DE10108834A1

DE10108834A1 - Piston used in I.C. engines has a coating on its surface in contact with the combustion chamber

Info

Publication number: DE10108834A1
Application number: DE2001108834
Authority: DE
Inventors: Helmut Tschoeke; Gerrit Suck
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2002-09-05

Abstract

Piston (12) has a coating on its surface (19) in contact with the combustion chamber (16). The coating reduces fuel deposition and promotes the formation of mixture formation. Preferred Features: The coating contains a layer of a chemically inert material, preferably TiN or TiAlN, an amorphous material, preferably ZrO2, and an anti-adhesive material, preferably Cr-C-N, TiZr-C-N-O-H or TiAl-C-N-O-H. The layer is deposited by PVD.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, und eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem entsprechenden Kolben, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 15.The invention relates to a piston for an internal combustion engine, according to the preamble of Claim 1, and an internal combustion engine of a motor vehicle with a corresponding piston, according to the preamble of claim 15.

Bekannte Brennkraftmaschinen mit Otto- oder Dieselverbrennungsverfahren sind bei Betrieb durch Emissionen unter anderem von Kohlenwasserstoffen (HC-Emissionen) gekennzeichnet, welche grundsätzlich aus Naturschutzgründen zu vermeiden sind. Diese unerwünschten HC-Emissionen sind darauf zurückzuführen, dass in den Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführter beziehungsweise eingespritzter Kraftstoff nicht vollständig verbrannt wird und somit unverbrannt mit einem anfallenden Brennraumgas (Abgas) aus dem Brennraum der Brennkraftmaschine in die Umwelt gelangt.Known internal combustion engines with gasoline or diesel combustion processes are among Operation by emissions including hydrocarbons (HC emissions) marked, which are to be avoided for reasons of nature conservation. This undesirable HC emissions are due to the fact that in the combustion chamber Fuel not supplied or injected to the internal combustion engine is completely burned and thus unburned with a combustion chamber gas (Exhaust gas) from the combustion chamber of the internal combustion engine into the environment.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kolben der eingangs genannten Art anzugeben, mittels welchem eine Verminderung der HC-Emissionen während des Betriebs einer entsprechenden Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, erzielbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine entsprechende Brennkraftmaschine vorzuschlagen.It is an object of the invention to provide a piston of the type mentioned in the introduction, by means of which a reduction in HC emissions during the operation of a corresponding internal combustion engine, in particular a motor vehicle, can be achieved. Another object of the invention is a corresponding internal combustion engine propose.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Dabei zeichnet sich der erfindungsgemäße Kolben dadurch aus, dass er wenigstens teilweise an seiner mit einem Brennraum in Wirkkontakt bringbaren Oberfläche eine kraftstoffanlagerungsmindernde und gemischbildungsfördernde Beschichtung aufweist. Auch wenn es bereits an sich bekannt ist, Kolben beispielsweise mit einer Keramikbeschichtung an ihrer mit einem Brennraum einer Brennkraftmaschine in Wirkkontakt bringbaren Oberfläche zu beschichten (DE 296 80 358 U1), so zielen alle aus dem Stand der Technik bekannten Kolbenbeschichtungen darauf ab, eine Erhöhung der Wärmeisolierung des Brennraums, eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Beschichtung, wie zum Beispiel deren Haftung auf einer Kolbenoberfläche, oder einen verbesserten Kolbenverschleißschutz an einer beschichteten Kolbenoberfläche zu erzielen. Dagegen wird mittels der erfindungsgemäßen und wenigstens teilweisen Beschichtung einer mit einem Brennraum in Wirkkontakt bringbaren Oberfläche eines Kolbens die Möglichkeit von nicht erwünschten Anlagerungen beziehungsweise Zwischenspeicherungen von in den Brennraum zugeführtem (zum Beispiel eingespritztem) Kraftstoff an den entsprechenden Kolbenoberflächen vermindert, so dass eine verbrennungsoptimale Gemischbildung des nahezu gesamten, in den Brennraum zugeführten Kraftstoffs ermöglicht wird. Somit kann der Anteil an unverbranntem Kraftstoff im anfallenden Brennraumgas (Abgas) im Vergleich zu nicht beschichteten oder andersartig beschichteten Kolben um ein erhebliches Maß reduziert werden, so dass auch die grundsätzlich zu vermeidenden HC- Emissionen entsprechend herabsetzbar sind.To achieve the object, a piston with the features of claim 1 proposed. The piston according to the invention is characterized in that it at least partially on its contactable with a combustion chamber Surface a fuel accumulation reducing and mixture formation promoting Has coating. Even if it is already known per se, for example pistons with a ceramic coating on it with a combustion chamber of an internal combustion engine To coat surfaces that can be brought into active contact (DE 296 80 358 U1), this is how everyone aims Piston coatings known from the prior art are based on an increase the thermal insulation of the combustion chamber, an improvement of the mechanical Properties of the coating, such as its adhesion to a Piston surface, or an improved piston wear protection on one to achieve coated piston surface. In contrast, the coating according to the invention and at least partially with a combustion chamber surface of a piston which can be brought into active contact, the possibility of not desired deposits or intermediate storage of in the Combustion chamber supplied (for example injected) fuel to the corresponding Piston surfaces reduced, so that combustion-optimal mixture formation of the almost all of the fuel fed into the combustion chamber is made possible. So can the proportion of unburned fuel in the combustion chamber gas (exhaust gas) in the Compared to uncoated or otherwise coated pistons by one considerably reduced, so that the HC to be avoided in principle Emissions can be reduced accordingly.

Gemäß einer möglichen Ausführungsvariante enthält die Beschichtung eine Schicht aus chemisch inerten Beschichtungsmaterial. Dabei kann ein derartiges Beschichtungsmaterial beispielsweise TiN oder TiAlN sein. Mittels einer chemisch inerten Oberfläche auf dem Kolben wird eine vorteilhafterweise geringe Affinität der Kontaktoberfläche beziehungsweise des diese bildenden Werkstoffs zu weiteren chemischen Elementen von im Brennraum enthaltener Materie (Kraftstoff, Verbrennungsrückstände) erhalten. Es ergibt sich somit eine reduzierte Tendenz zur Zwischenspeicherung beziehungsweise Anlagerung von unverbranntem Kraftstoff an der beschichteten Kolbenoberfläche. Ferner kommt es bei einer derartig beschichteten Oberfläche lediglich zu geringfügigen permanenten Ablagerungen von Verbrennungsrückständen.According to a possible embodiment variant, the coating contains a layer chemically inert coating material. Such a can Coating material can be, for example, TiN or TiAlN. Using a chemically inert The surface on the piston will advantageously have a low affinity Contact surface or the material forming it to others chemical elements of matter contained in the combustion chamber (fuel, Combustion residues). There is thus a reduced tendency to Intermediate storage or storage of unburned fuel at the coated piston surface. It also occurs with such a coated Surface only to slight permanent deposits of Combustion residues.

Entsprechend einer weiteren, möglichen Ausführungsvariante enthält die Beschichtung eine zerklüftungsarme Schicht aus amorphem Beschichtungsmaterial. Das amorphe Beschichtungsmaterial kann beispielsweise ZrO₂ sein. Aufgrund der mikroskopisch zerklüftungsarmen Oberflächenstruktur dieser Schicht sind die Einlagerungsmöglichkeiten (Anlagerung) von im Brennraum enthaltenem unverbranntem Kraftstoff und von Verbrennungsrückständen im Vergleich zu einer relativ stark zerklüfteten metallischen Oberflächenstruktur deutlich reduziert. Mit einer derartigen Beschichtung lässt sich somit eine unerwünschte, physikalische, mikroskopische Verklammerung von unverbrannten Kraftstoffanteilen beziehungsweise von Verbrennungsrückständen an der entsprechenden Kolbenoberfläche vermeiden oder wenigstens auf ein akzeptables Mindestmaß reduzieren. Vorteilhafterweise bilden Ablagerungen von Verbrennungsrückständen auf einer derartigen Beschichtung aus amorphem Beschichtungsmaterial die geometrische Struktur der beschichteten Oberfläche im Wesentlichen formgenau ab. Somit wird beispielsweise eine zerklüftungsarme Oberflächenbeschichtung durch eine verhältnismäßig dünne Ablagerungsschicht von Verbrennungsrückständen ebenfalls zerklüftungsarm abgebildet, so dass auch an der Ablagerungsschicht die Möglichkeit einer unerwünschten Anlagerung (Zwischenspeicherung) von unverbranntem Kraftstoff entsprechend eingeschränkt ist.According to a further possible embodiment variant, the coating contains a layer of amorphous coating material that is low in fissures. The amorphous coating material can be, for example, ZrO ₂ . Because of the microscopic surface structure of this layer, which has little microscopic fissure, the storage possibilities (accumulation) of unburned fuel contained in the combustion chamber and of combustion residues are significantly reduced compared to a relatively strongly fissured metallic surface structure. With a coating of this type, undesired, physical, microscopic interlocking of unburned fuel components or of combustion residues on the corresponding piston surface can thus be avoided or at least reduced to an acceptable minimum. Advantageously, deposits of combustion residues on such a coating made of amorphous coating material essentially reproduce the geometrical structure of the coated surface with a precise shape. Thus, for example, a jagged surface coating is also imaged with little jagging by means of a relatively thin deposition layer of combustion residues, so that the possibility of undesired accumulation (intermediate storage) of unburned fuel is also correspondingly restricted on the deposit layer.

Gemäß einer weiteren, möglichen Ausführungsvariante enthält die Beschichtung eine Schicht aus antiadhäsivem Beschichtungsmaterial. Ein antiadhäsives Beschichtungsmaterial kann beispielsweise Cr-C-N oder TiZr-C-N-O-H oder TiAl-C-N-O- H sein. Mittels einer antiadhäsiven Schicht können an den entsprechenden Kolbenbereichen größere Oberflächenspannungen aufgebaut werden, durch welche entsprechend größere Benetzungswinkel an der Oberfläche erhalten werden. Dadurch wird die Benetzungsfähigkeit mit Flüssigkeit an der Oberfläche herabgesetzt.According to a further possible embodiment variant, the coating contains one Layer of anti-adhesive coating material. An anti-adhesive Coating material can be, for example, Cr-C-N or TiZr-C-N-O-H or TiAl-C-N-O- H. An anti-adhesive layer can be attached to the corresponding Greater surface tensions are built up by piston areas correspondingly larger wetting angles can be obtained on the surface. Thereby the wettability with liquid on the surface is reduced.

Entsprechend einer weiteren, möglichen Ausführungsvariante enthält die Beschichtung eine Schicht aus einem einen niedrigen Reibkoeffizienten aufweisenden Beschichtungsmaterial. Ein derartiges, reibkoeffizientenniedriges Beschichtungsmaterial kann beispielsweise AlON oder SiCH oder Ni sein. Mittels einer derart "glatten" Schicht wird die Haftreibung an der beschichteten Oberfläche des Kolbens herabgesetzt, so dass die Möglichkeit von nicht erwünschten Zwischenlagerungen (Anlagerungen) von unverbranntem Kraftstoff sowie die Bildung von permanenten Ablagerungen von Verbrennungsrückständen an der entsprechenden Oberfläche des Kolbens herabgesetzt werden.According to a further possible embodiment variant, the coating contains a layer of a low coefficient of friction Coating material. Such a low coefficient of friction coating material can be, for example, AlON or SiCH or Ni. By means of such a "smooth" layer the static friction on the coated surface of the piston is reduced so that the possibility of undesired intermediate storage (attachments) of unburned fuel and the formation of permanent deposits of Combustion residues are reduced on the corresponding surface of the piston become.

Mit Vorteil ist die Schicht mittels des PVD-Verfahrens auf die Oberfläche des Kolbens aufgetragen. PVD ist eine Abkürzung des englischen Begriffs "Physical Vapour Deposition" und bedeutet "Abscheidung aus der Dampfphase". Das PVD-Verfahren ist auch unter der Bezeichnung "Magneton-Sputterverfahren" (PVD-Niedertemperatur- Verfahren) an sich bekannt. Dieses Beschichtungsverfahren eignet sich besonders zu einer automatisierten, präzisen und flexiblen Beschichtung einer definierten Kolbenoberfläche beziehungsweise eines Abschnitts derselben mit geeigneten Beschichtungsmaterialien.The layer is advantageously on the surface of the piston by means of the PVD method applied. PVD is an abbreviation of the English term "physical vapor Deposition "and means" deposition from the vapor phase ". The PVD process is also under the name "Magneton sputtering process" (PVD low temperature Process) known per se. This coating process is particularly suitable for an automated, precise and flexible coating of a defined Piston surface or a section thereof with suitable Coating materials.

Die Schicht weist eine Schichtdicke von weniger als 50 µm, vorzugsweise zwischen 2 µm und 20 µm und insbesondere von ca. 5 µm auf. Bei allen oben erwähnten Schichten hat sich eine Schichtdicke von ca. 5 µm als optimal in Bezug auf eine erwünschte Verminderung einer Ablagerung von Verbrennungsrückständen und/oder einer zeitweise Verklammerung (Anlagerung) von nicht verbrannten Kraftstoffanteilen an der entsprechenden Oberfläche des Kolbens erwiesen.The layer has a layer thickness of less than 50 μm, preferably between 2 μm and 20 µm and in particular from about 5 µm. With all the layers mentioned above a layer thickness of approx. 5 µm is optimal in relation to a desired one Reduction of deposits of combustion residues and / or temporary Compounding (accumulation) of unburned fuel components on the corresponding surface of the piston proved.

Die Außenoberfläche der Schicht kann vorteilhafterweise oxidiert sein. Eine Oberflächenoxidierung ist bei allen oben erwähnten Beschichtungen möglich und dient zum Schutz gegen permanente Ablagerungen von Verbrennungsrückständen auf der entsprechenden Oberfläche.The outer surface of the layer can advantageously be oxidized. A Surface oxidation is possible and serves with all the coatings mentioned above to protect against permanent deposits of combustion residues on the corresponding surface.

Ferner besteht die Möglichkeit, dass die Außenoberfläche der Schicht eine zerklüftungsarme makroskopische Oberflächenstrukturierung aufweist. Dabei soll die Oberflächenstrukturierung derart definiert ausgebildet sein, dass eine möglichst große Oberfläche erhalten wird, welche allerdings keine oder lediglich sehr geringe Verklammerungsmöglichkeiten für im Brennraum enthaltenen unverbrannten Kraftstoff bieten soll.There is also the possibility that the outer surface of the layer a has low-fissured macroscopic surface structuring. Thereby the Surface structuring should be defined in such a way that the largest possible Surface is obtained, which, however, no or only very little Bracketing options for unburned fuel contained in the combustion chamber should offer.

Die Oberfläche des Kolbens ist entsprechend einer möglichen Ausführungsform ausschließlich in kraftstoffanlagerungsbegünstigten Bereichen beschichtet. Hierdurch können die Herstellungskosten eines entsprechenden Kolbens herabgesetzt werden, ohne dass auf eine effektive Reduzierung von HC-Emissionen während des Betriebs einer entsprechenden Brennkraftmaschine verzichtet werden muss.The surface of the piston is in accordance with a possible embodiment coated only in areas favored by fuel accumulation. hereby the manufacturing costs of a corresponding piston can be reduced, without an effective reduction in HC emissions during operation a corresponding internal combustion engine must be dispensed with.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Kolben gemäß einer oder mehrerer der obengenannten Ausführungsvarianten vorgeschlagen.An internal combustion engine of a motor vehicle is also used to achieve the object a piston according to one or more of the above variants proposed.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.Further advantageous embodiments of the invention result from the description.

Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below in a number of exemplary embodiments associated drawing explained in more detail. Show it:

Fig. 1 ein Balkendiagramm zur Darstellung der prozentualen Verringerung von HC- Emissionen einer Brennkraftmaschine mit erfindungsgemäßen Kolben; Figure 1 is a bar graph showing the percentage reduction in HC emissions of an internal combustion engine with pistons according to the invention.

Fig. 2 die durch Verbrennungsrückstände gekennzeichnete Oberflächenstruktur eines nicht beschichteten Kolbens; Fig. 2, indicated by the combustion residues surface texture of an uncoated piston;

Fig. 3 die durch Verbrennungsrückstände gekennzeichnete Oberflächenstruktur eines beschichteten Kolbens; Figure 3 is characterized by the combustion residues surface structure of a coated piston.

Fig. 4 eine Spektren-Darstellung von abgelagerten Verbrennungsrückständen auf einer unbeschichteten Kolbenoberfläche; Fig. 4 is a spectrum display of combustion residues deposited on an uncoated surface of the piston;

Fig. 5 eine Spektren-Darstellung von abgelagerten Verbrennungsrückständen auf einer TiN-beschichteten Kolbenoberfläche und FIG. 5 shows a spectrum representation of deposited combustion residues on a TiN-coated piston surface and

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Teils einer Brennkraftmaschine. Fig. 6 is a schematic representation of part of an internal combustion engine.

Fig. 1 zeigt ein Balkendiagramm, in welchem die prozentuale Verringerung von HC- Emissionen (HC-Rohemissionen) einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen, beschichteten Kolben im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine mit einem unbeschichteten Kolben in Abhängigkeit der Drehzahl bei konstanter Last der Brennkraftmaschine dargestellt ist. Die Messungen wurden bei einem Druck (effektiven Mitteldruck p_me) von 2 bar und bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ = 1 der Brennkraftmaschine ermittelt. Es wurden drei verschiedene Kolbenbeschichtungen getestet, wobei der jeweils linke Balken die Werte für einen Kolben mit TiN- Beschichtung, der jeweils mittlere Balken die Werte für einen Kolben mit einer TiAlN- Beschichtung und der jeweils rechte Balken die Werte für einen Kolben mit einer ZrO₂- Beschichtung darstellt. Entsprechend Fig. 1 ist bei allen Beschichtungen und Drehzahlbereichen eine prozentuale Verringerung der Emission von Kohlenwasserstoffen (HC-Emission) bei Betrieb der entsprechenden Brennkraftmaschine zu verzeichnen. Während bei niedrigen Drehzahlen die ZrO₂-Schicht (jeweils rechter Balken) eine im Vergleich zu den Schichten aus TiN beziehungsweise TiAlN geringere HC-Minderung bewirkt, weist die ZrO₂-Schicht bei höheren Drehzahlen die besten Ergebnisse in Bezug auf eine HC-Reduzierung auf. Auch ist mit zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine mit Ausnahme von der TiN-Schicht bei 3000 Umdrehungen pro Minute eine Steigerung der HC-Minderungsrate zu erkennen. Alle Schichten wurden auf einer mit einem Brennraum der Brennkraftmaschine in Wirkkontakt bringbaren Kolbenoberfläche, beziehungsweise auf einer Teilfläche desselben, mittels des PVD- Niedertemperatur-Verfahrens (Magneton-Sputterverfahren) mit einer Dicke von ca. 5 µm aufgetragen. Bereits mit einer solch dünnen Kolbenschicht war es möglich, bei Betrieb einer entsprechenden Brennkraftmaschine eine Verringerung der HC-Emissionen um mehr als 30% im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine mit einem unbeschichteten Kolben zu erzielen. Fig. 1 shows a bar graph in which the percentage reduction in HC emissions (HC raw emissions) of an internal combustion engine with a coated piston according to the invention compared to an internal combustion engine with an uncoated piston is shown as a function of the speed at constant load of the internal combustion engine. The measurements were determined at a pressure (effective mean pressure p _me ) of 2 bar and at an air-fuel ratio of λ = 1 of the internal combustion engine. Three different piston coatings were tested, the left bar the values for a piston with a TiN coating, the middle bar the values for a piston with a TiAlN coating and the right bar the values for a piston with a ZrO ₂ - Coating represents. According to FIG. 1, a percentage reduction in the emission of hydrocarbons (HC emission) can be recorded for all coatings and speed ranges when the corresponding internal combustion engine is in operation. While the ZrO ₂ layer (right bar in each case) brings about a lower HC reduction compared to the layers made of TiN or TiAlN, the ZrO ₂ layer has the best results with regard to HC reduction at higher speeds , An increase in the HC reduction rate can also be seen with increasing engine speed, with the exception of the TiN layer at 3000 revolutions per minute. All layers were applied to a piston surface that can be brought into active contact with a combustion chamber of the internal combustion engine, or on a partial surface thereof, by means of the PVD low-temperature method (Magneton sputtering method) with a thickness of approximately 5 μm. Even with such a thin piston layer, it was possible to achieve a reduction in HC emissions by more than 30% when operating an appropriate internal combustion engine compared to an internal combustion engine with an uncoated piston.

Fig. 2 zeigt in schematischer und stark vergrößerter Darstellung (Vergrößerung 100 : 1) die aufgrund von Verbrennungsrückständen sich ergebende Oberflächenstruktur einer unbeschichteten Kolbenoberfläche (unbeschichteter Basiskolben) im Bereich einer Kolben-Luftmulde nach dem Betrieb einer entsprechenden Brennkraftmaschine. Es ist zu erkennen, dass sich grobporige, schwammähnliche Verbrennungsrückstände auf der unbeschichteten Kolbenoberfläche gebildet haben, wobei selbige nachteilhafterweise eine Zwischenspeicherung (Anlagerung) von in den Brennraum zugeführtem beziehungsweise eingespritztem und unverbranntem Kraftstoff erlauben. Es stellt sich somit eine nicht vollständige Gemischbildung im Brennraum ein, da Anteile des unverbrannten Kraftstoffs in einer derartigen, stark zerklüfteten Schicht aus Verbrennungsrückständen zwischengelagert werden können und anschließend unter Erhöhung der HC-Emissionen unverbrannt mit dem Brennraumgas (Abgas) nach Abschluss eines Verbrennungszyklus aus der Brennkraftmaschine in die Umwelt gelangen. Fig. 2 shows a schematic and greatly enlarged (magnification 100: 1) due to combustion residues resulting surface texture of an uncoated piston surface (uncoated base piston) in the region of a piston-air recess after the operation of a corresponding internal combustion engine. It can be seen that coarse-pored, sponge-like combustion residues have formed on the uncoated piston surface, the disadvantage of which allows intermediate storage (accumulation) of fuel supplied or injected and unburned fuel into the combustion chamber. This results in an incomplete mixture formation in the combustion chamber, since portions of the unburned fuel can be temporarily stored in such a strongly jagged layer of combustion residues and then unburned with the combustion chamber gas (exhaust gas) after the completion of a combustion cycle from the combustion chamber (exhaust gas) Internal combustion engine get into the environment.

Fig. 3 zeigt in stark vergrößerter Darstellung (Vergrößerung 100 : 1) eine durch Verbrennungsrückstände sich ergebende Oberflächenstruktur einer mit TiN beschichteten Kolbenoberfläche im Bereich einer Kolben-Luftmulde nach dem Betrieb einer entsprechenden Brennkraftmaschine. Es ist auffallend, dass die sich aus Verbrennungsrückständen auf der TiN-Schicht gebildete zusätzliche Schicht zerklüftungsfrei beziehungsweise zerklüftungsarm ist und somit keine beziehungsweise eine reduzierte Möglichkeit zur Zwischenlagerung (Anlagerung) von unverbrannten Kraftstoffanteilen bietet, so dass eine entsprechende HC-Minderung bei Betrieb einer mit einem derartigen, beschichteten Kolben versehenen Brennkraftmaschine erhalten wird. Fig. 3 (magnification 100: 1) shows, in greatly enlarged representation, a combustion residues resulting surface structure of a surface coated with TiN piston surface in the region of a piston-air recess after the operation of a corresponding internal combustion engine. It is striking that the additional layer formed from combustion residues on the TiN layer is free of fissures or fissures and thus offers no or a reduced possibility for the intermediate storage (attachment) of unburned fuel components, so that a corresponding HC reduction when operating one with a such coated piston internal combustion engine is obtained.

Mittels einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen und vorzugsweise 5 µm dünnen Beschichtung wenigstens eines Teils einer mit einem Brennraum in Wirkkontakt bringbaren Kolbenoberfläche kann die Rauheit und die mikroskopische Oberflächenstruktur der entsprechenden Kolbenoberfläche derart positiv beeinflusst werden, dass die an der Kolbenoberfläche zwischengespeicherten und nach einem erfolgten Verbrennungszyklus ausdiffundierenden HC-Mengen (unverbrannte Kraftstoffanlagerungen) deutlich vermindert sind. Gleichzeitig kann die mikroskopische Oberflächenstruktur der sich auf dieser Beschichtung ausbildenden Ablagerungsschicht aus Verbrennungsrückständen eine erwünschte Kraftstoffanlagerungsminderung und Gemischbildungsförderung begünstigen. Da es sich um extrem geringe Schichtdicken auf der Kolbenoberfläche von ca. 5 µm handelt, ist der Einfluss auf das erzielbare Verdichtungsverhältnis in der Brennkraftmaschine und auf das sich ausbildende Strömungsprofil im Brennraum derselben vorteilhafterweise vernachlässigbar.By means of a thin and preferably 5 µm proposed according to the invention Coating at least part of one in operative contact with a combustion chamber bringable piston surface can be the roughness and the microscopic Surface structure of the corresponding piston surface is positively influenced in this way be that the buffered on the piston surface and after a HC quantities diffusing out of the combustion cycle (unburned Fuel deposits) are significantly reduced. At the same time, the microscopic Surface structure of the deposit layer that forms on this coating a desired reduction in fuel accumulation from combustion residues and Promote mixture formation promotion. Because it is extremely thin is about 5 µm on the piston surface, is the influence on the achievable Compression ratio in the internal combustion engine and on the developing Flow profile in the combustion chamber of the same advantageously advantageously negligible.

Bei der ZrO₂-Schicht handelt es sich um eine keramische Schicht mit amorpher Struktur, welche überwiegend heteropolare Bindungen aufweist. Bei einer amorphen Struktur sind die entstehenden Spalträume zwischen den einzelnen Elementen sehr viel kleiner als bei einer kristallinen Struktur eines unbeschichteten Kolbens. Die Möglichkeit einer Zwischenspeicherung von unverbranntem Kraftstoff beziehungsweise einer Ablagerung von Verbrennungsrückständen an einer Oberfläche mit amorpher Struktur ist somit erheblich reduziert.The ZrO ₂ layer is a ceramic layer with an amorphous structure, which predominantly has heteropolar bonds. With an amorphous structure, the resulting gap spaces between the individual elements are much smaller than with a crystalline structure of an uncoated piston. The possibility of temporarily storing unburned fuel or depositing combustion residues on a surface with an amorphous structure is thus considerably reduced.

Bei den Beschichtungen aus TiN und TiAlN handelt es sich um chemisch inerte Oberflächenbeschichtungen, mittels welchen eine unerwünschte Zwischenlagerung von unverbranntem Kraftstoff an der entsprechenden Kolbenoberfläche und gleichzeitig eine permanente Ablagerung von Verbrennungsrückständen auf derselben Oberfläche vermieden beziehungsweise eingeschränkt werden soll. Da eine chemische Bindung mit dem Oberflächenmaterial nicht oder nur in reduziertem Maße möglich ist, haben die infolge einer rußenden Verbrennung entstehenden Moleküle keine Ablagerungsmöglichkeit. Bei den Schichtsystemen TiN und TiAlN handelt es sich um Hartstoffschichten, die an sich bekannt sind und ansonsten üblicherweise zum Verschleißschutz von Schneidwerkzeugen dienen. TiN ist eine einphasige Schicht mit überwiegend metallischen Bindungen und sehr hoher Duktilität. Beim TiAlN- Schichtsystem ist das Titan durch ca. 50 Atom-% Aluminium substituiert. Die Besonderheit der TiAlN-Schicht besteht darin, das sich auf der Schichtoberfläche eine dünne Aluminiumoxidschicht ausbildet. Diese Aluminiumoxidschicht erneuert sich selbst und dient als zusätzlicher Schutz vor einer Ausbildung einer Deckschicht aus Verbrennungsrückständen.The coatings made of TiN and TiAlN are chemically inert Surface coatings, by means of which an undesirable intermediate storage of unburned fuel on the corresponding piston surface and at the same time one permanent deposition of combustion residues on the same surface should be avoided or restricted. Because a chemical bond with the surface material is not possible or only to a limited extent, they have no molecules resulting from sooty combustion Deposit possibility. The layer systems TiN and TiAlN are Hard material layers that are known per se and otherwise usually for Wear protection of cutting tools. TiN is a single-phase layer with predominantly metallic bonds and very high ductility. With the TiAlN Layer system, the titanium is substituted by approx. 50 atom% aluminum. The A special feature of the TiAlN layer is that there is a forms a thin aluminum oxide layer. This aluminum oxide layer renews itself and serves as additional protection against the formation of a covering layer Combustion residues.

Fig. 4 zeigt eine Spektren-Darstellung von abgelagerten Verbrennungsrückständen auf einer unbeschichteten Kolbenoberfläche. Im Vergleich hierzu zeigt Fig. 5 eine entsprechende Spektren-Darstellung von abgelagerten Verbrennungsrückständen auf einer TiN-beschichteten Kolbenoberfläche. In beiden Spektren-Darstellungen sind jeweils die Energie für die Identifikation der Elemente auf der Abszisse und die Impulsraten als Angabe für den Gehalt an den betreffenden Elementen in den Verbrennungsrückständen auf der Ordinate dargestellt. Gold (Au) wurde nachträglich für die REM-Aufnahmen aufgebracht. Bei einem Vergleich der chemischen Zusammensetzung von abgelagerten Verbrennungsrückständen auf einer unbeschichteten Kolbenoberfläche (Fig. 4) und auf einer TiN-beschichteten Kolbenoberfläche (Fig. 5) wird deutlich, dass zahlreiche Elemente bei der beschichteten Variante nicht mehr vorhanden sind. Zu diesen vorteilhafterweise nicht abgelagerten Elementen zählen Zink, Phosphor, Magnesium, Schwefel und Kalzium. Dagegen sind Sauerstoff und Kohlenstoff bei beiden Varianten in Form von Ablagerungen auf den Kolbenoberflächen nachweisbar. Es ist somit mittels einer geeigneten und wenigstens teilweisen Beschichtung des Kolbens möglich, eine Kraftstoffanlagerungsminderung sowie eine Reduzierung von Ablagerungen von Verbrennungsrückständen zu erzielen, so dass ein gemischbildungsfördernder Effekt im Brennraum einer Brennkraftmaschine erzielt wird unter Reduzierung von unerwünschten HC-Emissionen. Fig. 4 is a view showing spectra of deposited combustion residues on an uncoated piston surface. In comparison to this, FIG. 5 shows a corresponding spectral representation of deposited combustion residues on a TiN-coated piston surface. Both spectra representations show the energy for the identification of the elements on the abscissa and the pulse rates as an indication of the content of the relevant elements in the combustion residues on the ordinate. Gold (Au) was subsequently applied for the SEM images. A comparison of the chemical composition of deposited combustion residues on an uncoated piston surface ( FIG. 4) and on a TiN-coated piston surface ( FIG. 5) shows that numerous elements are no longer present in the coated variant. These advantageously non-deposited elements include zinc, phosphorus, magnesium, sulfur and calcium. In contrast, oxygen and carbon can be detected in both variants in the form of deposits on the piston surfaces. It is thus possible by means of a suitable and at least partial coating of the piston to achieve a reduction in fuel deposits and a reduction in deposits of combustion residues, so that a mixture-promoting effect in the combustion chamber of an internal combustion engine is achieved while reducing undesirable HC emissions.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer allgemein mit 10 bezeichneten Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine 10 weist ein Gehäuse 11 auf (Zylinder, Zylinderkopf, Kurbelgehäuse), in welchem ein Kolben gemäß Doppelpfeil 13 bewegbar ist. Ferner enthält die Brennkraftmaschine 10 ein Einspritzventil 14, ein Einlassventil 15, ein Auslassventil 17 und eine Zündkerze 18, welche miteinander in kooperativer Wirkverbindung stehen zur Erzielung einer korrekten Verbrennung in einem Brennraum 16 der Brennkraftmaschine 10 und somit zum Betreiben derselben. Die mit dem Brennraum 16 in Wirkkontakt stehende Oberfläche 19 des Kolbens 12 ist vorteilhafterweise mit einer kraftstoffanlagerungsmindernden, gegebenenfalls auch in Bezug auf Verbrennungsrückstände ablagerungsmindernden, und somit gemischbildungsfördernden Beschichtung wenigstens teilweise beschichtet. Der weitere Aufbau der Brennkraftmaschine 10 und deren Funktionsweise ist an sich bekannt und wird deshalb hier nicht im Detail beschrieben. FIG. 6 shows a schematic illustration of a part of an internal combustion engine, generally designated 10. The internal combustion engine 10 has a housing 11 (cylinder, cylinder head, crankcase) in which a piston can be moved according to the double arrow 13 . The internal combustion engine 10 also contains an injection valve 14 , an intake valve 15 , an exhaust valve 17 and a spark plug 18 , which are in cooperative operative connection with one another in order to achieve correct combustion in a combustion chamber 16 of the internal combustion engine 10 and thus to operate the same. The surface 19 of the piston 12 that is in active contact with the combustion chamber 16 is advantageously at least partially coated with a coating that reduces fuel accumulation, possibly also with respect to combustion residues, and thus promotes mixture formation. The further structure of the internal combustion engine 10 and its mode of operation is known per se and is therefore not described in detail here.

Claims

1. Piston for an internal combustion engine, characterized in that the piston ( 12 ) has, at least in part on its surface ( 19 ) which can be brought into active contact with a combustion chamber ( 16 ), has a coating which reduces fuel build-up and promotes mixture formation.

2. Piston according to claim 1, characterized in that the coating is a Contains layer of chemically inert coating material.

3. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the chemically inert coating material is TiN or TiAlN.

4. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the coating is a fissured layer of amorphous Contains coating material.

5. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the amorphous coating material is ZrO ₂ .

6. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the coating contains a layer of anti-adhesive coating material.

7. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the anti-adhesive coating material Cr-C-N or TiZr-C-N-O-H or TiAl-C-N-O- H is.

8. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the coating is a layer of a low coefficient of friction containing coating material contains.

9. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the coefficient of friction of low coating material is AlON or SiCH or Ni.

10. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the layer is applied to the surface ( 19 ) of the piston ( 12 ) by means of the PVD method.

11. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the layer has a layer thickness of less than 50 μm, preferably between 2 μm and 20 microns and in particular of about 5 microns.

12. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the outer surface of the layer is oxidized.

13. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the outer surface of the layer is a low-fissured macroscopic Has surface structuring.

14. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the surface ( 19 ) of the piston ( 12 ) is coated only in areas favored by fuel accumulation.

15. Internal combustion engine of a motor vehicle with a piston according to one of the previous claims.