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Rohrschieber für eine Brennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich
auf Rohrschieber für eine Brennkraftmaschine, bei der der Zylinder aus Aluminium,
Magnesium oder aus einer Legierung beider Stoffe besteht.
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Die Anwendung dieser Stoffe oder Legierungen ist für Zylinder, insbesondere
für luftgekühlte Zylinder, wegen des leichten Gewichts und der hohen Wärmeleitfähigkeit
sehr vorteilhaft. Mit Rücksicht auf die Weichheit dieser Nichteisenmetalle und ihrer
darausfolgenden Ungeeignetheit, der Schleifwirkung der Kolben und Kolbenringe zu
widerstehen, namentlich wenn auch nichteiserne und aus ähnlichem Stoff bestehende
Kolben Verwendung finden, hat man anderseits vorgeschlagen, den aus Aluminium oder
eisenfreiem Stoff bestehenden Zylinder mit einer festen Auskleidung eines normalen
Eisenmetalls zu versehen, z. B. Gußeisen oder Stahl. Nun ist jedoch bekannt, daß
in der Praxis die verschiedensten Wärmeausdehnungskoeffizienten des Eisenmetalls
und des Aluminiums o. dgl. zu Störungen führen, besonders bei luftgekühlten Zylindern
infolge der höheren Temperaturen, die bei solchen Zylindern auftreten.
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Man nahm jedoch an, daß ähnliche Störungen nicht zu befürchten wären,
wenn ein Rohrschieberventil aus eisenhaltigem Metall bei einem Zylinder aus Aluminium,
Magnesium oder einer Legierung aus diesen verwendet würde, und zwar aus folgenden
Gründen: In der Mehrzahl der praktischen Ausführungen von Rohrschieberventilmaschinen
ist die Passung des Rohres im Zylinder nicht mit Rücksicht darauf ausgeführt, daß
Leckverluste vermieden werden sollen, weil während des Hochdruckteils des Kreisganges
die Rohrschieberöffnungen vom Zylinderkopf überdeckt werden, der mit Dichtungsringen
zur Verhinderung von Gasundichtigkeitsverlusten versehen ist. Somit konnte eine
Expansion des Zylinders im Sinne der Entfernung von dem Rohr theoretisch keine erhöhten
Undichtigkeitsverluste hervorrufen. Wenn ein Aluminiumzylinder im Sinne der Abhebung
von einer festen Auskleidung expandiert, so sucht sich der Raum zwischen beiden
mit Gas oder verkohltem Öl zu füllen, die beide sehr schlechte Wärmeleiter sind,
so daß die Auskleidung ihre Wärme nicht auf den Zylinder abgeben kann und infolgedessen
zu Überhitzung neigt. Bei einer Rohrschieberventihnaschine dagegen wird der Ölschleier
zwischen Zylinder und Rohrschieber durch die Bewegung des Rohrschiebers in Bewegung
gehalten und überträgt demnach Wärme von dem Rohrschieber auf den Zylinder durch
einen Vorgang, der mechanische Konvektion genannt werden könnte. Es wurde angenommen,
daß diese Wirkung, die ausreicht, um einen aus Eisenmetall bestehenden Rohrschieber
zu kühlen, der in einem
Eiseiunetallzylinder arbeitet, nicht wesentlich
durch den anwachsenden Spalt beeinträchtigt werden würde, der sich aus Anwendung
eines Metalls starker Wärmeausdehnung für den Zylinder ergibt.
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Auf Grund dieser Annahme hat man Versuche sowohl mit wassergekühlten
wie mit luftgekühlten Zylindern aus LeichtIegierungen von Aluminium oder Magnesium
u. dgl. gemacht, bei denen Rohrschieber aus Stahl. Oder Eisen normaler Expansion
benutzt wurden; dabei fand man aber folgende Störungen: Die Dehnung des Leichtlegierungszylinders
im Sinne der Entfernung von dem Rohrschieber beließ diesen ohne genügende Stützung
zur Aufnahme der Expansionsdrücke mit dem Ergebnis, daß er sich schneller ausbauchte,
als die Kopfpackungsringe zu folgen vermochten, so daß ein Leckverlust von heißen
Gasen an diesen Ringen vorbei eintritt, der gleichzeitig zu einem Energieverlust
und zu einer Kohlenstoffablagerung in dem Ringraum oberhalb der Packungsringe führte.
Ferner fand man, daß mit Zunahme des Freiraumes zwischen Rohrschieber und Zylinder
der Wärmeabfluß von dem Rohrschieber zum Zylinder beträchtlich behindert wurde,
so daß der Rohrschieber leichter auf beträchtlich höhere Temperaturen auflief als
bei Maschinen mit Zylindern von eisenhaltigem Stoff niederer Wärmedehnung. Das führte
zu einer weiteren Verkokung und schnellerer Abnutzung.
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Diese Wirkungen waren naturgemäß am ausgesprochensten bei luftgekühlten
Maschinen infolge der höheren Zylindertemperaturen bei diesen, und dadurch wurden
sie um so störender, weil gerade bei dieser Maschinengattung die Anwendung von Leichtlegierungszylindern
infolge ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit besonders erwünscht ist. Aber auch bei wassergekühlten
Maschinen waren die Störungen vorhanden, und es zeigte sich, daß die Leistung merklich
abfiel, wenn die Wassertemperatur auf einen Punkt anstieg, wie er bei Brennkraftmaschinen
im allgemeinen wünschenswert ist, und zwar trotz der unter diesen Umständen verminderten
mechanischen Reibung.
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Um diesen ,erwähnten Schwierigkeiten aus dem Wege zu gehen, fand man
es demnach erstrebenswert, Zylinder und Rohrschieber aus Stoffen herzustellen, deren
Wärmeausdehnungskoeffizienten sich erheblich weniger unterschieden als die von normaler
Aluminium- oder Magnesiumlegierung und normalem Gußeisen oder Stahl, und es wurden
Versuche mit Leichtlegierungen angestellt, die so beschaffen sein sollten, daß der
Wärmeausdehnungskoeffizient niedrig genug wäre. Es konnte jedoch keine Legierung
ermittelt werden, die die geschilderten unerwünschten Wirkungen merklich zu beseitigen'vermochte.
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Daraufhin richtete sich die Aufmerksamkeit auf ein Material für den
Rohrschieber, das einen genügend hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwies, jedoch
gleichzeitig das notwendige günstige Verhalten in bezug auf Abnutzung zeigte. Bronze
wurde ausgeschieden, weil die Erfahrung gezeigt hatte, daß zwischen diesem Metall
und den Leichtlegierungen eine sehr rasche Abxiutzung eintritt, weil die Härte dieser
beiden Metallklassen nicht sehr verschieden ist. So richtete man das Augenmerk schließlich
auf eisenhaltige Metalle, die auch gemäß der Erfindung Anwendung finden. Solche
eisenhaltigen Metalle wurden zunächst nicht als geeignet betrachtet, obgleich sie
einen verhältnismäßig hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwiesen, weil sie von
weicher Beschaffenheit, gemessen nach den üblichen Methoden, sind. Versuche zeigten
nun aber, daß sie die Eigenschaft der Bearbeitungshärtung (work-hardening) in einem
hohen Maße aufwiesen, d. h. daß sie im Gebrauch an den Abnutzungsflächen eine harte
Haut entwickelten, die die Abnutzung sehr viel geringer machte, als sie bei sonstigen
anderen Stoffen der gleichen Anfangshärte gewesen sein würde.
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Gemäß der Erfindung wird somit der in einem Zylinder aus Aluminium,
Magnesium oder einer Legierung davon mit verhältnismäßig hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten
arbeitende und in diesem Zylinder bewegliche Rohrschieber aus einer eisenhaltigen
Legierung gefertigt, deren Wärmeausdehnungskoeffizient sich im Bereich der auftretenden
Betriebstemperaturen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Stoffes nähert, aus dem
der Zylinder besteht.
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Ein eisenhaltiges Metall, das für die Konstruktion des Rohrschiebers
geeignet ist, ist ein solches, das 15 bis 25 0/0, vorzugsweise 2o bis 2 1
% Nickel enthält, z. B. ein 2oprozentiger Nickelstahl oder ein 2oprozentiges Nikkelgußeisenoder
auch ein Stahl, der z. B. 18 % Chrom und 8 % Nickel aufweist. Statt dessen kann
auch ein eisenhaltiges Metall mit einer Vereinigung von Nickel und Mangan angewendet
werden. So kann Gußeisen oder Stähl mit 8 bis 13 0,o Mangan oder von 15
bis
25 Einheiten Nickel und Mangan angewendet werden, wobei i % Nickel als eine Einheit
und i % Mangan als 2,15 Einheiten gerechnet ist. Ein anderes Beispiel eines eisenhaltigen
Metalles ist Gußeisen oder Stahl mit etwa i q. % Silizium.
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Der Wärmeausdehnungskoeffizient nichteisenhaltiger Metalle oder ihrer
Legierungen, wie sie gewöhnlich bei. der Konstruktion der-
Außenteile
von Zylindern Anwendung finden, liegt im allgemeinen in den Grenzen von 22 bis 27
X 1o - "`C über dem Arbeitstemperaturbereich, während der Wärmeausdehnungskoeffizient
von Gußeisen oder Stahlsorten, wie sie gewöhnlich für Zylinderauskleidungen und
Rohrschieberventile benutzt werden, bei io bis 1i x io-''°C liegt. Wenn somit diese
Stoffe für den Zylinder bzw. den Rohrschieber gebraucht werden, so entsteht die
oben angedeutete Schwierigkeit infolge ungleichmäßiger Dehnung der Teile. Wird aber
gemäß der Erfindung der Rohrschieber aus einem eisenhaltigen Material mit einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten im Arbeitsbereich der Temperatur'gewählt,"der 16 X
=o-'' überschreitet, so wird der Unterschied in den Dehnungen der beiden konzentrischen
Teile auf ein Maß zurückgebracht, das den Nachteil infolge ungleichmäßiger Dehnung
wesentlich vermindert oder sogar gänzlich beseitigt.
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Wenn 2o 0,'o Nickelstahl oder 2o ()"0 \Tickelgußeisen bei der Herstellung
des Ruhrschiebers verwendet werden, so sind beide Metalle, die einen Wärmeausdelinungskoefiizienten
von der Dimension 2o x =o - `' - C haben zur Anwendung in einem Zylinder geeignet,
der aus normaler Aluminium- oder Magnesiumlegierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 22 bis a5 X =o- e @ C besteht. 13e- einem Zylinder, der aus Silizium-Aluminium-Legierung
mit einem Wärmeausdeh. nungskoeffizienten 18 x io-e°C besteht, ist es :angebracht,
!für den Rohrsch:-eber einen 25prozentigen Nickelstahl zu verwenden, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 16 bis 17 x =o -`'° C aufweist. Der Temperaturarbeitsbereich des Rohrschiebers
im Zylinder kann angenommen werden zwischen o bis i 2o° C bei wassergekühlter und
von o bis 2oo° C bei luftgekühlter Maschine.
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Eisenhaltige Metalle der für den Rohschieber angegebenen Art können
vielfach durch den Stickstoffprozeß oberflächengehärtet werden. Dieses Verfahren
besteht kurz in einer Erhitzung des durch Einsatzhärtung zu härtenden Gegenstandes
in einem Gas, das hauptsächlich aus Ammoniak besteht, und zwar bei einer Temperatur,
die 58o° C nicht überschreitet und wobei man nach genügender Einsatzhärtungstiefe
die Teile mit dem Ofen abkühlen läßt. Die beanspruchte Zeit schwankt zwischen 4.o
bis 6o Stunden. Ein solcher Härtevorgang kann z. B. eine Oberflächenhärtungstiefe
von etwa o,5 bis o,8 mm herbeiführen, und da sie weiter wenig oder gar kein Verziehen
des gehärteten Gegenstandes herbeiführt, so ist das Verfahren besonders anwendbar
auf Gegenstände wie Rohrschieber, bei denen es besonders darauf ankommt, ein Verziehen
zu vermeiden.
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Es ist klar, daß gegebenenfalls ein eisenhaltiges Metall hoher Expansion
der angegebenen Art für den Bau des ganzen oder eines Teiles des Kolbens verwendet
werden kann,- der in einem Rohrschieber gemäß der Erfindung Verwendung findet. -Allgemein
gilt, daß es wünschenswert ist, für die Herstellung des Rohrschiebers ein eisenhaltiges
Metall zu -wählen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in dem in Frage kominenden
Arbeitstemperaturbereich sich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des nichteisenhaltigen
Metalls, aus dem der Zylinder besteht, nähert, jedoch etwas geringer ist. Weiter
ist es für den Kolben vorzuziehen,, entweder das gleiche oder ein im wesentlichen
gleiches nichteisenhaltiges Metall zu benutzen, wie es für den Zylinder benutzt
wird, indem man den notwendigen Freiraute für die Expansion durch die üblichen Kolbenringe
aufnehmen läßt. Auch kann man den Kolben ganz oder teilweise entweder aus einem
nichteisenhaltigen oder eisenhaltigen Metall herstellen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient
in der Nähe des Wärmeausdehnungskoeffizienten des eisenhaltigen Metalls ,los Rohrschiebers
ist, jedoch etwas unter diesem Werte liegt, in welchem Falle ein gerin-:;eres Spiel
zwischen Kolben und Rohrschieber belassen werden kann.