DE2507899C3 - Leichtmetallkolben fur Dieselbrennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Leichtmetallkolben für Dieselbrennkraftmaschinen mit einem mit einer Harteloxalschicht überzogenen Kolbenboden und einer im Kolbenboden angebrachten Brennraummulde, einer im Randbereich der Brennraummulde angeordneten Schnaupe und/oder im Kolbenboden angebrachten Ventiltaschenverschneidungen.

Bei vorzugsweise schnell laufenden 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 Vergleichskolbens 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 oft nicht ausreicht und demzufolge Wärmerisse am Kolbenboden entstehen können. Insbesondere führen örtlich starke Überhitzungen z. B. unter Verbrennungskammern zu An- und Ausschmelzungen am Kolbenboden. Gegen Wärmerisse und Ausschmelzungen sind folgende Maßnahmen bekannt.

a) Niedrighalten der Kolbenbodentemperaturen in für den Leichtmetallwerkstoff erträglichen Grenzen durch Spritzkühlung des Kolbenboden 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 Veibrer.nungsgase 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 Dieselbrennkraftmaschinen insbesondere mit Direkteinspritzung vom Rand der Brennraummulde ausgehende thermische Ermüdungsrisse zu vermeiden. Infolge der in der Brennraummulde auftretenden hohen Temperaturen, die mit bis zu 600° C weit über der zulässigen Temperaturbelastung 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 großen Tangentialspannung aus der Temperaturverteilung zu einer 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 plastische Dehnvermögen von Einfluß. Vergleichsversuche haben die Vorteile der eutektischen gegenüber der übereutektischen, die Überlegenheit der gepreßten gegenüber der gegossenen Legierung gezeigt. Versuche, durch gezielte Wärmebehandlung oder durch Oberflächenumformung, z. B. durch Kugelstrahlen, eine Verbesserung der thermischen Ermüdungsfestigkeit zu erzielen, haben nicht zu positiven Ergebnissen geführt.

Die Armierung des Muldenrandes durch Einguß eines nickellegierten Gußeisenringes, der bei Ringträgerkolben über Stege mit dem Ringträger einteilig verbunden sein kann (DE-GM 1890021), schafft für begrenzte Laufzeit Abhilfe. Nach Laufzeiten zwischen 300 und 400000 km werden jedoch Schäden durch Ausbrechen von Teilen des Gußeisenringes beobachtet, der austenitische Werkstoff hat zwar eine geringere Wärmeausdehnung als die Aluminiumlegie-

rung, wird aber wesentlich heißer. Durch bleibende Deformation zeigt sich nach längerem Betrieb eir 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 metallkeramische, 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 Kolbenboden nicht von aus hochtemperaturbeständigen Eisenwerkstoffen wie Stahl oder Grauguß gebildet wird.

Bedeutende Erfolge sind in letzter Zeit mit Kolbenboden, die mit einer HarteloxalscLicht überzogen sind, erzielt worden. Durch eine solche Schicht wird gegenüber dem unbewehrten Kolbenboden eine Laufzeitverlängerung bis zum Anriß um etwa den Faktor 4 erreicht. So weist ein unbewehrter Kolben aus einer Aluminiumpreßlegierung nach ca. 90000 km Fahrstrecke bereits klaffende Muldenrandrisse auf. Der gleiche Kolben, bei dem nach einem speziellen Verfahren der gesamte Kolbenboden harteloxiert ist, ist nach 400000 km noch völlig rißfrei. Die Schutzwirkung der Harteloxalschicht ist gegenüber einer Schädigung der Korngrenzen besonders bei feinem Grundgefüge ausgeprägt.

Da die Harteloxalschicht 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 aut dem mit einer Brennraummulde versehenen Boden eines Leichtmetallkolben 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 in Bolzenrichtung liegenden Bereichen des Randes der Brennraummulde ausgespart ist.

Die Eloxalschicht besteht aus einer vergleichsweise dünnen 35 bis 80 μιη 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 Eloxalschichten 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 Kolbenlegierung AlSiHCuNiMg bestehenden Kolben 1 für Dieselbrennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung, wobei im Kolbenboden 2 eine mit einer Schnaupe 3 versehene Brennraummulde 4 angeordnet ist. Der Kolben 1 ist nur im Bereich der Schnaupe 3 mit einer 40 μηι dicken Harteloxalschicht 5 überzogen.

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 Harteloxalschicht überzogen ist, entscheidend verbessert werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Leichtmetallkolben für Dieselbrennkraftmaschinen mit einem mit einer Harteloxalschicht überzogenen Kolbenboden und einer im Kolbenboden angebrachten Brennraummulde, einer im Randbereich der Brennraummulde angeordneten Schnaupe und/oder im Kolbenboden angebrachten Ventiltaschenverschneidungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Harteloxalschicht (5) in den in Bolzenrichtung liegenden Bereichen des Brennraummuldenrandes ausgespart ist.