CH619510A5

CH619510A5 -

Info

Publication number: CH619510A5
Application number: CH1281576A
Authority: CH
Inventors: Ludwig Elsbett; Guenter Elsbett
Original assignee: Elsbett L; Elsbett G
Priority date: 1975-10-11
Filing date: 1976-10-11
Publication date: 1980-09-30
Also published as: IT1073331B; BR7606777A; US4213438A; DD126924A1; JPS611616B2; HU173585B; JPS5247118A; GB1557806A; FR2327407B1; SE429991B; FR2327407A1; SE7610877L; DE2545588A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, mit einem im Kopf des Kolbens angeordneten Brennraum, wobei der Kopf des Kolbens als Ringträger ausgeführt und von einem diesen mit einem Fuss des Kolbens verbindenden Mantel gestützt ist, welcher Mantel den Brennraum teilweise umschliesst und der Brennraum selbst zumindest im Bereich seiner Brennraumöffnung wärmedämmend ausgeführt ist, sowie der Ringträger an seinem Umfang mindestens ein Dichtmittel aufweist.

Es ist im modernen Bau von Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, seit längerem bekannt, dass eine Optimierung der Verbrennungsabläufe zwischen Kraftstoff-und Luftbestandteilen besonders dann möglich ist, wenn diese Bestandteile neben einer guten Durchmischung in einem Brennraum auch in deren Temperierung aufeinander abgestimmt werden, da wiederum eine Optimierung der Temperierung der Kraftstoff-Luftgemische eine Verbrennung derselben mit möglichst geringen Schadstoffemissionen ermöglicht. Um diese Temperierung des Brennraumes und mithin auch der Kraftstoff-Luftbestandteile zu erreichen, ist es ferner bekannt, die Brennräume mit Auskleidungen zu versehen und diese Auskleidungen so auszuführen, dass eine Temperierung des Brennraumes in der Art erfolgt, dass beispielsweise in einem kugelförmigen Brennraum im Bereich dessen Brennraumöffnung eine sehr heisse Zone, im Bereich dessen Brennraumbodens hingegen eine «kalte», d. h. weniger heisse Zone, sich befinden.

Ein bekannter Kolben mit zentralem Brennraum für Ein-spritz-Brennkraftmaschinen dieser Art weist einen beispielsweise kugelförmigen Brennraum auf, welcher am Kopf eines Kolbens angeordnet und dort im Bereich der Brennraumöff-nung die der Wärmedämmung dienenden Mittel aufweist. Die wärmedämmenden Mittel sind bei diesem Kolben in Form eines Einsatzes ausgeführt, dessen Tiefe in den Brennraum, d. h. dessen Gürtelabschnitt von der Brennraumöffnung in Richtung Brennraumboden nur soweit ausgeführt ist, wie der Kraftstoffstrahl bei Leerlauf der Brennkraftmaschine in den Brennraum hineintaucht. Dieser Einsatz, der, wie bereits ausgeführt, im Bereich der Brennraumöffnung vorgesehen ist, ist bei der bekannten Ausführung vorzugsweise zur Brennraummitte hin eingeschnürt, so dass die im Brennraum zur Verbrennung gebrachten Kraftstoff-Luftbestandteile während des Ausstos-ses derselben aus dem Brennraum noch einmal an den eingeschnürten Stellen des Einsatzes vorbeistreichen und dort, sofern sie nicht schon verbrannt dorthin gelangen, noch zur Verbrennung gebracht werden. Dadurch wird der Anteil von Abgasemissionen verringert, da nur verbrannte Teile aus dem Brennraum in ein Auspuffsystem geblasen werden. Durch den Einbau des wärmedämmenden Einsatzes im Brennraum wird neben der Optimierung der Temperaturen im Brennraum zudem erreicht, dass der Wärmefluss zu einem als Dichtmantel ausgeführten Ringträger weitgehend unterbunden und somit die an diesem sitzenden Dichtmittel vor starker Ueberhitzung entsprechend geschützt werden. Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere solchen für hohe Leistungen, hat sich ergeben, dass eine weitergehende Temperierung des Brennraumes und eine weitergehende Unterbindung der Wärmeflüsse aus dem Brennraum, insbesondere in den Ringträger, erwünscht wäre (vgl. DT-PS 1 576 013).

Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, den Brennraum eines Kolbens dieser Art dahingehend noch weiter gegen Wärmeverluste zu isolieren, dass neben dem Schutz der Dichtmittel eine weitergehende Temperierung des Brennraumes und damit auch eine Optimierung des Verbrennungsablaufes erzielt werden.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Kolben der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zusätzlich zur wärmedämmenden Ausführung des Brennraumes weitere wärmedämmende Mittel am Mantel zwischen diesem und dem Ringträger und/oder Fuss des Kolbens vorgesehen sind, und dass der Durchmesser des Ringträgers an einem zwischen der Ebene der Brennraumöffnung und einem dieser benachbarten Dichtring liegenden Abschnitt grösser ist als der Durchmesser an einem zwischen dem Dichtring und dem der Ebene der Brennraumöffnung entgegengesetzten Ende des Ringträgers sich befindenden Abschnitt.

Durch diese zusätzliche Isolierung des Brennraumes wird nicht nur die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe vorteilhaft gelöst, sondern es wird zudem ermöglicht, dass der Kolben mit seinem zwischen der Ebene der Brennraumöffnung und dem nächstliegenden Dichtring vorgesehenen Mantelabschnitt am Zylinder einer Brennkraftmaschine anliegen kann und somit dieser Abschnitt nicht mehr als sogenannter Feuersteg ausgeführt zu werden braucht. Das Anliegen dieses Mantelabschnittes am Zylinder ergibt ferner den Vorteil, dass der der Ebene der Brennraumöffnung nächstliegende Dichtring von dem Gasdruck während der Verbrennungsphase der Kraftstoff-Luftbestandteile nicht mehr so stark beansprucht wird, so dass dieser Dichtring länger den gestellten Anforderungen genügt. Ein weiterer Vorteil dieser Massnahmen ergibt sich dadurch, dass die Vergrösserung des Durchmessers an diesem Abschnitt und damit durch das Heranführen dieses Abschnittes des Ringträgers an die Wand eines Zylinders zwischen diesem Abschnitt und der Zylinderwand kaum schmiergelnde Additive oder Kohle sich bilden können, die einen erheblichen Verschleiss des Kolbens und insbesondere dessen Dichtringe verursachen.

Eine solche vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich femer dadurch aus, dass die wärmedämmenden Mittel am Mantel als Einschnürungen desselben ausgeführt sind.

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Eine solche Wärmedämmung durch Einschnürungen lässt sich nicht nur einfach herstellen, sondern auch leichter an die gewünschte Stelle des Mantels anbringen, wodurch eine erhebliche Wärmedämmung erzielt werden kann.

Versuche mit erfindungsgemässen Kolben haben ferner ergeben, dass die gewünschte Wärmedämmung bereits dann erzielt werden kann, wenn eine Einschnürung zwischen dem Ringträger und dem Mantel im Bereich der Ebene der Brennraumöffnung und eine weitere Einschnürung zum Brennraumunterteil im Bereich des Bodens des Brennraumes vorgesehen sind.

Auch hat es sich insbesondere aus Fertigungsgründen ergeben, dass es von Vorteil ist, wenn der Mantel zumindest ab der Einschnürung zwischen ihm und dem Ringträger bis zur Einschnürung im Bereich des Brennraumbodens rotationssymmetrisch ausgeführt ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsmittelschnitt durch einen Kolben mit den Wärmedämmungen, wie er im Zylinder einer Brennkraftmaschine angeordnet sein kann,

Fig. 2 eine vergrösserte Darstellung des in Fig. 1 eingekreisten Details und

Fig. 3 einen Schnitt durch den Kolben in der Ebene I-I in Fig.l.

An einem Kolben 1 mit vorzugsweise getrenntem Dichtmantel 2 und in der Zeichnung nicht mehr dargestelltem Führungsmantel ist im Bereich des Kolbenlcopfes ein der einfacheren Darstellung wegen als rotationssymmetrischer Körper ausgeführter Brennraum 3 vorgesehen, welcher von einem Mantel 4 teilweise umschlossen wird, und welcher Mantel eine Verbindung zwischen dem Dichtmantel 2 und einem Fuss 5 des Kolbens 1 bildet. Der Dichtmantel 2, der hier in Form eines Ringträgers 6 ausgeführt ist, weist an seiner einem Zylinder 7 zugewandten Seite Ringnuten 8 auf, in denen die am Zylinder schleifenden und den Kolben 1 gegen den Zylinder dichtenden Dichtringe 9 eingelegt sind. Um dabei eine für die optimale Verbrennung zwischen Kraftstoff- und Luftbestandteilen notwendige Temperierung des Brennraumes 3 zu erhalten, kann im Brennraum, insbesondere im Bereich dessen Brennraumöffnung 10, ein wärmedämmender Einsatz 11 vorgesehen sein, welcher so ausgeführt ist, dass er einen Wärmefluss aus dem Brennraum 3 über den Mantel 4 in den Ringträger 6 weitgehend unterbindet. Diese Wärmedämmung, d. h. Einsatz 11, die beispielsweise aus einem schlecht wärmeleitenden Werkstoff, beispielsweise einem Kohlenstoff oder einem hohlen Metallring, bestehen kann, kann neben ihrer eigenen wärmedämmenden Eigenschaft noch zusätzlich gegen den Mantel 4 wärmeisoliert sein, wobei sich in einem solchen Fall eine weitere Wärmedämmung in Form eines Luftspaltes 12 anbietet. Um den Wärmefluss aus der Verbrennung der Kraftstoff-Luftbestandteile aus dem Brennraum 3, insbesondere in den Ringträger 6, noch weiter zu unterbinden, sind am Mantel 4 weitere Wärmedämmungen vorgesehen, welche der Einfachheit halber als Einschnürungen 13,13' des Mantels ausgeführt und von denen eine Einschnürung 13' im Bereich der Ebene der Brennraumöffnung 10 zwischen dem Mantel 4 und dem Ringträger 6 und eine weitere Einschnürung 13 am Mantel im Bereich des Bodens 14 des Brennraumes 3 vorgesehen ist. Durch diese Einschnürungen 13,13' am Mantel 4 wird sichergestellt, dass die Wärmeabfuhr nur über den Boden 14 des Brennraumes 3 in den Fuss 5 des Kolbens 1 erfolgen kann, aus welchem Fuss diese Wärme noch zusätzlich durch Einspritzung eines Kühlmittels, wie beispielsweise eines Kühlöls, relativ schnell abgeführt werden kann. Durch diese Wärmedämmung des Brennraumes 3 und der damit zusammenhängenden Unterbindung des Wärmeflusses aus dem Brennraum 3 in den Ringträger 6 wird sichergestellt, dass die an ihm sitzenden Dichtringe 9 weitgehend von Wärmeeinwirkungen entlastet werden, so dass sie die ihnen obliegende Aufgabe, nämlich den Kolben 1 gegen den Zylinder 7 abzudichten, voll erfüllen können. Durch diese annähernd völlige Unterbindung des Wärmeflusses zum Ringträger 6 und damit zum Dichtmantel 2 wird ferner erreicht, dass insbesondere dessen Abschnitt 15 (Fig. 2) zwischen der Ebene der Brennraumöffnung 10 und dem dieser nächstliegenden Dichtring 9 nicht mehr als sogenannter Feuersteg ausgeführt zu werden braucht, sondern als Dichtmantel, der annähernd bis an den Zylinder 7 herangeführt werden kann. Durch dieses Heranführen dieses Abschnittes 15 bis annähernd an den Zylinder 7 wird sichergestellt, dass zum einen in dem Zwischenraum 16 zwischen Ringträger 6 und Zylinder 7 am Abschnitt 15 weder Öl zu Kohle verbrannt noch sonstige schmirgelnde Additivaschen sich dort anlagern können, die infolge ihrer enormen Aggressivität sowohl den Zylinder 7 als auch die Dichtringe 9 und deren Ringnuten 8 angreifen können. Durch diese weitgehende Unterbindung der Wärmeabfuhr aus dem Brennraum 3 in den Ringträger 6 kann das Kolbenschleifbild so ausgeführt werden, dass schon am kalten Kolben 1 der grössere Durchmesser D zwischen der Ebene der Brennraumöffnung 10 und dem obersten Dichtring 9 und der kleinere Durchmesser d am auskragenden und somit entgegengesetzten Ende des Kolbens 1 bzw. Ringträgers 6 liegt. Im warmen Zustand bzw. bei Erwärmung des Kolbens 1 wächst insbesondere dieser Abschnitt 15 des Dichtmantels radial weiter an, so dass dieser Abschnitt voll am Zylinder 7 anliegt, wo er sich wiederum soweit abkühlt, dass ein zwischen Zylinder und diesem Abschnitt befindender Ölfilm als Dichtmanschette sich halten kann.

In der Zeichnung in Fig. 1 sind die Einschnürungen 13,13' der besseren Darstellung wegen als stark ausgeprägte Kerben ausgeführt worden. Es ist jedoch durchaus denkbar, diesen Eischnürungen 13,13' auch andere Formen zu geben, wobei nur darauf zu achten ist, dass der Effekt der Wärmedämmung voll erhalten bleibt.

Um die Fertigung des Kolbens 1 weitgehend zu vereinfachen, ist dessen den Ringträger 6 mit dem Fuss 5 des Kolbens verbindende Mantel 4 als rotationssymmetrisches Teil ausgeführt, und es ist lediglich der Fuss 5 des Kolbens als ein nicht rotationssymmetrisches Teil, nämlich als Gelenkgabel 17, ausgeführt. Dieses nicht rotationssymmetrische Teil, z. B. am Fuss 5 des Kolbens 1, kann dabei unterhalb des Bodens 14 des Brennraumes 3 beginnen und sich über den Abschnitt erstrek-ken, der die Gelenkgabel 17 für ein Bolzenlager 18 aufnimmt. Über dieses Bolzenlager 18 ist der Fuss 5 des Kolbens 1 an einem in der Zeichnung nicht dargestellten Pleuel eines Kurbeltriebes angeschlossen, und es ist an diesem Pleuel auch das nicht dargestellte Führungsmittel des Kolbens verbunden.

In der Darstellung des Kolbens gemäss Fig. 1 ist die eine Einschnürung 13 am Mantel 4 im Bereich des Bodens 14 des Brennraumes 3 vorgesehen. Dies schliesst nicht aus, dass statt einer solchen Einschnürung 13 das wärmedämmende Mittel durch weitere radiale Ausdehnung des Brennraumes 3 im Bereich des Bodens 14 gebildet wird. Entscheidend dabei ist nur, dass an dieser Stelle eine Einschnürung des Mantels vorgenommen wird, um den Effekt der Wärmedämmung zu erzielen.

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1. Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, mit einem im Kopf des Kolbens angeordneten Brennraum, wobei der Kopf des Kolbens als Ringträger ausgeführt und von einem diesen mit einem Fuss des Kolbens verbindenden Mantel gestützt ist, welcher Mantel den Brennraum teilweise umschliesst und der Brennraum selbst zumindest im Bereich seiner Brennraumöffnung wärmedämmend ausgeführt ist, sowie der Ringträger an seinem Umfang mindestens ein Dichtmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur wärmedämmenden Ausführung des Brennraumes (3) weitere wärmedämmende Mittel (13,13') am Mantel (4) zwischen diesem und dem Ringträger (6) und/oder Fuss (5) des Kolbens (1) vorgesehen sind, und dass der Durchmesser (D) des Ringträgers an einem zwischen der Ebene der Brennraumöffnung (10) und einem dieser benachbarten Dichtring (9) liegenden Abschnitt (15) grösser ist als der Durchmesser (d) an einem zwischen dem Dichtring (9) und dem der Ebene der Brennraumöffnung (10) entgegengesetzten Ende des Ringträgers sich befindenden Abschnitt.

2. Kolben nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmedämmenden Mittel am Mantel als Einschnürungen (13,13') des Mantels (4) ausgeführt sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Kolben nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einschnürung (13') zwischen dem Ringträger (6) und dem Mantel (4) im Bereich der Ebene der Brennraumöffnung (10) und eine weitere Einschnürung (13) zum Brennraumunterteil im Bereich des Bodens (14) des Brennraumes (3) vorgesehen ist.

4. Kolben nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (4) zumindest ab der Einschnürung (13') zwischen ihm und Ringträger (6) bis zur Einschnürung (13) im Bereich des Bodens (14) rotationssymmetrisch ausgeführt ist.