die Gefahr, daß dabei die fertige Seele durch Erhitzen ihre Härte wieder verliert,
sich verzieht lind exzentrisch im Zylindermantel befestigt wird, wird in folgender
Weise beseitigt: man kühlt die Seele innen während des Umgießens. Man legt ein Spiralrohr
außen um die Seele bzw. zwischen Seele und Außenmantel, welcher durch Erhitzen über
die Seelentemperatur gebracht werden muß, damit er entweder von selbst bei der Abkühlung
die Seele umschrumpft oder das Zwischengießmetall durch die hohe Manteltemperatur
genügend flüssig bleibt, um alle Hohlräume auszufüllen.
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Es genügt, die äußere Mantelfläche der Hartseele 2 zylindrisch zu
gestalten. Vorteilhaft aber ist es, ihre äußerenMantelflächen schwach konisch auszuführen.
Man erreicht damit gleichzeitig, daß der der Abnutzung am meisten unterworfene Teil
am Zylinderkopf dicker ist, also länger hält. Durch die konische - Ausbildung wird
außer dem leichteren Einsetzen und Herausnehmen auch ein leichtes evtl. Einschleifen
der Hartseele 2 in die Zylinderrippen q. zwecks Abdichtung ermöglicht, welche den
Stahleinsatz 2 zentrieren. Die Hartseele 2 kann die Länge des Zylinders i besitzen:
Sie braucht aber nur über den der Abnutzung unterworfenen, also etwa auf den von
den Kolbenringen überiaufeuen Teil des Zylinders sich erstrecken und ist
dann
billiger. In letzterem Falle wird vorteilhaft die Stoßfuge 13 sofort als Schmierkanal
für die Zylinderschmierung benutzt und die Seele zweckmäßig wellenförmig , abgeschnitten,
damit die sie überlaufenden Kolbenringe nicht hängenbleiben. In den Schmierkanal
13 münden die Schinierölpfeifen 14.
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Bei doppelt und einfach wirkenden Zweitaktmaschinen wird der mit den
Auspuff- und Ladeschlitzen besetzte Zylinderteil nicht als Zentrierfläche benutzt,
sondern diese Schlitze werden unabhängig von der Hartseele im rippenlosen Mantelmaterial
angeordnet. Dadurch wird erreicht, daß die Hartseele :2 ohne die Schlitzlöcher,
also geschlossen und so ausgebildet werden kann, daß sie den äußeren Umspannungsdruck
aushält.
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Die Hintergießmasse wählt man vorteilhaft von einem Schmelzpunkt von
etwa 500 bis 6oo°. Er liegt dann höher als die höchste Wandtemperatur durch
die Brenngaswärme des Arbeitszylinders von i5o bis etwa 4.5o° C. Das Hintergießmetall
kann dann nicht aufschmelzen, wenn aus Versehen kein Kühlwasser durch die Rohrschlange
i i oder die Kühlkanäle geleitet wird.
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Man kann mit der Rohrschlange ii aber die Hintergießmasse 5 dadurch
zum Schmelzen bringen und die Blechseele :2 nach Abnutzung herausziehen, daß eine
Heißflüssigkeit durch die Rohrschlange i i geleitet und mit ihr die Hintergießmasse
5 verflüssigt und zum selbsttätigen Auslaufen gebracht werden kann, wozu etwa eine
Ableitung 12 am Zylinder vorgesehen sein kann. Eine solche Heißflüssigkeit kann
z. B. eine Salpetersalzlösung oder eine andere Salzlösung bekannter Art sein, von
denen es mehrere gibt, die bei 6oo bis 700° flüssig durch Rohrleitungen geschickt
werden können. Durch hinterher durchgeleitetes Wasser wird die Rohrschlange von
den Salzrückständen ausgelaugt.
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Der eine Vorteil der Einrichtung ist, daß man die Hartseele, wenn
sie nach langer Betriebszeit abgenützt sein sollte, billig erneuern kann. Wenn sich
die Hartseele auch um ein oder zwei Millimeter abgenützt hat, behält der Rest immer
noch einen hohen Metallwert, so daß der Ersatz zu wirtschaftlichen Preisen ausgeführt
werden kann. Außerdem ist es möglich, die alte abgenutzte Seele dadurch noch eine
Zeitlang verwendungsfähig zu machen, daß sie an den abgenutzten Stellen etwas zusammengedrückt
und nochmals eingesetzt wird oder auch umgekehrt eingesetzt wird, d. h. das abgenutzte
Zylinderende nach außen und das weniger abgenutzte Zylinderende an den Zylinderkopf.
Die harten mineralischen Aschenrückstände beim Betriebe mit pulverförmigen Brennstoffen,
welche besonders den schnellen Verschleiß und die Abnutzung der bisherigen Gußseelen
herbeiführen, können der Hartseele infolge ihrer großen Sprödigkeit nicht sehr gefährlich
werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die bessere und intensive Kühlung
der Hartseele. Man kann einmal die Kühlschlange bis unmittelbar an den Zylinderdeckel
heranführen und somit auch den Zylinderkopf heftiger kühlen als bisher möglich war,
weil man das Zylinderkopfende aus vollem Material herstellen mußte. Anderenteils
berührt das Kühlmittel die Hartseele unmittelbar, und das Wasser strömt mit viel
größerer Geschwindigkeit durch die Kühlkanäle io und i i. Es kann also mehr Wärme
abgeleitet werden. Es ist möglich, das Kühlwasser in Dampfform in den Kanälen überzuführen
und diesen Dampf zum Heizen oder sonst nutzbringend zu verwerten. Das Kühlwasser
hat bisher im allgemeinen eine Abgangstemperatur von qo bis 70°, also nur 2o bis
5o° Nutzwärme wieder abzugeben, welche für weitere Verwertung praktisch nicht sehr
in Frage kommen. Dagegen hat man für das auf ioo bis i3o° und mehr erhitzte Kühlmittel
bei vorliegender Erfindung vielfache Weiterverwendung.