DE19514416A1 - Kolbeneinheit in einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Kolbeneinheit in einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Kolbeneinheit, die in einer Brennkraftmaschine verwendet
wird und keinen Zwischenflächenriß zwischen einem Kolben
und seinem verschleißfesten Ring verursacht.
Bezogen auf Fig. 3 hat ein Zylinder 7 einer
Verbrennungskammer 70 in einer Brennkraftmaschine eine
darin angeordnete Kolbeneinheit 9, die in der
Verbrennungskammer 70 auf dem Zylinder 7 erzeugtes
Hochdruckgas bei hoher Temperatur in Leistung umsetzt. Die
Kolbeneinheit 9 besteht aus einem aus einer
Aluminiumbasislegierung gebildeten Kolben 90, und drei
Kolbenringen, d. h. einem ersten Kolbenring 61, einem
zweiten Kolbenring 62 und einem dritten Kolbenring 63, die
in einer ersten Ringnut 91, einer zweiten Ringnut 92 und
einer dritten Ringnut 93 aufgenommen sind, die jeweils im
Kolben 90 gebildet sind. Von diesen Kolbenringen wird der
erste Kolbenring 61 in die erste Ringnut 91 aufgenommen,
und zwar mit einem dazwischen angeordneten verschleißfesten
Ring 910. Der verschleißfeste Ring 910 ist mit der ersten
Ringnut 91 verschmolzen worden.
Der vorhergehend erwähnte verschleißfeste Ring 910
schützt die erste Ringnut 91, die in der zur
Verbrennungskammer 70 nächstgelegenen Position gebildet
ist, so daß diese bei anspruchsvoller Betriebsbedingung vor
Verschleiß geschützt ist.
Bislang ist ein herkömmlicher verschleißfester Ring
910 für die Anwendung vorgeschlagen worden, beispielsweise
eine Nickelbasislegierung (japanische
Patentveröffentlichung Nr. 69226 (1992)), Gußeisen und
dergleichen.
Der aus der Nickelbasislegierung gebildete
herkömmliche Kolben 90 muß nach dem Aufschmelzen des
verschleißfesten Ringes 910 einer Aluminiumbeschichtung
unterzogen werden. Der aus dem Gußeisen gebildete Kolben 90
muß auf ähnliche Weise einer Alfin-Behandlung unterzogen
werden.
Da der verschleißfeste Ring 910 und der Kolben 90
unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, kann
beim Abkühlprozeß nach dem Aufschmelzen und weiter bei der
T6-Behandlung (Härten, Weichglühen), die auf die
Kolbeneinheit 9 angewendet wird, dazwischen ein
Zwischenflächenriß auftreten. Der Unterschied der
Wärmeausdehnungskoeffizienten kann bewirken, daß sich der
verschleißfeste Ring 910 von dem Kolben 90 ablöst, woraus
eine fehlerhafte Kolbeneinheit resultiert.
Die einen keramischen verschleißfesten Ring
verwendende Kolbeneinheit ist zudem in der offengelegten
Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 29041 (1986) vorgeschlagen
worden. In diesem Fall besteht jedoch ein beträchtlich
großer Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen dem verschleißfesten Ring und dem Kolben, so daß
es nicht möglich ist, die Aluminiumbasislegierung, die für
den Kolben verwendet wird, einer T6-Behandlung zu
unterziehen. Daraus resultierend kann die Festigkeit und
die Bearbeitbarkeit der Kolbeneinheit beeinträchtigt
werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine, in
einer Brennkraftmaschine verwendete Kolbeneinheit zu
schaffen, die einen Zwischenflächenriß zwischen einem
Kolben und seinem verschleißfesten Ring verhindert, sowie
es zu ermöglichen, die T6-Behandlung auf die bei dem Kolben
verwendete Aluminiumbasislegierung anzuwenden.
Eine erste Erfindung bezieht sich auf eine
Kolbeneinheit für eine Brennkraftmaschine mit einem aus
einer Aluminiumbasislegierung gebildeten Kolben und einem
verschleißfesten Ring, der mit einer ersten Ringnut des
Kolbens bei seiner Ausbildung verschmolzen worden ist. Der
verschleißfeste Ring besteht aus einer Kupfer-Zink-
Legierung, deren Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von
19,5×10-6 m/m°C bis 22,0×10-6 m/m°C liegt.
Weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden
aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer in einer
Brennkraftmaschine verwendeten Kolbeneinheit eines
Ausführungsbeispiels 1;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Hauptteils der in der
Brennkraftmaschine verwendeten Kolbeneinheit des
Ausführungsbeispiels 1;
Fig. 3 eine Ansicht einer herkömmlichen Kolbeneinheit
einer Brennkraftmaschine.
Der verschleißfeste Ring der vorliegenden Erfindung
besteht aus einer Kupfer-Zink-Legierung, deren
Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 19,5 bis
22,0×10-6 m/m°C liegt. Wenn der Koeffizient von dem
vorhergehenden Bereich abweicht, wird der
Koeffizientenunterschied zwischen dem verschleißfesten Ring
und dem Kolben übermäßig groß, wodurch dazwischen ein
Zwischenflächenriß entsteht. Es ist vorzuziehen, die untere
Grenze des Bereichs auf 20×10-6 m/m°C festzulegen und die
obere Grenze auf 21,5×10-6 m/m°C festzulegen.
Die vorhergehende Kupfer-Zink-Legierung besteht aus
Kupfer, Zink und Aluminium (Cu-Zn-Al), welches
bevorzugterweise 57-64 Gew.-% Kupfer, 22-36 Gew.-% Zink und
1,5-5,2 Gew.-% Aluminium enthält (siehe
Ausführungsbeispiele).
Wenn der minimale Gewichtsprozentanteil von Kupfer
weniger als 57% ist, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient
des verschleißfesten Rings seine obere Grenze
überschreiten; während, wenn der maximale
Gewichtsprozentanteil 64% überschreitet, es weniger als
seine untere Grenze werden kann.
Wenn der minimale Gewichtsprozentanteil von Zink
kleiner als 22% ist, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient
des verschleißfesten Ringes kleiner als seine untere Grenze
werden, während, wenn der maximale Gewichtsprozentanteil
36% überschreitet, er seine obere Grenze überschreiten
kann.
Wenn der minimale Gewichtsprozentanteil von Aluminium
kleiner als 1,5% ist, kann die Verschleißfestigkeit des
verschleißfesten Ringes verringert werden, so daß er den
Schutz des Kolbens vor Verschleiß nicht mehr wahrnimmt;
während, wenn der maximale Gewichtsprozentanteil von
Aluminium 5,2% überschreitet, auf dem verschleißfesten Ring
eine gesteigerte Erzeugung einer Kupfer-Aluminium-
Verbindung erhaltbar ist. Dies verringert die Zähigkeit des
verschleißfesten Ringes, wodurch dessen Stoßwiderstand
abgesenkt wird. Die vorhergehend erwähnte Bauart des
verschleißfesten Ringes hat die Verschleißfestigkeit und
Zähigkeit verbessert, da sie 1,5-2,5 Gew.-% Aluminium
enthält.
Eine weitere Art von Kupfer-Zink-Legierung besteht aus
Kupfer und Zink (Cu-Zn) mit vorzugsweise 60-72 Gew.-%
Kupfer und 28-40 Gew.-% Zink. Wenn der minimale
Gewichtsprozentanteil von Kupfer kleiner als 60% ist, kann
der Wärmeausdehnungskoeffizient des verschleißfesten Ringes
seine Obergrenze überschreiten; während, wenn der maximale
Gewichtsprozentanteil von Kupfer 72% überschreitet, der
Wärmeausdehnungskoeffizient kleiner als seine unter Grenze
sein kann.
Wenn der minimale Gewichtsprozentanteil von Zink
kleiner als 28% ist, kann der Wärmeausdehnungskoeffizient
des verschleißfesten Ringes kleiner als seine Untergrenze
sein; während, wenn der maximale Gewichtsprozentanteil von
Zink 40% überschreitet, er seine Obergrenze überschreiten
kann.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient der
Aluminiumbasislegierung, die für den Kolben verwendet wird,
liegt beispielsweise im Bereich von 20 bis 21,5×10-6m/m°C.
Eine zweite Erfindung bezieht sich auf eine
Kolbeneinheit für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolben,
der aus einer Aluminiumbasislegierung besteht, und einen
verschleißfesten Ring, der mit einer ersten Ringnut des
Kolbens verschmolzen worden ist. Der verschleißfeste Ring
besteht aus einer Kupfer-Zink-Legierung mit etwa dem
gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der der
Aluminiumbasislegierung.
Die Kupfer-Zink-Legierung hat nahezu den gleichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der der
Aluminiumbasislegierung. D.h., daß sich beide Koeffizienten
bis zu einem gewissen Grad annähern, so daß ein
Zwischenflächenriß zwischen dem Kolben und dem
verschleißfesten Ring aufgrund einer plötzlichen
Temperaturänderung verhindert werden kann. Die Kupfer-Zink-
Legierung kann die gleiche sein wie die bei der ersten
Erfindung beschriebene.
Die bei einer Brennkraftmaschine verwendete
Kolbeneinheit der ersten Erfindung hat einen
verschleißfesten Ring, der an der ersten Ringnut des
Kolbens verschmolzen worden ist. Die für den
verschleißfesten Ring verwendete Kupfer-Zink-Legierung hat
etwa den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der der
Aluminiumbasislegierung, die für den Kolben verwendet
worden ist. Dadurch kann der Unterschied in der
Wärmeschrumpfung zwischen dem verschleißfesten Ring und dem
Kolben verringert werden. Selbst wenn der verschleißfeste
Ring mit der ersten Ringnut des Kolbens verschmolzen ist,
tritt dazwischen kein Zwischenflächenriß auf. Der
verschleißfeste Ring ist zudem vor dem Ablösen vom Kolben
geschützt.
Die Kolbeneinheit der vorliegenden Erfindung gestattet
es, nach dem Verschmelzen des verschleißfesten Ringes einem
Abkühlprozeß unterzogen zu werden und ferner einer T6-
Behandlung unterzogen zu werden, wodurch die Funktionalität
der Kolbeneinheit dadurch gestärkt wird, daß ihre
Festigkeit und Bearbeitbarkeit verbessert wird.
Die Kolbeneinheit der zweiten Erfindung hat einen
verschleißfesten Ring mit etwa dem gleichem
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der der
Aluminiumbasislegierung. Daraus resultiert, daß kein
Zwischenflächenriß zwischen dem Kolben und dem
verschleißfesten Ring auftritt, wodurch die gleichen
Effekte wie die aus der ersten Erfindung erhaltenen
geschaffen werden. Wie vorhergehend erwähnt schafft die
vorliegende Erfindung eine in einer Brennkraftmaschine
verwendete Kolbeneinheit, die zwischen dem Kolben und
seinem verschleißfesten Ring keinen Zwischenflächenriß
verursacht, sowie gestattet, auf die, für den Kolben
verwendete Aluminiumbasislegierung eine T6-Behandlung
anzuwenden
Bezogen auf die Fig. 1 und 2 wird hinsichtlich einer
in einer Verbrennungskammer verwendeten Kolbeneinheit gemäß
diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
beschrieben.
Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, besteht eine
Kolbeneinheit 10 aus einem Kolben 2, der aus einer
Aluminiumbasislegierung gebildet ist, und einem
verschleißfesten Ring 1, der mit seiner ersten Ringnut 21
verschmolzen ist.
Der verschleißfeste Ring besteht aus einer Kupfer-
Zink-Legierung (siehe Ausführungsbeispiel 2) mit einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 20×10-6 m/m°C. Dieser
dient dazu, die ersten Ringnut 21 zu schützen, die derart
ausgebildet ist, daß sie sich in der nächstliegenden
Position zu einer Verbrennungskammer befindet, so daß sie
davor geschützt ist, bei extremer Betriebsbedingung
abgenutzt zu werden. Der Kolben 2 hat einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 21×10-6 m/m°C.
Der Kolben 2 hat weitere zwei Ringnuten, eine zweite
Ringnut 22 und eine dritte Ringnut 23 unterhalb der ersten
Ringnut 21. Diese zweite und dritte Ringnut 22 und 23 haben
Kolbenringe 62 und 63, die darin aufgenommen sind, was
jeweils in Fig. 2 gezeigt ist. Die erste Ringnut 21 hat
einen darin aufgenommenen Kolbenring 61, wobei der
verschleißfeste Ring 1 dazwischen angeordnet ist. Die
Kolbenringe 61 und 62 halten die Abdichtung zu den
Innenwänden des Zylinders aufrecht und halten Öltröpfen
davon ab, in die Verbrennungskammer zurückzulaufen.
Der Kolben 2 hat oben einen Hohlabschnitt 27 für die
Kühlung und ein Verbindungsloch 29 in seiner Mitte für die
Verbindung einer Kolbenstange. Er hat eine Aussparung 26
auf seiner Oberfläche, um die Verbrennungseffizienz zu
erleichtern.
Um den verschleißfesten Ring 1 mit der Kolbeneinheit
10 zu verschmelzen, wird der verschleißfeste Form-Ring 1 in
ein Metallformteil angeordnet, in welcher eine
Aluminiumbasislegierung gefüllt wird, um den Umfang des
verschleißfesten Rings 1 abzudecken.
Die Wirkung der Erfindung wird
nachstehend beschrieben.
Die Kolbeneinheit 10 der vorliegenden Erfindung hat
den verschleißfesten Ring 1, der mit der ersten Ringnut 21
des Kolbens 2 verschmolzen worden ist. Das für die
Herstellung des verschleißfesten Ringes verwendete
Material, d. h. Kupfer-Zink-Legierung, hat etwa den gleichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die für die Herstellung
des Kolbens 2 verwendete Aluminiumbasislegierung. Der
Unterschied in der Wärmeschrumpfung zwischen dem
verschleißfesten Ring 1 und dem Kolben 2 wird somit
verringert. Daraus ergibt sich, daß, selbst wenn der
verschleißfeste Ring 1 mit der ersten Ringnut 21 des
Kolbens 2 verschmolzen ist, kein Zwischenflächenriß
zwischen dem verschleißfesten Ring 1 und dem Kolben 2
auftritt, sowie der verschleißfeste Ring 1 davon abgehalten
wird, sich vom Kolben 2 zu lösen.
Diese Art der Kolbeneinheit erlaubt dem Kolben 2 nach
dem Verschmelzen des verschleißfesten Ringes 1, einem
Kühlprozeß sowie einer T6-Behandlung unterzogen zu werden,
die T6-Behandlung verstärkt die Betriebsfähigkeit des
Kolbens dadurch, daß seine Festigkeit und Bearbeitbarkeit
des Kolbens 2 verbessert wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden verschiedene
Arten von Kupfer-Zink-Legierungen verwendet, um den
verschleißfesten Ring zu bilden, der in der Kolbeneinheit
auszubilden ist, um zu bewerten, ob bei jeder Art des
Kolbens ein Zwischenflächenriß zwischen dem
verschleißfesten Ring und dem Kolben auftritt oder nicht.
Jede Art des mit einem unterschiedlichen
verschleißfesten Ring vorgesehenen Kolbens wurde auf
gleiche Weise wie im Ausführungsbeispiel 1 eingestellt. Bei
dieser Bewertung wurden sechs, die vorliegende Erfindung
repräsentierende Proben (Proben 1-6) und vier, die
Vergleichsbeispiele repräsentierende Proben (Proben C1-C4)
verwendet.
Bei den verschleißfesten Ringen der Proben 1 und 2
wurde eine Kupfer-Zink-Legierung verwendet, die Kupfer,
Zink, Aluminium und dergleichen enthielt, wie aus Tabelle
ersichtlich. Bei den verschleißfesten Ringe der Proben 3-6
wurde die Legierung verwendet, die Kupfer und Zink und eine
geringe Menge an Eisen und Blei enthielt. Die
Wärmeausdehnungskoeffizienten der Proben 1-6 lagen im
Bereich von 19,9 bis, 20,8×10-6 m/m°C.
Die Proben C1 und C2 verwendeten Ni-Resist-
Nickellegierungsgußeisen mit jeweiligen
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 18,2×10-6 und
18,7×10-6 m/m°C.
Die Proben C3 und C4 verwendeten eine Beryllium-
Kupfer-Legierung. Die bei der Probe C4 verwendete Legierung
enthält ferner Nickel, Kobalt und Aluminium. Die
Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Proben ergaben
17,0×10-6 m/m°C.
Jede Probe wurde hinsichtlich eines
Zwischenflächenrisses zwischen dem Kolben und dem
verschleißfesten Ring einer Messung unterworfen. Die
Messung wurde basierend auf einem
Färbungsrißermittlungsverfahren nach dem Schneiden der zu
entfernenden Gußoberfläche durchgeführt. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 1 gezeigt.
Gemäß Tabelle 1 trat bei den Proben 1-6 kein
Zwischenflächenriß auf, während die Vergleichsproben C1-C4
einen Zwischenflächenriß hatten.
Dies liegt darin begründet, daß bei den
verschleißfesten Ringen der Proben 1-6 eine Kupfer-Zink-
Legierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im
Bereich von 19,9 bist 20,8×10-6 m/m°C verwendet wurde,
der nahezu der gleiche wie der für den Kolben verwendeten
Aluminiumbasislegierung von 21×10-6 m/m°C ist.
Es ist eine in einer Brennkraftmaschine verwendete
Kolbeneinheit 10 geschaffen worden, bei der kein
Zwischenflächenriß zwischen einem Kolben 2 und einem
verschleißfesten Ring 1 auftritt und die das Vorsehen einer
T6-Behandlung auf eine für den Kolben 2 verwendete
Aluminiumbasislegierung gestattet. Die Kolbeneinheit 10 hat
einen aus einer Aluminiumbasislegierung gebildeten Kolben 2
und einen verschleißfesten Ring 1, der mit einer ersten
Ringnut 21 des Kolbens 2 verschmolzen worden ist. Der
verschleißfeste Ring 1 besteht aus einer Kupfer-Zink-
Legierung, wobei ihr Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich
von 19,5×10-6 m/m bis 22,0×10-6 m/m liegt. Die Kupfer-
Zink-Legierung kann 63 Gew.-% Kupfer, 30 Gew.-% Zink, 15
Gew.-% Aluminium und 4% Titan aufweisen oder lediglich 70
Gew.-% Kupfer und 30% Zink aufweisen.
Claims (4)
1. Kolbeneinheit (10) einer Brennkraftmaschine, mit
einem Kolben (2), der aus einer Aluminiumbasislegierung
gebildet ist, und einem verschleißfesten Ring (1), der mit
einer ersten Ringnut (21) des Kolbens (2) bei dessen
Ausbildung verschmolzen worden ist, wobei der verschleißfeste
Ring (1) aus einer Kupfer-Zink-Legierung besteht, deren
Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 19,5×10-6 m/m°C
bis 22,0×10-6 m/m°C liegt.
2. Kolbeneinheit (10) einer Brennkraftmaschine, mit
einem Kolben (2), der aus einer Aluminiumbasislegierung
gebildet ist, und einem verschleißfesten Ring (1), der mit
einer ersten Ringnut (21) des Kolbens (2) bei dessen
Ausbildung verschmolzen worden ist, wobei der verschleißfeste
Ring (1) aus einer Kupfer-Zink-Legierung besteht, und zwar
mit nahezu dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der
der Aluminiumbasislegierung.
3. Kolbeneinheit (10) nach Anspruch 1, wobei die Kupfer-
Zink-Legierung 57-64 Gew.-% Kupfer, 22-36 Gew.-% Zink und
1,5-5,2 Gew.-% Aluminium enthält.
4. Kolbeneinheit nach Anspruch 2, wobei die Kupfer-
Zinklegierung 57-64 Gew.-% Kupfer, 22-36 Gew.-% Zink und 1,5-
5,2 Gew.-% Aluminium enthält.
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- 1995-04-18 US US08/423,719 patent/US5601010A/en not_active Expired - Fee Related
- 1995-04-19 DE DE19514416A patent/DE19514416C2/de not_active Expired - Fee Related
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