DE102012101032A1

DE102012101032A1 - Kreiskolbenmotor und Verfahren zum Herstellen eines Kreiskolbenmotors

Info

Publication number: DE102012101032A1
Application number: DE102012101032A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Steinwandel; Gerd Huber; Ernst Sigmund
Original assignee: EADS Deutschland GmbH; Wankel SuperTec GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Wankel SuperTec GmbH
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2013-08-08
Also published as: US20150017044A1; WO2013117567A2; WO2013117567A3; EP2815074A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kreiskolbenmotor (10), der ein stationäres Gehäuse (12) und einen Kolben (14), der in dem Gehäuse (12) beweglich aufgenommen ist, umfasst. Das Gehäuse (12) und der Kolben (14) bilden wenigstens eine Kammer (27) mit einer Kammeroberfläche. Wenigstens ein Teilbereich der Kammeroberfläche weist eine thermische Barriereschicht (48) zur Verringerung einer thermischen Leitfähigkeit des Teilbereichs des Kammeroberfläche auf. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kreiskolbenmotors (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kreiskolbenmotor, insbesondere einen Wankelmotor, der ein stationäres Gehäuse und einen in dem Gehäuse beweglich aufgenommenen Kolben aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kreiskolbenmotors.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von Kreiskolbenmotoren und insbesondere auf dem Gebiet von Wankelmotoren.
Kreiskolbenmotoren weisen gegenüber Hubkolbenmotoren Vorteile auf, wenn Motoren mit geringen Vibrationen und einem hohen Leistungsgewicht erforderlich sind. Unter Leistungsgewicht versteht man die Leistung, die ein Motor im Verhältnis zu dem Gewicht des Motors erzielen kann. Die genannten Vorteile machen Kreiskolbenmotoren für den Betrieb im Luftfahrtbereich interessant. Für spezielle Luftfahrtanwendungen, wie beispielsweise Hilfstriebwerke bei zivilen Flugzeugen, ist ein Betrieb mit Kerosin erforderlich. Bei Kreiskolbenmotoren laufen im Vergleich zu Hubkolbenmotoren die unterschiedlichen Arbeitstakte in verschiedenen Bereichen des Kreiskolbenmotors ab. Ein Einsatz von Kerosin ist bisher nur schwer möglich. Dies ist unter Anderem darauf zurückzuführen, dass in dem Bereich des Kreiskolbenmotors, in dem die Verbrennung abläuft, das Gehäuse im Unterschied zum Hubkolbenmotor nicht durch andere Arbeitsgänge, sondern durch eine externe Kühlung, gekühlt wird. Bei schlechter Wärmeisolierung dieses Bereichs des Kreiskolbenmotors ist damit ein niedriger Wirkungsgrad des Kreiskolbenmotors verbunden, der, wie oben beschrieben, einen Betrieb des Kreiskolbenmotors mit Kerosin, so wie dies für einen Einsatz im Luftfahrzeugbereich erforderlich wäre, nur schwer möglich macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kreiskolbenmotor mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch den Kreiskolbenmotor nach Anspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kreiskolbenmotors ist Gegenstand des Nebenanspruchs.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Kreiskolbenmotors und des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Kreiskolbenmotor umfasst ein stationäres Gehäuse und einen Kolben, der in dem Gehäuse beweglich aufgenommen ist, wobei das Gehäuse und der Kolben wenigstens eine Kammer mit einer Kammeroberfläche bilden. Dabei weist ein Teilbereich der Kammeroberfläche eine thermische Barriereschicht zur Verringerung einer thermischen Leitfähigkeit des Teilbereichs der Kammeroberfläche auf.
Als Kreiskolbenmotoren sind vorzugsweise Kraftmaschinen vorgesehen, bei denen die Teile, die mechanische Arbeit verrichten, im Wesentlichen nur Drehbewegungen ausführen. Insbesondere soll unter einem Kreiskolbenmotor ein Wankelmotor verstanden werden. Unter der oben genannten Kammer soll vorzugsweise ein Volumen in dem Kreiskolbenmotor verstanden werden, das von dem Kolben und dem Gehäuse eingeschlossen wird. Bei herkömmlichen Kreiskolben finden sich mehrere Kammern. Die Kammern sind aufgrund der Bewegung des Kolbens nicht örtlich konstant, so dass die Kammeroberfläche zwar von stets dem gleichen Teil des Kolbens gebildet wird, der Teil der Kammeroberfläche, der von dem Gehäuse bereitgestellt wird, sich mit der Drehung des Kolbens ändert. Mit der Drehung des Kolbens ändert sich auch das Volumen der Kammer. Bei einem Kreiskolbenmotor finden die unterschiedlichen Arbeitstakte jeweils in verschiedenen Bereichen des Kreiskolbenmotors statt. Dies bedeutet, dass in bestimmten Bereichen des Kreiskolbenmotors ein Verbrennungsgemisch, insbesondere ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, verdichtet wird und in einem anderen Bereich des Kreiskolbenmotors verbrannt wird. Das heißt, in dem Kreiskolbenmotor können bestimmte Bereiche, in denen besonders viel Wärme erzeugt wird, mit einer thermischen Barriereschicht versehen werden, so dass die ausgewählten Bereiche thermisch besser isoliert sind. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die bei der Verbrennung entstehende Energie weniger an das Gehäuse des Kreiskolbenmotors abgeleitet wird, so dass ein höheres Temperaturniveau in dem Bereich des Kreiskolbenmotors herrscht, wo die Verbrennung stattfindet. Dies führt zu einer verbesserten Verbrennung des Verbrennungsgemisches, die in einem höheren thermodynamischen Wirkungsgrad des Kreiskolbenmotors resultiert, was vorzugsweise zur Reduktion des spezifischen Kraftstoffverbrauchs führt. Das heißt, die bei der Verbrennung entstehende Energie wird vorzugsweise besser in mechanische Rotationsenergie des Kolbens des Kreiskolbenmotors umgewandelt. Damit hat der Kreiskolbenmotor vorzugsweise einen verbesserten Wirkungsgrad.
Ein weiterer bevorzugter Vorteil des Kreiskolbenmotors ist, dass auch die Abgase, das heißt das verbrannte Verbrennungsgemisch des Kreiskolbenmotors im Vergleich zu herkömmlichen Kreiskolbenmotoren wärmer sind. Die Wärme in den Abgasen kann anschließend für weitere Zwecke genutzt werden. Bei herkömmlichen Rotationskolbenmotoren muss das Gehäuse aufgrund der fehlenden thermischen Barriereschicht mehr gekühlt werden, so dass diese Wärme nicht zu einer höheren Verbrennungstemperatur und zu mehr Wärme im Abgas führt. Dies bedeutet, dass in herkömmlichen Rotationskolbenmotoren die Wärme an das Kühlmedium der Kühlung übertragen wird und somit dem Kreiskolbenmotor nicht mehr zur Verfügung steht.
Vorzugsweise weist eine Gehäuseoberfläche, die einen Teil der Kammeroberfläche bildet, einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Gehäuseteilbereich auf. Weiter vorzugsweise ist ein erster Gehäuseteilbereich in einen Einlassbereich des Gehäuses zum Einlassen eines Verbrennungsgemisches angeordnet, ein zweiter Gehäuseteilbereich ist in einem Kompressionsbereich des Gehäuses zur Kompression des Verbrennungsgemischs angeordnet, ein dritter Gehäuseteilbereich ist in einem Verbrennungsbereich des Gehäuses zur Verbrennung des Verbrennungsgemisches angeordnet und ein vierter Gehäuseteilbereich ist in einem Auslassbereich des Gehäuses zum Auslassen des verbrannten Verbrennungsgemisches angeordnet. Bevorzugt ist die thermische Barriereschicht in dem dritten Gehäuseteilbereich und/oder dem vierten Gehäuseteilbereich angeordnet. Dies bedeutet, dass vorzugsweise die thermische Barriereschicht in den Gehäuseteilbereichen angeordnet ist, die benachbart zu den Bereichen des Kreiskolbenmotors sind, in denen die Verbrennung bzw. das Auslassen des verbrannten Verbrennungsgemisches stattfindet. In diesen Bereichen ist somit eine Anordnung einer thermischen Barriereschicht vorzugsweise besonders wirkungsvoll, da dort hohe Temperaturen herrschen.
Infolgedessen ist in dem dritten und/oder dem vierten Gehäuseteilbereich auch vorzugsweise eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Gehäuses angeordnet. Wie oben beschrieben, ist ein bevorzugter Vorteil der Erfindung, dass die Kühleinrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Kreiskolbenmotoren weniger stark das Gehäuse des Kreiskolbenmotors kühlen muss, da die thermische Barriereschicht eine Wärmeausbreitung durch das Gehäuse des Kreiskolbenmotors hindurch vermindert.
Weiter vorzugsweise ist auch eine thermische Barriereschicht auf der Oberfläche des Kolbens vorgesehen. Dies verhindert insbesondere einen Wärmeverlust über die Kolbenoberfläche. Auch dies hilft vorzugsweise, den Wirkungsgrad, wie oben beschrieben, des Kreiskolbenmotors zu erhöhen.
Es ist bevorzugt, dass die thermische Barriereschicht eine Keramikschicht, insbesondere ein Oxidkeramikschicht und mehr insbesondere eine Zirkonoxidschicht, aufweist.
Die genannten Schichten können vorteilhafterweise hohen Temperaturen standhalten, so dass sie beispielsweise im Bereich der Brennkammer oder der Hochdruckturbine einer Flugzeugturbine eingesetzt werden. Dort dienen sie in erster Linie dem Thermalschutz der sich unter der Schicht befindenden Materialien. Die gewonnenen Erfahrungswerte lassen sich vorteilhafterweise auf den Kreiskolbenmotor übertragen, zumal auch bei dem Kreiskolbenmotor eine Wärmeisolation mithilfe der thermischen Barriereschicht erreicht werden soll.
Weiter vorzugsweise ist die Zirkonoxidschicht durch Yttrium zumindest teilstabilisiert. Insbesondere dient das Hinzufügen von Yttrium dazu, die Zirkonoxidschicht widerstandsfähiger zu machen. Dies erhöht vorzugsweise die Lebensdauer der thermischen Barriereschicht.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der thermischen Barriereschicht ist, dass die thermische Barriereschicht eine Lanathan-Aluminatschicht oder eine Hexa-Aluminatschicht aufweist.
Auch diese beiden Schichten weisen vorteilhaft die oben genannten Eigenschaften der thermischen Barriereschicht auf.
Es ist bevorzugt, dass die Oxidkeramikschicht auf dem wenigstens einen Teilbereich der Kammeroberfläche durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen aufgebracht ist, und/oder dass die Lanathan-Aluminatschicht oder die Hexa-Aluminatschicht auf dem wenigstens einen Teilbereich der Kammeroberfläche durch ein atmosphärisches Hochtemperaturbeschichtungsverfahren, insbesondere durch Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen aufgebracht ist.
Die oben genannten Beschichtungsverfahren sind grundsätzlich bekannt, so dass auf Details zur Durchführung hier nicht weiter eingegangen werden braucht. Laserpulverbeschichtung wird heute häufig beim „Rapid Prototyping“ eingesetzt. In DE 10 2007 018 126 A1 wird die Laserpulverbeschichtung näher erläutert. Es ist insbesondere möglich, die Schicht aus einer Graphik-Datei, insbesondere einer CAD-Datei, zu erzeugen, so dass auch komplizierte Formen erzielbar sind. Die genannten thermischen Beschichtungsverfahren ermöglichen vorteilhaft eine gleichmäßige Aufbringung der thermischen Barriereschicht auf die Kammeroberfläche, so dass eine im Wesentlichen gleich dicke thermische Barriereschicht auf der Kammeroberfläche hergestellt werden kann. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass eine glatte bzw. flache thermische Barriereschicht entsteht, die einen gleichmäßigen Kontakt mit dem Kolben bzw. bei einer Aufbringung auf den Kolben mit dem Gehäuse ermöglicht, so dass Reibung zwischen dem Gehäuse und dem Kolben vermindert werden kann. Außerdem hat eine gleichmäßige Aufbringung der thermischen Barriereschicht vorzugsweise zur Folge, dass die Wärmeisolation in den Bereichen, in denen die thermische Barriereschicht aufgetragen ist, im Wesentlichen gleich groß ist. Dadurch entstehen keine Bereiche im Gehäuse, die besonders heiß sind, und dadurch eine ungleichmäßige Ausdehnung des Gehäuses verursachen.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein Teilbereich der Kammeroberfläche eine metallische Spritzschicht aufweist.
Es ist weiter bevorzugt, dass die metallische Spritzschicht eine Korrosionsschicht und/oder eine tribologische Schicht aufweist.
Die metallische Spritzschicht dient vorzugsweise dazu, eine Korrosion der Kammeroberfläche zu verhindern (Korrosionsschicht) und/oder die Reibung zwischen dem Gehäuse und dem Kolben (tribologische Schicht) zu verringern. Ein erster bevorzugter Vorteil ist eine längere Haltbarkeit der Gehäuseoberfläche aufgrund verminderter Korrosion, so dass sich weniger Stellen mit Beschädigungen an der Gehäuseoberfläche ausbilden. Dies reduziert vorzugsweise, vor allem in fortgeschrittenen Stadien des Betriebs des Kreiskolbenmotors, die Reibung zwischen dem Kolben und dem Gehäuse. Ein zweiter bevorzugter Vorteil der Aufbringung der metallischen Spritzschicht vorzugsweise ist eine verminderte Reibung zwischen dem Gehäuse und dem Kolben. Dies gelingt vorzugsweise dadurch, dass die metallische Spritzschicht die Reibung zwischen dem Gehäuse und dem Kolben direkt vermindert oder dass die Reibung zwischen dem Gehäuse und dem Kolben dadurch reduziert wird, dass die metallische Spritzschicht vorteilhaft für eine gleichmäßige Verteilung von Schmiermitteln auf der Kammeroberfläche sorgt.
Vorzugsweise weist die metallische Spritzschicht eine Al:Ni-Al-Schicht auf. Weiter vorzugsweise wird die metallische Spritzschicht durch ein atmosphärisches Hochtemperaturbeschichtungsverfahren, insbesondere durch Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen, aufgebracht.
Die genannten Beschichtungsverfahren haben vorzugsweise die gleichen Vorteile, wie sie die Beschichtungsverfahren zur Aufbringung der thermischen Barriereschicht aufweisen.
Es ist bevorzugt, dass die metallische Spritzschicht eine Oberfläche der Kammeroberfläche bildet und die thermische Barriereschicht unter der metallischen Spritzschicht angeordnet ist.
Durch diese bevorzugte Anbringung der thermischen Barriereschicht und der metallischen Spritzschicht wird erreicht, dass die Wärmeleitfähigkeit durch das Gehäuse hindurch verringert wird und gleichzeitig auch die Reibung zwischen dem Gehäuse und dem Kolben reduziert wird. Beide Effekte erhöhen vorteilhaft den Wirkungsgrad des Kreiskolbenmotors.
Vorzugsweise ist der Kreiskolbenmotor zur Verbrennung von Kerosin und/oder Diesel ausgelegt.
Auf Grund der oben genannten Verbesserungen des Wirkungsgrads des Kreiskolbenmotors ist es nun bevorzugt möglich, auch Kerosin und/oder Diesel in dem Kreiskolbenmotor zu verbrennen.
Es ist bevorzugt, dass der Kreiskolbenmotor zwischen einem Turbolader und einem Auspuff angeordnet ist, wobei der Kreiskolbenmotor eine Abgaswärme-Nutzungseinrichtung, insbesondere eine Expansionsturbine, aufweist.
Die Abgaswärme-Nutzungseinrichtung dient vorzugsweise dazu, die Wärme des Abgases entweder in mechanische oder elektrische Arbeit umzuwandeln und so zu nutzen. Da die thermische Barriereschicht, wie oben beschrieben, die Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses reduziert, bleibt vorzugsweise mehr Wärme im Abgas, so dass mehr Wärme aus dem Abgas genutzt werden kann.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Kreiskolbenmotors ist gekennzeichnet durch Beschichten wenigstens eines ersten Teilbereichs der Kammeroberfläche des Kreiskolbenmotors, wie er oben beschrieben wurde, mit einer thermischen Barriereschicht und/oder durch Beschichten des ersten Teilbereichs und/oder eines zweiten Teilbereichs der Kammeroberfläche mit der metallischen Spritzschicht.
Das heißt, dass ein erster Teilbereich, vorzugsweise der dritte und/oder vierte Gehäuseteilbereich, mit der thermischen Barriereschicht und der metallischen Spritzschicht versehen ist. Der erste und zweite Gehäuseteilbereich, der Einlassbereich und der Kompressionsbereich, sind vorzugsweise nur mit der metallischen Spritzschicht versehen. Dies bietet vorzugsweise den Vorteil, dass der Verbrennungsbereich und der Auslassbereich, in denen Verbrennungswärme entsteht, durch die thermische Barriereschicht wärmeisoliert sind, während in dem Einlassbereich und dem Kompressionsbereich, in denen keine Verbrennungswärme entsteht, keine thermische Barriereschicht angeordnet ist. Durch das Weglassen der thermischen Barriereschicht in dem Einlassbereich und dem Kompressionsbereich können vorzugsweise die Herstellungskosten reduziert werden. Das bevorzugte Aufbringen der metallischen Spritzschicht auf der gesamten Gehäuseoberfläche bietet den bevorzugten Vorteil, dass die Reibung zwischen dem Gehäuse und dem Kolben über eine gesamte Drehung des Kolbens hinweg verringert werden kann.
Bevorzugt ist auch das Aufbringen der thermischen Barriereschicht und/oder metallischen Spritzschicht auf die Kolbenoberfläche.
Es ist bevorzugt, dass ein Verfahren zum Herstellen eines Kreiskolbenmotors dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens der erste Teilbereich der Kammeroberfläche mit einer Oxidschicht, insbesondere eine Yttrium-teilstabilisierte Zirkonoxidschicht, beschichtet wird, wobei die Oxidschicht bevorzugt durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen aufgebracht wird, und/oder dass wenigstens der erste Teilbereich der Kammeroberfläche mit einer einer Lanthan-Aluminatschicht oder einer Hexa-Aluminatschicht beschichtet wird, wobei die Lanthan-Aluminatschicht oder die Hexa-Aluminatschicht vorteilhaft durch ein atmosphärisches Hochtemperaturbeschichtungsverfahren, insbesondere durch Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen, aufgebracht wird.
Es ist bevorzugt, dass ein Verfahren zum Beschichten eines Kreiskolbenmotors dadurch gekennzeichnet ist, dass der erste und/oder zweite Teilbereich der Kammeroberfläche mit einer Al:Ni-Al-Schicht beschichtet wird, wobei die Al:Ni-Al-Schicht vorzugsweise durch ein atmosphärisches Hochtemperaturbeschichtungsverfahren, insbesondere durch Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen, aufgebracht wird.
Die genannten Verfahren weisen die oben genannten Vorteile auf Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Kreiskolbenmotor;
2 einen Querschnitt durch den Kreiskolbenmotor aus 1 ohne einen Kolben;
3 einen Querschnitt durch eine Gehäuseoberfläche des Kreiskolbenmotors aus 1 mit thermischer Barriereschicht und metallischer Spritzschicht; und
4 einen Querschnitt der Gehäuseoberfläche aus 3 in einer Momentaufnahme während eines Verfahrens zum Herstellen eines Kreiskolbenmotors.
Ein bevorzugter Kreiskolbenmotor 10 wird nun anhand von 1 beschrieben.
Der Kreiskolbenmotor 10 weist ein Gehäuse 12 und einen Kolben 14 auf. Ferner ist dem Kreiskolbenmotor 10 eine Abgaswärme-Nutzungseinrichtung 16 in Form einer Expansionsturbine 18 beigeordnet. Der Kreiskolbenmotor 10 ist zwischen einem Turbolader 20 und einem Auspuff 22 angeordnet und ist mit dem Turbolader 20 und dem Auspuff 22 über Leitungen 24 verbunden.
Der Kolben 14 ist über eine Welle 26 in dem Gehäuse 12 drehbar gelagert. Die Welle 26 ist so ausgebildet, dass eine exzentrische Bewegung des Kolbens 14 eine Drehung der Welle 26 verursacht. Da die Funktionsweise des Kreiskolbenmotors 10 allgemein bekannt ist, soll hier nicht weiter auf die Funktionsweise des Kreiskolbenmotors 10 eingegangen werden.
Der Kolben 14 und das Gehäuse 12 teilen den Innenraum des Kreiskolbenmotors 10 in drei Kammern 27 auf, die mittels nicht gezeigter Dichtungen die einzelnen Kammern 27 voneinander abtrennen. Die Kammern 27 sind aufgrund der Drehung des Kolbens 14 nicht ortsfest, so dass eine Kammeroberfläche der Kammer 27 von unterschiedlichen Bereichen einer Gehäuseoberfläche 28 des Gehäuses 12 gebildet wird. Die Begrenzung der Kammer 27 auf der Seite des Kolbens 14 stellt stets eine Kolbenwand 32 des Kolbens 14 dar, das heißt, die Kammer 27 wird im Laufe einer Drehung des Kolbens 14 immer von derselben Kolbenwand 32 begrenzt.
Das Gehäuse 12 weist die Gehäuseoberfläche 28 auf. Die Gehäuseoberfläche 28 ist in den 1 und 2 parallel zur Querschnittsebene des Kreiskolbenmotors 10 und an einer Innenwand 30 des Gehäuses 12 angeordnet. Der Kolben 14 besitzt in der in 1 gezeigten Ausführungsform drei Kolbenwände 32.
Der Kolben 14 und das Gehäuse 12 sind vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt.
Wie es besser in 2 ersichtlich ist, lässt sich die Gehäuseoberfläche 28 in vier Teilbereiche aufteilen. Ein erster Teilbereich 34 ist in der Nähe eines Einlasses 36 angeordnet. Durch den Einlass 36 wird ein Verbrennungsgemisch, hier insbesondere Kerosin, in den Kreiskolbenmotor 10 eingeführt. Ein zweiter Gehäuseteilbereich 36 ist im Uhrzeigersinn, der auch die Drehrichtung des Kolbens 14 ist, angeordnet. In diesem Bereich wird das Verbrennungsgemisch durch den Kolben 14 komprimiert, das heißt, das Volumen der Kammer 27 wird in diesem Bereich verkleinert. Dieser Bereich wird auch Kompressionsbereich genannt wird. In einem dritten Gehäuseteilbereich 38, der in der Nähe einer Zündkerze 40 angeordnet ist, wird das Verbrennungsgemisch verbrannt. Ein vierter Gehäuseteilbereich 42 ist in der Nähe eines Auslasses 44 angeordnet. In den Auslass 44 wird das verbrannte Verbrennungsgemisch durch den Kolben 14 ausgestoßen. Die Einteilung der Gehäuseoberfläche 28 in den ersten 34, den zweiten 36, den dritten 38 und den vierten Gehäuseteilbereich 42 ist lediglich beispielhaft, wobei die Grenzen zwischen den einzelnen Teilbereichen 34, 36, 38 und 42 nicht genau gezogen werden können. Das heißt, es ist zum Beispiel nicht genau festlegbar, wo der Einlassbereich endet und der Kompressionsbereich beginnt.
In der bevorzugten Ausführungsform ist in dem ersten 34 und dem zweiten Gehäuseteilbereich 36 nur eine metallische Spritzschicht 46 an der Gehäuseoberfläche 28 angeordnet. In dem dritten Gehäuseteilbereich 38 und dem vierten Gehäuseteilbereich 42 sind hingegen die metallische Spritzschicht 46 und eine thermische Barriereschicht 48 angeordnet. Die jeweilige Anordnung der thermischen Barriereschicht 48 und der metallischen Spritzschicht 46 auf der Gehäuseoberfläche 28 ist aus 3 ersichtlich. Auf der Gehäuseoberfläche 28 befindet sich zunächst die thermische Barriereschicht 48. Auf der thermischen Barriereschicht 48 befindet sich die metallische Spritzschicht 46. Das heißt, die metallische Spritzschicht 46 ist in Kontakt mit anderen Teilen des Kreiskolbenmotors 10 oder mit dem Verbrennungsgemisch. Die thermische Barriereschicht 48 ist vorzugsweise vollständig von der metallischen Spritzschicht 46 bedeckt.
Die thermische Barriereschicht 46 ist vorzugsweise aus einer Oxidkeramik, insbesondere einer Zirkonoxidkeramik, hergestellt, die vorzugsweise durch Yttrium stabilisiert ist. Alternativ ist die thermische Barriereschicht aus einer Lanthan-Aluminatschicht oder einer Hexa-Aluminatschicht hergestellt. Die metallische Spritzschicht 46 ist vorzugsweise aus einer Al:Ni-Al-Legierung hergestellt.
Im Folgenden soll die Funktionsweise des Kreiskolbenmotors 10 dargestellt werden. Da die Funktionsweise eines Kreiskolbenmotors 10 allgemein bekannt ist, soll hier bevorzugt auf die bevorzugte Wirkung der thermischen Barriereschicht 48 und der metallischen Spritzschicht 46 eingegangen werden.
Das Verbrennungsgemisch wird von dem Turbolader 20 über die Leitung 24 am Einlass 36 im Bereich des ersten Gehäuseteilbereichs 34 eingelassen. Durch die Drehung des Kolbens 14 und dessen exzentrische Bewegung wird das Verbrennungsgemisch im Bereich des zweiten Gehäuseteilbereichs 36 komprimiert (das heißt das Volumen der Kammer 27 wird durch die exzentrische Bewegung des Kolbens 14 verkleinert), und im Bereich des dritten Gehäuseteilbereichs 38 nach einer Zündung durch die Zündkerze 40 verbrannt. Durch die Verbrennung des Verbrennungsgemisches steigt der Druck in der Kammer 27, der eine Vergrößerung des Volumens der Kammer 27 verursacht. Aufgrund der Anordnung und Lagerung des Kolbens 14 resultiert dies in einer Drehung des Kolbens 14. Das verbrannte Verbrennungsgemisch wird im Bereich des vierten Gehäuseteilbereichs 42 am Auslass 44 über eine Leitung 24 der Abgaswärme-Nutzungseinrichtung 16 zugeführt, die das verbrannte Verbrennungsgemisch einem Auspuff 22 zuführt. Die Abgaswärme-Nutzungseinrichtung 16 entzieht dem verbrannten Verbrennungsgemisch Wärme und gewinnt dadurch mechanische oder elektrische Energie.
Die thermische Barriereschicht 48 im Bereich des dritten Gehäuseteilbereichs 38 und des vierten Gehäuseteilbereichs 42 reduziert die Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses 12 in diesen Teilbereichen. Dadurch wird weniger Wärme bei der Verbrennung an das Gehäuse 12 abgeführt, wodurch sich die Verbrennungstemperatur der Verbrennung im Bereich des dritten Gehäuseteilbereichs 38 und die Wärme des verbrannten Verbrennungsgemisches erhöht. Die erhöhte Verbrennungstemperatur erhöht den Wirkungsgrad des Kreiskolbenmotors 10. Die erhöhte Temperatur des verbrannten Verbrennungsgemisches erhöht die Energieausbeute der Abgaswärme-Nutzungseinrichtung 16 und damit auch den Wirkungsgrad des Kreiskolbenmotors 10.
Die metallische Spritzschicht 46 verringert die Reibung zwischen dem Kolben 14 und dem Gehäuse 12. Der Kolben 14 steht über nicht dargestellte Dichtungen in permanentem Kontakt mit der Gehäuseoberfläche 28. Die Dichtungen dienen dazu, die Kammern 27 gut abzudichten. Eine Verringerung der Reibung zwischen dem Kolben 14 und der Gehäuseoberfläche 28 erhöht den Wirkungsgrad.
Das Verfahren zum Herstellen eines Kreiskolbenmotors soll nun anhand von 4 beschrieben werden. Die Gehäuseoberfläche 28 des Gehäuses 12 wird vorzugsweise durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen auf die Gehäuseoberfläche 28 aufgetragen. Dazu wird eine Düse 50 in die Nähe der Gehäuseoberfläche 28 gebracht und Materialpartikel aus dem Material, aus dem die thermische Barriereschicht 48 hergestellt wird, werden auf die Gehäuseoberfläche 28 hin beschleunigt. Aufgrund der Geschwindigkeit und der Wärme der Materialpartikel bilden die Materialpartikel an der Gehäuseoberfläche 28 eine kristalline Schicht, die die thermische Barriereschicht 48 bildet. Auf ähnliche Weise kann im Anschluss daran die metallische Spritzschicht 46 auf die thermische Barriereschicht 48 aufgebracht werden. Bevorzugt wird ein Haftvermittler auf die Gehäuseoberfläche 28 aufgetragen, ehe die thermische Barriereschicht 48 aufgetragen wird, um das Anhaften der thermischen Barriereschicht 48 zu verbessern.
Kreiskolbenmotoren 10 weisen gegenüber Hubkolbenmotoren wichtige Vorteile auf, insbesondere dann wenn minimale Vibrationen und ein gutes Leistungsgewicht erforderlich sind. Damit sind diese Motoren grundsätzlich gut für den Luftfahrtbereich geeignet. Für spezielle Luftfahrtanwendungen (z. B. Antrieb von UAVs, Ersatz Turbinen APU bei zivilen Flugzeugen) ist ein Betrieb mit Kerosin erforderlich. Es ist bekannt, dass Diesel-Hubkolbenmotoren ohne größere Probleme mit Kerosin betrieben werden können. Bei Kreiskolbenmotoren 10 ist das schwieriger, jedoch grundsätzlich möglich. Erforderlich ist ein verbesserter Wirkungsgrad der Kreiskolbenmotoren 10 (Verbrennungsoptimierung).
Eine mögliche Maßnahme zur Verbrennungsoptimierung bei Kreiskolbenmotoren 10 sind thermische Barriereschichten 48 (TBC-thermal Barrier Coatings). Stand der Technik ist die Beschichtung von Komponenten in Fluggastturbinen. Thermische Barriereschichten werden hier insbesondere im Bereich der Brennkammer und der Hochdruckturbine eingesetzt. Die Funktion hier ist in erster Linie der Thermalschutz der Hochtemperaturmaterialien (Ni und Co-Basislegierungen).
Darüber hinaus ist bekannt, dass Wärmedämmschichten für konventionelle Hubkolbenmotoren untersucht wurden. Ein Serieneinsatz ist nicht bekannt.
Ein Kreiskolbenmotor 10 ist im Vergleich zu einem Hubkolbenmotor thermodynamisch dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Arbeitstakte in individuellen Kammern ablaufen. Damit liegen keine klassischen Spülbedingungen wie im Hubkolbenmotor vor und es kann gezielt in der „Brennkammer“ und auch der „Expansionskammer“ eine thermische Barriereschicht 48 aufgebracht werden, um den Thermalhaushalt der Maschine zu optimieren. Dazu werden die Bereiche mit typischen thermischen Barriereschichten 48, z. B. Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid beschichtet (Verfahren: die thermischen Pulver-Spritztechnologien wie Plasmaspritzen, Flammspritzen und Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen). Beispielsweise kann die Yttrium-stabilisierte Zirkonoxidschicht zusätzlich mit einer metallischen Spritzschicht (Al:Ni-Al) zur Verbesserung des Laufverhaltens abgedeckt werden.
Die Vorteile einer thermischen Barriereschicht 48 bei Kreiskolbenmotoren 10 sind wie folgt:

– Beschichtung der „Brennkammer“ führt zu einem höheren Temperaturniveau und damit zu einer verbesserten Verbrennung resultierend in einem höheren thermodynamischen Wirkungsgrad (Reduktion des spezifischen Kraftstoffbedarfs)
– Beschichtung der „Expansionskammer“ führt zu einer Verringerung des Wärmeeintrags in das externe Kühlmedium (in der Regel Wasser). Es steht daher mehr nutzbare Wärme im Abgas zur Verfügung, welche durch eine zusätzliche Expansionsturbine entweder als mechanische oder elektrische Arbeit genutzt werden kann (im Gegensatz zur Verlustwärme im Kühlmedium).

Zwischen der thermischen Barriereschicht 48 und der Brenn/Expansionskammer kein ein Haftvermittler vorgesehen sein. Ein Aspekt der Erfindung ist, dass die thermische Barriereschicht 48 ein Yttrium-(teil)stabilisiertes Zirkonoxid ist, das mit einem Verfahren wie Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Lichtbogenspritzen aufgetragen wird. Ein weiterer Aspekt ist, dass die thermische Barriereschicht 48 eine Lanthan-Aluminat oder Hexa-Aluminat-Schicht ist. Hier sind die Verfahren zur Auftragung der thermischen Barriereschicht 48 atmosphärische Hochtemperatur-Beschichtungsverfahren (Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, etc.).
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist, dass die thermische Barriereschicht 48, die entweder aus einem Yttrium-(teil)stabilisiertem Zirkonoxid oder aus Lanthan/Hexa-Aluminat hergestellt ist, zusätzlich mit einer Al:Ni-Al versehen ist. Die Verfahren zur Auftragung der metallischen Spritzschicht 46 sind atmosphärische Hochtemperatur-Beschichtungsverfahren (Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, etc.). Die metallische Spritzschicht 46 ist dabei eine Korrosionsschicht oder eine tribologische Schicht und bietet ein verbessertes Laufverhalten des Kolbens und einen zusätzlichen Schutz der thermischen Barriereschicht 46.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Expansionsturbine 18 zwischen dem Turbolader 20 und dem Auspuff 22 angeordnet.
Bezugszeichenliste

10: Kreiskolbenmotor
12: Gehäuse
14: Kolben
16: Abgaswärme-Nutzungseinrichtung
18: Expansionsturbine
20: Turbolader
22: Auspuff
24: Leitung
26: Welle
27: Kammer
28: Gehäuseoberfläche
30: Gehäusewand
32: Kolbenwand
34: erster Gehäuseteilbereich
35: Einlass
35: zweiter Gehäuseteilbereich
38: dritter Gehäuseteilbereich
40: Zündkerze
42: vierter Gehäuseteilbereich
44: Auslass
46: metallische Spritzschicht
48: thermische Barriereschicht
50: Düse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007018126 A1 [0019]

Claims

Kreiskolbenmotor, umfassend ein stationäres Gehäuse (12) und einen Kolben (14), der in dem Gehäuse (12) beweglich aufgenommen ist, wobei das Gehäuse (12) und der Kolben (14) wenigstens eine Kammer (27) mit einer Kammeroberfläche bilden, und wobei wenigstens ein Teilbereich der Kammeroberfläche eine thermische Barriereschicht (48) zur Verringerung einer thermischen Leitfähigkeit des Teilbereichs der Kammeroberfläche aufweist.
Kreiskolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Barriereschicht (48) eine Keramikschicht, insbesondere eine Oxidkeramikschicht und mehr insbesondere eine Zirkonoxidschicht, aufweist.
Kreiskolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkonoxidschicht durch Yttrium zumindest teilstabilisiert ist.
Kreiskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Barriereschicht (48) eine Lanathan-Aluminatschicht oder eine Hexa-Aluminatschicht aufweist.
Kreiskolbenmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidkeramikschicht auf dem wenigstens einen Teilbereich der Kammeroberfläche durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen aufgebracht ist, und/oder dass die Lanthan-Aluminatschicht oder die Hexa-Aluminatschicht auf dem wenigstens einen Teilbereich der Kammeroberfläche durch ein atmosphärisches Hochtemperaturbeschichtungsverfahren, insbesondere durch Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen, aufgebracht ist.
Kreiskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teilbereich der Kammeroberfläche eine metallische Spritzschicht (46) aufweist.
Kreiskolbenmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Spritzschicht (46) eine Korrosionsschicht und/oder eine tribologische Schicht aufweist.
Kreiskolbenmotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Spritzschicht (46) Al:Ni-Al-Schicht aufweist.
Kreiskolbenmotor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Spritzschicht (46) durch ein atmosphärisches Hochtemperaturbeschichtungsverfahren, insbesondere durch Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen, aufgebracht ist.
Kreiskolbenmotor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Spritzschicht (46) eine Oberfläche der Kammeroberfläche bildet und die thermische Barriereschicht (48) unter der metallischen Spritzschicht (46) angeordnet ist.
Kreiskolbenmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreiskolbenmotor (10) zur Verbrennung von Kerosin und/oder Diesel ausgelegt ist.
Kreiskolbenmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreiskolbenmotor (10) zwischen einem Turbolader (20) und einem Auspuff (22) angeordnet ist, wobei der Kreiskolbenmotor (10) eine Abgaswärme-Nutzungseinrichtung (16), insbesondere eine Expansionsturbine (18), aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Kreiskolbenmotors (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Beschichten wenigstens eines ersten Teilbereichs der Kammeroberfläche des Kreiskolbenmotors (10) mit der thermischen Barriereschicht (48) und/oder durch Beschichten des ersten Teilbereichs und/oder eines zweiten Teilbereichs der Kammeroberfläche mit der metallischen Spritzschicht (46).
Verfahren zum Herstellen eines Kreiskolbenmotors (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der erste Teilbereich der Kammeroberfläche mit einer Oxidschicht, insbesondere eine Yttrium-teilstabilisierte Zirkonoxidschicht, beschichtet wird, wobei die Oxidschicht durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen aufgebracht wird, und/oder dass wenigstens der erste Teilbereich der Kammeroberfläche mit einer Lanthan-Aluminatschicht oder einer Hexa-Aluminatschicht beschichtet wird, wobei die Lanthan-Aluminatschicht oder die Hexa-Aluminatschicht durch ein atmosphärisches Hochtemperaturbeschichtungsverfahren, insbesondere durch Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen, aufgebracht wird.
Verfahren zum Herstellen eines Kreiskolbenmotors (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Teilbereich der Kammeroberfläche mit einer Al:Ni-Al-Schicht beschichtet wird, wobei die Al:Ni-Al-Schicht durch ein atmosphärisches Hochtemperaturbeschichtungsverfahren, insbesondere durch Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen, aufgebracht wird.