DE1920080C3 - Beschichtung der Wandungen des Verbrennungsraumes von Brennkraftmaschinen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

ioog, und es soil die AbsteaMung der davon bereits Oberfläche der Beschichtung und dem Kolben, der aufgenommenen Wanne verbess.rt werden. Ent- Zyünderwand, dem Zylinderkopf usw. dar, so daß die sprechende Maßnahmen werden dementsprechend Oberfläche der Beschichtung eine wesentlich höhere unter anderem für die Zylinderaußenwand von Brenn- Temperatur annimmt als die Wandungen, welche sie kraftmaschmen vorgeschlagen. _s bedeckt Dies hat zur Folge, daß an der Oberfläche t Die Beschichtung erfolgt durch einen Stoff, dessen aunaftende Kohlenstoffteilchen verbrannt werden, Reflexionsvermögen für Strahlen von 0,7 bis 10,0 Mi- was eine bessere Verbrennung ergibt. Durch das krön bei Oberflächentemperaturen des Verbrennung?- Reflexionsvermögen der Beschichtung, das minraumes von mehr als 260° C mindestens 75«'s be- destens 75«/· für Infrarotstrahlen zwischen 0,7 und trägt Der Stoff hat ein Reflexionsvermögen von io 10,0 Mikron Wellenlänge beträgt, wird die Infrarotwesenüich inehr als 75% für Wellenlängen zwischen strahlung in <ue Verbrennungszone zurückreflektiert, 2,0 und 10,0 Mikron bei Oberflächentemperaturen wo sie ebenfalls zur Leistungssteigerung beiträgt
4es Verbrermungsraumes von mehr als 485° C. Der Es ist bekannt, daß 50 bis 80 °h der in die Wanf Stoff soU so beschauen sein, daß er Arbeitstempera- düngen des Verbrennungsraumes gelangenden Wärme I- türen seiner Oberfläche bis zu 985° C verträgt i-₅ aus Infrarotstrahlung besteht; der Rest ist Leitungs-Wegen des Bereiches der Wellenlängen, für welche uyd Konvektionswänne. Durch die hier beschriebene t die Beschichtung tatsächlich reflektierend sein muß, Beschichtung wird eine Verbesserung der Leistung köiinen unpolierte, matte Oberflächen verwendet wer- erzielt indem der Wärmeverlust verringert und der f den. Polierte Oberflächen haben sich r\s ungeeignet Ausbrand verbessert wird. Bei einem Dieselmotor erwiesen. ao wurde durch die angegebene Beschichtung die Aus-Weitere Einzelheiten bezüglich der erfindungsge- pufftemperatur von etwa 400 auf etwa 340° C herabmäßen Beschichtung und ihrer Herstellungsweise gesetzt. Es wurde wesentlich weniger Brennstoff vergehen aus der folgenden Beschreibung einiger Aus- braucht, weniger nutzlose Wärme erzeugt, eine geführungsbeispiele an Hand der Zeichnung hervor. ringere Zylinderkopftemperatur erzielt, und die im

Fig. 1 ist ein Teilschnitt durch einen Zylinder as Auspuff von Dieselmotoren sonst stets anzutreffen-

eines Dieselmotors, dessen Verbrennungsraum mit den feinen Kohlenstoffteilchen waren fast vollkom-

einer Beschichtung nach der Erfindung versehen ist. men verschwunden. Darüber hinaus wurde der

F i g. 2 ist ein Teilschnitt durch den Kolbenboden stechende Geruch des Dieselauspuffs zu einem sehr

nach der linie 2-2 der Fig. 1 in stark vergrößerter schwachen Geruch verringert; schließlich wurde eine

Darstellung. 3° höhere Leistung erzielt.

F i g. 3 ist eine graphische Darstellung, welche die Die während des Betriebes in rascher Folge aufGröße des Reflexionsvermögens für die Beschichtung tretenden, krassen Temperaturänderungen im Vernach F i g. 2 in Abhängigkeit von der Wellenlänge brennungsraum werden durch die erfindungsgemäße zeigt. Wärmebarriere von den Wandteilen abgeschirmt, wo-

Fig.4A, 4B und 4C sind graphische Darstellun- 35 bei diese auf einer verhältnismäßig geringen Mittel-

gen des Brennstoffverbrauchs und der Auspufftempe- temperatur verbleiben.

raturen in Säulenform, welche Werte zeigt die bei Die gesamte Beschichtung ist nach F i g. 2 mit 26

verschiedenen Vergleichsversuchen mit unterschied- bezeichnet Der Kolben 16 kann aus irgendeinem

liehen Drehzahlen und Leistungen ermittelt wurden. gebräuchlichen Werkstoff bestehen, vorzugsweise

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtung 40 Aluminium oder Grauguß. Bei einigen Ausführungs-• der Oberflächen des Verbrennungsraumes, beispiels- formen wird nach entsprechender Oberflächenbeweise der oberen Kolbenfläche, der Zylinderwand, handlung zunächst eine dünne Grundierung 30 auf- *es Zylinderkopfes usw. mit Kupferoxyd (Cu₂O), gebracht, mit welcher Kupfer sich gut verbindet, welches sowohl eine für infrarote Strahlen hoch- Wenn der Kolben 16 aus Aluminium besteht ist die reflektierende Oberfläche hat, als auch eine Wärme- 45 Grundierung 30 vorzugsweise eine dünne Zinkschicht. ; barriere bildet. Im gezeigten Beispiel wurde das Kup- Besteht der Kolben 16 aus Eisen, so kann Kupfer feroxyd (C14O) auf einer Kupferschicht erzeugt. direkt aufgebracht werden. In jedem Falle ist die

Der Zylinderblock 10 enthält einen Zylinder 12, Grundierung 30 eine sehr dünne Schicht in der Groder oben durch einen Zylinderkopf 14 abgeschlossen ßenordnung von 2,5 · 10~⁵ mm Dicke. Auf die Grunist. Im Zylinder 12 ist ein Kolben 16 mit Kolbenrin- 5° dierung wird eine Kupferschicht 32 aufgebracht. Diese gen 18 angeordnet. Der Zylinderkopf 14 rnthält Ven- Kupferschicht 32 kann in verschiedener Weise auftile 20, von denen in F i g. 1 nur eines dargestellt ist, gebracht werden, beispielsweise durch Galvanisiesowie eine Einspritzdüse 22. rung, obwohl die Aufbringung durch Flammspritzen

Die den Verbrennungsraum 24 umgebenden Wan- die bevorzugte Aufbringungsart ist. Die Aufbringung düngen sind mit einer Beschichtung 26 versehen, 55 kann auch durch Plasmaspritzen erfolgen. Eine Erweiche weiter unten näher beschrieben wird. Die in läuterung des Flammspritzens wird weiter unten ge-Fig. 1 dargestellte Beschichtung erstreckt sich über geben. Befriedigende Ergebnisse wurden bereits mit die Oberseite des Kolbens 16, über die Wände des einer Kupferschicht 32 von 0,04 mm Dicke erzielt. Zylinders 12, sowie über die an den Verbrennungs- Um ungleich erhitzte Stellen zu vermeiden, wird jeraum angrenzende Fläche des Zylinderkopfes 14. Sie 60 doch eine Kupferschicht 32 in einer Dicke von 0,15 kann sich gewünschtenf alls auch noch über die in den bis 0,25 mm bevorzugt.

Verbrennungsraum hineinragenden Flächen der Ein- Wenn die Kupferschicht 32 durch Galvanisieren

spritzdüse 22 und etwaige weitere, den Verbren- ■ aufgebracht wird, muß der äußere Teil der Kupfer-

mmgsraum begrenzende, Flächen erstrecken. schicht 32 erst nachträglich in Kupferoxyd umge-

Das Beschichtungsmaterial ist nicht nur gegenüber 65 wandelt werden. Dies kann dadurch erreicht werden,

den auftretenden Temperaturen unempfindlich, son- daß man die Kupferschicht 32 dem oxydierenden Teil

dem auch korrosionsbeständig. Darüber hinaus stellt der Stichflamme eines autogenen Schweißbrenners

es eine Wärmebarriere (Isolierschicht) zwischen der bei einer Temperatur von 635⁰C oder mehr aus-

setzt; hierdurch wird' eine Küpferoxydschicht 34 ernäHeh'difc eine Dicke von etwa 0#25 bis 0,05mm

z. B. die Kompression, die Raumtemperatur, die abgegeben Leistung usw. gleich waren:

Bei' der zurZeit" als günstigstes Verfahren angeseheideh Art der Aufbringung ider Bbschichtung, dem Flainräspnizeh; werden die zu Überziehenden Oberflächen mich eritsprecheffder Reinigung von Fett, Öl üi'dgl. zunächst aufgerauht, um eine gute mechanische Verklämiherurig' 'mit der Beschichtung zu ermöglichen. Mit Hilfe eines Sandstrahlgebläses, bei Welchem jedoch statt Sandteilchen solche aus Aluminiumoxyd verwendet werden, wird eine gut aufgerauhte Oberfläche erzielt. Es ist erforderlich, daß die Flächen vor der Aufrauhung völlig sauber und frei von öl, Fett od. dgl. sind. Mierfür sind chemische Reinigungsmittel mit oder ohne Anwendung von Ultraschall geeignet. Wenn die zu überziehenden Oberflächen auf diese Weise vorbehandelt sind, wird ihre Temperatur bis in die Nähe des Schmelzpunktes erhöht. Dann wird Kupferpulver, dessen Teilchen durch ein Sieb der amerikanischen Maschenweite 300 hindurchgehen, mit Hilfe eines bekannten Flammspritzbrenners bei Luftzutritt oder Zufuhr von Sauerstoff derart aufgespritzt, daß eine gleichmäßige Beschichtung entsteht, deren Dicke 0,15 bis 0,18 mm beträgt. Das Flammspritzen bei Luftzutritt bewirkt, daß sogleich die Beschichtung aus Kupferoxyd erhalten wird. Die Aufbringung der Schicht erfordert nur wenige Sekunden.

Die für dieses bevorzugte Aufbringungsverfahren erforderlichen Einrichtungen sind wesentlich weniger kostspielig als die für andere Aufbringungsverfahren erforderlichen.

Bei Versuchen mit drei gleichen luftgekühlten Dieselmotoren I, Π und III von 6 PS, von denen beim Motor I die Oberflächen des Verbrennungsraumes in der beschriebene» Weise durdi Flammspritzen beschichtet waren, beim Motor Π der Verbrennungsraum keinerlei Beschichtung aufwies und beim Motor III der Verbrennungsraum eine in der weiter oben beschriebenen Weise durch Galvanisierung aufgebrachte Kupferoxydschicht hatte, worden die folgenden Werte für den Brennstoffverbrauch und die Temperaturen erzielt, wobei alle übrigen Werte wie

Motor	Brennstoff verbrauch	Temperatur des Zylinder kopf«! ■ «c	öltemperatur 0C
I II III	1,09 1,38 1,18	140 171 149	77 92 83,5

Aus den angeführten Werten geht hervor, daß bei Verwendung einer Kupferoxydschicht in jedem Fall eine wesentliche Verbesserung der Leistung usw. erzielt wird, daß aber die durch Flammspritzen aufgebrachte Beschichtung noch Vorteile gegenüber einer durch Galvanisierung aufgebrachten Schicht hat.

ao Auch die Vergleichsversuche für die Darstellungen nach F i g. 4 A, 4 B und 4 C wurden an einem Dieselmotor ausgeführt. Um den gleichen Motor für die verschiedenen Versuche verwenden zu können, wurden jeweils die Kolben und der Zylinderkopf aus-

as getauscht. Auf diese Weise wunden die Versuche im Grunde mit zwei völlig gleichen Motoren gemacht, von denen jedoch einer keinerlei Beschichtung des Verbrennungsraumes hatte, während der andere eine Beschichtung nach F i g. 2 aufwies. Die erste Säule A zeigt den Brennstoffverbrauch des Motors ohne Beschichtung des Verbrennungsraumes; die Säule B zeigt die Auspufftemperatur des gleichen Motors; die Säule £ zeigt den Brennstoffverbrauch, die Säule F die Auspufftemperatur, nachdem die erwähnten Teile gegen solche mit einer Beschichtung nach F i g. 2 ausgetauscht worden waren. Danach wurden diese Teile noch einmal gegen die unbeschichteten Teile ausgetauscht, um einen Kontrollversuch zu machen. Die Säule G zeigt den hierbei erhaltenen Brennstoffver brauch, die Säule if die Auspufftemperatur. Die ge messenen Werte zeigen, daß mit den beschriebenen Beschichtungen eine erhebliche Leistungssteigerung und eine Verringerung der Auspufftemperatur erziel· wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

leiteigenschaften eine geringe Wärmeaufnahmefähigkeit aufweisenden Stoff auf der Basis von Kupfer Patentansprüche: sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Beschichtung. .

1. Beschichtung der Wandungen des Verbren- 5 Eine derartige »»JirihjTOg irt bereits aus der nungsraumes van!Breiinkraftmasdiinen mit einem deutschen Patentschrift 708 361 bekannt Die belieben besonderen Wänneleiteigenschaften eine kannte Beschichtung besteht aus einer Kupfenegiegeringere Wärmeaufnahmefähigkeit aufweisenden rung mil einem geringen Anteilan Phosphor, AntiStoff atf der Basis von KupfeTdadurch ge- mon oder Arsen und soli neben emem geringen kennzeichnet, daß der Stoff Kupferoxyd io Wärmeaufnahmevermögen gute Warmeableitijngs-(Cu₄O) ist, das neben, einem hohen Wärmeablei- eigenschaften aufweisen. Damit soll eme Überhitzung tunjwiderstaad jXfalls für die in Betracht der, wie es heißt, ohnehin hochbelasteten Wandungen kommende Infrarotstrahlung im Bereich von 0,7 des Verbrennungsraumes vermieden werden. Aus der bis 10,0 ρ Wellenlänge gute Reflexionseigenschaf- deutschen Patentschrift 454 809 war es nämlich beten aufweist. »5 «its bekannt, einen Wärmestau im Verbrennungs-

2. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- raum dadurch herbeizuführen, daß1 man diesen mit kennzeichnet, daß die Kupferoxydschicht (34) auf schlechtleitenden Metallen ausgekleidet hat

einer Kupferschicht (32) gelagert ist Aufgabe der Erfindung ist es hingegen, die Tem-

3. Beschichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- peratur im Verbrennungsraum wie auch an der Wandkennzeichnet, daß die Kupferschicht (32) im Falle ao oberfläche desselben durch die Beschichtung auf einen von Aluminium als Grundmaterial (16) der Wan- solchen Wert anzuheben, daß es in dem Verwendungen auf eine Grundierung (30) aus Zink auf- nungsraum zu einem vollständigen Ausbrand kommt, gebracht ist. ohne dab deshalb die Gefahr besteht, daß der Stoff

4. Beschichtung nach einem der vorhergehen- der Beschichtung selbst wie auch die dahinterliegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre 25 den Wandungen überhitzt werden. Hierzu soll die Gesamtdicke 0,15 bis 0,25 mm beträgt. Temperatur der Oberfläche der Beschichtung erhöht

5. Beschichtung nach einem der vorhergehen- und die Temperatur hinter der Beschichtung herabden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre gesetzt werden.

Oberfläche matt ist. Die Lösung dieser Aufgabe wurde dann gefunden,

6. Verfahren zur Herstellung der Beschichtung 30 daß der Stoff der Beschichtung auf Grund guter Renach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- flexionseigenschaften zumindest in dem bei den bedurch gekennzeichnet, daß die Wandungen gerei- treffenden Temperaturen in Betracht kommenden nigt, durch Beschüß mit harten Teilchen aufge- Wellenlängenbereich einen hohen Wärmeableitungsrauht, durch Aufspritzen, wie Flammspritzen oder widerstand aufweist.

Plasmaspritzen, von Kupfer mit der Beschichtung 35 Durch die USA.-Patentschrift 2 873 733 ist es zwar versehen werden, und daß das Kupfer noch vor bereits bekannt, für die Beschichtung einen Stoff mit Inbetriebnahme der Maschine zu Kupferoxyd guten Reflexionseigenschaften in dem für hohe Tem-(Cu₄O) oxydiert wird. peraturen in Betracht kommenden Infrarotbereich des

7. Verfahren nach Anspruch6, dadurch ge- Spektrums zu verwenden, jedoch wird dort z.B. kennzeichnet, daß die harten Teilchen Alumini- 40 Kupfer für wenig geeignet gehalten, da eine polierte umoxydteilchen sind. Kupferoberfläche unter den gegebenen Bedingungen

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch rasch anlaufe.

gekennzeichnet, daß im Falle des Flammspritzens Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß da-

die Teilchengröße einer Siebmaschenweite von durch gelöst, daß der Stoff Kupferoxyd (Cu₂O) ist, 300 entspricht. 45 das neben einem hohen Wärmeableilungswiderstand

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, jedenfalls für die in Betracht kommende Infrarotdadurch gekennzeichnet, daß zur Herbeiführung strahlung im Bereich von 0,7 bis 10,0 μ Wellenlänge der Oxydation des Kupfers das Flammspritzen gute Reflexionseigenschaften aufweist.

unter Zutritt von Sauerstoff erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Beschichtung wird er-

10. Verfahren zur Herstellung der Beschichtung 50 reicht, daß die Infrarotstrahlen in den Verbrennungsnach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- raum reflektiert werden, dessen Temperatur sich dakennzeichnet, daß auf die Wandungen eine Kup- mit erhöht, aber auch die Wandoberfläche eine ferschicht galvanisch aufgebracht und das Kupfer Temperatur annimmt, welche die Verbrennung sämtnoch vor Inbetriebnahme der Maschine zu Kupfer- licher Kohlenstoffteilchen u. dgl. ermöglicht, während oxyd (Cu₂O) oxydiert wird. SS die darunterliegenden Wandungen verhältnismäßig

kühl bleiben. Dies läuft neben einer Entrußung bzw. Entgiftung der Abgase auf eine Leistungserhöhung und Herabsetzung des spezifischen Brennstoffverbrauches hinaus. Zudem wird verhindert, daß die Re-

_____ ^6o flexiönseigenschafften der Beschichtung durch Ab

lagerungen verlorengehen.

Zweckmäßigerweise wird die Kupferoxydschicht durch Oxydieren von gegebenenfalls zuvor aufgebrachtem Kupfer erzeugt. Durch die deutsche Patentes schrift 550 854 ist es zwar bereits bekanntgeworden,

_>: Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtung einer Metalloberfläche durch Oxydieren besondere der Wandungen des Verbrennungsraumes von Brenn- Strahlungseigenschaften zu verleihen, doch handelt kraftmaschinen mit einem neben besonderen Wärme- es sich hier um Aluminium oder eine Aluminiumlegie-