DE112016000144B4

DE112016000144B4 - Wärmeisolationsstruktur der Brennkammer eines Motors

Info

Publication number: DE112016000144B4
Application number: DE112016000144.4T
Authority: DE
Inventors: Takashi Ikai; Osamu Aoki; Kazuo Ichikawa
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: CN107076051A; US20170328300A1; WO2017057250A1; CN107076051B; JP2017066995A; DE112016000144T5; US10260451B2; JP6281551B2

Abstract

Wärmeisolationsstruktur für eine Brennkammer eines Motors, wobei die Wärmeisolationsstruktur derart ausgebildet ist, dass eine Wärmeisolationsschicht (21) auf einer stirnseitigen Oberfläche (10) eines Kolbenhauptkorpus (19), die die Brennkammer des Motors (E) begrenzt, vorgesehen ist, wobei:die stirnseitige Oberfläche (10) des Kolbenhauptkorpus (19) umfasst eine Muldenoberfläche (11'), die eine Mulde der Brennkammer bildet, sowie eine Quetschflächenoberfläche (12'), die eine Quetschfläche der Brennkammer bildet; undeine Dicke der Wärmeisolationsschicht (21b), die auf der Quetschflächenoberfläche (12') vorgesehen ist, 5 oder mehr % und 50 oder weniger % einer Dicke der Wärmeisolationsschicht (21a), die auf der Muldenoberfläche (11') vorgesehen ist, beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Wärmeisolationsschicht (21b), die auf der Quetschflächenoberfläche (12') vorgesehen ist, zu einem Endabschnitt der Quetschflächenoberfläche (12') hin, welcher Endabschnitt an einer äußeren Randseite der Brennkammer angeordnet ist, graduell abnimmt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeisolationsstruktur einer Brennkammer eines Motors.
Technologischer Hintergrund
Im Falle eines Metallprodukts wie beispielsweise einem Motorteil, das mit einem Hochtemperaturgas beaufschlagt wird, wird herkömmlicherweise eine Wärmeisolationsschicht auf einer Oberfläche eines metallischen Basismaterials des Metallprodukts ausgebildet, um den Wärmeübergang von dem Hochtemperaturgas auf das Metallprodukt zu unterdrücken, genauer gesagt um einen Kühlverlust des Metallprodukts zu unterdrücken. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Ausbildung einer Wärmeisolationsschicht aus einem anorganischen Oxid (wie beispielsweise Zirkonoxid bzw. -dioxid) oder einem organischen Material mit hohlen Partikeln auf einer stirnseitigen Oberfläche eines Kolbenhauptkorpus, die eine Brennkammer eines Motors begrenzt.
An einem Spaltabschnitt zwischen der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus, die die Brennkammer begrenzt, und einer unteren Oberfläche eines Zylinderkopfs kann eine Quetschfläche ausgebildet sein. Bei Vorsehen der Wärmeisolationsschicht auf einer Quetschfläche der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus wird die Wärmeisolationsschicht sehr heiß, so dass auch die Oberfläche der Quetschfläche selbst sehr heiß wird. Wenn ein eine hohe Temperatur aufweisendes und unter hohem Druck stehendes Endgas (beispielsweise ein unverbranntes Luft-Brennstoff-Gemisch, das entfernt von einer Zündkerze vorliegt) im Verbrennungsprozess zu der Quetschfläche strömt, wird angesichts dessen ein Wärmeübergang von dem genannten Endgas auf die Quetschfläche durch die hohe Oberflächentemperatur der Quetschfläche verhindert, wodurch Klopfen verursacht werden kann. Dadurch werden Risse in der Wärmeisolationsschicht auf der Oberfläche der Quetschfläche gebildet, was Schäden und ein Abschälen der Wärmeisolationsschicht verursacht. Hierdurch geht die wärmeisolierende Eigenschaft der Wärmeisolationsschicht verloren.
Einige Druckschriften (beispielsweise die JP 2011-169232 A ) beschreiben eine Brennkraftmaschine, in der die Wärmeisolationsschicht nicht auf der Oberfläche der Quetschfläche der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus ausgebildet ist, sondern lediglich auf dem restlichen Abschnitt der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus ausgebildet ist.
Da die Wärmeisolationsschicht nicht auf der Oberfläche der Quetschfläche ausgebildet ist, wird bei der Brennkraftmaschine gemäß JP 2011-169232 A der Wärmeübergang von dem Endgas zur Quetschfläche gefördert und die Entstehung von Klopfen unterdrückt.
Ferner ist aus der US 4 711 208 A eine gattungsgemäße Wärmeisolationsstruktur bekannt, deren keramische Wärmeisolationsschicht auf dem Kolbenboden in einem Zentralbereich der Kolbenmulde eine Dicke von 0,6 bis 2 mm, einem angrenzenden Ringabschnitt der Kolbenmulde eine Dicke im Bereich von 3 mm bis 10 mm und sodann außerhalb der Kolbenmulde auf der Stirnseite wiederum eine Dicke im Bereich von 0,6 bis 2 mm besitzt. Weitere Wärmeisolationsstrukturen für die Brennkammer eines Motors sind aus den Schriften JP S60-240858 A , JP 2014-040819 A und JP 2015-81527 A bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Mit der Konfiguration gemäß JP 2011-169232 A kann die Entstehung von Klopfen an der Quetschfläche unterdrückt werden. Allerdings ist es hinsichtlich einer Reduktion der Kühlverluste wünschenswert, die Wärmeisolationsschicht auf der gesamten stirnseitigen Oberfläche einschließlich der Oberfläche der Quetschfläche des Kolbenhauptkorpus auszubilden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei Ausbildung einer Wärmeisolationsschicht auf der Oberfläche der Quetschfläche die Bildung großer Risse in der Wärmeisolationsschicht infolge des Entstehens von Klopfen zu verhindern und Beschädigungen sowie ein Abschälen der Wärmeisolationsschicht zu unterdrücken.
Problemlösung
Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen, ist bei der vorliegenden Erfindung die Wärmeisolationsschicht auf der Oberfläche der Quetschfläche auf der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus dünner ausgebildet als die Wärmeisolationsschicht auf einer Oberfläche einer Mulde in der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus.
Dabei ist die vorliegend offenbarte Wärmeisolationsstruktur einer Brennkammer eines Motors derart ausgebildet, dass eine Wärmeisolationsschicht auf einer stirnseitigen Oberfläche eines Kolbenhauptkorpus, die die Brennkammer des Motors begrenzt, vorgesehen ist, wobei: die stirnseitige Oberfläche des Kolbenhauptkorpus eine Muldenoberfläche aufweist, die eine Mulde der Brennkammer ausbildet, und eine Quetschflächenoberfläche aufweist, die eine Quetschfläche der Brennkammer bildet; und eine Dicke der Wärmeisolationsschicht, die auf der Quetschflächenoberfläche vorgesehen ist, 5 oder mehr % und 50 oder weniger % einer Dicke der Wärmeisolationsschicht beträgt, die auf der Muldenoberfläche vorgesehen ist.
Im ursprünglichen Zustand nimmt die wärmeisolierende Eigenschaft der Wärmeisolationsschicht an sich mit zunehmender Dicke der Wärmeisolationsschicht zu. Falls sich allerdings durch den Einfluss von Klopfen auf der Wärmeisolationsschicht, die an der Oberfläche der Quetschfläche ausgebildet ist, Risse bilden, werden die Risse mit zunehmender Dicke der Wärmeisolationsschicht tiefer und die Größe der Risse nimmt zu.
Mit zunehmender Größe der Risse nehmen die Beschädigungen der Wärmeisolationsschicht zu und die Wärmeisolationsschicht schält sich einfach von einem solchermaßen beschädigten Abschnitt ab.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Wärmeisolationsschicht mit angemessener Dicke auf der Muldenoberfläche, die eine stark wärmeisolierende Eigenschaft benötigt, ausgebildet, während die Wärmeisolationsschicht auf der Oberfläche der Quetschfläche mit einer Dicke ausgebildet wird, die die Hälfte oder weniger der Dicke der Wärmeisolationsschicht auf der Muldenoberfläche beträgt. Hierdurch kann das Wachstum von Rissen, die an der Wärmeisolationsschicht auf der Oberfläche der Quetschfläche entstehen, unterdrückt werden und es können Beschädigungen und ein Abschälen der Wärmeisolationsschicht unterdrückt werden, wobei die exzellente, wärmeisolierende Eigenschaft über die gesamte stirnseitige Oberfläche des Kolbenhauptkorpus erreicht wird.
Vorzugsweise umfasst die Wärmeisolationsschicht: eine große Zahl an kugelförmigen Hohlteilchen; und ein Bindemittel, das die Hohlteilchen an der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus hält und Räume zwischen den Hohlteilchen füllt, so dass ein Basismaterial der Wärmeisolationsschicht gebildet ist. Hierdurch kann die wärmeisolierende Eigenschaft der Wärmeisolationsschicht effektiv verbessert werden.
Vorzugsweise ist das Bindemittel ein Harz auf Silikonbasis. Hierdurch kann die Wärmeübertragung der Wärmeisolationsschicht reduziert werden und es kann eine exzellente Haftung zwischen der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus und der Wärmeisolationsschicht erreicht werden.
Vorzugsweise sind die Hohlteilchen Glaskugeln bzw. -ballons. Hierdurch kann die Wärmeübertragung der Wärmeisolationsschicht reduziert werden und es kann die Festigkeit der Wärmeisolationsschicht verbessert werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass: die Dicke der Wärmeisolationsschicht, die auf der Oberfläche der Mulde vorgesehen ist, 60 oder mehr µm und 100 oder weniger µm beträgt; und die Dicke der Wärmeisolationsschicht, die auf der Oberfläche der Quetschfläche vorgesehen ist, 30 oder mehr µm und 50 oder weniger µm beträgt. Hierdurch können Beschädigungen und ein Abschälen der Wärmeisolationsschicht effektiv unterdrückt werden, während gleichzeitig die exzellent wärmeisolierende Eigenschaft über die gesamte stirnseitige Oberfläche des Kolbenhauptkorpus erzielt werden kann.
Erfindungsgemäß nimmt die Dicke der Wärmeisolationsschicht, die auf der Oberfläche der Quetschfläche vorgesehen ist, zu einem Endabschnitt der Oberfläche der Quetschfläche hin ab, wobei der genannte Endabschnitt an einer äußeren Randseite der Brennkammer liegt. Hierdurch können Beschädigungen und ein Abschälen der Wärmeisolationsschicht effektiv unterdrückt werden, während gleichzeitig die exzellente wärmeisolierende Eigenschaft über die gesamte stirnseitige Oberfläche des Kolbenhauptkorpus erzielt werden kann.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Wie oben beschrieben können gemäß der vorliegenden Erfindung das Wachstum der Risse, die in der Wärmeisolationsschicht auf der Oberfläche der Quetschfläche unterdrückt und Beschädigungen und ein Abschälen der Wärmeisolationsschicht unterdrückt werden, während gleichzeitig die exzellent wärmeisolierende Eigenschaft über die gesamte stirnseitige Oberfläche des Kolbenhauptkorpus erzielt wird.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht, die einen Motor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt.
2 ist eine Draufsicht, die die Stirnseite eines Kolbens entsprechend der Ausführung der 1 zeigt.
3 ist eine Längsschnittansicht, die den Kolben aus 2 zeigt.
4 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die eine Wärmeisolationsschicht aus 3 zeigt.
5 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die die Wärmeisolationsschicht zeigt, die auf einer Quetschflächenoberfläche einer stirnseitigen Oberfläche eines Kolbenhauptkorpus gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf Basis der Zeichnungen näher erläutert. Erläuterungen, die zu den folgenden, bevorzugten Ausführungsformen gegeben werden, sind grundsätzlich lediglich Beispiele und nicht als Beschränkung für die vorliegende Erfindung, die Anwendung der vorliegenden Erfindung oder die Verwendung der vorliegenden Erfindung zu verstehen.
Motorkonfiguration
Ein als Direkteinspritzer ausgebildeter Motor E wie er in 1 gezeigt ist, umfasst: einen Kolben 1; einen Zylinderblock 2; einen Zylinderkopf 3; ein Einlassventil 4, das dazu ausgebildet ist, eine Einlassöffnung 5 des Zylinderkopfs 3 zu öffnen und zu verschließen; ein Auslassventil 6, das dazu ausgebildet ist, eine Auslassöffnung 7 des Zylinderkopfs 3 zu öffnen und zu verschließen; eine Einspritzeinrichtung 8; und eine Zündkerze 9. Der Kolben 1 geht in einer Zylinderbohrung des Zylinderblocks 2 hin und her.
Eine Brennkammer des Motors wird gebildet durch: eine stirnseitige Oberfläche 10 des Kolbens 1; den Zylinderblock 2; den Zylinderkopf 3; und frontseitige Oberflächen (Oberflächen, die der Brennkammer zugewandt sind) eines Schirmabschnitts der Einlass- und Auslassventile 4 und 6. Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist ein zurückgesetzter Muldenabschnitt 11, der eine Brennkammermulde bildet, an einem etwa mittleren Abschnitt der stirnseitigen Oberfläche 10 des Kolbens 1 vorgesehen. Ein Quetschflächenabschnitt 12, der eine Quetschfläche bildet, ist an einer äußeren Randseitige der stirnseitigen Oberfläche 10 vorgesehen, wobei die genannte äußere Randseite entfernt von der Brennkammermulde angeordnet ist. In der stirnseitigen Oberfläche 10 des Kolbens 1 ist entsprechend der vorliegenden Ausführungsform der Quetschflächenabschnitt 12 durch Quetschflächenabschnitte 12a, 12b, 12c und 12d gebildet.
Wärmeisolationsschicht
Wie in 3 gezeigt, umfasst der Kolben 1: einen Kolbenhauptkorpus 19, der einen Grundteil des Kolbens 1 bildet; und eine Wärmeisolationsschicht 21, die auf einer stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 mit Blick auf eine Reduzierung der Kühlungsverluste der Brennkammer des Motors E vorgesehen ist.
Der Kolbenhauptkorpus 19 ist aus einer Aluminiumlegierung gefertigt, die einer T7-Behandlung oder einer T6-Behandlung unterworfen wird. Die stirnseitige Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 umfasst: eine Muldenoberfläche 11', die den Muldenabschnitt 11 bildet; und eine Quetschflächenoberfläche 12', die den Quetschflächenabschnitt 12 bildet.
Wie in 4 gezeigt, ist die Wärmeisolationsschicht 21 eine Schicht, die Hohlteilchen 31 und ein Bindemittel 32 umfasst.
Insbesondere umfasst die Wärmeisolationsschicht 21 das Bindemittel 32 und eine große Anzahl an Hohlteilchen 31, die in dem Bindemittel 32 verteilt bzw. eingelagert sind. Das Bindemittel 32 hält die Hohlteilchen 31 an der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 und füllt Zwischenräume zwischen den Hohlteilchen 31 und bildet hierdurch ein Grundmaterial der Wärmeisolationsschicht 21. Das Bindemittel 32 ist beispielsweise ein Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise ein Harz auf Silikonbasis, und die Innenräume der Hohlteilchen 31 beinhalten Luft, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt. Hierdurch ist die Wärmeisolationsschicht 21 eine Schicht mit niedriger Wärmeleitfähigkeit.
Für die Hohlteilchen 31 können vorzugsweise Hohlteilchen auf Keramikbasis umfassend eine Oxidkomponente auf Siliziumbasis (wie beispielsweise Siliziumdioxid (SiO₂)) oder eine Oxidkomponente auf Aluminiumbasis (wie beispielsweise Dialuminiumtrioxid (Al₂O₃)) genommen werden, wobei Beispiele hierzu Siliziumoxid- bzw. Siliziumdioxid-Ballone Glasballone, Vulkanasche(Shirasu)-Ballone, Flugascheballone und Aerogelballone umfassen. Insbesondere können vorteilhafterweise Glaskugeln bzw. -ballone genommen werden. Hierdurch kann die Wärmeleitung der Wärmeisolationsschicht 21 reduziert und die Festigkeit der Wärmeisolationsschicht 21 verbessert werden.
Die Hohlteilchen 31 sind vorzugsweise kugelförmig. Mit Blick auf die Verbesserung der wärmeisolierenden Eigenschaft der Wärmeisolationsschicht 21 ist ein mittlerer Durchmesser der Hohlteilchen 31 vorzugsweise 5 oder mehr µm und 50 oder weniger µm, weiter vorzugsweise 10 oder mehr µm und 45 oder weniger µm und insbesondere vorteilhafterweise 15 oder mehr µm und 40 oder weniger µm. Mit Blick auf die Verbesserung der wärmeisolierenden Eigenschaft der Wärmeisolationsschicht 21 beträgt der Anteil der Hohlteilchen 31, die in der Wärmeisolationsschicht 21 enthalten sind, vorzugsweise 5 oder mehr Masse% und 50 oder weniger Masse%, weiter vorzugsweise 10 oder mehr Masse% und 45 oder weniger Masse% und insbesondere vorteilhafterweise 15 oder mehr Masse% und 40 oder weniger Masse%.
Harz auf Silikonbasis, das ein Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit ist, kann als das Bindemittel 32 verwendet werden. Beispielsweise kann ein Harz auf Silikonbasis, das durch ein dreidimensionales Polymer mit einem hohen Verzweigungsgrad gebildet ist, vorzugsweise verwendet werden, wobei typische Beispiele hierzu Methylsilikonharz und Methylphenylsilikonharz umfassen. Ein spezielles Beispiel eines solchen Harzes auf Silikonbasis ist Polyalkylphenylsiloxan. Hierdurch kann die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeisolationsschicht 21 reduziert werden und es kann eine exzellente Haftung zwischen der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 und der Wärmeisolationsschicht 21 realisiert werden.
Die Wärmeisolationsschicht 21 der vorliegenden Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass eine Dicke der Wärmeisolationsschicht 21b, die an der Quetschflächenoberfläche 12' vorgesehen ist, kleiner als eine Dicke der Wärmeisolationsschicht 21a ist, die an der Muldenoberfläche 11' vorgesehen ist. Insbesondere beträgt die Dicke der Wärmeisolationsschicht 21b der Quetschflächenoberfläche 12' beispielsweise 5 oder mehr % und 50 oder weniger % der Dicke der Wärmeisolationsschicht 21a der Muldenoberfläche 11', vorzugsweise 20 oder mehr % und 60 oder weniger %, weiter vorzugsweise 25 oder mehr % und 55 oder weniger %, und insbesondere vorteilhafterweise 30 oder mehr % und 50 oder weniger %.
Mit Blick auf die Erzielung einer exzellent wärmeisolierenden Eigenschaft ist es wünschenswert, dass die Wärmeisolationsschicht 21 dick ist. Allerdings können durch das Auftreten des oben erläuterten Klopfens Risse in der Wärmeisolationsschicht 21 in der Quetschfläche erzeugt werden. Je dicker die Wärmeisolationsschicht 21 ist, desto tiefer werden die Risse. Hierdurch können sich Rissabschnitte in der Nähe der Oberfläche der Wärmeisolationsschicht 21 ausbreiten. Daraufhin tritt ein Abschälen der Wärmeisolationsschicht 21 von den groß gewordenen Rissabschnitten auf. Folglich geht die wärmeisolierende Eigenschaft verloren.
Gemäß der vorliegenden Konfiguration wird die Wärmeisolationsschicht 21a mit einer angemessenen Dicke auf der Muldenoberfläche 11' ausgebildet, die eine stark wärmeisolierende Eigenschaft benötigt, während die Wärmeisolationsschicht 21b mit einer Dicke, die etwa die Hälfte oder weniger der Dicke der Wärmeisolationsschicht 21a auf der Muldenoberfläche 11' beträgt, auf der Quetschflächenoberfläche 12' ausgebildet wird. Hierdurch können die Risse, die sich auf der Wärmeisolationsschicht 21b der Quetschflächenoberfläche 12' bilden, klein gehalten werden und die Beschädigungen und das Abschälen der Wärmeisolationsschicht 21b können unterdrückt werden, während gleichzeitig eine exzellent wärmeisolierende Eigenschaft über die gesamte stirnseitige Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 erzielt wird.
Mit Blick auf das Erzielen der exzellent wärmeisolierenden Eigenschaft, beträgt die Dicke der Wärmeisolationsschicht 21a auf der Muldenoberfläche 11' vorzugsweise 40 oder mehr µm und 150 oder weniger µm, weiter vorzugsweise 50 oder mehr µm und 120 oder weniger µm, und insbesondere vorzugsweise 60 oder mehr µm und 100 oder weniger µm.
Mit Blick auf das Verhindern von Beschädigungen und eines Abschälens der Wärmeisolationsschicht 21b bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der wärmeisolierenden Eigenschaft, beträgt die Dicke der Wärmeisolationsschicht 21b auf der Quetschflächenoberfläche 12' vorzugsweise 15 oder mehr µm und 100 oder weniger µm, weiter vorzugsweise 25 oder mehr µm und 75 oder weniger µm, und insbesondere vorzugsweise 30 oder mehr µm und 50 oder weniger µm.
Die Dicke der Wärmeisolationsschicht 21, die auf der stirnseitigen Oberfläche außerhalb der Muldenoberfläche 11' und der Quetschflächenoberfläche 12' vorgesehen ist, kann etwa gleich der Dicke der Wärmeisolationsschicht 21a auf der Muldenoberfläche 11' oder kleiner als die Dicke der Wärmeisolationsschicht 21a auf der Muldenoberfläche 11' und größer als die Dicke der Wärmeisolationsschicht 21b auf der Quetschflächenoberfläche 12' sein. Wie in 3 gezeigt, kann beispielsweise die Dicke der Wärmeisolationsschicht 21, die auf der stirnseitigen Oberfläche außerhalb der Muldenoberfläche 11' und der Quetschflächenoberfläche 12' vorgesehen ist, schrittweise bzw. graduell zu der Quetschflächenoberfläche 12' hin abnehmen. Hierdurch kann eine exzellent wärmeisolierende Eigenschaft über die gesamte stirnseitige Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 erzielt werden.
Wie in 5 gezeigt, kann ferner die Dicke der Wärmeisolationsschicht 21b an der Quetschflächenoberfläche 12' schrittweise bzw. graduell zu einem Endabschnitt der Quetschflächenoberfläche 12' hin abnehmen, wobei der genannte Endabschnitt an einer äußeren Randseite der Brennkammer angeordnet ist. Hierdurch können Beschädigungen und ein Abschälen der Wärmeisolationsschicht 21 effektiv unterdrückt werden, während gleichzeitig die exzellent wärmeisolierende Eigenschaft über die gesamte stirnseitige Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 erzielt wird.
Verfahren zum Ausbilden der Wärmeisolationsschicht
Der Kolbenhauptkorpus 19 und das wärmeisolierende Material zum Ausbilden der Wärmeisolationsschicht 21 werden zunächst vorbereitet.
An der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 wird eine Ausnehmung zum Bilden der Mulde ausgebildet, und Rückstände bzw. Verschmutzungen wie beispielsweise Öl und Fingerabdrücke, die an der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 anhaften, werden durch eine Entfettungs-Behandlung entfernt.
Durch Rühren und Mixen von flüssigem Silikonharz als Bindemittel 32 und Glasballonen als Hohlteilchen 31 wird ferner das wärmeisolierende Material zubereitet. Die Viskosität des wärmeisolierenden Materials wird durch die Zugabe eines Verdickungsmittels oder eines Verdünnungsmittels wie benötigt eingestellt.
Um die Haftkraft zwischen dem Kolbenhauptkorpus 19 und dem wärmeisolierenden Material, insbesondere dem Silikonharz, zu erhöhen, ist es vorteilhaft, die stirnseitige Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 einer die Oberfläche auffallenden Behandlung zu unterziehen. Als die Oberfläche aufrauende Behandlung kann vorteilhafterweise eine Bestrahl-Behandlung wie beispielsweise Sandstrahlen ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Bestrahlungsbehandlung durch ein Luftstrahlgerät unter Verwendung von Aluminiumoxiden mit einer Partikelgröße Nr. 30 als Schleifmaterial ausgeführt werden, wobei die Behandlungsbedingungen einen Druck von 0,39 MPa, eine Zeit von 45 Sekunden und eine Beabstandung von 100 mm umfassen können. Allerdings ist die Oberflächen aufrauende Behandlung nicht hierauf beschränkt. Falls der Kolbenhauptkorpus 19 aus einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, können feine Unstetigkeiten bzw. Aufrauungen an der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 durch eine Alumitbehandlung ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Alumitbehandlung unter Verwendung eines Oxalsäurebads ausgeführt werden, wobei die Behandlungsbedingungen eine Badtemperatur von 20°C, eine Stromdichte von 2 A/dm2 und eine Zeit von 20 Minuten umfassen können
Hiernach wird das wärmeisolierende Material auf die stirnseitige Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 durch Sprühen, Streichen oder in ähnlicher Weise aufgebracht. In einem nächsten Schritt wird das aufgebrachte, wärmeisolierende Material einer Vortrocknung durch Heißlufttrocknen, einen Infrarottrockner oder dergleichen unterworfen.
Das oben genannte Auftragen und Vortrocknen des wärmeisolierenden Materials wird wiederholt (Wiederaufbringen/Wiedervortrocknen) so oft wie benötigt, um eine gewünschte Auftragsdicke zu erzielen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform unterscheiden sich die Dicke der Wärmeisolationsschicht 21 auf der Muldenoberfläche 11' des Kolbenhauptkorpus 19 und die Dicke der Wärmeisolationsschicht 21 auf der Quetschflächenoberfläche 12' des Kolbenhauptkorpus 19 voneinander. Dies wird dadurch realisiert, dass die Anzahl der Wiederholungen des Auftragens/Vortrocknens des Wärmeisolationsmaterials auf die Muldenoberfläche 11' größer gewählt wird als die Anzahl der Wiederholungen des Auftragens/Vortrocknens des wärmeisolierenden Materials auf die Quetschflächenoberfläche 12'.
Insbesondere wird, nachdem das Auftragen/Vortrocknen auf der gesamten stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 ausreichend oft wiederholt wurde, beispielsweise eine Abdeckung nur auf der Quetschflächenoberfläche 12' vorgenommen und eine weitere Anzahl an Wiederholungen des Aufbringens/Vortrocknens auf die Muldenoberfläche 11' und andere Oberflächen als die Quetschflächenoberfläche 12' ausgeführt. Dabei ist zu erwähnen, dass das genannte Abdecken unter Verwendung eines Abdeckbandes oder eines Abdeckfilms auf Harzbasis ausgeführt werden kann. Die vorgenannte Abdeckung kann dann durch eine nachfolgend erläuterte Wärme- bzw. Backbehandlung ausgebrannt werden.
Falls ferner die Dicke der Wärmeisolationsschicht 21b auf der Quetschflächenoberfläche 12' schrittweise bzw. graduell zu dem Endabschnitt, der an der äußeren Randseite der Brennkammer angeordnet ist, abnehmen soll, kann die Sprayrichtung entsprechend gesteuert werden. Insbesondere wird beispielsweise die Position und Richtung einer Spraydüse derart gewählt, dass das wärmeisolierende Material von der Seite der Muldenoberfläche 11' zur Seite der Quetschflächenoberfläche 12' hin abgegeben wird. Hierdurch wird die Menge des anhaftenden wärmeisolierenden Materials an der Position der Quetschflächenoberfläche 12' groß, die nahe an der Düse liegt, d.h. an der Seite der Muldenoberfläche 11' liegt, während die Menge des anhaftenden wärmeisolierenden Materials an dem Endabschnitt, der von der Düse weiter entfernt ist, d.h. an der äußeren Randseite der Brennkammer liegt, klein wird. Dementsprechend wird eine Wärmeisolationsschicht 21b, deren Dicke zu dem genannten Endabschnitt hin graduell abnimmt, auf der Quetschflächenoberfläche 12' erzielt.
Als nächstes wird das wärmeisolierende Material, das auf die stirnseitige Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 aufgebracht wurde, beispielsweise einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 180°C für einige Stunden bis einige zehn Stunden unterworfen. Hierdurch wird das Silikonharz (Bindemittel) getrocknet bzw. ausgehärtet und die Wärmeisolationsschicht 21, in der eine große Zahl an Hohlteilchen 31 in dichter Füllung vorliegen und das Bindemittel 32 in die Räume zwischen den Teilchen gefüllt ist, erhalten.
Ein Beispiel für das Verfahren zum Auftragen des Wärmeisolationsmaterials umfasst: das wärmeisolierende Material wird auf der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 platziert; und, durch Verwendung einer Gussform, die eine Gussformoberfläche entsprechend der Form der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 aufweist, das wärmeisolierende Material wird gegen die Kolbenstirnseite gedrückt, um sich auf der gesamten Stirnseite auszubreiten. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Gussformoberfläche der Gussform derart ausgebildet sein, dass die Dicke der Wärmeisolationsschicht 21b auf der Quetschflächenoberfläche 12' kleiner wird als die Dicke der Wärmeisolationsschicht 21a auf der Muldenoberfläche. Um ferner, wie in 5 gezeigt, die Wärmeisolationsschicht 21b auszubilden, deren Dicke graduell zu dem Endabschnitt der Quetschflächenoberfläche 12' hin abnimmt, kann ein Abschnitt der Gussform, der der Quetschflächenoberfläche 12' entspricht, mit einer Neigung bzw. Schrägfläche versehen werden. Entsprechend diesem Verfahren kann durch Beheizen der Gussform während des Gussvorgangs gleichzeitig die Wärmeisolationsschicht 21 „gebacken“ bzw. ausgehärtet werden. Hierdurch kann der Herstellprozess für die Wärmeisolationsschicht 21 vereinfacht werden. Wenn das Aushärten der Wärmeisolationsschicht 21 gleichzeitig ausgeführt wird, kann ferner der Kolbenhauptkorpus 19 gekühlt werden, beispielsweise durch Ausführen einer Wasserkühlung oder einer Luftkühlung von einer Innenseite eines Kolbenmantels her. Hierdurch kann die Haftung zwischen der Wärmeisolationsschicht 21 und der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus 19 verbessert werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Bildung großer Risse an der Wärmeisolationsschicht vermieden und Beschädigungen und ein Abschälen der Wärmeisolationsschicht unterdrückt werden, während die Wärmeisolationsschicht auf der Quetschflächenoberfläche der stirnseitigen Oberfläche des Kolbenhauptkorpus ausgebildet wird. Die vorliegende Erfindung ist daher äußerst nützlich.
Bezugszeichenliste

1: kOLBEN
2: Zylinderblock
3: Zylinderkopf
4: Einlassventil
5: Einlassöffnung
6: Auslassventil
7: Auslassöffnung
8: Einspritzeinrichtung
9: Zündkerze
10: stirnseitige Oberfläche
11: zurückgesetzter Muldenabschnitt
11’: Muldenoberfläche
12: Quetschflächenabschnitt
12a, 12b, 12c, 12d: Quetschflächenabschnitte
12’: Quetschflächenoberfläche
19: Kolbenhauptkorpus
21, 21a, 21b: Wärmeisolationsschicht
31: Hohlteilchen
32: Bindemittel
E: Motor

Claims

Wärmeisolationsstruktur für eine Brennkammer eines Motors, wobei die Wärmeisolationsstruktur derart ausgebildet ist, dass eine Wärmeisolationsschicht (21) auf einer stirnseitigen Oberfläche (10) eines Kolbenhauptkorpus (19), die die Brennkammer des Motors (E) begrenzt, vorgesehen ist, wobei: die stirnseitige Oberfläche (10) des Kolbenhauptkorpus (19) umfasst eine Muldenoberfläche (11'), die eine Mulde der Brennkammer bildet, sowie eine Quetschflächenoberfläche (12'), die eine Quetschfläche der Brennkammer bildet; und eine Dicke der Wärmeisolationsschicht (21b), die auf der Quetschflächenoberfläche (12') vorgesehen ist, 5 oder mehr % und 50 oder weniger % einer Dicke der Wärmeisolationsschicht (21a), die auf der Muldenoberfläche (11') vorgesehen ist, beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Wärmeisolationsschicht (21b), die auf der Quetschflächenoberfläche (12') vorgesehen ist, zu einem Endabschnitt der Quetschflächenoberfläche (12') hin, welcher Endabschnitt an einer äußeren Randseite der Brennkammer angeordnet ist, graduell abnimmt.
Wärmeisolationsstruktur gemäß Anspruch 1, wobei die Wärmeisolationsschicht (21) umfasst: eine große Anzahl an Hohlteilchen (31); und ein Bindemittel (32), das die Hohlteilchen (31) an der stirnseitigen Oberfläche (10) des Kolbenhauptkorpus (19) hält und Zwischenräume zwischen den Hohlteilchen (31) füllt sowie ein Grundmaterial der Wärmeisolationsschicht (21) bildet.
Wärmeisolationsstruktur gemäß Anspruch 2, wobei das Bindemittel (32) ein Harz auf Silikonbasis ist.
Wärmeisolationsstruktur gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Hohlteilchen (31) Glasballone sind.
Wärmeisolationsstruktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: die Dicke der Wärmeisolationsschicht (21a), die auf der Muldenoberfläche (11') vorgesehen ist, 60 oder mehr µm und 100 oder weniger µm beträgt; und die Dicke der Wärmeisolationsschicht (21b), die auf der Quetschflächenoberfläche (12') vorgesehen ist, 30 oder mehr µm und 50 oder weniger µm beträgt.