DE102017214254B4 - Aluminiumkolben mit verbesserter Kühlung - Google Patents
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Abstract
Aluminiumkolben (1), insbesondere Aluminiumkolben (1) für einen Verbrennungsmotor, der einen Hohlraum (2) zur Aufnahme eines Kühlmittels (4) aufweist, wobei die Innenfläche des Hohlraums (2) mit einer SiO2-Beschichtung (3) versehen ist und der Hohlraum (2) als Kühlmittel (4) eine eutektische Mischung umfassend Gallium, Indium und Zinn enthält.
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aluminiumkolben für einen Verbrennungsmotor mit verbesserter Abfuhr der thermischen Energie (die Kühlung).
- Stand der Technik
- Der Kolben eines Verbrennungsmotors ist vor allem zum Zeitpunkt der Zündung des zu verbrennenden Gemisches sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Die auf den Kolben übergehende thermische Energie muss abgeführt werden, um eine thermische Überlastung und eine dadurch bedingte Schädigung des Kolbens zu vermeiden.
- Zur Ableitung der thermischen Energie können verschiedene Maßnahmen getroffen werden. Aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit werden häufig Aluminiumkolben eingesetzt. Ferner kann die Unterseite des Kolbens mit Öl angespritzt werden, und es können Kühlkanäle in den Kolben eingebracht werden, die mit Öl geflutet werden.
- Im Stand der Technik wurde auch vorgeschlagen solche Kühlkanäle geschlossen auszuführen und mit einem Kühlmittel zu füllen. So wird in
DE 10 2011 111 319 A1 ein Stahlkolben beschrieben, der zusätzlich zu den üblichen offenen Kühlkanälen unterhalb des Kolbenbodens einen Hohlraum aufweist. Dieser Hohlraum enthält ein Kühlmittel in Form eines niedrig schmelzenden Metalls oder einer niedrig schmelzenden Metalllegierung.DE 10 2012 014 194 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens. Als Kühlmittel werden niedrigschmelzende Bismut-Legierungen, Natrium und/oder Kalium und Legierungssysteme aus Gallium, Indium und Zinn genannt. - Die Verwendung von Natrium und/oder Kalium ist jedoch aufgrund deren hohen Reaktivität bei Anwesenheit von Luft und/oder Wasser problematisch. Insbesondere sind aufwendige Maßnahmen notwendig, um während der Fertigung oder bei der Öffnung des Motors während einer Reparatur, einem Unfall oder der Verwertung eine Entzündung des Metalls zu vermeiden.
- Aus diesem Grund sind Legierungssysteme aus Gallium, Indium und Zinn vorzuziehen. Von diesen ist jedoch bekannt, dass sie Aluminium lösen. Daher können sie derzeit nicht für Aluminiumkolben eingesetzt werden.
- Vor diesem Hintergrund stellt sich das Problem einen Kolben bereitzustellen, der eine effektive Kühlung ermöglicht ohne dass Gefahrstoffe eingesetzt werden müssen.
-
DE 10 2012 216 929 A1 beschreibt eine Motorkomponente für einen Verbrennungsmotor, die entweder durch einen ölnebelhaltigen Luftstrom oder zumindest teilweise mit Öl beaufschlagt ist und zu Ölkohleanhaftungen neigt. Diese Motorkomponente, beispielsweise ein Ventil, besteht aus einem Grundmaterial, insbesondere Stahl. Zumindest ein Bereich der Motorkomponente weist eine thermooxidationshemmende Schutzschicht auf, deren katalytisches Reaktionsvermögen kleiner ist als dasjenige des Grundmaterials. Als geeignete Materialien für die Schutzschicht werden Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Bortrioxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Titandioxid und Zinkoxid genannt. - Figurenliste
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1 zeigt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Aluminiumkolben mit dem Hohlraum zur Aufnahme des Kühlmittels. - Darstellung der Erfindung
- Diese Aufgabe lässt sich überraschenderweise lösen, in dem die Innenfläche des Hohlraums zur Aufnahme des Kühlmittels mit einer SiO2-Beschichtung versehen wird, um so den Einsatz von Legierungssystemen aus Gallium, Indium und Zinn bei Aluminiumkolben zu ermöglichen. Folglich wird erfindungsgemäß ein Aluminiumkolben bereitgestellt, der einen Hohlraum zur Aufnahme eines Kühlmittels aufweist, wobei die Innenfläche des Hohlraum mit einer SiO2-Beschichtung versehen ist und der Hohlraum als Kühlmittel eine eutektische Mischung umfassend Gallium, Indium und Zinn als Kühlmittel enthält.
-
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Aluminiumkolben 1 mit einem Hohlraum 2, der an der Innenfläche mit einer Beschichtung 3 versehen ist und das Kühlmittel 4 aufnimmt. - Im Rahmen der Erfindung bezeichnet der Begriff „eutektische Mischung“ eine Mischung bzw. Legierung deren Schmelzpunkt niedriger liegt als die Schmelzpunkte der einzelnen Metalle. Bevorzugt wird eine Mischung mit einem Schmelzpunkt von ≤ 20°C eingesetzt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Mischung bei Raumtemperatur flüssig ist, so dass zu jedem Zeitpunkt des Motorbetriebs eine zufriedenstellende Wärmeabfuhr gewährleistet ist.
- Bevorzugt werden eutektische Mischungen eingesetzt. Insbesondere kann eine Mischung aus 68 bis 69 Gew.-% Gallium, 21 bis 22 Gew.-% Indium und 9,5 bis 10,5 Gew.-% Zinn verwendet werden (Schmelzpunkt: -19,5°C). Daneben können auch eine Mischung aus 62 Gew.-% Gallium, 22 Gew.-% Indium und 16 Gew.-% Zinn (Schmelzpunkt: 10,7°C) oder eine Mischung aus 68,5 Gew.-% Gallium, 21,5 Gew.-% Indium und 10 Gew.-% Zinn (Schmelzpunkt: 11 °C) verwendet werden. Diese eutektischen Mischungen sind als Galinstan® bekannt. Selbstverständlich können die oben genannten Mischungen unvermeidbare Verunreinigungen enthalten.
- Diese Legierungen, die sich aufgrund ihrer guten thermischen Leitfähigkeit und geringen Reaktivität mit Luft bzw. Wasser als gutes Kühlmittel erwiesen haben, lassen sich für Aluminiumkolben einsetzen, wenn auf der Innenseite des Hohlraums eine Passivierungsschicht aufgebracht wird.
- Überraschenderweise verhindert eine SiO2-Beschichtung als Passivierungsmittel die Lösung von Aluminium in der als Kühlmittel eingesetzten eutektischen Mischung, ohne dabei die thermische Leitfähigkeit des Kolbens zu beeinträchtigen. Erfindungsgemäß wird die Innenfläche des Hohlraums zumindest teilweise, bevorzugt vollständig mit der SiO2-Beschichtung versehen.
- Geeignete SiO2-Beschichtungen lassen sich beispielsweise mittels CVD (chemical vapor deposition) auf die Innenfläche des Hohlraums aufbringen. Bevorzugt hat die SiO2-Beschichtung eine Schichtdicke von ≤ 1 µm, insbesondere von 100 nm bis 400 nm.
- Gegebenenfalls kann die Innenfläche des Hohlraums noch weitere Beschichtungen aufweisen. Beispielsweise kann eine Beschichtung eingesetzt werden, die die Haftung von SiO2 auf dem Kolbenmaterial (Aluminium) verbessert.
- Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Kolben neben dem erfindungsgemäßen Hohlraum zur Aufnahme eines Kühlmittels auch noch weitere Ausgestaltungen aufweisen, die die Abfuhr der thermischen Energie verbessern oder die Erwärmung des Kolbens verringern. Geeignet sind beispielsweise offene, von Öl durchflutete Kühlkanäle und Beschichtungen im Bereich der Kolbenmulde.
- Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung der Abfuhr der thermischen Energie aus einem Aluminiumkolben, in dem als Kühlmittel die oben beschriebene eutektische Mischung eingesetzt wird und das Kühlmittel in einen Hohlraum eingebracht ist/wird, dessen Innenfläche mit der oben beschriebenen SiO2-Beschichtung versehen ist.
Claims (7)
- Aluminiumkolben (1), insbesondere Aluminiumkolben (1) für einen Verbrennungsmotor, der einen Hohlraum (2) zur Aufnahme eines Kühlmittels (4) aufweist, wobei die Innenfläche des Hohlraums (2) mit einer SiO2-Beschichtung (3) versehen ist und der Hohlraum (2) als Kühlmittel (4) eine eutektische Mischung umfassend Gallium, Indium und Zinn enthält.
- Aluminiumkolben (1) gemäß
Anspruch 1 , wobei die SiO2-Beschichtung (3) eine Schichtdicke von 100 nm bis 400 nm hat. - Aluminiumkolben (1) gemäß
Anspruch 1 oder2 , wobei die SiO2-Beschichtung (3) mittels CVD erhältlich ist. - Aluminiumkolben (1) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis3 , wobei eine der folgenden eutektischen Mischungen eingesetzt wird: - eine Mischung aus 68 bis 69 Gew.-% Gallium, 21 bis 22 Gew.-% Indium und 9,5 bis 10,5 Gew.-% Zinn; - eine Mischung aus 62 Gew.-% Gallium, 22 Gew.-% Indium und 16 Gew.-% Zinn; oder - eine Mischung aus 68,5 Gew.-% Gallium, 21,5 Gew.-% Indium und 10 Gew.-% Zinn. - Verfahren zur Verbesserung der Abfuhr der thermischen Energie aus einem Aluminiumkolben (1), in dem als Kühlmittel (4) eine eutektische Mischung umfassend Gallium, Indium und Zinn eingesetzt wird und das Kühlmittel (4) in einen Hohlraum (2) eingebracht ist/wird, dessen Innenfläche mit einer SiO2-Beschichtung (3) versehen ist.
- Verfahren gemäß
Anspruch 5 , wobei die inAnspruch 2 oder3 definierte SiO2-Beschichtung (3) eingesetzt wird. - Verfahren gemäß
Anspruch 5 oder6 , wobei die inAnspruch 4 definierte eutektische Mischung eingesetzt wird.
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