DE3605919A1

DE3605919A1 - Viertaktmotor

Info

Publication number: DE3605919A1
Application number: DE19863605919
Authority: DE
Inventors: Peter Greiner; Hubert 7988 Wangen Pflüger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-02-25
Filing date: 1986-02-25
Publication date: 1986-08-28

Description

Viertaktmotor
Die Erfindung betrifft einen Viertaktmotor gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.
Viertaktmotoren der genannten Art sind hinlänglich bekannt und können als weitgehend konstruktiv ausgereift bezeichnet werden. In der Regel bestehen zumindest die Kolben derartiger Motoren aus Alu, das insbesondere thermisch jedoch nur in Grenzen belastbar ist, d.h. bis etwa 4500 C, wobei die Festigkeit bei zunehmenden Temperaturen nachlassen.
Außerdem hat Alu einen relativ hohen Ausdehnungskoeffizienten, so daß die Kolben in bezug auf die Zylinderlauffläche ein relativ großes Spiel haben müssen. Die Tendenz geht heute in Rücksicht auf die mit derartigen Motoren gegebene Umweltbelastung dahin, das Benzin-Luftgemisch abzumagern, was aber zu höheren Temperaturen beim Betrieb des Motors führt. Der Betrieb mit bleifreiem Benzin verlangt außerdem höhere Oktanzahlen. Bei schlagartigen Belastungen; wie sie durch den Verbrennungsvorgangin derartigen Motoren permanent gegeben sind, klingt Alu sehr hell, was also zu einer Geräuschbildung mit relativ hoher Frequenz führt.
In Rücksicht auf das Dehnungsverhalten von Alu, wie vor' erwähnt, führt das notwendig große Spiel zwischen Kolben und Zylinderwand, insbesondere beim Kaltstart, unvermein=zar zu einem mehr oder weniger starken Durchblasen. Wollte rran dabei höhere Temperaturen in Betracht ziehen, so müßte der thermisch hoch belastete, sogenannte Feuersteg des Kolbens bezüglich seines Durchmessers noch weiter zurückgenommen werden, was die Durchblastendenz noch weiter erhöht.
Da die Motoren heutiger Bauart sowohl hinsichtlich der Materialauswahl als auch konstruktiv als gewissermaßen voll "ausgereift" zu bezeichnen sind, besteht für diese Motoren praktisch keine Möglichkeit mehr, den heutigen Tendenzen hinsichtlich Kraftstoffersparnis und Umweltbelastung am Motor selbst Rechnung zu tragen.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Viertaktmotor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß diesen Tendenzen besser Rechnung getragen werden kann, ohne dabei das bisherige Konstruktionsprinzip verlassen zu müssen.
Diese Aufgabe ist mit einem Viertaktmotor der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich nach den Unteransprüchen.
Wesentlich für diese Lösung ist also, daß auf die Verwendung von Alu für die Ausbildung des Kolbens ganz verzichtet wird, sondern dafür ein anderes, bisher überhaupt noch nicht in Betracht gezogenes Material zu verwenden, nämlich Preß- oder Elektrographit, das im Vergleich zu Alu einen relativ geringen Ausdehnungskoeffizienten hat und thermisch höher belastbar ist. Allerdings ist hierfür nicht schlechthin jeder Preßgraphit geeignet, sondern eine Hartbrandkohle oder Elektrographit mit bestimmter Biegefestigkeit, denn es hat sich gezeigt, daß Preßgraphite bzw. Hartbrandkohle mit geringeren Biegefestigkeiten den in derartigen Motoren auftretenden Belastungen nicht gewachsen sind und im Bereich des Kolbenbodens reißen. Mit der Auswahl eines derartigen Materials allein ist es aber auch nicht getan, sondern es ist auch erforderlich, den Kolbenboden mindestens verbrennungsrawnseitig - abbrandfest vergütet auszubilden, was aber problemlos bewerkstelligt werden kann, indem man die Beaufschlagungsfläche karbidisiert bzw. siliziert und erforderlichenfalls auch die Kolbenbodeninnenfläche. Erst diese beiden Maßnahmen zusammen, d.h. Auswahl eines Materials mit ausreichender Biegefestigkeit und Ab-bzw. Ausbrandfestigkeit des Kolbens ermöglichen es, einen Kolben aus Preßgraphit der genannten speziellen Art benutzen zu können.
Unter dem Begriff "vergütet" sind im vorliegenden Fall zu verstehen Karbidisieren, Silizieren, Nitrieren aber auch modifizierende Behandlungen von Graphit, insbesondere in Richtung auf größere Härtevermittlung und zwar für den Kolbenboden, die Zylinderlauffläche und die Kolbenringe.
Ferner ist unter der Definition "mindestens dieZylinderlau fläche" aus dem gleichen oder ähnlichen MaterialVhveMzvuv stellen, zu verstehen, daß ggf. auch den den Zylinder enthaltende Block aus diesem Material bilden zu können, welcher Möglichkeit aber aus wirtschaftlichen Gründen der Preis dieses Materials entgegensteht und dies sowieso nur für eine Luftkühlung in Betracht gezogen werden könnte, die keine Hohlformen des Blockesverlangt. Grundsätzlich könnte also der Zylinder aus dem gleichen Material gebildet werden, bevorzugt wird aber, und zwar in Rücksicht auf die Kühlbarkeit in herkömmlicher Weise mittels WasserdinCAusbildung der lauffläche im Zylinder aus siliziertem Kohlenstoff, Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder bspw.
Invar-Stahl mit einer keramischen Spritzschicht und zwar in Form einer in den Zylinder einsetzbaren laufbüchse. Unter diesen Materialien sind die erwähnten "ähnlichen Materialien" zu verstehen, die in etwa den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Kolbenmaterial haben. Sofern das gleiche Material wie das für den Kolben benutzt wird, besteht auch die Möglichkeit, die Kolbenringe aus entsprechendem Material entsprechend vergütet zu fertigen. Hierbei wäre aber zu berücksichtigen, daß die Elastizität von Kolbenringen aus derartigem Material nicht ausreicht, um derartige Kolbenringe in ihre Nuten am Kolben einbringen zu können. Sofern also Kolbenringe aus dem gleichen Material benutzt werden, bedarf dies einer Sonderkonstruktion, nämlich vorteilhafterweise dahingehend, daß ein solcher Kolbenring zweiteilig ausgebildet wird, wobei an mindestens einem Stoßstellenbereich der beiden Ringteile ein. federndes Spreizelement aus dem gleichen Material angeordnet ist, was noch näher erläutert wird. Obgleich grundsätzlich möglich, sind wegen des ungünstigen Verschleißverhaltens Kolbenringe aus unvergütetem Graphit zu vermeiden, zumal es ohne weiteres möglich ist, wie bisher Ferroguß zu verwenden, der allerdings mit einer Keramikbeschichtung versehen werden muß oder Kolbenringe aus Vollkeramik oder schließlich Kolbenringe aus Carbonfasern, die ohne weiteres einer Silizierung zugänglich sind. Je nach Auswahl des Materials für die Kolbenlaufbüchse im Zylinder, hat man es also in der Hand, die jeweils erforderlichen Kolbenringe hinsichtlich ihrer Elastizität entweder konstruktiv in noch zu erläuternder Weise anzupassen oder dafür ausreichend elastisches Material der genannten Art zu verwenden.
Hinsichtlich der bevorzugt vorgesehenen Ausbildung der lauffläche in Form einer in den Zylinderblock einzusetzenden Büchse, was ja grundsätzlich bekannt ist, ergibt sich in bezug auf das Material des Zylinderblockes bei Luftkühlung das Problem unterschiedlichen Wärmedehnungsverhaltens, d.h. das Zylinderblockmaterial dehnt sich schneller und weiter aus als das Material der laufbüchse, was dazu führte, daß die Laufbüchse im Block ihren festen Halt verlöre. Dieses Problem, das sich durch die bevorzugte Anwendung einer in den Zylinderblock einzlsetzenden Büchse ergibt, ist dadurch bewältigbar, daß man konstruktiv für eine elastische Umfassung der Büchse sorgt, was ebenfalls noch näher erläutert wird. Die mit dem wesentlichen Punkt der erfindungsgemäßen Maßgabe, nämlich Verwendung einer Hartbrandkohle bestimmter Biegefestigkeit verbundenen Randprobleme sind also ebenfalls sowohl hinsichtlich der Kolbenringe als auch hinsichtlich der zu berücksichtigenden unterschiedlichen Dehnungsverhalten beherrschbar, zumal bei Wasserkühlung keine gravierenden Dehnungsprobleme auftreten, da hier das Material des Zylinderblockes eine ausreichende Kühlung erfährt und bei Dehnung dem Kolben gewissermaßen nicht "davonlaufen" kann.
Dies gilt auch für den Bereich der Lagerung des Kolbenbolzens, an dem das Pleuel angelenkt werden muß. Da für den Kolbenbolzen wegen der zu berücksichtigenden Belastung nicht ebenfalls Preßgraphit benutzt werden kann, sondern eine Stahlbüchse, die einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als Hartbrandkohle hat, würde dies sehr schnell zu einem Zersprengen des Kolbens aus Hartbrandkohle führen. Bei herkömmlichen Kolben aus Alu ergibt sich dieses Problem nicht, weil Alu im Vergleich zu Stahl einen größeren Ausdehnungskoeffizienten hat, wodurch sich automatisch ein ausreichendes Spiel im Betriebszustand für den Kolbenbolzen ergibt, das aber grundsätzlich für den Betriebszustand an sich nicht wünschenswert ist. Im vorliegenden Fall ist diesem Problem in einfacher Weise dadurch zu begegnen, daß die Bohrungen am Kolben für den Kolbenbolzen in bezug auf den Außendurchmesser des Kolbenbolzens mit einem Spiel derart bemessen werden, daß sich bei Betriebstemperatur ein minimales Spiel ergibt. Hierbei liegen also in günstiger Weise die Verhältnisse gerade umgekehrt, d.h., der Kolbenbolzen hat im warm gefahrenen Betriebszustand des Motors sein ideales, d.h. geringes Lagerspiel.
Die erfindungsgemäße Lösung führt also im Endergebnis zu einem thermisch höher belastbaren Motor und damit zu der Möglichkeit, den Motor mit abgemagertem Treibstoff/Luftgemisch fahren zu können. Außerdem kann, und dies ist ebenfalls wesentlich, das Spiel zwischen Kolben und laufbüchse wesentlich geringer gehalten werden, was dem sogenannten Durchblasen vorteilhaft entgegenwirkt. Da Preßgraphit bzw. Hartbrandkohle bei schlagartiger Belastung wesentlich dumpfer klingt, also mit wesentlich niedrigeren Frequenzen schwingt, ist auch die Geräuschbildung durch einen derartigen Kolben wesentlich reduziert. Hinzu kommt noch, daß das erfindungsgemäß benutzte Kolbenmaterial mikrostrukturell gesehen, saugfähig ist, also Ö1 aufnehmen und wieder abgeben kann, und demgemäß dessen sowieso gegebenen Selbstschmiereigenschaften dadurch noch verbessert werden und damit die Kaltlaufeigenschaften eines solchen Motors wesentlich verbessert sind.
Der erfindungsgemäße Motor wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigt schematisch Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Viertaktmotor mit Wasserkühlung; Fig. 2 einen Zylinder mit Kolben für Luftkühlung; Fig. 3 in Draufsicht eine besondere Ausführungsform des Kolbenringes und Fig. 4 eine besondere Ausführungsform des Zylinders für Luftkühlung.
Wie aus Fig. 1 erkennbar, besteht der Viertaktmotor aus einem Zylinderblock 9 mit einem oder mehreren mit Ventilen versehenen Zylindern 4, wobei in jedem Zylinder ein mit mindestens einem Kolbenring 5 bestückter Kolben angeordnet ist, der, mit dem Kurbeltrieb in Verbindung stehend, im Zylinder 4 auf und ab beweglich ist. Der bzw. die Kolben 1 sind aus Preßgraphit in Form von Hartbrandkohle oder Elektrographit mit einer im Bereich von mindestens 75 N/mm2 liegenden Biegefestigkeit ausgebildet. Wesentlich ist dabei, daß der Boden 2 mindestens an der Beaufschlagungsfläche 2' abbrandfest vergütet ausgebildet ist und zwar vergütet im Sinne wie einleitend vorerwähnt, was bspw. in der Weise erfolgen kann, daß Siliziumpulver in dünner Schicht aufgebracht und im Autoklaven aufsiliziert wird, wobei das Pulver mit dem Graphit eine homogene Verbindung eingeht und die "Vergütungsschicht" sowohl einen Abbrandschutz darstellt als auch zur Verfestigung des Gefüges der Beaufschlagungsfläche 2' beiträgt. Ferner ist die Lauffläche 3 des Zylinders aus gleichem aber laufflächenvergütetem oder einem ähnlichen Material gebildet, das etwa das gleiche Wärmedehnungsverhalten wie das Material des Kolbens hat. Zweckmäßig und vorteilhaft wird dabei die Lauffläche in Form einer Büchse eingesetzt, wobei es aber grundsätzlich auch möglich ist, die Wandung des Zylinders entsprechend zu vergüten. Der mindestens eine Kolbenring 5 jedes Kolbens 1 ist aus gleichem und/oder abbrandfest gebildetem Material gebildet, wobei dem Kolbenring 5 hinsichtlich seiner Elastizität konstruktiv oder durch Wahl ausreichend elastischen Materials die erforderliche Elastizität vermittelt wird. Die hier angesprochene Elastizität bezieht sich darauf, den Kolbenring bei radialer Verformung in axialer Richtung auf den Kolben aufziehen zu können und in die entsprechende Nut einrasten zu lassen.
Um einen derart ausgebildeten Motor störungsfrei arbeiten lassen zu können, besteht ein weiteres Merkmal darin, daß die Bohrungen 12 am Kolben 1 für den Kolbenbolzen 13 in bezug auf den Außendruchmesser des Kolbenbolzens 13 mit einem Spiel derart bemessen sind, daß bei Betriebstemperatur ein minimales Spiel gegeben ist. Im kalten Zustand hat also der Kolbenbolzen 13 gemäß Fig. 2 in bezug auf die Bohrung 12 ein ausreichendes Spiel, das dann weitgehend bei Erwärmung durch entsprechende Ausdehnung des stählernen Kolbenbolzens 13 ausgeglichen wird, so daß dann im Betriebszustand ein minimales Spiel vorhanden ist.
In Rücksicht auf die . Laufflächenvergütung können die Kolbenringe 5 aus keramikbeschichtetem Ferroguß, aus Keramik, wie Zirkonoxid od. dgl. oder aus vergütetem Karbonfasermaterial gebildet sein. Es ist aber auch möglich, das gleiche Material wie für den Kolben zu benutzen und zwar in Rücksicht auf den Verschleiß ebenfalls entsprechend vergütet, was jedoch eine spezielle Konstruktion des Kolbenringes im Sinne der Fig. 3 erfordert, da Hartbrandkohle bzw.
Elektrographit keine ausreichende Elastizität hat, um den Kolbenring aus diesem Material in axialer Richtung, wie vorerwähnt, auf den Kolben aufbringen zu können. Ein derartiger Kolbenring besteht gemäß Fig. 3 aus zwei Teilen 5', zwischen denen an mindestens einem Stoßstellenbereich 6 ein federndes Spreizelement 7 aus dem gleichen Material angeordnet ist. Die beteiligten Flanken der Teile 5' und des Spreizelementes 7 sind, wie dargestellt, konisch zugerichtet und das Spreizelement ist im Inneren mit einer kleinen Feder 7' gegen den Nutboden des Kolbens abgestützt.
Diese drei Teile können also ohne weiteres und ohne den Kolbenring insgesamt axial aufziehen zu müssen, von der Seite her in die betreffende Kolbenringnut eingesetzt werden, wonach der mit diesem Ring bestückte Kolben in den Zylinder 4 eingeschoben wird. Da das Spreizelement unter dem Druck der kleinen Feder 7' steht, legen sich die Teile 5' des Kolbenrings dicht an die Kolbenlauffläche 3 des Zylinders 4 an. Durch die Zwischenschaltung des Spreizelementes ist auch bei dieser Materialauswahl die entsprechende Federungseigenschaft in bezug auf den ganzen Ring gegeben, die das andere genannte Kolbenringmaterial von sich aus mitbringt. Die Anordnung einer laufbüchse 8 im Sinne der Fig. 2 innerhalb eines Zylinderblockes aus anderem Material geschieht in herkömmlicher Weise, wobei hinsichtlich des anderen Dehnungsverhaltens des Zylinderblockmaterials, sei es Stahl-oder Aluguß, kein Problem darstellt, da durch das Kühlwasser dieses Material ausreichend gekühlt wird, sich entsprechend gering ausdehnt und damit der eingesetzten Laufbüchse 8, die einerseits ein geringeres Ausdehnungsvermögen hat, andererseits aber stärker temperaturbeaufschlagt ist, nicht davonlaufen" kann. Die verschiedenen Konstruktionsmöglichkeiten für den Einsatz und die Fixierung derartiger Laufbüchsen bedarf keiner besonderen Erläuterung, da hierfür eine Unzahl von Konstruktionsmöglichkeiten bekannt ist, einschließlich der Möglichkeiten von Abdichtungen bei sogenannten nassen Zylinderlaufbüchsen.
Wie vorerwähnt, besteht grundsätzlich die Möglichkeit bei Luftkühlung den betreffenden Zylinder 4 aus dem gleichen Material zu fertigen, aus dem auch der Kolben gefertigt ist. Wegen des Preises dieses Materials wird jedoch auch hierbei die Anordnung einer Laufbüchse 8 im vorerwähnten Sinne bevorzugt, wobei jedoch zu berücksichtigen ist, daß hierbei das die Büchse haltende Material nicht mehr so intensiv gekühlt werden kann, wie das bei einer Wasserkunlung der Fall ist. Aus diesem Grunde erfolgt in diesem Falle der Einbau der laufbüchse 8 unter Ausbildung einer eZastischen Umfassung 11 und zwar im Sinne der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform. Wie aus Fig. 4 erkennbar, ist zur Ausbildung der elastischen Umfassung 11 der Büchse 8 die Wand des Zylinders 4 mit einem Schlitz 14 und mit Ansätzen 15 versehen, die mit einer der Ausdehnung der Büchse 8 entgegenwirkenden Bimetallklammer 16 zusammengehalten sind. Vorteilhaft erfolgt dabei die Anordnung auf der abgasfernen Seite, da hier dieser Bereich des Motors relativ kühler ist.

Claims

Patentansprüche: 1 /Viertaktmotor, bestehend aus einem Zylinderblock mit & mindestens einem, mit Ventilen versehenen Zylinder, in dem der mit mindestens einem Kolbenring bestückte Kolben, mit dem Kurbeltrieb in Verbindung stehend, auf und ab beweglich angeordnet ist, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h ne t , daß der Kolben (1) aus Preßgraphit in Form von Hartbrandkohle oder Elektrographit 2 mit einer im Bereich von mindestens 75 N/mm liegenden Biegefestigkeit und sein Boden (2) mindestens an der Beaufschlagungsfläche (2') abbrandfest vergütet ausgebildet ist; daß mindestens die Lauffläche (3) des Zylinders (4) aus gleichem aber laufflächenvergütetem oder einem ähnlichen Material wie silizierter Kohlenstoff, Siliziumtarbid, Siliziumnitrid od. dgl., mit etwa gleichem Wärmedehnungsverhalten wie das des Kolbens (1) gebildet ist; daß der mindestens eine Kolbenring (5) aus dem gleichen und/oder abbrandfest vergütetem Material gebildet und dem Kolbenring (5) hinsichtlich seiner Elastizität konstruktiv oder durch Wahl ausreichend elastischen Materials die erforderliche Elastizität vermittelt ist und daß ferner die Bohrungen (12) am Kolben (1) für den Kolbenbolzen (13) in bezug auf den Außendurchmesser des Kolbenbolzens (13) mit einem Spiel derart bemessen sind, daß bei Betriebstemperatur ein minimales Spiel gegeben ist.
2. Motor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Kolbenring (5) aus keramikbeschichtetem Ferroguß, aus Keramik, wie Zirkonoxid od. dgl. oder aus vergütetem Karbonfasermaterial gebildet ist.
3. Motor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der aus Preßgraphit gebildete Kolbenring (5) aus zwei Teilen (5') gebildet und an mindestens einem Stoßstellenbereich (6) ein federndes Spreizelement (7) aus dem gleichen Material angeordnet ist.
4. Motor nach Anspruch 1 oder 2 mit Luftkühlung, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die lauffläche des Zylinders (4) in bekannter Weise als . Laufbüchse (8) im Zylinderblock (9) angeordnet ist und zwar unter Ausbildung einer elastischen Umfassung (11) der Büchse (8).
5. Motor nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß zur Ausbildung der elastischen Umfassung (11) der Büchse (8) die Wand des Zylinders (4) mit einem Schlitz (14) und mit Ansätzen (15) versehen und diese mit einer der Ausdehnung der Büchse (8) entgegenwirkenden Bimetallklammer (16) zusammengehalten sind.