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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, eine Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens.
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Kolben von Verbrennungskraftmaschinen unterliegen im Betrieb höchsten Belastungen. Insbesondere bei Hochleistungsmotoren ist es derzeit üblich, Aluminiumkolben zu verwenden. Dieser Werkstoff lässt sich leicht und präzise verarbeiten, weist eine gute Wärmeleitfähigkeit auf und ist ausreichend druck- und temperaturfest. Durch die immer höher werdenden spezifischen Leistungen kommen die bekannten Kolben aber zunehmend an ihre Grenzen. Insbesondere im Übergang vom Brennraum (Oberseite des Kolbens) zum Feuersteg hin, also an der Kolbenkante, besteht die Gefahr, dass Verschleißerscheinungen auftreten. Die Kante kann rauer werden bzw. verbrennen und in der Folge ihre ursprüngliche Geometrie verlieren.
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Es besteht daher die Aufgabe, einen Kolben, einen Verbrennungsmotor mit einem derartigen Kolben sowie ein Verfahren anzugeben, wobei ein Kolben geschaffen wird, der bei geringstem Gewicht höchsten Belastungen standhält.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kolben gemäß Anspruch 1 sowie durch einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 11 und ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß ist ein Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einen Hubkolbenmotor, aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung als Kolbenwerkstoff gebildet, wobei der Kolben einen Kolbenboden sowie einen Feuersteg aufweist, wobei der Kolbenboden und der Feuersteg aus dem Kolbenwerkstoff geformt oder gebildet sind, und wobei zumindest der Übergangsbereich zwischen Kolbenboden und Feuersteg durch eine Beschichtung gebildet ist bzw. beschichtet ist, welche mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgebracht ist. Die hohen auftretenden Temperaturen bzw. Drücke führen dazu, dass die Festigkeit des Kolbenwerkstoffs abnimmt. Problematisch ist dies insbesondere im Bereich der Kanten, wie beispielsweise im vorgenannte Übergang bzw. Übergangsbereich vom Brennraum oder Kolbenboden zum Feuersteg. Verbrennungsabgase, Restpartikel, etc. haben durch ihre hohe Kinetik (Gasströmung, Restpartikel im Gas etc.) den Effekt, dass sie insbesondere in Bereichen der vorgenannten Kanten bzw. „Hotspots“ zu Abrasionseffekten führen. In der Folge können Geometrien des Kolbens, wie beispielsweise Kanten, verbrennen, abbrennen oder verrunden bzw. allgemein ihre ursprüngliche Form verlieren. Mit Vorteil ist insbesondere der Übergangsbereich zwischen Kolbenboden und Feuersteg mit der Beschichtung versehen, wodurch derartige Abrasionseffekte wirksam vermieden werden können. Gemäß einer Ausführungsform ist ausschließlich und explizit nur der Übergangsbereich beschichtet. Der Kolben ist sozusagen lokal armiert. Bevorzugt handelt es sich bei dem Leichtmetall bzw. der Leichtmetalllegierung um Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung. In der Folge kann ein äußerst robuster und dennoch leichter Kolben bereitgestellt werden, welcher durch die lokale Beschichtung bzw. Armierung, insbesondere im Übergangsbereich vom Kolbenboden zum Feuersteg, gezielt verstärkt ist.
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Besonders bevorzugt ist die Beschichtung mittels Kaltgasspritzen aufgebracht. Das Kaltgasspritzen ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem der Beschichtungswerkstoff, vorliegend bevorzugt eine Pulvermischung, in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf ein Trägermaterial oder Substrat aufgebracht wird. Als vorteilhaft zu erwähnen ist hierbei insbesondere der geringe Wärmeeintrag aufgrund der niedrigen Prozesstemperaturen.
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Weitere bevorzugte Beschichtungsverfahren sind Lichtbogendrahtspritzen, Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Detonationsspritzen oder Laserspritzen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Werkstoff der Beschichtung Eisen oder Eisenbasislegierungen bzw. ist der Werkstoff der Beschichtung Eisen oder eine Eisenbasislegierung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird zum Kaltgasspritzen eine Pulvermischung aus 316L, Kupfer und MoNiCrO verwendet. Die Anteile der Werkstoff (in der Pulvermischung), in Gewichtsprozent, sind dabei gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wie folgt: 316L: 50 Gewichtsprozent, Kupfer: 10 Gewichtsprozent, MoNiCrO: 40 Gewichtsprozent..
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Thermische Spritzverfahren haben allgemein den Vorteil, dass der Kolbenwerkstoff an sich beim Beschichten nicht oder nur äußerst gering erwärmt wird. Beim Auftreffen des Beschichtungswerkstoffs auf den Kolbenwerkstoff wird die kinetische Energie des Beschichtungswerkstoffs in Wärme umgewandelt und es kommt ggf. zu einem Aufschmelzen des Beschichtungswerkstoffs bzw. der Partikel des Beschichtungswerkstoffs. Durch die hohe Geschwindigkeit kommt es zudem zu einem Eindengeln, Eingraben bzw. einem Verklammern des Beschichtungswerkstoffs mit der Kolbenoberfläche, was in einer sehr guten Haftung der Beschichtung resultiert.
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Das Kaltgasspritzen ist vorliegend besonders vorteilhaft, da hier die Prozesstemperaturen am geringsten sind. Bevorzugt wird das Kaltgasverfahren derart geführt, dass die Pulvermischung beim Auftreffen nicht aufschmilzt oder anschmilzt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Übergangsbereich eine Kante oder Fase. Die Kante oder Fase bzw. der Übergangsbereich als solcher kann ringförmig, insbesondere kreisringförmig, verlaufen. Abhängig von der Geometrie des Kolbenbodens kann der Verlauf von der vorgenannten Form allerdings auch abweichen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Ventiltaschen des Kolbens bis in den Übergangsbereich hineinragen bzw. der Kolbenboden eine nicht im Wesentlichen ebene Geometrie aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich der Übergangsbereich beschichtet.
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Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich die Beschichtung ausgehend vom Übergangsbereich in den Feuersteg hinein.
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Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich die Beschichtung ausgehend vom Übergangsbereich in den Kolbenboden hinein.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Beschichtung einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel auf, wobei sich der erste Schenkel in den Kolbenboden hinein erstreckt und der zweite Schenkel in den Feuersteg hinein. Im Querschnitt weist eine derartige Beschichtung in etwa eine L-Form auf.
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Gemäß einer Ausführungsform nimmt eine Dicke der Beschichtung vom Übergangsbereich aus gesehen ab. Dem liegt die Idee zugrunde, dass auch die auftretenden Temperaturen am Übergangsbereich am höchsten sind und somit dort die Beschichtung am größten sein muss.
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Ist nur die Kante als solche beschichtet oder die Fase, weist die Beschichtung im Querschnitt zweckmäßigerweise eine Dreiecksform auf bzw. im Wesentlichen eine Dreiecksform.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Kolben zumindest eine Ventiltasche, und wobei ein Rand oder eine Kante, gemäß einer Ausführungsform exakt bzw. ausschließlich der Rand oder die Kante, der Ventiltasche zumindest bereichsweise die Beschichtung aufweist. Gemäß einer typischen Ausführungsform weist der Kolben zwei Einlassventiltaschen auf und zwei Auslassventiltaschen auf, wobei die Ränder oder Kanten der Ventiltaschen ganz oder zumindest teilweise mit der Beschichtung versehen sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der Kolbenboden und der Feuersteg vollflächig beschichtet.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Kolben im Bereich der Beschichtung bzw. unterhalb dieser eine oder mehrere Aussparungen auf, wobei die Aussparung(en) insbesondere mechanisch eingebracht sind. Alternativ oder zusätzlich können die Aussparungen auch bereits während der Herstellung des Kolbens, beispielsweise im Gussverfahren, ausgebildet werden. Grundsätzlich dienen die Aussparungen dazu, Taschen oder dergleichen zu formen, welche mit dem Beschichtungswerkstoff aufgefüllt werden, wodurch der Materialauftrag durch die Beschichtung kompensiert werden kann.
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Zweckmäßigerweise werden zumindest der oder die beschichteten Bereiche des Kolbens nachbearbeitet, beispielsweise insbesondere mechanisch nachbearbeitet, um eine Zielgeometrie einzustellen bzw. einzuhalten.
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Die Erfindung richtet sich auch auf eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere auf einen Hubkolbenmotor, umfassend zumindest einen erfindungsgemäßen Kolben. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Kolben bzw. der Verbrennungskraftmaschine um einen Kolben bzw. eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, wie beispielsweise einen Personenkraftwagen, ein Nutzfahrzeug oder ein Kraftrad, wobei diese Aufzählung nicht abschließend zu verstehen ist. Durch das geringe Gewicht des Kolbens sowie dessen Verschleißbeständigkeit ist ein derartiger Kolben insbesondere auch für den Rennsport geeignet. Einschränkungen hinsichtlich der Motorbauform, sei es Reihenmotor, V-Motor, Boxermotor etc. gibt es nicht.
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Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Kolbens aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, wobei der Kolben einen Kolbenboden aufweist, umfassend eine oder mehrere Kanten oder Flächenübergänge;
- - Zumindest teilweise, bevorzugt vollständiges, thermisches Beschichten entlang der Kanten bzw. der Kanten und/oder Flächenübergänge.
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Eine Kante ist beispielsweise die Kante im Übergangsbereich vom Feuersteg zum Kolbenboden. Eine Kante kann auch durch eine Ventiltasche gebildet sein. Weitere Kanten oder Flächenübergänge können dadurch gebildet sein, dass der Kolbenboden zumindest teilweise schräg oder geneigt ausgebildet ist. Eine Kante zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie linienförmig oder im Wesentlichen linienförmig verläuft. Entsprechend wird mit Vorteil auch linienförmig beschichtet. Die Kante oder Kanten werden sozusagen, ein- oder mehrfach, mit der Beschichtungsvorrichtung zum Zwecke der Beschichtung abgefahren. Mit Vorteil werden so gezielt die „exponierten“ Geometrien, an welchen im Betrieb oftmals die höchsten Temperaturen auftreten, beschichtet. Zweckmäßigerweise wird der Kolben vorliegend gezielt bzw. lokal beschichtet und somit lokal verstärkt bzw. „armiert“. Damit kann, anders als bei einer flächigen Beschichtung, das Gewicht des Kolbens gering gehalten werden. Mit Vorteil wird die Beschichtung nur dort aufgebracht, wo Temperaturspitzen auftreten, wobei dies insbesondere die Kanten- und Flächenübergänge sind. Diese werden durch das vorgeschlagene Verfahren gezielt verstärkt und behalten ihre ursprüngliche Geometrie, sind also mit Vorteil gegen Abrasionserscheinungen geschützt.
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Im Übrigen gelten für das Verfahren die im Zusammenhang mit dem Kolben erwähnten Vorteile und Merkmale analog und entsprechend sowie umgekehrt. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen von Kolben mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Seitenansicht eines Kolbens mit einer Beschichtung sowie eine Detailansicht;
- 2: eine Draufsicht auf den Kolben aus 1;
- 3: eine weitere Detailansicht eines Kolbens im Übergangsbereich vom Feuersteg zum Kolbenboden.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung, von der Seite gesehen, einen Kolben 10 mit einer Kolbenbolzenöffnung 60. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen (schematisch dargestellten) Aluminiumkolben. Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Kolbenboden, Bezugszeichen 14 einen Feuersteg. Zwischen dem Kolbenboden 12 und dem Feuersteg 14 ist ein Übergangsbereich 20 gebildet. Unterhalb des Feuerstegs 14 sind Ringstege 18 ausgebildet. Zur lokalen Verstärkung bzw. Armierung ist der Kolben 10 im Übergangsbereich 20 mit einer Beschichtung 40 versehen. Die Beschichtung 40 ist dabei derart ausgebildet, dass sie sich auch in den Kolbenboden 12 sowie in den Feuersteg 14 hinein erstreckt, wobei diesbezüglich auf die Detailansicht A in der rechten Bildhälfte verwiesen wird. Dort ist der obere Bereich des Kolbens 10 geschnitten dargestellt. Insbesondere ist eine Kante 16 des Kolbens 10 beschichtet. Zu erkennen ist, dass die Beschichtung 40 derart ausgebildet ist, dass sie einen ersten Schenkel 41 und einen zweiten Schenkel 42 aufweist. Die Beschichtung 40 weist im Querschnitt also in etwa eine L-Form auf. Es hat sich herausgestellt, dass gerade im Übergangsbereich zwischen dem Kolbenboden 12 und dem Feuersteg 14 sehr große Temperaturbelastungen auftreten, welche dazu führen, dass in Folge von abrasiven Effekten die ursprüngliche Kolbenform verrundet, aufgelöst oder zerstört wird. Durch die gezielte, lokale Beschichtung kann dies wirkungsvoll vermieden werden, wobei durch den geringen Materialauftrag beim Beschichten das Kolbengewicht an sich auf einem Minimum gehalten werden kann. Die Schenkel 41 und 42 sind vorliegend beispielhaft sehr groß skizziert. Grundsätzlich wird versucht, sehr gezielt, insbesondere thermisch, zu beschichten und in der Folge den Kolben lokal zu armieren. Bevorzugt sind die Beschichtungen daher nicht flächig aufgebracht, sondern linienförmig. Alternativ kann aber der komplette Kolbenboden 12 beschichtet sein
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2 zeigt den aus der 1 bekannten Kolben in einer Draufsicht auf den Kolbenboden 12 gesehen. Zu erkennen ist, dass die Beschichtung 40 bzw. dessen erster Schenkel 41 eine kreisringförmige Form aufweist, Insbesondere ist zu erkennen, dass der Kolbenboden 12 nicht vollflächig beschichtet ist, sondern nur an den kritischen Bereichen. Der hier skizzierte Kolbenboden 12 ist komplett eben bzw. flach. Mit Vorteil sind auch die Kanten oder Flächenübergänge, welche durch Ventiltaschen gebildet werden bzw. durch eine gerade nicht ebene oder flache Kolbenbodenform, beschichtet. Der in der Draufsicht zu erkennende Kolbenboden 12 kann gemäß einer Ausführungsform auch vollflächig beschichtet sein.
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3 zeigt eine weitere Detailansicht eines Übergangsbereichs 20, insbesondere einer Kante 16, zwischen einem Kolbenboden 12 und einem Feuersteg 14. Eine Beschichtung 40 weist in dieser Ausführungsform in etwa eine Dreiecksform auf. In dieser Ausführungsform ist explizit nur die Kante 16 (im Übergangsbereich zwischen Kolbenboden 12 und Feuersteg 14) durch eine linienförmige Beschichtung gebildet. Gemäß einer Ausführungsform ist neben der Kante 16 auch der Kolbenboden 12, beispielsweise vollständig oder vollflächig, beschichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kolben
- 12
- Kolbenboden
- 14
- Feuersteg
- 16
- Kante, Fase
- 18
- Ringstege
- 20
- Übergangsbereich
- 40
- Beschichtung, beschichteter Bereich
- 41
- erster Schenkel
- 42
- zweiter Schenkel
- 60
- Kolbenbolzenöffnung
- A
- Detail
