SE433376B - Kolvmotor med vermeisolerat forbrenningsrum - Google Patents

Description

7908739-1 10 15 20 25 30 35 Mot nämnda bakgrund har föreliggande uppfinning till uppgift att ut- forma väggpartier för avgränsning av förbränningsrum, vilka väggpartier uppvisar god värmeisolerande förmåga liksom god hållfasthet vid under en förbränning förekommande temperatur och påkänningar, samtidigt som. -de i keramiskt material utförda delarna har en ur tillverkningssynpunkt enkel och ändamålsenlig utformning{ I detta syfte utmärkes uppfinningen av att mellan den värmetåliga kroppen och stödkroppen är anordnat ett värmeisolerande element av ett material ned lågt värmeledningstal och låg elasticitetsmodul relativt den värmetåliga kroppens och stödkrop- pens material, vilket element är utformat som en väsentligen cylindrisk ring med botten, samt att den värmetâliga kroppen, isolerelementet och stödkroppen fasthållas vid varandra väsentligen endast genom radiella inspänningskrafter.

Vid en enligt uppfinningen utformad kolvmotor är sålunda förbrän- ningsrummet avgränsat av åtminstone ett väggparti vid vilket stödkrop- pen, isolerelementet och den värmetåliga kroppen genom geometrisk ut- formning och materialens värmeledningsegenskaper samverkar så att sepa- rata anfästningsorgan ej är nödvändiga. Det innebär att av dylika an- fästningsorgan förorsakade lokala spänningskoncentrationer undvikas och att risken för värmeförluster vid hâlgenomföringar i isolerelementet helt elimineras.

Vid en fördelaktig utföringsform av uppfinningen täckes hela den mot förbränningsrummet vända ytan hos motorns.cylinderlock respektive kolv av en cirkulär värmetâlig kropp. Härigenom skyddas såväl isolerelemen- tet som stödkroppen från de mekaniska och termiska påkänningar som upp- står under en förbränningscykel.- Övriga uppfinningen utmärkande särdrag framgår av efterföljande be- skrivning och patentkrav. Beskrivningen utföres under hänvisning till bifogade figurer, av vilka _ f , Figur 1 med ett längdsnitt visar uppfinningen tillämpad på ena änden av en kolv, _ f Figur 2 visar på samma sätt uppfinningen tillämpad i ett cylinder- lock till en förbränningsmotor och Figurerna 3 a-c illustrerar med längsnitt samverkan mellan ingående delar för att uppnå uppfinningsenlig inspänning av ett vägg- parti i ett förbränningsrum. 10 15 zoi 25 30 35 7908739-1 Den högra halvan av figur 1 återger en kolv i ett vertikalt snitt längs kolvtappens lagring, medan den vänstra halvan visar ett vertikalt snitt vinkelrätt mot förstnämnda snitt. Kolven består av en kolvkropp 1 och en kolvkrona 2. Kolvkronan 2 består i sin tur av en kraftupptagande stödkropp 3, ett isolerelement 4 och en värmetålig kolvtopp 5. Var och en av nämnda enheter kan vara utförd i ett eller flera stycken. Den i figur 1 exemplifierade stödkroppen 3 är utformad som en cylinder 6 med en botten 8, med vilken senare stödkroppen 3 medelst ansatsstyrning an- ligger mot kolvkroppens 1 övre ände och anfästes vid densamma medelst ett antal bultar 12, varav endast en är visad. I stödkroppens 3 cylin- der 6 ingriper isolerelementet 4. Detta har också formen av en med en botten 9 försedd cylinder 7 med den öppna cylinderänden riktad uppåt. I densamma ingriper kolvtoppen 5. Denna är utformad med en fläns och en väsentligen centralt belägen ringformad fördjupning 10, som utför för- bränningsrum vid en dieselmotor av direktinsprutad typ.

I nivå med stödkroppens 3 botten 8 är ett kolvringsspår 13 upptaget i stödkroppen 3. Övriga kolvringsspår är ej visade i figuren men de kan antingen vara placerade i stödkroppen 3 ovanför det visade spåret eller i kolvkroppen 1 nedanför det visade spåret 13. Mellan stödkroppen 3 och kolvtoppens 5 fläns är vidare en luftspalt 14 anordnad invid kolvens mantelyta. Luftspalten 14 värmeisolerar stödkroppen 3 från kolvtoppen 5 och onödiggör att isolerelementet 4 utgör del av kolvens mantelyta.

Isolerelementet 4 skyddas därigenom påtagligt från föroreningar och tryckpåkänningar under motorns förbränning.

Isolerelementet 4 och kolvtoppen 5 är fästade till varandra och till stödkroppen 3 genom att isolerelementet 4 och dess cylindriska del 7 är inkrympt i stödkroppens 3 cylindriska del 6, varigenom även kolvtoppen 5 hålles inspänd i isolerelementets 4 cylindriska del 7. Hur de därvid verkande inspänningskrafterna åstadkommas skall senare beskrivas med hänvisning till figur 3.

Figur 2 visar ett cylinderhuvud 20 som är försett med en uppfin- ningsenlig värmeisolerande insats 21. Denna täcker hela den del av cylinderhuvudet 20 som utgör del av förbränningsrummets avgränsande väggar. I likhet med kolvkonstruktionen enligt figur 1 består insatsen 21 av ett värmeisolerande element 22 och en värmetålig kropp 23. Det värmeisolerande elementet 22 är utformat som en platta med ett cirku- 7908739-1 10 15 20 25, 30 35 lärt bottenhål, i vilket den värmetål iga kroppen i form av en cirkulär platta inpassar. Både den värmetåliga plattan 23 och isolerelementets 22 botten är utformade med hål 24 för ett insprutningsmunstycke .och för inlopps-'och avgaskanaler 25, varav endast hål för en kanal är visad i figur 2. I den värmetåliga plattan 23 är dessutom utformat säten för ett antal ventiler 26, varav endast en är visad. Plattan 23_ är som tidigare nämnts införd i isolerelementet 22, och den därmed bildade in- satsenheten 21 är med den värmetâliga plattan 23 riktad utåt inkrympt i en stödkropp 27, som i detta fall utgöres av cylinderhuvudet 21. Ut- formningen niöjliggör att 'den värmetåliga plattan 23 kan skydda isoler- elementet 22 från att direkt utsättas för mekaniska påkänningar under en Förbränning. . . i ._ Vid en alternativ utföringsform kan stödkroppen 27 vara utformad som ett separat plattelement som med bultar anfásts till det egentliga cylinderhuvudet. Liksom vid det i figur 1 visade förbandet åstadkommer inkrympningen inspänningskrafter mellan dels stödkroppen 27 och isoler- elementet 22 och dels mellan_isolerelementet 22 och den värmetåliga plattan 23.

Det i figurerna 3a-c illustrerade exemplet är hänförbart till fkolv- atoppens 5, isolerelementets 4 och stödkroppens 3 samverkan vid kolvens övre vänstra hörn enligt figur l. Nämnda detaljers di ametrar vid olika temperaturer är markerade på en med D betecknad skala i respektive figurer. - Figur 3a åskådliggör inbördes diameterförhållanden mellan den värme- tåliga kroppen 5, cylindern 7 för i solerelementet 4 och cylindern ön för stödkroppen 3 vid en temperatur 0°C. Därav framgår att ursprungliga ytterdiametern för isolerelementets cylinder 7 överskrider innerdia- metern för stödkroppens cylinder 6 med ett avstånd (a) som är större än det avstånd (b) med vilket isolerelementets innerdiameter överskrider den värmetåliga kroppens 5 ytterdiameter. ' Från var och en av samverkande radiella ytor utgår i figur 3a en skala märkt AD. Skalans början anger diametern ifråga vid 0°C (ej mar- kerat). En markering 500°C anger diametern hos detaljen ifråga vid nämnda temperatur. Skalan visar sålunda den diameterändring som detal- jen undergår vid uppvärmning. 10 15 20 25 30 35 7908739-1 Av figur 3a framgår att stödkroppen 3 (6) i det visade exemplet har den klart största längdutvidgningskoefficienten, vidare att den värme- tåliga kolvtoppen 5 har en koefficient som är omkring en tredjedel av stödkroppens 3 (6), medan isolerelementets 4 (7) koefficient endast är omkring en tredjedel av den värmetåliga kolvtoppens 5 koefficient.

Vid montering av ifrågavarande detaljer kan den värmetåliga kroppen 5 till följd av diameterskillnad införas i isolerelementet 4 (7) utan svårighet. Den därvid bildade insatsenheten införes därefter i stöd- kroppen 3 (6), vilken senare därvid är upphettad till en temperatur så att dess diameter har vidgats med ett värde som överstiger måttet (a) enligt figur 3a. Det innebär vid det visade exemplet att stödkroppen 3 (6) måste värmas till minst 300°C innan nämnda avstånd (a) är uppnått.

Vid stödkroppens 3 (6) avsvalnande och häremot svarande krympning inspännes insatsenheten i stödkroppen 3 (6). Isolerelementet 4 (7) har en låg elasticitetsmodul jämfört med stödkroppen 3 (6) och den värme- tåliga kroppen 5, och detta nfójliggör att isolerelementet 4 (7) får ett eftergivligt uppträdande relativt de övriga delarna i förbindningen.

Dessutom uppvisar isolerelementet 4 (7) en tryckhållfasthet, som är tillräcklig för att stödkroppens 3 (6) inspänningskrafter skall kunna överföras till den värmetåliga kroppen 5 utan att i solerelementet 4 (7) sönderpressas. Stödkroppens 3 (6) krympning medför således att isoler- elementet 4 (7) fastklämmes mellan de två övriga delarna och att den värmetåliga kroppen 5 därigenom inspännes i i solerelementet 4 (7). Det innebär att isolerelementets 4 (7) yttre diameter efter avsvalnandet har minskat med måttet (a) medan dess inre diameter har minskat med ett mått åtminstone överskridande måttet (b).

Den åstadkomna infästningen, som i figur 3b återges i läget vid en temperatur 0°C, måste motstå förekommande påfrestningar såväl vid låga temperaturer (motorstart i kyla) som vid .höga temperaturer under motorns förbränning. Som framgår av figur 3a uppvisar stödkroppen 3 en betydligt större värmeutvidgning än den värmetåli ga kroppen 5, och i so- lerelementets 4 utvidgning kan i sammanhanget anses försumbar. Detta innebär att greppet mellan delarna i den i figur 3b återgivna infäst-I ningen ökar vid avkyl ning, medan det minskar vid uppvärmning. Vid upp- värmning till den högsta temperatur som delarna kan uppnå får stöd- kroppen 3 ej vidgas så mycket att greppet mellan isolerelementet 4 (7) och de två övriga delarna upphör att verka förbi ndande. _._____....__.... .__ .,.. _ 7908739-1 10 15 20 25 30 35 Vid del arnas dimensionering bör även tillverkningstoleranser beak- tas. För det enskilda fallet gäller vid uppvärmning till förekommande högsta temperaturer hos' delarna villkoret a ' b ' Anstödkropp W' ADvärmetålig kropp > "ingrepp- Det innebär att ett minsta nödvändigt grepp (Mingrepp) ej får under- skridas när det vid rumstemperatur rådande greppet (a-b) vid uppvärm- ningen minskas genom att stödkroppen vidgas mer än den värmetåliga- KWPPE" ( Dstodkropp Dvarmetalig kropp)- Figur 3c visar de olika del arnas di ametermått utefter diameterskalan vid de temperaturer som är exemplifierade på respektive detaljer. De angivna värdena är representativa för de temperaturer som de olika delarna antager under förbränningen i en dieselmotor. Som exempel på ' lämpliga material i respektive delar kan nämnas: För den värmetåliga plattan 5 - HIP (Hot Isostati c Pressi ng) kiselnitrid Si3N4 För isolerelementet 4 - Al umi ni umtitanat Al2Ti05 För stödkroppen 3 - Martensitiskt ventilstål X45Cr Si9 Inom ramen för uppfinningstanken är även andra material tänkbara för en uppfinningsenlig inbyggnad i en för hårda påfrestningar utsatt kolv.

Vid cylinderlocksinbyggnaden och vid en cylinderfoderinbyggnad erford- ras inte lika hårda materialkrav, enär det därvid endast förekommer tryckpåkänningar och det dessutom finns tillgång till goda kylningsmöj- ligheter. Väsentligt är dock att isolerelementets 4 elasticitetsmodul - åtminstone understiger 50% av stödkroppens 3 och den värmetåliga krop- pens 5 elasticitetsmodul; Vidare bör isolerelementets längdutvidg- ningskoefficient åtminstone understiga 20% av stödkroppens 3 längdut- vidgningskoefficient.

Stödkroppen 3 kan även vara utförd i andra material, exempelvis gjutjärn när stödkroppen 3 utnyttjas i cylinderhuvudet respektive - fodret. Väsentligt är dock att längdutvidgningskoefficienten är så låg som möjligt varigenom krympförbandet säkerställes med minsta möj- liga kylbehov av stödkroppen 3. Självfallet måste även materialets hällfasthet kunna bibehållas på en tillräcklig nivå vid de temperaturer stödkroppen 3 kan antaga under förbränning i motorn.

De beskrivna utföringsexemplen får inte anses begränsande för upp- finningen, utan denna kan inom ramen för efterföljande patentkrav ........_..-.._.. _ ..-___ .., 7908739-1 modifierasí alternativa utföringsformer. Inom uppfinningstanken är det sålunda även tänkbart att stödkroppen 3 är utformad för att radi- ellít inifrån trycka mot isoïereïementet 4 som i sin tur pressas mot den radíeHt utanförfiggande värmetâïí ga kroppen 5.

Claims (7)

1. 0 15 20 25 30 7968739-'1 P Å T E N T K R A V l. Kolvmotor med nñnst ett cylindriskt förbränningsrum, vilket av- gränsas av åtminstone ett väggparti innefattande en stödkropp (3,27) med minst en väsentligen cylindrisk mantelyta, mot vilken yta är riktad en motsvarande yte på en förbränningsrummet avgränsande värmetålig kr0PP (5,23), k ä n n e t e c k n a d av att mellan den värmetåliga kroppen (5,23) och stödkroppen (3,27) är anordnat ett värmeisolerande element (4,22l av ett material med lågt värmeledningstal och låg elas- ticitetsmodul relativt den värmetâliga kroppens (5,23) och stödkroppens (3,27) material, vilket element (4,22) är utformat som en väsentligen cylindrisk ring (7) med botten (9), samt att den värmetåliga kroppen (5,23), isolerelementet (4,22) och stödkroppen (3,27) fasthâllas vid varandra väsentligen endast genom radiella inspänningskrafter.

2. Kolvmotor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att isolerelementets (4,22) elasticitetsmodul är mindre än femtio procent av den lägsta elasticitetsmodul för materialet i stödkroppen (3,27) ,eller den värmetâliga kroppen (5,23).

3. Kolvmotor enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att isolerelementet (4,22) har en längdutvidgningskoefficient som understiger tjugo procent av stödkroppens (3,27) längdutvidgningsko- efficient.

4. Kolvmotor enligt något av föregående patentkrav, k ä ri n e - t e c k n a d väggpartiet hos cylinderlocket och/eller kolven täckes av en värmetålig kropp (5,23).

5. Kolvmotor enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e - t e c k n a d av att isolerelementets (4,22) väsentligen cylindriska ring innanför ligger en på stödkroppen (3,27) utformad cylindrisk yta.

6. Kolvmotor enligt något av föregående patentkrav, k ä n Ii e - t e c k n a d av att ett stödkroppen (3,27), isolerelementet (4,22) ioch den värmetåliga kroppen (5,23) sammanhållande grepp (a-b) över- stiger skillnaden i värmeutvidgning nellan stödkroppen och den värme- tåliga kroppen när till rådande vid motorns förbränning. dessa uppvärmes temperaturer av attt hela det förbränningsrummet avgränsande . 790873944

7. Koïvmotor enhgt något av föregående patentkrav, k ä n n e - t e c k n a d av att isoïereïementet (4,22) är utfört 1' aluminíumtí- tanat (A12Ti05) och den värmetåïiga kroppen (5,23) 1' kiselnítrid (HIP, Sí3N4).