DE60216631T2

DE60216631T2 - Kolben für verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE60216631T2
Application number: DE60216631T
Authority: DE
Inventors: Antonio Eduardo Meirelles Campo Belo TOMANIK; Barcelos Clayton ZABEU; Moreira Germano ALMEIDA; Jose Roberto Lopes
Original assignee: Mahle Metal Leve SA
Current assignee: Mahle Metal Leve SA
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2022-08-14
Also published as: US20050028779A1; BR0104909A; EP1448918A1; US20060266322A1; WO2003016757A1; DE60216631D1; EP1448918B1; BR0104909B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Konstruktionslösung für einen Kolben des Typs, der in einem Verbrennungsmotor verwendet wird, und insbesondere auf eine konstruktive Lösung für die Nut eines solchen Kolbens.
Hintergrund der Erfindung
Der Kolbenring von Verbrennungsmotoren vollführt aufgrund von fertigungs- oder betriebsbedingtem Spiel eine Relativbewegung zur Nut. Eine solche Relativbewegung, die mit der an den Ring anliegenden Last zusammenhängt, die hauptsächlich von den Verbrennungsgasen ausgeübt wird, verursacht an den Seitenflächen sowohl des Rings als auch der Nut einen Verschleiß. Bei der der Oberseite des Kolbens näher liegenden Nut, bzw. der ersten Nut, wo die Lasten größer sind, ist der Ring aus Gusseisen oder Stahl, während der Kolben insbesondere bei Ottomotoren aus Aluminiumlegierung ist. Da das Material des Kolbens weniger verschleißresistent als der Ring ist, so richtet sich die Hauptsorge hinsichtlich des Verschleißes auf die Kolbennut.
Unter normalen Bedingungen beträgt der Verschleiß der ersten Nut in der Größenordnung von wenigen Mikrometern über die Lebensdauer des Motors, wodurch die Leistung des Motors nicht beeinträchtigt wird. Bei Motoren mit extremen Betriebsbedingungen, bei denen der Verschleiß sehr stark wäre, wird üblicherweise die Lösung verwendet, dass der Bereich der ersten Nut harteloxiert wird, wodurch mit dieser Lösung eine verschleißbeständige harte Flanke geschaffen wird, die zu akzeptablen Verschleißwerten führt. Eine solche Lösung hat jedoch den Nachteil, dass sich die Kolbenkosten um ungefähr 20% erhöhen.
In den letzten Jahren ging die Erhöhung der spezifischen Leistung von Motoren einher mit der Verwendung von Ringen, die aus nitriertem Stahl hergestellt sind, was sich zwar vorteilhaft auf den Verbrauch von Schmieröl und die Abdichtung gegenüber Verbrennungsgasen auswirkt, jedoch auf der anderen Seite den Nutverschleiß erhöhen kann, da die Ringe härter als Gusseisen sind. Daher sind häufiger Probleme einer übergroßen Abnutzung aufgetreten, wodurch die Motorleistung mindestens während der Entwicklungsphase des Motors beeinträchtigt wurde. Dieses Verschleißproblem wurde unter der Verwendung edlerer Aluminiumlegierungen und/oder durch Harteloxieren des Kolbens gelöst. Beide Lösungen erhöhen jedoch die Kosten des Produkts oder führen zur Verwendung von Gusseisenringen, wobei die Verwendung der beträchtlichen Vorteile beim Einsatz von Ringen aus nitriertem Stahl verspielt werden.
Wie oben erwähnt, ist es möglich, den Verschleißwiderstand der Nut durch die Verwendung edlerer und verschleißwiderstandsfähigerer Aluminiumlegierungen oder durch Harteloxieren zu erhöhen. Da der Verschleißwiderstand des Aluminiums bei höher werdender Temperatur beträchtlich nachlässt, so können Kunstgriffe zum Verringern der Temperatur insbesondere im Bereich der ersten Nut angewendet werden. Hierbei ist bekannt, Schmiermittel durch im Motorblock angeordnete Einspritzdüsen in den inneren Bereich des Kolbens einzuspritzen, wobei in diesem Fall das Schmieröl als Kühlmittel dient. Außerdem ist es auch möglich, die erste Nut von der Oberseite des Kolbens weiter zu entfernen, wodurch seine Temperatur abnimmt, was jedoch mit Nachteilen bei der Emission von Verschmutzungssubstanzen durch den Motor einhergeht.
Idealerweise sollten die Seitenfläche sowohl des Rings als auch der Nut des Kolbens parallel sein, so dass der Kontakt und die daraus resultierenden Drücke verteilt werden können, was den Verschleiß minimiert (1). Aufgrund von Konstruktionscharakteristiken, thermomechanischen Verformungen des Kolbens oder der relativen Winkelbewegung zwischen dem Ring und dem Kolben erfolgt jedoch ein solcher Kontakt unter bestimmten Betriebsbedingungen des Kolbens in einem Kontaktbereich zwischen dem Ring und dem Inneren der Nut (1A).
Aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnung des Kolbens, die oben größer ist, wo die Temperaturen höher sind, und gegen den unteren, allgemein als Kolbenhemd bezeichneten Teil hin kleiner ist, hat die erste Nut die Tendenz, ihre konstruktionsgemäße im kalten Zustand vorherrschende Nennneigung zu einer größeren nach unten zeigenden Neigung zu verändern (1A). Typischerweise sind die Werte dieser Neigungsveränderung in der Größenordnung von 10–15 Winkelminuten gegen den Uhrzeigersinn, d.h. die Nut hat im Betrieb die Tendenz, ihre Nennneigung zu einer größeren nach unten zeigenden Neigung zu verändern.
Die Verwendung von Kolben mit Nuten, die in ihren Nennwerten nach oben geneigt sind, ist bekannt. Dies wird üblicherweise deshalb gemacht, um zu garantieren, dass der Ring mit seinem oberen Teil nicht die Zylinderwand kontaktiert, was aufgrund eines Abstreifens von Schmieröl durch den Ring nachteilig wäre. Zusätzlich zur thermischen Verformung der Nut bewegt sich der Kolben in einem Winkel im Verhältnis zum Stift, so dass der resultierende Winkel von der Position des Stiftes entlang der Höhe des Kolbens abhängt. Diese Bewegung ist in 2 gezeigt, wobei die maximale Verschiebung des Kolbens für jede Seite einer Ebene, die senkrecht zur Kolbenachse ist, gezeigt ist. Die maximale Neigung des Kolbens als Ganzes beträgt ungefähr 10 Winkelminuten und kann zu jedem Zeitpunkt des Kolbenhubs variieren. Die Auswirkung einer solchen Neigung auf den Nutverschleiß ist im Vergleich zu demjenigen, der von der Nutneigung herrührt, die während des ganzen Kolbenhubs andauert, gering.
Aufgrund der vorübergehenden Bedingungen, die im Verbrennungsmotor auftreten, wobei bei jedem Intervall von einem Grad der Kurbelwelle (was bei 3000 U/min ungefähr 0,06 ms entspricht), die Relativposition des Rings und der Nut sowie die vom Ring auf die Nut ausgeübte Last während des Verbrennungshubs sowie unter jeder Betriebsbedingung des Motors variieren.
Bei einer bekannten Lösung gemäß dem Stand der Technik ist die Seitenfläche des Rings mit demselben Neigungswinkel wie die Nut im Betrieb versehen (1B). Bei dieser Konstruktion hat der Ring im Betrieb eine Seitenfläche mit derselben Neigung wie diejenige der Nut.
Ringe, bei denen die untere Seitenfläche geneigt ist, wie in der oben genannten Druckschrift vorgeschlagen, entweder mit einem trapezförmigen oder halbtrapezförmigen Querschnitt, werden in Dieselmotoren verwendet, um ein Anhaften des Rings durch in der Nut abgelagerten Ruß zu vermeiden, und haben den Nachteil, dass dabei viel höhere Herstellungskosten als bei den Ringen mit einem rechteckigen Querschnitt auftreten. Ein Kolben mit einer Ringnut, die zur Oberseite des Kolbens radial nach außen geneigt ist, ist zum Beispiel aus der Druckschrift US 2,522,764 A bekannt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor vorzusehen, der es erlaubt, dass der Kontakt zwischen dem Kolbenring und der Nut während des Betriebs, insbesondere in Momenten eines höheren auf den Ring wirkenden Drucks, möglichst verteilt wird, um die Verschleißrate der Seitenwände der Nut zu minimieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese und weitere Aufgaben werden von einem Kolben nach Anspruch 1 gelöst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es folgt eine Beschreibung der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen. Es zeigt:
die 1, 1a und 1b jeweils schematisch senkrechte Längsschnittansichten bekannter Konstruktionen eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, der in einem Zylinder angebracht ist und in einer ersten Nut einen entsprechenden Kolbenring gemäß dem Stand der Technik trägt;
2 eine senkrechte Seitenansicht eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem die Richtungen der Winkelversetzung dieses Kolbens im Verhältnis zu einer Ebene, die senkrecht zur Längsachse des Kolbens ist, gezeigt sind;
3 schematisch das Abnutzungsprofil der ersten Nut des Kolbens, wobei die Nut gemäß dem in 1 dargestellten Stand der Technik hergestellt wurde;
4 schematisch das Profil einer Nut, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; und
4a schematisch das Abnutzungsprofil der Kolbennut, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde und in 4 gezeigt ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Es folgt eine Beschreibung der vorliegenden Erfindung zum Beispiel anhand eines Kolbens, der für eine Hin- und Herbewegung innerhalb eines Zylinders C eines Verbrennungsmotors konstruiert ist, und der ein in 2 gezeigter Konstruktionstyp ist, der üblicherweise aus Aluminium oder aus Aluminiumlegierungen hergestellt wird und mehrere umlaufende Nuten 10 aufweist, wobei in jeder Nut 10 ein entsprechender Kolbenring 20 untergebracht ist. Der Kolbenring 20 ist aus einem härteren Material als der Kolben, zum Beispiel aus Stahl, Gusseisen oder einer gesinterten Metalllegierung und weist allgemein einen ringförmigen Körper, der eine obere Seitenfläche 21 und eine untere Seitenfläche 22 aufweist, die sich gegenüberliegen und allgemein parallel zueinander und im rechten Winkel zur axialen Achse des Rings sind, eine Innenfläche 23 und eine äußere Kontaktfläche 24, die gegen eine Innenfläche des Zylinders C sitzt, auf.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat mindestens die erste Nut 10 ein Profil mit einer oberen Seitenwand 11 und einer unteren Seitenwand 12, die um einen Nennneigungswinkel zur Oberseite des Kolbens hin radial nach außen geneigt sind, um so Verformungen mindestens teilweise zu kompensieren, denen der Kolben ausgesetzt ist, wenn er in einer Betriebsbedingung mit einer kritisch höheren Last ist, um die Verteilung des Sitzkontakts zwischen mindestens der oberen oder der unteren Seitenfläche 21 bzw. 22 des Kolbenrings 20 und einer anliegenden Seitenwand 11, 12 der Nut 10 zu maximieren, und um den Verschleiß, der die Lebensdauer der Nut 10 bestimmt, insbesondere an der unteren Seitenwand 11 der Nut 10 zu minimieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Maximierung der Kontaktverteilung zwischen der unteren Seitenwand 12 der Nut 10 und der anliegenden unteren Seitenfläche 22 des Kolbenrings 20 erzielt, wobei der Maximierungszustand auftritt, wenn die untere Seitenwand 12 der Nut 10 im Wesentlichen koplanar mit einer Ebene liegt, die senkrecht zur Längsachse des Kolbens ist, und eine anliegende untere Seitenfläche 22 des Kolbenrings 20 im Wesentlichen gegen die untere Seitenwand 12 der Nut 10 in dem Betriebszustand sitzt, der die Lebensdauer der Nut 10 bestimmt.
Bei der gezeigten Konstruktion sind bei der ersten Nut 10 die entsprechenden oberen und unteren Seitenwände 11, 12 parallel zueinander und sind bei dem Kolbenring 20 die Ober- und die Unterseite 21 bzw. 22 parallel zueinander.
Während die Zeichnungen lediglich eine Konstruktionsform der oberen und der unteren Seitenfläche 21 bzw. 22 zeigen, so versteht es sich doch, dass sie auch andere Konfigurationen, so zum Beispiel ein trapezförmiges oder halbtrapezförmiges Profil des Kolbenrings 20, haben können. Außerdem versteht es sich, dass die obere und die untere Seitenwand 11 bzw. 12 einer jeden Nut 10 auch andere Konfigurationen als, wie gezeigt, parallel zueinander haben können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Neigungswinkel der Nut 10 in Abhängigkeit von den mechanischen und thermischen Charakteristiken des Kolbens und dem Material definiert, aus dem er ausgebildet ist, wobei die thermischen Charakteristiken von den Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmedehnung des Kolbenmaterials bestimmt werden und den mechanischen Charakteristiken des Kolbenrings von der Torsionssteifigkeit und der Biegesteifigkeit des entsprechenden Querschnitts des Kolbenrings 20 bestimmt werden.
Das Vorsehen des Neigungswinkels gemäß der vorliegenden Erfindung berücksichtigt auch das Folgende: die Dynamik des Kolbens und des Kolbenrings 20 zusammen, wobei die Drücke vorhergesehen werden, die der Kolbenring 20 auf die untere Seitenwand 12 der Nut 10 zu jeder Zeit ausübt; die Relativbewegung zwischen dem jeweiligen Kolbenring 20 und der entsprechenden Nut 10; die Verschleißrate eines Teils der unteren Seitenwand 12 der Nut 10; und die Oberflächenrauheit in einem der Teile, der von dem Kolbenring und der entsprechenden Nut 10 definiert wird.
Der Verschleiß zwischen zwei Stücken mit einer Relativbewegung wird durch das folgende Verhältnis bestimmt (Archard'sches Gesetz): Q = (K.W/Hv) ΔS wobei:

Q:: durch Verschleiß entferntes Materialvolumen
K:: Verschleißkoeffizient des Systems
W:: Normal anliegende Last
Hv:: Härte nach Vickers des weicheren Materials
ΔS:: Gleitstrecke

Auf diese Weise ist es möglich, die Verschleißrate zu jedem Zeitintervall während des Verbrennungshubs, ΔWL (Verschleißlast), wie folgt zu definieren: ΔWL = Q/ΔS = (K. W)/Hvund der Verschleiß während des Motorzyklus kann als die Aufsummierung von ΔWL während des Hubs definiert werden. In einem Schmiersystem, wie bei demjenigen des Rings zusammen mit dem Kolben, wird ein Teil W durch die hydrodynamischen Drücke des Schmierfilms abgestützt, und diese verursachen keinen beträchtlichen Verschleiß.
Der Verschleiß der ersten Nut 10 kann durch eine integrierte Konstruktion von Nut und Ring verringert werden, bei der die Verschleißrate unter kritischen Betriebsbedingungen minimiert wird. Insbesondere berücksichtigt diese Konstruktion das Folgende: die Neigungsveränderung der Nut 10 aufgrund von Betriebstemperaturen; die Sekundärbewegung des Kolbens um seinen Stift; und die Bewegung des Kolbenrings 20 im Verhältnis zur entsprechenden Nut 10.
Da sich das Kolbenprofil beim Erhitzen im Verhältnis zur Konstruktionsposition nach unten neigt, wird bei der ersten Nut 10, wenn diese Neigungsveränderung nicht entsprechend kompensiert wird, der Kontakt des entsprechenden Kolbenrings 20 mit der unteren Seitenwand 11 der Nut 10 an einem örtlich begrenzten Punkt auftreten, der dem inneren unteren Teil der Nut 10 nahe liegt, wodurch ein übergroßer Verschleißvorgang eingeleitet wird. In der Anfangsphase erscheinen in der Nähe dieses inneren unteren Teils der Nut 10 kleine Krater.
3 zeigt eine Nut 10 des Standes der Technik, deren unterer Teil dadurch verschlissen wurde, dass der Kolben über einen Zeitraum von 150 Stunden betrieben wurde und wobei nach Verstreichen dieses Zeitraums aufgrund des Verschleißes Material entfernt wurde. Der Motorbetrieb verursacht einen Verschleiß in der Nut 10, der sich zum Rand der letzteren fortsetzt, wodurch eine Stufe ausgeformt wird, die ungefähr 0,30 mm Tiefe erreichen kann (3), wobei sich dies negativ auf die Leistung des Motors auswirken oder sogar zu einem Bruch des Kolbenrings 20 oder des Kolbens selbst führen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie in den 4 und 4a gezeigt, sollte mindestens eine Nut 10 des Kolbens einen nach oben zur Oberseite des Kolbens weisenden Neigungswinkel von ungefähr zum Beispiel 5 bis 30 Winkelminuten und vorzugsweise zwischen 5 und 15 Winkelminuten aufweisen, um die nach unten weisende Neigung zu kompensieren, welche die Nut während des Betriebs erleidet. Der spezifische Wert dieser Neigung hängt von den Eigenschaften, wie zum Beispiel der Wärmeleitfähigkeit und dem Koeffizienten der Wärmedehnung, des Kolbenmaterials, von der kritischen oder belastenderen Betriebsbedingung hinsichtlich der Verschleißrate und von der Dynamik des Kolbenrings 20 ab.
Die nach oben weisende Neigung der Nut 10 ermöglicht es, dass beim Betrieb unter der ausgewählten Betriebsbedingung die Dynamik und der seitliche Kontakt einer unteren Stirnfläche 22 des Kolbenrings 20 mit der unteren Seitenwand 12 der Nut 10 zu einer minimalen Verschleißrate führt.
Die vorliegende Erfindung wurde in drei Benzinmotoren getestet und das Ergebnis in 1 dargestellt, in der der maximale Verschleißwert angegeben ist, der an der unteren Seitenwand 11 der ersten Nut 10 vor und nach Konstruktionsmodifikationen vorgefunden wurde. Der mit 1 bezeichnete Motor zeigte einen übergroßen Verschleiß der Nut 10 in der Entwicklungsphase, als seine Leistung erhöhte wurde. Die Motoren II und III verwenden harteloxierte Kolben. Die Verschleißwerte, die in der ursprünglichen Konstruktion auftraten beziehen sich auf Werte, die bei nicht eloxierten Kolben und unter Beibehaltung der ursprünglichen Konstruktion erhalten wurden.
Tabelle I
Wie aus 4a zu ersehen, zeigt das Profil der Nut 10, das in der Position des maximalen Verschleißes gemessen wurde, dass die optimierte Konstruktion nicht nur den Verschleiß der Nut 10 drastisch verringert hat, wobei die Verwendung herkömmlicher Aluminium-Kolbenlegierungen erlaubt war, sondern zeigt auch, dass der Verschleißmechanismus wirksam verändert wurde. Bei der ursprünglichen Konstruktion konzentrierte sich der Kontakt zwischen Ring und Nut in der Nähe des inneren Teils der Nut 10, während nach der Optimierung das Verschleißprofil der Nut 10 weniger Verschleiß aufweist und der Verschleiß neben der offenen Kante der Nut 10 lokalisiert ist, wodurch die letztere eine trompetenartige Form bekommt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, dass der Kontakt des Rings mit der unteren Flanke der Nut 10 im Betrieb, insbesondere in Momenten eines hohen auf den Kolbenring 20 wirkenden Drucks, so verteilt wie möglich geschieht, um die Verschleißrate an der unteren Flanke der Nut 10 zu minimieren.

Claims

Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine der Bauart, welche umlaufende Nuten (10) aufweist, wobei jede Nut (10) einen entsprechenden Kolbenring (20) aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine erste obere Nut (10) ein Profil mit einer oberen Seitenwand (11) und einer unteren Seitenwand (12) besitzt, welche radial nach außen in Richtung der Kolbenoberseite geneigt sind mit einem Neigungswinkel von ungefähr 5–30 Winkelminuten, so daß, unter einem Betriebszustand mit kritischer höherer Last, die untere Seitenwand (12) der oberen Nut (10) sich in einer Ebene befindet, die im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Kolbens steht, um, zumindest teilweise, thermische und mechanische hervorgerufene Abwärtsverformungen auszugleichen, welchen der Kolben in dem Betriebszustand mit kritischer höherer Last unterworfen ist, um den Sitzkontakt zwischen der unteren Seitenfläche (22) des Kolbenrings (20) und der angrenzenden unteren Seitenwand (12) der Nut (10) zu verbessern, sowie um den Verschleiß zu minimieren, welcher die Standzeit der Nut (10) bestimmt, wobei der Neigungswinkel als eine Funktion der mechanischen und thermischen Eigenschaften des Kolbenrings (20), des Kolbens, und des Materials welches letzteren bildet definiert ist.
Kolben gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel vorzugsweise von ungefähr 5 bis ungefähr 15 Winkelminuten festgelegt ist.
Kolben gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere Seitenwand (11, 12) der ersten Nut (10) parallel zueinander stehen.
Kolben gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere Seitenfläche (21, 22) des Kolbenrings (20) parallel zueinander stehen.
Kolben gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermischen Eigenschaften des Kolbens mittels der Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmedehnung des Kolbenmaterials bestimmt sind.
Kolben gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Eigenschaften des Kolbenrings (20) mittels der Torsionssteifigkeit und Biegesteifigkeit des entsprechenden Querschnitts des Kolbenrings (20) bestimmt sind.
Kolben gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Eigenschaften unter Berücksichtigung der Relativbewegung zwischen dem Kolbenring (20) und der entsprechenden Nut (10) sowie der Oberflächenrauhigkeit jedes der durch den Kolbenring (20) und die Nut (10) definierten Teile bestimmt sind.