DE10025132A1

DE10025132A1 - Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zur Herstellung eines Kolbens

Info

Publication number: DE10025132A1
Application number: DE2000125132
Authority: DE
Inventors: Oliver Sven Schauerte; Klaus Giesen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-05-20
Filing date: 2000-05-20
Publication date: 2001-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen direkteinspritzenden Motor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen direkteinspritzenden Motor. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit geringer Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher spezifischer Steifigkeit bereitzustellen. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass der Kolben (10) ganz oder in Teilen aus einer Titan/Aluminium-Legierung der allgemeinen Formel DOLLAR A Ti¶a¶Al¶b¶X¶c¶ DOLLAR A geformt ist, wobei DOLLAR A - X für ein oder eine Kombination von Zusatzelementen aus der Gruppe Si, B, Mo, Cr, Cu, Mn, Mg, Zn, Ta, Nb steht, DOLLAR A - sich die Stoffmengenverhältnisse der Legierungskomponenten Ti, Al und X auf 100% ergänzen und DOLLAR A - a, b und c so bestimmt sind, dass die Stoffmengenverhältnisse für Titan in einem Bereich von 45 bis 65%, für Alumium in einem Bereich von 35 bis 55% und für die Zusatzelemente in einem Bereich von 0 bis 5% liegen. Die Stoffmengenverhältnisse werden in Abhängigkeit von einer gewünschten spezifischen Steifigkeit des Kolbens und/oder einer Wärmeleitfähigkeit des Kolbens in zum Brennraum gewandten Bereich gewählt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit den im Oberbegriff des Anspruchs 4 genannten Merkmalen.

Kolben bei heutigen Verbrennungskraftmaschinen müssen zumeist mehrere Aufgaben erfüllen, wie beispielsweise:

- die Gaskräfte eines Brenngases auf eine Pleuelstange übertragen;
- als Kreuzkopf die Pleuelstange im Zylinder gerade führen;
- eine bei einer Umsetzung des Zylinderdruckes in eine Stangenkraft entstehende Normalkraft am Zylinderrohr abstützen;
- einen Verbrennungsraum durch Dichtelemente gegen ein Kurbelgehäuse abdichten;
- eine auf den Kolben übertragene Wärme an ein Kühlmittel weiterleiten.

Entsprechend den jeweilig vorliegenden Erfordernissen können Kolbenform, Dichtelemente und so weiter variabel ausgestaltet werden. Die meist angewandten Werkstoffe für derartige Kolben sind aus Grauguss und Aluminium. Gegebenenfalls wird der Kolben zur Erhöhung seiner spezifischen Steifigkeit durch eingegossene Stahlstreifen verstärkt.

Im Zuge fortschreitender Bemühungen, einen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschinen weiter zu reduzieren, sind Einspritz- und Zündsysteme entwickelt worden, mit denen ein Einspritzdruck beziehungsweise ein Zünddruck wesentlich erhöht werden kann. So sind beispielsweise für direkt einspritzende Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere PKW-Dieselmotoren, sogenannte Common-Rail-Technologien oder Pumpe-Düse-Systeme entwickelt worden, mit denen Einspritzdrücke von über 2000 bar und Zünddrücke von über 200 bar erzeugbar sind. Es hat sich jedoch gezeigt, dass mit Kolben basierend auf konventionellen Werkstoffen - selbst unter Verwendung partikelverstärkter übereutektischer Aluminium-Silizium- Legierung - derartigen Bedingungen nicht dauerhaft standgehalten werden kann. Ein Hauptproblem besteht in der geringen spezifischen Steifigkeit des Aluminiums beziehungsweise der genannten Aluminium-Silizium-Legierung bei höheren Temperaturen.

Um dennoch einer weiteren Druckerhöhung und damit einer weiteren Treibstoffverbrauchsminderung Vorschub zu leisten, werden zur Zeit zwei Lösungsansätze verfolgt. Zum einen soll durch eine Verstärkung eines Kolbenbodens eine Kompensation der erhöhten Anforderungen an die Druckbeanspruchung erreicht werden. Dies führt einerseits zu einer deutlichen Gewichtszunahme und erfordert andererseits ein aufwendigeres Layout für eine Kolbenkühlung durch Integration von entsprechenden Kühlkanälen. Bei Verwendung konventioneller Werkstoffe können jedoch maximal Einspritzdrücke bis 2000 bar beziehungsweise Zünddrücke bis 200 bar ertragen werden, ohne dass es zu einer Beschädigung eines Kolbenmuldenrandes kommt.

Zum anderen ist die Verwendung von Stahlkolben - beispielsweise bei stationären oder bei LKW-Dieselmotoren - bekannt. Zwar lässt sich durch die Verwendung von Stahl die Steifigkeit des Kolbens positiv beeinflussen, so dass auch Drücke oberhalb der genannten Grenzen schadlos kompensiert werden können, jedoch führt das erhöhte Eigengewicht der Kolben zu höheren Reibkräften und damit zu einem höheren Kraftstoffverbrauch. Daneben weist Stahl eine hohe Wärmeleitfähigkeit (λ < 70 W/m.K) auf. Dies kann bei Volllast oder bei den bei hohen Drücken bereits deutlich höheren Temperaturen im Brennraum zu einer Ölverkokung an der Kolbenunterseite führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kolben und ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung zu stellen, mit dem die genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere soll der Kolben eine geringe Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher spezifischer Steifigkeit aufweisen. Dieses Ziel soll ohne eine aufwendige Adaption der Kolbenform oder eine Gewichtszunahme des Kolbens erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Kolben einer Verbrennungskraftmaschine mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie das Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens mit den im Anspruch 4 genannten Merkmalen gelöst. Der Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass er ganz oder in Teilen aus einer Titan/Aluminium-Legierung der allgemeinen Formel

Ti_aAl_bX_c

geformt ist, wobei

- X für ein oder eine Kombination von Zusatzelementen aus der Gruppe Si, B, Mo, Cr, Cu, Mn, Mg, Zn, Ta, Nb steht,
- sich die Stoffmengenverhältnisse der Legierungskomponenten Ti, Al und X auf 100% ergänzen und
- a, b und c so bestimmt sind, dass die Stoffmengenverhältnisse für Titan in einem Bereich von 45 bis 65%, für Aluminium in einem Bereich von 35 bis 55% und für die Zusatzelemente in einem Bereich von 0 bis 5% liegen.

Damit können eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe spezifische Steifigkeit des Kolbens ohne wesentliche Gewichtszunahme, teils sogar unter Gewichtsreduktion, realisiert werden. Aufgrund der sehr günstigen spezifischen Steifigkeit der Legierung können die Kolben deutlich dünnwandiger dimensioniert werden, so dass damit auch die im Vergleich zu Aluminium etwas höhere Dichte nicht zu einer Gewichtszunahme führt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Kolben ganz oder in Teilen gießtechnisch, pulvermetallurgisch oder thermomechanisch aus einer Legierung geformt, wobei die Stoffmengenverhältnisse in Abhängigkeit von einer gewünschten spezifischen Steifigkeit des Kolbens und oder einer Wärmeleitfähigkeit λ des Kolbens in zum Brennraum gewandten Bereichen gewählt wird.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Legierung derart ausgewählt, dass die spezifische Steifigkeit des Kolbens Einspritzdrücken von über 1400 bar standhält. Vorzugsweise kann diese Schwelle auf über 1600 bar, insbesondere über 1800 bar, angehoben werden. Alternativ oder in Kombination hierzu können in analoger Weise Zünddrücke für die Auswahl der Legierung herangezogen werden. So kann vorzugsweise der Werkstoff derart bestimmt werden, dass Zünddrücke < 100 bar, vorzugsweise 150 bar, insbesondere < 200 bar, ohne Schädigung ertragen werden. Weiterhin kann die Wärmeleitfähigkeit λ des Kolbens so vorgegeben werden, dass sie zumindest < 70 W/m.K, bevorzugt < 50 W/m.K, insbesondere < 30 W/m.K, beträgt.

Insgesamt kann auf diese Weise eine besonders exakte Adaption des Kolbens an die jeweils im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine herrschenden Verhältnisse erfolgen. So kann beispielsweise durch Erhöhung eines Aluminiumanteils das Kolbengewicht weiter reduziert werden - natürlich unter der Prämisse, dass der Kolben motorspezifischen Maximaldrücken beziehungsweise Brennraumtemperaturen ohne aufwendige Änderung der Kolbenform beziehungsweise einer vorhandenen Kolbenkühlung standhalten kann.

Ferner ist bevorzugt, die Stoffmengenverhältnisse für Titan in einem Bereich von 50 bis 60% und für Aluminium in einem Bereich von 40 bis 50% zu wählen, da sich diese Bereiche besonders günstig mit Hinsicht auf Wärmeleitfähigkeit, Steifigkeit und Gewicht erwiesen haben. Die Bedingungen bei der Herstellung des Kolbens sollen vorzugsweise derart gewählt werden, dass die Legierung vollständig oder zumindest in Teilbereichen vom γ-Titan/Aluminium-Typ ist. γ-Titan/Aluminium-Legierungen besitzen eine besonders hohe Festigkeit, Dauerfestigkeit und Warmfestigkeit.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch einen Kolben für einen Dieselmotor und

Fig. 2 ein Titan/Aluminium-Phasendiagramm.

Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Kolben 10, wie er Verwendung in einem Dieselmotor finden kann. Kolbenform, Lage und Anzahl der verwendeten Dichtelemente 12 sowie Beschaffenheit der verwendeten Werkstoffe können - teils in noch näher erläuterter Weise - den jeweils gegebenen motorspezifischen Erfordernissen angepasst werden. Insbesondere soll eine Adaption mit Hinsicht auf den Einsatz einer Common-Rail-Technologie oder eines Pumpe-Düse- Systems erfolgen, bei denen Einspritzdrücke von teils über 2000 bar und Zünddrücke oberhalb von 200 bar erzeugbar sind.

Der Kolben 10 steht in Wirkeingriff mit einer hier nicht dargestellten Pleuelstange. Durch entsprechende Ausgestaltung einer Oberseite 14 des Kolbens 10 kann eine sichere Führung der Pleuelstange im Zylinder sichergestellt werden. Kolbenform und Art der Gaskrafteinleitung über den Kolben 10 in die Pleuelstange hängen stark von einem Brennraum - und damit von einer Kolbenbodenform - sowie vom angewendeten Verbrennungsverfahren ab. Allgemein besteht die Forderung, die auftretenden Kräfte beziehungsweise die am Kolben auftretenden Temperaturen unter der Prämisse eines möglichst geringen Kolbengewichtes durch sorgfältige Dimensionierung des Kolbens 10, eines Kolbenbolzens und einer Kolbenbolzenlagerung zu kompensieren.

Die Dichtelemente 12 dienen der Abdichtung eines Verbrennungsraumes gegen ein Kurbelgehäuse des Dieselmotors. Hierbei sind - in diesem Falle exemplarisch dargestellt - insgesamt drei Kolbenringe 16, 18, 20 in den entsprechenden Rinnen des Kolbens 10 angeordnet. Zumeist dienen die beiden oberen Kolbenringe 16, 18 einer Gasabdichtung. Der untere Kolbenring 20 dient im Allgemeinen als Ölabstreifring. Derartige Dichtelemente 12 lassen sich in Form, Anzahl und Lage den einzelnen motorspezifischen Erfordernissen anpassen, wobei auf bewährte Lösungen des Standes der Technik zurückgegriffen werden kann.

Um besonders hohen Einspritzdrücken, Zünddrücken und Temperaturen standhalten zu können, ist der Kolben 10 aus einer Titan/Aluminium-Legierung der allgemeinen Formel

Ti_aAl_bX_c

geformt. Dabei steht X für ein oder eine Kombination von Zusatzelementen, die der Legierung zugefügt werden und lässt sich aus der Gruppe Si, B, Mo, Cr, Cu, Mn, Mg, Zn, Ta, Nb auswählen. Insgesamt müssen die Stoffmengenverhältnisse der Legierungskomponenten so gewählt werden, dass sie sich auf 100% ergänzen. Dabei sind a, b und c so bestimmt, dass die Stoffmengenverhältnisse für Titan in einem Bereich von 45 bis 65%, für Aluminium in einem Bereich von 35 bis 55% und für die Zusatzelemente in einem Bereich von 0 bis 5% liegen. Da sich das aufgezeigte Legierungssystem durch eine sehr hohe Steifigkeit auszeichnet, kann der Kolben 10 relativ dünnwandig dimensioniert werden, so dass das Kolbengewicht auch bei sehr hohen Anforderungen an die Druckbeanspruchung niedrig gehalten werden kann.

Die Stoffmengenverhältnisse der Legierungskomponente können jeweils in Abhängigkeit von der gewünschten spezifischen Steifigkeit des Kolbens 10 und/oder seiner Wärmeleitfähigkeit λ in zum Brennraum gewandten Bereichen gewählt werden. Dabei ist auch eine heterogene Zusammensetzung des Kolbens 10 denkbar. So zeigt die hier dargestellte Ausführungsform einen brennraumseitigen Bereich 22 und einen hiervon abgewandten Bereich 24, die unter Rücksicht auf verschiedene Kriterien optimiert wurden.

Die im Bereich 22 eingesetzte Legierung soll eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit λ besitzen. Durch entsprechende Auswahl der Legierungskomponenten kann beispielsweise λ in diesem Bereich < 50 W/m.K, insbesondere < 30 W/m.K, betragen. Für den Bereich 24 besteht dagegen das Erfordernis, eine möglichst hohe spezifische Steifigkeit des Kolbens 10 zu gewähren. So sind beispielsweise an dieser Stelle Legierungen bevorzugt, die es ermöglichen, dass der Kolben 10 noch Einspritzdrücken oberhalb von 1600 bar, insbesondere oberhalb von 1800 bar, beziehungsweise Zünddrücken oberhalb von 150 bar, insbesondere 200 bar, standhält. Besonders hohe spezifische Steifigkeiten können dabei durch Stoffmengenverhältnisse für Titan in einem Bereich von 50 bis 60% und für Aluminium in einem Bereich von 40 bis 50% erzielt werden. Die Auswahl der jeweiligen Stoffmengenverhältnisse für die Bereiche 22, 24 erfolgt demnach in Abhängigkeit von der gewünschten spezifischen Steifigkeit und unter der Wärmeleitfähigkeit λ.

Bei Herstellung eines solchen Kolbens können gießtechnische, pulvermetallurgische oder thermomechanische Verfahren genutzt werden. Da sich Legierungen vom γ- Titan/Aluminium-Typ als besonders vorteilhaft erwiesen haben, müssen die Herstellungsbedingungen beziehungsweise die Stoffmengenverhältnisse der Legierungskomponenten entsprechend angepasst werden. So zeigt die Fig. 2 ein Phasendiagramm für Titan und Aluminium. Im Allgemeinen versteht man unter den sogenannten γ-Aluminiden Legierungen, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung im (α₂+γ)-Feld liegen. Unabhängig von der Fertigungsroute weisen aus diesen Werkstoffen gefertigte Komponenten eine zwei- oder mehrphasige Mikrostruktur auf (im Wesentlichen bestehend aus der α₂-Ti₃Al- und der γ-TiAl-Phase).

Eine Dotierung der Zusatzelemente kann ebenfalls unter Berücksichtigung oben genannter Randbedingungen erfolgen. So kann beispielsweise durch Zusatz von Cu, Zn oder Mg die Festigkeit erhöht werden. Hohe Korrosionsbeständigkeit und schlechte Wärmeleitfähigkeit zeigen häufig Dotierung mit Si.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Kolben

12

Dichtelemente

14

Oberseite des Kolbens

16

Kolbenring

18

Kolbenring

20

Kolbenring

22

Bereich, brennraumseitig

24

Bereich, von

22

abgewandt
λ Wärmeleitfähigkeit

Claims

1. Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen direkteinspritzenden Motor, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) ganz oder in Teilen aus einer Titan/Aluminium-Legierung der allgemeinen Formel
Ti_aAl_bX_c
geformt ist, wobei
X für ein oder eine Kombination von Zusatzelementen aus der Gruppe Si, B, Mo, Cr, Cu, Mn, Mg, Zn, Ta, Nb steht,
sich die Stoffmengenverhältnisse der Legierungskomponenten Ti, Al und X auf 100% ergänzen und
a, b und c so bestimmt sind, dass die Stoffmengenverhältnisse für Titan in einem Bereich von 45 bis 65%, für Aluminium in einem Bereich von 35 bis 55% und für die Zusatzelemente in einem Bereich von 0 bis 5% liegen.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffmengenverhältnisse für Titan in einem Bereich von 50 bis 60% und für Aluminium in einem Bereich von 40 bis 50% liegen.

3. Kolben nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung vollständig oder in Teilbereichen vom γ-Titan/Aluminium-Typ ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen direkteinspritzenden Motor, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) ganz oder in Teilen gießtechnisch, pulvermetallurgisch oder thermomechanisch aus einer Titan/Aluminium-Legierung der allgemeinen Formel
Ti_aAl_bX_c
geformt wird, wobei
X für ein oder eine Kombination von Zusatzelementen aus der Gruppe Si, B, Mo, Cr, Cu, Mn, Mg, Zn, Ta, Nb steht,
sich die Stoffmengenverhältnisse der Legierungskomponenten Ti, Al und X auf 100% ergänzen,
a, b und c so bestimmt sind, dass die Stoffmengenverhältnisse für Titan in einem Bereich von 45 bis 65%, für Aluminium in einem Bereich von 35 bis 55% und für die Zusatzelemente in einem Bereich von 0 bis 5% liegen und
die Stoffmengenverhältnisse in Abhängigkeit von einer gewünschten spezifischen Steifigkeit des Kolbens (10) und/oder einer Wärmeleitfähigkeit (λ) des Kolbens (10) in zum Brennraum gewandten Bereichen (22) gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung so gewählt wird, dass die spezifische Steifigkeit des Kolbens (10) Einspritzdrücken < 1400 bar standhält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswahl der Legierung Einspritzdrücke < 1600 bar, insbesondere < 1800 bar, ohne Schädigung ertragen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung so gewählt wird, dass die spezifische Steifigkeit des Kolbens (10) Zünddrücken < 100 bar standhält.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswahl der Legierung Zünddrücke < 150 bar, insbesondere < 200 bar, ohne Schädigung ertragen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung so gewählt wird, dass die Wärmeleitfähigkeit (λ) des Kolbens (10) in zum Brennraum gewandten Bereichen (22) < 70 W/m.K beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswahl der Legierung die Wärmeleitfähigkeit (λ) in zum Brennraum gewandten Bereichen (22) des Kolbens (10) < 50 W/m.K, insbesondere < 30 W/m.K, beträgt.