FI123783B

FI123783B - Menetelmä polttomoottorin sylinterikannen kunnostamiseksi

Info

Publication number: FI123783B
Application number: FI20085578A
Authority: FI
Inventors: William Bates
Original assignee: Waertsilae Finland Oy
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2013-10-31
Also published as: CA2727314A1; CN102056706B; FI20085578A0; CA2727314C; CN102056706A; FI20085578A; EP2300196A1; EP2300196B1; WO2009150296A1

Description

Menetelmä polttomoottorin sylinterikannen kunnostamiseksi Tekniikan ala 5 Esillä olevan keksinnön kohteena on menetelmä polttomoottorin sylinteri-kannen kunnostamiseksi, joka sylinterikansi käsittää sylinterikannen rungon ja ainakin yhden kuluneen sylinterikanteen kiinnitetyn osan, joka menetelmä käsittää seuraavat vaiheet, joissa sylinterikanteen kiinnitetty kulunut osa poistetaan sylinterikannesta, sylinterikannen pinta työstetään tilan 10 muodostamiseksi uutta vaihto-osaa varten ja uusi vaihto-osa järjestetään tilaan.

Tekniikan taso

Polttomoottorit toimivat olosuhteissa, joissa etenkin polttokammio on vaati-15 vissa olosuhteissa. Merkittävä rakenteita kuluttava tekijä on palamisesta syntyvä kuumuus. Muita kuluttavia tekijöitä ovat mekaaniset paineet ja kitka. Imu- ja pakoventtiileitä on järjestetty moottorin sylinterikanteen edesauttamaan sylinterin kaasunvaihtoa. Venttiili on järjestetty toimimaan yhdessä venttiilin istukan kanssa. Venttiileitä avataan ja suljetaan jatkuvasti 20 synkronoituna männän aseman kanssa. Suljetussa asennossa venttiililau- ” tanen on yhteydessä venttiilin istukan kanssa muodostaen kaasutiiviin tii- o ™ vistyksen niiden väliin, o g Polttomoottorin venttiilin istukka on se pinta, jota vasten imu- tai pakovent- £ tiili lepää sinä moottorin toimintakierroksen aikana, kun venttiili on suljettu.

CL

oo 25 Venttiilin istukka on kriittinen osa moottora siinä määrin, että jos se on huonosti sijoitettu, suunnattu tai muodostettu valmistuksen aikana, venttiili 00 o vuotaa, mikä vaikuttaa moottorin puristussuhteeseen ja siten moottorin te-

CVJ

hoon, suoritustasoon ja elinikään.

2

Venttiilin istukat on usein muodostettu puristamalla sopiva sylinterimäinen kappale valun syvennykseen sylinterikannessa ja sitten työstämällä venttiilin istukan pinnat venttiilin istukan muokkaamiseksi sen muotoiseksi, että se sopii vastaavan venttiilin vastinpintaan.

5 Lopulta venttiilin istukka kuluu loppuun ja tarvitaan korvaavaa osaa. Kuitenkin toimenpiteelle on raja siinä, kun seinämämateriaali on porattu minimiin sallittuun mittaansa.

Sylinterikannen normaalin huollon aikana on usein tarpeen porata uudelleen venttiilin istukan tasku, niin että saadaan mahtumaan ylisuuret istukat. 10 Tämä johtuu siitä, että vanhoja istukoita poistettaessa reiät voivat vaurioitua ja ne voivat menettää sovitustarkkuutensa. Tämä yliporaus voidaan tehdään kuitenkin vain rajallisia kertoja, koska valuseinän paksuutta ei voida pienentää liiallisesti ilman riskejä.

Kun istukkataskut ovat saavuttaneet maksimaalisen ylikokonsa, tekniikan 15 tason tarjoamina vaihtoehtoina oli romuttaa sylinterikansi tai yrittää kunnostaa se jollain hitsausmenetelmällä. Kuitenkin etenkin valurauta on ongelmallinen materiaali korjattavaksi hitsaamalla valurautarakenteessa olevasta vapaan hiilen suuresta prosentuaalisesta määrästä johtuen. Toinen ongelma valuraudan kanssa on sen pyrkimys absorboida öljyä ja muita epä-20 puhtauksia. Hitsaaminen voi aiheuttaa lämmöstä johtuvan halkeamaherkän alueen, jossa on jäännösjännityksiä, jotka taas ovat alttiita myöhemmille o käytön aikaisille vioille. Hitsauksen lisäksi juottaminen on tunnettu yhdistä- 4 mismenetelmä, jolloin ei-rautapitoista täytemetallia tai -metalliseosta läm- o mitetään sulamispisteeseen yli 425°C:een (800°F) ja levitetään kahden tai x 25 useamman tiiviisti yhteensopivan osan välille kapillaari-ilmiön avulla. Nes-

CL

telämpötilassaan sulanut täytemetalli ja juoksute, s.o. aine, joka edesautan taa juottamista puhdistaen kemiallisesti liitettävät metallit, reagoi ohuen pe- o rusmetallikerroksen kanssa, jäähtyen muodostaakseen poikkeuksellisen

C\J

vahvan, tiiviin liitoksen raerakenteiden vuorovaikutuksen ansiosta.

3 JP2001182611 kuvaa kevyttä metalliseoksesta tehtyä sylinterikantta ja menetelmää tällaisen sylinterikannen valmistamiseksi, jossa menetelmässä imu-/pako venttiiliä ympäröivä osa sylinterikannen alapinnalla vahvistetaan juottamalla vahvistettu osa kitkalämmöllä sylinterikannen muodon-5 muutoksen estämiseksi prosessissa.

Julkaisu US 3,594,406 esittää menetelmän kuluneen sylinterikannen uudelleen rakentamiseksi, jossa koko sylinterikannen alaosa uusitaan. Tämä vaatii tarkkaa uusien ja vanhojen osien linjaamista, joka tekee menetelmästä hankalan toteuttaa.

10 US 3,830,209:ssa esitetään sylinterikansi ja menetelmä sylinterikannen uudelleen rakentamiseksi. Tässä julkaisussa uudelleen rakentaminen ehdotetaan suoritettavaksi järjestämällä vaihto-osa syvennykseen, joka on tehty kuluneen sylinterikannen alaosaan. Tällä tavalla sylinterikannen pinta, joka on alttiina palamisen vaativille olosuhteille, voidaan vaihtaa.

15 JP08100701 esittelee menetelmän kevytmetalliseoksesta tehdyn sylinteri- kannen valmistamiseksi, jossa venttiilin istukka on eri materiaalia. Menetelmässä venttiilin istukka on kiinnitetty sylinterikanteen juottamalla niin, että sylinterikanteen on järjestetty kouru, johon istukka on järjestetty juottamalla. Juottamisen jälkeen kourun sisäseinä työstetään pois. Tämä me- 20 netelmä sopii ainoastaan uuden sylinterikannen valmistamiseen, ei kulu-neiden sylinterikansien korjaamiseksi, δ ^ Esillä olevan keksinnön tavoitteena saada aikaan menetelmä polttomootto- ° rin sylinterikannen korjaamiseksi, jonka ansiosta saadaan aikaan korkea-

O

00 luokkainen sylinterikansi.

! 25 h- m m oo o o

C\J

4

Keksinnön selostus

Keksinnön tavoitteet saavutetaan olennaisesti vaatimuksessa 1 esitetyllä tavalla.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti menetelmä polttomootto-5 rin sylinterikannen kunnostamiseksi, joka sylinterikansi käsittää sylinteri-kannen rungon ja ainakin yhden kuluneen sylinterikanteen kiinnitetyn osan, käsittää seuraavat vaiheet, joissa (a) sylinterikanteen kiinnitetty, kulunut osa poistetaan sylinterikannesta, ja 10 (b) sylinterikannen pinta työstetään tilan muodostamiseksi uutta vaihto- osaa varten ja (c) uusi vaihto-osa järjestetään tilaan. Keksinnölle on tunnusomaista, että (d) vaihto-osa kiinnitetään sylinterikanteen juottamalla ja 15 (e) vaihto-osa työstetään vastaamaan uudelta osalta vaadittavia mittoja.

Esillä olevan keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaisesti menetelmää käytetään sylinterikannen venttiilin istukan kunnostamiseksi, jolloin kulunut osa on venttiilin istukka ja vaiheessa (e) vaihto-osa työstetään so-20 pimaan venttiilin istukalta vaadittavia mittoja.

co Vaiheessa (d) juottaminen suoritetaan vain inertin kaasun, edullisesti argo- δ ™ nin, läsnäollessa, siten estäen juotetun liitoksen hapettuminen. Toisen suo- 9 ritusmuodon mukaisesti juottaminen vaiheessa (d) suoritetaan tyhjiöolo- 0 co 25 suhteissa.

CC

CL

“ Juottaminen tapahtuu 650 - 720QC:n lämpötilassa ja juotosaika tässä läm- m g Potilassa on 100 - 150 minuuttia.

o o

CVJ

5

Uusi vaihto-osa on järjestetty tilaan siten, että osa vaihto-osasta ulottuu ulos tilasta. Tämä varmistaa sen, että vaihto-osa on riittävän suuri työstettäväksi lopullisiin mittoihinsa. Tämä myös mahdollistaa juotoslangan kiertämisen tilasta ulkonevan osan ympärille ennen juottamista.

5

Vaihto-osa on kiinnitetty 0,05 - 0,3 mm:n, edullisesti 0,1 - 0,2 mm, välyksellä. Tällä tavoin saadaan aikaan korkealuokkainen liitos pintojen välille.

Menetelmän edullisen suoritusmuodon mukaisesti ennen vaiheita (b)-(e) 10 sylinterikannelle tehdään lämpökäsittely. Lämpökäsittely tehdään 500 -600 QC:n lämpötilassa. Lämpökäsittelyaika on vähintään 4 tuntia. Lämpökäsittelyn jälkeen sylinterikansi jäähdytetään hitaammin kuin 100 QC / h. Tämä vaihe tehdään hiilivetyjäämien poistamiseksi, jotka jäämät voivat vaikuttaa juotosprosessiin epäsuotuisasti.

15

Muut patenttivaatimukset esittävät lisää yksityiskohtia keksinnön eri suoritusmuodoista. Esillä oleva keksintö tarjoaa menetelmän, jonka avulla polttomoottorin sylinterikannen kunnostaminen saa aikaan vahvan rakenteen minimaalisin vääntymin ja muodonmuutoksin.

20

Piirustusten lyhyt kuvaus

CO

° Seuraavassa keksintöä kuvataan viittaamalla oheisiin kaaviomaisiin piirus- i o 25 tuksiin, joissa ra Kuvio 1 esittää polttomoottorin sylinterikantta keksinnön mukaisen mene- ir telmän eräässä vaiheessa,

CL

ra Kuvio 2 esittää polttomoottorin sylinterikantta keksinnön mukaisen imenein telmän eräässä toisessa vaiheessa, ja

CO

o o

CVJ

6

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaisesti välyksen vaikutusta liitoksen vahvuuteen.

Piirustusten yksityiskohtainen kuvaus 5 Kuviossa 1 on kuvattu leikkaus polttomoottorin sylinterikannesta 10, jossa on kulunut venttiilin istukka 20, joka on vaihdettava. Tila 25, johon venttiilin istukka on sijoitettu, on saavuttanut mitat, joita ei voi enempää kasvattaa vaarantamatta sylinterikannen 10 jäykkyyttä. Käytännössä tila on imu-/pakokanavan jatke sylinterikannessa. Näin ollen kulunut venttiilin istukka 10 poistetaan sylinterikannesta. Sen jälkeen kanavan pintaa ja/tai venttiilin istukkaa vastaan olevaa pintaa työstetään tilan 25.1 (kuvio 2) muodostamiseksi uutta vaihto-osaa 30 varten. Muodostettu tila on sylinterimäinen reikä sylinterikannen pinnasta imu-/pakokanavaan niin, että sen pituussuuntainen keskiakseli yhdistyy venttiiliakselin pituussuuntaiseen keskiakseliin. 15 Työstäminen tehdään edullisesti ilman leikkausnestettä tai vastaavaa.

Uusi vaihto-osa 30 on paksuseinämäinen holkki, joka tässä vaiheessa ulottuu ulos tilasta 25. Käytännössä hoikin minimipaksuus on noin 6 mm. Toisin sanoen hoikin 30 pituus on suurempi kuin tilan syvyys. Edullisesti hoikin, ts. vaihto-osan 30 halkaisija ja tilan 25 halkaisija on edullisesti järjestet-20 ty sellaisiksi, että niiden välinen välys on 0,05mm - 0,3mm, edullisesti 0,1 mm - 0,2mm. Välyksellä on vaikutus juotosliitoksen vahvuuteen, mitä o selostetaan kuvion 3 yhteydessä.

4 ° Ennen vaihto-osan järjestämistä tilaan yhdistettävät pinnat pinnoitetaan o 00 juoksuteaineella, joka edesauttaa juottamista puhdistamalla kemiallisesti

X

£ 25 yhdistettävät pinnat. Holkki on edullisesti tehty metalliseosholkista ja mittari? jen mukaisesti asennettu paikalleen tilaan. Tämä vaihe on esitetty kuviossa m S 2, jossa sylinterikansi on jo uunissa 45. Juotosaine 35, edullisesti lanka,

O

™ kierretään 40 tilasta 25 ulospäin ulottuvan holkkiosan 30’ ympäri. Tämä ta- 7 kaa, että juotosaine on tasaisesti jakautunut ympäri hoikkia. Sen varmistamiseksi, että juotosaine leviää hoikin 30 ulkopinnan ja tilan sisäpinnan väliseen rakoon, tilan ulkoreunaan on järjestetty viiste 45, joka on vähintään käytetyn juotosaineen poikkileikkauksen kokoinen, kuten esim. langan hal-5 kaisijan kokoinen.

Juottaminen tapahtuu erityisessä uunissa 45, jossa normaali ilma on kokonaan poistettu ja korvattu tehollisella tyhjiöllä tai inertillä kaasulla, kuten argonilla. Tämä estää juotosaineen kaiken hapettumisen. Juottaminen voidaan tehdä niin, että sylinterikansi asetetaan uuniin, joka on täytetty inertil- 10 lä kaasulla ja sylinterikansi on lämmitetty olennaisesti hitaasti ja tasaisesti juotoslämpötilaan 650 - 750QC, edullisesti 700 - 720QC. Lämmitysajan kesto on noin 2 tuntia, esim. 100 - 150 min, jona aikana vaihto-osa juotetaan paikoilleen. Tämän jälkeen uuni jäähdytetään ja sylinterikansi puhdistetaan juoksutejäämien poistamiseksi.

15 Uuniin 45 on järjestetty ohjausjärjestely, joka käsittää lämpötila-anturin 50, joka on yhdistetty ohjausyksikköön 60. Ohjausyksikkö on järjestetty uunin lämmittimen 55 lämpötehon säätämiseksi, perustuen uunissa mitattuun lämpötilaan ja lämpötilan asetusarvoon. Uuniin on myös järjestetty tuloyh-de inertille kaasulle 65 tyhjennetyn kaasun täydentämiseksi.

20 Seuraavaksi vaihto-osa, s.o. holkki työstetään venttiilin istukan mittojen saavuttamiseksi. Näin paikalleen juotettu venttiilin istukka tulee liitetyksi o vahvasti eikä se enää irtoa normaalissa käytössä.

° Esillä oleva keksintö lisäksi ratkaisee korroosio- ja kavitaatio-ongelman o 00 joissain sylinterikansissa, koska terässeosholkitus on kestävämpi kuin ai-

X

£ 25 kuperäinen valurauta.

CO

[£ Holkki kiinnittyy kanteen hyvin vahvasti. Se ei särölle helposti ja itse asias- 00 § sa liitos liittyy valurautaan niin, että säröjen etenemisen mahdollisuudet

CVJ

minimoituvat venttiili-istukan taskun ja vesikanavien seinämien välillä. Si- 8 doksen vahvuus voidaan nähdä kuviossa 3. Minimivälys täytyy olla sellainen, että juotosaineen tunkeutuminen ei saa vaikeutua ja kuten näkyy kuviosta 3, vetolujuus on maksimissaan noin 0,4 mm, mikä taas riippuu tietenkin materiaaleista ja olosuhteista. Sopiva alue välykselle on 0,05 - 0,3 5 mm. Kuitenkin parempia tuloksia saadaan järjestämällä välys alueelle 0,1 -0,2 mm.

Erityisesti valurautaisten sylinterikansien kanssa on edullista suorittaa lisä-vaiheena esilämmitys, ’’paisto” ennen sylinterikannen työstämistä uutta vaihto-osaa varten. Erityisesti valurauta pyrkii absorboimaan epäpuhtauk-10 siä ja hiilivetyjä moottorin toiminnan aikana. Esilämmitysvaihe vapauttaa epäpuhtauksia, kuten hiilivetyjä, jotka ovat sitoutuneena tai imeytyneenä sylinterikansimateriaaliin. Kaikki epäpuhtaudet heikentävät juottamalla tehtyä liitosta ja siten esilämmitys on edullista.

Esilämmityksen aikana sylinterikansi asetetaan lämpötilalla säädeltyyn uu-15 niin ja kuumennetaan 500 - 600öC:een, edullisesti 550 - 570QC:een ja pidetään siinä lämpötilassa noin 4 tuntia. Sen jälkeen sylinterikansi jäähdytetään hitaasti uunissa, edullisesti ei nopeammin kuin 100QC/h. Tämän vaiheen on tarkoitus poistaa hiilivetyjäämiä, jotka vaikuttavat epäsuotuisasti juotosprosessiin.

20 Vaikka keksintöä on edellä kuvattu tällä hetkellä edullisimpina pidettyjen suoritusmuotojen yhteydessä, on kuitenkin ymmärrettävä, että keksintö ei o rajoitu esitettyihin suoritusmuotoihin vaan on tarkoitettu kattamaan myös 4 lukuisia muita yhdistelmiä ja sovellutuksia sen piirteistä sekä lukuisia muita o sovelluksia jäljempänä esitettyjen patenttivaatimusten määrittelemän suo- x 25 japiirin puitteissa. Minkä tahansa suoritusmuodon yhteydessä mainitut yksi-tyiskohtia voidaan käyttää toisessa suoritusmuodossa silloin kun se on [g teknisesti järkevää.

00 o o C\l

Claims

1. Menetelmä polttomoottorin sylinterikannen kunnostamiseksi, joka 5 sylinterikansi käsittää sylinterikannen rungon ja ainakin yhden sylinterikan- teen kiinnitetyn, kuluneen osan, joka menetelmä käsittää seuraavat vaiheet, joissa (a) sylinterikanteen kiinnitetty, kulunut osa poistetaan sylinterikannesta, ja (b) sylinterikannen pinta työstetään tilan muodostamiseksi uutta vaihto-10 osaa varten ja (c) uusi vaihto-osa järjestetään tilaan, tunnettu siitä, että (d) vaihto-osa kiinnitetään sylinterikanteen juottamalla, ja (e) vaihto-osa työstetään vastaamaan uudelta osalta vaadittavia mittoja. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmää käytetään sylinterikannen venttiilin istukan kunnostamiseksi, jossa kulunut osa on venttiilin istukka ja vaiheessa (e) vaihto-osa työstetään vastaamaan venttiilin istukalta vaadittavia mittoja.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheessa (d) juottaminen tapahtuu vain inertin kaasun läsnäollessa. co

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että δ ™ vaiheessa (d) juottaminen tapahtuu argonin läsnäollessa, o

5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, CO x 25 että vaiheessa (d) juottaminen tapahtuu 650 - 720 QC:n lämpötilassa. CL

” 6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, m S että vaiheessa (c) uusi vaihto-osa järjestetään tilaan niin, että osa vaihtoni osasta ulottuu ulos tilasta.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheessa (d) ennen juottamista juotoslanka kierretään tilasta ulottuvan osan ympärille.

8. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 5 että vaiheessa (b) pinta työstetään ilman leikkausnestettä.

9. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheessa (d) vaihto-osa kiinnitetään 0,05 - 0,3 mm:n välyksellä.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheessa (d) vaihto-osa kiinnitetään 0,1 - 0,2 mm:n välyksellä.

11. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaiheessa (d) juotosaika tässä lämpötilassa on 100- 150 minuuttia.

12. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ennen vaiheita (b) - (e) sylinterikannelle tehdään lämpökäsittely.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 15 lämpökäsittely tehdään 500 - 600 QC:n lämpötilassa.

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että, lämpökäsittelyaika on vähintään 4 tuntia.

15. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että CO 5 lämpökäsittelyn jälkeen sylinterikansi jäähdytetään hitaammin kuin 100 QC / C\J 4 20 h. o o CO X cc CL CO 1^ m m co o o c\j