DD238420C2 - Eingusselement zur bewehrung hochbelasteter kolben - Google Patents

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DD238420C2
DD238420C2 DD27742185A DD27742185A DD238420C2 DD 238420 C2 DD238420 C2 DD 238420C2 DD 27742185 A DD27742185 A DD 27742185A DD 27742185 A DD27742185 A DD 27742185A DD 238420 C2 DD238420 C2 DD 238420C2
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Edgar Presia
Lutz Buechner
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Druckguss U Kolbenwerke Veb
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  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
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Abstract

Erhöhte spezifische Leistungen bei

Description

Og = größter Durchmesser des Eingußteiles,
A8 = Oberfläche der wärmeaufnehmenden Seite des Eingußelementes,
Ah = Oberfläche der wärmeabführenden Seite des Eingußelementes,
Ag68 = A8 + Ah = Gesamtoberfläche des Eingußelementes und
V = Volumen des Eingußelementes
bezeichnet und alle Größen in Potenzen derselben Längeneinheit ausgedrückt, so gelten für den Temperaturbereich 25O0C < t < 7500C die folgenden erfindungsgemäßen Bedingungen:
De/Dk =0,291 (1 +0,164· 10"2-t) = 0,548 (1 - 0,061 - 10~2 t)
Daraus folgt zwangsläufig das Verhältnis A„/Ah = 1,06(1 -0,081 -Ю"2·)
Bei der Bewertung dieser Beziehungen sind die technisch üblichen Toleranzen zu berücksichtigen, die im vorliegenden Fall etwa ±2% betragen. Für den genannten Temperaturbereich liegen dann De/Dk zwischen 0,4 und 0,7, wobei die größeren Werte den höheren Temperaturen zugeordnet sind und A8ZA1, zwischen 0,4 und 0,8, A8ZAg6,zwischen 0,3 und 0,5, wobei die größeren Werte den niedrigen Temperaturen entsprechen.
Das derart gestaltete und bemessene Eingußelement ist ohne metallischen Verbund im Kolbenkörper eingesetzt, wodurch eine gewollt ungünstige Wärmeabfuhr an die angrenzenden Kolbenpartien gesichert wird. Dadurch liegen die Temperaturen im Kolbengrundkörper weit unter der Maximaltemperatur am Kolben ohne Eingußelement, so daß durch das Eingußelement die örtlichen Belastungen auf das ertragbare Maß reduziert werden.
Die erfindungsgemäße Elimination der mechanischen Belastungen aus dem Eingußelement ist nur über eine ungewöhnlich hohe Temperaturkonzentration in diesem Bauteil möglich. Diese Temperaturen müssen vom Eingußelement nicht nur aufgenommen, sondern unter der spezifischen Motordynamik auch ertragen werden. Das erfordert den Einsatz warmbeständiger Materialien für das Eingußelement. Besonders an Kolben mit Kolbenbodenbrennraum besteht am Brennraumrand, der gemeinsame Kante von Kolbenboden und Kolbenbodenbrennraum ist, die Gefahr der Hochtemperaturkorrosion. Ihr muß entweder durch entsprechend hochwertige und auch teure Werkstoffe begegnet werden oder ihre negativen Auswirkungen werden bei anspruchsvollen Eingußelementewerkstoffen nach bestimmten Nutzungszeiten erfindungsgemäß folgendermaßen behoben:
Die zerstörte gemeinsame Kante von Kolbenboden und Kolbenbodenbrennraum wird mechanisch bearbeitet, ein Paßring oder Federring als Gegenstück eingesetzt und stückweise oder gänzlich kolbenbodenseitig mit dem Eingußteil verschweißt. Eine weitere erfindungsgemäße Lösungsvariante ist, nach entsprechender mechanischer Vorbearbeitung ein Gegenstück aus keramischem Werkstoff einzusetzen oder aufzuspritzen.
Die technisch-ökonomische Bedeutung dieser Erfindung ist dadurch begründet, daß der ökonomisch günstige Einmetallkolben aus beliebigem, geeignetem Kolbenwerkstoff in Gußausführung für hohe thermische und mechanische Belastungen nutzbar gemacht wird und dabei die ökonomisch-ökologischen Vorteile billiger Werkstoffe, hohen thermischen Niveaus im brennraumbegrenzenden Bereich, bestmöglicher Ausnutzung der Energieträger und geringsten Schadstoffausstoßes gefördert werden.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung soll nachstehend an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1: Das Beispiel eines erfindungsgemäßen Eingußelementes in einem Kolben aus Gußeisen mit einem zentrisch gelegenen Kolbenbodenbrennraum.
Fig. 2: Das Beispiel eines erfindungsgemäßen Eingußelementes in einem Kolben mit glattem Kolbenboden. Fig.3: Das Beispiel eines erfindungsgemäßen Eingußelementes mit einem an der gemeinsamen Kante von Kolbenboden und Kolbenbodenbrennraum aufgespritzten keramischen Werkstoff.
In Fig. 1 wird das brennraumseitige Teil eines gußeisernen Kolbens 1 mit einem Kolbenbodenbrennraum 2 gezeigt, in dem ein erfindungsgemäßes Eingußelement 3 nach dem Umgußverfahren angordnet ist. Kolbenboden 4 und Kolbenbodenbrennraum 2 fallen mit der gemeinsamen Kante 7 am Eingußelement 3 zusammen. Die Elementoberflächen von wärmeaufnehmender Seite 5 und wärmeabführender Seite 6 besitzen das erfindungsgemäße Verhältnis zueinander. Darüberhinaus genügt das Element einer empfohlenen Bedingung, wonach das Verhältnis A981 - 10~2/V Dk innerhalb des Wertebereiches von 0,30 bis 0,85 zu liegen kommt, wobei auch hier die größeren Werte den hohen Elementtemperaturen entsprechen. In Fig.2 ist ebenfalls ein Teil eines Kolbens 1 dargestellt, in dessen glatten Kolbenboden 4 ein entsprechendes, erfindungsgemäßes Eingußelement 3 mit der wärmeaufnehmenden Seite 5 und der wärmeabführenden Seite 6 mechanisch verklammert eingegossen ist. Fig. 3 schließlich zeigt ein erfindungsgemäßes Eingußelement 3, dessen gemeinsame Kante 7 aus einem aufgespritzten keramischen Werkstoff 8 besteht.

Claims (2)

1. Eingußelement aus beliebigem, geeignetem Werkstoff zur Bewehrung eines Teiles der brennraumbegrenzenden Oberfläche von Kolben, insbesondere von solchen für Viertaktdieselmotoren zum Fahrzeugantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von größtem Eingußelementdurchmesser zum Kolbennenndurchmesser zwischen 0,4 und 0,7 liegt, wobei der größere Wert den hohen Temperaturen zugeordnet ist und die Verhältnisse aus der Elementoberfläche der wärmeaufnehmenden Seite 5 zur Elementoberfläche der wärmeabführenden Seite 6 zwischen 0,4 und 0,8 und aus der Elementoberfläche der wärmeaufnehmenden Seite 5 zur Gesamtoberfläche des Eingußelementes 3 zwischen 0,3 und 0,5 liegen, wobei die kleineren Werte den hohen Temperaturen zugeordnet sind, wenn die Temperaturen des Eingußelementes 3 den Bereich von 25O0C bis 7500C umfassen.
2. Eingußelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Kante 7 aus Kolbenboden 4 und Kolbenbodenbrennraum 2 nach entsprechender mechanischer Vorbearbeitung mit einem Paßring oder einem Federring aus warmfesten Werkstoff versehen und dieser stückweise oder gänzlich mit dem Eingußelement 3 verschweißt ist oder an dieser entsprechend vorbereiteten gemeinsamen Kante 7 ein geeigneter keramischer Werkstoff 8 mechanisch eingesetzt oder aufgespritzt ist.
Hierzu 1 Seite Zeichnungen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Eingußelemente zur Bewehrung brennraumseitiger Oberflächenpartien an hochbelasteten Kolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere an thermisch hochbelasteten Kolben für Viertaktdieselmotoren zum Fahrzeugantrieb.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Die thermischen und mechanischen Belastungen von Kolben in Verbrennungsmotoren werden mit der Erhöhung des thermischen Niveaus der brennraumbegrenzenden Bauteile und der spezifischen Motorleistung vergrößert. Die damit bewirkte verbesserte Ausnutzung der im eingesetzten Kraftstoff enthaltenen Energie führt zu derart hohen Kolbenbelastungen, daß Kolbenausfälle infolge thermischer Materialermüdung oder Hochtemperaturkorrosion nach relativ kurzen Motorlaufzeiten nicht zu vermeiden sind. Abhängig vom benutzten Kolbenwerkstoff und der Intensität der Kolbenkühlung treten Maximaltemperaturen bis zu 7000C auf.
Diese aus verbrennungstechnischen Gründen günstigen Temperaturen beseitigen aber an den meisten der bekannten Kolbenwerkstoffe sämtliche Festigkeitsreserven. Bekannte Kompromißlösungen hierzu sind einmal gebaute Kolben konventioneller Art und nach dem Pendelschaftkolbenprinzip. Hierbei wird mit hohem Aufwand an Material- und Arbeitskapazitätseinsatz ein brennraumbegrenzendes Kolbenoberteil aus warmfesten Materialien bei nur begrenzter Kolbenkühlung als Abdichtelement genutzt. Zum anderen eignen sich gegossene Einmetallkolben aus Eisen- oder Leichtmetallwerkstoff dann für solche Einsatzzwecke, wenn ausreichend Kolbenkühlung über entsprechend angeordnete Kühlkanäle gesichert ist. In beiden Fällen wird unabhängig von den hohen Aufwendungen über das Kühlmittel ungenutzte Energie abgeführt. Da das Kühlmittel im Normalfall gleichzeitig Schmiermittel des Motors ist, führen zu hohe Kühlmitteltemperaturen zum so starken Absinken der Viskosität, daß sich im Triebwerk Mischreibungsverhältnisse ausbilden und die Reibverluste angehoben werden.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, den zu seiner Herstellung ökonomischen und zur Energieübertragung günstigen Einmetallkolben in Gußausführung so zu gestalten, da an der brennraumbegrenzenden Kolbenseite das hohe, den Verbrennungsvorgang fördernde und damit energiesparende thermische Niveau erhalten bleibt und dennoch über das derzeitig bekannte Maß hinausreichende Grenznutzungsdauern erreicht werden.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, thermisch und mechanisch hochbelastete Kolben in gegossener Einmetallausführung im Bereich ihrer brennraumseitigen Oberfläche soweit zu entlasten, daß durch den verbleibenden Belastungskomplex der Kolbengrundkörper nicht mehr gefährdet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe folgendermaßen gelöst: Die insbesondere thermisch hochbelasteten Bereich am Kolben, die infolgedessen durch hohe Festigkeitsverluste im Kolbenwerkstoff gekennzeichnet sind, werden durch ein im Umgußverfahren eingebrachtes, in Form und Abmessung festgelegtes Eingußelement ersetzt, so daß dieses Eingußelement isoliert von mechanischen Spannungen hohe Temperaturen aufnimmt. Form und Abmessungen des erfindungsgemäßen Eingußelementes sind Funktionen von Kolbenmaximaltemperatur t und Kolbennenndurchmesser DK. Werden weiter durch
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