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Kreuzkopfbrennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine
mit Leichtmetallkolben und einer in dem Kolben angreifenden, aus Stahl bestehenden
Kolbenstange. Sie beschränkt sich auf Kreuzkopfbrennkraftmaschinen mit relativ großem,
ungekühltem Leichtmetallkolben, d. h. sie gilt nicht für sogenannte »kreuzkopflose«
Maschinen und nicht für Leichtmetallkolben, welche von Kühlwasser, Kühlöl od. dgl.
durchströmt werden.
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Es ist zwar für kleinere Brennkraftmaschinen bekannt, Leichtmetallkolben
zu verwenden, und es ist auch schon vorgeschlagen worden, größere Kolbenmaschinen
mit Kolben aus Leichtmetall auszuführen, doch hat man bisher bei größeren Brennkraftmaschinen
mit Kreuzkopf stets geglaubt, daß man bei diesen relativ großen Abmessungen von
z. B. etwa 300 mm Durchmesser und mehr mit ungekühlten Kolben nicht auskommen
kann. Da gekühlte Kolben einen erheblichen Aufwand an Teilen für die Kühlmittelzu-
und -abführung und für die Rückkühlung derselben erfordern und außerdem durch ihre
Vielteiligkeit entsprechend schadensanfällig sind, hat man sich daher bereits die
Aufgabe gestellt, Kolben von einer den bei Kreuzkopfmaschinen vorliegenden Verhältnissen
entsprechenden Größe aus Leichtmetall unter Weglassung jeglicher Kühlung mit einer
aus Stahl gefertigten Kolbenstange zu verbinden. Obwohl man sich darüber im klaren
war, daß bei Leichtmetallkolben infolge ihrer besseren Wärmeleitfähigkeit mehr Wärme
vom Verbrennungsraum in die Zylinderwand abgeführt wird und man sie daher gegebenenfalls
ungekühlt
ausführen könnte, bereitete das Problem der Verbindung von Kolben und Kolbenstange
jedoch insofern besondere Schwierigkeiten, da einerseits die Kolbenstange aus Stahl
einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der aufgesetzte Leichtmetallkolben
besitzt und zum anderen der Kolben auch noch im Betrieb wesentlich höhere Temperaturen
als die Kolbenstange annimmt.
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Die bisher bei Kolben dieser Größe üblichen Befestigungsarten zwischen
Kolben und Kolbenstange sind zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe nicht geeignet,
da bei diesen entweder die zu verbindenden Teile keine derart unterschiedlichen
Wärmedehnungszahlen aufweisen oder die Wärmebeanspruchung durch ein Kühlmittel verringert
wurde. Bei Verwendung von Leichtmetall als Kolbenwerkstoff und Stahl für die Kolbenstange
würde beispielsweise bei einer bekannten Verbindung; bei der die beiden Teile durch
eine ringförmige Einsatzbüchse zusammengehalten sind, welche sich einerseits gegen
das flanschartig erweiterte Ende der Kolbenstange und andererseits gegen eine entsprechende
Fläche des' Kolbenkörpers stützt, infolge der stark unterschiedlichen Wärmedehnungszahlen
und des zwangweise vorzusehenden Spiels die dünne Büchse am unteren Rand erheblichen
Deformationen ausgesetzt sein, so daß eine einwandfreie Verbindung von Kolben und
Kolbenstange auf diese Weise nicht erzielbar ist.
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Ebensowenig kann eine bei wenig beanspruchten Kolbenmaschinen, z.
B. Dampfmaschinen oder Kompressoren, gebräuchliche Befestigung von Kolben und Kolbenstange
als Vorbild dienen, bei welcher die letztere mit einer konischen Büchse aus Stahl
verschraubt ist, die, über die ganze Länge des Kolbens reichend, in demselben mittels
auf ihrer Mantelfläche angeordneter ringförmiger Vorsprünge eingesetzt ist. Durch
die wesentlich höhere Wärmebelastung bei Brennkraftmaschinen und die fehlende Flüssigkeitskühlung
ist ein Lockern der Zwischenbüchse unvermeidlich und eine derartige Verbindung für
Brennkraftmaschinen daher unbrauchbar.
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Verbindungen von Stahlstange und lediglich als Ringträger dienendem
Leichtmetallkolben bei Stufenkolben, bei welchen der aus dem Baustoff geringerer
Wärmeausdehnung hergestellte Körper den anderen an der Verbindungsstelle umfaßt
und der Teil geringerer Ausdehnung mit Innengewinde, der andere mit Außengewinde
versehen ist, ermöglichen infolge der unterschiedlichen . Wärmedehnung Relativbewegungen
im Gewinde, welche zur Bildung von Passungsrost und ähnlichen Erscheinungen führen.
Gleichzeitig schafft sich dadurch das Gewinde immer mehr Luft, so daß die Verbindung
an Vorspannung verliert.
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Bei einer weiteren allgemein üblichen Befestigungsart der Kolbenstange
am unteren Rande des Kolbens einer Kreuzkopfmaschine wächst der Kolben infolge seiner
Wärmeausdehnung zwischen den Befestigungsschrauben stärker, wodurch das Kolbenhemd
unrund wird und im Betrieb ungleichmäßig trägt.
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Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch. behoben, daß die Verbindungsstelle
eifies relativ großen - ungekühlten Leichtmetallkolbens mixt der an ihrem Ende mit
einem Ringflansch versehenen Kolbenstange. aus Stahl beträchtlich oberhalb des unteren
Kolbenrandes und in einer Durchmesserebene des Kolbens vorgesehen wird, in welcher
der Kolbendurchmesser kleiner ist als der größte Durchmesser dies Kolbenhemdes.
Durch diese Maßnahme kommt die Verbindungsstelle also in einen Bereich zu liegen,
in dem der Leichtmetallkolben infolge seiner Konizität nicht mehr zum Anlaufen in
der Zylinderbüchse kommt, so da.ß ein Unrundwerden des Kolbens infolge der ungleichförmigen
Wärmeausdehnung von Kolben und Kolbenstange an .der Verbindungsstelle mit der Kolbenstange
sich nicht mehr sohäddich auswirken kann. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit,
daß im Bereich der Verbindungsstelle zwischen Kolben und Kolbenstange der Kolben
zylindrisch ausgeführt ist. Wesentlich ist jedenfalls, daß der Durchmesser des Kolbens
in diesem Bereich kleiner ist als der größte Durchmesser des Kolbens. Durch die
Befestigung des flansehartigen Endes der Kolbenstange unmittelbar an einem entspreohenden
Absatz im Kolben ,ergibt sich eine außerordentlich feste Verbindung, welche Bewegungen
von Kolben und Kolbenstange zueinander an deren Berührungsfläche verhindert. Die
Verformung des Kolbens an dieser Stelle bleibt demnach im wesentlichen auf das durch
die Wärmedehnung der stählernen Kolbenstänge bedingte Maß beschränkt. Gleichzeitig
weist der Kolben selbst :in diesem Bereich eine wesentlich größere Steifigkeit auf,
so daß er hier weniger leicht der Tendenz zum Unrundwerden folgen kann, als dies
am verhältnismäßig dünneren Unterteil des Kolbenlhiemdes -der Fall ist.
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In der Zeichnung ist ein Axialschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
eines Kolbens nach der Erfindung dargestellt.
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Auf der Kolbenstange i ist mit Hilfe von mehreren Dehnschrauben a
der Kolbenkörper 3 befestigt. Die Verbindungsstelle q. zwischen der Kolbenstange
i und dem Kolbenkörper 3 liegt im Bereich der Ringpartie c, welche gegenüber dem
zylindrischen Teil a des Kolbenkörpers 3 einen kleineren Durchmesser aufweist. Es
ist dabei nicht unbedingt -erforderlich, daß der Kolbenkörper 3 auf der Länge b
konisch verläuft, er kann nach einem kurzen Zwischenstück im oberen Teil ebenfalls
zylindrisch ausgebildet sein, nur ist dieser obere Kolbenteil nicht tragend; d.
h. sein Durchmesser ist etwas kleiner als der des unteren tragenden Kolbenrhemdes.