DE3329787A1

DE3329787A1 - Kolben und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3329787A1
Application number: DE19833329787
Authority: DE
Inventors: Neil Anthony Coventry Warwickshire Graham; Robert Lymington Hampshire Munro; David Alec Rugby Warwickshire Parker
Original assignee: AE PLC
Current assignee: AE PLC
Priority date: 1982-08-20
Filing date: 1983-08-18
Publication date: 1984-02-23
Also published as: IT1163923B; FR2532004B1; FR2532004A1; CA1217397A; IT8322595A0; US4553472A; JPS5985448A

Description

Bezeichnung: Kolben und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf Kolben für Brennkraftmaschinen und Verfahren zu ihrer Herstellung.

In der Brennkammer einer Brennkraftmaschine wird, unabhängig ob sie sich in Entfernung von dem Kolben befindet oder vom Kolben begrenzt wird, Hitze beim Zünden des Brennstoffs erzeugt, die Aufgabe des Motors ist es, diese Hitze effizient in nutzbare Motorleistung umzusetzen. Da die Teile, die die Brennkammer umgeben (der Kolben, der Zylinder oder die Zylinderauskleidung, der Kolbenkopf, die Einlaß- und Auslaßventile) aus wärmeleitendem Material gefertigt sind, geht ein Teil der durch die Zündung erzeugten Hitze auf Grund von Wärmeleitung durch diese Teile verloren. Jede Reduzierung der auf diese Weise verlorenen Wärmemengen kann eingesetzt werden, um den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen und ebenso um die Temperatur in der Brennkammer zu steigern.

Die die Brennkammer umgebenden Teile müssen jedoch selbstverständlich den in der Brennkammer anfallenden Temperaturen widerstehen können, ohne langzeitig beschädigt zu werden. Da Kolben gewöhnlich aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sind, kann es zu Problemen kommen, wenn die Temperatur in der Brennkammer erhöht wird, da diese Materialen nicht direkt geeignet sind, hohen Temperaturen zu widerstehen. Zusätzlich ist es, da die Wärme axial vom Kolben nach unten geleitet wird, notwendig, sicherzustellen,

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daß die verschiedenen Teile des Kolbens, wie beispielsweise die Kolbenringe, die Kolbenringnuten und das Hemd aus einem geeigneten, wärmebeständigen Material gefertigt sind. Hierdurch kann es notwendig werden, komplizierte Verbindungen einzusetzen, die kostenintensiv sind und die es, für den Fall der Kolbenringnuten, erfordern, sie zu verstärken. Zusätzlich muß da, wo eine Anzahl von Kolbenringen vorgesehen ist, der oberste, der Brennkammer am nächsten befindliche Kolbenring aus einem Material gefertigt sein, das hohen Temperaturen widersteht und muß mit einer natürlichen, radialen Federeigenschaft versehen sein, damit er gegen den Zylinder oder die Laufbüchsenwand anliegt, da die anfallenden Temperaturen es nicht zulassen, einen separaten Ringexpander vorzusehen.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, der einen Kopfbereich hat, welcher von dem übrigen Kolben hitzeisoliert über die gesamte oder im wesentlichen die gesamte Fläche des Kopfbereichs ist. Hierdurch wird die Übertragung von Wärme von dem Kopfbereich auf den übrigen Kolben reduziert. Der Kopfbereich ist aus einem Material gefertigt, das hitzebeständiger ist als das Material, aus dem zumindest ein Teil des übrigen Kolbens hergestellt ist.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine. Danach wird ein Kolben mit einem Kopfbereich hergestellt, der vom übrigen Kolben über die gesamte oder einem wesentlichen Teil der gesamten Fläche des Kopfbereichs hitzeisoliert ist, um hierdurch die Übertragung von Wärme von dem Kopfbereich auf den Rest des Kolbens zu verringern.

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Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert und im Sinne nicht einschränkender Beispiele beschrieben, dabei wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in dieser zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kolbens mit einem Kopfbereich, der von dem übrigen Kolben durch eine abgeschlossene Isolationskammer getrennt ist,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kolbens mit einem Kopfbereich, der von dem übrigen Kolben durch eine abgeschlossene Isolationskammer getrennt ist,

Fig. 3 eine schnittbildliche Darstellung eines ähnlichen Kolbens wie der Kolben nach Figur 2, jedoch ist der übrige Kolben mit einer Lage aus Metall bedeckt,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Kolben mit einer abgeschlossenen Isolationskammer zwischen dem Kolbenkopf und dem übrigen Kolben, der Kopfbereich ist über eine Schraubenverbxndung mit dem übrigen Kolben verbunden,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Kolben, der einen von dem übrigen Kolben durch eine abgeschlossene Isolationskammer beabstandeten Kopfbereich hat,

Fig. 6 A

und 6 B schematische Darstellungen von aufeinanderfolgenden Schritte beim Reibschweißen eines Kopfbereichs eines Kolbens an den übrigen Kolben, um dazwischen eine abgeschlossene Isolationskammer zu schaffen,

Fig. 7 eine schnittbildliche Darstellung eines Kolbens mit einem Kopfbereich, der von dem übrigen KoI-

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ben durch ein Isolationsmaterial isoliert ist, und

Fig. 8 eine Darstellung ähnlich Figur 7, jedoch für eine unterschiedliche Ausführung des Kopfbereichs und der Isolation zwischen dem Kopfbereich und dem übrigen Kolben.

Wie Figur 1 zeigt, hat der Kolben einen Kopfbereich 10, der aus einem Werkstoff auf Eisenbasis, wie beispielsweise Nickeleisen (zum Beispiel Eisen 738), schweißbarem oder rostfreiem Stahl gefertigt ist. Der Kopfbereich 10 hat eine halbkugelförmige Brennkammerschale 12 und einen ringartigen, randseitigen und radial ausgerichteten Flansch 13.

Der übrige Kolben weist auf einen Kolbenkörper 11, der durch Gießen von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist und Nuten 14 für Kolbenringe, Bohrungen 15 für einen Kolbenbolzen und einen Kolbenmantel 16 hat. Der Kolbenkörper 11 endet an seinem oberen Endbereich in einer halbkugelförmigen Einwölbung 17 und einer ringartigen, randseitigen und radial verlaufenden Oberfläche 18; diese Oberfläche 18 und die halbkugelförmige Einwölbung 17 sind in ihren Abmessungen der halbkugelförmigen Brennkammer 12, dem Flansch 13 und dem Kopfbereich 10 ähnlich.

Zwischen dem Kopfbereich 10 und dem Kolbenkörper 11 ist ein Zwischenteil vorgesehen. Es ist als ringförmige Scheibe 19 ausgeführt und aus einem Eisenmaterial wie beispielsweise austenitischem Eisen gefertigt. Die Scheibe 19 hat einen ringartigen Kanal 20 in ihrer oberen, radial verlaufenden Fläche, der sich zwischen ihrem inneren und ihrem äußeren Band befindet und dem Flansch 13 des Kopfbereichs 10 gegenübersteht. Die untere, radial verlaufende Fläche 21 der

Scheibe 19 ist mit einer Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung versehen, die an die Oberfläche walzplattiert ist. Diese Walzplattierung wird erreicht, indem eine Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf die Oberfläche gebracht wird und dann mittels einer Rolle ein Druck auf die Schicht und die Oberfläche ausgeübt wird, der ausreichend ist, um die Länge der Schicht zu vergrößern, ihre Dicke zu verringern und eine gute Verbindung zwischen der Schicht und der Oberfläche zu erhalten. Die Bindung ist ausreichend fest, um allen arbeitsmäßigen Belastungen, die auf die Scheibe 19 ausgeübt werden, zu widerstehen und ist ausreichend vollständig, um Leckagen von Gasen zwischen den einzelnen Komponenten zu verhindern. Die Verbindungstechnik kann entweder heiß oder kalt durchgeführt werden und ist für Lager bekannt.

Der Kopfbereich 10 ist mit der Scheibe 19 und die Scheibe 19 ist mit dem Kolbenkörper 11 durch Schweißung verbunden, die entlang des äußeren Umfangs des Kolbens an Verbindungen 22, 23 zwischen den jeweiligen Teilen verlaufen. Die Schweißung kann mittels der Technik eines Laserstrahl-Schweißens oder durch Elektronenstrahlschweißen erstellt werden.

Auf Grund der Walzplattierverbindung zwischen dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung und der Oberfläche der Scheibe 19 wird eine Bildung von spröden Aluminiumverbindungen verhindert.

Alternativ kann die Verbindung mittels einer Anzahl von winkelversetzten Schrauben erfolgen, die durch den Kopfbereich und die Scheibe 19 verlaufen und in den Kolbenkörper 11 eingreifen. In diesem Fall sind zwischen den Teilen Dich-

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tungen vorgesehen, um sicherzustellen, daß die Isolationskammer 24 abgeschlossen ist. Die Walzplattierung entfällt dabei.

Auf Grund dieser Verbindung bilden der Kopfbereich 10 und der Kolbenkörper 11 zwischen sich eine abgeschlossene, hitzeisolierende Isolationskairaner 24, die sich über im wesentlichen die gesamte Querschnittsfläche des Kolbenkopfes erstreckt. Der ringförmige Kanal 20 in der Scheibe 19 trägt dazu bei, die Wärmeübertragung von dem Kopfbereich 10 auf den Kolbenkörper 11 und durch die Scheibe 19 zu reduzieren. In der Tat bildet dieser Kanal 20 eine zweite Isolationskammer, die konzentrisch zur Isolationskammer 24 ist.

Um die Wärmeübertragung durch diese Kammer 24 zu verringern, kann der Druck in dieser Kammer 24 unter den atmorphärischen Druck gebracht v/erden, beispielsweise kann in dieser Kammer 24 ein Vakuum ausgebildet sein. Weiterhin wird eine entsprechende Druckverringerung in dem Kanal 20 der Scheibe 19 vorgesehen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Verbindungen durch Elektronenstrahlschweißen erstellt werden, weil diese Schweißung im Vakuum durchgeführt wird und so ein Vakuum in der Kammer 24 während der Ausführung der Schweißungen gebildet und aufrecht erhalten wird, da die Schweißnähte abdichten und die Bindung zwischen dem Eisenmaterial und dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung der Scheibe 19 vollständig ist.

Wenn in der Kammer 24 ein reduzierter Druck vorliegt, wird hierdurch der Kopfbereich 10 gegen den Kolbenkörper 11 gegen die Wirkung von Trägheitskräfte im oberen Totpunkt gezogen. Alternativ kann der Druck so bemessen sein, daß bei Arbeitstemperatur der Druck in der Kammer 24 gleich oder im wesent-

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lichen gleich dem atmosphärischen Druck ist, damit verhindert wird, daß in der Kammer 24 ein oberhalb des Atmosphärendrucks liegender Druck vorhanden ist, wodurch eine Kraft aufträte, die den Kopfbereich 10 vom Kolbenkörper 11 trennt.

Wird der Kolben in einem schneilaufenden oder mittelschnei1-laufenden Dieselmotor angeordnet, insbesondere in einem Einspritzmotor, so findet die Verbrennung in der Brennkammerschale 12 statt. Der Wärmeübergang von der Brennkammer 12 nach unten durch den Kolbenkörper 11 ist auf Grund der vorgesehenen Kammer 24 beträchtlich reduziert.

Um darüberhinaus die· Wärmestrahlung in der Kammer zu reduzieren, können die Oberflächen der Kammer 24 poliert oder gefärbt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein die Wärmestrahlung reduzierendes Material in der Kammer 24 und in Form von beispielsweise einer Sandwichanordnung von Schichten aus einem reflektierenden Material und Glimmer oder in Form einer dreidimensionalen, netzartigen Matrix aus einem reflektierenden Material vorgesehen werden.

Auf Grund dieser Verringerung des Wärmeübergangs wird die Temperatur des Kopfbereichs 10 erhöht und die Temperatur des Kolbenkörpers 11 reduziert. Beispielsweise kann der Kolbenkopf eines Temperatur von 700 bis 800 Grad Celsius annehmen, während der Kolbenkörper 11 150 Grad Celsius hat. Dadurch wird auch die Zylinderkopftemperatur erhöht, es wird angenommen, daß die Temperaturerhöhungen für einen mittelschnelllaufenden, turbogeladenen Motor eine Erhöhung der Ausgangsleistung von etwa 2,7% im Vergleich zu einem entsprechenden Motor liefern, der nicht die oben beschriebenen Kolben aufweist, die Brennstoffzufuhr ist dabei gleich.

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Zusätzlich zum erhöhten Wirkungsgrad des Motors und dem reduzierten Brennstoffverbrauch gibt es eine Anzahl von sekundären Vorteilen, die dadurch auftreten, daß der Kopfbereich des Kolbens in den in der Zeichnung beschriebenen Weisen isoliert wird. Mögliche Vorteile können sein:

1. Einfacheres Starten und weniger an kaltem Auspuffgas auf Grund eines schnelleren Temperaturanstiegs im Kopfbereich.

2. Verringertes Arbeitsgeräusch auf Grund von geringerem Nacheilen der Zündung, dies erlaubt eine kontrolliertere Verbrennung und geringere Kolbentemperaturen, die wiederum geringere Kaltpassungen und damit verbesserte Führung und reduziertes Materialgeräusch ermöglichen.

3. Eine Reduzierung in der Ringtemperatur, die eine höhere Position des oberen Kolbenrings ermöglicht, dies führt zu einer reduzierten Kolbenlänge und einem geringeren Totvolumen im oberen Totpunkt (top land dead volume).

ο Reduzieren eines Brennens und Rissigwerdens des Kopfbereichs, insbesondere im Bereich der Brennkammerlippe, da die Möglichkeit besteht, andere Materialien als Aluminium oder Aluminiumlegierungen zu verwenden.

40*» 5. Reduzierung des Niveaus der Kolbenkörpertemperatur und der Temperaturgradienten, was zu geringeren Spannungen und geringerer thermischer Dehnung führt.

6. Da die Kolbenkörpertemperatur reduziert ist, können die Abdichtungsmittel des Kolbens, die gewöhnlich als Kolbenringe oder Abstreifringe ausgeführt sind, ausgeklügelter ausgebildet werden, um eine bessere Abdichtung zu erreichen. Es können Materialien verwendet werden, die den hohen, in diesem Bereich des Kolbens normalerweise anfallenden Temperaturen nicht standhalten.

7. Eine verbesserte Abdichtung wird durch eine breitere mögliche Materialauswahl erreicht, die Anzahl der Kolben-

ringe kann reduziert werden, eine Verstärkung der Nuten der Kolbenringe kann entfallen und die Kolbenringe können näher am Kopf des Kolbens angeordnet werden, wodurch der Kolben besser ausgenutzt und die axiale Länge bei derselben Ausgangsleistung möglicherweise reduziert werden kann.

8. Die Möglichkeit, unkonventionelle Materialien für den Kolbenkörper 11 einzusetzen, schließt die Möglichkeit der Verwendung von Kunststoffen ein.

Ein ähnlich dem oben in Bezug auf Figur 1 beschriebenen Kolben ausgebildeter Kolben für einen Dieselmotor mit einem Zylinder und Ansaugladung gab die in der Tabelle 1 zusammengefaßten Ergebnisse.

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TABELLE 1

MOTORZUSTAND	2000 U/min.	Isoliert bei gleicher Aufladung
KOLBEN	STANDARD	0,55
Ladedruck bar	0,55	15.69 (+ 1%)
Luftfluß gm/s	15.54	0.463 (- 4.7%)
Brennstoffluß gm/s	0.468	33.9 (+ 1.9%)
Luft/Brennstoff Verhältnis	32.0	379 (+ 25°C)
Auslaßtemperatur ⁰C	354	6.93 (+ 7.9%)
Wärmefluß zum Auslaß, KW	6.42	8.80 (+ 8.0%)
i m e ρ bar	8.15

Die in Klammern gesetzten Angaben geben den gegenüber einem
Standardkolben gemessenen Unterschied an.

CO

Dies zeigt, daß es möglich ist, den Brennstoffverbrauch bis zu 5% zu senken und die Wärmeabgabe über den Auslaß um einen Betrag zu senken, der 8% der Bremsleistung entspricht.

Es ist verständlich, daß die Walzdruckverbindung beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 wichtig dahingehend ist, daß eine tatsächlich abgedichtete Verbindung zwischen dem Eisenmaterial des Kopfbereichs 10 und dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung des Kolbenkörpers 11 erreicht wird, da das Walzplattieren eine vollständige Bindung zwischen dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung der Scheibe 19 und dem Eisenmaterial der Scheibe 19 sicherstellt. Auf Grund der vorteilhaften Eigenschaften dieser Verbindung könnte es möglich sein, den Kopfbereich 10 aus einer Scheibe eines Eisenmaterials zu fertigen, das mit einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung walzplattiert ist. Dabei ist das Aluminium oder die Aluminiumlegierung in einem zentralen Bereich entfernt oder nicht vorgesehen, so daß lediglich ein randseitiger Ring dieses Materials vorliegt. Die Brennkammerschale 12 ist im zentralen Bereich ausgebildet. Der randseitige Ring ist direkt mit dem Kolbenkörper 11 verbunden, um den Kopfbereich am Kolbenkörper 11 zu halten, eine Scheibe 19 ist dann nicht nötig. Der Ring aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung kann in jeder gewünschten Dicke gefertigt werden und einen darin ausgebildeten Kanal ähnlich dem Kanal 20 in der Scheibe 19 haben, der jedoch dem Kolbenkörper 11 gegenübersteht.

In Figur 2 sind die den Figuren 1 und 2 gemeinsamen Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, diese Teile werden nicht im einzelnen beschrieben. Gemäß Figur 2 ist ein Kopfbereich 30 aus einem NickeIchrommaterial und mit einer Brennkammerschale 31, einem radial verlaufenden Flansch 32

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und einem axial sich erstreckenden, anschließenden Flansch 3 3 gefertigt. Der Raum unterhalb, des Kopfbereichs 30 ist mit einem Matrixmaterial 34 angefüllt, das reflektierende Eigenschaften und geringe Wärmeleitung · in axialer Richtung aufweist. Der Kopfbereich 30 und das Material 34 sind mit der Endfläche 17 des Kolbenkörpers 11 verbunden, dabei ist eine Abdichtung zwischen dem freien Ende des anhängenden Flansches 33 und der oberen Fläche 17 des Kolbenkörpers 11 erreicht worden, es wird eine abgeschlossene Isolationskammer 24 ausgebildet.

Wie zuvor kann der Innendruck in dieser Kammer unter dem atmosphärischen Druck liegen, beispielsweise kann in der Kammer 24 Vakuum herrschen.

Im praktischen Betrieb arbeitet der Kolben nach Figur 2 ebenso wie der Kolben nach Figur 1 und mit denselben Vorteilen und Gutschriften. Das Matrixmaterial 34 liefert eine Abstützung für den Kopfbereich 30 und verhindert zugleich die Übertragung von Wärmestrahlung durch die Kammer 24 ebenso wie es die Wärmeübertragung durch Konvektion durch diese —»v Kammer 3 4 verringert.

Auch in Figur 3 sind die in den Figuren 1, 2 und 3 gleichen Teile nicht im einzelnen beschrieben und mit den gleichen Bezugsziffern versehen. In Figur 3 ist die obere Fläche 17 des Kolbenkörpers 11 mit einer Aluminium-Silizium-Legierung beschichtet, dabei wird die bereits oben unter Bezug auf Figur 1 beschriebene Walzplattierungstechnik verwendet. Der anhängende Flansch 33 wird mit der Schicht 35 verbunden und es wird eine Kammer 24 erstellt, die, wie zuvor, evakuiert werden kann.

Der in Figur 4 gezeigte Kolben hat einen Kopfbereich 40 aus einem resistenten Material mit einer oberen Oberfläche 41, die eine Brennkammerschale 42 umfaßt und mit einem anschließenden Kolbenmantelbereich 43, der den Kolbenmantel des Kolbens bildet. Der Rest des Kolbens 44, der aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, hat eine ringförmige Außenfläche, in der ein Gewinde ausgebildet ist, das sich in Eingriff mit einem entsprechenden Gewinde 45 am unteren Ende des Zylindermantelbereichs 43 des Kopfbereichs 40 befindet. Dadurch wird eine Kammer 24 zwischen dem Zylinderkörper 44 und dem Kopfbereich 40 geschaffen. Diese Kammer 24 kann evakuiert werden und/oder ein reflektierendes Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie oben beschrieben aufnehmen.

Auch in Figur 5 sind die den Figuren 1 und 5 gemeinsamen Teile mit denselben Bezugsziffern versehen und werden nicht im einzelnen beschrieben. In Figur 5 ist ein Zwischenteil in Form eines Hohl Zylinders 50 vorgesehen, das aus einem Material auf Eisenbasis gefertigt ist. Der untere Teilbereich dieses Zylinders 50 hat Nuten 14 für Kolbenringe, das obere Ende schließt mit einer flachen, ringförmigen Oberfläche ab.

Zur Herstellung des Kolbens wird das zylindrische Teil 50 in eine Form gebracht und der Kolbenkörper 11 um dieses Teil 50 gegossen, so daß der Zylinder 50 und der Kolbenkörper 11 sicher miteinander verbunden werden. Der Kopfbereich 10 wird dann mit der oberen Fläche des Zylinderteils 50 verbunden, da dieses sich bis unterhalb des oberen Endes des Kolbenkörpers 11 erstreckt, wird eine Kammer 24 zwischen dem Kopfbereich 10 und dem Kolbenkörper 11 gebildet. Die Verbindung wird durch Verwendung eines Elektronenstrahls oder eines

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Laserstrahls, wie oben beschrieben, erstellt. Zusätzlich kann, wie bereits oben beschrieben, die Kammer 24 evakuiert werden.

Die Unterfläche des Kolbenkopfes 10 des Kolbens nach Figur 5 ist mit einem kreisförmigen Wulst 51 versehen, der einen zylindrischen Block 52 aus Siliziumnitrid oder einem anderen geeigneten, lastaufnehmenden Isolationsmaterial aufnimmt. Er ist zwischen dem Kolbenkopf 10 und dem Kolbenkörper 11 angeordnet. Dies dient dazu, den Kopfbereich bei erhöhten Kolbentemperaturen zu tragen, so daß axiale Belastungen vom Kopfbereich 10 auf den Kolbenkörper 11 übertragen werden. Das Siliziumnitrid ist ein schlechter Wärmeleiter und hat deshalb schlechte Eigenschaften für den Wärmetransport vom Kolbenbereich 10 zum Kolbenkörper 11.

In den Figuren 6 A und 6 B ist schematisch ein unterschiedliches Verfahren gezeigt, nach dem die Kammer 24 ausgebildet werden kann. In diesem Fall ist der Kolbenkörper 11 aus zwei Teilen gefertigt, ein unteres Teil 61 ist aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, ein oberes Teil 62 ist aus einem Material auf Eisenbasis gefertigt. Das obere Teil 62 ist im allgemeinen in seiner Form zylindrisch und ist mit dem unteren Teil 61 durch vier Schraubbolzen 6 verbunden, die durch das obere Teil 62 verlaufen und in das untere Teil 61 eingeschraubt sind, dabei ist eine Unterlagscheibe aus Fasern zwischen diesen beiden Teilen vorgesehen.

Die obere Fläche des oberen Teils 62 ist mit einem randseitigen, ringförmigen Bereich 64 versehen, der aufgerauht ist.

Der Kopfbereich 10 kann mit einer Brennkammerschale (nicht dargestellt) ausgebildet werden. Die untere Oberfläche des

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Kopfbereichs 10 ist mit einem randseitigen, ringartig anhängenden Bereich 65 versehen, der eine aufgerauhte untere Oberfläche hat.

Der Kopfbereich 10 ist, wie in Figur 6 B gezeigt ist, auf das untere Teil 62 des Kolbenkörpers 11 nach unten aufgepreßt, die beiden Teile werden gegeneinander gedreht. Zwischen den aufgerauhten Flächen 6 4 und 65 wird Wärme erzeugt, es wird eine Reibschweißung zwischen dem Kopfbereich 10 und dem Kolbenkörper 11 ausgebildet. Da die Oberfläche 65 einen Vorsprung aufweist, wird eine abgeschlossene Kammer 24 zwischen dem Kopfbereich und dem Kolbenkörper 11 erhalten. Diese Kammer 24 hat die in Bezug auf die Figur 1 beschriebenen Vorteile. Wenn die Reibschweißung im Vakuum durchgeführt wird, ist die Kammer 24 evakuiert.

In Figur 7 sind wiederum die den Figuren 1 und 7 gemeinsamen Teile mit denselben Bezugsziffern versehen und werden nicht im einzelnen beschrieben. Der Kolben nach Figur 7 hat einen Kopfbereich 10, der aus Siliziumnitrid gefertigt ist und eine äußere zylindrische Oberfläche 70 aufweist, deren Durchmesser geringer ist als der Durchmesser des Kolbenkörpers 11. Eine ringförmige Ausnehmung 71 ist um das obere Ende des Kopfbereichs 10 herum ausgeführt.

Ein zusammengesetztes Zwischenteil 72 wird aus einem oberen, hohlen, ringförmigen Teil 73 gebildet, das beispielsweise aus Invar (oder einem anderen, geeigneten Material, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der in Nähe oder geringfügig unterhalb des Wertes des Kopfmaterials liegt, gefertigt) und ist koaxial mit dem unteren, ringförmigen, hohlen Teil 74 mit diesem verbunden, letzteres wird aus 45% Nickeleisen gefertigt. Die beiden Teile können durch

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Schweißen verbunden werden. Das untere Teil 74 hat ein Schraubgewinde/ das in Eingriff mit einem entsprechenden Gewinde 75 steht, das umlaufend am oberen Bereich des Kolbenkörpers 11 vorgesehen ist. Die innere Oberfläche des zusammengesetzten Teils 72 hat einen Durchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser des Kopfbereichs 10, so daß ein ringförmiger Spalt 76 zwischen den beiden Teilen entsteht.

Eine Anzahl von Stahlscheiben 77 mit großer Oberflächenrauhigkeit ist zwischen der unteren Oberfläche des Kopfbereichs 10 und der oberen Oberfläche des Kolbenkörpers 11 vorgesehen. Der Kopfbereich 10 wird nach unten auf diese Scheiben 7 7 aufgepreßt, wenn das Teil 72 auf den Kolbenkörper 11 durch Anlage eines Flansches des oberen Teils 43 an der ringförmigen Ausnehmung 71, die um den Kopfbereich 10 läuft, aufgeschraubt wird. Der ringförmige Spalt 76 ist mit einem faserigen keramischen Isolationsmaterial gefüllt.

Sowohl die Stahlscheiben 77 als auch die keramische, faserige Isolation können durch ein dreidimensionales Matrixmaterial ersetzt werden, das eine geringe thermische Leitfähigkeit und ein hohes Reflektxonsvermogen hat.

In Figur 8 sind schließlich auch die in den Figuren 1 und gemeinsamen Teile mit denselben Bezugsziffern versehen und werden nicht im einzelnen beschrieben. Der Kolben nach Figur 8 hat einen Kopfbereich 10 aus Siliziumnitrid, der einen nach außen vorspringenden Flansch 80 aufweist, dessen Außendurchmesser dem Außendurchmesser des Kolbenkörpers 11 entspricht. Die untere Oberfläche des Kopfbereichs 10 ist mit einer kreisförmigen Aussparung 81 versehen.

α ■ α · ·

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Ein Zwischenteil 82 aus ferritischem Eisen ist mit der unteren Oberfläche des Flansches 80 verbunden und hat einen Innendurchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser des anhängenden Teils des Kopfbereichs 10, so daß ein ringförmiger Spalt 83 zwischen diesen Teilen ausgebildet wird. Das Teil 82 ist auch mit dem Kopfbereich 10 durch eine abgestufte Hartlötung verbunden, die sich im Spalt 83 befindet und durch aufeinanderfolgende, konzentrische Lagen von aneinanderliegenden, miteinander verbundenen Materialien gebildet ist, die beispielsweise beginnend von der Kopfseite Si₃N₄, Aluminiumoxid, Ni₃Al und ein Hartlötmaterial sind. Dies ermöglicht es, ein keramisches Material mit dem Metallmaterial durch eine Folge von Materialien zu verbinden, die miteinander verbindbar sind und vergleichbare Eigenschaften aufweisen.

Der Hohlraum 81 im Kolbenkopf 10 enthält ein keramisches faseriges Isolationsmaterial oder ein Matrixmaterial mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit und einem hohen Reflektionsvermögen.

Ein abgestuftes, schmelzverbundenes (defused) Eisenschichtmaterial 84 ist zwischen der oberen Fläche 17 des Kolbenkörpers und der unteren Fläche des Kopfbereichs 10 und des Teils 82 angeordnet. Die unterste Oberfläche der Schicht ist mit einer Aluminiumlegierung walzplattiert auf seiner Oberfläche, dadurch ist es möglich, die Schichtstruktur 84 durch Schweißen mit der oberen Fläche 17 des Kolbenkörpers 11 zu verbinden.

Da das Teil 82 aus einem ferritischen Eisen ist, kann es direkt mit dem abgestuften, angegossenen Eisenschichtmaterial 84 verbunden werden. In den Ausführungsbeispielen nach den

Figuren 7 und 8 wird die Isolationswirkung durch Isolationsmaterialien erreicht, die zwischen dem Kopfbereich 10 und dem Kolbenkörper 11 angeordnet sind. Es wird davon ausgegangen, daß diese Anordnung ähnliche Vorteile hat und ähnliche Möglichkeiten bietet, um die Konstruktion des übrigen Kolbens zu ändern, wie dies bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 bis 6 der Fall ist.

Der Kolben kann mit einem mittigen, kolbenähnlichen Teil versehen sein, um das Volumen der Brennkammer zu verändern, wenn der Kolben sich dem oberen Totpunkt nähert, wodurch ein zusätzlicher Druck in der Brennkammer erreicht wird. In diesem Falle ist es innerhalb des Bereichs der Erfindung, das bewegbare ρ kolbenähnliche Teil auf einem der unterschiedlichen Wege, die oben unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert wurden, zu isolieren.

Claims

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Kaiser-Friedrich-Ring 70 DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE

D-4000 DÜSSELDORF Il DIPL.-ING. H E I N Z J. RING

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS Unser Zeichen: 2 4 542 Datum: yj _m AugUSt 1983

Anmelder: AE PLC, Cawston House, Cawston, Rugby, Warwickshire CV22 7SB, England

Bezeichnung: Kolben und Verfahren zu ihrer Herstellung

Ansprüche

Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kopfbereich, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfbereich (10; 30; 40) von den übrigen Bereichen des Kolbens hitzeisoliert (wärmeisoliert) ist über den gesamten oder im wesentlichen gesamten Bereich des Kolbenkopfes, urr. die Übertragung von Wärme vom Kolbenkopf auf die übrigen Bereiche des Kolbens zu reduzieren, dabei ist der Kopfbereich (10; 30; 40) aus einem Material ge-

■ fertigt, das hitzebeständiger ist als das Material,

aus dem mindestens ein Teil der übrigen Bereiche des Kolbens (11; 44) gefertigt ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Kopfbereich (10; 30; 40) mit den übrigen Bereichen des Kolbens nur entlang seiner Peripherie verbunden ist und daß er von den übrigen Bereichen des Kolbens (11; 44) im Abstand angeordnet ist, wobei eine abge-

Telefon (0211) 57 2131 ■ Telex-85 88429 pate d · Telegrammadresse: Rheinpatent ■ PostsAeckkonto Köln (BLZ 370100 50) 227610 - 503

schlossene Isolationskammer (24) geschaffen wird, die sich im wesentlichen über die gesamte Fläche des Kolbenkopfes erstreckt.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationskammer (24) nicht unterteilt ist.
4. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationskammer (24) in zwei oder mehrere, konzentrische, radial beabstandete Teile unterteilt ist.
5. Zylinder nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Isolationskammer (24) unterhalb des atmosphärischen Druckes liegt.
6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationskammer (24) unter Vakuum steht.
7. Kolben nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche der Isolationskammer (24) derart behandelt ist, daß die Temperaturstrahlung verringert wird.
8. Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Isolationskammer (24) mindestens ein Material befindet, das die Temperaturstrahlung innerhalb der Isolationskammer (24) reduziert.
9. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieses mindestens eine Material ein reflektierendes Matrixmaterial (34) aufweist.
10. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieses mindestens eine Material eine Sandwichanordnuncf von reflektierenden Schichten und isolierenden Materialien aufweist.

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11. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Inneren der Isolationskammer (24) ein nicht-hitzeleitendes Trägermaterial (51) befindet, das axiale Belastungen vom Kopfbereich (10) zu den übrigen Bereichen des Kolbens (11) überträgt.
12. Kolben nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-hitzeleitende Trägermaterial (51) eine Scheibe aus Siliziumnitrid (51) aufweist, die koaxial zur Kolbenachse angeordnet ist.
13. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf einstückig mit einem oberen Teilbereich des übrigen Kolbens gefertigt ist, die abgeschlossene Isolationskammer (24) hierzwischen ausgeführt ist und das einstückige Teil mit einem tieferen Bereich des übrigen Kolbens verbunden ist.
14. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfbereich (10) separat von dem übrigen Kolben gefertigt ist und daß zwischen diesen Teilen eine Verbindungsstelle vorgesehen ist.
15. Kolben nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle durch Schweißen oder Löten erhalten ist.
16. Kolben nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle eine mechanische Verbindung ist.
17. Kolben nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstelle durch eine Klebeverbindung gefertigt ist.
18. Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges Zwischenteil (19; 50) zwischen dem Randbereich des Kopfbereichs (10) und dem Randbereich des übrigen Kolbens (10) vorgesehen ist.
19. Kolben nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenteil ein ringförmiges, unterlagscheibeähnliches Teil (19) ist, das zwischen beabstandeten, radial verlaufenden, randseitigen Oberflächen des Kolbenkopfes und dem übrigen Kolben angeordnet ist.
20. Kolben nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das unterlagscheibenähnliche Teil (19) mit einer ringförmigen Einprägung (20) auf einer seiner radial verlaufenden Oberflächen versehen ist, und zwar zwischen der inneren und der äußeren Kante dieser Oberflächen, wodurch eine Übertragung von Wärme durch das unterlagscheibenförmige Teil (19) zu den übrigen Kolben beeinträchtigt wird.
21. Kolben nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenteil (50) eine hohl-zylindrische Form aufweist und mit einem oberen Ende des übrigen Kolbens verbunden ist, so daß eine Fortsetzung von dessen zylindrischer Kolbenfläche ausgebildet wird und daß dieses zylindrische Zwischenteil (50) sich axial unterhalb des Endes des übrigen Kolbens erstreckt und mit dem Kopfbereich verbunden ist.
22. Kolben nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Zwischenteil (50) mit mindestens einer Nut (14) für einen Kolbenring gefertigt ist.
23. Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfbereich mit einem ringartigen, sich anschließenden, randseitigen Flansch gefertigt ist, der in einen mit ihm zusammenwirkenden, ringförmigen Falz im übrigen Kolben eingreift und mit diesem verbunden ist.
.24. Kolben nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch mit mehreren Nuten für Kolbenringe gefertigt ist.
25. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfbereich (10) von den übrigen Bereichen des Kolbens (11) durch mindestens eine Schicht eines isolierenden Materials (77; 84) beabstandet ist.
26. Kolben nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material ein Isoliermaterial aus keramischen Fasern ist.
27. Kolben nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material mindestens zwei Stahlscheiben (77) mit hoher Oberflächenrauhigkeit aufweist.
28. Kolben nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial ein netzförmiges Matrixmaterial (84) aufweist.
29. Kolben nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material ein abgestuftes Hartlotmaterial aufweist.

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30. Kolben nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfbereich eine im allgemeinen zylindrische Außenoberfläche (70) aufweist, die radial nach innen von einem ringförmigen Zwischenstück (72; 82) beabstandet ist, wodurch dazwischen ein Raum geschaffen wird, der mit einem isolierenden Material (76; 83) gefüllt ist.
31. Kolben nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (72) einen radial nach innen gerichteten Flansch an seinem oberen Ende aufweist, der in eine entsprechende, ringförmige Ausnehmung (71) am Kopfbereich eingreift, um den Kopfbereich (10) am übrigen Kolben (11) zu halten.
32. Kolben nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfbereich (10) einen radial nach außen gerichteten Flansch (80) aufweist, der auf dem Zwischenstück (82) anliegt, und daß der Kopfbereich und das Zwischenstück von den übrigen Kolben im Abstand angeordnet und mit ihm verbunden sind durch ein isolierendes Material (84), das sich über den Bereich des Kolbenkopfes erstreckt.
33. Kolben nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (72; 82) aus einem austennitischen Eisen, einem schweißbaren oder einem rostfreien Stahl gefertigt ist.
34. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfbereich (10) aus einer schweißbaren Stahlplatte oder einer Nickel-Eisenlegierung gefertigt ist.

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35. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß der übrige Kolben (11) aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder aus einem Kunststoff gefertigt ist.
36. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine , gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte des Herstellens des Kolbens mit einem Kopfbereich, der vom übrigen Kolben über die gesamte oder im wesentlichen die gesamte Fläche des Zylinderkopfes thermisch isoliert ist, um den Wärmeübergang von dem Kopfbereich zum übrigen Kolben zu reduzieren.
37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß eine abgeschlossene Isolationskammer zwischen dem Kopfbereich und dem übrigen Kolben ausgebildet wird und daß sich die Isolationskammer über im wesentlichen die gesamte Fläche des Kopfbereichs erstreckt.
38. Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfbereich in einem Stück mit einem unteren Teil des übrigen Kolbens gefertigt wird, daß dazwischen eine abgeschlossene Kammer ausgebildet wird und daß daraufhin dieses einstückige Teil mit dem unteren Teil des übrigen Kolbens verbunden wird.
39. Verfahren nach Anspruch 36, gekennzeichnet durch eine von dem übrigen Kolben separate Herstellung des Kopfbereichs und durch ein Verbinden dieses Kopfbereichs mit den übrigen Kolben, um eine abgeschlossene Isolationskammer zwischen diesen Teilen zu schaffen.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung durch ein Zwischenteil erfolgt, das zwischen dem Kopfbereich und dem übrigen Kolben angeordnet ist.
41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfbereich mit dem Zwischenteil verbunden und daß das Zwischenteil mit dem übrigen Kolben verbunden wird.
42. Verfahren nach Anspruch 40 oder 41, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfbereich aus einem Material auf Eisenbasis und der übrige Kolben aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sind, daß verfahrensmäßig das Zwischenteil aus einem Material auf Eisenbasis hergestellt wird, daß eine Schicht einer Aluminiumlegierung an diejenige Oberfläche des Zwischenteils walzplattiert wird, die mit dem übrigen Kolben verbunden ist und daß danach der Kopfbereich mit dem Zwischenteil und das Zwischenteil mit dem übrigen Kolben verschweißt werden, wobei die Schweißungen sich um den gesamten umfang des Kolbens erstrecken, um die Kammer abzudichten.
43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißungen mittels eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls ausgeführt werden.
44. Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenteil mit dem übrigen Kolben verbunden wird, indem es in eine Kolbenform gebracht wird und schmelzflüssiges Kolbenmaterial in die Form eingegossen wird, sodaß der übrige Kolben um das Zwischenteil herum gegossen wird.
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß ein teilweises oder vollständiges Vakuum in der Kammer erzeugt wird.

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46. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfbereich direkt mit dem restlichen Kolben verbunden wird.

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