DE3248925C2 - Kolben mit Verbrennungseinsatz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenmantel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung sowie mit einem Einsatz, der einen Teil eines Verbrennungsraumes bildet und wobei der Einsatz von dem Kolbenmantel umgeben ist und dabei die Außenfläche des Einsatzes und eine benachbarte Innenfläche des Kolbenmantels einen Abstand zueinander aufweisen, wobei der Kolbenmantel eine zylindrische Bohrung aufweist, die sich vom Kolbenkopf aus erstreckt und die durch einen von diesem Kolbenkopf entfernt liegenden Bereich mit vermindertem Durchmesser und einem dem Kolbenkopf benachbartem Bereich mit vergrößertem Durchmesser gebildet ist.

Kolben werden mit derartigen Einsätzen versehen, weil diese besser als das Aluminium oder die Aluminiumlegierung den Temperaturen standhalten, die im Verbrennungsraum auftreten. Bei bekannten Kolben berührt jedoch der Einsatz den Kolbenmantel. Dies hat den Nachteil, daß Wärme vom Einsatz auf den Kolbenmantel übergeleitet wird, der auf diese Weise eine Temperatur erreichen kann, die ihn beschädigt. Dies begrenzt die Arbeitstemperatur des Kolbens auf Temperaturen, die unterhalb der maximal verträglichen Temperatur für den Einsatz liegen, weil bei Temperaturen unterhalb dieses Maximums nur soviel Wärme auf den Kolbenmantel geleitet wird, daß dieser eine Temperatur erreicht, bei der keine Beschädigung auftreten kann.

Aus der DE-OS 15 26 322 ist ein gattungsgemäßer Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem im eigentlichen Kolbenkörper im Bereich des Kolbenkopfes ein ringförmiger Einsatz beispielsweise aus Stahl eingegossen ist. Dieser Einsatz begrenzt die Verbrennungskammer im Stirnseitenbereich des Kolbens, während die Verbrennungskammer im Bodenbereich durch den eigentlichen Kolbenkörper gebildet ist. Der Einsatz weist dabei innenseitig umlaufende Rippen auf und definiert zwischen seiner Außenmantelfläche und dem Kolbenmantel einen Ringspalt, damit die Wärmeabfuhr aus den Rippen des Einsatzes vermindert wird. Es wird damit das Ziel verfolgt, daß die Rippen eine hohe Temperatur aufweisen, damit eine schnelle Verdampfung des Kraftstoffes erfolgen kann. Dieser bekannte Kolben für einen Verbrennungsmotor ist aufgrund der Tatsache, daß der ringförmige Einsatz in den eigentlichen Kolbenkörper eingegossen werden muß, sehr aufwendig in der Herstellung. Darüber hinaus können Temperaturspannungen auftreten. Weiterhin besteht zwar der Einsatz aus einem hitzebeständigen Material, aber der Boden der Verbrennungskammer ist aus dem Material des eigentlichen Kolbenkörpers gebildet und besteht üblicherweise aus dem wenig hitzebeständigen Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Die Temperaturen in der Verbrennungskammer sind somit durch dieses Material des eigentlichen Kolbenkörpers begrenzt.

Aus der GB 2 039 667 A ein Kolben für einen Dieselmotor bekannt. Der Kolben besteht dabei aus einem äußeren Kolbenkörper, in den stirnseitig ein Einsatz eingesetzt ist. Zu diesem Zweck weist der eigentliche Kolbenkörper eine glockenförmige, stirnseitige Ausnehmung auf, in die der entsprechend glockenförmig ausgebildete Einsatz eingesetzt ist. Der Einsatz ist zwar im Preßsitz im Kolbenkörper festgelegt, doch dient als zusätzliche Sicherung ein zwischen diesen Teilen angeordneter Ring. Zwischen dem Einsatz und dem äußeren Kolbenmantel ist ein geschlossener Zwischenraum belassen. Die radiale Breite dieses Zwischenraumes liegt dabei zwischen 1 mm und 2 mm.

Aus der GB 1 519 647 ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem im äußeren Kolbenmantel stirnseitig ein Einsatz angeordnet ist. Der Einsatz bildet dabei die Verbrennungskammer. Zur Festlegung des Einsatzes in der Stirnseite des Kolbens ist dieser wannenförmig ausgebildet. Darüber hinaus ist zwar zwischen dem Einsatz und dem äußeren Kolbenmantel ein ringförmiger Zwischenraum vorgesehen, doch ist dieser geschlossen und weist insbesondere keine Mündung in Richtung Stirnseite des Kolbens auf.

Aus der US 41 80 027 schließlich ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der aus zwei Teilen zusammengesetzt ist. Der Kolben weist dabei ein hinteres Teil auf, in das das vordere Teil des Kolbens eingesetzt ist, wobei dieses vordere Teil stirnseitig die Verbrennungskammer definiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf technisch einfache Weise einen hitzebeständigen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Einsatz den gesamten Verbrennungsraum bildet und aus einem Werkstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, der gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung des Kolbenmantels ist, sowie eine zylindrische Außenfläche aufweist, die im Preßsitz in dem Bereich mit vermindertem Durchmesser angeordnet ist und die von dem Bereich mit dem vergrößerten Durchmesser zur Bildung des Ringspaltes dazwischen beabstandet ist, der sich zur Verminderung des Wärmeflusses vom Kolbenkopf des Verbrennungsraumes zum Kolbenkopf des Kolbenmantels von dem Bereich mit dem verminderten Durchmesser aus erstreckt und im Kolbenkopf mündet.

Ein nach dieser technischen Lehre ausgebildeter Kolben für einen Verbrennungsmotor hat den Vorteil, daß er sich zum einen technisch auf sehr einfache Weise herstellen läßt und daß er zum anderen sehr hitzebeständig gegenüber den heißen Verbrennungsgasen ist. Die einfache Herstellbarkeit wird dadurch begünstigt, daß die zylindrische Bohrung im Kolbenmantel im Bereich des Kolbenkopfes einen Bereich mit einem größeren Innendurchmesser aufweist als im vom Kolbenkopf entfernt liegenden Bereich. Dies bedeutet für die vereinfachte Herstellung des Kolbens, daß der Einsatz durch einen einfachen Preßsitz in dem eigentlichen Kolbenkörper befestigt werden kann, wobei durch die unterschiedlichen Innendurchmesser gleichzeitig der im Kolbenkopf mündende Ringspalt definiert wird. Da darüber hinaus die Wärmeausdehnungskoeffizienten für den eigentlichen Kolbenkörper einerseits und für den Einsatz andererseits gleich sind, wird der feste Sitz des Einsatzes im Kolbenmantel für alle auftretenden Temperaturen gewährleistet. Da darüber hinaus die gesamte Verbrennungskammer ausschließlich durch den Einsatz gebildet wird, wird diese durch ein hitzebeständiges Material begrenzt und nicht teilweise durch das wenig hitzebeständige Aluminium oder Aluminiumlegierung des Kolbenmantels. Dies bedeutet aber umgekehrt, daß der Verbrennungsmotor in der Verbrennungskammer mit deutlich höheren Temperaturen betrieben werden kann, als wie dies bisher möglich war.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Kolben für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen mit einem Kolbenmantel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und einem Einsatz aus einem eisenhaltigen Material mit einem darin geformten Verbrennungsraum, wobei der Einsatz vom Kolbenmantel umgeben ist und die Außenfläche des Einsatzes und die benachbarte Innenfläche des Kolbenmantels am Kolbenkopf einen Abstand zueinander aufweisen und einen zur Oberseite des Kolbenkopfes hin geöffneten Ringspalt bilden.

Ein weiterer Nachteil derartiger Kolben mit Einsätzen liegt darin, daß der Einsatz nicht immer einen sicheren Halt im Kolbenmantel hat, was zu Problemen führen kann, wenn sich der Einsatz lockert.

Daher weist der Kolbenmantel gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung zwei zueinander ausgerichtete, jedoch mit Abstand angeordnete Kolbenbolzenaugen auf, wobei der Einsatz wenigstens eine durch diesen sich erstreckende Bohrung aufweist, die den gleichen Durchmesser wie die Kolbenbolzenaugen besitzt und zu diesen ausgerichtet ist.

Im folgenden wird am Beispiel von zwei Ausführungsformen der Erfindung diese anhand von Zeichnungen genauer beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II nach Fig. 1,

Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor und

Fig. 4 einen Teilausschnitt des Kolbens nach Fig. 3, jedoch mit einer alternativen Ausführung des Einsatzes.

In der ersten Ausführungsform des Kolbens gemäß der Fig. 1 und 2 besteht dieser aus einem Kolbenmantel 5 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und einem Einsatz 12. Der Kolben­ mantel 5 weist einen Kolbenkopf 6 und ein mit Nuten 10 ver­ sehenes Ringband zur Aufnahme von Kolbenringen auf. Der Kolben­ mantel 5 ist mit zwei Kolbenbolzenaugen 8 ausgestattet, die eine Bohrung für die Aufnahme eines Kolbenbolzens bilden. Zusätzlich ist der Kolbenmantel 5 mit einem Kolbenende 9 aus­ gestattet.

Der Kolbenmantel 5 weist eine im allgemeinen zylinderförmige Bohrung auf, die sich vom Kolbenende 6 aus erstreckt und einen vom Kolbenkopf 6 entfernt liegenden Bereich 15a mit einem verminderten Durchmesser und einen dem Kolbenkopf 6 benach­ barten Bereich 15b mit vergrößerten Durchmesser aufweist. Zwischen den beiden Bereichen 15a, 15b ist ein Absatz 15.

Der Einsatz 12 besitzt eine im allgemeinen zylinderförmige Außenfläche sowie einen Verbrennungsraum 7. Der Einsatz 12 ist mit Preßsitz im Bereich 15a mit dem verminderten Durchmesser der Bohrung im Kolbenmantel 5 eingepaßt, um ihn auf diese Weise fest in diesem zu halten. Der Einsatz 12 besteht aus austeni­ tischem Gußeisen oder Stahl oder aus einem ähnlichen Material, das einen im wesentlichen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Aluminium oder die Aluminiumlegierung des Kolbenmantels 5 hat.

Zwischen dem Bereich 15b mit dem vergrößerten Durchmesser der Bohrung und der Außenfläche des Einsatzes 12 ist ein Ringspalt 13 ausgebildet, dessen Spaltöffnung auf der Oberseite des Kolben­ kopfes 6 liegt. Die Breite des Ringspaltes 13 kann zwischen 0.001 mm und 1 mm liegen.

Zweck des Ringspaltes 13 ist es, den Kolbenmantel 5 vom Einsatz 12 zu isolieren. Dies vermindert den Wärmetransport im Kolbenkopf 6 vom Verbrennungsraum 7, der während des Betriebs der heißeste Teil im Kolben ist, in den Kolbenmantel 5, der, da er aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung be­ steht, nicht so hitzebeständig wie das eisenhaltige Material des Einsatzes 12 ist. Die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des Kolbenmantels 5 in diesem Bereich ist deshalb vermindert. Dies bewirkt aber auch, daß die Temperatur des Einsatzes 12 erhöht werden kann, und zwar im Vergleich zu der Temperatur eines Einsatzes bei bekannten Kolben, bei denen zwischen dem Einsatz und dem Kolbenmantel ein fester Kontakt besteht. Weiter­ hin erlaubt dies, den Kolben bei einer höheren Temperatur als bei bisher bekannten Kolben zu betreiben, da der Kolbenmantel 5 erst bei einer höheren Temperatur des Einsatzes 12 eine Tem­ peratur erreicht, bei der eine Beschädigung auftreten kann, als dies bei bisher bekannten Kolben der Fall ist. Da der Ringspalt 13 im Kolbenkopf 6 offen ist, kann eine unterschiedliche Aus­ dehnung zwischen dem Kolbenmantel 5 und dem Einsatz 12 ausge­ glichen werden, was Spannungen verringert. Weil der Ringspalt 13 auf der Oberseite des Kolbenkopfes 6 offen ist, wird er sich während des Betriebs mit Kohlenstoff füllen, der durch den Ver­ brennungsprozeß gebildet wird. Da Kohlenstoff ein guter Wärme­ isolator ist, dient dies ferner dazu, den Wärmeübergang auf das Aluminium oder die Aluminiumlegierung des Kolbenmantels 5 zu verhindern.

Die Außenfläche des Einsatzes 12 weist in dem Bereich, wo sie am Bereich 15a mit dem verminderten Durchmesser der Bohrung im Kolbenmantel 5 anliegt, eine umlaufende Nut 14 auf. Diese Nut 14 verhindert den Durchtritt von Verbrennungsgasen zwischen dem Kolbenmantel 5 und dem Einsatz 12. In der Nut 14 kann ein Dicht­ ring 17 eingefügt sein.

Das vom Kolbenkopf 6 entfernt liegende Ende 12b des Einsatzes 12 ist im Bereich der Kolbenbolzenaugen 8 mit zwei Bohrungen 12a versehen, die den gleichen Durchmesser wie die Kolbenbolzenbohrung besitzen und zu dieser ausgerichtet sind. Wenn daher der Kolbenbolzen durch die Kolbenbolzenbohrung hindurchgesteckt wird, geht er auch durch die Bohrungen 12a im Einsatz 12 hindurch. Dies sorgt für eine zusätzliche Sicherungsvor­ richtung des Einsatzes 12 im Kolbenmantel 5.

Bei der in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsform sind mit der ersten Ausführungsform in Fig. 1 und 2 übereinstimmende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher nicht mehr im einzelnen beschrieben. In Fig. 3 weist der Einsatz 12 keine Bohrungen auf, die mit der Kolbenbolzenbohrung ausge­ richtet ist. Statt dessen reicht der Einsatz 12 nur bis zum unteren Ende des Bereiches 15a mit dem verminderten Durchmesser der Bohrung im Kolbenmantel 5.

Der Kolbenmantel 5 weist eine zylinderförmige Vertiefung auf und besitzt eine Bodenfläche 18, auf der der Einsatz 12 lagert. Die Bodenfläche 18 ist mit einem Loch 19 versehen, das zum Austritt der Luft unterhalb des Einsatzes 12 dient, wenn dieser in den Kolbenmantel 5 eingepaßt wird. Die Unterseite des Einsatzes 12 besitzt mittig eine Vertiefung 20, so daß der größte Teil der Unterseite des Einsatzes 12 mit einem Zwischenraum zum Kolben­ mantel 5 angeordnet ist. Auf diese Weise besitzt diese Ausführungs­ form neben dem isolierenden Luftspalt an der Oberseite des Kolben­ kopfes 6 auch einen isolierenden Luftspalt zwischen der Unterseite des Einsatzes 12 und dem Kolbenmantel 5.

In einer alternativen Ausführungsform (Fig. 4) verläuft die Vertiefung 20 unterhalb des Einsatzes 12 entlang des Randes. Deshalb liegt nur der mittlere Teil des Einsatzes 12 auf der Bodenfläche 18 des Kolbenmantels 5 auf.

Der in den Fig. 3 und 4 dargestellte Kolben hat ein geringeres Gewicht im Vergleich zu der Ausführungsform in Fig. 1 und 2.

Es hat sich gezeigt, daß trotzdem der Einsatz 12 nicht am Kolbenbolzen befestigt ist, der Einsatz 12 sicher am Kolben­ mantel 5 befestigt ist.

Die beiden mit Bezug auf die Zeichnungen beschriebenen Ausführungsformen eines Kolbens sind im Betrieb leistungsfähig und in der Herstellung wirtschaftlich.

Claims (6)

1. Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenmantel (5) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung sowie mit einem Einsatz (12), der einen Teil eines Verbrennungsraumes (7) bildet und wobei der Einsatz (12) von dem Kolbenmantel (5) umgeben ist und dabei die Außenfläche des Einsatzes (12) und eine benachbarte Innenfläche des Kolbenmantels (5) einen Abstand zueinander aufweisen, wobei der Kolbenmantel (5) eine zylindrische Bohrung aufweist, die sich vom Kolbenkopf (6) aus erstreckt und die durch einen von diesem Kolbenkopf (6) entfernt liegenden Bereich (15a) mit vermindertem Durchmesser und einem dem Kolbenkopf (6) benachbartem Bereich (15b) mit vergrößertem Durchmesser gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (12) den gesamten Verbrennungsraum (7) bildet und aus einem Werkstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, der gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung des Kolbenmantels (5) ist, sowie eine zylindrische Außenfläche aufweist, die im Preßsitz in dem Bereich (15a) mit vermindertem Durchmesser angeordnet ist und die von dem Bereich (15b) mit dem vergrößerten Durchmesser zur Bildung des Ringspaltes (13) dazwischen beabstandet ist, der sich zur Verminderung des Wärmeflusses vom Kolbenkopf (6) des Verbrennungsraumes (7) zum Kolbenkopf (6) des Kolbenmantels (5) von dem Bereich (15a) mit dem verminderten Durchmesser aus erstreckt und im Kolbenkopf (6) mündet.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (13) eine radiale Breite zwischen 1 mm und 0,001 mm aufweist.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Einsatzes (12) in dem Bereich, wo sie am Bereich (15a) mit dem verminderten Durchmesser der Bohrung im Kolbenmantel (5) anliegt, eine umlaufende Nut (14) aufweist, die einen Durchtritt der Verbrennungsgase verhindert.

4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nut (14) ein Dichtring (17) angeordnet ist.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenmantel (5) zwei zueinander ausgerichtete, jedoch mit Abstand angeordnete Kolbenbolzenaugen (8) aufweist und daß der Einsatz (12) wenigstens eine durch diesen sich erstreckende Bohrung (12a) aufweist, die den gleichen Durchmesser wie die Kolbenbolzenaugen (8) besitzt und zu diesen ausgerichtet ist.

6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (12) zwei Bohrungen (12a) aufweist.