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Kolben für Brennkraftmaschinen
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für Brennkraftmaschinen
mit einem durch Umgießen im metallischen =olbenboden gehaltenen, aus keramischem
Werkstoff bestehenden Einsatz.
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Ee ist bereits bekannt, aus keramischen Materialien bestehende, wärmeisolierende
Einsätze in Kolbenböden von Brennkraftmaschinen vorzusehen. Durch solche Einsätze
soll, unter Ausnutzung der geringen Wärmeleitfähigkeit des verwendeten keramischen
Materials, der Wärmeeinfall in den Kolben und damit dessen thermische Belastung
reduziert werden. Außerdem kann dadurch der thermische Wirkungsgrad des Motors erhöht
und das Betriebsverhalten verbessert werden.
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Schwierigkeiten bereitete jedoch dabei die sichere Befestigung der
Einsätze. Wegen des spröden Verhaltens keramischer Werkstoffe konnte auf herkömmliche
Maßnahmen, wie Verschrauben oder dgl., entweder nicht zurückgegriffen werden oder
aber der Aufwand für die Befestigung wurde sehr hoch. Andere Vorschläge, wie Einsetzen
von vorgeformten Keramikteilen, die auch mit einer metallischen Basis versehen sein
konnten (y-PS 1 327 095), haben bisher nicht zum Erfolg geführt. Weiter sind auch
schon Vorschläge bekannt, keramische Einsätze im Kolbenboden durch Eingießen einzubringen
(DE-PS 725 761). Die dort gezeigten Ausführungen haben jedoch
den
Nachteil, daß bei der Herstellung solcher Kolben infolge der unterschiedlichen Schrumpfung
der Materialien Spalte zwischen dem Keramikeinsatz und dem w gußmaterial entstehen
können, die sich nachteilig auf den Verbrennungsablauf und die Haltbarkeit auswirken.
Bei diesen bekannten Formen treten zudem unzulässig hohe Spannungen auf.
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Moderne Kolben, wie sie z.B. in schnell laufenden Brennkraftmaschinen
von Kraftfahrzeugen verwendet werden, sind üblicherweise aus Aluminiumlegierungen
hergestellt. Beim Vergießen der Aluminiumlegierungen ergibt sich nun beim Abkühlen
eine Schrumpfung, die, wenn sie durch einen starren Körper, wie zum Beispiel durch
einen eingegossenen, keramischen Einsatz, verhindert wird, zu einer örtlichen Uberbeanspruchung
und damit zu einer plastischen Deformation des Gußmaterials führt. Beim Wiedererwärmen
auf die Betriebstemperatur während des Betriebs der Brennkraftmaschine, würde dann
ein Lockern des Einsatzes erfolgen. Dieser Vorgang ist umso kritischer, je kleiner
der Ausdehnungskoeffizient~des keramischen Materials des Einsatzes ist, wobei dieser
jedoch kleiner sein soll als der des metallischen Werkstoffs-des Kolbenbodens, um
einen sicheren Festsitz des Einsatzes in dem Kolbenboden zu gewährleisten.
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Tatsächlich wird jedoch der umgossene Keramikeinsatz nicht starr sein,
sondern sich infolge der Schrumpfkräfte ebenfalls deformieren und dadurch die Spannungen
in dem Umgußmaterial abbauen. Auch im keramischen Einsatz treten damit Spannungen
auf, die bestimmte kritische Werte nicht überschreiten dürfen; auch dürfen etwaige
Deformationen des keramischen Einsatzes nur im elastischen Bereich liegen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, bestimmte
Kriterien und Maßnahmen aufzuzeigen, die es ermöglichen, keramische Isoliereinsätze
in Kolbenböden von Brennkraftmaschinen durch Umgießen sicher einzubringen und deren
beanstandungsfreien Betrieb über lange Laufzeiten zu gewährleisten, wobei
weder
das Umgußmaterial noch das des Isoliereinsatzes zulässige Beanspruchungen überschreiten
darf.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs
1. Erfinderseitig ist nämlich festgestellt worden, daß ein sicherer Festsitz eines
keramischen Einsatzes in einem metallischen, vorzugsweise aus Leichtmetall, wie
Aluminiumlegierungen, bestehenden Kolbenboden erreicht werden kann, wenn der Elastizitätsmodul
des Einsatzwerkstoffes in einer bestimmten Beziehung zu den Ausdehnungskoeffizienten
der Werkstoffe des Umgusses und des Einsatzes steht.
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Die Erfindung schlägt gemäß einer Weiterbildung eine geometrische
Bemessungsregel vor, gemäß der das Verhältnis des Außendurchmessers des metallischen
Kolbenbodens zum Außendurchmesser des keramischen Einsatzes größer sein soll als
eine im wesentlichen von Werkstoffeigenschaften der beiden Materialien abhängige
Beziehung.
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Diese Beziehung gilt dabei sowohl für plattenförmige Vollkörper-Einsätze
als auch für Rohlkörper-Einsätze. Für den Fall, daß der Kolbenboden keinen streng
kreisförmigen Querschnitt aufweist, gilt als Außendurchmesser d ein mittlerer Außendurchmesser.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß
den Unteransprüchen.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt, die im folgenden näher erläutert werden. Dabei zeigen Figur 1 einen
Längsschnitt durch einen Kolben mit einem aus einem plattenförmigen Vollkörper bestehenden
Eeramik-Einsatz, Figur 2 eine Eolbenausführung,ebenfalls im Längsschnitt, bei der
der Einsatz als Hohlkörper ausgebildet ist, Figur 3 eine weitere Variante, bei der
der Einsatz durch einen Ring gebildet ist,
Figur 4 eine Draufsicht
auf einen Kolbenboden mit einem exzentrisch angeordneten Einsatz und Figur 5 einen
Längsschnitt durch einen Kolben, bei dem der Kolbeneinsatz ebenfalls als Hohlkörper
in einer besonderen Ausgestaltung ausgeführt ist.
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In den einzelnen Figuren der Zeichnung sind jeweils gleiche oder
vergleichbare Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden. Dabei ist
mit 1 der Kolben insgesamt und mit 2 dessen im wesentlichen aus einem metallischen
Material, wie beispielsweise einer Aluminiumlegierung,bestehender Kolbenboden bezeichnet,
in den ein aus einem keramischen Werkstoff hergestellter Einsatz 3 durch Umgießen
eingefügt ist. Bei diesem Umgußverfahren wird bei der Herstellung des Kolbens der
Keramik-Einsatzkörper in die Gußform des Kolbens eingelegt und anschließend der
-Abguß vorgenommen. Die metallische Schmelze umschließt dabei den keramischen Einsatz,
der bei Erstarren der Metalischmelze durch Schrumpfsitz fest im Kolbenkörper gehalten
wird.
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Um dabei sicherzustellen, daß weder auf Seiten des metallischen Umgußmaterials
noch auf Seiten des keramischen Werkstoffes des Einsatzes während des Erstarrens
der Metallschmelze unzulässige Beanspruchungen überschritten werden, soll das keramische
Material des Einsatzes folgende Beziehung erfüllen: Eiso ( αUG - αiso)
# # T # 0,45.
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#'Diso In dieser Formel bezeichnet Eiso den Elastizitätsmodul, αiso
den Wärmeausdehnungskoeffizienten und 5 D die Druckfestigkeit des keramischen Werkstoffes
des Einsatzeslg° und dj den Wärmeaus-UG dehnungskoeffizienten des metallischen Materials
des Kolbenbodens 2, wobei diese Werkstoffeigenschaften jeweils bei Umgebungszustand
zu nehmen sind. u 1 gibt schließlich die Temperaturdifferenz zwischen der Erstarrungstemperatur
des metallischen Umgußwerkstoffes und der Umgebungstemperatur an. Außerdem sollte
die Formgebung des Einsatzes bezüglich der Abmessungen des Kolbenbodens bestimmte
Regeln
erfüllen. So sollte insbesondere für das Verhältnis des Außendurchmessers da des
metallischen Kolbenbodens 2 zum Außendurchmesser d des keramischen Einsatzes 3 folgende
Beziehung gelten:
Zusätzlich zu den bisher gegebenen Definitionen bedeuten go,2 noch die 6 0,2-Spannung
des metallischen Materials des Kolbenbodens 2 und d den Innendurchmesser des keramischen
Einsatzes 3.
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Diese Beziehung gilt sowohl für keramische Vollkörpereinsätze, wie
beispielsweise in der Ausführung nach der Figur 1 gezeigt ist, wo ein plattenförmios-
keramischer Einsatz 3a in den Kolbenboden 2 eingelassen ist, wie für rotationssymmetrische,
hohlkörperartige Ausgestaltungen des Einsatzes, wie beispielsweise aus den Figuren
2,3 und 5 hervorgeht. In der Figur 2 ist dabei ein etwa topfförmiger Einsatz 3b
vorgesehen,während die Figur 3 eine Ausführung mit einem ringförmigen Einsatz 3c
zeigt. In der Figur 5 schließlich ist eine Ausführung eines keramischen Einsatzes
3e dargestellt, dessen Innenkontur im Gegensatz zu seiner Außenkontur im Bereich
der mit 10 angegebenen Rotationsachse stark eingezogen ist.
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Figur 4 zeigt die Verhältnisse bei einer exzentrischen Anordnung eines
keramischen Einsatzes 3d, bei dem der Mindestabstand zum Kolbenrand hmin wenigstens
20% der Differenz zwischen dem Kolbendurchmesser da und einem sich bei zentrischer
Anordnung maximal ergebenden Einsatzdurchmesser d betragen soll. Der angegebene
Grenzwert von 20% des normalen Mindestabstandes hmin = da - d ergibt sich min a
dabei bei einem Verhältnis von d = 0,5, wobei d* der tatsächliche Einsatzdurchmesser
ist.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Gestaltung der Außenkontur
des Isoliereinsatzes. Um einen sicheren Festsitz ohne die Gefahr der Lösung von
dem Umgußmaterial zu erreichen, muß die
Außenkontur des rotationssymmetrischen
Einsatzes nach der Erkenntnis des Erfinders einen derartigen Verlauf aufweisen,
daß ihre Erzeugende einmal, aber auch höchstens nur einmal eine parallel zur Rotationsachse
10, die hier mit der Kolbenachse zusammenfällt, verlaufende Tangente besitzt. Darüberhinaus
soll die Erzeugende dieser rotationssymmetrischen Außenkontur höchstens einmal eine
senkrecht zur Rotationsachse gerichtete Tangente aufweisen, die die Außenkontur
zudem nur in einem einzigen Punkt berühren darf. Diese Verhältnisse sind in der
Figur 1 angedeutet, in der die mit 11 angegebene Erzeugende der Außenkontur des
Einsatzes 3a im Punkt 5, und nur dort, eine parallel zur Rotationsachse 10 verlaufende
Tangente 7 aufweist. In diesem Punkt weist die Ableitung des Verlaufs der Erzeugenden
also eine Nullstelle auf. Eine mehrmalige Nullstelle oder auch keine Nullstelle
im Verlauf der Erzeugenden ist dagegen zu vermeiden.
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In der Figur 1 ist weiter dargestellt, daß die Erzeugende 11 der Außenkontur
des Einsatzes 3a bei Erreichen der Rotationsachse 10, nämlich im Punkt 6, auch eine
senkrecht zur Rotationsachse 10 gerichtete Tangente aufweist. Eine derartige Tangente
soll erfindungsgemäß höchstens einmal vorhanden sein, muß jedoch nicht vorliegen.
Damit soll gleichzeitig zum Ausdruck gebracht werden, daß die Außenkontur im Bereich
des Bodens des Einsatzes 3 keinen Rücksprung aufweisen darf, womit eine Gestaltung
gemeint ist, bei der die Tiefe des Einsatzes zu kleineren Durchmessern hin geringer
wird.
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Die Vorschriften bezüglich des Verlaufs der Tangenten an die Erzeugende
kann auch für die Wandmittellinie 9 eines hohlkörperartig geformten Einsatzes, wie
er beispielsweise in den Figuren 2, 3 und 5 dargestellt ist, herangezogen werden.
Eine Abweichung von dieser Vorschrift ist jedoch dann erlaubt, wenn, wie beispielsweise
in der Figur 5 angedeutet ist, die Mittellinie 9 im Bereich der Kolbenachse 10 einen
Rucksprung R gegenüber der tiefsten Stelle aufweist. Dieser Rücksprung R darf jedoch
nicht größer als 1/3 der im Bereich des Rücksprunges vorhandenen Wandstarke s sein
und
der Durchmesserbereich des Rücksprunges dR soll nicht größer als 2/3 des mittleren
Durchmessers d der Mittellinie 9 sein.
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Bei Einhaltung der oben genannten Vorschriften wird eine sichere Halterung
eines keramischen Einsatzes in einem metallischen Kolben einer Brennkraftmaschine
durch Umgießen erreicht, wobei weder eine Überbeanspruchung der im Bereich des Verbundes
aneinanderstoßenden Materialien noch ein Lösen des Verbundes während des Betriebs
der Brennkraftmaschine auftritt.
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Im übrigen sollen die vorstehenden Vorschriften nicht nur für Einsätze
gelten, die streng rotationssymmetrisch sind. Auch bei Abweichungen von der rotationssymmetrischen
Form, beispielsweise wenn, um ein Verdrehen zu vermeiden, anstelle eines kreisförmigen
ein elliptischer Querschnitt des Einsatzes verwendet wird, sollen die Bedingungen
für den Verlauf der Außenkontur sowohl im Seitenbereich als im Bodenbereich sinngemäß
herangezogen werden. So soll im Bodenbereich kein Rücksprung vorhanden sein, der
in jedem Fall ein Lösen des Einsatzes von dem Umgußmaterial bedeuten würde, und
im Seitenbereich soll die Ableitung der Außenkontur nur eine Nullstelle aufweisen.
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Nachfolgend sollen nun anhand der von der Erfindung vorgegebenen Beziehungen
mögliche Materialkombinationen auf ihre Eignung zur Verwendung als Werkstoffe für
den hier in Rede stehenden Anwendungszweck untersucht werden. Als Gußmaterial für
den Kolben soll beispielsweise Aluminiumrund Stahlguß und als Keramikmaterial für
den Einsatz Aluminiumoxid (AL203), Zirkonoxid (ZrO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Silizillmkarbid
(Si C) und Aluminiumtitanat (A1203 + TiO2) herangezogen werden.
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Dabei wird jeweils ein Kolbenwerkstoff angenommen und die Verträglichkeit
dieses Werkstoffes mit den einzelnen Keramikwerkstoffen durch Ermittlung des für
die jeweilige Werkstoffkombination gültigen Referenzwertes A iso ( UG iso 6(D iso
tabellenmäßig untersucht:
Kolbenwerkstoff: Aluminium-Guß EUG #
70.000 [Nmm2] αUG # 22 # 10-6 [1/K] #T T æ 500 KJ Kolbenwerkstoff: Stahlguß
EUG # 2 # 105 [N/mm2] #T # 1000 [K] αUG #12 # 10-6 [1/K]
| AL2O3 ZrO2 Si3N4 Si C Al2O3 + TiO2 |
| Eiso [N/mm2] 3,8#105 2#105 1,6#105 4,1#105 1,1 # 104 |
| lso |
| αiso [1/K] 8#10-@ 10#10 3#10 5#10 2#10 |
| 6,D iso C§lmm3 4000 2000 1500 3500 550 |
| AAl 0,665 0,6 1 1 0,2 |
| AStG 0,38 0,2 0,96 0,82 0,18 |
Daraus ist zu entnehmen, daß von den hier aufgeführten bekannten Keramikmaterialien
bei Aluminium als Kolbenwerkstoff im Grunde nur Aluminiumtitanat (Al2O3 + TiO2)
als Einsatzwerkstoff in Frage kommt, während bei Verwendung von Stahlguß zusätzlich
zu dem Aluminiumtitanat auch Zirkonoxid und Aluminiumoxid herangezogen werden kann,
wobei letzteres aber an der Grenze liegt, wenn berücksichtigt wird, daß schon bei
geringen Änderungen der Materialkennwerte der Referenzwert A, der erfindungsgemäß
höchstens 0,45 betragen soll, größer als dieser Wert werden kann.
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Andererseits könnten durch entsprechende Einstellung bei der Herstellung
die Materialwerte z.B. von Zirkonoxid so geändert werden, daß dieses Material sich
unter Umständen auch für eine Kombination mit Aluminiumguß als Kolbenwerkstoff eignet.
So würde sich z.B. bei einer Reduzierung des Elastizitätsmoduls auf E = 1,8 . 105
N/mm2 und einer Erhöhung der Druckfestigkeit auf #D# 2500 N/mm2 ein Referenzwert
A = 0,432 ergeben, der unterhalb des beanspruchten Grenzwertes von 0,45 liegt.
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Abschließend soll noch beispielhaft in getrennten Tabellen für Aluminiumguß
und Stahlguß als Umgußmaterial das in dem Anspruch 2 angegebene Durchmesserverhältnis,
sowie
bei Annahme eines realistischen Außendurchmessers von da = 75 mm der Außendurchmesser
des Keramikeinsatzes jeweils sowohl für einen Hohlkörper (EK) als auch für einen
Vollkörper (VK) ermittelt werden. Dabei werden nur die Werkstoffkombinationen berücksichtigt,
die sich aus der ersten Tabelle als einsetzbar ergeben haben. Außerdem wurde ein
realistisches Verhältnis d von 0,8 für den d; Hohlkörpereinsatz vorausgesetzt: 1.
Aluminiumguß: # 0,2Al # 200 N/mm2
| Zr # O2 (Al2O3 + TiO2) |
| Eiso [N/mm2] 1,8 # 105 1,1 # 104 |
| αiso [1/K] 10 # 10-6 2 # 10-6 |
| da |
| [#] # 3,80 1,39 |
| d VK |
| [#] # 1,56 1,078 |
| d HK |
| d VK [mm] # 19,7 54 |
| d HK [mm] # 48 70 |
2. Stahlguß: # 0,2 # 250 N/mm2
| Al2O3 ZrO2 Al2O3 + TiO2 |
| Eios [N/mm2] 3,8 # 105 2 # 105 1,1 # 104 |
| αiso [1/K] 8 # 10-6 10 # 10-6 2 # 10-6 |
| (da/d)VK # 5,18 1,6 1,385 |
| da/@ VK # 1,84 1,12 1,077 |
| d HK |
| d VK[mm] # 14,5 46,9 54,15 |
| d HK[mm] # 40,8 67 70 |
Aus diesen Tabellen geht hervor, daß bei der praktischen Anwendung
nicht unbedingt alle möglichen Werkstoff-Kombinationen sinnvoll angewendet werden
können. Ergeben sich beispielsweise bei dem Vollkörper-Einsatz Durchmesserverhältnisse
von 3,8 oder 5,18 bei den Kombinationen AlG/ZrO2 bzw. StG/Al203'so resultieren daraus
so kleine Einsatzdurchmesser, daß diese den gewünschten Zweck kaum erfüllen.
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Andererseits bestätigt sich, daß Aluminiumtitanat sowohl in Kombination
mit Aluminiumguß als auch mit Stahlguß ein sehr vorteilhafter Keramikwerkstoff für
im Umgußverfahren hergestellte Kolbeneinsätze ist.
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