DE3201498A1

DE3201498A1 - LIGHT METAL PISTON

Info

Publication number: DE3201498A1
Application number: DE19823201498
Authority: DE
Inventors: Gunder Dipl.-Ing. Dr.-Ing. 7520 Bruchsal Essig; Wilfried Dipl.-Ing. 7107 Neckarsulm Sander; Klaus Dipl.-Ing. 7102 Weinsberg Schellmann; Erich Dipl.-Ing. Dr.-Ing. 7100 Heilbronn Wacker
Original assignee: Karl Schmidt 7107 Neckarsulm GmbH; Karl Schmidt GmbH
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1982-01-20
Filing date: 1982-01-20
Publication date: 1983-07-28
Also published as: DE3381978D1; EP0084385B1; EP0084385A1

Description

LeichtmetallkolbenLight alloy pistons

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere für Otto-Motoren, dessen der Verbrennung ausgesetzten Oberfläche, wenigstens jedoch Kolbenboden und/oder Feuersteg, ganz oder teilweise mit einer Bewehrung versehen sind.The invention relates to a light metal piston for internal combustion engines, in particular for Otto engines, of which the Surface exposed to combustion, but at least piston crown and / or top land, wholly or partially with a Reinforcement are provided.

Steigende Kraftstoffkosten und die gesetzliche Vorschriften, insbesondere hinsichtlich der Abgaszusammensetzung, haben dazu geführt, daß Verbrennungsmotoren bezüglich des Kraftstoffverbrauchs optimal ausgelegt werden, indem unter anderem auch das Verdichtungsverhältnis vergrößert wird, um eine größere Leistung aus Hubraum und Kraftstoffverbrauch und eine unschädliche Zusammensetzung der Abgase zu erzielen. Das hat jedoch zur Folge, daß der Verbrennungsmotor auf Dauer und auch im oberen Bereich seines Last-Drehzahl-Kennfeldes einer das Klopfen erzeugenden Verbrennung unterliegt. Darunter leiden vorzugsweise alle den Brennraum begrenzenden Bauteile des Verbrennungsmotors, insbesondere aber der Leichtmetallkolben, der schon nach relativ kurzer Dauer zerstört wird, indem es, insbesondere in diskreten Bereichen, deren Lage beispeilsweise von der Brennrauraform abhängt, am Kolbenboden und/oder Feuersteg zu kraterähnlichen Materialzerstörungen, wie diese beispielsweise aus der in Figur der ZeichnungenRising fuel costs and the legal regulations, in particular with regard to the exhaust gas composition, internal combustion engines have in terms of the Fuel consumption can be optimally designed by taking among other things also the compression ratio is increased to a higher performance from displacement and fuel consumption and a To achieve harmless composition of the exhaust gases. However, this has the consequence that the internal combustion engine in the long term and also in upper range of its load-speed map is subject to a knocking-generating combustion. Preferably suffer from it all the components of the internal combustion engine that limit the combustion chamber, but in particular the light metal piston, which is already relatively short duration is destroyed by it, in particular in discrete areas, their position, for example, from the Brennrauraform depends, on the piston crown and / or top land to crater-like material destruction, such as this for example from the one in FIG of the drawings

wiedergegebenen fotographischen Aufnahme des Feuerstegs eines
Leichtmetallkolbens zu erkennen sind, kommt. Diese
Materialzerstörungen sind eindeutig auf eine klopfende
Verbrennung zurückzuführen. Das Klopfen im Ottomotor entsteht
dadurch, daß im Endgas - das ist der noch nicht von der
Verbrennung erfaßte Gemischanteil - bedingt durch die Druck- und Temperatursteigerung infolge der Verdichtungsbewegung des Kolbens und die in einem Teil der Ladung bereits abgelaufene Verbrennung thermodynamische und chemische Bedingungen erzeugt werden, die zu einer schlagartigen Freisetzung der im Endgas enthaltenen Energie führen. Dabei werden auf die Brennraumwandungen wirkende typische Druckschwingungen hoher Frequenz gemessen, die dem normalen
Druckverlauf überlagert sind. Auch die an den
Brennraumoberflächen meßbaren Temperaturschwingungen sind bei
klopfender Verbrennung örtlich während des Arbeitsspiels deutlich höher, ohne daß eine Erhöhung z.B. der mittlerenreproduced photographic recording of the top land of a
Light alloy pistons can be seen, comes. These
Material destruction is clearly a knocking
Attributed to combustion. Knocking occurs in the gasoline engine
by the fact that in the end gas - that is not yet from the
Combustion recorded proportion of the mixture - due to the pressure and temperature increase as a result of the compression movement of the piston and the combustion that has already taken place in part of the charge, thermodynamic and chemical conditions are generated which lead to a sudden release of the energy contained in the end gas. Typical high-frequency pressure oscillations that act on the combustion chamber walls are measured, which are normal
Pressure curve are superimposed. Even the ones at the
Temperature fluctuations that can be measured by combustion chamber surfaces are at
knocking combustion locally during the work cycle significantly higher, without an increase, for example, the mean

Kolbenbodentemperatur festgestellt werden kann, die erkennbar die dem geänderten zeitlichem Verlauf der Durchbrennfunktion
entsprechende Temperaturerhöhung übersteigt.Piston crown temperature can be determined, which can be seen from the changed time course of the burn-through function
corresponding temperature increase exceeds.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die einer
klopfenden Verbrennung ausgesetzten Bereiche der Oberfläche eines Leichtmetallkolbens so zu gestalten, daß die durch eine klopfende Verbrennung eintretenden Schaden am Kolben vermieden werden.It is the object of the present invention to provide a
to design areas of the surface of a light metal piston exposed to knocking combustion so that damage to the piston caused by knocking combustion is avoided.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt in der Weise, daß die der
Verbrennung ausgesetzten Oberflächen des Kolbens, wenigstens
jedoch Kolbenboden und/oder der Feuersteg, ganz oder teilweise
erfindungsgemäß mit einer 5 bis 30yum dicken elektrochemisch
abgeschiedenen Eisenschicht bewehrt sind.The solution to this problem is carried out in such a way that the
Combustion-exposed surfaces of the piston, at least
however, the piston crown and / or the top land, in whole or in part
according to the invention with a 5 to 30yum thick electrochemically
deposited iron layer are reinforced.

Im Rahmen der Ausgestaltung der Erfindung kann die Eisenschicht ganz oder teilweise durch eine Nickelschicht ersetzt sein.In the context of the embodiment of the invention, the iron layer can be completely or partially replaced by a nickel layer.

Die Eisenschicht übt in erster Linie eine Abschirmwirkung aus,
indem vor allem die hochfrequenten Temperaturschwingungen sowie korrosive Beanspruchungskomponenten vom Leichtmetall des
Kolbenkörpers ferngehalten werden. Wesentlich ist aber auch, daßThe iron layer primarily has a shielding effect,
by mainly the high-frequency temperature fluctuations as well as corrosive stress components from the light metal of the
Piston body are kept away. But it is also essential that

die Eisenschicht selbst aufgrund ihrer hohen Festigkeit ihres homogenen Aufbaus, der glatten Oberfläche und durch die hohe Haftfestigkeit auf dem Leichtmetall den durch klopfende Verbrennung hervorgerufenen Beanspruchungen standhält. Die Gesamtheit dieser Eigenschaften läßt sich mit anderen Beschichtungen nicht erreichen, so kann beispielsweise eine durch anodische Oxidation auf dem Kolbenboden erzeugte Harteloxalschicht vergleichbarer Dicke (DE-PS 25 07 899), die durch klopfende Verbrennung eintretende Beschädigung des Leichtmetallkolbens nicht verhindern, obwohl die Harteloxalschicht bei Leichtmetallkolben für Dieselmotoren einen Schutz der brennraumseitigen Oberfläche des Kolbens gegenüber thermischen Ermüdungenserscheinungen bewirkt. Eine auf elektrochemischem Wege auf ein Leichtmetallkolben aufgebrachte Kupferschicht zeigt eine vergleichsweise geringere Beschädigung durch klopfende Verbrennung als der unbeschichtete Kolben, löst sich jedoch nach kurzer Betriebszeit infolge nicht ausreichender Haftfestigkeit vom Kolbenboden ab. Aus MTZ (Motortechnische Zeitschrift) Nr. 2/1974, Seiten 3-11 ist es bekannt, auf einen •Leichtmetallkolben eine Eisenschicht elektrochemisch abzuscheiden. Dieser Kolben wird in unbewehrten Aluminiumzylinder eingesetzt. Die Eisenschicht ist dabei auf dem Kolbenschaft aufgebracht, die die Aufgabe hat, bei extremen Laufbedingungen unter allen Umständen eine Kontakt zwischen dem Leichtmetall des Zylinders und demjenigen des Kolbens zu vermeiden. Durch die Eisenbeschichtung des Kolbenschaftes wird der Kolbenschaftverschleiß erheblich gesenkt und die Freßneigung zwischen Kolbenschaft und Zylinder sehr stark reduziert. Bei Leichtmetallkolben für luftgekühlte Motoren sind auch Feuersteg und Ringpartie mit einer Eisenschicht versehen, damit das Feuersteg- und Ringfeldspiel zur Erzielung geringen Ölverbrauchs und Gasdurchlasses so angelegt werden können, daß bei stark v-erformter Zylindern ein Anlaufen des Feuerstegs an die Zylinderwand toleriert werden kann.the iron layer itself due to its high strength homogeneous structure, the smooth surface and the high Adhesion to the light metal withstands the stresses caused by knocking combustion. the All of these properties cannot be achieved with other coatings anodic oxidation on the piston crown produced hard anodized layer of comparable thickness (DE-PS 25 07 899), the Do not prevent damage to the light metal piston caused by knocking combustion, although the Hard anodized coating on light metal pistons for diesel engines provides protection for the piston surface on the combustion chamber side causes thermal fatigue. One applied electrochemically to a light metal piston The copper layer shows comparatively less damage from knocking combustion than the uncoated piston that dissolves however, after a short period of operation due to insufficient adhesive strength from the piston crown. From MTZ (Motortechnische Journal) No. 2/1974, pages 3-11, it is known to electrochemically apply an iron layer to a light metal piston to be deposited. This piston is used in unreinforced aluminum cylinders. The iron layer is on the piston skirt applied, which has the task of establishing contact between the light metal of the under extreme running conditions under all circumstances Cylinder and that of the piston. Due to the iron coating of the piston skirt, the Piston skirt wear is significantly reduced and the tendency to seize greatly reduced between the piston skirt and cylinder. In the case of light metal pistons for air-cooled engines, there are also top land and ring belt provided with an iron layer, so that the top land and ring field game to achieve low oil consumption and gas passage can be created in such a way that if the cylinder is strongly v-shaped, the top land runs against the Cylinder wall can be tolerated.

Die in den Zeichnungen dargestellte Erfindung wird nachfolgend beispielhaft erläutert.The invention shown in the drawings is explained below by way of example.

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Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht sowie einen Teillängsschnitt und Fig. 3 eine Draufsicht auf den Kolbenboden 1 des Leichtmetallkolbens 2, dessen Feuersteg 3 und Kolbenboden 1 mit einer 20 um dicken elektrochemisch abgeschiedenen Eisenschicht 4 überzogen sind. Der von der Eisenschicht bedeckte Oberflächenbereich ist in der Draufsicht durch Kreuzschraffur gekennzeichnet.FIG. 2 shows a front view and a partial longitudinal section and FIG. 3 shows a plan view of the piston head 1 of the Light metal piston 2, its top land 3 and piston crown 1 with a 20 μm thick electrochemically deposited iron layer 4 are coated. The surface area covered by the iron layer is shown in the plan view by cross-hatching marked.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausschnitt des Kolbenkopfes 5 des Längsschnitts durch einen Leichtmetallkolben sind der Kolbenboden 6, der Feuersteg 7, die kolbenbodenseitige Flanke 8 der ersten Ringnute 9 sowie der Ringnutengrund 10 mit einer Eisenschicht 11 überzogen.In the detail of the piston head 5 shown in FIG. 4 of the longitudinal section through a light metal piston, the Piston crown 6, the top land 7, the piston crown-side flank 8 of the first annular groove 9 and the annular groove base 10 with a Iron layer 11 coated.

Die Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt des Kolbenkopfes 12 des Längsschnitts durch einen Leichtmetallkolben von dem in Fig. 6 eine ausschnittsweise Draufsicht auf den Kolbenboden 13 dargestellt ist. Der mit einer Mulde 14 versehene Kolbenboden 13 ist nur in seinem Randbereich und der Feuersteg 15 nur in seinem kolbenbodenseitigen Bereich mit einer Eisenschicht 16 bewehrt.FIG. 5 shows a detail of the piston head 12 of the longitudinal section through a light metal piston of the one in FIG. 6 a partial plan view of the piston head 13 is shown. The piston head 13 provided with a depression 14 is reinforced with an iron layer 16 only in its edge area and the top land 15 only in its piston bottom-side area.

Bei dem in Fig. 7 wiedergegebenen Längsschnitt entlang der Schnittlinie I-I der Fig. 8, die eine Draufsicht auf den Kolbenboden 18 durch den Kopf 17 eines Leichtmetallkolbens zeigt, ist die auf den Kolbenboden 19 und den Feuersteg 19 abgeschiedene Eisenschicht 20 durch nachträgliches Anbringen der Mulde 21 und der Ventiltaschen 22, 23 abgetragen.In the shown in Fig. 7 longitudinal section along the section line I-I of FIG. 8, which is a plan view of the Piston crown 18 shows through head 17 of a light metal piston, is that which is deposited on piston crown 19 and top land 19 The iron layer 20 is removed by subsequently attaching the trough 21 and the valve pockets 22, 23.

In einem Versuchsverbrennungsmotor, der reproduzierbar mit klopfender Verbrennung gefahren wurde, wurden mit einer Eisenschicht am Kolbenboden und Feuersteg versehene Leichtmetallkolben in einem Satz zusammen mit unbeschichteten Leichtmetallkolben über mehr a]s 60 Stunden erprobt. Während die unbeschichteten Leichtmetallkolben nach jeweils etwa 12 Stunden Laufdauer erhebliche Materialzerstörunyen am Kolbenboden aufwiesen und ausgewechselt werden mußten, konnte an den mit einer Eisenschicht am Kolbenboden versehenen Leichtmetallkolben keinerlei Veränderungen festgestellt werden.In a test internal combustion engine that was run reproducibly with knocking combustion, were with a Iron layer on the piston crown and top land provided light metal pistons in one set together with uncoated Light alloy pistons tested for more than 60 hours. While the uncoated light metal pistons after each about 12 hours Running time showed considerable material destruction on the piston crown and had to be replaced, could be with the an iron layer on the piston crown provided no changes in the light metal piston.

Claims

PATENT CLAIMS

Light metal pistons for internal combustion engines, especially for Otto engines, the surfaces of which are exposed to combustion on the combustion chamber side, but at least the piston crown (1, 6, 13, 18) and / or top land (3, 7, 15, 19), completely or partially reinforced are, characterized in that the reinforcement consists of a 5 to 30 µm thick electrochemically deposited iron layer (4, 11, 16, 20).

Light metal piston according to Claim 1, characterized in that the iron layer can be completely or partially replaced by a nickel layer.