EP2815074A2 - Kreiskolbenmotor und verfahren zum herstellen eines kreiskolbenmotors - Google Patents

Kreiskolbenmotor und verfahren zum herstellen eines kreiskolbenmotors

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Publication number
EP2815074A2
EP2815074A2 EP13703043.3A EP13703043A EP2815074A2 EP 2815074 A2 EP2815074 A2 EP 2815074A2 EP 13703043 A EP13703043 A EP 13703043A EP 2815074 A2 EP2815074 A2 EP 2815074A2
Authority
EP
European Patent Office
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layer
rotary piston
piston engine
housing
rotary
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13703043.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen STEINWANDEL
Gerd Huber
Ernst Sigmund
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.)
Airbus Defence and Space GmbH
Wankel SuperTec GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
Wankel SuperTec GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by EADS Deutschland GmbH, Wankel SuperTec GmbH filed Critical EADS Deutschland GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F04C2230/20—Manufacture essentially without removing material
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2230/00—Manufacture
    • F04C2230/90—Improving properties of machine parts
    • F04C2230/91—Coating

Definitions

  • the invention relates to a rotary engine, in particular a
  • Wankelmotor having a stationary housing and a movably received in the housing piston. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a rotary piston engine.
  • Rotary engines have advantages over reciprocating engines when low vibration, high power-weight engines are required.
  • Power weight is the power that a motor can achieve in relation to the weight of the engine.
  • Thermal insulation layer is provided.
  • the invention has for its object to provide a rotary engine with improved efficiency.
  • the rotary engine includes a stationary housing and a piston which is movably received in the housing, wherein the housing and the piston form at least one chamber with a chamber surface.
  • a partial region of the chamber surface has a thermal
  • rotary engines preferably power engines are provided, in which the parts that perform mechanical work essentially only perform rotational movements.
  • the parts that perform mechanical work essentially only perform rotational movements.
  • Rotary engine a Wankel engine be understood.
  • the above-mentioned chamber should preferably be understood to mean a volume in the rotary engine which is enclosed by the piston and the housing becomes.
  • the chambers are not locally constant due to the movement of the piston, so that while the chamber surface is always formed by the same part of the piston, the part of the chamber surface provided by the housing changes with the rotation of the piston. As the piston rotates, so does the volume of the chamber.
  • Rotary engine find the different power strokes in each case in different areas of the rotary engine instead.
  • a combustion mixture in particular a fuel-air mixture
  • a thermal barrier layer so that the selected areas are thermally better insulated.
  • thermodynamic efficiency of the rotary engine results, which preferably leads to the reduction of specific fuel consumption. That is, the energy produced by the combustion is preferably better in mechanical rotational energy of the piston of the
  • Rotary engine are warmer compared to conventional rotary engines.
  • the heat in the exhaust gases can then be used for other purposes.
  • conventional rotary piston engines must Due to the lack of a thermal barrier layer, the housing will be more cooled, so that this heat will not increase
  • Cooling medium is transmitted to the cooling and thus the rotary engine is no longer available.
  • a housing surface which forms part of
  • Chamber surface forms, a first, a second, a third and a fourth housing part region. Further preferably, a first housing portion is disposed in an inlet portion of the housing for introducing a combustion mixture, a second housing portion is disposed in a compression portion of the housing for compressing the combustion mixture, a third housing portion is in a combustion region of the housing for combustion of the combustion
  • Combustion mixture arranged and a fourth housing part region is disposed in an outlet region of the housing for discharging the combusted combustion mixture.
  • the thermal is preferred
  • the thermal barrier layer arranged in the third housing part region and / or the fourth housing part region.
  • the thermal barrier layer is arranged in the housing subregions which are adjacent to the regions of the rotary piston engine in which the combustion or the exhaustion of the burnt combustion mixture takes place. In these areas, an arrangement of a thermal barrier layer is thus preferably particularly effective, since there high
  • a cooling device for cooling the housing is also preferably arranged in the third and / or the fourth housing part region.
  • a preferred advantage of the invention is that the cooling device compared to conventional rotary piston engines less need to cool the housing of the rotary engine, as the thermal barrier layer reduces heat propagation through the housing of the rotary engine through.
  • a thermal barrier layer is provided on the surface of the piston. In particular, this prevents heat loss via the piston surface. This also preferably helps to increase the efficiency, as described above, of the rotary engine. It is preferred that the thermal barrier layer comprises a ceramic layer, in particular an oxide ceramic layer and more particularly one
  • the layers mentioned can advantageously withstand high temperatures, so that they are used, for example, in the region of the combustion chamber or the high-pressure turbine of an aircraft turbine. There they serve primarily the thermal protection of the materials located under the layer.
  • the empirical data gained can be advantageously transferred to the rotary engine, especially as in the rotary engine, a thermal insulation by means of the thermal barrier layer is to be achieved.
  • the zirconium oxide layer is at least partially stabilized by yttrium.
  • the addition of yttrium serves to make the zirconium oxide layer more resistant. This preferably increases the life of the thermal barrier layer.
  • thermal barrier layer has a lanathan-aluminate layer or a hexa-aluminate layer.
  • the oxide ceramic layer be on at least a portion of the chamber surface by high velocity flame spraying, laser powder coating or arc spraying
  • thermal barrier layer to the chamber surface so that a substantially equal thickness thermal barrier layer can be formed on the chamber surface.
  • This has the particular advantage that a smooth or flat thermal barrier layer is formed, which allows a uniform contact with the piston or when applied to the piston with the housing, so that friction between the housing and the piston can be reduced.
  • a uniform application of the thermal barrier layer preferably results in that the heat insulation in the areas in which the thermal barrier layer is applied, is substantially equal. Thereby There are no areas in the enclosure that are particularly hot, causing uneven expansion of the enclosure.
  • the metallic sprayed layer has a
  • Corrosion layer and / or has a tribological layer has a tribological layer.
  • the metallic spray layer preferably serves to prevent corrosion of the chamber surface (corrosion layer) and / or to reduce the friction between the housing and the piston (tribological layer).
  • a first preferred advantage is a longer durability of the housing surface due to reduced corrosion, so that fewer places are formed with damage to the housing surface. This preferably reduces friction between the piston and the engine, especially in advanced stages of operation of the rotary engine
  • a second preferred advantage of applying the metallic spray layer is preferably a reduced friction between the housing and the piston. This is preferably achieved in that the metallic spray layer directly reduces the friction between the housing and the piston or that the friction between the housing and the piston is reduced by the fact that the metallic spray layer advantageously ensures a uniform distribution of lubricants on the chamber surface.
  • the metallic sprayed layer has an Al: Ni-Al layer.
  • the metallic spray layer is replaced by a
  • the coating methods mentioned preferably have the same advantages as the coating methods for applying the
  • the metallic spray layer forms a surface of the chamber surface and the thermal barrier layer is disposed below the metallic spray layer.
  • the thermal barrier layer and the metallic spray layer are achieved that the thermal conductivity is reduced through the housing and at the same time, the friction between the housing and the piston is reduced. Both effects advantageously increase the efficiency of the rotary piston engine.
  • the rotary engine is designed for the combustion of kerosene and / or diesel.
  • the rotary engine is disposed between a turbocharger and an exhaust, wherein the rotary engine
  • Exhaust heat utilization device in particular an expansion turbine having.
  • the exhaust heat utilization device preferably serves to convert the heat of the exhaust gas into either mechanical or electrical work and so to use. Since the thermal barrier layer, as described above, reduces the thermal conductivity of the housing, preferably remains more Heat in the exhaust, so that more heat from the exhaust can be used.
  • Chamber surface of the rotary engine as described above, with a thermal barrier layer and by coating the first portion and / or a second portion of the chamber surface with the metallic spray layer.
  • first portion preferably the third and / or fourth housing portion, is provided with the thermal barrier layer and the metallic spray layer.
  • Housing part region, the inlet region and the compression region, are preferably provided only with the metallic spray coating. This preferably offers the advantage that the combustion area and the
  • thermal barrier layer are thermally insulated while in the
  • the manufacturing costs can be reduced.
  • the preferred application of the metallic sprayed layer over the entire housing surface offers the preferred advantage that the friction between the housing and the piston can be reduced over a total rotation of the piston.
  • a method for producing a rotary piston engine is characterized in that at least the first portion of the chamber surface is coated with an oxide layer, in particular an yttrium partially stabilized zirconium oxide layer, the oxide layer preferably being sprayed by high-speed flame spraying,
  • Laser powder coating or arc spraying is applied, and / or that at least the first portion of the chamber surface is coated with a lanthanum-aluminate layer or a hexa-aluminate layer, wherein the lanthanum-aluminate layer or the hexa-aluminate layer advantageously by a high-temperature atmospheric coating method, in particular by plasma spraying, Flame spraying, high velocity flame spraying, laser powder coating or arc spraying. It is preferred that a method for coating a
  • the first and / or second portion of the chamber surface is coated with an Al: Ni-Al layer, wherein the Al: Ni-Al layer preferably by an atmospheric high-temperature coating method, in particular by plasma spraying, flame spraying, high-speed
  • FIG. 1 shows a cross section through a rotary engine.
  • FIG. 2 shows a cross section through the rotary engine of FIG. 1 without a piston;
  • the rotary engine 10 has a housing 12 and a piston 14. Furthermore, the rotary piston engine 10 is assigned an exhaust heat utilization device 16 in the form of an expansion turbine 18. The rotary engine 10 is disposed between a turbocharger 20 and an exhaust 22 and is connected to the turbocharger 20 and the exhaust 22 via lines 24.
  • the piston 14 is rotatably supported by a shaft 26 in the housing 12.
  • the shaft 26 is formed so that an eccentric movement of the piston 14 causes rotation of the shaft 26. Since the mode of operation of the rotary piston engine 10 is generally known, it is not intended here to discuss the mode of operation of the rotary piston engine 10.
  • the piston 14 and the housing 12 share the interior of the piston
  • Rotary-piston engine 10 in three chambers 27, which separate the individual chambers 27 from each other by means of seals, not shown.
  • Chambers 27 are not stationary due to the rotation of the piston 14, so that a chamber surface of the chamber 27 of different
  • Regions of a housing surface 28 of the housing 12 is formed.
  • the boundary of the chamber 27 on the side of the piston 14 always represents a piston wall 32 of the piston 14, that is, the chamber 27 is always limited in the course of rotation of the piston 14 of the same piston wall 32.
  • the housing 12 has the housing surface 28.
  • Housing surface 28 is arranged in FIGS. 1 and 2 parallel to the cross-sectional plane of the rotary piston engine 10 and on an inner wall 30 of the housing 12.
  • the piston 14 has in the one shown in Fig. 1
  • the piston 14 and the housing 12 are preferably made of a metal or a metal alloy.
  • the housing surface 28 can be divided into four sections.
  • a first portion 34 is disposed near an inlet 36.
  • Through the inlet 36 is a
  • Combustion mixture in particular kerosene, introduced into the rotary piston engine 10.
  • a second housing part region 36 is arranged in the clockwise direction, which is also the direction of rotation of the piston 14. In this area, the combustion mixture is compressed by the piston 14, that is, the volume of the chamber 27 is reduced in this area. This area is also called compression area.
  • a third housing part region 36 is arranged in the clockwise direction, which is also the direction of rotation of the piston 14. In this area, the combustion mixture is compressed by the piston 14, that is, the volume of the chamber 27 is reduced in this area. This area is also called compression area.
  • Housing portion 38 which is disposed in the vicinity of a spark plug 40, the combustion mixture is burned.
  • a fourth housing part region 42 is arranged in the vicinity of an outlet 44. Into the outlet 44, the combusted combustion mixture is expelled by the piston 14.
  • the division of the housing surface 28 into the first 34, the second 36, the third 38 and the fourth housing part region 42 is merely exemplary. wherein the boundaries between the individual sections 34, 36, 38 and 42 can not be drawn exactly. That is, for example, it is not possible to pinpoint exactly where the inlet area ends and the compression area begins.
  • the thermal barrier layer 48 is initially located on the housing surface 28.
  • the metallic spray layer 46 is located on the thermal barrier layer 48. That is to say, the metallic spray layer 46 is in contact with other parts of the rotary piston engine 10 or with the combustion mixture.
  • the thermal barrier layer 48 is preferably completely covered by the metallic spray layer 46.
  • the thermal barrier layer 46 is preferably made of an oxide ceramic, in particular a zirconium oxide ceramic, which is preferably stabilized by yttrium.
  • the thermal barrier layer is made of a lanthanum aluminate layer or a hexa-aluminate layer.
  • the metallic spray layer 46 is preferably made of an Al: Ni-Al alloy.
  • the operation of the rotary piston engine 10 will be shown. Since the mode of operation of a rotary piston engine 10 is generally known, preference should be given here to the preferred action of the thermal barrier layer 48 and the metallic spray layer 46.
  • the combustion mixture is admitted by the turbocharger 20 via the line 24 at the inlet 36 in the region of the first housing part region 34. By the rotation of the piston 14 and its eccentric movement, the combustion mixture in the region of the second housing part region 36 is compressed (that is, the volume of the chamber 27 is through the
  • Combustion mixture is supplied in the region of the fourth housing part region 42 at the outlet 44 via a line 24 of the exhaust heat utilization device 16, which supplies the burned combustion mixture to an exhaust 22.
  • the exhaust heat utilization device 16 extracts heat from the burned combustion mixture and thereby gains mechanical or electrical energy.
  • Housing portion 38 and the fourth housing portion 42 reduces the thermal conductivity of the housing 12 in these sub-areas. As a result, less heat is dissipated in the combustion to the housing 12, whereby the combustion temperature of the combustion in the region of the third housing part region 38 and the heat of the burned
  • the increased combustion temperature increases the efficiency of the rotary piston engine 10.
  • the increased temperature of the combusted combustion mixture increases the energy yield of the exhaust heat utilization device 16 and thus also the efficiency of the rotary piston engine 10.
  • the metallic spray layer 46 reduces the friction between the piston 14 and the housing 12. The piston 14 is not shown
  • seals in permanent contact with the housing surface 28.
  • the seals serve to seal the chambers 27 well.
  • Housing surface 28 increases the efficiency.
  • the housing surface 28 of the housing 12 is preferably formed by high velocity flame spraying
  • a nozzle 50 is brought into the vicinity of the housing surface 28 and material particles made of the material from which the thermal barrier layer 48 is produced are accelerated toward the housing surface 28. Due to the speed and the heat of the material particles form the material particles at the
  • Housing surface 28 is a crystalline layer containing the thermal
  • Barrier layer 48 forms. Similarly, subsequently, the metallic spray layer 46 may be applied to the thermal barrier layer 48
  • Rotary engines 10 have important advantages over reciprocating engines, especially when minimal vibration and a good power to weight ratio are required. Thus, these motors are basically well suited for the aviation sector. For specialized aeronautical applications (eg propulsion of UAVs, replacement APU turbines on civil aircraft) kerosene operation is required. It is known that diesel reciprocating engines are operated without major problems with kerosene can. For rotary engines 10, this is more difficult, but basically possible. Required is an improved efficiency of
  • Rotary piston engines 10 combustion optimization.
  • Rotary piston engines 10 are thermal barrier coatings 48 (TBC-thermal barrier coatings).
  • TBC-thermal barrier coatings The state of the art is the coating of components in passenger gas turbines. Thermal barrier layers are used here in particular in the area of the combustion chamber and the high-pressure turbine. The function here is primarily the thermal protection of
  • thermal barrier coatings have been studied for conventional reciprocating engines. A series use is not known.
  • a rotary piston engine 10 is thermodynamically characterized in comparison to a reciprocating engine in that the different work cycles take place in individual chambers.
  • a thermal barrier layer 48 are applied to optimize the thermal balance of the machine.
  • the areas with typical thermal barrier layers 48, z For example, yttria-stabilized zirconia (methods: the thermal powder injection technologies such as plasma spraying, flame spraying, and high-speed flame spraying).
  • the yttrium-stabilized zirconium oxide layer may additionally be provided with a metallic spray layer (Al: Ni-Al) for improving the
  • thermal barrier layer 48 in rotary engines 10 are as follows: - Coating of the "combustion chamber” leads to a higher temperature level and thus to an improved combustion resulting in a higher thermodynamic efficiency (reduction of the specific fuel requirement)
  • the thermal barrier layer 48 is an yttrium (partially) stabilized zirconia prepared by a method such as
  • the thermal barrier layer 48 is a lanthanum aluminate or hexa-aluminate layer.
  • a second aspect of the invention is that the thermal barrier layer 48, which is made of either an yttrium (partially) stabilized zirconia or lanthanum / hexa-aluminate, is additionally provided with an Al: Ni-Al.
  • the methods of applying the metallic spray layer 46 are atmospheric high temperature coating processes (plasma spraying, high velocity flame spraying, flame spraying, electric arc spraying, etc.).
  • the metallic spray layer 46 is a corrosion layer or a tribological layer and provides improved runnability of the piston and additional protection of the thermal barrier layer 46.
  • the expansion turbine 18 is disposed between the turbocharger 20 and the exhaust 22.

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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 der Kammeroberfläche auf. Wenigstens ein Teilbereich der Kammeroberfläche weist eine metallische Spritzschicht auf. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kreiskolbenmotors (10).

Description

Kreiskolbenmotor und Verfahren zum Herstellen eines
Kreiskolbenmotors
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.
DE 10 2007 026 598 A1 beschreibt eine Rotationskolben- Brennkraftmaschine, deren Gehäuse und Rotationskolben mit einer
Wärmedämmschicht versehen ist.
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. Wenigstens ein Teilbereich der Kammeroberfläche weist eine metallische Spritzschicht 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 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 AI:Ni-AI-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 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 AI:Ni-AI-Schicht beschichtet wird, wobei die AI:Ni-AI-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:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Kreiskolbenmotor; Fig. 2 einen Querschnitt durch den Kreiskolbenmotor aus Fig. 1 ohne einen Kolben;
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Gehäuseoberfläche des
Kreiskolbenmotors aus Fig. 1 mit thermischer Barriereschicht und metallischer Spritzschicht; und einen Querschnitt der Gehäuseoberfläche aus Fig. 3 in einer Momentaufnahme während eines Verfahrens zum Herstellen eines Kreiskolbenmotors.
Ein bevorzugter Kreiskolbenmotor 10 wird nun anhand von Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Barhereschicht 48 und der
metallischen Spritzschicht 46 auf der Gehäuseoberfläche 28 ist aus Fig. 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 AI:Ni-AI-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 Fig. 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 (AI:Ni-AI) 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 AI:Ni-AI 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-Nutzungseinric
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

Claims

Patentansprüche
1 . 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,
wobei
wenigstens ein Teilbereich der Kammeroberfläche eine thermische Barriereschicht (48) zur Verringerung einer thermischen Leitfähigkeit des Teilbereichs der Kammeroberfläche aufweist, und
wobei
wenigstens ein Teilbereich der Kammeroberfläche eine metallische
Spritzschicht (46) aufweist.
2. Kreiskolbenmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Barriereschicht (48) eine Keramikschicht, insbesondere eine Oxidkeramikschicht und mehr insbesondere eine Zirkonoxidschicht, aufweist.
3. Kreiskolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Zirkonoxidschicht durch Yttrium zumindest teilstabilisiert ist. 4. Kreiskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Barriereschicht (48) eine Lanthan- Aluminatschicht oder eine Hexa-Aluminatschicht aufweist.
5. 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.
6. Kreiskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Spritzschicht (46) eine
Korrosionsschicht und/oder eine tribologische Schicht aufweist.
7. Kreiskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Spritzschicht (46) AI:Ni-AI-Schicht aufweist.
8. Kreiskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Spritzschicht (46) durch ein
atmosphärisches Hochtemperaturbeschichtungsverfahren, insbesondere durch Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen, aufgebracht ist.
9. Kreiskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Spritzschicht (46) eine Oberfläche der Kammeroberfläche bildet und die thermische Barriereschicht (48) unter der metallischen Spritzschicht (46) angeordnet ist.
10. Kreiskolbenmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreiskolbenmotor (10) zur Verbrennung von Kerosin und/oder Diesel ausgelegt ist.
1 . 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.
12. 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 durch Beschichten des ersten
Teilbereichs und/oder eines zweiten Teilbereichs der Kammeroberfläche mit der metallischen Spritzschicht (46).
13. Verfahren zum Herstellen eines Kreiskolbenmotors (10) nach Anspruch 12, 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.
14. Verfahren zum Herstellen eines Kreiskolbenmotors (10) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Teilbereich der Kammeroberfläche mit einer AI:Ni-AI-Schicht beschichtet wird, wobei die AI:Ni-AI-Schicht durch ein atmosphärisches
Hochtemperaturbeschichtungsverfahren, insbesondere durch Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen,
Laserpulverbeschichtung oder Lichtbogenspritzen, aufgebracht wird.
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