DE2408276A1

DE2408276A1 - Zylinder-kolben-bausatz fuer verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE2408276A1
Application number: DE19742408276
Authority: DE
Inventors: Karl Kopp; Peter Lutz
Original assignee: Karl Schmidt GmbH
Current assignee: Karl Schmidt GmbH
Priority date: 1974-02-21
Filing date: 1974-02-21
Publication date: 1975-08-28
Also published as: DE2408276B2

Description

Zylinder-Kolben-Bausatz für Verbrennungskraftmaschinen Die Erfindung betrifft einen aus Zylinder und Kolben bestehenden Bausatz für Verbrennungskraftmaschinen, wobei aus der unbewehrten Lauffläche des aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bestehenden Zylinders mechanisch geglättete Primärsiliziurnkristalle herausragen0 Aluminiumzylinder für Verbrennungsinotoren haben sich überall dort durchgesetzt, wo Wert auf geringes Gewicht, eine sehr gute Wärmeabfuhr und die Möglichkeit zur wirtschaftlichen Groß serienfertigung mit Hilfe des Kokillen-und Druckgießverfahrens gelegt wird. Hauptanwendungs gebiete sind bis jetzt tragbare Motoraggregate, vor allem Baumsägen sowie Mopeds und Motorräder, Bootsmotoren und Ho chlei stungs-Mo-toren für Personenwagen. Aluminium zylinder und -zylinderblöcke ohne einen besonderen Schutz der Zylinderbohrung haben dabei den Nachteil eines sehr hohen Verschleißes und großer FreßanfälligkeitO Die mechanische Festigkeit der im Motorenbau bekannten eutektischen Aluminium-Silizium-Legierung läßt überdies bei höheren Temperaturen zu wünschen übrig, so daß sich bis jetzt derartige unbewehrtc Aiuminiumzylinder nicht durchsetzen konnten. Die Nachteile hoher Verschleiß~ und Freßanfälligkeit der unb ewehrten Aluminlumzylinder wurden durch galvanisch abgeschiedene Chromschichten und Nickelschichten mit Feststoffeinlagerungen sowie durch eingegossene und eingepreßte Graugußbüchsen oder durch Stahlspritzschichten ausgeglichen. Diese Bewehrung der Aluminiumlauffläche erhöht jedoch die Herstellkosten der Aluminiumzylinder durch höhere Material-, Fertiguflgs und Bear beitungskosten, die gegenüber dem unbewehrten Aluminiumzylinder 20 % und mehr betragen können.
Eingegossene oder eingepreßte Graugußbüchsen verschlechtern zusätzlich die Wärmeabfuhr über die Zylinderwand ganz erheblich, bei eingepreßten Büchsen wird der Wärmedurchgang durch die Zylinderwand bei den für luftgekühlte Motoren üblichen Betriebstemperaturen von 2000 C und mehr gleich groß, teilweise sogar schlechter als bei einfachen Grauguß zylindern.
Der Verschleißwiderstand von galvanisch aufgebrachten Chromschichten ist im oberen RingumkehrplmAkt des Zylinders für verschiedene Anwendungsfälle zu gering. Deswegen werden oft anstelle der Chromschicht die bereits erwahnten galvanisch aufgebrachten Nickelschichten mit Silizium-und Borkarbideinlagerungen verwendet. Diese sehr harten, in die Nickelschicht eingelagerten Karbide dienen dabei als tragendes und verschleißminderndes Gerüst. Die Herstellkosten derartiger Nickelschichten sind jedoch höher als die der üblichen Chromschichten.
Von Bedeutung ist ferner ein aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung des Typs AlSi17Cu mit 16 bis 18 % Silizium und 4 bis 5 % Kupfer bestehender Zylinder ohne speziellen Schutz der Zylinderlaufbahn.
Die Zylinderlaufbahn ist nach einem aus der DT-AS 1 521 939 bekannten Oberflächen-Bearbeitungsverfahren hergestellt.
Dabei werden die Primärsiliziumkristalle der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung durch Honen der Laufbahnoberfläche mit anschließendem Ätzen freigelegt.
In den Zylinderbüchsen laufen herkömmliche Leichtmetallkolben, deren Schaft mit einer 10 bis 30 um dicken Eisenschicht überzogen ist, um einen minimalen Verschleiß und geringe Freßempfindlichkeit (Aluminium 49, 1973, 10, Seite 702) vor allem bei extremen Motorbedingungen, wie z.B. Kaltstart bei -30°C sowie Freßtests bei erhöhten Temperaturen und damit eine einwandfreie Funktion der Kombination Kolben, Kolbenringe und unbewehrte Zylinderlaufbahn zu erreichten. Ferner soll sichergestellt sein, daß auf keinen Fall das Aluminium des Zylinders mit dem Aluminium des Kolbens in Berührung kommen kann.
Unerwartet wurde nun gefunden, daß auf das galvanische Auftragen einer dünnen Eisenschicht auf den Schaft des Aluminiumkolkens verzichtet werden kann, wenn erfindungsgemäß bei dem aus einer übereutektischen Alum nium-Silizium-Legierung bestehenden Kolben aus der keinen speziellen Schutz aufweisenden Lauffläche mechanisch geglättete Primärsiliziuinkristalle herausragen. Die Lauffläche wird nach dem gleichen Verfahren mechanisch durch Honen bearbeitet und anschließend chemisch durch katzen oder elektrochemisch behandelt, wie es bei der Oberflächenbearbeitung der zugehörigen Zylinderlauffläche angewendet wird.
Die auf diese Weise freigelegten Primärsiliziumkristalle besitzen eine Tragfunktion gegenüber den Primärsiliziumkristallen der Zylinderlaufbahn, so daß es zu einer innigen Beruhrung zwischen dem Aluminium des Zylinders und des Kolbens nicht kommen kann. Die neben den Primarsiliziumkristallen bestehenden Zwischenräume dienen zur Aufnilzne von Verschleißprodukten und als Ölreservoir für die Funktion der unbewehrten Zylinderlaufbahn.
Als übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen kommen solche mit 16 bis 26 $ Silizium und 0,5 bis 6 % Kupfer sowie Beimengen von Eisen, Nickel, Magnesium, Mangan, Zink und/oder Titan von jeweils 0,08 bis 2,5 % in Betracht.
Ausführungsbei spiele Erste Motorversuche mit einem aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung des Typs AlSi17Cu4Mg bestehenden Zylinder und einem aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung des Typs AlSi25CeNiRg bestehenden Kolben wurden an luftgekühlten Zweitaktmotoren für Kettensägen durchgeführt 1. Motor A mit einer Literleistung von 63 PS/l bei einer Maximaldrehzahl von 7 200 U/min und einem Zylinderdurchmesser von 52 mm.
2. Motor B mit einer Literleistung von 57 PS/1 bei einer Maximaldrehzahl von 7 200 U/min und einem Zylinderdurchmesser von 44 mm.
Zu Beginn wurden zur Spieloptimierung zwischen Kolben und Zylinder jeweils 5 Kaltstarts bei -300C mit Kraftstoffüberschwemmung durchgeführt. Nach einwandfreiem Abschluß dieser Kaltstartversuche wurde mit dem gleichen Kolben und Zylinder ein Wechsellastlauf über 50 h durchgeführt.
Das Kraftstoff-Öl-Mischungsverhältnis war dabei 1 : 30.
Zusätzlich wurden die Motoren im praktischen Sägebetrieb über einen längeren Zeitraum geprüft und weitere Sägebetriebs-Simulationsprogramme im Motorenprüffeld durchgeführt. Dar Wechsellastzyklus bestand aus 25 min Lauf bei maximalem Moment. 10 min bei erhöhtem Leerlauf von 3 000 U/min, 25 min bei maximaler Drehzahl und Vollast sowie 5 min Verweilzeit bei abgestelltem Motor. Es ergab sich ein einwandfreies Aussehen des Kolbens und Zylinders aus dem Motor A nach einem Wechsellastlauf von 220 h. Die Zylinderlauffläche und Kolbenlauffläche sind vollkommen glatt, ohne Riefen und ohne jegliche Freßspuren oder Schmierer. Die Leistung über den ganzen Drehzahlbereich lag um etwa 5 ,O/o höher als bei dem verchromten Serienzylinder. Der spezifische Kraftstoffverbrauch war dementsprechend ebenfalls geringer als beim Serienzylinder. Der Verschleiß im oberen Ringumkehrpunkt beträgt beim Zylinder und dem Kolben nach 50 h Laufzeit entsprechend dem beschriebenen Wechsellastprogramm 0,5 µm gegenüber 11 pm beim verchromten Serienzylinder.
Das Aussehen des Kolbens und der Zylinderbohrung aus dem Motor B nach einer Felderprobung von 500 h ist einwandfrei, der Zylinderverschleiß im oberen Ringumkehrpunkt beträgt nach 500 h maximal 2 im, die meßbare Stoßspielvergrößerung der Standardgraugußringe liegt bei 0,17 mm.
Zwischen 50 h und 220 h Wechsellastlaufzeit steigt der Zylinder- und Kolbenverschleiß nur noch geringfügig um wenige ym an, Der Verschleiß der Kolbenringe und des Kolbenschaftes war kaum meßbar.
Der aus Kolben und Zylinder bestehende Bausatz ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt: Die Fig. 1 zeigt einen Längs schnitt durch Zylinder und Kolben entlang der Druck-Gegendruck-Ebene. In Figa 2 ist eine ausschnittsweise Vergrößerung der sich berührenden Laufflächen von Zylinder 1 und Kolben 2 aus Figo 1 gezeigt, wobei durch die Tragfunktion der Primärsiliziumkristalle 3 ein als Ölreservoir dienender Zwischenraum 4 gebildet ist0 Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß der Verschleiß Verringert und die Oberflächenbearbeitung des Kolbens vereinfacht ist.
Patentansprüche

Claims

PATENTANSPR2CHE Aus Zylinder und Kolben bestehender Bausatz für Verbrennungskraftmaschinen, wobei aus der unbewehrten Lauffläche des aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bestehenden Zylinders mechanisch geglättete Prlmärsiliziurnlunistalle herausragen, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Zylinderbüchse (1) laufende aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bestehende Kolben (2) unbewehrt ist und mechanisch geglättete Primärsiliziumkristalle (3) aus seiner Lauffläche (4) herausragen.
2) Verwendung von übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen der Zusammensetzung 16 bis 26 % Silizium, 0,5 bis 6 % Kupfer sowie einzeln oder zu mehreren 0,08 bis 2,5 % der Metalle Eisen, Nickel,-Magnesium, Mangan, Zink, Titan, Rest Aluminium, zur Herstellung von Zylinder und Kolben0 Leerseite