AT517589B1

AT517589B1 - Kolben für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT517589B1
Application number: ATA429/2015A
Authority: AT
Inventors: Stephen Dimascio Paul; Gaca Magdalena; Zajac Piotr; Niedziela Sebastian; Pearson Luke
Original assignee: Ge Jenbacher Gmbh & Co Og
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2017-03-15
Also published as: US10634090B2; EP3317508A1; CA2990953A1; US20190093596A1; AT517589A4; WO2017004645A1

Abstract

Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine mit einer Kolbenkrone (2) und einem umfänglich angeordneten Kronenrand (3), wobei an oder nahe dem Umfang des Kronenrands (3) eine Wärmedämmschicht (4) aufgebracht ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, sowie eine Brennkraftmaschine.

[0002] Aus dem Betrieb von Kolben ist es bekannt, dass Kohleablagerungen auf einem Kolbenboden oder einer Kolbenkrone die Funktion des Kolbens beeinträchtigen und den Wirkungsgrad sowie Emissionen der betreffenden Brennkraftmaschine verschlechtern können. Aus der US 2008/0167403 A1 ist als Maßnahme gegen den Aufbau von Kohlenstoffablagerungen bekannt, auf einem Kolben oder einem Kolbenring einer Brennkraftmaschine eine Anti-Haft-Schicht aufzubringen. Aus der US 2013/0025561 A1 ist es bekannt, die Mulde eines Muldenkolbens mit einer Wärmedämmschicht (engl, „thermal barrier coating (TBC)“) zu versehen, um den Widerstand des Kolbens gegenüber thermomechanischer Ermüdung zu erhöhen. Weitere aus dem Stand der Technik bekannte Kolben mit Wärmedämmschichten gehen aus den Schriften KR 20140004311 A, EP 0136741 A1, DE 19524015 A1, WO 2015076317 A1, DE 10242261 A1 und der EP0075228 A2 hervor.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, Kohleablagerungen zu reduzieren.

[0004] Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Kolben mit den Merkmalen von Anspruch 1.

[0005] Indem nahe dem Umfang des Kronenrands eine Wärmedämmschicht aufgebracht ist, werden die Temperaturen im Bereich des obersten Feuersteges und der ersten (obersten) Ringnut reduziert, wodurch die Entstehung von Kohleablagerungen deutlich reduziert wird und die Spannungen im Bereich des obersten Kolbenringes verringert werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Deckschicht auf der Haftvermittlerschicht angeordnet ist und die Haftvermittlerschicht am Kronenrand angeordnet ist. Es hat sich als besonders günstig erwiesen, die Wärmedämmschicht zweilagig aufzubauen. Die Haftvermittlerschicht ist dabei vorzugsweise hinsichtlich ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat, also dem Kolben, und der Deckschicht abgestimmt, um so Wärmespannungen möglichst gering zu halten.

[0006] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Wärmedämmschicht sich auf der Kolbenkrone nahe dem Kronenrand in Richtung einer Mitte der Kolbenkrone erstreckt. Die Wärmedämmschicht bildet also vorzugsweise einen umlaufenden Ring auf der Kolbenkrone, der sich in Richtung Zentrum des Kolbens erstreckt.

[0007] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Wärmedämmschicht sich auf der Kolbenkrone nahe vom Kronenrand in Richtung einer von der Mitte der Kolbenkrone beabstandeten radialen Position erstreckt, vorzugsweise zu einer radialen Position von etwa 80% der Strecke zwischen dem Kronenrand und der Mitte der Kolbenkrone, gemessen von der Mitte der Kolbenkrone. In anderen Worten bedeckt die Wärmedämmschicht bevorzugt einen Saum der Kolbenkrone mit einer Breite von etwa 20% bezogen auf die radiale Abmessung der Wärmedämmschicht in Richtung Zentrum der Kolbenkrone.

[0008] Es kann vorgesehen sein, dass die Wärmedämmschicht eine abnehmende Dicke in Richtung der Mitte der Kolbenkrone aufweist. Durch diesen graduellen Verlauf der Wärmedämmschicht ist eine besonders günstige Anhaftung zum Substrat gegeben und Wärmespannungen werden reduziert.

[0009] Es kann vorgesehen sein, dass ein Feuersteg-Bereich oder ein Kolbenhemd des Kolbens frei von der Wärmedämmschicht ist.

[0010] Üblicherweise ist vorgesehen, dass in einem Feuersteg-Bereich des Kolbens nahe der Kolbenkrone eine Vielzahl von Nuten angeordnet ist.

[0011] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Deckschicht der Wärmedämmschicht aus einer Keramik, vorzugsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid besteht und vorzugsweise eine Dense-Vertically-Cracked-Struktur aufweist. In Versuchen der Anmelderin hat sich Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (engl, „yttria stabilized zirconia (YSZ)“), welches vorzugsweise über Plasmaspray aufgebracht wird, als besonders günstig als Wärmedämmschicht herausgestellt.

Bevorzugt weist die Wärmedämmschicht eine sogenannte DVC (engl, für „Dense Vertically Cracked“, d.h. dichte, vertikal gerissene) Struktur auf. Wärmedämmschichten mit DVC-Struktur sind hinsichtlich thermischer Zyklierung konventionellen Schichtstrukturen überlegen.

[0012] Es kann vorgesehen sein, dass die Haftvermittlerschicht der Wärmedämmschicht aus einer Metalllegierung besteht.

[0013] Schutz wird auch begehrt für eine Brennkraftmaschine, vorzugsweise eine stationäre Brennkraftmaschine.

[0014] Vorteile der Erfindung sind insbesondere: [0015] - Verbesserte Haltbarkeit, Robustheit und Verlässlichkeit der Brennkraftmaschine, - Reduzierter Kraftstoffverbrauch, - Verringerter Ölverbrauch, - Erhöhte Öl- und Ölfilterlebensdauer, - Erhöhte Lebensdauer des obersten Kolbenrings, - Verringerte Wahrscheinlichkeit für unerwarteten Zylindertausch, - Erweiterte Möglichkeiten für Emissions- und Wirkungsgradoptimierung.

[0016] Als ebenfalls sehr vorteilhaft hat es sich herausgestellt, dass durch die Erfindung gegebenenfalls auf den Einsatz eines Schaberings verzichtet werden kann.

[0017] Die Erfindung erlaubt die Verwendung schmälerer Feuerstege, was vorteilhaft hinsichtlich der Kohlenwasserstoff-Emissionen ist.

Die Temperaturen unterhalb der Kolbenkrone werden reduziert, was die Öllebensdauer erhöht.

[0018] Die Erfindung unterscheidet sich ganz grundsätzlich von aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen gegen Kohleablagerungen. Anstatt eine Kohleablagerung durch Anti-Haft-Schichten an der Oberfläche zu verringern, reduziert die Erfindung die Temperatur im Bereich des oberen Feuersteges und der oberen Ringnut und verhindert somit überhaupt das Entstehen von Kohleablagerungen.

[0019] Die Erfindung wird im Folgenden durch die Figuren näher erläutert. Darin zeigt: [0020] Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kolbens im Überblick, [0021] Fig. 2 eine Wärmedämmschicht in einem Ausführungsbeispiel.

[0022] Figur 1 zeigt eine schematisierte Darstellung eines Kolbens 1 im Querschnitt zur Orientierung und Benennung der Bauteile. Der Kolben 1 weist eine Kolbenkrone 2 und einen Kronenrand 3 auf. Am zum Kronenrand 3 benachbarten Teil der Mantelfläche des Kolbens 1, dem Kolbenhemd 9, sind Feuerstege 11 ausgebildet. Es sind dies jene Bereiche, zwischen denen die Ringnuten 10 zur Aufnahme von Kolbenringen liegen. Eine Wärmedämmschicht 4 erstreckt sich beginnend nahe dem äußeren Umfang des Kolbens 1, also nahe vom Kronenrand 3 in Richtung Mitte 7 des Kolbens 1. Die Wärmedämmschicht 4 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Haftvermittlerschicht 6 und eine Deckschicht 5 auf. Die Stärke der Wärmedämmschicht 4 ist mit dem Bezugszeichen d angegeben. Die Wärmedämmschicht 4 erstreckt sich als umlaufender Ring oder Saum auf der Kolbenkrone 2 bis nahe einem Rand 8. Vorzugsweise verringert sich die Stärke d der Wärmedämmschicht 4 in einem Bereich des Randes 8, wodurch sich ein günstiger gradueller Übergang zu dem nicht beschichteten Bereich der Kolbenkrone 2 ergibt. Der radiale Abstand r von der Mitte 7 des Kolbens 1 wird zur Beschreibung einer radialen Erstreckung der Wärmedämmschicht 4 eingeführt.

[0023] Figur 2 zeigt einen Kolben 1 mit einer Wärmedämmschicht 4 in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.

Die Wärmedämmschicht 4 ist dabei nicht bis zum Kronenrand 3 gezogen, sondern läuft unmittelbar vor diesem aus. Die Schicht geht also nur nahe an den Kronenrand 3 heran. LISTE DER VERWENDETEN BEZUGSZEICHEN: 1 Kolben 2 Kolbenkrone 3 Kronenrand 4 Wärmedämmschicht 5 Deckschicht 6 Haftvermittlerschicht 7 Mitte der Kolbenkrone 8 zentraler Rand der Wärmedämmschicht 9 Kolbenhemd 10 Ringnut 11 Feuersteg-Bereich

Claims

Patentansprüche

1. Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine mit einer Kolbenkrone (2) und einem umfänglich angeordneten Kronenrand (3), dadurch gekennzeichnet, dass nahe dem Umfang des Kronenrands (3) eine Wärmedämmschicht (4) aufgebracht ist, wobei die Wärmedämmschicht (4) unmittelbar vor dem Umfang des Kronenrandes (3) ausläuft.
2. Kolben nach Anspruch 1, wobei die Wärmedämmschicht (4) eine Deckschicht (5) und eine Haftvermittlerschicht (6) umfasst, wobei die Deckschicht (5) auf der Haftvermittlerschicht (6) angeordnet ist und die Haftvermittlerschicht (6) am Kronenrand angeordnet ist.
3. Kolben nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Wärmedämmschicht (4) sich auf der Kolbenkrone (2) nahe von dem Kronenrand (3) in Richtung einer Mitte (7) der Kolbenkrone (2) erstreckt.
4. Kolben nach Anspruch 3, wobei die Wärmedämmschicht (4) sich auf der Kolbenkrone (2) nahe vom Kronenrand (3) in Richtung einer von der Mitte (7) der Kolbenkrone (2) beab-standeten radialen Position (r) erstreckt, vorzugsweise zu einer radialen Position (r) von etwa 80% der Strecke zwischen dem Kronenrand (3) und der Mitte (7) der Kolbenkrone (2), gemessen von der Mitte (7) der Kolbenkrone (2).
5. Kolben nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Wärmedämmschicht (4) eine abnehmende Dicke (d) in Richtung der Mitte (7) der Kolbenkrone (2) aufweist.
6. Kolben nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Feuersteg-Bereich (11) des Kolbens (1) frei von der Wärmedämmschicht (4) ist.
7. Kolben nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in einem Feuerst-eg-Bereich (11) des Kolbens (1) nahe der Kolbenkrone (2) eine Vielzahl von Nuten (10) angeordnet sind.
8. Kolben nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Deckschicht (5) der Wärmedämmschicht (4) aus einer Keramik, vorzugsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid besteht und vorzugsweise eine dense-vertically-cracked-Struktur aufweist.
9. Kolben nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Haftvermittlerschicht (6) der Wärmedämmschicht (4) aus einer Metalllegierung besteht.
10. Brennkraftmaschine, bevorzugt stationäre Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem Kolben (1) nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen