DE3119113A1

DE3119113A1 - Leichtmetallkolben

Info

Publication number: DE3119113A1
Application number: DE19813119113
Authority: DE
Inventors: Werner Ing. Seidle (grad.), 7170 Bad Friedrichshall 2
Original assignee: Karl Schmidt 7107 Neckarsulm GmbH; Karl Schmidt GmbH
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1981-05-14
Filing date: 1981-05-14
Publication date: 1982-12-02
Also published as: DE3119113C2

Description

Leichtmetallkolben
Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für NKW-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und im Kolbenboden angeordneter Brennraummulde, deren Rand durch ein über eine intermetallische Zwischenschicht mit dem Kolbengrundkörper verbundenes, aus einer Kupferlegierung bestehendes ringförmiges Einsatzteil, dessen Thermoschockbeständigkeit und Festigkeit größer sind als die des Kolbengrundkörpers, bewehrt ist.
Infolge der Leistunssteigrun bei NKW-Dieselmotoren unterliegt auch der Boden des Leichtmetallkolbens der vorstehend beschriebenen Bauart sowohl einer erhöhten Beanspruchung durch die mechanische Belastung des Gasdrucks als auch einer erhöhten Belastung durch hohes Temperaturniveau und Spannungen aus dem Temperaturgradienten. Gleichzeitig wird eine weitere Steigerung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer bis weit über die heute übliche Grenze von 400.000 km als Ziel gesetzt. Dabei unterliegt u.a. auch der Rand der Brennraummulde, insbesondere wenn die Brennraummulde sehr tief oder hinterschnitten ist, einem kritischen Beanspruchungszustand. Durch die beschleunigte Gasströmung ist der Wärmeübergang in dieser Zone verstärkt, die ärmeleitung ist aber, vor allem bei kleinem Muldenöffnungswinkel, behindert. Dadurch steigt die Temperatur des Muldenrandes und führt zusammen mit der großen Tangentialspannung aus der Temperaturverteilung zu einer überelastischen Beanspruchunf Bei Abkühlung durch Laständerung; oder Abstellen des loLrs bilden sich Zugeigenspannungen aus. Findet dieser Vorgang häufig statt, was bei Fahrzeugmotoren häufig der Fall ist, dann treten dort 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 sowie durch Verrunden von Kanten und Ventiltaschen entlastet werden.
Versuche, durch gezielte Wärmebehandlung, durch Auflegieren mittels Ladungsträgerstrahlen oder durch Oberflächenumformung, z.B. durch Kugelstrahlen, eine Verbesserung der thermischen Ermüdungsfestigkeit des Muldenrandes zu erzielen, haben nicht zu den erwarteten positiven Ergebnissen geführt.
Die Bewehrung des Muldenrandes durch Einguß eines nickellegierten Gußeisenringes in Spinnenkonstruktion schafft zwar für eine begrenzte Laufzeit Abhilfe, doch nach Laufzeiten zwischen 300.000 und 400.000 km kommt es zwischen dem Gußeisenring und dem Leichtmetall-Grundwerkstoff zur Spaltbildung und zum Wärmestau durch verminderte Wärmeableitung.
Auch aus Kostengründen hat die Bewehrung durch einen Gußeisenring keine weitere Verbreitung gefunden.
Bekannt ist auch (DE-OS 21 36 594) ein Leichtmetallkolben mit Brennraummulde, deren Rand durch ein über eine intermetallische Zwischenschicht mit dem Kolbengrundkörper verbundenes, aus einer Kupferlegierung bestehendes, ringförmiges Einsatzteil gebildet ist. Dieser Vorschlag hat den Nachteil, daß es infolge der durch Gas und Massenkräfte hervorgerufenen unterschiedlichen Durchbiegung zwischen dem Einsatzteil aus hochfestem Material und dem Kolbengrundkörper, insbesondere senkrecht zur Bolzenachse, zu hohen Spannungen in der intermetallischen Zwischenschicht kommt. Da sich der E-Modul der Kupferlegierung des Einsatzteils und der des Leichtmetall-Kolbenwerkstoffs etwa wie 2 : 1 verhalten, kommt es zu Rissen in der intermetallischen Zwischenschicht, wobei sich insbesondere die aus der Gaskraft stammenden Spannungen auswirken Im Normalfall ist der Spannungszustand am Kolben so ausgebildet, daß in Umfangsrichtung am Rand der Brennraummulde in Richtung der Bolzenachse Zugspannungen und senkrecht dazu in Richtung der Pleuelschwingebene Druckspannungen auftreten. Der Null-Durchgang der Spannungen liegt im Bereich von 450 Die in Richtung der Pleuelschwingebene auftretenden Druckspannungen sind in aller Regel immer größer als die in Richtung der Bolzenachse herrschenden Zugspannungen. Die bekannten Thermoschockrisse am Rand der Brennraummulde treten fast ausschließlich in Richtung der Bolzenachse und in Richtung der Pleuelschwingebene auf, weil hier die maximalen Spannungen aus Gas und Massenkräften verlaufen. Durch die Verwendung eines aus einer Kupferlegierung bestehenden Einsatzteiles für die Bewehrung des Brennraummuldenrandes werden die Spannungen vom Muldenrand in die intermetallische Zwischenschicht verlagert und zwar im wesentlichen in Richtung der Pleuelschwingebene, weil hier das Spannungsmaximum liegt. Die maximale Beanspruchbarkeit dieser intermetallischen Zwischenschicht beträgt 40 bis 60 N/mm2 Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Leichtmetallkolben der eingangs beschriebenen Bauart das den Rand der Brennraummulde bewehrende Einsatzteil so anzuordnen bzw. zu gestalten, daß die intermetallische Zwischenschicht nicht zerstört und damit die Gefahr des Lockerwerdens des Einsatzteiles nicht mehr gegeben ist.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß das mit einer chemisch oder galvanisch abgeschiedenen Eisenschicht überzogene Einsatzteil beidseitig der Pleuelschwingebene eine vom Kolbenboden her angebrachte, sich über seine Breite erstreckende mit dem Leichtmetall-Kolbenwerkstoff gefüllte Ausnehmung aufweist und der Kolbenboden in diesem Bereich mit einer Harteloxalschicht abgedeckt ist.
Im Rahmen der besonderen Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die Ausnehmung jeweils beidseitig der Pleuelschwingebene bis in den Bereich von 450.
Das Einsatzteil besteht vorzugsweise aus einer Kupferlegierung, deren Ausdehnungskoeffizient in der Nähe desjenigen des Leichtmetall-Kolbenwerkstoffs liegt, damit hinsichtlich des Spannungsverlaufs, entstehend durch Eigenwärme und mechanische Spannungen, keine wesentlichen Nachteile auftreten.
Als besonders geeignet hat sich eine Kupferlegierung des Typs CuCoBe erwiesen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die in Richtung der Bolzenachse liegenden, im wesentlichen unter Zugspannungen aus der Gaskraft stehenden Muldenrandbereiche hoch belastbar sind, da die dort angeordnete Bewehrung höher als der Leichtmetall-Kolbenwerkstoff beanspruchbar ist. Da die in Richtung Pleuelschwingebene liegenden, primär Druckspannungen ausgesetzten Muldenrandbereiche kolbenbodenseitig mit einer Eloxalschicht überzogen sind, ergibt sich ein günstigerer Spannungsverlauf. Durch den relativ kleinen Ausdehnungskoeffizienten der Eloxalschicht steht diese bei Betriebstemperatur unter Zugspannungen, so daß die dynamische Druckamplitude aus der Gaskraft in Richtung Zug verschoben wird. Die Spannungen in der intermetallischen Zwischenschicht infolge Biegung werden durch die Schwächung des Widerstandsmomentes in Richtung der Pleuelschwingebene auf 1/10 gegenüber dem vollen Kreisring wesentlich verringert. Durch das Umgießen des Einsatzteils in Richtung Pleuelschwingebene besteht eine zusätzliche Sicherung hinsichtlich der Lockerung durch die im Motorbetrieb auftretenden Massenkräfte, Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf den Kolbenboden.
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Kolbenkopf entlang der Ebene der Richtung der Bolzenachse.
Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Kolbenkopf entlang der Pleuelschwingebene.
Im Kolbenboden 1 des aus einer herkömmlichen Aluminium-Kolbenlegierung bestehenden Kolbens 2 befindet sich die Brennraummulde 3, deren Rand mit einem ringförmigen, aus einer Kupferlegierung des Typs CuCoBe bestehenden Einsatzteil 4 bewehrt ist, das mit dem Kolbenkörper über eine intermetallische Zwischenschicht verbunden ist. In Richtung der Ebene der Bolzenachse I ist der Rand der Brennraummulde 3 kolbenbodenseitig durch das Einsatzteil 4 gebildet, während in den in Richtung der Pleuelschwingebene II liegenden Randbereichen der Brennraummulde 3 das Einsatzteil 4 eine sich über seine Breite und über einen Winkelbereich von jeweils 450 beidseitig der Pleuelschwingebene erstreckende Ausdehnung 5 besitzt, die mit Kolbenwerkstoff gefüllt ist. Diese Muldenrandbereiche sind zusätzlich noch durch eine Elarteloxalschicht 6 abgedeckt.
L e e r s e i t e

Claims

PATENTANSPRÜCHE Leichtmetallkolben für NKW-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und im Kolbenboden angeordneter Brennraummulde, deren Rand durch ein über eine intermetallische Zwischenschicht mit dem Kolbengrundkörper verbundenes, aus einer Kupferlegierung bestehendes, ringförmiges Einsatzteil, dessen Thermoschockbeständigkeit und Festigkeit größer sind als die des Kolbengrundkörpers, bewehrt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einer chemisch oder galvanisch abgeschiedenen Eisenschicht überzogene Einsatzteil (4) beidseitig der Pleuelschwingebene (II) eine über seine Breite sich erstreckende, vom Kolbenboden (1) her angebrachte, mit dem Kolbenwerkstoff gefüllte Ausnehmung (5) aufweist und der Kolbenboden in diesen Bereichen mit einer Harteloxalschicht (6) abgedeckt ist.
2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmungen (5) des Einsatzteils (4) beidseitig der Pleuelschwingebene (II) über einen Bereich bis zu 45° erstrecln.
3, Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzteil (4) aus einer Kupferlegierung des Typs CuCoBe gebildet ist.
4. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzteil (4) über eine Al-Fin-Verbundgußschicht mit dem Kolbengrundkörper (2) verbunden ist.