DE112012005520T5

DE112012005520T5 - Kolben far Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112012005520T5
Application number: DE112012005520.9T
Authority: DE
Inventors: c/o Honda Engineering Co. Ltd Tsujii Yositaka; c/o Honda Engineering Co. Ltd. Takada Ryotaro
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2032-08-01
Also published as: JPWO2013099341A1; DE112012005520B4; CN104024615B; WO2013099341A1; US20150047498A1; US10174711B2; CN104024615A; JP5789678B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10), der sich reziprok in dem Zylinder eines Verbrennungsmotors bewegt und einen Kolbenschaft (12) aufweist, der in Gleitkontakt mit der Innenwand des Zylinders steht. Feste Schmiermittelteile (30) sind an der Gleitkontaktfläche des Kolbenschafts (12) bereitgestellt. Die festen Schmiermittelteile (30) umfassen wenigstens einen Typ von Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung, und wenigstens einen Typ von Kohlenstoffmaterial oder Karbidkeramiken.

Description

Technisches Feld:
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben, der in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors vor und zurück bewegbar ist.
Technischer Hintergrund:
Automobile bewegen sich fort, indem Räder durch eine Dreh-Antriebskraft zum Drehen gebracht werden, wobei die Dreh-Antriebskraft erzeugt wird, indem eine von einem mit Kraftstoff versorgten Verbrennungsmotor erzeugte Antriebskraft umgewandelt wird. In jüngerer Zeit sind verschiedene Versuche unternommen worden, das Kraftstoffverbrauch-Verhältnis (die Reichweite) von Verbrennungsmotoren solcher Automobile zu verbessern, da das verbesserte Kraftstoffverbrauch-Verhältnis die Menge an verbrauchtem Kraftstoff verringert, wodurch Energie eingespart wird und die globale Umwelt geschützt wird.
Ein solcher Versuch ist auf eine Verringerung eines Widerstands gegen eine Gleitbewegung zwischen den Innenwandflächen von Zylindern (Innenwandflächen von Bohrungen oder Hülsen) des Verbrennungsmotors und den Kolben gerichtet, die sich in den Zylindern vor und zurück bewegen. Wenn ein Widerstand gegen eine Gleitbewegung verringert wird, dann wird es einfacher für die Kolben, sich in den Zylindern vor und zurück zu bewegen. Somit wird die Antriebskraft verringert, die angewendet wird, um die Kolben vor und zurück zu bewegen, was zu einer Verringerung der verbrauchten Kraftstoffmenge führt.
Es ist bekannt, eine Schicht an Innenwandflächen von Zylindern oder Kolbenschäften vorzusehen, die ein Schmierstoff-reiches Material umfasst, um einen Widerstand gegen eine Gleitbewegung zu verringern und die Schmiereigenschaften der Innenwandflächen der Zylinder oder des Kolbenschafts zu verbessern. Beispielsweise hat in der internationalen Veröffentlichung Nr. WO 2011/115152 der vorliegende Anmelder vorgeschlagen, Grate an den Gleitflächen eines Kolbenschafts bereitzustellen und die Grate mit einem Schmierfilm zu bedecken, der aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung besteht.
Wie in der internationalen Veröffentlichung Nr. WO 2011/115152 offenbart ist, wird vorzugsweise eine Zwischenschicht aus einem hitzebeständigen Harzmaterial zwischen dem Film und dem Kolbenschaft eingefügt, so dass der Film mittels der Zwischenschicht fest an dem Kolbenschaft haftet. Spezifische Beispiele des hitzebeständigen Harzmaterials umfassen Polyimid-Harz, Polyamid-Imid-Harz, Epoxyharz, Nylon-6-Harz und Nylon-6,6-Harz etc.
Das Vorliegen des Films an dem Kolben des Verbrennungsmotors wirkt effektiv, um ein Schmiermittel geeignet zwischen der Innenwandfläche des Zylinders, beispielsweise der Innenwandfläche der Hülse und dem Kolbenschaft aufrechtzuerhalten, und Reibungswärme schnell zu verteilen oder abzuführen, so dass der Kolbenschaft und die Innenwandfläche des Zylinders davon abgehalten werden, zusammen zu haften.
Abriss der Erfindung
Fahrzeuge, die in unter rauen Bedingungen gefahren werden, wie beispielsweise Rennwagen oder ähnliches, müssen von hochgradig widerstandsfähigen Verbrennungsmotoren angetrieben werden. Beispielsweise sollte der Kolben zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, wie er in der internationalen Veröffentlichung Nr. 2011/115152 offenbart ist, vorzugsweise den Kolbenschaft und die Innenwandfläche eines Zylinders für eine möglichst lange Zeitspanne davon abhalten, zusammen zu haften.
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor bereitzustellen, der in der Lage ist, die Innenwandfläche eines Zylinders und einen Kolbenschaft daran zu hindern zusammen zu haften, und der einen festen Schmierstoff umfasst, der weniger empfindlich gegen Verschleiß ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Kolben zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor bereitgestellt, welcher in einem Zylinder des Verbrennungsmotors vor und zurück bewegbar ist und einen Kolbenschaft umfasst, welcher in Gleitkontakt mit einer Innenwandfläche des Zylinders steht, umfassend:
ein festes Schmiermittel, welches an einer Gleitfläche des Kolbenschafts angeordnet ist,
wobei das feste Schmiermittel wenigstens eines aus Silber, Silberlegierung, Kupfer und Kupferlegierung und wenigstens eines aus einem Kohlenstoffmaterial und Karbidkeramiken umfasst. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff „Karbid” die Bedeutung eines Carbonitrids, das carbonisiert und nitriert worden ist.
Der feste Schmierstoff, der Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung umfasst, zeigt eine exzellente intrinsische Wärmeleitfähigkeit und neigt nicht zum Haften an der Innenwandfläche des Zylinders, d. h. einer Innenwandfläche einer Hülse. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird wenigstens eines aus einem Kohlenstoffmaterial und Karbidkeramiken zu dem Metall hinzugefügt.
Ein Kohlenstoffmaterial wie beispielsweise Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren, Ruß oder Diamant etc. weist eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit als Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung auf. Somit kann Wärme, die durch einen Gleitkontakt zwischen Bereichen der Gleitfläche des Kolbenschafts und der Innenwandfläche des Zylinders erzeugt wird, sich leicht verteilen. Da das Kohlenstoffmaterial eine exzellente Schmierfähigkeit aufweist, verringert das Kohlenstoffmaterial einen Widerstand gegen eine Gleitbewegung des Kolbens. Solche Eigenschaften können kombiniert werden, um Reibungsverluste des Verbrennungsmotors zu verringern, und folglich ist es über eine längere Zeitspanne weniger wahrscheinlich, dass der Kolben und der Zylinder zusammenhaften. Das Hinzufügen von Karbidkeramiken ist weiterhin effektiv darin, Reibungsverluste des Verbrennungsmotors zu verringern.
Selbst wenn der Verbrennungsmotor, in dem der Kolben verwendet wird, in Fahrzeugen eingebaut wird, die unter rauen Bedingungen gefahren werden, wie beispielsweise Rennwagen oder ähnliches, bleiben die Kolben für eine lange Zeitspanne hochgradig widerstandsfähig.
Bevorzugte Beispiele der zuvor erwähnten Karbidkeramiken umfassen Siliziumkarbid (SiC), Titankarbid (TiC) und Titancarbonitrid (TiCN), die exzellenten Widerstand gegen Verschleiß zeigen und eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ein Verwenden von Karbidkeramiken verhindert ferner, dass das feste Schmiermittel an dem Zylinder anhaftet, und verringert die Wahrscheinlichkeit eines Verschleißes des festen Schmiermittels.
Das feste Schmiermittel kann über die gesamte Gleitoberfläche des Kolbenschafts verteilt sein. Jedoch sind, da das feste Schmiermittel aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung gebildet ist, wenn das feste Schmiermittel auf der gesamten Gleitfläche des Kolbenschafts angeordnet ist, die Kosten und das Gewicht des Kolbens erhöht. Somit weist das feste Schmiermittel vorzugsweise die Form einer Linie oder eines Punkts auf.
Da das Gesamtvolumen des festen Schmiermittels in der Form einer Linie oder eines Punkts verringert ist, ist die Menge an Metall, d. h. Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung, das in dem Schmiermittel enthalten ist, ebenfalls verringert. Somit sind die Kosten des Kolbens verringert und es wird verhindert, dass der Kolben für einen Verbrennungsmotor an Gewicht zunimmt.
Der Kolben umfasst ferner vorzugsweise eine Zwischenschicht, die zwischen dem festen Schmiermittel und der Gleitfläche des Kolbenschafts eingefügt ist, wobei die Zwischenschicht wenigstens ein Harzmaterial umfasst. In diesem Fall ist das feste Schmiermittel fest mit dem Harzmaterial verbunden. Somit verhindert die Zwischenschicht effektiv, dass das feste Schmiermittel von der Gleitoberfläche abfällt. Folglich werden Reibungsverluste für eine lange Zeitspanne verringert.
Die Zwischenschicht kann ferner ein festes Schmiermittel wie MoS₂, BN und Graphit etc. enthalten, zusätzlich zu dem Harzmaterial. Selbst wenn das feste Schmiermittel abfällt und somit die Grundschicht freigelegt wird, hält das in der Zwischenschicht enthaltene Schmiermittel die Schmierfähigkeit aufrecht.
Die Gleitschicht des Kolbenschafts kann eine Ausbuchtung umfassen, wobei das feste Schmiermittel selektiv nur in der Ausbuchtung angeordnet ist.
Da die Ausbuchtungen im Wesentlichen als Bereiche dienen, die in Gleitkontakt mit dem Kolben stehen, wenn sich der Kolben vor und zurück bewegt, erlaubt es das nur an den Ausbuchtungen angebrachte Schmiermittel dem Kolben, ausreichend innerhalb des Zylinders zu gleiten.
Da schmierende Bereiche selektiv nur in Abschnitten angeordnet sind, die in Gleitkontakt stehen, ist die Menge an Metall (Silber, Silberlegierung, Kupfer, Kupferlegierung), die zum Bilden der schmierenden Bereiche verwendet wird, deutlich verringert. Somit sind die Kosten des Kolbens verringert. Ferner wird, da schmierende Bereiche selektiv nur an den Ausbuchtungen angeordnet sind, verhindert, dass das Gewicht des Kolbens signifikant zunimmt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eines aus einem Kohlenstoffmaterial wie beispielsweise Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren, Ruß, Diamant etc. und Karbidkeramiken wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC), Titankarbid (TiC) und Titancarbonitrid (TiCN) etc. in dem festen Schmiermittel enthalten, das an dem Kolbenschaft des Kolbens angebracht ist und wenigstens eines aus Silber, Silberlegierung, Kupfer und Kupferlegierung umfasst. Das feste Schmiermittel zeigt eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit und ist widerstandsfähiger gegen Verschleiß als ein festes Schmiermittel, das lediglich aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung gebildet ist.
Folglich wird durch Gleitkontakt zwischen Bereichen des Kolbenschafts und der Innenwand des Zylinders erzeugte Wärme leicht verteilt. Die in Gleitkontakt stehenden Bereiche werden daran gehindert, sich auf eine hohe Temperatur zu erwärmen und zusammen zu haften.
Somit werden Reibungsverluste des Verbrennungsmotors verringert, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass die in Gleitkontakt stehenden Bereiche zusammenhaften, über eine lange Zeitspanne verringert wird. Somit ist der Verbrennungsmotor hochgradig widerstandsfähig.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen gesamten Kolben gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Seiten-Höhenansicht des in 1 gezeigten Kolbens;
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Flächenschicht-Bereichs eines Kolbenschafts des Kolbens;
4 ist eine Tabelle, die eine Korrelation zwischen den Typen und aufaddierten Verhältnissen von in einem Schmiermittel-Depot enthaltenen Materialien und Reibungsverlust-Verhältnisse zeigt;
5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Flächenschicht-Bereichs eines Kolbenschafts eines Kolbens gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform;
6 ist eine Seiten-Höhenansicht eines Kolbens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Flächenschicht-Bereichs eines Kolbenschafts des in 6 gezeigten Kolbens; und
8 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Flächenschicht-Bereichs eines Kolbenschafts eines Kolbens gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform.
Beschreibung der Ausführungsformen
Kolben zur Verwendung in Verbrennungsmotoren (im Folgenden als „Kolben” bezeichnet”) gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden detailliert unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt perspektivisch einen gesamten Kolben 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt den Kolben 10 in Seiten-Höhenansicht. Der Kolben 10 umfasst ein Paar von Kolbenschäften 12, 12 in einem unteren Bereich davon, und ein Paar von sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden Wänden 14, 14, welche zwischen den Kolbenschäften 12, 12 angeordnet sind. Die Wände 14, 14 weisen jeweilige Bolzenaugen 16, 16 auf, die sich horizontal erstrecken. Die Bolzenaugen 16, 16 weisen jeweilige Kolbenbolzenlöcher 17, 17 auf, die da hindurch jeweils für einen nicht gezeigten Kolbenbolzen definiert sind, der in die Kolbenbolzenlöcher 17, 17 eingeführt wird. Der Kolbenbolzen erstreckt sich durch ein Durchgangsloch, das in einem kleineren Ende eines nicht gezeigten Verbindungsbolzens definiert ist, wodurch der Verbindungsbolzen an dem Kolben 10 schwenkbar getragen ist.
Der Kolben 10 weist eine Öl-Ringnut 18, eine erste Kolben-Ringnut 20 und eine zweite Kolben-Ringnut 22 darin definiert oberhalb der Kolbenschäfte 12, 12 auf, die in dieser Reihenfolge nacheinander angeordnet sind. Die Öl-Ringnut 18, die erste Kolben-Ringnut 20 und die zweite Kolben-Ringnut 22 erstrecken sich in Umfangsrichtung um einen oberen Endabschnitt des Kolbens 10.
Der Kolben 10, der auf die zuvor beschriebene Weise konstruiert ist, ist aus einer Aluminiumlegierung wie beispielsweise AC2A, AC2B, AC4B, AC4C, AC4D, AC8H oder A1100 (gemäß JIS definierte Aluminiumlegierungen), einer Al-Cu-Legierung oder ähnlichem gefertigt.
Wie in vergrößertem Maßstab in 3 gezeigt, weisen gemäß der ersten Ausführungsform die Kolbenschäfte 12 lineare Streifen 24 auf, die an Gleitflächen davon bereitgestellt sind. Die von dem Pfeil X in 3 angezeigte Richtung entspricht der von dem Pfeil X in den 1 und 2 angezeigten Richtung. Die von dem Pfeil X in den weiteren Figuren angezeigte Richtung entspricht ebenfalls der von dem Pfeil X in den 1 und 2 angezeigten Richtung..
Die linearen Streifen 24 sind durch Wellenformen gebildet, die erhöhte Grate 26 und vertiefte Täler 28 aufweisen, die in Umfangsrichtung an den Kolbenschäften 12 maschinell hergestellt sind. Vorzugsweise weisen die Grate 26 (Ausbuchtungen) eine Höhe H in einem Bereich von 0,001 bis 0,1 mm auf, und benachbarte der Grate 26, 26 sind um einen Abstand oder Versatz P in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 mm beabstandet. Noch weiter vorzugsweise liegen die Höhen in einem Bereich von 0,008 bis 0,012 mm, und der Versatz P liegt in einem Bereich von 0,25 bis 0,3 mm.
Gemäß der ersten Ausführungsform sind Schmiermittel-Depots 30 als feste Schmiermittel nur an den jeweiligen Graten 26 der linearen Streifen 24 angeordnet. In anderen Worten sind die Schmiermittel-Depots 30 nicht in den Tälern 28 der linearen Streifen 24 angeordnet. Die Schmiermittel-Depots 30 erstrecken sich entlang der Grate 26 in der Umfangsrichtung der Kolbenschäfte 12.
Die Schmiermittel-Depots 30 sind aus einer Mischung von wenigstens einem aus Silber, Silberlegierung, Kupfer und Kupferlegierung und wenigstens einem aus einem Kohlenstoffmaterial und Karbidkeramiken zusammengesetzt. Wie in 3 gezeigt, sind die Schmiermittel-Vorräte 30 von den Graten 26 erhöht.
Silber, Silberlegierung, Kupfer und Kupferlegierung zeigen exzellente Schmierfähigkeiten, wenn die Kolbenschäfte 12 in Gleitkontakt mit den Innenwandflächen einer Bohrung oder der Innenwandfläche einer Zylinderhülse in einem Zylinderblock gehalten werden. Bevorzugte Beispiele einer Silberlegierung umfassen Ag-Sn-Legierung und Ag-Cu-Legierung. Bevorzugte Beispiele einer Kupferlegierung umfassen Cu-Sn-Legierung und Cu-P-Legierung etc.
Das Kohlenstoffmaterial zeigt eine große intrinsische Wärmeleitfähigkeit und somit sind die Schmiermittel-Depots 30, die das Kohlenstoffmaterial enthalten, wärmeleitfähiger als Schmiermittel-Depots, die aus einem aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung gebildet sind. Folglich verteilen die Schmiermittel-Depots 30, wenn die Kolbenschäfte 12 in Gleitkontakt mit der Innenwandfläche des Zylinders gehalten werden, sehr gut Wärme, die lokal durch gegenseitigen Gleitkontakt zwischen Bereichen der Kolbenschäfte 12 und dem Zylinder erzeugt wird. Somit wird verhindert, dass die Bereiche. der Kolbenschäfte 12 und der Zylinder, die in gegenseitigem Gleitkontakt stehen, sich auf hohe Temperaturen erwärmen und zusammenhaften und leicht gegeneinander reiben. Somit werden Reibungsverluste (Psf) des Verbrennungsmotors verringert.
Ein bevorzugtes Beispiel des Kohlenstoffmaterials ist Kohlenstoff mit einem SP²-hybridisierten Orbital. Der Kohlenstoff kann eine kristalline Struktur haben, wie beispielsweise Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene oder ähnliches, oder kann eine amorphe Struktur haben, wie Ruß, aktivierter Kohlenstoff oder ähnliches. Eine kristalline Struktur ist bevorzugt, da die Wärmeleitfähigkeit davon vergleichsweise hoch ist. Kohlenstoff-Nanoröhren sind besonders bevorzugt, da sie eine exzellente Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von etwa 3000 bis 5500 W/(m·K) aufweisen. Alternativ können Kohlenstofffasern als das Kohlenstoffmaterial ausgewählt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Beispiel des Kohlenstoffmaterials ist Diamant mit einem SP³-hybridisierten Orbital. Diamant zeigt eine Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von 1000 bis 2000 W/(m·K), was im Wesentlichen dasselbe wie die Wärmeleitfähigkeit von Graphit ist, die in einem Bereich von 900 bis 2300 W(m·K) liegt. Ferner macht die Verwendung von Diamant, da Diamant exzellent bezüglich seines Widerstands gegen Verschleiß ist, auch die Schmiermittel-Depots 30 exzellent bezüglich ihres Widerstands gegen Verschleiß.
Andererseits weisen auch Karbidkeramiken einen exzellenten Widerstand gegen Verschleiß auf, und somit sind Karbidkeramiken in erster Linie effektiv darin, die Widerstandsfähigkeit der Schmiermittel-Depots gegen Verschleiß zu verbessern. Der Begriff „Karbid” gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst auch die Bedeutung „Carbonitrid”.
Karbidkeramiken mit einer solchen Funktion sind nicht auf bestimmte Materialien beschränkt, jedoch umfassen bevorzugte Beispiele davon Siliziumkarbid, Titankarbid, Molybdänkarbid, Zirkoniumkarbid, Tantalkarbid, Niobkarbid, Wolframkarbid, Vanadiumkarbid, Hafniumkarbid und Carbonitrid, das durch Nitrierung von einem der zuvor genannten Karbide erhalten wird.
Insbesondere zeigt von den Karbidkeramiken Siliziumkarbid eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Somit macht Sliliziumkarbid die Schmiermittel-Depots 30 exzellent bezüglich ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und ihrer Wärmeleitfähigkeit. Zudem sind aus Siliziumkarbid hergestellte Schmiermittel-Depots 30 von ihren Kosten her niedrig, da Siliziumkarbid verglichen mit anderen Karbidkeramiken relativ günstig ist.
Titankarbid oder Titancarbonitrid können als geeignete Karbidkeramiken ausgewählt werden. Da solche Materialien relativ einfach zu erhalten sind, ermöglichen es solche Materialien, Schmiermittel-Depots 30 zu produzieren, die exzellent bezüglich ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und relativ kostengünstig sind.
Der Anteil des Kohlenstoffmaterials oder der Karbidkeramiken in den Schmiermittel-Depots 30 ist so ausgewählt, dass Reibungsverluste des Verbrennungsmotor verbessert werden, oder so, dass die Schmiermittel-Depots ausreichend widerstandsfähig gegen Verschleiß werden. Wenn das Gewicht von jedem der Schmiermittel-Depots 30 als 100 Gewichts-% gegeben ist, dann sollte der Anteil von Kohlenstoffmaterial oder Karbidkeramiken vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 Gewichts-% bis 30 Gewichts-% ausgewählt sein. Noch weiter vorzugsweise kann ein geeigneter Anteil des Kohlenstoffmaterials oder der Karbidkeramiken in einem Bereich von 0,5 Gewichts-% bis 5 Gewichts-% liegen.
Sowohl Kohlenstoffmaterialien als auch Karbidkeramiken können verwendet werden, oder Siliziumkarbid oder ähnliches, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann als eine Karbidkeramik ausgewählt werden, um Reibungsverluste des Verbrennungsmotors zu verbessern und sicherzustellen, dass die Schmiermittel-Depots 30 ausreichend widerstandsfähig gegen Verschleiß sind.
Die Schmiermittel-Depots 30 müssen nicht aus derselben Mischung gebildet sein, sondern verschiedene Schmiermittel-Depots 30 können jeweils aus verschiedenen Mischungen zusammengesetzt sein. Beispielsweise kann der Grat 26 eines linearen Streifens 24 mit einem Schmiermittel-Depot 30 bedeckt sein, das Silber und Siliziumkarbid enthält, und der Grat 26 eines anderen linearen Streifens 24, der benachbart zu dem oben genannten linearen Streifen 24 ist, kann mit einem Schmiermittel-Depot 30 bedeckt sein, das Kupferlegierung und Graphit enthält.
Die Schmiermittel-Depots 30 sind nicht auf eine bestimmte Dicke beschränkt. Jedoch nutzen sich, wenn die Dicke der Schmiermittel-Depots 30 ausgesprochen klein ist, die Schmiermittel-Depots 30 innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne ab, wodurch die Grate 26 unter den Schmiermittel-Depots 30 freigelegt werden. Andererseits neigen die Schmiermittel-Depots 30 dazu, wenn die Dicke der Schmiermittel-Depots 30 ausgesprochen groß wird, so schwer zu werden, dass eine große Kraft benötigt wird, um den Kolben 10 vor und zurück zu bewegen. Um solche Probleme zu vermeiden, sollte die Dicke der Schmiermittel-Depots 30 vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 100 μm liegen.
Der Kolben 100 gemäß der ersten Ausführungsform ist im Wesentlichen wie oben beschrieben konstruiert. Als nächstes werden der Betrieb und die Vorteile des Kolbens 10 im Folgenden beschrieben.
Wenn der Verbrennungsmotor montiert ist und betrieben wird, werden die Schmiermittel-Depots 30 in Gleitkontakt mit der Innenwandfläche des Zylinders (d. h. einer Innenwandfläche der Zylinderbohrung oder einer Innenwandfläche der Zylinderhülse) gehalten, wobei ein Schmieröl dazwischen eingefügt ist. Wenn die Schmeirmittel-Depots 30 in Gleitkontakt mit der Innenwandfläche der Hülse gehalten werden, die beispielsweise aus FC (Graugusseisen) oder Al hergestellt ist, dann ist die Wärmeleitfähigkeit des Silbers, der Silberlegierung, des Kupfers oder der Kupferlegierung in den Schmiermittel-Depots 30 und die Wärmeleitfähigkeit der Hülse aus FC oder Al 350 W/(m·K) oder größer. Da die Schmierstoff-Depots 30 ein Kohlenstoffmaterial, dessen Wärmeleitfähigkeit größer ist, oder Karbidkeramiken enthalten, deren Wärmeleitfähigkeit im selben Bereich wie die oben genannte Wärmeleitfähigkeit liegt, ist die Wärmeleitfähigkeit der Schmiermittel-Depots 30 größer, als wenn die Schmiermittel-Depots 30 nur aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung hergestellt wären.
Folglich wird, wenn die Kolbenschäfte 12 in Gleitkontakt mit der Innenwandfläche des Zylinders gehalten werden, lokal durch gegenseitigen Gleitkontakt zwischen Bereichen der Kolbenschäfte 12 und dem Zylinder erzeugte Wärme leicht verteilt. Anders ausgedrückt wird verhindert, dass Wärme in den Bereichen verbleibt, die in Gleitkontakt miteinander stehen. Insoweit als verhindert wird, dass die Bereiche in gegenseitigem Gleitkontakt auf eine hohe Temperatur erwärmt werden, wird verhindert, dass die Bereiche zusammenhaften und leicht aneinander reiben. Aufgrund dieses Phänomens werden Reibungsverluste (Psf) des Verbrennungsmotors verringert.
Beispielsweise werden, verglichen mit einem Referenzmotor, der Schmiermittel-Depots umfasst, die einen Schmierstofffilm aufweisen, der im Wesentlichen aus MoS₂ besteht, in einem Verbrennungsmotor, der den Kolben 10 mit Schmiermittel-Depots 30 aufweist, die aus Silber gebildet sind, die Reibungsverluste davon um 6% verringert. Ferner erhöht sich, wenn Diamant zu dem Silber in den Schmiermittel-Depots 30 hinzugefügt wird, dann das Verringerungs-Verhältnis von Reibungsverlusten wie in 4 gezeigt abhängig von der Menge an Diamant, die hinzugefügt wird. In anderen Worten werden, wenn die Menge an zugefügtem Diamant erhöht wird, die Reibungsverluste kleiner.
4 zeigt eine Beziehung zwischen Mengen von zugefügtem Graphit und Siliziumkarbid und den Reibungsverlust-Verhältnissen. Es ist aus 4 ersichtlich, dass durch Zufügen von Kohlenstoffmaterial oder Karbidkeramiken zu dem Silber die Reibungsverluste des Verbrennungsmotors, der den Kolben 10 aufweist, verringert werden.
Somit kann sich der Kolben 10 leichtgängig vor und zurück in dem Zylinder für eine möglichst lange Zeitspanne bewegen. Der Verbrennungsmotor kann als ein hochgradig widerstandsfähiger Verbrennungsmotor in Fahrzeugen verwendet werden, die in rauen Bedingungen gefahren werden, wie beispielsweise Rennwagen oder ähnliches, in denen sich der Kolben 10 abrupt in dem Zylinder vor und zurück bewegt.
Trotzdem ist in diesem Fall der Betrag der Differenz zwischen dem Elastizitätsmodul der Schmiermittel-Depots 30 und dem Elastizitätsmodul der Hülse aus FC oder Al 10 GPa oder größer. Gemäß einer von den vorliegenden Erfindern durchgeführten Untersuchung kann, wenn der Betrag der Differenz zwischen den Elastizitätsmodulen von einem großen Wert ist, beispielsweise 10 GPa, dann das Schmieröl geeignet innerhalb der kleinen Zwischenräume zwischen der Hülse und den Kolbenschäften 12 gehalten werden, wodurch verhindert wird, dass es zwischen der Hülse und den Kolbenschäften 12 zu einem Eingriff kommt.
Allgemein neigt Silber oder Silberlegierung dazu, sehr teuer und schwer zu sein. Daher werden, wenn ein aus Silber oder Silberlegierung hergestellter Film komplett über die Gleitflächen der Kolbenschäfte 12 angeordnet wird, dann die Kosten und das Gewicht des Kolben erhöht. Andererseits werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Schmiermittel-Depots 30 selektiv nur an den Graten 26 angeordnet. Somit wird die Menge und die Kosten des Metalls, z. B. des Silbers, der Silberlegierung, des Kupfer oder der Kupferlegierung, das in den Schmiermittel-Depots 30 verwendet wird, verringert. Ferner wird verhindert, dass der Kolben 10 unnötig an Gewicht zunimmt, da die Schmiermittel-Depots 30 nur an den Graten 26 angeordnet sind.
Da die Schmiermittel-Depots 30 im Grunde genommen als Gleitkontakt-Abschnitte der Kolbenschäfte 12 dienen, erlauben es die Schmiermittel-Depots 30, die selektiv nur an den Graten 26 angeordnet sind, dem Kolben 10, ausreichend innerhalb des Zylinders zu gleiten.
Wie oben beschrieben ist, insoweit als die Schmiermittel-Depots 30 selektiv nur an den Graten 26 angeordnet sind, der Kolben 10 kostengünstig, es wird verhindert, dass er an Gewicht zunimmt, und er kann ausreichend innerhalb des Zylinders gleiten.
Die Schmiermittel-Depots 30 können an den Gleitflächen der Kolbenschäfte 12 auf folgende Weise bereitgestellt sein.
Zuerst werden feine Partikel aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung, die vorzugsweise einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser im Bereich von 1 bis 80 nm und vorzugsweise im Bereich von 30 bis 80 nm aufweisen, oder anders ausgedrückt Nanopartikel aus Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung in einem Dispersionsmedium wie Terpineol, Nonanol, Ethylenglykol, Propylenglykolmonomethyletheracetat, Methylethylketon oder ähnlichem dispergiert.
Wenigstens eines aus einem Kohlenstoffmaterial, wie beispielsweise Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren, Ruß, Diamant oder ähnlichem oder einem Karbidkeramik-Meterial, wie beispielsweise Siliziumkarbid, Titankarbid, Titancarbonitrid oder ähnliches, wird zu dem Dispersionsmedium hinzugefügt, wodurch eine Paste mit einer Viskosität von etwa 10 cp erzeugt erzeugt wird. Ein Dispergator oder ähnliches kann ebenfalls zu der Paste zugegeben werden.
Hiernach wird der Kolbenschaft 12 mit der Paste in einem bekannten Beschichtungs-Prozess, wie beispielsweise einem Siebdruck-Prozess, einem Tampondruck-Prozess oder ähnlichem, beschichtet.
Zu diesem Zeitpunkt sind die Täler 28 der linearen Streifen 24 mit einer Abschirmung bedeckt. Somit wird verhindert, dass die Paste auf die Täler 28 aufgebracht wird, sondern selektiv nur auf die Grate 26 aufgebracht wird, die als Ausbuchtungen gebildet sind.
Als nächstes wird die Paste zusammen mit dem Kolben 10 auf eine Temperatur erhitzt, die vorzugsweise in einem Bereich von 160 bis 240°C liegt. Das Dispersionsmedium in der Paste wird verflüchtigt, woraufhin die Nanopartikel verschmelzen. In anderen Worten wird die Paste in Schmiermittel-Depots 30 gesintert, die die Form eines gesinterten, aus Nanopartikeln gebildeten Körpers aufweisen. Da die Paste nur auf die Grate 26 aufgebracht wird, werden die Schmiermittel-Depots 30 selektiv nur an den Graten 26 gebildet.
Durch das Verwenden von Nanopartikeln kann die Paste in einem relativ niedrigen Temperaturbereich von 160 bis 240°C gesintert werden, wodurch Filme an den Graten 26 gebildet werden. Folglich wird verhindert, dass die Kolbenschäfte 12, die aus Aluminiumlegierung hergestellt sind, sich auf eine hohe Temperatur erwärmen, und somit wird verhindert, dass die mechanische Festigkeit der Kolbenschäfte 12 und andere Eigenschaften davon beeinträchtigt werden.
Anstatt die Grate 26 als lineare Streifen 24 in der Form von Ausbuchtungen bereitzustellen, kann gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform ein Harz verwendet werden, um eine Ausbuchtung bereitzustellen.
Solch eine Modifikation ist im Querschnitt in einem vergrößerten Maßstab in 5 gezeigt. Insbesondere umfasst, wie in 5 gezeigt, jeder der Kolbenschäfte 12 eine erste ebene Gleitfläche, wobei eine Harzschicht 40 an der ebenen Gleitfläche befestigt ist. Die Harzschicht 40 weist eine Mehrzahl von linearen Ausbuchtungen 42 auf, die sich in Umfangsrichtung entlang der Gleitfläche erstrecken. Die Ausbuchtungen 42 werden zunehmend breiter in Richtung von unteren Enden davon in der Nähe des Kolbenschafts 12, und zunehmend schmaler in Richtung von oberen Enden davon, entfernt von dem Kolbenschaft 12. Die linearen Ausbuchtungen 42 stellen lineare Streifenkonfigurationen bereit, die ähnlich den linearen Streifen 24 sind.
Die Harzschicht 40 (Ausbuchtungen 42) sind vorzugsweise aus einem Typ von Harz gebildet, das die Verbindungsstärke zwischen den Schmiermittel-Depots 30 und dem Kolbenschaft 12 erhöht. Bevorzugte Beispiele von solchen Harzen umfassen Polyimid-Harz, Polyamid-Imid-Harz, Epoxyharz, Nylon-6-Harz und Nylon-6,6-Harz etc.
Gemäß der oben beschriebenen Modifikation ist, da die Ausbuchtungen 42, die aus Harz gebildet sind, zwischen die Gleitfläche des Kolbenschafts 12 und die Schmiermittel-Depots 30 eingefügt sind, die Menge an Silber, Silberlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung, die in den Schmiermittel-Depots 30 verwendet wird, verringert. Folglich sind die Kosten des Kolbens 10 verringert, und es kann verhindert werden, dass das Gewicht des Kolbens 10 signifikant zunimmt.
Wenn die Schmiermittel-Depots 30 gemäß der oben beschriebenen Modifikation gebildet sind, wird vorzugsweise ein Dispersionsmedium zum Produzieren der Paste verwendet, das in der Lage ist, die Ausbuchtungen 42 (Harz), die zwischen der Gleitfläche des Kolbenschafts 12 und die Schmiermittel-Depots 30 eingefügt ist, anschwellen zu lassen. Spezifisch Beispiele eines solchen Dispersionsmediums umfassen N-Methylpyrrolidon, Polyvinylpyrrolidon, Trichloroethylen und Carbontetrachlorid etc.
In diesem Fall wird, wenn die Paste aus die Ausbuchtungen 42 aufgebracht wird, um Schmiermittel-Depots 30 zu bilden, durch die Wirkung des Dispersionsmediums das Harz zum Anschwellen gebracht, was zu einer gegenseitig gemischten Schicht führt, in der Siberpartikel an einer Schnittstelle zwischen dem Harz und der Paste dispergiert sind. Die gegenseitig gemischte Schicht erzeugt einen Verankerungseffekt zwischen den Ausbuchtungen 42 und den Schmiermittel-Depots 30. Somit wird die Verbindungsstärke der Schmiermittel-Depots 30 bezüglich der Ausbuchtungen 42 weiter erhöht.
Eine zweite Ausführungsform wird im Folgenden beschrieben. Bestandteile der zweiten Ausführungsform, die dieselben wie diejenigen sind, die in 1 bis 3 und 5 gezeigt sind, sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet, und solche Merkmale werden im Folgenden nicht beschrieben.
6 zeigt in einer Seiten-Höhenansicht einen Kolben 50 gemäß der zweiten Ausführungsform. Der Kolben 50 umfasst Schmiermittel-Depots 52 in der Form mehrerer Punkte, die an der Gleitfläche von jedem der Kolbenschäfte 12 bereitgestellt sind. Ähnlich der ersten Ausführungsform enthalten die Schmiermittel-Depots 52 wenigstens eines aus Silber, Silberlegierung, Kupfer und Kupferlegierung als Metall, und wenigstens eines aus einem Kohlenstoffmaterial, wie beispielsweise Graphit, Ruß, Diamant oder ähnliches und einer Karbidkeramik, wie beispielsweise Siliziumkarbid, Titankarbid, Titancarbonitrid und ähnlichem.
Wenngleich es in 6 zum vereinfachten Verständnis der vorliegenden Ausführungsform nicht illustriert ist, weist der Kolbenschaft 12 lineare Streifen 24 gemäß der zweiten Ausführungsform auf, die in einem vergrößerten Maßstab in 7 gezeigt sind. Die Schmiermittel-Depots 52 sind zufällig angeordnet, ungeachtet dessen, ob die Schmiermittel-Depots 52 an den Ausbuchtungen (Grate 26) oder den Tälern 28 der linearen Streifen 24 positioniert sind. Anders ausgedrückt sind die Positionen der Schmiermittel-Depots 52 nicht auf die Grate 26 (Ausbuchtungen) beschränkt.
Jedoch ist gemäß der zweiten Ausführungsform, insofern als die Schmiermittel-Depots 52 in der Form eines Punkts angeordnet sind, das Volumen von jedem der Schmiermittel-Depots 52 klein. Insbesondere sind gemäß der ersten Ausführungsform die Schmiermittel-Depots 30 nur in Positionen angeordnet, die tatsächlich in Gleitkontakt stehen, so dass die verwendete Menge an Metall (Silber, Silberlegierung, Kupfer, Kupferlegierung) verringert ist. Andererseits ist gemäß der zweiten Ausführungsform das Volumen von jedem der Schmiermittel-Depots 52 verringert, und somit ist das Gesamtvolumen der Schmiermittel-Depots 52 verringert, wodurch die Menge an verwendetem Metall verringert wird.
Gemäß der zweiten Ausführungsform sind ähnlich der ersten Ausführungsform die Kosten des Kolbens 50 verringert, und es kann verhindert werden, dass das Gewicht des Kolbens 50 signifikant zunimmt.
Um die Schmiermittel-Depots 52 in der Form von Punkten zu erzeugen, können vorgeschriebene Stellen an dem Kolbenschaft 12 mit einer Abschirmung abgedeckt sein, und ein bekannte Beschichtungs-Prozess, wie beispielsweise ein Siebdruck-Prozess, ein Tampondruck-Prozess oder ähnliches kann durchgeführt werden.
Ferner müssen die linearen Streifen 24 nicht notwendigerweise bereitgestellt sein. Insbesondere kann der Kolbenschaft 12 eine ebene Gleitfläche aufweisen und punktartige Schmiermittel-Depots 52 können an der ebenen Gleitfläche angeordnet sein. In diesem Fall dienen Ausnehmungen, die zwischen den Schmiermittel-Depots 52, 52 definiert sind, zum Halten des Schmieröls.
Ferner kann gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform eine Zwischenschicht zwischen die Gleitfläche des Kolbenschafts 12 und die Schmiermittel-Depots 52 eingefügt sein.
Gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform ist, wie im Querschnitt in einem vergrößerten Maßstab in 8 gezeigt, die ebene Gleitfläche des Kolbenschafts 12 in ihrer Gesamtheit mit einer Zwischenschicht 54 bedeckt, wobei punktartige Schmiermittel-Depots 52 an der Zwischenschicht 54 angeordnet sind.
Die Zwischenschicht 54 kann ein Harzmaterial und ein festes Schmiermittel umfassen. Anders ausgedrückt kann die Zwischenschicht 54 eine gemischte Schicht umfassen, die ein schmierendes anorganisches Material und das oben beschriebene Harz umfasst.
Das feste Schmiermittel kann von einer bekannten Art sein. Bevorzugte Beispiele des festen Schmiermittels umfassen Molybdändisulfid (MoS₂), Bornitrid (BN) und Graphit (C) etc.. Die Zwischenschicht 54 vergrößert effektiv die Verbindungsstärke zwischen den Schmiermittel-Depots 52 und dem Kolbenschaft 12. Selbst wenn die Zwischenschicht 54 in Gleitkontakt mit der Innenwandfläche des Zylinders gebracht wird, ist das feste Schmiermittel in der Lage, die Schmierfähigkeit aufrecht zu erhalten.
Wie oben beschrieben ist, während die Zwischenschicht 54 die Schmierfähigkeit aufrecht erhält oder die Verbindungsstärke zwischen den Schmiermittel-Depots 52 und dem Kolbenschaft 12 erhöht, die Menge an Metall, das zum Erzeugen der Schmiermittel-Depots 52 verwendet wird, verringert. Folglich sind die Kosten des Kolbens 50 verringert, und es kann verhindert werden, dass das Gewicht des Kolbens 50 signifikant zunimmt.
Zudem sind sämtliche der anorganischen Materialien und das Harz günstig und leichtgewichtig. Somit wird, selbst wenn die gesamte Gleitfläche des Kolbenschafts 12 mit der Zwischenschicht 54 bedeckt ist, verhindert, dass die Kosten des Kolbens 50 signifikant zunehmen, und ein übermäßiger Anstieg des Gewichts des Kolbens 50 wird verhindert. Wenn die gesamte Gleitfläche des Kolbenschafts 12 mit der Zwischenschicht 54 bedeckt ist, ist der Beschichtungsprozess einfacher durchzuführen, als wenn die Zwischenschicht 54 selektiv an Abschnitten der Gleitfläche des Kolbenschafts 12 gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und zahlreiche Änderungen und Modifikationen können an solchen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne dass man sich vom Schutzbereich der Erfindung entfernt.
Beispielsweise können gemäß der zweiten Ausführungsform die Schmiermittel-Depots 52 in der Form von Punkten lediglich an den Graten 26 der linearen Streifen 24 angeordnet sein. Insbesondere können Abschnitte der Grate 26, die sich in Umfangsrichtung an der Gleitfläche des Kolbenschafts 12 erstrecken, mit den Schmiermittel-Depots 52 in der Form von Punkten bedeckt sein.
Ähnlich zu der Modifikation der ersten Ausführungsform kann die Zwischenschicht 54 in der Form von linearen Streifen bereitgestellt sein. In diesem Fall können die Schmiermittel-Depots 52 in der Form von Punkten an Kämmen der linearen Streifen bereitgestellt sein.
Gemäß der Modifikation der zweiten Ausführungsform ist die gesamte Gleitfläche des Kolbenschafts 12 mit der Zwischenschicht 54 bedeckt. Jedoch kann die Zwischenschicht 54 in der Form von Punkten oder Linien selektiv an Abschnitten der Gleitfläche des Kolbenschafts bereitgestellt sein, und die Schmiermittel-Depots 52 können selektiv nur an der Zwischenschicht 54 bereitgestellt sein, die auf die zuvor beschriebene Weise bereitgestellt ist.

Claims

Kolben (10) zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, welcher in einem Zylinder des Verbrennungsmotors vor und zurück bewegbar ist und einen Kolbenschaft (12) in Gleitkontakt mit einer Innenwandfläche des Zylinders umfasst, umfassend: ein festes Schmiermittel (30), welches an einer Gleitfläche des Kolbenschafts (12) angeordnet ist, wobei das feste Schmiermittel (30) wenigstens eines aus Silber, Silberlegierung, Kupfer und Kupferlegierung, und wenigstens eines aus einem Kohlenstoffmaterial und Karbidkeramiken umfasst.
Kolben (10) nach Anspruch 1, wobei die Karbidkeramiken SiC, TiC oder TiCN umfassen.
Kolben (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das feste Schmiermittel (30) in Linien- oder Punktform vorliegt.
Kolben (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: eine Zwischenschicht (54), welche zwischen das feste Schmiermittel (30) und die Gleitfläche des Kolbenschafts (12) eingefügt ist, wobei die Zwischenschicht (54) wenigstens ein Harzmaterial umfasst.
Kolben (10) nach Anspruch 4, wobei die Zwischenschicht (54) ein Harz umfasst, welches ein festes Schmiermittel umfasst.
Kolben (10) nach Anspruch 5, wobei das feste Schmiermittel wenigstens ein Material umfasst, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Molybdändisulfid, Bornitrid und Graphit besteht.
Kolben (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gleitfläche des Kolbenschafts (12) eine Ausbuchtung (26) umfasst, wobei das feste Schmiermittel (30) nur in der Ausbuchtung (26) angeordnet ist.