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DE19902864A1 - Piston for IC engines with direct fuel injection has piston head cavity with collar partially formed by spray coating with a metal alloy for increased strength and temperature resistance - Google Patents

Piston for IC engines with direct fuel injection has piston head cavity with collar partially formed by spray coating with a metal alloy for increased strength and temperature resistance

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Publication number
DE19902864A1
DE19902864A1 DE19902864A DE19902864A DE19902864A1 DE 19902864 A1 DE19902864 A1 DE 19902864A1 DE 19902864 A DE19902864 A DE 19902864A DE 19902864 A DE19902864 A DE 19902864A DE 19902864 A1 DE19902864 A1 DE 19902864A1
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DE
Germany
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piston
alloys
collar
filler material
edge
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Withdrawn
Application number
DE19902864A
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German (de)
Inventor
Harald Pfeffinger
Reiner Heigl
Sven Breitschwerdt
Roberto Zolt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Publication date
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Abstract

The piston has a piston head (18) with a cavity (20), which has a collar (24) along its edge (22). The collar is at least partially formed by spray application of an additional material. This may be chosen from a group comprising of copper, cobalt, iron, nickel, aluminum, and aluminum-silicon alloys. The main material of the cavity edge is heated to melting temperature to generate a melt bath, the additive is introduced into the melt bath, and the collar is formed in layers by melting-on.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens.The present invention relates to a piston for Internal combustion engines with direct injection and a method for the manufacture of such a piston.

Derartige Kolben zur Verwendung in Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung verfügen über eine im Kolbenboden ausgebildete Mulde, deren Geometrie auf eine optimale Verwirbelung der Verbrennungsgase ausgelegt ist. Der Boden der Mulde ist dazu mit einer radialsymmetrischen kegelförmigen Erhebung ausgebildet und der Muldenrand ist als in die Mulde weisender Kragen ausgebildet. Aufgrund dieses Kragens unterliegt der Kolben jedoch einer relativ schlechten Wärmeableitung, so daß einer Erhöhung der Temperaturen im Motor Grenzen gesetzt sind. Des weiteren treten bei einer Erhöhung der Drücke im Motor Biegespannungen als Wechselspannungen auf, die zu Rissen im Kolbenboden führen können.Such pistons for use in internal combustion engines Direct injection have one in the piston crown trained trough whose geometry is optimal Swirling of the combustion gases is designed. The bottom of the The trough is conical with a radial symmetry Elevation trained and the trough edge is as in the trough pointing collar. Because of this collar however, the piston is subject to a relatively poor one Heat dissipation, causing an increase in engine temperatures There are limits. Furthermore occur with an increase the pressures in the motor apply bending stresses as alternating voltages, which can lead to cracks in the piston crown.

Aus der US-PS 4 360 956 ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen bekannt, dessen Kolbenringnuten zur Verlängerung der Lebensdauer aus einem Zusatzwerkstoff gebildet sind, wobei der Zusatzwerkstoff in die Ringnut eingebracht und mittels eines Energiestrahles zum Schmelzen gebracht wird, wodurch sich im Bereich der Ringnut eine Materiallegierung ausbildet. Ein ähnliches Verfahren ist auch aus der US-PS 5 653 021 sowie der US-PS 4 125 926 bekannt.From US-PS 4 360 956 is a piston for internal combustion engines known, the piston ring grooves to extend the Lifetime are formed from a filler material, the Filler metal introduced into the ring groove and by means of a Energy beam is brought to melt, resulting in Area of the annular groove forms a material alloy. On A similar process is also known from US Pat. No. 5,653,021 and US Pat U.S. Patent 4,125,926 is known.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, dessen Mulde im Kolbenboden über eine erhöhte Festigkeit und Temperaturbeständigkeit verfügt, so daß der Kolben im Einsatz mit höheren Drücken und Temperaturen beaufschlagt werden kann.Proceeding from this, the invention is based on the object a piston and a method for its manufacture  to provide, the trough in the piston crown over an elevated Strength and temperature resistance, so that the Pistons in use with higher pressures and temperatures can be applied.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden ein Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 3 vorgeschlagen.To solve this problem, a piston with the features of claim 1 and a method with the features of Claim 3 proposed.

Demnach umfaßt der erfindungsgemäße Kolben eine im Kolbenboden ausgebildete Mulde, deren Rand als in die Mulde weisender Kragen ausgebildet ist, der zumindest teilweise mittels Strahlbeschichtung aus einem Zusatzwerkstoff gebildet ist. Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung des Kragens aus einem Zusatzwerkstoff werden die wärmeableitenden Eigenschaften des Muldenrands verbessert und aufgrund der im Übergangsbereich zu dem Grundwerkstoff des Kolbens erzeugten schmelzmetallurgischen Verbindung eine besonders gute Festigkeit erzielt.Accordingly, the piston according to the invention comprises one in the piston crown trained trough, the edge of which points into the trough Collar is formed, which is at least partially by means of Jet coating is formed from a filler material. Through this inventive design of the collar from one Filler material is the heat dissipating properties of Trough edges improved and due to the transition area too the base material of the piston Connection achieved a particularly good strength.

Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Zusatzwerkstoff um einen Werkstoff aus der Gruppe Cu-Legierungen, Co-Legierungen, Fe-Legierungen, Ni-Legierungen, Al-Si-Legierungen.The filler material is advantageously a material from the group Cu alloys, Co alloys, Fe alloys, Ni alloys, Al-Si alloys.

Erfindungsgemäß wird zu der zumindest teilweisen Ausbildung des Kragens der Grundwerkstoff am Muldenrand zur Erzeugung eines Schmelzbades auf Schmelztemperatur erwärmt, ein Zusatzwerkstoff wird in das Schmelzbad zugeführt und der Kragen wird durch Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes schichtweise ausgebildet.According to the at least partial training of the Collar of the base material at the edge of the trough to produce a Melt bath heated to melting temperature, a filler material is fed into the weld pool and the collar is through Melting of the filler material in layers.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Ausbildung des Kragens mittels Strahlbeschichtung. Durch den Einsatz von Strahlbeschichtung bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens werden besonders gute Ergebnisse erzielt. Dabei handelt es sich vorzugsweise um den Einsatz von Laser- oder Elektronenstrahlen, wobei jedoch auch andere Formen der Energiestrahlung möglich sind. In a particularly advantageous embodiment of the invention the formation of the collar by means of jet coating. By the use of jet coating in the manufacture of the Pistons according to the invention are particularly good results achieved. This is preferably the use of Laser or electron beams, but also other forms energy radiation are possible.  

In Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Erwärmen des Muldenrandes und Zuführen des Zusatzwerkstoffes bei relativer Drehung des Kolbens zu dem Strahl. Insbesondere bei kontinuierlicher relativer Drehung lassen sich somit die notwendigen Parameter zur Durchführung der Strahlbeschichtung in besonders hohem Maße reproduzierbar einstellen.In one embodiment of the invention, the Trough edge and feeding of the filler material at relative Rotation of the piston to the jet. Especially at continuous relative rotation necessary parameters for performing the beam coating set to a particularly high degree of reproducibility.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Zusatzwerkstoff gas-, pulver-, oder drahtförmig zugeführt.In a further embodiment of the invention Filler material supplied in gaseous, powder or wire form.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Zuführung des Zusatzwerkstoffes unter Abschirmung des Schmelzbades durch ein Schutzgas, so daß die Legierungsausbildung des Kragens ohne störende Oxidationen durchgeführt werden kann.In a particularly advantageous embodiment of the invention the supply of the filler material under shielding the Melt bath with a protective gas, so that the Alloy formation of the collar without annoying oxidations can be carried out.

Vorzugsweise wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Muldenrand vor der Erwärmung ausgedreht und/oder abgefast, damit eine besonders breite Ansatzfläche für den Zusatzwerkstoff vorhanden ist.In a further embodiment of the invention, the Well edge turned and / or chamfered before heating, thus a particularly wide attachment area for the Filler metal is present.

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.It is understood that the above and the Features to be explained below not only in the combination given in each case, but also in others Combinations or alone can be used without the To leave the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.The invention is based on an embodiment in the Drawing and is shown below with reference explained in more detail on the drawing.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Kolben mit Blick auf den Muldenbereich im Kolbenboden. Fig. 1 shows a perspective view of a piston according to the invention with a view of the trough area in the piston crown.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 2 shows a schematic representation of an arrangement for performing the method according to the invention.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Kolben 10 mit zylindrischen Seitenwänden 12 und einer Bohrung 14 zur Aufnahme einer nicht näher dargestellten Pleuelstange sowie einer Ringnut 16 zur Aufnahme eines Kolbenringes. In seinem in der Zeichnung nach oben weisenden Kolbenboden 18 weist der Kolben 10 eine Mulde 20 auf. Der im wesentlichen kreisförmige Rand 22 der Mulde 20 ist erfindungsgemäß mit einem Kragen 24 versehen, der zumindest teilweise aus einem sich von dem Grundwerkstoff des Kolbens 10 unterscheidenden Zusatzwerkstoff mittels Strahlbeschichtung gebildet ist. Im Innern der Mulde 20 ist eine kegelförmige Erhebung 26 vorgesehen. Die Geometrie der Mulde 20 mit dem überkragenden Muldenrand und der kegelförmigen Erhebung 26 dient einer möglichst optimalen Verwirbelung der Verbrennungsgase im Innern der Mulde. Fig. 1 shows a perspective view of a piston 10 according to the invention with cylindrical side walls 12 and a bore 14 for receiving a connecting rod, not shown, and an annular groove 16 for receiving a piston ring. In its piston head 18 pointing upwards in the drawing, the piston 10 has a depression 20 . The essentially circular edge 22 of the trough 20 is provided according to the invention with a collar 24 which is at least partially formed from an additional material which differs from the base material of the piston 10 by means of jet coating. A conical elevation 26 is provided inside the trough 20 . The geometry of the trough 20 with the cantilevered trough edge and the conical elevation 26 serves to optimally swirl the combustion gases in the interior of the trough.

Fig. 2 zeigt in stark schematischer Darstellung eine Anordnung zum Herstellen des erfindungsgemäßen Kolbens 10 gemäß Fig. 1. Fig. 2 zeigt den Kolben 10 in Draufsicht, wobei in der Mulde 20 aus Gründen der Übersichtlichkeit die kegelförmige Erhebung 26 nicht dargestellt ist. Der Rand 22 der Mulde 20 ist abgefast, um das Aufbringen des Zusatzwerkstoffes zur Bildung des Kragens zu erleichtern. FIG. 2 shows a highly schematic representation of an arrangement for producing the piston 10 according to the invention according to FIG. 1. FIG. 2 shows the piston 10 in plan view, the conical elevation 26 not being shown in the recess 20 for reasons of clarity. The edge 22 of the trough 20 is chamfered to facilitate the application of the filler material to form the collar.

Zum Durchführen der Beschichtung des abgefasten Muldenrandes 22 wird der Muldenrand 22 mittels eines Laserstrahles 30 auf Schmelztemperatur zur Erzeugung eines Schmelzbades 32 erwärmt. Aufgrund der Drehung des Kolbens 10 in der durch den Pfeil dargestellten Drehrichtung wird so eine Schmelzbadspur erzeugt.To perform the coating of the chamfered bowl rim 22 of the bowl rim 22 is heated by a laser beam 30 to the melting temperature to produce a molten bath 32nd Due to the rotation of the piston 10 in the direction of rotation represented by the arrow, a melt pool trace is generated.

Mittels einer Düse 34 wird ein (im dargestellten Ausführungsbeispiel pulverförmiger) Zusatzwerkstoff 36 dem Schmelzbad 32 zugeführt. Ebenfalls durch die Düse 34 wird ein Schutzgas 38 zugeführt, das den Zusatzwerkstoff 36 und das Schmelzbad 32 abschirmt. A filler material 36 (in the exemplary embodiment shown in powder form) is fed to the melt pool 32 by means of a nozzle 34 . A protective gas 38 is also supplied through the nozzle 34 and shields the filler material 36 and the weld pool 32 .

Durch Einstellung der verschiedenen Parameter wie Drehgeschwindigkeit, Fokussierung des Laserstrahls, und damit der Schmelzbadlänge und -temperatur sowie der Wahl des Zusatzwerkstoffes kann durch schichtweises Aufbringen des Zusatzwerkstoffes zur Bildung des Kragens erfindungsgemäß eine Verbesserung der mechanischen und Wärmeleitungseigenschaften erzielt werden. Als Zusatzwerkstoffe zur Aufbringung auf den Grundwerkstoff des Kolbens (üblicherweise Aluminium) eignen sich Metalle, wie Kupferlegierungen, Eisenlegierungen, Kobaltlegierungen, Nickellegierungen, Aluminiumlegierungen, Aluminium-Silicium-Legierungen, aber auch Keramik oder Cermet. Als Schutzgas zur Abschirmung des Schmelzbades finden insbesondere Helium, Argon und Stickstoff Anwendung.By setting the various parameters like Speed of rotation, focusing of the laser beam, and thus the weld pool length and temperature and the choice of Filler material can be applied in layers by applying the Filler material to form the collar according to the invention Improvement of the mechanical and heat conduction properties be achieved. As filler materials for application to the Base material of the piston (usually aluminum) are suitable metals, such as copper alloys, iron alloys, Cobalt alloys, nickel alloys, aluminum alloys, Aluminum-silicon alloys, but also ceramics or cermet. Find as protective gas to shield the weld pool especially helium, argon and nitrogen application.

Als gasförmiger Zusatzwerkstoff zu einer Oberflächenbehandlung im Mikrobereich ist die Zugabe von Stickstoff geeignet, um eine Aluminium-Nitrit-Oberflächenschicht auszubilden. Ein entsprechendes Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche aus Aluminium mit einem gepulsten Laser ist in der DE 195 19 535 A1 beschrieben.As a gaseous filler for a surface treatment in the micro range, the addition of nitrogen is suitable to achieve a Form aluminum nitride surface layer. On corresponding method for treating a surface Aluminum with a pulsed laser is in DE 195 19 535 A1 described.

Mit dem beschriebenen Verfahren wird zur Ausbildung des Kragens 24 ein Zusatzwerkstoff in schmelzmetallurgischer Verbindung auf den Grundwerkstoff des Kolbens als Dickschicht aufgebracht. Die Schichtdicken rangieren hierbei zwischen 1/10 bis 1 Millimeter, wobei mehrere sukzessive Schichtabfolgen aufgebracht werden können, um insgesamt eine Struktur größerer Dicke zu erzeugen. Alternativ hierzu ist auch die Durchführung von Dünnschichtverfahren denkbar, wobei nur dünne Schichten in der Größenordnung von 10 Mikrometern des Zusatzwerkstoffes auf den ansonsten aus dem Grundwerkstoff gebildeten Kragen aufgebracht werden. Durch die Aufbringung von Dünnschichten werden über die schnelle Erstarrung des Zusatzwerkstoffes an der Oberfläche des Grundwerkstoffes Druckeigenspannungen erzeugt, die sich vorteilhaft auf die mechanische Festigkeit des Kolbenbodens im Betrieb des Kolbens auswirken. With the described method, an additional material is applied in a melt-metallurgical connection to the base material of the piston as a thick layer to form the collar 24 . The layer thicknesses range between 1/10 to 1 millimeter, whereby several successive layer sequences can be applied in order to produce a structure of greater thickness overall. As an alternative to this, it is also conceivable to carry out thin-film processes, only thin layers of the order of 10 micrometers of the filler material being applied to the collar which is otherwise formed from the base material. Due to the application of thin layers, the rapid solidification of the filler material creates residual compressive stresses on the surface of the base material, which have an advantageous effect on the mechanical strength of the piston crown during operation of the piston.

Nach der Durchführung der beschriebenen Laserstrahlbeschichtung wird der Kolben vorteilhafterweise noch einer Wärmebehandlung (Erhitzen, Abschrecken, Auslagern) unterzogen.After performing the laser beam coating described the piston is advantageously subjected to a heat treatment (Heating, quenching, aging).

Mit dem erfindungsgemäßen Kolben wird eine Verbesserung des Motorwirkungsgrades erzielt, da aufgrund der verbesserten mechanischen und Wärmeleitungseigenschaften eine Erhöhung der Drücke im Motor möglich ist.With the piston according to the invention an improvement in Engine efficiency achieved because of the improved mechanical and heat conduction properties an increase in Pressures in the engine is possible.

Claims (11)

1. Kolben für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung, mit einer im Kolbenboden (18) ausgebildeten Mulde (20), deren Rand (22) einen Kragen (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (24) zumindest teilweise mittels Strahlbeschichtung aus einem Zusatzwerkstoff (36) gebildet ist.1. Piston for internal combustion engines with direct injection, with a recess ( 20 ) formed in the piston crown ( 18 ), the edge ( 22 ) of which has a collar ( 24 ), characterized in that the collar ( 24 ) is at least partially spray-coated from an additional material ( 36 ) is formed. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff aus der Gruppe Kupfer-Legierungen, Kobaltlegierungen, Eisen-Legierungen, Nickel-Legierungen, Aluminium-Legierungen, Aluminium-Silicium-Legierungen ausgewählt ist.2. Piston according to claim 1, characterized in that the Filler material from the group of copper alloys, Cobalt alloys, iron alloys, nickel alloys, Aluminum alloys, aluminum-silicon alloys is selected. 3. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung, mit einer im Kolbenboden (18) ausgebildeten Mulde (20), deren Rand (22) einen Kragen (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur zumindest teilweisen Ausbildung des Kragens der Grundwerkstoff am Muldenrand (22) auf Schmelztemperatur zur Erzeugung eines Schmelzbades (32) erwärmt wird, ein Zusatzwerkstoff (36) in das Schmelzbad (32) zugeführt wird und durch Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes (36) der Kragen (24) schichtweise ausgebildet wird.3. A method for producing a piston for internal combustion engines with direct injection, with a recess ( 20 ) formed in the piston crown ( 18 ), the edge ( 22 ) of which has a collar ( 24 ), characterized in that the base material is at least partially formed on the collar Trough edge ( 22 ) is heated to the melting temperature to produce a molten bath ( 32 ), an additional material ( 36 ) is fed into the molten bath ( 32 ) and the collar ( 24 ) is formed in layers by melting the additional material ( 36 ). 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung des Kragens (24) mittels Strahlbeschichtung erfolgt. 4. The method according to claim 3, characterized in that the formation of the collar ( 24 ) is carried out by means of jet coating. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen des Muldenrandes (22) mittels eines Laserstrahls (30) oder eines Elektronenstrahls erfolgt.5. The method according to claim 4, characterized in that the heating of the trough edge ( 22 ) is carried out by means of a laser beam ( 30 ) or an electron beam. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen des Muldenrandes (22) und Zuführen des Zusatzwerkstoffes (36) bei relativer Drehung des Kolbens (10) zu dem Strahl (30) erfolgt.6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that the heating of the trough edge ( 22 ) and supply of the filler material ( 36 ) takes place with relative rotation of the piston ( 10 ) to the jet ( 30 ). 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff (36) gas-, pulver- oder drahtförmig zugeleitet wird.7. The method according to any one of claims 3 to 6, characterized in that the filler material ( 36 ) is supplied in gas, powder or wire form. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff aus der Gruppe Kupfer- Legierungen, Kobaltlegierungen, Eisen-Legierungen, Nickel- Legierungen, Aluminium-Legierungen, Aluminium-Silicium- Legierungen ausgewählt ist.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized characterized in that the filler from the group copper Alloys, cobalt alloys, iron alloys, nickel Alloys, Aluminum Alloys, Aluminum Silicon Alloys is selected. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff Stickstoff ist.9. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized characterized in that the filler material is nitrogen. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung des Zusatzwerkstoffes (34) unter Abschirmung des Schmelzbades (32) durch ein Schutzgas (38) erfolgt.10. The method according to any one of claims 3 to 7, characterized in that the supply of the filler material ( 34 ) takes place with shielding of the molten bath ( 32 ) by a protective gas ( 38 ). 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrand (22) vor der Erwärmung ausgedreht wird.11. The method according to any one of claims 3 to 10, characterized in that the trough edge ( 22 ) is turned out before heating.
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Cited By (9)

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