DE102017207590A1

DE102017207590A1 - Thermische Isolierung des Mittenkegels eines Stahlkolbens

Info

Publication number: DE102017207590A1
Application number: DE102017207590.2A
Authority: DE
Inventors: Margrit Dannenfeldt; Ralf Meske
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2018-11-08
Also published as: WO2018202861A1

Abstract

Es wird ein Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, der auf der Oberseite des Mittenkegels eine Beschichtung auf Polysilazan-Basis aufweist. Durch diese Beschichtung wird die Ablagerung von Ölkohle auf der Unterseite des Kolbenbodens verringert oder vermieden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung zur thermischen Isolierung eines Stahlkolbens, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, ein Verfahren zur Aufbringung dieser Beschichtung und deren Verwendung zur Verringerung von Ölkohleaufbau an der Kolbenbodenunterseite und dadurch zur Verhinderung des Versagens des Kolbens durch Überhitzung.
Stand der Technik
Stahlkolben werden im Motor aufgrund ihrer geringeren Wärmeleitfähigkeit viel heißer als Aluminiumkolben. Dies hat zur Folge, dass an der Stahloberfläche verschiedene Reaktionen ausgelöst werden.
U.a. können die hohen Temperaturen dazu führen, dass das Öl im Kühlkanal und unter dem Muldenmittenkegel des Kolbens verkokt. Diese Verkokung resultiert im Aufbau einer Ölkohleschicht. Die Ölkohleschicht verringert die Wärmeableitung, welches wiederum zu einer schlechteren Kühlung des Kolbenbodens (speziell des Muldenmittenkegels) und zu einer verstärkten Ölkohleablagerung führt. Durch ungenügende Kühlung des Kolbens kann es dann zu einem Versagen des Kolbens durch Überhitzung kommen.
Die Verkokung des Kühlkanals und des Muldenmittenkegels konnte bisher nur durch ausreichende Dimensionierung des Kühlkanaldurchmessers, durch massivere Auslegung des Mittenkegels und durch ausreichende Öleinspritzung unter den Mittenkegel auf ein erträgliches Maß reduziert werden. Der Nachteil dieser Maßnahmen ist eine Vergrößerung des Kolbens und das damit verbundene höhere Gewicht desselben. Zudem ist durch die größere Dimensionierung kein zufriedenstellender Schutz vor Ölkohleablagerungen gewährleistet, so dass die stetige Verengung des Kühlkanals und das stetige Aufwachsen einer Ölkohleschicht unter dem Mittenkegel lediglich verlangsamt werden.
Bisher wurden zwar auch Beschichtungen auf Basis von Polysilazan oder Polysiloxan auf der Oberfläche von Kolben eingesetzt, um entweder die thermische Leitfähigkeit zu erniedrigen oder Ölkohleablagerungen zu vermeiden (siehe z.B. WO 2012/024415 , US 2007/113802 und WO 2006/087113 ). Solche Beschichtungen werden im Stand der Technik jedoch lediglich in den Hohlräumen des Kolbenbodens, den sogenannten Kühlkanälen, aufgebracht, um so diesen Bereich zu schützen und Materialversagen durch die Verengung der Kühlkanäle und eine dadurch bedingte schlechtere Kühlung zu vermeiden.
Die in WO 2006/087113 verwendeten Polysiloxan-Schichten werden durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Dieses Verfahren führt jedoch zu porösen Schichten. Poröse Schichten sind für eine Beschichtung des Mittenkegels nicht geeignet, da sie aufgrund der hohen Rauheit die Verbrennungsdynamik stören. Ferner haben die Verbrennungsgase aufgrund der Poren zudem Zugang zur Stahloberfläche, so dass die Wärmeisolationswirkung unzureichend ist. Stark poröse Strukturen können durch die schlagartige Druckbelastung bei der Zündung auch geschädigt bzw. zerstört werden.
Probleme mit der Verkokung treten auch im Bereich des dünnwandigen Mittenkegels der Mulde auf. Dies führt zu einer schlechteren Wärmeableitung in diesem Bereich. Dadurch wird wiederum die Ölkohleablagerung auf der Unterseite des Kolbens verstärkt, wodurch sich die Probleme der Überhitzung verschärfen. Bei ungenügender Kühlung kann es dann auch an dieser Stelle zu Materialversagen kommen.
Die Bildung von Ölkohleablagerungen an der Unterseite des Mittenkegels kann bisher nur durch hohe Materialstärken des Kolbens und eine intensive Öleinspritzung auf ein noch akzeptables Maß verlangsamt werden. Allerdings kommt es über längere Zeit immer noch zu einer Ölkohleablagerung, so dass die Lebensdauer des Kolbens nicht zufriedenstellend ist. Ferner führt diese Maßnahme zu einem höheren Gewicht des Kolbens und ist auch aus diesem Grund nachteilig.
Folglich gibt es ein Bedürfnis nach einer Ausgestaltung des Kolbens, durch die die Ölkohleablagerung verringert oder vermieden wird, ohne dass sich das Gewicht des Kolbens wesentlich erhöht.
Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass diese Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass auf die Oberseite des Kolbenbodens im Bereich des Mittenkegels eine Beschichtung auf Polysilazan-Basis aufgebracht wird.
Figurenliste

1A und B zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit großer Beschichtungsfläche.
2A und B zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit kleiner Beschichtungsfläche.
3 zeigen die Düsenstrahlen bei der Kraftstoffeinspritzung in die Verbrennungsmulde und den erfindungsgemäßen beschichteten Bereich.
4A und B zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung mit Stegen im Bereich der Verbrennungsmulde

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Stahlkolben, insbesondere einen Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor, wobei die Oberseite des Mittenkegels in der Verbrennungsmulde zumindest teilweise mit einer Beschichtung auf Polysilazan-Basis versehen ist, und die Verwendung einer solchen Beschichtung zur Vermeidung von Ölkohleablagerungen, wodurch auch die Unterseite des Kolbenbodens geschützt wird.
Wie in 1 und 2 gezeigt, wird erfindungsgemäß auf den Kolben 1 in einem Bereich der Oberseite des Mittenkegels 3 eine Beschichtung auf Polysilazan-Basis 2 aufgebracht, die ein Polymer auf Polysilazan-Basis umfasst (hierin auch als Beschichtung auf Polysilazan-Basis bezeichnet), wobei zumindest ein anderer Bereich der Verbrennungsmulde nicht mit dieser Beschichtung versehen ist. Die einzelnen Bereiche können beliebig, d.h. mit gebogenen oder geraden Linien, voneinander abgegrenzt sein.
Gegenüber einer vollständigen Beschichtung der Kolbenmulde wird auf diese Weise der negative Einfluss der Rauhigkeit der Beschichtung auf die Verbrennungsdynamik reduziert. Dies wiederum stellt sicher, dass die Verbrauchswerte des Verbrennungsmotors im Vergleich zu einem Kolben mit einer unbeschichteten Muldenoberfläche aber sonst gleichen Abmaßen nicht ansteigen.
Geeignete Ausführungsformen der beschichteten Bereiche sind in den Figuren dargestellt.
Bevorzugt ist zumindest ein Teil des Bereichs der Verbrennungsmulde, in dem die Kraftstoffeinspritzung erfolgt, nicht mit der Beschichtung versehen. Beispielsweise kann der konkave Bereich der Verbrennungsmulde ab deren tiefsten Punkt im Querschnitt der Mulde bis zu deren Rand zumindest teilweise, besonders bevorzugt vollständig, nicht mit der Beschichtung versehen sein. Wenn ein Teil des konkaven Bereichs mit der Beschichtung versehen ist, sollte die Breite der Stege nicht mehr als ein Drittel des Abstandes zwischen den Auftreffmittelpunkten der Düsenstrahlen betragen. Ferner sollten sich die Stege mittig zwischen den Auftreffmittelpunkten der Düsenstrahlen befinden.
In 3 ist die Einspritzung des Brennstoffs mittels der Düsenstrahlen dargestellt, wobei die durchgezogene dicke Linie der erfindungsgemäßen Beschichtung entspricht und die gestrichelte Linie eine mögliche größere Ausdehnung derselben skizziert. Unterschiedliche Möglichkeiten für die Ausführung der Beschichtung mit Stegen im Bereich der Verbrennungsmulde sind in 4 gezeigt.
Im Hinblick auf die Lage des beschichteten Bereichs ist es bevorzugt, dass der Bereich, der zwischen der Mitte des Mittenkegels und dem tiefsten Punkt im Querschnitt der Mulde liegt, zumindest teilweise, mit der Beschichtung versehen ist. Insbesondere wird der mit der Beschichtung versehene Bereich bevorzugt von einem Kreis um die Muldenkegelmitte mit einem Radius r im Bereich von r(M)/3 ≤ r ≤r(M) begrenzt, wobei r(M) der Abstand zwischen Muldenkegelmitte und dem tiefsten Punkt im Querschnitt der Mulde ist. Ausführungsformen mit einem Radius r = r(M) bzw. r = r(M)/3 sind in 1 und 2 gezeigt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der äußere Bereich des Kolbenbodens bis zum Rand der Mulde 4 ebenfalls mit der Beschichtung versehen. Dabei kann jegliche Ausführungsform der Beschichtung des Mittenkegels mit einer Beschichtung am Kolbenbodenrand kombiniert werden.
Insbesondere bevorzugt ist die Kombination einer Beschichtung des Bereichs, der von einem Kreis um die Muldenkegelmitte mit einem Radius r im Bereich von r(M)/3 ≤ r ≤r(M) begrenzt wird, mit einer Beschichtung des äußeren Bereichs des Kolbenbodens. Ein Beispiel für eine besonders bevorzugte Kombination ist in 1 gezeigt.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäß eingesetzte Beschichtung auf Polysilazan-Basis näher beschrieben.
Als Basis kann sowohl anorganisches als auch ein organisches Polysilazan eingesetzt werden. Das erfindungsgemäß eingesetzte anorganische Polysilazan bildet ein amorphes Netzwerk aus Si- und N-Atomen, das Bausteine der Formel -(H₂Si-NH)_n- aufweist und auch als Perhydropolysilazan bezeichnet wird. Bei den organischen Polysilazanen ist das Netzwerk durch organische Gruppen modifiziert, so dass sich Bausteine der Formel -(R¹R²Si-NH)- ergeben. Selbstverständlich können auch Polymere eingesetzt werden, die nur eine organische Gruppe pro Monomer enthalten.
Beschichtungen auf Polysilazan-Basis werden herkömmlich für Elektronikbauteile verwendet. Die dafür kommerziell erhältlichen Produkte können im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden.
Zur Bildung von anorganischem Polysilazan werden Lösungen von Perhydropolysilazan in Lösungsmitteln eingesetzt. Zum Beispiel kann 20%iges Perhydropolysilazan in Dibutylether (z.B. von Merck) eingesetzt werden.
Die organischen Polysilazane können unterschiedliche Reste R¹ und R² aufweisen, z.B. ist ein mit Vinylgruppen modifiziertes Polysilazan einsetzbar. Sie können in unterschiedlichen Lösungsmitteln, wie zum Beispiel Butylacetat, gelöst sein. Diese Lösungen können ggf. weitere organische Beimischungen enthalten. Beispiele für geeignete organische Polysilazane sind HTT 1800 (Merck KGaA) sowie HTA 1500 (KiON Defense Technologies).
Durch die Reaktion des Polysilazans mit Luftfeuchte, Wasser oder Alkohol bildet sich eine Polysiloxan-Schicht, bei der es sich im Falle des anorganischen Polysilazans um eine amorphe Quarzglasschicht handelt.
Es ist möglich die Schicht auf Polysilazan-Basis durch Zugabe von Additiven zu modifizieren, beispielsweise durch die Zugabe von ZrO₂, BN, Emailleglaspulver, Glashohlkugeln, Korundpulver, TiO₂ o.ä. Diese Pulver haben vorteilhafterweise eine Partikelgröße von 0,1 µm bis 25 µm. Auf diese Weise lassen sich dickere Schichten erzeugen.
Die Dicke einer ungefüllten Beschichtung auf Polysilazan-Basis beträgt meist 0,2 µm bis 40 µm, wobei hohe Schichtdicken in der Regel nur mittels organischen Polysilazanen hergestellt werden können. Auf Basis von organischem oder anorganischem Polysilazan lassen sich Schichtdicken bis zu 100 µm erzielen, wenn ein Füllstoff, beispielsweise ZrO₂ und/oder Glaspulver (Hohlglaskugeln), zugesetzt wird. Auf diese Weise kann eine Schicht mit besonders guter thermischer Isolierwirkung erzeugt werden.
Dabei werden die Glaspulver bevorzugt so ausgewählt, dass ihr Wärmeausdehnungskoeffizient ungefähr dem des Stahlkolbens entspricht. Die durchschnittliche Größe der Glaspartikel liegt bevorzugt im Bereich von 3 bis 10 µm. Geeignete Glassysteme sind z.B. 8472 (Blei-Borat-Glas), 8470 (Borosilikatglas), G018-198 (bleifreies Passivierungsglas) und G018-311 (Bariumsilikatglas) von Schott.
Als ZrO₂ können beispielsweise Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,3 µm bis 4 µm verwendet werden.
Bei der Schicht auf Polysilazan-Basis kann es sich um ein Mehrschichtsystem handeln, wobei für die einzelnen Schichten unterschiedliche Basismaterialien und/oder Zusatzstoffe eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Doppelschicht eingesetzt werden, die aus einer unteren, bevorzugt dünnen, Schicht aus anorganischem Polysilazan und einer oberen Schicht aus organischem Polysilazan, die mit Additiven modifiziert wurde, besteht.
Die Schicht auf Polysilazan-Basis kann bei Raumtemperatur in einer dem Fachmann bekannt Weise, z.B. durch Wischen, Sprühen, Tauchen oder Pinseln aufgetragen werden.
Die so aufgebrachte Zusammensetzung wird zur Vernetzung vorzugsweise auf eine Temperatur von 15°C bis 255°C erwärmt.
Die Beschichtung auf Polysilazan-Basis wandelt sich in den folgenden Tagen unter Einwirkung von Luftfeuchte, Wasser oder Alkohol in eine Beschichtung auf SiO₂-Basis um. In allen drei Fällen bilden sich somit SiO₂-Netzwerke, die eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen.
Die hergestellte Beschichtung auf Polysilazan-Basis ist entgegen denen im Stand der Technik bekannten Schichten, die mittels eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt werden, nicht porös und daher gasdicht.
Zwischen dem Grundmaterial und der erfindungsgemäß eingesetzten Beschichtung können ggf. weitere Schichten, beispielsweise Haftvermittler-Schichten, auf den Kolben aufgebracht werden. Beispielsweise kann eine Phosphat-Schicht (z.B. eine Manganphosphat-Schicht) o.ä. als Zwischenschicht verwendet werden.
Als besonders geeignet hat sich die Erfindung für einen Kolben aus einem CrMo-legierten Stahl und insbesondere einen Kolben aus 42CrMo4 erwiesen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer solchen Schicht zur Verringerung bzw. Verhinderung der Ölkohleablagerung. Mittels der erfindungsgemäß eingesetzten Beschichtung wird die Ölkohleanlagerung auch auf der Unterseite des Kolbenbodens, insbesondere im Bereich des Mittenkegels, verringert oder verhindert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2012/024415 [0005]
US 2007113802 [0005]
WO 2006/087113 [0005, 0006]

Claims

Stahlkolben, insbesondere Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor, umfassend zumindest in einem Bereich der Oberseite des Mittenkegels eine Beschichtung auf Polysilazan-Basis, wobei zumindest ein anderer Bereich der Verbrennungsmulde nicht mit dieser Beschichtung versehen ist.
Stahlkolben gemäß Anspruch 1, wobei ferner der äußere Bereich des Kolbenbodens bis zum Rand der Verbrennungsmulde zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, mit der Beschichtung versehen sind.
Stahlkolben gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest ein Teil des Bereichs der Verbrennungsmulde, in dem die Kraftstoffeinspritzung erfolgt, nicht mit der Beschichtung versehen ist.
Stahlkolben gemäß Anspruch 3, wobei der konkave Bereich der Verbrennungsmulde ab deren tiefsten Punkt im Querschnitt der Mulde bis zu ihrem Rand zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, nicht mit der Beschichtung versehen ist.
Stahlkolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der mit der Beschichtung versehene Bereich von einem Kreis um die Muldenkegelmitte mit einem Radius r im Bereich von r(M)/3 ≤ r ≤r(M) begrenzt wird und wobei r(M) der Abstand zwischen Muldenkegelmitte und dem tiefsten Punkt im Querschnitt der Mulde ist.
Stahlkolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei es sich um einen Kolben aus einem CrMo-legierten Stahl und insbesondere einen Kolben aus 42CrMo4, handelt.
Stahlkolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei als Polysilazan-Basis organisches Polysilazan eingesetzt wird, das ZrO₂ und/oder ein Glaspulver enthält.
Stahlkolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schicht auf Polysilazan-Basis zusätzlich Glashohlkugeln und zumindest einen Zuschlagstoff, der aus BN, Korundpulver und TiO₂ ausgewählt ist, enthält.
Stahlkolben gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schicht auf Polysilazan-Basis keine Füllstoffe enthält.
Verwendung einer Beschichtung auf Polysilazan-Basis, die zumindest auf einen Bereich der Oberseite des Mittenkegels eines Stahlkolbens für einen Verbrennungsmotor aufgebracht ist, zur Verringerung oder Vermeidung von Ölkohleanhaftungen.
Verwendung gemäß Anspruch 10, wobei die Beschichtung auf Polysilazan-Basis zur Verringerung oder Vermeidung von Ölkohleanhaftungen in einem Bereich der Unterseite des Kolbenbodens, insbesondere der Unterseite des Mittenkegels, verwendet wird.
Verwendung nach Anspruch 10 oder 11, wobei ein in einem der Ansprüche 1 bis 5 definierter Bereich mit der Beschichtung versehen ist und/oder die Beschichtung in einem der Ansprüche 7 bis 9 definiert ist.