-
Leichtmetallkolben für mit Leichtmetallzylindern ausgestattete Automobilmotoren
Als man dazu überging, die früher gebräuchlichen Grauguß- und Stahlkolben durch
solche aus Leichtmetall zu ersetzen, ergab sich dabei außer dem erwarteten Vorteil
der Gewichtsersparnis und der Verringerung der Massenkräfte auch noch der weitere,
damals nicht erwartete aber mindestens ebenso schwerwiegende Vorteil einer wesentlichen
Verbesserung der Wärmeableitung, welche die Kolbentemperatur verminderte und es
gestattete, die Verdichtung höher zu wählen. Nachteilig war jedoch die verhältnismäßig
große Wärmedehnung der verwendeten Leichtmetallwerkstoffe, die dazu zwang, größere
Einbauspiele zwischen den Laufflächen der Leichtmetallkolben und den immer noch
aus Grauguß oder Stahl hergestellten Zylindern vorzusehen.
-
Andererseits wurde schon in der britischen Patentschrift 2s 3o.1 aus
dem Jahre igo8 vorgeschlagen, Nachteile, die sich aus der unterschiedlichen Wärmedehnung
der Leichtmetallkolbenwerkstoffe und den bisher üblichen Zylinderbaustoffen ergeben,
dadurch zu vermeiden, daß man außer den Kolben von. Brennkraftmaschinen auch die
Zylinder aus Leichtmetallegierungen herstellt. Es ist bekannt, daß man bei der Durchführung
dieses Vorschlages die Einbauspiele der Kolben wesentlich verringern kann. Weitergehende
Folgerungen wurden aber bis jetzt noch nicht gezogen und es wurde insbesondere bis
jetzt noch .nie vorgeschlagen, die bisher üblichen Konstruktionsrichtlinien für
Kolben zu ändern und den bei Anwendung von Leichtmetallzylindern veränderten Betriebsbedingungen
anzupassen.
-
Der Erfinder hat nun durch eingehende Versuche klargestellt, daß sich
ebenso wie bei der seinerzeitigen Werkstoffumstellung beim Kolben nun
auch
bei der Werkstoffumstellung beim Zylinder außer den erwarteten Vorteilen noch überraschende
neue Vorteile erzielen lassen, wenn man die bisher üblichen Kolbenkonstruktionen
nach den im folgenden angegebenen Grundsätzen ändert.
-
Es wurde insbesondere gefunden, daß man bei in Leichtmetallzylindern
laufenden Leichtmetallkolben etwa im gleichen Maßstab wie die Einbauspiele unbeschadet
der Abdichtung und der Führung des Kolbens auch die Kolbenlänge auf ein Maß verringern
kann, das vorzugsweise etwa zwischen 4,5 und 8 Zehnteln des Kolbendurchmessers liegt.
Das Einbauspiel, d. h. die Differenz zwischen der Länge des Zylinderdurchmessers
und der des Kolbendurchmessers, soll am offenen Schaftende etwa 0,25 und
am oberen Schaftende etwa 0,4 Tausendstel des Nenndurchmessers betragen.
-
Bis jetzt galt es bei Personen- und Lastwagenmotoren als Norm, eine
Kolbenlänge vorzusehen, die gleich der z- bis i,45fachen Länge des Nenndurchmessers
war.
-
Abweichend von dieser Norm wurden zwar schon Leichtmetallkolben für
Grauguß- und Stahlzylinder gebaut, deren Gesamtlänge kleiner ist als der Nenndurchmesser.
Die Anwendung solcher Sonderformen blieb jedoch auf Flug- und Rennmotoren und auf
Motoren für gewisse Typen von Krafträdern beschränkt, also auf Fälle, in denen der
Gesichtspunkt der Gewichtsersparnis von so übergeordneter Bedeutung ist, daß man
dafür die Nachteile der verminderten Laufruhe und des erhöhten 0I- und Kraftstoffverbrauches,
welche sich aus der Verkürzung der Kolbenlänge ergeben, in Kauf zu nehmen gezwungen
war.
-
Cberdies war bei den bisher bekanntgewordenen Beispielen mit der Unterschreitung
der oben angegebenen Norm für die Baulänge der Kolben nicht wie beim Erfindungsgegenstand
eine Verkleinerung, sondern im Gegenteil stets eine Vergrößerung der Einbauspiele
verbunden. Dadurch wurden die genannten Nachteile noch verstärkt.
-
Beim Erfindungsgegenstand treten dagegen diese Nachteile nicht auf.
Die Erfindung ermöglicht vielmehr erstmals Automobilmotoren zu bauen, deren Kolben
so leicht sind wie sonst nur Flugmotorkolben und die trotzdem eine Laufruhe aufweisen,
wie man sie bisher nur an Motoren für Personenkraftwagen mit langschaftigen Kolben
kannte.
-
Die Bolzenachse wird gemäß der Erfindung vorzugsweise so angeordnet,
daß die Kompressionshöhe des Kolbens, d. h. das Maß von der Bolzenachse bis zur
Bodenkante, kleiner ist als die Unterlänge des Kolbens, d. h. als das Maß von der
Bolzenachse bis zum offenen Schaftende. Die Verringerung der Kolbenhöhe wird also
vorzugsweise durch Verringerung der Kompressionshöhe erreicht, wodurch gleichzeitig
die Bauhöhe der ganzen Brenrikraftmaschine und damit auch ihr Gewicht wesentlich
verringert wird. Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, ein Verhältnis
zwischen der Kompressionshöhe und der Unterlänge des Kolbens von etwa 3 ::4 zu wählen.
Bei den bisher gebräuchlichen Kolben, insbesondere bei Flug- und Rennkolben mit
verhältnismäßig kleiner Gesamthöhe, war die Kompressionshöhe im Gegensatz dazu meist
wesentlich größer als die Unterlänge.
-
Da eine wesentliche Verbesserung der Abdichtung gegen das Durchtreten
voll 01 und das Durchblasen von Verbrennungsgasen bei Brennkraftmaschinen
mit Leichtmetallkolben und Leichtmetallzylindern schon durch die Verkleinerung der
Einbauspiele gewährleistet ist, kann die Anzahl der Kolbenringe gegenüber bisher
ohne weiteres verkleinert werden. Bis jetzt war es üblich, an Ottomotoren mit bis
5o inin Durchmesser mindestens zwei, an solchen bis zu 9o inm Durchmesser mindestens
drei und an solchen bis 13o mm Durchmesser mindestens vier Kolbenringe vorzusehen.
Die vom Erfinder durchgeführten Versuche haben gezeigt, daß man bei in Leichtmetallzylindern
laufenden Leichtmetallkolben von diesen Ringen mindestens je einen weglassen kann.
Bei Kolben mit kleinem Durchmesser kann man gegebenenfalls auch ganz ohne Ringe
auskommen.
-
Durch den Wegfall von Kolbenringen ist es möglich, auch die Ringzone
wesentlich niedriger zu machen. Versuche haben gezeigt, daß man mit einer Höhe der
Ringzone, gemessen von der Oberkante der Bolzennabenl)ohrung bis zur Bodenkante,
auskommt, die etwa =/io des Kolbendurchmessers oder 3/a der Kolbenlänge beträgt.
Durch Verkleinerung der Kolbenringsteghöhe, der flöhen der Kolbenringe selbst und
des :@l>standes des obersten Ringes vom Kolbenboden kann man gegebenenfalls sogar
eine noch kürzere Ringzone erreichen. Die Verkleinerung der genannten -lasse ist
zulässig, weil die Wärmebelastung der Ringzone wegen des besseren Wärmeüberganges
all den ebenfalls aus Leichtmetall bestehenden Zylindern wesentlich besser ist als
bei Verwendung von Graugußzylindern und weil daher die Temperatur der Ringzone niedriger
liegt und der @\'erkstoff entsprechend größere Beanspruchungen aushalten kann.
-
Mit Rücksicht auf das gleichartige Wärmedehnungsverhalten und auf
die gleichmäßigere Temperatur kann auch die Form der Schaft- oder Tragflächen eines
in einem Leichtmetallzylinder laufenden Kolbens wesentlich einfacher gewählt werden
als die bisher übliche Form des Schaftes von in Graugußzylinder eingebauten Kolben.
Während man bisher, um eine gute Abdichtung und einen guten Wärmeübergang zur Zylinderwand
zu erzielen, den Kolbenschaft mit wechselnder Ovalität stark konisch oder gar ballig
oval machen mußte, kommt man jetzt mit fast zylindrisch rund oder nur schwach oval
gestaltetem Schaft durch und kann trotzdem Einbauspiele erzielen, die nur etwa halb
so groß sind, als die bisher erzielten niedrigsten Einbauspiele. Dabei muß beachtet
werden, daß bei den bisher üblichen Schaftformen die Nennspiele eigentlich nur längs
zweier gegenüberliegender Mantellinien eingehalten wurden, während die dazwischenliegenden
Laufflächenteile infolge der starken Ovalität in @\'irklichkeit weit größere Spiele
aufwiesen. Gerade bei verhältnismäßig kleinen Nennspielen mußte man bisher die
Ovalitäten
besonders groß wählen, um ein elastisches Ausweichen der Tragflächen zu ermöglichen,
wenn die tragenden 'Mantelteile zum Anliegen an die Zylinderwand kamen. Besonders
bei luftgekühlten Graugußzylindern, die an der vom Kühlluftstrom abge,#vendeten
Seite oft Temperaturen aufweisen, die um etwa ioo° C höher sind als die auf der
gegenüberliegenden Seite gemessenen Temperaturen, und deren Querschnitte infolgedessen
im Betriebszustand von der Kreisform oft erheblich almeichen, konnte man ohne die
Anwendung von Kolbenschaftfornien, welche ein elastisches Ausweichen ermöglichen,
nicht auskommen. Nach l:rfahrutigen des Erfinders kommt man demgegenüber bei gemäß
der Erfindung gestalteten, in Leichtmetallzylindern eingebauten Kolben selbst bei
Anwendung von Luftkühlung mit etwa folgender Schaftform aus: Einbauspiel am offenen
Schaftende etwa '/4ooo des Nenndurchmessers, Einbauspiel am oberen Schaftende etwa
'/aoo des Nenndurchmessers, Ovalität am oberen Schaftende ebenfalls '/250o des Nenndurchmessers
und Ovalität am offenen Schaftende o. Die Mantellinien des Schaftes können geradlinig
sein. Man wählt also zweckmäßig eine schwach konische, nicht ballige Schaftform.
-
Die Unterschiede der neuen Kolbenbauform gegenüber den bisher gebräuchlichen
Formen sind in der Zeichnung am Beispiel eines alten und eines neuen Kolbens für
einen luftgekühlten Motor mit 75 mm Zylinderlxolirung gezeigt.
-
Fig. i zeigt die Hälfte eines Längsschnittes durch den zum Einbau
in einen Graugußzylinder bestimmten, bisher verwendeten Leichtmetallkolben, während
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den neuen Kolben für eine Maschine mit von 5,8 auf
6,.4 gesteigertem Verdichtungsgrad und dementsprechend von 24 auf 25,8 PS gesteigerter
Leistung bei gleichen Zylinderdurchmessern, jedoch unter Verwendung eines Leichtmetallzylinders
wiedergibt; in Fig. 3 und 4 sind die Schaftformen des neuen und des alten Kolbens
einander gegenübergestellt. 1)1e beiden in den Fig. i und 2 gezeigten Kolben haben
lediglich den finit cl bezeichneten Nenndurchniesser gemeinsam, der beim
ausgeführten Beispiel, wie schon gesagt, 75 mm beträgt. Alle übrigen ..Nfaße sind
bei dem neuen Kolben erheblich kleiner als bei <lern alten. Die Gesamtlänge l
des neuen Kolbens beträgt mir d9 mm oder rund o,65 d, während die länge l' des alten
Kolbens 8o mm = 1,o6 d beträgt. Die Kompressionshöhe k des neuen Kolbens beträgt
22 mm = 0,29 d, während die Kompressionshöhe k' des alten Kolbens 38 mm = o,5i,d
beträgt. : uch die Unterlänge 1c des neuen Kolbens ist mit 27 mm noch um '/3 kürzer
als die Unterlänge u' des alten Kolbens, welcher 42 mm mißt. Dagegen ist (las Verhältnis
k : 1i umgekehrt wie das Verhältnis k' : ii', d. 1i. bei der Verkürzung der
Gesamtlänge des neuen Kolbens wurde die Kompressionshöhe verhältnismäßig stärker
gekürzt als die Unterlänge. Dies wird noch deutlicher beim Vergleich der Höhe der
Ringzonen, von denen die mit r bezeichnete des neuen Kolbens 1d. mm, die mit r'
bezeichnete des alten Kolbens jedoch 28 mm, also das Doppelte beträgt. Die Verkleinerung
der Ringzone r wurde außer durch Verminderung der Höhen der Ringstege und der Ringe
selbst dadurch erreicht, daß der beim alten Kolben vorgesehene dritte Kolbenring
in Wegfall kam. Der neue Kolben enthält daher nur zwei Ringnuten, wobei in die zweite
ein als Dichtungs- und Olabstreifring wirkender Nasenring eingesetzt wird. Da durch
die Verkleinerung der genannten Maße das Gewicht des Kolbens erheblich herabgesetzt
wurde, verminderte sich auch die Belastung der Balzenlager, und es konnte daher
der Bolzendurchmesser b des neuen Kolbens um 2 mm kleiner gemacht werden als der
Bolzendurchmesser b' des alten Kolbens.
-
In Fig. 3 sind zur Veranschaulichung der Schaftform des in Fig. i
gezeichneten Kolbens die Mantellinien der beiden Hauptebenen des Kolbens zusammen
mit der Mantellinie z' des Zylinders in der Art dargestellt, daß die Abstände der
Kolbenmantellinie von der Zylindermantellinie der Übersichtlichkeit halber stark
vergrößert wurden. Die in der Ebene der Bolzenachse liegende Mantellinie ist gestrichelt
dargestellt und mit x' bezeichnet. Die in der dazu senkrechten Ebene liegende Mantellinie
ist durch eine fortlaufende Linie dargestellt und mit y' bezeichnet. Die beiden
horizontalen Linien bezeichnen das obere und das untere Schaftende.
-
In Fig. q. sind die entsprechenden Linien mit den entsprechenden Bezeichnungen
für den neuen Kolben aufgetragen. Wie man sieht, ist beim neuen Kolben das Einbauspiel,
d. h. der Abstand der Linien x und y von der Linie z am unteren
Schaftende nur halb so groß wie am alten Kolben, nämlich 2/10o mm gegenüber 4/10o
mm. Am oberen Schaftende ist der Abstand der Linie y von der Linie z 3/ioo mm, während
beim alten Kolben der Abstand der Linie @,' von der Linie z' 'p/ioo mm beträgt.
Das Einbauspiel am oberen Schaftende wurde also auf '/4 vermindert, ebenso wurde
auch die Ovalität, d. h. der Abstand der Linie x von der Linie y, auf '/4 herabgesetzt.
-
Schließlich besteht zwischen den Schaftformen nach Fig. 3 und Fig.4
noch der Unterschied, daß beim alten Kolben kurvenförmige Mantellinien angewendet
werden mußten, während der neue Kolben geradlinige Mantellinien zeigt, was zur Folge
hat, daß die Bearbeitung des neuen Kolbens einfacher und billiger wird.
-
Die Vorzüge des Erfindungsgegenstandes sind demnach kurz zusammengefaßt
folgende: i. Verringerung der Bauhöhe des Kolbens, des Zylinders und damit auch
der ganzen Maschine; 2. erhebliche Verringerung des Gewichtes des Kolbens, dadurch
bedingte Verminderung der Massenkräfte und die Möglichkeit, Pleuel, Kurbelwelle,
Bolzen und Lager kleiner zu dimensionieren oder die Leistung des '\lotors entsprechend
zu erhöhen; 3. die Abdichtung und die Wärmeableitung zum Zylinder kann mit weniger
und einfacheren Ringen als bisher bewirkt «erden; 4. Vereinfachung und damit Verbilligung
des
Kolbenaufbaus und der Form der Schaftaußenfläche.