DE3438666A1

DE3438666A1 - Kolben-zylindergruppe fuer dieselmotoren mit einrichtungen zum verhindern von schaeden durch kohlenstoffhaltige krusten

Info

Publication number: DE3438666A1
Application number: DE19843438666
Authority: DE
Inventors: Ercole Turin/Torino Galli
Original assignee: MONDIAL PISTON DOTT ERCOLE GAL
Current assignee: MONDIAL PISTON DOTT ERCOLE GAL
Priority date: 1983-10-31
Filing date: 1984-10-22
Publication date: 1985-05-30
Also published as: IT8368134A0; IT1162976B

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolben-Zylindergruppe für Dieselmotoren mit hoher spezifischer Leistung, mit Einrichtungen zum Verhindern von Schäden am ersten Mantelabschnitt des Kolbens sowie an dem diesem entsprechenden Bereich des Zylinders durch kohlenstoffhaltige Krustenbildung.

Bei Dieselmotoren mit hoher spezifischer Leistung,, insbesondere also bei hoch aufgeladenen Motoren, besteht die Neigung zur Ausbildung von kohlenstoffhaltigen Krusten, welche sehr hart sind und deshalb starken Verschleiß oder gar Rißbildung am ersten Mantelabschnitt der Kolben sowie an den Zylinderwandungen verursachen, was einen erhöhten Schmierölverbrauch und eine Verkürzung der Lebensdauer des Motors zur Folge hat. Diese Erscheinungen sind zurückzuführen auf einen stetig fortschreitenden Aufbau von kohlenstoffhaltigen Rückständen und ihre Verdichtung durch die

*^u im Bereich des ersten Mantelabschnitts des Kolbens auftretenden, sehr hohen Arbeitsdrücke. Die vom Schmieröl und unverbrannten Bestandteilen des Brennstoffs stammenden kohlenstoffhaltigen Rückstände setzen sich in Verbindung mit harzartigen Substanzen am ersten Mantelabschnitt des

^ Kolbens und dem diesem entsprechenden Bereich der Zylinderwandung fest und wachsen unter ständiger Verdichtung bis zu einer gewissen Schichtdicke an, bis sie schließlich die vorstehend angeführten Schäden verursachen.

Um der Ausbildung von solchen harten kohlenstoffhaltigen Krusten von nenneswerter Stärke vorzubeugen, wurde bereits vorgeschlagen, am ersten Mantelabschnitt des Kolbens relativ tiefe Rillen mit einer Tiefe von wenigstens etwa 0,3 mm auszubilden.Diese Maßnahme erbringt zwar einen gewissen Erfolg, führt dabei jedoch zu einem nachteiligen Anstieg des Schmierölverbraucht.

Es wurde ebenfalls bereits vorgeschlagen, den ersten Mantel-

abschnitt des Kolbens um ein beträchtliches Stück einzuziehen, so daß er entlang seinem ganzen Umfang ein Spiel in der Größenordnung von einem Millimeter oder mehr innerhalb des Zylinders hat. Auf diese Weise entsteht ein Hohlraum, in welchen die heißen Verbrennungsgase eindringen können, so daß sie die sich bildenden kohlenstoffhaltigen Krusten bestreichen und ihre Verbrennung herbeiführen können, und außerdem übt der ersten Mantelabschnitt des Kolbens keinerlei Druck auf die Zylinderwandung aus. Andererseits vergrößern sich dadurch jedoch die Gasverluste, die Wärmeübertragung auf den ersten Mantelabschnitt des Kolbens und der Kompressionsraum im Zylinder. Entsprechende Nachteile ergeben sich bei einer anderen vorgeschlagenen Maßnahme, gemäß welcher der erste Mantelabschnitt des Kolbens exzentrisch ausgebildet wird, so daß er in dem Bereich, in welchem die Krustenbildung bevorzugt auftritt, ein vergrößertes Spiel gegenüber der Zylinderwandung hat.

In der älteren italienischen Patentanmeldung 67705-A/82 schlägt die Anmelderin vor, wenigstens den oberen Bereich des ersten Mantelabschnitts des Kolbens in dem Bereich, in welchem die Krustenbildung bevorzugt auftritt, entsprechend einem vom Profil des Kolbens abhängigen Kreisbogen über eine Ausdehnung zwischen 90° und 180° und mit einem vom Profil des Kolbens abhängigen Radius von 0,05% bis 0,5% des Nenndurchmessers des Kolbens auszukehlen. Diese Maßnahme erbringt zwar sehr gute Ergebnisse, sie eignet sich verständlicherweise nur für solche Fälle, in denen die Krustenbildung in begrenzten, vorherbestimmbaren Bereichen auftritt, nicht jedoch für andere Fälle, in denen die Krustenbildung entlang dem gesamten Umfang des Kolbens und des Zylinders oder in nicht genau vorherbestimmbaren Bereichen stattfindet.

Die bisher vorgeschlagenen, geometrisch-konstruktiven Maßnahmen für die Verhinderung von durch kohlenstoffhaltige Krustenbildung verursachten Schäden erbrachten somit lediglich Teillösungen für das sich stellende Problem oder nur in bestimmten Fällen wirksam anwendbare Lösungen.

Ein Ziel der Erfindung ist daher darin zu sehen, dem ersten Mantelabschnitt des Kolbens und/oder dem diesem entsprechenden Bereich der Zylinderwandung eines Dieselmotors mit hoher spezifischer Leistung Eigenschaften zu verleihen, welche der Krustenbildung im Wege stehen und damit sonst durch derartige harten Krusten hervorgerufenen Schaden vorbeugen, wobei die zu treffenden Maßnahmen für sich allein oder in Kombination mit beliebigen der vorstehend beschriebenen oder anderen geometrisch-konstruktiven Maßnahmen an einem Kolben herkömmlicher Art und/oder an einem Zylinder anwendbar sein sollen.

Gemäß der Erfindung ist dieses Ziel dadurch erreicht, daß wenigstens ein Teil des ersten Mantelabschnitts des Kolbens und/oder der dem ersten Mantelabschnitt des Kolbens in der oberen Totpunktstellung desselben entsprechende Bereich der Zylinderwandung eine auf den zu schützenden Bereich aufgebrachte oder auf ihm erzeugt Schutzschicht aus einem gegen Verschleiß widerstandsfähigen und eine geringe Haftfähigkeit für kohlenstoffhaltige Krustenbildung aufweisenden Material trägt.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung besteht die Schutzschicht aus einer elektrolytisch auf den betreffenden Bereich des Kolbens und/oder der Zylinderwand aufgetragenen Nickelschicht. In eienr zweiten Ausführungsform der Erfindung besteht die Schutzschicht aus einer durch eine anodische Behandlung auf dem ersten Mantelabschnitt des Kolbens erzeugten Schicht aus hartem Aluminiumoxid.

Dank dem Vorhandensein der erfindungsgemäßen Schutzschicht, und insbesondere der geringen Haftfähigkeit derselben für kohlenstoffhaltige Krusten neigen diese dazu, sich bei ihrer Entstehung sofort abzulösen. Falls eine Krustenbildung überhaupt stattfindet, geht diese sehr viel langsamer vonstatten, und die Krusten sind weniger stark verdichtet, wie dies in Abwesenheit der Schutzschicht der Fall wäre. Dank der hohen Verschleißfestigkeit der Schutzschicht dau-

ert es darüber hinaus beträchtlich länger, bis die sich gegebenenfalls bildenden kohlenstoffhaltigen Krusten irgendwelche Schäden in den angesprochenen Bereichen hervorrufen können, da allenfalls ein ziemlich gleichmäßiger Verschleiß auftritt, ohne die in Abwesenheit der Schutzschicht vorhandene Gefahr der Rißbildung.

Es ist hier anzumerken, daß Schutzüberzüge ähnlicher Art bereits verwendet oder erprobt wurden, um den ersten Mantelabschnitt der Kolben von Ottomotoren vor durch schlagartige Verbrennung des Gemischs verursachten Schäden zu schützen. Dabei ist jedoch zu verstehen, daß die Eigenschaften eines solchen Überzugs zum Schutz gegen die bei einer schlagartigen Verbrennung eines Brennstoffgemischs auftretenden Stoßbelastungen grundsätzlich verschieden sind von den Eigenschaften, welche eine Schutzschicht zum Verhindern der Bildung von kohlenstoffhaltigen Krusten und/oder zur Vorbeugung gegen durch diese verursachten Verschleiß und Rißbildung haben muß. Die bereits früher vorgeschlagenen Überzüge ähnlicher Art für den Schutz vor durch eine schlagartige Verbrennung verursachten Schäden konnten somit in keiner Weise nahelegen, daß derartige Schutzüberzüge in einem Motor anderer Art eine Schutzwirkung gegen durch kohlenstoffhaltige Krusten hervorgerufene Schäden entfalten könnten.

Die Stärke der erfindungsgemäßen Schutzschicht beträgt vorzugsweise etwa 0,05 bis 0,12 mm. Insbesondere beträgt die Stärke einer in Form einer Nickelschicht ausgebildeten Schutzschicht vorzugsweise etwa 0,06 bis 0,07 mm, während sie bei einer Schutzschicht aus hartem Aluminiumoxid vorzugsweise im Bereich zwischen 0,08 und 0,1 mm liegt.

In der ersten Ausführungsform, welche als Schutzschicht eine elektrolytisch deponierte Nickelschicht vorsieht, ist die Erfindung in gleicher Weise für den ersten Mantelabschnitt des Kolbens, für den dem ersten Mantelabschnitt des Kolbens in dessen oberer Totpunktstellung entsprechen-

den Bereich der Zylinderwandung oder für beide der genannten Bereiche anwendbar. Die Wahl zwischen diesen drei Möglichkeiten ist von Fall zu Fall je nach der Konstruktion und sonstigen Eigenschaften des jeweiligen Dieselmotors zu treffen, um die bestmöglichen Ergebnisse zu erzielen. So kann jeweils einer der genannten Bereiche mit der Schutzschicht versehen werden, oder auch beide Bereiche, falls dies aufgrund erschwerter Betriebsbedingungen notwendig erscheint. Da elektrolytische Deponieren der Nickelschicht kann unter Anwendung bekannter Verfahren ohne Schwierigkeit auf dem Mantelabschnitt des aus einer Aluminiumlegierung gefertigten Kolbens oder auf der Wandung des aus Gußeisen bestehenden Zylinders erfolgen.

In der zweiten Ausführungsform, welche die Erzeugung einer Schutzschicht aus hartem Aluminiumoxid durch anodische Behandlung vorsieht, setzt die Erfindung eine Unterlage aus Aluminium oder einer Legierung desselben voraus,· so daß diese Ausführungsform allein für den ersten Mantelabschnitt eines Kolbens in Frage kommt, nicht jedoch für den entsprechenden Bereich eines Zylinders.

In jedem Falle besteht jedoch die Möglichkeit, die beiden Ausführungsformen der Erfindung miteinander zu kombinieren, indem man auf dem ersten Mantelabschnitt des Kolbens eine Schutzschicht aus hartem Aluminiumoxid erzeugt und auf dem entsprechenden Bereich der Zylinderwandung eine Schutzschicht aus Nickel deponiert. Diese Lösung ist vorteilhaft in solchen Fällen, in denen aufgrund der Betriebsbedingungen des Motors ein Schutz beider der kohlenstoffhaltigen Krustenbildung ausgesetzter Bereiche erfordert, es jedoch vorzuziehen ist, den Kolben mit einer Schicht aus hartem Aluminiumoxid anstatt mit eienr Nickelschicht zu schützen.

Es ist ein bekanntes Verfahren, den Boden eines Kolbens mit einer Schutzschicht in Form einer durch anodische Behandlung erzeugten Schicht aus hartem Aluminiumoxid zu versehen, um den Kolbenboden vor durch die Beaufschlagung von dem ein-

gespritzten Brennstoff und die Verbrennung desselben verursachter Erosion sowie vor durch thermische Schockwirkungen hervorgerufener Rißbildung und dergl. zu schützen. Dieses Verfahren läßt sich in vorteilhafter Weise mit dem in der zweiten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagenen Verfahren der Erzeugung einer Schutzschicht aus hartem Aluminiumoxid durch anodische Behandlung auf dem ersten Mantelabschnitt des Kolbens kombinieren. Da die beiden Verfahren im wesentlichen unter den gleichen Bedingungen durchführbar sind, können sie in einem einzigen Arbeitsgang ausgeführt werden, indem man den wenigstens ein Teil des ersten Mantelabschnitts sowie den Kolbenboden umfassenden Bereich des Kolbens der anodischen Behandlung unterwirft. Das Ergebnis ist dann eine Schutzschicht, welche sich ohne Unterbrechung über den Kolbenboden und wenigstens ein Teil des ersten Mantelabschnitts des Kolbens erstreckt.

Je nach den in verschiedenen Fällen gegebenen Erfordernissen kann sich die Schutzschicht, soweit es den ersten Mantelabschnitt des Kolbens betrifft, über dessen gesamte Oberfläche oder nur über einen Teil derselben erstrecken.

Je nach den zur Wahl stehenden Möglichkeiten, kann die Erfindung allein auf den ersten Mantelabschnitt eines Kolbens oder einen Teilbereich desselben, allein auf den dem ersten Mantelabschnitt des Kolbens in der oberen Totpunktstellung desselben entsprechenden Bereich eines Zylinders oder auf die beiden einander entsprechenden Bereiche eines Kolbens und eines dazugehörigen Zylinders angewendet werden, Demgemäß richtet sich die Erfindung sowohl auf einen Kolben allein, welcher wenigstens auf einem Teil seines ersten Mantelabschnitts eine Schutzschicht gemäß der Erfindung trägt, als auch auf einen Zylinder allein, welcher in dem dem ersten Mantelabschnitt eines Kolbens in dessen oberer Totpunktstellung entsprechenden Bereich mit einer Schutzschicht gemäß der Erfindung versehen ist, als schließlich auch auf eine zu gemeinsamem Einbau bestimmte Kolben-

Zylindergruppe, bei welcher allein der Kolben, allein der Zylinder oder beide der genannten Teile mit einer Schutzschicht gemäß der Erfindug'n versehene Bereiche aufweisen.

In jedem Falle kann die Schutzschicht gemäß der Erfindung an Kolben und Zylindern herkömmlicher Art verwendet oder mit wenigstens einer geometrisch-konstruktiven Maßnahme kombiniert werden, welche ihrerseits vorgesehen ist, um durch kohlenstoffhaltige Krustenbildung verursachten Schäden vorzubeugen und/oder dem Kolben und/oder dem Zylinder bestimmte Eigenschaften zu verleihen.

Claims

Patentansp r_ü c h_e

Λ.) Kolben-Zylindergruppe für Dieselmotoren mit erhöhter spezifischer Leistung, mit Einrichtungen zum Verhindern von Schaden am ersten Mantelabschnitt des Kolbens und an dem diesem entsprechenden Bereich des Zylinders durch kohlenstoffhaltige Krustenbildung, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des ersten Mantelabschnitts des Kolbens und/oder der dem ersten Mantelabschnitt des Kolbens in der oberen Totpunktstellung desselben entsprechende Bereich der Zylinderwandung eine auf den zu schützenden Bereich aufgetragene oder daraug geformte Schutzschicht aus einem gegen Verschleiß widerstandsfähigen und eine geringe Haftfähigkeit für die kohlenstoffhaltigen

Krusten aufweisenden Material aufweisen.
2. Kolben-Zylindergruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Schutzschicht zwischen 0,05 und 0,12 mm beträgt.
3. Kolben-Zylindergruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht durch eine Nickelschicht dargestellt ist, welche elektrolytisch auf dem betreffenden Bereich des Kolbens und/oder des Zylinders deponiert ist.
M. Kolben-Zylindergruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Schutzschicht zwischen 0,06 und 0,07 mm beträgt.
5. Kolben-Zylindergruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus einer durch eine anodische Behandlung auf dem ersten Mantelabschnitt des Kolbens oder einem Teil desselben gebildeten Schicht aus hartem Aluminiumoxid gebildet ist.
6. Kolben-Zylindergruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Schutzschicht zwischen 0,08 und 0,1 mm beträgt.
7. Kolben-Zylindergruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schutzschicht des ersten Mantelabschnitts des Kolbens bündig an eine an sich bekannte Schutzschicht auf dem Kolbenboden anschließt.
8. Kolben für einen Dieselmotor, dadurch gekennzeichnet, daß er auf wenigstens einem Teil des ersten Mantelabschnitts eine Schutzschicht nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche trägt.

9- Zylinder für einen Dieselmotor, dadurch gekennzeichnet, daß er auf dem dem ersten Mantelabschnitt

1 des Kolbens in der oberen Totpunktstellung desselben entsprechenden Wandungsbereich eine Schutzschicht gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 trägt.