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Dokumentenidentifikation DE60218382T2 22.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001264979
Titel Kolben für eine Brennkraftmaschine
Anmelder Wärtsilä Finland Oy, Vaasa, FI
Erfinder Nurmi, Hannu, 65380 Vaasa, FI;
Rösgren, Carl-Erik, 65480 Vikby, FI
Vertreter Zipse Habersack Kritzenberger, 80639 München
DE-Aktenzeichen 60218382
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 31.05.2002
EP-Aktenzeichen 022538805
EP-Offenlegungsdatum 11.12.2002
EP date of grant 28.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse F02F 3/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Kolbenanordnungen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 werden in der US-A-4419925 und US-A-4887518 offenbart.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass ein Kolben einer Brennkraftmaschine mehrere getrennte Abschnitte aufweist, zum Beispiel kann der obere Abschnitt ein getrenntes Teil sein, das zum Beispiel durch Schrauben mit dem Kolbenkörper verbunden ist. Es gibt mehrere bekannte Ansätze zur Abdichtung der Verbindung zwischen solchen Abschnitten. Die bekannten Ausführungen sind jedoch in der Regel so, dass die Kolbenringe oder zumindest die Ölringe, über solchen Verbindungen, das heißt im oberen Abschnitt des Kolbens, angeordnet sind.

Die Abdichtung des oberen Abschnitts eines so genannten Heißverbrennungskolbens ist besonders problematisch, da der obere Abschnitt in der Regel aus einem anderen Material hergestellt ist als der Rest des Kolbens. Die DE-A-3110292 offenbart ein bekanntes Verfahren zur Abdichtung des oberen Abschnitts eines keramischen Kolbens durch Verwendung einer Kammstruktur. Das Problem bei dieser Art von Ansatz besteht unter anderem in der Art und Weise, wie das keramische Teil festgehalten werden soll.

In der US-A-4253430 wird stattdessen die Abdichtung durch getrennte Dichtungsringe vorgeschlagen. Jedoch ist auch dieser Ansatz nicht ganz frei von Problemen, da die Befestigung der Ringe im Montagestadium besondere Genauigkeit erfordert, und Berücksichtigung der Wärmeausdehnung macht den Ansatz weniger praktikabel.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer neuen Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine, bei der die Probleme des Stands der Technik minimiert sind. Eine besondere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer so genannten Heißverbrennungskolbenanordnung mit unter dem oberen Abschnitt des Kolbens angeordneten Kolbenringen, und wobei der obere Abschnitt und der Rest des Kolbens dicht und eng miteinander in Eingriff stehen. In dieser Beschreibung bezieht sich ein so genannter Heißverbrennungskolben auf einen Kolben, bei dem die an die Brennkammer stoßende Fläche aus einem Material mit verringerter Wärmeleitfähigkeit besteht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bereitgestellt.

Die Dichtungsanordnung basiert zumindest teilweise auf dem Einfluss der Differenz zwischen den Montage- und Arbeitstemperaturen des oberen Abschnitts und des Kolbenhemds, vorzugsweise auf den unterschiedlichen Wärmeausdehnungseigenschaften des oberen Abschnitts und des Kolbenhemds.

Die Leistung kann durch derartige Wahl der Materialen des oberen Abschnitts und des Kolbenhemds, dass sich ihre Wärmeausdehnungseigenschaften voneinander unterscheiden, verbessert werden, wobei die Dichtungsanordnung Gegenflächen umfasst, die im oberen Abschnitt und im Kolbenhemd vorgesehen sind, wobei diese Flächen bezüglich einander so angeordnet sind, dass ihr gegenseitiger Abstand bei Arbeitstemperatur der Flächen auf ein Minimum reduziert ist.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Kolbenanordnung, bei der sich Nuten der Kolbenringe in einer solchen Position befinden, dass die Verbindungsstelle des oberen Abschnitts und des Hemds unter Kompressionsdruck funktionieren muss, wenn die Kolbenanordnung in Betrieb ist.

Die Dichtungsanordnung zwischen dem oberen Abschnitt und dem Hemd des Kolbens umfasst mehrere Flächenabschnitte, wobei die Flächen des oberen Abschnitts und des Hemds im Wesentlichen parallel zueinander sind, wobei sich die Flächen bei Montagetemperatur in einem ersten Abstand voneinander befinden und die Richtung der Normalen dieser Flächenabschnitte ungefähr parallel zur Hauptwärmeausdehnungsrichtung am Flächenabschnitt verläuft, wobei die Flächen bei Arbeitstemperatur in einem zweiten Abstand voneinander beabstandet sind und der zweite Abstand kürzer als der erste Abstand ist. Vorzugsweise ist der zweite Abstand im Wesentlichen so, dass die Flächen aneinander angefügt sind.

Die Dichtungsanordnung ist vorzugsweise so vorgesehen, dass sie aus abwechselnden Nuten und Vorsprüngen im oberen Abschnitt besteht, wobei das Hemd die Gegenflächen so bildet, dass der Vorsprung einer Gegenfläche immer zur Nut der anderen Gegenfläche weist.

Gemäß einer Ausführungsform bilden die Gegenflächen ein Schraubgewinde in Richtung der Längsachse des Kolbens. Vorzugsweise bilden die Gegenflächen ein Trapezgewinde in Richtung der Längsachse des Kolbens. In einigen Fällen können die Gegenflächen auch eine Dichtungsfläche bilden, die von der Richtung der Längsachse des Kolbens abweicht.

Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung umfasst zweckmäßigerweise mehrere Gegenflächen, die betrieblich aufeinander folgend vorgesehen sind und bezüglich einander so angeordnet sind, dass ihr gegenseitiger Abstand bei Arbeitstemperatur der Flächen verringert wird, und dass eine Druckausgleichskammer zwischen zwei aufeinander folgenden, dicht angeordneten Gegenflächenpaaren ausgebildet ist.

Bei Anwendung der Erfindung besteht der Hemdabschnitt des Kolbens aus solch einem Material, dass sein Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen 10 × 10–6/K und 13 × 10–6/K liegt und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des oberen Abschnitts in der Regel zwischen 13 × 10–6/K und 17 × 10–6/K liegt.

Es wird nunmehr eine Ausführungsform der Erfindung rein beispielhaft mit besonderer Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, darin zeigen:

1 schematisch eine Kolbenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Brennkraftmaschine;

2 eine Vergrößerung eines bei II dargestellten Teils von 1, die die Dichtungsfläche zwischen dem oberen Abschnitt und dem Hemd der Kolbenanordnung zeigt;

3 eine Vergrößerung eines bei III dargestellten Teils von 1, die die Dichtungsfläche zwischen dem oberen Abschnitt und dem Hemd der Kolbenanordnung zeigt;

4 eine Dichtungsfläche zwischen dem oberen und dem unteren Hemdabschnitt der Kolbenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung bei Montagetemperatur; und

5 eine Dichtungsfläche nach 4 bei Arbeitstemperatur.

In 1 bezeichnet die Zahl 1 allgemein eine Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine, die einen oberen Abschnitt 2 umfasst, der an die Brennkammer des Brennkraftmaschinenzylinders anstößt, und ein Kolbenhemd 3 in Verbindung mit dem oberen Abschnitt. 1 ist stark vereinfacht und in der Praxis umfasst die Kolbenanordnung mehrere Arten zusätzlicher Anordnungen, die hier nicht gezeigt werden.

Die Kolbenanordnung 1 umfasst Nuten 4 für Kolbenringe. Bei der Kolbenanordnung 1 gemäß der Erfindung weisen die Nuten 4 der Kolbenringe eine solche Position auf, dass die Verbindungsstelle des oberen Abschnitts 2 und des Hemds 3 unter Arbeitsdruck funktionieren muss, wenn die Kolbenanordnung in Betrieb ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Material des oberen Abschnitts in der Regel so ist, dass die Kolbenringe nicht darin vorgesehen werden können.

Um eine ausreichende Dichtheit zu gewährleisten, umfassen die Pass-Flächen zwischen dem oberen Abschnitt 2 und dem Hemd 3 der Kolbenanordnung Dichtungsanordnungen 1.2, 1.3, die unten beschrieben werden. Hier umfasst die Dichtungsanordnung sowohl eine Anordnung parallel zur Längsachse des Kolbens als auch eine Anordnung, die von der Längsachse abweicht. Die Dichtungsanordnungen 1.2, 1.3 werden dadurch bereitgestellt, dass der Einfluss der Differenz zwischen den Montage- und Arbeitstemperaturen der Kolbenanordnung ausgenutzt wird. Eine vorteilhafte Dichtungswirkung kann dadurch erzielt werden, dass die Materialien für den oberen Abschnitt und das Hemd so ausgewählt werden, dass durch beliebige Struktur der Dichtungsanordnungen 1.2 bzw. 1.3 durch das Erreichen der Arbeitstemperatur sich die Gegenflächen in der Dichtungsanordnung zwischen dem oberen Abschnitt 2 und dem Hemd 3 aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung bezüglich einander bewegen, so dass eine ausreichende Dichtheit erreicht oder die Dichtheit stark verbessert wird. Die Dichtungswirkung kann auch dadurch erreicht oder verbessert werden, dass der obere Abschnitt 2 des Kolbens unter Betriebsbedingungen eine höhere Temperatur aufweist als der Rest der Kolbenanordnung.

2 zeigt ausführlicher die Dichtungsanordnung 1.2, die an die zylindrische Pass-Fläche angepasst ist und allgemein parallel zur Längsachse des Kolbens verläuft. Die Gegenflächen umfassen mehrere Nuten und Vorsprünge 5, so dass der Vorsprung einer Fläche immer zur Nut der anderen Fläche weist. Hier umfasst die Dichtungsanordnung 1.2 zwischen dem oberen Abschnitt 2 und dem Hemd 3 des Kolbens mehrere Flächenabschnitte 2a, 3b, 2b, 3a, wobei die Flächen des oberen Abschnitts und des Hemds im Wesentlichen parallel verlaufen. Diese Art von Pass-Fläche ist vorzugsweise so angeordnet, dass sie ein Schraubgewinde in Richtung der Längsachse der Kolbenanordnung bildet. Das Gewinde ist vorzugsweise ein Trapezgewinde, wobei die Oberseite des Gewindes im Wesentlichen planar ist. Diese besondere Form gewährleistet eine gute Dichtheit, wobei es besonders vorteilhaft ist, ein solches Gewinde auf die vorliegende Erfindung anzuwenden. Die Nuten an den Gegenflächen sind vorzugsweise etwas größer als die Vorsprünge, wobei die Dichtungsanordnung aufeinander folgende Druckausgleichskammern zwischen den Flächen 2b3a enthält, die zwischen den dichten Flächenkontakten 2a3b angeordnet sind. Somit umfasst die Dichtungsanordnung gemäß der Erfindung mehrere betrieblich aufeinander folgende Flächenabschnitte 2a3b in ihrer gegenseitigen unmittelbaren Umgebung sowie Druckausgleichskammern zwischen zwei solchen Flächenabschnitten. Betrieblich aufeinander folgend betrifft die Tatsache, dass eine gewisse Druckdifferenz über die Dichtungsanordnung vorherrscht, die Gase zum Strömen entlang einem besonderen Strömungsweg zum niedrigen Druck neigen.

3 zeigt ausführlicher die Dichtungsanordnung 1.3, die in der Kolbenanordnung in einer im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Längsachse verlaufenden Richtung vorgesehen ist. Somit sind die Nuten und Vorsprünge zueinander konzentrisch. Des Weiteren sind bei dieser Ausführungsform die Nuten der Gegenflächen vorzugsweise etwas größer als die Vorsprünge, wobei aufeinander folgende Kammern 2b3a zwischen den dichten Flächenkontakten 2a3b in der Dichtungsanordnung vorgesehen sind, während sich die Flächenabschnitte infolge von Änderungen und/oder Temperaturdifferenzen bezüglich einander bewegen.

Die 4 und 5 zeigen den Einfluss der Wärmeausdehnungsunterschiede der Materialien und Temperaturänderungen in der Dichtungsanordnung gemäß der Erfindung. 4 zeigt die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung bei Montagetemperatur. Die Ausführung und das Material der Abschnitte 2, 3 sind derart, dass an der Dichtungsfläche zwischen solchen Gegenflächen 2b, 3a, die sich in Abhängigkeit von der Anwendung im Betrieb einander annähern, ein gewünschter Zwischenraum 6 vorgesehen ist. Diese Situation wird in 5 gezeigt. Unter Betriebsbedingungen bewegen sich die Abschnitte 2 und 3 bezüglich einander aufgrund der Temperaturänderung, in der Regel aufgrund eines Temperaturanstiegs, so dass sich die Fläche 2b der Fläche 3a nähert, wodurch der Zwischenraum 6 auf den Zwischenraum 6a reduziert wird. Gleichzeitig wird die Fläche 2a von der Fläche 3b weggezogen und der Abstand 6b wird größer.

Die gleiche Wirkung kann auch bei einer Dichtungsanordnung in Richtung der Normalen der Kolbenanordnung oder sogar in einer anderen Richtung verwendet werden.

In 4 sind die Flächen 2b, 3a unter Montagebedingungen in einem ersten Abstand 6 voneinander beabstandet. Die Richtung der Normalen dieser Flächen verläuft ungefähr parallel zur Primärwärmeausdehnungsrichtung an der Fläche, wodurch unter Betriebsbedingungen die Flächen 2b, 3a in einem wesentlich kleineren Abstand 5.5 voneinander beabstandet sind.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Anwendungen beschränkt, sondern es kommen innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche mehrere andere Modifikationen in Betracht.


Anspruch[de]
Kolbenanordnung (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem oberen Abschnitt (2), der in der Brennkammer des Zylinders beweglich ist, und einem Kolbenhemd (3) in Verbindung mit dem oberen Abschnitt, gekennzeichnet durch eine Dichtungsanordnung (1.2, 1.3), die Wärmeausdehnung zum Abdichten der Verbindung zwischen dem oberen Abschnitt und dem Hemd verwendet, wobei die Dichtungsanordnung (1.2, 1.3) zwischen dem oberen Abschnitt und dem Hemd zum Betrieb unter Arbeitsdruck ausgeführt ist, und dadurch, dass die Dichtungsanordnung zwischen dem oberen Abschnitt und dem Hemd des Kolbens mehrere Flächenabschnitte umfasst, wobei die Flächen des oberen Abschnitts und des Hemds im Wesentlichen parallel zueinander sind, wobei sich die Flächen bei Montagetemperatur in einem ersten Abstand voneinander befinden und die Richtung der Normalen dieser Flächenabschnitte ungefähr parallel zur Hauptwärmeausdehnungsrichtung am Flächenabschnitt verläuft, wobei die Flächen bei Arbeitstemperatur in einem zweiten Abstand voneinander beabstandet sind, und dass der zweite Abstand kürzer als der erste Abstand ist. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für den oberen Abschnitt und das Kolbenhemd ausgewählten Materialien jeweils verschiedene Wärmeausdehnungseigenschaften aufweisen und dass die Dichtungsanordnung Gegenflächen umfasst, die im oberen Abschnitt (2) und im Kolbenhemd (3) vorgesehen sind, wobei diese Flächen bezüglich einander so angeordnet sind, dass ihr gegenseitiger Abstand bei Arbeitstemperatur auf ein Minimum reduziert ist. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abstand im Wesentlichen so ist, dass die Flächen aneinander angefügt sind. Kolbenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung aus abwechselnden Nuten und Vorsprüngen im oberen Abschnitt besteht und wobei das Hemd die Gegenflächen so bildet, dass der Vorsprung einer Gegenfläche immer zur Nut der anderen Gegenfläche weist. Kolbenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenflächen ein Gewinde in Richtung der Längsachse des Kolbens bilden. Kolbenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenflächen ein Gewinde mit einem trapezförmigen Abschnitt in Richtung der Längsachse des Kolbens bilden. Kolbenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenflächen eine Dichtungsfläche bilden, die von der Richtung der Längsachse des Kolbens abweicht. Kolbenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Nuten (4) für Kolbenringe, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Nuten (4) der Kolbenringe in einer solchen Position befinden, dass die Verbindungsstelle des oberen Abschnitts und des Hemds unter Kompressionsdruck funktionieren muss, wenn die Kolbenanordnung in Betrieb ist. Kolbenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung mehrere Gegenflächen umfasst, die betrieblich aufeinander folgend vorgesehen sind und bezüglich einander so angeordnet sind, dass ihr gegenseitiger Abstand bei Arbeitstemperatur der Flächen verringert wird, und dass eine Druckausgleichskammer zwischen zwei aufeinander folgenden, dicht angeordneten Gegenflächenpaaren (2a3b) ausgebildet ist. Brennkraftmaschine, die mit einer Kolbenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche versehen ist.






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