DE19833827C1

DE19833827C1 - Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19833827C1
Application number: DE1998133827
Authority: DE
Inventors: Jordan Gentscheff
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: Everllence SE
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 1999-12-16
Anticipated expiration: 2018-07-29
Also published as: JP2000054910A

Abstract

Bei einem Kolben für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Großmotor, mit wenigstens einer einem Kolbenring zugeordneten Kolbenringnut (2) mit gegen Verschleiß geschützten Flanken, läßt sich dadurch eine hohe Lebensdauer erreichen, daß wenigstens eine Flanke im dem äußeren Rand benachbarten Bereich eine aus keramischem Material bestehende Bewehrung (3) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einen Großmotor, mit wenigstens einer einem Kolbenring zugeordneten Kolbenringnut mit gegen Verschleiß geschützten Flanken.

Es ist bekannt (DE 34 05 983 C1), aus gehärtetem Stahl bestehende Ringnutflanken vorzusehen. Diese Maßnahme reicht jedoch ab einer bestimmten Höhe des Zünddrucks nicht mehr aus. Die Flankenbelastung nimmt nämlich mit steigendem Zünddruck überproportional zu. Ungünstig sind in diesem Zusammenhang auch die heute erwünschten, niedrigen Schmierraten. Es kommt daher zu einem schnellen Flankenverschleiß. Dies gilt insbesondere für den Randbereich der Ringnutflanken, wo die Belastung erfahrungsgemäß am größten ist.

Es wurde auch schon versucht, die Widerstandsfähigkeit der Ringnutflanken durch eine Beschichtung mit Chrom zu erhöhen (DE 17 84 019 U). Dieses an sich verschleißfeste Material verliert jedoch bei hohen Temperaturen seine Verschleißfestigkeit. Mit zunehmendem Zünddruck steigen aber auch die Flächenpressung und -reibung und damit die Materialerwärmung. Bei Zünddrücken ab 160 bar aufwärts bringt daher die erwähnte Chrombeschichtung keine Verbesserung der Verschleißfestigkeit mehr.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass auch bei hohen Zünddrücken und hoher Reibung eine lange Lebensdauer erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens eine Flanke im dem äußeren Rand benachbarten Bereich eine aus keramischem Material bestehende Bewehrung aufweist.

Im Randbereich tritt erfahrungsgemäß die höchste Flächenpressung und damit die höchste Materialerwärmung auf. In diesem Bereich ist in vorteilhafter Weise das harte, keramische Material vorgesehen, das unempfindlich gegen hohe Temperaturen ist. In Richtung Nuttiefe nimmt die Beanspruchung ab. Die aus keramischem Material bestehende Bewehrung erstreckt sich daher in vorteilhafter Weise nicht über die ganze Flankenbreite, was eine nicht unbeträchtliche Materialersparnis ergibt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann die Bewehrung zweckmäßig als Füllung einer durch eine nach außen offene Nut gebildeten Aufnahmetasche ausgebildet sein. Hierdurch ist sichergestellt, dass sich auch im Falle einer nicht durchgehenden Bewehrung eine stufenfreie Flanke ergibt.

Vorteilhaft kann die Breite der Bewehrung mindestens 1,5 mm betragen und höchstens 2/3 der Nuttiefe entsprechen. Dies ergibt zum einen eine hohe Abplatzsicherheit und hält zum anderen den Materialverbrauch in Grenzen. Zweckmäßig kann die Breite der Bewehrung so bemessen sein, dass sie dem Quotienten aus Nuthöhe und tang α entspricht, wobei α ≧ 50° ist. In diesem Fall ist es möglich, die Bewehrung im Hochgeschwindigkeits-Spritzverfahren aufzutragen.

Die Dicke der Bewehrung kann zweckmäßig im Bereich zwischen 0,25 bis 0,30 mm liegen. Dies ergibt erfahrungsgemäß eine brauchbare Standfestigkeit bei geringem Materialverbrauch.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass die Bewehrung aus chrom-keramischem Material besteht. Materialien dieser Art haben sich bei Versuchen als besonders standfest und gut verarbeitbar bewiesen.

In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen ist wenigstens die brennraumferne Flanke mit einer Bewehrung versehen. Hierbei handelt es sich um die am meisten gefährdete Flanke. Zweckmäßig ist es jedoch, wenn beide Flanken mit einer Bewehrung versehen sind, was eine besonders hohe Lebensdauer erwarten lässt. In weiterer Vervollkommnung kann dabei vorgesehen sein, dass jede einer mit einer Bewehrung versehenen Flanke der Kolbenringnut gegenüberliegende Kolbenringflanke mit einer gleichen Bewehrung versehen ist. Hierdurch ergeben sich in vorteilhafter Weise gleiche Materialpaarungen, was sich günstig auf die Vermeidung von Korrosion auswirkt.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass bei mehreren, hintereinander angeordneten Kolbenringnuten nur die dem Brennraum nächste Kolbenringnut wenigsten eine Bewehrung aufweist. Hierbei wird mit geringstem Aufwand ein vergleichsweise hoher Nutzen erreicht, da im Bereich der dem Brennraum nächsten Kolbenringnut die höchste Belastung auftritt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar. In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch das Oberteil eines erfindungsgemäßen Kolbens und

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der obersten Kolbenringnut der Anordnung gemäß Fig. 1.

Der Aufbau und die Wirkungsweise von Hubkolbenbrennkraftmaschinen, wie Großdieselmotoren etc., sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. Das der Fig. 1 zugrundeliegende Kolbenoberteil 1 stellt ein Verschleißteil dar, das abnehmbar auf einem zugeordneten, hier nicht näher dargestellten Unterteil montiert ist. Zur Aufnahme eines aus mehreren, hintereinander angeordneten Kolbenringen bestehenden Kolbenringpakets ist das Oberteil 1 mit mehreren in axialer Richtung gegeneinander versetzten, umlaufenden Kolbenringnuten 2 versehen, in denen jeweils ein zugeordneter Kolbenring, hier nicht dargestellt, aufnehmbar ist.

Das Oberteil 1 besteht aus Stahl. Die Flanken der Kolbenringnuten 2 können gehärtet sein. Die Flanken der obersten, also der dem mittels des Kolbens vergrößerbaren bzw. verkleinerbaren Brennraum am nächsten benachbarten Kolbenringnut 2 sind mit einer aus keramischem Material bestehenden Bewehrung 3 versehen. Die Bewehrung 3 geht nicht über die ganze Flankenbreite durch, sondern erstreckt sich nur über einen dem äußeren Rand benachbarten Bereich. Die Mindestbreite der Bewehrung 3 beträgt 1,5 mm. Die maximale Breite der Bewehrung 3 soll 2/3 der der Nuttiefe bzw. Flankenbreite nicht überschreiten.

Im dargestellten Beispiel ist, wie in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet ist, die Bewehrung 3 als Spritzauftrag aufgebracht, wobei ein vergleichsweise steiler Auftragswinkel α von mindestens 50° vorgesehen ist. Da die Bewehrung 3 unter einem vergleichsweise steilen Winkel α aufgespritzt wird, kann sie im Hochgeschwindigkeits-Spritzverfahren aufgebracht werden. Für die Breite b der Bewehrung 3 gilt dabei

b = t/tang α,

wobei
t = lichte Nuthöhe und α ≧ 50°.

Die Bewehrung 3 besteht aus chrom-keramischem Material. Bei Verwendung einer im Hochgeschwindigkeits-Spritzverfahren aufgebrachten Bewehrung auf 42 Cr Mo 4 V als Grundmaterial kann z. B. 80 Cr₃, C₂ und/oder 20 Ni Cr Verwendung finden. Es wäre aber auch denkbar, die Bewehrung als elektrolytische Abscheidung aufzutragen. In diesem Fall können Cr Al-Oxyde Verwendung finden. In jedem Fall handelt es sich um chrom-keramisches Material, das eine besonders gute Standfestigkeit erwarten lässt.

Die Bewehrung 3 ist im dargestellten Beispiel als Füllung einer jeweils zugeordneten, durch eine nach außen offene Nut gebildeten Aufnahmetasche 4 ausgebildet. Die Aufnahmetasche bzw. -taschen 4 werden vor dem Aufbringen des keramischen Materials durch einen Schleif- oder Drehvorgang hergestellt. Nach dem Aufbringen des keramischen Materials wird die Oberfläche mittels einer Diamantscheibe nachgeschliffen.

In einfachen Fällen genügt es, wenn lediglich die brennraumferne Flanke der für die Bewehrung vorgesehenen Ringnut 2 mit einer Keramik-Bewehrung versehen wird. Im dargestellten Beispiel sind beide Flanken der obersten Ringnut 2 mit einer Bewehrung 3 versehen, was eine besonders hohe Sicherheit ergibt. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, in Fällen mit besonders hoher Beanspruchung der nachgeordneten Kolbenringnuten auch diesen eine entsprechende Bewehrung zuzuordnen. Zur Erzielung gleicher Materialpaarungen ist zweckmäßig auch jede einer mit einer Bewehrung 3 versehenen Flanke einer Kolbenringnut 2 gegenüberliegende Flanke eines hier nicht näher dargestellten Kolbenrings mit einer gleichen Bewehrung versehen.

Claims

1. Kolben für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere einen Großmotor, mit wenigstens einer einem Kolbenring zugeordneten Kolbenringnut (2) mit gegen Verschleiß geschützten Flanken, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Flanke im dem äußeren Rand benachbarten Bereich eine aus keramischem Material bestehende Bewehrung (3) aufweist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrung (3) als Füllung einer durch eine nach außen offene Nut gebildeten Aufnahmetasche (4) ausgebildet.

3. Kolben nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Bewehrung (3) mindestens 1,5 mm beträgt und höchstens 2/3 der Nuttiefe entspricht.

4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Bewehrung (3) dem Quotienten aus der lichten Höhe der Ringnut (2) und tang α entspricht, wobei α ≧ 50° ist.

5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Bewehrung (3) 0,25 bis 0,30 mm beträgt.

6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrung (3) aus chrom-keramischem Material besteht.

7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die brennraumferne Flanke mit einer Bewehrung (3) versehen ist.

8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Flanken mit einer Bewehrung (3) versehen sind.

9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede einer mit einer Bewehrung (3) versehenen Flanke der Kolbenringnut (2) gegenüberliegende Kolbenringflanke mit einer gleichen Bewehrung versehen ist.

10. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Brennraum am nächsten benachbarte Kolbenringnut (2) von mehreren, einem Kolbenringpaket zugeordneten Kolbenringnuten (2) wenigstens eine Bewehrung (3) aufweist.