DE2408276B2

DE2408276B2 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE2408276B2
Application number: DE19742408276
Authority: DE
Inventors: Peter;Kopp Karl; 7101 Untereisesheim Lutz
Original assignee: Karl Schmidt Gmbh, 7107 Neckarsulm
Priority date: 1974-02-21
Filing date: 1974-02-21
Publication date: 1976-10-14
Also published as: DE2408276A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, deren Zylinder aus einer übereuiektischen zo Aluminium-Silizium-Legierung der Zusammensetzung Ib bis 26% Silizium. 0.5 bis 6% Kupfer sowie 0.08 bis 2.5% von einem oder mehreren der Metalle Eisen. Mangan. Zink. Titan. Rest Aluminium, besteht, wobei mechanisch an ihrer Oberfläche geglättete Primärsiliziumkristalle aus der unbewehrten Lauffläche herausragen.

Aluminiumzylinder für Verbrennungsmotoren haben sich überall dort durchgesetzt, wo Wert auf geringes Gewicht, eine sehr gute Wärmeabfuhr und die Möglichkeit zur wirtschaftlichen Großserienfertigung mit Hilfe des Kokillen- und Druckgießverfahrens gelegt wird. I lauptanwendungsgebietc sind bis jetzt tragbare Vlotoiaggregate, vor allem Baumsägen sowie Mopcds und Motorräder. Bootsmotoren und Ilochleistungs-Motoren für Personenwagen. Aluminium/ylinder und -zylmderblöcke ohne einen besonderen Schutz der Zylinderbohrung haben dabei den Nachteil eines sehr hohen Verschleißes und großer Preßanfälligkeit. Die meenanische festigkeit der im Motorenbau bekannten eutektischcn Aluniinium-.Siliziuni-Legicrung läßt überdies bei höheren Temperaturen zu wünschen übrig, so daß sich bis jetzt derartige imbcwehrtc Aluminiumzylinder nicht durchsetzen konnten. Die Nachteile hoher Verschleiß- und Freßanfälligkeit der unbewehrten Alummiumzy linder wurden durch galvanisch abgeschiedene Chromschichtcn und Nickelschichtcn mit Festsioffeinkigerungcn sowie durch eingegossene und eingepreßte Graugußbüchsen oder durch Strahlspritzschichten ausgeglichen. Diese Bewehrung der AluminiumlaufHächc erhöht jedoch die Herstellungskosten der Aluminiumzylinder durch höhere Material-. Fertigungsund Bearbeitungskosten, die gegenüber dem unbe>vehrten Aluminiumzylinder 20% und mehr betragen können.

Eingegossene oder eingepreßte Graugußbüchsen verschlechtern zusätzlich die Wärmeabfuhr über die Zylinderwand ganz erheblich, bei eingepreßten Büchsen wird der Wärmedurchgang durch die Zylinderwand bei den für luftgekühlten Motoren üblichen Betriebstemperaturen von 200 C und mehr gleich groß, teilweise sogar schlechter als bei einfachen Graugußzylindern.

Der Verschleiß« iderstand von galvanisch aufgebrachten C hromschichten ist im oberen Ringumkehrpunkt des Zylinders für verschiedene Anwendungsfälle zu gering. Deswegen werden oft anstelle der Chromschicht die bereits erwähnten galvanisch aufgebrachten Nickelscliichien mit Silizium- und BorkarbideinUtgerunk'rii verwendet. Diese sehr harten, in die Nickelschicht eingelagerten Karbide dienen dabei als tragendes und verschleißminderndes Gerüst. Die Herstellkosten derartiger Nickelschichten sind jedoch höher als die der üblichen Chromschichten.

Von Bedeutung ist ferner ein aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung des Typs AlSi 17 Cu mit 16 bis 18% Silizium und 4 bis 5% Kupfer bestehender Zylinder ohne speziellen Schutz der Zylinderlaufbahn. Die Zylinderiaufbahn ist nach einem aus der DT-AS 15 21 939 bekannten Oberflächen-Bearbeitungsverfahren hergestellt. Dabei werden die Primärsiliziumkristalle der übereuiekiischen Aluminium-Silizium-Legierung durch Honen der Laufbahnoberflächc mit anschließendem Ätzen freigelegt. In den Zylinderbüchsen laufei: herkömmliche Leichtmetallkolben, deren Schaft mit einer 10 bis JO um dicken Eisenschicht überzogen ist. um einen minimalen Verschleiß and geringe Freßempfindlichkeit (Aluminium 49, 1973. 10. Seite 702) vor allem bei extremen Motorbedingungen, wie z. B. Kalistart bei -30 C sow ic Frcßtests bei erhöhten Temperaturen und damit eine einwandfreie Funktion der Kombination Kolben. Kolbenringe und unbew ehrte Zylinderiaufbahn zu erreichen. Ferner soll sichergestellt sein, daß auf keinen Fall das Aluminium des Zylinders mit dem Aluminium des Kolbens in Berührung kommen kann, um die Freßneigung zu verhindern (Technisches Handbuch Karl Schmidt GmbH. Neckarsulm l%7. Seiten 74'75).

Im Hinblick auf eine weitere Verbesserung der Werkstoffpaarung von Kolben und Zylinder wurde nun gefunden, daß, entgegen der allgemeinen Auffassung, auf das galvanische Auftragen einer dünnen Eisen schicht auf den Schaft des Aiuminiumkolbens verzichtet werden kann, wenn erfindungsgemäß der Kolben au«, einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung des gleichen Typs wie der Zylinder besteht und die gleiche Lauffläche wie bei dem Zylinder angewendet ist. Die Lauffläche wird nach dem gleichen Verfahren mechanisch durch Honen bearbeitet und anschließend chemisch durch Ätzen oder elektrochemisch behandelt. wie es bei der Oberflächenbearbeitung der zugehörigen Zylinderlauffläche angewendet wird.

Die auf diese Weise freigelegten Primärsiliziumkristalle besitzen eine Tragfunktion gegenüber den Primärsiliziumkristallen der Zylinderlaufbahn, so daß es zu einer innigen Berührung zwischen dem Aluminium des Zylinders und des Kolbens nicht kommen kann. Die neben den Primärsiliziumkristallen bestehenden Zwischenräume dienen zur Aufnahme von Verschleißprodukten und als Ölreservoir für die Funktion der unbewehrten Zylinderlaufbahn.

Als übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen kommen solche mit 16 bis 2b% Silizium und 0,5 bis 6% Kupfer sowie Beimengen von Eisen, Nickel. Magnesium. Mangan, Zink und/oder Titan von jeweils 0.08 bis 2,5% in Betracht.

Ausführungsbeispiele

Erste Motorversuche mit einem aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung des Typs AISiI 7Cu4Mg bestehenden Zylinder und einem aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung des Typs AISi25CuNiMg bestehenden Kolben wurden an luftgekühlten Zweitaktmotoren für Kettensägen durchgeführt:
I. Motor A mit einer Literleistung von 63 PS/l bei e'.ncr Maximaldrehzahl von 7200 U/min und einem Zylinderdurchmesser von 52 mm.

2. Motor B mit einer Literleistung von 57 PS/l bei einer Maximaldrehzahl von 7200 D/min und einem Zylinderdurchmesser von 44 mm.

Zu Beginn wurden zur Spielcritimierung zwischen Kolben und Zylinder jeweils 5 Kaltstarts bei - 30^c C mit Kraftstoffüberschwemmung durchgeführt. Nach einwandfreiem Abschluß dieser Kaltstartversuch2 wurde mit dem ,»!eichen Kolben und Zylinder ein Wechsellasthiuf über 50 h durchgeführt. Das Kraftstoff-Öl Mischungsverhältnis war dabei 1 : JO. Zusatzlich wurden die Motoren im praktischen Sägebetrieb über einen längeren Zeitraum geprüft und weitere Sägebetricbs-Simulaiionsprogramme im Motorenprüffeld durchgeführt. Der Wechsellasi/yklus bestand aus 25 min L.auf bei maximalem Moment. 10 min bei erhöhtem Leerlauf von JOOO U/min, 25 min bei maximaler Drehzahl und Vollast sowie 5 min Verweilzeil bei abgestelltem Motor. Es ergab sich ein einwandfreies Aussehen des Kolbens und Z\ linders aus dem Motor Λ nach einem Wechsellastlauf von 22Oh. Die Zylinderlauffläche und kolbenlaufHäche sind vollkommen glatt, ohne Riefen und ohne jegliche Ireßspurcn oder Schmierer. Die Leistung über den ganzen Drohzahlbereieh lag um etwa 5''.'H höher als bei dem verchromten Serien/ylinder. Der spezifische Kraftstoffverbrauch war dementsprechend ebenfalls iierinner als beim Serienzv linder. Der Verschleiß im oberen Ringumkehrpunkt betragt beim Zylinder und dem Kolben nach 50 h Laufzeit entsprechend dem beschriebenen Wechsellastprogramrii 0.5 lim gegenüber 11 um beim verchromten Serienzylinder'.

Das Aussehen des Kolbens und der Zylinderbolmnig aus dem Motor B nach einer i ekl.rprobung von 550 h ist einwandfrei, der Zylinderverschleiß im oberen Ringumkehrpunkt beträgt nach 500 h maximal 2 μηι. die meßbare Sloßspielvergroßerung der SiandarcJgraugußringe liegt bei 0.17 mm. Zwischen 50 h und 22'» Ii Wechsellastlaufzeil steigt der Zylinder- und Kolben\er schleiß nur noch geringfügig um wenige um an. Der Verschleiß der Kolbenringe und ties Kolbenschal icwar kaum meßbar.

Der aus Kolben und Z\linder bestehende Bausatz isi in tier Zeichnung beispielhaft dargestellt:

Die [-i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch Zvlinder und Kolben entlang der Druck (iegendriK k I .bene.

In Fig.2 ist eine ausschnittst eise Vergrößerung ik'^: sich berührenden Laufflächen von Zylinder I ur.d Kolben 2 aus I" i g. 1 gezeigt, wobei durch die Traglunktion der Primiirsiliziutnkrisiallc Ϊ ein als Olreservoir dienender Zwischenraum 4 gebildet ist.

Der mit der Hrfindung erzielte Vuncil besteht insbesondere tiarin, daß der Verschleiß \ erringen und die Obcrflächenbcarbeitunn ties Kolbens vereinfacht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verbrennungskraftmaschine, deren Zylinder aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung der Zusammensetzung 16 bis 26% Silizium, 0,5 bis 6% Kupfer sowie 0.08 bis 2.5% von einem oder mehreren der Metalle Eisen. Nickel. Magnesium. Mangan, Zink und Titan. Rest Aluminium, besieht, wobei mechanisch geglättete Primärsiliziumkristalle aus der unbewehrten Lauffläche herausragen, gekennzeichnet durch die gleichzeitige Anwendung dieser Lauffläche auf den aus der Legierung gleichen Typs bestehenden Kolben.

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