DE3404284A1

DE3404284A1 - Kolben fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3404284A1
Application number: DE19843404284
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. Dr. 7107 Neckarsulm Mielke
Original assignee: Kolbenschmidt AG
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1984-02-08
Filing date: 1984-02-08
Publication date: 1985-08-08
Also published as: GB8500389D0; FR2559212A1; GB2156038B; GB2156038A; FR2559212B1; US4694813A

Description

Kolben für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen mit einer auf den Kolbenboden durch Plasma- oder Flammspritzen aufgetragenen schützenden Deckschicht aus einem Werkstoff mit vergleichsweise kleinem Wärmeleitkoeffizienten von vorzugsweise χ ^ 2 W/mK.

Die Forderungen nach niedrigerem Kraftstoffverbrauch und geringerer Schadstoffemission in den Abgasen von Brennkraftmaschinen haben z.B. bei Dieselmotoren zu einer Steigerung des effektiven Mitteldrucks (Leistung, Drehmoment) geführt, der in vielen Fällen durch Abgasturboaufladung erreicht wird. Die infolge der hohen spezifischen Motorleistung auftretende thermische Belastung des Kolbens zwingt aus Festigkeits- und Funktionsgründen zu verstärkter Anwendung von Kolbenkühlung. Dem widerspricht andererseits jedoch die Forderung, die Abgabe von Verlustwärme aus dem Verbrennungsprozeß an das Kühlmittel und das Schmieröl zu verringern. Dafür gibt es folgende Gründe:

Schmierölmenge, Kühlmittelmenge und Kühlergröße können verringert werden. Weniger Leistung geht zum Antrieb des Lüfters verloren;

durch Nutzung der erhöhten Abgastemperatur mit dem Turboverbundsystem kann der Kraftstoffverbrauch verringert werden;

durch bessere Verdampfung des auf dem heißen Kolbenboden wandverteilten Kraftstoffs kann die Abgasqualität, vor allem in der Warmlaufphase, verbessert werden.

Die angestrebte Begrenzung bzw. Verringerung der über das Kühlmittel abzuführenden Verlustwärme führt andererseits aber zu hoher thermischer Belastung des Kolbenbodens, so daß dieser thermisch isoliert werden muß.

Zur Verwirklichung eines thermisch isolierten Kolbenbodens sind bereits mehrere Lösungen vorgeschlagen worden. So ist eine auf einem Aluminiumkolben aufbauende Konstruktion mit aufgeschraubtem, gegenüber der Basis durch Stahlscheiben isoliertem Keramikboden von "Stang, J.H.: Designing Adiabatic Engine Components, SEA 780 069" beschrieben und untersucht worden. Mit einem derartigen Aluminiumkolben können Temperaturen um 900 ⁰C am Kolbenboden erreicht werden. Die Problempunkte dieser sogenannten heißen Lösung liegen allerdings in den Herstellungskosten eines den Festigkeitsanforderungen genügenden Keramikoberteils sowie in dem relativ großen, die Abgaszusammensetzung negativ beeinflussenden Totvolumen oberhalb des ersten Kolbenrings.

Zur thermischen Isolierung des Bodens von Kolben für Brennkraftmaschinen ist ferner eine schützende Deckschicht auf der Basis von Zirkoniumoxid, Zirkoniumsilikat, Cermets oder dergl. vorgesehen, die durch Plasma- oder Flammspritzen in einer Schichtdicke von 0,5 bis 3 mm aufgetragen wird und deren Oberfläche eine Rauhtiefe von 50 bis 100 yum aufweist.

Ein wesentlicher Nachteil dieser thermisch isolierend wirkenden Deckschicht besteht darin, daß die Haftung auf den den Kolben bildenden Werkstoffen nicht in allen Be-

lastungsfällen gewährleistet ist, um bei hinreichend großer Schichtdicke genügend lange Standzeiten bis zum Abplatzen zu garantieren. Ursächlich hierfür sind die hohen thermischen Belastungen der Deckschicht/ insbesondere die häufigen Temperaturwechsel, mit der Folge allmählicher Entfestigung und Rißbildung sowie der große, entsprechend hohe Spannungen erzeugende, Temperaturgradient in der Deckschicht selbst.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei dem eingangs beschriebenen Kolben für Brennkraftmaschinen die auf den Kolben durch Plasma- oder Flammspritzen aufgetragene Deckschicht so auszubilden, daß deren Haftfestigkeit deutlich erhöht und damit ihre Standzeit bis zum Abplatzen erheblich verlängert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Rauhtiefe R_t der Oberfläche der eine Dicke von 0,5 bis 2 mm aufweisenden Deckschicht nur 5 bis 30 /um, vorzugsweise 10 bis 25/am beträgt. Das bedeutet, daß praktisch keine Rauheitsspitzen vorhanden sind und eine Rauhtiefe vorliegt, die derjenigen feinstbearbeiteter Oberflächen entspricht. Dabei ist allerdings eine Welligkeit der Oberfläche als Gestaltabweichung zweiter Ordnung zulässig.

Zweckmäßigerweise besteht die Deckschicht aus teil- oder vollstabilisiertem Zirkoniumoxid.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Morphologie der Oberfläche der Deckschicht wird in vorteilhafter Weise zumindest eine Verdoppelung ihrer Standzeit erreicht; denn ihre thermische Belastung ist infolge der Verkleinerung der Größe der wärmeübertragenden Oberfläche deutlich verringert und damit ihre Belastbarkeit erhöht. Infolge der vergleichsweise glatteren Oberfläche der Deckschicht werden auch die Turbulenzen in der an die Deckschicht angren-

zenden Gasschicht soweit herabgesetzt, daß sich infolgedessen bereits im Verbrennungsgas ein Temperaturgefälle ausbildet. Zusätzlich entstehen in den Tälern stationäre Gaspolster, die ebenfalls thermisch isolierend wirken. Letzlich wird auch die Wärmeleitzahl der Deckschicht erniedrigt und dabei eine bessere Wirksamkeit erzielt.

Für die Herstellung der erfindungsgemäß ausgebildeten Oberfläche der Deckschicht können alle üblichen Feinbearbeitungsverfahren für Oberflächen in Betracht gezogen werden, sofern es dabei nicht zu einer Punktbelastung der Deckschicht kommt.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in Vorderansicht und in einem durch die Druck-Gegendruck-Ebene gelegten Teillängsschnitt einen aus einer Aluminiumlegierung gegossenen Leichtmetallkolben auf dessen Kolbenboden 2 eine 1,5 mm dicke aus Zirkoniumoxid bestehende Deckschicht 1 durch herkömmliches Plasmaspritzen aufgetragen ist.

In Fig. 2 ist das Rauheitsprofil der Oberfläche der Deckschicht 1 vor und in Fig. 3 nach der Feinbearbeitung dargestellt, wobei über den Profilen die Rauheitsmeßgrößen R„ (gemittelte Rauhtiefe), R₂₃ (maximale Rauhtiefe), R₇, (Mittelrauwert) sowie R. (Rauhtiefe) angegeben sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Kolben für Brennkraftmaschinen mit einer auf dem Kolbenboden durch Plasma- oder Flammspritzen aufgetragenden schützenden Deckschicht aus einem Werkstoff mit vergleichsweise kleinem Wärmeleitkoeffizienten, vorzugsweise /\ =2 W/mK, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhtiefe der Oberfläche der eine Dicke von 0,5 bis 2 mm aufweisenden Deckschicht (1) nur 5 bis 30 yum, vorzugsweise 10 bis 25yum beträgt.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (1) aus teil- oder vollstabilisiertem Zirkoniumoxid besteht.