EP1136583A1 - Verfahren sowie Vorrichtung zum thermischen Beschichten von Zylinderwandungen von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Verfahren sowie Vorrichtung zum thermischen Beschichten von Zylinderwandungen von Verbrennungsmotoren Download PDF

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EP1136583A1
EP1136583A1 EP01810005A EP01810005A EP1136583A1 EP 1136583 A1 EP1136583 A1 EP 1136583A1 EP 01810005 A EP01810005 A EP 01810005A EP 01810005 A EP01810005 A EP 01810005A EP 1136583 A1 EP1136583 A1 EP 1136583A1
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Definitions

  • the invention relates to a method for the thermal coating of cylinder walls of internal combustion engines according to the preamble of claim 1 and one Device for performing the method according to the preamble of the claim 6.
  • the object of the invention is to provide an easy-to-use method for the thermal coating of cylinder walls of engine blocks of internal combustion engines to propose, on the one hand, the quality of the applied Layer is improved and on the other hand the engine block from contamination is protected.
  • the proposed measure the layer quality is improved in two ways and that at the same time the Engine block can be protected from contamination.
  • the coating particles By blowing the air during the thermal coating at a speed between 7 and 12 m / s through the Cylinder bore is passed, the coating particles not applied reliably removed and the content of oxygen bound in the layer (Oxide content) is kept in an area where both the tribological properties the layer as well as its machinability can be optimized.
  • the air flow cooling the engine block caused by the air flow cooling the engine block.
  • the proposed measure also reduces the pollution of the plasma cartridge.
  • two plasma spraying devices 1, 2, are shown in a schematic representation Engine block 6 and a suction device 18 can be seen.
  • the suction device 18 has four suction nozzles 12, a control device 20 provided with air flaps and a suction pump 25 on.
  • the control device 20 is not the actual one from this illustration Air flaps but only their adjustment mechanism 22 can be seen.
  • control device 20 has one provided with four air flaps Air valve battery 21 on.
  • the four suction nozzles 12 are received in a holder 13 and connected to the control device 20 via flexible hoses 14, wherein the hoses 14 are only hinted at.
  • the hoses 14 lead to a connecting element 15, which is connected to the control device 20 via lines 17 connected is.
  • Lines 23 lead from the control device 20 to the suction pump 25.
  • the control device 20 is also provided with pressure sensors (not shown). provided, by means of which the prevailing during suction in the suction lines 14, 17 Air pressure can be measured.
  • the cylinder liners 8 are coated as follows: First the four suction ports 12 from below through the crankcase 10 of the engine block 6 brought up to the lower end 9 of the cylinder bores 7. Then the actual coating process started by the plasma sprayers 1, 2 in the Cylinder bores 7 introduced and the walls 8 are coated. While of the coating, air is continuously extracted by means of the suction device 18. In this case, the pressure sensors prevailing in the suction lines 14, 17 Air pressure measured. Due to the measured air pressure, the Flow velocity of the air flowing through the cylinder bores 7 is closed the electronic means for calculating the air speed are not shown in detail.
  • the Air flaps and thus the suction cross section can be changed so that the air speed within the cylinder bores 7 in the desired range between 7 and can be kept 12 m / s.
  • the other two cylinder bores 7 are also coated and the flow velocity of those flowing through these cylinder bores 7 Air measured in the manner described above and within the specified Value held.
  • suction device is suitable for the coating of four-cylinder in-line engines and eight-cylinder V-shaped engines. It goes without saying that suction devices for other variants of engine blocks can be provided.

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Abstract

Es wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum thermischen Beschichten von Zylinderwandungen (8) von Motorblöcken (6) von Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Dabei wird darauf geachtet, dass während des Beschichtungsvorgangs die Luft mit einer Geschwindigkeit zwischen 7 und 12 m/s durch die sich im aktiven Beschichtungsvorgang befindlichen Zylinderbohrung(en) (7) geleitet wird. Diese Luftströmung wird durch Absaugen erzeugt, indem die Luft nach unten durch das Kurbelgehäuse (10) des Motorblocks (6) abgesaugt wird. Zum Absaugen sind mehrere mit einer Absaugpumpe (25) in Verbindung stehende Absaugstutzen (12) vorgesehen, welche von unten durch das Kurbelgehäuse (10) des Motorblocks (6) eingeführt und an die Unterseite (9) der Zylinderbohrungen (7) herangeführt werden. Während des Beschichtungsvorgangs wird der in Absaugleitungen (14, 17) vorherrschende Luftdruck gemessen, und aufgrund der gemessenen Werte die Geschwindigkeit der durch die Zylinderbohrung(en) (7) geleiteten Luft ermittelt. Die ermittelte Luftgeschwindigkeit wird zum Ansteuern eines mit Luftklappen in den Absaugleitungen in Wirkverbindung stehenden Verstellmechanismus (22) herangezogen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten von Zylinderwandungen von Verbrennungsmotoren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren finden heutzutage vermehrt Motorblöcke aus Leichtmetall Verwendung. Währenddem zur Bildung der Zylinderlaufflächen bis anhin zumeist Gusseisenbüchsen in den Motorblock eingesetzt wurden, geht man nun dazu über, die Zylinderwandungen von Aluminium-Motorblöcken mittels einer eisenhaltigen Laufschicht zu versehen, wobei zum Aufbringen dieser Laufschicht vorzugsweise rotierende Plasmatrons verwendet werden. Eine grundsätzliche Problematik beim Plasmabeschichten von Substraten besteht darin, dass nicht alle im Plasmastrahl aufgeschmolzenen Beschichtungspartikel an der Substratoberfläche haften bleiben. Währenddem dies in vielen Fällen nicht von Bedeutung ist, muss beim Beschichten von Motorblöcken aus verständlichen Gründen darauf geachtet werden, dass keine Beschichtungspartikel im Motorblock zurückbleiben. Bisher wurde diesem Problem zumeist dadurch abgeholfen, dass Abdeckungen angebracht wurden, mittels welchen die exponierten Stellen des Motorblocks geschützt wurden. Nachteilig an derartigen Abdeckungen ist, dass Wärmestaus entstehen, die zu einer hohen thermischen Belastung des Motorblocks führen und ausserdem unerwünschte Partikeleinschlüsse in der aufgebrachten Schicht entstehen lassen, da Umgebungsstaub und nicht aufgeschmolzene bzw. wieder abgekühlte Partikel vom Beschichtungsstrahl mitgerissen werden und zu unerwünschten Einschlüssen führen.
Aus der US 5 573 814 ist ein Verfahren zum Abdecken des äusseren Endes von Zylinderbohrungen während des thermischen Beschichtens bekannt. Dazu ist eine aufblasbare Maske vorgesehen, welche von unten gegen die Zylinderbohrung gedrückt wird. Die Maske ist mit einer Absaugleitung verbunden, über welche Gase aus der Zylinderbohrung abgesaugt werden können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein einfach anzuwendendes Verfahren zum thermischen Beschichten von Zylinderwandungen von Motorblöcken von Verbrennungsmotoren vorzuschlagen, mittels welchem zum einen die Qualität der aufgetragenen Schicht verbessert wird und zum anderen der Motorblock vor Verunreinigungen geschützt wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angeführten Verfahrensschritte gelöst.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass durch die vorgeschlagene Massnahme die Schichtqualität in zweierlei Hinsicht verbessert wird und dass gleichzeitig auch der Motorblock vor Verunreinigungen geschützt werden kann. Indem die Luft während des thermischen Beschichtens mit einer Geschwindigkeit zwischen 7 und 12 m/s durch die Zylinderbohrung geleitet wird, werden die nicht aufgetragenen Beschichtungspartikel zuverlässig abgeführt und der Gehalt von in der Schicht gebundenem Sauerstoff (Oxydanteil) wird in einem Bereich gehalten, in dem sowohl die tribologischen Eigenschaften der Schicht wie auch deren Zerspanbarkeit optimiert werden. Zudem wird durch die Luftströmung eine Kühlung des Motorblocks bewirkt. Schliesslich wird durch die vorgeschlagene Massnahme auch die Verschmutzung des Plasmatrons reduziert.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 umschrieben.
Im Anspruch 6 wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungen dieser Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 7 und 8 definiert.
Anhand einer Zeichnung wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Die einzige Zeichnung zeigt dabei eine schematische Ansicht auf einen Motorblock zusammen mit einer Absaugvorrichtung.
Aus dieser Figur sind in schematischer Darstellung zwei Plasmaspritzgeräte 1, 2, ein Motorblock 6 sowie eine Absaugvorrichtung 18 ersichtlich. Zum Beschichten der Zylinderlaufbahnen 8 des 4-zylindrigen Motorblocks sind Plasmaspritzgeräte 1, 2 mit rotierenden Brennerköpfen 3, 4 vorgesehen. Die Absaugvorrichtung 18 weist vier Absaugstutzen 12, eine mit Luftklappen versehene Steuereinrichtung 20 sowie eine Absaugpumpe 25 auf. Bei der Steuereinrichtung 20 sind aus dieser Darstellung nicht die eigentlichen Luftklappen sondern nur deren Verstellmechanismus 22 ersichtlich. Die Steuereinrichtung 20 weist im vorliegenden Fall eine mit vier Luftklappen versehene Luftklappenbatterie 21 auf. Die vier Absaugstutzen 12 sind in einer Halterung 13 aufgenommen und über flexible Schläuche 14 mit der Steuereinrichtung 20 verbunden, wobei die Schläuche 14 nur andeutungsweise eingezeichnet sind. Die Schläuche 14 führen zu einem Anschlusselement 15, welches über Leitungen 17 mit der Steuereinrichtung 20 verbunden ist. Von der Steuereinrichtung 20 führen Leitungen 23 zu der Absaugpumpe 25. Die Steuereinrichtung 20 ist zudem mit Drucksensoren (nicht eingezeichnet) versehen, mittels welchen der beim Absaugen in den Absaugleitungen 14, 17 vorherrschende Luftdruck gemessen werden kann.
Das Beschichten der Zylinderlaufbahnen 8 geht folgendermassen vonstatten: Zuerst werden die vier Absaugstutzen 12 von unter durch das Kurbelgehäuse 10 des Motorblocks 6 an das untere Ende 9 der Zylinderbohrungen 7 herangeführt. Danach wird der eigentliche Beschichtungsvorgang gestartet, indem die Plasmaspritzgeräte 1, 2 in die Zylinderbohrungen 7 eingeführt und deren Wandungen 8 beschichtet werden. Während des Beschichtens wird mittels der Absaugvorrichtung 18 kontinuierlich Luft abgesaugt. Dabei wird mittels der Drucksensoren der in den Absaugleitungen 14, 17 vorherrschende Luftdruck gemessen. Aufgrund des gemessenen Luftdrucks kann auf die Strömungsgeschwindigkeit der durch die Zylinderbohrungen 7 strömenden Luft geschlossen werden, wobei die elektronischen Mittel zum Berechnen der Luftgeschwindigkeit nicht näher dargestellt sind. Mittels des Verstellmechanismus 22 können die Luftklappen und damit der Absaugquerschnitt verändert werden, so dass die Luftgeschwindigkeit innerhalb der Zylinderbohrungen 7 im gewünschten Bereich zwischen 7 und 12 m/s gehalten werden kann. Nachdem zwei der vier Zylinderbohrungen 7 beschichtet wurden, werden die beiden anderen Zylinderbohrungen 7 ebenfalls beschichtet und die Strömungsgeschwindigkeit der durch diese Zylinderbohrungen 7 strömenden Luft in der vorgängig beschriebenen Weise gemessen und innerhalb des vorgegebenen Wertes gehalten.
Es hat sich gezeigt, dass eine Luftgeschwindigkeit von 7 bis 12 m/s in vielerlei Hinsicht das Optimum darstellen dürfte. Zum einen wird dadurch sichergestellt, dass die nicht aufgetragenen Beschichtungspartikel sowie anderer Staub sicher abgeführt werden, auch wenn zwischen dem jeweiligen Absaugstutzen 12 und dem unteren Ende 9 der Zylinderbohrung 7 ein Spalt bestehen sollte. Daher kann auf eine Abdichtung zwischen dem unteren Ende 9 der Zylinderbohrung 7 und dem jeweiligen Absaugstutzen 12 verzichtet werden, so dass letztlich eine schnelle, effiziente und kostengünstige Beschichtung der Zylinderbohrungen 7 begünstigt wird. Ausserdem wird durch eine Luftgeschwindigkeit von 7 bis 12 m/s der Gehalt von in der Schicht gebundenem Sauerstoff in einem Bereich von ca. 1 bis 4 Gewichtsprozent gehalten, wodurch sowohl die tribologischen Eigenschaften der Schicht wie auch deren Zerspanbarkeit optimiert werden. Zudem wird durch die Luftströmung eine Kühlung des Motorblocks 6 bewirkt und die Verschmutzung des jeweiligen Plasmatrons 3, 4 reduziert. Wird die Luft schneller als mit 12 m/s durch die Zylinderbohrungen 7 geleitet, so besteht die Gefahr, dass der Plasmastrahl gestört wird und nicht mehr alle Beschichtungspartikel im Plasmastrahl vollständig aufgeschmolzen werden, was letztlich zu einer qualitativ unbefriedigenden Schicht mit beispielsweise zu hoher Porosität führt. Wird die Luft langsamer als mit 7 m/s durch die Zylinderbohrungen 7 geleitet, so besteht die Gefahr, dass der Gehalt an gebundenem Sauerstoff in der Schicht zu hoch ist, was wiederum auch zu einer qualitativ unbefriedigenden Schichtqualität führen würde. Zudem besteht bei zu tiefer Luftgeschwindigkeit die Gefahr, dass die Staubbelastung innerhalb des zu beschichtenden Zylinders 7 zu hoch ist und einzelne Partikel durch einen allenfalls zwischen dem Ansaugstutzen 12 und dem unteren Ende 9 der Zylinderbohrung 7 bestehenden Spalt in das Kurbelgehäuse 10 des Motorblocks 6 eindringen können. Bei einem V-Motor können einzelne Partikel ggf. auch in die gegenüberliegenden Zylinderbohrungen gelangen.
Das gezeigte Ausführungsbeispiel einer Absaugvorrichtung eignet sich für die Beschichtung von Vierzylinder-Reihenmotoren sowie von Achtzylindermotoren in V-Form. Es versteht sich, dass ebenso Absaugvorrichtungen für andere Varianten von Motorblöcken vorgesehen werden können.

Claims (8)

  1. Verfahren zum thermischen Beschichten von Zylinderwandungen (8) von Motorblöcken (6) von Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass während des Beschichtungsvorgangs Luft mit einer Geschwindigkeit zwischen 7 und 12 m/s durch die sich im aktiven Beschichtungsvorgang befindlichen Zylinderbohrung(en) (7) geleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallhaltige, vorzugsweise eine eisenhaltige Schicht mittels Plasmaspritzen auf die Zylinderwandungen (8) aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftströmung durch Absaugen erzeugt wird, indem die Luft nach unten durch das Kurbelgehäuse (10) des Motorblocks (6) abgesaugt wird, wobei mehrere mit einer Absaugpumpe (25) in Verbindung stehende Absaugstutzen (12) von unten durch das Kurbelgehäuse (10) des Motorblocks (6) eingeführt und an die Unterseite (9) der Zylinderbohrungen (7) herangeführt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Beschichtungsvorgangs der in Absaugleitungen (14, 17) vorherrschende Luftdruck gemessen wird, und dass aufgrund der gemessenen Werte die Geschwindigkeit der durch die Zylinderbohrung(en) (7) geleiteten Luft ermittelt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Luftgeschwindigkeit zum Ansteuern eines mit Luftklappen in den Absaugleitungen in Wirkverbindung stehenden Verstellmechanismus (22) herangezogen wird.
  6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere Absaugstutzen (12) aufweist, welche über zumindest teilweise flexible Absaugleitungen (14) mit einer Absaugpumpe (25) verbunden sind, wobei die Vorrichtung Mittel (22) zum Verändern des absaugrelevanten Leitungsquerschnitts aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Drucksensor zum Erfassen des in den Absaugstutzen (12) oder in den Absaugleitungen (14, 17, 23) vorherrschenden Luftdrucks vorgesehen ist und dass elektronische Mittel zum Errechnen der Luftgeschwindigkeit aufgrund des Luftdrucks vorgesehen sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugvorrichtung (18) eine zentrale Absaugpumpe (25) umfasst welche über Absaugleitungen (14, 17, 23) mit den Absaugstutzen (12) verbunden ist, wobei zwischen den Absaugstutzen (12) und der Absaugpumpe (25) eine Luftklappenbatterie (21) zum individuellen Verändern des jeweiligen Querschnitts der Absaugleitungen (17) angeordnet ist.
EP01810005A 2000-03-20 2001-01-04 Verfahren sowie Vorrichtung zum thermischen Beschichten von Zylinderwandungen von Verbrennungsmotoren Expired - Lifetime EP1136583B2 (de)

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