DE4010805A1 - Verstaerkter kolben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Leichtmetallkolben für einen Verbren­ nungsmotor, insbesondere einen Kolben mit einer verstärkten oberen Oberfläche, zur Erzielung einer verbesserten Erodierbe­ ständigkeit, Rißfestigkeit und Standfestigkeit.

In den letzten Jahren wurde es üblich, Kolben aus Leichtmetall, wie z.B. Aluminium, Magnesium, Titan, und Legierungen aus Alu­ minium, Magnesium und Titan zu bauen. Die Verwendung der Leichtmetalle in einem Kolben reduziert das Gewicht und die träge Masse des Kolbens und verbessert den Treibstoffverbrauch des Motors. Viele Leichtmetalle sind jedoch nicht in der Lage, den Bedingungen standzuhalten, die während des Betriebs herr­ schen. Beispielsweise ist es bei Dieselmotoren nicht unüblich, jeder Zylinderkammer eine Vorverbrennungskammer anzugliedern, von der aus eine Flamme in die Zylinderkammer fortschreitet und dort auf die Oberfläche der Kolbenkrone oder die Stirnfläche des Kolbens aufprallt. Ohne eine Verstärkung in irgendeiner Form wird die Flamme die Kronenoberfläche der Leichtmetallkol­ ben erodieren.

Zur Verhinderung der Erosion der Kronenoberfläche kann ein Hitzeabsperrteil oder Hitzeschutzschild aus Stahl oder Eisen zum Schutz der Kronenoberfläche verwendet werden. Dieses Absperrteil oder Hitzeschild besteht aus einem Einsatz, der einem kurzen Viertaktmotorventil in seinem Aussehen ähnlich ist. Das Hitzeschild weist eine kreisrunde obere Oberfläche auf, die einen Teil der oberen Kronenoberfläche abdeckt, um die Kronenoberfläche vor der Flamme zu schützen. Das Hitzeschild umfaßt außerdem einen Schaft, der die Krone des Kolbens durch­ dringt. Das Hitzeschild wird dadurch an seinem Platz gehalten, daß eine Rückhaltemutter auf den Schaft von der Unterseite der Krone her aufgeschraubt wird. Das Hitzeschild leitet die Wärme ab, die während des Fortschreitens der Flamme von der Vorbrenn­ kammer ausgehend an der Kronenoberfläche erzeugt wird, und bie­ tet außerdem eine erodierfeste Oberfläche gegen die aufprallen­ de Flammenfront. Um wirksam zu sein, muß das Hitzeschild eng an dem Kolben anliegen, um einen ausgezeichneten Wärmeübergang si­ cherzustellen und eine gute Abdichtung gegen die Verbrennungs­ gase zu bewirken.

Allerdings bilden sich zu irgendeinem Zeitpunkt der Lebensdauer eines Kolbens mit Hitzeschild, im allgemeinen zwischen 1000 und 2000 Betriebsstunden, Risse in der Krone, die sich nach außen hin vom Hitzeschild weg erstrecken. Die Rißbildung wird durch Temperaturzyklen hervorgerufen, die entsprechend den Ar­ beitstakten des Motors auftreten. Mit größerwerdender Betriebs­ stundenzahl des Motors nehmen die Risse in Länge, Breite und Tiefe zu. Gegebenenfalls kann sogar bei einer weiteren Verbrei­ terung der Risse ein Eindringen der Gase und letztendlich ein Nachzünden in der Kolbenkrone erfolgen.

Außerdem können die thermischen Zyklen ein Kriechen oder ein Ermüden des Materials hervorrufen. Dies wiederum kann ein Sich- Lösen des Hitzeschildes bedingen. Sobald ein Sich-Ablösen auf­ tritt, kann die Bewegung des Hitzeschildes in der Kolbenkrone ein Sich-Lösen der Rückhaltemutter bewirken und ein Eindringen des Schildes in die Verbrennungskammer, wobei schlimmste Mo­ torschäden verursacht werden können.

Demgegenüber stellt sich die Erfindung die Aufgabe, diese Nach­ teile bei Kolben mit Hitzeschilden zu vermeiden, indem die Kol­ benkrone mit einer Verstärkung rund um den Hitzeschild versehen wird, so daß die Rißbildung und die Materialermüdung vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird die Aluminiumkolbenkrone mit einer Faser­ verstärkung versehen, die der Krone Materialeigenschaften ver­ leiht, die die Bildung von thermischen Rissen verhindert, die die Standfestigkeit der Krone verbessert und die außerdem die Erodierbeständigkeit der Kronenoberfläche verbessert. Erfin­ dungsgemäß werden zur Verstärkung Fasern in Form eines zylin­ drischen Formlings verwendet, welcher typischerweise bei einem Vakuumformvorgang hergestellt wird. Der Faserformling wird in die Matrix der Kolbenmetallegierung durch ein Druckgußverfahren eingebracht, wie dies üblicherweise bei der Herstellung von Kolben verwendet wird.

Untersuchungen haben gezeigt, daß physikalische und mechanische Eigenschaften einer monolithischen Legierung erheblich durch eine selektive Zugabe von verstärkenden Fasern beeinflußt wer­ den können. Beispielsweise wurde gefunden, daß die physikali­ schen Eigenschaften, wie z.B. thermische Expansion und thermi­ sche Leitfähigkeit, sowie mechanische Eigenschaften, wie Zugfe­ stigkeit, Härte, Ermüdungsfestigkeit und Abnutzungsbe­ ständigkeit, durch relativ kleine Zugaben von Verstärkungsfa­ sern beeinflußt werden können.

Die Probleme mit der thermischen Rißbildung und dem Kriechen in herkömmlichen Kolben mit Hitzeschild sind zunächst verknüpft mit der großen Verschiedenheit der Zugfestigkeit bei höheren Temperaturen und dem Koeffizienten der thermischen Ausdehnung zwischen den Aluminiumkolben und den Stahlhitzeschilden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminium kann dem von Stahl angenähert werden, und die Zugfestigkeit von Aluminium bei höheren Temperaturen kann durch eine geeignete Zugabe von Verstärkungsfasern nahezu verdoppelt werden. Das Einbringen der Verstärkungsfasern in die Kolbenkrone rund um den Stahlhitze­ schild verändert die Eigenschaften des Kolbens vorteilhaft, so daß die Bildung von radialen thermischen Ermüdungsrissen we­ sentlich verzögert wird und das Anwachsen der Risse unterdrückt oder vermindert wird. Das potentielle Kriechen des Materials in der Krone wird stark vermindert, so daß sich ebenfalls eine verringerte Tendenz zum Lockern des Hitzeschilds im Betrieb er­ gibt.

Einer der Vorteile der Erfindung liegt darin, daß die selektive Verstärkung der Kolbenkrone mit Fasern ein Anpassen der Eigen­ schaften der Kolbenlegierung in der Weise erlaubt, daß diese mehr den Eigenschaften des Stahlhitzeschildes angenähert wer­ den.

Die Übereinstimmung in den Leistungsdaten der beiden Metalle verlängert die Lebensdauer und die Dauerhaftigkeit der erfin­ dungsgemäßen Kolben gegenüber denen des Standes der Technik.

Erfindungsgemäß können mehrere konstruktive Maßnahmen gleich­ zeitig vorgenommen werden, um das Ziel einer verlängerten Kol­ benlebensdauer zu erreichen. Die Geometrie des verstärkten Be­ reichs kann in bezug auf Durchmesser und Höhe oder Dicke des vorgeformten Faserbereiches verändert werden. Die Zusammenset­ zung und andere Eigenschaften der Verstärkungsfasern, wie z.B. Durchmesser, Länge, Oberflächenbeschichtung usw., kann aus ei­ nem breiten Bereich von Verstärkungsfasern ausgewählt werden. Diese umfassen Aluminiumsilikate, Aluminiumoxid, Siliziumkar­ bid, Siliziumnitrid, Bor, Borkarbid und Graphit. Die Menge und das Volumen der Fasern kann ebenfalls bezüglich des Volumens der Metallegierung variiert werden. Die Fasern können in einer Vielzahl von Orientierungen relativ zu dem Kolbenkörper angeordnet sein. Für die Leichtmetallkolben wird am häufigsten Aluminium und Legierungen hiervon verwendet, es kann aber ge­ nausogut Magnesium oder Titan oder Legierungen von Magnesium und Titan verwendet werden.

Bei einem bevorzugten Verfahren zum Einbringen der Verstär­ kungsfasern in das Kolbenmetall wird ein Druckgußverfahren ver­ wendet. Jedoch ist es ebenso möglich, den verstärkten Kolben mit anderen Gußtechniken herzustellen, wie z.B. dem Formguß oder dem Schleuderguß.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der folgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht durch einen Kolben mit einem Hitzeschild und einer erfindungsgemäß ver­ stärkten Krone;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der vorgeformten Faser­ verstärkung mit einer zweidimensionalen regellosen Orientierung der Fasern in zylindrischen Ebenen;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer vorgeformten Fa­ serverstärkung, wobei die Fasern in einer zweidimen­ sionalen Orientierung in Ebenen senkrecht zu der Längsachse des Kolbens angeordnet sind;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines faserverstärkten Formlings, wobei die Fasern in einer Richtung paral­ lel zur Längsachse des Formlings ausgerichtet sind;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines faserverstärkten Formlings, wobei die Fasern dreidimensional regellos orientiert sind; und

Fig. 6 eine senkrechte Schnittansicht durch eine Gußform zum Druckgießen eines Kolbens gemäß der Erfindung.

Ein faserverstärkter Kolben gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt und mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Der Kolben 10 umfaßt eine Krone 12, die bezüglich einer Längs­ achse 18 einen Hohlraum 19 bildet. Der Rand des Kolbens 10 um­ faßt drei Kolbenringnuten 20 und eine Bohrung 22 für einen Kol­ benbolzen, der den Kolben 10 mit einer Kolbenstange (nicht ge­ zeigt) verbindet.

Ein Hitzeschild 24 ist in der Krone 12 des Kolbens zentriert. Das Hitzeschild umfaßt einen Schaft 26, der durch die Krone 12 hindurchragt. An seinem oberen Ende steht das Hitzeschild ra­ dial nach außen ab und bildet eine kreisförmige obere Oberflä­ che 28, die die Mitte der oberen Kronenoberfläche 14 abdeckt. Das Hitzeschild ist an der Krone durch eine auf den Schaft in dem Hohlraum 19 aufgeschraubte Befestigungsmutter gehalten oder ein anderes geeignetes Befestigungsmittel.

Die obere Oberfläche 14 der Krone 12 ist um das Hitzeschild 24 herum durch Verstärkungsfasern 32 verstärkt. Die Verstärkungs­ fasern 32 sind in Form eines zylindrischen Formlings 34 ange­ ordnet, der einen zwei- bis zehnfach größeren Durchmesser als seine axiale Länge aufweist, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Der Formling 34 wird in der Krone angeordnet, wobei die äußere Oberfläche des Formlings in die obere Oberfläche der Krone übergeht.

Der Formling 34 stellt einen Körper aus Fasern 32 mit Zwischen­ räumen zwischen den Fasern dar. Der Formling ist typischerweise durch die Zugabe von anorganischen Bindemitteln verstärkt oder verfestigt, um dem Formling eine Beständigkeit zu verleihen. Der Kolben 10 wird durch ein übliches Druckgießverfahren, wie es weiter unten beschrieben wird, hergestellt, bei dem die Kolbenmetallmatrix in die Zwischenräume gepreßt wird, so daß die einzelnen Fasern 32 davon komplett umgeben sind.

Die Fasern verstärken die Krone rund um den Hitzeschild und ge­ ben dem Kolbenmetall physikalische und mechanische Eigenschaf­ ten, die dem Stahlhitzeschild mehr ähnlich sind. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des verstärkten Leichtmetalls der Krone ist dem des Stahlhitzeschilds durch die Zugabe der Verstär­ kungsfasern 32 ähnlicher. Die Zugfestigkeit bei höherer Tempe­ ratur der Kolbenkrone wird dadurch ebenfalls verbessert. Der Faserformling reduziert dadurch die Bildung von Rissen und de­ ren Wachstum und vermindert ebenso mögliche Kriechvorgänge in der Krone, die ein Sich-Lösen des Hitzeschildes bedingen können.

Die Orientierung der Fasern 32 in dem Formling kann, wie in den Fig. 2 bis 5 gezeigt wird, variiert werden. In Fig. 2 sind die Fasern 32 a des Formlings 34 a als regellos verteilt in einer kreisförmigen Ebene zu dem zylindrischen Formling ange­ ordnet. In Fig. 3 sind die Fasern 32 b des Formlings 34 b regellos in einer zweidimensionalen Ebene angeordnet, welche senkrecht zur Achse 36 des Formlings stehen. In Fig. 4 sind die Fasern 32 c des Formlings 34 c parallel zur Achse 36 des Formlings angeordnet. In Fig. 5 sind die Fasern 32 d des Form­ lings 34 d dreidimensional regellos angeordnet. Die Fasern, die im Formling verwendet werden, können aus einem oder mehreren verstärkenden Materialien hergestellt sein, welche Alumini­ umsilikate, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Bor, Borkarbid und Graphit umfassen. Das Metall, das für das Gießen des Kolbens verwendet wird, ist üblicherweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, aber es kann ebenso gut Magnesium oder Titan oder Legierungen von Magnesium oder Titan sein.

Der Durchmesser und die Höhe des Formlings können in Abhängig­ keit der gewünschten Verstärkungseigenschaften verändert wer­ den. Gleichermaßen kann die Auswahl der Fasern als auch ihr Durchmesser, ihre Länge und ihre Oberflächenbeschichtung vari­ iert werden. Die Menge und die Dichte der Fasern kann ebenso verändert werden.

Die Dichte der Fasern kann ebenso innerhalb des gegebenen Form­ lings verändert werden. In einem Formling mit unterschiedlicher Faserdichte wird die maximale Faserdichte an dem radial innen­ liegenden Teil bevorzugt mit einer radial nach außen zum Umfang des Formlings hin abnehmender Dichte.

Früher wurden die Hitzeschilde typischerweise aus hitzebestän­ digen Eisenlegierungen hergestellt. Hitzeschilde können jedoch ebenfalls aus anderen Materialien, wie z.B. verschiedenen kera­ mischen Materialien, hergestellt sein. Die faserverstärkten Kolben gemäß der vorliegenden Erfindung sind vorteilhaft mit Hitzeschilden zu verwenden, die aus beliebigen Materialien hergestellt sind, wenn das Metall der Kolbenmatrix und des Hitzeschildes unterschiedliche physikalische und mechanische Eigenschaften aufweist.

Die Faserzusammensetzung, deren Dichte und Orientierung kann in der Weise verändert werden, daß die Kolbenkrone, die das Hitze­ schild umringt, ähnliche Eigenschaften wie das Hitzeschild sel­ ber aufweist.

Der verstärkte Kolben gemäß der Erfindung wird gegossen, indem der Formling 34 mit den Verstärkungsfasern in die Kolbengußform 40, wie in Fig. 6 gezeigt, eingesetzt wird. Der Kolben wird in die hohle Gußform 40 gegossen, welche eine konturierte Boden­ fläche 42 aufweist, die komplementär zu der schalenförmigen oberen Oberfläche 14 der Kolbenkrone gemäß Fig. 1 ausgebildet ist. Der Faserformling 34 kann durch einen konventionellen Vorformprozeß wie z.B. ein Vakuumformen, gebildet werden, und wird in der Gußform 40 auf die Oberfläche 42 aufgesetzt. Die Gußform 40 wird oben geöffnet, um das geschmolzene Metall oder die geschmolzene Metallegierung in die Gußform eingießen zu können. Sobald das geschmolzene Metall in den Hohlraum einge­ gossen ist, wird die Form durch einen oberen Stempel 46 ver­ schlossen, der in die Öffnung am oberen Ende der Gießform 40 eingesetzt wird. Der Stempel 46 hat eine komplementäre Form zum Bodenhohlraum 19 (Fig. 1) in dem Kolben 10.

Der Stempel 46 übt einen Druck auf das geschmolzene Metall aus, welches kontinuierlich die Legierung gegen die Wandung der Gießform und in die Zwischenräume des Faserformlings 34 zwi­ schen den einzelnen Fasern 32 preßt, so daß die Fasern durch das geschmolzene Metall eingeschlossen werden. Sowie das Metall fest wird, wird der obere Stempel mit der erfolgenden Schrump­ fung des Metalls weiter in die Gießform eingedrückt. Der Druck, der auf den Stempel ausgeübt wird, bewirkt, daß der Kolben ein gutes Abbild der Gießformoberfläche erhält sowie eine feine Mi­ krostruktur und eine relativ kleine oder gar keine Porosität. Sobald der Kolben gegossen und aus der Gußform 40 entnommen ist, werden die Kolbenringnuten 20, die Kolbenbolzenbohrung 22 und andere konstruktive Merkmale in den Kolben 10 eingebracht.

Während beim Gußverfahren der Offenformpreßguß, wie zuvor be­ schrieben, bevorzugt wird, kann die vorliegende Erfindung auch mit einem Preßguß in einer geschlossenen Form oder anderen Guß­ verfahren, mit denen ein Eindringen der Legierungsmatrix in die Zwischenräume des Faserformlings erreicht werden kann, verwen­ det werden.

Der Kolben gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt eine Kro­ nenverstärkung, die in einer Kolbenkrone besteht, die einen Formling aus Verstärkungsfasern eingebettet enthält und ein Stahlhitzeschild, das sich durch die Krone erstreckt und das die Beständigkeit der Kronenoberfläche verbessert. Die Abnut­ zungsbeständigkeit der Kronenoberfläche ist von besonderer Be­ deutung für Kolben in einem Verbrennungsmotor, bei dem Vorver­ brennungskammern enthalten sind und in denen die Flammenfront von der Vorverbrennungskammer kommend auf die Kolbenoberfläche aufprallt. Der faserverstärkte Teil sorgt für eine verbesserte Abnutzungsbeständigkeit und erzeugt ebenfalls physikalische und mechanische Eigenschaften, die ähnlich zu denen des Stahlhitze­ schildes sind. Dies vermindert eine thermische Rißbildung in der Kolbenkrone und ein Sich-Lockern des Hitzeschildes in Folge von Materialermüdung während der Lebensdauer.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die konstrukti­ ven Details oder Verfahren beschränkt, die oben beschrieben sind, sondern läßt sich durch die unterschiedlichsten Änderun­ gen und Modifikationen gegenüber dem Vorgeschilderten durchfüh­ ren, ohne von der erfinderischen Idee und dem Schutzumfang der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims (10)

1. Leichtmetallkolben für einen Verbrennungsmotor mit einer verstärkten oberen Oberfläche zur Verbesserung der Be­ ständigkeit des Kolbens gegen thermische Rißbildung und Metallkriechen und -ermüdung, wobei der Kolben (10) folgende Elemente umfaßt:
einen zylindrischen Körper (16) mit einer Längsachse (18), eine im wesentlichen senkrecht zur Längsachse (18) angeordnete Krone (12) mit einer oberen Oberfläche (14) und einem zylindrischen, sich von der Krone (12) nach un­ ten erstreckenden Rand, welcher einen inneren Hohlraum (19) bildet;
ein innerhalb der Krone (12) angeordnetes Hitzeschild (24), welches eine kreisrunde obere Oberfläche (28) mit einem vorgegebenen ersten Durchmesser aufweist und wel­ ches einen Teil der oberen Kronenfläche (14) zur Erzie­ lung einer Erodierbeständigkeit der oberen Oberfläche ab­ deckt, und welches einen Schaft (26) umfaßt, welcher ei­ nen kleineren Durchmesser als der vorgegebene erste Durchmesser aufweist und welcher sich durch die Krone (12) hindurch erstreckt und mit Befestigungsmitteln zur Befestigung des Hitzeschildes (24) an der Krone (12), wobei das Hitzeschild (24) aus einem von dem Kolben­ leichtmetall verschiedenen Material hergestellt ist und unterschiedliche Materialeigenschaften aufweist;
und Mittel in der Krone (12), benachbart zur oberen Kronenoberfläche (14) rund um das Hitzeschild (24) zur Veränderung der Materialeigenschaften in der Weise, daß die Unterschiede in den Materialeigenschaften zwischen dem Hitzeschild (24) und dem Kolbenmetall vermindert sind, und zur Verstärkung der Krone (12), wobei die Mittel Verstärkungsfasern (32) umfassen, die im wesentlichen vollständig in das Material eines das Hitzeschild (24) der Krone (12) umgebenden Teils eingebettet sind.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben aus einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe Alumi­ nium, Magnesium, Titan und den Legierungen von Aluminium, Magnesium und Titan, hergestellt ist.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einander durchsetzen und einen Formling bilden, wobei der Formling Zwischenräume zwischen den Fa­ sern aufweist und wobei diese Zwischenräume mit dem Me­ tall des Kolbens gefüllt sind, so daß es die Fasern in der Krone (12) einbettet.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der faserverstärkte Teil der Krone (12) ei­ ne zylindrische Form aufweist, wobei der Durchmesser 2- bis 10mal so groß ist wie die axiale Länge des verstärk­ ten Teils und wobei dieser Teil radial zentrisch in der Krone angeordnet ist, um die Mitte der oberen Kronenober­ fläche zu verstärken.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dichte der Fasern (32) in einer Rich­ tung radial nach außen von dem Hitzeschild (24) aus ab­ nimmt, um einen Übergang in den Materialeigenschaften der Krone (12) von dem das Hitzeschild (24) umgebenden Teil radial nach außen zum Rand des verstärkten Teils zu bil­ den.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstärkungsfasern aus der Gruppe aus­ gewählt sind: Aluminiumsilikat, Aluminiumoxid, Silizium­ karbid, Siliziumnitrid, Bor, Borkarbid und Graphit.

7. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern dreidimensional regellos orientiert sind.

8. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern in der Krone 12 axial orientiert ange­ ordnet sind.

9. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern zweidimensional regellos in zylindri­ schen Ebenen bezüglich der Längsachse angeordnet sind.

10. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern zweidimensional regellos in Ebenen senkrecht zur Längsachse angeordnet sind.