EP3307922A1 - Verfahren zur beschichtung der oberfläche eines geschlossenen kühlkanals eines kolbens für einen verbrennungsmotor sowie mittels dieses verfahrens herstellbarer kolben - Google Patents

Verfahren zur beschichtung der oberfläche eines geschlossenen kühlkanals eines kolbens für einen verbrennungsmotor sowie mittels dieses verfahrens herstellbarer kolben

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung der Oberfläche (24) eines geschlossenen, Ölzulauf- bzw. Ölablaufbohrungen (23', 23") aufweisenden Kühlkanals (23) eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem hexagonales Bornitrid enthaltenden Beschichtungsmittel, mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Einbringen einer definierten Menge eines Beschichtungsmittels in Form einer Suspension von hexagonalem Bornitrid mit einer Lösung auf der Basis mindestens eines thermisch aushärtbaren anorganischen Bindemittels und mindestens eines Lösemittels in den Kühlkanal (23); b) Verteilen des Beschichtungsmittels auf der Oberfläche (24) des Kühlkanals (23) durch Bewegen des Kolbens (10) um mindestens zwei Raumachsen; c) Trocknen des auf der Oberfläche (24) des Kühlkanals (23) verteilten Beschichtungsmittels mittels einer laminaren Luftströmung; d) Thermisches Aushärten des Beschichtungsmittels zum Fertigstellen einer auf der Oberfläche (24) des Kühlkanals (23) haftenden Beschichtung (25).

Description

Verfahren zur Beschichtung der Oberfläche eines geschlossenen Kühlkanals eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie mittels dieses Verfahrens herstellbarer Kolben
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung der Oberfläche eines geschlossenen, Ölzulauf- bzw. Ölablaufbohrungen aufweisenden Kühlkanals eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit einem hexagonales Bornitrid enthaltenden Beschichtungsmittel. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen mittels eines derartigen Verfahrens herstellbaren Kolben.
Derart beschichtete Kolben sind bekannt. Kühlkanalkolben werden bevorzugt in modernen Verbrennungsmotoren mit hoher spezifischer Motorleistung eingesetzt, da sie im Vergleich zu lediglich anspritzgekühlten Kolben im Motorbetrieb eine größere Wärmemenge abführen können, so dass ihre maximale Betriebstemperatur deutlich reduziert werden kann.
Dieses Konzept erweist sich jedoch in neuesten Motorkonstruktionen mit noch höherer spezifischer Motorleistung als problematisch. Schon nach kurzen
Motorlaufzeiten bilden sich in den heißesten Zonen des Kolbens, insbesondere im Kühlkanal, gut haftende Ablagerungen aus Ölkohle. Derartige Ablagerungen weisen zudem wärmeisolierende Eigenschaften auf, so dass das Abfließen der
Wärmemenge behindert wird. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur des Kolbens während des Motorbetriebs unverhältnismäßig stark zunimmt. Bei Stahlkolben führt dies darüber hinaus zu verstärkter Zunderbildung. Im Extremfall werden diese Kolben so heiß, dass eine irreversible Degeneration des Stahl Werkstoffs einsetzt. Dies führt im weiteren Motorbetrieb zu Rissen im Stahlwerkstoff und in der weiteren Folge zu einem völligen Versagen der Kolbenfunktion.
Die EP 2 096 290 A1 offenbart eine Antihaft-Beschichtung auf der Basis von
Fluorsilanen.
Aus der DE 10 2008 020 906 A1 ist eine Schutzbeschichtung für Einrichtungen und Industrie bekannt. Diese Schutzbeschichtung umfasst eine polymerbasierte Matrix, insbesondere ein Polysiloxan, in die Partikel, insbesondere aus hexagonalem
Bornitrid, eingelagert sind. Derartige Beschichtungen weisen unter Anderem hervorragende Nichtbenetzungseigenschaften zur Verhinderung der Ablagerung von thermisch isolierenden Feststoffen wie Aschen oder Schlacken auf.
Es hat sich gezeigt, dass die bis jetzt bekannten Beschichtungen entweder sehr aufwändig zu applizieren sind und Beschichtungen mit einer ungleichmäßigen Schichtdicke erzeugen, so dass zumindest stellenweise wärmedämmende Effekte resultieren, die den Wärmeabfluss aus dem Kühlkanal behindern. Insbesondere kann die gesamte Oberfläche eines Kühlkanals nicht mit zufriedenstellenden Ergebnissen beschichtet werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes
Verfahren so weiterzuentwickeln, dass eine gleichmäßig dünne Beschichtung über die gesamte Oberfläche des Kühlkanals erhalten werden kann.
Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Einbringen einer definierten Menge eines Beschichtungsmittels in Form einer Suspension von hexagonalem Bornitrid mit einer Lösung auf der Basis mindestens eines thermisch aushärtbaren anorganischen Bindemittels und mindestens eines Lösemittels in den Kühlkanal; b) Verteilen des Beschichtungsmittels auf der
Oberfläche des Kühlkanals durch Bewegen des Kolbens um mindestens zwei Raumachsen; c) Trocknen des auf der Oberfläche des Kühlkanals verteilten
Beschichtungsmittels mittels einer laminaren Luftströmung; d) Thermisches
Aushärten des Beschichtungsmittels zum Fertigstellen einer auf der Oberfläche des Kühlkanals haftenden Beschichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Kolben herstellbar ist, bei dem die gesamte Oberfläche des Kühlkanals mit einer
hexagonales Bornitrid enthaltende Beschichtung versehen ist, die über die gesamte Oberfläche des Kühlkanals eine gleichmäßige Dicke aufweist, die vorzugsweise zwischen 10μηη und Ι ΟΌμιτι beträgt. Dadurch wird erreicht, dass der Wärmedurchgang aus dem Kühlkanal wenig bis gar nicht beeinträchtigt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zweckmäßigerweise wird vor Schritt a) die Größe der Oberfläche des Kühlkanals bestimmt, um das Beschichtungsmittel optimal dosieren zu können. Bei einer
Oberfläche des Kühlkanals von 190cm2 beträgt eine optimale Dosierung 7ml, also etwa 36,84μΙ pro Quadratzentimeter.
Vorzugsweise wird vor Schritt a) die Oberfläche des Kühlkanals mit einem
Reinigungsmittel gereinigt, um die Haftung der Beschichtung auf der Oberfläche zu verbessern. Geeignete Reinigungsmittel sind bspw. Methanol, Ethanol, Aceton, 1 - Propanol und 2-Propanol sowie andere niedrig kettige Alkohole.
Das in Schritt a) verwendete Beschichtungsmittel enthält als bevorzugtes Bindemittel mindestens ein Polysiloxan, welches vorzugsweise in Ethanol gelöst wird.
Als weiteres Bindemittel kann Natrium- und/oder Kaliumsilikat verwendet werden, wodurch die Anwendung eines Sol-Gel-Verfahrens ermöglicht wird.
In Schritt b) kann der Kolben bspw. mittels eines Biaxialmischgeräts bewegt werden. Biaxialmischgeräte sind an sich bekannt und werden in der Regel zur Mischung von Lacken und Farben eingesetzt.
Vorzugsweise wird in Schritt c) eine laminare Luftströmung mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 2 Metern pro Sekunde angewendet, um zu vermeiden, dass das
Beschichtungsmittel durch eine zu schnelle Luftströmung ungleichmäßig auf der Oberfläche des Kühlkanals verteilt wird. Das Trocknen des Beschichtungsmittels erfolgt zweckmäßigerweise bei Raumtemperatur.
In Schritt d) kann das thermische Aushärten bspw. bei einer Temperatur von 180°C bis 220°C durchgeführt werden. Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
Figur 1 : ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Figur 2 eine fotografische Darstellung eines Kolbengrundkörpers gemäß Figur
1 mit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgetragenen Beschichtung;
Figur 3 eine weitere fotografische Darstellung eines Kolbengrundkörpers mit einer fehlerhaften Beschichtung.
Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem Kolbenboden 12, einer
Verbrennungsmulde 13, einem umlaufenden Feuersteg 14 sowie einer umlaufenden Ringpartie 15 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht darstellt) auf.
Der Kolben 10 weist ferner einen Kolbenschaft 16 auf, der in an sich bekannter Weise mit Kolbennaben 17 versehen ist, in welche Nabenbohrungen 18 zur
Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) eingebracht sind. Die
Kolbennaben 17 sind über Laufflächen 19 miteinander verbunden.
Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel als einstückiger Kolben aus einem
Stahlwerkstoff ausgebildet. Hierbei sind ein Kolbengrundkörper 21 und ein
Kolbenoberteil 22 durch Schweißen oder Löten unlösbar miteinander verbunden. Der Kolbengrundkörper 21 und das Kolbenoberteil 22 können aus demselben Werkstoff oder unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Der Kolbengrundkörper 21 und das Kolbenoberteil 22 bilden gemeinsam einen in Höhe der Ringpartie 15 umlaufenden Kühlkanal 23, der Ölzulauf-bzw.
Ölablaufbohrungen 23', 23" aufweist. Die Oberfläche 24 des Kühlkanals 23 ist mit einer hexagonales Bornitrid (hBN) enthaltenden Beschichtung 25 versehen. Die Dicke der Beschichtung 25 beträgt vorzugsweise 20μηη bis 40μηη. Die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung 25 beträgt vorzugsweise 40W/mK bis 50W/mK, abhängig vom Reinheitsgrad des hexagonalen Bornitrids. Der Reibungskoeffizient der Beschichtung 25 ist bis zu einer Temperatur von 600°C konstant und beträgt 0,2. Die spezifische Oberfläche der Beschichtung 25 beträgt, abhängig vom
Reinheitsgrad des hexagonalen Bornitrids, 5m2/g bis 15m2/g.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beschichtung des Kühlkanals 23 beschrieben.
Zunächst wird die Oberfläche des Kühlkanals 23 in cm2 bestimmt, um das
Beschichtungsmittel optimal dosieren zu können.
Die Oberfläche 24 des Kühlkanals 23 wird gründlich mit Ethanol gereinigt. Hierzu werden, je nach Größe der Oberfläche 24, 10ml bis 30ml Ethanol über eine der Ölzulauf- bzw. Ölablaufbohrungen 23', 23" in den Kühlkanal 23 eingebracht und die Bohrungen 23', 23" mit Stopfen (vorzugsweise aus einem gummielastischen
Werkstoff) verschlossen. Der Kolben 10 wird bewegt, um das Ethanol im Kühlkanal zu verteilen und sicherzustellen, dass die gesamte Oberfläche 24 mit Ethanol benetzt wird. Hierzu kann bspw. ein Biaxialmischer verwendet werden. Anschließend werden die Stopfen entfernt, so dass das verbleibende Ethanol aus dem Kühlkanal 23 abläuft. Die Oberfläche 24 des Kühlkanals 23 wird über eine der Bohrungen 23', 23" mittels einer laminaren Luftströmung mit einer Fließgeschwindigkeit von 1 m/s bis 2m/s fünf Minuten bei Raumtemperatur getrocknet.
Als Beschichtungsmittel wird eine Suspension von Partikeln aus hexagonalem
Bornitrid in einem in Ethanol gelösten Polysiloxan verwendet. Der Gehalt an hexagonalem Bornitrid in der Suspension beträgt im Ausführungsbeispiel 104g/l, bezogen auf das Volumen der reinen Polysiloxan-Lösung. Der Gehalt an Polysiloxan beträgt im Ausführungsbeispiel 61 g/l, bezogen auf das Gesamtvolumen der
Suspension. Der Ethanolgehalt der Suspension beträgt im Ausführungsbeispiel 647g/l, bezogen auf das Gesamtvolumen der Suspension. Ein derartiges
Beschichtungsmittel ist bspw. unter der Bezeichnung HeBoCoat ®400E bei dem Hersteller Henze Boron Nitride Products AG, Grundweg 1 , 87493 Lauben, käuflich zu erwerben. Wesentlich ist, dass das Beschichtungsmittel frei von halogenhaltigen Stoffen, insbesondere frei von fluorhaltigen Stoffen ist.
Die Dosierung erfolgt bezogen auf die Größe der Oberfläche 24 des Kühlkanals 23 in cm2. Eine optimale Dosierung der Suspension beträgt 7ml für eine Oberfläche 24 des Kühlkanals 23 von 190 cm2. Dies entspricht im Ausführungsbeispiel 4,53g Ethanol, 0,43g Polysiloxan und 0,73g hBN.
Ein Versuch mit verschiedenen Dosierungen des Beschichtungsmittels für einen Kühlkanal 23 mit einer Oberfläche 24 von 190 cm2 erbrachte die folgenden
Ergebnisse, wobei die Ergebnisse der optimalen Dosierung und der zu hohen Dosierung in den Figuren 2 und 3 illustriert sind:
Das Beschichtungsmittel wird über eine der Bohrungen 23', 23" in den Kühlkanal 23 eingebracht, zweckmäßigerweise mit Hilfe einer Dosiervorrichtung, bspw. einer Dosierpumpe. Die Bohrungen 23', 23" werden mit Stopfen, vorzugsweise aus einem gummielastischen Werkstoff, verschlossen.
Anschließend wird der Kolben 10 um mindestens zwei Raumachsen bewegt. Diese Bewegung ist wesentlich, um das Beschichtungsmittel gleichmäßig auf der
Oberfläche 24 des Kühlkanals zu verteilen. Dazu wird zweckmäßigerweise eine Rotationseinheit, bspw. ein an sich bekannter Biaxialmischer verwendet, mit dem der Kolben 10 sowohl um seine Längsachse als auch um eine senkrecht zur Längsachse verlaufende Achse gedreht wird.
Danach werden die Stopfen entfernt. Das auf der Oberfläche 24 des Kühlkanals 23 haftende Beschichtungsmittel wird über eine der Bohrungen 23', 23" mittels einer laminaren Luftströmung mit einer Fließgeschwindigkeit von 1 m/s bis 2m/s etwa fünf Minuten bei Raumtemperatur (ca. 20°C) getrocknet. Dabei wird das Ethanol aus dem Beschichtungsmittel ausgetrieben. Dieser Trocknungsschritt ist wesentlich, um eine fehlerfreie gleichmäßige Trocknung des Beschichtungsmittels zu gewährleisten. Die Fließgeschwindigkeit der laminaren Luftströmung darf nicht zu groß sein, da sonst das in der Nähe der Bohrungen 23', 23" auf der Oberfläche 24 des Kühlkanals 23 haftende Beschichtungsmittel durch den Luftdruck verschoben würde, so dass eine Beschichtung mit ungleichmäßiger Dicke resultieren würde.
Zum Herstellen der fertigen Beschichtung 25 erfolgt eine Aushärtung durch
Wärmebehandlung, wobei der Kolben 10 während einer Dauer von 25min bis 60min auf 180°C bis 220°C erwärmt wird. Hierbei wird in an sich bekannter Weise das Polysiloxan zu einer SiO2-Matrix umgesetzt, in der die Partikel aus hexagonalem Bornitrid eingelagert sind.
Die resultierende Beschichtung 25 weist eine Oberflächenenergie von 15-17 mN/m und eine Schichtdicke von 20μηη bis 40μηη auf, die über die gesamte Oberfläche 24 des Kühlkanals 23 konstant ist. Aufgrund ihrer geringen Schichtdicke hat die
Beschichtung 25 keine thermisch isolierende Wirkung auf den Werkstoff des Kolbens 10. Die Beschichtung 25 ist bis 600°C temperaturbeständig.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beschichtung der Oberfläche (24) eines geschlossenen,
Ölzulauf- bzw. Ölablaufbohrungen (23', 23") aufweisenden Kühlkanals (23) eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem hexagonales Bornitrid enthaltenden Beschichtungsmitte!, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
a) Einbringen einer definierten Menge eines Beschichtungsmittels in Form einer Suspension von hexagonalem Bornitrid mit einer Lösung auf der Basis mindestens eines thermisch aushärtbaren anorganischen Bindemittels und mindestens eines Lösemittels in den Kühlkanal (23); b) Verteilen des Beschichtungsmittels auf der Oberfläche (24) des
Kühlkanals (23) durch Bewegen des Kolbens (10) um mindestens zwei Raumachsen;
c) Trocknen des auf der Oberfläche (24) des Kühlkanals (23) verteilten
Beschichtungsmittels mittels einer laminaren Luftströmung;
d) Thermisches Aushärten des Beschichtungsmittels zum Fertigstellen einer auf der Oberfläche (24) des Kühlkanals (23) haftenden Beschichtung (25).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt a) die Größe der Oberfläche (24) des Kühlkanals (23) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt a) die Oberfläche (24) des Kühlkanals (23) mit einem Reinigungsmittel gereinigt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das
Reinigungsmittel aus der Gruppe umfassend Methanol, Ethanol, Aceton, 1 - Propanol, 2-Propanol ausgewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) als Bindemittel mindestens ein Polysiloxan verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösemittel Ethanol verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres
Bindemittel Natrium- und/oder Kaliumsilikat verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine Menge von 7ml des Beschichtungsmittels zur Beschichtung einer Oberfläche (24) des Kühlkanals (23) von 190cm2 verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) der Kolben (10) mittels eines Biaxialmischgeräts bewegt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) eine laminare Luftströmung mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 2 Metern pro Sekunde angewendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das Trocknen bei Raumtemperatur durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) das thermische Aushärten bei einer Temperatur von 180°C bis 220°C durchgeführt wird.
13. Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (11 ) und
einem Kolbenschaft (16), wobei der Kolben köpf (11 ) eine äußere umlaufende Ringpartie (15) sowie einen in Höhe der Ringpartie (15) umlaufenden, geschlossenen, Ölzulauf- bzw. Ölablaufbohrungen (23', 23") aufweisenden Kühlkanal (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Oberfläche (24) des Kühlkanals (23) mit einer hexagonales Bornitrid enthaltenden
Beschichtung (25) versehen ist, die über die gesamte Oberfläche (24) des Kühlkanals (23) eine gleichmäßige Dicke aufweist.
14. Kolben nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung (25) zwischen 20μηη und 40μηη beträgt.
15. Kolben nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist.
EP16732963.0A 2015-06-12 2016-06-10 Verfahren zur beschichtung der oberfläche eines geschlossenen kühlkanals eines kolbens für einen verbrennungsmotor Not-in-force EP3307922B1 (de)

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