EP3608532A1 - Piston for an engine - Google Patents

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Publication number
EP3608532A1
EP3608532A1 EP19193660.8A EP19193660A EP3608532A1 EP 3608532 A1 EP3608532 A1 EP 3608532A1 EP 19193660 A EP19193660 A EP 19193660A EP 3608532 A1 EP3608532 A1 EP 3608532A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
layer
heat
layer stack
piston crown
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19193660.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP3608532A1 publication Critical patent/EP3608532A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/10Pistons  having surface coverings
    • F02F3/12Pistons  having surface coverings on piston heads
    • F02F3/14Pistons  having surface coverings on piston heads within combustion chambers

Definitions

  • the invention relates to a piston for a piston engine, in particular a reciprocating piston engine, according to the preamble of claim 1.
  • a piston In mechanical engineering, a piston is a movable component that, together with a stationary component, the cylinder, forms a closed combustion chamber, the volume of which can be changed by moving the piston.
  • a simple embodiment of this arrangement is a piston which is immersed in a correspondingly shaped housing. The respective position of the piston in the housing thus determines the size of the combustion chamber.
  • piston machines in which pistons are used are called piston machines.
  • the most widespread piston machines today are motor vehicle engines, especially gasoline and diesel engines.
  • the piston must, among other things, transmit the gas forces of the fuel gas to the connecting rod in motor vehicle engines. In addition, it has the task of sealing the combustion chamber against the crankcase by means of sealing elements and of transmitting the heat transferred to it to the coolant.
  • the coating contains further alloy elements and impurities, in particular chromium, silicon and carbon.
  • DE 10 2006 007 148 A1 discloses a piston which has an iron-aluminum-chromium alloy in order to improve the physical and mechanical properties of the piston, in particular with regard to strength at higher temperatures.
  • EP 0 663 020 B1 provides for the application of a thermal barrier coating consisting of a metal bond coating, a metal / ceramic layer applied thereon and a ceramic composite cover layer applied thereon to a piston in order to protect the piston against rapid thermal alternating stress.
  • the font 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 made of asbestos. It is further proposed to apply a heat-resistant yet heat-conducting layer to the heat-insulating layer on the heat-insulating layer in order to store the heat accumulating in the combustion chamber in this layer.
  • the document EP 0 321 159 A2 shows a built-in piston with a heat-insulating component made of potassium titanate whisker, zirconium dioxide fibers, carbon fibers or aluminum oxide fibers facing the combustion chamber.
  • the component is completely made of one layer Surround silicon nitride or silicon carbide, which is applied by means of vapor deposition.
  • JP 2012-72747 A describes a piston made of an aluminum alloy, on the piston crown of which a porous layer and a film layer are arranged.
  • the thermal conductivity of the final film layer is greater than that of the underlying porous layer.
  • Composite material composed of a porous metal structure and metallic or inorganic fibers, for example ceramic fibers, is described as the material of the porous layer.
  • a similar structure is in EP 2 436 896 A1 discloses, wherein here the porous layer consists of ceramic hollow particles.
  • the invention is based on the object of solving the problems of the prior art or at least reducing them and further increasing the insulating effect.
  • a piston is to be provided which achieves a reduction in temperature peaks.
  • the invention thus relates to a piston for a piston machine, the piston comprising a layer stack arranged on a piston crown of the piston.
  • 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, which contains a heat-conducting material.
  • the arrangement of a layer stack according to the invention on the piston crown advantageously leads to an increase in the efficiency of the combustion process.
  • the efficiency of the internal combustion engine is increased in particular by the fact that less heat is removed from the combustion space or the cylinder space.
  • the temperatures in the combustion chamber are higher than are known from the prior art. Higher temperatures in turn lead to higher efficiency.
  • an increase in temperature 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 accelerated heating of the catalysts.
  • the layer stack according to the invention advantageously provides insulation and / or corrosion protection for the piston surface or the piston on the piston crown.
  • the second layer has the function of harmonizing the temperature on the surface of the piston crown.
  • the heat-conducting material of the second layer advantageously provides 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 temperature peaks on the substrate surface, since the temperature is evenly distributed on the surface by the heat-conducting second layer.
  • the heat-insulating material of the first layer decouples the second layer and thus the heat conduction from the piston crown or the piston. This ensures that the heat is evenly distributed on the surface of the piston crown of a piston according to the invention without being removed from the combustion chamber.
  • a piston according to the invention is advantageously used in piston machines.
  • 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 can have a cylindrical shape, for example.
  • a piston engine is understood to mean both a rotary piston engine, which has, for example, a disk piston, and a reciprocating piston engine, in particular with a cylindrical piston.
  • the region of the piston which faces the combustion chamber and is thus in contact with the fluid is referred to as the piston crown in the present invention.
  • this piston crown is a top side with a round shape, which is arranged on a cylindrical circumferential side wall, the piston skirt.
  • the piston crown in turn can have a variety of shapes.
  • both planar and concave or convex curved designs of the piston crown are possible.
  • the piston crown can also have depressions and elevations, for example in the form of lugs, which are embedded in the piston crown and / or protrude from it.
  • the pistons described in the present invention, in particular piston crowns are at least partially made of a light metal alloy or a steel, light metal alloys being preferred as the piston material.
  • Light metal alloy is basically to be understood as all conceivable light metal alloys. In the present invention, however, aluminum alloys are preferred, in particular aluminum-silicon alloys with varying aluminum contents up to hypereutectic concentrations.
  • a layer stack is arranged on the surface, in particular on the light metal alloy, of the piston crown of a piston described here. This is to be understood as an arrangement of successively applied layers of different or the same thickness made of different or the same materials, a first layer being arranged directly or indirectly on the piston surface.
  • the layers applied one after the other are basically functional layers, that is to say layers which change, in particular improve, at least one physical property of the surface of the piston crown.
  • the essence 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 th results from the quotient of the temperature difference ⁇ T and heat flow Qv.
  • heat-conducting materials are to be understood in particular to be those which have a thermal conductivity ⁇ > 50 W / mK, in particular ⁇ > 100 W / mK.
  • heat-insulating materials 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 K of the piston crown.
  • the layer stack preferably 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 is not connected to the edge of the piston crown, in particular not to the top land, and, via such a connection, there is no heat conduction via the heat-conducting material of the second layer into the piston and, for example, the cylinder material can take place.
  • Another tribological advantage is in particular that the layer stack, which is particularly hard, does not come into contact with a running surface of the piston or liner.
  • the heat-insulating material of the first layer comprises a technical ceramic or an intermetallic compound. It has advantageously been possible to show that pistons which are coated with a layer stack according to the invention and which have materials just mentioned as heat-insulating materials have a particularly high thermal stability at temperatures> 500 ° C.
  • Technical ceramics or also industrial or high-performance ceramics are materials that are optimized in their properties with regard to technical applications. They differ in particular from decorative ceramics or sanitary ware due to the composition of the starting materials, the firing process and the purity and grain size of the starting materials.
  • technical ceramics are understood to mean in particular those which have thermally insulating effects.
  • Intermetallic compounds are homogeneous chemical compounds made of two or more metals. In contrast to alloys, they show lattice structures that differ from those of the constituent metals. In their lattice there is a mixed bond consisting of a metallic bond component and lower atomic bond or ion bond 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).
  • 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 5% to 30% by weight aluminum.
  • the intermetallic compounds can contain contents of further alloying elements and impurities, in particular chromium, niobium, zirconium, carbon and boron.
  • the technical ceramic comprises Y-stabilized zirconium oxide (Zr (Y) O 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), spinel (Al 2 O 3 / MgO), mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ), Zirconium corundum (Al 2 O 3 / ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ) or silicon oxide (SiO 2 ) or ceramics with essential components of the oxides mentioned.
  • Zr (Y) O 2 Y-stabilized zirconium oxide
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • spinel Al 2 O 3 / MgO
  • mullite Al 2 O 3 / SiO 2
  • Zirconium corundum Al 2 O 3 / ZrO 2
  • titanium oxide TiO 2
  • SiO 2 silicon oxide
  • the compounds preferred as heat-insulating material have in common that, in addition to a particularly high temperature resistance of over 500 ° C., they have an expansion coefficient that is compatible with the piston material.
  • the thermal insulation material the life of the layer stack on the piston can be significantly increased.
  • the heat-conducting material of the second layer comprises a metal and / or a heat-conducting ceramic, since these have in particular heat conductivity values ⁇ > 50 W / mK.
  • the heat-conducting material comprises beryllium, aluminum, copper, silver, silicon, molybdenum, tungsten, carbon, beryllium oxide, beryllium nitrite, silicon nitrite and / or silicon carbite as well as mixtures and / or alloys thereof. These materials have a thermal conductivity ⁇ > 100 W / mK as bulk material.
  • silicon carbide up to 350 W / mK heat conduction can be achieved.
  • the materials mentioned are therefore particularly well suited to achieve a particularly rapid and uniform temperature distribution on the surface of the piston crown and thus to prevent, in particular locally limited, temperature peaks. If temperature peaks nevertheless occur, that is to say local temperature maxima, on the surface of the piston crown, the very high temperature prevailing there can be distributed very quickly over the entire surface of the piston crown and thus reduced.
  • temperature peaks occur in particular when the temperature suddenly increases in areas of a surface by more than 50 ° C., in particular by more than 100 ° C., with respect to the mean surface temperature, and thus a high temperature gradient arises.
  • an adhesion promoter layer is arranged between the surface of the piston head and the first layer and / or between the first layer and the second layer.
  • Adhesion promoters are substances that 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 adhesive strength of coatings is defined as the measure of the resistance of a coating against 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 to one another means that they are more difficult to separate from one another by external influences.
  • the occurrence of strong temperature fluctuations can be an external influence be understood. If, for example, the arranged first layer expands more than the composite partner, that is to say, for example, the light metal alloy or the second layer, shear forces arise at the connection point.
  • the adhesion promoter layer can act as a corrosion protection layer and thus indirectly increase the adhesive strength of the composite.
  • the arrangement of an adhesion promoter can advantageously lead to an increase in the wettability of the substrate surface.
  • an adhesion promoter can increase the formation of chemical bonds between the substrate surface and the layer. This is particularly the case if the two layers have very different physical properties with respect to their surface, such as polarity or lattice structure.
  • the arrangement of an adhesion promoter between the piston crown and the first layer or between the first and second layers can thus increase the durability and thus the service life of the layer stack on the surface of the piston crown.
  • the adhesion promoter layer preferably comprises an Fe 3 Al, FeAl, FeAl / Fe 3 Al, NiCr, NiCrAl, NiCrAlY, FeCrAlY, CuCrAlY alloy and / or an intermetallic compound made of FeAl (Cr, Nb, Zr, C, B) and / or Fe 3 Al (Cr, Nb, Zr, C, B).
  • the individual layers can have a gradient based on the layer composition. If, for example, individual layers are composed of mixtures and / or several constituents, the ratio of these to one another can vary within the relevant layer.
  • the piston crown has a depression and the layer stack is arranged within the depression.
  • depression is to be understood as an area of the piston head that lies deeper than a surrounding surface of the piston head.
  • a depression is therefore an indentation or a depression within the piston crown, which is designed to at least partially accommodate a layer stack.
  • the diameter or the width of the recess corresponds to at least the width or the diameter of the layer stack, so that the layer stack is preferably arranged in the region of the recess and is not in contact with the surface of the piston crown beyond this region.
  • the stack of layers is preferably arranged completely in the depression in the piston crown and does not protrude above the surface level of the piston crown, but is flush with the circumferential edge of the piston crown. This ensures that the layer stack does not influence the flow pattern on the surface of the piston crown.
  • at least the second layer that is to say the layer which comprises the heat-conducting material, protrudes from the depression and / or has a diameter which is smaller than the diameter of the depression.
  • Another aspect of the invention relates to a piston machine having a piston according to the present invention.
  • the piston machine according to the invention is characterized by high efficiency, efficient exhaust gas treatment and a very long service life of the individual components.
  • FIG Figure 1 shows a cylindrical piston 10 of a not shown piston engine.
  • the piston 10 has a cylindrically shaped piston skirt 14, on which an essentially planar circular piston crown 11 is arranged.
  • the piston 10 also has circumferential grooves which are designed to accommodate sealing elements, in particular piston rings.
  • the piston 10 is preferably made of a light metal alloy 15. Aluminum alloys, in particular aluminum-silicon alloys, are particularly preferred. Iron compounds, i.e. steels, can also be used as piston material.
  • the piston crown 11 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 recess 12.
  • the diameter d S of the layer stack 20 is made smaller in comparison to the diameter d K of the piston crown 11.
  • the depth of the depression 12 corresponds to the height of the layer stack 20, so that it does not protrude from the depression 12 and does not protrude beyond the surface of the piston head 11.
  • the layer stack 20 preferably ends flush with the edge surrounding the recess 12. A detailed structure of the layer stack 20 is shown in a detailed drawing in FIG Figure 3 explained in more detail.
  • a layer stack 20 functionalizes the surface of a piston crown 11 in a large area.
  • FIG. 2 Another preferred embodiment of a piston according to the invention is shown in Figure 2 shown.
  • the piston 10, also shown in a sectional drawing, is basically constructed in the same way as that in Figure 1 Piston 10 shown. It differs from the first embodiment in that the piston crown 11 of the cylindrical piston 10 is not planar, but has a depression 13. On the piston crown 11 of the in Figure 2
  • the second embodiment of the piston 10 shown shows a functional layer stack 20.
  • the piston crown 11 has no recess for receiving the layer stack 20.
  • the layer stack 20 has, as in FIG Figure 1 shown a smaller diameter than the piston crown 11. A distance is thus formed between the layer stack 20 and the outer edge of the piston crown 11.
  • the remaining area of the piston crown 11 is completely covered by the layer stack 20, including the part of the piston crown 11, which represents the trough 13.
  • the circulating The edge of the piston crown 11 preferably corresponds to less than 10%, in particular less than 5%, preferably less than 2% of the surface of the piston crown 11.
  • the one in the Figures 1 and 2 The functional layer stack 20 shown has both heat-insulating and heat-conducting functions. This is done by the in Figure 3 Outlined structure of the layer stack achieved.
  • Figure 3 shows a layer stack 20 according to the invention, which is arranged on a light metal alloy 15.
  • the light metal alloy 15 is preferably aluminum alloy, in particular aluminum-silicon alloy.
  • An adhesion promoter 23 can optionally be arranged on this light metal alloy 15.
  • the layer of adhesion promoter 23 preferably comprises materials which increase the adhesive strength between the light metal alloy 15 and the first layer 21.
  • materials are suitable which on the one hand increase the wettability of the light metal alloy 15 and on the other hand and in particular compensate for the structural differences between the light metal alloy 15 and the first layer 21.
  • alloys based on iron and aluminum in particular Fe 3 Al, FeAl, FeAl / Fe 3 Al, NiCr, NiCrAl, NiCrAIY, FeCrAIY, CuCrAlY alloys are particularly preferred.
  • Intermetallic compounds based on iron aluminum are also suitable as adhesion promoters.
  • Chromium and / or niobium and / or zirconium, carbon and / or boron are added to an alloy of iron and aluminum.
  • a suitable material which is used for example in the aviation industry, is a nickel-chromium-aluminum composition.
  • adhesion promoters based on austenitic iron, nickel, cobalt alloys as well as compounds alloyed with Cr, Al and Y (so-called MCrAlY layers) or with Hf, Ta or Si can also be used.
  • Suitable bonding agents are commercially available under the brand names Amdry® 365, Amdry® 386, Amdry® 995, Amdry® 962, Amperit® 415, Metco 443 or Sulzer Metco® 445.
  • the adhesion promoter 23 is applied significantly thinner than the following layers and preferably has thicknesses in the range from 0.1 mm to 0.2 mm, in particular between 0.1 mm and 0.15 mm.
  • a first layer 21 adjoins this adhesion promoter 23 or alternatively directly to the piston head.
  • This first layer 21 consists 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.
  • thermal insulation materials preferably technical ceramics and / or intermetallic compounds are used. Y-stabilized zirconium oxide, spinel, aluminum oxide corundum, mullite, titanium dioxide and silicon dioxide are particularly preferred. It is preferred that these materials have a purity of over 80%.
  • Preferred intermetallic compounds are those based on iron-aluminum alloys.
  • FeAl and Fe 3 Al are preferred, which can comprise up to a maximum of 10% of the total mass of the coating added components.
  • the added materials are preferably chromium, niobium, zirconium, carbon or boron.
  • the thickness of the first layer 21 is adapted to the ambient conditions, in particular the ambient temperatures of the piston 10, during operation.
  • the first layer 21 preferably has a thickness in the range from 0.02 mm to 5 mm, in particular in the range from 0.1 mm to 1.5 mm.
  • a further layer of an adhesion promoter 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.
  • the adhesion promoter layers 23 and 24 can be designed identically in one embodiment, but they can also be within the described preferred limits, in particular in composition and The thickness of the layers vary with each other.
  • 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 heat-conducting 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 applied by flame spraying or plasma spraying under vacuum, high-speed flame spraying or atmospheric plasma spraying or by means of chemical and / or electrochemical processes such as painting, galvanizing or the like. It is expedient here to define the areas of the individual layers 21, 22, 23 and 24 sharply. This can be achieved on the one hand by a shape applied to the piston head 11 before spraying, on the other hand by a depression 12 present in the piston head 11 and / or by post-treatment of the applied layer stack 20, in particular removal of the outermost edge of the layer stack 20.
  • the layer stack 20 Due to the heat-insulating properties of the first layer 21, the layer stack 20 has a heat-insulating, in particular insulating function. Due to the very low thermal conductivity ⁇ of the heat-insulating materials applied through the first layer 21, only a very small part of the heat in the combustion chamber is dissipated to the surface of the piston crown and from there to the cylinder chamber. Rather, the heat remains within the combustion chamber and is therefore still available for combustion. As a result, higher efficiency is achieved in the combustion chamber than at lower temperatures. At the same time, the exhaust gases discharged from the combustion chamber have a higher temperature, which ultimately benefits exhaust gas treatment. A pure thermal barrier coating on the surface of the piston crown 11 would, however, at the same time mean that the temperatures cannot be distributed evenly on the surface.
  • a second layer 22 which consists of material that has a very high thermal conductivity ⁇ , the temperature from regions of temperature peaks is distributed uniformly over the entire region of the layer stack 20.
  • the optionally usable layers of adhesion promoter 23 and 24 increase the adhesive strength and corrosion resistance of the layer stack 20 on the light metal alloy 15 or between the first layer 21 and the second layer 22 and thus the service life of the layer stack 20.

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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. Ein Durchmesser (d<sub>S</sub>) des Schichtstapels (20) ist kleiner als ein Durchmesser (d<sub>K</sub>) des Kolbenbodens (11). Das wärmedämmende Material der ersten Schicht (21) umfasst eine technische Keramik.Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine umfassend einen erfindungsgemäßen Kolben.The invention relates to a piston (10) for a piston machine, the piston (10) consisting in some areas of a steel or a light metal alloy (15) and comprising a layer stack (20) arranged on a piston crown (11) of the piston (10). The layer stack (20) comprises at least one first layer (21) which directly or indirectly adjoins a surface of the piston crown (11) and comprises a heat-insulating material, and a second layer (22) which directly or indirectly adjoins the first layer (21) contains a thermally conductive material. A diameter (d <sub> S </sub>) of the layer stack (20) is smaller than a diameter (d <sub> K </sub>) of the piston head (11). The heat-insulating material of the first layer (21) comprises a technical ceramic. Another aspect of the invention relates to a piston machine comprising a piston according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Kolbenmaschine, insbesondere einen Hubkolbenmotor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a piston for a piston engine, in particular a reciprocating piston engine, according to the preamble of claim 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.In mechanical engineering, a piston is a movable component that, together with a stationary component, the cylinder, forms a closed combustion chamber, the volume of which can be changed by moving the piston. A simple embodiment of this arrangement is a piston which is immersed in a correspondingly shaped housing. The respective position of the piston in the housing thus determines the size of the combustion chamber.

Maschinen, in denen Kolben zum Einsatz gelangen, nennt man Kolbenmaschinen. Die heute am weitesten verbreiteten Kolbenmaschinen stellen Kraftfahrzeugmotoren, insbesondere Ottound Dieselmotoren, dar.Machines in which pistons are used are called piston machines. The most widespread piston machines today are motor vehicle engines, especially gasoline and diesel engines.

Die am häufigsten angewandten Werkstoffe für derartige Kolben sind Aluminium und Stahl. Der Kolben muss bei Kraftfahrzeugmotoren 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.The most commonly used materials for such pistons are aluminum and steel. The piston must, among other things, transmit the gas forces of the fuel gas to the connecting rod in motor vehicle engines. In addition, it has the task of sealing the combustion chamber against the crankcase by means of sealing elements and of transmitting the heat transferred to it to the coolant.

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 1100 °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.To improve performance and efficiency, optimizing engines often leads to increased temperatures and pressures in the combustion chamber and in particular on the piston of an internal combustion engine. For example, diesel engines already work at cylinder temperatures from 650 ° C to around 1100 ° C and effective mean pressures up to around 2000 kPa. Such conditions in connection with rapid thermal alternating stresses, which are brought about by the combustion process in the cylinder, create a demanding environment for engine parts within the cylinder.

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.In order to counteract corrosion on the piston crown and heat removal from the combustion chamber, it makes sense to coat parts of the piston with insulating materials.

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.One approach to improve corrosion resistance can be found in the DE 196 03 515 C1 described coating on the basis of aluminum and iron. In addition, the coating contains further alloy elements and impurities, in particular chromium, silicon and carbon.

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.In DE 10 2006 007 148 A1 discloses a piston which has an iron-aluminum-chromium alloy in order to improve the physical and mechanical properties of the piston, in particular with regard to strength at higher temperatures.

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. EP 0 663 020 B1 provides for the application of a thermal barrier coating consisting of a metal bond coating, a metal / ceramic layer applied thereon and a ceramic composite cover layer applied thereon to a piston in order to protect the piston against rapid thermal alternating stress.

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.What these approaches have in common is that they reduce the heat discharge from the cylinder space. However, it is disadvantageous that temperature peaks, which occur locally on the piston crown during combustion, are not derived, but rather intensify. This leads to thermal throttling in the gas exchange or an unwanted shortening of the ignition delay. On the other hand, there is occasional strong thermal stress on the material, with the result that the coating is damaged and the underlying material is destroyed.

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.The font 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 made of asbestos. It is further proposed to apply a heat-resistant yet heat-conducting layer to the heat-insulating layer on the heat-insulating layer in order to store the heat accumulating in the combustion chamber in this layer.

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.The document EP 0 321 159 A2 shows a built-in piston with a heat-insulating component made of potassium titanate whisker, zirconium dioxide fibers, carbon fibers or aluminum oxide fibers facing the combustion chamber. The component is completely made of one layer Surround silicon nitride or silicon carbide, which is applied by means of vapor deposition.

JP 2012-72747 A beschreibt einen Kolben aus einer Aluminiumlegierung, auf dessen Kolbenboden eine poröse Schicht und darauf eine Filmschicht angeordnet sind. Dabei ist die Wärmeleitfähigkeit der abschließenden Filmschicht größer als die der darunterliegenden porösen Schicht. Als Material der porösen Schicht wird Kompositmaterial aus einer porösen Metallstruktur und metallischen oder anorganischen Fasern beispielsweise keramischen Fasern beschrieben. Eine ähnliche Struktur ist in EP 2 436 896 A1 offenbart, wobei hier die poröse Schicht aus keramischen Hohlpartikeln besteht. JP 2012-72747 A describes a piston made of an aluminum alloy, on the piston crown of which a porous layer and a film layer are arranged. The thermal conductivity of the final film layer is greater than that of the underlying porous layer. Composite material composed of a porous metal structure and metallic or inorganic fibers, for example ceramic fibers, is described as the material of the porous layer. A similar structure is in EP 2 436 896 A1 discloses, wherein here the porous layer consists of ceramic hollow particles.

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.The invention is based on the object of solving the problems of the prior art or at least reducing them and further increasing the insulating effect. In particular, a piston is to be provided which achieves a reduction in temperature peaks.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolben und eine Kolbenmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is achieved according to the invention by a piston and a piston machine with the features of the independent claims.

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.The invention thus relates to a piston for a piston machine, the piston comprising a layer stack arranged on a piston crown of the piston. According to the invention, 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, which contains a heat-conducting material.

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.The arrangement of a layer stack according to the invention on the piston crown advantageously leads to an increase in the efficiency of the combustion process. The efficiency of the internal combustion engine is increased in particular by the fact that less heat is removed from the combustion space or the cylinder space. When using a piston according to the invention, the temperatures in the combustion chamber are higher than are known from the prior art. Higher temperatures in turn lead to higher efficiency. In addition, an increase in temperature 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 accelerated heating of the catalysts. The layer stack according to the invention advantageously provides insulation and / or corrosion protection for the piston surface or the piston on the piston crown.

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.Contrary to the heat-insulating and thus insulating function of the first layer, the second layer has the function of harmonizing the temperature on the surface of the piston crown. This means that the heat-conducting material of the second layer advantageously provides 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 temperature peaks on the substrate surface, since the temperature is evenly distributed on the surface by the heat-conducting second layer. The heat-insulating material of the first layer decouples the second layer and thus the heat conduction from the piston crown or the piston. This ensures that the heat is evenly distributed on the surface of the piston crown of a piston according to the invention without being removed from the combustion chamber.

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.A piston according to the invention is advantageously used in piston machines. 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 can have a cylindrical shape, for example. In the present invention, a piston engine is understood to mean both a rotary piston engine, which has, for example, a disk piston, and a reciprocating piston engine, in particular with a cylindrical piston. The region of the piston which faces the combustion chamber and is thus in contact with the fluid is referred to as the piston crown in the present invention.

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.In reciprocating piston engines, which have pistons with an essentially cylindrical geometry, this piston crown is a top side with a round shape, which is arranged on a cylindrical circumferential side wall, the piston skirt. The piston crown in turn can have a variety of shapes. Thus, in the present invention, both planar and concave or convex curved designs of the piston crown are possible. The piston crown can also have depressions and elevations, for example in the form of lugs, which are embedded in the piston crown and / or protrude from it. The pistons described in the present invention, in particular piston crowns, are at least partially made of a light metal alloy or a steel, light metal alloys being preferred as the piston material. Light metal alloy is basically to be understood as all conceivable light metal alloys. In the present invention, however, aluminum alloys are preferred, in particular aluminum-silicon alloys with varying aluminum contents up to hypereutectic concentrations.

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.A layer stack is arranged on the surface, in particular on the light metal alloy, of the piston crown of a piston described here. This is to be understood as an arrangement of successively applied layers of different or the same thickness made of different or the same materials, a first layer being arranged directly or indirectly on the piston surface. The layers applied one after the other are basically functional layers, that is to say layers which change, in particular improve, at least one physical property of the surface of the piston crown.

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. Rth ergibt sich dabei aus dem Quotienten aus Temperaturdifferenz ΔT 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.The essence 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 λ. R th results from the quotient of the temperature difference ΔT and heat flow Qv. In the present invention, heat-conducting materials are to be understood in particular to be those which have a thermal conductivity λ> 50 W / mK, in particular λ> 100 W / mK. In the present invention, however, heat-insulating materials are distinguished by a thermal conductivity λ <15 W / mK, in particular λ <3 W / mK.

Erfindungsgemäß ist ein Durchmesser dS des Schichtstapels kleiner als ein Durchmesser dK 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.According to the invention, a diameter d S of the layer stack is smaller than a diameter d K of the piston crown. The layer stack preferably 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. On the one hand, this has the advantage that the layer stack and in particular the heat-conducting layer is not connected to the edge of the piston crown, in particular not to the top land, and, via such a connection, there is no heat conduction via the heat-conducting material of the second layer into the piston and, for example, the cylinder material can take place. Another tribological advantage is in particular that the layer stack, which is particularly hard, does not come into contact with a running surface of the piston or liner.

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.In a particular embodiment of the invention, it is preferred that the heat-insulating material of the first layer comprises a technical ceramic or an intermetallic compound. It has advantageously been possible to show that pistons which are coated with a layer stack according to the invention and which have materials just mentioned as heat-insulating materials have a particularly high thermal stability at temperatures> 500 ° C.

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.Technical ceramics or also industrial or high-performance ceramics are materials that are optimized in their properties with regard to technical applications. They differ in particular from decorative ceramics or sanitary ware due to the composition of the starting materials, the firing process and the purity and grain size of the starting materials. In the present invention, technical ceramics are understood to mean in particular those which have thermally insulating effects.

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 FeAl(Cr, Nb, Zr, C, B) und/oder Fe3Al(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.Intermetallic compounds, or intermetallic phases, are homogeneous chemical compounds made of two or more metals. In contrast to alloys, they show lattice structures that differ from those of the constituent metals. In their lattice there is a mixed bond consisting of a metallic bond component and lower atomic bond or ion bond 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 one another, 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 5% to 30% by weight aluminum. With a mass fraction of a total of 0 to 10% by weight, based on the total mass, the intermetallic compounds can contain contents of further alloying elements and impurities, in particular chromium, niobium, zirconium, carbon and boron.

In weiter bevorzugter Ausführung der Erfindung umfasst die technische Keramik Y-stabilisiertes Zirkonoxid (Zr(Y)O2), Aluminiumoxid (Al2O3), Spinell (Al2O3/MgO), Mullit (Al2O3/SiO2), Zirkonkorund (Al2O3/ZrO2), Titanoxid (TiO2) oder Siliziumoxid (SiO2) oder Keramiken mit wesentlichen Bestandteilen genannter Oxide.In a further preferred embodiment of the invention, the technical ceramic comprises Y-stabilized zirconium oxide (Zr (Y) O 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), spinel (Al 2 O 3 / MgO), mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ), Zirconium corundum (Al 2 O 3 / ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ) or silicon oxide (SiO 2 ) or ceramics with essential components of the oxides mentioned.

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.The compounds preferred as heat-insulating material, in particular the intermetallic compounds, have in common that, in addition to a particularly high temperature resistance of over 500 ° C., they have an expansion coefficient that is compatible with the piston material. This means that the volume expansion, which a material experiences as a result of an increase in temperature, is in a layer stack in a preferred embodiment between heat-insulating material and piston crown in such a relationship that the temperature prevailing on the heat-insulating material expands this material just enough that it does not become one Delamination as a result of the temperature increase of the layer stack comes from the piston crown. Thus, by a suitable choice of the thermal insulation material, the life of the layer stack on the piston can be significantly increased.

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 a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the heat-conducting material of the second layer comprises a metal and / or a heat-conducting ceramic, since these have in particular heat conductivity values λ> 50 W / mK. In particular, it is preferred that the heat-conducting material comprises beryllium, aluminum, copper, silver, silicon, molybdenum, tungsten, carbon, beryllium oxide, beryllium nitrite, silicon nitrite and / or silicon carbite as well as mixtures and / or alloys thereof. These materials have a thermal conductivity λ> 100 W / mK as bulk material. For example, the metal aluminum with a purity of 99.5% has a thermal conductivity λ = 236 W / mK, copper has a thermal conductivity λ = 401 W / mK and silver has a thermal conductivity λ = 429 W / mK, while with silicon carbide up to 350 W / mK heat conduction can be achieved. The materials mentioned are therefore particularly well suited to achieve a particularly rapid and uniform temperature distribution on the surface of the piston crown and thus to prevent, in particular locally limited, temperature peaks. If temperature peaks nevertheless occur, that is to say local temperature maxima, on the surface of the piston crown, the very high temperature prevailing there can be distributed very quickly over the entire surface of the piston crown and thus reduced. In this context, temperature peaks occur in particular when the temperature suddenly increases in areas of a surface by more than 50 ° C., in particular by more than 100 ° C., with respect to the mean surface temperature, and thus a high temperature gradient arises.

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.In a further embodiment of the invention it is preferred that an adhesion promoter layer is arranged between the surface of the piston head and the first layer and / or between the first layer and the second layer. Adhesion promoters are substances that 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 adhesive strength of coatings is defined as the measure of the resistance of a coating against 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 to one another means that they are more difficult to separate from one another by external influences. In this context, the occurrence of strong temperature fluctuations can be an external influence be understood. If, for example, the arranged first layer expands more than the composite partner, that is to say, for example, the light metal alloy or the second layer, shear forces arise at the connection point. In addition, the adhesion promoter layer can act as a corrosion protection layer and thus indirectly increase the adhesive strength of the composite. The arrangement of an adhesion promoter can advantageously lead to an increase in the wettability of the substrate surface. In addition, an adhesion promoter can increase the formation of chemical bonds between the substrate surface and the layer. This is particularly the case if the two layers have very different physical properties with respect to their surface, such as polarity or lattice structure. The arrangement of an adhesion promoter between the piston crown and the first layer or between the first and second layers can thus increase the durability and thus the service life of the layer stack on the surface of the piston crown.

Bevorzugt umfasst die Haftvermittlerschicht eine Fe3Al-, FeAl-, FeAl/Fe3Al-, NiCr-, NiCrAl-, NiCrAlY-, FeCrAlY-, CuCrAlY-Legierung und/oder eine intermetallische Verbindung aus FeAl(Cr, Nb, Zr, C, B) und/oder Fe3Al(Cr, Nb, Zr, C, B).The adhesion promoter layer preferably comprises an Fe 3 Al, FeAl, FeAl / Fe 3 Al, NiCr, NiCrAl, NiCrAlY, FeCrAlY, CuCrAlY alloy and / or an intermetallic compound made of FeAl (Cr, Nb, Zr, C, B) and / or Fe 3 Al (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.The individual layers can have a gradient based on the layer composition. If, for example, individual layers are composed of mixtures and / or several constituents, the ratio of these to one another can vary within the relevant layer.

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.In a further embodiment, it is preferred that the piston crown has a depression and the layer stack is arranged within the depression. In the present invention, depression is to be understood as an area of the piston head that lies deeper than a surrounding surface of the piston head. A depression is therefore an indentation or a depression within the piston crown, which is designed to at least partially accommodate a layer stack. The diameter or the width of the recess corresponds to at least the width or the diameter of the layer stack, so that the layer stack is preferably arranged in the region of the recess and is not in contact with the surface of the piston crown beyond this region. The stack of layers is preferably arranged completely in the depression in the piston crown and does not protrude above the surface level of the piston crown, but is flush with the circumferential edge of the piston crown. This ensures that the layer stack does not influence the flow pattern on the surface of the piston crown. In an alternative embodiment it is provided that at least the second layer, that is to say the layer which comprises the heat-conducting material, protrudes from the depression and / or has a diameter which is smaller than the diameter of the depression. The advantage of this configuration is that the second layer and in particular the heat-conducting material are not in contact with the surface of the piston surface. Such a contact would weaken the heat-insulating effect of the lower layer, i.e. the first layer. The heat would be released to the piston crown via the heat-conducting layer and could be conducted out of the combustion chamber via the piston.

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.Another aspect of the invention relates to a piston machine having a piston according to the present invention. The piston machine according to the invention is characterized by high efficiency, efficient exhaust gas treatment and a very long service life of the individual components.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention result from the other features mentioned in the subclaims.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application can be combined with one another with advantage, unless otherwise stated in the individual case.

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.
The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figure 1
2 shows a schematic sectional illustration of a piston in a first embodiment of the invention,
Figure 2
is a schematic sectional view of a piston in a second embodiment of the invention and
Figure 3
schematically shows a detail of a layer stack according to the invention on a piston crown according to Figure 2 or 3 ,

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigten schematischen Darstellungen näher erläutert werden.The invention is based on the in the Figures 1, 2 and 3 shown schematic representations are explained in more detail.

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 11 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 11 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 11 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 11 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.A preferred embodiment of the piston 10 according to the invention is shown in FIG Figure 1 shown. Figure 1 shows a cylindrical piston 10 of a not shown piston engine. In this embodiment, the piston 10 has a cylindrically shaped piston skirt 14, on which an essentially planar circular piston crown 11 is arranged. The piston 10 also has circumferential grooves which are designed to accommodate sealing elements, in particular piston rings. The piston 10 is preferably made of a light metal alloy 15. Aluminum alloys, in particular aluminum-silicon alloys, are particularly preferred. Iron compounds, i.e. steels, can also be used as piston material. In the illustrated embodiment, the piston crown 11 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 recess 12. The diameter d S of the layer stack 20 is made smaller in comparison to the diameter d K of the piston crown 11. In the embodiment shown, the depth of the depression 12 corresponds to the height of the layer stack 20, so that it does not protrude from the depression 12 and does not protrude beyond the surface of the piston head 11. The layer stack 20 preferably ends flush with the edge surrounding the recess 12. A detailed structure of the layer stack 20 is shown in a detailed drawing in FIG Figure 3 explained in more detail.

Die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform eines Kolbens 10 zeichnet sich in seiner Funktionsweise dadurch aus, dass ein Schichtstapel 20 die Oberfläche eines Kolbenbodens 11 in einem großen Bereich funktionalisiert.In the Figure 1 The embodiment of a piston 10 shown is distinguished in its mode of operation in that a layer stack 20 functionalizes the surface of a piston crown 11 in a large area.

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 11 des zylindrischen Kolbens 10 nicht planar ausgeführt ist, sondern eine Mulde 13 aufweist. Auf dem Kolbenboden 11 der in Figur 2 gezeigten zweiten Ausgestaltung des Kolbens 10 ist ein funktionaler Schichtstapel 20 angeordnet. Dabei verfügt der Kolbenboden 11 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 11. Es bildet sich also ein Abstand zwischen Schichtstapel 20 und äußerem Rand des Kolbenbodens 11. Unter Einhaltung eines definierten Randes ist der verbleibende Bereich des Kolbenbodens 11 vollständig vom Schichtstapel 20 bedeckt, so auch der Teil des Kolbenbodens 11, der die Mulde 13 darstellt. Der umlaufende Rand des Kolbenbodens 11 entspricht bevorzugt weniger als 10 %, insbesondere weniger als 5 %, vorzugsweise weniger als 2 % der Oberfläche des Kolbenbodens 11.Another preferred embodiment of a piston according to the invention is shown in Figure 2 shown. The piston 10, also shown in a sectional drawing, is basically constructed in the same way as that in Figure 1 Piston 10 shown. It differs from the first embodiment in that the piston crown 11 of the cylindrical piston 10 is not planar, but has a depression 13. On the piston crown 11 of the in Figure 2 The second embodiment of the piston 10 shown shows a functional layer stack 20. Here, the piston crown 11 has no recess for receiving the layer stack 20. The layer stack 20 has, as in FIG Figure 1 shown a smaller diameter than the piston crown 11. A distance is thus formed between the layer stack 20 and the outer edge of the piston crown 11. With a defined edge, the remaining area of the piston crown 11 is completely covered by the layer stack 20, including the part of the piston crown 11, which represents the trough 13. The circulating The edge of the piston crown 11 preferably corresponds to less than 10%, in particular less than 5%, preferably less than 2% of the surface of the piston crown 11.

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.The one in the Figures 1 and 2 The functional layer stack 20 shown has both heat-insulating and heat-conducting functions. This is done by the in Figure 3 Outlined structure of the layer stack achieved. Figure 3 shows a layer stack 20 according to the invention, which is arranged on a light metal alloy 15. The light metal alloy 15 is preferably aluminum alloy, in particular aluminum-silicon alloy. An adhesion promoter 23 can optionally be arranged on this light metal alloy 15.

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 Fe3Al-, FeAl-, FeAl/Fe3Al-, NiCr-, NiCrAl-, 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, Al 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.The layer of adhesion promoter 23 preferably comprises materials which increase the adhesive strength between the light metal alloy 15 and the first layer 21. For this purpose, materials are suitable which on the one hand increase the wettability of the light metal alloy 15 and on the other hand and in particular compensate for the structural differences between the light metal alloy 15 and the first layer 21. For this purpose, alloys based on iron and aluminum, in particular Fe 3 Al, FeAl, FeAl / Fe 3 Al, NiCr, NiCrAl, NiCrAIY, FeCrAIY, CuCrAlY alloys are particularly preferred. Intermetallic compounds based on iron aluminum are also suitable as adhesion promoters. Chromium and / or niobium and / or zirconium, carbon and / or boron are added to an alloy of iron and aluminum. A suitable material, which is used for example in the aviation industry, is a nickel-chromium-aluminum composition. Alternatively, adhesion promoters based on austenitic iron, nickel, cobalt alloys as well as compounds alloyed with Cr, Al and Y (so-called MCrAlY layers) or with Hf, Ta or Si can also be used. Suitable bonding agents are commercially available under the brand names Amdry® 365, Amdry® 386, Amdry® 995, Amdry® 962, Amperit® 415, Metco 443 or Sulzer Metco® 445.

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.The adhesion promoter 23 is applied significantly thinner than the following layers and preferably has thicknesses in the range from 0.1 mm to 0.2 mm, in particular between 0.1 mm and 0.15 mm.

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 Fe3Al 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.A first layer 21 adjoins this adhesion promoter 23 or alternatively directly to the piston head. This first layer 21 consists of a material which has heat-insulating properties. Materials which have a thermal conductivity λ <15 W / mK, in particular λ <3 W / mK, are particularly preferred. As thermal insulation materials preferably technical ceramics and / or intermetallic compounds are used. Y-stabilized zirconium oxide, spinel, aluminum oxide corundum, mullite, titanium dioxide and silicon dioxide are particularly preferred. It is preferred that these materials have a purity of over 80%. Preferred intermetallic compounds are those based on iron-aluminum alloys. In particular, FeAl and Fe 3 Al are preferred, which can comprise up to a maximum of 10% of the total mass of the coating added components. The added materials are preferably chromium, niobium, zirconium, carbon or boron. Depending on the material, the thickness of the first layer 21 is adapted to the ambient conditions, in particular the ambient temperatures of the piston 10, during operation. The first layer 21 preferably has a thickness in the range from 0.02 mm to 5 mm, in particular in the range from 0.1 mm to 1.5 mm.

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.A further layer of an adhesion promoter 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. In principle, the adhesion promoter layers 23 and 24 can be designed identically in one embodiment, but they can also be within the described preferred limits, in particular in composition and The thickness of the layers vary with each other.

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.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 heat-conducting material is characterized by a thermal conductivity λ, 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. Mixtures and / or alloys of these elements or compounds can preferably also be used as the heat-conducting material of the second layer 22. Depending on the heat-conducting material used and in particular on the thermal conductivity λ achieved thereby, 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.

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 11 aufgebrachte Form, zum andern durch eine im Kolbenboden 11 vorhandene Vertiefung 12 und/oder durch Nachbehandlung des aufgetragenen Schichtstapels 20, insbesondere einem Abtragen des äußersten Randes des Schichtstapels 20, realisiert werden.The individual layers 21, 22, 23 and 24 of the layer stack 20 are preferably applied by flame spraying or plasma spraying under vacuum, high-speed flame spraying or atmospheric plasma spraying or by means of chemical and / or electrochemical processes such as painting, galvanizing or the like. It is expedient here to define the areas of the individual layers 21, 22, 23 and 24 sharply. This can be achieved on the one hand by a shape applied to the piston head 11 before spraying, on the other hand by a depression 12 present in the piston head 11 and / or by post-treatment of the applied layer stack 20, in particular removal of the outermost edge of the layer stack 20.

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 11 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.Due to the heat-insulating properties of the first layer 21, the layer stack 20 has a heat-insulating, in particular insulating function. Due to the very low thermal conductivity λ of the heat-insulating materials applied through the first layer 21, only a very small part of the heat in the combustion chamber is dissipated to the surface of the piston crown and from there to the cylinder chamber. Rather, the heat remains within the combustion chamber and is therefore still available for combustion. As a result, higher efficiency is achieved in the combustion chamber than at lower temperatures. At the same time, the exhaust gases discharged from the combustion chamber have a higher temperature, which ultimately benefits exhaust gas treatment. A pure thermal barrier coating on the surface of the piston crown 11 would, however, at the same time mean that the temperatures cannot be distributed evenly on the surface. Rather, areas with increased temperature peaks would form. By arranging a second layer 22, which consists of material that has a very high thermal conductivity λ, the temperature from regions of temperature peaks is distributed uniformly over the entire region of the layer stack 20. The optionally usable layers of adhesion promoter 23 and 24 increase the adhesive strength and corrosion resistance of the layer stack 20 on the light metal alloy 15 or between the first layer 21 and the second layer 22 and thus the service life of the layer stack 20.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Kolbenpiston
1111
Kolbenbodenpiston crown
1212
Vertiefungdeepening
1313
Muldetrough
1414
Kolbenhemdskirt
1515
LeichtmetalllegierungLight alloy
2020
Schichtstapellayer stack
2121
erste Schichtfirst layer
2222
zweite Schichtsecond layer
2323
Haftvermittlerbonding agent
2424
Haftvermittlerbonding agent

Claims (7)

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, wobei der Schichtstapel (20) zumindest umfasst: - eine an eine Oberfläche des Kolbenbodens (11) 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, wobei ein Durchmesser (dS) des Schichtstapels (20) kleiner ist als ein Durchmesser (dK) des Kolbenbodens (11) und
wobei das wärmedämmende Material der ersten Schicht (21) eine technische Keramik umfasst.
Piston (10) for a piston machine, the piston (10) partially consisting of a steel or a light metal alloy (15) and comprising a layer stack (20) arranged on a piston crown (11) of the piston (10), the layer stack (20 ) includes at least: a first layer (21), which directly or indirectly adjoins a surface of the piston crown (11) and comprises a heat-insulating material, a second layer (22) which directly or indirectly adjoins the first layer (21) and which contains a heat-conducting material, wherein a diameter (d S ) of the layer stack (20) is smaller than a diameter (d K ) of the piston crown (11) and
wherein the heat insulating material of the first layer (21) comprises a technical ceramic.
Kolben (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die technische Keramik Y-stabilisiertes ZrO2, Al2O3, Al2O3/MgO, Al2O3/SiO2, Al2O3/ZrO2, TiO2 und/oder SiO2 umfasst.Piston (10) according to claim 1, characterized in that the technical ceramic Y-stabilized ZrO 2 , Al 2 O 3 , Al 2 O 3 / MgO, Al 2 O 3 / SiO 2 , Al 2 O 3 / ZrO 2 , TiO 2 and / or SiO 2 comprises. Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material der zweiten Schicht (22) Be, Al, Cu, Ag, Si, Mo, Wo, C, BeO, BN, SiN und/oder SiC, sowie Mischungen und/oder Legierungen daraus umfasst.Piston (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat-conducting material of the second layer (22) Be, Al, Cu, Ag, Si, Mo, Wo, C, BeO, BN, SiN and / or SiC, and Mixtures and / or alloys thereof. Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Leichtmetalllegierung (15) und der ersten Schicht (21) und/oder zwischen der ersten Schicht (21) und der zweiten Schicht (22) eine Haftvermittlerschicht (23, 24) angeordnet ist.Piston (10) according to one of the preceding claims, characterized in that between the light metal alloy (15) and the first layer (21) and / or between the first layer (21) and the second layer (22) an adhesion promoter layer (23, 24 ) is arranged. Kolben (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (23, 24) eine Fe3Al-, FeAl-, FeAl/Fe3Al-, NiCr-, NiCrAl-, NiCrAlY-, FeCrAlY-, CoCrAlY-Legierung und/oder eine intermetallische Verbindung aus FeAl(Cr, Nb, Zr, C, B) und/oder Fe3Al(Cr, Nb, Zr, C, B) umfasst.Piston (10) according to claim 4, characterized in that the adhesive layer (23, 24) is a Fe 3 Al, FeAl, FeAl / Fe 3 Al, NiCr, NiCrAl, NiCrAlY, FeCrAlY, CoCrAlY alloy and / or an intermetallic compound of FeAl (Cr, Nb, Zr, C, B) and / or Fe 3 Al (Cr, Nb, Zr, C, B). Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kolbenboden (11) eine Vertiefung (12) aufweist und der Schichtstapel (20) innerhalb der Vertiefung (12) angeordnet ist.Piston (10) according to one of the preceding claims, wherein the piston crown (11) has a depression (12) and the layer stack (20) is arranged within the depression (12). Kolbenmaschine aufweisend einen Kolben (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Piston machine comprising a piston (10) according to one of claims 1 to 6.
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