EP0670960B1 - Kolben-zylinder-vorrichtung eines verbrennungsmotors - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a piston-cylinder device of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • piston running layer is regularly metallic and galvanically applied.
  • a piston-cylinder device in which the cylinder running surface is formed by a cylinder liner made of aluminum alloy and in which the piston consists of an aluminum alloy as the base material and provides a running layer on at least 80% of its running surface is, this layer consists of iron.
  • Such a piston-cylinder device with a cylinder running surface made of an aluminum alloy and a coated piston is also known from JP-A-01 253 553.
  • 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.
  • the R a 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 lawn mowers, brush cutters, brushcutters and stationary engines.
  • JP-A-41 89 465 which relates to a cylinder block with a tread roughness of 0.8-1.2 micrometers
  • EP-A-0 466 978 in which a coating composition for one Piston a mixture of graphite powder and a resin is provided
  • JP-A-63 289 373 from which a piston ring made of steel is known.
  • 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 with the following composition, given in percent by weight: Si 17-19 Cu 0.8 - 1.5 Mg 0.8 - 1.3 Ni 0.8 - 1.3 Fe less than or equal to 0.7 Mn less than or equal to 0.2 Ti less than or equal to 0.2 Zn less than / equal to 0.3 Al rest
  • a running layer 3 made of graphite bonded in resin is applied to the bearing areas of the piston skirt opposite each other 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 optionally also be dispensed with.
  • the individual ring webs can also be coated.
  • the running layers 3, 4 each have a thickness of approximately 20 micrometers in both the shaft area and the top land area.
  • 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 about 40 percent by weight.
  • There is a solvent in the material to be applied to produce the layer by screen printing which solvent 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 micrometers.
  • the layer applied in the screen printing process is cured at about 200 ° C. for about 15 minutes.
  • the material forming the counter-race of the cylinder 1 is an aluminum alloy with the following composition, given in percent by weight. Si 16.0 ... 18.0 Mg 0.4 ... 0.7 Cu 4.0 ... 5.0 Fe less than or equal to 0.7 Al rest
  • the piston ring 6 inserted into the piston ring groove 5 consists of an STD material of the following composition, given in weight percent: C. 3.5 - 3.9 P 0.3-0.6 Cu maximum 0.5 Si 2.4 - 3.1 S 0.15 maximum Mn 0.5-0.9 Cr maximum 0.4 rest Fe
  • 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 T1 B.
  • the piston-cylinder device described above with a piston with a diameter of approximately 42 mm is intended for use in a power range of 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

  • Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Vorrichtung eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bei Kolben-Zylinder-Paarungen dieser bekannten Art ist die Kolbenlaufschicht regelmäßig metallischer Art und galvanisch aufgebracht.
  • Aus der US-A-3,935,797 ist beispielsweise eine Kolben-Zylinder-Vorrichtung bekannt, bei der die Zylinderlauffläche durch eine Zylinderbuchse aus Aluminiumlegierung gebildet ist und bei der der Kolben aus einer Aluminiumlegierung als Grundmaterial besteht und auf zumindest 80% seiner Lauffläche mit einer Laufschicht versehen ist, wobei diese Schicht aus Eisen besteht.
  • Eine derartige Kolben-Zylinder-Vorrichtung mit einer Zylinderlauffläche aus einer Aluminiumlegierung und einem beschichteten Kolben ist auch aus der JP-A-01 253 553 bekannt.
  • Hiervon ausgehend beschäftigt sich die Erfindung mit dem Problem, eine wirtschaftlicher erzeugbare Kolbenlaufschicht zu schaffen, deren Eigenschaften den bisher aufgebrachten Schichten zumindest nicht unterlegen sind.
  • Eine Lösung dieses Problems gibt die Lehre nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an. Bevorzugte Ausführungsformen zeigen die Ansprüche 2 bis 4 auf.
  • Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
  • Der in den Ansprüchen angegebene Ra-Wert ist ein nach der ISO-Norm festgelegter Wert und bezeichnet den arithmetischen Durchschnittswert der Spitzenhöhen der die Rauhheit bildenden Oberflächenspitzen.
  • Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Paarung soll insbesondere Anwendung finden bei Verbrennungsmotoren für Rasenmäher, Freischneider, Motorsensen und Stationärmotoren.
  • Zum Stand der Technik ist noch hinzuweisen auf die JP-A-41 89 465, die einen Zylinderblock mit einer Laufflächenrauhheit von 0,8 - 1,2 Mikrometer betrifft sowie auf die EP-A-0 466 978, in der als Beschichtungsmasse für einen Kolben eine Mischung aus Grafitpulver und einem Harz vorgesehen ist, und auf die JP-A-63 289 373, aus der ein Kolbenring aus Stahl bekannt ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel 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-Silizium-Legierung folgender in Gewichtsprozent angegebener Zusammensetzung:
    Si 17 - 19
    Cu 0,8 - 1,5
    Mg 0,8 - 1,3
    Ni 0,8 - 1,3
    Fe kleiner/gleich 0,7
    Mn kleiner/gleich 0,2
    Ti kleiner/gleich 0,2
    Zn kleiner/gleich 0,3
    Al Rest
  • Auf die in Druck- und Gegendruckrichtung gegenüberliegenden Tragbereiche des Kolbenschaftes sind jeweils eine Laufschicht 3 aus in Harz gebundenem Grafit aufgebracht. Eine entsprechende zusätzliche Laufschicht 4 kann auf den oberhalb der hier einzigen Kolbenringnut 5 liegenden Feuerstegbereich des Kolbens 1 aufgebracht sein.
  • Auf die Laufschicht 4 im Feuerstegbereich kann gegebenenfalls auch verzichtet werden.
  • Bei Vorhandensein mehrerer Ringnuten 5 können auch die einzelnen Ringstege beschichtet sein.
  • Die Laufschichten 3, 4 besitzen sowohl im Schaft- als auch im Feuerstegbereich jeweils eine Dicke von etwa 20 Mikrometer.
  • Der Aufbau und die Zusammensetzung der Laufschichten 3,4 sind wie folgt.
  • Die betreffende Schicht wird nach dem auf diesem Gebiet bekannten Siebdruckverfahren aufgebracht.
  • Innerhalb der Laufschichten ist das Grafit in aushärtbarem Polyimid als Bindemittel eingebunden. Der Grafitgehalt innerhalb der ausgehärteten Schicht beträgt etwa 40 Gewichtsprozent. In dem zur Erzeugung der Schicht im Siebdruckverfahren aufzutragenden Material befindet sich ein Lösemittel, 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 Mikrometer. Die in dem Siebdruckverfahren 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 angegebener Zusammensetzung.
    Si 16,0 ... 18,0
    Mg 0,4 ... 0,7
    Cu 4,0 ... 5,0
    Fe kleiner/gleich 0,7
    Al Rest
  • Die Lauffläche des Zylinders 2 ist feingebohrt und besitzt eine Rauhigkeit von Ra = max. 0,3 Mikrometer.
  • Der in die Kolbenringnut 5 eingesetzte Kolbenring 6 besteht aus einem STD - Material folgender in Gewichtsprozenten angegebener Zusammensetzung:
    C 3,5 - 3,9
    P 0,3 - 0,6
    Cu maximal 0,5
    Si 2,4 - 3,1
    S maximal 0,15
    Mn 0,5 - 0,9
    Cr maximal 0,4
    Rest Fe
  • 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 T1 B.
  • Die vorstehend beschriebene Kolben-Zylinder-Einrichtung mit einem Kolben eines Durchmessers von etwa 42 mm ist zum Einsatz für einen Leistungsbereich in der Größenordnung von etwa 20 - 40 Kilowatt/Liter bestimmt.

Claims (13)

  1. Kolben-Zylinder-Vorrichtung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Zweitakt-Motors, bei der zumindest die Zylinderlauffläche von einer Aluminiumlegierung gebildet ist, bei der ferner der Kolben (1) aus einer Aluminiumlegierung als Grundmaterial besteht und auf zumindest 80% seiner Lauffläche mit einer Laufschicht (3, 4) versehen ist und bei der der Kolben zumindest mit einem Kolbenring (6) versehen ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zylinderlauffläche eine Rauhheit von Ra < 1 Mikrometer besitzt, daß die Kolbenlaufschicht (3, 4) harzgebundenes Grafit ist und daß der zumindest eine Kolbenring (6) aus Guß oder Stahl besteht und mit einer balligen Lauffläche versehen ist.
  2. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch
    Ra < 0,8.
  3. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach Anspruch 2,
    gekennzeichnet durch
    Ra < 0,5
  4. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach Anspruch 3,
    gekennzeichnet durch
    Ra kleiner/gleich 0,3.
  5. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die die Lauffläche des Zylinders bildende Aluminiumlegierung 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 Aluminium-Legierung eine Al-Si-Zn-Legierung ist, bei der der Siliziumanteil > 5 Gewichts-% und der Zn-Anteil > 2 Gewichts-% ist.
  7. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zylinderlauffläche fein gebohrt ist.
  8. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Kolbenlaufschicht eine Dicke zwischen 10 und 20 Mikrometer besitzt.
  9. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in der Kolbenlaufschicht die Grafitpartikel in einer Größe zwischen 1 und 10 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 1 und 5 Mikrometer 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 vorhergehenden 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 vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Temperatur für das Aushärten der Kolbenlaufschicht 150 - 200 ° C beträgt und das Aushärten während einer Zeit zwischen 10 und 30 Minuten erfolgt.
  13. Kolben-Zylinder-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Aluminiumgrundmaterial des Kolbens eine Aluminium-Silizium-Legierung ist.
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