ITRM960783A1 - Motore a combustione interna e procedimento per applicare un rivesti mento coibante su due parti tecnicamente sollecitate - Google Patents

Motore a combustione interna e procedimento per applicare un rivesti mento coibante su due parti tecnicamente sollecitate Download PDF

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ITRM960783A1
ITRM960783A1 IT96RM000783A ITRM960783A ITRM960783A1 IT RM960783 A1 ITRM960783 A1 IT RM960783A1 IT 96RM000783 A IT96RM000783 A IT 96RM000783A IT RM960783 A ITRM960783 A IT RM960783A IT RM960783 A1 ITRM960783 A1 IT RM960783A1
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Klaus Binder
Karl Heinz Meisskopf
Patrick Izquierdo
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Daimler Benz Ag
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Description

DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo : "Motore a combustione interna e procedimento per applicare un rivestimento coibente su sue parti termicamente sollecitate" .
L' invenzione riguarda un motore a combustione interna secondo il preambolo della rivendicazione l ; rispet tivamente un procedimento per applicare uno strato coibente secondo il preambolo della rivendicazione 13 , come sono noti entrambi dalla pubblicazione WO 93/13245 , dalla quale parte la presente invenzione . La pubblicazione WO 93/13245 descrive un motore a combustione conformato quale motore diesel con parti sollecitate a combustione , in particolare termicamente , come pistoni , che delimitano la camera di combustione . Nel senso dell ' invenzione , con un motore a combustione interna, non si intende solo un motore diesel , bensì un qualsiasi tipo di un motore a combustione interna, come ad esempio un motore a combustione interna con pistoni e in particolare anche un motore a benzina. I componenti del motore , ' sollecitati da gas di combustione , in particolare il fondo dei pistoni del motore , sono rivestiti con uno strato coibente , che rappresenta una barriera termica Mediante lo strato coibente, il pistone ed eventualmente anche altre parti rivestite con lo strato coibente, vengono soggetti tra l'altro ad una temperatura elevata. Affinché lo strato coibente non venga distrutto, ad esempio per distacco, al verificarsi dei salti ditemperatura che si presentano alla combustione a scoppio del carburante, lo strato coibente é formato da un materiale coibente resistente al calore, stabile alle brusche variazioni di temperature e resistente all'usura, in particolare ossido di zirconio (ZrO2) stabilizzato con ossido di itrio Y2O3). Dalla maggiore stabilità termica delle parti dovrebbe risultare in teoria un minore consumo di combustibile e di conseguenza anche una espulsione minore di sostanze nocive, per cui verrebbe migliorato l'inquinamento dell'ambiente da parte del motore diesel. Nella pratica risulta però un maggiore consumo di combustibile, per cui non sono adatti gli strati coibenti noti.
Il compito dell'invenzione é quello di sviluppare ulteriormente il motore a combustione interna in questio ne nel senso di ridurre l'emissione di sostanze nocive. Inoltre l'invenzione si é posta anche il compito di indicare un procedimento per l'applicazione dello strato coibente.
Il compito viene risolto nel motore a combustione interna del tipo in questione mediante le caratteristiche indicate nella parte caratterizzante della rivendicazione .1,rispettivamente in un procedimento _ con fasi processuali della rivendicazione 12. Mediante il rivestimento, perlomeno a zone, delle parti sollecitate a combustione in particolare termicamen-_ te con uno strato coibente ad alta porosità secondo l'invenzione, avente il coefficiente di penetrazione termica indicato, che é attualmente ottenibile solo mediante la porosità complessiva secondo l'invenzione, il calore che si forma in un processo di combustione può in ogni caso penetrare in misura ridotta nello strato coibente ed eventualmente anche nelle parti metalliche. In tale maniera il calore vi può essere accumulato temporaneamente in una misura in ogni caso trascurabile.
Contrariamente allo stato della tecnica attuale, in cui in un processo di cimbustione, nella prima parte della fase di espansione, importante per il lavoro di gas, il calore defluisce dal gas di lavoro nel noto strato coibente, secondo l'invenzione il calore emesso durante la fase di cambio di carico si trova almeno sostanzialmente a disposizione del comando e non viene ceduto, come ciò accadeva finora, al gas fresco, per cui esso andava perduto per il processo di lavoro senza l'insegnamento dell'invenzione. Complessivamente, dalla diabatizzazione , più favorevole secondo l'invenzione, del motore a combustione interna, risultano migliori processi di combustione e minori valori di sostanze nocive, nonché un maggiore rendimento.
Forme di realizzazione vantaggiose dell'invenzione sono indicate nelle sottorivendicazioni . Del resto l'invenzione verrà qui di seguito descritta più da vicino con riferimento ad un esempio di realizzazione illustrato nei disegni, in cui:
la figura 1 mostra una camera di combustione di un motore a combustione interna con uno strato coibente disposto nell'area della zona di compressione;
la figura 2 rappresenta in scala ingrandita un particolare dello strato coibente secondo la figura 1 e la figura 3 mostra un prodotto di partenza avente il materiale coibente per la produzione dello strato coibente secondo le figure 1 rispettivamente 2.
Nella figura 1 é illustrata una camera di combustione di un motore a combustione e in questo caso parti colarmente di un motore a combustione interna. Il.motore a combustione presenta tra l'altro 1 blocco cire una candela di accensioneoa incandescenza 14, valvole 15, un pistone 16 con fasce elastiche 17 ed eventualmente un ugello di iniezione (non illustrato) ecc .
La camera di combustione é rivestita con uno strato coibente 1 nell'area della zona di compressione 7, nella zona delle sedi di valvola 18, nella zona del-,le valvole 15 e nella zona del fondo 8 del pistone 16, strato il cui coefficiente di penetrazione termica b é minore di 0,25. E1 più favorevole un coefficiente di penetrazione'termica b particolarmente al di sotto di 0,1»in quanto in tale maniera aumenta la adiabatizzazione del motore a combustione interna. La migliore adiabatizzazione può essere dovuta al fatto che il passaggio di calore e quindi di energia dal gas di lavoro allo strato coibente 1 ed eventualmente nel materiale di base della parte da rivestire, sollecitata a combustione e in particolare termica- ' mente, che segue allo strato coibente 1, é per lo meno diminuito.
Solo mediante un isolamento termico finora noto questo effetto non é raggiungibile, in quanto in un processo di combustione, nella prima parte della fase di espansione importante per il lavoro di gas, il calore defluisce dal gas di lavoro allo strato coibente,’ isolato nel senso precedentemente noto. Il calore defluito in questo modo allo strato coibente precedentemente noto ed eventualmente agli strati successivi-, .viene .finora ceduto -al gas fresco durante la fase di cambio di carico e senza l'insegnamento dell'.invenzione va perduto per il processo di lavoro. Solo me-. diante .l'uso .secondo l 'invenzione .di .strati coibenti-1 con il coefficiente.di -penetrazione termica .b indi-_cato ,..che .é.realizzabile mediante l'elevata porosità complessiva. dello strato coibente 1 secondo l'invenzione, viene sufficientemente ridotta la quantità di calore finora inutilmente perduta.
Il-Coefficiente di penetrazione termica b é definito. dalla. seguente espressione matematica:
I valori limite superiori di queste proprietà del materiale dello strato coibente 1 o del materiale coi.bente 4 sono i seguenti:
.- la densità dello strato coibente 1 é minore di .5,1 g/cm ,.in particolare minore di 3,6 g/cm ; .
.- la conduttività .termica del.materiale coibente 4 é minore di 0,3 W/cmK, in particolare minore di .0,01 .W/cmK e
il.calore .specifico C del .materiale coibente 4 é .minore di 0,4 J/gK, in particolare minore,di ,0,25_ J/gK. .
La disposizione dello strato coibente 1 é illustrata. nella figura 1 solo a titolo di esempio. Principalmente, lo strato coibente 1 può essere disposto su tutte le parti sollecitate a combustione e in particolare termicamente, come pistoni 16, l'intera superficie di scorrimento 6 dei cilindri, candele di accensione o a incandescenza 14 ecc.
Per poter rivestire le dette parti con lo strato coibente 1, il materiale coibente 4 rispettivamente lo strato coibente 1 devono essere adatti per quan-^ to riguarda le collecitazioni che devono subire, per cui il materiale coibente, oltre ad avere le suddette proprietà, deve anche essere resistente al calore, stabile alle brusche variazioni di temperature e resistente all'usura. A tal fine si é dimostrato particolarmente vantaggioso ossido di zirconio tetragonale t ' -ZrCO2 ) , stabilizzato parzialmente con ossido di itrio (Y203 ) e/o con ossido di. cerio. (CeO ) , la percentuale di ( ZRO2 )e/o. di_ossido di cerio(CeO ) esserido compresa .tra il 6% e il 10% particolarmente tra il 7% e il 9%. .
Lo strato coibente .1 é formato di un materiale coibente granlare . e. /o..fibroso 4, I cui granuli e/o fibre .sono esternamente collegati tra dì loro Nel loro interno almeno alcuni dei granuli interni 2 e/o delle fibre presentano spazi cavi interni 5. Nel senso dell ' invenzione anche materiali espansi possono essere usati come strati coibenti 1 formati da granuli 2 e/o_fibre collegati esternamente tra di loro .
Lo strato coibente 1 presenta sul suo intero volume una elevata porosità complessiva superiore al 20%, preferibilmente superiore al 40% e in modo particolarmente pref eritq^ superiore al 90%. La porosità complessiva dello strato coibente 1 é costituita in questo caso dalla somma di una porosità di sproni e di una porosità interna. La porosità di sproni é formata sostanzialmente dagli spazi cavi esterni 3 , che sono disposti tra alcuni granuli 2 e/o fibre del materiale coibente 4 , mentre la porosità interna é formata sostanzialmente dagli spazi cavi interni 5 dei granuli 2 e/o delle fibre nell ' interno del materiale coibente 4.
A tale riguardo occorre far rilevare che la porosità interna é maggiore dalla porosità delle cavità di scorrimento dei granuli 2 rispettivamente delle fibre , che può verificarsi in caso di un indurimento inappropriato dei granuli 2 e/o delle fibre . La percentuale della porosità di sproni é compresa, a seconda del processo , tra il 3% e il 15% L ' ammontare residuo della porosità complessiva viene integrata dalla porosità interna.
Per realizzare una buona adesione esterna dei granuli 2 e/o delle fibre del materiale coibente 4 dello stato coibente 1 tra di loro , i granuli 2 e/o fibre presentano uno strato di colla 11 circondante il materiale coibente 4 , il cui spessore ammonta al massimo a 200 nm .
Convenientemente , questa strato di colla 11 esercita contemporaneamente un effetto di protezione contro la corrosione . Quale materiale per questo strato di colla e di protezione anticorrosione 11 si presta particolarmente AL 2O 3
Inoltre , tra lo strato ocibente 11 e il materiale di base della parte non rivestita, sollecitata a combustione , in pa rticolare termicamente , é disposto uno strato intermedio di adesione 9, che é conformato ragionevolmente allo stesso tempo quale strato di protezione anticorrosione
Quale materiale .appropriato per lo strato di adesione 9 si.presta particolarmente una lega di MeCrAlY,. in_cui il metallo.(Me).é nickel (Ni) e/o ferro (Fe). e/o cobalto (Co).
Il rivestimento deIle parti sollecitate a combustione e in particolare termicamente, con lo strato coibente 1può aver luogo ad esempio mediante strati coibenti 1 prefabbricati e preformati.
Tuttavia é più vantaggioso applicare lo strato coibente con un.procedimento di iniezione a plasma (APS) e/o con un procedimento di rivestimento fisico a fasci di elettroni (Electron Beam - Physical Vapor Deposition (EB-PVD) ).
In un procedimento APS, che é stato realizzato con un bruciatore PT-F4 e con quadro corcando PT 2000, come materiali di partenza vennero usati granuli 2 agglomerati e/o sinterizzati e /o fibre di diametro' tra 45 e 125 Um, come sono illustrati nella figura 3. I granuli 2 e/o fibre presentano internamente un nucleo 10, che é circondato dal materiale coibente 4. Il materiale coibente 4, preferibilmente con 118% in peso di t'-ZrO 2- stabilizzato con Y 2 O3 , é circondato almeno a zone con lo strato adesivo 11, in particoladi Al 0 , che é stato applicato convenientemente in un processo Sol/Gel.
Con il procedimento APS venne realizzato uno strato coibente 1 con uno spessore di 2 mm, gli altri parametri del processo essendo i seguenti: configurazione di iniezione: ugello 300-002, diametro di tubo di polvere 2 mm., posizione di tubo di polvere 12:00, supporto di tubo di polvere 90° e distanza dell'ugello dal tubo di polvere 6 mm; parametri di iniezione: intensità di corrente 55A, gas primario argon (Ar) 371/min, gas secondario H 10 l/min, gas portapolvere Ar 3,5 l/min, portata di gas 40 g/min, distanza della parte da rivestire dell'ugello 150 mm., angolo di iniezione dal fascio di plasma rispetto alla parte da rivestire 65° e un preriscaldamento della parte da rivestire a 300° c.
All'applicazione dello strato coibente 1, il nucleo 10, che é formato da una sostanza evaporabile alle condizioni di applicazione, in particolare di un materiale sintetico, con la formazione degli spazi cavi interni 5 responsabili per la porosità interna, viene rimosso termicamente per evaporazione. Alla rimozione del nucleo 10, la parete formata dal materiale coibene 4 e dallo strato adesivo 11, può avvolgere un granulo 2 e/o una fibra.
Inoltre, all'applicazione dello strato coibente 1, contemporaneamente .anche granuli 2.e/o-le.fibre._ vengono collegate esternamente .in modo adesivo -tra di loro a mezzo dello strato .adesivo di protezione anticorrosione 11, formando..al .contempo gli spazi cavi esterni.3 dovuti alla.porosità di sproni.

Claims (22)

  1. . RIVENDICAZIONI Motore a .combustione interna con parti sollecita te a.combustione., in particolare termicamente, specialmente entro la cemera di combustione, che sono rivestite, almeno,parzialmente con. uno strato coibente poroso ,.avente una porosità complessiva maggiore . del 20% e formato da un materiale coibente resistent al calore stabile a brusche variazioni di tempera-_tura e resistente all'usura, strato che é formato da granuli cavi e/p fibre cave, collegati esternamente tra di loro, in cui lo strato coibente (1) pre senta un coefficiente di penetrazione termica definì to dalla seguente formula:
  2. caratterizzato dal fatto chela conduttività termica del materiale coibente (4) é minore di 0,03 -W/cmK . 2. -Motore a combustione interna secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che il coefficiente di -penetrazione termica é minore -3. .
  3. Motore .a .combustione -interna secondo la rivendicazione. -1 , caratterizzato -dal -fatto .che la porosità complessiva-.dello strato coibente (1) corrisponde -alla somma di .una porosità di sproni e di una poro-..sità interna, .dal .fatto .che la porosità di sproni é .formata, da .spazi .cavi interni (3), che corrisponde a quelli tra .i singoli, granuli (2) e/o fibre del materiale coibente (.4) dello.,strato .coibente (1) e dal fatto che la. porosità .interna é formata dali spazi cavi interni.( 5)., che.presentano almeno alcuni dei .granuli (2) .e/o dalle .fibre , la porosità interna es-.sendo .maggiore della, porosità di una cavità di scorrimento, e dal fatto che la porosità .complessiva é maggiore de1 40% de1 volume complessivo, dello s trato coibente (1). la porosità di sproni essendo compresa tra il 3 e il 15%.
  4. 4 · .Motore a combustione interna secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la pròsita com -plessiva delo strato coibente (1) corrisponde alla somma di una porosità di sproni e di una porosità interna, dal fatto che la porosità di sproni é formata da spazi cavi esterni (3), che corrispondono a spazi tra i singoli granuli (2) e/o fibre del materiale coibente (4) dello strato coibente (1) e dal; fatto che la porosità interna é formata da spazi ; cavi interni (5), che presentano almeno alcuni dei; granuli (2) e/o delle fibre, la porosità interna es sendo maggiore della porosità di una cavità di scorrimento e dal fatto che la porosità complessiva ammonta fino al 90%, in particolare fino al 95% del volume complessivo dello strato coibente (1), porosità di sproni essendo inferiore al 15%.
  5. 5. Motore a combustione interna secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la densità dello strato coibente (1) é minore di 5,1 g/cm , in particolare minore di 3,6 g/cm , dal fatto che la conduttività termica del materiale coibente (4) é minore di 0,01 W/cmK e dal fatto che il calore specifico C del materiale coibente (4) é minore di 0,4 J/gK, in particolare minore di 0,25 J/gK.
  6. 6. Motore a combustione interna secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il motore a combustione interna é un motore a pistoni, dal fatto che la parte sollecitatile a combustione, in particolare termicamente, é una superficie di scorrimento (6) del cilindro del motore a combustione interna a pistoni e dal-fatto che la superficie interna -(6)-del cilindro é rivestita-almeno nell'.area della -.zona di.compressione .(7 ) con lo strato coibente (1). -.
  7. 7. Motore a combustione interna secondo la rivendicazione .1, caratterizzato dal fatto che il motore-acombustione.interna .é.un motore .a pistoni, dal fatto .che la parte.sollecitata a combustione, in par.ticola-.re termicamente é.il fondo di pistone (8) del motore .a combustione interna a pistoni e dal fatto che il fondo (8) del pistone presenta lo strato coibente (1 ) .
  8. 8. Motore a combustione inerna secondo la rivendicazione 1, caratterizzato,dal..fatto che lo strato coibente (1) è formato sostanzialmente di ossido,di zirconio (ZrO2) stabilizzato parzialmente in particolare con ossido di itrio (Y203) e/o con ossido di per_ rio (ZrO ). '
  9. 9. Motore a combustione intenra secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che lo strato coibente (1) é formato sostanzialmene di ossido di zirconio (ZrO2) stabilizzato parzialmente in particolare con ossdo di itrio (Υ2Ο3) e/° con ossido dicerio (Ce02), la percentuale di ZrO2 e/o di ossido di cerio (CeO2) essendo compresa tra il 6% e il 10%, particolarmente tra il 7% e il 9%.
  10. 10. Motore a combustione interna secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che tra lo strato coibente (1) e il materiale di base della parte non rivestita, sollecitata a combustione, in particolare termicamente, é disposto uno strato intermedio di adesione (9).
  11. 11. Motore a combustione interna seocndo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che tra lo strato coibente (1) e il materiale di base della pa te non rivestita, sollecita a combustione, in parti colare termicamente, é disposto uno strato intermedio di adesione (9) e dal fatto che lo strato inermedio di adesione (9) é formato quale strato di protezione anti-corrosione .
  12. 12. Motore a combustione interna secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che tra lo strato coibente (1) e il materiale di base della parA-te non rivestita, sollecitata a combustione, in particolare termicamente, é disposto uno strato d adesione intermedio (9) e dal fatto che lo strato di adesione intermedio (9) è uno strato di MeCrAlY, in cui Me comprende Ni e/o Fe e/o Co.
  13. 13. Procedimento per l'applicazione di uno strato coibente ad una parte sollecitata a combustione, in ìparticolare termicamente, di un motore a combustio-.ne interna, in cui lo strato coibente consiste,alme-.no a zone,di un materiale coibente resistente al calore, stabile a brusche variazioni di temperature e resistente ad attrito e in cui per la fosimazione di una porosità complessiva ammontante ad almeno il 20% dello strato coibente,quest 'ultimo é formato ‘di granuli cavi e/o di fibrre cave, che sono collegati esternamente tra di loro, caratterizzato dal fatto che quale materiale per i granuli (2) e/o per le fibre viene scelto un materiale, dal fatto che il materiale coibente (4) formato da essi presenta una conduttività termica minore di 0,03 W/cmK. .
  14. 14. Procedimento secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che per l'appiicazione strato coibente (1) vengono scelti granuli (2) e/o fibre dal fatto che essi presentano nel loro interno un nucleo (10) circondato dal materiale coibente (4) e rimovibile particolarmente per via termica e dal fatto che all'applicazione e/o con lo strato coibente.presente (1) il nucleo (10) viene rimosso per formare uno spazio cavo interno (5) che forma la pos>o-;sità interna. j
  15. l5. Procedimento secondo la rivendicazione 13, ca- . ratterizzato dal fatto che lo strato coibente (1) viene applicato mediante una iniezione a plasma, dal fatto che dall'iniezione a plasma vengono usati i granuli (2) e/o le fibre, dal fatto che essi presentano nel loro interno un nucleo (10), circondato dal materiale coibente (4) e rimovibile in particolare l per via termica e dal fatto che il nucleo (10) vie-; ne rimosso all'applicazione con la formazione di uno spazio cavo interno (5) causante la porosità interna.
  16. 16. Procedimento secondo la rivendicazione 14 o 15, caratterizzato dal fatto che l nucleo (10) viene fatto evaporare.
  17. 17. Procedimento secondo la rivendicazione 14 o 15, caratterizzato dal fatto che il nucleo (10) viene fatto evaporare a temperatura al di sotto di 400°C.
  18. 18. Procedimento secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che sui granuli (2) e/o sul le fibre, prima del collegamento per formare lo ,strato coibente (1), viene applicato esternamente uno strato adesivo (11) e dal fatto che alla formazione dello strato coibente (1) i granuli (2) e/o le fibre vengono collegati tra di loro con l'ausilio dello strato adesivo (11)
  19. 19. Procedimento secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che sui granuli (2) e/o sulle fibre,prima della loro unione Performare lo strato coibente (1), viene applicato esternamente uno strato adesivo (11) di spessore_fino a.200 nm e dal fatto che alla formazione dello strato coibente (1) i granuli (2) e/o le fibre vengono collegati tra di loro con l'ausilio dello strato adesivo (11)
  20. 20. Procedimento secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che sui granuli (2) e/o sul-; le fibre, prima della loro unione per formare lo strato coibente (1), viene applicato esternamente uno strato adesivo (il) di Al2O3 e dal che alla formazione dello strato coibente (1) i granuli (2) e/o le fibre vengono collegati tra di loro con l'ausilio dello strato adesivo (11).
  21. 21. Procedimento secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che sui granuli (2) e/o sulle fibre, prima della loro unione per formare lo strato coibente (1), viene applicato esternamente uno strato adesivo (11) con l'ausilio di un procedimento a éol/gel e dal fatto che alla formazione dello strato coibente (1) i granuli (2) e/o le fibre vengono collegati tra di loro con l'ausilio dello strato adesivo (11).
  22. 22. Procedimento secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che lo strato coibente (1) viene applicato mediante un procedimento di deposito fisico di gas a fasci elettronici (Electron Beam-Physical Vapor Deposition (EP-PVD)) e/o mediante un procedimento a iniezione di plasma atmosferica (APS).
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