WO2006087113A1 - Antiadhäsive beschichtung von bauteilen zur verhinderung von ölkohleanbackungen - Google Patents

Antiadhäsive beschichtung von bauteilen zur verhinderung von ölkohleanbackungen Download PDF

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    • C09D183/00—Coating compositions based on macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon, with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D183/04—Polysiloxanes

Definitions

  • the invention relates to a coating for a component which comes into contact with carbon-containing compounds, according to the features of the preamble of patent claim 1.
  • Harmful deposits on a component such.
  • As carbon formed on components that come into contact with carbonaceous compounds.
  • the so-called carbon builds up at temperatures between about 180 ° C (there is no coking below) and about 380 ° C (above this temperature already takes place a combustion of the carbon).
  • so-called ⁇ lkohleanbackept it comes, for example, in pistons, valves and the like of internal combustion engines, in which a carbon-containing fuel-air mixture in the combustion chamber in which the piston is arranged, an internal combustion engine is burned. Due to the prevailing temperatures, it does not lead to the burning of the coal, but to the disadvantageous Kohlkohleeanbackung.
  • EP 0 874 066 B1 discloses a silicon-containing amorphous hydrogenated carbon layer which is produced by plasma deposition. Such a plasma deposition is complex and expensive in the series production of components, wherein the described carbon layer does not have the desired properties. From DE 100 04 132 A1 a coating composition for the production of soil-repellent layers is known, the problem of the ⁇ ikohleanbackung is not mentioned here.
  • DE 101 18 352 A1 shows self-cleaning surfaces by means of hydrophobic structures, just as DE 101 06 213 A1 describes self-cleaning lacquer coatings and methods and means for producing same, wherein it is also not mentioned here that the surfaces come into contact with carbon-containing compounds.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a coating for a component which comes into contact with carbonaceous compounds, with which the deposition of carbon is effectively prevented.
  • the coating is a coating of a thermally stable organic-inorganic hybrid polymer.
  • a coating can be produced, for example, in a sol-gel process.
  • the organic-inorganic hybrid polymer is formed by burnable metal alkoxides and / or polymerizable organometallic compounds as precursors in organic solvents.
  • the metals may be selected from the group Si (silicon), Ti (titanium), Zr (zirconium), Al (aluminum), Sn (tin) or Ce (cerium), the list is not exhaustive. These metals are completely or partially converted into oxides during sintering (pyrolysis) at temperatures, in particular in the combustion chamber, and sintered together, so that the high-temperature-resistant layer is formed.
  • the coating is characterized by a high adhesion to the component and a high thermal resistance.
  • the inorganic-organic hybrid polymers which are themselves poorly wettable by liquids and thus anti-adhesive, can have good anti-adhesive properties, for example by addition of perfluorinated groups, as described, for example, in US Pat. B. of the material Teflon are known.
  • Teflon has the disadvantage that its thermal limit of use is currently about 300 ° C, wherein the organic-inorganic hybrid polymers of the invention above this limit are readily usable.
  • the desired anti-adhesive property can be achieved by nanostructuring of the surface and the use of a poorly wettable material to give the effect known in the art as the "lotus effect".
  • Farbpigme ⁇ te be mixed with the coating.
  • the added color pigments are also heat resistant.
  • black or other dark pigments can be used to increase radiation absorption, resulting in improved heat dissipation.
  • metallic pigments are added to the coating.
  • Such metallic pigments serve to increase the reflectance, which leads to a reduction in the component temperature, which in turn results in the effective prevention of hot gas corrosion .
  • the thermal expansion coefficients of the component and the coating can also be matched by the metallic pigments, so that the thermal stresses be degraded between the coating and the component.
  • ceramic nanoparticles are added to the coating. These ceramic nanoparticles increase the lubricity of the coating, so that not only prevents hot gas corrosion, but also the friction of the coating is reduced.
  • the coating according to the invention is particularly advantageously applicable to components of internal combustion engines, which come into contact with the carbonaceous compounds.
  • an injection nozzle of an internal combustion engine is provided with the coating according to the invention. This prevents the formation of carbon deposits on the injection nozzle, as otherwise this would result in a disruption of the jet formation of the injected fuel, which would result in reduced performance and fuel consumption and emission gradients in a disadvantageous manner. This is effectively prevented with the coated injection nozzle.
  • the coated injection nozzle can not lead to the oil-cooking bakes, which would result in an increase in the backpressure that could destroy the injection pump of the internal combustion engine.
  • an ignition electrode of a spark plug of an internal combustion engine is provided with the coating according to the invention.
  • the part of the spark plug, in particular the ignition electrode can be kept free of carbon deposits, so that the formation of the spark is in no way impaired or prevented.
  • a piston or a piston ring of an internal combustion engine can also be provided with the coating according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für ein Bauteil, das mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen in Berührung kommt, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Beschichtung aus einem thermisch beständigen organisch-anorganischen Hybridpolymer besteht.

Description

B E S C H R E I B U N G
Antiadhäsive Beschichtung von Bauteilen zur Verhinderung von Ölkohleanbackungen
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für ein Bauteil, das mit kohlenstoffhaltigen Verbin- düngen in Berührung kommt, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.
Schädliche Anlagerungen an einem Bauteil, wie z. B. Ölkohle, bilden sich auf Bauteilen, die mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen in Berührung kommen. Die sogenannte Ölkohle bildet sich bei Temperaturen etwa zwischen 180° C (darunter findet keine Verkokung statt) und etwa 380° C (über dieser Temperatur findet schon eine Verbrennung der Ölkohle statt). Zur Ablagerung von Ölkohle, sogenannten Ölkohleanbackungen, kommt es beispielsweise bei Kolben, Ventilen und dergleichen von Brennkraftmaschinen, bei denen ein kohlenstoffhaltiges Kraftstoff-Luft-Gemisch im Verbrennungsraum, in dem der Kolben angeordnet ist, einer Brennkraftmaschine verbrannt wird. Aufgrund der dort herrschenden Temperaturen kommt es nicht zu der Verbrennung der Ölkohle, sondern zu der nachteiligen Ölkohleanbackung.
Aus dem Stand der Technik sind schon Maßnahmen bekannt, um zu versuchen, solche Ölkohleanbackungen an Bauteilen zu verhindern, die allesamt bisher unzufriedenstellend sind. Aus der EP 0 874 066 B1 ist eine siliziumhaltige amorphe hydrierte Kohlenstoffschicht bekannt, die durch eine Plasmaabscheidung hergestellt wird. Eine solche Plasmaabscheidung ist bei der Serienherstellung von Bauteilen aufwändig und kostenintensiv, wobei auch die beschriebene Kohlenstoffschicht nicht die gewünschten Eigenschaften hat. Aus der DE 100 04 132 A1 ist eine Beschichtungszusammensetzung zur Herstellung schmutzabweisender Schichten bekannt, wobei die Problematik der Öikohleanbackung hier nicht genannt ist. Die DE 101 18 352 A1 zeigt selbstreinigende Oberflächen durch hydrophobe Strukturen, genauso wie die DE 101 06 213 A1 selbstreinigende Lackbeschichtungen und Verfahren und Mittel zur Herstellung derselben beschreiben, wobei auch hier nicht erwähnt ist, dass die Oberflächen mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen in Berührung kommen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung für ein Bauteil, das mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen in Berührung kommt, zu schaffen, mit der die Ablagerung von Ölkohle wirksam verhindert wird.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Beschichtung eine Beschichtung aus einem thermisch beständigen organisch-anorganischen Hybridpolymer besteht. Eine solche Beschichtung kann beispielsweise in einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden.
Das organisch-anorganischen Hybridpolymer wird durch einbrennbare Metall-Alkoxide und/oder polymerisierbare organometallische Verbindungen als Precursoren in organischen Lösungsmitteln gebildet.
Die Metalle können aus der Gruppe Si (Silicium), Ti (Titan), Zr (Zirkonium), AI (Aluminium), Sn (Zinn) oder Ce (Cer) sein, wobei die Aufstellung nicht vollständig ist. Diese Metalle werden im Verlauf des Einbrennens (Pyrolyse) bei Temperaturen insbesondere im Brennraum vollständig oder teilweise in Oxide umgewandelt und miteinander versintert, so dass die hochtemperaturfeste Schicht entsteht.
Die Beschichtung zeichnet sich durch eine hohe Haftfestigkeit an dem Bauteil und eine hohe thermische Beständigkeit aus. Die anorganisch-organischen Hybridpolymere, die selbst schlecht von Flüssigkeiten benetzbar und damit antiadhäsiv sind, können zum Beispiel durch Anlagerung perflorierter Gruppen gute antiadhäsive Eigenschaften besitzen, wie sie z. B. von dem Material Teflon bekannt sind. Allerdings hat Teflon den Nachteil, dass seine thermische Einsatzgrenze derzeit bei etwa 300° C liegt, wobei die erfindungsgemäßen organisch-anorganischen Hybridpolymere oberhalb dieser Grenze ohne weiteres einsetzbar sind.
Weiterhin kann die gewünschte antiadhäsive Eigenschaft durch eine Nanostrukturierung der Oberfläche und die Verwendung eines schlecht benetzbaren Materials erzielt werden, so dass sich der in der Fachwelt als „Lotus-Effekt" bekannte Wirkung ergibt.
In Weiterbildung der Erfindung sind der Beschichtung Farbpigmeπte beigemischt. Dabei versteht es sich von selbst, dass die beigemischten Farbpigmente ebenfalls hitzebeständig sind. So können zum Beispiel schwarze oder sonstige dunkle Pigmente zur Erhöhung der Strahlungsabsorbtion verwendet werden, woraus eine verbesserte Wärmeableitung resultiert. In Weiterbildung der Erfindung sind der Beschichtung metallische Pigmente beigemischt. Solche metallischen Pigmente dienen der Erhöhung des Reflexionsgrades, was zu einer Verringerung der Bauteiltemperatur führt, woraus wiederum die wirksame Verhinderung der Heißgaskorrosion resultiert.. Außerdem lassen sich auch durch die metallischen Pigmente die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Bauteiles und der Beschichtung aneinander anpassen, so dass die thermischen Spannungen zwischen der Beschichtung und dem Bauteil abgebaut werden.
In Weiterbildung der Erfindung sind der Beschichtung keramische Nanopartikel beigemischt. Diese keramischen Nanopartikel erhöhen die Gleitfähigkeit der Beschichtung, so dass nicht nur Heißgaskorrosionen verhindert, sondern auch die Reibung der Beschichtung herabgesetzt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können auch mehrere der vorgenannten Pigmentarten miteinander kombiniert werden.
Die erfindungsgemäße Beschichtung ist besonders vorteilhaft anwendbar bei Bauteilen von Brennkraftmaschinen, die mit den kohlenstoffhaltigen Verbindungen in Verbindung kommen. So wird zum einen eine Einspritzdüse einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen. Damit verhindert sich eine Ölkohleanbackung an der Einspritzdüse, da diese ansonsten eine Störung der Strahlformung des eingespritzten Kraftstoffes zur Folge hätte, woraus Leistungsminderungen bzw. Verbrauchs- und Emissionssteigungen in nachteiliger Weise resultieren würden. Dies wird mit der beschichteten Einspritzdüse wirk- sam verhindert. Außerdem kann es mit der beschichteten Einspritzdüse nicht zu den Ölkoh- leanbackungen kommen, die eine Erhöhung des Gegendruckes zur Folge hätten, der die Einspritzpumpe der Brennkraftmaschine zerstören könnte.
Weiterhin ist vorgesehen, dass eine Zündelektrode einer Zündkerze einer Brennkraftma- schine mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen ist. Dadurch kann der Teil der Zündkerze, insbesondere die Zündeiektrode, frei von Ölkohleanbackungen gehalten werden, so dass die Bildung des Zündfunkens in keiner Weise beeinträchtigt oder verhindert wird.
Weiterhin kann auch ein Kolben bzw. ein Kolbenring einer Brennkraftmaschine mit der erfin- dungsgemäßen Beschichtung versehen werden. Gleiches gilt für Ein- oder Auslaßventile der
Brennkraftmaschine. Kommt es bei diesen Bauteilen nämlich zur Ablagerung von Ölkohle,
, wirkt sich dies negativ auf den Verbrauch und den Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschi- ne aufgrund der Porosität der Ölkohle aus. Bei bewegten Teilen, wie Kolben, Kolbenringe, Ventile, kann die angebackene Ölkohle die Gleiteigenschaften verschlechtern und zum Fressen führen. Außerdem bewirkt die schwarze Ölkohle eine Erwärmung, insbesondere des Kolbens durch Strahlungswärme, woraus ebenfalls die negativen geschilderten Wirkun- gen resultieren. Und diese negativen Wirkungen werden eben durch die erfindungsgemäße Beschichtung beseitigt, so dass der Verbrauch und Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine gesenkt wird, was ansonsten nur durch eine Beimischung von Additiven zum Kraftstoff erzielbar wäre. Solche Additive sind aber teuer und stellen für den Benutzer eines Fahrzeuges, in dem eine Brennkraftmaschine eingebaut ist, eine zusätzliche Belastung dar.

Claims

Patentansprüche
1.
Beschichtung für ein Bauteil, das mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen in Berührung kommt, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Beschichtung aus einem thermisch beständigen organisch-anorganischen Hybridpolymer ist.
2.
Beschichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtung metalli- sehe Pigmente beigemischt sind.
3.
Beschichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtung passivie- rende Pigmente beigemischt sind.
4.
Beschichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtung Farbpigmente beigemischt sind.
5.
Beschichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtung keramische Nanopartikel beigemischt sind.
6. Beschichtung nach einem der Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zumindest zwei der Pigmentarten beigemischt sind.
7.
Einspritzdüse einer Brennkraftmaschine, versehen mit einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
8.
Zündkerze einer Brennkraftmaschine, bei der eine Zündelektrode versehen ist mit einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
9.
Kolben einer Brennkraftmaschine, versehen mit einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
10.
Kolbenring einer Brennkraftmaschine, versehen mit einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
11. Ein- oder Auslassventil einer Brennkraftmaschine, versehen mit einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
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