EP3097300A1 - Kolben für eine kolbenmaschine - Google Patents

Kolben für eine kolbenmaschine

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Publication number
EP3097300A1
EP3097300A1 EP15700590.1A EP15700590A EP3097300A1 EP 3097300 A1 EP3097300 A1 EP 3097300A1 EP 15700590 A EP15700590 A EP 15700590A EP 3097300 A1 EP3097300 A1 EP 3097300A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
layer
heat
layer stack
stack
Prior art date
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Granted
Application number
EP15700590.1A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP3097300B1 (de
Inventor
Tobias KAUDEWITZ
Aiko Mork
Ralf RABLBAUER
Martin Schüttenhelm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Priority to EP19193660.8A priority Critical patent/EP3608532A1/de
Publication of EP3097300A1 publication Critical patent/EP3097300A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3097300B1 publication Critical patent/EP3097300B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12—Pistons  having surface coverings on piston heads
    • F02F3/14—Pistons  having surface coverings on piston heads within combustion chambers

Definitions

  • the invention relates to a piston for a piston engine, in particular a
  • a piston As a piston is referred to in mechanical engineering, a movable component which forms a closed combustion chamber together with a fixed component, the cylinder whose volume can be changed by movement of the piston.
  • a simple embodiment of this arrangement is a piston which dips into a correspondingly shaped housing. The respective position of the piston in the housing thus determines the size of the combustion chamber.
  • piston engines Machines in which pistons are used are called piston engines.
  • piston engines The most widely used piston engines today are motor vehicle engines, in particular gasoline and diesel engines.
  • the piston must transmit the gas forces of the fuel gas to the connecting rod in the case of car-to-car engines.
  • Cylinder temperatures from 650 ° C to about 1100 C and effective mean pressures up to about 2000 kPa. Such conditions in conjunction with faster thermal
  • Cycle stress caused by the in-cylinder combustion process creates a demanding environment for engine parts inside the cylinder.
  • a corrosion on the piston crown and on the other hand a heat dissipation from the combustion chamber it makes sense to coat parts of the piston with insulating materials.
  • the coating described in DE 196 03 515 C1 contains other alloying elements and impurities, in particular chromium, silicon and carbon.
  • DE 10 2006 007 148 A1 discloses a piston which comprises an iron-aluminum-chromium alloy in order to improve the physical and mechanical properties of the piston, in particular with regard to the strength at higher temperatures.
  • EP 0 663 020 B1 envisages the application of a thermal barrier coating of a metal-bonding coating, a metal / ceramic layer applied thereto and a ceramic composite covering layer applied thereto to a piston to protect the piston from rapid thermal cycling.
  • the document DE 36 22 301 A1 discloses a piston in which the entire piston crown and also a region of the piston skirt is coated with a heat-insulating layer of asbestos. It is further proposed to apply to the heat-insulating layer, a heat-resistant, yet heat-conductive layer on the heat-insulating layer to store the heat accumulating in the combustion chamber in this layer.
  • the document EP 0 321 159 A2 shows a built-up piston with a heat-insulating component of potassium titanate whisker, zirconia fibers, carbon fibers or alumina fibers facing the combustion chamber.
  • the component is completely made of one layer Surround silicon nitride or silicon carbide, which is applied by vapor deposition.
  • the invention is based on the object to solve the problems of the prior art, or at least to reduce and to further increase the insulating effect.
  • a piston is to be provided, which achieves a reduction of temperature peaks.
  • the invention relates to a piston for a piston engine, wherein the piston comprises a arranged on a piston head of the piston layer stack.
  • the layer stack comprises at least one first layer, which directly or indirectly adjoins the surface of the piston crown and comprises a heat-insulating material, and a second layer which directly or indirectly adjoins the first layer and which contains a heat-conducting material.
  • Efficiency of the internal combustion engine is particularly increased by the fact that less heat is removed from the combustion chamber or the cylinder chamber.
  • higher temperatures prevail than are known from the prior art. Higher temperatures in turn lead to a higher efficiency.
  • a temperature increase in the combustion chamber has a positive effect on the exhaust gas treatment, since the exhaust gases also have a higher temperature and thus lead to an accelerated heating of the catalysts.
  • the layer stack according to the invention provides on the piston crown for insulation and / or corrosion protection of the piston surface or of the piston.
  • the second layer in contrast to the heat-insulating and thus insulating function of the first layer, has the function of harmonizing the temperature on the surface of the piston crown. That is, the heat-conducting material of the second layer advantageously provides a temperature compensation on the surface of the layer stack and thus on the surface of the piston crown. This in turn leads to a reduction of locally limited
  • a piston according to the invention is advantageously used in piston engines.
  • Piston machines are fluid-energy machines in which a displacer defines a periodically changing working space by means of its movement.
  • the displacer is a piston, which may for example have a cylindrical shape.
  • the reciprocating engine is understood as meaning both a rotary piston engine, which for example has a disk piston, and a reciprocating piston engine, in particular a cylindrical piston.
  • the region of the piston which faces the combustion chamber and thus is in contact with the fluid is referred to in the present invention as the piston head.
  • this piston crown is a cover side with a round shape, which is arranged on a cylindrical circumferential side wall, the piston skirt.
  • the piston head in turn can have many forms. Thus, both planar and concave or convex curved shapes of the piston crown are possible in the present invention.
  • the piston head can have depressions and elevations, for example in the form of lugs, which are embedded in and / or protrude from the piston head.
  • the piston described in the present invention, in particular piston crowns are at least partially made of a light metal alloy or a steel, wherein
  • Light metal alloys are preferred as the piston material. Under light alloy are basically all conceivable light metal alloys to understand. However, aluminum alloys, in particular aluminum-silicon alloys with varying aluminum contents up to hypereutectic concentrations, are preferred in the present invention.
  • a layer stack is arranged on the surface, in particular on the light metal alloy, of the piston head of a piston described herein. Below is one
  • Layers are basically functional layers, ie those which change, in particular improve, at least one physical property of the surface of the piston crown.
  • the core of the present invention thus lies in the combination of heat-insulating or heat-conducting properties of the layers. These can be defined via the thermal resistance R th or its reciprocal, the thermal conductivity ⁇ . R, h results from the quotient of temperature difference ⁇ and heat flow Q v .
  • thermally conductive materials are understood in particular to be those which have a thermal conductivity ⁇ > 50 W / mK, in particular ⁇ > 100 W / mK.
  • heat-insulating materials in the present invention are distinguished by a thermal conductivity ⁇ ⁇ 15 W / mK, in particular ⁇ ⁇ 3 W / mK.
  • a diameter d s of the layer stack is smaller than a diameter d of the piston crown.
  • the layer stack has a diameter d s which corresponds to more than 90%, preferably more than 95%, in particular more than 98% of the diameter d K.
  • this has the advantage that the layer stack and in particular the heat-conducting layer do not interfere with the edge of the piston crown, in particular not with the
  • the heat-insulating material of the first layer comprises a technical ceramic or an intermetallic compound.
  • the heat-insulating material of the first layer comprises a technical ceramic or an intermetallic compound.
  • Technical ceramics or industrial or high-performance ceramics are materials that are optimized in terms of their properties in terms of technical applications. They differ in particular to decorative ceramic or sanitary ceramics by the composition of the starting materials, the firing process and purity and
  • Intermetallic compounds, or intermetallic phases are homogeneous chemical compounds of two or more metals. They show in contrast to
  • Alloys Lattice structures that differ from those of the constituent metals. In their lattice, there is a mixed bond of a metallic bond fraction and lower atomic bonding or ion binding components, which can result in superstructures.
  • the presently preferred intermetallic compounds are based on
  • Iron aluminum such as FeAl (Cr, Nb, Zr, C, B) and / or Fe 3 Al (Cr, Nb, Zr, C, B). That is, depending on the ratio of iron and aluminum to each other, the intermetallic compound is composed of 50% to 95% by weight of iron, in particular 70% to 95% by weight of iron and 5% to 50% by weight. aluminum, in particular from 5% to 30% by weight of aluminum. With a mass fraction of in total 0 to 10 wt .-% based on the
  • the intermetallic compounds can contain further contents
  • Alloy elements and impurities in particular of chromium, niobium, zirconium, carbon and boron.
  • the technical ceramic comprises Y-stabilized zirconia (Zr (Y) 0 2), alumina (Al 2 0 3), spinel (AI 2 0 3 / MgO), mullite (Al 2 0 3 / Si0 2 )
  • Zirkonkorund Al 2 0 3 / Zr0 2
  • titanium oxide Ti0 2
  • silicon oxide Si0
  • ceramics with essential constituents of said oxides
  • intermetallic compounds is common that they are next to a particularly high
  • the heat-conducting material of the second layer comprises a metal and / or a thermally conductive ceramic, since these have in particular ⁇ of thermal conductivity ⁇ > 50 W / mK.
  • the heat-conductive material beryllium, aluminum, copper, silver, silicon, molybdenum, tungsten, Carbon, beryllium oxide, beryllium nitrite, silicon nitrite and / or silicon carbide and
  • thermal conductivity ⁇ > 100 W / mK.
  • the materials mentioned are particularly well suited to achieve a particularly rapid and uniform temperature distribution on the surface of the piston crown and thus, in particular locally limited,
  • Temperature maxima on the surface of the piston crown so there can be distributed very quickly over the entire surface of the piston crown and thus reduced the prevailing very high temperature. Temperature peaks occur in this context, in particular when the temperature in areas of a surface abruptly increased by more than 50 C, in particular by more than 100 C with respect to the average surface temperature and thus produces a high temperature gradient.
  • an adhesion promoter layer is arranged between the surface of the piston crown and the first layer and / or between the first layer and the second layer.
  • Adhesion promoters are substances which are used to directly and / or indirectly increase the adhesive strength of composites. In this case, the adhesive strength between the functional layer and the surface of the piston crown or between functional layers with one another can be increased.
  • the adhesion of coatings is defined as the measure of the resistance of a coating to its mechanical separation from the substrate. In the direct case, this means that an improved adhesive strength of the functional layer on the surface of the piston crown or an improved adhesive strength of the second layer on the first layer with one another means that they can be separated from each other by external influences worse. As an external influence can in this
  • the occurrence of strong temperature fluctuations can be understood. If, for example, the arranged first layer expands more strongly than the composite partner, that is to say as the light metal alloy or the second layer, for example, shearing forces arise at the connection point.
  • the primer layer can act as a corrosion protection layer and thus indirectly increase the bond strength of the composite.
  • the arrangement of a bonding agent can advantageously to increase the
  • the adhesion promoter layer preferably comprises an Fe 3 Al, FeAl, FeAl / Fe 3 Al, NiCr, NiCrAl, NiCrAlY, FeCrAlY, CuCrAlY alloy and / or an FeAl (Cr, Nb, Zr) intermetallic compound.
  • the individual layers may have a gradient relative to the layer composition. If, for example, individual layers of mixtures and / or several constituents come together, the ratio of these to one another within the relevant layer can vary.
  • the piston head has a depression and the layer stack is arranged within the depression.
  • a region of the piston crown is to be understood, which is lower than a surrounding surface of the piston crown.
  • a recess is thus a recess or a depression within the piston head, which is designed to at least partially accommodate a layer stack.
  • the diameter or the width of the depression corresponds at least to the width or the diameter of the layer stack, so that the layer stack is preferably arranged in the region of the depression and does not contact the surface of the piston crown beyond this region.
  • the layer stack is preferably arranged in the region of the depression and does not contact the surface of the piston crown beyond this region.
  • the layer stack completely arranged in the recess in the piston crown, and does not protrude above the surface level of the piston crown, but is flush with the peripheral edge of the piston crown. This ensures that the layer stack does not affect the flow pattern on the surface of the piston crown.
  • at least the second layer that is to say the layer which comprises the thermally conductive material, protrudes from the recess and / or has a diameter which is smaller than the diameter of the recess.
  • the second layer and in particular the heat-conducting material is not in contact with the surface of the piston surface. Such a contact would attenuate the heat-insulating effect of the lower, ie the first layer. The heat would be over the thermally conductive layer can be delivered to the piston head and passed through the piston from the combustion chamber.
  • Another aspect of the invention relates to a piston engine having a piston according to the present invention.
  • the piston engine according to the invention is characterized by a high efficiency, an efficient exhaust treatment and a very high
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a piston in a first
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a piston in a second
  • FIG. 3 schematically shows a detailed detail of a layer stack according to the invention on a piston bottom according to FIG. 2 or 3.
  • a preferred embodiment of the piston 10 according to the invention is based on a
  • Figure 1 shows a cylindrical piston 10 of a reciprocating motor not shown.
  • the piston 10 a cylindrically shaped piston skirt 14, on which a substantially planar circular piston head 1 1 is arranged.
  • the piston 10 further has circumferential grooves, which are formed to receive sealing elements, in particular piston rings.
  • the piston 10 is preferably made of a light metal alloy 15. Especially preferred are aluminum alloys, in particular aluminum-silicon alloys. Also usable as piston material are iron compounds, ie steels. In illustrated
  • the piston head 1 1 has a recess 12 in which a layer stack 20 is arranged.
  • the diameter d s of the layer stack 20 essentially corresponds to the diameter of the depression 12.
  • the diameter d s of the layer stack 20 is in the
  • the depth of the recess 12 corresponds in the embodiment shown, the height of the layer stack 20 so that it does not protrude from the recess 12 and the surface of the piston head 1 1 does not exceed.
  • the layer stack 20 is flush with the edge 12 surrounding the recess. A detailed structure of the layer stack 20 is explained in more detail in a detail drawing described below in FIG.
  • FIG. 10 The embodiment of a piston 10 shown in FIG.
  • FIG. 10 A further preferred embodiment of a piston according to the invention is shown in FIG.
  • the piston 10, which is likewise shown in a sectional drawing, is fundamentally constructed in the same way as the piston 10 shown in FIG. 1. It differs from the first embodiment in that the piston head 11 of the cylindrical piston 10 is not planar but has a depression 13 , On the piston head 1 1 of the second embodiment of the piston 10 shown in Figure 2, a functional layer stack 20 is arranged. In this case, the piston head 1 1 has no recess for receiving the layer stack 20.
  • the layer stack 20 has, as shown in Figure 1, a smaller diameter than the piston head 1 1. It thus forms a distance between
  • the peripheral edge of the piston head 1 1 preferably corresponds to less than 10%, in particular less than 5%, preferably less than 2% of the surface of the piston head 1 1.
  • the functional layer stack 20 shown in FIGS. 1 and 2 has both
  • FIG. 3 shows a device according to the invention
  • Light metal alloy 15 are preferably aluminum alloys, in particular to aluminum-silicon alloys.
  • a bonding agent 23 can be arranged on this light metal alloy 15.
  • the layer of adhesion promoter 23 preferably comprises materials which increase the adhesion between light metal alloy 15 and first layer 21.
  • materials are suitable which on the one hand increase the wettability of the light metal alloy 15 and on the other and in particular compensate for the structural differences between the light metal alloy 15 and the first layer 21. These are especially alloys on iron and steel
  • Aluminum base in particular Fe ; i Al, FeAl, FeAI / Fe 3 Al, NiCr, NiCrAI, NiCrAIY, FeCrAIY, CuCrAlY alloy preferred.
  • intermetallic compounds based on iron aluminum are suitable as adhesion promoters.
  • an alloy of iron and aluminum in particular chromium and / or niobium and / or zirconium, carbon and / or boron is added.
  • a suitable material used, for example, in the aerospace industry is a nickel-chromium-aluminum composition.
  • Bonding agents based on austenitic iron, nickel, cobalt alloys, as well as in addition with Cr, Al and Y (so-called MCrAlY layers) or with Hf, Ta or Si alloyed compounds can be used.
  • MCrAlY layers Spin-on adiene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrene-styrenetyl Y layers
  • Hf, Ta or Si alloyed compounds can be used.
  • adhesion promoters under the brand names Amdry ® 365, Amdry ® 386, Amdry ® 995, Amdry ® 962, Amperit ® 415, 443 or Metco Sulzer Metco ® are available 445th
  • the adhesion promoter 23 is applied significantly thinner compared to the following layers and preferably has thicknesses in the range of 0.1 mm to 0.2 mm, in particular between 0.1 mm and 0.15 mm.
  • a first layer 21 adjoins this bonding agent 23 or alternatively directly to the piston crown.
  • This first layer 21 is made of a material which has heat-insulating properties. Materials which have a thermal conductivity ⁇ ⁇ 15 W / mK, in particular ⁇ ⁇ 3 W / mK, are particularly preferred. Thermally insulating materials used are preferably technical ceramics and / or intermetallic compounds.
  • Y-stabilized zirconium oxide spinel, aluminum oxide corundum, mullite, titanium dioxide and silicon dioxide. It is preferred that these materials a
  • intermetallic compounds are those based on iron-aluminum alloys.
  • FeAl and Fe 3 Al are preferred, which added to a maximum of 10% of the total mass of the coating
  • the added materials are preferably chromium, niobium, zirconium, carbon or boron.
  • the thickness of the first layer 21 is in Dependence of the material on the ambient condition, in particular the
  • the first layer 21 has a thickness in the range of 0.02 mm to 5 mm, in particular in the range of 0.1 mm to 1.5 mm.
  • An additional layer of a bonding agent 24 is optionally arranged on the first layer 21.
  • This adhesion promoter basically has the same properties as the adhesion promoter 23 optionally arranged between the piston crown surface and the first layer.
  • adhesion promoter layers 23 and 24 can have the same design in one embodiment, but they can also vary within the described preferred limits, in particular in the composition and thickness of the layers.
  • a further functional layer, the second layer 22, is arranged on the first layer 21 or on the adhesion promoter 24 arranged on this first layer 21.
  • the second layer 22 comprises at least 70%, in particular at least 95%, preferably at least 98%, of a heat-conducting material.
  • This thermally conductive material is characterized by a thermal conductivity ⁇ , which is preferably> 50 W / mK, in particular> 100 W / mK.
  • Materials suitable for this purpose are, in particular, metals such as beryllium, aluminum, copper, molybdenum and tungsten, but also silicon and carbon, and compounds, in particular ceramics such as beryllium oxide, beryllium nitrite, silicon nitrite and silicon carbide.
  • the second layer 22 is preferably made thinner than the first layer 21.
  • Preferred thicknesses of the second layer 22 are in the range between 0.1 mm and 1 mm, particularly preferably between 0.05 mm and 0.8 mm.
  • the individual layers 21, 22, 23 and 24 of the layer stack 20 are preferably by means of
  • chemical and / or electrochemical processes such as painting, electroplating or the like.
  • the layer stack 20 has a heat-insulating, in particular insulating function by the heat-insulating properties of the first layer 21. Due to the very low thermal conductivity ⁇ of the applied through the first layer 21 thermally insulating

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (10) für eine Kolbenmaschine, wobei der Kolben (10) bereichsweise aus einem Stahl oder einer Leichtmetalllegierung (15) besteht und einen auf einem Kolbenboden (11) des Kolbens (10) angeordneten Schichtstapel (20) umfasst. Der Schichtstapel (20) umfasst zumindest eine an eine Oberfläche des Kolbenbodens (11) mittelbar oder unmittelbar anschließende, ein wärmedämmendes Material umfassende erste Schicht (21), sowie eine an die erste Schicht (21) mittelbar oder unmittelbar anschließende zweite Schicht (22), welche ein wärmeleitendes Material beinhaltet. Erfindungsgemäß ist ein Durchmesser (dS) des Schichtstapels (20) kleiner als ein Durchmesser (dK) des Kolbenbodens (11). Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine umfassend einen erfindungsgemäßen Kolben.

Description

Beschreibung
Kolben für eine Kolbenmaschine
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Kolbenmaschine, insbesondere einen
Hubkolbenmotor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Als Kolben bezeichnet man im Maschinenbau ein bewegliches Bauteil, das zusammen mit einem feststehenden Bauteil, dem Zylinder, einen abgeschlossenen Brennraum bildet, dessen Volumen durch Bewegung des Kolbens verändert werden kann. Eine einfache Ausführung dieser Anordnung ist ein Kolben, der in ein entsprechend geformtes Gehäuse eintaucht. Die jeweilige Stellung des Kolbens im Gehäuse bestimmt so die Größe des Brennraumes.
Maschinen, in denen Kolben zum Einsatz gelangen, nennt man Kolbenmaschinen. Die heute am weitesten verbreiteten Kolbenmaschinen stellen Kraftfahrzeugmotoren, insbesondere Otto- und Dieselmotoren, dar.
Die am häufigsten angewandten Werkstoffe für derartige Kolben sind Aluminium und Stahl. Der Kolben muss bei K raf tf a h rzeu g m oto re n unter anderem die Gaskräfte des Brenngases auf die Pleuelstange übertragen. Darüber hinaus hat er die Aufgabe den Verbrennungsraum durch Dichtelemente gegen das Kurbelgehäuse abzudichten und die auf ihn übertragene Wärme an das Kühlmittel weiterzuleiten.
Zur Verbesserung der Leistung und des Wirkungsgrads führt eine Optimierung von Motoren häufig zu erhöhten Temperaturen und Drücken im Verbrennungsraum und insbesondere am Kolben eines Verbrennungsmotors. Beispielsweise arbeiten Dieselmotoren bereits bei
Zylindertemperaturen von 650 °C bis etwa 1 100 C und effektiven Mitteldrücken bis zu etwa 2000 kPa. Derartige Bedingungen in Verbindung mit schneller thermischer
Wechselbeanspruchung, die durch den Verbrennungsprozess im Zylinder herbeigeführt werden, erzeugen für Motorenteile innerhalb des Zylinders eine anspruchsvolle Umgebung. Um zum einen einer Korrosion am Kolbenboden und zum anderen einem Wärmeabtransport aus dem Verbrennungsraum entgegenzuwirken, ist es sinnvoll, Teile des Kolbens mit isolierenden Materialien zu beschichten.
Ein Ansatz, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, findet sich bei der in DE 196 03 515 C1 beschriebenen Beschichtung auf der Basis von Aluminium und Eisen. Daneben beinhaltet die Beschichtung weitere Legierungselemente und Verunreinigungen, insbesondere Chrom, Silizium und Kohlenstoff.
In DE 10 2006 007 148 A1 ist ein Kolben offenbart, welcher eine Eisen-Aluminium-Chrom- Legierung aufweist, um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Kolbens, insbesondere in Hinblick auf die Festigkeit bei höheren Temperaturen, zu verbessern.
EP 0 663 020 B1 sieht das Auftragen einer Wärmesperre-Beschichtung aus einer Metall- Bindungsbeschichtung, einer darauf aufgetragenen Metall-/Keramik-Schicht sowie einer darauf aufgetragenen Keramikverbundwerkstoff-Deckschicht auf einen Kolben vor, um den Kolben vor schneller thermischer Wechselbeanspruchung zu schützen.
Diesen Ansätzen ist gemein, dass sie den Wärmeaustrag aus dem Zylinderraum reduzieren. Nachteilig ist jedoch, dass Temperaturspitzen, welche bei der Verbrennung lokal auf dem Kolbenboden entstehen, nicht abgeleitet werden, sondern sich vielmehr verstärken. Somit kommt es zu einer thermischen Drosselung im Ladungswechsel oder einer ungewollten Verkürzung des Zündverzugs. Zum anderen findet punktuell eine starke thermische
Beanspruchung des Materials statt mit der Folge, dass die Beschichtung beschädigt und das darunter liegende Material zerstört wird.
Die Schrift DE 36 22 301 A1 offenbart einen Kolben, bei welchem der gesamte Kolbenboden und auch ein Bereich des Kolbenmantels mit einer wärmedämmenden Schicht aus Asbest beschichtet ist. Es wird weiterhin vorgeschlagen, auf die wärmedämmende Schicht ein hitzebeständige und dennoch wärmeleitende Schicht auf die wärmedämmende Schicht aufzubringen, um die im Brennraum anfallende Wärme in dieser Schicht zu speichern.
Das Dokument EP 0 321 159 A2 zeigt einen gebauten Kolben mit einem dem Brennraum zugewandten wärmeisolierenden Bauteil aus Kaliumtitanat-Whisker, Zirkoniumdioxid-Fasern, Carbon-Fasern oder Aluminiumoxid-Fasern. Das Bauteil ist vollständig von einer Schicht aus Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid umgeben, welche mittels Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Probleme des Standes der Technik zu lösen oder zumindest zu mindern und die isolierende Wirkung weiter zu erhöhen. Insbesondere soll ein Kolben bereitgestellt werden, welcher eine Reduzierung von Temperaturspitzen erzielt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolben und eine Kolbenmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Somit betrifft die Erfindung einen Kolben für eine Kolbenmaschine, wobei der Kolben einen auf einem Kolbenboden des Kolbens angeordneten Schichtstapel umfasst. Erfindungsgemäß umfasst der Schichtstapel zumindest eine an die Oberfläche des Kolbenbodens mittelbar oder unmittelbar anschließende, ein wärmedämmendes Material umfassende erste Schicht sowie eine an die erste Schicht mittelbar oder unmittelbar anschließende zweite Schicht, welche ein wärmeleitendes Material beinhaltet.
Die Anordnung eines erfindungsgemäßen Schichtstapels auf dem Kolbenboden führt in vorteilhafter Weise zu einer Wirkungsgradsteigerung des Verbrennungsprozesses. Der
Wirkungsgrad der Verbrennungsmaschine wird insbesondere dadurch erhöht, dass weniger Wärme aus dem Verbrennungsraum beziehungsweise dem Zylinderraum abtransportiert wird. Im Verbrennungsraum herrschen bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Kolbens höhere Temperaturen, als aus dem Stand der Technik bekannt. Höhere Temperaturen wiederum führen zu einem höheren Wirkungsgrad. Zusätzlich wirkt sich eine Temperaturerhöhung im Verbrennungsraum positiv auf die Abgasbehandlung aus, da auch die Abgase eine höhere Temperatur aufweisen und somit zu einem beschleunigten Aufheizen der Katalysatoren führen. Vorteilhafterweise sorgt der erfindungsgemäße Schichtstapel auf dem Kolbenboden für eine Isolation und/oder einen Korrosionsschutz der Kolbenoberfläche beziehungsweise des Kolbens.
Die zweite Schicht hat entgegen der wärmedämmenden und damit isolierenden Funktion der ersten Schicht die Funktion, die Temperatur auf der Oberfläche des Kolbenbodens zu harmonisieren. Das heißt, das wärmeleitende Material der zweiten Schicht sorgt mit Vorteil für einen Temperaturausgleich auf der Oberfläche des Schichtstapels und somit auf der Oberfläche des Kolbenbodens. Dies führt wiederum zu einer Minderung von lokal begrenzten
Temperaturspitzen auf der Substratoberfläche, da die Temperatur durch die wärmeleitende zweite Schicht gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt wird. Durch das wärmedämmende Material der ersten Schicht ist die zweite Schicht und damit die Wärmeleitung vom Kolbenboden beziehungsweise vom Kolben entkoppelt. Dies stellt sicher, dass die Wärme auf der Oberfläche des Kolbenbodens eines erfindungsgemäßen Kolbens gleichmäßig verteilt wird, ohne aus dem Verbrennungsraum abtransportiert zu werden.
Ein erfindungsgemäßer Kolben wird mit Vorteil in Kolbenmaschinen eingesetzt.
Kolbenmaschinen sind Fluid-Energie-Maschinen, in denen ein Verdränger mittels seiner Bewegung einen sich periodisch verändernden Arbeitsraum definiert. Den Verdränger stellt ein Kolben dar, welcher beispielsweise zylindrische Form haben kann. In vorliegender Erfindung wird unter Kolbenmaschine sowohl ein Drehkolbenmotor, welcher beispielsweise über einen Scheibenkolben verfügt, als auch ein Hubkolbenmotor mit insbesondere zylindrischem Kolben verstanden. Der Bereich des Kolbens, der dem Verbrennungsraum zugewandt ist und somit in Kontakt mit dem Fluid steht, ist in vorliegender Erfindung als Kolbenboden bezeichnet.
In Hubkolbenmotoren, welche über Kolben mit im Wesentlichen zylindrischer Geometrie verfügen, ist dieser Kolbenboden eine Deckseite mit runder Form, welche an eine zylindrisch umlaufende Seitenwand, dem Kolbenhemd, angeordnet ist. Der Kolbenboden wiederum kann vielfältige Formen aufweisen. So sind in vorliegender Erfindung sowohl planare als auch konkav oder konvex gewölbte Formgestaltungen des Kolbenbodens möglich. Ebenfalls kann der Kolbenboden über Mulden und über Erhöhungen beispielsweise in Form von Nasen verfügen, die in dem Kolbenboden eingelassen sind und/oder aus diesem herausragen. Die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Kolben, insbesondere Kolbenböden sind zumindest teilweise aus einer Leichtmetalllegierung oder einem Stahl gefertigt, wobei
Leichtmetalllegierungen als Kolbenmaterial bevorzugt sind. Unter Leichtmetalllegierung sind grundsätzlich alle denkbaren Leichtmetalllegierungen zu verstehen. In vorliegender Erfindung bevorzugt sind jedoch Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminium-Silizium-Legierungen mit variierenden Aluminiumgehalten bis zu übereutektischen Konzentrationen.
Auf der Oberfläche, insbesondere auf der Leichtmetalllegierung, des Kolbenbodens eines vorliegend beschriebenen Kolbens ist ein Schichtstapel angeordnet. Darunter ist eine
Anordnung von nacheinander aufgebrachten Schichten verschiedener oder gleicher Dicke aus unterschiedlichen oder gleichen Materialien zu verstehen, wobei eine erste Schicht direkt oder indirekt auf die Kolbenoberfläche angeordnet ist. Bei den nacheinander aufgetragenen
Schichten handelt es sich grundsätzlich um funktionale Schichten, also solche, die zumindest eine physikalische Eigenschaft der Oberfläche des Kolbenbodens verändern, insbesondere verbessern. Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt somit in der Kombination von wärmedämmenden beziehungsweise wärmeleitenden Eigenschaften der Schichten. Diese können über den Wärmewiderstand Rth oder dessen Kehrwert, den Wärmeleitwert λ definiert werden. R,h ergibt sich dabei aus dem Quotienten aus Temperaturdifferenz ΔΤ und Wärmestrom Qv. Unter wärmeleitenden Materialien sind in vorliegender Erfindung insbesondere solche zu verstehen, welche einen Wärmeleitwert λ > 50 W/mK, insbesondere λ > 100 W/mK aufweisen.
Wärmedämmende Materialien zeichnen sich in vorliegender Erfindung hingegen durch einen Wärmeleitwert λ < 15 W/mK, insbesondere λ < 3 W/mK aus.
Erfindungsgemäß ist ein Durchmesser ds des Schichtstapels kleiner als ein Durchmesser d des Kolbenbodens. Bevorzugt weist der Schichtstapel einen Durchmesser ds auf, der mehr als 90 %, vorzugsweise mehr als 95 %, insbesondere mehr als 98% des Durchmessers dK entspricht. Dies hat einerseits den Vorteil, dass der Schichtstapel und insbesondere die Wärmeleitschicht nicht mit dem Rand des Kolbenbodens, insbesondere nicht mit dem
Feuersteg in Verbindung steht und über eine solche Verbindung keine Wärmeleitung über das wärmeleitende Material der zweiten Schicht in den Kolben und darüber hinaus beispielsweise in das Zylindermaterial stattfinden kann. Ein weiterer tribologischer Vorteil besteht insbesondere darin, dass der insbesondere harte Schichtstapel nicht mit einer Lauffläche des Kolbens beziehungsweise Liners in Verbindung tritt.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist bevorzugt, dass das wärmedämmende Material der ersten Schicht eine technische Keramik oder eine intermetallische Verbindung umfasst. Vorteilhafterweise konnte gezeigt werden, dass Kolben, welche mit einem erfindungsgemäßen Schichtstapel beschichtet sind, welche als wärmedämmende Materialien eben genannte Materialien aufweisen, eine besonders hohe thermische Stabilität bei Temperaturen > 500 °C aufweisen.
Technische Keramiken oder auch Industrie- beziehungsweise Hochleistungskeramiken sind Werkstoffe, die in ihren Eigenschaften hinsichtlich technischer Anwendungen optimiert sind. Sie unterscheiden sich insbesondere zu dekorativer Keramik oder Sanitärkeramik durch die Zusammensetzung aus den Ausgangsstoffen, das Brennverfahren sowie Reinheit und
Korngröße der Ausgangsmaterialien. In vorliegender Erfindung werden unter technischen Keramiken insbesondere solche verstanden, welche thermisch isolierende Wirkungen zeigen. Intermetallische Verbindungen, beziehungsweise intermetallische Phasen, sind homogene chemische Verbindungen aus zwei oder mehr Metallen. Sie zeigen im Unterschied zu
Legierungen Gitterstrukturen, die sich von denen der konstituierenden Metalle unterscheiden. In ihrem Gitter herrscht eine Mischbindung aus einem metallischen Bindungsanteil und geringeren Atombindungs- beziehungsweise lonenbindungsanteilen, die in Überstrukturen resultieren können. Die vorliegend bevorzugten intermetallischen Verbindungen basieren auf
Eisenaluminium, wie aus FeAI(Cr, Nb, Zr, C, B) und/oder Fe3AI(Cr, Nb, Zr, C, B). Das heißt je nach Verhältnis von Eisen und Aluminium zueinander setzt sich die intermetallische Verbindung zu 50 % bis 95 Gew.-% aus Eisen, insbesondere zu 70 % bis 95 Gew.-% aus Eisen und zu 5 % bis 50 % Gew.-% aus Aluminium, insbesondere zu 5 % bis 30 Gew.-% aus Aluminium zusammen. Mit einem Masseanteil von in Summe 0 bis 10 Gew.-% bezogen auf die
Gesamtmasse können die intermetallischen Verbindungen Gehalte von weiteren
Legierungselementen und Verunreinigungen, insbesondere von Chrom, Niob, Zirkonium, Kohlenstoff und Bor enthalten.
In weiter bevorzugter Ausführung der Erfindung umfasst die technische Keramik Y-stabilisiertes Zirkonoxid (Zr(Y)02), Aluminiumoxid (Al203), Spinell (AI203/MgO), Mullit (Al203/Si02),
Zirkonkorund (Al203/Zr02), Titanoxid (Ti02) oder Siliziumoxid (Si0 ) oder Keramiken mit wesentlichen Bestandteilen genannter Oxide.
Den als wärmedämmendes Material bevorzugten Verbindungen, insbesondere den
intermetallischen Verbindungen, ist gemein, dass sie neben einer besonders hohen
Temperaturfestigkeit von über 500 C einen mit dem Kolbenmaterial kompatiblen
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Das bedeutet, dass die Volumenausdehnung, welche ein Material in Folge von Temperaturerhöhung erfährt, bei einem Schichtstapel in bevorzugter Ausgestaltung zwischen wärmedämmendem Material und Kolbenboden derart im Verhältnis stehen, dass die am wärmedämmenden Material herrschende Temperatur dieses Material gerade soweit ausdehnt, dass es nicht zu einer Delamination in Folge der Temperaturerhöhung des Schichtstapels von dem Kolbenboden kommt. Somit kann durch eine geeignete Wahl des wärmedämmenden Materials, die Lebensdauer des Schichtstapels auf den Kolben deutlich erhöht werden.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das wärmeleitende Material der zweiten Schicht ein Metall und/oder eine wärmeleitende Keramik umfasst, da diese insbesondere über Wärmeleitwerte λ > 50 W/mK verfügen. Insbesondere ist bevorzugt, dass das wärmeleitende Material Beryllium, Aluminium, Kupfer, Silber, Silizium, Molybdän, Wolfram, Kohlenstoff, Berylliumoxid, Berylliumnitrit, Siliziumnitrit und/oder Siliziumcarbit sowie
Mischungen und/oder Legierungen daraus umfasst. Diese Materialien weisen als Bulkmaterial einen Wärmeleitwert λ > 100 W/mK auf. Beispielsweise weist das Metall Aluminium bei einer Reinheit von 99,5 % einen Wärmeleitwert λ = 236 W/mK auf, Kupfer einen Wärmeleitwert λ = 401 W/mK und Silber einen Wärmeleitwert λ = 429 W/mK, während bei Siliziumcarbit bis zu 350 W/mK Wärmeleitung erzielt werden können. Somit eignen sich die genannten Materialien besonders gut, um eine insbesondere schnelle und gleichmäßige Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Kolbenbodens zu erreichen und somit, insbesondere lokal begrenzte,
Temperaturspitzen zu verhindern. Treten dennoch Temperaturspitzen, also lokale
Temperaturmaxima auf der Oberfläche des Kolbenbodens auf, so kann die dort herrschende sehr hohe Temperatur sehr schnell über die gesamte Oberfläche des Kolbenbodens verteilt und somit reduziert werden. Temperaturspitzen treten in diesem Zusammenhang insbesondere dann auf, wenn sich die Temperatur in Bereichen einer Oberfläche schlagartig um mehr als 50 C, insbesondere um mehr als 100 C bezüglich der mittleren Oberflächentemperatur erhöht und somit ein hoher Temperaturgradient entsteht.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist bevorzugt, dass zwischen der Oberfläche des Kolbenbodens und der ersten Schicht und/oder zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht eine Haftvermittlerschicht angeordnet ist. Als Haftvermittler sind Substanzen zu verstehen, welche dazu eingesetzt sind, die Haftfestigkeit von Verbünden direkt und/oder indirekt zu erhöhen. In diesem Fall kann die Haftfestigkeit zwischen der funktionellen Schicht und der Oberfläche des Kolbenbodens beziehungsweise zwischen funktionellen Schichten untereinander erhöht werden. Die Haftfestigkeit von Beschichtungen ist definiert als das Maß für den Widerstand einer Beschichtung gegen ihre mechanische Trennung vom Untergrund. Im direkten Fall bedeutet dies, dass eine verbesserte Haftfestigkeit der funktionellen Schicht auf der Oberfläche des Kolbenbodens beziehungsweise eine verbesserte Haftfestigkeit der zweiten Schicht auf der ersten Schicht untereinander dazu führt, dass diese durch äußere Einwirkungen schlechter voneinander getrennt werden können. Als äußerer Einfluss kann in diesem
Zusammenhang beispielsweise das Auftreten von starken Temperaturschwankungen verstanden werden. Dehnt sich beispielsweise die angeordnete erste Schicht stärker aus als der Verbundpartner, also als beispielsweise die Leichtmetalllegierung oder die zweite Schicht, so entstehen Scherkräfte an der Verbindungsstelle. Zusätzlich kann die Haftvermittlerschicht als Korrosionsschutzschicht wirken und somit indirekt die Haftfestigkeit des Verbundes erhöhen. Die Anordnung eines Haftvermittlers kann in vorteilhafter Weise zu einer Erhöhung der
Benetzbarkeit der Substratoberfläche führen. Zusätzlich kann ein Haftvermittler das
Zustandekommen von chemischen Bindungen zwischen der Substratoberfläche und der Schicht erhöhen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die beiden Schichten im Bezug auf ihre Oberfläche sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften, wie beispielsweise Polarität oder Gitteraufbau haben. Somit kann die Anordnung eines Haftvermittlers zwischen
Kolbenboden und erster Schicht beziehungsweise zwischen erster und zweiter Schicht die Haltbarkeit und somit die Lebensdauer des Schichtstapels auf der Oberfläche des
Kolbenbodens erhöhen.
Bevorzugt umfasst die Haftvermittlerschicht eine Fe3AI-, FeAl-, FeAI/Fe3AI-, NiCr-, NiCrAI-, NiCrAIY-, FeCrAIY-, CuCrAlY-Legierung und/oder eine intermetallische Verbindung aus FeAI(Cr, Nb, Zr, C, B) und/oder Fe3AI(Cr, Nb, Zr, C, B).
Die einzelnen Schichten können bezogen auf die Schichtzusammensetzung einen Gradienten aufweisen. Setzen sich beispielsweise einzelne Schichten aus Mischungen und/oder mehreren Bestandteilen zusammen, so kann das Verhältnis dieser zueinander innerhalb der betreffenden Schicht variieren.
In weiterer Ausgestaltung ist bevorzugt, dass der Kolbenboden eine Vertiefung aufweist und der Schichtstapel innerhalb der Vertiefung angeordnet ist. Unter Vertiefung ist in vorliegender Erfindung ein Bereich des Kolbenbodens zu verstehen, der tiefer liegt, als eine umgebende Oberfläche des Kolbenbodens. Eine Vertiefung ist also eine Einbuchtung oder auch eine Senke innerhalb des Kolbenbodens, welche ausgebildet ist, einen Schichtstapel zumindest teilweise aufzunehmen. Dabei entspricht der Durchmesser beziehungsweise die Breite der Vertiefung mindestens der Breite beziehungsweise dem Durchmesser des Schichtstapels, so dass der Schichtstapel bevorzugt im Bereich der Vertiefung angeordnet ist und nicht über diesen Bereich hinaus mit der Oberfläche des Kolbenbodens in Kontakt steht. Vorzugsweise ist der
Schichtstapel vollständig in der Vertiefung im Kolbenboden angeordnet, und ragt nicht über das Oberflächenniveau des Kolbenbodens heraus, sondern schließt bündig mit dem umlaufenden Rand des Kolbenbodens ab. Damit ist sichergestellt, dass der Schichtstapel das Strömungsbild auf der Oberfläche des Kolbenbodens nicht beeinflusst. In alternativer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zumindest die zweite Schicht, also die Schicht, welche das wärmeleitende Material umfasst, aus der Vertiefung herausragt und/oder einen Durchmesser aufweist, welcher geringer ist als der Durchmesser der Vertiefung. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die zweite Schicht und insbesondere das wärmeleitende Material nicht mit der Oberfläche der Kolbenoberfläche in Kontakt steht. Ein solcher Kontakt würde die wärmedämmende Wirkung der unteren, also der ersten Schicht, abschwächen. Die Wärme würde über die wärmeleitende Schicht an den Kolbenboden abgegeben und über den Kolben aus dem Verbrennungsraum geleitet werden können.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine aufweisend einen Kolben gemäß vorliegender Erfindung. Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine effiziente Abgasbehandlung sowie eine sehr hohe
Lebensdauer der Einzelkomponenten aus.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Kolbens in einer ersten
Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Kolbens in einer zweiten
Ausgestaltung der Erfindung und
Figur 3 schematisch einen Detailausschnitt eines erfindungsgemäßen Schichtstapels auf einem Kolbenboden gemäß Figur 2 oder 3.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der in den Figuren 1 , 2 und 3 gezeigten schematischen Darstellungen näher erläutert werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens 10 ist anhand einer
Schnittdarstellung in Figur 1 gezeigt. Figur 1 zeigt einen zylindrischen Kolben 10 eines nicht weiter dargestellten Hubkolbenmotors. In dieser Ausgestaltung weist der Kolben 10 ein zylindrisch geformtes Kolbenhemd 14 auf, an welchem ein im Wesentlichen planarer kreisförmiger Kolbenboden 1 1 angeordnet ist. Der Kolben 10 verfügt ferner über umlaufende Nuten, welche ausgebildet sind, Dichtungselemente insbesondere Kolbenringe aufzunehmen. Der Kolben 10 ist bevorzugt aus einer Leichtmetalllegierung 15 gefertigt. Besonders bevorzugt sind dabei Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminium-Silizium-Legierungen. Ebenfalls als Kolbenmaterial einsetzbar sind Eisenverbindungen, also Stähle. In dargestellter
Ausführungsform verfügt der Kolbenboden 1 1 über eine Vertiefung 12, in der ein Schichtstapel 20 angeordnet ist. Dabei entspricht der Durchmesser ds des Schichtstapels 20 im Wesentlichen dem Durchmesser der Vertiefung 12. Der Durchmesser ds des Schichtstapels 20 ist im
Vergleich zu dem Durchmesser dK des Kolbenbodens 1 1 kleiner ausgeführt. Die Tiefe der Vertiefung 12 entspricht in gezeigter Ausführungsform der Höhe des Schichtstapels 20, so dass dieser nicht aus der Vertiefung 12 herausragt und die Oberfläche des Kolbenbodens 1 1 nicht überragt. Vorzugsweise schließt der Schichtstapel 20 bündig mit dem die Vertiefung 12 umlaufendem Rand ab. Ein detaillierter Aufbau des Schichtstapels 20 ist in einer unten beschriebenen Detailzeichnung in Figur 3 näher erläutert.
Die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform eines Kolbens 10 zeichnet sich in seiner
Funktionsweise dadurch aus, dass ein Schichtstapel 20 die Oberfläche eines Kolbenbodens 1 1 in einem großen Bereich funktionalisiert.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens ist in Figur 2 dargestellt. Der ebenfalls in einer Schnittzeichnung dargestellte Kolben 10 ist grundsätzlich ebenso aufgebaut wie der in Figur 1 dargestellte Kolben 10. Er unterscheidet sich dahin gehend von der ersten Ausführungsform, dass der Kolbenboden 1 1 des zylindrischen Kolbens 10 nicht planar ausgeführt ist, sondern eine Mulde 13 aufweist. Auf dem Kolbenboden 1 1 der in Figur 2 gezeigten zweiten Ausgestaltung des Kolbens 10 ist ein funktionaler Schichtstapel 20 angeordnet. Dabei verfügt der Kolbenboden 1 1 über keine Vertiefung zur Aufnahme des Schichtstapels 20. Der Schichtstapel 20 weist ebenso wie in Figur 1 dargestellt einen kleineren Durchmesser auf als der Kolbenboden 1 1. Es bildet sich also ein Abstand zwischen
Schichtstapel 20 und äußerem Rand des Kolbenbodens 1 1. Unter Einhaltung eines definierten Randes ist der verbleibende Bereich des Kolbenbodens 1 1 vollständig vom Schichtstapel 20 bedeckt, so auch der Teil des Kolbenbodens 1 1 , der die Mulde 13 darstellt. Der umlaufende Rand des Kolbenbodens 1 1 entspricht bevorzugt weniger als 10 %, insbesondere weniger als 5 %, vorzugsweise weniger als 2 % der Oberfläche des Kolbenbodens 1 1.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte funktionale Schichtstapel 20 hat sowohl
wärmedämmende als auch wärmeleitende Funktionen. Dies wird durch den in Figur 3 skizzierten Aufbau des Schichtstapels erreicht. Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen
Schichtstapel 20, welcher auf einer Leichtmetalllegierung 15 angeordnet ist. Bei der
Leichtmetalllegierung 15 handelt es sich bevorzugt um Aluminiumlegierungen, insbesondere um Aluminium-Silizium-Legierungen. Auf dieser Leichtmetalllegierung 15 kann optional ein Haftvermittler 23 angeordnet sein.
Die Schicht aus Haftvermittler 23 umfasst bevorzugt Materialien, welche die Haftfestigkeit zwischen Leichtmetalllegierung 15 und erster Schicht 21 erhöhen. Dazu sind Materialien geeignet, welche zum einen die Benetzbarkeit der Leichtmetalllegierung 15 erhöhen und zum anderen und insbesondere die strukturellen Unterschiede zwischen Leichtmetalllegierung 15 und erster Schicht 21 ausgleichen. Hierzu sind besonders Legierungen auf Eisen- und
Aluminiumbasis, insbesondere Fe;iAI-, FeAl-, FeAI/Fe3AI-, NiCr-, NiCrAI-, NiCrAIY-, FeCrAIY-, CuCrAlY-Legierung bevorzugt. Darüber hinaus sind intermetallische Verbindungen auf Basis von Eisenaluminium als Haftvermittler geeignet. Dabei ist einer Legierung aus Eisen und Aluminium insbesondere Chrom und/oder Niob und/oder Zirkonium, Kohlenstoff und/oder Bor zugesetzt. Ein geeignetes Material, welches beispielsweise in der Luftfahrtindustrie verwendet wird, ist eine Nickel-Chrom-Aluminium-Zusammensetzung. Alternativ können auch
Haftvermittler auf Basis von austenitischen Eisen-, Nickel-, Kobaltlegierungen, sowie zusätzlich mit Cr, AI und Y (sog. MCrAlY-Schichten) oder mit Hf, Ta oder Si legierte Verbindungen eingesetzt werden. Im Handel sind geeignete Haftvermittler unter den Markennamen Amdry® 365, Amdry® 386, Amdry® 995, Amdry® 962, Amperit® 415, Metco 443 oder Sulzer Metco® 445 erhältlich.
Der Haftvermittler 23 wird im Vergleich zu den folgenden Schichten deutlich dünner aufgebracht und weist bevorzugt Dicken im Bereich von 0,1 mm bis 0,2 mm, insbesondere zwischen 0,1 mm und 0,15 mm auf.
An diesen Haftvermittler 23 oder alternativ unmittelbar an den Kolbenboden schließt eine erste Schicht 21 an. Diese erste Schicht 21 besteht aus einem Material, welches wärmedämmende Eigenschaften hat. Besonders bevorzugt sind hierbei Materialien, welche einen Wärmeleitwert λ < 15 W/mK, insbesondere λ < 3 W/mK aufweisen. Als wärmedämmende Materialien werden bevorzugt technische Keramiken und/oder intermetallische Verbindungen eingesetzt.
Besonders bevorzugt sind dabei Y-stabilisiertes Zirkoniumoxid, Spinell, Aluminiumoxidkorund, Mullit, Titandioxid sowie Siliziumdioxid. Bevorzugt ist dabei, dass diese Materialien eine
Reinheit von über 80 % aufweisen. Bevorzugte intermetallische Verbindungen sind solche, welche auf Eisen-Aluminium-Legierungen basieren. Dabei sind insbesondere FeAl und Fe3AI bevorzugt, welche bis maximal 10 % der Gesamtmasse der Beschichtung zugesetzte
Bestandteile umfassen können. Bei den zugesetzten Materialien handelt es sich vorzugsweise um Chrom, Niob, Zirkonium, Kohlenstoff oder Bor. Die Dicke der ersten Schicht 21 ist in Abhängigkeit vom Material an die Umgebungsbedingung, insbesondere die
Umgebungstemperaturen des Kolbens 10, im Betrieb angepasst. Bevorzugt weist die erste Schicht 21 eine Dicke im Bereich von 0,02 mm bis 5 mm, insbesondere im Bereich von 0,1 mm bis 1.5 mm auf.
An die erste Schicht 21 ist optional eine weitere Schicht eines Haftvermittlers 24 angeordnet. Dieser Haftvermittler hat grundsätzlich die gleichen Eigenschaften, wie der optional zwischen der Kolbenbodenoberfläche und der ersten Schicht angeordnete Haftvermittler 23.
Grundsätzlich können die Haftvermittlerschichten 23 und 24 in einer Ausgestaltungsform gleich ausgeführt sein, sie können jedoch auch innerhalb der beschriebenen bevorzugten Grenzen, insbesondere in Zusammensetzung und Dicke der Schichten untereinander variieren.
An die erste Schicht 21 beziehungsweise an den an diese erste Schicht 21 angeordneten Haftvermittler 24 ist eine weitere funktionale Schicht, die zweite Schicht 22 angeordnet. Die zweite Schicht 22 umfasst zu mindestens 70 %, insbesondere zu mindestens 95 %, bevorzugt zu mindestens 98 % ein wärmeleitendes Material. Dieses wärmeleitende Material zeichnet sich durch einen Wärmeleitwert λ aus, welcher bevorzugt > 50 W/mK, insbesondere > 100 W/mK ist. Hierzu geeignete Materialien sind insbesondere Metalle wie Beryllium, Aluminium, Kupfer, Molybdän und Wolfram, aber auch Silizium und Kohlenstoff sowie Verbindungen, insbesondere Keramiken wie Berylliumoxid, Berylliumnitrit, Siliziumnitrit sowie Siliziumkarbid. Bevorzugt können auch Mischungen und/oder Legierungen aus diesen Elementen beziehungsweise Verbindungen als wärmeleitendes Material der zweiten Schicht 22 eingesetzt werden. In Abhängigkeit vom eingesetzten wärmeleitenden Material und insbesondere von dem damit erzielten Wärmeleitwert λ ist die zweite Schicht 22 bevorzugt dünner ausgeführt als die erste Schicht 21 . Bevorzugte Dicken der zweiten Schicht 22 liegen im Bereich zwischen 0.1 mm und 1 mm, insbesondere bevorzugt zwischen 0.05 mm und 0.8 mm.
Die einzelnen Schichten 21 , 22, 23 und 24 des Schichtstapels 20 sind bevorzugt mittels
Flammspritzen oder Plasmaspritzen unter Vakuum, Hochgeschwindigkeitsflammenspritzen oder atmosphärischem Plasmaspritzen oder mittels chemischen und/oder elektrochemischen Verfahren wie Lackieren, Galvanisieren oder ähnlichem aufgebracht. Hierbei ist es
zweckmäßig, die Bereiche der einzelnen Schichten 21 .22, 23 und 24 scharf zu definieren. Dies kann zum einen durch eine vor dem Spritzen auf den Kolbenboden 1 1 aufgebrachte Form, zum andern durch eine im Kolbenboden 1 1 vorhandene Vertiefung 12 und/oder durch
Nachbehandlung des aufgetragenen Schichtstapels 20, insbesondere einem Abtragen des äußersten Randes des Schichtstapels 20, realisiert werden. Der Schichtstapel 20 hat durch die wärmedämmenden Eigenschaften der ersten Schicht 21 eine wärmedämmende, insbesondere isolierende Funktion. Aufgrund des sehr niedrigen Wärmeleitwertes λ der durch die erste Schicht 21 aufgetragenen wärmedämmenden
Materialien, wird nur ein sehr geringer Teil der Wärme im Verbrennungsraum an die Oberfläche des Kolbenbodens und von dort aus dem Zylinderraum abgeführt. Vielmehr verbleibt die Wärme innerhalb des Verbrennungsraums und steht somit der Verbrennung weiter zur Verfügung. Dadurch wird im Verbrennungsraum ein höherer Wirkungsgrad realisiert, als bei niedrigeren Temperaturen. Gleichzeitig weisen auch die aus dem Verbrennungsraum abgeführten Abgase eine höhere Temperatur auf, was letztendlich einer Abgasaufbereitung zugutekommt. Eine reine Wärmedämmschicht auf der Oberfläche des Kolbenbodens 1 1 würde jedoch gleichzeitig dazu führen, dass auf der Oberfläche die Temperaturen nicht gleichmäßig verteilt werden können. Vielmehr würden sich Bereiche mit erhöhten Temperaturspitzen bilden. Durch die Anordnung einer zweiten Schicht 22, welche aus Material besteht, das einen sehr hohen Wärmeleitwert λ hat, wird die Temperatur aus Bereichen von Temperaturspitzen gleichmäßig über den gesamten Bereich des Schichtstapel 20 verteilt. Die optional
einsetzbaren Schichten aus Haftvermittler 23 und 24 erhöhen die Haftfestigkeit und
Korrosionsbeständigkeit des Schichtstapels 20 auf der Leichtmetalllegierung 15
beziehungsweise zwischen der ersten Schicht 21 und der zweiten Schicht 22 und somit die Lebensdauer des Schichtstapel 20.
Bezugszeichenliste
Kolben
Kolbenboden
Vertiefung
Mulde
Kolbenhemd
Leichtmetalllegierung Schichtstapel
erste Schicht
zweite Schicht
Haftvermittler
Haftvermittler

Claims

Patentansprüche
Kolben (10) für eine Kolbenmaschine, wobei der Kolben (10) bereichsweise aus einem Stahl oder einer Leichtmetaillegierung (15) besteht und einen auf einem Kolbenboden (1 1 ) des Kolbens (10) angeordneten Schichtstapel (20) umfasst, wobei der Schichtstapel (20) zumindest umfasst:
eine an eine Oberfläche des Kolbenbodens (1 1 ) mittelbar oder unmittelbar
anschließende, ein wärmedämmendes Material umfassende erste Schicht (21 ), eine an die erste Schicht (21 ) mittelbar oder unmittelbar anschließende zweite Schicht (22), welche ein wärmeleitendes Material beinhaltet,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser (ds) des Schichtstapels (20) kleiner ist als ein Durchmesser (d ) des Kolbenbodens (1 1 ).
Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmedämmende Material der ersten Schicht (21 ) eine technische Keramik oder eine intermetallische Verbindung umfasst.
Kolben (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die intermetallische
Verbindung FeAI(Cr, Nb, Zr, C, B) und/oder Fe3AI(Cr, Nb, Zr, C, B) umfasst.
Kolben (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die technische Keramik Y- stabilisiertes Zr02, Al203, AI203/MgO, AI2O3/S1O2, Al203/Zr02, Ti02 und/oder Si02 umfasst.
Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material der zweiten Schicht (22) Be, AI, Cu, Ag, Si, Mo, Wo, C, BeO, BN, SiN und/oder SiC, sowie Mischungen und/oder Legierungen daraus umfasst.
Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Leichtmetaillegierung (15) und der ersten Schicht (21 ) und/oder zwischen der ersten Schicht (21 ) und der zweiten Schicht (22) eine Haftvermittlerschicht (23, 24) angeordnet ist.
7. Kolben (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (23, 24) eine Fe3AI-, FeAl-, FeAI/Fe3AI-, NiCr-, NiCrAI-, NiCrAIY-, FeCrAIY-, CoCrAlY-Legierung und/oder eine intermetallische Verbindung aus FeAI(Cr, Nb, Zr, C, B) und/oder Fe3AI(Cr, Nb, Zr, C, B) umfasst.
8. Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kolbenboden (1 1 ) eine Vertiefung (12) aufweist und der Schichtstapel (20) innerhalb der Vertiefung (12) angeordnet ist.
9. Kolbenmaschine aufweisend einen Kolben (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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