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Kolben für ßrennkraftmaschinen Die' Kolben bei Brennkrnftmaschinen
werden mit Kolbenringen ausgerüstet und müssen hauptsächlich am Kolbenboden und
in dem Kolbenringteil ein sehr. großes Spiel gegenüber der Zylinderwand erhalten,
weil die hohen, in Brennkraftmaschinen auftretenden Temperaturen eine sehr starke
Wärmeausdehnung des Kolbens verursachen. Dieses große Spiel am Kolbenboden bringt
es mit sich, daß die Kolbenringe, besonders der dem Kolbenboden benachbarte, durch
unmittelbares Aufschlagen der Verbrennungsgase und unmittelbare Erhitzung außerordentlich
stark beansprucht werden. Damit sind unter anderem folgende Unzuträglichkeiten verbunden.
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Bei der Verpuffung schlagen die Gase in das Kurbelgehäuse durch. Der
Sitz des ersten Kolbenringes verschlechtert sich rasch durch zu starke Erwärmung
des Kolbenwerkstoffes; dies trifft hauptsächlich bei Leichtmetall zu, gilt jedoch
auch, wenn auch in geringerem Maße, für Grauguß. Die Schmierverhältnisse in der
Zone der Kolbenringe werden wegen der hohen Drücke, die auch noch am zweiten und
teilweise am dritten Kolbenring auftreten, und wegen der großen Hitze der durchblasenden
Verbrennungsgase sehr ungünstig, weil bei den hier auftretenden Temperaturen das
Öl verbrennt. Zusammen mit den Rückständen der Ölkohle ergibt sich dadurch eine
rasche Abnutzung der Zylinder, ein Übelstand, der bisher noch nicht wirksam vermieden
werden konnte.
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Der verhältnismäßig große Zwischenraum zwischen Kolbenboden und Zylinder,
bei Flugmotoren bis zu i mm bei i 5o mm Durchmesser, begünstigt ein Festsetzen von
Ölkohle am Kolbenbodenrand. Diese Ölkohle brennt sich in das weichere Kolbenmaterial
ein und führt zu einer schmirgelnden Wirkung, die zusammen mit abgenutzten Teilen
des Kolbens selbst die Zylinderabnutzung unterstützt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Verhältnisse zu verbessern.
Der Erfolg soll dadurch erreicht werden, daß unter Anwendung besonderen Werkstoffes
der Zwischenraum zwischen Kolben und Zylinder am Kolbenboden auf ein Kleinstmaß
beschränkt wird, nämlich gleich oder kleiner, als der Zwischenraum gehalten ist,
der gewöhnlich am übrigen Teil des Kolbenschaftes vorgesehen wird.
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Man hat schon bei Leichtmetallkolben Führungsringe oder ringförmige
Kolbenringtragkörper aus widerstandfähigem Metall, z. B. Nickelstahl, verwendet,
das auch einen geringeren Wärmedehnungskoeffizienten besitzt als Leichtmetall (dem
Wert nach etwa die Hälfte desjenigen von Leichtmetall) und infolgedessen den großen
Spielraum zwischen Leichtmetallkolben und Zylinderbohrung teilweise überbrücken
kann. Es ist aber hiermit nicht gelungen, das Kolbenspiel in der Nähe des Kolbenbodens
auf denjenigen Betrag herabzumindern, der etwa dem gebräuchlichen Spiele eines Graugußkolbens
an dem kühleren führenden Teil des Kolbenschaftes gegenüber einem Graugußzylinder
entspricht; denn die Temperatur des Kolbens in der Nähe des Kolbenbodens beträgt
an sich schon etwa das
Vierfache der Zylindertemperatur, und. entsprechend
groß ist auch die tatsächliche Wärmeausdehnung bei dieser hohen Temperatur trotz
des niedrigeren Wärmedehnungskoeffizienten.
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Dazu kommt, daß bei den erwähnten bekannten Anordnungen mit diesen
Metallen, deren Wärmeleitfähigkeit wesentlich geringer ist als diejenige der Leichtmetalle,
zugleich der Wärmeabfluß vom Kolbenboden zum gekühlten Zylinder behindert ist und
sich dadurch die an sich schon hohe Temperatur dieser Führungsringe im Betrieb gegenüber
derjenigen des Zylinders noch weiter erhöht.
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Am ungünstigsten werden die Verhältnisse, wenn man, wie ebenfalls
schon vorgeschlagen, den ganzen Kolbenboden aus solchem widerstandsfähigen, aber
schlechter wärmeleitenden Metall, z. B. Nickelstahl, anfertigt. Hier ergeben sich
Temperaturen von mehr als 5oo°, die zu vorzeitigen Zündungen des Gemischs führen
und dadurch die Maschine verwendungsunfähig machen können.
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Erst dadurch, daß ein Ring aus einer Legierung von geringem Wärmedehnungskoeffizienten,
aber auch geringer Wärmeleitfähigkeit angewendet wird, der den Wärmezutritt aus
dem Verbrennungsraum zum Leichtmetallkolben und von ihm über die Kolbenringe zum
Zylinder nicht wesentlich behindert, ist es gelungen, durch jenen Ring den für die
Wärmeausdehnung des Kolbenbodens in derZylinderbohrung nötigen Spielraum so weit
zu überbrücken, daß er etwa gleich klein wird wie der sehr geringe Spielraum zwischen
dein führenden Teil des Kolbenschaftes und der Zylinderbohrung.
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Der Wärmedehnungskoeffizient des für jenen Ring verwendeten Werkstoffes
muß sich demnach zu demjenigen des. Zylinderwerkstoffes umgekehrt verhalten wie
die Betriebstemperatur des Ringes zu der des Zylinders, d. h. bei einem Graugußzylinder
von etwa iio° Betriebstemperatur und einem Wärmedehnungskoeffizienten von o,oooi2
muß bei einer Betriebstemperatur der Kolbenbodenrandzone von etwa 40o° der Wärmedehnungskoeffizient
des Ringwerkstoffes etwa o,ooo04 sein, so daß als Werkstoff eine Nickel-Stahl-Legierung
von 4o bis 42 °/a Nickelgehalt in Betracht kommt (gegenüber einem Nickelgehalt von
etwa 2 bis 5 % Nickel bei sogenanntem Nickelstahl).
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele' des Erfindungsgegenstandes
in schematischer Weise dargestellt.
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Fig. i zeigt einen erfindungsgemäß ausgestatteten Kolben im Längsschnitt.
Fig. 2 ist ein Schnitt nach Linie II-II der Fig. i, Fig. 3 ein Längsschnitt einer
zweiten Ausführungsform, Fig. 4 ein Schnitt nach Linie IV-IV der Fig. 3, Fig. 5
ein Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform.
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Gemäß Fig. i und 2 ist an einem normalen Kolben b, der aus Leichtmetall,
einer Leichtmetallegierung oder auch aus Grauguß bestehen kann, ein Winkelring d
aus einem Werkstoff mit wesentlich geringerer Wärmeausdehnung als der Werkstoff
des Kolbens angeordnet, und zu seiner Befestigung wird ein Blechstreifen f aus gleichem
Werkstoff wie der Winkelring unterhalb des Kolbenbodens durch die Kolbenwandung
hindurchgeführt und dann durch Schweißen mit dem Winkelring verbunden. Zwischen
Winkelring und Kolbenboden ist am Umfang des letzteren so viel Spielraum gelassen,
daß der Winkelring nicht durch die Wärmeausdehnung des eigentlichen Kolbens in Mitleiden-.
schaff gezogen wird.
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Gemäß Fig. 3 und 4 ist die Befestigung des Winkelringes a in 'der
Weise bewirkt, daß der Blechstreifen f durch eine Durchbrechung des Winkelringes
hindurchgeführt und durch Verstemmen mit letzterem verbunden ist.
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Gemäß Fig. 5 ist der Winkelring a in dem Kolbenboden eingegossen.
Bei dieser Verbindungsweise bildet sich beim Erstarren des Kolbenwerkstoffes ein
Spalt zwischen Kolben und Winkelring, so daß die Wärmeausdehnung des Kolbenwerkstoffes
im Betriebszustand den Winkelring nicht beeinflußt.
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Der Ring a könnte auch dann, wenn er nicht in den Kolben eingegossen
ist, ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach Fig.5 am Kolben befestigt werden.