DE102005019488A1

DE102005019488A1 - Bauteil einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005019488A1
Application number: DE200510019488
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Chem. Langenfeld; Andreas Dipl.-Ing. Läger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2006-11-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein im Betrieb bewegtes Bauteil einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens bereichsweise mindestens eine oleophobe Oberflächenbeschichtung. Die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung führt dazu, dass Flüssigkeitstropfen der Schmierstoffe, das heißt ölartiger oder ölhaltiger Flüssigkeiten an der so beschichteten Oberfläche leicht ablaufen und nicht an dieser anhaften bleiben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft bewegte Bauteile von Brennkraftmaschinen, die herkömmlicherweise im Betrieb von einem Schmiermittel (Motoröl) benetzt werden. Im Betrieb der Brennkraftmaschine erfährt das Schmiermittel an der Oberfläche des bewegten Bauteils eine Impulsübertragung und wird beschleunigt. Infolgedessen wird das Schmiermittel über die Bauteiloberfläche transportiert und schließlich vom Bauteil abgeschleudert. Während dieser Vorgänge wird Arbeit verrichtet. Der Grad der Benetzung der Oberflächen sowie die Größe der Impulsübertragung sind unter anderem abhängig von der Oberflächenenergie des bewegten Bauteils. Je geringer der apolare Anteil der Oberflächenenergie des Bauteils ist, desto geringer sind die energetisch ungünstigen Wechselwirkungen.

Grundsätzlich sind aus dem Stand der Technik verschiedene Methoden bekannt, um die Oberflächenenergie eines Substrats zu reduzieren. Von der Lotus-Pflanze bekannt ist beispielsweise der Lotus-Effekt. Dieser ermöglicht der Pflanze eine sogenannte Selbstreinigung initiiert durch eine wasser- und schmutzabweisende Oberfläche. Diese Oberflächeneigenschaften werden zum einen ermöglicht durch chemische Effekte (zum Beispiel Wachse) und darüber hinaus auch durch eine besondere Topographie der Oberfläche, insbesondere im Nanometer-Bereich.

Aus dem Stand der Technik bekannt ist es, derartige Oberflächen zur Reduzierung der Oberflächenenergie zu beschichten. Beispielsweise sei auf sogenannte „Easy-to-Clean-Beschichtungen" sowie Antihaftbeschichtungen verwiesen. Beispielsweise ist die Beschichtung von Kochgeschirr mittels fluorhaltiger Polymerverbindungen bekannt, zum Beispiel Teflonbeschichtungen oder dergleichen.

Shibuichi et al. beschreiben in J. Colloid Interface Sci. 1998 Dezember 1; 208(1):287-294 stark wasser- und ölabweisende Oberflächen, die durch Ausnutzung der Fraktalstruktur von Festkörperoberflächen hergestellt wurden. Diese Oberflächen weisen einen Kontaktwinkel von 160° für Wassertropfen auf und werden hergestellt durch anodische Oxidation von Aluminiumoberflächen, die mit einem hydrophoben Oberflächenkopplungsagenz behandelt wurden, beispielsweise einem Perfluoroctyltrichlorsilan.

Ein anderer Ansatz besteht darin, dass man im sub-μm-Bereich strukturierte Oberflächen schafft durch Materialabtrag mittels Ultra-Kurzpuls-Laser. Eine derart veränderte Oberflächen-Topographie durch Nanostrukturierung mittels Laser kann zu einer Verringerung von Anhaftungen zum Beispiel in Form von Verkokungen an derart behandelten Oberflächen führen.

H. Böttcher beschreibt in „Materialwissenschaft und Werkstofftechnik", Volume 32, Issue 10, Seiten 759–766 die kontrollierte Hydrolyse von Silizium- oder Metallalkoxiden zur Herstellung nanopartikulärer Oxid-Sole, die nach Beschichtung und Trocknung auf einem Substrat zu dünnen, transparenten Gel-Filmen kondensieren. Durch Cohydrolyse und Cokondensation unterschiedlicher Alkoxide und Einbettung verschiedener Zusätze (physikalische Modifizierung) lassen sich flexible Substrate wie Textilien, Papier oder Polymerfolien beschichten.

Die US 6,257,217 B1 beschreibt Komponenten für Brennkraftmaschinen aus Stahl, Gusseisen oder Aluminiumlegierungen, die eine Wasser- und Öl abweisende Beschichtung erhalten, um die Bildung von Ablagerungen an diesen Komponenten zu unterdrücken. Für die Beschichtung werden Aminosiliziumverbindungen mit Perfluoralkylgruppen eingesetzt. Die Beschichtung wird insbesondere im Bereich der Oberfläche des Ventilsitzes von Kraftstoffeinspritzventilen aufgebracht. Es wird auch die Beschichtung von Kolben aus Aluminiumgusslegierungen erwähnt.

In der US 5,195,478 A werden Kolben für Brennkraftmaschinen beschrieben, die bereichsweise beschichtet sind, so dass Gleitbereiche gebildet werden. Die Kolben weisen weiterhin unbeschichtete Bereiche auf, in denen im Betrieb der Brennkraftmaschine ein Ölfilm gebildet werden soll. Die beschichteten Bereiche werden gebildet, indem fluorhaltige Polymere wie beispielsweise Polytetrafluorethylen in einem Druckverfahren oder Sprühverfahren aufgebracht werden, wobei die Bereiche, die unbeschichtet bleiben sollen, zuvor maskiert werden.

Die DE 199 19 413 A1 beschreibt die Aufbringung einer Schicht aus Perfluorpolyether-Verbindungen mit Alkoxy-Silan als endständigen Gruppen auf die Oberfläche von Kraftstoffeinspritzventilen mittels Reaktionshaftung. Es soll dadurch verhindert werden, dass sich während der Verbrennung von Benzin auf der Oberfläche des Kraftstoffeinspritzventils Ablagerungen ansammeln beziehungsweise diese Ablagerungen sollen sich einfacher entfernen lassen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bewegte Bauteile von Brennkraftmaschinen zur Verfügung zu stellen, bei denen sich eine Verbrauchsreduzierung und/oder Leistungssteigerung durch Reduzierung der zum Transport und zur Entfernung von Schmiermitteln notwendigen Arbeit erzielen lässt.

Die Lösung dieser Aufgabe liefert erfindungsgemäß ein Bauteil einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.

Die erfindungsgemäße Lösung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein bewegtes Bauteil einer Brennkraftmaschine mindestens bereichsweise mindestens eine oleophobe Oberflächenbeschichtung aufweist. Die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung führt dazu, dass Flüssigkeitstropfen der Schmierstoffe, das heißt ölartiger oder ölhaltiger Flüssigkeiten an der so beschichteten Oberfläche leicht ablaufen und nicht an dieser anhaften bleiben. Dieser Effekt ist besonders stark ausgeprägt bei Flüssigkeitstropfen ölartiger oder ölhaltiger Flüssigkeiten mit hohen Oberflächenspannungen. Bei Tropfen von Flüssigkeiten mit geringerer Oberflächenspannung ergeben sich größere Kontaktwinkel auf der so beschichteten Oberfläche, als dies ohne die Beschichtung der Fall wäre.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung umfasst die oleophobe Oberflächenbeschichtung mindestens einen aus einem vorzugsweise nanopartikulären Oxid-Sol hergestellten Gelfilm.

Für die erfindungsgemäße oleophobe Oberflächenbeschichtung mindestens eines bewegten Bauteils einer Brennkraftmaschine kommen insbesondere Nanokompositschichten in Betracht, die man beispielsweise durch kontrollierte Hydrolyse von Silizium- oder Metallalkoxiden herstellen kann. Diese kondensieren nach Beschichtung und Trocknung auf einem Substrat zu dünnen, transparenten Gel-Filmen. Oberflächenschichten dieser Art lassen sich durch Cohydrolyse und/oder Cokondensation unterschiedlicher Alkoxide chemisch modifizieren und/oder durch Einbettung verschiedener Zusätze in ihren physikalischen Eigenschaften modifizieren.

Gemäß einer bevorzugten alternativen Variante der Erfindung umfasst die oleophobe Beschichtung mindestens ein fluorhaltiges Polymeres, vorzugsweise mindestens ein fluorhaltiges Alkylpolymeres. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Oberflächenbeschichtung auch mit einer bereichsweisen Strukturierung der Oberflächentopographie, die beispielsweise mechanisch erfolgen kann oder durch Laserbestrahlung, kombiniert werden. Beispielsweise lässt sich eine spezielle nanoskalige Oberflächentopographie durch eine Bestrahlung mittels Ultra-Kurzpulslaser erzielen oder zum Beispiel auch mit Hilfe der CMR-Technik (combined micro-relief).

Versuche im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben ergeben, dass bei der Ausstattung bewegter Aggregate Bauteile einer Brennkraftmaschine mit (Öl)-benetzungsfreier beziehungsweise benetzungsarmer oleophober Oberfläche erhebliche Leistungssteigerungen erzielt werden können. Beispielsweise kann durch einen völlig benetzungsfreien Kurbeltrieb im Volllastbereich eines Verbrennungsmotors der Leistungsverlust um bis zu 3 % reduziert werden. Dadurch ergibt sich beispielsweise für einen Motor mit 100 kW Nennleistung eine Leistungssteigerung von 3 kW. Folglich kann man bei gleicher Motorleistung eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von bis zu 3 % erwarten.

Als bewegte Bauteile einer Brennkraftmaschine, die mindestens bereichsweise mit einer oleophoben Oberflächenbeschichtung versehen werden, kommen insbesondere Kurbelwellen, Pleuelstangen oder dergleichen in Betracht.

Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Brennkraftmaschine, die mindestens ein im Betrieb bewegtes Bauteil mit einer oleophoben Oberflächenbeschichtung der zuvor genannten Art aufweist. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Kraftfahrzeug, welches eine solche Brennkraftmaschine umfasst.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, welches dadurch gekennzeichnet, ist, dass die Brennkraftmaschine mit mindestens einem im Betrieb bewegten Bauteil oder Aggregat betrieben wird, welches mindestens bereichsweise eine ölbenetzungsfreie beziehungsweise ölbenetzungsarme (oleophobe) Oberfläche aufweist. Vorzugsweise weist das bewegte Bauteil oder Aggregat mindestens eine oleophobe Oberflächenbeschichtung der zuvor genannten Art auf.

Claims

Bauteil einer Brennkraftmaschine umfassend mindestens bereichsweise eine flüssigkeitsabweisende Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Betrieb der Brennkraftmaschine bewegtes Bauteil mindestens bereichsweise mindestens eine oleophobe Oberflächenbeschichtung aufweist.
Bauteil einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine oleophobe Oberflächenbeschichtung mindestens einen aus einem Oxid-Sol hergestellten Gelfilm umfasst.
Bauteil einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine oleophobe Oberflächenbeschichtung mindestens einen aus einem nanopartikulären Oxid-Sol hergestellten Gelfilm umfasst.
Bauteil einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine oleophobe Oberflächenbeschichtung mindestens eine Nanokompositschicht ist oder umfasst.
Bauteil einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine oleophobe Beschichtung mindestens ein fluorhaltiges organisches Polymeres, vorzugsweise mindestens ein fluorhaltiges Alkylpolymeres umfasst.
Bauteil einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mindestens bereichsweise eine strukturierte Oberflächentopographie aufweist.
Bauteil einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mindestens bereichsweise eine durch mechanische Bearbeitung hergestellte strukturierte Oberflächentopographie aufweist.
Bauteil einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mindestens bereichsweise eine durch Laserbestrahlung erzeugte strukturierte Oberflächentopographie aufweist.
Bauteil einer Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Kurbelwelle oder Pleuelstange ist.
Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens ein im Betrieb bewegtes Bauteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 10 umfasst.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit mindestens einem im Betrieb der Brennkraftmaschine bewegten Bauteil oder Aggregat betrieben wird, welches mindestens bereichsweise eine ölbenetzungsfreie beziehungsweise – arme (oleophobe) Oberfläche aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit mindestens einem im Betrieb bewegten Bauteil oder Aggregat betrieben wird, welches mindestens bereichsweise mindestens eine oleophobe Oberflächenbeschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.