WO2015075033A1 - Leichtmetallkolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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WO2015075033A1
WO2015075033A1 PCT/EP2014/074919 EP2014074919W WO2015075033A1 WO 2015075033 A1 WO2015075033 A1 WO 2015075033A1 EP 2014074919 W EP2014074919 W EP 2014074919W WO 2015075033 A1 WO2015075033 A1 WO 2015075033A1
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graphite
light metal
reinforcement
trough
infiltrated
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PCT/EP2014/074919
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Inventor
Ulrich Bischofberger
Steffen RUDOLPH
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Mahle International Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping

Definitions

  • the invention relates to a light metal piston for an internal combustion engine with a base body and a rotating around the main body and connected to it ring element, wherein the main body has a combustion bowl on the front side with a circumferential trough wall delimiting the trough, which via a
  • Trough edge area merges into a piston bottom.
  • DE 43 40 267 A1 discloses a light-metal piston for a diesel engine with a combustion bowl and a bowl rim reinforcement, which is characterized in that the bowl rim reinforcement consists of one ring or several ring sections made of fine-grain carbon.
  • a plunger with a fiber-reinforced combustion bowl for internal combustion engines is known, which is characterized in that the fiber-reinforced bowl edge is provided with a reinforcement of Al 2 0 3 fibers, initially produced a fiber preform is and this preform is infiltrated in the production of pistons under pressure with melt.
  • the aim of the above-described reinforcements is to protect the bowl rim area, which is subject to particularly high mechanical and thermal stresses, in particular thermal cycling, during operation.
  • Object of the present invention is to provide a generic light metal piston for an internal combustion engine whose well wall at least in
  • Muldenrand Scheme has a comparison with the prior art improved thermal shock resistance. Furthermore, the production of the light metal piston should be simple and inexpensive.
  • Electrographite Surprisingly, a reinforcement according to the invention not only has a high thermal shock resistance but also a high oxidation resistance and a reduced thermal conductivity. Contrary to the assumption that carbon or graphite reduces silicates, in particular at elevated temperature, and therefore oxidises itself, an increase is found in graphite infiltrated with silicone resin
  • the reinforcement of the invention is characterized by a low design effort. Only the material of the bowl edge region must be able to withstand the stresses to which the bowl rim is exposed during operation of the piston.
  • the proposed in the art very complex structural design of Muldenrands even eliminated.
  • the light metal piston according to the invention can therefore be adapted to all requirements, which result from the type and design of the individual internal combustion engines only by selecting the appropriate material.
  • a structurally particularly simple and particularly effective embodiment is that the entire trough wall has a reinforcement. In a preferred embodiment, therefore, the entire well wall has a
  • the invention is directed against the prior art of providing a surface protective layer and thus protecting the underlying graphite from (oxygen) oxidation; rather, it is based on the general idea of providing a protective effect by infiltrating the open micro pores in the graphite material of the reinforcing ring with the silicone resin. This provides adequate oxidation protection, which also protects the interior of the material. Subsequent processing, for example wet machining with cooling lubricant, does not impair the protective effect.
  • a solution for example an alcoholic solution of a silicone resin is used.
  • vacuum infiltration is preferred.
  • the graphite to be infiltrated under vacuum as long as in a, preferably alcoholic, solution of a silicone resin dipped until no more blistering occurs. Then it is aerated and the infiltrated graphite removed. Finally, it is heated slowly to a temperature of about 500 ° C to cure. During curing, the silicone resin decomposes into silica. A reaction with graphite is not observed.
  • the silicone resin or its oxidation resistant reaction products, such as silica, not only in the near-surface regions, but especially in the located between the near-surface areas inner or central region of the graphite .
  • the homogeneous distribution of the silicone resin reduces the porosity of the graphite. This also reduces the unwanted and destructive, as oxidative "breathing" during a pressure change during operation of the piston in an engine.
  • Such treated graphite is largely resistant to oxidation up to a temperature of 600 ° C.
  • electrographites Due to their production, electrographites have a predominantly open microporous structure of 10 to 20% by volume. Depending on the application, these micropores can be infiltrated or impregnated with various materials in order to achieve certain properties. Known is the treatment with pitch, synthetic resin, inorganic salts, metals, semi-metals. For improving the oxidation resistance, e.g.
  • the infiltration of the reinforcement ring is preferred by vacuum infiltration or in special cases by gas pressure infiltration.
  • the untreated graphite is covered in a closed container, such as an autoclave with a silicone resin and heated to a temperature of about 100 ° C. Once the temperature is reached, vacuum is applied from the outside. Gas escapes from the pores of the graphite material. After the formation of gas ceases, the container is vented. The silicone resin penetrates into the pores of the graphite material.
  • This treatment allows a graphite material, in particular an electrographite, to be infiltrated over several centimeters deep with the silicone resin. Greater depths can also be achieved by applying gas pressure to the container after aeration in addition to the normal atmospheric pressure according to the known method.
  • the organic portion of the silicone resin is expelled and it remains the electrographite with silica as an oxidation-inhibiting component in the pores.
  • various silicone resins known to those skilled in the art are suitable for infiltration.
  • Particularly suitable as infiltrating agent is a silicone resin which can be infiltrated in the liquid state without solvent.
  • the annular graphite-based part is inserted into the casting mold of a piston blank and surrounded with aluminum alloy. An optional heat treatment subsequently serves to increase the strength of the aluminum alloy.
  • the light metal piston according to the invention tends not to store cooling lubricant during wet machining with cooling lubricant. It has been found that electrographite contaminated with cooling lubricant is more susceptible to oxidation than a graphite, a graphite infiltrated with silicone resin according to the invention. Thus, a well edge formed from a reinforcing ring of an electrographite infiltrated with silicone resin seems to be inert to an oxidation of oxygen after wet treatment in the case of temperature loads occurring in internal combustion engines.
  • an untreated electrographite reinforcing ring, a reinforcing ring made of an electrographite infiltrated with silicone resin, and a reinforcing ring made of an aluminum phosphate-impregnated electrographite were wet-processed on all sides to produce samples of the same dimensions. These samples were oxidized for 24 hours at a temperature of 500 ° C and 600 ° C in air. As a measure of the oxidation resistance, the weight loss was used.
  • Impregnation with aluminum phosphate as approximately equivalent.
  • the invention not only proves to be a cost effective method for achieving improved oxidation resistance of electrographites, but also provides lightweight metal pistons that are not subject to increased oxidation of the bowl rim during wet machining or operation in a motor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Grundkörper und einem um den Grundkörper umlaufenden und mit ihm verbundenen Ringelement, wobei der Grundkörper stirnseitig eine Verbrennungsmulde mit einer die Mulde begrenzenden, umlaufenden Muldenwand aufweist, die über einen Muldenrandbereich in einen Kolbenboden übergeht, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Muldenwand zumindest im Muldenrandbereich eine Bewehrung in Form eines Bewehrungsrings aus einem mit Silikonharz infiltrierten Graphit, insbesondere Elektrographit, aufweist.

Description

Leichtmetallkolben für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Grundkörper und einem um den Grundkörper umlaufenden und mit ihm verbundenen Ringelement, wobei der Grundkörper stirnseitig eine Verbrennungsmulde mit einer die Mulde begrenzenden umlaufenden Muldenwand aufweist, die über einen
Muldenrandbereich in einen Kolbenboden übergeht.
Aus der DE 43 40 267 A1 ist ein Leichtmetallkolben für einen Dieselmotor mit einer Verbrennungsmulde und einer Muldenrandbewehrung bekannt, der dadurch ge- kennzeichnet ist, dass die Muldenrandbewehrung aus einem Ring oder mehreren Ringabschnitten aus Feinkornkohlenstoff besteht.
Ferner ist aus der US 4 334 507 A bekannt, bei Kolben mit Verbrennungsmulden den Muldenrand mit einer Bewehrung aus gesintertem porösem Chrom-Nickel-Stahl, der bei der Kolbenherstellung unter Druck mit Schmelze infiltriert wird, zu versehen.
Schließlich ist aus der DE 34 30 056 A1 ein Tauchkolben mit einer faserverstärkten Brennraummulde für Verbrennungsmotoren bekannt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der durch Fasern verstärkte Muldenrand mit einer Bewehrung aus Al203-Fasern versehen ist, wobei zunächst ein Faser-Preform hergestellt wird und dieses Preform bei der Kolbenherstellung unter Druck mit Schmelze infiltriert wird.
Ziel vorstehend beschriebener Bewehrungen ist es, den Muldenrandbereich, der während des Betriebs besonders hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen, insbesondere Temperaturwechselbeanspruchungen unterliegt, zu schützen.
Die vorstehend beschriebenen Ausbildungen des Muldenrandes haben jedoch Nachteile. So unterliegt Feinkornkohlenstoff ohne einer Oxidationsschutzschicht einem Abbrand; eine Bewehrung aus gesintertem porösem Chrom-Nickel-Stahl lässt sich schlecht nachbearbeiten und schließlich unterliegt eine Bewehrung aus Al203-Fasern bei der Herstellung und Verarbeitung erhöhten Umweltschutzbedingungen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Leichtmetallkolben für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, dessen Muldenwand zumindest im
Muldenrandbereich eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit aufweist. Ferner soll die Herstellung des Leichtmetallkolbens einfach und kostengünstig sein.
Gelöst wird die Aufgabe von einem Leichtmetallkolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Grundkörper und einem um den Grundkörper umlaufenden und mit ihm
verbundenen Ringelement, wobei der Grundkörper stirnseitig eine Verbrennungsmulde mit einer die Mulde begrenzenden, umlaufenden Muldenwand aufweist, die über einen Muldenrandbereich in einen Kolbenboden übergeht, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Muldenwand zumindest im Muldenrandbereich eine Bewehrung in Form eines Bewehrungsrings aus einem mit Silikonharz infiltrierten Graphit, insbesondere
Elektrographit, aufweist. Überraschenderweise weist eine erfindungsgemäße Bewehrung nicht nur eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit sondern auch eine hohe Oxidationsbeständigkeit und eine verminderte Wärmeleitfähigkeit auf. Entgegen der Annahme, dass Kohlenstoff bzw. Graphit Silikate, insbesondere bei erhöhter Temperatur, reduziert, und demnach selbst oxidiert wird, zeigt sich bei einem mit Silikonharz infiltrierten Graphit eine erhöhte
Oxidationsbeständigkeit des Verfahrensprodukts.
Die erfindungsgemäße Bewehrung zeichnet sich durch einen geringen konstruktiven Aufwand aus. Lediglich das Material des Muldenrandbereichs muss geeignet sein, den Belastungen standzuhalten, denen der Muldenrand während des Betriebs des Kolbens ausgesetzt ist. Die im Stand der Technik vorgeschlagene sehr aufwändige konstruktive Gestaltung des Muldenrands selbst entfällt. Der erfindungsgemäße Leichtmetallkolben kann daher lediglich durch die Auswahl des geeigneten Werkstoffs an alle Anforderungen angepasst werden, die sich aus Typ und Bauweise der einzelnen Verbrennungsmotoren ergeben.
Eine konstruktiv besonders einfache und besonders wirksame Ausgestaltung besteht darin, dass die gesamte Muldenwand eine Bewehrung aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist daher die gesamte Muldenwand eine
Bewehrung in Form eines Bewehrungsrings aus einem mit Silikonharz infiltrierten Graphit, insbesondere Elektrographit auf.
Die Erfindung wendet sich ab vom Stand der Technik, eine oberflächliche Schutzschicht vorzusehen, und damit den darunterliegenden Graphit vor (Sauerstoff)-Oxidation zu schützen; vielmehr geht sie von dem allgemeinen Gedanken aus, eine Schutzwirkung durch das Infiltrieren der offenen Mikro-Poren im Graphitmaterial des Bewehrungsrings mit dem Silikonharz zu bewirken. Damit wird ein ausreichender Oxidationsschutz erzielt, bei dem auch das Innere des Materials geschützt ist. Auch eine nachfolgende Be- arbeitung, beispielsweise eine Nassbearbeitung mit Kühlschmiermittel, beeinträchtigt die Schutzwirkung nicht.
Zur Infiltration des Graphits wird eine Lösung, beispielsweise eine alkoholische Lösung eines Silikonharzes verwendet. Um eine möglichst auch in Tiefenrichtung vollständige Infiltration des Graphits zu erreichen, ist eine Vakuuminfiltration bevorzugt. Hierfür wird der zu infiltrierende Graphit unter Vakuum solange in eine, vorzugsweise alkoholische, Lösung, eines Silikonharzes getaucht, bis keine Blasenbildung mehr erfolgt. Dann wird belüftet und der infiltrierte Graphit entnommen. Schließlich wird zum Aushärten langsam auf eine Temperatur von etwa 500 °C erwärmt. Während des Aushärtens zersetzt sich das Silikonharz zu Siliziumdioxid. Eine Reaktion mit Graphit wird nicht beobachtet.
Mittels einer Infiltration auch in die Tiefe des Graphits wird erreicht, dass das Silikonharz, bzw. dessen oxidationsbeständige Reaktionsprodukte, wie Siliziumdioxid, nicht nur in den oberflächennahen Bereichen, sondern insbesondere auch in dem zwischen den oberflächennahen Bereichen befindlichen inneren bzw. zentralen Bereich des Graphits vorliegt. Durch die homogene Verteilung des Silikonharzes wird die Porosität des Graphits vermindert. Damit verringert sich auch die unerwünschte und zerstörerische, da oxidative "Atmung" während eines Druckwechsels beim Betrieb des Kolbens in einem Motor.
Derartig behandelter Graphit ist bis zu einer Temperatur von 600 °C weitgehend oxidationsbeständig. Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Leichtmetallkolbens wird zunächst ein
Bewehrungsring aus einem mit Silikonharz infiltrierten Graphit, insbesondere
Elektrographit gebildet.
Elektrographite weisen herstellungsbedingt eine überwiegend offene Mikroporenstruktur von 10 bis 20 Vol.-% auf. Um bestimmte Eigenschaften zu erzielen, können je nach Anwendung diese Mikroporen mit verschiedenen Materialien infiltriert bzw. imprägniert werden. Bekannt ist die Behandlung mit Pech, Kunstharz, anorganischen Salzen, mit Metallen, Halbmetallen. Zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit wird z.B.
empfohlen eine Imprägnierung mit Phosphorsäure in Kombination mit verschiedenen Metallsalzen vorzunehmen.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist die Infiltration des Bewehrungsrings durch Vakuuminfiltration oder in besonderen Fällen durch Gasdruckinfiltration. Hierfür wird der unbehandelte Graphit in einem geschlossenen Behälter, beispielsweise einem Autoklaven mit einem Silikonharz bedeckt und auf eine Temperatur von ca. 100 °C erwärmt. Sobald die Temperatur erreicht ist, wird von außen Vakuum angelegt. Dabei entweicht Gas aus den Poren des Graphitmaterials. Nachdem die Gasbildung aufhört wird der Behälter belüftet. Dabei dringt das Silikonharz in die Poren des Graphitmaterials ein. Durch diese Behandlung lässt sich ein Graphitmaterial, insbesondere ein Elektrographit über mehrere Zentimeter in die Tiefe mit dem Silikonharz infiltrieren. Größere Tiefen können auch dadurch erreicht werden, dass nach Belüftung zusätzlich zum normalen Atmosphärendruck nach bekanntem Verfahren der Behälter mit Gasdruck beaufschlagt wird.
Durch nachfolgendes Aushärten des so infiltrierten Materials, beispielsweise 15 Minuten auf 500 °C, wird der organische Anteil des Silikonharzes ausgetrieben und es verbleibt der Elektrographit mit Siliziumoxid als oxidationshemmende Komponente in den Poren. Grundsätzlich sind verschiedene, dem Fachmann bekannte Silikonharze zur Infiltration geeignet. Als besonders geeignet erweist sich als Infiltrationsmittel ein Silikonharz, welches in flüssigem Zustand ohne Lösungsmittel infiltriert werden kann. Dann wird das ringförmige graphitbasierte Teil in die Gießform eines Kolbenrohlings eingelegt und mit Aluminiumlegierung umgössen. Eine danach optional durchgeführte Wärmebehandlung dient der Festigkeitssteigerung der Aluminiumlegierung.
Anschließend erfolgt eine Nassbearbeitung des Kolbens unter Verwendung von
Kühlschmierstoff. Bereits bei der Nassbearbeitung der Kolben zeigt sich der Wert der vorliegenden Erfindung. Der mit Silikonharz infiltrierte Elektrographit eines
erfindungsgemäßen Leichtmetallkolbens neigt nämlich während einer Nassbearbeitung mit Kühlschmierstoff nicht dazu, Kühlschmierstoff einzulagern. Es hat sich gezeigt, dass mit Kühlschmierstoff kontaminierter Elektrographit stärker oxidationsanfällig ist, als ein Graphit, eines erfindungsgemäß mit Silikonharz infiltriertem Graphits. So scheint ein aus einem Bewehrungsring aus einem mit Silikonharz infiltrierten Elektrographit gebildeter Muldenrandbereich nach einer Nassbearbeitung bei den in Verbrennungsmotoren vorkommenden Temperaturbelastungen inert gegenüber einer Sauerstoffoxidation zu sein.
Zum Vergleich des Oxidationsverhaltens wurden ein unbehandelter Bewehrungsring aus Elektrographit, ein Bewehrungsring aus einem mit Silikonharz infiltrierten Elektrographit und ein Bewehrungsring aus einem mit Aluminiumphosphat imprägnierten Elektrographit allseitig nass bearbeitet, um daraus Proben gleicher Abmessungen herzustellen. Diese Proben wurden 24 h bei einer Temperatur von 500 °C und 600 °C an Luft oxidiert. Als Maß für die Oxidationsbeständigkeit wurde der Gewichtsverlust herangezogen.
Das Ergebnis der Untersuchung zeigt folgende Tabelle:
Gewichtsverlust in %; Gewichtsverlust in
Graphitmaterial Zustand
24 h bei 500 °C %; 24 h bei 600 °C
Elektrographit
unbehandelt 0,4 14 (Herstellerqualität) mit Silikonharz
Elektrographit vakuuminfiltriert;
0,5 2,4 (Herstellerqualität) Aushärtung 15 min bei
500 °C mit Aluminiumphosphat
Elektrographit
imprägniert 0,4 2,5 (Herstellerqualität)
(Herstellerqualität)
Es zeigt sich, dass durch die vorgenommene Behandlung die Oxidationsbeständigkeit gegenüber einer unbehandelten Probe gleichen Materials, insbesondere bei
Temperaturen über 500 °C, signifikant gesteigert werden kann. Die Infiltration mit Silikonharz erweist sich im Vergleich zu der bereits bekannten Methode, der
Imprägnierung mit Aluminiumphosphat, als in etwa gleichwertig.
Die Erfindung erweist sich nicht nur als eine kostengünstige Methode zur Erzielung einer verbesserten Oxidationsbeständigkeit von Elektrographiten sondern stellt auch Leicht- metallkolben bereit, die weder bei einer Nassbearbeitung noch im Betrieb in einem Motor einer erhöhten Oxidation des Muldenrandes unterliegen.

Claims

Patentansprüche
Leichtmetallkolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Grundkörper und einem um den Grundkörper umlaufenden und mit ihm verbundenen Ringelement, wobei der Grundkörper stirnseitig eine Verbrennungsmulde mit einer die Mulde begrenzenden, umlaufenden Muldenwand aufweist, die über einen Muldenrandbereich in einen
Kolbenboden übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass die Muldenwand zumindest im Muldenrandbereich eine Bewehrung in Form eines Bewehrungsrings aus einem mit Silikonharz infiltrierten Graphit, insbesondere Elektrographit, aufweist.
Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Muldenwand eine Bewehrung in Form eines Bewehrungsrings aus einem mit Silikonharz infiltrierten Graphit, insbesondere Elektrographit, aufweist.
Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Bewehrung durch Umgießen mit einer Leichtmetallschmelze, insbesondere
Aluminiumschmelze, mit der Muldenwand zumindest im Muldenrandbereich verbunden ist.
Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Nassbearbeitung mit Kühlschmierstoff.
Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen vakuuminfiltrierten Graphit, insbesondere Elektrographit.
Leichtmetallkolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen bei etwa 500 °C für etwa 15 min ausgehärteten vakuuminfiltrierten Graphit, insbesondere Elektrographit.
PCT/EP2014/074919 2013-11-20 2014-11-18 Leichtmetallkolben für einen verbrennungsmotor WO2015075033A1 (de)

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