DE102017207236A1

DE102017207236A1 - Kolben für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017207236A1
Application number: DE102017207236.9A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Bischofberger; Alois Lecker; Reinhard Rose
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2018-10-31
Also published as: WO2018197338A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine,
- mit einem Grundkörper (2),
- mit einer auf dem Grundkörper (2) aufgebrachten, porösen Wärmedämmschicht (3), die ein anorganisch-oxidisches Matrixmaterial umfasst, in welches eine Mehrzahl von Hohlkugeln (11) eingebettet ist,
- mit einer auf der Wärmedämmschicht (3) angeordneten Deckschicht (4), die ein anorganisch-oxidisches Matrixmaterial (12) umfasst, in welches eine Mehrzahl von plättchenartig ausgebildeten Teilchen (13) eingebettet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kolben.
Sowohl der Kolbenboden als auch die Kolbenmulde von Kolben moderner Brennkraftmaschinen wird im Betrieb erheblichen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die in den Kolben eindringende Wärme kann dabei das Material des Kolbens schwächen, die Bildung von Ölkohle im Kühlkanal des Kolbens fördern sowie einen höheren Kühlöl-Durchsatz erfordern. Zudem mindert die dem Brennraum entzogene Wärme den im Brennraum vorhandenen Gasdruck, so dass weniger nutzbare mechanische Arbeit erzeugt werden kann. Dass im Gegenzug im Ansaugtakt der Brennkraftmaschine Wärme aus dem heißen Kolben an die Luft abgegeben wird, ist aus thermodynamischen Gründen ebenfalls von Nachteil.
Um dem entgegenzuwirken, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, den eigentlichen Kolben mit einer Beschichtung auszustatten, mittels welcher der Kolben höheren thermischen und mechanischen Belastungen standzuhalten vermag.
Vor diesem Hintergrund offenbart die DE 195 42 944 A1 eine Brennkraftmaschine mit verbrennungs- und insbesondere wärmebeaufschlagten Teilen. Weiterhin wird ein Verfahren zum Aufbringen einer porösen Wärmedämmschicht auf diese Teile beschrieben. Die aus außenseitig miteinander verbundenen Körnern und/oder Fasern gebildete Wärmedämmschicht ist zumindest teilweise aus einem hitzebeständigen, temperaturschockstabilen und abriebfesten Dämmmaterial gefertigt. Die Wärmedämmschicht weist eine geringe Wärmeeindringzahl auf. Dies bedeutet, dass auch die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmekapazität und die Dichte besagter Wärmedämmschicht gering sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Wärmedämmschicht nur eine relativ geringe Wärmemenge aufnimmt und an das eigentliche Kolbenmaterial des Kolbens abgibt.
Die DE 10 2012 025 283 A1 offenbart eine Wärmedämmung aus einem Schaumaterial.
Die US 4,852,542 beschreibt eine keramische Wärmeschutzschicht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Beschichtungen von Kolben, um deren thermische und/oder mechanische Eigenschaften zu verbessern, neue Wege aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, auf der Oberfläche eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine eine Wärmedämmschicht und eine auf der Wärmedämmschicht angeordnete Deckschicht vorzusehen. Die Wärmedämmschicht in Kombination mit der Deckschicht dient dazu, ein Eindringen von Wärme oder sogar Hitze aus dem Brennraum der Brennkraftmaschine in das Material des Kolbens soweit wie möglich zu unterbinden.
Dies gelingt durch Ausbildung besagter Wärmedämmschicht mit einer geringen Wärmeeindringzahl, womit üblicherweise auch eine geringe Wärmeleitfähigkeit, eine geringe Wärmekapazität und eine geringe Dichte einhergehen. Zur Erzielung dieser Eigenschaften umfasst die Wärmedämmschicht eines erfindungsgemäßen Kolbens ein anorganisch-oxidisches Matrixmaterial, in welches eine Mehrzahl von Hohlkugeln eingebettet ist.
Die auf der Wärmedämmschicht erfindungsgemäß angeordnete Deckschicht dient dazu, im Brennraum der Brennkraftmaschine erzeugte Wärmestrahlung soweit wie möglich zu reflektieren, also wieder in den Brennraum zurückzuwerfen, so dass eine möglichst geringe Menge an Wärme überhaupt erst auf die Wärmedämmschicht trifft.
Um dies zu erreichen, umfasst auch die Deckschicht ein anorganisch-oxidisches Matrixmaterial, in welches eine Mehrzahl von plättchenartig ausgebildeten Teilchen, insbesondere aus Glimmer, eingebettet ist. Die besagten Teilchen als Hauptbestandteil der Deckschicht folgen dem Wirkprinzip winziger Spiegel, welche die gewünschten Reflexionseigenschaften besitzen. In Kombination mit der Wärmedämmschicht gelingt es daher, das Eindringen von Wärme in das eigentliche Kolbenmaterial gegenüber herkömmlichen Kolben ohne Wärmedämmschicht und ohne Deckschicht deutlich zu reduzieren. Auf diese Weise kann den eingangs erwähnten Nachteilen entgegengewirkt werden. Darüber hinaus besitzt ein anorganisch-oxidisches Matrixmaterial eine geringe Wärmeleitfähigkeit, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die zu erzielende Wärmedämmung mittels der Wärmedämmschicht auswirkt. Die Plättchen können auch eine mechanische Stabilisierung der Deckschicht bewirken, so dass insbesondere die Bildung von Rissen vermieden wird.
Ein erfindungsgemäßer Kolben für eine Brennkraftmaschine umfasst einen Grundkörper, auf welchem eine Wärmedämmschicht aufgebracht ist. Die Wärmedämmschicht umfasst ein anorganisch-oxidisches Matrixmaterial, in welches eine Mehrzahl von Hohlkugeln eingebettet ist. Auf der Wärmedämmschicht ist eine Deckschicht aufgebracht. Auch die Deckschicht umfasst ein anorganisch-oxidisches Matrixmaterial, in welches eine Mehrzahl von plättchenartig ausgebildeten Teilchen eingebettet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das anorganisch-oxidische Matrixmaterial ein anorganisches metall-oxidisches, vorzugsweise ein anorganisches Siliziumdioxid-basiertes oder Polyphosphat-basiertes, Matrixmaterial.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist das anorganisch-oxidische Matrixmaterial gebildet durch: Silikonharz, Wasserglas, Natrium-Silikat, Kalium-Silikat, Natrium-Kalium-Silikat, Alumo-Silikat, Natron-Kalk-Glas, Silane, oder Siloxane.
Zweckmäßig kann das Material der Hohlkugeln ein Glas sein oder ein Glas umfassen. Alternativ dazu kann das Material der Hohlkugeln ein Metalloxid sein oder ein Metalloxid umfassen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Hohlkugeln, SiO₂ aus wenigstens einem der folgenden Materialien gebildet: SiO₂, ZnO₂, CaO, Al₂O₃, Cr₂O₃, Alumo-Silikat, MgO, BaO, TiO₂, ZrO₂, MnO, Fe₂O₃, PbO, B₂O₃.
Bevorzugt bestehen die plättchenartig ausgebildeten Teilchen aus Glimmer, Edelstahl, Glas oder Aluminium.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind die plättchenartig ausgebildeten Teilchen zumindest teilweise als Mikro-Plättchen ausgebildet sind, die eine entlang einer Längsrichtung des Teilchens gemessene Plättchen-Länge von höchstens 40 µm, besonders bevorzugt von 10 bis 40 µm aufweisen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Anteil an Hohlkugeln in der Wärmedämmschicht 40-80 Vol-%. Besonders bevorzugt beträgt der Anteil ca. 50 Vol.-%. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass auf diese Weise eine Wärmedämmschicht mit der gewünschten, geringen Wärmeleitzahl geschaffen werden kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt das Gewicht der SiO₂-Hohlkugeln in der Wärmedämmschicht zwischen 15 Gew.-% und 20 Gew.-%, vorzugsweise im Wesentlichen 18 Gew.-%, höchst vorzugsweise ca. 18,75 Gew.-%, des Gewichts des anorganisch-oxidischen Matrixmaterials in der Wärmedämmschicht. Auch diese Maßnahme führt zu einer Reduzierung der Wärmeleitzahl.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Wärmedämmschicht eine Mehrzahl von plättchenartig ausgebildeten Teilchen, vorzugsweise aus Glimmer oder Glas oder Edelstahl oder Aluminium, deren Gewicht zwischen 20 Gew.-% und 30 Gew.-%, des Gewichts des anorganisch-oxidischen Matrixmaterials in der Wärmedämmschicht beträgt. Als besonders vorteilhaft erweist sich für das Gewicht der Teilchen ein Wert von im Wesentlichen 25 Gew.-%. Mittels der plättchenartig ausgebildeten Teilchen können die Reflexionseigenschaften auch der Wärmedämmschicht signifikant erhöht werden, so dass auch in dieser durch die Deckschicht hindurchgetretene und in die Wärmedämmschicht eindringende Wärmestrahlung zumindest teilweise reflektiert wird.
Besonders bevorzugt sind wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 90%, höchst vorzugsweise wenigstens 95%, der plättchenartig ausgebildeten Teilchen jeweils im Wesentlichen planar zu einer Oberfläche des Grundkörpers angeordnet. Mittels einer derartigen, planaren Ausrichtung der plättchenartig ausgebildeten Teilchen kann in diesen ein besonders hoher Wirkungsquerschnitt erzielt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besitzt zumindest eine Hohlkugel jeweils einen Durchmesser d_K zwischen 30 µm und 55 µm. Besonders bevorzugt gilt dies für alle in der Wärmedämmschicht vorhandenen Hohlkugeln. Dieser Durchmesserbereich sorgt für eine besonders geringe Wärmekapazität der Wärmedämmschicht.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Wärmedämmschicht enthält diese eine Mehrzahl von in dem anorganisch-oxidischen Matrixmaterial angeordneten Metall-Pigmenten, die vorzugsweise als Edelstahl-Pigmente ausgebildet sind. Besagte Metall-Pigmente wirken der Rissbildung in der Wärmedämmschicht in nicht unerheblichem Maße entgegen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt das Gewicht der Metall-Pigmente in der Wärmedämmschicht zwischen 2 Gew.-% und 3 Gew.-% des Gewichts des anorganisch-oxidischen Matrixmaterials in der Wärmedämmschicht. Besonders bevorzugt ist ein Wert von im Wesentlichen 2,5 Gew.-%.
Besonders zweckmäßig besitzt die Wärmedämmschicht eine Schichtdicke zwischen 150 µm und 400 µm. Eine Wärmedämmschicht mit einer Schichtdicke in diesem Schichtdicken-Intervall ist technisch besonders einfach herzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmedämmschicht mit einer Wärmeeindringzahl von höchstens 0,15 J/K m² s^1/2, vorzugsweise von höchstens 0,03 J/K m² s^1/2, versehen werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nur eine geringe Wärmemenge die Wärmedämmschicht durchdringen und in das eigentliche Kolbenmaterial eindringen kann.
Besonders zweckmäßig kann die Deckschicht eine Mehrzahl von in dem anorganisch-oxidischen Matrixmaterial angeordneten Metall-Pigmenten umfassen, die vorzugsweise als Pigmente aus Edelstahl ausgebildet sind. Mittels solcher Metall-Pigmente wird die thermische und physikalische Flexibilität der Deckschicht maßgeblich verbessert.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt das Gewicht der Metall-Pigmente in der Deckschicht zwischen 2 Gew.-% und 3 Gew.-%, vorzugsweise im Wesentlichen 2,5 Gew.-%, des Gewichts des Silikonharzes in der Deckschicht.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung enthält die Deckschicht eine Mehrzahl von plättchenartig ausgebildeten Teilchen, vorzugsweise aus Glimmer oder Glas oder Edelstahl oder Aluminium, deren Gewicht zwischen 35 Gew.-% und 40 Gew.-%, vorzugsweise im Wesentlichen 37,5 Gew.-%, des Gewichts des Silikonharzes in der Deckschicht beträgt. Besagte, plättchenartig ausgebildete Teilchen wirken der Bildung von Rissen in der Deckschicht - verursacht durch hohe thermische Belastungen - entgegen.
Zweckmäßig kann die Deckschicht eine Schichtdicke d_DS zwischen 20 µm und 100 µm besitzen. Mit einem solchen Schichtdicken-Bereich gehen besonders guten Reflexionseigenschaften der Deckschicht einher.
Zweckmäßig kann zwischen der Wärmedämmschicht und dem Grundkörper eine Haftvermittlungsschicht ausgebildet sein, die das anorganisch-oxidische Matrixmaterial enthält, in welches eine Mehrzahl von flockenartig ausgebildeten - Teilchen eingebettet ist. Mittels einer solchen Haftvermittlungsschicht kann eine dauerhafte Haftung der Wärmedämmschicht und somit auch der Deckschicht gewährleistet werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung können die flockenartig ausgebildeten Teilchen aus einem Metall bestehen. Besonders bevorzugt ist das Metall Aluminium oder Titan.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest ein flockenartig ausgebildetes Teilchen einen Teilchendurchmesser D_AI zwischen 13 µm und 19 µm besitzen. Besonders bevorzugt gilt dies für alle in der Haftvermittlungsschicht vorhandenen Teilchen.
Bevorzugt enthält die Haftvermittlungsschicht ein haftungssteigerndes Bindemittel. Diese Maßnahme verbessert die Haftungseigenschaften der Haftvermittlungsschicht zusätzlich.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Haftvermittlungsschicht eine Mehrzahl von plättchenartig ausgebildeten Teilchen, vorzugsweise aus Glimmer oder Edelstahl oder Glas oder Aluminium, deren Gewicht zwischen 20 Gew.-% und 30 Gew.-%, vorzugsweise im Wesentlichen 25 Gew.-%, des Gewichts des anorganisch-oxidischen Matrixmaterials in der Haftvermittlungsschicht beträgt. Die plättchenartig ausgebildeten Teilchen verbessern die Rissbeständigkeit der Haftvermittlungsschicht.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Wärmedämmschicht und/oder der Deckschicht jeweils, vorzugsweise zwischen 15% Vol.-% und 45 Vol.-%, vorzugsweise ca. 40 Vol.-% oder 17,5 Vol.-% Xylol. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Rezeptur der optionalen Haftvermittlungsschicht, falls vorhanden, ca. 40 Vol.-% oder ca. 17,5 Vol.-% Xylol enthalten. Hierbei fördert das Xylol als Lösungsmittel eine verbesserte Aushärtbarkeit der Rezeptur und somit leichtere Ausbildung der Wärmedämmschicht.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine mit Zylindern, in welchen jeweils ein vorangehend vorgestellter Kolben verstellbar angeordnet ist. Die Vorteile des vorangehend erläuterten Kolbens übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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 der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Die einzige 1 zeigt in schematischer Teildarstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Kolbens 1. Dieser umfasst einen in 1 nur grobschematisch dargestellten Grundkörper 2. Auf dem Grundkörper 2 ist eine poröse Wärmedämmschicht 3 aufgebracht, die ein in der 1 nur schematisch angedeutetes anorganisch-oxidisches Matrixmaterial umfasst. Das anorganisch-oxidische Matrixmaterial kann insbesondere ein anorganisches metall-oxidisches, vorzugsweise ein anorganisches Siliziumdioxid-basiertes oder Polyphosphat-basiertes Matrixmaterial sein. Im Beispielszenario ist besagtes Matrixmaterial ein Silikonharz 10. Dazu mögliche alternative Materialien sind: Silikonharz, Wasserglas, Natrium-Silikat, Kalium-Silikat, Natrium-Kalium-Silikat, Alumo-Silikat, Natron-Kalk-Glas, Silane, oder Siloxane.
Die Wärmedämmschicht 3 kann eine Schichtdicke d_WDS zwischen 150 µm und 400 µm aufweisen. In das Silikonharz 10 ist eine Mehrzahl von SiO₂-Hohlkugeln 11 eingebettet, die in 1 ebenfalls nur schematisch angedeutet sind. Die SiO₂-Hohlkugeln 11 besitzen jeweils einen Durchmesser zwischen 30 µm und 55 µm und sind somit als Mikro-Hohlkugeln ausgebildet. Anstelle von SiO₂- kann als Material für die Hohlkugeln auch ein anderes Metalloxid verwendet werden. Auch die Verwendung von Glas als Material für die Hohlkugeln ist denkbar. Insbesondere können folgende Materialien verwendet werden: SiO₂,ZnO₂,CaO,Al₂O₃,Cr₂O₃,Alumosilikat,MgO,BaO,TiO₂,ZrO₂,Mn0,Fe₂O₃,PbO,B ₂O₃.
Auf der Wärmedämmschicht 3 ist eine Deckschicht 4 aufgebracht, die ebenfalls ein anorganisch-oxidisches Matrixmaterial umfasst. Das anorganisch-oxidische Matrixmaterial kann insbesondere ein anorganisches metall-oxidisches, vorzugsweise ein anorganisches Siliziumdioxid-basiertes oder Polyphosphat-basiertes sein. Im Beispielszenario ist das Matrixmaterial ein Silikonharz 12. In das Silkonharz 12 der Deckschicht 4 ist eine Mehrzahl von plättchenartig ausgebildeten Teilchen 13 aus Glimmer eingebettet. Anstelle von Glimmer kann als Teilchen-Material auch Edelstahl, Glas oder Aluminium verwendet werden. Die plättchenartig ausgebildeten Teilchen sind als Mikro-Plättchen ausgebildet, die eine entlang einer Längsrichtung des Teilchens gemessene Plättchen-Länge von 10 bis 40 µm.
Der Anteil an SiO₂-Hohlkugeln in der Wärmedämmschicht beträgt 40-80 Vol-%, vorzugsweise ca. 50 Vol.-%. Das Gewicht der SiO₂-Hohlkugeln 11 in der Wärmedämmschicht 3 beträgt zwischen 15 Gew.-% und 20 Gew.-%, vorzugsweise im Wesentlichen 18 Gew.-%, höchst vorzugsweise ca. 18,75 Gew.-% des Gewichts des in der Wärmedämmschicht 3 vorhandenen Silikonharzes 10.
Die Wärmedämmschicht 3 kann eine Mehrzahl von Teilchen 13 aus Glimmer enthalten, deren Gewicht zwischen 20 Gew.-% und 30 Gew.-% des Gewichts des in der Wärmedämmschicht 3 vorhandenen Silikonharzes 10 beträgt. Besonders bevorzugt ist ein Wert von im Wesentlichen 25 Gew.-%. Anstelle von Glimmer kommt als alternatives Material auch Glas, Edelstahl sowie Aluminium in Betracht.
Wenigstens 70% der plättchen-artig ausgebildeten Teilchen 13 aus Glimmer sind jeweils im Wesentlichen planar zu einer Oberfläche 6 des Grundkörpers 2 angeordnet. Bevorzugt ist ein Wert von wenigstens 90%, besonders bevorzugt ist ein Wert von wenigstens 95%.
Die Wärmedämmschicht 3 kann eine Mehrzahl von in dem Silikonharz 10 angeordneten Metall-Pigmenten 14 umfassen. Bevorzugt handelt es sich bei den Metall-Pigmenten 14 um Edelstahl-Pigmente. Das Gewicht der Metall-Pigmente 14 in der Wärmedämmschicht 3 kann zwischen 2 Gew.-% und 3 Gew.-% des Gewichts des Silikonharzes 10 in der Wärmedämmschicht 3 betragen. Besonders bevorzugt ist ein Wert von im Wesentlichen 2,5 Gew.-%.
Die Wärmedämmschicht 3 kann eine Wärmeeindringzahl von höchstens 0,15 J/K m² s^1/2, vorzugsweise von höchstens 0,03 J/K m² s^1/2, aufweisen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass nur eine geringe Wärmemenge die Wärmedämmschicht durchdringen und in das eigentliche Kolbenmaterial eindringen kann.
Die Deckschicht 4 besitzt eine Schichtdicke d_DS zwischen 20 µm und 100 µm.
Auch die Deckschicht 4 umfasst eine Mehrzahl von in dem Silikonharz 12 angeordneten Metall-Pigmenten 15. Bevorzugt handelt es sich bei den Metall-Pigmenten um Edelstahl-Pigmente.
Das Gewicht der Metall-Pigmente 15 in der Deckschicht 4 beträgt zwischen 2 Gew.-% und 3 Gew.-%, des Silikonharzes 12 in der Deckschicht 4. Als besonders vorteilhaft erweist sich ein Wert von im Wesentlichen 2,5 Gew.-%.
Auch die Deckschicht 4 kann eine Mehrzahl von plättchenartig ausgebildeten Teilchen 16 - bevorzugt aus Glimmer, Glas, Edelstahl oder Aluminium - enthalten, deren Gewicht zwischen 35 Gew.-% und 40 Gew.-% des Gewichts des Silikonharzes 12 in der Deckschicht 4 beträgt. Bevorzugt ist ein Wert von im Wesentlichen 37,5 Gew.-%.
Zwischen der Wärmedämmschicht 3 und dem Grundkörper 2 kann eine Haftvermittlungsschicht 5 ausgebildet sein, die ebenfalls Silikonharz 17 enthält. In das Silikonharz 17 der Haftvermittlungsschicht 5 kann matrixartig eine Mehrzahl von flockenartig ausgebildeten Teilchen 18 aus Aluminium eingebettet sein. Anstelle von Aluminium kommt als Material auch ein anderes geeignetes Metall, beispielsweise Titan, in Betracht. Die flockenartig ausgebildeten Teilchen 18 besitzen bevorzugt einen Teilchendurchmesser D_AI zwischen 13 µm und 19 µm. Als Durchmesser D_AI ist dabei der maximale mögliche Abstand zweier beliebiger Punkte auf der Oberfläche eines AI-Teilchens 18 definiert. Die Haftvermittlungsschicht 5 kann ein in 1 nicht näher dargestelltes, haftungssteigerndes Bindemittel enthalten.
In einer vereinfachten Variante des Kolbens 1 kann auf die Haftvermittlungsschicht 5 verzichtet werden.
Auch die Haftvermittlungsschicht 5 enthält eine Mehrzahl von plättchenartig ausgebildeten Teilchen 19 aus Glimmer, deren Gewicht zwischen 20 Gew.-% und 30 Gew.-%, des Gewichts des Silikonharzes 17 in der Haftvermittlungsschicht 5 beträgt. Als besonders vorteilhaft erweist sich ein Wert von im Wesentlichen 25 Gew.-%. Anstelle von Glimmer kommt als Material auch Edelstahl, Glas oder Aluminium in Betracht.
Die Rezepturen der Wärmedämmschicht 3 und der Deckschicht 4 enthalten jeweils, vorzugsweise zwischen 15% Vol.-% und 45 Vol.-% Xylol. Besonders bevorzugt sind ein Wert von ca. 40 Vol.-% für die Wärmedämmschicht 3 und ein Wert von ca. 17,5 Vol.-% für die Deckschicht 4. Auch die Haftvermittlungsschicht 5 kann Xylol enthalten. Als besonders vorteilhaft für die Haftvermittlungsschicht 5 erweist sich ein Wert von ca. 40 Vol.-% oder von ca. 17,5 Vol.-% Xylol. Hierbei fördert das Xylol als Lösungsmittel eine verbesserte Aushärtbarkeit der Rezeptur und somit eine leichtere Ausbildung der Wärmedämmschicht, ist jedoch in der ausgehärteten Schicht vorzugsweise nur noch in geringen Mengen oder gar nicht mehr enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19542944 A1 [0004]
DE 102012025283 A1 [0005]
US 4852542 [0006]

Claims

Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, - mit einem Grundkörper (2), - mit einer auf dem Grundkörper (2) aufgebrachten, porösen Wärmedämmschicht (3), die ein anorganisch-oxidisches Matrixmaterial umfasst, in welches eine Mehrzahl von Hohlkugeln (11) eingebettet ist, - mit einer auf der Wärmedämmschicht (3) angeordneten Deckschicht (4), die ein anorganisch-oxidisches Matrixmaterial (12) umfasst, in welches eine Mehrzahl von plättchenartig ausgebildeten Teilchen (13) eingebettet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganisch-oxidische Matrixmaterial ein anorganisches metall-oxidisches, vorzugsweise ein anorganisches Siliziumdioxid-basiertes oder Polyphosphat-basiertes, Matrixmaterial ist oder umfasst.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganisch-oxidische Matrixmaterial ist oder umfasst: Silikonharz (10), Wasserglas, Natrium-Silikat, Kalium-Silikat, Natrium-Kalium-Silikat, Alumo-Silikat, Natron-Kalk-Glas, Silane, Siloxane.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass - das Material der Hohlkugeln (11) ein Glas ist oder umfasst, und/oder dass - das Material der Hohlkugeln (11) ein Metalloxid ist oder umfasst.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkugeln (11) aus wenigstens einem der folgenden Materialien gebildet sind: SiO₂, ZnO₂, CaO, Al₂O₃, Cr₂O₃, Alumo-Silikat, MgO, BaO, TiO₂, ZrO₂, MnO, Fe₂O₃, PbO, B₂O₃.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plättchenartig ausgebildeten Teilchen (13) aus Glimmer, Edelstahl, Glas oder Aluminium bestehen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plättchenartig ausgebildeten Teilchen (13) zumindest teilweise als Mikro-Plättchen ausgebildet sind, die eine entlang einer Längsrichtung des jeweiligen Teilchens (13) gemessene Plättchen-Länge von höchstens 40 µm aufweisen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Hohlkugeln (11) in der Wärmedämmschicht (3) 40-80 Vol-%, vorzugsweise ca. 50 Vol.-%, beträgt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht der Hohlkugeln (11) in der Wärmedämmschicht (3) zwischen 15 Gew.-% und 20 Gew.-%, vorzugsweise im Wesentlichen 18 Gew.-%, höchst vorzugsweise ca. 18,75 Gew.-%, des Gewichts des anorganisch-oxidischen Matrixmaterials in der Wärmedämmschicht (3) beträgt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (3) eine Mehrzahl von plättchenartig ausgebildeten Teilchen (13), vorzugsweise aus Glimmer oder Glas oder Edelstahl oder Aluminium, enthält, deren Gewicht zwischen 20 Gew.-% und 30 Gew.-%, vorzugsweise im Wesentlichen 25 Gew.-%, des Gewichts des anorganisch-oxidischen Matrixmaterials (10) in der Wärmedämmschicht (3) beträgt.
Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens 70%, vorzugsweise wenigstens 90%, höchst vorzugsweise wenigstens 95%, der plättchenartig ausgebildeten Teilchen (13) jeweils im Wesentlichen planar zu einer Oberfläche (6) des Grundkörpers (2) angeordnet sind.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Hohlkugel (11), vorzugsweise alle in der Wärmedämmschicht (3) vorhandenen Hohlkugeln (11) als Mikro-Hohlkugeln ausgebildet sind und jeweils einen Durchmesser (d_K) zwischen 30 µm und 55 µm besitzen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (3) eine Mehrzahl von in dem anorganisch-oxidischen Matrixmaterial (10) angeordneten Metall-Pigmenten (14), die vorzugsweise als Edelstahl-Pigmente ausgebildet sind, umfasst.
Kolben nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht der Metall-Pigmente (14) in der Wärmedämmschicht (3) zwischen 2 Gew.-% und 3 Gew.-%, vorzugsweise im Wesentlichen 2,5 Gew.-%, des Gewichts des anorganisch-oxidischen Matrixmaterials (10) in der Wärmedämmschicht (3) beträgt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Wärmedämmschicht (3) eine Schichtdicke (d_WDS) zwischen 150 µm und 400 µm aufweist, und/oder dass - die Wärmedämmschicht (3) eine Wärmeeindringzahl (b) von höchstens 0,15 J/K m² s^1/2, vorzugsweise von höchstens 0,03 J/K m² s^1/2, aufweist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (4) eine Mehrzahl von in dem anorganisch-oxidischen Matrixmaterial (12) angeordneten Metall-Pigmenten (15) umfasst, die vorzugsweise als Pigmente aus Edelstahl ausgebildet sind.
Kolben nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht der Metall-Pigmente (15) in der Deckschicht zwischen 2 Gew.-% und 3 Gew.-%, vorzugsweise im Wesentlichen 2,5 Gew.-%, des Gewichts des Silikonharzes (12) in der Deckschicht (4) beträgt.
Kolben nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (4) eine Mehrzahl von plättchenartig ausgebildeten Teilchen (16), vorzugsweise aus Glimmer oder Glas oder Edelstahl oder Aluminium, enthält, deren Gewicht zwischen 35 Gew.-% und 40 Gew.-%, vorzugsweise im Wesentlichen 37,5 Gew.-%, des Gewichts des anorganisch-oxidischen Matrixmaterial (12) in der Deckschicht (4) beträgt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (4) eine Schichtdicke (d_DS) zwischen 20 µm und 100 µm besitzt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wärmedämmschicht (3) und dem Grundkörper (2) eine Haftvermittlungsschicht (5) ausgebildet ist, die das anorganisch-oxidische Matrixmaterial (17) enthält, in welches eine Mehrzahl von flockenartig ausgebildeten Teilchen (18) eingebettet ist.
Kolben nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die flockenartig ausgebildeten Teilchen (18) aus einem Metall bestehen, wobei das Metall vorzugsweise Aluminium oder Titan ist.
Kolben nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein flockenartig ausgebildetes Teilchen (18), vorzugsweise alle flockenartig ausgebildeten (18), einen Teilchendurchmesser (D_AI) zwischen 13 µm und 19 µm besitzen.
Kolben nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (5) ein haftungssteigerndes Bindemittel enthält.
Kolben nach eine der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (5) eine Mehrzahl von plättchenartig ausgebildeten Teilchen (19), vorzugsweise aus Glimmer oder Edelstahl oder Glas oder Aluminium, enthält, deren Gewicht zwischen 20 Gew.-% und 30 Gew.-%, vorzugsweise im Wesentlichen 25 Gew.-%, des Gewichts des Silikonharzes (17) in der Haftvermittlungsschicht (5) beträgt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Wärmedämmschicht (3) und/oder der Deckschicht (4) jeweils, vorzugsweise zwischen 15% Vol.-% und 45 Vol.-%, vorzugsweise ca. 40 Vol.-% oder ca. 17,5 Vol.-% Xylol enthalten, und/oder dass - die Haftvermittlungsschicht (5) ca. 40 Vol.-% oder ca. 17,5 Vol.-% Xylol enthält.
Brennkraftmaschine mit Zylindern, in welchen jeweils ein Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verstellbar angeordnet ist.