DE3119113C2

DE3119113C2 - Leichtmetallkolben mit Brennraummulde für Nutzkraftwagen-Dieselmotoren

Info

Publication number: DE3119113C2
Application number: DE3119113A
Authority: DE
Inventors: Werner Ing.(grad.) 7170 Bad Friedrichshall Steidle
Original assignee: Karl Schmidt 7107 Neckarsulm De GmbH; Karl Schmidt 7107 Neckarsulm GmbH
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1981-05-14
Filing date: 1981-05-14
Publication date: 1984-03-22
Also published as: DE3119113A1

Abstract

Bei Leichtmetallkolben mit im Kolbenboden angeordneter Brennraummulde ist deren Rand durch ein über eine intermetallische Zwischenschicht mit dem Kolbengrundkörper verbundenes aus einer Kupferlegierung bestehendes Einsatzteil bewehrt. Um im Motorbetrieb eine Zerstörung der intermetallischen Zwischenschicht zu vermeiden, ist das Einsatzteil mit einer chemisch oder galvanisch abgeschiedenen Eisenschicht überzogen und weist beidseitig der Pleuelgeschwindigkeit eine vom Kolbenboden her angebrachte, sich über seine Breite erstreckende und mit Leichtmetallkolbenwerkstoff ausgefüllte Ausnehmung auf, wobei der Kolbenboden in diesen Bereichen mit einer Harteloxalschicht abgedeckt ist.

Description

S3

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Nutzkraftwagen-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und im Kolbenboden angeordneter Brennraummuide, 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 ·>ί

Infolge der Leistungssteigerung bei Nutzkraftwagen-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 Brennraummuide, insbesondere wenn die Brennraummuide sehr tief oder hinterschnitten ist, einem kritischen Beanspruchungszustand. Durch die beschleunigte Gasströmung ist der Wärmeübergang in dieser Zone verstärkt, die Wärmeleitung ist aber, vor «1 allem bei kleinem Muldenöffnungswinkel, behindert. Dadurch steigt die Temperatur des Muldenrandes und führt zusammen mit der großen Tangentialspannung aus der Temperaturverteilung zu einer überelastischen Beanspruchung. *>ί

Bei Abkühlung durch Laständerung oder Abstellen des Motors bilden sich Zugeigenspannungen aus. Findet dieser Vorgang häufig statt, was bei Fahr/eugmotoren 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 Auflegierungen mittels Ladungtirägerstrahlen 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 E;nguß 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 Brennraummuide, 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 £-Model 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 stamre-nden Spannungen auswirken. Im Normalfall ist der Spannungszustand am Kolben so ausgebildet, daß in L'mfangsrichtung am Rand der Brennraummuide in Richtung der Bolzenachse Zugspannungen und senkrecht dazu in Richtung der Pleuelschwingebene Druckspannungen auftreten. Der Null-Durchgang der Spannungen liegt im Bereich von 45°. Die in Richtung der Pleuelschwingungen auftretenden Druckspannungen sind in aller Regel immer größer als die in Richtung der Bolzenachse herrschenden Zugspannungen. Die bekannten Thermoschockrisse am Rand der Brennraummuide 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 Zischenschicht beträgt 40 bis 60 N/mm³.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindungen, bei einem Leichtmetallkolben der eingangs beschriebenen Bauart das den Rand der Brennraummuide 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 45°.

Das Einsatzteil besteht vorzugsweise aus einer Kupferlegierung, deren Ausdehnungskoeffizient in der Nähe desjenigen des Leichtmetall-Kolbenwerkstoffs Hegt, 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. 2"

Nach einem besonderer. Merkmal der Erfindung ist das Einsatzteii über eine nach dem Al-Fin-V'-rfahren hergestellte Verbundgußschicht mit dem Kolbengrundkörper verbunden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen 2ί 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 bean- jo spruchbar ist. Da die in Richtung Pleuelschwingebene liegenden, primär Druckspannungen ausgesetzten Muldenrandbereiche kolbenbodenseitig mit einer Eloxalschicht überzogen sind, ergibt sich ein günstigerer Spannungsveriauf. Durch den relativ kleinen Ausdeh- Ji nungskoeffizienten 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 Vi₀ 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 zeigt

F i g. 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 Einsatzteii 4 bewehrt ist, das mit dem Kolbenkörper über eine intermetallische Zwischenschicht verbunden ist. In Richtung der Ebene der Bolzenachse 1 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 45° beidseitig der Pleuelschwingebene erstreckende Ausnehmung 5 besitzt, die mit Kolbenwerkstoff gefüllt ist. Diese Muldenrandbereiche sind zusätzlich noch durch eine Harteloxalschicht 6 abgedeckt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Leichtmetallkolben für Nutzkraftwagen-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und im Kolbenboden angeordneter Brennraummuide, deren Rand ί durch ein über eine intermetallische Zwischenschicht mit dem Kolbengrundkörper verbundenes, aus einer Kupferlegierung bestehendes, ringförmiges Einsatzteil, dessen Therrnoschockbeständigkeit und Festigkeit größer sind als die des Kolbengrund- in körpers, 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. Leicbtnietallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmungen (5) des Einsatzteils (4) beidseitig der Pleuelschwingebene (II) über einen Bereich bis zu 45° erstrecken.

3. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 und

2, dadurch gekennzeichnet daß das Einsatzteil (4) r> aus einer Kupferlegierung des Typs CuCoBe gebildet ist

4. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen I bis

3, dadurch gekennzeichnet ciaß das Einsatzteil (4) über eine nach dem Al-Fin-Verfahren hergestellte h> Verbundgußs.'bicht mit dem Kolbengrundkörper (2) verbunden ist '