COMPOUND PISTON

Abstract: 1. An internal combustion engine composite piston (5, 9) comprising a body formed of a fiber-reinforced plastic material wherein the outer piston head member (6, 10) defining the combustion chamber and in case the entire ring-carrying portion (11) or part thereof are formed of a light alloy piston material characterized in that the piston head member (6, 10) totaly consists of a light alloy piston material is directly cooled on the inside by oil spraying.

Description: Verbundkolben Die Erfindung betrifft einen Verbundkolben, vorzugsweise für Brennkraftmaschinen, der aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht und dessen den Brennraum begrenzende Wand aus einem herkömmlichen Leichtmetall-Kolbenwerkstoff gebildet ist. Durch die Senkung des Gewichts von Bauteilen moderner Brennkraftmaschinen kann der Kraftstoffverbrauch verringert und somit ein Anteil zur Energieeinsparung geleistet werden. Ausser dieser Forderung nach geringstmöglichem Gewicht werden an eine Brennkraftmaschine hinsichtlich ihres Geräusch- und Schwingungsverhaltens wegen der gestiegenen Komfortansprüche hohe Anforderungen gestellt. Ein Teil dieser Entwicklungsziele kann mit dem Einsatz von leichten Kolben durch deren kleinere oszillierende Massen erreicht werden. Deshalb wird seit einer Reihe von Jahren u.a. auch die Möglichkeit untersucht, bei der Kolbenherstellung die konventionellen metal- lischen Werkstoffe durch leichtere Werkstoffe zu ersetzen. Hierbei spielen insbesondere die Kunststoffe eine immerwichtigere Rolle. So wird in VDI-Nachrichten Nr. 26/27.06.80 über einen zu rund 90 % aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Otto-Motor berichtet, bei den bereits die Pleuel, Kolben, Kolbenbolzen und Kolbenringe sowie weitere Bauteile aus Kunststoff bestehen. Auf der SAE-Konferenz, Detroittvom 25. bis 29.02.1980, wurde ferner ein aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehender Kolben gezeigt, dessen den Brennraum begrenzende Wand sowie die Ringpartie aus einer Leichtmetall-Kolbenlegierung ausgeführt sind. Durch eine solche Kolbenkonstruktion wird nicht nur das Gewicht und damit der Kraft stoffverbrauch gesenkt, sondern auch die- Massenkräfte und die Geräuschentwicklung beachtlich herabgesetzt, weil der Kunststoff den Körperschall besser als ein metallischer Werkstoff absorbiert. Nun darf allerdings eine auf diese Weise erreichte Gewichtsreduzierung nicht zu lasten der Betriebssicherheit und der Lebensdauer des Kolbens gehen. Durch die im Vergleich zu Leichtmetallen geringere Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen stellen sich höhere Temperaturen ein, so dass die Warmfestigkeit des Kunststoffs leicht überschritten werden kann. Auch führt eine zu grosse Aufheizung der den Brennraum be- grenzenden Wand allgemein zu einer Verringerung des Liefergrades oder beispielsweise bei Otto-Motoren zu frühzeitigem Auftreten einer klopfenden Verbrennung. Diesem Nachteil wird auch durch eine einfache, vorstehend beschriebene Verbundkolbenkonstruktion nicht genügend abgeholfen, da mangels geeigneter Wärmeableitungselemente sich die Wärme in der den Brennraum begrenzenden Leichtmetallwand staut. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Wärmeabführung aus der den Brennraum begrenzenden Wand, bestehend aus einer Leichtmetall--Kolbenlegierung, zu schaffen. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass bei den eingangs beschriebenen Kolben die den Brennraum begrenzende Wand zum überwiegenden Teil aus einem herkömmlichen Leichtmetall Kolbenwerkstoff gebildet und kühlbar ist. Eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemässen Verbundkolbens besteht darin, dass die den Brennraum begrenzende Wand und die ganze, wenigstens jedoeh der die Kompressionsringe aufnehmende Teil der Ringpartie aus einem Leichtmetall Kolbenwerkstoff bestehen. Im Rahmen der besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verbundkolbens bildet die den Brennraum begrenzende Wand einen Teil der Kolbenboden-Innenoberfläche. Durch diese Massnahme ist es möglich, die den Brennraum begrenzende Wand beispielsweise durch dagegen gesprühtes öl zu kühlen und damit nachteilige Auswirkungen auf Gaswechsel und Verbrennung, die durch zu hohe Temperaturen der den Brennraum begrenzenden Wand entstehen können, zu vermeiden. Bei einem Verbund' kolben, bei dem sowohl die den Brennraum begrenzende Wand als auch die Ringpartie aus einem Leichtmetall-Kolbenwerkstoff bestehen, ist es auch möglich, einen ringförmigen Kühlkanal zwischen dem Kunststoff und dem Leichtmetallteil hinter der Ringpartie anzuordnen. Die mit dem erfindungsgemäss gestalteten Verbundkolben erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Betriebssicherheit und eine vergleichsweise hohe Lebensdauer gewährleistet sind, ohne dadurch das Gewicht des Kolbens wesentlich zu erhöhen. Im übrigen bleiben alle Vorteile, die ein aus faserverstärktem Kunststoff bestehender Kolben besitzt, voll erhalten. So wird beim Schaftanlagenwechsel des Kolbens im Bereich der Totpunkte bei vorhandenem Kolbenspiel der durch die Querbewegung verursachte Stossvorgang infolge der grösseren Schaftelastizität weicher abgebaut, wodurch die Geräuschentwicklung verringert wird. Die Schaftflächen kommen bei Belastung mit einer grösseren Tragfläche an der Zylinderwand zur Anlage. Die mittlere Flächenpressung wird dadurch geringer. Der erfindungsgemässe Kolben ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend erläutert: Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch die Bolzenebene eines zum Stand der Technik gehörenden Verbundkolbens 1, bei dem die den Brennraum begrenzende Wand 2 und die Ringpartie 3 aus einem Leichtmetall-Kolbenwerkstoff bestehen, während der übrige daran angegossene Teil 4 des Kolbens aus faserverstärktem Epoxidharz gebildet ist In Fig. 2 ist der Längsschnitt durch die Bolzenebene eines erfindungsgemäss ausgebildeten Verbundkolbens 5 dargestellt, bei dem der überwiegende Teil der den Brennraum begrenzenden Wand 6 bis auf einen schmalen Randbereich 7 aus einer Leichtmetall-Kolbenlegierung und der übrige Teil 8 des Kolbens 5 aus faserverstärktem Epoxidharz bestehen. Die den Brennraum begrenzende Wand bildet einen Teil der Kolbenboden-Innenfläche, dass die Möglichkeit besteht, die in die Wand einfallende Wärme beispielsweise durch Strahlkühlung abzuführen. In Fig. 3 ist der Längsschnitt durch die Bolzenebene.eines erfindungsgemäss gestalteten. Verbundkolbens 9 wiedergegeben, bei dem die den Brennraum begrenzende Wand 10 und die Ringpartie 11 aus einem Leichtmetall-Kolbenwerkstoff gebildet sind, der einen Teil der Kolbenboden-Innenfläche einnimmt. Der übrige Teil 12 des Verbundkolbens besteht aus einem faserverstärktem Epoxidharz Bei Fig. 4, die einen Schnitt durch die Bolzenebene des Verbundkolbens 13 wiedergibt, bestehen die den Brennraum begrenzende Wand 14-und der Teil der Ringpartie 15, der die Kompressionsringe aufnimmt, aus einem Leichtmetall-Kolbenwerkstoff und der übrige Teil 16 des Kolbens aus faserverstärktem Kunststoff. Zwischen den beiden Kolbenbauteilen 14, 16 ist hinter der Ringpartie 15 ein umlaufender Kühlkanal 17 angebracht.

Claims: PATENTANSPRÜCHE 1. Verbundkolben, der aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die den Brennraum begrenzende'Wand (6 7 10, zu 14) zum überwiegenden Teil aus einem herkömmlichen Leichtmetall-Kolbenwerkstoff gebildet und kühlbar gestaltet ist. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den-Brennraum begrenzende Wand (10, 14) und die ganze, wenigstens jedoch der die Kompressionsringe aufnehmende Teil der Ringpartie (11, 15) aus dem Leichtmetall-Kolben werkstoff gebildet sind. 3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Brennraum begrenzende, aus einem Leichtmetall Kolbenwerkstoff bestehende Wand (6, 10) einen Teil der Kolbenboden-Innenoberfläche bildet. 4. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass hinter der Ringpartie (15) zwischen dem Kunststoffteil (16) und der den Brennraum begrenzenden, aus einem Leichtmetall-Kolben werkstoff bestehenden Wand (14) ein Kühlkanal (17) ageordnet ist.

Inventors: SANDER, WILFRIED, DIPL.-ING., SCHELLMANN, KLAUS, DIPL.-ING.
Applicants: KOLBENSCHMIDT AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: F16J1
IPC codes: F02F7, F16J1, F02F3