Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Aus der EP 0 035 290 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Oberteil und einem damit über übliche Mittel verbundenen Unterteil bekannt, wobei sich auf der Unterseite des Oberteils ein an der korrespondierenden Fläche des Unterteils abstützender Ring befindet, der sowohl die radial innere Begrenzung des zur Verbindungsebene offenen Kühlkanals im Oberteil als auch einen zentralen, mit dem Kühlkanal über radial angeordnete Kühlmittelbohrungen verbundenen, zur Verbindungsebene offenen Kühlraum im Oberteil einschließt. Um eine Verbesserung der Kühlwirkung in den heißesten Bereichen des Oberteils sowie eine Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung im Ringfeld bewirken zu können, wird der obere Wandbereich des Kühlkanals mit einem hochwärmeleitenden Stoff beschichtet.

Moderne Kolben werden üblicherweise zur Erreichung hoher Motorleistungen gekühlt und weisen dabei einen im Wesentlichen ringförmigen und zwischen einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil verlaufenden Kühlkanal auf. Um die im Brennraum anfallende Wärmeenergie abführen zu können, wird die im Kolbenoberteil anfallende Wärme über das im Kühlkanal des Kolbens strömende Kühlfluid, bspw. Öl, abgeführt. Dabei ist die Wärmeverteilung im Bereich des Kolbenoberteils jedoch sehr unterschiedlich, wodurch nicht nur Temperaturspannungen innerhalb des Kolbens auftreten, sondern auch eine optimale Wärmeabfuhr durch das im Kühlkanal strömende Kühlfluid zumindest erschwert wird. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Wärmeabfuhr auszeichnet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen kurbelwel- lenseitigen Bereich eines Kolbens eines Verbrennungsmotors mit einer mittels einem thermischen Spritzverfahren aufgespritzten Wärmeleitbeschichtung zu versehen. Mittels dem thermischen Spritzen, insbesondere mittels bspw. dem Kaltgasspritzen, kann eine vergleichsweise hohe Prozessgeschwindigkeit und dadurch eine wirtschaftlich vorteilhafte Umsetzung innerhalb einer Fertigungslinie ermöglicht werden. Mit der erfindungsgemäßen Wärmeleitbeschichtung können zudem eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Kolbens, insbesondere innerhalb eines einem Brennraum zugewandten Kolbenoberteils erreicht und darüber hinaus sog. lokale„Hotspots" vermieden werden. Wird eine derartige Wärmeleitbeschichtung bspw. im Bereich eines im Kolben verlaufenden Kühlkanals angeordnet, so kann auch eine gezielte Wärmeableitung hin zum Kühlmedium des Kühlkanals und damit eine verbesserte Kühlung des Kolbens an sich erreicht werden. Durch die verbesserte Kühlung des Kolbens lässt sich insbesondere auch eine Verkokung von Schmieröl vermeiden oder zumindest die Gefahr einer derartigen Verkokung verringern. Durch insbesondere das Kaltgasspritzen kann auch eine nahezu porenfreie Beschichtung hergestellt werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird die Wärmeleitbeschichtung mittels Kaltgasspritzen auf den kurbelwellenseitigen Bereich des Kolbens aufgebracht. Aufgrund der vergleichsweise hohen kinetischen Energie der auf die zu beschichtende Oberfläche auftreffenden Partikel werden diese mit ihrem Substrat (Trägermaterial)„verklammert", sodass die Wärmeleitbe- schichtung extrem stark an der zu beschichtenden Oberfläche haftet. Die Wärme- leitbeschichtung kann darüber hinaus oxidfrei und sehr kompakt sein. Der Kolben selbst wird während des Beschichtungsvorgangs nicht erwärmt und dehnt sich demzufolge auch nicht aus. All dies wirkt sich positiv auf die thermische und mechanische Stabilität des erfindungsgemäßen Kolbens aus, wobei diese thermische und mechanische Stabilität zusätzlich durch Werkstoffe in der Wärmeleitbeschich- tung positiv beeinflusst werden kann. Besonders Kupfer und Silber haben dabei eine hohe Wärmeleitfähigkeit und wirken sich deshalb besonders positiv auf die thermische Stabilität aus. Generell wird beim Kaltgasspritzen der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht, wozu ein auf wenige 100°C aufgeheiztes Prozessgas durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend die Pulverpartikel in den Gasstrahl injiziert werden. Diese injizierten Spritzpartikel werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat, d. h. auf die zu beschichtende Oberfläche, eine dichte und gleichzeitig fest haftende Schicht bilden. Die kinetische Energie zum Zeitpunkt des Aufpralls der Spritzpartikel auf die zu beschichtende Oberfläche reicht dabei jedoch für ein vollständiges Aufschmelzen der Spritzpartikel nicht aus. Mit dem Kaltgasspritzen kann die erfindungsgemäße Wärmeleitschicht kostengünstig und stark anhaftend aufgebracht werden. Zudem bietet das Kaltgasspritzen den großen Vorteil, dass es sich um ein rein kinetisches bzw. mechanisches Beschichtungsverfahren handelt, wobei keine Wärme in das zu beschichtende Werkstück eingetragen wird. Die Beschichtung kann auch ohne die bei alternativen Beschichtungsverfahren auftretende Gefahr der Oxidbildung aufgebracht werden, was besonders vorteilhaft ist, da eine Oxidschicht eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit besitzt, als die Wärmeleitbeschichtung aus reinem Material. Ein alternatives thermisches Spritzverfahren ist bspw. das Plasmaspritzen, bei welchem an einem Plasmabrenner eine Anode und bis zu drei Katoden durch einen schmalen Spalt voneinander getrennt sind. Durch eine Gleichspannung wird hierbei ein Lichtbogen zwischen Anode und Katode erzeugt, wobei das durch den Plasmabrenner strömende Gas durch den Lichtbogen geleitet und hierbei ionisiert wird. Die Dissoziation, bzw. anschließende Ionisation, erzeugt ein hochaufgeheiztes, elektrisch leitendes Gas aus positiven Ionen und Elektronen, in welchen der Beschichtungswerkstoff eingedüst und durch die hohe Plasmatemperatur sofort aufgeschmolzen wird. Der Plasmastrom reißt dabei den Beschichtungswerkstoff mit und schleudert diesen auf die zu beschichtende Oberfläche. Selbstverständlich kann bei allen genannten thermischen Spritzverfahren vor dem Aufbringen der eigentlichen Wärmeleitbeschichtung auch ein Haftgrund aufgebracht werden, der bspw. Aluminium und/oder Nickel aufweist. Ein derartiger Haftgrund kann dabei bis zu 100 μιτι dick sein.

Generell kann die erfindungsgemäß mittels thermischem Spritzverfahren aufgebrachte Wärmeleitbeschichtung nicht nur für gebaute Kolben, sondern auch für einteilige Kolben und Ottokolben verwendet werden. Der große Vorteil des thermischen Spritzens, insbesondere des Kaltgasspritzens, zum Aufspritzen der Wärmeleitbeschichtung ist dabei die hohe Wirtschaftlichkeit und die durch die Wärmeleitbeschichtung optimierte Wärmeabfuhr als Konsequenz der hohen Leistungsdichte, insbesondere bei PKW-Anwendungen. Mit dem Kaltgasspritzen kann die Wärmeleitbeschichtung rein mechanisch, das ohne separate Energiezufuhr, aufgebracht werden, wodurch die Gefahr der Oxidbildung, die die Wärmeleitfähigkeit herabsetzt, ausgeschlossen werden kann.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben während des Aufspritzens der erfindungsgemäßen Wärmeleitbeschichtung,

Fig. 2 einen mit dem erfindungsgemäßen Spritzverfahren beschichteten Kolben von unten.

Entsprechend der Fig. 1 ist ein Kolbenoberteil 1 eines Kolbens 2 dargestellt, wobei im Kolbenoberteil 1 ein Kühlkanal 3 verläuft. Ein kurbelwellenseitiger Bereich des Kolbens 2, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein einem Brennraum 4 zugewandter Bereich des Kühlkanals 3 wird dabei mit einer mittels einem thermischen Spritzverfahren aufgespritzten Wärmeleitbeschichtung 5 versehen. Als thermisches Spritzverfahren kommt hierbei insbesondere das Schmelzbadspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen, Flammspritzen, Detonationsspritzen, Laserspritzen oder Kaltgasspritzen in Betracht. Besonders mit dem zuletzt genannten Kaltgasspritzen können eine hohe Prozessgeschwindigkeit und dadurch eine wirtschaftlich vorteilhafte Umsetzung innerhalb einer Fertigungslinie erreicht werden.

Der Kolben 2 kann bspw. als gebauter oder als einteiliger Kolben ausgebildet sein und darüber hinaus aus einem Eisen Werkstoff, insbesondere aus Stahl, ausgeführt sein. Die mittels des thermischen Verfahrens, insbesondere mittels des Kalt- gasspritzens, aufgebrachte Wärmeleitbeschichtung 5 kann bspw. Aluminium, Silber und/oder Kupfer aufweisen. Eine Wärmeleitbeschichtung 5 aus vorzugsweise reinem Kupfer erweist sich dabei hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit als besonders vorteilhaft.

Die Wärmeleitbeschichtung 5 kann bspw. eine Dicke von bspw. 100 bis 500 μιτι aufweisen und aus einem Pulver mit einer Korngröße von bis zu 100 μιτι, vorzugsweise mit einer Korngröße von 15 μιτι bis 25 μιτι, hergestellt sein. Durch die Wahl der Korngröße zwischen 15 und 25 μιτι kann eine besonders kompakte, dichte und homogene Wärmeleitbeschichtung 5 hergestellt werden. Die Rauheit Ra der Wärmeleitbeschichtung 5 kann bspw. in einem Bereich von 0,5 μιτι bis 4,0 μιτι variiert werden.

Gemäß der Fig. 1 ist darüber hinaus eine Vorrichtung 6 zum Herstellen bzw. Aufspritzen der Wärmeleitbeschichtung 5 gezeigt, wobei die Wärmeleitbeschichtung 5 sowohl auf einen endbearbeiteten als auch auf einen lediglich vorbearbeiteten Kolben 2 aufgebracht werden kann. Eine separate Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche vor dem Aufspritzen der Wärmeleitbeschichtung 5 ist nicht zwingend erforderlich.

Die Vorrichtung 6 zum Kaltgasspritzen umfasst in an sich bekannter Weise einen Vorratsbehälter 7 für ein Gas, bspw. Stickstoff, das sowohl als Prozessgas als auch als Trägergas für den pulverformigen Werkstoff dient. Die im Ausführungsbeispiel verwendeten Werkstoffe werden in einem Pulverförderer 8 bevorratet, wobei vom Vorratsbehälter 7 zum Pulverförderer 8 eine Rohrleitung 9 verläuft. Das über diese Rohrleitung 9 in den Pulverförderer 8 transportierte Gas dient als Trägergas für den pulverformigen Werkstoff, wobei vom Vorratsbehälter 7 eine weitere Rohrleitung 10 zu einem Heizer 1 1 , insbesondere einem Gasheizer, führt. Das in diesen Heizer 1 1 transportierte Gas dient als Prozessgas, welches bei Bedarf auf eine Temperatur von bspw. 200 bis 600°C aufgeheizt werden kann. Sowohl das Trägergas mit dem pulverförmigen Werkstoff als auch das Prozessgas werden nun über Rohrleitungen 12,13 in eine Überschalldüse oder Lavaldüse 14 transportiert. Dort wird das Pulver- Gas-Gemisch in Richtung des Pfeils B, also in Richtung auf die zu beschichtende Oberfläche, d. h. im Ausführungsbeispiel auf die Innenwandung des Kühlkanals 3 auf eine Geschwindigkeit von mehr als 500 m/s, in Spitzen bis zu 1500 m/s beschleunigt. Der resultierende Strahl 15 trifft bei Arbeitsabständen von typischerweise 5 bis 50 mm auf die zu beschichtende Oberfläche und bildet dabei die Wär- meleitbeschichtung 5 in einer definierten Dicke, von vorzugsweise 300 bis 500 μιτι. Dabei rotiert der Kolben 2 üblicherweise um seine Mittelachse 16, wobei bei Bedarf selbstverständlich auch eine Maske auf die zu beschichtende Oberfläche aufgelegt werden kann, falls nur eine teilweise Beschichtung gewünscht ist.

Mit dem erfindungsgemäßen thermischen Spritzen, insbesondere mit dem Kaltgasspritzen, können im Bereich des Kolbenoberteils 1 sog. lokale Hotspots vermieden und dadurch eine Homogenisierung der Temperaturverteilung erreicht werden. Zugleich kann eine verbesserte Zuführung der im Brennraum 4 entstehenden Wärme zu gekühlten Bereichen, bspw. zum Kühlkanal 3 oder einer entsprechenden Anspritzkühlung und damit eine verbesserte Wärmeabfuhr erreicht werden. Der erfindungsgemäße Kolben 2 kann dabei sowohl als gebauter oder einteiliger Kolben sowie auch als Stahlkolben (Otto als auch Diesel) eingesetzt werden. Durch das Kaltgasspritzen kann eine hohe Prozessgeschwindigkeit erzielt werden, wodurch eine wirtschaftlich vorteilhafte Umsetzung innerhalb der Fertigungslinie möglich ist. Beim Kaltgasspritzen kann zudem durch die vergleichsweise geringen Temperaturen auf eine anschließende Wärmebehandlung evtl. verzichtet werden.

In Fig. 2 ist eine weitere Möglichkeit einer erfindungsgemäßen Wärmeleitbeschich- tung 5 an einem Kolben 2 dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine "lineare" Beschichtung einer Kolbenunterseite zwischen einer Nabe 17 (über Pleuel) um Wärme von der Bodenmitte zur Anspritzkühlung 18 /zum Kühlkanal 3 zu leiten. Generell kann eine die Wärmeleitbeschichtung 5 überdeckende Schutzschicht 19 vorgesehen sein. In der nachfolgenden Tabelle sind einige Beispiele für Schutzschichten 19 aufgezeigt.

Schutzschicht bzw. Auftragsverfahren Schichtdicke Vor-/Nachteile

Behandlung

Nickel Galvanisch mind. 5 μηι, um Kann im Tauchen oder ggf. im Durchfluss applidicht zu sein ziert werden.

Abscheidegeschwindigkeiten von 5-30 μηΊΛηίη oder höher sind möglich,

Unendliche Badlebensdauer,

Normaler Pflegeaufwand bei Bädern.

Chemisch-Nickel (Ni- Außenstromlos, Ab- mind. 5 μηι, um Benötigt keine Formanode

P) scheidung erfolgt über dicht zu sein beschichtet Flächen konturgetreu und gleichmäeinen chemischen Re- ßig.

dox-Mechanismus Abscheidegeschwindigkeit max. 15 μηι/h. Wird fast nur im Tauchen appliziert.

Begrenzte Badlebensdauer.

Erhöhter Pflegeaufwand bei Bädern.

Chrom Galvanisch mind. 10 μηι, um Kann im Tauchen oder ggf. im Durchfluss applidicht zu sein, da in ziert werden.

Cr-Schichten fast Abscheidegeschwindigkeiten ca. 1 μηΊΛηίη. im immer Risse vorTauchen, im einfachen Durchfluss bis ca. 4-5 handen sind. μηΊ/ηιίη.

Unendliche Badlebensdauer.

Höherer Pflegeaufwand bei Bädern.

Silber Galvanisch mind. 5 μηι, um Wird im Tauchen appliziert.

dicht zu sein Abscheidegeschwindigkeit deutlich unter 1

μηΊ/ηιίη.

Meist werden cyanidische Bäder verwendet. Cy- anidfreie Bäder haben noch eine geringere Abscheidegeschwindigkeit.

Begrenzte Badlebensdauer.

Höherer Pflegeaufwand bei Bädern.

Silber Außenstromlos. Ab- mind. 5 μηι, um Benötigt keine Formanode

scheidung erfolgt über dicht zu sein beschichtet Flächen konturgetreu und gleichmäeinen chemischen Re- ßig / nicht zu beschichtende Bereiche sind ggf. dox-Mechanismus abzudecken.

Fast immer werden heiße cyanidische Bäder mit speziellen Zusätzen verwendet. Wird nur im Tauchen appliziert.

Abscheidegeschwindigkeit deutlich unter 1 μηΊ/ηιίη.

Begrenzte Badlebensdauer.

Erhöhter Pflegeaufwand bei Bädern.

Zinn auf Eisen nur galvamind. 5 μηι, um Galvanisch: Anode (möglichst formgetreu) notnisch möglich, auf dicht zu sein, wird wendig, Stromlos: nicht beschichtete Bereiche Aluminium stromlos. bei Aluminium müssen abgedeckt werden.

schwierig. Beide Verfahren nur im Tauchen. Schmelzpunkt

Zinn < 240 °C

Abscheidegeschwindigkeit galvanisch ca. 1-5 μηΊΛηίη., stromlos ca. 1 μηιΛτπη.

Unendliche Badlebensdauer und geringer Pflegeaufwand.

Kupfer sulfidisieren chemischer Prozess unbekannt, da keiEntweder über eine Reaktion von H ₂ S-Gas (to(Schwefelleber) ne Erfahrung über xisch!) mit Kupfer oder über Eintauchen in LöDichtheit sungen, die Polysulfide, Sulfide und Additive enthält. Geruchsbelästigung. Abscheidegeschwindigkeit nicht bekannt. Diese Schutzschicht 19 verhindert einen direkten Kontakt zwischen dem den Kolben 2 kühlenden Öl und der Kupferbeschichtung und reduziert somit die Gefahr der Degradation des Öls. Die Schutzschicht 19 ist dabei nicht katalytisch wirkend ausgebildet und weist insbesondere zumindest einen der nachfolgenden Bestandteile auf, Nickel, Chrom, Silber, Zinn. Alternativ kann die Schutzschicht 19 auch mit Schwefelleber behandelt sein, wodurch ein schwärzlicher ebenfalls nicht katalytisch wirkender Überzug entsteht. Die Schutzschicht 19 kann dünn ausgebildet sein und muss lediglich dicht sein, so dass bereits eine Dicke von 5-1 O m in Frage kommt.

Die in der Tabelle genannten Metalle lassen sich auch über diverse Spritzverfahren (APS, LDS, HVOF, Kaltgasspritzen etc.) aufbringen. Vorteil sind die hohen Abscheidegeschwindigkeiten: Nachteil sind u.U. die hohen Oversprayraten, die zwangsläufig immer zu Abdeckungen führen. Mit diesen Verfahren lassen sich auch andere Metalle aufbringen, die aus wässrigen Lösungen nicht oder nur unter Wasserstoffversprödung (Zink) abscheidbar sind und u.U. von den Kosten interessant wären, wie z.B. Aluminium, Zink, etc..