DE19514416C2 - Kolbeneinheit für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbeneinheit für
eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
Aus der GB 22 52 391 A ist eine gattungsbestimmende
Kolbeneinheit für eine Brennkraftmaschine bekannt, die einen
aus einer Aluminiumbasislegierung gebildeten Kolben und einen
verschleißfesten Ring aufweist, der mit der ersten Ringnut des
Kolbens bei dessen Ausbildung verschmolzen worden ist. Ferner
ist aus dieser Druckschrift bekannt, einen möglichst geringen
Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten des
Kolbenmaterials und des Rings anzustreben.
Aus der US-PS 4 292 936 ist ebenfalls bekannt, daß der
Wärmeausdehnungskoeffizient des verschleißfesten Rings ähnlich
dem der Aluminiumlegierung bzw. nahe dem des
Kolbenbasismaterials sein soll.
Hinsichtlich des verschleißfesten Rings ist aus der JP 2-27 149 A
weiterhin bekannt, daß dieser auch aus einem
Nichteisenmaterial bestehen kann, z. B. aus Aluminium-Bronze
(Al, Cu, Sn).
Gemäß dem in Fig. 3 aufgezeigten Stand der Technik hat ein
Zylinder 7 einer Verbrennungskammer 70 in einer
Brennkraftmaschine eine darin angeordnete Kolbeneinheit 9, die
in der Verbrennungskammer 70 in dem Zylinder 7 erzeugtes
Hochdruckgas bei hoher Temperatur in Leistung umsetzt. Die
Kolbeneinheit 9 besteht aus einem aus einer
Aluminiumbasislegierung gebildeten Kolben 90, und drei
Kolbenringen, d. h. einem ersten Kolbenring 61, einem zweiten
Kolbenring 62 und einem dritten Kolbenring 63, die in einer
ersten Ringnut 91, einer zweiten Ringnut 92 und einer dritten
Ringnut 93 aufgenommen sind, die jeweils im Kolben 90 gebildet
sind. Von diesen Kolbenringen wird der erste Kolbenring 61 in
die erste Ringnut 91 aufgenommen, und zwar mit einem dazwischen
angeordneten verschleißfesten Ring 910. Der verschleißfeste
Ring 910 ist mit der ersten Ringnut 91 verschmolzen worden.
Der vorhergehend erwähnte verschleißfeste Ring 910 schützt
die erste Ringnut 91, die in der zur Verbrennungskammer 70
nächstgelegenen Position gebildet ist, so daß diese bei
extremer Betriebsbedingung vor Verschleiß geschützt ist.
Bislang ist ein herkömmlicher verschleißfester Ring 910
für die Anwendung vorgeschlagen worden, bestehend
beispielsweise aus einer Nickelbasislegierung (japanische
Patentveröffentlichung Nr. 69226 (1992)) oder Gußeisen.
Der aus der Nickelbasislegierung gebildete herkömmliche
Kolben 90 muß nach dem Aufschmelzen des verschleißfesten Ringes
910 einer Aluminiumbeschichtung unterzogen werden. Der aus dem
Gußeisen gebildete Kolben 90 muß auf ähnliche Weise einer
Alfin-Behandlung unterzogen werden.
Da der verschleißfeste Ring 910 und der Kolben 90
unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, kann beim
Abkühlprozeß nach dem Aufschmelzen und weiter bei der T6-
Behandlung, die auf die Kolbeneinheit 9 angewendet wird,
dazwischen ein Zwischenflächenriß auftreten. Der Unterschied
der Wärmeausdehnungskoeffizienten kann bewirken, daß sich der
verschleißfeste Ring 910 von dem Kolben 90 ablöst, woraus eine
fehlerhafte Kolbeneinheit resultiert.
In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß mit dem oben
genannten Begriff "T6-Behandlung" eine Wärmebehandlung
bezeichnet wird, die eine für etwa 4 Stunden erfolgende
Erwärmung bei etwa 510°C mit unverzüglicher Kühlung (Härtung)
mit Wasser und eine anschließende für etwa 10 Stunden
erfolgende Erwärmung bei etwa 170°C einschließt.
Die einen keramischen verschleißfesten Ring verwendende
Kolbeneinheit ist zudem in der offengelegten
Gebrauchsmusteranmeldung Nr. JP 61-29041 U vorgeschlagen
worden. In diesem Fall besteht jedoch ein beträchtlich großer
Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem
verschleißfesten Ring und dem Kolben, so daß es nicht möglich
ist, die Aluminiumbasislegierung, die für den Kolben verwendet
wird, einer T6-Behandlung zu unterziehen. Daraus resultierend
kann die Festigkeit und die Bearbeitbarkeit der Kolbeneinheit
beeinträchtigt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Kolbeneinheit für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die
einen Zwischenflächenriß zwischen einem Kolben und seinem
verschleißfesten Ring verhindert, und zwar auch dann, wenn die
für den Kolben verwendete Aluminiumbasislegierung der T6-
Behandlung unterzogen wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des
Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat eine Kolbeneinheit für
eine Brennkraftmaschine einen aus einer Aluminiumbasislegierung
gebildeten Kolben und einen verschleißfesten Ring, der mit
einer ersten Ringnut des Kolbens bei seiner Ausbildung
verschmolzen worden ist. Der verschleißfeste Ring besteht aus
einer Kupfer-Zink-Legierung, deren Wärmeausdehnungskoeffizient
im Bereich von 19,5 × 10-6 m/m°C bis 22,0 × 10-6 m/m°C liegt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von weiteren
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer in einer
Brennkraftmaschine verwendeten Kolbeneinheit,
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Hauptteils der in der
Brennkraftmaschine verwendeten Kolbeneinheit aus Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansicht einer Kolbeneinheit gemäß
dem Stand der Technik.
Der verschleißfeste Ring eines ersten Ausführungsbeispiels
besteht aus einer Kupfer-Zink-Legierung, deren
Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 19,5 bis 22,0 × 10-6
m/m°C liegt. Wenn der Koeffizient von dem vorhergehenden
Bereich abweicht, wird der Koeffizientenunterschied zwischen
dem verschleißfesten Ring und dem Kolben übermäßig groß,
wodurch dazwischen ein Zwischenflächenriß entsteht. Es ist
vorzuziehen, die untere Grenze des Bereichs auf 20 × 10⁶m/m°C
festzulegen und die obere Grenze auf 21,5 × 10-6 m/m°C
festzulegen.
Die Kupfer-Zink-Legierung besteht aus Kupfer, Zink und
Aluminium (Cu-Zn-Al) und enthält bevorzugterweise 57-64 Gew.-%
Kupfer, 22-36 Gew.-% Zink und 1,5-5,2 Gew.-% Aluminium (siehe
Ausführungsbeispiele).
Wenn der Gewichtsprozentanteil von Kupfer niedriger als
57% ist, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des
verschleißfesten Rings seine obere Grenze überschreiten,
während, wenn der Gewichtsprozentanteil 64% überschreitet, der
Wärmeausdehnungskoeffizient seine untere Grenze unterschreiten
kann.
Wenn der Gewichtsprozentanteil von Zink kleiner als 22%
ist, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des verschleißfesten
Ringes seine untere Grenze unterschreiten, während, wenn der
Gewichtsprozentanteil 36% überschreitet, er seine obere Grenze
überschreiten kann.
Wenn der Gewichtsprozentanteil von Aluminium kleiner als
1,5% ist, kann die Verschleißfestigkeit des verschleißfesten
Ringes verringert werden, so daß er den Schutz des Kolbens vor
Verschleiß nicht mehr wahrnimmt, während, wenn der
Gewichtsprozentanteil von Aluminium 5,2% überschreitet, auf dem
verschleißfesten Ring eine gesteigerte Erzeugung einer Kupfer-
Aluminium-Verbindung erhaltbar ist. Dies verringert die
Zähigkeit des verschleißfesten Ringes, wodurch dessen
Stoßwiderstand abgesenkt wird. Die vorhergehend erwähnte Bauart
des verschleißfesten Ringes hat deren Verschleißfestigkeit und
Zähigkeit verbessert, da sie 1,5-5,2 Gew.-% Aluminium enthält.
Eine weitere Art von Kupfer-Zink-Legierung besteht aus
Kupfer und Zink (Cu-Zn) mit vorzugsweise 60-72 Gew.-% Kupfer
und 28-40 Gew.-% Zink. Wenn der Gewichtsprozentanteil von
Kupfer kleiner als 60% ist, kann der
Wärmeausdehnungskoeffizient des verschleißfesten Ringes seine
Obergrenze überschreiten, während, wenn der
Gewichtsprozentanteil von Kupfer 72% überschreitet, der
Wärmeausdehnungskoeffizient seine untere Grenze unterschreiten
kann.
Wenn der Gewichtsprozentanteil von Zink kleiner als 28%
ist, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des verschleißfesten
Ringes seine Untergrenze unterschreiten, während, wenn der
Gewichtsprozentanteil von Zink 40% überschreitet, er seine
Obergrenze überschreiten kann.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient der
Aluminiumbasislegierung, die für den Kolben verwendet wird,
liegt beispielsweise im Bereich von 20 bis 21,5 × 10-6 m/m°C.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel hat eine
Kolbeneinheit für eine Brennkraftmaschine einen Kolben, der aus
einer Aluminiumbasislegierung besteht, und einen
verschleißfesten Ring, der mit einer ersten Ringnut des Kolbens
verschmolzen worden ist. Der verschleißfeste Ring besteht aus
einer Kupfer-Zink-Legierung mit etwa dem gleichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der der
Aluminiumbasislegierung.
Die Kupfer-Zink-Legierung hat nahezu den gleichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der der
Aluminiumbasislegierung. D.h., daß sich beide Koeffizienten bis
zu einem gewissen Grad annähern, so daß ein Zwischenflächenriß
zwischen dem Kolben und dem verschleißfesten Ring aufgrund
einer plötzlichen Temperaturänderung verhindert werden kann.
Die Kupfer-Zink-Legierung kann die gleiche sein wie die gemäß
dem ersten Ausführungsbeispiel.
Die bei einer Brennkraftmaschine verwendete Kolbeneinheit
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hat einen verschleißfesten
Ring, der an der ersten Ringnut des Kolbens verschmolzen worden
ist. Die für den verschleißfesten Ring verwendete Kupfer-Zink-
Legierung hat etwa den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
wie der der Aluminiumbasislegierung, die für den Kolben
verwendet worden ist. Dadurch kann der Unterschied in der
Wärmeschrumpfung zwischen dem verschleißfesten Ring und dem
Kolben verringert werden. Selbst wenn der verschleißfeste Ring
mit der ersten Ringnut des Kolbens verschmolzen ist, tritt
dazwischen kein Zwischenflächenriß auf. Der verschleißfeste
Ring ist zudem vor dem Ablösen vom Kolben geschützt.
Die Kolbeneinheit der vorliegenden Erfindung gestattet es,
nach dem Verschmelzen des verschleißfesten Ringes einem
Abkühlprozeß unterzogen zu werden und ferner einer T6-
Behandlung unterzogen zu werden, wodurch die Funktionalität der
Kolbeneinheit dadurch gestärkt wird, daß ihre Festigkeit und
Bearbeitbarkeit verbessert wird.
Die Kolbeneinheit gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
hat einen verschleißfesten Ring mit etwa dem gleichem
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der der
Aluminiumbasislegierung. Daraus resultiert, daß kein
Zwischenflächenriß zwischen dem Kolben und dem verschleißfesten
Ring auftritt, wodurch die gleichen Effekte wie im zweiten
Ausführungsbeispiel geschaffen werden. Wie vorhergehend erwähnt
schafft die vorliegenden Erfindung eine in einer
Brennkraftmaschine verwendete Kolbeneinheit, die zwischen dem
Kolben und seinem verschleißfesten Ring keinen
Zwischenflächenriß verursacht sowie gestattet, auf die für den
Kolben verwendete Aluminiumbasislegierung eine T6-Behandlung
anzuwenden.
Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, besteht die Kolbeneinheit 10
aus dem Kolben 2, der aus einer Aluminiumbasislegierung
gebildet ist, und dem verschleißfesten Ring 1, der mit seiner
ersten Ringnut 21 verschmolzen ist.
Der verschleißfeste Ring besteht aus einer Kupfer-Zink-
Legierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 20 × 10-6
m/m°C. Dieser dient dazu, die erste Ringnut 21 zu schützen, die
derart ausgebildet ist, daß sie sich in der nächstliegenden
Position zu einer Verbrennungskammer befindet, so daß sie davor
geschützt ist, bei extremer Betriebsbedingung abgenutzt zu
werden. Der Kolben 2 hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 21 × 10-6 m/m°C.
Der Kolben 2 hat weitere zwei Ringnuten, eine zweite
Ringnut 22 und eine dritte Ringnut 23 unterhalb der ersten
Ringnut 21. Diese zweite und dritte Ringnut 22 und 23 haben
Kolbenringe 62 und 63, die darin aufgenommen sind, was jeweils
in Fig. 2 gezeigt ist. Die erste Ringnut 21 hat einen darin
aufgenommenen Kolbenring 61, wobei der verschleißfeste Ring 1
dazwischen angeordnet ist. Die Kolbenringe 61 und 62 halten die
Abdichtung zu den Innenwänden des Zylinders aufrecht und halten
Öltropfen davon ab, in die Verbrennungskammer zurückzulaufen.
Der Kolben 2 hat oben einen Hohlabschnitt 27 für die
Kühlung und ein Verbindungsloch 29 in seiner Mitte für die
Verbindung einer Kolbenstange. Er hat eine Aussparung 26 auf
seiner Oberfläche, um die Verbrennungsleistung zu verbessern.
Um den verschleißfesten Ring 1 mit der Kolbeneinheit 10 zu
verschmelzen, wird der verschleißfeste Form-Ring 1 in einem
Metallformteil angeordnet, in welches eine
Aluminiumbasislegierung gefüllt wird, um den Umfang des
verschleißfesten Rings 1 abzudecken.
Die Wirkung der Erfindung wird nachstehend beschrieben.
Die Kolbeneinheit 10 der vorliegenden Erfindung hat den
verschleißfesten Ring 1, der mit der ersten Ringnut 21 des
Kolbens 2 verschmolzen worden ist. Das für die Herstellung des
verschleißfesten Ringes verwendete Material, d. h. Kupfer-Zink-
Legierung, hat etwa den gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten
wie die für die Herstellung des Kolbens 2 verwendete
Aluminiumbasislegierung. Der Unterschied in der
Wärmeschrumpfung zwischen dem verschleißfesten Ring 1 und dem
Kolben 2 wird somit verringert. Daraus ergibt sich, daß, selbst
wenn der verschleißfeste Ring 1 mit der ersten Ringnut 21 des
Kolbens 2 verschmolzen ist, kein Zwischenflächenriß zwischen
dem verschleißfesten Ring 1 und dem Kolben 2 auftritt, sowie
der verschleißfeste Ring 1 davon abgehalten wird, sich vom
Kolben 2 zu lösen.
Diese Art der Kolbeneinheit erlaubt dem Kolben 2 nach dem
Verschmelzen des verschleißfesten Ringes 1, einem Kühlprozeß
sowie einer T6-Behandlung unterzogen zu werden. Die T6-
Behandlung verstärkt die Betriebsfähigkeit des Kolbens dadurch,
daß seine Festigkeit und Bearbeitbarkeit verbessert wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden verschiedene
Arten von Kupfer-Zink-Legierungen verwendet, um den
verschleißfesten Ring zu bilden, der in der Kolbeneinheit
auszubilden ist, um zu bewerten, ob bei jeder Art des Kolbens
ein Zwischenflächenriß zwischen dem verschleißfesten Ring und
dem Kolben auftritt oder nicht.
Jede Art des mit einem unterschiedlichen verschleißfesten
Ring vorgesehenen Kolbens wurde auf gleiche Weise wie im
Ausführungsbeispiel 1 eingestellt. Bei dieser Bewertung wurden
sechs, die vorliegende Erfindung repräsentierende Proben
(Proben 1-6) und vier, die Vergleichsbeispiele repräsentierende
Proben (Proben C1-C4) verwendet.
Bei den verschleißfesten Ringen der Proben 1 und 2 wurde
eine Kupfer-Zink-Legierung verwendet, die Kupfer, Zink,
Aluminium und dergleichen enthielt, wie aus Tabelle
ersichtlich. Bei den verschleißfesten Ringen der Proben 3-6
wurde die Legierung verwendet, die Kupfer und Zink und eine
geringe Menge an Eisen und Blei enthielt. Die
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Proben 1-6 lagen im Bereich
von 19,9 bis 20,8 × 10-6 m/m°C.
Die Proben C1 und C2 verwendeten Ni-Resist-
Nickellegierungsgußeisen mit jeweiligen
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 18,2 × 10-6 und 18,7 × 10-6
m/m°C.
Die Proben C3 und C4 verwendeten eine Beryllium-Kupfer-
Legierung. Die bei der Probe C4 verwendete Legierung enthält
ferner Nickel, Kobalt und Aluminium. Die
Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Proben ergaben 17,0 × 10-6
m/m°C.
Jede Probe wurde hinsichtlich eines Zwischenflächenrisses
zwischen dem Kolben und dem verschleißfesten Ring einer Messung
unterworfen. Die Messung wurde basierend auf einem
Färbungsrißermittlungsverfahren nach dem Schneiden der zu
entfernenden Gußoberfläche durchgeführt. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 1 gezeigt.
Gemäß Tabelle 1 trat bei den Proben 1-6 kein
Zwischenflächenriß auf, während die Vergleichsproben C1-C4
einen Zwischenflächenriß hatten.
Dies liegt darin begründet, daß bei den verschleißfesten
Ringen der Proben 1-6 eine Kupfer-Zink-Legierung mit einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 19,9 bis
20,8 × 10-6 m/m°C verwendet wurde, der nahezu der gleiche wie
der der für den Kolben verwendeten Aluminiumbasislegierung von
21 × 10-6 m/m°C ist.
Claims (3)
1. Kolbeneinheit (10) für eine Brennkraftmaschine, mit einem aus
einer Aluminiumbasislegierung gebildeten Kolben (2) und einem
in eine Ringnut (21) des Kolbens (2) gegossenen
verschleißfesten Ring (1), wobei die
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kolbens (2) und des
verschleißfesten Rings (1) nahezu gleich sind, dadurch
gekennzeichnet, daß der verschleißfeste Ring (1) aus einer
Kupfer-Zink-Legierung besteht.
2. Kolbeneinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des verschleißfesten Rings
(1) in einem Bereich von 19,5 × 10-6 m/m°C bis 22,0 × 106 m/m°C
liegt.
3. Kolbeneinheit (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kupfer-Zink-Legierung 57 bis 64 Gew.-%
Kupfer, 22 bis 36 Gew.-% Zink und 1,5 bis 5,2 Gew.-% Aluminium
enthält.
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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