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Kolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft einen Kolben
für Brennkraftmaschinen, bei dem in bekannter Weise eine zentral auf dem Kolbenboden
befestigte Wärmeschutzplatte aus widerstandsfähigem Baustoff vorgesehen ist. Die
Erfindung besteht darin, daß die Wärmeschutzplatte auf dem Boden einer aus normalem
Kolbenbaustoff, z. B. aus Gußeisen, bestehenden, als Kolbenringträger dienenden
Glocke aufliegt, die einen die Wärme gut leitenden Kern aus Aluminium o. dgl. umschließt.
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Der Boden von Brennkraftmaschinenkolben ist, da er die Begrenzung
des Verbrennungsraumes bildet, sehr hohen Gastemperaturen ausgesetzt. Ist er ungekühlt,
so kann die ihm zugeführte Wärme nur durch Wärmeleitung nach den kälteren Teilen
des Kolbens, also dem zum Teil mit Kolbenfedern besetzten Kolbenmantel und von dort
an die gekühlte Lauffläche des Motorzylinders abgeleitet werden. Die vom Wärmestrom
innerhalb des Kolbenmaterials zu durchlaufende Leitstrecke wächst demnach etwa proportional
dem Kolbendurchmesser. Je größer der Durchmesser des Kolbens ist, desto höher werden
die Temperaturen an der Oberfläche des Kolbenbodens ansteigen.
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So kommt es, daß z. B. unter den besonders schweren Bedingungen, welche
in schnellaufenden und hochbelasteten Zweita,ktdieselmaschinen vorliegen, ungekühlte
Kolben, welche aus einem einzigen Gußeisenstück bestehen, schon oberhalb eines Durchmessers
von nur 70 mm zu versagen beginnen. Für größere Durchmesser hat man auf dem
Kolbenboden eine in bekannter Weise in der Regel zentral befestigte Wärmeschutzplatte
anzuordnen. Diese besteht zweckmäßig aus einem hochtemperaturbeständigen Stahl,
der dauernd Temperaturen von 6oo bis 700° C verträgt, ohne Schaden zu erleiden.
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Die Verwendbarkeit von ungekühlten Kolben, die in dieser Weise gebaut
sind, findet aber bei schnellaufenden und hochbelasteten Zweitaktdieselmaschincn
wiederum eine Grenze bei einen Kolbendurchmesser von etwa Zoo mm, oberhalb der die
Temperaturen der Kolbenoberfläche auch die für den hochtemperaturbeständigen Stahl
zulässigen Werte übersteigen.
Bis jetzt war es nicht möglich, schnelllaufende
und hochbelastete Zweitaktdieselmaschinen mit einem größeren Zylinderdurch messer
als Zoo mm ohne Kühlung der Kolbeu= durch ein besonderes Kühlmittel zu bauen.' Das
Gebiet der ungekühlten Kolben wird' durch die Erfindung ganz erheblich, und zwar
auf mehr als doppelt so große Durchmesser erweitert.
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Der Wegfall der Kolbenkühlung durch besondere Kolbenkühlmittel ermöglicht
eine wesentliche Vereinfachung in der Herstellung und im Betrieb von Brennkraftmaschinen
und somit eine Verbilligung der Anschaffung und der Unterhaltung. Welche Schwierigkeiten
die Zufuhr des Kühlmittels zum Kolben, insbesondere die Abdichtung dieser Zufuhr
bereitet, geht aus den zahlreichen Vorschlägen zur Behebung dieser Schwierigkeiten
hervor. Die Schwierigkeiten verdoppeln sich noch, ,wenn bei Seeschiffen Seewasser
zur Kühlung für die Kolben verwendet wird. Hierbei muß auf jeden Fall verhindert
werden, daß Seewasser in das Schmieröl gelangt.
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Im kalten Zustand kann der die Wärme gut leitende Kern in dem Mantel
der Glocke so viel Spiel haben, daß er sich erst in warmem Zustand satt in den Mantel
einzuschmiegen und die Wärme auf den Mantel zu übertragen hat. Die Wärmeschutzplatte
kann auch in außerhalb der Kolbenachse liegenden Punkten am Boden der Glocke und
dieser wieder am Kern befestigt sein, jedoch so, daß ihre gegenseitige radiale Verschiebbarkeit
aufrechterhalten bleibt. Die Wärmeschutzplatte kann überdies mit der Glocke durch
kurze, mit selbstschmierendem :Metall (z. B. Gußeisen) unterlegte, nur schwach angezogene
Schrauben verbunden sein.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist auf der Zeichnung
schematisch dargestellt.
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Fig. i zeigt einen Schnitt durch den Kolben einer Brennkraftmaschine.
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Fig. 2 stellt auf der linken Seite eine teilweise :Ansicht von oben
und auf der rechten Seite eine teilweise Ansicht von unten auf die Wärmeschutzplatte
dar.
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Fig.3 ist eine Ansicht der Bußeisernen Glocke von oben.
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Der Brennkraftzvlinder hat einen Mantel i, in welchen die Laufbüchse
2 eingesetzt ist. Auf der Laufbüchse 2 ist der Zylinderdeckel 3 angeordnet, welcher
über einen Anpreßring .. mit dem Mantel i durch Schrauben 5 verbunden ist. Die Hohlräume
6 und 7 sind wassergekühlt. Ein Einspritzventil8, das durch Düsen 9 Brennstoff einspritzt,
kann von einer nicht gezeichneten Pumpe bedient werden.
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Der Kolben der Verbrennungskraftmaschine besteht aus einer Wärmeschutzplatte
i i, die aus hochtemperaturbeständigem Stahl besteht, einer Bußeisernen Glocke 12,
auf deren Boden ;.die Wärmeschutzplatte i i aufliegt und deren .;Mantel 13 als Träger
der Kolbenringe 14 dient, und aus einem die Wärme gut leitenden `Kern 15, z. B.
aus Aluminium, der die dem Boden der Glocke i2 durch die Wärmeschutzplatte i i noch
zugeführte Wärme an den Mantel 13 der Glocke ableitet. In dem Mantel 13 der Glocke
12 legt sich gegen den obersten Dichtungsring 14ein ringförmiger Fortsatz 10.
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Unter der Wärmeschutzplatte i i liegt die Glocke 12, wobei ein zentraler
Bolzen 16 der Wärmeschutzplatte i i in den gut leitenden Kern 15 versenkt ist. Dieser
zentrale Bolzen 16 ist mit einer Verschraubung 17 in die Wärmeschutzplatte i i eingelassen
und wird durch eine Mutter 18 angezogen, unter die eine Scheibe 19 gegen den Kern
15 gelegt ist.
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Die Elemente des Kolbens, d. h. die Wärmeschutzplatte i i, die Bußeiserne
Glocke 12 und der die Wärme gut leitende Kern 15 sind nur in der Achse des Kolbens
durch den zentralen Bolzen 16 verbunden, in radialer Richtung können die Elemente
frei gegeneinander verschiebbar sein. In kaltem Zustand kann der die Wärme gut leitende
Kern 15 so viel Spiel 2o haben, daß er erst in warmem Zustand sich an den Mantel
13 anschmiegt und erst dann seine Wärme auf den Mantel überträgt.
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Es sind verschiedene Sicherheitsbolzen 21 vorgesehen, die in kaltem
Zustand die Rufbiegung des Randes der Wärmeschutzplatte 11, in warmem Zustand die
Ausknickung von Teilen der Platte i i verhindern und außerdem noch die Platte bei
einem Festfressen des ringförmigen Fortsatzes 1o halten. Diese Bolzen 21, die durch
eine Mutter 2.1 gesichert sind, sind nur schwach von Hand angezogen und mit selbstschmietenden
(z. B. Bußeisernen) Distanzhülsen 23 unterlegt, so daß sie ein Schieben auf den
Unterlagen, wie es infolg^c der Dehnungen der Platte notwendig ist, gefahrlos ertragen.
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Ferner sind Bolzen -22 vorgesehen, um die CTnterseite 26 des Kolbens
mit der Glocke 1 2 zu verbinden. Das Ansteigen der Oberflächentemperaturen der Wärmeschutzplatte
i i auf eine genügende Temperatur geschieht in der Hauptsache durch Drosselung des
Wärmestromes an einigen schmalen Auflagestegen (Isolierstegen) 25; die gleichzeitig
als Dichtungsfläche gegen die Verbrennungsgase wirken. Diese Isolierstege 25 können
entweder von der Wärmeschutzplatte i i oder von der Bußeisernen Glocke 12 oder sowohl
von der Wärmeschutzplatte i i wie auch von der Bußeisernen Glocke 12 getragen werden.
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Fig. 2 zeigt links die Wärmeschutzplatte i i in Ansicht von oben,
und rechts in Ansicht von unten. In letzterer Ansicht sind die
Bohrungen
für die Sicherheitsbolzen 21 und der zentralen Bolzen 16 zu- erkennen.
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Fig. 3 zeigt eine Ansicht der gußeisernen Glocke 12- bzw. des Trägers
der Kolbenringe 14 und des ringförmigen Fortsatzes io von oben. Die Sicherheitsbolzen
2i stehen in Ver= bindung mit dem wärmeleitenden Kern i5 und mit,der Wärmeschutzplatte
i i, -die Bolzen 22 in Verbindung mit dem unteren Teil 26 des Kolbens und der Glocke
12.
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Die Isolierstege 25 werden am besten konzentrisch angeordnet. Wenn
die Platte i i, z. B. beim Verbrennungsvorgang, von oben erwärmt wird, tritt zunächst
infolge Wölbung der Platte nur in der Mitte ein axialer Wärmestrom auf. Dann kommt
aber schon der nächste Steg in Kontakt mit der Unterlage, worauf auch hier ein axialer
Wärmestrom zu fließen beginnt, der die Wölbung wieder aufhebt, so daß wieder ein
neuer Steg an die Unterlage gedrückt wird. Das Spiel wiederholt sich, bis alle Stege
25 gleichmäßig tragen.
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Die Platte i i schmiegt sich also so lange ihrer Unterlage stabil
an, als sie von oben beheizt wird. Unstabilität kann jedoch eintreten, wenn infolge
irgendwelcher Umstände die Platte i i schon in unbeheiztem Zustand in der Mitte
nicht berührt bzw. am äußeren Rand aufliegt. Die Beheizung wird darin in der Mitte
stärker als an dem die Unterlage berührenden Rand, und die Platte würde nach oben
auskn.icken. Dieses Ausknicken wird durch den zentralen Bolzen 16 verhindert, der
die Platte i i in der Mitte stets in Kontakt halten soll. Die Beherrschung der radialen
Dehnungsdifferenzen wird von den Bolzen 21 erreicht.
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Von den Stegen 25 aus strömt die Wärme in den Boden der Glocke 12.
Der innere, d. h. der näher an der Kolbenachse gelegene Teil dieses Wärmestromes
durchfließt den Boden in hauptsächlich axialer Richtung und tritt in den Kern 15
über,- dann durch dessen Mantelfläche, die in warmem Zustand ja in Kontakt mit dem
Mantel der Glocke 12 steht, in den letzteren und schließlich durch die Kolbenringe
und die übrigen Teile des Kolbenmantels in den wassergekühlten Zylindereinsatz 2
und 3.
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Der äußere Teil des Wärmestromes dagegen fließt schräg nach außengerichtet
vom Boden der Glocke 12 unmittelbar deren Mantel zu und geht dann ebenfalls durch
die Kolbenringe auf den wassergekühlten Zylindereinsatz 2 und 3 über.
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Hierdurch wird erreicht, daß die Temperatur des Bodens der Glocke
12 über deren Halbmesser annähernd konstant ist, im besonderen also eine überhitzung
der mittleren Teile des Bodens vermieden wird. Der innere `Teil des Wärmestromes
hat zwar den längsten Weg zurückzulegen, verläuft aber dafür 'auf dem größten Teil
seines Weges in dem die Wärme gut leitenden Baustoff des Kerns 15, während der äußere
Teil des Wärmestromes seinen kürzeren Weg ganz in dem die Wärme schlechter leitendep
Baustoff der Glocke 12 zu durchlaufen hat.
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Da ferner der größte Teil des Wärmewiderstandes in den die Wärme stark
drosselnden Stegen 25 liegt, gelingt es, die Wärmeschutzplatte i i recht gleichmäßig
auf der einerseits für ihren Baustoff noch zulässigen, andererseits aber zur wirksamen
Abwehr der Wärme auch erforderlichen Temperatur von etwa 700° C zu halten, die Glocke
12, den Kern 15 und schließlich die Kolbenringe 14 dagegen auf Temperaturen, die
für deren Baustoffe und Betriebsbedingungen ausreichend niedrig sind.