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Kolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft Kolben für Brennkraftmaschinen
mit Ringnuten zur Erzielung einer Labyrinthwirkung.
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Solche Ringnuten werden insbesondere in den dem Kolbenboden benachbarten
Schaftteilen von Brennkraftmaschinenkolben vorgesehen. Sie ermöglichen den zwischen
der Zylinderlauffläche und dem Kolbenschaft durchtretenden Verbrennungsgasen, durch
Expansion einen größeren Raum einzunehmen, wobei die Spannung der Gase vermindert
und infolgedessen ihr weiteres Vordringen erschwert wird. Es wird also eine Labyrinthdichtung
erzielt, welche gegebenenfalls die übliche Abdichtung durch Kolbenringe ganz oder
teilweise ersetzen kann. Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß die Ringspalte
zwischen den nicht zurückgesetzten Schaftteilen und der Zylinderwand genügend eng
sind, um eine hinlängliche Drossel-Wirkung zu gewährleisten, und daß die Ringnuten
genügend geräumig sind, um eine wirksame Druckminderung der in ihnen expandierenden
Gase zu ermöglichen.
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Normalerweise geht man bei der Festlegung des Einibauspiel'eis zwischen
Kolben und Zylinder vom Zustand der größten möglichen thermischen Belastung aus,
d. h. man legt die Abmessungen so fest, daß auch bei der höchsten Belastung die
Wärmedehnung des Kolbens nicht so groß wird, daß er sich an irgendeiner Stelle gegen
die Zylinderwand anpreßt. Dabei besteht die Gefahr, daß der Kolben bei Teillastbetrieb
insbesondere im Bereich der Kolbenringzone überhaupt nicht zum Anliegen an die Zylinderlauffläche
kommt und damit die Ringzone nicht mit zum Tragen herangezogen wird, so daß die
Abdichtung nur den Kolbenringen zufällt.
Zur Vermeidung dieses Mangels
hat man insbesondere in der Kolbenringzone über den normalen Schaftumfang hinausragende
sogenannte Quetschstege, d. h. schmale ringförmige Erhöhungen von etwa ein Zehntelmillimeter
radialer Höhe vorgesehen, deren Außendurchmesser sich beim Einlaufen durch Wegquetschen
von Material selbsttätig auf das Maß verkleinern soll, bei dem gerade ein Fressen
an der Zylinderlauffläche vermieden wird. Bei den bekannten Kolben mit Quetschstegen
sind aber keine zur Erzielung einer Labyrinthwirkung geeigneten Ringnuten vorhanden.
Die zwischen den Quetschstegen befindlichen und gegenüber deren Stirnflächen um
nur etwa ein Zehntelmillimeter zurückspringenden Teile des normalen Schaftumfanges
schließen Räume ein, die nicht genügend groß sind, um eine merkliche Expansion der
Verbrennungsgase zu ermöglichen. Nach dem Einlaufvorgang sind diese Räume ohnehin
mehr oder weniger stark durch das Material ausgefüllt, welches von den Quetschstegen
abgetragen wurde. Eine eigentliche Quetschung, d. h. eine Deformation des Quetschsteges,
bei welcher sich dieser im Sinne eines Nietkopfes verbreitert, kann in der Regel
nicht eintreten, weil hierzu die radiale Höhe der Stege nicht groß genug ist. Diese
Stege werden daher nicht eigentlich gequetscht, sondern durch Verschmieren deformiert.
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Es ist ferner bereits vorgeschlagen worden, hinter die normale Kolbenlauffläche
zurückspringende ringförmige Rillen sowohl in den Stegen zwischen den Kolbenringen
als auch am Kolbenschaft vorzusehen. Auch solche Rillen können keine Labyrinthdichtung
bewirken, weil sie gemäß dem erwähnten Vorschlag so eng gehalten werden sollen,
daß in ihnen Schmieröl durch Kohäsion festgehalten werden soll, und weil sie sich
während der Einlaufperiode des Kolbens mit von den nicht zurückgesetzten Ringstegteilen
abgeriebenem Werkstoff zusetzen.
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Schließlich ist auch schon vorgeschlagen worden, über den normalen
Schaftumfang hinausragende Quetschstege vorzusehen, die einen ovalen Umriß aufweisen
und die dem Kolbenkopf eine örtlich begrenzte Führung geben, um das Kolbenkippen
zu vermeiden. Bei dieser Kolbenbauart kann ein Wegquetschen von Material nur in
dem begrenzten Bereich der Anlage der Quetschstege am Zylinder erfolgen. Wegen der
begrenzten Anlage können solche Quetschstege nicht die Abdichtung übernehmen oder
unterstützen; die Aufgabe der Ab- f dichtung ist vielmehr ausschließlich den Kolbenringen
übertragen. Nach einem Ausführungsbeispiel dieses Vorschlages kann unterhalb des
obersten Quetschsteges eine Rille vorgesehen sein, deren Innendurchmesser ungefähr
dem kleinen Ovaldurchmesser des Kolbenkopfes entspricht. Diese Rille ist geräumig
genug, um vom obersten Steg weggequetschtes Material aufnehmen zu könzen, ohne sich
dabei zuzusetzen; eine Labyrinth-Sichtung kann sie aber nicht bewirken, weil der
ihr vorgeschaltete Quetschsteg mit der Zylinderwand keinen Drosselspalt bildet,
sondern so stark oval ist, daß den Verbrennungsgasen im Bereich der kleinen Ovalachse
ein kaum behinderter Durchtritt ermöglicht ist.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, Quetschstege an einem Kolben
der eingangs beschriebenen Bauart derart vorzusehen, daß der vordere Steg mindestens
einer der eine Labyrinthdichtung gewährleistenden Nuten als Quetschsteg ausgebildet
ist. Dadurch wird ein ausgezeichnet wirksamer Drosselspalt vor der Nut gebildet,
und es wird ferner auch Anpassung der Stege an den Zylinder durch Verquetschen dadurch
wesentlich erleichtert, daß die Deformation bis in die Tiefe der Nut hinein erfolgen
kann, so daß übermäßig lange Fließwege, die zum Verschmieren des Werkstoffes führen,
vermieden «-erden.
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Die Bemessung der Ringstege ist Erfahrungssache und muß, wie die Bemessung
des Spieles bei Kolben normalen Durchmessers; dem Versuch überlassen bleiben. Es
ist möglich, die Ringstege so zu dimensionieren, daß die beim Einlaufen bewußt herausgeforderten
Zusammendrückungen und Verformungen kein das Zerstören des Kolbens verursachendes
Fressen zur Folge haben. Die Ringstege sollen beim Einlaufen in Kolbenlaufrichtung
von Stellen weggequetscht werden, wo örtliche überbeanspruchungen auftreten. Jeder
Kolben läuft somit individuell ein, wobei unkontrollierbare Dehnungs- und Werkstoffunterschiede
berücksichtigt werden.
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Eine Vielzahl von schmalen Ringstegen begünstigen diese Einlaufeigenschaften,
wobei in weiterer Ausgestaltung der Erfindung an eine Abstufung der Wirkung in dem
Sinne gedacht ist, daß sich ein Teil der im Durchmesser vergrößerten Ringstege stärker
verformt als der andere Teil.
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Die erfindungsgemäß angeordneten Ringnuten werden gegebenenfalls zusätzlich
zu den vorgesehenen, Kolbenringe aufnehmenden Nuten angeordnet werden.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand an Hand zweier schematischer
Ausführungsbeispiele in Gegenüberstellung zum Stand der Technik veranschaulicht.
Dargestellt sind jeweils im Axialschnitt von Kolbenschaft und Kolbenboden gebildete
Ecken eines Kolbens (oberer Teil der sogenannten Kolbenringpartie).
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Abb. r zeigt die bekannte Ausführung und Abb. 2 eine neue Ausführung;
beide vor dem Einbau in den Motorzylinder; Abb. 3 veranschaulicht die Ausführung
nach Abb. z nach dem Erwärmen auf Betriebstemperatur (bei einem Meßversuch vor dem
Einbau) und Abb. q. diese Ausführung nach dem Einlaufen im Motorzylinder im betriebswarmen
Zustande; beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 5 sind die Bereiche dargestellt,
nach denen sich die Bemessung der Durchmesser bisher gerichtet hat bzw. nach der
Erfindung richtet, während die Abb. 6 und 7 zeigen, wie sich ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung beim Einlaufen ändert.
Die im Durchmesser vergrößerten
Ringstege ja des Kolbens i verformen sich beim Einlaufen unregelmäßig. Sie werden
so verdichtet und gequetscht, daß gerade das kleinste erforderliche Laufspiel entsteht.
Bei dem Verdichten und Quetschen kann Werkstoff in Richtung der Kolbenachse ausweichen,
wobei sich die Stegquerschnitte in ähnlicher Weise verbreitern, wie sich ein Nietkopf
beim Stauchen verformt, ohne daß dadurch die dazwischenliegenden Nuten ausgefüllt
werden.
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Durch das verkleinerte Spiel im Bereich der Stege ja wird die Labyrinthdichtung
der zwischen den Stegen liegenden Nuten wesentlich verbessert. Die heißen Verbrennungsgase
können daher weniger gut bis zu den Kolbenringen 2 vordringen. Dadurch wird die
Gefahr des Verkokens der Kolbenringe 2 vermindert, so daß ein Kolben eine längere
Lebensdauer erhält und die Termine zur Überholung des Motors verlängerbar sind.
Die die Kolbenringe führenden Ringstege ib haben bei den gezeichneten Ausführungsbeispielen
den normalen Durchmesser, d. h. den in der bisher üblichen Weise bestimmten und
durch spanabhebende Werkzeuge begrenzten Durchmesser, der sich beim Einlaufen nicht
oder nur unwesentlich ändert, wenn man von der durch die Wärmedehnung verursachten
Durchmesservergrößerung absieht. Die strichpunktierte Linie C in der Abb: 2 zeigt
zum Vergleich die Konturen des Kolbens nach Abb. i an.
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In der Abb. 5 begrenzen die strichpunktierten Linien A und
B den Bereich a, der bisher zur Bemessung der Durchmesser ausgenutzt
wurde und der das Unterbleiben von Freßerscheinungen bei Ausführungsformen ohne
Ringnuten gewährleistet. Die strichpunktierte Linie D entspricht der strichpunktierten
Linie C in Abb. i. Im Bereich b treten Freßerscheinungen auf, wenn eine plastische
Verformung ermöglichende Ringnuten fehlen. In diesem Bereich b werden nach der Erfindung
die Laufbahndurchmesser dimensioniert (Ausführungsbeispiel Abb. 6 und 7 gemäß Linie
E).