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Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft
einen Leichtmetallkolben, bei welchem außer den federnden, als Kompressionsringe
dienenden gußeisernen Ringen noch Ringe von größerer Axialhöhe aus einem Nichteisenmetall
in besonderen Nuten angeordnet sind.
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Die Kolbenringe haben neben der Aufgabe, das Durchblasen der Verbrennungsgase
in das Kurbelgehäuse und den Oldurchtritt zum-Verbrennungsraum zu verhindern, auch
die Wärmestauungen im Kolbenboden zu vermeiden, indem sie die Wärme seitlich an
die Zylinderwandung abführen. Seither wurde sowohl die Abdichtung als auch die Wärmeabfuhr
gleichzeitig von jedem einzelnen Kolbenring bewirkt, wobei man bemüht bleiben mußte,
eine für beide Vorgänge geeignete Konstruktion zu schaffen.
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Die gewöhnlichen, aus Eisen bestehenden Kolbenringe haben eine nur
geringe Wärmeleitfähigkeit, weshalb die Gefahr besteht, daß bei den nur mit solchen
Ringen ausgestatteten Kolben die dem Kolbenboden zunächst gelegene Ringnutenzone
infolge der Wärmestauung an Festigkeit verliert und gegebenenfalls zerstört werden
kann.
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Es wurde schon- vorgeschlagen, an Stelle von Abdichtungsringen aus
Eisen solche aus Leichtmetall zu verwenden. Diese könnten an sich in bezug auf Wärmeübertragung
besser wirken als die allgemein üblichen Eisenkolbenringe, sie sind aber deshalb
ungeeignet, weil sie den beim Auf- und Niedergang des Kolbens von den Nutenflanken
ausgehenden Schlagbeanspruchungen bei der durch die Verbrennungsgase verursachten
Hitze nicht standhalten können.
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Es sind ferner Kolben bekanntgeworden, bei denen unterhalb der normalen
Kolbenringe weitere Ringe von größerer Axialhöhe aus
einem Nichteisenmetall
angeordnet waren. Diese zusätzlichen Ringe waren entweder durch Federn oder durch
ölpolster in radialer Richtung nach außen gespannt. Sie haben den Zweck, unabhängig
von der durch die Erwärmung verursachten Ausdehnung des Kolbenschaftes, stets eine
einwandfreie, das lästige und schädliche Kolbenklappern verhindernde Führung des
Kolbens im Zylinder zu ermöglichen. Andere Wirkungen lassen sich mit Hilfe solcher
Tragringe nicht erreichen. Insbesondere ist es nicht möglich, die Wärmeableitung
aus dem Kolben durch die Anordnung solcher Ringe zu verbessern, weil durch s die
zwischen Kolbenschaft und Ringe eingeschalteten Federungsmittel ein Wärmeübergang
von Kolbenschaft auf die Ringe und damit auch auf die gekühlte Zylinderlauffläche
sehr erschwert ist, so daß nach wie vor die Beanspruchung der normalen Kolbenringe
und der Ringnutenzone gleich groß bleibt.
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Demgegenüber soll gemäß der Erfindung die Abdichtung der Kolben gegen
den Durchtritt der Verbrennungsgase einerseits und die i; berleitung der sich beim
Verbrennungsvorgang entwickelnden Wärmemenge auf den Zylinderblock anderseits weitmöglichst
gesondert durchgeführt werden, und zwar mittels Ringen, die unterschiedliche Eigenschaften
und Querschnittsabmessungen besitzen. Die eine Ringart hat den Zweck, im wesentlichen
nur abzudichten, während die andere hauptsächlich nur für die Wärmeabführung vorgesehen
ist, dabei aber auch bei geeigneter Werkstoffwahl ein Glätten der Zylinderlauffläche
bewirken kann. Als Abdichtungsringe sollen bezüglich Werkstoff und Eigenschaften
die bisher gebräuchlichen Kolbenringe aus Eisen, z. B. aus Gußeisen, beibehalten
werden, wobei vorgesehen ist, ihnen eine möglichst geringe axiale Höhe zu geben,
da neben der Gewichtsersparnis bei kleinen Auflageflächen auch die Anpassung besser
ist. Zum Zwecke der Wärmeableitung sollen dagegen erfindungsgemäß Leichtmetallringe
verwendet werden, die in radialer Richtung nach außen bewegbar sind und deren Spannung
geringer ist als die der eisernen Abdichtungsringe. Diese Leichtmetallringe erhalten
eine im Verhältnis zu den eisernen Kolbenringen große Axialhöhe, um eine recht wirksame
Wärmeableitungsfläche zu gewährleisten. Sie sind in den Kolbenschaft derart eingebettet,
daß, da keine Zwischenräume vorgesehen sind, ein ungehemmter Wärmeübergang stattfinden
und der Kolbenmantel auch unmittelbar mit der Zylinderwand in Berührung kommen kann,
wodurch der Wärmeübergang weiter gefördert wird.
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Daneben bieten Leichtmetallringe auch noch den Vorzug, daß durch sie
auf die Zylinderbohrung eine gewisse, die Laufeigenschaften verbessernde Läppwirkung
ausgeübt wird.
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Wie bisher werden die eisernen, unter starker Spannung federnden Abdichtungsringe
im Kölbenkopf nahe dem Kolbenboden unter Belassung einer gewissen Schutzkante vorgesehen.
Die nach der Erfindung zur Wärmeableitung dienenden Ringe werden unterhalb der Abdichtungsringe,
gegebenenfalls zu beiden Seiten der Bolzenaugenzone, eingesetzt und können leicht
federnd ausgebildet sein oder aber aus mehreren fugenlos aneinanderliegenden Segmenten
bestehen, wobei sich derGleitdruck gegen die Zylinderwandung aus der Wärmedehnung
ergibt.
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Die Anzahl, die Größenordnungen und die Lage der Ringe richten sich
jeweils nach Kolbenform, Kolbenausmaß und Verwendungszweck. Die erfindungsgemäße
Kolbenausrüstung kann in Verbindung mit bekannten Einsatzteilen, wie z. B. Ringträgern,
Kolben-, bodenschutzplatten, Drosselscheiben, Kantenbewehrungen u. dgl., ausgestaltet
werden und ist sowohl bei Eisenkolben als auch bei Leichtmetallkolben mit Vorteil
anwendbar.
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Die neue Kolbenausgestaltung bewirkt einen außerordentlich günstigen
Wärmefluß im Kolben selbst und bei der Überleitung zum Zylinderblock. Hierdurch
werden die Abdichtungsringe entlastet, so daß sie ihre Spannkraft länger behalten
und weniger zu Verformungen bzw. Brüchen neigen.
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Neben der durch die schmalen eisernen Abdichtungsringe erzielten Gewichtsersparnis
wird auch deren den Verschleiß hervorrufende wirksame Oberfläche verkleinert, und
im Verein mit einer verschleißhindernden Läppwirkung der leichtmetallenen Wärmeableitungsringe
ergibt sich eine wesentliche Verbesserung der Laufeigenschaften des Kolbens.
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Als Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes zeigt Abb. i einen
Kolben mit je zwei Abdichtungsringen und Wärmeableitungsringen im Längsschnitt,
während Abb. 2 den Kolben nach Abb. t in Ansicht darstellt.
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Abb.3 zeigt die erfindungsgemäße Kolbenausrüstung in Verbindung mit
einem Ringträger für die Abdichtungsringe und .
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Abb. q. in Verbindung mit einer Drosselscheibe.
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Der Kolben i trägt nahe dem Kolbenboden 2 beispielsweise zwei eiserne
Abdichtungsringe 3 von verhältnismäßig geringer axialer Höhe, die mit einem spezifischen
Anpreßdruck von etwa 1,3 kg/cm2 gut dichtend eingesetzt werden. Zwischen diesen
- Abdichtungsringen 3 und den Bolzenaugen q. liegt ein breiter Wärmeableitungsring
5, der aus einem gut wärmeleitenden und zur Laufflächenglättung
geeigneten
Metall, z. B. aus verschleißfestem Leichtmetall, besteht und mit einem geringeren
spezifischen Anpreßdruck, beispielsweise in der Größenordnung von o,3 bis o,5 kg/cm2,
leicht federnd oder aber gegebenenfalls spannungslos eingesetzt ist. Unterhalb des
Bolzenauges q. liegt im Schaftteil 6 ein dem Ring 5 ähnlicher Leichtmetallring 7,
der jedoch in manchen Fällen entbehrlich ist.
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Es zeigt sich, daß der aus den Pfeillinien in Abb. i ersichtliche
Wärmefluß vom Kolbenboden z zu den Ringen 5 und 7 erzielt wird.
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Zum besonderen Schutze der Ringnuten können für die Ringe 3 im Kolbenbau
übliche Ringträger 8 vorgesehen sein. Der Wärmefluß kann im Sinne der Erfindung
durch die Anordnung einer an sich bekannten Drosselscheibe 9 weiterhin günstig beeinflußt
werden.