-
Arbeitskolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf
einen Arbeitskolben für Brennkraftmaschinen von hoher Wärmebelastung und hoher Dauerleistung
mit einem oder mehreren Dichtungsringen und mit einer Drosselstelle am Übergang
des Kolbenbodens in den Schaft; im besonderen betrifft sie die Lösung der Aufgabe,
den Wärmefluß vom Kolbenboden zum Kolbenschaft derartig zu leiten, daß ein Festwerden
der Kolbenringe vermieden wird.
-
Früher ging man von der Vorstellung aus, der Kolbenkörper müsse als
Wärmeleiter für den widerstandsfreien Wärmefluß von der Bodenmitte zum Zylinderschaft
ausgestaltet werden, um einen glatten Wärmeablauf zu haben, der ein Festwerden der
Kolbenringe ausschließt. Es zeigte sich indessen, daß dies' nicht zu den gewünschten
Ergebnissen führte und daß den Ringen mehr Wärme zugeleitet wurde, ,als sie unter
betriebsbrauchbarer Temperatur abzuführen imstande sind. Es wurde der Kolbenringbereich
auf Temperaturen gebracht, bei denen das Verkoken des Schmieröls und die Bildung
fester Bestandteile aus dem Brennstoff begünstigt wurden, was ein schnelles Festwerden
der Kolbenringe zur Folge hatte.
-
Es sind zwar bereits Versuche unternommen worden, den Wärmefluß zu
unterbrechen .oder ihm einen bestimmten Weg zu geben, durch den er von den Ringen
abgeleitet wird. Neben diesen Unterbrechungen des Wärmeflusses, die durch Ringnuten
im obersten Bereich des Zylinderschaftes bewirkt wurden, hatte man auch vorgeschlagen,
im Kolben ringförmige Hohlräume in dessen oberem Bereich vorzusehen, durch welche
der Wärmefluß wenigstens von den obersten Kolbenringen ferngehalten werden sollte.
Auch die Anordnung von Kühlrippen im Kolbeninnern führte nicht zu dem gewünschten
Erfolge, da sie die Wärme vom Kolben nur gleichmäßig abführten und nicht vom Bereich
der Kolbenringe fernhielten.
-
Allein alle diese Ausführungen brachten nicht das gewünschte Ergebnis,
den Zylinderschaft
im Bereich der Kolbenrinbe soweit vor übermäßiger
Wärmezufuhr zu schütze", da13 ein Fest-,verden der Ringe vermieden wurde.
-
Vorliegende Erfindung zeigt nun den Weg, die Temperatur der die Ringe
aufnehmenden 'Teile des Kolbenschaftes derart herabzusetzen, daß das Verkoken des
Schmieröls und die Bildung fester Bestandteile aus dem Brennstoff sowie das Festwerden
der Kolbenriege beseitigt ist. Zu diesem Zwecke wird die Bodenwandstärke des vorzugsweise
ebenen Kolbenbodens nach außen verjüngt, so daß eine Drosselstelle für den Wärinefluß
entsteht, und beiderseits der Bolzenaugen «-erden Kühlrippetl angeordnet, die an
der inneren Wand des Kolbens im Bereich der Kolbenringnuten beginnend radial nach
dem Kolbenboden abnehmend verlaufen. Lm nun die Drosselung des Wärmeflusses zwischen
Kolbenboden und Kolbenschaft noch zu erhöhen, wird der innere Rand des Kolbenbodens
mit Anbohrungen versehen.
-
Ein Ausführungsbeispiel, der Erfindung ist in der Zeichnung lieben
der bisher üblichere Form eines Kolbens dargestellt.
-
Abb. i zeigt im Längsschnitt einen Kolben, und zwar stellt die linke
Hälfte die bisher bekannte übliche Ausführungsform dar, während die rechte Hälfte
eine Ausführung nach der Erfindung zeigt.
-
Abb. 2 zeigt den Kolben nach Abb. i in Allsicht voll unten.
-
In der Abb. i linke Hälfte gibt i die Stärke des Kolbenbodens in der
Mitte an. Beim Übergang des Bodens i in den Bereich 2 del Kolbenringe sind die Querschnitte
durch die innere Abrundung 3 erheblich verstärkt. Der Wärinefluß ist durch Pfeile
veranschaulicht. Die Pfeile 5 stellen den Wärmeübergang aus dem Verbrennungsraum
in den Kolbenboden dar, die Pfeile 6 den Wärmefluß vom Boden i nach dem Ringbereich
2 und dem Kolbenschaft -.. Es ist zu erkennen, daß der Ringbereich erheblich thermisch
belastet wird. Tatsächlich liegen die in letzter Zeit an solchen Flugmotorenkolben
gemessenen Temperaturen in der Nähe des oberen Kolbenringes um 2S5° C. einer Temperatur,
bei der selbst die besten Öle und Brennstoffe erhebliche Rückstandbildung -zeigen,
während andererseits durch Versuche festgestellt werden konnte, daß bei Temperaturen
um -_30-# C die Bildung fester Rückstände aus den Betriebsstoffen verschwindend
gering ist.
-
Die rechte Seite des Kolbens nach Abb. i zeigt eine Ausführung: die
dein Erfindungsgedanken entspricht. Der vorzugsweise ebene Kolbenboden i verjüngt
sich bei dieser Ausführungsform bis zur Stelle 7 des Übergangs in den Ringbereich
2. Statt der üblichen großen Abrundung 3 ist nur eine kleine Abrundung all der Stelle
7 vorgesehen, und es kann zweckmäßig sogar eine Querschnittsverminderung vorgenommen
«erden, und zwar durch die dargestellte Einschnürung j oder durch Bohrurigen B.
Sehr wesentlich ist das @ilbringeil einer großen Anzahl von vorzugsweise radial
stehenden Rippen 9 im Übergangsbereich. Diese Rippen stellen ein Mittel dar, um
die Wärme aus dem Kolbenboden unter Umgehung des Kolbenringbereichs an das Schmieröl
und die Luft im Gehäuse: wirksam abzuführen.
-
Die Verjüngung des Kolbenbodens zum Rand hin und das Vortreiben von
Bohrungen in den Winkel zwischen Boden und Schaft erfolgt aus der neuen Erkenntnis,
daß gerade an dieser Stelle erhebliche Wärmemengen einfallen, die auf diese Weise
auf dem kürzesten Wege all das Schmieröl abgegeben werden, ohne daß dafür die Kolbenringe
in Anspruch genommen werden müssen.
-
:aus Abb.2 ist zu erkennen, daß die radialen Rippen 9 so dicht wie
fertigungst( cliiliscli möglich beieinanderliegen.
-
Die Pfeile 5 (Abb. i ) bedeuten wiederum den Übergang der Wärme in
den Boden; die Pfeile 6 zeigen die Richtung des durch die Wärmestauung und durch
die Heranführung des kühlenden Schmieröls in die Ecken zwischen Boden und Schaft
in den nach außen verjüngten Querschnitten des Kolbenbodens beeinflußten Wärmeflusses.
Es ist zu erkentien, wie der Wärmefluß grundlegend geändert wurde. Statt daß die
Wärme wie bisher den Kolbenringen zufließt, geht sie von dem größten Teil des Kolbenbodens
nicht zu den Kolbenringen, sondern parallel zur Kolbenachse unmittelbar an das Schmieröl.
An der entscheidenden Stelle, dem Ringbereich, ist es sogar gelungen, den Wärmefluß
zur Kolbenachse hinzubiegen und damit die Kol= benringe zu entlasten. Diese wesentliche
Richtungsänderung des Wärmeflusses ist unzweifelhaft zwei Faktoren zuzuschreiben:
i. dem Verzicht auf eine Verstärkung des Kolbenbodens von der Kolbenmitte zum Kolbenrand,
2. der Anbringung einer ausreichenden Anzahl engstehender wirksamer Kühlrippen in
der zwischen Kolbenboden und Kolbenschaft gebildeten, die Ringe aufnehmenden Ecke.
-
Durch ein Verfahren, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, ließ
sich tatsächlich feststellen, daß das Ziel, die Temperaturen an dieser Stelle ganz
erheblich zu senken, wirklich erreicht worden ist.
-
Vergleichsversuche an laufenden Motoren führten unter gleichen betrieblichen
Voraussetzungen dazu, daß die Laufzeiten bis zum
Festwerden der
Kolbenringe gegenüber Kolben der üblichen Art auf ein Vielfaches verlängert werden
konnten. Umgekehrt ist es natürlich auch möglich, bei Inkaufnahme gleicher überhohuzgszeiten
wie bisher die Leistungsausbeute der Motoren zu steigern und damit die Einheitsgewichte
wesentlich zu senken.