DE19833827C1 - Piston for reciprocating piston engine esp. for high capacity engines - Google Patents

Piston for reciprocating piston engine esp. for high capacity engines

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Abstract

The piston has a piston ring groove (2) with sides protected against wear. At least one of the sides has a reinforcement (3) of ceramic material in the section next to its outer edge. The reinforcement consists of filling in a holder pocket (4) formed by a groove, which is open at the top. It has a width of at least 1.5mm, a depth of max. 2/3 of the groove depth, a thickness of 0.25-0.30mm, and consists of a chrome-ceramic material.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einen Großmotor, mit wenigstens einer einem Kolbenring zugeordneten Kolbenringnut mit gegen Verschleiß geschützten Flanken.The invention relates to a piston for a reciprocating piston internal combustion engine, in particular a large engine with at least one piston ring assigned piston ring groove with flanks protected against wear.

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.It is known (DE 34 05 983 C1), ring groove flanks consisting of hardened steel to provide. However, this measure ranges from a certain amount of the Ignition pressure no longer. The flank load increases with increasing Ignition pressure disproportionately too. In this context, they are also unfavorable low lubrication rates desired today. There is therefore a rapid Flank wear. This applies in particular to the edge area of the ring groove flanks, where experience has shown that the burden is greatest.

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.Attempts have also been made to increase the resistance of the ring groove flanks to increase a coating with chrome (DE 17 84 019 U). This in itself however, wear-resistant material loses its properties at high temperatures Wear resistance. With increasing ignition pressure, however, they also increase Surface pressure and friction and thus material heating. At ignition pressures From 160 bar upwards, the chrome coating mentioned above does not work Improve wear resistance more.

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. Proceeding from this, it is therefore the object of the present invention to provide a Pistons of the type mentioned at the beginning with simple and inexpensive means improve that even at high ignition pressures and high friction a long Lifetime is reached.  

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens eine Flanke im dem äußeren Rand benachbarten Bereich eine aus keramischem Material bestehende Bewehrung aufweist.This object is achieved in that at least one edge in the area adjacent to the outer edge one made of ceramic material has existing reinforcement.

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.Experience has shown that the highest surface pressure occurs in the edge area and thus the highest material heating. In this area it is advantageous hard, ceramic material provided that is insensitive to high Temperatures. The load decreases in the direction of the groove depth. From reinforcement existing ceramic material therefore extends advantageously Way not over the entire flank width, which is a not inconsiderable Material savings result.

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.Advantageous refinements and expedient training of the parent Measures are specified in the subclaims. So the reinforcement expediently as a filling of a groove formed by an outwardly open groove Be receiving pocket designed. This ensures that even in If the reinforcement is not continuous, there is a stepless flank.

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.The width of the reinforcement can advantageously be at least 1.5 mm and correspond to a maximum of 2/3 of the groove depth. This results in a high one Safety against spalling and also keeps material consumption within limits. The width of the reinforcement can expediently be such that it corresponds to the Corresponds to the quotient of the groove height and tang α, where α ≧ 50 °. In this case it is possible to apply the reinforcement using the high-speed spraying method.

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.The thickness of the reinforcement can suitably be in the range between 0.25 and 0.30 mm lie. Experience has shown that this results in a usable stability with little Material consumption.

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. Another advantageous measure can be that the reinforcement is made chrome-ceramic material. Materials of this type have been added Tried and proven to be particularly stable and easy to process.  

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.In further training of the higher-level measures, at least that is Provide a flank away from the combustion chamber with reinforcement. This is the most vulnerable flank. However, it is useful if both sides are provided with reinforcement, which has a particularly long service life can be expected. In further perfection it can be provided that each a flank of the piston ring groove opposite with a reinforcement Piston ring flank is provided with the same reinforcement. This results in advantageously the same material pairings, which is favorable to the Avoiding corrosion.

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.A further advantageous measure can consist in the fact that with several Piston ring grooves arranged one behind the other only those closest to the combustion chamber Piston ring groove has at least one reinforcement. Here, with the least Effort achieved a comparatively high benefit, because in the area of Combustion chamber next piston ring groove the highest load occurs.

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:Further advantageous refinements and practical training of overriding measures are specified in the remaining subclaims and from the example description below with reference to the drawing removable. In the drawing described below:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch das Oberteil eines erfindungsgemäßen Kolbens und Fig. 1 shows an axial section through the upper part of a piston according to the invention and

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der obersten Kolbenringnut der Anordnung gemäß Fig. 1. Fig. 2 is an enlarged illustration of the uppermost piston ring of the assembly of 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. The structure and mode of operation of reciprocating piston internal combustion engines, such as large diesel engines etc., are known per se and therefore do not require any further explanation in the present context. The system of FIG. 1 underlying piston upper part 1 is a wear part which is removably mounted on an associated, not further shown here the lower part. To accommodate a piston ring assembly consisting of a plurality of piston rings arranged one behind the other, the upper part 1 is provided with a plurality of circumferential piston ring grooves 2 offset in the axial direction, in each of which an associated piston ring, not shown here, can be received.

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.The upper part 1 is made of steel. The flanks of the piston ring grooves 2 can be hardened. The flanks of the uppermost piston ring groove 2 , that is to say the closest to the piston ring groove 2 which can be enlarged or reduced by means of the piston, are provided with a reinforcement 3 made of ceramic material. The reinforcement 3 does not go over the entire flank width, but extends only over an area adjacent to the outer edge. The minimum width of reinforcement 3 is 1.5 mm. The maximum width of the reinforcement 3 should not exceed 2/3 of the groove depth or flank width.

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
In the example shown, as indicated by arrows in FIG. 2, the reinforcement 3 is applied as a spray application, with a comparatively steep application angle α of at least 50 ° being provided. Since the reinforcement 3 is sprayed on at a comparatively steep angle α, it can be applied in a high-speed spraying process. The following applies to the width b of the reinforcement 3

b = t/tang α,
b = t / tang α,

wobei
t = lichte Nuthöhe und α ≧ 50°.in which
t = clear groove height and 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.The reinforcement 3 consists of chrome-ceramic material. When using a reinforcement applied in high-speed spraying to 42 Cr Mo 4 V as the base material, e.g. B. 80 Cr 3 , C 2 and / or 20 Ni Cr can be used. It would also be conceivable to apply the reinforcement as an electrolytic deposit. In this case, Cr Al oxides can be used. In any case, it is a chrome-ceramic material that can be expected to have a particularly good stability.

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 the example shown, the reinforcement 3 is designed as the filling of a respectively assigned receiving pocket 4 formed by a groove that is open to the outside. The storage bag or bags 4 are prepared prior to the application of the ceramic material by a grinding or turning operation. After the ceramic material has been applied, the surface is reground using a diamond wheel.

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.In simple cases, it is sufficient if only the flank of the annular groove 2 provided for the reinforcement, which is remote from the combustion chamber, is provided with ceramic reinforcement. In the example shown, both flanks of the uppermost annular groove 2 are provided with reinforcement 3 , which results in particularly high security. Of course, it would also be conceivable to assign a corresponding reinforcement to the downstream piston ring grooves in cases with particularly high loads. To achieve the same material pairings, each flank of a piston ring groove 2 , which is provided with a reinforcement 3 flank of a piston ring groove 2, is appropriately provided with the same reinforcement.

Claims (10)

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.1. Piston for a reciprocating piston machine, in particular a large engine, with at least one piston ring groove ( 2 ) assigned to a piston ring with flanks protected against wear, characterized in that at least one flank in the area adjacent to the outer edge has a reinforcement ( 3 ) made of ceramic material . 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrung (3) als Füllung einer durch eine nach außen offene Nut gebildeten Aufnahmetasche (4) ausgebildet.2. Piston according to claim 1, characterized in that the reinforcement ( 3 ) is designed as a filling of a receiving pocket ( 4 ) formed by an outwardly open groove. 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.3. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the width of the reinforcement ( 3 ) is at least 1.5 mm and corresponds to at most 2/3 of the groove depth. 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.4. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the width of the reinforcement ( 3 ) corresponds to the quotient of the clear height of the annular groove ( 2 ) and tang α, where α ≧ 50 °. 5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Bewehrung (3) 0,25 bis 0,30 mm beträgt.5. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the reinforcement ( 3 ) is 0.25 to 0.30 mm. 6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrung (3) aus chrom-keramischem Material besteht. 6. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the reinforcement ( 3 ) consists of chrome-ceramic material. 7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die brennraumferne Flanke mit einer Bewehrung (3) versehen ist.7. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that at least the flank remote from the combustion chamber is provided with a reinforcement ( 3 ). 8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Flanken mit einer Bewehrung (3) versehen sind.8. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that both flanks are provided with reinforcement ( 3 ). 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.9. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that each one with a reinforcement ( 3 ) provided flank of the piston ring groove ( 2 ) opposite piston ring flank is provided with the same reinforcement. 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.10. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the piston ring groove ( 2 ) closest to the combustion chamber has at least one reinforcement ( 3 ) of a plurality of piston ring grooves ( 2 ) assigned to a piston ring package.
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