DE725761C

DE725761C - Pistons, in particular light metal pistons for high-speed internal combustion engines

Info

Publication number: DE725761C
Application number: DEM147449D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Alexander Garve; Dipl-Ing Willi Schwarz
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1940-04-03
Filing date: 1940-04-03
Publication date: 1942-09-29

Description

Kolben, insbesondere Leichtmetallkolben für schnellaufende Brennkraftmaschinen Erfahrungsgemäß werden die Kolben von" Brennkraftmaschinen bei höherer Belastung durch die auftretenden hohen Temperaturen an dem dem Brennraum zugekehrten Kolbenboden leicht zer§tört. Um dies zu vermeiden, hat man daher Kolben mit besonderen Kühleinrichtungen gebaut. Diese Kolbenkühlung setzt jedoch den thermischen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine herab und bedingt eine verwickelte Bauart des Kolbens. Außerdem bereitet die Weiterleitung der vom Kolben aufgenommenen Wärmemenge erhebliche Schwierigkeiten. Bei Flugmotoren beispielsweise erfordert die Rückkühlung von am Kolben erwärmtem Öl entsprechende Kühlflächen, die eine Vergrößerung des Flugwiderstandes bedingen. Man hat auch bereits Leichtmetallkolben gebaut, die am Boden mit besonderen Platten aus warmfesten Metallen versehen sind. Auch diese Platten haben jedoch Nachteile. Wegen des höhen spezifischen Gewichtes der warmfesten Sondermetalle werden sie sehr schwer. Es bereitet daher Schwierigkeiten, sie derart am Kolben zu befestigen, daß sie den .durch die hin und her gehende Bewegung -des Kolbens entstehenden Massenkräften standhalten. Ferner wurde infolge der guten Wärmeleitzahl dieser Schutzplatten das unter ihnen befindliche Leichtmetall häufig noch sehr stark erhitzt, so daß .es schmolz. Wesentlich aber ist, .daß die Platten aus warmfesten Metallen unter Umständen selbst noch angegriffen wurden. Neben der, insbesondere bei Zweitakt - und Dieselbrennkraftmaschinen, hohen Verbrennungstemperatur ist hierfür der im Zylinder vorhandene Luftüberschuß verantwortlich zu machen, der bewirkt, daß die Kolbenplatten wie von einer Sauerstoffflamme angefressen werden.Pistons, in particular light metal pistons for high-speed internal combustion engines Experience has shown that the pistons of "internal combustion engines" are subject to higher loads due to the high temperatures occurring on the piston crown facing the combustion chamber easily destroyed. In order to avoid this, one therefore has pistons with special cooling devices built. However, this piston cooling sets the thermal efficiency of the internal combustion engine down and requires an intricate design of the piston. It also prepares the forwarding the amount of heat absorbed by the piston considerable difficulties. With aircraft engines For example, the recooling of oil heated on the piston requires appropriate Cooling surfaces that cause an increase in flight resistance. One already has Light alloy pistons built on the bottom with special plates made of heat-resistant metals are provided. However, these plates also have disadvantages. Because of the altitude specific The weight of the heat-resistant special metals makes them very heavy. It therefore prepares Difficulty attaching them to the piston in such a way that they can and forthcoming movement of the piston withstand the resulting inertia forces. Further became the one below them due to the good thermal conductivity of these protective plates Light metal is often very hot so that it melted. But essential is, .that the plates made of heat-resistant metals may still be attacked themselves became. Besides that, especially with two-stroke - and diesel internal combustion engines, the high combustion temperature is the excess air present in the cylinder to blame, which causes the piston plates like an oxygen flame be eaten.

Keramischer Werkstoff ist demgegenüber widerstandsfähiger, jedoch hat man von seiner Verwendung als Kolbenschutzplatte in der Praxis bisher Abstand genommen, weil verschiedene Nachteile dagegen - zu sprechen schienen. In erster Linie schien bisher die geringe Festigkeit der keramischen Stoffe ihrer Anwendung als Kolbenschutz glatt im Wege zu stehen. Sodann ist der große Unterschied in der Wärmedehnung `zwischen der Schutzplatte aus keramischem Werkstoff und dem Leichtmetallkolben beachtlich, da bei hohen Betriebstemperaturen ein Lockern und damit Schlagen der Schutzplatte eintreten kann.Ceramic material, however, is more resistant one has so far distanced itself from its use as a piston protection plate in practice taken because various disadvantages - seemed to speak against it. First Line seemed to be the low strength of the ceramic materials of their application up to now to stand in the way as a piston protection. Then the big difference is in that Thermal expansion `between the protective plate made of ceramic material and the light metal piston Considerable, since at high operating temperatures a loosening and thus knocking of the Protective plate can enter.

Urfi diesen Schwierigkeiten zu begegnen, wird erfindungsgemäß die Kolbenschutzplatte aus keramischer Masse derart ausgebildet, daß die gegen den metallischen Kolbenkörper anliegende. dem Verbrennungsraum abgewendete Oberfläche -der Schutzplatte die Form eines Druckgewölbes aufweist, auf welches die Massenkräfte bei der Kolbenverzögerung und -beschleunigung vor, im und nach dem oberen Totpunkt in der Hauptsache als Druckkräfte wirken und als solche auf ringförmige Berührungsflächen am Kolben übertragen werden.Urfi to meet these difficulties, according to the invention Piston protection plate made of ceramic mass formed in such a way that the against the metallic Piston body abutting. Surface of the protective plate facing away from the combustion chamber has the shape of a compression arch on which the inertia forces during piston deceleration and acceleration before, in and after top dead center mainly as pressure forces act and are transferred as such to annular contact surfaces on the piston.

Im ersten Teil des Kolbenaufwärtsganges wird die Nasse der, Schutzplatte beschleunigt. Es treten demzufolge Kräfte auf, die die Schutzplatte fest gegen den Kolben drücken. Gegenüber diesen Druckkräften ist die keramische Platte weitgehend unempfindlich. Im oberen Teil des Kolbenaufwärtszuges treten dagegen infolge der starken Kolbenverzögerung bis zum oberen Totpunkt Massenkräfte in der Schutzplatte auf, die nach aufwärts gerichtet und bestrebt sind, die Schutzplatte vom Kolben zu lösen. Diese Massenkräfte erzeugen bei der bisher üblichen Schutzplattenausbildung Biegungskräfte, denen das keramische Material nicht gewachsen ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung :der keramischen Schutzplatte in Gewölbeform wirken die Massenkräfte jedoch auch im oberen Teil des Köl,benaufwärtsganges in der Hauptsache als Druckkräfte auf die Schutzplatte und werden als solche auf ringförmige Berührungsflächen am Kolben übertragen. Nach der Kölbenumkehr, also beim Kol.benabwärtsgang, treten die gleichen Erscheinungen auf, d. h. im oberen Teil des Kolbenabwärtsganges wirken auf die Schutzplatte auch .Massenkräfte, die bestrebt sind, die Platte vom Kolben zu lösen, während im unteren Hubteil die Massenkräfte in Richtung der Kolbenbewegung wirken. Die erfindungsgemäße Gewölbeform der keramischen Schutzplatte wirkt sich also in den Teilen des Kolbenaufwärtsganges und -abwärtsganges aus, die dem oberen Kolbentotpunkt benachbart sind sowie natürlich im oberen Totpunkt selbst. Wenn auch die Massenkräfte nach Kolbenumkehr im oberen Totpunkt in der Regel durch die auf die Platte entgegengesetzt wirkenden Verbrennungsdrücke aufgehoben werden, . muß doch beim Betrieb einer Brenn= kraftmaschine auch damit gerechnet werden. daß bei der Bewegung derKol@ben nicht immer Zündungen auftreten, wie dies insbesondere beim Abstellen des Motors der Fall ist. Ein weiterer Vorteil der Gewölbeform ist die gute Anpassung an die Erfordernisse der Brennraumgestaltung. Außerdem hat sie zur Folge. daß auch bei in der Platte auftretenden Rissen nicht unbedingt eine Zerstörung der gesamten Platte eintreten muß. Um das Lokkern der Platte während des Betriebes zu vermeiden, besteht in Weiterausbildung der Erfindung ein Teil der Berührungsflächen zwischen dein metallenen Kolbenkörper und der keramischen Schutzplatte aus -schwach konischen Flächen, so daß bei stärkerer Dehnung des die Schutzplatte umgebenden Leichtinetalles die Verbindung nicht lockerer, sondern höchstens noch fester wird.In the first part of the piston upward gear, the wet is the, protective plate accelerated. There are consequently forces that the protective plate firmly against the Press the plunger. The ceramic plate is largely resistant to these compressive forces insensitive. In the upper part of the piston upward pull, however, occur due to the strong piston deceleration up to top dead center inertia forces in the protective plate on, which are directed upwards and strive to remove the protective plate from the piston to solve. These inertial forces are generated in the previously usual protective plate design Bending forces that the ceramic material cannot cope with. In the inventive Formation: the ceramic protective plate in the form of a vault is affected by the inertial forces but also in the upper part of the Köl, benaufwärtsganges mainly as pressure forces on the protective plate and as such on the annular contact surfaces Transfer piston. After the piston is reversed, i.e. when the piston is down, the equal phenomena, d. H. act in the upper part of the piston down gear on the protective plate also. Mass forces that strive to remove the plate from the piston to solve, while in the lower stroke part the inertia forces in the direction of the piston movement works. The vault shape of the ceramic protective plate according to the invention has an effect So in the parts of the piston up and down gear from the upper Piston dead center are adjacent and, of course, in top dead center itself. Even if the inertia forces after piston reversal in top dead center usually through the the plate counteracting combustion pressures are eliminated,. got to but this can also be expected when operating an internal combustion engine. that at The movement of the pistons does not always cause ignitions, as is the case in particular with the Stopping the engine is the case. Another advantage of the vault shape is that good adaptation to the requirements of the combustion chamber design. She also has to Episode. that even in the case of cracks occurring in the plate, it does not necessarily result in destruction the entire plate must occur. To the locomotive core of the plate during operation To avoid, there is a part of the contact surfaces in a further development of the invention between your metal piston body and the ceramic protective plate made of weak conical surfaces, so that with greater expansion of the surrounding the protective plate Light metal the connection does not become looser, but at most even tighter.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele von Kolben mit keramischer ' Schutzplatte, entsprechend der Erfindung, dargestellt, und zwar zeigen: Abb. i einen Längsschnitt durch einen Kolben, bei dem die Schutzplatte den ganzen oberen Kolbenteil bedeckt, Abb. 2 einen Längsschnitt durch einen Kolben, bei dem .die Schutzplatte nur den zentralen Teil des Kolbenbodens schützt.In the drawing, several embodiments of pistons are with ceramic 'protective plate, according to the invention, shown, namely show: Fig. I a longitudinal section through a piston, in which the protective plate covers the whole upper part of the piston, Fig. 2 is a longitudinal section through a piston, in which .the protective plate only protects the central part of the piston crown.

Abb. 3 einen Längsschnitt durch einen Kolben, bei dem der die Schutzplatte ringförmig umgebende metallische Kolbenboden mit radialen Schlitzen versehen ist, und Abb. .I eine Draufsicht auf den Kolben von Abb. 3. .Fig. 3 is a longitudinal section through a piston in which the protective plate the ring-shaped surrounding metallic piston crown is provided with radial slots, and Fig. .I is a plan view of the piston of Fig. 3..

Der Kolben i nach der Abb. i zeigt eine keramische Schutzplatte 2, die den Kolbenboden in seiner gesamten Ausdehnung bedeckt, während bei dem Kolben nach der Abb. 2 .die keramische Schutzplatte 2 nur den zentralen Teil des Kolbenbodens gegen den Angriff :der heißen Brenngase schützt und von einem ringförmigen Teil 3 des metallischen Kolbenkörpers i umgeben ist. In beiden Ausführungsbeispielen besteht ein Teil der Berührungsflächen zwischen dem metallenen Kolbenkörper i und der Schutzplatte 2 aus schwach konischen Ringflächen 4 und 6. Diese Flächen hauen den Zweck, die Berührung der Schutzplatte und des Kolbenkörpers auch bei unterschiedlicher Wärmedehnung während es Betriebes nicht .aufzuheben. Infolge der Konizität der Berührungsflächen wird bei einer Verschiebung des die Schutzplatte umgebenden ringförmigen Kolbenhubes nach außen eine noch erhöhte Anpressung der Schutzplatte erreicht. Eine Lockerung derselben ist .daher ausgeschlossen.The piston i according to Fig. I shows a ceramic protective plate 2, which covers the piston crown in its entire extent, while with the piston According to Fig. 2. the ceramic protective plate 2 only the central part of the piston head against attack: the hot combustion gases and protects from an annular part 3 of the metallic piston body i is surrounded. In both embodiments there is part of the contact surfaces between the metal piston body i and the protective plate 2 from slightly conical annular surfaces 4 and 6. This Surfaces hew the purpose of touching the protective plate and the piston body even with different Thermal expansion cannot be canceled during operation. As a result of the conicity of the contact surfaces is when the ring-shaped piston stroke surrounding the protective plate is displaced an even higher pressure of the protective plate on the outside is achieved. A relaxation the same is .therefore excluded.

Die keramische Schutzplatte 2 wird zweckmäßig in den Kolben eingegossen, d. h. der metallische Kolbenkörper i wird um die fertige Schutzplatte, die in die Kolbenform eingelegt ist, herumgegossen. Da jedoch die Wärmeausdehnung der Schutzplatte 2 im Vergleich zu derjenigen des umgebenden Metalls sehr klein ist, kann es vorkommen, daß bei der Erstarrung nach dem Gießen in dem die Schutzplatte 2 umgebenden ringförmigen oberen Teil des metallenen Kolbenkörpers i zu hohe Tangentialspannungen durch Schrumpfung entstehen. Um dem zu begegnen, ist -der obere Kolbenteil, wie in der Abb. 3 dargestellt, eingeschlitzt. Zwischen den Schlitzen 7 bleiben einzelne Zinnen 8 stehen (s. Abb. 4.), die infolge größerer Beweglichkeit den Schrumpfspannungen besser nachgeben und die auf die Schutzplatte dabei ausgeübten Kräfte vermindern. Um die elastische Beweglichkeit noch weiter zu erhöhen, kann man die in der- rechten Kolbenhälfte der Abb. 4 gezeigte ringförmige Aussparung 9 vorsehen, durch -welche die elastische Länge der einzelnen Zinnen 8 noch vergrößert wird. 'Bei der Ausbildung :der Schutzplatte 2, entsprechend der linken Kolbenhälfte in Abb. 3, ist der engste Querschnitt io, welcher» die Zinnen 8 mit dem übrigen Kolbenkörper verbindet, schon von vornherein klein gewählt, so daß sich hier eine Erhöhung der Elastizität der Zinnen 8 durch eine besondere Ausnehmung erübrigt. Wenn es mit Rücksicht auf die Beherrschung des Wärmeflusses im Kolben oder die Kolbenringabdichtung oder zur Vermeidung sonstiger Nachteile notwendig erscheint, können nach dem Guß die Aussparungen 9 und die Schlitze 7 mit Metall, keramischer Masse oder anderen geeigneten Werkstoffen ausgefüllt werden.The ceramic protective plate 2 is expediently poured into the piston, d. H. the metallic piston body i is around the finished protective plate, which is in the Piston shape is inserted, poured around. However, since the thermal expansion of the protective plate 2 is very small compared to that of the surrounding metal, it can happen that that during solidification after casting in the ring-shaped surrounding the protective plate 2 upper part of the metal piston body i too high tangential stresses due to shrinkage develop. To counter this, -the upper part of the piston, as shown in Fig. 3, slotted. Individual battlements 8 remain between the slots 7 (see Fig. 4.), which yield better to the shrinkage stresses due to greater mobility and reduce the forces exerted on the protective plate. To the elastic The right half of the piston can be used to increase mobility even further the Fig. 4 provide annular recess 9 through which the elastic Length of the individual battlements 8 is increased. '' During training: the protective plate 2, corresponding to the left piston half in Fig. 3, the narrowest cross-section is io, which “connects the battlements 8 with the rest of the piston body from the start chosen small, so that here an increase in the elasticity of the battlements 8 through a special recess is unnecessary. If with regard to the mastery of the Heat flow in the piston or the piston ring seal or to avoid other Disadvantages appears necessary, the recesses 9 and the slots can after the casting 7 can be filled with metal, ceramic mass or other suitable materials.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Pistons, especially light metal pistons, for high-speed Internal combustion engines, with a protective plate made of fireproof material inserted in the piston crown ceramic material, characterized in that -the against the metallic piston body (i) adjacent surface of the protective plate (2) facing away from the combustion chamber has the shape of a compression arch on which the inertia forces during piston deceleration and acceleration, before, in and after top dead center mainly as Pressure forces act and as such on annular contact surfaces (4, 6) on the piston be transmitted.

2. Piston according to claim i, characterized in that one part .the contact surfaces between .the metallic piston body (i) and the protective plate (2) consists of slightly conical ring surfaces (q., 6).

3. piston according to claim i, characterized in that .that the upper part of the piston body receiving the bulkhead plate (i) is provided with radially extending slots (7) extending from the piston circumference to reach the protective plate (2). q .. piston according to claim i and 3, characterized in that that the slots (7) are filled with a suitable material after the piston has been cast are.