DE102020209624A1

DE102020209624A1 - Pistons and gudgeon pins and method of manufacture and internal combustion engine with such a piston and/or gudgeon pin

Info

Publication number: DE102020209624A1
Application number: DE102020209624.4A
Authority: DE
Inventors: Margrit Dannenfeldt; Dominik Prenzel
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2022-02-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor in welchem der Kolben entlang einer Zylinderinnenfläche gleitet, wobei der Kolbenschaft (14) eine DLC-Beschichtung (18) aufweist und in dieser DLC-Beschichtung Vertiefungen (20) vorgesehen sind, die so angeordnet sind, dass ein Abstand S zwischen je zwei benachbarten Vertiefungen (20) entlang der Axialrichtung (A) des Kolbens und die Erstreckung L der Vertiefungen (20) entlang der Axialrichtung (A) des Kolbens der Formel S > 2 L genügen. Ferner umfasst sind ein Kolbenbolzen mit ähnlich ausgestalteter DLC-Beschichtung, ein Verbrennungsmotor mit einem solchen Kolben und/oder Kolbenbolzen und ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens und Kolbenbolzens für einen Verbrennungsmotor.The present invention relates to pistons (10) for an internal combustion engine in which the piston slides along an inner cylinder surface, the piston skirt (14) having a DLC coating (18) and depressions (20) being provided in this DLC coating and arranged in this way are that a distance S between each two adjacent depressions (20) along the axial direction (A) of the piston and the extension L of the depressions (20) along the axial direction (A) of the piston satisfy the formula S>2L. Also included are a piston pin with a similarly configured DLC coating, an internal combustion engine with such a piston and/or piston pin, and a method for producing a piston and piston pin for an internal combustion engine.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben oder Kolbenbolzen zur Verwendung in Verbrennungsmotoren und den Verbrennungsmotor mit Kolben und/oder Kolbenbolzen selbst. Sie betrifft ferner Verfahren zur Herstellung solcher Kolben und Kolbenbolzen.The present invention relates to a piston or piston pin for use in internal combustion engines and to the internal combustion engine with piston and/or piston pin itself. It also relates to methods of manufacturing such pistons and piston pins.

Stand der TechnikState of the art

Kolben werden in Verbrennungsmotoren verwendet, um über eine Kurbelwelle ein Kraftfahrzeug anzutreiben. Die Kolben bewegen sich innerhalb des Zylinders des Verbrennungsmotors auf und ab und werden durch die Wände des Zylinders geführt.Pistons are used in internal combustion engines to drive a motor vehicle via a crankshaft. The pistons move up and down within the cylinder of the internal combustion engine and are guided by the walls of the cylinder.

Durch das Anliegen der Kolben an diesen Wänden gibt es zwischen dem Kolben und den Wänden Reibung. Diese führt zu Verschleiß und Energieverlusten. Aus diesen Gründen wird der Kolben durch Öl geschmiert und werden die Kolbenoberflächen, die mit dem Zylinder und dessen Zylinderinnenflächen in Kontakt stehen, mit reibungsreduzierenden Beschichtungen versehen. Beispiele solcher Beschichtungen sind zum Beispiel in der DE 10 2005 057 754 B4 beschrieben.With the pistons abutting these walls, there is friction between the piston and the walls. This leads to wear and energy losses. For these reasons, the piston is lubricated by oil and the piston surfaces in contact with the cylinder and its inner cylinder surfaces are provided with friction-reducing coatings. Examples of such coatings are, for example, in DE 10 2005 057 754 B4 described.

Durch eine entsprechende Reibungsreduzierung soll die Abgasmenge des Fahrzeugs, hier vor allem Kohlendioxid, reduziert werden und sollen auch andere, zumeist regulatorische Vorgaben erfüllt werden. Als weitere Maßnahmen zur Reibungsreduzierung kommen unter anderem ein Einsatz von reibungsärmeren Beschichtungen und der Einsatz eines Öls mit geringerer Viskosität in Frage. Auch sind, wie zum Beispiel in der DE 10 2005 057754 B4 beschrieben, Lösungen bekannt, bei denen eine Reibungsreduzierung durch das Aufbringen einer gemusterten Beschichtung erzielt werden soll. Als Muster sind Punkte, Zickzack-Profile und V-Profile bekannt.A corresponding reduction in friction is intended to reduce the amount of exhaust gas from the vehicle, in this case primarily carbon dioxide, and also to meet other, mostly regulatory, requirements. Other measures to reduce friction include the use of low-friction coatings and the use of a lower-viscosity oil. Also are, such as in the DE 10 2005 057754 B4 described, known solutions in which a reduction in friction is to be achieved by the application of a patterned coating. Dots, zigzag profiles and V-profiles are known as patterns.

Ein weiterer Aspekt und Weg zur Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren ist die Reduzierung von Reibungsphänomenen bei anderen Motorkomponenten, beispielsweise der Kolbenbaugruppe. Denkbar ist hier die tribologische Optimierung der Baugruppe Kolben, Kolbenbolzen und Pleuel insbesondere mit Hinblick auf die Reibung zwischen Kolbenbolzen und dessen Reibpartnern. Dieser Aspekt ist auch Teil der vorliegenden Erfindung und Offenbarung.Another aspect and way to increase the efficiency of internal combustion engines is to reduce friction phenomena in other engine components, such as the piston assembly. The tribological optimization of the piston, piston pin and connecting rod assembly is conceivable here, particularly with regard to the friction between the piston pin and its friction partners. This aspect is also part of the present invention and disclosure.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Den Erfindern ist jedoch aufgefallen, dass obige Lösungen noch weiter optimiert werden können, was die Reibungsreduzierung angeht.However, the inventors noticed that the above solutions can be further optimized as far as reducing friction is concerned.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Reibung der Kolben im Zylinder zu reduzieren. Die Erfindung wird durch den Kolben nach Patentanspruch 1 und die nebengeordneten Patentansprüche definiert. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.The present invention aims to reduce the friction of the pistons in the cylinder. The invention is defined by the piston according to patent claim 1 and the independent patent claims. Preferred embodiments are defined in the dependent claims.

Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Kolben um einen Kolben zur Verwendung in Verbrennungsmotoren. Insbesondere kann es sich um Kolben zur Verwendung in Diesel-, aber auch Benzinmotoren handeln. Diese Kolben können aus Stahl oder Aluminiumlegierungen bestehen. Es sind jedoch auch andere Materialien denkbar.According to the invention, the piston is a piston for use in internal combustion engines. In particular, it can be a matter of pistons for use in diesel engines, but also in gasoline engines. These pistons can be made of steel or aluminum alloys. However, other materials are also conceivable.

Der Kolben selbst ist von konventioneller Gestalt und weist entsprechend einen Kolbenboden auf. Dieser Kolbenboden weist oft eine Brennraummulde auf und liegt bei Verwendung dem Brennraum des Zylinders gegenüber. Auf diesen Kolbenboden wird im Motor bei der Verbrennung eine Kraft ausgeübt, die den Kolben in eine Richtung drückt, die nach außen gerichtet ist. An den Kolbenboden schließt sich ein Kolbenschaft, auch als Kolbenhemd bezeichnet, an. Der Kolbenschaft weist zumindest in Teilen ballige Flächen auf, die bei Verwendung des Kolbens an der Zylinderinnenwand entlanglaufen. Diese Flächen weichen bezüglich einer Zylinderfläche an den Randflächen der Kontaktfläche zurück. Diese balligen Flächen bilden die Druckwände bzw. Gegendruckwände und werden auch als Schaftwände bezeichnet. Der Kolbenschaft weist auch Kastenwände auf, die Bolzennaben zur Aufnahme von Kolbenbolzen aufweisen. Die balligen Flächen liegen bei Verwendung an der Zylinderwand des Verbrennungsmotors an und laufen daran entlang.The piston itself is of conventional design and correspondingly has a piston crown. This piston crown often has a combustion bowl and, in use, faces the combustion chamber of the cylinder. During combustion, a force is exerted on this piston head in the engine, which pushes the piston in an outward direction. A piston skirt, also referred to as a piston skirt, connects to the piston head. At least in parts, the piston skirt has convex surfaces which run along the inner wall of the cylinder when the piston is in use. These surfaces recede in relation to a cylinder surface at the edge surfaces of the contact surface. These convex surfaces form the pressure walls or counter-pressure walls and are also referred to as skirt walls. The piston skirt also has box walls that have pin bosses for receiving wrist pins. When in use, the convex surfaces lie against the cylinder wall of the internal combustion engine and run along it.

Der Kolbenschaft bzw. die balligen Flächen (bzw. die Schaftwände) weisen erfindungsgemäß eine DLC-Beschichtung (= „Diamond Like Carbon“) aus diamantähnlichem Kohlenstoff auf. Diese reibungsreduzierende Beschichtung zeigt im Zusammenspiel mit der Zylinderwand weniger Reibung als das unbeschichtete Kolbengrundmaterial. Im Rahmen der Erfindung ist es umfasst, dass der Kolbenschaft bzw. die balligen Flächen nur teilweise oder komplett oder nur einige oder alle der Flächen mit einer DLC-Beschichtung versehen sind. Die DLC-Beschichtung muss aber zumindest in dem Maße und örtlich so vorgesehen sein, dass die gewünschten technischen Effekte signifikant und nachweisbar sind. Diese funktionale und strukturierte DLC-Beschichtung wechselwirkt mit dem Reibungspartner (Zylinderinnenwand) und definiert das tribologische Verhalten des Kolbens maßgeblich.According to the invention, the piston skirt or the convex surfaces (or the skirt walls) have a DLC coating (= “Diamond Like Carbon”) made of diamond-like carbon. In interaction with the cylinder wall, this friction-reducing coating exhibits less friction than the uncoated piston base material. The scope of the invention includes that the piston skirt or the crowned surfaces are only partially or completely or only some or all of the surfaces provided with a DLC coating. However, the DLC coating must be provided at least to the extent and locally so that the desired technical effects are significant and verifiable. This functional and structured DLC coating interacts with the friction partner (cylinder inner wall) and significantly defines the tribological behavior of the piston.

In der DLC-Beschichtung sind erfindungsgemäß funktionale Vertiefungen bevorzugt in Form eines flächigen regelmäßigen oder unregelmäßigen Vertiefungsmusters vorgesehen. Die DLC-Beschichtung wird also durch die Vertiefungen bzw. das Vertiefungsmuster strukturiert und dadurch mit zusätzlicher Funktionalität und Vorteilen versehen. Hinsichtlich der möglichen Ausgestaltung und Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vertiefungen und des Vertiefungsmusters wird auf die Offenbarung in der Patentanmeldung DE 10 2019 219 445.1 Bezug genommen und deren diesbezügliche Lehren komplett in diese Anmeldung einbezogen. Dementsprechend sind die Vertiefungen so angeordnet, dass der Abstand S zwischen je zwei direkt benachbarten Vertiefungen entlang der Axialrichtung des Kolbens und die Breite L der Vertiefungen entlang der Axialrichtung des Kolbens der Formel S > 2L genügen. Demgemäß ist zwischen zwei zueinander in der Axialrichtung benachbarten Vertiefungen ein Abstand größer und insbesondere größer als zweimal so groß wie die Breite der Vertiefungen. Im Fall von ungleichmäßig ausgebildeten Vertiefungen bezeichnet die Breite L der Vertiefung die maximale Breite der Vertiefung entlang der Axialrichtung. Diese Vertiefungen decken bevorzugt wenigstens 3%, bevorzugt 5 % und stärker bevorzugt wenigstens 10% der Fläche der DLC-Beschichtung ab.According to the invention, functional depressions are preferably provided in the DLC coating in the form of a flat regular or irregular depression pattern. The DLC coating is thus structured by the indentations or the indentation pattern and is thereby provided with additional functionality and advantages. With regard to the possible configuration and properties of the depressions according to the invention and the depression pattern, reference is made to the disclosure in the patent application DE 10 2019 219 445.1 Referenced and their related teachings fully incorporated into this application. Accordingly, the dimples are arranged such that the distance S between any two directly adjacent dimples along the axial direction of the piston and the width L of the dimples along the axial direction of the piston satisfy the formula S>2L. Accordingly, between two indentations adjacent to one another in the axial direction, a distance is greater, and in particular greater than twice the width of the indentations. In the case of unevenly formed pits, the width L of the pit denotes the maximum width of the pit along the axial direction. These depressions preferably cover at least 3%, preferably 5% and more preferably at least 10% of the area of the DLC coating.

In dem erfindungsgemäßen Kolben ist somit in vorteilhafter und synergistischer Weise wirkend am Kolbenschaft eine reibungsmindernde DLC-Beschichtung mit einem darin eingebrachten bzw. vorgesehenen Vertiefungsmuster kombiniert. Es wird angenommen, dass eine derartige Gestaltung der Reibflächen des Kolbenschaftes bzw. des Kolbenhemdes eine deutliche Reibungsersparnis erzielt, die bei der obigen einbezogenen Patentanmeldung mit Siebdruckbemusterung bis zu 20 % betrug. Die erfindungsgemäße gemusterte Kolbenschaftbeschichtung erhöht mit Vorteil das Ölrückhaltevermögen der Beschichtung und senkt die Reibung durch eine zusätzliche Reduzierung der hydrodynamischen Reibung und verbesserte Schmierung.In the piston according to the invention, a friction-reducing DLC coating is thus combined with a depression pattern introduced or provided therein in an advantageous and synergistic manner on the piston skirt. It is assumed that such a design of the friction surfaces of the piston skirt or piston skirt achieves a significant saving in friction, which amounted to up to 20% in the above incorporated patent application with screen-printed samples. The patterned piston skirt coating of the present invention advantageously increases the oil retention of the coating and reduces friction through additional hydrodynamic friction reduction and improved lubrication.

Mit Vorteil weist die DLC-Beschichtung eine ta-C-Beschichtung (= „tetragonal amorphous carbon“) als spezielle Ausprägung/Unterart einer DLC-Beschichtung auf oder besteht daraus oder ist die DLC-Beschichtung selbst. Ta-C repräsentiert gemäß ISO 20523 eine tetraedrische, wasserstofffreie, amorphe Kohlenstoffschicht und besteht überwiegend aus sp³-hybridisierten Bindungen, weshalb deren mechanische Eigenschaften diamantähnlich sind. Der Vorteil einer ta-C-Beschichtung besteht darin, dass diese widerstandsfähiger gegen das häufig eingesetzte Motoröladditiv MoDTP (= „Molybdenum Dithiophosphates“) ist und eine erhöhte Härte aufweist.Advantageously, the DLC coating has a ta-C coating (= "tetragonal amorphous carbon") as a special characteristic/subtype of a DLC coating or consists of it or is the DLC coating itself. According to ISO 20523, Ta-C represents a tetrahedral, hydrogen-free, amorphous carbon layer and consists mainly of sp ³ -hybridized bonds, which is why its mechanical properties are diamond-like. The advantage of a ta-C coating is that it is more resistant to the commonly used engine oil additive MoDTP (= "Molybdenum Dithiophosphates") and has increased hardness.

Den Erfindern ist ferner aufgefallen, dass Kolben mit den entsprechenden obigen Abständen zwischen den Vertiefungen besonders reibungsarm sind, was auf besonders gute Ölrückhalteeigenschaften zurückgeführt wurde (ohne auf diese Theorie beschränkt sein zu wollen). Diese Effekte können nach einer anderen Theorie besonders bei Schlitzen auftreten, da dort die Ölwirbelbildung besonders ausgeprägt ist. Für zunehmend größer werdende Abstände S wird der reibungsreduzierende Effekt weniger ausgeprägt. Besonders bevorzugt wird, dass der Abstand kleiner als 10% der Schafthöhe ist.The inventors also noticed that pistons with the corresponding above distances between the recesses are particularly low in friction, which was attributed to particularly good oil retention properties (without wishing to be limited to this theory). According to another theory, these effects can occur particularly in the case of slits, since the formation of oil vortices is particularly pronounced there. For increasingly larger distances S, the friction-reducing effect becomes less pronounced. It is particularly preferred that the distance is less than 10% of the shaft height.

Die Vertiefungen sind bevorzugt länger als sie breit sind, d.h. E > L. Solche Kolben sind besonders reibungsreduziert. Dadurch, dass die Vertiefungen bevorzugt wenigstens 3%, bevorzugt 5 % und stärker bevorzugt wenigstens 10 % der Fläche der DLC-Beschichtung abdecken, wird sichergestellt, dass diese einen signifikanten Einfluss auf das Ölrückhalteverhalten des Kolbens haben.The indentations are preferably longer than they are wide, i.e. E > L. Such pistons are particularly reduced in friction. The fact that the indentations preferably cover at least 3%, preferably 5% and more preferably at least 10% of the area of the DLC coating ensures that they have a significant influence on the oil retention behavior of the piston.

Die Länge E soll kleiner als die Breite der DLC-Beschichtung E' sein, so dass die Vertiefungen zumindest an einer Seite komplett in der DLC-Beschichtung liegen. Die Vertiefungen sind bevorzugt rundum bzw. allseitig von der jeweiligen Beschichtung umschlossen - anders gesagt umgibt das Material der DLC-Beschichtung vollständig die meistens rechteckigen Vertiefungen. Die Vertiefungen stellen Ausnehmungen und optional Löcher in der DLC-Beschichtung dar. Noch anders ausgedrückt können die Vertiefungen bzw. Löcher als „Inseln“ innerhalb der DLC-Beschichtung angesehen werden. Bevorzugt sind die Vertiefungen daher keine konventionellen Schmierölnuten, die sich üblicherweise in Form langer durchgehender Horizontalnuten in Umfangsrichtung des Kolbenschaftes erstrecken. Dies verhindert ein unerwünschtes Abfließen und Abführen von Öl.The length E should be smaller than the width of the DLC coating E', so that the indentations lie completely in the DLC coating at least on one side. The indentations are preferably surrounded by the respective coating all around or on all sides—in other words, the material of the DLC coating completely surrounds the mostly rectangular indentations. The indentations represent recesses and optionally holes in the DLC coating. To put it another way, the indentations or holes can be viewed as “islands” within the DLC coating. The depressions are therefore preferably not conventional lubricating oil grooves, which usually extend in the circumferential direction of the piston skirt in the form of long, continuous horizontal grooves. This prevents undesired draining and draining of oil.

Bevorzugter sollen sich mehrere Vertiefungen in einer Reihe horizontal nebeneinander (d.h. entlang des Umfangs fluchtend) befinden. Optional werden also Reihen (Ketten) aus kurzen, diskreten Vertiefungen, die sich umfänglich auf der Oberfläche des Kolbenschafts erstrecken, vorgesehen. Die Breite der Stege aus Beschichtungsmaterial zwischen diesen fluchtenden Vertiefungen (d.h. der Abstand entlang des Umfangs zwischen den Vertiefungen) muss größer als 0 sein (z.B. größer als 1µm oder größer als 100 µm).More preferably, multiple indentations should be in a row horizontally adjacent (i.e. circumferentially aligned). Thus, optionally, rows (strings) of short, discrete indentations extending circumferentially on the surface of the piston skirt are provided. The width of the ridges of coating material between these aligned indentations (i.e. the circumferential distance between indentations) must be greater than zero (e.g. greater than 1 µm or greater than 100 µm).

Von Vorteil ist jedoch, dass die Dicke der Stege (d.h. die Schichtdicke der DLC-Beschichtung) gleich der Schichtdicke der Schicht im Bereich des Abstands S ist - anders gesagt hat das Material der DLC-Beschichtung eine im Wesentlichen konstante Dicke über die gesamte DLC-Beschichtung. Diese Dicke des Beschichtungsmaterials beträgt bevorzugt zwischen 0,5 und 10 µm, stärker bevorzugt zwischen 0,7 und 5 µm.However, it is advantageous that the thickness of the ridges (ie the layer thickness of the DLC coating) is equal to the layer thickness of the layer in the area of the distance S - in other words, the material of the DLC coating a substantially constant thickness throughout the DLC coating. This thickness of the coating material is preferably between 0.5 and 10 µm, more preferably between 0.7 and 5 µm.

Bevorzugt wird, dass eine Vertiefung pro 1°-30°, besonders bevorzugt < 10°, Kolbenumfang vorgesehen ist und dass diese Vertiefungen in einer Reihe entlang des Umfangs vorgesehen sind. Die Vertiefungen können auch unterschiedlich lang sein.It is preferred that one indentation is provided per 1°-30°, more preferably <10°, of piston circumference and that these indentations are provided in a row along the circumference. The depressions can also be of different lengths.

In diesem Zusammenhang wird besonders bevorzugt, dass sich die Vertiefungen in höchstens 35 % der Fläche der DLC-Beschichtung erstrecken (d.h. dass die Fläche der Vertiefungen in Bezug auf die Gesamtfläche, die durch die äußere Begrenzung der DLC-Beschichtung umschlossen wird, weniger als 35 % beträgt) und sie bevorzugt im Bereich von 20 % der Gesamtfläche, die durch die äußere Begrenzung der DLC-Beschichtung umschlossen wird, liegt. Dies sollte zu einer signifikanten Reibungsverminderung führen. Die minimale Vertiefungsfläche liegt bei 3%, bevorzugt 5 % der Gesamtfläche, d.h. die Vertiefungen decken mindestens 3% bzw. 5 % der Gesamtfläche der DLC-Beschichtung ab.In this connection it is particularly preferred that the depressions extend in at most 35% of the area of the DLC coating (i.e. that the area of the depressions in relation to the total area enclosed by the perimeter of the DLC coating is less than 35 %) and is preferably in the range of 20% of the total area enclosed by the perimeter of the DLC coating. This should lead to a significant reduction in friction. The minimum depression area is 3%, preferably 5% of the total area, i.e. the depressions cover at least 3% or 5% of the total area of the DLC coating.

Bevorzugt erstrecken sich die Vertiefungen so tief durch die DLC-Beschichtung, dass sie optional das Grundmaterial des Kolbenschaftes oder zumindest weitere Beschichtungen auf dem Grundmaterial erreichen und dass somit ihre Unterseite nicht notwendigerweise durch das Material der DLC-Beschichtung ausgebildet ist. Entsprechend tiefe Vertiefungen stellen damit Löcher bzw. ein Lochmuster in der DLC-Beschichtung dar und sind besonders gute Ölreservoirs und führen daher zu einer guten Schmierung. Die Vertiefungen können aber auch in der Materialdicke der DLC-Schicht enden und somit nur Ausnehmungen darin darstellen. Eine weiter bevorzugte Ausgestaltung ist, dass die DLC-Schicht zuvor in den Kolbenschaft eingebrachte Vertiefungen bedeckt und teilweise ausfüllt. Damit wird ein direkt in das Grundmaterial des Kolbenschaftes eingebrachtes Vertiefungsmuster auf die darüber aufgebrachte DLC-Beschichtung übertragen.The depressions preferably extend so deeply through the DLC coating that they optionally reach the base material of the piston skirt or at least other coatings on the base material and that their underside is therefore not necessarily formed by the material of the DLC coating. Correspondingly deep indentations thus represent holes or a hole pattern in the DLC coating and are particularly good oil reservoirs and therefore lead to good lubrication. However, the indentations can also end in the material thickness of the DLC layer and thus only represent recesses therein. A further preferred embodiment is that the DLC layer covers and partially fills indentations previously made in the piston skirt. In this way, a pattern of indentations made directly in the base material of the piston skirt is transferred to the DLC coating applied above it.

Bevorzugt erstrecken sich die Begrenzungsflächen der Vertiefung(en) schräg bezüglich der DLC-Beschichtung und des Materials der Flächen, an das sie angrenzen. D. h. die Begrenzungsflächen sind nicht vollständig senkrecht, sondern schräg. Insofern schließen sie einen Winkel ungleich 90° mit dem Material der DLC-Beschichtung und dem Material der Flächen ein, an welche sie angrenzen.The boundary surfaces of the depression(s) preferably extend obliquely with respect to the DLC coating and the material of the surfaces to which they adjoin. i.e. the boundary surfaces are not completely vertical, but oblique. In this respect, they enclose an angle that is not equal to 90° with the material of the DLC coating and the material of the surfaces to which they adjoin.

Bevorzugt sind die zueinander in der Axialrichtung benachbarten Vertiefungen entlang der Umfangsrichtung zueinander versetzt. Demgemäß sind die Vertiefungen nicht in der Axialrichtung hintereinander aufgereiht, sondern haben zum Beispiel ihre Mittelpunkte entlang der Umfangsrichtung versetzt. Ein entsprechender Kolben hat bei Verwendung eine besonders niedrige Reibung.The indentations adjacent to one another in the axial direction are preferably offset from one another along the circumferential direction. Accordingly, the indentations are not lined up in the axial direction, but have their centers offset along the circumferential direction, for example. A corresponding piston has a particularly low friction when used.

Durch das Umschlossen sein der Vertiefungen wird dadurch impliziert, dass die Erstreckungslänge zumindest einiger, bevorzugt aller Vertiefungen entlang der Umfangsrichtung kürzer ist als die Erstreckungslänge entlang der Umfangsrichtung der DLC-Beschichtung, in der diese ausgebildet sind. Anders gesagt sind die Vertiefungen so kurz, dass sie sich nicht von einer Seite der Beschichtung zur anderen Seite der DLC-Beschichtung entlang der Umfangsrichtung erstrecken. Da die Vertiefungen somit so kurz sind, dass sie vollständig und allseitig in die DLC-Beschichtung eingebettet sind, können diese als ein Reservoir von Öl dienen, und verringern somit die Reibung des Kolbens signifikant. Somit stellen sie keine üblichen Schmierölnuten dar und es wird verhindert, dass sie als Öldrainage wirken, da das Öl nicht über die Vertiefungen an den Seiten der Beschichtung abfließen kann.The fact that the depressions are enclosed means that the extension length of at least some, preferably all depressions along the circumferential direction is shorter than the extension length along the circumferential direction of the DLC coating in which they are formed. In other words, the pits are so short that they do not extend from one side of the coating to the other side of the DLC coating along the circumferential direction. Since the indentations are so short that they are completely embedded in the DLC coating on all sides, they can serve as a reservoir for oil and thus significantly reduce the friction of the piston. Thus, they are not typical lubricating oil grooves and are prevented from acting as oil drainage as the oil cannot drain through the indentations on the sides of the coating.

Bevorzugt haben die Vertiefungen eine im Wesentlichen rechteckige Form. Die Enden der Vertiefungen in der Umfangsrichtung können auch abgerundet sein. Eine solche Form ist leicht auszubilden. Demgemäß ist entsprechender Kolben kostengünstig herstellbar.The indentations preferably have a substantially rectangular shape. The ends of the recesses in the circumferential direction can also be rounded. Such a shape is easy to form. Accordingly, a corresponding piston can be produced inexpensively.

Bevorzugt haben die Vertiefungen eine Breite L von weniger als 2 mm, bevorzugt im Bereich von 2 bis 400 µm und besonders bevorzugt im Bereich von 50 bis 100 µm. Entsprechend dünne Vertiefungen haben sich als besonders vorteilhaft für das Rückhalteverhalten von Öl herausgestellt, was unter anderem an den Kapillarkräften liegen kann, ohne auf diese Theorie beschränkt zu sein. Die Vertiefungen können auch miniaturisiert vorliegen und geringere Größen als die hier angegebenen Größen sind denkbar.The depressions preferably have a width L of less than 2 mm, preferably in the range from 2 to 400 μm and particularly preferably in the range from 50 to 100 μm. Correspondingly thin indentations have proven to be particularly advantageous for the retention behavior of oil, which can be due to the capillary forces, among other things, without being restricted to this theory. The depressions can also be miniaturized and smaller sizes than the sizes given here are conceivable.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt eines oben beschriebenen Kolbens, erfindungsgemäß, das aufweist:

a) Einbringen von Vertiefungen in den Kolbenschaft und anschießendes Aufbringen einer DLC-Beschichtung zumindest in dem Bereich des Kolbenschafts in welchem die Vertiefungen eingebracht worden sind, oder
b) Aufbringen einer DLC-Beschichtung in einem Bereich des Kolbenschafts und anschließendes Einbringen von Vertiefungen in die aufgebrachte DLC-Beschichtung.

Furthermore, a method for producing a piston for an internal combustion engine, preferably a piston described above, according to the invention, which has:

a) Making indentations in the piston skirt and then applying a DLC coating at least in the area of the piston skirt in which the indentations have been made, or
b) Application of a DLC coating in an area of the piston skirt and subsequent indentations in the applied DLC coating.

Für das Einbringen der Vertiefungen sind verschiedene Methoden denkbar und geeignet, zum Beispiel ECM („Electrochemical Machining“), Laserbearbeitung oder mechanische Bearbeitung. Das Aufbringen der DLC-Schicht erfolgt über konventionelle Methoden, zum Beispiel PVD.Various methods are conceivable and suitable for making the indentations, for example ECM (“Electrochemical Machining”), laser processing or mechanical processing. The DLC layer is applied using conventional methods such as PVD.

Mit Vorteil wird bei dem Verfahren der Kolbenschaft, insbesondere dann, wenn eine ta-C-Beschichtung verwendet wird, vor dem Aufbringen der DLC-Beschichtung glattpoliert und/oder die DLC-Beschichtung nach deren Aufbringen nachpoliert. Nachpolieren ist insbesondere bevorzugt zur Entfernung sog. „Droplets“, die ansonsten unerwünschten Gegenkörperverschleiß am Zylinder verursachen würden. Als Verfahren zum Glätten sind beispielsweise anwendbar: „Bandfinish“ bzw. Bandpolier-Prozesse und Bürsten.In the process, the piston skirt is advantageously polished smooth before the DLC coating is applied and/or the DLC coating is polished after it has been applied, particularly when a ta-C coating is used. Repolishing is particularly preferred to remove so-called "droplets" that would otherwise cause undesirable mating wear on the cylinder. For example, the following processes can be used for smoothing: "Belt finish" or belt polishing processes and brushes.

[Kolbenbolzen][piston pin]

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kolbenbolzen für einen Kolben eines Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 10, der hinsichtlich seiner Reibflächen in ähnlicher Weise ausgestaltet ist, wie der oben beschriebene Kolben und dessen Kolbenschaft. Daraus folgt, dass der Kolbenbolzen auf seiner äußeren Oberfläche eine entsprechend gemusterte DLC-Beschichtung mit Vertiefungen aufweist, die das tribologische Verhalten des Kolbenbolzens deutlich verbessert und die Reibung mit allen in Frage kommenden Reibpartner reduzieren kann. Alle oben beschriebenen prinzipiellen Ausgestaltungen, Effekte und Vorteile der gemusterten DLC-Beschichtung auf einen Kolbenschaft treffen geleichermaßen auf den Kolbenbolzen zu und werden hier deshalb nicht noch einmal vollständig beschrieben.
Konkret wird erfindungsgemäß ein Kolbenbolzen für einen Kolben eines Verbrennungsmotors umfasst, auf dessen Oberfläche eine DLC-Beschichtung zu finden/ausgebildet ist und wobei in dieser DLC-Beschichtung Vertiefungen ausgebildet bzw. vorgesehen sind, die sich entlang der Axialrichtung A' des Kolbenbolzens erstrecken. Die Vertiefungen sind bevorzugt länglicher, weiter bevorzugt rechteckiger Gestalt, wobei deren Hauptachse parallel zur Axialrichtung ist. Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen ist von seiner Grundstruktur her ein konventioneller Kolbenbolzen von zylindrischer Gestalt, und bevorzugt als Hohlzylinder ausgestaltet. Die obige Axialrichtung entspricht der Erstreckung der Zylinderachse und der Haupterstreckungsachse des Kolbenbolzens. Der Kolbenbolzen dient der Verbindung zwischen Kolben und Pleuel im Verbrennungsmotor. Als beschichtete Oberfläche des Kolbenbolzen ist bevorzugt dessen äußere Mantelfläche gemeint, die teilweise oder vollständig mit einer oder mehreren gemusterten DLC-Beschichtungen versehen ist.A further aspect of the present invention is a piston pin for a piston of an internal combustion engine according to claim 10, which is designed in a manner similar to the above-described piston and its piston skirt with regard to its friction surfaces. It follows that the piston pin has a correspondingly patterned DLC coating with depressions on its outer surface, which significantly improves the tribological behavior of the piston pin and can reduce friction with all possible friction partners. All of the above-described basic configurations, effects and advantages of the patterned DLC coating on a piston skirt apply equally to the piston pin and are therefore not described again in full here.
Specifically, the invention includes a piston pin for a piston of an internal combustion engine, on the surface of which a DLC coating is found/formed and in which depressions are formed or provided, which extend along the axial direction A′ of the piston pin. The indentations are preferably elongate, more preferably rectangular in shape, with their main axis being parallel to the axial direction. In terms of its basic structure, the piston pin according to the invention is a conventional piston pin with a cylindrical shape and is preferably designed as a hollow cylinder. The above axial direction corresponds to the extent of the cylinder axis and the main axis of extent of the piston pin. The piston pin is used to connect the piston and connecting rod in the internal combustion engine. The coated surface of the piston pin preferably means its outer lateral surface, which is partially or completely provided with one or more patterned DLC coatings.

Ähnlich wie beim obigen Kolben, können die Vertiefungen so angeordnet sein, dass ein Abstand S zwischen je zwei benachbarten Vertiefungen entlang der Umfangsrichtung und die Erstreckung L der Vertiefungen entlang der Umfangsrichtung des Kolbenbolzens der Formel S > 2 L genügen. Die genannte Umfangsrichtung ist die Richtung entlang der äußeren Mantelfläche des Kolbenbolzens, senkrecht zur Axialrichtung.Similar to the above piston, the dimples may be arranged such that a distance S between every two adjacent dimples along the circumferential direction and the extension L of the dimples along the circumferential direction of the piston pin satisfies the formula S>2L. The circumferential direction mentioned is the direction along the outer lateral surface of the piston pin, perpendicular to the axial direction.

Mit Vorteil ist die DLC-Beschichtung eine ta-C Beschichtung oder weist diese zumindest auf. Wie oben beschrieben, ist dieses Beschichtungsmaterial härter und widerstandsfähiger gegen gewisse Schmieröladditive.The DLC coating is advantageously a ta-C coating or at least has one. As described above, this coating material is harder and more resistant to certain lubricating oil additives.

Bevorzugt sind eine oder mehrere, bevorzugt alle, Vertiefungen von der DLC-Beschichtung, in der sie ausgebildet sind, umschlossen. Die Vertiefungen können sich durch die DLC-Beschichtung hindurch erstrecken, so dass sie das Grundmaterial des Kolbenbolzens erreichen oder sich nicht komplett durch die DLC-Beschichtung erstrecken und im Material der DLC-Beschichtung enden. Mögliche Begrenzungsflächen der Vertiefungen sind bevorzugt schräg bezüglich der DLC-Beschichtung und dem Material der Flächen, an das sie angrenzen. Die Erstreckungslänge E zumindest einiger, bevorzugt aller Vertiefungen entlang der Axialrichtung des Kolbenbolzens ist kürzer als die Erstreckungslänge E` der DLC-Beschichtung entlang der Axialrichtung, in der diese ausgebildet sind. Mit Vorteil sind zueinander in der Umfangsrichtung benachbarte Vertiefungen bzw. Vertiefungsreihen entlang der Axialrichtung des Kolbenbolzens zueinander versetzt, sodass keine durchgehenden Stege zwischen den Vertiefungsreihen gebildet werden. Die Vertiefungen weisen im Allgemeinen eine im Wesentlichen rechteckige Form auf und haben eine Breite L, d.h. Ausdehnung/Erstreckung in Umfangsrichtung des Kolbenbolzens von weniger als 2 mm und bevorzugt im Bereich von 2 bis 400 µm, weiter bevorzugt im Bereich von 50 bis 100 µm.Preferably one or more, preferably all, wells are enclosed by the DLC coating in which they are formed. The dimples may extend through the DLC coating to reach the base material of the piston pin or may not extend completely through the DLC coating and end up in the DLC coating material. Possible boundary surfaces of the depressions are preferably inclined with respect to the DLC coating and the material of the surfaces to which they border. The extension length E of at least some, preferably all, recesses along the axial direction of the piston pin is shorter than the extension length E` of the DLC coating along the axial direction in which they are formed. Advantageously, depressions or rows of depressions that are adjacent to one another in the circumferential direction are offset from one another along the axial direction of the piston pin, so that no continuous webs are formed between the rows of depressions. The recesses are generally substantially rectangular in shape and have a width L, i.e. dimension/extension in the circumferential direction of the gudgeon pin, of less than 2 mm and preferably in the range of 2 to 400 µm, more preferably in the range of 50 to 100 µm.

Wie beim obigen Kolben auch, umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenbolzens für einen Kolben eines Verbrennungsmotors, bevorzugt für den oben beschriebenen Kolbenbolzen.As with the above piston, the present invention includes a method for manufacturing a piston pin for a piston of an internal combustion engine, preferably for the piston pin described above.

Umfasst ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenbolzens für einen Verbrennungsmotor, das die folgenden Schritte aufweist:

a) Einbringen von Vertiefungen in die Oberfläche, bevorzugt die äußere Mantelfläche des Kolbenbolzens und anschließendes Aufbringen einer DLC-Beschichtung zumindest in dem Bereich bzw. den Bereichen des Kolbenbolzens in welchen die Vertiefungen eingebracht worden sind und bevorzugt in den Bereichen, die mit den Bolzenbohrungen des Kolbens und dem Pleuelauge in Kontakt stehen bzw. kommen, oder
b) Aufbringen einer DLC-Beschichtung in einem Bereich der Oberfläche, bevorzugt der äußeren Mantelfläche des Kolbenbolzens und anschließendes Einbringen von Vertiefungen in die aufgebrachte DLC-Beschichtung.

Included is a method for manufacturing a piston pin for an internal combustion engine, which has the following steps:

a) Making indentations in the surface, preferably the outer surface of the piston pin, and then applying a DLC coating at least in the area or areas of the piston pin in which the indentations have been made and preferably in the areas that are or come into contact with the pin bores of the piston and the connecting rod eye, or
b) Application of a DLC coating in a region of the surface, preferably the outer lateral surface of the piston pin and subsequent indentations in the applied DLC coating.

Bevorzugt ist es, dass die Oberfläche des Kolbenbolzens vor dem Aufbringen der DLC-Beschichtung glattpoliert oder geglättet wird und/oder die DLC-Beschichtung nach deren Aufbringen nachpoliert wird. Als mögliche Verfahren zum Glätten sind beispielsweise anwendbar: „Bandfinish“- bzw. Bandpolier-Prozesse und Bürsten.It is preferred that the surface of the piston pin is polished or smoothed prior to the application of the DLC coating and/or the DLC coating is polished after it has been applied. Examples of possible smoothing processes that can be used are: "Belt finish" or belt polishing processes and brushes.

[Verbrennungsmotor][combustion engine]

Ein weiterer und abschließender Bestandteil der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor mit einem Kolben und/oder einem Kolbenbolzen, wie er oben und nachfolgend strukturell und herstellungstechnisch definiert worden ist und in allen beschriebenen Ausführungsformen. Der Kolben oder Kolbenbolzen überträgt ihm sämtlich innewohnenden Vorteile auf den Verbrennungsmotor insgesamt.A further and final component of the invention is an internal combustion engine with a piston and/or a gudgeon pin as has been defined above and below in terms of structure and manufacture and in all the described embodiments. The piston or gudgeon pin transmits all of its inherent benefits to the internal combustion engine as a whole.

Figurenlistecharacter list

1 shows a piston according to the invention according to one embodiment.
2 shows a detailed view of DLC coatings of the piston according to the invention.
3 shows a cross-sectional representation of a recess of an embodiment of the piston according to the invention.
4a) and b) show different variants of a piston according to the invention. 4c ) and 4d) show a piston not according to the invention.
5 shows an exemplary embodiment of the piston pin according to the invention.

Detaillierte Beschreibung der FigurenDetailed description of the figures

Die vorliegenden Figuren zeigen lediglich beispielhafte Ausführungsformen und die vorliegende Erfindung ist folglich nicht auf deren Inhalt und technische Lehren beschränkt.The present figures only show exemplary embodiments and the present invention is therefore not limited to their content and technical teachings.

1 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Kolben hat eine zylindrische Form mit einer Zylinderachse A. An einen Kolbenboden 12 des Kolbens mit Ringnuten 13 schließt sich ein Kolbenschaft bzw. Kolbenhemd 14 an. Der Kolbenschaft 14 weist ballige Flächen 16, welche Schaftwände darstellen, und Kastenwände 17 auf. 1 shows a view of a piston 10 according to the invention according to the first embodiment of the invention. The piston has a cylindrical shape with a cylinder axis A. A piston skirt or piston skirt 14 adjoins a piston crown 12 of the piston with annular grooves 13 . The piston skirt 14 has crowned surfaces 16 which represent skirt walls and box walls 17 .

Die zylindrischen Flächen 16 liegen bei Verwendung des Kolbens an der Zylinderwand des Verbrennungsmotors an und weisen eine reibungsreduzierende DLC-Beschichtung 18 auf. Die DLC-Beschichtung 16 ist optional nur auf einem Teil der balligen Fläche 16 vorgesehen. Die ballige Fläche 16 schließt sich an das Ringfeld mit den Ringnuten 13 des Kolbens an. Die DLC-Beschichtung 18 erstreckt sich entlang des Umfangs des Kolbens über eine Länge E`.When the piston is in use, the cylindrical surfaces 16 bear against the cylinder wall of the internal combustion engine and have a friction-reducing DLC coating 18 . The DLC coating 16 is optionally only provided on part of the crowned surface 16 . The convex surface 16 connects to the annular zone with the annular grooves 13 of the piston. The DLC coating 18 extends along the circumference of the piston for a length E'.

In der DLC-Beschichtung 18 sind rechteckige Vertiefungen 20 vorgesehen, die sich optional komplett durch das Beschichtungsmaterial hindurch erstrecken können, sodass das Grundmaterial des Kolbens durch die Vertiefungen 20 freigelegt wird. Die Vertiefungen können aber auch in der Dicke der DLC-Beschichtung enden oder im Kolbenschaft(grund)material zunächst vorgesehen sein und von der darauf aufgebrachten DLC-Beschichtung überlagert werden. Die Enden der rechteckigen Vertiefungen können abgerundet sein. Mehrere Vertiefungen 20 sind entlang der Umfangsrichtung aufgereiht. Es gibt mehrere solche Reihen aus aufgereihten Vertiefungen 20, die entlang der Umfangsrichtung zueinander versetzt und in Axialrichtung A beabstandet sind, sodass die axial benachbarten Vertiefungen 20 zueinander entlang der Umfangsrichtung versetzt sind. Dadurch gibt es gesehen entlang der Zylinderachse A keine axial verlaufenden, ununterbrochenen Stege, wie diese in 4a zwischen den axialen Vertiefungsreihen erkennbar sind.Rectangular indentations 20 are provided in the DLC coating 18 and can optionally extend completely through the coating material, so that the base material of the piston is exposed through the indentations 20 . However, the indentations can also end in the thickness of the DLC coating or be initially provided in the piston skirt (base) material and be overlaid by the DLC coating applied thereto. The ends of the rectangular indentations may be rounded. A plurality of recesses 20 are lined up along the circumferential direction. There are a plurality of such rows of lined-up indentations 20 offset from one another along the circumferential direction and spaced apart in the axial direction A such that the axially adjacent indentations 20 are offset from one another along the circumferential direction. As a result, viewed along the cylinder axis A, there are no axially running, uninterrupted webs like these in 4a between the axial rows of indentations.

Die Vertiefungen 20 sind weiter im Detail in der 2 dargestellt. Mehrere Vertiefungen 20 sind hier in zwei Reihen dargestellt, die zueinander entlang der Umfangsrichtung des Kolbens 10 versetzt sind. Die Vertiefungen 20 haben eine rechteckige Form in der Draufsicht und haben eine Länge E entlang der Umfangsrichtung und eine Breite L in der Axialrichtung A. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Vertiefungen 20 in der Axialrichtung ist als S definiert. Für den Abstand S gilt S > 2 L.
In 3 ist ein Querschnitt durch eine Vertiefung 20 entlang der Umfangsrichtung gezeigt. Wie aus dieser Figur zu sehen ist, sind die Begrenzungsflächen 17 der Vertiefung bezüglich des Materials der balligen Flächen 16 bzw. des Grundmaterials des Kolbens 10 geneigt und schließen auch einen Winkel bezüglich des Materials der DLC-Beschichtung 18 ein. Die Vertiefung 20 ist unten geschlossen, d.h. die Unterseite der Vertiefung 20 wird durch das Material des Kolbens 16 gebildet und ist geschlossen, so dass sie verhindert, dass Öl nach unten abfließt.The recesses 20 are further detailed in FIG 2 shown. A plurality of depressions 20 are shown here in two rows which are offset from one another along the circumferential direction of the piston 10 . The dimples 20 have a rectangular shape in plan view, and have a length E along the circumferential direction and a width L in the axial direction A. The distance between two adjacent dimples 20 in the axial direction is defined as S . For the distance S, S > 2 L applies.
In 3 a cross section through a depression 20 along the circumferential direction is shown. As can be seen from this figure, the boundary surfaces 17 of the depression are inclined with respect to the material of the crowned surfaces 16 or the base material of the piston 10 and also enclose an angle with respect to the material of the DLC coating 18 . The depression 20 is closed at the bottom, ie the underside of the depression 20 is formed by the material of the piston 16 and is closed so that it prevents oil from draining downwards.

Es ist anzunehmen, dass ein wie in 1-3 dargestellt ausgestalteter Kolben 10 eine deutlich reduzierte Reibung aufweist. Dies liegt daran, dass die Vertiefungen 20 vergleichsweise gute Ölrückhalteeigenschaften haben. Insofern sammelt sich in ihnen Öl an und verringert dann die Reibung. Im Gegensatz zu Vertiefungen, die sich über die gesamte Breite der DLC-Beschichtung erstrecken, sind die Ölrückhalteeigenschaften verbessert, da das Öl nicht abfließen kann. Für das Ölrückhalteverhalten ist es wichtig, dass die Schlitze schmal und tief genug ausgebildet sind. Berechnungen, die dieses Verhalten plausibel machen, sind zum Beispiel in dem Paper von M. Scholle, „Hydrodynamical modelling of lubricant friction between rough surfaces“, Tribology International 40 (2007) 1004 - 1011 beschrieben. It is to be assumed that a as in 1-3 shown configured piston 10 a clear has reduced friction. This is because the dimples 20 have comparatively good oil retention properties. In this respect, oil accumulates in them and then reduces friction. In contrast to indentations that run the full width of the DLC coating, the oil retention properties are improved because the oil cannot drain off. It is important for the oil retention behavior that the slits are narrow and deep enough. Calculations that make this behavior plausible are described, for example, in the paper by M. Scholle, "Hydrodynamical modeling of lubricant friction between rough surfaces", Tribology International 40 (2007) 1004-1011.

4 zeigt in Figuren a) und b) erfindungsgemäße Kolben. Hierbei entspricht 4b) dem Kolben, der bereits in 1 dargestellt ist. Auf diesen Kolben wird somit nicht immer im Detail eingegangen. 4 shows pistons according to the invention in figures a) and b). This corresponds to 4b) the piston that is already in 1 is shown. This piston is therefore not always discussed in detail.

4a) zeigt einen Kolben 10' gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer DLC-Beschichtung 18', in der DLC-Beschichtungen 20' so angeordnet sind, dass benachbarte Vertiefungen 20' entlang der Axialrichtung des Kolbens aufgereiht sind. Ferner befindet sich an der dem Kolbenboden 12' gegenüberliegenden Seite der Beschichtung 18' eine Fläche 19' der DLC-Beschichtung, in der keine Vertiefungen 20' vorgesehen sind. Auch wenn eine solche Anordnung der Vertiefungen 20' im Vergleich zu der ersten Ausführungsform weniger vorteilhaft ist, was das Rückhaltevermögen für Öl angeht, ist ein dementsprechender Kolben im Vergleich zum Stand der Technik in Bezug auf die Ölrückhalteeigenschaften verbessert und weißt somit weniger Reibung auf. 4a) Figure 12 shows a piston 10' according to a second embodiment of the invention having a DLC coating 18' in which DLC coatings 20' are arranged such that adjacent dimples 20' are lined up along the axial direction of the piston. Furthermore, on the side of the coating 18' opposite the piston head 12', there is a surface 19' of the DLC coating in which no depressions 20' are provided. Although such an arrangement of the dimples 20' is less advantageous in terms of oil retaining property compared to the first embodiment, a corresponding piston is improved in terms of oil retaining properties compared to the prior art and thus has less friction.

4c) zeigt einen weiteren Kolben 10", der nicht Teil der Erfindung ist. Auch dieser Kolben 10" hat eine DLC-Beschichtung 18", die Vertiefungen 20" aufweist. Diese Vertiefungen 20" erstrecken sich jedoch entlang der Umfangsrichtung des Kolben 10" über die gesamte Breite der DLC-Beschichtung 18" und sind damit nicht, wie dies die Erfindung verlangt, allseitig umschlossen. In den vorhergehenden Ausführungsformen der 4a) und 4b) erstrecken sich die Vertiefungen 20, 20' jeweils nur über einen Abschnitt der DLC-Beschichtung 18, 18' entlang der Umfangsrichtung, nicht aber über die gesamte Breite der DLC-Beschichtung 18, 18'. Anders ausgedrückt, die Vertiefungen sind kurze Gebilde und nicht sich durchgehend umfänglich oder axial erstreckende Nuten. Dadurch, dass sich die Vertiefungen 20" über die gesamte Breite der DLC-Beschichtung 18" erstrecken, kann Öl aus ihnen abfließen. Dies führt dann zu einer im Vergleich zu Kolben, bei denen die Vertiefungen umschlossen sind, erhöhten Reibung. 4c ) shows another piston 10", which is not part of the invention. This piston 10" also has a DLC coating 18", which has indentations 20". However, these depressions 20" extend along the circumferential direction of the piston 10" over the entire width of the DLC coating 18" and are therefore not enclosed on all sides, as required by the invention. In the preceding embodiments of FIG 4a) and 4b) the depressions 20, 20' each extend only over a section of the DLC coating 18, 18' along the circumferential direction, but not over the entire width of the DLC coating 18, 18'. In other words, the indentations are short formations and not continuous circumferential or axially extending grooves. Because the indentations 20'' extend across the entire width of the DLC coating 18'', oil can drain from them. This then leads to increased friction compared to pistons where the recesses are enclosed.

4d) zeigt einen Kolben 10^III, der nicht erfindungsgemäß ist. Hier sind in einer Beschichtung 18^III im Wesentlichen kreisförmige Vertiefungen 20^III vorgesehen, die in mehreren Reihen entlang der Umfangsrichtung des Kolbens 10^III angeordnet sind und die zueinander entlang der Umfangsrichtung versetzt sind. Die hier gezeigten Vertiefungen 20^III erfüllen nicht das Erfordernis, dass S > 2 L, sondern diese sind zu eng angeordnet. Zudem gilt hier nicht E > L. 4d ) shows a piston 10 ^III not in accordance with the invention. Here, essentially circular depressions 20 ^III are provided in a coating 18 ^III , which are arranged in several rows along the circumferential direction of the piston 10 ^III and which are offset from one another along the circumferential direction. The indentations 20 ^III shown here do not meet the requirement that S > 2 L, but these are arranged too narrowly. In addition, E > L does not apply here.

Die in 4a) bis 4b) gezeigten Beschichtungen 18 bis 18^III können durch übliche DLC-Beschichtungsverfahren hergestellt und aufgebracht werden.In the 4a) until 4b) Coatings 18 to 18 ^III shown can be produced and applied by conventional DLC coating processes.

5 zeigt eine mögliche, nicht-beschränkende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenbolzens. Der Kolbenbolzen 100 ist von üblicher, hohlzylindrischer Gestalt. Auf der äußeren Mantelfläche des Kolbenbolzens, die üblicherweise tribologisch beansprucht wird, ist ein Abschnitt zu finden, auf dem eine DLC-Beschichtung 118 ausgebildet ist. Optional kann auch die gesamte äußere Mantelfläche des Kolbenbolzens beschichtet sein bzw. mehrere beschichtete Abschnitte oder Regionen vorgesehen sein. Innerhalb dieser Beschichtung sind axial, d.h. sich entlang der Axialrichtung A' erstreckende Reihen aus kurzen, diskreten Vertiefungen 120 vorgesehen (nur schematisch angedeutet). Die Vertiefungen sind bevorzugt länglicher Gestalt und erstrecken sich mit deren Hauptachse entlang der Axialrichtung A'. Die Reihen sind in Umfangsrichtung des Kolbenbolzens auf dessen Mantelfläche mit in Umfangsrichtung konstanten oder variierenden Abständen angeordnet und können optional axial zueinander versetzt sein. 5 1 shows a possible non-limiting embodiment of the piston pin according to the invention. The piston pin 100 is of the usual hollow-cylindrical shape. A section on which a DLC coating 118 is formed can be found on the outer lateral surface of the piston pin, which is usually subject to tribological stress. Optionally, the entire outer lateral surface of the piston pin can also be coated or multiple coated sections or regions can be provided. Provided within this coating are rows of short, discrete depressions 120 (only indicated schematically) which extend axially, ie along the axial direction A′. The depressions are preferably elongate in shape and extend with their main axis along the axial direction A'. The rows are arranged in the circumferential direction of the piston pin on its lateral surface with constant or varying distances in the circumferential direction and can optionally be axially offset from one another.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102005057754 B4 [0003, 0004]
DE 102019219445 [0011]

Claims

Piston (10) for an internal combustion engine in which the piston slides along an inner cylinder surface, the piston skirt (14) having a DLC coating (18) and depressions (20) being provided in this DLC coating, which are arranged such that a The distance S between each two adjacent depressions (20) along the axial direction (A) of the piston and the extent L of the depressions (20) along the axial direction (A) of the piston satisfy the formula S>2L.

piston after claim 1 , wherein the DLC coating (18) has or is a ta-C coating.

piston after claim 1 or 2 wherein one or more, preferably all, depressions (20) are enclosed by the DLC coating (18) in which they are formed.

Piston according to one of the preceding claims, wherein the indentations (20) extend through the DLC coating (18) so that they reach the base material of the piston skirt (14) or the indentations do not extend completely through the DLC coating and im Material of the DLC coating ends.

Piston according to one of the preceding claims, in which the boundary surfaces (17) of the recesses (20) extend obliquely with respect to the DLC coating (18) and the material of the surfaces (16) with which they adjoin.

Piston according to one of the preceding claims, wherein the extension length E of at least some, preferably all recesses (20) along the circumferential direction of the piston skirt is shorter than the extension length E' along the circumferential direction of the DLC coating (18) in which they are formed.

A piston according to any one of the preceding claims, wherein indentations (20) adjacent to each other in the axial direction are offset from each other along the circumferential direction of the piston skirt.

A piston according to any one of the preceding claims, wherein the indentations (20) are substantially rectangular in shape.

A piston according to any one of the preceding claims, wherein the indentations (20) have a width L of less than 2mm and preferably in the range 2 to 400 µm, more preferably in the range 50 to 100 µm.

Piston pin (100) for a piston of an internal combustion engine, wherein the piston pin has a DLC coating (118) on its surface and recesses (120) are formed in this DLC coating, which extend along the axial direction (A') of the piston pin.

piston pin after claim 10 , wherein the indentations are arranged such that a distance S between each two adjacent indentations along the circumferential direction and the extent L of the indentations along the circumferential direction of the piston pin satisfy the formula S>2L.

piston pin after claim 10 or 11 , wherein the DLC coating comprises or is a ta-C coating.

Piston pin after one of Claims 10 until 12 wherein one or more, preferably all, wells are enclosed by the DLC coating in which they are formed.

Piston pin according to one of the preceding claims, 10 to 13, wherein the indentations (20) extend through the DLC coating so that they reach the base material of the piston pin or the indentations do not extend completely through the DLC coating and in the material of the DLC coating ends.

Piston pin according to any of the preceding Claims 10 until 14 wherein the boundary surfaces (17) of the recesses extend obliquely with respect to the DLC coating and the material of the surfaces to which they abut.

Piston pin according to any of the preceding Claims 11 until 15 wherein the extension length E of at least some, preferably all dimples along the axial direction (A') of the piston pin is shorter than the extension length E' of the DLC coating along the axial direction (A') in which they are formed.

Piston pin according to any of the preceding Claims 11 until 16 wherein dimples adjacent to each other in the circumferential direction are offset from each other along the axial direction of the piston pin.

Piston pin according to any of the preceding Claims 10 until 17 , the recesses having an elongate, preferably substantially rectangular, shape and optionally having their main axis parallel to the axial direction (A').

Piston pin according to any of the preceding Claims 10 until 18 , wherein the indentations have a width L of less than 2 mm and preferably in the range of 2 to 400 µm, more preferably in the range of 50 to 100 µm.

Internal combustion engine with a piston (10) and/or a piston pin (100) according to one of the preceding claims.

Method for producing a piston for an internal combustion engine, in particular a piston according to one of the preceding Claims 1 until 9 , comprising: a) making indentations in the piston skirt (14) and then applying a DLC coating (18) at least in the area of the piston skirt in which the indentations (14) have been made, or b) applying a DLC coating ( 18) in an area of the piston skirt (14) and subsequent incorporation of depressions (20) in the applied DLC coating (18).

procedure after Claim 21 , in which the piston skirt (14) is polished or smoothed prior to the application of the DLC coating (18) and/or the DLC coating (18) is repolished after it has been applied.

Method for producing a piston pin for an internal combustion engine, in particular a piston pin according to one of the preceding Claims 10 until 19 , comprising: a) making indentations in the surface of the piston pin and then applying a DLC coating (18) at least in the area of the piston pin in which the indentations (14) have been made, or b) applying a DLC coating (18 ) in an area of the surface of the piston pin and subsequent introduction of recesses (20) in the applied DLC coating (18).

procedure after Claim 23 , in which the surface of the piston pin is polished or smoothed prior to the application of the DLC coating (18) and/or the DLC coating (18) is repolished after it has been applied.