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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Kolbenanordnungen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 werden in der US-A-4419925 und US-A-4887518 offenbart.
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Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, dass ein Kolben einer Brennkraftmaschine
mehrere getrennte Abschnitte aufweist, zum Beispiel kann der obere
Abschnitt ein getrenntes Teil sein, das zum Beispiel durch Schrauben
mit dem Kolbenkörper
verbunden ist. Es gibt mehrere bekannte Ansätze zur Abdichtung der Verbindung
zwischen solchen Abschnitten. Die bekannten Ausführungen sind jedoch in der
Regel so, dass die Kolbenringe oder zumindest die Ölringe, über solchen
Verbindungen, das heißt
im oberen Abschnitt des Kolbens, angeordnet sind.
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Die
Abdichtung des oberen Abschnitts eines so genannten Heißverbrennungskolbens
ist besonders problematisch, da der obere Abschnitt in der Regel
aus einem anderen Material hergestellt ist als der Rest des Kolbens.
Die DE-A-3110292 offenbart ein bekanntes Verfahren zur Abdichtung
des oberen Abschnitts eines keramischen Kolbens durch Verwendung
einer Kammstruktur. Das Problem bei dieser Art von Ansatz besteht
unter anderem in der Art und Weise, wie das keramische Teil festgehalten
werden soll.
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In
der US-A-4253430 wird stattdessen die Abdichtung durch getrennte
Dichtungsringe vorgeschlagen. Jedoch ist auch dieser Ansatz nicht
ganz frei von Problemen, da die Befestigung der Ringe im Montagestadium
besondere Genauigkeit erfordert, und Berücksichtigung der Wärmeausdehnung
macht den Ansatz weniger praktikabel.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer neuen Kolbenanordnung für
eine Brennkraftmaschine, bei der die Probleme des Stands der Technik
minimiert sind. Eine besondere Aufgabe der Erfindung besteht in
der Bereitstellung einer so genannten Heißverbrennungskolbenanordnung
mit unter dem oberen Abschnitt des Kolbens angeordneten Kolbenringen,
und wobei der obere Abschnitt und der Rest des Kolbens dicht und
eng miteinander in Eingriff stehen. In dieser Beschreibung bezieht
sich ein so genannter Heißverbrennungskolben
auf einen Kolben, bei dem die an die Brennkammer stoßende Fläche aus
einem Material mit verringerter Wärmeleitfähigkeit besteht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch
1 bereitgestellt.
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Die
Dichtungsanordnung basiert zumindest teilweise auf dem Einfluss
der Differenz zwischen den Montage- und Arbeitstemperaturen des
oberen Abschnitts und des Kolbenhemds, vorzugsweise auf den unterschiedlichen
Wärmeausdehnungseigenschaften
des oberen Abschnitts und des Kolbenhemds.
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Die
Leistung kann durch derartige Wahl der Materialen des oberen Abschnitts
und des Kolbenhemds, dass sich ihre Wärmeausdehnungseigenschaften
voneinander unterscheiden, verbessert werden, wobei die Dichtungsanordnung
Gegenflächen
umfasst, die im oberen Abschnitt und im Kolbenhemd vorgesehen sind,
wobei diese Flächen
bezüglich
einander so angeordnet sind, dass ihr gegenseitiger Abstand bei
Arbeitstemperatur der Flächen auf
ein Minimum reduziert ist.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Kolbenanordnung, bei der sich Nuten
der Kolbenringe in einer solchen Position befinden, dass die Verbindungsstelle
des oberen Abschnitts und des Hemds unter Kompressionsdruck funktionieren
muss, wenn die Kolbenanordnung in Betrieb ist.
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Die
Dichtungsanordnung zwischen dem oberen Abschnitt und dem Hemd des
Kolbens umfasst mehrere Flächenabschnitte,
wobei die Flächen
des oberen Abschnitts und des Hemds im Wesentlichen parallel zueinander
sind, wobei sich die Flächen
bei Montagetemperatur in einem ersten Abstand voneinander befinden
und die Richtung der Normalen dieser Flächenabschnitte ungefähr parallel
zur Hauptwärmeausdehnungsrichtung
am Flächenabschnitt verläuft, wobei
die Flächen
bei Arbeitstemperatur in einem zweiten Abstand voneinander beabstandet sind
und der zweite Abstand kürzer
als der erste Abstand ist. Vorzugsweise ist der zweite Abstand im Wesentlichen
so, dass die Flächen
aneinander angefügt
sind.
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Die
Dichtungsanordnung ist vorzugsweise so vorgesehen, dass sie aus
abwechselnden Nuten und Vorsprüngen
im oberen Abschnitt besteht, wobei das Hemd die Gegenflächen so
bildet, dass der Vorsprung einer Gegenfläche immer zur Nut der anderen Gegenfläche weist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
bilden die Gegenflächen
ein Schraubgewinde in Richtung der Längsachse des Kolbens. Vorzugsweise
bilden die Gegenflächen
ein Trapezgewinde in Richtung der Längsachse des Kolbens. In einigen
Fällen
können die
Gegenflächen
auch eine Dichtungsfläche
bilden, die von der Richtung der Längsachse des Kolbens abweicht.
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Die
erfindungsgemäße Dichtungsanordnung umfasst
zweckmäßigerweise
mehrere Gegenflächen,
die betrieblich aufeinander folgend vorgesehen sind und bezüglich einander
so angeordnet sind, dass ihr gegenseitiger Abstand bei Arbeitstemperatur der
Flächen
verringert wird, und dass eine Druckausgleichskammer zwischen zwei
aufeinander folgenden, dicht angeordneten Gegenflächenpaaren
ausgebildet ist.
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Bei
Anwendung der Erfindung besteht der Hemdabschnitt des Kolbens aus
solch einem Material, dass sein Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen
10 × 10–6/K
und 13 × 10–6/K
liegt und der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Materials des oberen Abschnitts in der Regel zwischen 13 × 10–6/K
und 17 × 10–6/K
liegt.
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Es
wird nunmehr eine Ausführungsform
der Erfindung rein beispielhaft mit besonderer Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben, darin zeigen:
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1 schematisch
eine Kolbenanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung für
eine Brennkraftmaschine;
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2 eine
Vergrößerung eines
bei II dargestellten Teils von 1, die die
Dichtungsfläche
zwischen dem oberen Abschnitt und dem Hemd der Kolbenanordnung zeigt;
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3 eine
Vergrößerung eines
bei III dargestellten Teils von 1, die die
Dichtungsfläche
zwischen dem oberen Abschnitt und dem Hemd der Kolbenanordnung zeigt;
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4 eine
Dichtungsfläche
zwischen dem oberen und dem unteren Hemdabschnitt der Kolbenanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung bei Montagetemperatur; und
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5 eine
Dichtungsfläche
nach 4 bei Arbeitstemperatur.
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In 1 bezeichnet
die Zahl 1 allgemein eine Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine, die
einen oberen Abschnitt 2 umfasst, der an die Brennkammer
des Brennkraftmaschinenzylinders anstößt, und ein Kolbenhemd 3 in
Verbindung mit dem oberen Abschnitt. 1 ist stark
vereinfacht und in der Praxis umfasst die Kolbenanordnung mehrere Arten
zusätzlicher
Anordnungen, die hier nicht gezeigt werden.
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Die
Kolbenanordnung 1 umfasst Nuten 4 für Kolbenringe.
Bei der Kolbenanordnung 1 gemäß der Erfindung weisen die
Nuten 4 der Kolbenringe eine solche Position auf, dass
die Verbindungsstelle des oberen Abschnitts 2 und des Hemds 3 unter
Arbeitsdruck funktionieren muss, wenn die Kolbenanordnung in Betrieb
ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
das Material des oberen Abschnitts in der Regel so ist, dass die
Kolbenringe nicht darin vorgesehen werden können.
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Um
eine ausreichende Dichtheit zu gewährleisten, umfassen die Pass-Flächen zwischen
dem oberen Abschnitt 2 und dem Hemd 3 der Kolbenanordnung
Dichtungsanordnungen 1.2, 1.3, die unten beschrieben
werden. Hier umfasst die Dichtungsanordnung sowohl eine Anordnung
parallel zur Längsachse
des Kolbens als auch eine Anordnung, die von der Längsachse
abweicht. Die Dichtungsanordnungen 1.2, 1.3 werden
dadurch bereitgestellt, dass der Einfluss der Differenz zwischen
den Montage- und Arbeitstemperaturen der Kolbenanordnung ausgenutzt
wird. Eine vorteilhafte Dichtungswirkung kann dadurch erzielt werden,
dass die Materialien für
den oberen Abschnitt und das Hemd so ausgewählt werden, dass durch beliebige
Struktur der Dichtungsanordnungen 1.2 bzw. 1.3 durch
das Erreichen der Arbeitstemperatur sich die Gegenflächen in
der Dichtungsanordnung zwischen dem oberen Abschnitt 2 und
dem Hemd 3 aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung bezüglich einander
bewegen, so dass eine ausreichende Dichtheit erreicht oder die Dichtheit
stark verbessert wird. Die Dichtungswirkung kann auch dadurch erreicht
oder verbessert werden, dass der obere Abschnitt 2 des
Kolbens unter Betriebsbedingungen eine höhere Temperatur aufweist als
der Rest der Kolbenanordnung.
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2 zeigt
ausführlicher
die Dichtungsanordnung 1.2, die an die zylindrische Pass-Fläche angepasst
ist und allgemein parallel zur Längsachse des
Kolbens verläuft.
Die Gegenflächen
umfassen mehrere Nuten und Vorsprünge 5, so dass der
Vorsprung einer Fläche
immer zur Nut der anderen Fläche
weist. Hier umfasst die Dichtungsanordnung 1.2 zwischen
dem oberen Abschnitt 2 und dem Hemd 3 des Kolbens
mehrere Flächenabschnitte 2a, 3b, 2b, 3a,
wobei die Flächen
des oberen Abschnitts und des Hemds im Wesentlichen parallel verlaufen.
Diese Art von Pass-Fläche
ist vorzugsweise so angeordnet, dass sie ein Schraubgewinde in Richtung
der Längsachse
der Kolbenanordnung bildet. Das Gewinde ist vorzugsweise ein Trapezgewinde,
wobei die Oberseite des Gewindes im Wesentlichen planar ist. Diese
besondere Form gewährleistet
eine gute Dichtheit, wobei es besonders vorteilhaft ist, ein solches Gewinde
auf die vorliegende Erfindung anzuwenden. Die Nuten an den Gegenflächen sind
vorzugsweise etwas größer als
die Vorsprünge,
wobei die Dichtungsanordnung aufeinander folgende Druckausgleichskammern
zwischen den Flächen 2b–3a enthält, die
zwischen den dichten Flächenkontakten 2a–3b angeordnet
sind. Somit umfasst die Dichtungsanordnung gemäß der Erfindung mehrere betrieblich
aufeinander folgende Flächenabschnitte 2a–3b in
ihrer gegenseitigen unmittelbaren Umgebung sowie Druckausgleichskammern
zwischen zwei solchen Flächenabschnitten.
Betrieblich aufeinander folgend betrifft die Tatsache, dass eine
gewisse Druckdifferenz über
die Dichtungsanordnung vorherrscht, die Gase zum Strömen entlang
einem besonderen Strömungsweg
zum niedrigen Druck neigen.
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3 zeigt
ausführlicher
die Dichtungsanordnung 1.3, die in der Kolbenanordnung
in einer im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Längsachse verlaufenden Richtung
vorgesehen ist. Somit sind die Nuten und Vorsprünge zueinander konzentrisch.
Des Weiteren sind bei dieser Ausführungsform die Nuten der Gegenflächen vorzugsweise
etwas größer als
die Vorsprünge,
wobei aufeinander folgende Kammern 2b–3a zwischen den dichten
Flächenkontakten 2a–3b in
der Dichtungsanordnung vorgesehen sind, während sich die Flächenabschnitte infolge
von Änderungen
und/oder Temperaturdifferenzen bezüglich einander bewegen.
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Die 4 und 5 zeigen
den Einfluss der Wärmeausdehnungsunterschiede
der Materialien und Temperaturänderungen
in der Dichtungsanordnung gemäß der Erfindung. 4 zeigt
die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung
bei Montagetemperatur. Die Ausführung
und das Material der Abschnitte 2, 3 sind derart,
dass an der Dichtungsfläche zwischen
solchen Gegenflächen 2b, 3a,
die sich in Abhängigkeit
von der Anwendung im Betrieb einander annähern, ein gewünschter
Zwischenraum 6 vorgesehen ist. Diese Situation wird in 5 gezeigt. Unter
Betriebsbedingungen bewegen sich die Abschnitte 2 und 3 bezüglich einander
aufgrund der Temperaturänderung,
in der Regel aufgrund eines Temperaturanstiegs, so dass sich die
Fläche 2b der Fläche 3a nähert, wodurch
der Zwischenraum 6 auf den Zwischenraum 6a reduziert
wird. Gleichzeitig wird die Fläche 2a von
der Fläche 3b weggezogen und
der Abstand 6b wird größer.
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Die
gleiche Wirkung kann auch bei einer Dichtungsanordnung in Richtung
der Normalen der Kolbenanordnung oder sogar in einer anderen Richtung
verwendet werden.
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In 4 sind
die Flächen 2b, 3a unter
Montagebedingungen in einem ersten Abstand 6 voneinander
beabstandet. Die Richtung der Normalen dieser Flächen verläuft ungefähr parallel zur Primärwärmeausdehnungsrichtung
an der Fläche,
wodurch unter Betriebsbedingungen die Flächen 2b, 3a in
einem wesentlich kleineren Abstand 5.5 voneinander beabstandet sind.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Anwendungen beschränkt, sondern
es kommen innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche mehrere andere Modifikationen
in Betracht.