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Zylinderfutter. - Dokument DE3872310T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3872310T2 11.02.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0292040
Titel Zylinderfutter.
Anmelder AE PLC, Rugby, Warwickshire, GB
Erfinder Thorpe, William Anthony, Burbage Leicestershire LE10 2AW, GB;
Evans, David Charles, Wingerworth Chesterfield, S42 6QB, GB
Vertreter Deufel, P., Dipl.-Wirtsch.-Ing.Dr.rer.nat.; Hertel, W., Dipl.-Phys.; Lewald, D., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Aktenzeichen 3872310
Vertragsstaaten DE, FR, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 29.04.1988
EP-Aktenzeichen 882008477
EP-Offenlegungsdatum 23.11.1988
EP date of grant 24.06.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.02.1993
IPC-Hauptklasse F02F 1/18
IPC-Nebenklasse F02F 7/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Zylinderfutter für Verbrennungsmotoren und insbesondere Verbund-Zylinderfutter, die Metalle und keramisches Material zu Isolationszwecken aufweisen.

Es ist wohlbekannt, daß der Wärmewirkungsgrad eines Verbrennungsmotors verbessert werden kann durch Verminderung der Wärmemenge, die von dem Motor während des Laufs abgegeben wird. Ein Verfahren zur Bereitstellung einer solchen Verminderung besteht darin, die Wärmeisolationsfähigkeit des Zylinders zu verbessern.

Die Verwendung von keramischen Zylinderfuttern ist vorgeschlagen worden, aber keramische Materialien haben den Nachteil, daß sie unzuverlässig sind, wenn sie einer Zug- bzw. Dehnungsbeanspruchung unterworfen werden. Die GB-A-6 43 435 beschreibt die Verwendung einer Keramikhülse, auf die eine metallene Außenhillse aufgeschrumpft wird. Die Verwendung einer einzelnen keramischen Materialeinrichtung bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß es schwierig ist, sowohl gute Isolationseigenschaften als auch eine zufriedenstellende Lauffläche für das Zylinderfutter bereitzustellen.

Es ist nicht machbar, monolithische keramische Zylinderfutter in bestehende Motoren mit gußeisernen Futtern einzupassen, und zwar aufgrund der Festigkeitsbeschränkungen der meisten Keramiken.

Die EP-A-0 110 488 beschreibt die Verwendung von zwei konzentrischen Hülsen aus keramischem Material, die in einer metallenen Hülse eingepaßt werden können. Die keramischen Hülsen sind bezüglich einander gleitfähig, um Spannungen freizugeben. Die keramischen Hülsen sind bevorzugt aus demselben Material, können jedoch aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Solch eine Anordnung erfordert eine sehr genaue Bearbeitung, um zu ermöglichen, daß die Hülsen ineinander eingepaßt werden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zylinderfutter mit Lauffläche mit den notwendigen Eigenschaften eines guten thermischen Schockwiderstandes und einer Korrosionsbeständigkeit anzugeben, während ein erhöhter Wärmeleitfähigkeits-Koeffizient bereitgestellt wird, und das leicht hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß weist ein Zylinderfutter für einen Verbrennungsmotor einen metallenen Außenmantel mit einem Verbund- Keramikmantel darin auf, der sich über wenigstens einen Teil der Länge des Futters erstreckt, und welcher Verbundmantel gehalten wird durch kompressive Bügelspannungen in allen normalen Motor-Betriebszuständen, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund-Keramikmantel einen Innenmantel aus einem ersten Keramikmaterial aufweist, der auf seiner Außenfläche eine durch Plasmasprühen abgeschiedene Schicht aus einem zweiten Keramikmaterial aufweist, welches einen kleineren Wärmeleitfähigkeits-Koeffizienten als das erste Keramikmaterial hat.

Der Verbundmantel kann beispielsweise einen Mantel aus Siliziumnitrid aufweisen, der auf seinem Außendurchmesser eine Schicht von Zirkondioxid aufweist.

In einem solchen Aufbau liefert der Siliziumnitrid-Mantel die Lauffläche des Zylinders und hat die notwendigen Eigenschaften eines guten thermischen Schockwiderstandes und eine Korrosionsbeständigkeit, während die Schicht aus Zirkondioxid eine stark vergrößerte Wärmeisolation aufgrund des Koeffizienten der Wärmeleitfähigkeit des plasmagesprühten Materials liefert, der etwa 10 % dessen von Siliziumnitrid ausmacht.

Vorzugsweise ist der metallene Außenmantel aus Stahl gemacht.

Der Verbund-Keramikmantel kann in den Metallmantel durch Erwärmen des letzteren Mantels eingeschrumpft werden. Die mechanische Wechselwirkung zwischen dem Außenmantel und dem Keramikmantel sollte so beschaffen sein, daß der Keramikmantel unter kompressibler Spannung für alle Motor-Betriebszustände gehalten wird.

Um die vorliegende Erfindung besser zu verstehen, werden nachstehend Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Figur 1 zeigt einen Schnitt, einschließlich der Achse, durch ein erfindungsgemäßes Zylinderfutter, und

Figur 2 zeigt einen Teil einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zylinderfutters.

Es wird bezuggenommen auf Figur 1, in dem das Zylinderfutter generell mit dem Bezugszeichen 10 gezeigt ist. Das Zylinderfutter weist einen stählernen Außenmantel 11 mit einem Komposit-Keramikmantel 12 darin auf, der sich über die Arbeitslänge des Zylinderfutters erstreckt, wobei der Kompositmantel selbst zwei Materialien aufweist. Der Mantel 12 weist einen inneren Zylindermantel 13 aus reaktionsgebundenem Siliziumnitrid (RBSN) auf, der eine Schicht 14 aus teilweise stabilisiertem Zirkondioxid (PSZ) auf seiner Außenfläche aufweist.

Die Schicht 14 wird durch Plasmasprühen gebildet. Der Verbundmantel 12 wird auf den Stahlmantel 11 aufgeschrumpft. Der Mantel 11 wird zunächst auf 260ºC aufgeheizt, worauf der Innenmantel 12 so eingesetzt wird, daß die Unterkante 16 des Mantels 12 der Stufe des einwärtsgedrehten Flansches 17 anliegt. Der Grad der Bügelspannungen, die durch den Stahlmantel 11 auf den Keramikmantel 12 aufgebracht werden, ist sehr hoch im kalten Zustand und kann nahe des Fließpunktes des Stahls und der Kompressionsfestigkeit des Keramikmantels liegen. Dies gewährleistet, daß die Keramik in Kompression gehalten wird, auch wenn sich der Stahl während des Laufs des Motors aufgeheizt hat.

Ein Zylinderfutter, wie oben beschrieben, mit einer Bohrung von etwa 80 mm, einem 817M40 bis BS970 Stahlmantel 11 mit Wandstärke von etwa 6 mm, einer RBSN Wandstärke von 4 mm und einer PSZ-Wandstärke von 2 mm wurde für einen einzelnen Zylinder-Dieseltestmotor aufgebaut. Der für den Test verwendete Dieselmotor hat normalerweise ein gußeisernes Zylinderfutter. Der Motor wurde ferner ausgerüstet mit einem monolithischen Keramikkolben und einem teilweise isolierten Zylinder. Die Lauftemperaturen des Zylinderfutters in der oberen Zylinderregion wurden um 130ºC erhöht, was einer Erhöhung von 60 % über dem herkömmlichen Zylinderfutter bei Benutzung desselben Kolbens und Zylinderkopfs entspricht.

Während eines Tests des Motors versagte der Kolben und die Verbindungsstange schlug um den Zylinder. Kein anderer Schaden als Zylinderfressen bzw. Riefenbildung des Zylinderfutters wurde verursacht.

Das Zylinderfutter auf der Lauffläche kann beispielsweise mit Chromoxid behandelt werden, das ein Material als Porositäts-Dichtmittel aufweist, um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern und die Reibung zwischen den Ringen und dem Futter zu vermindern.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf RBSN und PSZ beschrieben wurde, können natürlich andere Keramiken verwendet werden und beispielsweise gesintertes Siliziumnitrid, Sialon oder Siliziumkarbid aufweisen.

Wie in Figur 2 gezeigt, kann sich der Verbund-Zylindermantel 12 nur teilweise längs der gesamten Zylinderlänge erstrekken. Das Futter kann in der Form einer Innenhaube ("CUFF") vorliegen, die über dem Arbeitsraum des obersten Kolbenrings (nicht gezeigt) endet.

Der für den Außenmantel 11 verwendete Stahl hängt von der relativen Dicke des metallenen Außenmantels und des Verbund-Keramikmantels und der Spannung ab, die er der Keramik erteilen soll. Wenn der Außenmantel relativ dick ist, kann ein schweißbarer bzw. magerer Stahl ausreichen.


Anspruch[de]

1. Zylinderfutter (10) für einen Verbrennungsmotor, wobei das Futter einen metallenen Außenmantel (11) mit einem Verbund-Keramikmantel (12) darin aufweist, der sich über wenigstens einen Teil der Länge des Futters erstreckt, und welcher Verbundmantel gehalten wird durch kompressive Bügelspannungen in allen normalen Motor-Betriebs zuständen, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund-Keramikmantel einen Innenmantel (13) aus einem ersten Keramikmaterial aufweist, der auf seiner Außenfläche eine durch Plasmasprühen abgeschiedene Schicht (14) aus einem zweiten Keramikmaterial aufweist, welches einen kleineren Wärmeleitfähigkeits-Koeffizienten hat als das erste Keramikmaterial.

2. Zylinderfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund-Keramikmantel sich über die Arbeitslänge des Futters erstreckt.

3. Zylinderfutter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel aus Stahl gemacht ist.

4. Zylinderfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenmantel des Verbund-Keramikmantels Siliziumnitrid aufweist.

5. Zylinderfutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des zweiten Keramikmaterials Zirkondioxid aufweist.

6. Zylinderfutter nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund-Keramikmantel in den metallenen Außenmantel durch Schrumpfen eingepaßt ist.







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