DEP0002285DA

DEP0002285DA - Piston engine (internal combustion engine or steam engine)

Info

Publication number: DEP0002285DA
Authority: DE
Inventors: Paul Kassel Filehr
Original assignee: Himmelbach, Hans, Dr.-jur., Schweinfurt
Publication date: 1951-04-05

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.With the currently In internal combustion engines and steam engines, the pistons and cylinders are made of iron or light metal, which substances have a relatively high heat dissipation capacity and whose strength values decrease sharply at higher temperatures (e.g. in the range of the temperatures occurring during the combustion of the gases in the cylinder of an internal combustion engine).

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.The high temperatures of the gaseous or vaporous working medium that occur during the work process therefore make special precautions necessary on the machines, for example cooling devices in internal combustion engines to prevent overheating of the cooperating parts due to the heating medium and, on the other hand, in the case of steam engines, thermal insulation of the cylinders and Cylinder cover to prevent heat loss. This results, especially in internal combustion engines, at different high temperatures of these parts, and because of the associated different thermal expansion of the same, large piston clearances are necessary, which in turn make sealing rings necessary to prevent gases etc. from being blown through.

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.The evil becomes even greater if (e.g. in internal combustion engines) materials with different expansion coefficients are used for the parts that work together, e.g. gray cast iron for the cylinders because of the running properties and aluminum for the pistons, above all because of the reduction in inertia forces in the engine that can be achieved as a result.

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.Especially with internal combustion engines with compression ignition, the high heat dissipation capacity of iron and metal makes starting the cold machine more difficult, and one must therefore resort to auxiliary means to facilitate starting, on the one hand increasing the compression of the combustion air and on the other hand preheating devices or external ignition devices, etc. .

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.Another drawback can be seen in the fact that iron and metal tend to corrode, which is unfavorable for the pistons and liners if the machines are not used for a long time.

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.All of these circumstances make the machines more expensive, they increase maintenance costs and cause losses that impair the mechanical and thermal efficiency to a large extent.

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.In order to at least partially eliminate these deficiencies, it has already been proposed to provide the piston crowns of ceramic materials in internal combustion engines and thus to make at least part of the combustion chamber less sensitive to some of the above-mentioned inconveniences. It has also been proposed to provide cylinders and combustion chambers of heat engines with an enamel layer in which granular materials, e.g. sand, quartz, porcelain or the like, are embedded to cover the surface of the walls exposed to the hot gases or vapors. So far, however, no one has dared to manufacture more than just the aforementioned surfaces from non-metallic materials, because it was believed that the tensile strength and other properties of the known ceramic materials are insufficient to manufacture other parts of heat engines from them.

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.Experiments carried out by the applicant have now shown that the difficulties previously assumed are not insurmountable and that, in addition, many ceramic materials, e.g. porcelain and Al- or Mg-based porcelain-like materials, have a number of valuable properties, namely: a very low thermal conductivity , a very low thermal expansion, a gas-tight structure, a high heat and wear resistance, a low specific weight and complete freedom from corrosion.

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.In evaluating this new finding, it is proposed to manufacture the cylinders and cylinder heads, pistons wholly or partially from a ceramic material, in particular from a material similar to porcelain, on piston engines. Particularly endangered areas of the ceramic walls can be stiffened by arranging and designing rods, sheets or the like embedded in them made of a material with high tensile strength and low thermal expansion, e.g. made of 36% nickel steel, in such a way that they absorb the tensile forces that occur can absorb essentials.

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.The surfaces of the ceramic walls can be provided with a thin metallic coating, for example such a coating can consist of a material that reflects heat and light rays well in order to achieve an even further reduction in heat loss. It is also possible to provide thin coatings of a metal that conducts heat well in order to achieve even heating of the surfaces in question. It is of course particularly advantageous to provide a coating of metals that have good reflectivity and good thermal conductivity at the same time.

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.When the invention is applied to the running surfaces of the pistons and cylinders, the high oil holding capacity and the high wear resistance of the ceramic materials used can advantageously be upgraded. In addition, there is the advantage that the two-sided running surfaces only have a very low temperature difference due to the low thermal conductivity of the materials used, which is why the parts can be installed with very little play. One of the consequences of this is that in many cases the lubricant layer between the cylinder and piston running surfaces alone is sufficient to seal the working space, so that special sealing rings can be dispensed with under certain circumstances.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung an Hand der konstruktiven Gestaltung von Kolben näher erklärt.In the drawing, the subject matter of the invention is explained in more detail using the structural design of pistons.

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.Figure 1 shows half of a longitudinal section through a piston 1, which consists of a ceramic material, e.g. a mass similar to steatite. The outer surface of the piston has a thin coating 2 made of chrome or a similar metal. A metal sleeve 4 is inserted into the pin hub 3.

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.In the example according to Figure 2, the application of a coating and annular grooves is dispensed with. In contrast, a framework made of wire mesh 5 is embedded in this piston.

Claims

1) Piston engine (internal combustion engine or steam engine), characterized in that the cylinders and cylinder heads, pistons consist entirely or partially of ceramic material, in particular of a material similar to porcelain.

2) Piston engine according to claim 1, characterized in that reinforcing pieces made of a material with high tensile strength and low thermal expansion that are embedded in the ceramic walls are arranged and designed so that the tensile forces that occur can be essentially absorbed by these pieces.

3.) Piston engine according to claims 1 and 2, characterized in that they wear a thin metallic coating consisting of ceramic material surfaces.