DEP0002285DA - Kolbenkraftmaschine (Brennkraft- oder Dampfmaschine) - Google Patents

Description

Bei den z.Zt. gebauten Brennkraft- und Dampfmaschinen werden die Kolben und Zylinder aus Eisen oder Leichtmetall hergestellt, welche Stoffe ein verhältnismäßig hohes Wärmeableitungsvermögen besitzen und deren Festigkeitswerte bei höheren Temperaturen (z.B. im Bereich der bei der Verbrennung der Gase im Zylinder eines Verbrennungsmotors auftretenden Temperaturen) stark abnehmen.

Die hohen Temperaturen des gas- oder dampfförmigen Arbeitsmittels, die während des Arbeitsvorganges auftreten, machen daher besondere VOrkehrungen an den Maschinen notwendig, so z.B. einerseits bei Verbrennungskraftmaschinen Kühleinrichtungen zur Verhinderung von Überhitzung der zusammenarbeitenden Teile durch das Wärmemittel und andererseits bei Dampfmaschinen eine Wärmeisolierung der Zylinder und Zylinderdeckel zur Verhinderung von Wärmeverlusten. Dabei ergeben sich, besonders bei Brennkraftmaschinen, verschiedene hohe Temperaturen dieser Teile, und wegen der damit verbundenen verschieden ausfallenden Wärmeausdehnung derselben sind auch große Kolbenspiele notwendig, die wiederum Abdichtungsringe zur Verhinderung des Durchblasens von Gasen usw. erforderlich machen.

Das Übel wird noch größer, wenn (z.B. bei Brennkraftmaschinen) für die zusammenarbeitenden Teile Werkstoffe mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden, z.B. Grauguss für die Zylinder wegen der Laufeigenschaften und Aluminium für die Kolben, vor allem wegen der dadurch erzielbaren Verringungen der Massenkräfte im Triebwerk.

Besonders bei Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung wird durch die hohe Wärmeableitungsfähigkeit von Eisen und Metall das Starten der kalten Maschine erschwert, und man muss deshalb zu Behelfsmitteln, zur Erleichterung des Startens, greifen, einmal Erhöhung der Kompression der Verbrennungsluft und zum anderen Male Vorwärmeinrichtungen oder aber Fremdzündungseinrichtungen usw.

Ein weiterer Übelstand ist noch darin zu sehen, dass Eisen und Metall zum Korrodieren neigen, was sich bei längerem Stillstand der Maschinen ungünstig für die Kolben und Laufbüchsen auswirkt.

Alle diese Umstände bringen eine Verteuerung der Maschinen, sie erhöhen die Wartungskosten und bedingen Verluste, die den mechanischen und thermischen Wirkungsgrad in hohem Ausmaße beeinträchtigen.

Um diese Mängel wenigstens teilweise zu beseitigen, wurde schon vorgeschlagen, bei Brennkraftmaschinen die Kolbenböden aus keramischen Werkstoffen vorzusehen und damit wenigstens einen teil des Verbrennungsraumes gegen einige der geschilderten Übelstände unempfindlicher zu machen. Auch ist vorgeschlagen worden, Zylinder und Verbrennungskammern von Wärmekraftmaschinen mit einer Emailleschicht, in der körnige Stoffe, z.B. Sand, Quarz, Porzellan o.dgl., zur Bekleidung der den heißen Gasen oder Dämpfen ausgesetzten Wandungen an der Oberfläche eingebettet sind, zu versehen. Mehr als nur die vorgenannten Flächen aus nichtmetallischen Werkstoffen herzustellen, hat man aber bisher nicht gewagt, weil man glaubte, dass die Zugfestigkeit und die sonstigen Eigenschaften der bekannten keramischen Werkstoffe nicht genügen, um andere Teile von Wärmekraftmaschinen aus ihnen herzustellen.

Von dem Anmelder durchgeführte Versuche haben nun gezeigt, dass die früher angenommenen Schwierigkeiten nicht unüberwindbar sind, und dass darüberhinaus viele keramische Werkstoffe, z.B. Porzellan und auf Al- oder Mg-Basis aufgebaute porzellanähnliche Massen eine Reihe wertvoller Eigenschaften haben, nämlich: ein sehr geringes Wärmeleitvermögen, eine sehr geringe Wärmedehnung, ein gasdichtes Gefüge, eine große Warm- und Verschleißfestigkeit, ein geringes spezifisches Gewicht und völlige Korrosionsfreiheit.

In Auswertung dieser neuen Erkenntnis wird vorgeschlagen, an Kolbenkraftmaschinen die Zylinder und Zylinderköpfe, Kolben ganz oder teilweise aus keramischem Werkstoff, insbesondere aus porzellanähnlichem Werkstoff, herzustellen. Dabei können besonders gefährdete Stellen der keramischen Wände dadurch versteift werden, dass man in sie eingebettete Stäbe, Bleche oder dergleichen aus einem Werkstoff mit hoher Zugfestigkeit und kleiner Wärmeausdehnung, z.B. aus 36%igem Nickelstahl, so anordnet und gestaltet, dass sie die auftretenden Zugkräfte im wesentlichen aufnehmen können.

Die Oberflächen der keramischen Wände können mit einem dünnen metallischen Überzug versehen werden, beispielsweise kann ein solcher Überzug aus einem Wärme- und Lichtstrahlen gut reflektierenden Werkstoff bestehen, um eine noch weiter gehende Verringerung des Wärmeverlustes zu erreichen. Man kann auch dünne Überzüge aus einem die Wärme gut leitenden Metall versehen, um dadurch eine gleichmäßige Aufheizung der in Betracht kommenden Flächen zu erzielen. Besonders vorteilhaft ist es natürlich, einen Überzug aus solchen metallen vorzusehen, die ein gutes Reflexionsvermögen und eine gute Wärmeleitfähigkeit gleichzeitig aufweisen.

Bei Anwendung der Erfindung auf die Laufflächen der Kolben und Zylinder kann die große Ölhaltefähigkeit und die große Verschleißfestigkeit der verwendeten keramischen Werkstoffe vorteilhaft zur Aufwertung gelangen. Außerdem ergibt sich dabei der Vorteil, dass die beiderseitigen Laufflächen wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Werkstoffe nur eine sehr niedrige Temperaturdifferenz aufweisen, weshalb die teile mit sehr geringem Spiel eingebaut werden können. Das hat u.a. zur Folge, dass in vielen Fällen die Schmierschicht zwischen Zylinder- und Kolbenlaufflächen allein genügt, um den Arbeitsraum abzudichten, sodass besondere Dichtungsringe unter Umständen entbehrt werden können.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung an Hand der konstruktiven Gestaltung von Kolben näher erklärt.

Abbildung 1 zeigt die Hälfte eines Längsschnittes durch einen Kolben 1, der aus keramischem Werkstoff, z.B. aus einer steatitähnlichen Masse besteht. Die Außenfläche des Kolbens trägt einen dünnen Überzug 2 aus Chrom oder einem ähnlichen Metall. In die Bolzennabe 3 ist eine Metallbüchse 4 eingefügt.

Beim Beispiel nach Abbildung 2 ist auf das Anbringen eines Überzuges und von Ringnuten verzichtet. Dagegen ist in diesem Kolben ein Gerüst aus Drahtgeflecht 5 eingebettet.

Claims (3)

1) Kolbenkraftmaschine, (Brennkraft- oder Dampfmaschine), dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder und Zylinderköpfe, Kolben ganz oder teilweise aus keramischem Material, insbesondere aus porzellanähnlichem Werkstoff bestehen.

2) Kolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die keramischen Wände eingebettete Verstärkungsstücke aus einem Werkstoff mit hoher Zugfestigkeit und kleiner Wärmedehnung so angeordnet und gestaltet sind, dass durch diese Stücke die auftretenden Zugkräfte im wesentlichen aufgenommen werden können.

3.) Kolbenkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus keramischen Werkstoff bestehenden Flächen einen dünnen metallischen Überzug tragen.