DE8200418U1 - Internal combustion engine with improved components - Google Patents
Internal combustion engine with improved componentsInfo
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Description
KENNECOTT CORPORATION
Stamford, Connecticut (V.St.AOKENNECOTT CORPORATION
Stamford, Connecticut (V.St.AO
Brennkraftmotor mit verbesserten BauteilenInternal combustion engine with improved components
Die Erfindung betrifft einen Brennkraftmotor mit verbesserten Bauteilen, insbesondere einen Brennkraftmotor für den Betrieb mit Dieselöl, Vergaserkraftstoff oder Alkohol mit verbesserten Bauteilen im Ventilsystem oder Krafterzeugungssystem. Das Ventilsystem erfordert Schmierung und hat die Aufgabe, Kraftstoff der Verbrennungszone des Motors zu- und Abgase aus dieser Zone abzuführen, Es besteht im wesentlichen aus Einström- und Auspuffventilen, Ventilkappen, Ventilführungen, Ventilfederhalteringen, Ventilkipphebeln, Stoßstangen und Stößeln. Das Krafterzeugungssystem soll Leistung an die Antriebswelle des Motors liefern und besteht im wesentlichen aus Auspuffeinrichtungen für die Verbrennungsgase, Zylinderlaufbüchsen, Ventilsitzen, Auspuffauskleidungen, Auspuffleitungen, Flammplatten, Kolben, Kolbenringen, Kolbenbolzen und Pleuelstangen.The invention relates to an internal combustion engine with improved components, in particular an internal combustion engine for operation with diesel oil, carburetor fuel or alcohol with improved components in the valve system or force generation system. The valve system requires lubrication and its job is to fuel the combustion zone of the engine To remove inlet and exhaust gases from this zone, it essentially consists from inlet and exhaust valves, valve caps, valve guides, Valve spring retaining rings, valve rocker arms, bumpers and tappets. The power generation system aims to deliver power to the motor's drive shaft supply and consists essentially of exhaust systems for the combustion gases, cylinder liners, valve seats, exhaust linings, Exhaust pipes, flame plates, pistons, piston rings, piston pins and connecting rods.
Brennkraftmotoren sind in ein wesentlicher Bestandteil der heutigen Zivilisation und im täglichen. Leben fast allgegenwärtig: in Personen- und Lastkraftwagen, Flugzeugen, Diesellokomotiven, selbst in Rasenmähern und Schneegebläsen. Angesichts der derzeit herrschenden Ölverknappung und der TJmweltschutzbemühungen sind Verbesserungen der Leistung oder der Umweltfreundlichkeit von Brennkraftmotoren sehr willkommen und werden rasch verbt. '.tet angewendet.Internal combustion engines are in an essential part of today Civilization and in everyday. Life almost omnipresent: in people and trucks, airplanes, diesel locomotives, even in lawnmowers and snow blowers. Given the current oil shortage and environmental efforts are improvements in performance or the environmental friendliness of internal combustion engines are very welcome and are used quickly. '.tet applied.
Neuerdings ist die Automobilindustrie auf Grund des Abnehmerverhaltens und behördlicher Auflagen bestrebt, das Leistungs-Gewichts-Ver-Recently, the automotive industry is due to consumer behavior and regulatory requirements strive to maintain the power-weight-ratio
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hältnis von Brennkraftmotoren zu verbessern. Da ein leichterer Motor mit höherer Drehzahl laufen und mehr Leistung abgeben kann, wird ein Schwergewicht auf die Entwicklung leichterer Motorbauteile gelegt. Durch Verminderung des Gewichtes und der Trägheitskräfte verringert die Verwendung leichterer Bauteile auch die Beanspruchung dieser Bauteile. to improve ratio of internal combustion engines. Because a lighter engine can run at a higher speed and deliver more power, becomes a Emphasis placed on the development of lighter engine components. Reduced by reducing weight and inertia the use of lighter components also increases the stress on these components.
Die Entwicklung von Bauteilen, die geringere Wärmeverluste als Metall ergeben, ist ebenfalls ein sehr lohnendes Ziel. Je mehr Wärme im Motor bleibt, um so mehr Kraft kann mit einem gegebenen Hubraum erzeugt, die Kraftstoffausnutzung somit verbessert werden.The development of components that have lower heat losses than metal is also a very worthwhile goal. The more heat in the engine remains, the more power can be generated with a given displacement, the fuel economy is thus improved.
^^ Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte bewegte Teile^^ The object of the present invention is to provide improved moving parts
für Brennkraftmotoren zur Verfügung zu stellen. Diese Bauteile sind fester und leichter als Stahl, haben eine sehr viel bessere Wärme-to provide for internal combustion engines. These components are stronger and lighter than steel, have a much better thermal
H beständigkeit und niedrigere Wärmeleitfähigkeit; sie haben eine hö-H resistance and lower thermal conductivity; you have a
fi· 15 here Verschleißbeständigkeit, erleichtern die Einhaltung enger Μαβί*
V toleranzen und ermöglichen dadurch eine Fertigung mit geringeremfi · 15 here wear resistance, facilitate compliance with narrow Μαβί *
V tolerances and thus enable production with lower
r Spiel, das lange erhalten bleibt, auch bei größeren TemperaturSchwankungen. Die Oberflächen der Bauteile haben verbesserte Schmiereigenschaften, so daß Öle oder Schmiermittel verwendet werden können, die keine kostspieligen Additive oder Tenside enthalten. r Play that is maintained for a long time, even with major temperature fluctuations. The surfaces of the components have improved lubricating properties, so that oils or lubricants can be used that do not contain expensive additives or surfactants.
Die vorstehend angegebenen Vorteile werden durch Verwendung v--i ge- @l§ sintertem Siliciumcarbid als Werkstoff für die Herstellung der BauThe advantages above are by using v - i overall @ l§ sintertem silicon as a material for the production of construction
teile erreicht. Als Ausgangsmaterial wird ein Siliciumcarbid in ultrafeiner Form verwendet. Aus diesem Material können Bauteile des Ven-25 tilsystems, wie Ventilführungen, Ventile, Ventilkappen, Kipphebel,parts achieved. As a raw material, a silicon carbide is used in ultra-fine Shape used. Components of the valve system, such as valve guides, valves, valve caps, rocker arms,
«·. Ventilfederhalteringe, Stoßstangen und Stößel, und Bauteile des Kraft-«·. Valve spring retaining rings, bumpers and tappets, and components of the power
t; erzeugungssystems, wie Zylinderlaufbüchsen, Ventilsitze, Auspuff- t ; generation system, such as cylinder liners, valve seats, exhaust
schlitzauskleidungen, Auspuffrohre, Flammenplatten, Kolben, Kolbenringe, Kolbenbolzen und Pleuelstangen, hergestellt werden.slot linings, exhaust pipes, flame plates, pistons, piston rings, Piston pins and connecting rods.
Diese Bauteile vereinigen in sich die Vorteile hoher Wärmebeständigkeit, Härte und-Verschleißbeständigkeit sowie eines geringen Gewichts mit dem weiteren Vorteil, daß ihre Oberflächen ausgezeichnete Hafteigenschaften für Schmiermittel, wie Öl, haben. Wegen der heuteThese components combine the advantages of high heat resistance, Hardness and wear resistance as well as a low weight with the further advantage that their surfaces are excellent Have adhesive properties for lubricants such as oil. Because of today
üblichen hohen Verdichtung, der größeren Wärmeentwicklung und der längeren Intervalle zwischen Ölwechseln bei modernen Brennkraftmoto— ren sind zahlreiche, teilweise exotische Zusätze für Motorpchmiermittel entwickelt worden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bautei-Ie aus gesintertem Siliciumcarbid ßaben Außenflächen, die von Öl benetzt warden. Eine ausgezeichnete Schmierung reibungsbeanspruchf-er Flächen kann auch mit niedrigviskosen Schmiermitteln ohne Zusätze erzielt werden. Daher können Motoren, die diese Bauteile enthalten, mit billigeren, weniger hochwertigen Schmiermitteln geschmiert werden.usual high compression, the greater heat generation and the longer intervals between oil changes in modern internal combustion engines Ren are numerous, sometimes exotic additives for engine lubricants has been developed. The components proposed according to the invention made of sintered silicon carbide have outer surfaces that are wetted by oil be. Excellent lubrication of surfaces subject to friction can also be achieved with low-viscosity lubricants without additives will. Therefore, engines containing these components can be lubricated with cheaper, lower quality lubricants.
Außerdem haben die Bauteile gemäß der Erfindung im Vergleich zu den Metallen, die gebräuchlicherweise zur Herstellung von Brennkraftmotoren verwendet werden, einen sehr niedrigen Reibungsberwert bei, Trockenreibung. Diese Eigenschaft ist wertvoll beim Anlassen des Motors, wenn die Kontaktflächen noch trocken sind, oder wenn durch einen Schaden beim Betrieb des Motors Ölverluste eintreten. In diesen Fällen ist der Verschleiß der trockenen Flächen nicht katastro— phal und führt nicht zu alsbaldigen Ausfall des Motors.In addition, the components according to the invention compared to the Metals commonly used in the manufacture of internal combustion engines are used, a very low coefficient of friction, Dry friction. This property is valuable when starting the engine when the contact surfaces are still dry or when through Damage during operation of the engine Oil losses occur. In these cases the wear and tear of the dry surfaces is not catastrophic. phal and does not lead to an immediate failure of the engine.
Das zur Herstellung der Bauteile als Ausgangsmaterial verwendete Siliciumcarbid ist ein ultrafeines Material, das durch Vermählen, Mah— len in der Kugelmühle oder Mahlen in einer Strahlmühle und anschließendes Klassieren oder Trennen eines aus gröberen Teilchen bestehenden Siliciumcarbids erhalten werden kann. Am besten hat das als Ausgangsmaterial dienende Siliciumcarbid eine maximale Teilchengröße von etwa 5 um und eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,10 bis 2,50 um. Da die Bestimmung der Korngrößenverteilung bei Siliciumcarbid-Pulvern mit Teilchengrößen von weniger als 1 um schwierig ist, kann auch die spezifische Oberfläche zur Auswahl eines geeigneten Materials herangezogen werden. Das zur Herstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bauteile verwendete Siliciumcarbid sollte eine spezifische Oberfläche von 1 bis 100 m2/g haben. Besser ist ein Pulver mit einer spezifischen Oberfläche von 2 bis 50 in2/g und am besten ein solches mit einer spezifischen Oberfläche von 2 bis 20 m2/g.The silicon carbide used as starting material for the production of the components is an ultrafine material which can be obtained by grinding, grinding in a ball mill or grinding in a jet mill and then classifying or separating a silicon carbide consisting of coarser particles. Most preferably, the starting silicon carbide has a maximum particle size of about 5 µm and an average particle size of 0.10 to 2.50 µm. Since it is difficult to determine the particle size distribution of silicon carbide powders with particle sizes of less than 1 μm, the specific surface area can also be used to select a suitable material. The silicon carbide used to produce the components proposed according to the invention should have a specific surface area of 1 to 100 m 2 / g. A powder with a specific surface area of 2 to 50 in 2 / g is better and one with a specific surface area of 2 to 20 m 2 / g is best.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Siliciumcarbid-Bauteile können nach verschiedenen Sinterverfahren hergestellt werden. Am besten werden die Bauteile durch druckloses Sintern oder Reaktionssintern her-The silicon carbide components proposed according to the invention can can be produced by various sintering processes. The components are best produced by pressureless sintering or reaction sintering.
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gestellt. Bei dem im wesentlichen drucklosen Sintern wird das feinverteüte Siliciumcarbid-Ausgangsmaterial mit einer kleinen Menge überschüssigem Kohlenstoff und einem Sinterhilfsmittel gemischt und nach dem Formen in einer inerten Atmosphäre unter im wesentlichen drucklosen Bedingungen bei Temperaturen im Bereich von 1900 bis 2000 0C gesintert. Beispiele von Verfahren zum Herstellen eines für die Bauteile gemäß der Erfindung geeigneten Siliciumcarbid-Sintermaterials sind in den US-Patentschriften 4 124 667 und 4 179 ".99 beschrieben. Eeim Reaktionssintern wird das feinverteilte Siliciumcarbid mit Kohle oder Graphit gemischt. Das Gemisch wird dann unter Zufügen eines temporären Bindemittels in die gewünschte Form gebracht und anschließend erhitzt, um das Bindemittel zu entfernen und einen porösen Körper zu erhalten. In die Poren des porösen Körpers wird Silicium infiltriert. Diese Behandlung wird in der Regel in einem Vakuum-Induktionsofen bei Temperaturen im Bereich von 1400 bis 1900 0C und unter einem Druck voi. etwa 0,65 mbar ausgeführt. Unter diesen Bedingungen infiltriert das Silicium den porösen Körper und bildet dort mit der Kohle oder dem Graphit Siliciumcarbid. Der so erhaltene Körper besteht im wesentlichen aus Siliciumcarbid, enthält aber noch Reste von freiem Silicium, Beispiele solcher Verfahren sind in den US-Patentschriften 2 907 972, 2 938 807,'3 205 043 und 3 495 939 beschrieben. Es ist vorgeschlagen worden, als temporäre Bindemittel Duroplaste zu verwenden und diese später zu verkohlen; um so einen Teil des für die Siliciumcarbid-Bildung aus dem infiltrierten SiIicium benötigten Kohlenstoffs bereitszustellen. Beispiele für eine solche Arbeitsweise sind in den US-Patentschriften 3 947 550 und 4 044 110 beschrieben.posed. Wherein substantially pressureless sintering the feinverteüte silicon carbide raw material is mixed with a small amount of excess carbon and a sintering aid and is sintered after forming in an inert atmosphere under substantially pressureless conditions at temperatures in the range 1900 to 2000 0 C. Examples of processes for producing a silicon carbide sintered material suitable for the components according to the invention are described in US Pat. Nos. 4,124,667 and 4,179 ".99. During reaction sintering, the finely divided silicon carbide is mixed with carbon or graphite Adding a temporary binder to the desired shape and then heating to remove the binder and obtain a porous body. Silicon is infiltrated into the pores of the porous body. This treatment is usually in a vacuum induction furnace at temperatures in the range from 1400 to 1900 ° C. and under a pressure of about 0.65 mbar Under these conditions, the silicon infiltrates the porous body and there forms silicon carbide with the carbon or graphite but still residues of free silicon, examples of such processes are in US-Pa publications 2,907,972, 2,938,807, 3,205,043 and 3,495,939. It has been proposed to use thermosets as temporary binders and to carbonize them later; in order to provide part of the carbon required for silicon carbide formation from the infiltrated silicon. Examples of such a procedure are described in U.S. Patents 3,947,550 and 4,044,110.
Die Bauteile gemäß der Erfindung aus gesintertem Siliciumcarbid werden hergestellt, indem das Sintergemisch in die Form des herzustel- !enden Bauteils gebracht und der Rohling dann gesintert wird. Falls gewünscht, kann das gesinterte Bauteil spangebend bearbeitet oder poliert werden, um es auf die gewünschten Maße zu bririgen. Eine andere, aber kostspieligere und weniger zweckmäßige Methode besteht darin, von einem Block oder einer Stange aus gesintertem Siliciumcarbid auszugehen und das gewünschte Bauteil durch Schleifen oder Spanen zu fertigen.The components according to the invention are made of sintered silicon carbide produced by bringing the sintering mixture into the shape of the component to be produced and then sintering the blank. If if desired, the sintered component can be machined or polished in order to burn it to the desired dimensions. Another, but the more costly and less convenient method is from a block or rod of sintered silicon carbide go out and manufacture the desired component by grinding or machining.
Die Erfindimg betrifft zwar die einzelnen Bauteile des VJentilsystems und des KrafterzBUgungssysteras eines Brennkraftmotors, doch versteht es sich, daß die Gesamtreibung der Motorteile um so niedriger u->.d die Leistung des Motors um so besser ist, je mehr Bauteile gemäß der Erfindung in dem Motor vorhanden sind.The invention relates to the individual components of the valve system and the force generation systeresis of an internal combustion engine, but understand it turns out that the total friction of the engine parts is the lower u ->. d The more components according to the, the better the performance of the engine Invention are present in the engine.
Eine nähere Betrachtung des Ventilsystems zeigt, daß die Ventilführungen meist in den Zylinder nder Zylinderkopf eingepreßt sind. Die Ventilschäfte sind beweglich in den Ventilführungen angeordnet. Einström- und Auspuffventile sind durch Federn in eine Richtung vorge— spannt und werden bei einem obengesteuerten Brennkraftmotor durch Nocken mit Hilfe von Kipphebeln und bei einem Motor mit L-Kopf durch Kolben in die andere Richtung bewegt. Jedes. Ventil besteht aus einem Ventilteller und einem Ventilschaft, der hin- und herbewegbar in einer Ventilführung angeordnet ist. Das Schaftende des Ventils steht entweder direkt oder indirekt über eine Ventilkappe mit einem Kipphebel oder Falben in Verbindung. Die Ventile ermöglichen das Einströmen des rCraftFtoff—Luft-Gemisches in einen Zylinder und das Ausströmen der Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder nach der Zündung. Die günstigste und verbreitetste Anordnung ist die Anordnung mit tiefliegender Nockenwelle, bei der die Ventile über dem Kolben angeordnet sind und durch Niederdrücken in den Zylinder geöffnet τ/ürden. Die Ventilführungen sind im Zylinderkopf angeordnet. Das Ventil wird einerseits durch einen angelenkten, sich horizontal erstreckenden Kipphebel niedergedrückt, der seinerseits bei der Aufwärtsbewegung einer vertikalen Stoßstange betätigt wird, die im wesentlichen rechtwinklig zu dem Ventilschaft angeordnet ist und von einer Nockenwelle mittels eines Stößels nach eben bewegt wird. Der Ventilschaft wird üblicherweise dadurch geschmiert, daß Öl der Kontaktstelle von Kipphebel und Ventilschaft zugeführt und an dem Ventilschaft nach unten fließen gelassen wird, um Ventilschaft und Ven'cilführung zu schmieren. Wegen des sehr geringen Spiels, das meist zwischen Ventilschaft und Führung besteht, gelangt, falls überhaupt, nur sehr wenig von dem. zugeführten Öl an das entgegengesetzte Ende des Ventilschaftes, Solche Ventile arbeiten daher meist trocken mit einem quietschenden, harten Geräusch.A closer look at the valve system shows that the valve guides are usually pressed into the cylinder and the cylinder head. The valve stems are movably arranged in the valve guides. Inflow and exhaust valves are spring biased in one direction and open on an overhead engine Cams with the help of rocker arms and with an L-head engine Piston moves in the other direction. Each. Valve consists of one Valve head and a valve stem, which can be moved back and forth in one Valve guide is arranged. The stem end of the valve is either directly or indirectly via a valve cap with a rocker arm or fallow in connection. The valves allow the inflow the rCraftFtoff-air mixture into a cylinder and the outflow the products of combustion from the cylinder after ignition. The cheapest and most widespread arrangement is the arrangement with a deeper one Camshaft in which the valves are arranged above the piston and opened by pressing down in the cylinder τ / ürden. the Valve guides are arranged in the cylinder head. The valve is on the one hand by a hinged, horizontally extending rocker arm depressed, which in turn is actuated upon the upward movement of a vertical bumper which is substantially perpendicular is arranged to the valve stem and is moved by a camshaft by means of a tappet in a flat direction. The valve stem is usually lubricated by the fact that oil is supplied to the contact point of the rocker arm and valve stem and flows down the valve stem left to lubricate valve stem and valve guide. Because of the very little play, usually between the valve stem and the guide very little, if any, of that gets through. supplied Oil at the opposite end of the valve stem. Such valves therefore usually work dry with a squeaky, harsh noise.
Mit zunehmendem Verschleiß der Führung oder des Ventilschaftes läuftWith increasing wear of the guide or the valve stem runs
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überschüssiges Öl durch die Führung auf den Ventilteller, von wo es bei einem Einströmventil in den Verbrennungsraum gesaugt wird, oderexcess oil through the guide to the valve disc, from where it is is sucked into the combustion chamber at an inlet valve, or
|r wo es bei einem AuspuffVentil mit heißen Abgasen in Berührung kommt.| r where an exhaust valve comes into contact with hot exhaust gases.
<§ In jedem Fall wird das Ol verbrannt, so daß in den Auspuffgasen Rauch<§ In any case, the oil is burned, so that smoke in the exhaust gases
Ij, 5 auftritt und die Umwelt zusätzlich belastet wird. Die erfindungsgemäß Ij, 5 occurs and the environment is additionally polluted. According to the invention
H vorgeschlagenen Ventilführungen und Ventile ermöglichen die ErhaltungH proposed valve guides and valves allow preservation
t eines engen Spiels über lange Zeit — dank der Verschleißbeständigkeitt tight play over a long period of time - thanks to its wear resistance
der Bauteile und der Fähigkeit des gesinterten Siliciumcarbids, diethe components and the ability of the sintered silicon carbide that
§y Schmierung der Flächen zu gewährleisten» d.h. die Flächen benetzt § y to ensure lubrication of the surfaces »ie the surfaces are wetted
10 und mit einem Ölfilm bedeckt zu halten. Ein Kipphebel <*emäß der Er-10 and to keep covered with a film of oil. A rocker arm <* e according to the
■;ΐ findung kann ganz. ius gesintertem Siliciumcarbid oder au.' einem Me-■; ΐ finding can be quite. ius sintered silicon carbide or au. ' a me-
■ί| ^ tall, wie Stahl, bestehen und an den Kontaktstellen, z-.B. mit dem■ ί | ^ tall, like steel, exist and at the contact points, z-.B. with the
^P Ventilschaft oder der Ventilkappe an einer und mit der Spitze der^ P valve stem or valve cap on and with the tip of the
Stoßstange an einer anderen Stelle, Einsätze aus Siliciumcarbid aufweisen. Bumper in a different place, have silicon carbide inserts.
Eine Betrachtung des Krafter jgungssystems zeigt, daß der Kolben ein Kronen- oder Kopfteil hat, der Anzahl von Ringen zum Abstreifen des öls und zum Abdichten der Verbrennungskammer oberhalb des Kolbens von der Ölwanne unterhalb des Kolbens sowie zum Verhindern eines Gas- und Öldurchtritts hält oder enthält. In der Regel sind zwei Dichtuugsringe, auch Kompressionsringe genannt, nahe dem Oberteil des Kolbenkopfes und unter den Dichtungsringen ein oder mehrere ölabstreifringe . vorhanden. Die Kompressionsringe bilden keinen geschlossenen Kreis, ^^ sondern sind fein unterteilt und vorgespannt, so daß sie aus den Nuten,Examination of the force training system reveals that the piston has a crown or head portion that holds or includes a number of rings for wiping off the oil and sealing the combustion chamber above the piston from the oil pan below the piston and preventing gas and oil passage . As a rule, there are two sealing rings, also known as compression rings, near the top of the piston head and one or more oil control rings under the sealing rings. available. The compression rings do not form a closed circle, ^^ but are finely divided and pretensioned so that they come out of the grooves,
in denen sie untergebracht sind, expandieren, sich eng an die Zylinderwand anlegen und auf diese Weise die gewünschte Dichtung herstellen. Der Ölabstreifring oder die Ölabstreifringe verhindern, daß weiteres Öl in den Zylinder gelangt. Wenn daher der Kolben sich in einer Stellung nahe dem oberen Totpunkt befindet, ist wenig oder kein Öl in der Zylinderzone, die an die Kontaktzone des Dichtungsrings angrenzt, so daß es zu einem Verschleiß sowohl des Dichtungsringes als auch der Zylinderwand kommt. Dadurch wird der Kraftstoffverbrauch höher als ohne einen solchen Verschleiß, und im Laufe der Zeit weitet sich der Oberteil des Zylinders aus, der obere Kompressionsring verschleißt, und der Wirkungsgrad des Motors sinkt.in which they are housed expand, clinging tightly to the cylinder wall and create the desired seal in this way. The oil control ring or rings prevent further Oil has entered the cylinder. Therefore, when the piston is in a position near top dead center, there is little or no oil in the cylinder zone which adjoins the contact zone of the sealing ring, so that there is a wear of both the sealing ring and the Cylinder wall is coming. This will make the fuel consumption higher than without such wear, and over time the top of the cylinder expands, the top compression ring wears out, and the efficiency of the motor decreases.
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Der Ober- oder Kopfteil des Kolbens wirkt als Reaktionsfläche für die Verbrennung in dem. betreffenden Zylinder des Motors. Der obere Teil des Zylinders ist von einer Flammenplatte eingeschlossen. Unterhalb des Kopfteils des Kolbens befindet sich ein unten offener Kolbenteil, der den Kolben bei der hin- und hergehenden Bewegung im Zylinder führt. An diesem unten offenen Kolbenteil befinden sich zwei Ansätze mit durchgehenden koaxialen Bohrungen. Durch jede Bohrung ist das Ende eines Kolbenbolzens geführt. Eine Pleuelstange umschließt an einem Ende den Mittelteil des Kolbenbolzens und am anderen Ende eine Kurbelstange. Beim Betrieb des Brennkraftmotors mit hin- und hergehenden Kolben wird eine Antriebskraft, die in der Verbrennungskammer von einem expandierenden Gas erzeugt wird, von dem Kolbenkopf auf die Ansätze, von diesen auf den Kolbenbolzen und dann weiter auf die Pleuelstange und die Kurbelwelle übertragen. Gemäß der Erfindung aus gesintertem Siliciumcarbid bestehende Kolben, Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen ermöglichen die Erhaltung eines sehr engen Spiels zwischen Zylinderwand und Kolbenwand über lange Zeit. Die selbstschmierende Wirkung der Siliciumcarbid-Flächen wirkt sich besonders günstig an den Kontaktzonen von Kolbenringen und Zylinder aus. Dank der Leichtigkeit der Siliciumcarbid-Bauteile, ihrer Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, Korrosion und Erosion eignen sie sich besonders zur Verwendung als Flammplatten, Ventilsitze, Auspuffschlitzauskleidungen und Auspuffrohre, wobei sie einen wirtschaftlicheren Betrieb und eine längere Lebensdauer des Motors ergeben. Kolbenbolzen und Pleuelstangen sowie Kolben und Zylinderlaufbüchsen gemäß der Erfindung lassen sich ebenfalls aus Siliciumcarbid fertigen. Die auf den Kolbenkopf wirkenden Kräfte werden direkt auf den Kolbenbolzen und dann auf die Pleuelstange übertragen. Diese Kräfte suchen den Kolbenbolzen durchzubiegen und verursachen eine Abplattung an dem Teil des Bolzens, der sich mit den Kolbenansätzen in Berührung befindet. Der Bolzen ist dann nicht genau axial zu den Kolbenansätzen ausgerichtet, wodurch ein Teil der Antriebskraft auf die äußersten Enden des Motorzylinders konzentriert wird. Das wiederholte Konzentrieren von Kräften kann zur Riefenbildung in der Zylinderwand und in extremen Fällen zum Bruch des Kolbens durch in den Bolzenbohrungen und im Kolben selbst erzeugte Zugspannungen führen. Die Kolbenbolzen gemäß der Erfindung haben einen sehr hohen Young-Modul und eine hohe Härte;The top or head part of the piston acts as a reaction surface for the Burn in that. relevant cylinder of the engine. The upper part of the cylinder is enclosed by a flame plate. Below of the head part of the piston is a piston part which is open at the bottom and which supports the piston as it moves back and forth in the cylinder leads. On this piston part, which is open at the bottom, there are two approaches with continuous coaxial bores. Through every hole that is End of a piston pin out. A connecting rod encloses the central part of the piston pin at one end and one at the other end Connecting rod. When the internal combustion engine is operated with reciprocating pistons, a driving force is generated in the combustion chamber is generated by an expanding gas, from the piston head to the lugs, from these to the piston pin and then on to the Transfer connecting rod and crankshaft. According to the invention made of sintered silicon carbide pistons, piston rings and Cylinder liners allow very tight clearance to be maintained between the cylinder wall and the piston wall over a long period of time. The self-lubricating The effect of the silicon carbide surfaces has a particularly beneficial effect on the contact zones between piston rings and cylinders. thanks to The lightness of the silicon carbide components, their resistance to high temperatures, corrosion and erosion make them particularly suitable for use as flame plates, valve seats, exhaust port linings and exhaust pipes, being a more economical one Operation and a longer life of the engine. Piston pins and connecting rods as well as pistons and cylinder liners according to the invention can also be made from silicon carbide. The forces acting on the piston head are applied directly to the piston pin and then transferred to the connecting rod. These forces tend to deflect the piston pin and cause the part to flatten of the pin that is in contact with the piston lugs. The pin is then not exactly axially aligned with the piston lugs, which means that some of the driving force is applied to the outermost ends of the engine cylinder is concentrated. The repeated focus of forces can cause scoring in the cylinder wall and, in extreme cases, cause the piston to break through in the pin bores and in the Piston self-generated tensile stresses lead. The piston pins according to the invention have a very high Young's modulus and high hardness;
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sie sind daher beständig gegen Abplattung und Verschleiß, haben einen niedrigen Reibungsbeiwert, sind leichter als Stahl und bieten eine bessere Schmierung reibungsbeanspruchter Flächen. Die Pleuelstangen werden am besten ebenfalls aus gesintertem Siliciumcarbid gefertigt und bieten Haltbarkeit, Steifigkeit, geringes Gewicht und bessere Schmierverhältnisse an den Lagerflächen.they are therefore resistant to flattening and wear, have a low coefficient of friction, are lighter than steel and offer a better lubrication of surfaces subject to friction. The connecting rods are also best made from sintered silicon carbide and offer durability, rigidity, low weight and better lubrication conditions on the bearing surfaces.
Die Bauteile gemäß der Erfindung können mit Vorteil einzeln verwendet werden; besonders vorteilhaft ist jedoch die Anwendung der Erfindung bei allen Bauteilen von Brennkraftmotoren, die auf Reibung beansprucht werden und einer Schmierung bedürfen, da das Siliciumcarbid geringe Reibung durch gute Ölhaftung, hohe Härte und niedriges Gewicht bietet.The components according to the invention can advantageously be used individually will; however, it is particularly advantageous to use the invention in all components of internal combustion engines that are subject to friction and require lubrication, as the silicon carbide offers low friction due to good oil adhesion, high hardness and low weight.
An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Teils eines Brennkraftmotors mit Ventil- und Kolbenbauteilen1 shows a side view, partly in section, of part of an internal combustion engine with valve and piston components
gemäß der Erfindung; sowieaccording to the invention; as
Fig. 2 eine Vorderteilausicht einer anderen Ausführungsfora eines Ventilkipphebels, bei der der Ventilkipphebel aus Metall gefertigt, aber an den Kontaktstellen mit dem Ventilschaft und der Spitze der Stoßstange Teile,Fig. 2 is a front part view of another embodiment a valve rocker arm, in which the valve rocker arm is made of metal, but at the contact points with the valve stem and the tip of the bumper parts,
aus Siliciumcarbid hat. Die Zeichnung zeigt auch eine Stoßstange aus Metall mit einer Spitze aus Siliciumcarbid. made of silicon carbide. The drawing also shows a metal bumper with a silicon carbide tip.
In Figur 1 ist ein gebräuchlicher Brennkraftmotor mit einem Motorüberzug 11, Zylinderkopf 13, Motorblock 15 und einer Ölwanne 17 dargestellt. Das komplette Ventil besteht aus dem eigentlichen Ventil 19, der Ventilführung 21, dem Ventilfeder-Haltering 23, den Ventilkipphebel 25, der Stoßstange 27 und dem Stößel 29. Der Ventilfeder-Haltering 23 wird an dem Ventilschaft durch einer. Spaltring 31 gehalten, und an dem Schaft des Ventils 19 befindet sich eine Ventilkappe 33. Beim Betrieb bewegt sich das Ventil 19 in der Ventilführung 31 hin und her und wird von der Ventilfeder 35 in Schließstellung gehalten. Beim Umlauf der Nockenwelle 37 hebt der Nocken 39 den StößelIn Figure 1 is a common internal combustion engine with an engine cover 11, cylinder head 13, engine block 15 and an oil pan 17 are shown. The complete valve consists of the actual valve 19, the valve guide 21, the valve spring retaining ring 23 and the valve rocker arm 25, the push rod 27 and the plunger 29. The valve spring retaining ring 23 is attached to the valve stem by a. Split ring 31 held, and on the stem of the valve 19 is a valve cap 33. In operation, the valve 19 moves in the valve guide 31 back and forth and is held in the closed position by the valve spring 35. When the camshaft 37 rotates, the cam 39 lifts the tappet
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29 und bewegt die Stoßstange 1.7 gegen die Kraft der Feder 41 nach oben. Dabei wirkt die Stoßstange 17 auf einen Teil des Ventilkipphebels 25 und bewirkt eine Abwärtsbewegung des gegenüberliegenden T-eils. Bei seiner Abwärtsbewegung greift dieser Teil an der Ventilkappe 33 an und drückt das Ventil 19 gegen die Kraft der Feder 35 nach unten in Öffnungsstellung.29 and moves the bumper 1.7 against the force of the spring 41 above. The push rod 17 acts on part of the valve rocker arm 25 and causes the opposite T-part to move downwards. During its downward movement, this part engages the valve cap 33 and presses the valve 19 downwards against the force of the spring 35 in open position.
Die Bauteile gemäß der Erfindung sind aus Siliciumcarbid hergestellt. Die Ventilführung 21 hat die Form eines langgestreckten Zylinders von verhältnismäßig gleichmäßigem· Durchmesser, so daß er in eine Bohrung des Zylinderblocks 13 gepreßt werden kann. Das Ventil 19 ist mit einem Spiel von 0,025 bis 0,13 mm in der Ventilführung 21 bewegbar. Dank der durch Schmiermittel benetzbaren, verschleißbeständigen Oberflächen sind die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventile und Ventilführungen besonders für obengesteuerte Brennkraftmotoren geeignet, bei denen Ventile und Ventilführungen dadurch geschmiert werden, daß man Öl an dem Ventilschaft nach unten fließen läßt. Hinzu kommt, daß bei den derzeit verwendeten Ventilen und Ventilführungen die im Motor entwickelte Hitze, besonders im Bereich der Auspuffventile, den Flanschteil der Ventile erhitzt und die Hitze auf den VentilschaftThe components according to the invention are made of silicon carbide. The valve guide 21 is in the form of an elongated cylinder of relatively uniform diameter so that it fits into a bore of the cylinder block 13 can be pressed. The valve 19 can be moved in the valve guide 21 with a clearance of 0.025 to 0.13 mm. Thanks to the wear-resistant surfaces that can be wetted with lubricants are the valves and valve guides proposed according to the invention particularly suitable for overhead combustion engines in which valves and valve guides are lubricated by the fact that oil is allowed to flow down the valve stem. In addition, with the valves and valve guides currently in use, those in the engine Developed heat, especially in the area of the exhaust valves, heated the flange part of the valves and the heat on the valve stem
übertragen wird. Unter solchen Bedingungen kann das Schmiermittel am Ventilschaft verkohlen, wodurch das Spiel zwischen Ventilschaft und Venti!führung verringert und eine weitere Schmierung verhindert werden kann. Die Dicke der Ablagerungen nimmt zu, bis das Ventil in geöffneter Stellung steckenbleibt. Dadurch kann der Kolben beim Hub keine Arbeit mehr auf die Kurbelwelle übertragen, und das Ventil verbrennt weiter. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventile und Ventilführungen verringern das Schmierproblern, da ihre Flächen vom Schmiermittel benetzt werden und das Schmiermittel festhalten. Die geschmierten, verschleißbeständigen Flächen der Ventile und Ventil— führungen ermöglichen die Erhaltung enger Toleranzen über lange Zeit und damit eine Verminderung des Motorlärms durch Verringerung des VentiIgeräusches.is transmitted. Under such conditions, the lubricant may be on The valve stem becomes charred, which reduces the clearance between the valve stem and valve guide and prevents further lubrication can. The thickness of the deposit increases until the valve sticks in the open position. This allows the piston to stroke no more work is transferred to the crankshaft, and the valve continues to burn. The valves and valve guides proposed according to the invention reduce the smudging problem as their surfaces are dated Lubricant are wetted and hold the lubricant. the Lubricated, wear-resistant surfaces of the valves and valve guides enable tight tolerances to be maintained over a long period of time and thus a reduction in engine noise by reducing valve noise.
Der Ventilfeder-Haltering 23 ist am Ende des V^ ->tilschaftes des Ventils 19 angeordnet und hält den Ventilring 35. Der Ventilfeder-Ealtering wird seinerseits von einem metallischen Spaltring 31 gehalten,The valve spring retaining ring 23 is at the end of the valve stem of the valve 19 and holds the valve ring 35. The valve spring retainer ring is in turn held by a metallic split ring 31,
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der in einen Umfange schlitz, am Ventil t'9 eingesetzt ist. Wie dargestellt, kann sich am Ende des Ventilschaftes eine Ventilkappe 33, vorzugsweise vom freibeweglichen Typ, befinden, um das Ventil zu drehen und den Verschleiß zu vermindern. Ventilkappen, wie die Ventil— kappe 33, werden häufiger bei Auslaß- als bei Einströmventilen verwendet. Der Kipphebel 25 ist schwenkbar an einem Träger 43 montiert. Die auf das Ventil übertragene Bewegung ist zwar senkrecht nach unten gerichtet, doch da sich der Kipphebelarm über einen Kreisbogen bewegt, entsteht an der Kontaktstelle eine horizontale Kraftkomponente.which is inserted into a circumferential slot on valve t'9. As shown, For example, a valve cap 33, preferably of the floating type, may be located at the end of the valve stem to rotate the valve and to reduce wear and tear. Valve caps, like the valve cap 33, are used more often with exhaust than with inlet valves. The rocker arm 25 is pivotably mounted on a bracket 43. The movement transmitted to the valve is directed vertically downwards, but since the rocker arm moves over an arc, a horizontal force component is created at the contact point.
Diese, verursacht am Oberteil des Ventilschaftes oder der Ventilkappe an der Kontaktstelle mit dem Kipphebel Riefenbildung und Verschleiß. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bauteile aus gesintertem feinkörnigen Siliciumcarbid sind für solche Anwendungen besonders geeignet, da sie hart, steif und verschleißfest sind und Flächen mit niedrigem Reibungsbeiwert haben, die Schmiermittel gut festhalten.This is caused at the top of the valve stem or the valve cap Scoring and wear at the point of contact with the rocker arm. The components proposed according to the invention made of sintered fine-grained Silicon carbide are particularly suitable for such applications because they are hard, stiff and wear-resistant and surfaces with low Have a coefficient of friction that hold the lubricant in place.
Das entgegengesetzte Ende des Kipphebels kommt periodisch mit der Stoßstange 27 in Berührung, die sich abwärts bis z.u dem Stößel 29 erstreckt, der seinerseits an dem Nocken 39 anliegt. Der Nocken 39 erzeugt eine hin- und hergehende Bewegung der Stoßstange 27. Die Ver-Wendung von Kipphebeln, Stoßstangen und Stößeln aus Siliciumcarbid gemäß der Erfindung ergibt dank ihrer Festigkeit, ihres geringen Gewichts, ihrer hohen Steifigkeit, Verschleißbeständigkeit, niedrigen Reibung und hohen Härte einen wirtschaftlicheren Motorbetrieb.The opposite end of the rocker arm periodically comes into contact with the push rod 27, which descends down to z. U the plunger 29 which in turn rests against the cam 39. The cam 39 creates a reciprocating movement of the bumper 27. The use of rocker arms, bumpers and tappets made of silicon carbide according to the invention, thanks to their strength, their low weight, their high rigidity, wear resistance, low friction and high hardness make engine operation more economical.
Das Krafterzeugungssystem besteht aus einem Kolben 45 mit Kolbenringen 47, einer Zylinderlaufbuchse 49, einem Kolbenbolzen 51 und einer Pleuelstange 53. Zu dem System gehören auch noch eine Flammplatte 55, ein Ventilsitz 57, eine Auslaßschlitzauskleidung 59 und ein Auspuffrohr 61. Ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff wird durch ein Einströmventil in die Verbrennungskammer 63 eines Zylinders 65 eingeführt. Nach dem Verbrennen des Kraftstoffs wird der Kolben 45 abwärts bewegt und wirkt über den Kolbenbolzen 51 auf die Pleuelstange 53 ein, die ebenfalls nach unten bewegt wird und eine Kraft auf die Kurbelwelle 67 ausübt. Nach dem Verbrennen werden beim Auspuffhub die Abgase durch den Auspuffschlitz 69 in das am Zylinderkopf 13 gasdicht angebrachte Auspuffrohr 61 ausgeschoben. Die Bauteile gemäß der Erfin-The power generation system consists of a piston 45 with piston rings 47, a cylinder liner 49, a piston pin 51 and a connecting rod 53. The system also includes a flame plate 55, a valve seat 57, an exhaust port liner 59, and an exhaust pipe 61. A mixture of air and fuel is passed through an inflow valve is introduced into the combustion chamber 63 of a cylinder 65. After the fuel has burned, the piston 45 is moved downward and acts via the piston pin 51 on the connecting rod 53, which is also moved downwards, and exerts a force on the crankshaft 67 exercises. After combustion, during the exhaust stroke, the exhaust gases are passed through the exhaust slot 69 into the gas-tight attached to the cylinder head 13 Exhaust pipe 61 pushed out. The components according to the invention
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dung aus gesintertem feinkörnigen Siliciumcarbid sind für den Einsatz im Krafterzeugungssystem von Brennkraftmotoren besonders geeignet, da sie fest, hart, leicht und wärmebeständig sind und darüber hinaus noch einen sehr niedrigen Reibungsbeiwert haben.sintered fine-grain silicon carbide are suitable for use Particularly suitable in the power generation system of internal combustion engines because they are strong, hard, light and heat-resistant and beyond still have a very low coefficient of friction.
In Figur 2 ist eine andere Ausfuhrungsform der aus Kipphebelarm. Stoßstange und Ventilschaft bestehender Baugruppe dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Kipphebelarm 25 aus Metall, zweckmäßigerweise Stahl, gefertigt und an einer oder beiden Kontaktstellen mit dem Ventilschaft oder der Ventilkappe und der Spitze der Stoßstange mit einem Verschleißeinsatz oder Polster aus gesintertem feinkörnigen Siliciumcarbid versehen. Wie in Figur 2 dargestellt, befinden sich der Verschleißeinsatz 71 des Kipphebels ?5 an der Kontaktstelle mit dem Ventilschaftteil des Ventils 19 und der Verschleißeinsatz 73 an der Kontaktstelle des Kipphebels 25 mit der Spitze 75 der Stoßstange 27. Die Stoßstange 27 kann ganz aus gesintertem Siliciumcarbid gefertigt oder nur an einem oder beiden Enden mit Verschleißsp'.tzen aus gesintertem Siliciumcarbid ausgestattet sein. Wie aus Figur 2 ersichtlich, ist der Hauptteil der Stoßstange 27 aus Metall hergestellt und an seinem Ende die Spitze 75 aus gesintertem Siliciumcarbid angebracht. An dem — nicht dargestellten — entgegengesetzten finde der Stoßstange 27, das mit dem Stößel 29 in Berührung kommt, kann ebenfalls eine verschleißbeständige Spitze aus Siliciumcarbid angebracht sein.In Figure 2 is another embodiment of the rocker arm. Bumper and valve stem of existing assembly shown. at In this embodiment, the rocker arm 25 is made of metal, expediently Steel, machined and made in one or both points of contact with the valve stem or valve cap and the tip of the bumper provided with a wear insert or pad made of sintered fine-grain silicon carbide. As shown in Figure 2, are located the wear insert 71 of the rocker arm? 5 at the contact point with the valve stem part of the valve 19 and the wear insert 73 at the contact point of the rocker arm 25 with the tip 75 of the bumper 27. The bumper 27 can be made entirely of sintered silicon carbide manufactured or only at one or both ends with wear spots be made of sintered silicon carbide. As can be seen from Figure 2, the main part of the bumper 27 is made of metal made and attached to its end the tip 75 made of sintered silicon carbide. On the opposite one - not shown find the push rod 27, which comes into contact with the plunger 29, can also have a wear-resistant tip made of silicon carbide to be appropriate.
Wie ersichtlich, sind alle Bauteile gemäß der Erfindung mit gebräuchliehen Motorenbauteilen verträglich und können einzeln in gebräuchliche Brennkraftmotoren eingebaut werden, wodurch das Gewicht der hin- und hergehenden Teile vermindert wird und die Motoren mit Bauteilen von höherer Verschleißfestigkeit und geringerer Reibung ausstattet werden. Es ist aber auch ersichtlich, daß die Motoren um so leistungsfähiger sein werden, je mehr Bauteile gemäß der Erfindung verwendet werden.As can be seen, all components according to the invention are also used Engine components compatible and can be installed individually in common internal combustion engines, reducing the weight of the reciprocating parts is reduced and the engines with components be equipped with higher wear resistance and lower friction. But it can also be seen that the engines are so will be more efficient, the more components according to the invention be used.
Die Bauteile gemäß der Erfindung und ihre Anwendung sind am Eeispiel eines Viertaktmotors beschrieben worden, doch versteht es sich, daß die Bauteile auch bei Zweitaktmotoren verwendet werden können.The components according to the invention and their application are exemplified a four-stroke engine has been described, but it will be understood that the components can also be used in two-stroke engines.
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KENNECOIT CORP.KENNECOIT CORP.
Stamford, Connecticut (V.St.A.)Stamford, Connecticut (V.St.A.)
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Brennkraftmotor mit verbesserten BauteilenInternal combustion engine with improved components
Eine Verbesserung gebräuchlicher Brennkraftmotoran wird dadurch erreicht, daß Bauteile der Ventileinrichtung und der Krafterzeugungsbaugruppe aus gesintertem Siliciumcarbid bestehen und aus Siliciumcarbid-Fulver von ultrafeiner Teilchengröße hergestellt worden sind» Die Bauteile umfassen Ventilführungen, Ventile, Ventilkappen. Ventilkipphebel, Ventilfeder-Hai.teringe, Stoßstangen und Stößel sowie Zylinderlaufbuchsen, Ventilsitze, Ausströmschlitzauskleidungen, Auspuffrohre, Flammplatten, Kolben, Kolbenringe, Kolbenbolzen und Pleuelstangen.This is an improvement in conventional internal combustion engines achieves that components of the valve device and the force generating assembly consist of sintered silicon carbide and silicon carbide fulver of ultrafine particle size have been produced »The components include valve guides, valves, valve caps. Valve rocker arms, valve spring shackles, push rods and tappets as well as cylinder liners, valve seats, outflow slot linings, Exhaust pipes, flame plates, pistons, piston rings, piston pins and connecting rods.
Fig. 1Fig. 1
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