DE102012216929A1

DE102012216929A1 - Motorkomponente einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012216929A1
Application number: DE201210216929
Authority: DE
Inventors: Dr. Beerens Christoph; Kai Schreer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: DE102012216929B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorkomponente (1) einer Brennkraftmaschine, die entweder durch einen ölnebelhaltigen Luftstrom oder zumindest teilweise mit Öl beaufschlagt ist und zu Ölkohleanhaftungen neigt, wobei die Motorkomponente (1) aus einem Grundmaterial (8) ausgebildet ist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass zumindest ein Bereich (4, 4', 4'') der Motorkomponente (1) eine thermooxidationshemmende Schutzschicht (5) aufweist, deren katalytisches Reaktionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials (8) der Motorkomponente (1). Hierdurch kann eine zwischen dem Öl und dem Metall der Motorkomponente (1) gelegene Trennschicht geschaffen werden, die die Ölalterung verhindert oder zumindest erschwert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorkomponente einer Brennkraftmaschine.
Eisen bildet, wie andere Zwischengruppenelemente auch, insbesondere Kupfer, einen Katalysator für thermische Oxidationsreaktionen im Öl. Bei modernen Brennkraftmaschinen werden auch sogenannte Blow-by-Gase rückgeführt, um dadurch insbesondere die Schadstoffemissionen reduzieren zu können. Derartige Blow-by-Gase enthalten jedoch ebenfalls Öl, insbesondere in der Art von Ölnebel, was beim Auftreffen auf heiße Bauteile, wie beispielsweise die Einlassventile, verkoken und dadurch zu Ölkohlebildung führen kann. Man kann dies insbesondere bei Diesel- und direkteinspritzenden Otto-Motoren beobachten. Dieses Problem tritt insbesondere dann auf, sofern oxidationsmindernde Additive im Öl bereits aufgebraucht sind. Bei einem länger andauernden Aufbauen von Ölkohle im Bereich des Einlassventils kann hier eine Querschnittseinschränkung durch Ölkohleablagerungen erfolgen, wodurch die Luftzufuhr zum jeweiligen Zylinder reduziert wird, was eine Leistungsminderung der Brennkraftmaschine zur Folge hat. Eine Verkokung des in dem Blow-by-Gasen gelösten Öls findet dabei üblicherweise an den heißesten Motorkomponenten, also beispielsweise den Einlassventilen und den Kolben statt. Neben dem unerwünschten Ölkohleaufbau findet durch die Verkokung des Öls auch eine fortschreitende, beschleunigte Ölalterung statt. Um eine Oxidationsneigung des Öls und damit einen Aufbau einer unerwünschten Ölkohleschicht zu verringern, ist aus dem Stand der Technik bekannt, entsprechende Wärmeleitbeschichtungen an thermisch hochbelasteten Bereichen von Kolben, beispielsweise einem Kühlkanal aufzubringen und dadurch die lokal auftretende Wärme gleichmäßig über den gesamten Kühlkanal zu verteilen und insbesondere auch die Maximaltemperatur deutlich zu reduzieren. Wird hierbei jedoch Kupfer als Wärmeleitbeschichtung verwendet, so ist dies in Bezug auf die Ölkohlebildung kontraproduktiv, da ein katalytisches Reaktionsvermögen von Öl an Kupfer üblicherweise deutlich höher ist als an Stahl, so dass die Oxidation des Öls und damit die Ölkohlebildung bereits bei deutlich niedrigeren Temperaturen startet.
Aus der DE 103 01 390 A1 ist ein Motorenbauteil, beispielsweise ein Kolben einer Brennkraftmaschine, bekannt, das an seiner Oberfläche zumindest teilweise mit einer Antihaftschicht aus amorphem und/oder quasi kristallinem Metall versehen ist, wodurch ein Anhaften einer Ölkohleschicht und damit der Aufbau einer Wärmeisolierungsschicht vermieden werden soll.
Aus der EP 2 182 183 A1 ist eine wärmeleitende Beschichtung auf Ventilen bekannt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Motorkomponente der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch ein vermindertes thermisches Oxidationsvermögen auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zumindest einen Bereich einer Motorkomponente, insbesondere eine Ventilkehle eines Ventils oder eine Oberfläche eines Kühlkanals eines Kolbens, einer Brennkraftmaschine, mit einer thermooxidationshemmenden Schutzschicht zu versehen, deren katalytisches Reaktionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials der Motorkomponente, wodurch eine Ölkohlebildung insbesondere auch eine Ölkohleanhaftung insbesondere in diesem Bereich zumindest reduziert, vorzugsweise sogar vermieden werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Motorkomponente kann es sich beispielsweise um ein Ventil einer Brennkraftmaschine handeln, an welchem Temperaturen von bis zu 450° C auftreten können. Die über einen Einlasskanal angesaugte Luft kann dabei Ölnebel enthalten, beispielsweise Blow-by-Gase oder Ölnebel einer Abgasrückführung, wobei das aerosol im Ölnebel gelöste Öl bei einer Öffnung des Ventils mit durchströmender Luft am heißen Bereich der Ventilkehle verkoken und daher dort zu einer Ölkohlebildung führen kann. Dieses Problem verschärft sich zunehmend, sofern oxidationsmindernde Additive im Öl aufgebraucht sind. Mit dem Verkoken des Öls und dem Aufbau einer Ölkohleschicht kann eine Querschnittseinschränkung der Luftzufuhr einhergehen, die wiederum zwangsweise zu einer Leistungsminderung der Brennkraftmaschine führt. Aus diesem Grund ist es wichtig, einen Luftzufuhrquerschnitt, insbesondere im Bereich der Ventilkehle des Einlassventils, langfristig uneingeschränkt gewährleisten zu können. Durch das erfindungsgemäße Aufbringen der thermooxidationshemmenden Schutzschicht zumindest im Bereich der Ventilkehle kann der die Öloxidation begünstigende katalytische Effekt deutlich reduziert und damit auch die Verkokung des Öls im besten Falle sogar vermieden werden. Die Schutzschicht weist dabei bereits eine thermooxidationshemmende Wirkung auf, sofern deren katalytisches Reaktionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials des Ventils, beispielsweise kleiner als Eisen bzw. Stahl. Die Schutzschicht verhindert hierbei auch einen direkten Kontakt zwischen dem Öl bzw. dem Ölnebel und dem Grundmaterial des Ventils bzw. der Motorkomponente, wodurch zumindest die Öloxidation und damit auch die Ölalterung bzw. die Ölablagerungen reduziert werden können.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist zumindest ein begrenzter Bereich der Motorkomponente, insbesondere die Ventilkehle des Ventils, eine Wärmeleitbeschichtung zum Verteilen der beim Betrieb auftretenden Wärme auf, wobei zumindest die Wärmeleitbeschichtung zumindest teilweise mit der erfindungsgemäßen Schutzschicht überzogen ist, deren katalytisches Reaktionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials des Ventils und der Wärmeleitbeschichtung. Das Aufbringen einer derartigen Wärmeleitbeschichtung zwischen dem Grundmaterial und der zuvor beschriebenen Schutzschicht dient dabei zur Verteilung der beim Verbrennungsvorgang entstehenden Wärme, wodurch insbesondere die Ölkohlebildung extrem begünstigende hohe Temperaturen reduziert werden können. Die genannten Ventile weisen beispielsweise im Bereich einer Ventilkehle Temperaturen von 300°C bis 450°C auf, die sich im Bereich des Ventiltellers auf bis zu 500°C erhöhen können. Durch die erfindungsgemäß aufgetragene Wärmeleitbeschichtung kann Wärme vom Ventilteller über die Ventilkehle in den Ventilschaft abgeleitet werden, wodurch auch andere Bereiche des Ventils einem lediglich reduzierten Risiko einer Ölkohlebildung ausgesetzt sind. Mit der Wärmeleitbeschichtung können somit eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht und insbesondere auch die für die Öloxidation kritischen hohen Temperaturen vermieden werden.
Zweckmäßig weist die Schutzschicht Oxide, Sulfide oder Nitride auf. Besonders bevorzugt ist die Schutzschicht als chemisch stabile Oxidschicht ausgeführt und weist beispielsweise Metalloxide, insbesondere Aluminiumoxid, Titanoxid, Zinkoxid oder Magnesiumoxid aus. Besonders die Ausbildung als Aluminiumoxid bietet dabei den großen Vorteil, dass die Oxidschicht automatisch gebildet wird. Ebenfalls denkbar sind für die Schutzschicht auch Berylliumoxid oder Bortrioxid sowie Siliziumdioxid. Alternativ hierzu kann die Schutzschicht auch Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliziumnitrid oder Titannitrid aufweisen. Das Bornitrid, Siliziumnitrid und Titannitrid zeichnet sich durch eine besonders hohe chemische sowie thermische Stabilität aus, was für einen Einsatz an einer Motorkomponente von großem Vorteil ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung kann die Schutzschicht beispielsweise mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aufgebracht werden. Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung wird mit Hilfe physikalischer Verfahren das Ausgangsmaterial in die Gasphase überführt und anschließend das gasförmige Material zum zu beschichtenden Substrat gebracht, wo es kondensiert und die Zielschicht, also im vorliegenden Fall die Schutzschicht, bildet. Im physikalischen Gasabscheideverfahren gehören insbesondere das thermische Verdampfen, das Elektronenstrahlverdampfen, das Laserstrahlverdampfen, das Lichtbogenverdampfen, das Sputtern oder beispielsweise das Ionenplatieren. Sowohl die physikalische Gasphasenabscheidung als auch die chemische Gasphasenabscheidung bietet dabei die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Schutzschicht besonders exakt, dünnschichtig und begrenzt im Bereich der Ventilkehle aufzubringen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch:
1 eine Ansicht auf eine als Ventil ausgebildete erfindungsgemäße Motorkomponente,
2 eine Schnittdarstellung durch eine als Kolben ausgebildete erfindungsgemäße Motorkomponente.
Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäß als Ventil 1' ausgebildete Motorkomponente 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine einen Ventilschaft 2 und einen Ventilteller 3 auf, wobei der Ventilschaft 2 über eine ausgerundete Ventilkehle in den Ventilteller 3 übergeht. Das Ventil 1 besteht aus einem Grundmaterial 8, üblicherweise aus Eisen bzw. Stahl. Erfindungsgemäß weist nun zumindest ein Bereich 4' der Ventilkehle eine thermooxidationshemmende Schutzschicht 5 auf, deren katalytisches Reaktionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials 8 des Ventils 1'. Eine derartige thermooxidationshemmende Schutzschicht 5 verhindert insbesondere eine Verkokung von Öl in diesem Bereich, wodurch insbesondere auch eine Ölkohlebildung und eine Ölkohleanlagerung im Bereich 4' der Ventilkehle zumindest reduziert, vorzugsweise sogar vermieden werden kann. Eine derartige Ölkohleanlagerung würde nämlich einen Luftzufuhrquerschnitt zunehmend einschränken, womit auch eine Leistungsverminderung der Brennkraftmaschine einhergeht. Aus diesem Grund soll eine Anhaftung von Ölkohle besonders in diesem Bereich vermieden werden.
Zwischen der eigentlichen Schutzschicht 5 und dem Grundmaterial 8 des Ventils 1' kann darüber hinaus eine Wärmeleitbeschichtung 6 zum Verteilen der beim Betrieb der Brennkraftmaschine auftretenden Wärme vorgesehen sein. Eine derartige Wärmeleitbeschichtung 6 dient insbesondere zur Egalisierung und zum Abbau von Wärmespitzen, die im Bereich der dem Brennraum zugewandten Seite des Ventiltellers 3 bis zu 500°C erreichen und dadurch die katalytische Reaktion und die Ölkohlebildung begünstigen können. Die Wärmeleitbeschichtung 6 ist dabei von der erfindungsgemäßen Schutzschicht 5 überzogen, wobei ein katalytisches Reaktionsvermögen in diesem Fall kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials 8 des Ventils 1' und der Wärmeleitbeschichtung 6.
Die Schutzschicht 5 kann beispielsweise Oxide, Sulfide oder Nitride aufweisen, wogegen die Wärmeleitbeschichtung 6 beispielsweise Kupfer oder Aluminium aufweisen kann.
Als spezielle Ausführungsform kann die Schutzschicht 5 Aluminiumoxid (Al₂O₃), Berylliumoxid (BeO), Bortrioxid (D2O3), Magnesiumoxid (MgO), Siliziumdioxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂) oder Zinkoxid (ZnO) aufweisen. Die Schutzschicht 5 kann alternativ auch Aluminiumnitrid (AlN), Bornitrid (BN), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Titannitrid (TiN) aufweisen. Sämtlichen Ausführungsformen, insbesondere der Metalloxide, sind dabei gemein, dass diese das katalytische Reaktionsvermögen herabsetzen und damit die Verkokung des Öls und insbesondere auch eine Ölanlagerung reduzieren. Besonders Aluminium bildet dabei die Oxidschicht automatisch.
Die Schutzschicht 5 kann beispielsweise als physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aufgebracht werden.
Besonders die Anzahl der möglichen Oxidationsstufen des chemischen Elements der aufgebrachten Schutzschicht 5 bestimmt dabei die Oxidationsneigung, so dass insbesondere Oxide mit wenigen, vorzugsweise nur einer Oxidationsstufe, wie beispielsweise Silizium, Aluminium, Bor- oder Titanoxid für die Schutzschicht 5 verwendet werden.
Entsprechend der 2, weist eine erfindungsgemäß als Kolben 1'' ausgebildete Motorkomponente 1 einer wiederum im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine einen mit Öl durchströmten Kühlkanal 7 auf, wobei zumindest ein Bereich 4'' der Oberfläche des Kühlkanals 7 eine thermooxidationshemmende Schutzschicht 5 aufweist, deren katalytisches Reaktionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials 8 des Kolbens 1''. Alternativ kann auch zumindest ein Bereich 4'' der Oberfläche des Kühlkanals 7 eine Wärmeleitbeschichtung 6 zum Verteilen der beim Betrieb der Brennkraftmaschine auftretenden Wärme aufweisen, wobei zumindest die Wärmeleitbeschichtung 6 mit einer thermooxidationshemmende Schutzschicht 5 überzogen ist, deren katalytisches Reaktionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials 8 des Kolbens 1'' und der Wärmeleitbeschichtung 6.
Bezüglich der Schutzschicht 5 gilt das vorher geschriebene.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10301390 A1 [0003]
EP 2182183 A1 [0004]

Claims

Motorkomponente (1) einer Brennkraftmaschine, die entweder durch einen ölnebelhaltigen Luftstrom oder zumindest teilweise mit Öl beaufschlagt ist und zu Ölkohleanhaftungen neigt, wobei die Motorkomponente (1) aus einem Grundmaterial (8) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bereich (4, 4', 4'') der Motorkomponente (1) eine thermooxidationshemmende Schutzschicht (5) aufweist, deren katalytisches Reaktionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials (8) der Motorkomponente (1).
Motorkomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest ein begrenzter Bereich (4, 4', 4'') der Motorkomponente (1) eine Wärmeleitbeschichtung (6) zum Verteilen der beim Betrieb auftretenden Wärme aufweist, – zumindest die Wärmeleitbeschichtung (6) zumindest teilweise mit der Schutzschicht (5) überzogen ist, deren katalytisches Reaktionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials (8) der Motorkomponente (1) und der Wärmeleitbeschichtung (6).
Motorkomponente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) Oxide, Sulfide oder Nitride aufweist.
Motorkomponente nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitbeschichtung Kupfer oder Aluminium aufweist.
Motorkomponente nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) Aluminiumoxid (Al₂O₃), Berylliumoxid (BeO), Bortrioxid (B₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Siliziumoxid (SiO₂), Titandioxid (TiO₂) oder Zinkoxid (ZnO) aufweist.
Motorkomponente nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) Aluminiumnitrid (AlN), Bornitrid (BN), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Titannitrid (TiN) aufweist.
Motorkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aufgebracht ist.
Motorkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (8) Stahl ist.
Motorkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Motorkomponente (1) ein Ventil (1') ist, mit einem Ventilschaft (2) und einem Ventilteller (3), wobei der Ventilschaft (2) über eine ausgerundete Ventilkehle in den Ventilteller (3) übergeht und zumindest ein Bereich (4') der Ventilkehle eine thermooxidationshemmende Schutzschicht (5) aufweist, oder – dass die Motorkomponente (1) ein Ventil (1') ist, mit einem Ventilschaft (2) und einem Ventilteller (3), wobei der Ventilschaft (2) über eine ausgerundete Ventilkehle in den Ventilteller (3) übergeht und die Ventilkehle in zumindest einem Bereich (4') eine Wärmeleitbeschichtung (6) aufweist und zumindest die Wärmeleitbeschichtung (6) mit einer thermooxidationshemmende Schutzschicht (5) überzogen ist, deren katalytisches Reaktionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials (8) des Ventils (1') und der Wärmeleitbeschichtung (6).
Motorkomponenten nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, – dass die Motorkomponente (1) als Kolben (1'') einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist, mit einem Öl durchströmten Kühlkanal (7), wobei zumindest ein Bereich (4'') der Oberfläche des Kühlkanals (7) eine thermooxidationshemmende Schutzschicht (5) aufweist, deren katalytisches Reaktionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials (8) des Kolbens (1'') oder – dass die Motorkomponente (1) als Kolben (1'') einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist, mit einem Öl durchströmten Kühlkanal (7), wobei zumindest ein Bereich (4'') der Oberfläche des Kühlkanals (7) eine Wärmeleitbeschichtung (6) aufweist und zumindest die Wärmeleitbeschichtung (6) mit einer thermooxidationshemmende Schutzschicht (5) überzogen ist, deren katalytisches Reaktionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials (8) des Kolbens (1'') und der Wärmeleitbeschichtung (6).