DE19514416A1

DE19514416A1 - Kolbeneinheit in einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19514416A1
Application number: DE19514416A
Authority: DE
Inventors: Tomohiro Sawada; Shuji Inoue; Yuji Kato
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1994-04-20
Filing date: 1995-04-19
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2015-04-20
Also published as: DE19514416C2; JPH07293325A; US5601010A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kolbeneinheit, die in einer Brennkraftmaschine verwendet wird und keinen Zwischenflächenriß zwischen einem Kolben und seinem verschleißfesten Ring verursacht.

Bezogen auf Fig. 3 hat ein Zylinder 7 einer Verbrennungskammer 70 in einer Brennkraftmaschine eine darin angeordnete Kolbeneinheit 9, die in der Verbrennungskammer 70 auf 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 anspruchsvoller Betriebsbedingung vor Verschleiß geschützt ist.

Bislang ist ein herkömmlicher verschleißfester Ring 910 für die Anwendung vorgeschlagen worden, beispielsweise eine Nickelbasislegierung (japanische Patentveröffentlichung Nr. 69226 (1992)), Gußeisen und dergleichen.

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 (Härten, Weichglühen), 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.

Die einen keramischen verschleißfesten Ring verwendende Kolbeneinheit ist zudem in der offengelegten Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 29041 (1986) 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, in einer Brennkraftmaschine verwendete Kolbeneinheit zu schaffen, die einen Zwischenflächenriß zwischen einem Kolben und seinem verschleißfesten Ring verhindert, sowie es zu ermöglichen, die T6-Behandlung auf die bei dem Kolben verwendete Aluminiumbasislegierung anzuwenden.

Eine erste Erfindung bezieht sich auf eine Kolbeneinheit für eine Brennkraftmaschine mit einem aus einer Aluminiumbasislegierung gebildeten Kolben und einem 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.

Weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer in einer Brennkraftmaschine verwendeten Kolbeneinheit eines Ausführungsbeispiels 1;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Hauptteils der in der Brennkraftmaschine verwendeten Kolbeneinheit des Ausführungsbeispiels 1;

Fig. 3 eine Ansicht einer herkömmlichen Kolbeneinheit einer Brennkraftmaschine.

Der verschleißfeste Ring der vorliegenden Erfindung 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 20×10^-6 m/m°C festzulegen und die obere Grenze auf 21,5×10^-6 m/m°C festzulegen.

Die vorhergehende Kupfer-Zink-Legierung besteht aus Kupfer, Zink und Aluminium (Cu-Zn-Al), welches bevorzugterweise 57-64 Gew.-% Kupfer, 22-36 Gew.-% Zink und 1,5-5,2 Gew.-% Aluminium enthält (siehe Ausführungsbeispiele).

Wenn der minimale Gewichtsprozentanteil von Kupfer weniger als 57% ist, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des verschleißfesten Rings seine obere Grenze überschreiten; während, wenn der maximale Gewichtsprozentanteil 64% überschreitet, es weniger als seine untere Grenze werden kann.

Wenn der minimale Gewichtsprozentanteil von Zink kleiner als 22% ist, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des verschleißfesten Ringes kleiner als seine untere Grenze werden, während, wenn der maximale Gewichtsprozentanteil 36% überschreitet, er seine obere Grenze überschreiten kann.

Wenn der minimale 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 maximale 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 die Verschleißfestigkeit und Zähigkeit verbessert, da sie 1,5-2,5 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 minimale Gewichtsprozentanteil von Kupfer kleiner als 60% ist, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des verschleißfesten Ringes seine Obergrenze überschreiten; während, wenn der maximale Gewichtsprozentanteil von Kupfer 72% überschreitet, der Wärmeausdehnungskoeffizient kleiner als seine unter Grenze sein kann.

Wenn der minimale Gewichtsprozentanteil von Zink kleiner als 28% ist, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des verschleißfesten Ringes kleiner als seine Untergrenze sein; während, wenn der maximale 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^-6m/m°C.

Eine zweite Erfindung bezieht sich auf eine Kolbeneinheit für eine Brennkraftmaschine mit einem 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 bei der ersten Erfindung beschriebene.

Die bei einer Brennkraftmaschine verwendete Kolbeneinheit der ersten Erfindung 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 der zweiten Erfindung 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 die aus der ersten Erfindung erhaltenen geschaffen werden. Wie vorhergehend erwähnt schafft die vorliegende 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

Ausführungsbeispiel 1

Bezogen auf die Fig. 1 und 2 wird hinsichtlich einer in einer Verbrennungskammer verwendeten Kolbeneinheit gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, besteht eine Kolbeneinheit 10 aus einem Kolben 2, der aus einer Aluminiumbasislegierung gebildet ist, und einem verschleißfesten Ring 1, der mit seiner ersten Ringnut 21 verschmolzen ist.

Der verschleißfeste Ring besteht aus einer Kupfer- Zink-Legierung (siehe Ausführungsbeispiel 2) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 20×10^-6 m/m°C. Dieser dient dazu, die ersten 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 Öltröpfen 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 Verbrennungseffizienz zu erleichtern.

Um den verschleißfesten Ring 1 mit der Kolbeneinheit 10 zu verschmelzen, wird der verschleißfeste Form-Ring 1 in ein Metallformteil angeordnet, in welcher 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 gleichen 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 des Kolbens 2 verbessert wird.

Ausführungsbeispiel 2

Bei diesem 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 Ringe 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 bist 20,8×10^-6 m/m°C verwendet wurde, der nahezu der gleiche wie der für den Kolben verwendeten Aluminiumbasislegierung von 21×10^-6 m/m°C ist.

Es ist eine in einer Brennkraftmaschine verwendete Kolbeneinheit 10 geschaffen worden, bei der kein Zwischenflächenriß zwischen einem Kolben 2 und einem verschleißfesten Ring 1 auftritt und die das Vorsehen einer T6-Behandlung auf eine für den Kolben 2 verwendete Aluminiumbasislegierung gestattet. Die Kolbeneinheit 10 hat einen aus einer Aluminiumbasislegierung gebildeten Kolben 2 und einen verschleißfesten Ring 1, der mit einer ersten Ringnut 21 des Kolbens 2 verschmolzen worden ist. Der verschleißfeste Ring 1 besteht aus einer Kupfer-Zink- Legierung, wobei ihr Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 19,5×10^-6 m/m bis 22,0×10^-6 m/m liegt. Die Kupfer- Zink-Legierung kann 63 Gew.-% Kupfer, 30 Gew.-% Zink, 15 Gew.-% Aluminium und 4% Titan aufweisen oder lediglich 70 Gew.-% Kupfer und 30% Zink aufweisen.

Claims

1. Kolbeneinheit (10) einer Brennkraftmaschine, mit einem Kolben (2), der aus einer Aluminiumbasislegierung gebildet ist, und einem verschleißfesten Ring (1), der mit einer ersten Ringnut (21) des Kolbens (2) bei dessen Ausbildung verschmolzen worden ist, wobei der verschleißfeste Ring (1) aus einer Kupfer-Zink-Legierung besteht, deren Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 19,5×10^-6 m/m°C bis 22,0×10^-6 m/m°C liegt.

2. Kolbeneinheit (10) einer Brennkraftmaschine, mit einem Kolben (2), der aus einer Aluminiumbasislegierung gebildet ist, und einem verschleißfesten Ring (1), der mit einer ersten Ringnut (21) des Kolbens (2) bei dessen Ausbildung verschmolzen worden ist, wobei der verschleißfeste Ring (1) aus einer Kupfer-Zink-Legierung besteht, und zwar mit nahezu dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der der Aluminiumbasislegierung.

3. Kolbeneinheit (10) nach Anspruch 1, wobei die Kupfer- Zink-Legierung 57-64 Gew.-% Kupfer, 22-36 Gew.-% Zink und 1,5-5,2 Gew.-% Aluminium enthält.

4. Kolbeneinheit nach Anspruch 2, wobei die Kupfer- Zinklegierung 57-64 Gew.-% Kupfer, 22-36 Gew.-% Zink und 1,5- 5,2 Gew.-% Aluminium enthält.