EP0670960A1 - Kolben-zylinder-vorrichtung eines verbrennungsmotors. - Google Patents

Kolben-zylinder-vorrichtung eines verbrennungsmotors.

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Definitions

  • the invention relates to a piston-cylinder device of an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.
  • the piston running layer is regularly of a metallic type and is applied galvanically.
  • the invention is concerned with the problem of creating an economically producible piston running layer, the properties of which are at least not inferior to the layers previously applied galvanically.
  • the R value specified in the claims is a value defined according to the ISO standard and denotes the arithmetic average value of the peak heights of the surface peaks forming the roughness.
  • the piston-cylinder pairing according to the invention is to be used in particular in internal combustion engines for lawnmowers, brush cutters, brushcutters and stationary engines.
  • An exemplary embodiment is shown in the drawing, which shows a section through a piston-cylinder pairing.
  • the piston 1 has a diameter of approximately 42 mm and is guided in a cylinder 2 of a two-stroke engine.
  • the base material of the piston consists of an aluminum-silicon alloy of the following composition, given in percent by weight:
  • a running layer 3 made of graphite bonded in resin is applied in each case to the bearing areas of the piston skirt opposite in the pressure and counterpressure directions.
  • a corresponding additional running layer 4 can be applied to the top land area of the piston 1 lying above the only piston ring groove 5.
  • the running layer 4 in the top land area can also be dispensed with.
  • the individual ring webs can also be coated.
  • the running layers 3, 4 have both in the shaft and in the top land area each a thickness of about 20 mm.
  • the structure and the composition of the running layers 3, 4 are as follows.
  • the layer in question is applied by the screen printing method known in this field.
  • the graphite is bound in the hardenable polyimide as a binder within the running layers.
  • the graphite content within the hardened layer is approximately 40 percent by weight.
  • the material to be applied to produce the layer in the screen printing process contains a solvent, which can be, for example, N-methyl-pyrrolidone (NMP).
  • NMP N-methyl-pyrrolidone
  • the proportion of the solvent in the layer starting material to be applied is approximately 50 percent by weight.
  • the particle size of the graphite incorporated in the layer is between 1 and 10 microns.
  • the layer applied in the screen printing process becomes about 200 C at about
  • the material forming the counter-path of the cylinder 1 is an aluminum alloy of the following composition, given in weight percent.
  • a The piston ring 6 inserted into the piston ring groove 5 consists of an STD material of the following composition given in weight percent:
  • the tread geometry of the piston ring 6 is crowned.
  • Such a piston ring is specified for the dimensions of 42 mm x 1.5 mm used here by the German standard DIN 70910 DI Tl B.
  • the piston-cylinder device described above with a piston of a diameter of approximately 42 mm is intended for use in a power range in the order of approximately 20-40 kilowatts / liter.

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Abstract

Bei einer Kolben-Zylinder-Vorrichtung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Zweitakt-Motors, ist zumindest die Zylinderlauffläche von einer Aluminiumlegierung gebildet. Ferner besteht der Kolben (1) aus einer Aluminiumlegierung als Grundmaterial und ist zumindest auf 80 % seiner Lauffläche mit einer Laufschicht (3, 4) versehen. Die Laufschicht (3, 4) auf dem Kolben (1) ist üblicherweise metallischer Art und galvanisch aufgebracht. Hier soll eine wirtschaftlicher erzeugbare Kolbenlaufschicht geschaffen werden, deren Eigenschaften den bisher galvanisch aufgebrachten Schichten zumindest nicht unterlegen sind. Zu diesem Zweck besitzt die Zylinderlauffläche eine Rauheit von Ra kleiner 1 Mymeter, während die Kolbenlaufschicht (3, 4) harzgebundenes Grafit ist. Die Kolbenringe (6) bestehen aus Guß oder Stahl und sind mit einer balligen Lauffläche versehen.

Description

Kolben-Zylinder-Vorrichtung eines Verbrennungsmotors
Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Vorrichtung ei¬ nes Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentan¬ spruchs 1.
Bei Kolben-Zylinder-Paarungen dieser bekannten Art ist die Kolbenlaufschicht regelmäßig metallischer Art und galva¬ nisch aufgebracht.
Hiervon ausgehend beschäftigt sich die Erfindung mit dem Problem, eine wirtschaftlicher erzeugbare KolbenlaufSchicht zu schaffen, deren Eigenschaften den bisher galvanisch auf¬ gebrachten Schichten zumindest nicht unterlegen sind.
Eine Lösung dieses Problems gibt die Lehre nach dem kenn¬ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an. Bevorzugte Aus¬ führungsformen zeigen die Ansprüche 2 bis 4 auf.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der üb¬ rigen Unteransprüche.
Der in den Ansprüchen angegebene R -Wert ist ein nach der a ISO-Norm festgelegter Wert und bezeichnet den arithmeti¬ schen Durchschnittswert der Spitzenhöhen der die Rauheit bildenden Oberflächenspitzen.
Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Paarung soll insbeson¬ dere Anwendung finden bei Verbrennungsmotoren für Rasenmä¬ her, Freischneider, Motorsensen und Stationärmotoren. Ein Ausführungbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt, die einen Schnitt durch eine Kolben-Zylinder-Paarung zeigt.
Der Kolben 1 besitzt einen Durchmesser von etwa 42 mm und ist in einem Zylinder 2 eines Zweitakt-Motors geführt. Das Grundmaterial des Kolbens besteht aus einer Aluminium-Sili¬ zium-Legierung folgender in Gewichtsprozent angegebener Zu¬ sammensetzung:
Auf die in Druck- und Gegendruckrichtung gegenüberliegenden Tragbereiche des Kolbenschaftes sind jeweils eine Lauf¬ schicht 3 aus in Harz gebundenem Grafit aufgebracht. Eine entsprechende zusätzliche Laufschicht 4 kann auf den ober¬ halb der hier einzigen Kolbenringnut 5 liegenden Feuersteg¬ bereich des Kolbens 1 aufgebracht sein.
Auf die Laufschicht 4 im Feuerstegbereich kann gegebenen¬ falls auch verzichtet werden.
Bei Vorhandensein mehrerer Ringnuten 5 können auch die ein¬ zelnen Ringstege beschichtet sein.
Die Laufschichten 3,4 besitzen sowohl im Schaft- als auch im Feuerstegbereich jeweils eine Dicke von etwa 20 Mymeter.
Der Aufbau und die Zusammensetzung der Laufschichten 3,4 sind wie folgt.
Die betreffende Schicht wird nach dem auf diesem Gebiet be¬ kannten Siebdruckverfahren aufgebracht.
Innerhalb der Laufschichten ist das Grafit in aushärtbarem Polyimid als Bindemittel eingebunden. Der Grafitgehalt in¬ nerhalb der ausgehärteten Schicht beträgt etwa 40 Gewicht¬ sprozent. In dem zur Erzeugung der Schicht im Siebdruckver¬ fahren aufzutragenden Material befindet sich ein Lösemit¬ tel, das beispielsweise N-Methyl-Pyrrolidon (NMP) sein kann. Der Anteil des Lösemittels in dem aufzutragenden Schichtausgangsmaterial liegt bei etwa 50 Gewichtsprozent. Die Partikelgröße des in der Schicht eingebundenen Grafits liegt zwischen 1 und 10 Mymeter. Die in dem Siebdruckver- o fahren aufgetragene Schicht wird bei etwa 200 C über etwa
15 Minuten ausgehärtet.
Das die Gegenlaufbahn des Zylinders 1 bildende Material ist eine Aluminiumlegierung folgender in Gewichtsprozenten an¬ gegebener Zusammensetzung.
0,7
Die Lauffläche des Zylinders 2 ist feingebohrt und besitzt eine Rauhigkeit von R = max. 0,3 Mymeter. a Der in die Kolbenringnut 5 eingesetzte Kolbenring 6 besteht aus einem STD - Material folgender in Gewichtsprozenten an¬ gegebener Zusammensetzung:
Die Laufflächengeometrie des Kolbenringes 6 ist ballig. Ein solcher Kolbenring ist für die hier eingesetzte Abmessung von 42 mm x 1,5 mm festgelegt durch die deutsche Norm DIN 70910 DI Tl B.
Die vorstehend beschriebene Kolben-Zylinder-Einrichtung mit einem Kolben eines Durchmessers von etwa 42 mm ist zum Ein¬ satz für einen Leistungsbereich in der Größenordnung von etwa 20 - 40 Kilowatt/Liter bestimmt.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben-Zylinder-Vorrichtung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Zweitakt-Motors, bei der zumindest die Zylinderlauffläche von einer Aluminivunlegierung ge¬ bildet ist, bei der ferner der Kolben aus einer Alumi¬ niumlegierung als Grundmaterial besteht und auf zumin¬ dest 80 % seiner Lauffläche mit einer Laufschicht ver¬ sehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlauffläche eine Rauhheit von
R < 1 Mymeter besitzt, daß die Kolbenlaufschicht harz- a gebundenes Grafit ist und daß die Kolbenringe aus Guß oder Stahl bestehen und mit einer balligen Lauffläche versehen sind.
2. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
R < 0,8. a
3. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch
R < 0,5 a
4. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch
R kleiner/gleich 0,3. a
5. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach einem der vorhergehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Lauffläche des Zylinders bildende Alumini¬ umlegierung eine Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Silizium-Gehalt von > 8 Gewichts-% ist.
6. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Lauffläche des Zylinders bildende Alumini¬ um-Legierung eine Al-Si-Zn-Legierung ist, bei der der Siliziumanteil > 5 Gewichts-% und der Zn-Anteil > 2 Ge¬ wichts-% ist.
7. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach einem der vorhergehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlauffläche fein gebohrt ist.
8. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach einem der vorhergehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die KolbenlaufSchicht eine Dicke zwischen 10 und 20
Mymeter besitzt.
9. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der KolbenlaufSchicht die Grafitpartikel in ei¬ ner Größe zwischen 1 und 10 Mymeter, vorzugsweise zwi¬ schen 1 und 5 Mymeter liegen.
10. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Grafitanteil zwischen 30 und 60 %, vorzugsweise zwischen 40 und 60 % liegt.
11. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach einem der vorhergehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel, mit dem die Grafitpartikel in der
Kolbenlaufschicht gebunden sind, aushärtbares Polyimid ist.
12. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach einem der vorhergehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur für das Aushärten der Kolbenlauf- o schicht 150 - 200 C beträgt und das Aushärten während einer Zeit zwischen 10 und 30 Minuten erfolgt.
13. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach einem der vorhergehen¬ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumgrundmaterial des Kolbens eine Alumi¬ nium-Silizium-Legierung ist.
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