NO158764B - For- eller virvelkammer for forbrenningsmotorer. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et for- eller virvelkammer for forbrenningsmotorer som er fremstilt under anvendelse av keramisk materiale.

Virvel- henholdsvis forkammeret har på enkelte punkter overensstemmende funksjoner slik at det i den etterfølgende beskrivelse kun vil benyttes uttrykket virvelkammer. Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til virvelkammeret men angår på samme måte også forkammeret.

Det stilles de høyeste krav til virvelkammeret hvorved disse krav delvis er motstridende. Virvelkammeret skal ved siden av en god mekanisk fasthet også være formbestandige, korro-sjons-og erosjonsbestandige også ved høye temperaturer. I løpet av utviklingen av motorer med forbedret virkningsgrad er det også allerede stilt det krav å isolere virvelkammeret overfor de lenger fra forbrenningsrommet liggende motordeler på en slik måte at det oppstår et lavest mulig varmetap og som følge av de derved i virvelkammeret foreliggende høyere temperaturer muliggjøres en forbedret forbrenning av drivstoffet. Ved dieselmotorer forventes av et godt isolert virvelkammer i tillegg en kortere forglødetid også en forbedret koldstart oppførsel.

De til nu kjente virvelkammere oppviser ennu mangler og kan kun i en viss grad fylle de stilte krav. Virvelkammeret som består av høytemperaturbestandige stål- eller nikkeltilset-ning, har riktignok allerede en relativt lav varmeledningsevne, men isoleringsvirkningen er ennu ikke ansett som tilstrekkelig.

Fra JP-PS 5213 1010 er det allerede kjent et virvelkammer hvis sidevegger delvis er utstyrt med en varmeisolerende avdekning. Det varmeisolerende materialet befinner seg derved i en i sideveggene anordnet ringformet not slik at en del av sideveggene og hele bunnen av virvelkammeret ikke er varmeisolert og det ennu skjer en relativt stor varmeavgiv-else til de ved siden av liggende motordeler. En ytterligere mangel ligger i det kjente problem med forskjellige termiske utvidelseskoeffisienter for de forskjellige materialer.

Ytterligere og eldre forslag slik som de finnes i DE-PS 864 173 og DE-PS 875 590 tar sikte på en omhylling med et varmeisolerende sjikt av et i sylinderhodet innstøpte virvelkammer. Også denne foreslåtte belegning av grafitt eller av et bindemiddelholdig keramisk materiale oppviser de mangler som alltid opptrer når de keramiske materialer belagte metalldeler stilles under termisk belastning. Som følge av de forskjellige termiske utvidelseskoeffisienter mellom metall og keramikk opptrer det sprekkdannelse i det keramiske belegg og derved til en avskalling av det varmeisolerende sjikt.

Også et fra DE-OS 280 4562 kjent virvelkammer som består av et todelt metallkammer som bærer for et keramisk belegg oppviser disse kjente mangler. Da det egentlige brennkammer i dette virvelkammer består av et på den keramiske kledning påført ytterligere belegg av katalytisk materiale slik som f. eks. platina eller rodium, resulterer den ovenfor beskrevne fare for avskalling ved metall- keramikkforbindelser ved dette kjente virvelkammer samtidig i dobbel henseende. En ytterligere mangel ligger i den kompliserte fremstilling av dette virvelkammer da først de to deler av metallkammeret må fremstilles hvoretter disse må utstyres med keramisk utforing hvoretter denne må bearbeides før påføring av det katalytiske sjikt på overflaten.

Slik det fremgår av DE-OS 302 8440 er det også allerede foreslått et kun av keramisk materiale bestående virvelkammer med en skallformet slntret innervegg av f. eks. silisiumkarbid.

Dette kjente virvelkammer muliggjør riktignok anvendelse av mindre kostbare råstoffer enn de kjente høytemperaturbestand-ige stål eller legeringer og oppviser også en fremragende erosjons- og korrosjonsbestandighet, på den annen side er den isolerende virkning for silisiumkarbid på grunn av den gode varmeledningsevne meget lav slik at resultatet er betydelige varmetap og derved en dårligere brennstoffutnyttelse.

Oppfinnelsen har til hensikt å overvinne de foreliggende mangler og har til oppgave å utvikle et virvelkammer som ved siden av de generelt krevede egenskaper slik som god mekanisk fasthet, spesielt også ved termisk belastning, erosjons- og korrosjonsbestandighet og høytemperaturbestandighet, også har en god isolerende virkning og derved på tross av dette på den indre overflate oppviser en god varmeledningsevne og derved en kun i liten grad opptredende lokal avkjøling ved påtreff-punktet for brennstoffstrålen. Oppfinnelsen skal derved muliggjøre en bedre brennstoffytelse og ved dieselmotorer en bedre koldstartoppførsel.

For å forbedre den kjente teknikk angår foreliggende oppfinnelse et for- eller virvelkammer til en forbrenningsmotor der sideveggene og eventuelt undersiden av innerrommet oppviser en varmeisolering bestående av keramisk materiale, og dette kammer karakteriseres ved at det består av et indre formlegeme som utgjør innerrommet og består av en høyvarmfast legering av sintret aluminiumoksyd, av sintret silisiumkarbid eller sintret silisiumnitrid, og et dermed ved forklebing eller krymping forbundet varmeisolerende ytre formlegeme av sintret aluminiumtitanat eller sintret zirkoniumoksyd, som omgir det indre formlegeme i det minste ved dettes sidevegger .

Fordelen ved virvelkammeret ifølge oppfinnelsen ligger først og fremst deri at det på grunn av den lave varmeledningsevne for det ytre formlegéme som utgjør varmeisoleringen skjer en sterk isolering av det indre formlegeme hvorved varmeavgangen fra den i innerrommet i virvelkammeret foreliggende temperatur i betydelig grad reduseres. En ytterligere fordel ligger i at det på grunn av den høye varmeledningsevne for det indre formlegeme kun skjer en liten avkjøling av det punkt der den kalde brennstoffstråle slår an, da denne byggedels høye varmeledningsevne gir en utstrakt temperaturutligning på den indre overflate av basisdelen.

Så langt det i beskrivelsen og kravene er anvendt begrepet varmeledningsevne skal man derved forstå varmeledningsevnen ved romtemperatur.

Ved det kunstgrep å fremstille varmeisoleringen og den del som utgjør innerrommet i virvelkammeret av separate og med hverandre monterbare formlegemer og deretter å forbinde disse med hverandre ved klebing eller krymping, ligger den avgjør-ende fordel ved foreliggende oppfinnelse i at man unngår manglene som oppstår ved de kjente virvelkammere på grunn av ikkeoverensstemmelsen mellom de termiske utvidelseskoeffisienter mellom metaller og keramiske materialer når metalliske deler bærer keramiske belegg.

I konstruktiv henseende er det mulig med forskjellige utførelsesformer av virvelkammeret ifølge oppfinnelsen med henblikk på varmeisoleringen av det indre formlegeme. En foretrukket utførelsesform ved hvilken kun sideveggene av det indre formlegeme er omgitt av et av keramisk materiale bestående ytre formlegeme foreser at det ytre formlegeme hviler på en sokkelkant på det indre formlegeme.

For å sikre spesielt fast forbindelse mellom de to deler foreser en ytterligere foretrukket utførelsesform at det indre formlegeme på undersiden oppviser et trinn som hviler på innover vendte skuldre på det ytre formlegeme.

Helt spesielt foretrukket er dog en byggeform der sideveggene og undersiden av det indre formlegeme helt er omgitt av et ytre formlegeme som utgjør varmeisoleringen. Dette garan-terer både en fast forbindelse og også en sterkt isolerende virkning.

I en spesielt foretrukket utførelsesform er virvelkammeret ifølge oppfinnelsen karakterisert ved at det ytre formlegeme består av et keramisk materiale hvis varmeledningsevne utgjør 3 W/(m.K) og at det indre formlegeme består av et materiale hvis varmeledningsevne består av et materiale hvis varmeledningsevne er > 50 W/(m.K).

I en ytterligere foretrukket utførelsesform består det indre formlegeme av en høyvarmefast legering som inneholder 57-75 vekt-* nikkel, opptil 20 vekt-* krom, mellom 0 og 18 vekt-* kobolt, opptil 1,5 vekt-* aluminium og opptil 2,4 vekt-* titan, hvorved andelene supplerer hverandre til 100 vektdel-er .

På grunn av den forhøyede erosjons- og korrosjonsbestandighet er keramiske materialer dog alltid foretrukket. Spesielt egner seg et sintret aluminiumoksyd som oppviser en varmeledningsevne på minst 25 W/(m.K).

Ganske spesielt foretrukket er dog et indre formlegeme av sintret silisiumkarbid som har en varmeledningsevne på > 50 W/(m.K). Silisiumkarbid forbinder den beste erosjons- og korrosjonsbestandighet med en høy termosJokkbestandighet og en for oppfinnelsens formål fremragende varmeledningsevne.

Det ytre formlegeme for virvelkammeret ifølge oppfinnelsen består fortrinnsvis av sintret aluminiumtitanat og dette av den grunn at det derved foreligger en mulighet å innstøpe virvelkammeret ifølge oppfinnelsen ved fremstilling av sylinderhodet av aluminium henholdsvis gråstøp, slik at det etter avkjøling av støpen sitter fast i sylinderhodet. Spesielt foretrukket for fremstilling av det ytre formlegeme er på grunn av den høye mekaniske fasthet dog sintret zirkoniumoksyd som oppviser en like god isolerende virkning, som imidlertid på grunn av den høye fasthet gir muligheten å innpasse virvelkammeret ved skyving inn i sylinderhodet. For oppfinnelsens formål er både fullstabilisert og partielt stabilisert zirkoniumoksyd egnet, hvorved det har vist seg som fordelaktig å anvende fullstabilisert zirkoniumoksyd når det indre formlegeme skal forbindes med det ytre formlegeme ved klebing mens partielt stabilisert zirkoniumoksyd er foretrukket i de tilfeller der det indre formlegeme skal krympes inn i det ytre formlegeme. Som spesielt egnet har vist seg en zirkoniumoksyd som oppviser en bruddfasthet ab > 300 N/mm<2>.

Som spesilet egnet utførelsesform av foreliggende oppfinnelse har vist seg et virvelkammer der det indre formlegeme består av silisiumkarbid og det ytre formlegeme av partielt stabilisert zirkoniumoksyd. Ved et slikt virvelkammer kombineres den fremragende isolerende virkning for zirkoniumoksyd med den høye varmeledningsevne til silisiumkarbid. I forhold til de kjente virvelkammere av høytemperaturbestandig stål er den isolerende virkning i forhold til de øvrige motordeler opptil 4 ganger større, hvorved man videre oppnår den ytterligere fordel at det på grunn av den høye varmeledningsevne i det indre formlegeme inne i virvelkammeret skjer en utstrakt temperaturutjevning hvorved det kommer til en bedre utnytt-else av drivstoffet.

Størrelsen for virvelkammeret ifølge oppfinnelsen avhenger i vesentlig grad av den angjeldende motors konstruksjon i hvilken virvelkammeret skal bygges inn. For å oppnå en høyest mulig isolering bør veggtykkelsen for det ytre formlegeme ikke være mindre enn 1 mm, fortrinnsvis utgjør imidlertid veggtykkelsen mer enn 2 mm. I en foretrukket utførelsesform er virvelkammeret fremstilt på en slik måte at de ytre vegger av det indre formlegeme er tildannet glatte og uten avbrytelser og omgir det indre formlegeme uten frie rom. For en ytterligere forbedring av den isolerende virkning kan det imidlertid i de ytre sider av sideveggene og på undersiden av det indre formlegeme være anordnet avbrudd f. eks. i form av ringformig forløpende noter eller andre fordypninger.

For fremstilling av virvelkammeret ifølge oppfinnelsen har en fremgangsmåte vist seg som spesielt egnet ved hvilken det ytre formlegeme for å oppnå krympemulighet oppvarmes og skyves over det kolde indre formlegeme. Etter avkjøling er det indre formlegeme fast inneklemt i det ytre formlegeme. Fortrinnsvis er derved den ytre omkrets av sideveggen til det indre formlegeme 0,05-0,3* og allerede 0,1-0,2* større enn det indre omfang av det ytre formlegeme før oppvarmingen.

En ytterligere foretrukket mulighet for fremstilling av virvelkammeret ifølge oppfinnelsen og som spesielt foretrek-kes når det ytre formlegeme består av zirkoniumoksyd, foreser at det ytre formlegeme skyves over det til en temperatur under -200°C avkjølte indre formlegeme. Eventuelt kan det ytre formlegeme i tillegg oppvarmes.

Ved montasje av et virvelkammer hvis ytre formlegeme består av aluminiumtitanat skyves hensiktsmessig dette legeme i pass- eller skyvesete over det indre formlegeme. Derved oppnår det indre formlegeme sin fastholding ved at det ferdig monterte virvelkammer støpes inn i sylinderhodet.

I det følgende skal, ved hjelp av figurene 1-4 og den dertil hørende beskrivelse, foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen og fremstiling derav forklares uten at oppfinnelsen skal være begrenset til disse utførelseseksempler. Spesielt er det vist byggformer ikke bundet til de beskrevne material-kombinasjoner.

Også andre materlalkombinasjoner er mulige så sant de oppfyller de økede krav til forskjellige varmeledningsevne mellom indre og ytre formlegeme.

Deler med samme funksjon er gitt de samme henvisningstall i figurer og beskrivelse.

Figur 1 viser i snitt et virvelkammer ifølge oppfinnelsen der sideveggen 1 til et av silisiumkarbid fremstilt indre formlegeme 2 er omgitt av et ytre formlegeme 4 av zirkoniumoksyd som uten mellomrom hviler på et trinn 5 på sokkelen 3 til det indre formlegeme 2. En gjennomløpsåpning for det indre formlegeme 2 er angitt med 6. Fremstilling av det indre formlegeme 2 og det ytre formlegeme 4 skjer ved forming og sintring av vanlig silisiumkarbid- henholdsvis zirkoniumoksyd pulver. Etter tilsvarende overflatebearbeiding av det indre formlegeme 2 med diamantkorn til en ytre diameter på 26,13 mm og det ytre formlegeme 4 til en indre diameter på 26,10 mm blir det ytre formlegeme 4 oppvarmet til 400'C og skjøvet over det indre formlegemet. Etter avkjøling oppnås en fast påkrymping. En ytterligere utførelsesform er vist i Fig. 2. Ved denne utførelsesform blir et sintringsformlegeme av zirkoniumoksyd som ytre formlegeme 4 krympet på et ved sintring av silisiumkarbid fremstilt indre formlegeme 2 hvorved det indre formlegeme 2 er utstyrt med et trinn 7 på indre skuldre 9 av det ytre formlegeme 4. For anordning i sylinderhodet er det foresett ytre skuldre 8 på de ytre vegger av formlegeme 4. Tildanning og montasje skjer som i Eks. 1.

Den i fig. 3 viste utførelsesform er spesielt foretrukket fordi det indre formlegeme 2 også på undersiden 10 er isolert med et ytre formlegeme 4. Det indre formlegeme 2 består i dette tilfelle av en høyvarmefast legering med materiale "Nr. 2.4969" slik det f. eks. fremstilles under den kommersielt tilgjengelige form "Nimonic". Det ytre formlegeme 4 fremstilles ved sintring av et aluminiumtitanatpulver.

For montering blir det ytre formlegemet 4 skjøvet over det indre formlegemet 2. Det sammensatte virvelkammer støpes så inn i et sylinderhode av aluminium.

Fig. 4 viser et delriss av en ytterligere foretrukket utførelsesform ved hvilken det i yttersiden 12 av sideveggen 1 er anordnet ringnøter 11 gjennom hvilke det oppnås en ytterligere styrket isolerende virkning.

Claims (11)

1. For- eller virvelkammer (13) i en forbrenningsmotor der sideveggene (1) og eventuelt undersiden (10) til innerrommet (14) oppviser en varmeisolasjon bestående av keramisk materiale, karakterisert ved at for- eller virvelkammeret (13) består av et indre formlegeme (2) som utgjør innerrommet (14) og består av en høyvarmfast legering, av sintret aluminiumoksyd, av sintret silisiumkarbid eller sintret sillsiumnitrid, og et dermed ved forklebing eller krymping forbundet varmeisolerende ytre formlegeme (4) av sintret aluminiumtitanat eller sintret zirkoniumoksyd, som omgir det Indre formlegeme (2) i det minste ved dettes sidevegger (1).

2. Kammer ifølge krav 1,karakterisert ved at det ytre formlegeme (4) som omgir sideveggene (1) til det indre formlegeme (2) ligger an mot et trinn (5) på en sokkel (3) på det indre formlegeme (2).

3. Kammer ifølge krav 1,karakterisert ved at det indre formlegeme (2) på undersiden (10) oppviser et trinn (7) og ligger an på skuldrene (9) til det ytre formlegeme (4) .

4. Kammer ifølge krav 1,karakterisert ved at sideveggene (1) og undersiden (10) til det indre formlegeme (2) helt er omgitt av det ytre formlegeme (4).

5.' Kammer ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at det ytre formlegeme (4) består av et keramisk materiale med en varmeledningsevne < 3 W/(m.K) og det indre formlegeme (2) består av et materiale hvis varmeledningsevne er > 50 W/(m.K).

6. Kammer ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at den høyvarmfaste legering inneholder mellom 57 og 75 vekt-* nikkel, opptil 20 vekt-* krom, mellom 0 og 18 vekt-* kobolt, opptil 1,5 vekt-* aluminium og opptil 2,4 vekt-* titan, idet alle andeler sammen utgjør 100*.

7. Kammer ifølge kravene 1 til 5, karakterisert ved at zirkoniumdioksydet er fullt ut stabilisert.

8. Kammer ifølge kravene 1 til 5, karakterisert ved at zirkoniumoksydet er delvis stabilisert.

9. Kammer ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 8, karakterisert ved at det ytre formlegeme (4) består av et zirkoniumoksyd med en bruddstyrke ab > 300 N/mm<2>.

10. Kammer ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 5 og 7 til 9, karakterisert ved at det indre formlegeme (2) består av silisiumkarbid og det ytre formlegeme (4) av zirkoniumoksyd.

11. Kammer ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 10, karakterisert ved at veggtykkelsen til det ytre formlegeme (4) utgjør minst 1 mm.