[0001] Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere
für Otto-Motoren, dessen der Verbrennung ausgesetzten Oberfläche, wenigstens jedoch
Kolbenboden und/oder Feuersteg, ganz oder teilweise mit einer Bewehrung versehen sind.
[0002] Steigende Kraftstoffkosten und die gesetzliche Vorschriften, insbesondere hinsichtlich
der Abgaszusammensetzung, haben dazu geführt, daß Verbrennungsmotoren bezüglich des
Kraftstoffverbrauchs optimal ausgelegt werden, indem unter anderem auch das Verdichtungsverhältnis
vergrößert wird, um eine größere Leistung aus Hubraum und Kraftstoffverbrauch und
eine unschädliche Zusammensetzung der Abgase zu erzielen. Das hat jedoch zur Folge,
daß der Verbrennungsmotor auf Dauer und auch im oberen Bereich seines Last-Drehzahl-Kennfeldes
einer das Klopfen erzeugenden Verbrennung unterliegt. Darunter leiden vorzugsweise
alle den Brennraum begrenzenden Bauteile des Verbrennungsmotors, insbesondere aber
der Leichtmetallkolben, der schon nach relativ kurzer Dauer zerstört wird, indem es,
insbesondere in diskreten Bereichen, deren Lage beispeilsweise von der Brennraumform
abhängt, am Kolbenboden und/oder Feuersteg zu kraterähnlichen Materialzerstörungen,
wie diese beispielsweise aus der in Figur 1 der Zeichnungen wiedergegebenen fotographischen
Aufnahme des Feuerstegs eines
Leichtmetallkolbens zu erkennen sind, kommt. Diese Materialzerstörungen sind eindeutig
auf eine klopfende Verbrennung zurückzuführen. Das Klopfen im Ottomotor entsteht dadurch,
daß im Endgas - das ist der noch nicht von der Verbrennung erfaßte Gemischanteil -
bedingt durch die Druck- und Temperatursteigerung infolge der Verdichtungsbewegung
des Kolbens und die in einem Teil der Ladung bereits abgelaufene Verbrennung thermodynamische
und chemische Bedingungen erzeugt werden, die zu einer schlagartigen Freisetzung der
im Endgas enthaltenen Energie führen. Dabei werden auf die Brennraumwandungen wirkende
typische Druckschwingungen hoher Frequenz gemessen, die dem normalen Druckverlauf
überlagert sind. Auch die an den Brennraumoberflächen meßbaren Temperaturschwingungen
sind bei klopfender Verbrennung örtlich während des Arbeitsspiels deutlich höher,
ohne daß eine Erhöhung z.B. der mittleren Kolbenbodentemperatur festgestellt werden
kann, die erkennbar die dem geänderten zeitlichem Verlauf der Durchbrennfunktion entsprechende
Temperaturerhöhung übersteigt.
[0003] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die einer klopfenden Verbrennung ausgesetzten
Bereiche der Oberfläche eines Leichtmetallkolbens so zu gestalten, daß die durch eine
klopfende Verbrennung eintretenden Schäden am Kolben vermieden werden.
[0004] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt in der Weise, daß die der Verbrennung ausgesetzten
Oberflächen des Kolbens, wenigstens jedoch Kolbenboden und/oder der Feuersteg, ganz
oder teilweise erfindungsgemäß mit einer 5 bis 30 um dicken elektrochemisch abgeschiedenen
Eisenschicht bewehrt sind.
[0005] Im Rahmen der Ausgestaltung der Erfindung kann die Eisenschicht
t ganz oder teilweise durch eine Nickelschicht ersetzt sein.
[0006] Die Eisenschicht übt in erster Linie eine Abschirmwirkung aus, indem vor allem die
hochfrequenten Temperaturschwingungen sowie korrosive Beanspruchungskomponenten vom
Leichtmetall des Kolbenkörpers ferngehalten werden. Wesentlich ist aber auch, daß
die Eisenschicht selbst aufgrund ihrer hohen Festigkeit ihres homogenen Aufbaus, der
glatten Oberfläche und durch die hohe Haftfestigkeit auf dem Leichtmetall den durch
klopfende Verbrennung hervorgerufenen Beanspruchungen standhält. Die Gesamtheit dieser
Eigenschaften läßt sich mit anderen Beschichtungen nicht erreichen, so kann beispielsweise
eine durch anodische Oxidation auf dem Kolbenboden erzeugte Harteloxalschicht vergleichbarer
Dicke (DE-PS 25 07 899), die durch klopfende Verbrennung eintretende Beschädigung
des Leichtmetallkolbens nicht verhindern, obwohl die Harteloxalschicht bei Leichtmetallkolben
für Dieselmotoren einen Schutz der brennraumseitigen Oberfläche des Kolbens gegenüber
thermischen Ermüdungenserscheinungen bewirkt. Eine auf elektrochemischem Wege auf
ein Leichtmetallkolben aufgebrachte Kupferschicht zeigt eine vergleichsweise geringere
Beschädigung durch klopfende Verbrennung als der unbeschichtete Kolben, löst sich
jedoch nach kurzer Betriebszeit infolge nicht ausreichender Haftfestigkeit vom Kolbenboden
ab. Aus MTZ (Motortechnische Zeitschrift) Nr. 2/1974, Seiten 3-11 ist es bekannt,
auf einen Leichtmetallkolben eine Eisenschicht elektrochemisch abzuscheiden. Dieser
Kolben wird in unbewehrten
Aluminiumzylinder eingesetzt. Die Eisenschicht ist dabei auf dem Kolbenschaft aufgebracht,
die die Aufgabe hat, bei extremen Laufbedingungen unter allen Umständen eine Kontakt
zwischen dem Leichtmetall des Zylinders und demjenigen des Kolbens zu vermeiden. Durch
die
Eisenbeschichtung des Kolbenschaftes wird der
Kolbenschaftver;chleiß erheblich gesenkt und die
Freßneigung zwischen Kolbenschaft und Zylinder sehr stark reduziert. Bei Leichtmetallkolben
für luftgekühlte Motoren sind auch Feuersteg und
Ringpartie mit einer Eisenschicht versehen, damit das Feuersteg- und Ringfeldspiel
zur Erzielung geringen Ölverbrauchs und Gasdurchlasses so angelegt werden können,
daß bei stark verformter Zylindern ein Anlaufen des Feuerstegs an die Zylinderwand
toleriert werden kann.
[0007] Die in den Zeichnungen dargestellte Erfindung wird nachfolgend beispielhaft erläutert.
[0008] Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht sowie einen Teillängsschnitt und Fig. 3 eine Draufsicht
auf den Kolbenboden 1 des Leichtmetallkolbens 2, dessen Feuersteg 3 und Kolbenboden
1 mit einer 20 um dicken elektrochemisch abgeschiedenen Eisenschicht 4 überzogen sind.
Der von der Eisenschicht bedeckte Oberflächenbereich ist in der Draufsicht durch Kreuzschraffur
gekennzeichnet.
[0009] Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausschnitt des Kolbenkopfes 5 des Längsschnitts durch
einen Leichtmetallkolben sind der Kolbenboden 6, der Feuersteg 7, die kolbenbodenseitige
Flanke 8 der ersten Ringnute 9 sowie der Ringnutengrund 10 mit einer Eisenschicht
11 überzogen.
[0010] Die Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt des Kolbenkopfes 12 des Längsschnitts durch einen
Leichtmetallkolben von dem in Fig. 6 eine ausschnittsweise Draufsicht auf den Kolbenboden
13 dargestellt ist. Der mit einer Mulde 14 versehene Kolbenboden 13 ist nur in seinem
Randbereich und der Feuersteg 15 nur in seinem kolbenbodenseitigen Bereich mit einer
Eisenschicht 16 bewehrt.
[0011] Bei dem in Fig. 7 wiedergegebenen Längsschnitt entlang der Schnittlinie I-I der Fig.
8, die eine Draufsicht auf den Kolbenboden 18 durch den Kopf 17 eines Leichtmetallkolbens
zeigt, ist die auf den Kolbenboden 19 und den Feuersteg 19 abgeschiedene
Eisenschicht 20 durch nachträgliches Anbringen der Mulde 21 und der Ventiltaschen 22,
23 abgetragen.
[0012] In einem Versuchsverbrennungsmotor, der reproduzierbar mit klopfender Verbrennung
gefahren wurde, wurden mit einer Eisenschicht am Kolbenboden und Feuersteg versehene
7
Leichtmetallkolben in einem Satz zusammen mit unbeschichteten Leichtmetallkolben über
mehr als 60 Stunden erprobt. Während die unbeschichteten Leichtmetallkolben nach jeweils
etwa 12 Stunden Laufdauer erhebliche Materialzerstörungen am Kolbenboden aufwiesen
und ausgewechselt werden mußten, konnte an den mit einer Eisenschicht am Kolbenboden
versehenen Leichtmetallkolben keinerlei Veränderungen festgestellt werden.
1. Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere für Otto-Motoren, deren
brennraumseitigen der Verbrennung ausgesetzten Oberflächen, wenigstens jedoch Kolbenboden
(1, 6, 13, 18) und/oder Feuersteg (3, 7, 15, 19), ganz oder teilweise mit einer Bewehrung
versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewehrung aus einer 5 bis 30 um dicken
elektrochemisch abgeschiedenen Eisenschicht (4, 11, 16, 20) besteht.
2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß die Eisenschicht
ganz oder teilweise durch eine Nickelschicht ersetzbar ist.
