Wärmedämmender Kolben für Verbrennungskraftmaschinen

Beschreibung

[0001] Die weltweit gestiegenen Kosten der Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren haben zu intensiven Bemühungen der Kraftstoffersparnis geführt. Eine der Möglichkeiten von Brennstoffeinsparungen besteht in der thermischen Isolierung des Verbrennungsraumes, d. h. der Zylinderwandungen, des Zylinderkopfes, insbesondere aber des Kolbenbodens, über den ein wesentlicher Teil der Wärme abfließt.

[0002] Nun sind zwar keramische Stoffe bekannt, welche mit Wärmeleitfähigkeitsuerter λ von <2 bis 3 W/m °K als thermische Isolatoren von Kolbenböden hervorragend geeignet wären, doch sind solche mit Keramik isolierten Kolbenböden bzw. Kolbenbrennraummulden bisher unbekannt geblieben. Der Grund hierfür ist in den Schwierigkeiten zu sehen, welche mit dem Aufbringen keramischen Materials auf den metallischen Kolben verbunden sind. So war es bisher ni:ht möglich, eine Verbindung zwischen Keramikteilen und dem Kolbenwerkstoff, z. B. dem hierfür bevorzugten Silumin (Al-Gußlegierung mit 10 bis 25% Si), herzustellen welche die unter den im Verbrennungsmotor herrschenden Temperaturen bzw. Temperaturunterschieden erforderliche mechanische Festigkeit besitzt.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kolben für Verbrennungsmotoren zu schaffen, dessen Boden bzw. dessen Brennraummulde mit einem festhaftenden wärmeisolierenden Belag aus keramischen Material versehen ist.

[0004] Nunmehr wurde überraschenderweise gefunden, daß sich ein keramischer Körper mit den üblichen metallischen kolbenwerkstoffen einwandfrei und mit großer Festigkeit verbinden läßt, wenn der keramische Körper auf der mit den Kolbenwerkstoff zu verbindenden Seite eine Oberfläche aus metallischem bzw. metallkeramischen Material aufweist. Durch Aufgießen geschmolzenen Kolbenmetalls auf eine solche Oberfläche läßt sich eine bisher nicht gekannte B ndefestigkeit zwischen wärmeisolierendem keramischem Materia und Kolbenwerkstoff erreichen.

[0005] Somit wird die oben umrissene Aufgabe gelöst durcen die Schaffung eines Kolbens für Verbrennungskraftmasch nen, welcher dadurch gekennzeichnet.ist, daß der Kolberdoden bzw. dessen Brennraummulde mit einem wärmeisoliererden Belag versehen ist, welcher auf seiner dem Verbrenrungsraum zugewandten Seite vollständig aus keramischen Material besteht und auf seiner dem Kolbenboden bzw. dessen.Brennraummulde zugewandten Seite einen mit den Kolbenmetall verschmolzenen, metallischen bzw. metallkeramischei Stoff aufweist, wobei die dem Kolbenboden bzw. dessen Brennraummulde zugewandte Seite des Belages eine mit der Kolbenmetall fest verschnolzene Verbindung aufweis

[0006] Vorzugsweise besitzt das keramische Material des Belages einen Leitfähigkeitswert λ von <2 bis 3 W/m °K, um eine besonders wirksame Wärmedämmung zu erzielen. Bevorzugt verwendbare keramische Stoffe sind ZrSiO₄, Aluminiumtitanat, Siliciumnitrid, das unter der Bezeichnung "Mullit" bekannte synthetische Al-Si-Mischoxyd der Formel 3Al₂O₃.2SiO₂, sowie ein teilmodifiziertes Zr0₂, welches als "PSZ" (=partial stabilized zirconoxide) bekannt ist und Ca0 und/oder MgO als Stabilisatoren aufweist.

[0007] Die metallische Komponente des metallkeramischen Stoffes des wärmeisolierenden Belages besteht aus bzw. enthält vorzugsweise Eisen oder Eisenlegierungen, während als Kolbenwerkstoff Al-Gußlegierungen mit Vorteil anwendbar sind. Als solche kommen das bereits oben erwähnte Silunin in Frage, aber es können auch andere Al-Gußlegierungen verwendet werden. Beispiele solcher anderer Al - Gußlegierungen sind eutektische Al-Si-Legierungen mit 11 bis 13 Si und kleineren Zusätzen von Cu, Ni und Mg; übereutektische Al-Si-Legierungen mit etwa 17 bis 25% Si und kleineren Zusätzen von Cu, Ni und Mg; und Aluminium-Kupferlegierungen Al Cu 4 mit Ni- und Mg-Zusätzen.

[0008] Der erfindungsgemäße Kolben mit wärmeisolierendem Belag des Kolbenbodens bzw. seiner Brennraummulde kann hergestellt werden, indem man

a) einen als wärmeisolierenden Belag vorgesehenen, flächenhaft ausgebildeten Körper, welcher

i) in seiner äu3eren Gestalt der Form des Kolbenbodens bzw. seiner Brennraummulde angeglichen ist,

ii) auf seiner dem Verbrennungsraun der Verbrennungskraftmaschine zugewandten Seite aus einer oder mehreren Schichten vollständig keramischen Materials besteht und

iii) auf seiner dem Kolbenboden bzw. dessen Brennraummulde zugewandten Seite eine oder mehrere Schichten metallischer bzw. metallkeramischer Stoffe trägt,

heißisostatisch verpreßt und dann

b) das geschmolzene Kolbenmetall auf den erhaltenen Preßkörper aufgießt.

[0009] Dieses Aufgießen erfolgt in der Weise, daß man den Preßkörper in die Kolbenform einsetzt und mit dem Kolbennaterial eingie3t.

[0010] Unter einen "flächenhaft ausgebildeten Körper" ist hier ein Gebilde zu verstehen, dessen Längen- und Breitenabmessungen um ein Vielfaches größer sind als seine Tiefenabnessung, so daß das Gebilde etwa mit der Form einer Matte oder eines Teppichs vergleichbar ist.-Bei der bevorzugten Verwendung von Eisen bzw. Eisenlegierungen als metallische bzw. metallkeramische Komponente des heißisostatisch verpreßten Schichtkörpers und einer Al-Gußlegierung als Kolbenwerkstoff bilden sich dann beim Aufgießen des geschmolzenen Kolbenme_talls auf den Preßkörper, analog dem Al-Fin-Verfahren (USA-Patentschrift 2 455 457), intermetallische Fe-Al-Verbindungen, welche eine besonders feste mechanische Verbindung zwischen Kolbenmetall und wärmeisolierendem belag gewährleisten. "ber auch unter Verwendung anderer Kolbenmetalle und metallkeramischer Stoffe lassen sich Bindefestigkeiten zwischen Kolben und keramischem Belag erzielen, welche den bisher erzielten Bindefestigkeiten in jedem Falle überlegen sind.

[0011] Das heißisostatische Verpressen des porösen Schichtkörpers erfolgt im allgemeinen bei Temperaturen von etwa 1000 bis 1450, vorzugsweise von etwa 1200 bis 1350 und insbesondere bei 1300 °C. Die dabei anzuwendenden Drücke liegen gewöhnlich im Bereich von etwa 1000 bis 1500, vorzugsweise in Bereich von etwa 1200 bis 1300 bar.

[0012] Die Erfindung sei nunmehr durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert:

Beispiel 1:

[0013] Ein Brennraummuldeneinsatz aus Zr0₂ wurde innseitig mit einem passenden Dorn versehen. Danach wurde außenseitig mittels einer Molybdänkapsel Carbonyleisenpulver aufgebracht. Die so präparierte und gekapselte Probe wurde dann in eine heißisostatische Presse eingesetzt. Das HIPEN selbst erfolgte bei Temperaturen zwischen 1200 und 1300 °C, bei Drücken zwischen 1000 und 1500 bar, die Preßzeit betrug 1 - 2 Stunden. Die so hergestellte Verbundbrennraummulde wurde in Silumin eingegossen und zeigte sehr gute Haftfestigkeit, wobei diese Verbindungsfestigkeit der Festigkeit des Kolbenwerkstoffes entspricht.

Beispiel 2:

[0014] Ein vorgeformter Brennraummuldeneinsatz aus ZrO₂ wurde innseitig mit einem passenden Dorn versehen. Außenseitig wurde mittels einer Molybdänkapsel ein Gemisch aus Carbonyleisenpulver und Zr0₂-Pulver, bei einen Carbonyleisenpulvergehalt von 10 - 90%, aufgebracht. Nach Einsetzen in die

[0015] heißisostatische Presse erfolgte das Pressen wie in Beispiel 1. Auch diese Verbundbrennraummulde wurde in Silumin eingegossen und zeigte sehr gute Verbindfestigkeit, die der Festigkeit des Kolbenwerkstoffes gleichkommt.

Ansprüche

1. Wärmedämmender Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden bzw. dessen Brennraummulde mit einem wärmeisolierenden Belag versehen ist, welcher auf seiner dem Verbrennungsraum zugewandten Seite vollständig aus keramischem Material besteht und auf seiner dem Kolbenboden bzw. dessen Brennraummulde zugewandten Seite einen mit dem Kolbenmetall verschmolzenen, metallischen bzw. metallkeramischen Stoff aufweist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material des Belages einen Wärmeteitfähigkeitswert λ von < 2 bis 3 W/m°K besitzt.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material PSZ, Mullit, ZrSiO₄, Aluminiumtitanat oder Siliziumnitrid ist.

4. Kolben nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Komponente des metallkeramischen Stoffs des Belages aus Eisen besteht bzw. Eisen enthält.

5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenwerkstoff eine Al-Gußlegierung oder Grauguß (unlegiert bzw. legiert) ist.

6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Al-Gußlegierung Silumin, Al Si 12 Cu Mg Ni, Al Si 18 Cu Mg Ni , Al Si 25 Cu Mg Ni oder Al Cu 4 Ni Mg ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines wärmedämmenden Kolbens für Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) einen als wärmeisolierenden Belag vorgesehenen flächenhaft ausgebildeten Körper, welcher

i) in seiner äußeren Gestalt der Form des Kolbenbodens bzw. seiner Brennraummulde angeglichen ist,

ii) auf seiner dem Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine zugewandten Seite aus einer oder mehreren Schichten vollständig keramischen Materials besteht und

iii) auf seiner dem Kolbenboden bzw. dessen Brennraummulde zugewandten Seite eine oder mehrere Schichten metallischer bzw. metallkeramischer Stoffe trägt,

heißisostatisch verpreßt und dann

b) das geschmolzene Kolbenmetall auf den erhaltenen Preßkörper aufgießt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das heißisostatische Pressen bei einem Druck von etwa 1000bis 1500 bar, vorzugsweise etwa 1200 bis 1300 bar, und bei einer Temperatur von etwa 1000 bis 1450 °C, vorzugsweise etwa 1200 bis 1350 °C durchführt.