DE2339071A1

DE2339071A1 - Dichtvorrichtung fuer rotationskolbenmotoren

Info

Publication number: DE2339071A1
Application number: DE2339071A
Authority: DE
Inventors: Kazumasa Miura; Yoshikatsu Nakamura; Takao Sasame; Kentaro Takahashi
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1972-08-03
Filing date: 1973-08-02
Publication date: 1974-02-21
Also published as: FR2195312A5; DE2339071C3; US3890070A; DE2339071B2; JPS4933020A; JPS513841B2; GB1409477A; IT990097B

Description

31. Juli 1973 IG/bü M-3-1OO84M

.NlPPOJM PISi¹OJJ RlMQ CO., LTD.

JSo. 1-18, Uchisaiwai-eho 2-chome, Ghiyoda-ku,

Q?okyo, Japan.

Diehtvorrichtung für Rotationskolben-Motoren,

Die Erfindung betrifft eine Sichtvorrichtung für Rotationskolben-Motoren, bestehend aus der Scheiteldichtung (Dichtleiste des Rotationskolbens) und dem Mantel des Rotationsbrennraums ·

Es sind bereits Kolbenringe bekannt, deren nuten Dichtringe aufweisen, bestehend aus 3?e~0.-Pulver und aus Natriumsilikat als .Bindemittel, wobei die Dichtringe als Einsatzringe durch Sintern dieses Werkstoffes in Hitze hergestellt werden. Hierdurch soll die Abnutzung und der Abrieb am Kolbenring vermindert werden.

Die bekannte Lösung berücksichtigt aber nicht, daß für die Herabsetzung der Abnutzung und des Abriebs gleichzeitig auch der Werkstoff auf der Oberfläche des Mantels des Rotationskolben- Jirennraums zu berücksichtigen ist, bzw. er berücksichtigt nicht eine geeignete Werkstoff-Paarung für Scheiteldichtung und diese Oberfläche.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abnutzung und den Verschleiß bei der Rdbationskolben-Maschine unter .Berücksichtigung dieser Werkstoff-Paarung herabzusetzen, gleichzeitig aber auch das Phänomen des Auftretens der Ratter-Marke zu beseitigen, bzw. zu mindern, welche bekanntlich auf die Unterbrechung des Schmierfilmes zwischen der Scheiteldichtung und dem Brennraum-Gehäuse zurückgeführt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ausgehend von einer Scheiteldichtung aus Eisen oder einem Nichteisenmetall, eine gleitfähige Oberflächenschicht zu schaffen, indem eine Eisenoxyd (,3?eO)-Yerbindung aufgespritzt wird, deren Dicke mehr als 0,1 mm beträgt und dessen Sauerstoffgehalt 15,0 - 30,05 Gewichtsprozent ist, wobei andererseits die Oberfläche des Rotations-Brennraumes hartplatiert ist und eine Härte von mehr als 650 Hv hat.

Der Sauerstoff-Gehalt in der FeO-Verbindung hängt erxg mit der Selbstschmierfähigkeit der Scheiteldichtung zusammen und wird dementsprechend auf den Bereich 15,0 - 30,05 Gewichtsprozent beschränkt.

Die Dicke der aufgespritzten Schicht muß mindestens 0,1 mm betragen. Es ist in überraschender Weise festgestellt worden, daß wenn die Dicke der aufgespritzten Schicht größer als 0,1 mm ist, die erforderliche lebensdauer bzw. Betriebsfestigkeit der Scheiteldichtung (ApexdichtungJ nicht zu erreichen ist. Die obere Grenze der Dicke der aufgespritzten Schicht wird auf vorzugsweise 5 mm oder etwas weniger, beschränkt.

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Die harte, auf der GrIeitoberflache des Brenrtraumes gebildete Schicht ist vorzugsweise eine Hartchrom-plattierte Schicht, oder eine .Nickel-plattierte Schicht, enthaltend Siliziumkarbide oder ähnliche harte Teilchen, und die Hv-Härte der harten Schicht muß mehr als 650 betragen, um dem Abrieb hinreichend zu widerstehen.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte, fotographische Darstellung der Mikrostruktur der FeO-Verbindung in der aufgespritzten Schicht der Scheiteldichtung.

Pig. 2 eine graphische Darstellung mit dem Vergleich der Yergleichswerte.

Fig. 3 schematisch den Rotations kolben mit seinen

Scheiteldichtungen innerhalb des .Brennraums und

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung der Scheiteldichtung und der Oberfläche des Brennraums, zur Veranschaulichung der erforderlichen Werkstoffpaarung.

In Fig. 1 zeigen die weißen Bereiche die aufgespritzte Schicht aus der FeO-Verbindung, welche Sauerstoff enthält, während die schwarzen Bereiche Leerräume verdeutlichen, die während der Spritzbehandlung in der gespritzten Schicht gebildet sind.

Eine solche Verteilung der Bestandteile in der aufgespritzten Schicht wird gewährleistet, denn sie haben einen ausgezeichneten Widerstand gegpa Abnutzung und Abrieb, da die FeO-Verbindung ausgezeichnete Selbstschmiereigenschaften erhält. Darüberhinaus

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gestatten die in der aufgespritzten Schicht entstehenden Leerräume die Schaffung eines porösen und ölimprägnierenden Gefüges. Da die FeO-Yerbindung in geeigneter Weise zu Tröpfchen während des Spritzvorgangs transferiert wird, da sie einen relativ tiefen Schmelzpunkt hat (etwa bei 15oo°CJ "verketten" sich die gespritzten Partikelchen bzw. haften gegenseitig aneinander, sodaß hierduuh die Härte der gespritzten Schicht vergrößert wird. Deshalb kann die Vergrößerung des Abriebs an der Scheiteldichtung und am Rotations-Brennraum nicht durch das Phänomen des Abschälens eintreten.

Dort, wo die G-Ieitoberflache im Brennraum-Gehäuse hart ist, wird durch diese Werkstoff-Paarung zwischen Scheiteldichtung und Brennraum-Oberfläehe eine überraschend hohe Abriebfestigkeit erzielt, gleichzeitig wird der Widerstand gegen Abnutzung infolge der erhöhten Selbstschmierfähigkeit als auch der Olimprägnierfähigkeit auf der GrIe itoberf lache der Apexdichtung erhöht, sogar dann, wenn der Schmiermittel-Film zwischen Scheiteldichtung und ±$rennraum-Gehäuse unterbrochen würde, sodaß in soweit in überraschender Weise die .Bildung der Ratter-Marke unterdrückt wird.

In Pig. 1 hat die Vergrößerung etwa den Faktor 100, während in Fig. 2 die graphische Darstellung einen Vergleich hinsichtlich der Abnutzung bei der üblichen Werkstoff-Paarung zwischen Dichtleiste und Brennraum-Gehäuse veranschaulicht.

Fig. 3 zeigt das Brennraum-Gehäuse 2 mit zugehöriger Oberfläche 1. Im Brennraum 3 rotiert der Rotationskolben 5, in

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dessen Oberfläche 8 im Bereich der Scheitel die Scheiteldichtungen 9 eingesetzt sind.

Me zugehörige Werkstoff-Paarung ist aus Pig. 4 besser ersichtlich. Das Basismetall 9a trägt die aufgespritzte Oberflächenschicht 9b aus der FeO-Verbindung von dieser Zusammensetzung und insbesondere gemäß dem Gefüge nach Fig. 1 während die Oberflächenschicht 1a des Brennraum-Gehäuses diese hartplattierte Oberfläche mit einer Hv-Härte von mehr als 650 ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand nachfolgender Beispiele erläutert.
Beispiel 1:

Eine FeO-Yerbindung, welche 27,6 Gewichtsprozent Sauerstoff enthält, wurde durch das Plasma-Spritzverfahren auf die Gleitoberfläche der Scheiteldichtung aufgespritzt, welche aus Gußeisen (JIS ΙΌ-25) besteht, um eine 1 mm dicke Schicht zu bilden. Die Härte Hv (30) der hergestellten, aufgespritzten Schicht betrug 7oo.
Die Spritzbedingungen waren die folgenden:

Spritzpistole: Meteco JM Plasma-Spritzpistole !^-Gasdruck: 50 χ 453 gr/2,54 cm²

Hg-Glasflußgeschwin-

digkeit: 150 χ (91)³cm / h.

H₂-Gasdruck: 50 χ 453gr/2,54 cm

Hp-Gasflußgeschwindig-

keit: 10 χ (9D³cm/h

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Elektrische Stromstärke: '500 A Spritzabstand: 4 x 2,54 cm

Andererseits wurde die Gleitoberflache des aus Aluminium bestehenden Rotationsgehäuses dem Hartchromplattieren unterworfen, um eine Schicht von 0,5 mm zu bilden. Die Hv-Härte der Hartchromschicht betrug 950. Die Bedingungen für das Hartchromplattieren sind die folgenden :

Stromdichte: 60 A/dm² Badtemperatur: 6O⁰O

Badzusammensetzung: Chromatanhydrid 250 gr/liter und

Schwefelsäure 2,5 gr/liter.

Die so behandelte Scheiteldichtung und das Brennraumgenäuse wurden miteinander in Wechselwirkung gebracht und diese Werkstoffpaarung wurde im Motor einem Yerschleißwiderstands-Versuch unterworfen.

Kennwerte des Motors:

1. Motorart: wassergekühlte, zwei Drehkolben

aufweisende, innere Brennkraftmaschine .

2. gesamtes Yerdrängungsvolumen: 982 ecm

3. maximale Leistung: 100 PS/7000 U/min.

4· maximales

Drehmoment: 13,5 kgm/3500 U/min.

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Ver Suchsbedingungen:

1. Drehzahl: 2680 ü/min.

2. Aufladedruck: -350 mm Hg

3. Laufzeit: 50 h

Um die Eigenschaften der paarweisen Zusammenwirkung der Werkstoffe der Scheiteldichtung und des Brennraum-Gehäuses gemäß Erfindung mit handelsüblichen Werten zu vergleichen, wurde der gleiche Yerschleißwiderstands-Yersuch an der Bauteil-Paarung untersucht, mit gleichem Brennraum wie in Beispiel 1 und bei einer Scheiteldichtung, bestehend aus Gußeisen, mit folgenden Zusätzen: Kohlenstoff (insgesamt) 3,6 ^, Silizium 2,8 fo, Mangan 0,7 $, Micke! 0,7 ^c/°, Chrom 0,6 fo, Molübden 1,1$, Kupfer 1,0 #, Vanadin 0,2 <f°, mit einer HRB-Härte von 110, und unter gleichen Versuchsbedingungen wie in Beispiel 1.

Die Versuehsergebnisse sind in Mg, 2 dargestellt, wobei die Werte gemäß Mr. 2 das YerSuchsergebnis für die erfindungsgemäße Werkstoff-Paarung, die Werte gemäß Ir. 1 diejenigen der üblichen Paarung angeben.

Aus Pig. 2 ist ersichtlich, daß die Größe des Verschleißes der Scheiteldichtung gemäß Mr. 2 nur etwa 1/7 derjenigen des Wertes bei der Scheiteldichtung nach Fr. 1 beträgt, und daß die Größe des Verschleißes beim Brennraum-Gehäuse nach Mr. 2 lediglich 1/5 derjenigen des Brennraums nach Mr. 1 beträgt, sodaß die erfindungsgemäße Lehre der Werkstoff-Paarung eine außerordentliche Verschleißfestigkeit mit sich bringt.

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Das Phänomen, daß die Ratter-Marke auftritt, konnte bei der erfindungsgemäßen Werkstoff—Paarung nicnt beobachtet werden.

Dann wurde der Versuch auf Abnutzung durchgeführt, indem eine Tersuclisapparatur für bei Rotation auftretende Abnutzung, eingesetzt wurde.

Ein Musterbauteil, versehen mit der aufgespritzten Oberflächenschicht, wurde mit Axialdruck auf eine Drehscheibe aufgebracht, welche in Rotation versetzt war, wobei gleichzeitig Schmieröl zwischen die Oberfläche des Musters und die Oberfläche der Drehscheibe gegeben wurde. Dann wurde die Axiallast des Musters hinsichtlich der Drehscheibe gleichmäßig jede Stunde vergrößert, um die Grenzlast zu ermitteln, bei der Abnutzung eintritt.

VerSuchsbedingungen:

1. Versuchsmuster Ur. 1;

hergestellt durch eine plasmagesprühte Eisenoxyd-Verbindung, mit Sauerstoffgehalt von 27.6 $ auf der Oberfläche von Gußeisen (JIS 3?C-25), mit einer Dicke von 1 mm und der Härte Hv (3Oj von 700.

2. Muster Ur. 2;

mit Zusätzen 3,6 % Kohlenstoff (total), Silizium 2,8 #, Mangan 0,7 1°, !Nickel 0,7 ^, Chrom 0,6 $6, Molübden 1,1$, Kupfer 1,0 ^ und Vanadin 0,2 fo, mit einer Härte HE_B von 110.

3. Drehscheibe;

hergestellt aus Gußeisen (JIS PC-25), deren Oberfläche dem Ohromhartplattieren unterworfen ist und eine Hv-Härte von

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950 aufweist.
4· Temperatur des Schmieröls; 80 C

5. Geschwindigkeit der Schmieröl-Zuführung; 0,6 l/h

6. Schmieröl; Daphni Öl JMr„ 65 50 fo und Lampenöl 50 fo,

7. Laufzeit;

jeweils 1 Stunde bei Lasten 50 kg/cm², 100. kg/cm², 150 kg/cm² und 200 kg/cm².

j?ür Muster JMr. 1 wurde beobachtet, daß hier Abnutzung bei einer

Last von 200 kg/cm auftrat, während bei Muster Hr. 2 die

Abnutzung bereits bei einer Last von nur 50 kg/cm auftrat. Durch dieses Yersuehsergebnis wird deshalb erhärtet, daß die erfindungsgemäße aufgespritzte Schicht einen außerordentlich höheren Abnutzungswiderstand auch unter hoher Last, verglichen mit der bekannten Ausführung, aufweist.

Das .ßasismetall der Scheiteldichtung ist nicht auf Gußeisen beschränkt, sondern kann, je nach Einzelfall, als Aluminium, Kupfer oder ähnlichen Nichteisenmetallen bestehen bzw. diese aufweisen.

Zwar ist die Befindung insbesondere anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele erläutert, jedoch können im Rahmen der erfinderischen Lehre, je nach Einzelfall, äquivalente Abwandlungen vorgenommen werden.

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Claims

31. Juli 1973 IG/Wi N-3-10084M

JNIPPOIi PISiOiM RliMG CO., LTD.
Ansprüche :

ί 1.iDichtvorrichtung für Rotationskolben-Motoren, "bestehend aus mindestens einer Scheiteldiohtung (Dichtleiste des Rotationskolbens.) und dem Hantel des Rotations-Jirennraums, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Scheiteldichtung mit einem Basismetall (9a) aus Eisen oder einem Nichteisenmetall, auf diesen eine,mehr als 0,1 mm dicke Schicht (9b) aufgebracht ist, hergestellt durch Aufsprühen bzw. Aufspritzen einer Eisenoxyd (EeO) -Verbindung, welche einen Sauerstoffgehalt von 15,0 - 30,05 Gewichtsprozent hat, und daß ferner das Rotations-Gehäuse (2) eine hartplattierte Oberflächenschicht (1a) hat, deren Härte Hv mehr als 650 beträgt.

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