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Kolben für Brennkraftmaschinen Die Steigerung der Leistungsdichte
und der Wirtschaftlichkeit der mit Kolben arbeitenden Brennkraftmaschine, sei es
durch Anwendung höherer Verdichtung, höherer Verbrennungstemperaturen und Erhöhung
des ausnutzbaren Wärmegefälles oder durch Steigerung der Luft- und Kraftstoffladung,
des Höchstdrucks und der Verbrennungsdauer, hat eine entsprechende Erhöhung der
Wärmebelastung des Arbeitskolbens zur Folge. Die Weiterentwicklung der Verbrennungskraftmaschine
ist deshalb von der Bereitstellung eines Kolbens abhängig, der gegenüber den gebräuchlichen
Kolbenbauarten eine erhebliche Steigerung seiner thermischen Beanspruchung ohne
Gefahr für seine Betriebssicherheit verträgt. Der bisher vorwiegend beschrittene
Weg zur Beherrschung höherer thermischer Kolbenbelastungen durch gesteigerte Wärmeabführung
mittels vergrößerter Wärmedurchflußquerschnitte oder durch unmittelbare Luftkühlung,
Ölkühlung oder Wasserkühlung des Kolbenbodens führt zu einer entsprechenden Erhöhung
der Wärmeverluste.
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Die Erfindung befaßt sich mit dein wirtschaftlicheren Weg zur Beherrschung
gesteigerter thermischer Kolbenbelastungen, der von einer möglichst weitgehenden
Abriegelung des Wärmeübergangs vom flammenbeaufschlagten Kolbenboden zum Kolbenschaft
ausgeht. Sie bezieht sich hauptsächlich auf mit Abschirmung gegen Wärmeeinfall auf
den Kolbenschaft versehene Leichtmetallkolben.
Man hat bereite versucht,:dea
lben durch einen Aufsatz aus feuerfestem Werkstoff gegen Durchbrennen des Kolbenbodens
zu schützen. Es ist auch bekannt, bei solchen Abschirmungen den: Wärme-' übergang
von der feuerfesten Abschirmplatte zum Kolbenkörper durch einen zwischen beiden
befindlichen Luftspalt zu mindern.
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Die bekannten Maßnahmen zur Beherrschung der Wärmebeanspruchungen
des Kolbens reichen jed«h bei den thermisch ungewöhnlich hoch belasteterr$oI= ben
hochgeladener und trotzdem hochverdichteter und mit geringem huftüberschuß arbeitender
Verbrennungskraftmaschinen nicht aus. Besonders bei den letzteren ist es erfahrungsgemäß
nicht mehr möglich, in bisher bekannter Weise geschützte Leichtmetallkolben betriebsfähig
zu erhalten.
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Zur Behebung dieses Mangels ist der Kolben nach der Erfindung mit
einer Sclutzkaope au4 schlecht wärmeleitendem Werkstoff versehen; deren hochhitzebeständiger
Kolbenboden mit Tragrippen versehen ist, die auf diesen angepaßten Rippen eines
zwischen Kolbenschaft und Kolbenboden befindlichen Stützkörpers unmittelbar oder'
auf eine Zwischenlage aufliegen: Die Rippen des Stützkörpers und die diesen angepaßten
Rippen des Kolbenbodens bilden-re kottzeutrivk unirin2nderliegende tragfähige Ringmäntel;
die den mit Kolbenringen versehenen Mantel der Schutzkappe gleichzeitig gegen Wärmezufuhr
durch Strahlung vom flammenbeaufschlagten und glühenden Kolbenboden her schützen.
Dieser Strahlungsschutz kann durch eine auf den Rippen des Stützkörpers aufliegende
Einlage, z. B. aus dünnem, hochhitzebeständigem Stahlblech, erhöht. werden: Der
Wärmeübergang durch Leitung und Strahlung von der Schutzkappe nach dem Kolbenschaft
kann durch eine auf dem Kolbenschaft aufliegende dünne Stahlblechauflage vermindert
werden: Der äußere Mantelteil der Schutzkappe besitzt eine über die Stoßstelle zwischen
Schutzkappe und Kolbenschaft hinausragende Verlängerung, die ebenso wie der übrige
Mantelteil mit federnden Kolbenringen versehen ist,. die nicht nur zur Abdichtung
des Kolbenarbeitsraums, sondern auch zur Verminderung des die Stoßstelle zwischen
Schutzkappe und Kolbenschaft belastenden Gasdrucks dienen.
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Die Befestigung der Schutzkappe auf dem Kolbenschaft kann in -bekannter
Weise durch mehrere Stahlschrauben geschehen. Diese Befestigungsart hat jedoch besonders
bei Verwendung von Kolbenschäften aus Leichtmetall den Nachteil, daß die. Wärmeleitung
durch die Befestigungsschrauben zum Kolbenschaft zu einer ungleichmäßigen Ausdehnung
des Schafts und damit zur Verminderung der tragenden Kolbengleitbahnläche führt.
Dieser Nachteil wird nach der Erfindung dadurch vermieden, daß der äußere Schutzkappenmantel
mit einem gegen Drehung gesicherten Gewindering aus einem Werkstoff mit gleichem:
Wärmeausdehnun,gskoeffizienten versehen ist, der sein -Widerlager in einem Ansatz
des Kolbenschafts hat. Zum Ausgleich geringen axialer Ausdehnungsunterschiede befindet
sich zwischen dem Schutzkappengewindering und dem Widerlager am Kolbenschaft eine
wenig federnde Zwischenlage, die aus einem Stahlrohr, einer Ringfeder anderer Art
oder aus federnden Teilen des Gewinderings selbst bestehen kann.
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Zur Verbesserung der Abführung der trotz dieser Maßnahmen noch auf
den Stützkörper der Schutzkappe und auf den Kolbenschaft übergehenden Wärme ist
eine pulsierende Luftströmung durch den 'kölben vorgesehen, die durch die Kolbenbeschleunigung
im Zusammenhang mit den stark unterschiedlichen Strömungswiderständen zweier Kolbenschaftkanäle
bei dein dauernden Wechsel der Bewegungsrichtung und der Änderung der Geschwindigkeit
mit Hilfe der Trägheit der im Kolbenhohlraum befindlichen Luft erzeugt wird.
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In der Zeichnung sind zwei Anwendungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Bild i zeigt -"einen Leichtmetallkolben mit Schutzkappe, deren äußerer
Mantel mit dein Stützkörper aus einem .Stück hergestellt ist und deren beispielsweise
nach außen gewölbter Kolbenboden aus besonders hochhitzebeständigem Werkstoff, wie
z. B. aus hochnickelhaltigem Chromnickelstahl, mit dem Schutzkappenmantel verschraubt
und verschweißt ist, im Längsschnitt quer zur Kolbenbolzenachse. Bild 2 zeigt einen
Leichtmetallkolben mit Schutzkappe, deren äußerer Mantel mit dem Kolbenboden aus
einem Stück hergestellt ist, mit getrennt ausgeführtem Stützkörper im Längsschnitt
durch die Kolbenbolzenachse.
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Der Kolbenschaft i hat eine Ausdrehung, in welcher der gegen Drehung
gesicherte Gewindering 2 gelagert ist. Beim Aufschrauben des an seiner Verlängerung
3 mit Innengewinde versehenen äußeren Schutzkappenmantels .4 auf den Gewindering
legt sich dieser gegen die eingelegte Stahlrohrfeder 5, deren Pressung durch das
auf dem Kolbenschaft i befestigte Widerlager 6 aufgenommen wird. Dabei wird die
Blecheinlage 7 zwischen Kolbenschaft und Stützkörper 8 eingespannt. Zwischen den
konzentrische Ringwände bildenden Rippen 9 des Stützköfpers 8 und den diesen angepaßten
Rippen des Kolbenbodens Zo kann ein Strahlungsblech i i angeordnet sein.
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Erfahrungsgemäß erreicht die mittlere Gastemperatur während eines
Arbeitsspiels im Kolbenarbeitsraum bei ungefähr vierfacher Leistungssteigerung gegenüber
dem nicht aufgeladenen Dieselmotor ungefähr 8oo bis goo° C. Um den Wärmeeinfall
auf den Kolbenboden möglichst gering zu halten, soll der Kolbenboden eine annähernd
hohe Temperatur annehmen. Zu diesem Zweck sind die Wärmeabflußquerschnitte des Schutzkappenmantels
und des Stützkörpers so gering bemessen, daß die noch an den Schutzkappenmantel
durch Leitung und Strahlung übergehende Wärme durch die in diesem Mantel befindlichen
federnden Kolbenringe 12 über die Zylinderwand abgeführt werden kann.
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Der Kolbenboden io hat durch seine Gestaltung; im besonderen durch
seine den Rippen 9 des Stützkörpers 8 angepaßten Tragrippen eine Formsteifigkeit
erhalten, die trotz Allahme der Warmfestigkeit
des Kolbenbodenwerkstoffes
auf eine Dauerbelastbarkeit von ungefähr nur i kg/mm2 erfahrungsgemäß noch sicher
ausreicht, um den Kolben mit Verbrennungsdrucken bis zu ungefähr i5o bis 17o kg/cm2
belasten zu können.
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Die geringe über die Zwischenlage 7 und über den Gewindering 2 auf
den Kolbenschaft i übergehende Wärme wird durch einige im Kolbenschaft refindliche
federnde Kolbenringe abgeführt.
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Der Hohlraum 13 zwischen dem Abschlußblech 7 und dem Kolbenschaft
ist durch zwei Kanäle 14 und 15 mit dem größeren Hohlraum 16 des Kolbenschafts
verbunden. Zur Verbesserung der Abführung der auf das Abschlußblech 7, auf den Kolbenschaft
i und auf den Luftinhalt des Hohlraums 13 durch Leitung und Strahlung übergehenden
Wärme kann die in den Kanälen 14 und 15 und im Hohlraum 13 befindliche Luft in einfacher
Weise durch das Arbeiten des Kolbens in Bewegung gesetzt werden. Bei thermisch besonders
hochbeanspruchten Kolben können zu diesem Zweck vor den Mündungeii der Kanäle 14
und 15 strömungsmäßig ähnlich wie nicht völlig schließende Rückschlagventile wirkende
I.eitl>leclie 17 und 18 angeordnet werden, die entweder, wie in Bild i der Zeichnung
dargestellt, am Kolbenschaft oder an der an den Kolbenbolzen angreifenden Schubstange
befestigt sind. Die beiden schaufelförmigen Leitbleche 17 und 18 haben Krümmungen.
Diese und die Kanalinündungen sind derart gestaltet, daß ein Teil der ini l lohlraum
16 befindlichen Luft bei der Beschleunigung des Kolbens in der einen Richtung beispielsweise
in den Kanal 14 fast ungehindert einströmen kann, -,vährend ihre Einströmung in
den Kanal 15 durch die entgegengesetzte Krümmung des seiner Mündung vorgelagerten
Leitblechs 18 und die dadurch erzielte Ablenkung und Abschirmung stark behindert
ist. Bei der Beschleunigung des Kolbens in entgegengesetzter Hubrichtung, in der
Zeichnung Bild i nach oben, ist die Ausströmung der Luft aus dem Kanal 14 nach dem
Hohlraum 16 durch das Leitblech 17 stark behindert. Dagegen kann die im Hohlraum
13 eingeschlossene Luft durch den Kanal 15 an dem Leitblech 18 vorbei fast ungehindert
abströmen.
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Die Beschleunigung des Kolbens, die Trägheit der Luftsäule und die
ungleichen Strömungswiderstände an den beiden Kanalmündungen arbeiten auf diese
Weise wie eine doppelt wirkende Luftpumpe mit dem Erfolg, daß eine pulsierende Luftströmung
vom Hohlraum 16 durch den Kanal 14 über den Ilohlraum 13 und durch den Kanal 15
nach dem Hohlraum 16 des Kolbenschafts zurück entsteht, die zur Abführung der von
der Kolbenschutzkappe auf den Luftinhalt des Hohlraums 13 und auf den Kolbenschaft
übergehenden Wärme und damit zur Steigerung der thermischen Belastbarkeit des Kolhens
beiträgt.
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Das hauptsächlich zur Verhütung der Ablagerung von Ölrückständen und
einer Verkokung der gewölbten Innenwand des Stützkörpers 8 dienende Abschlußblech
7 kann fortfallen, wenn der Ölzutritt zum Hohlraum 13, wie z. B. bei den Kolben
liegender Gegenkolbenmotoren, verhütet werden kann. Der Fortfall dieses Absehlußßbleehs
erstreckt sich in diesem Fall jedoch nur auf seinen in den Hohlraum 13 hineinragenden
Teil. Nach Entfernung dieses Abschlußblechteils kann die pulsierende Luftströmung
die innere Wölbung des Stützkörpers 8 bespülen, was die Wärmeabführung vom wärmsten
Teil des Stütz-1«irl)ers und seine Festigkeit verbessert.