DEM0000499MA - Leichtmetallkolben für mit Leichtmetallzylindern ausgestatteten Brennkraftmaschinen. - Google Patents

Description

"LeichtiTi; talllcolbcri far ^it LeichtmetallZylindern ausgestatteten .,orennkraftmascainen"

Als man dazu überging, die früher gebraue..lichen Grauguss- und £jtaLlkolben durch solche aus Leicht etall zu ersetzen, ergab sich dabei ausser dem erwarteten Vorteil der Gew^:chtsersparais und der Verringerung der .".!assenkräfte auch noc:. cer weitere, daj.ials nicht erwartete aocr mindest3ns eben ^o schwerwiegende Vorteil einer wesentlichen Verbesserung der wärmeableitung, 'i/elche die Kolben¹^., eratur verhinderte und es gestattete, die Verdichtung hüher zu wählen. Hachte^:lig war jedoch die verh.'.:iti:isuüsöig groose Wi.nnedeiii'iung der ver ,eriueten LeichtL^tallwerkstorfe, die dazu zwang, grussere Einbauspiele ζ ischen den Laufflächen der. Leichtmetallkolben und den ininer nouh aus Grauguss oder Stahl hergestellten 2y.lindern vorzugehen.

Andererseits warde sciion in der britischen Patentschrift Nr. 25 304 aus dein Jahre 1908 vorgeschlagen, Nachteile, die sich aus der unterschiedlichen W;i.riaedehnung der Leichtu^otallkolbenvierKatoffe und den basher üblichen Zylinderbaustoffen ergeben, dadurch zu vermeiden, dass man ausser den Kolben von Brennkraftmaschinen auch die Zylinder aus Leichtmetall-Legierungen herstellt. Es ist bekannt, dass man bei der Durchführung dieses Vorschlages die Einbauspiele der Kolben wesentlich verringern kann. Weitergehende Folgerungen wurden aber bis jetzt noch nicht gebogen und es wurde insbesondere biß $etzt noch nie vorgeschlagen, die bisher üblichen .Xonstruidtionferichtlinien für Kolben zu ändern, und den bei Anwendung von Leichtiaotall-Zylindern veränderten ietriebabedingungen anzupassen.

Der Erfinder hat nun durch eingehende Versuche klargestellt, dass sich -.benso v/Ie bei d r seinerzeit; gen Werkst ofi/umstellung beim Kolben nun auch bsi der V/erkntof.Cum:; teilung beim Zylinder ausser den erwarteten Vorteilen noch Lbor raschel.de neue Vorteile ert.l-.;lon laso-n, v;cnn uian die bisher üblichen Kolbc.njconstruktIonen nach der. la folgenden, an^eg;;benen -Grunds Lt ze η ändert.

Es .urde insbesondere gefunden, dass man bei in Leichti-uOtallzyliridern laufenden L ichtuetailkolben etwa im gleichen Llass-otao wie die üinbauspiele unbeschadet der Abdichtung und der ^"dhrung des Kolbens auch die Kolbenlih^e auf ein Lass verringern kann, das vorzugsweise et.va zwischen 4,5 und 0 Zehnteln des Kolbendurch-messers liegt. Das iulnbauapiel d. h. die Differenz zwischen der Länge des Zylinderdurchmessers und der des Kolb^ndurchmesjers soll aia offenen Schaftende et.va 0,25 und am oberen Schaftende etwa 0,4 Tausendstel des henndurcix'.nossers betrafen.

Bis jetzt galt es bei iorsonen- und Lastwagenmotoren als üorjs, eine Kolbenlh.nge vorsusehen, die gleich der 1 - 1,45 fachen L.nge des Henndurciimessers war.

Abdeichend von dieaer hortu wurden zwar schon Leichtmetallkolben fir Crrautvuss- und Ötalilz linder gebaut, deren Gesaiatlhnge kleiner ist ala der Nenndurchiaesser. Die An/endun^· solcher Sonderformen blieb jedoch auf Flug- und onnn/Otoren und auf Lotoren fur ij;ev«.sse fypen von .-IraftrL'dern bosojirh'nkt, also auf I' ll<j, in denen der G-esichtopun:..r:t d<,:T Gevricbts ersparnis von so .!bergeordnet r Jodeutung ist, dass man dafdr die Nachteil,, der verminderten Laufruhe und dia erhoiiten 01- und Iirai"t3toffvⁱ-rbj:'auciv';s, welche sich aus der Verkürzung de.:¹ holboal,n_cjG u-rgeben, in Kauf zu neiiKon geavungen war.

überdies war bei den bisher bo'cannt gewordenen Beispielen uit der untersclii'eitung der oben angegebener Norm für die 3arulange der .Kolben nicht wie beim Aniueldungsgögenstand eine Verkleinerung, sondern ir;. Ge-

genteil stets eine Vergrösserung der Einbauspiele" verbunden. Dadurch wurden die genannten Kachteilt; noch verstärkt.

Beim Krfindungsgegenstand tasten dagegen diese Nachteile nicht auf. Die Erfindung ermöglicht vielmehr erstmals Brennkraftmaschinen zu bauen, deren Kolben so leicht sind, wie sonst nur Flugmotorkolben, und die tro^:;zdem e'ne Lauf ruhe aufweisen, wie ßian sie bisher nur an Motoren fur Personenkraftwagen mit langschaftigen Kolben kannte.

Die Bolsenachse wird genriss der Erfindung vorzugsweise so angeordnet, dass die Kompresaionshuhe des Kolbens, d. h. das Hass von der Bolzenachse bis Kur Bode ,kante !deiner iüt als die Unterlange des Kolbens, d· h. als das Iviassjvon derBolzeiiach.se bis KUJi offenen'Schartende. Die Verringerung der Kolbenhühe wird also vorzugsweise durch Verringerung der /Compress ionshohe erreicht, wodurch gleichzeitig die Bauhohe der ganzen Brennkraftmaschine und daudt auch ihr Gewicht wesentlich verringert wird» Aisbesonder s günstig hat es sich herausgestellt, ein Verhältnis zwischen der Komressionshohe und der Unterlänge des Kolbens von etwa 3 ·' 4 zu wählen. Bei den bisher gebräuchlichen Kolben, insbesondere bei Flug- und Rennkolben mit verhältnismässig kleiner Gesamthöhe war die Kompressionshö'he im öegensats; dazu meist -esentlich grosser als die Unterlänge.

Da eine wesentliche Verbesserung der Abdichtung gegen das Durchtreten von öl und das Durchblasen von Verbrennungsgasen bei Brennkraftmaschinen ' mit Leichtmetallkolben und Leichtifietallzylindern schon durch die Verkleinerung der Einbauspiele gewährleistet ist, kann die Anzahl der Kolbenringe gegenüber bisher ohne Weiteres verkleinert werden. Bis jetzt war es iblich, an Otto-Motoren mit bis 50 nun Durchmesser mindestens 2, an solchen bis zu 90 nun Durchmesser mindestens 3 und an solchen bis 130 mm Durchmesser mindestens 4 Kolbenringe vorzusehen. Die vom Erfinder durchgeführten Versuche ha-

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aal d&ö gleichartige 'Ai.ri.i and aui j ie gleicLo^yl^ore Tempetratur kann aacx. die loxi. dor Schaft- oßer 2ragfeinen in cln^ L^iuiitnötallzylirkoer lauolücn esuntlicn einfacher grw hit werden dif basier übliolxe Fore des Schaftss von ift fjusözylinder eingebauten Kolben* Während man bisher um eine gutο Abdichtung and einen gut&n ^ciriooauvir&ang ζ ar Zyllnatr and ;su erziel" n, den Kolben^.-ii£.ft mit cciiü«. Inder Ovalit_t.t stark konisch oder gar oailic oval n.acLen a^usste, k

nan jetzt mit fust zylindrisch rund oder nur schwach oval gestalteten Schaft durch und kann fcrotzaeui Kinbuaspiele ©r£5.elen, die nut etwa halb so fsroös sind, als die bisher erzielten niedrigsten jiinbausplele* Dabei füusi3 beacutet werden, dass bei den bisher üblichen Schaftforoen iie Nemispiele eigentlich nur lan^s zweier gegenüberliegender Lantellinlen eingehalten wurden, während die dazwischenliegenden Lauffl^chentei-Ie infolge der starken uvalitat in Wirklichkeit »eit grussere Spiele aufhieben. Gerade bei verkültnisif.f-os±g kleinen iiennsMelen Quaste man bisher die Uvalitwten besonder.¹- grosa wLLlen, um ein slastischofä Ausv/eichen der i'rügfiachen zu ermöglichen, wenn aie tragenden tlanteltoile zua Anliegen an die Zylinder.%and -fcaiuen. Besonders bei luftgekEilten Grau-gusazyliaaern, die an der voai £ IhlluXtstrom abgewendeten beite oft 'feuiperatureüa aufweisen, die um etwa 100° C höher sind als die auf der gejen-oeiMie^enaen Seit* gemessenen Tetarperaturen, und aerön Querschnitte -infol^&de a sen. i» Betriebszustand von der Kreisfora oft erheb-v lieh abweichen, konnte man ohne die Anwendung von <iölb§ä*©fc*£tformen, welche ein elastisches Ausweichen ermöglichen, nicht aus-iocmien. !lach Syfahruögen des Erfinders koiamt «au deBagegenliber bei geaiäsa der Erfindung ge3tÄlteten_t in Leichtmetallzyllndern eingebauten Kolben selbst^ bei Anwendung von iuftküialung iait et«a folgender Schaftform aus: Sinbauspiel am offenen Schaftende ea· V*⁰^ ^de^ Kefln4urchmessero»%lSi^fti|i|fX fm oberen Schaftende ca. 1/2500 des nermdurchmesaers^ Ovalitat am i^^tftJa Schaftende ebenfalls I/25OO des Kenndurchmesaera und Ovalität am offenen üeh&ftende oV Die iSantellirden des Schaftes tönnön geradlinig eeiH. Man wählt also eine schwach Jt^löehe nicht ballige

Die wmwmmm* 4mχ mm» Solöefitaaforiü ge- «enüber den ^ÜM^^gä»ohliohd& Formen sind In der Z«iohnung aa* »Sitfj>;Msl eines alten und eines n«u*n Kolben· Ju *ü»D lüftgekahlfen Motor mit ff ana Zylinderführung gezeigt*

?lg» I fceigt die Hälfte einte Langssohnittea duroh d«ß SQIb Einbau la einen Graugusszylinder be- *timeten, bialier verwendeten LeiohtiaetAlllcolben, währen«

Fig. 2 einen LängsacHnitt durch den neuen Kdl"ben für «ine Maschine eit von 5,8 auf 6,4 ge~ •teigertem Verdichtungsgrad und dementsprechend von 24 AOf 25,8 PS gesteigerter Leistung bei gleiühen Zylinderdurchmessern jedoch unter Verwendung einee Leiohtmetallaylinders wiedergibt·

Xn Fig» 3 und A sind dl« Schaftformen des neuen and des alten Kolbens einander gegenübeγα« a teilt.

Die beiden, in den Fig· I und 2 gezeigten Kolben haben lediglieh den mit d bezeichneten Henndurohraesser geoteinaam, dar' beim ausgeführten Beiepiel wie schon gesagt 75 mm beträgt. Alle übrigen Uaase sind bei dem neuen Kolben erheblich kleiner als bei dem alten· Die Gesamtlänge 1 des neuen Kolbens beträgt nur 49 am oder rund Oi65 d, wahrend die X&nge 1* des alten Kolbens SOm m 1,0b d betrat. Die K-oapreasionshohe k dta neuen Kolbens beträgt 22 am · 0,29 d, während 41» Eoapressionshöhe k* des alten Kolbens 58 nun * 0,51 d betrügt. Auch die Unterlänge u dee neuen Kolbens ist mit 27 m& noch um 1/3 kurzer als die Unterlänge α* dea alten Kolbens, welcher 42 mm misst.

Dagegen ist das Verhältnis K : u umgekehrt wie das Verhältnis k*^% : u*, d. h. bei der Verkürzung der Gesamtlänge des neuen Kolbens wurde die Kompressionshöhe verhultnisaiässig stärker gekürzt als die Unterlänge. Dies wird noch deutlicher beiß Vergleich der Höhe der rtingzonen, von denen die mit r bezeichnete des neuen Kolbens 14 nun, die mit r¹ bezeichnete des alten Kolbens jedoch 28 jam alao das doppelte beträgt· Die Verkleinerung der Ringzone r wurde ausser durch Verminderung der Höhen der Ringstege und der Ringe selbst dadurch erreicht, dass der beim alten Kolben vorgesehene dritte Kolbenring in Wegfall kan. Der neue Kolben enthält daher nur 2 Ringnuten, wobei in die «weite ein als Dichtungs- unu Ölabstreifring wirkender Nasenring ein^ setzt wird. Da durch die Verkleinerung der genannten Hasse das Gewicht des Kolbens erheblich herabgesetzt «vurde, verminderte sioh auch die Belastung der Bolzenlager und es konnte dalier der 3olzun(äurcmaesser "b des neuen Kolbens um 2 m klt-iner gemacht werden als der Bolzendurciiaiesser b¹ des alten Kolbens*

In Fig, 3 sind zur Veranschaulichung der SchaftforjB des in Fig. 1 gezeichneten Kolbens die Mantellinien der beiden Hauptebenen des Kolbens zusammen mit der Mante!linie ζ¹ des Zylinders in der Art dargestellt, dass die Abstände der Kolbenmantellinle von der Zylindermantellinie der Übersicht Iicukeit halber stark vergrössert wurden. Die in der Ebene der Bolzenachse liegende :,lantellinie ist gestrichelt dargestellt und mil χ¹ bezeichnet. Die in der dazu senkrechten Ebene liegende Mantellinie ist durch eine fortlaufende XirJ.0 dargestellt und mit y' bezeichnet. Die beiden horizontalen Linien bezeichnen das obere und das untere Schaftende.

In Fig. 4 SäJÜ &U entsprechenden Linien mit den entspreoi»wiüü Isiseichnungen für den neuen Kolben aufgetragene Huf* An sieht, ist beim neuen Kolben das ßinbauSfäSütyi JU*h· der Abstand der Linien χ und y von der HSÖMSF« am unteren Schaf tende nur halb so gross wie am alten Kolben, nämlich 2/100 mm gegenüber 4/1 Ου am. Am obereu Cchaftende ist der der Linie 3ε von der Linie ζ 3/100, während

alten £olb«Ä/&er Abstand der Linie y* von der

β¹ l2/lQ&wm beträft. Das Einbauspiel am oberen Sehaftende wurde also auf 1/4 vermindert, ebenso wurde auch die Ovalitüt, d. h. der Abstand der Linie χ von der Linie y auf 1/4 herabgesetzt.

Schliesslich besteht zwischen den Schaftformen nach Fig. 3 und Fig. 4 noch der Unterschied, dass beim alten Kolben kurvenförmige Llantellinien angewendet werden musste^ während der neue Kolben geradlinige Mantellinien zel^t, was zur Folge hat, dass die Bearbeitung des neuen Kolbons einfacher und billiger wird.

Die Vorzuge des ISrflndungsgegenstandes sind demnach Jcurz zusaianengofasst folgende:

1. VerbringerUn₀, der Bauhöhe des Kolbens, des Zylinders und daudt auch der ganzen Mas diine.

2. Erhebliche Verringerung des Gewichtes des Kolbens, dadurch bedingt Verminderung der Uassenkräfte und die Möglichkeit, Pleuel, Kurbelwelle, Bolzen und Lager kleiner zu dimensionieren oder die Leistung des Motors entsprechend zu erhöhen.

3· Die Abdichtung und die Wärmeableitung zum Zylinder kann mit weniger und einfacheren Ringen als bisher bewirkt werden.

4· Vereinfachung und damit Verbilli^ung des Kolbenaufbaus und der Form der Schaftaussenflache.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   L*jichtflv.tallkolbeii fir :.u.t Lt-iohtmetallzyllndern ausgestattete Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet dass die Länge (1) des iColbeiis von offenen Schaftende bis gar Bodcnlcante etwa 4»L· - S Zehntel des HenndurC-iuöSiöers (d) botr ^t und dass a>> offenen Schaftende l]inbausp "iülf. von ca. 0,^5 unu a*. oberen ücx-aftende solche von ca· 0,4 Tausendstel ues "-..onndurchwe.saers angewendet

   2· Leichtmetallkolben nac:. Ansiirucxi 1, dadurch gejcennaolehnet, dass as ine AvOi.i^resbionaLüho (It) d. h. das .iass von der Bolzenachse bis Eur Bouerttcante kleiner ist als seine Unterl^n^e (u) d. Ii. al·; das !lass von der 3olzenach.se bis zum offenen Schaft ende.

   3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 2, dadurch g

   net, lass sich die .voiapreüQionshUhe (k) und die ünter (u) etwa wie 3:4 verhalten.

   4· Leic» tnetallkolben nach eine.) der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass Mindestens ein Kolbenring weniger alo bisher ',iblich angeordnet ist.

   5» Leichtmetallkolben nach den Ansprächen 1 bis 3ι dadurch gekennzeichnet, daso das liass (r) von der Bodenkante zur OberKante der Jolzennabenbohrong (Hing zone) etwa 2/10 dea ^olbondurclinessers (d) betrugt.

   6. Leicht/n tallkolben nacli Qiiivia der Ansgrliehe 1 bis } dadurcu gokerinzeichnet, dasa sich das laass von der Bod- nkante zur Oberkaxite ^x Uabenbohrung ($) zum Ha3s von uer Oberkante der Kabenbohrung bis zura pffenon Schaftende etv/a wie 3:S verhalt.

   7» Leichtmetall'colben nach den Ansprüchen 1 bis 6» geken,.z<" -,ciJiet durch ein, iichaftovalität, die am oberen Schaftcade ca. 0,4 Tau3cnd.it 1 des IJcnndurchaes-

   sers und am unteren Schaftende O beträgt.

   8. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 7 gekennzeichnet durch tine konische (nicht ballige) Schaftform.