[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrteiligen Hubkolben für Brennkraftmaschinen,
insbesondere solche, bei denen die translatorische Bewegung zweier gegenüberliegender,
gleichlaufender Kolben durch einen Kurbelschleifentrieb in Rotation umgewandelt wird,
mit einer starr mit den beiden Kolben verbundenen Kolbenstange, wie es beispielsweise
in der DE-PS 920 758 beschrieben und dargestellt ist.
[0002] Aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzte Hubkolben von Brennkraftmaschinen sind
im sogenannten Großmotorenbau in vielen Ausführungsformen bekannt. Dort findet der
mehrteilige Arbeitskolben seit langem Verwendung. Die Gründe liegen in den verschiedenen
Belastungen, denen der Motorkolben ausgesetzt ist. So ist der Kolbenboden mit seinem
Feuersteg thermischen Wechselbeanspruchungen und statischen Drücken ausgesetzt. Außerdem
ist der Kolben insgesamt hohen dynamischen Beschleunigungs- und Verzögerungskräften
unterworfen. Bei Motoren mit Schubkurbelgetriebe, insbesondere bei Kurzhubern
/lasten auf dem Kolbenhemd durch die hohen Normaldrücke große Biegekräfte.
[0003] Nachdem Keramik als Werkstoff neuerdings ebenfalls Eingang in den Motorenbau gefunden
hat und bei derartigen sog. Keramik-Motoren alle gleitend miteinander in Berührung
stehenden Teile aus dem gleichen Werkstoff bestehen müssen, also auch der notwendige
Kolbenring aus Keramik herzustellen ist, stellt sich das Problem der Montage solcher
Kolbenringe. Wie die Erfahrung zeigt, reicht die Elastizität solcher Kolbenringe nicht
dazu aus, diesen über das Kolbenhemd zu streifen, um ihn in die Kolbenringnut zu bringen.
[0004] Die Aufgabe der Erfindung ist daher darin zu sehen, die Mekrteiligkeit eines Hubkolbens
derart unter dem Aspekt auszurichten, daß die Montage bzw. Anordnung eines aus keramischem
Werkstoff bestehenden Kolbenringes in seiner dafar vorgesehenen Ringnut im Feuersteg
des Kolbenbodens, also eines Kolbenringes, der vom Material her sich nicht aufweiten
läßt ohne zu brechen, ohne weiteres möglich ist. Darüber hinaus soll die konzipierte
Mehrteiligkeit den an einen solchen Kolben gestellten Forderungen bezüglich thermischer
und dynamischer Belastbarkeit entgegenkommen sowie seine Laufeigenschaften und Lebensdauer
verbessern.
[0005] Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angeführten Merkmale
gelöst.
[0006] Die weitere Ausgestaltung der Erfindung erfolgt durch die in den Unteransprüchen
niedergelegten Merkmale.
[0007] Der erfindungsgemäße Aufbau des Hubkolbens erlaubt vor der Montage seiner Hauptteile
eine Anordnung des Kolbenringes in der dafür vorgesehenen Ringnut im Feuersteg des
Kolbenbodens ohne weiteres. Das aus keramischem Werkstoff bestehende Kolbenhemd und
der aus keramischem Werkstoff hergestellte Kolbenboden mit dem Feuersteg ergeben gute
Gleitfähigkeit und hohe Lebensdauer. Das aus metallischem Werkstoff bestehende Zentrierstück
mit der Grundplatte und der obere Abschlußdeckel mit der Zentriernabe aus dem gleichen
Werkstoff zentrieren nicht nur den Hubkolben auf dem Kolbenstangenende sondern garantieren
auch eine sichere Zusammenspannung der Kolbenhauptteile, da die Elastizität des metallischen
Materials den auftretenden wechselnden Dauerbelastungen gewachsen ist. Außerdem wird
die während des Verbrennungsvorganges am Kolbenboden anfallende große Hitzemenge durch
Wärmeströmung rasch zur Kolbenstange hin abgeführt, so daß Wärmestau im Kolben vermieden
wird.
[0008] Die erfindungsgemäße Kolbenausführungs- und die beschriebene Kolbenanordnung sind
auch anwendbar bei Kolbenmaschinen, bei denen die Normaldrücke des Schubkurbeltriebes
durch einen Kreuzkopfschlitten aufgenommen werden, wodurch das Kolbenhemd entlastet
ist. Solche Kolbenmotoren sind beispielsweise als sogenannte Bio-Gasmotoren vorgeschlagen
worden.
[0009] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt. Es
zeigen
Figur 1 einen Hubkolben im Längsschnitt mit einem Teil der Kolbenstange,
Figur 2 einen Teil des Kolbenbodens (3) im Radialschnitt mit Feuersteg (4) sowie Drehriefen
(24) und
Figur 3 einen Teil des Kolbenringes in Draufsicht mit Kolbenringschlitz. `
[0010] Wie aus Figur 1 hervorgeht, besteht der Hubkolben im / wesentlichen aus einem Kolbenhemd
1 mit Kolbenhemdboden 2, einem Kolbenboden 3 mit Feuersteg 4, einer Zentrierhülse
5 zur radialen Fixierung der beiden vorgenannten Kolbenhauptteile 1, 2 und 3, 4, aus
einem in einer Ringnut 6 des Feuerstegs 4 sitzenden Kolbenring 7, einem Zentrierstück
8 mit Grundplatte 9 und aus einem Abschlußdeckel 10 mit Zentriernabe 11.
[0011] Mit 12 ist eine Kolbenstange bezeichnet, an deren beiden Enden je ein Hubkolben sitzt
(der zweite Hubkolben ist nicht gezeichnet), die beide starr mit der Kolbenstange
12 verbunden sind. Dies geschieht zum Beispiel durch je eine Kopfschraube (13), die
in der Kolbenstange 12 eingeschraubt ist. Die radiale Fixierung des Hubkolbens gegenüber
der Kolbenstange 12 erfolgt durch einen Paßsitz 14 der Grundplatte 9 auf der Kolbenstange
12. Die Grundplatte 9 fixiert ihrerseits mit Hilfe ihres Zentrierstückes 8 die Zentriernabe
11 des Abschlußdeckels 10. Die beiden Teile 8, 9 und 10, 11 sind durch einen Paßstift
15 gegen Verdrehung gesichert, der mit seinem inneren Ende in die Kolbenstange 12
hineinragt. Der Paßstift 15 bildet gleichzeitig eine Sicherung für die Kopfschraube
13.
[0012] Das Kolbenhemd 1 mit dem kolbenhemoboden 2, der Kolbenboden 3 mit dem Feuersteg 4,
der in sich federnde Kolbenring 7, der einen Dehnungsschlitz 16 aufweist, und die
Zentrierhülse 5 sind alle aus einem keramischen Werkstoff hergestellt, der thermisch
hoch belastbar ist und gute Gleiteigenschaften aufweist. Am Dehnungsschlitz 16 ist
der Kolbenring 7 mit einer kreisbogenförmigen Abrundung 17 zur Anordnung eines Verdrehstiftes
18, der ein Wandern des Kolbenringes 7 verhindert, versehen.
[0013] Am Übergang zwischen dem Kolbenhemd 1 und dessen Boden 2 ist an der Innenwand eine
Hohlkehle 19 vorgesehen. Auch am Übergang zum Feuersteg 4 ist auf dem Kolbenboden
3, um Kerbspannungen zu vermeiden, eine Hohlkehle 20 eingearbeitet.
[0014] Sowohl zwischen der Zentriernabe 11 und der Zentrierhülse 5 als auch zwischen dem
Außenumfang des Abschlußdeckels 10 und dem Feuersteg 4 ist je ein radialer Dehnspalt
21 bzw. 22 belassen.
[0015] Beim Anziehen der Kopfschraube 13 werden der Kolbenhemdboden 2 und der Kolbenboden
3 zwischen der Grundplatte 9 und dem Abschlußdeckel 10 mit Vorspannung aufeinandergepreßt.
Um dies zu ermöglichen, ist zwischen dem Zentrierstück 8 und der Zentriernabe 11 ein
axialer Distanzspalt 23 vorgesehen.
[0016] Um die Abdichtung gegenüber der Zylinderwand zu verstärken, kann radial außen der
Feuersteg 4 mit einer Labyrinthabdichtung in Form von Drehriefen 24 versehen werden
(Figur 2).
[0017] Kolbenhemd, Kolbenring und Kolbenboden werden aus Keramik hergestellt. Verwendbar
sind z.B. Zirkonoxid, Siliziumnitrid und Siliziumcarbid (insbesondere Siliziuminfiltriertes
Siliziumcarbid = Si-SiC). Formkörper aus Siliziumnitrid und Siliziumcarbid lassen
sich mit Hilfe des isostatischen Preßverfahrens herstellen. Der Kolbenboden kann auch
aus Aluminiumtitanat gefertigt werden.
[0018] Für den Kolbenring eignet sich als Material ferner ausge
- zeichnet siliziuminfiltrierter Graphit (Siliziumcarbid/ Graphitverbundwerkstoff)
oder Stahl, der mit Keramik (z.B. Zirkonoxid oder Siliziumcarbid) beschichtet wurde.
Es ist bevorzugt, wenn Kolbenhemd (1) und Kolbenboden (3) aus dem gleichen Werkstoff
gefertigt sind, oder wenn (1) (3), Kolbenring (7) und Zentrierhülse (5) aus dem gleichen
Werkstoff gefertigt sind.
1. Mehrteiliger Hubkolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere solchen, bei denen
die translatorische Bewegung zweier gegenüberliegender, gleichlaufender Kolben durch
einen Kurbelschleifentrieb in Rotationsbewegung umgewandelt wird, mit einer starr
mit den beiden Kolben verbundenen Kolbenstange, gekennzeichnet durch ein aus keramischem
Werkstoff bestehendes Kolbenhemd (1) mit Kolbenhemdboden (2), einen aus keramischem
Werkstoff hergestellten Kolbenboden (3) mit Feuersteg (4), versehen mit einer Ringnut
(6) zur Aufnahme eines aus keramischem Werkstoff bestehenden, geschlitzten Kolbenringes
(7), wobei der Kolbenboden (3) auf dem Kolbenhemdboden (2) korrespondierend sitzt
und beide Kolbenhauptteile (1, 2 und 3, 4) durch eine gemeinsame Zentrierhülse (5),
ebenfalls aus keramischem Werkstoff, radial fixiert sind, ferner durch ein auf der
Kolbenstange (12) mit Paßsitz (14) fixiertes, aus Metall oder einer Metallegierung,
insbesondere einer Aluminiumlegierung hergestelltes Zentrierstück (8) mit Grundplatte
(9), auf welcher der Kolbenhemdboden (2) sitzt, und durch einen, aus dem gleichen
Werkstoff wie das Zentrierstück (8) mit Grundplatte (9) hergestellten, auf dem Kolbenboden
(3) sitzenden und radial bis zu dessen Feuersteg (4) sich erstreckenden Abschlußdeckel
(10) mit Zentriernabe (11), die gegenüber dem Zentrierstück (8) radial fixiert ist,
mit einem axialen Distanzspalt (23) zwischen beiden Teilen (8 und 11), wobei der Kolbenhemdboden
(2) und der Kolbenboden (3) zwischen dem Abschlußdeckel (10) und der Grundplatte (9)
durch eine der Kolbenstange (12) zugeordnete Verschraubung (13) axial zusammengespannt
sind.
2. Hubkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl zwischen der Zentriernabe
(11) des Abschlußdeckels (10) und der Zentrierhülse (5) als auch zwischen dem Außenumfang
des Abschlußdeckels (10) und dem Innenumfang des Peuersteges (4) des Kolbenbodens
(3) je ein Ausdehnungsspalt (21 bzw. 22) vorgesehen ist.
3. Hubkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Übergang zwischen
dem Kolbenhemd (1) und seinem Kolbenhemdboden (2) an deren Innenwand eine ringförmige
Hohlkehle (19) zum Abbau von Kerbspannungen vorgesehen ist.
4. Hubkolben nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem Kolbenboden (3) radial innerhalb seines Feuersteges (4), und zwar im Bereich
des Außenumfanges des Abschlußdeckels (10) eine ringförmige Hohlkehle (20) zum Abbau
von insbesondere durch thermische Ungleichheiten hervorgerufenen Kerb- spannungen vorgesehen ist.
5. Hubkolben nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß um ein Verdrehen der Grundplatte (9) zusammen mit dem Abschlußdeckel (10) bzw.
dessen Zentriernabe (11) gegenüber der Kolbenstange (12) zu vermeiden, ein einerseits
in der Kolbenstange (12) festsitzender Paßstift (15) angeordnet ist, der die Grundplatte
(9) durchsetzt und andererseits in die Zentriernabe (11) des Abschlußdeckels (10)
hineinragt.
6. Hubkolben nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolbenboden (3) am Außenumfang seines Feuersteges (4) mit einer Labyrinthabdichtung,
insbesondere in Form von Drehriefen (24), versehen ist.
7. Hubkolben nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolbenring (7) im Bereich seines Stoßes (16) eine kreisbogenförmige Ausnehmung
(17) zur Anordnung eines Fixierstiftes (18) aufweist.