DE2507899A1 - Leichtmetallkolben fuer dieselbrennkraftmaschinen - Google Patents
Leichtmetallkolben fuer dieselbrennkraftmaschinenInfo
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Description
KARL SCHMIDT GMBH Frankfurt/Main, den 19. Februar 1975 7.IO7 Neckarsulm DrQ/ms
Chri sti an-Schmidt-Strasse 8/12
Chri sti an-Schmidt-Strasse 8/12
Prov. Nr. 7616 KS
Gegenstand der Erfindung ist ein Leichtmetallkolben, für
Dieselbrennkraftmaschinen mit einer in mit einer Hartelojcalschicht
überzogenen Kolbenboden angebrachten Brennraummulde und/oder einer im Randbereich der Brennraummulde
angeordneten Schnaupe und/oder im Kolbenboden angebrachten Ventil taschenverschneidungen.
Bei vorzugsweise schnellaufenden Dieselbrennkraftmaschinen hat sich der aus Leichtmetall gefertigte Kolben durchgesetzt,
weil Leichtmetallkolben aufgrund ihrer besseren Wärmeleitfähigkeit bei hohen Mitteldrücken eine Temperatur
aufweisen, die wesentlich unter der Temperatur eines Ver-*
gleichskolbens aus Grauguß liegt. Die Verbesserung der
Eigenschaften des Leichtmetalls hat derartige Fortschritte gemacht, daß beim Leichtmetallkolben eine vergleichsweise
gleichmäßige Wärmeverteilung erfolgt, wodurch die inneren Spannungen und damit die Gefahr der Wärmerißbildung gemindert werden. Der Leichtmetallkolben hat ferner den Vorteil,
daß er nur halb so schwer ist wie ein Graugußkolben. Dadurch
sind die bewegten Massen des Motors kleiner und der Massenausgleich einfacher, so daß sich die Möglichkeit zur Erhöhung
der Kolbengeschwindigkeit ergibt.
Bei hochbelasteten Dieselbrennkraftmaschinen sind die Leichtmetallkolben
jedoch relativ hohen Gasdrücken mit entsprechend gesteigerter mechanischer Beanspruchung sowie vermehrtem Wärmeeinfall
mit den damit verbundenen höheren Temperaturen und Spannungen aus den Temperaturgradienten ausgesetzt.
Die Temperaturen liegen im allgemeinen bei etwa 300° C oder
darüber, insbesondere am Kolbenboden, so daß die thermische Belastbarkeit der bekannten Leichtmetallkolbenwerkstoffe
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oft nicht ausreicht und demzufolge Wärmerisse am Kolbenboden
entstehen können. Insbesonderführen örtlich
starke Überhitzungen z.B. unter Verbrennungskammern zu An- und Ausschmelzungen am Kolbenboden. Gegen Wärmerisse
und Aus Schmelzungen sind folgende Maßnahmen bekannt.
a) Niedrighalten der Kolbenbodentemperaturen in für den Leichtmetallwerkstoff erträglichen Grenzen durch Spritzkühlung
des Kolbenbodens oder durch in den Kolbenboden eingegossene von einem Kühlmittel durchströmte Kühlschlangen.
■
b) Auftragen einer hochtemperaturbeständigen Werkstoffschicht mit hoher Zeitstandfestigkeit und hohem
Schmelzpunkt auf den Kolbenboden.
c) Eingießen von Bewehrungsteilen, beispielsweise aus
einem Eisenwerkstoff, an den Rand des Brennraums eines Kolbens für Dieselmotoren mit Direkteinspritzung
oder an den Stellen des Kolbenbodens, bei denen die Gefahr einer starken Überhitzung besteht.
d) Einbau von ventilartigen Einsätzen in durch den Kolbenboden geführte Bohrungen, wobei die Einsätze im Kolbeninneren
verschraubt sind. Hierbei besteht (jedoch der Nachteil, daß bei Beschädigung der Abdichtung zwischen
Einsatz und Bohrung ein Teil der Verbrennungsgase in das Kurbelgehäuse durchbläst.
Durch die vorgenannten Maßnahmen können die Probleme der Warmrissigkeit und der An- oder Ausschmelzungen infolge
thermischer Überbelastung des Leichtmetallkolbens hinreichend gelöst werden.
Diese Maßnahmen reichen aber nicht aus, um bei Kolben für
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Dieselbrennkraftmaschinen insbesondere mit Direkteinspritzung vom Rand der Brennraximmulde ausgehende thermische
Ermüdungsrisse zu vermeiden. Infolge der in der Brennraummulde auftretenden hohen Temperaturen, die mit
bis zu 600 C weit über der zulässigen Temperaturbelasr·
tung der bekannten Leichtmetallkolbenwerkstoffe liegen, unterliegt vorzugsweise der Rand der Brennraummulde einem
kritischen Beanspruchungszustand, insbesondere wenn die Brennraummulde sehr tief oder hinterschnitten ist.
Durch die beschleunigten Gasströme ist der Wärmeübergang in dieser Zone verstärkt, die Wärmeableitung ist'
aber, vor allem bei kleinem Muldenöffnungswinkel behindert. Dadurch steigt die Temperatur des Randes der
Brennraummulde und führt zusammen mit der großenTangentialspannung
aus der Temp era turver teilung zu eine? überelastischen
Beanspruchung. Bei Abkühlung durch Laständerung oder Abstellen der Dieselbrennkraftmaschine bilden sich
Zugeigenspannungen aus. Findet dieser Vorgang häufig statt, wie das bei Fahrzeugmotoren der Fall ist, dann treten
thermische Ermüdungsrisse auf. Diese Risse können sich zu großer Tiefe erweitern und bei Kühlraumkolben in den Hohlraum
hineinlaufen, was zum Durchblasen der Verbrennungsgase führt.
In begrenztem Umfang kann der Muldenrand durch konstruktive
Optimierung -Abbau der Spannungen .aus Gaskraft und
Temperaturverteilung- sowie durch Verrunden von Kanten
und Ventiltaschen entlastet werden. Auf der Werkstoffseite sind neben der Warmfestigkeit vor allem Wärmeausdehnung
und plastisches Dehnvermögen von Einfluß. Vergleichsversuche haben die Vorteile der eutektischen gegenüber
der übereutektisehen, die Überlegenheit der gepreßten
gegenüber der gegossenen Legierung gezeigt. Versuche, durch gezielte Wärmebehandlung oder durch Oberflächenumformung,
ζ..Β. durch Kugelstrahlen, eine Verbesserung der thermisehen
Ermüdungsfestigkeit zu erzielen, haben nicht zu positiven Ergebnissen geführt.
■B 0 9 8 3 7 / 0 U 1 0 _4-
Die Armierung des Muldenrandes durch Einguß eines nickel— legierten Gußeisenringes, der bei Ringträgerkolben über
Stege mit dem Ringträger einteilig verbunden sein kann (DBGM 1 890 021), schafft für begrenzte Laufzeit Abhilfe.
Nach Laufzeiten zwischen 300 und 400 000 km werden Jedoch Schäden durch Ausbrechen von Teilen des
Gußeisenringes beobachtet. Der austenitische Werkstoff
hat zwar eine geringere Wärmeausdehnung als die Aluminiumlegierung, wird aber wesentlich heißer. Durch bleibende
Deformation zeigt sich nach längerem Betrieb ein Spalt
zwischen Einsatz und Kolbenboden. ■ '
Weitere Nachteile einer solchen Muldenbewehrung bestehen in der Schwierigkeit, zur Kolbenkühlung einen Hohlraum in
wirksamer Lage anzubringen, sowie in einem Anwachsen von Gewicht und Herstellungskosten des Kolbens· Auf der Suche
nach Alternativlösungen, welche die genannten Nachteile vermeiden, wurden auch metallische und metellkeramische
auf dem Kolbenboden angebrachte Plasmaspritzschichten
untersucht. Dabei traten Jedoch die Probleme auf, daß gerade
bei scharfen, also gefährdeten Muldenrandformen der Schichtaufbau im Kantenbereich gestört und die Haftfestigkeit
unzureichend ist. Gewichtsgründe sind auch dafür entscheidend, daß der Kolbenbodiicvon aus hochtemperaturbeständigen
Eisenwerkstoffen wie Stahl,oder Grauguß gebildet wird. -
Bedeutende Erfolge sind in letzter Zeit mit Kolbenböden,
die mit einer Harteloxalschicht überzogen sind, erzielt worden. Durch eine solche Schicht wird gegenüber dem uribewehrten
Kolbenboden eine Laufzeitverlängerung bis 'zum Anriss
um etwa den Faktor 4 erreicht. So \*eist ein unbewehrter
Kolben aus einer Aluminiumpresslegierung nach ca. 90 000 km Fahrstrecke bereits klaffende Muldenrandrisse auf. Der gleiche Kolben, bei dem nach einem speziellen Verfahren der gesamte
Kolbenboden harteloxiert ist, ist nach 400 000 km
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noch völlig rissfrei. Die Schutzviirkung der Harteloxalschicht
ist gegenüber einer Schädigung der KorngrenZft-n
besonders bei feinem Grundgefüge ausgeprägt.
Da die Harteloxal schicht nicht aufgetragen·, sondern aus
dem Grundwerkstoff heraus gebildet ist, bestehen keine
Probleme mit der Schichthaftung.
Die Harteloxalschicht versiegelt den Kolbenboden, bietet
einen Korrosions- sowie Oxidationsschutz, bewirkt eine gute Wärmedämmung und beeinflußt jedoch die Festigkeitswerte des Kolbenwerkstoffs nicht. .. ·
Trotz dieser Vorteile wurde festgestellt, daß die Harteloxalschicht
in einigen Bereichen und zwar im wesentlichen in den thermisch hochbelasteten Bereichen des
Kolbenbodens die Rissanfälligkeit verhindert bzw. hinauszögert, jedoch in anderen im wesentlichen in" den durch
Gas und Massenkräfte hochbelasteten Bereichen die Rissanfälligkeit begünstigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Harteloxalschicht auf dem mit einer Brennraummulde versehenen
Boden eines Leichtmetallkolbens in der Weise anzuordnen, daß sowohl die Rissanfälligkeit in den im wesentlichen
thermisch hochbelasteten Bereichen als auch die Rissanfälligkeit in den. im wesentlichen durch Gas und Massenkräfte
hochbelasteten. Bereichen des Kolbenbodens verhindert bzw. hinausgezögert wird.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Harteloxalschicht
in den im wesentlichen durch Gas und Massenkräfte hochbelasteten Bereichen des Kolbenbodens ausgespart ist.
Insbesondere ist die Harteloxal schicht in den Bereichen der
in Bolzenrichtung liegenden Abschnitte des Randes der Brennraummulde ausgespart.
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Bei Leichtmetallkolben, bei denen sich zusätzlich noch Ventiltaschenverschneidungen im Kolbenboden befinden,,
werden zweckmässigerweise auch diese Bereiche nicht mit
einer Harteloxalschicht überzogen.
Eine vorzugsweise Ausbildung der erfindungsgemäß gestalt
teten Harteloxal schicht besteht darin, daß bei einem Leichtmetallkolben für Dieselbrennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung,
dessen im Kolbenboden angebrachte Brennraummulde mit einer Schnaupe versehen.ist, die Harteloxalschicht nur
im Bereich der Schnaupe angebracht ist.
Die Eloxalschicht besteht aus einer vergleichsweise dünnen 35 bis 80/z. dicken, nahezu porenfreien, dielektrischen Sperrschicht
aus reinem Aluminiumoxyd und einer Deckschicht zellenförmiger Struktur aus Aluminiumoxyd und -hydroxyd.
Die Härte der Eloxalschicht liegt zwischen 450 und 550 HV.
Zur Herstellung der Harteloxalschicht gibt es mehrere Verfahren
(Hübner W. u. A. Schildknecht: "Die Praxis der anodischen Oxidation", Aluminium-Verlag, Düsseldorf 1961).
Von den Verfahren zur Bildung normaler Eloxal schichten
unterscheiden sich diese Verfahren durch Elektrolytzusammensetzung, niedrige Elektrolyttemperatur und höhere Stromdichte.
Durch die konstant niedrige Temperatur wird die beim Anodisieren entstehende Wärme.schnell abgeleitet und
die Rücklösung der. Deckschicht wesentlich vermindert, so daß Schichtdicken hoher Härte entstehen.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielhaft dargestellt. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch und Fig. 2 eine
Draufsicht auf einen aus der Kolbenlegitrung AlSi 12CuNiMg bestehenden Kolben 1 für Dieselbrennkraftmaschinen mit
Direkteinspritzung, wobei im Kolbenboden 2 eine mit einer Schnaupe 3 versehene Brennraummulcie 4 angeordnet ist.
Der Kolben 1 ist nur im Bereich der Schnaupe 3 mit einer
40/--dicken Harteloxalschicht 5 überzogen.
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Eine Untersuchung dieses mit der erfindungsgemäß gestalteten Harteloxalschicht am Kolbenboden versehenen Kolbens hat
ergeben, daß die Laufzeit des Kolbens bis zur Warmrissbildung gegenüber einem Leichtmetallkolben, dessen gesamter Kolbenboden
mit einer Harteloxal schicht überzogen ist, entscheidend
verbessert werden kann.
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Claims (5)
- PatentansprücheΊ./Leichtmetallkolben für Dieselbrennkraftmaschinen mit einer in mit einer Harteloxalschicht überzogenen -Kolbenboden angebrachten Brennraummulde und/oder einer im Randbereich der Brennraummulde angeordneten Schnaupe und/oder im Kolbenboden angebrachten Ventiltaschenverschnei,dungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Harteloxalschicht (5) in den im wesentlichen durch Gas und Massenkräfte' hochbelasteten Bereichen des Kolbenbodens.(2) ausgespart ist.
- 2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche der in Bolzenrichtung (6) liegenden Abschnitte des Randes der Brennraummulde (4) von der Harteloxalschicht (5) ausgespart sind.
- 3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Harteloxalschicht (5) im Bereich der Ventiltaschenverschneidungen ausgespart ist.
- 4. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Harteloxal schicht (5) nur im Bereich der Schnaupe (3) angebracht ist.
- 5. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Harteloxal schicht (5) 35 bis 80/Λ beträgt..bü9837/0410
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1976
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Cited By (1)
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