Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben zur Verwendung in Verbrennungsmotoren. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung solcher Kolben.

Stand der Technik

Kolben werden in Verbrennungsmotoren verwendet, um über eine Kurbelwelle ein Kraftfahrzeug anzutreiben. Die Kolben bewegen sich innerhalb des Zylinders des Verbrennungsmotors auf und ab und werden durch die Wände des Zylinders geführt.

Durch das Anliegen der Kolben an diesen Wänden gibt es zwischen dem Kolben und den Wänden Reibung. Diese führt zu Verschleiß und Energieverlusten. Aus diesen Gründen wird der Kolben durch Öl geschmiert und werden die Kolbenoberflächen, die mit dem Zylinder in Kontakt stehen, mit reibungsreduzierenden Beschichtungen versehen. Beispiele solcher Beschichtungen sind zum Beispiel in der DE 102005 057 754 B4 beschrieben.

Durch eine entsprechende Reibungsreduzierung soll die Abgasmenge des Fahrzeugs, hier vor allem Kohlendioxid, reduziert werden und sollen auch andere Vorgaben erfüllt werden. Als weitere Maßnahmen zur Reibungsreduzierung kommen unter anderem ein Einsatz von reibungsärmeren Beschichtungen und der Einsatz eines Öls mit geringerer Viskosität in Frage. Auch sind, wie zum Beispiel in der DE 102005 057754 B4 beschrieben, Lösungen bekannt, bei denen eine Reibungsreduzierung durch das Aufbringen einer gemusterten Beschichtung erzielt werden soll. Als Muster sind Punkte, Zickzack-Profile und V-Profile bekannt.

Darstellung der Erfindung

Den Erfindern ist jedoch aufgefallen, dass diese Lösungen noch weiter optimiert werden können, was die Reibungsreduzierung angeht.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Reibung der Kolben im Zylinder zu reduzieren. Die Erfindung wird durch den Kolben nach Anspruch 1 definiert. Sie wird ferner durch das Verfahren nach Anspruch 8 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert .

Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Kolben um einen Kolben zur Verwendung in Verbrennungsmotoren. Insbesondere kann es sich um Kolben zur Verwendung in Diesel-, aber auch Benzinmotoren handeln. Diese Kolben können aus Stahl oder Aluminium/Aluminiumlegierungen bestehen. Es sind jedoch auch andere Materialien denkbar.

Der Kolben weist einen Kolbenboden auf. Dieser Kolbenboden weist oft eine Brennraummulde auf und liegt bei Verwendung dem Brennraum des Zylinders gegenüber. Auf diesen Kolbenboden wird im Motor bei der Verbrennung eine Kraft ausgeübt, die den Kolben in eine Richtung drückt, die nach außen gerichtet ist. An den Kolbenboden schließt sich ein Kolbenschaft an.

Der Kolbenschaft weist zumindest in Teilen ballige Flächen auf, die bei Verwendung des Kolbens an der Zylinderwand anliegen. Diese Flächen weichen bezüglich einer Zylinderfläche an den Randflächen der Kontaktfläche zurück. Diese balligen Flächen bilden die Druckwände bzw. Gegendruckwände und werden auch als Schaftwände bezeichnet. Der Kolbenschaft weist auch Kastenwände auf, die Bolzennaben zur Aufnahme von Kolbenbolzen aufweisen. Die balligen Flächen liegen bei Verwendung an der Zylinderwand des Verbrennungsmotors an.

Die balligen Flächen weisen meist eine oder mehrere reibungsreduzierende Beschichtungen auf. Als Beschichtungen werden polymergebundene Beschichtungsmaterialien verwendet, die Festschmierstoffe aufweisen. Als Polymer werden oft Polyamidimid oder Phenolharz verwendet. Als Festschmierstoff wird oft Graphit eingesetzt, aber auch MoSg oder PTFE kann verwendet werden. Andere Materialien, wie sie in der DE 10 2016 205 199 Al beschrieben werden, können auch Anwendung finden. Diese reibungsreduzierenden Beschichtungen zeigen im Zusammenspiel mit der Zylinderwand weniger Reibung als das Kolbenmaterial .

In der Beschichtung sind Vertiefungen vorgesehen, die so angeordnet sind, dass der Abstand S zwischen je zwei direkt benachbarten Vertiefungen entlang der Axialrichtung des Kolbens und die Breite L der Vertiefungen entlang der Axialrichtung des Kolbens der Formel S > 2L genügen. Demgemäß ist zwischen zwei zueinander in der Axialrichtung benachbarten Vertiefungen ein Abstand größer und insbesondere größer als zweimal so groß wie die Breite der Vertiefungen.

Im Fall von ungleichmäßig ausgebildeten Vertiefungen bezeichnet die Breite L der Vertiefung die maximale Breite der Vertiefung entlang der Axialrichtung. Diese Vertiefungen decken bevorzugt wenigstens 3%, stärker bevorzugt wenigstens 10% der Fläche der Beschichtung ab.

Den Erfindern ist aufgefallen, dass Kolben mit entsprechenden Abständen zwischen den Vertiefungen besonders reibungsarm sind, was auf besonders gute Ölrückhalteeigenschaften zurückgeführt wurde (ohne auf diese Theorie beschränkt sein zu wollen). Diese Effekte können nach einer anderen Theorie besonders bei Schlitzen auftreten, da dort die Ölwirbelbildung besonders ausgeprägt ist. Für zunehmend größer werdende Abstände S wird der reibungsreduzierende Effekt weniger ausgeprägt. Besonders bevorzugt wird, dass der Abstand kleiner als 10% der Schafthöhe ist.

Die Vertiefungen sind bevorzugt länger als sie breit sind, d.h. E>L. Solche Kolben sind besonders reibungsreduziert. Dadurch, dass die Vertiefungen bevorzugt wenigstens 3%, stärker bevorzugt wenigstens 10% der Fläche der Beschichtung abdecken, wird sichergestellt, dass diese einen signifikanten Einfluss auf das Ölrückhalteverhalten des Kolbens haben.

Die Länge E soll kleiner als die Breite der Beschichtung E' sein, so dass die Vertiefungen zumindest an einer Seite komplett in der Beschichtung liegen. Die Vertiefungen sind rundum von der jeweiligen Beschichtung umschlossen - anders gesagt umgibt das Material der Beschichtung vollständig die meistens rechteckigen Vertiefungen. Dies verhindert ein Abfließen von Öl.

Bevorzugter sollen sich mehrere Vertiefungen in einer Reihe horizontal nebeneinander (d.h. entlang des Umfangs fluchtend) befinden. Die Breite der Stege aus Beschichtungsmaterial zwischen diesen fluchtenden Vertiefungen (d.h. der Abstand entlang des Umfangs zwischen den Vertiefungen) muss größer als 0 sein (z.B. größer als lpm oder größer als lOOpm).

Von Vorteil ist jedoch, dass die Dicke der Stege (d.h. die Schichtdicke der Beschichtung) gleich der Schichtdicke der Schicht im Bereich des Abstands S ist - anders gesagt hat das Material der Beschichtung eine im Wesentlichen konstante Dicke über die gesamte Beschichtung. Diese Dicke des Beschichtungsmaterials beträgt bevorzugt zwischen 5 und 25 gm, stärker bevorzugt zwischen 10 und 15 gm. Solche Beschichtungen lassen sich gut durch Siebdruck erstellen.

Bevorzugt wird, dass eine Vertiefung pro 5°-30°, besonders bevorzugt 10°, Kolbenumfang vorgesehen ist und dass diese Vertiefungen in einer Reihe entlang des Umfangs vorgesehen sind. Die Vertiefungen können auch unterschiedlich lang sein.

In diesem Zusammenhang wird besonders bevorzugt, dass sich die Vertiefungen in höchstens 35 % der Fläche der Beschichtung erstrecken (d.h. dass die Fläche der Vertiefungen in Bezug auf die Gesamtfläche, die durch die äußere Begrenzung der Beschichtung umschlossen wird, weniger als 35% beträgt) und sie bevorzugt im Bereich von 20% der Gesamtfläche, die durch die äußere Begrenzung der Beschichtung umschlossen wird, liegt. Dies führte in Experimenten zu einer besonders starken Reibungsverminderung. Die minimale Vertiefungsfläche liegt bei 3% der Gesamtfläche, d.h. die Vertiefungen decken mindestens 3% der Gesamtfläche der Beschichtung ab.

Bevorzugt erstrecken sich die Vertiefungen so tief durch die Beschichtung, dass sie das Material des Kolbenschaftes erreichen und dass somit ihre Unterseite nicht durch das Material der Beschichtung ausgebildet ist. Entsprechend tiefe Vertiefungen sind besonders gute Ölreservoirs und führen daher zu einer guten Schmierung.

Bevorzugt erstrecken sich die Begrenzungsflächen der Vertiefung (en) schräg bezüglich der Beschichtung und des Materials der Flächen, an das sie angrenzen. D. h. die Begrenzungsflächen sind nicht vollständig senkrecht, sondern schräg. Insofern schließen sie einen Winkel ungleich 90° mit dem Material der Beschichtung und dem Material der Flächen ein, an welche sie angrenzen.

Bevorzugt sind die zueinander in der Axialrichtung benachbarten Vertiefungen entlang der Umfangsrichtung zueinander versetzt. Demgemäß sind die Vertiefungen nicht in der Axialrichtung hintereinander aufgereiht, sondern haben zum Beispiel ihre Mittelpunkte entlang der Umfangsrichtung versetzt. Ein entsprechender Kolben hat bei Verwendung eine besonders niedrige Reibung. Durch das Umschlossen Sein der Vertiefungen wird impliziert, dass die Erstreckungslänge zumindest einiger, bevorzugt aller Vertiefungen entlang der Umfangsrichtung kürzer ist als die Erstreckungslänge entlang der Umfangsrichtung der Beschichtung, in der diese ausgebildet sind. Anders gesagt sind die Vertiefungen so kurz, dass sie sich nicht von einer Seite der Beschichtung zur anderen Seite der Beschichtung entlang der Umfangsrichtung erstrecken. Da die Vertiefungen somit so kurz sind, dass sie vollständig in die Beschichtung eingebettet sind, können diese als ein Reservoir von Öl dienen, und verringern somit die Reibung des Kolbens signifikant. Somit wird verhindert, dass sie als Öldrainage wirken, da das Öl nicht über die Vertiefungen an den Seiten der Beschichtung abfließen kann.

Bevorzugt haben die Vertiefungen eine im Wesentlichen rechteckige Form. Die Enden der Vertiefungen in der Umfangsrichtung können auch abgerundet sein. Eine solche Form ist leicht auszubilden. Demgemäß ist entsprechender Kolben kostengünstig herstellbar.

Bevorzugt haben die Vertiefungen eine Breite L von weniger als 2mm und besonders bevorzugt im Bereich von 0,6-0,8 mm. Entsprechend dünne Vertiefungen haben sich als besonders vorteilhaft für das Rückhalteverhalten von Öl herausgestellt, was unter anderem an den Kapillarkräften liegen kann, ohne auf diese Theorie beschränkt zu sein.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche erfindungsgemäß, bei dem die Beschichtung einschließlich der Vertiefungen mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht wird. Ein solches Verfahren ist besonders einfach zu implementieren und hat auch eine ausreichende Genauigkeit, weshalb man damit gut die Beschichtungen mit den Vertiefungen aufbringen kann. Die Präzision des Siebdrucks hängt von verschiedenen Parametern ab, wobei es sich jedoch gezeigt hat, dass sie vergleichsweise gut kontrollierbar ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben nach einer Ausführungsform.

Figur 2 zeigt eine Detailansicht von Beschichtungen des erfindungsgemäßen Kolbens.

Figur 3 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Vertiefung des erfindungsgemäßen Kolbens.

Figuren 4a) und b) zeigen verschiedene Varianten eines erfindungsgemäßen Kolbens. Figuren 4c und 4d) zeigen einen nicht erfindungsgemäßen Kolben.

Detaillierte Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Kolben hat eine zylindrische Form mit einer Zylinderachse A. An einen Kolbenboden 12 des Kolbens mit Ringnuten 13 schließt sich ein Kolbenschaft 14 an. Der Kolbenschaft 14 weist ballige Flächen 16, welche Schaftwände darstellen, und Kastenwände 17 auf.

Die zylindrischen Flächen 16 liegen bei Verwendung des Kolbens an der Zylinderwand des Verbrennungsmotors an und weisen eine reibungsreduzierende Beschichtung 18 aus einem graphithaltigen Polymermaterial auf. Die Beschichtung 16 ist nur auf einem Teil der balligen Fläche 16 vorgesehen. Die ballige Fläche 16 schließt sich an das Ringfeld mit den Ringnuten 13 des Kolbens an. Die Beschichtung 18 erstreckt sich entlang des Umfangs des Kolbens über eine Länge E'. In der Beschichtung 18 sind rechteckige Vertiefungen 20 vorgesehen, die sich durch das Beschichtungsmaterial hindurch erstrecken, sodass das Material des Kolbens durch die Vertiefungen 20 freigelegt wird. Die Enden der rechteckigen Vertiefungen können abgerundet sein. Mehrere Vertiefungen 20 sind entlang der Umfangsrichtung aufgereiht. Es gibt mehrere solche Reihen aus aufgereihten Vertiefungen 20, die entlang der Umfangsrichtung zueinander versetzt sind, sodass die axial benachbarten Vertiefungen 20 zueinander entlang der Umfangsrichtung versetzt sind.

Die Vertiefungen 20 sind weiter im Detail in der Figur 2 dargestellt. Mehrere Vertiefungen 20 sind hier in zwei Reihen dargestellt, die zueinander entlang der Umfangsrichtung des Kolbens 10 versetzt sind. Die Vertiefungen 20 haben eine rechteckige Form in der Draufsicht und haben eine Länge E entlang der Umfangsrichtung und eine Breite L in der Axialrichtung A. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Vertiefungen 20 in der Axialrichtung ist als S definiert. Für den Abstand S gilt S > 2 L.

In Figur 3 ist ein Querschnitt durch eine Vertiefung 20 entlang der Umfangsrichtung gezeigt. Wie aus dieser Figur zu sehen ist, sind die Begrenzungsflächen 17 der Vertiefung bezüglich des Materials der balligen Flächen 16 geneigt und schließen auch einen Winkel bezüglich des Materials der Beschichtung 18 ein. Die Vertiefung 20 ist unten geschlossen, d.h. die Unterseite der Vertiefung 20 wird durch das Material des Kolbens 16 gebildet und ist geschlossen, so dass sie verhindert, dass Öl nach unten abfließt.

Es wurde festgestellt, dass ein wie in Figuren 1-3 dargestellt ausgestalteter Kolben 10 eine um bis zu 20% reduzierte Reibung aufweist. Dies liegt daran, dass die Vertiefungen 20 vergleichsweise gute Ölrückhalteeigenschaften haben. Insofern sammelt sich in ihnen Öl an und verringert dann die Reibung. Im Gegensatz zu Vertiefungen, die sich über die gesamte Breite der Beschichtung erstrecken, sind die Ölrückhalteeigenschaften verbessert, da das Öl nicht abfließen kann. Für das Ölrückhalteverhalten ist es wichtig, dass die Schlitze schmal und tief genug ausgebildet sind. Berechnungen, die dieses Verhalten plausibel machen, sind zum Beispiel in dem Paper von M. Scholle, „Hydrodynamical modelling of lubricant friction between rough surfaces", Tribology International 40 (2007) 1004 - 1011 beschrieben.

Figur 4 zeigt in Figuren a) und b) erfindungsgemäße Kolben. Hierbei entspricht Figur 4b) dem Kolben, der bereits in Figur 1 dargestellt ist. Auf diesen Kolben wird somit nicht immer im Detail eingegangen.

Figur 4a) zeigt einen Kolben 10' gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer Beschichtung 18', in der Beschichtungen 20' so angeordnet sind, dass benachbarte Vertiefungen 20' entlang der Axialrichtung des Kolbens aufgereiht sind. Ferner befindet sich an der dem Kolbenboden 12' gegenüberliegenden Seite der Beschichtung 18' eine Fläche 19' der Beschichtung, in der keine Vertiefungen 20' vorgesehen sind. Auch wenn eine solche Anordnung der Vertiefungen 20' im Vergleich zu der ersten Ausführungsform weniger vorteilhaft ist, was das Rückhaltevermögen für Öl angeht, ist ein dementsprechender Kolben im Vergleich zum Stand der Technik in Bezug auf die Ölrückhalteeigenschaften verbessert und weißt somit weniger Reibung auf.

Figur 4c) zeigt einen weiteren Kolben 10'', der nicht Teil der Erfindung ist. Auch dieser Kolben 10'' hat eine Beschichtung 18'', die Vertiefungen 20'' aufweist. Diese Vertiefungen 20'' erstrecken sich jedoch entlang der Umfangsrichtung des Kolben 10'' über die gesamte Breite der Beschichtung 18'' und sind damit nicht, wie dies die Erfindung verlangt, umschlossen. In den vorhergehenden Ausführungsformen der Figuren 4a) und 4b) erstrecken sich die Vertiefungen 20, 20' jeweils nur über einen Abschnitt der Beschichtung 18, 18' entlang der Umfangsrichtung, nicht aber über die gesamte Breite der Beschichtung 18, 18'. Dadurch, dass sich die Vertiefungen 20'' über die gesamte Breite der Beschichtung 18'' erstrecken, kann Öl aus ihnen abfließen. Dies führt dann zu einer im Vergleich zu Kolben, bei denen die Vertiefungen umschlossen sind, erhöhten Reibung.

Figur 4d) zeigt einen Kolben 10 ¹¹¹ , der nicht erfindungsgemäß ist. Hier sind in einer Beschichtung 18 ¹¹¹ im Wesentlichen kreisförmige Vertiefungen 20 ¹¹¹ vorgesehen, die in mehreren Reihen entlang der Umfangsrichtung des Kolbens 10 ¹¹¹ angeordnet sind und die zueinander entlang der Umfangsrichtung versetzt sind. Die hier gezeigten Vertiefungen 20-'--'--'- erfüllen nicht das Erfordernis, dass S > 2 L, sondern sind zu eng angeordnet. Zudem gilt hier nicht E > L.

Die in Figur 4a) bis 4d) gezeigten Beschichtungen 18 bis 18 ¹¹¹ können durch ein Siebdruckverfahren hergestellt werden.