EP0197449B1 - Mehrteiliger Hubkolben für Brennkraftmaschinen - Google Patents

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EP0197449B1
EP0197449B1 EP86104232A EP86104232A EP0197449B1 EP 0197449 B1 EP0197449 B1 EP 0197449B1 EP 86104232 A EP86104232 A EP 86104232A EP 86104232 A EP86104232 A EP 86104232A EP 0197449 B1 EP0197449 B1 EP 0197449B1
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centering
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Manfred Schindler
Helmut Werner Burghardt
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Ficht GmbH
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Ceramtec GmbH
Ficht GmbH
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/0023—Multi-part pistons the parts being bolted or screwed together
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
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    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/04—Heavy metals
    • F05C2201/0433—Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0448—Steel

Definitions

  • the invention relates to a multi-part reciprocating piston for internal combustion engines as described and shown, for example, in DE-A-3218320.
  • DE-A-3218320 describes a reciprocating piston with a piston ring which is connected to the associated piston rod by means of an expansion screw. Piston shirt, piston skirt, piston crown, top land are made in one piece.
  • the reciprocating piston is used in internal combustion engines in which the translational movement of a piston is converted into a rotational movement by a crank-loop drive, in particular in which two pistons lie opposite one another.
  • Reciprocating pistons of internal combustion engines composed of several individual parts are known in many embodiments in so-called large engine construction.
  • the multi-part piston has been used there for a long time. The reasons lie in the various loads to which the motor piston is exposed.
  • the piston crown with its top land is exposed to alternating thermal stresses and static pressures.
  • the piston is generally subjected to high dynamic acceleration and deceleration forces.
  • the piston shirt is subject to great bending forces due to the high normal pressures.
  • the object of the invention is therefore to be seen in aligning the multiple parts of a reciprocating piston in such a way that the assembly or arrangement of a piston ring made of ceramic material in its intended annular groove in the top land of the piston crown, i.e. a piston ring, which is made of the material cannot be expanded without breaking, is easily possible.
  • the designed multi-part design should meet the requirements placed on such a piston with regard to thermal and dynamic resilience and improve its running properties and service life.
  • the construction of the reciprocating piston according to the invention allows the piston ring to be arranged in the annular groove provided in the top land of the piston crown without further ado before the assembly of its main parts.
  • the piston shirt made of ceramic material and the piston head made of ceramic material with the top land result in good sliding properties and a long service life.
  • the centering piece made of metallic material with the base plate and the upper end cover with the centering hub made of the same material not only center the reciprocating piston on the end of the piston rod but also guarantee a secure clamping of the main parts of the piston, since the elasticity of the metallic material can withstand the changing permanent loads that occur.
  • the large amount of heat accumulating on the piston crown during the combustion process is rapidly dissipated to the piston rod by heat flow, so that heat build-up in the piston is avoided.
  • the reciprocating piston according to the invention is particularly suitable for internal combustion engines in which the translational movement of two opposite, synchronous pistons is converted into rotation by a crank-loop drive, and both pistons are rigid with the associated piston rod, as described and illustrated, for example, in DE-C-920 758 .
  • piston design according to the invention and the piston arrangement described can also be used in piston machines in which the normal pressures of the thrust crank mechanism are absorbed by a crosshead slide, as a result of which the piston skirt is relieved.
  • piston engines have been proposed, for example, as so-called bio-gas engines.
  • the reciprocating piston consists essentially of a piston skirt 1 with a piston skirt 2, a piston skirt 3 with a top land 4, a centering sleeve 5 for radially fixing the two aforementioned main piston parts 1, and 3, 4, one in an annular groove 6 of the Top land 4 piston ring 7, a centering piece 8 with base plate 9 and from an end cover 10 with centering hub 11.
  • a piston rod is designated, at each end of which there is a reciprocating piston (the second reciprocating piston is not shown), both of which are rigidly connected to the piston rod 12. This is done, for example, by a cap screw (13) which is screwed into the piston rod 12.
  • the radial fixation of the reciprocating piston with respect to the piston rod 12 takes place by a snug fit 14 of the base plate 9 on the piston rod 12.
  • the base plate 9 fixes with the help of their centering piece 8, the centering hub 11 of the end cover 10.
  • the two parts 8, 9 and 10, 11 are secured against rotation by a dowel pin 15 which protrudes with its inner end into the piston rod 12.
  • the dowel pin 15 also forms a fuse for the cap screw 13.
  • the piston skirt 1 with the piston skirt 2, the piston skirt 3 with the top land 4, the resilient piston ring 7, which has an expansion slot 16, and the centering sleeve 5 are all made of a ceramic material which is thermally highly resilient and has good sliding properties .
  • the piston ring 7 is provided with an arc-shaped rounded portion 17 for the arrangement of a torsion pin 18 which prevents the piston ring 7 from moving.
  • a groove 19 is provided on the inner wall.
  • a fillet 20 is incorporated on the piston crown 3 to avoid notch stresses.
  • the top land 4 can be provided radially on the outside with a labyrinth seal in the form of rotational grooves 24 (FIG. 2).
  • Piston shirt, piston ring and piston crown are made of ceramic.
  • Shaped bodies made of silicon nitride and silicon carbide can be produced using the isostatic pressing process.
  • the piston crown can also be made from aluminum titanate.
  • piston skirt (1) and piston crown (3) are made of the same material, or if (1) (3), piston ring (7) and centering sleeve (5) are made of the same material.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrteiligen Hubkolben für Brennkraftmaschinen wie er beispielsweise in der DE-A-3218320 beschrieben und dargestellt ist.
  • In der DE-A-3218320 wird ein Hubkolben mit Kolbenring beschrieben, der mittels Dehnschraube mit der zugeordneten Kolbenstange verbunden ist. Kolbenhemd, Kolbenhemdboden, Kolbenboden, Feuersteg sind einstückig ausgebildet. Der Hubkolben wird eingesetzt in BrennkraftMaschinen, bei denen die Translationsbewegung eines Kolbens durch einen Kurbelschleifentrieb in eine Rotationsbewegung umgewandelt wird, insbesondere in denen zwei Kolben einander gegenüber liegen.
  • Aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzte Hubkolben von Brennkraftmaschinen sind im sogenannten Großmotorenbau in vielen Ausführungsformen bekannt. Dort findet der mehrteilige Arbeitskolben seit langem Verwendung. Die Gründe liegen in den verschiedenen Belastungen, denen der Mötorkolben ausgesetzt ist. So ist der Kolbenboden mit seinem Feuersteg thermischen Wechselbeanspruchungen und statischen Drükken ausgesetzt. Außerdem ist der Kolben insgesamt hohen dynamischen Beschleunigungs- und Verzögerungskräften unterworfen. Bei Motoren mit Schubkurbelgetriebe, insbesondere bei Kurzhubern, lasten auf dem Kolbenhemd durch die hohen Normaldrücke große Biegekräfte.
  • Nachdem Keramik als Werkstoff neuerdings ebenfalls Eingang in den Motorenbau gefunden hat und bei derartigen sog. Keramik-Motoren alle gleitend miteinander in Berührung stehenden Teile aus dem gleichen Werkstoff bestehen müssen, also auch der notwendige Kolbenring aus Keramik herzustellen ist, stellt sich das Problem der Montage solcher Kolbenringe. Wie die Erfahrung zeigt, reicht die Elastizität solcher Kolbenringe nicht dazu aus, diesen über das Kolbenhemd zu streifen, um ihn in die Kobenringnutzu bringen.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist daher darin zu sehen, die Mehrteiligkeit eines Hubkolbens derart unter dem Aspekt auszurichten, daß die Montage bzw. Anordnung eines aus keramischem Werkstoff bestehenden Kolbenringes in seiner dafür vorgesehenen Ringnut im Feuersteg des Kolbenbodens, also eines Kolbenringee, der vom Material her sich nicht aufweiten läßt ohne zu brechen, ohne weiteres möglich ist. Darüber hinaus soll die konzipierte Mehrteiligkeit den an einen solchen Kolben gestellten Forderungen bezüglich thermischer und dynamischer Belastbarkeit entgegenkommen sowie seine Laufeigenschaften und Lebensdauer verbessern.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angeführten Merkmale gelöst.
  • Die weitere Ausgestaltung der Erfindung erfolgt durch die in den Unteransprüchen niedergelegten Merkmale.
  • Der erfindungsgemäße Aufbau des Hubkolbens erlaubt vor der Montage seiner Hauptteile eine Anordnung des Kolbenringes in der dafür vorgesehenen Ringnut im Feuersteg des Kolbenbodens ohne weiteres. Das aus keramischem Werkstoff bestehende Kolbenhemd und der aus keramischem Werkstoff hergestellte Kolbenboden mit dem Feuersteg ergeben gute Gleitfähigkeit und hohe Lebensdauer. Das aus metallischem Werkstoff bestehende Zentrierstück mit der Grundplatte und der obere Abschlußdeckel mit der Zentriernabe aus dem gleichen Werkstoff zentrieren nicht nur den Hubkolben auf dem Kolbenstangenende sondern garantieren auch eine sichere Zusammenspannung der Kolbenhauptteile, da die Elastizität des metallischen Materials den auftretenden wechselnden Dauerbelastungen gewachsen ist. Außerdem wird die während des Verbrennungsvorganges am Kolbenboden anfallende große Hitzemenge durch Wärmeströmung rasch zur Kolbenstange hin abgeführt, so daß Wärmestau im Kolben vermieden wird.
  • Der erfindungsgemäße Hubkolben eignet sich insbesondere für Brennkraftmaschinen bei denen die translatorische Bewegung zweier gegenüberliegender, gleichlaufender Kolben durch einen Kurbelschleifentrieb in Rotation umgewandelt wird, und beide Kolben starr mit der zugehörigen Kolbenstange, wie es beispielweise in der DE-C-920 758 beschrieben und dargestellt ist.
  • Die erfindungsgemäße Kolbenausführungs-und die beschriebene Kolbenanordnung sind auch anwendbar bei Kolbenmaschinen, bei denen die Normaldrücke des Schubkurbeltriebes durch einen Kreuzkopfschlitten aufgenommen werden, wodurch das Kolbenhemd entlastet ist. Solche Kolbenmotoren sind beispielsweise als sogenannte Bio-Gasmotoren vorgeschlagen worden.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigen
    • Figur 1 einen Hubkolben im Längsschnitt mit einem Teil der Kolbenstange,
    • Figur 2 einen Teil des Kolbenbodens (3) im Radialschnitt mit Feuersteg (4) sowie Drehriefen (24) und
    • Figur 3 einen Teil des Kolbenringes in Draufsicht mit Kolbenringschlitz.
  • Wie aus Figur 1 hervorgeht, besteht der Hubkolben im wesentlichen aus einem Kolbenhemd 1 mit Kolbenhemdboden 2, einem Kolbenboden 3 mit Feuersteg 4, einer Zentrierhülse 5 zur radialen Fixierung der beiden vorgenannten Kolbenhauptteile 1, und 3, 4, aus einem in einer Ringnut 6 des Feuerstegs 4 sitzenden Kolbenring 7, einem Zentrierstück 8 mit Grundplatte 9 und aus einem Abschlußdeckel 10 mit Zentriernabe 11.
  • Mit 12 ist eine Kolbenstange bezeichnet, an deren beiden Enden je ein Hubkolben sitzt (der zweite Hubkolben ist nicht gezeichnet), die beide starr mit der Kolbenstange 12 verbunden sind. Dies geschieht zum Beispiel durch je eine Kopfschraube (13), die in der Kolbenstange 12 eingeschraubt ist. Die radiale Fixierung des Hubkolbens gegenüber der Kolbenstange 12 erfolgt durch einen Paßsitz 14 der Grundplatte 9 auf der Kolbenstange 12. Die Grundplatte 9 fixiert ihrerseits mit Hilfe ihres Zentrierstückes 8 die Zentriernabe 11 des Abschlußdeckels 10. Die beiden Teile 8, 9 und 10, 11 sind durch einen Paßstift 15 gegen Verdrehung gesichert, der mit seinem inneren Ende in die Kolbenstange 12 hineinragt. Der Paßstift 15 bildet gleichzeitig eine Sicherung für die Kopfschraube 13.
  • Das Kolbenhemd 1 mit dem Kolbenhemdboden 2, der Kolbenboden 3 mit dem Feuersteg 4, der in sich federnde Kolbenring 7, der einen Dehnungsschlitz 16 aufweist, und die Zentrierhülse 5 sind alle aus einem keramischen Werkstoff hergestellt, der thermisch hoch belastbar ist und gute Gleiteigenschaften aufweist. Am Dehnungsschlitz 16 ist der Kolbenring 7 mit einer kreisbogenförmigen Abrundung 17 zur Anordnung eines Verdrehstiftes 18, der ein Wandern des Kolbenringes 7 verhindert, versehen.
  • Am Übergang zwischen dem Kolbenhemd 1 und dessen Boden 2 ist an der Innenwand eine Hohlkehle 19 vorgesehen. Auch am Ubergang zum Feuersteg 4 ist auf dem Kolbenboden 3, um Kerbspannungen zu vermeiden, eine Hohlkehle 20 eingearbeitet.
  • Sowohl zwischen der Zentriernabe 11 und der Zentrierhülse 5 als auch zwischen dem Außenumfang des Abschlußdeckels 10 und dem Feuersteg 4 ist je ein radialer Dehnspalt 21 bzw. 22 belassen.
  • Beim Anziehen der Kopfschraube 13 werden der Kolbenhemdboden 2 und der Kolbenboden 3 zwischen der Grundplatte 9 und dem Abschlußdeckel 10 mit Vorspannung aufeinandergepreßt. Um dies zu ermöglichen, ist zwischen dem Zentrierstück 8 und der Zentriernabe 11 ein axialer Distanzspalt 23 vorgesehen.
  • Um die Abdichtung gegenüber der Zylinderwand zu verstärken, kann radial außen der Feuersteg 4 mit einer Labyrinthabdichtung in Form von Drehriefen 24 versehen werden (Figur 2).
  • Kolbenhemd, Kolbenring und Kolbenboden werden aus Keramik hergestellt. Verwendbar sind z.B. Zirkonoxid, Siliziumnitrid und Siliziumcarbid (insbesondere Siliziuminfiltriertes Siliziumcarbid = Si-SiC). Formkörper aus Siliziumnitrid und Siliziumcarbid lassen sich mit Hilfe des isostatischen Preßverfahrens herstellen. Der Kolbenboden kann auch aus Aluminiumtitanat gefertigt werden.
  • Für den Kolbenring eignet sich als Material ferner ausgezeichnet siliziuminfiltrierter Graphit (Siliziumcarbid/Graphitverbundwerkstoff) oder Stahl, der mit Keramik (z.B. Zirkonoxid oder Siliziumcarbid) beschichtet wurde. Es ist bevorzugt, wenn Kolbenhemd (1) und Kolbenboden (3) aus dem gleichen Werkstoff gefertigt sind, oder wenn (1) (3), Kolbenring (7) und Zentrierhülse (5) aus dem gleichen Werkstoff gefertigt sind.

Claims (7)

1. Mehrteiliger Hubkolben für Brennkraftmaschinen, bei denen die translatorische Bewegung des Kolbens durch einen Kurbelschleifentrieb in eine Rotationsbewegung umgewandelt wird, mit einer starr mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange (12), wobei die Verbindung eine der Kolbenstange zugeordnete Verschraubung (13) einschließt, gekennzeichnet durch ein aus keramischem Wirkstoff bestehendes Kolbenhemd (1) mit Kolbenhemdboden (2), einen aus keramischem Werkstoff hergestellten Kolbenboden (3) mit Feuersteg (4), versehen mit einer von Kolbenhemdboden (2) und Kolbenboden (3) gebildeten Ringnut (6) zur Aufnahme eines aus kermamischen Werkstoff bestehenden, geschlitzten Kolbenringes (7), wobei der Kolbenboden (3) auf dem Kolbenhemdboden (2) sitzt und Kolbenhemdboden (2) und Kolbenboden (3) durch eine gemeinsame Zentrierhülse (5), ebenfalls aus keramischen Werkstoff, radial fixiert sind, ferner durch ein auf der Kolbenstange (12) mit Paßsitz (14) fixiertes, aus Metall oder einer Metallegierung, insbesondere einer Aluminiumlegierung hergestelltes Zentrierstück (8) mit Grundplatte (9), auf welcher der Kolbenhemdboden (2) sitzt, und durch einen, aus dem gleichen Werkstoff wie das Zentrierstück (8) mit Grundplatte (9) hergestellten, auf dem Kolbenboden (3) sitzenden und radial bis zu dessen Feuersteg (4) sich erstreckenden Abschlußdeckel (10) mit Zentriernabe (11), die gegenüber dem Zentrierstück (8) radial fixiert ist, mit einem axialen Distanzspalt (23) zwischen Zentrierstück (8) und Zentriernabe (11), wobei der Kolbenhemdboden (2) und der Kolbenboden (3) zwischen dem Abschlußdeckel (10) und der Grundplatte (9) durch eine der Kolbenstange (12) zugeordnete Verschraubung (13) axial zusammengespannt sind.
2. Hubkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowol zwischen der Zentriernabe (11) des Abschlußdeckels (10) und der Zentrierhülse (5) als auch zwischen dem Außenumfang des Abschlußdeckels (10) und dem Innenumfang des Feuersteges (4) des Kolbenbodens (3) je ein Ausdehnungsspalt (21 bzw. 22) vorgesehen ist.
3. Hubkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Übergang zwischen dem Kolbenhemd (1) und seinem Kolbenhemdboden (2) an deren Innenwand eine ringförmige Hohlkehle (19) zum Abbau von Kerbspannungen vorgesehen ist.
4. Hubkolben nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kolbenboden (3) radial innerhalb seines Feuersteges (4), und zwar im Bereich des Außenumfanges des Abschlußdeckels (10) eine ringförmige Hohlkehle (20) zum Abbau von insbesondere durch thermische Ungleichheiten hervorgerufenen Kerbspannungen vorgesehen ist.
5. Hubkolben nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß um ein Verdrehen der Grundplatte (9) zusammen mit dem Abschlußdeckel (10) bzw. dessen Zentriernabe (11) gegenüber der Kolbenstange (12) zu vermeiden, ein einerseits in der Kolbenstange (12) festsitzender Paßstift (15) angeordnet ist, der die Grundplatte (9) durchsetzt und andererseits in die Zentriernabe (11) des Abschlußdeckels (10) hineinragt.
6. Hubkolben nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (3) am Außenumfang seines Feuersteges (4) mit einer Labyrinthabdichtung, insbesondere in Form von Drehriefen (24), versehen ist.
7. Hubkolben nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring (7) im Bereich seines Stoßes (16) eine kreisbogenförmige Ausnehmung (17) zur Anordnung eines Fixierstiftes (18) aufweist.
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DE8510204U 1985-04-04

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EP0197449A2 EP0197449A2 (de) 1986-10-15
EP0197449A3 EP0197449A3 (en) 1987-11-25
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