WO2014206849A1 - Kolbenmaschine - Google Patents

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WO2014206849A1
WO2014206849A1 PCT/EP2014/062888 EP2014062888W WO2014206849A1 WO 2014206849 A1 WO2014206849 A1 WO 2014206849A1 EP 2014062888 W EP2014062888 W EP 2014062888W WO 2014206849 A1 WO2014206849 A1 WO 2014206849A1
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piston
coating
piston engine
engine according
cylinder
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PCT/EP2014/062888
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French (fr)
Inventor
Jeannette Kopp
Hagen Kuckert
Luiz-Alexandre Colodel
Patrick Glaser
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J10/00—Engine or like cylinders; Features of hollow, e.g. cylindrical, bodies in general
    • F16J10/02—Cylinders designed to receive moving pistons or plungers
    • F16J10/04—Running faces; Liners

Definitions

  • the present invention relates to a piston engine comprising a
  • Cylinder running surface in which a connected via a connecting rod with a crankshaft piston is translationally movable up and down, wherein the piston has at least one circumferential piston ring groove, in which a cooperating with the cylinder surface piston ring is inserted.
  • Such a piston machine is known from EP 2 154 400 A2.
  • This reciprocating engine is a reciprocating expansion machine for use in a steam cycle of a coupled to an internal combustion engine
  • the reciprocating engine includes a piston including a piston head, a piston neck, and a piston stem, the piston head having at least one in the circumferential direction
  • Piston shaft has a receptacle for a piston pin and at its outer periphery via a guide surface which is adapted to guide the piston along a cylinder surface.
  • the invention is based on the object to provide a piston engine whose wear behavior is improved over the prior art.
  • the Piston machine may be suitable in principle for any application, but most preferably used in a heat recovery system, with which the waste heat generated by a built-in motor vehicle internal combustion engine is recovered. This is for example in the
  • Exhaust line of the internal combustion engine used a heat exchanger of a fluid circuit, wherein in the heat exchanger, the fluid is transferred to the vapor state and the steam thus generated then the
  • Piston engine for energy recovery is supplied.
  • the steam is expanded in the piston engine with displacement of the piston in a translational up and down movement.
  • the pressure energy of the steam is converted into mechanical energy, which is tapped at a connected via a connecting rod to the piston crankshaft.
  • Wear stress is significantly reduced by the wear-reducing coating according to the invention.
  • the coating is a thermal
  • This thermal spray coating is applied by a thermal spray process on the cylinder surface, the spray process is inexpensive to implement. In addition, in a thermal spraying method, large degrees of freedom with respect to the powder to be sprayed and the powder mixture are possible.
  • the coating has a layer thickness of 50 ⁇ to 500 ⁇ , preferably from 100 ⁇ to 300 ⁇ on. This very thin
  • Coating can be applied by the thermal spraying process cost-effective and reliable on the cylinder surface. Since the material of the cylinder surface is functionally separated from the coating, moreover, a cost-effective material for the cylinder surface can be selected.
  • the material of the coating is an alloy and / or a mixture.
  • the mixture of the coating has in turn, in a further embodiment of the invention solid lubricant, for example molybdenum, graphite or boron nitride, which is incorporated in a binding matrix.
  • solid lubricant for example molybdenum, graphite or boron nitride
  • the materials of the binder matrix include, for example, cobalt-molybdenum-chromium-silicon powder in a proportion of molybdenum of at least 25%.
  • Cylinder surface, the sacrificial function or inlet function can be transmitted from the piston ring to the cylinder surface. Because the
  • Cylinder running surface is substantially larger than the piston ring surface, the specific wear load per unit area is significantly lower than in the prior art.
  • the material of the cylinder running surface is a metallic material such as steel, stainless steel and / or cast iron.
  • Cylinder surface even with an existing residual porosity of the coating does not need to be further treated to prevent corrosion.
  • a corrosion barrier for example, by a
  • the cylinder running surface for application of the coating or the intermediate layer is roughened.
  • Roughening improves the adhesive properties of the coating or the intermediate layer on the cylinder surface and can be produced for example by sandblasting or by water jet roughening.
  • the coating by the thermal spraying process for example, a flame spraying process, a high-speed flame spraying process or a atmospheric plasma spraying process is sprayed onto the existing surface.
  • the coating cylinder surface can be finished by a grinding process and optionally an additional honing process.
  • Materials can be an additional primer based on ductile
  • Non-ferrous metals as an additional intermediate layer between the
  • Cylinder running surface and the coating or else possibly also between the intermediate layer and the coating are sprayed to increase the adhesion of the coating.
  • Corrosion resistance can be made, for example, a nitrided steel, whereby the life of the piston engine is significantly increased together with the coating of the cylinder surface.
  • Figure 1 is a schematic representation of a in one with a coating
  • FIG. 2 shows an enlarged detail from FIG
  • Cylinder surface applied coating which has a binding matrix with embedded solid lubricant.
  • FIG. 1 shows a piston machine, which is preferably in a
  • Heat recovery system for an internal combustion engine is used.
  • the heat recovery system has a fluid circuit, wherein the fluid is transferred from the waste heat, for example, an internal combustion engine in the vapor state and then into a vapor space 1 of
  • Piston engine is introduced.
  • the vapor space 1 the vapor expands by causing a translational movement of a piston 3, which is movable up and down in a cylinder running surface 2 of the piston engine.
  • the piston 3 is connected via a connecting rod 6 with a crankshaft, not shown
  • Cylinder face 2 at least in a region between an upper
  • Dead center and a bottom dead center of the piston 3 is provided with a coating 4.
  • the piston ring 5 is preferably made of a material with increased corrosion resistance, for example of a nitrided steel.
  • the sacrificial function or inlet function can be transmitted from the piston ring 5 to the cylinder surface 2. Since the cylinder surface 2 is substantially larger than the piston ring surface, the specific wear load per unit area is significantly lower than in the prior art.
  • the coating 4 is in particular by a thermal injection process on the preferably previously roughened cylinder surface 2 with a
  • the material of the binding matrix 8 is for example Tribaloy, this is an alloy of cobalt-molybdenum-chromium-silicon powder with a proportion of molybdenum of at least 25%.
  • Solid lubricant 9 includes, for example, molybdenum, graphite and boron nitride.
  • the cylinder surface 2 is preferably made of stainless steel, wherein on the stainless steel, the coating 4 can be applied directly. Is used as a material for the cylinder surface 2, for example, a non-corrosion-resistant cast iron, is between the coating 4 and the
  • an intermediate layer 10 is applied, which prevents corrosion of the cylinder surface 2.
  • the intermediate layer 10 is provided because the coating 4 has a residual porosity through which the vapor
  • Cylinder surface 2 and the coating 4 (or the intermediate layer 10) or even between the intermediate layer 10 and the coating 4 are attached.
  • the provided with the coating 4 cylinder surface 2 is finally completed in a grinding process optionally completed by an additional honing process.

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Abstract

Kolbenmaschine, aufweisend eine Zylinderlauffläche (2), in der ein über ein Pleuel (6) mit einer Kurbelwelle verbundener Kolben (3) translatorisch auf und ab bewegbar ist, wobei der Kolben (3) zumindest eine umlaufende Kolbenringnut (7) aufweist, in die ein mit der Zylinderlauffläche (2) zusammenwirkender Kolbenring (5) eingesetzt ist. Erfindungsgemäß wird eine Kolbenmaschine bereitgestellt, deren Verschleißverhalten gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Erreicht wird dies dadurch, dass die Zylinderlauffläche (2) eine verschleißmindernde Beschichtung (4) aufweist.

Description

Titel:
Kolbenmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, aufweisend eine
Zylinderlauffläche, in der ein über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle verbundener Kolben translatorisch auf und ab bewegbar ist, wobei der Kolben zumindest eine umlaufende Kolbenringnut aufweist, in die ein mit der Zylinderlauffläche zusammenwirkender Kolbenring eingesetzt ist.
Stand der Technik
Eine derartige Kolbenmaschine ist aus der EP 2 154 400 A2 bekannt. Diese Kolbenmaschine ist als Hubkolbenexpansionsmaschine zum Einsatz in einem Dampfkreislauf eines an eine Brennkraftmaschine gekoppelten
Wärmerückgewinnungskreislaufs ausgebildet. Die Kolbenmaschine weist einen Kolben auf, der einen Kolbenkopf, einen Kolbenhals sowie einen Kolbenschaft beinhaltet, wobei der Kolbenkopf wenigstens eine in Umfangsrichtung
verlaufende Kolbenringnut aufweist, die einen Kolbenring aufnimmt. Der
Kolbenschaft verfügt über eine Aufnahme für einen Kolbenbolzen sowie an seinen äußeren Umfang über eine Führungsfläche, die geeignet ist, den Kolben entlang einer Zylinderlauffläche zu führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kolbenmaschine bereitzustellen, deren Verschleißverhalten gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Zylinderlauffläche eine
Beschichtung aufweist. Hierbei ist es zunächst einmal so, dass die Kolbenmaschine grundsätzlich für eine beliebige Anwendung geeignet sein kann, ganz bevorzugt aber in einem Wärmerückgewinnungssystem eingesetzt wird, mit dem die von einer in einem Kraftfahrzeug eingebauten Brennkraftmaschine erzeugte Abwärme zurückgewonnen wird. Dazu ist beispielsweise in den
Abgasstrang der Brennkraftmaschine ein Wärmetauscher eines Fluidkreislaufs eingesetzt, wobei in dem Wärmetauscher das Fluid in den dampfförmigen Zustand überführt wird und der so erzeugte Dampf anschließend der
Kolbenmaschine zur Energierückgewinnung zugeführt wird. Der Dampf wird in der Kolbenmaschine unter Versetzung des Kolbens in eine translatorische auf und ab Bewegung entspannt. Hierdurch wird die Druckenergie des Dampfs in mechanische Energie umgewandelt, die an einer über ein Pleuel mit dem Kolben verbundenen Kurbelwelle abgegriffen wird. Die Reibkontaktfläche zwischen der Zylinderlauffläche, dem Kolben und dem Kolbenring soll weitgehend ohne die schmierende Wirkung einer Ölleckage realisiert werden. Da das kondensierende Fluid keine signifikante Schmierwirkung besitzt, ist insbesondere die
Zylinderlauffläche einer starken Verschleißbelastung ausgesetzt. Diese
Verschleißbelastung wird durch die erfindungsgemäße verschleißvermindernde Beschichtung deutlich reduziert.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Beschichtung als eine thermische
Spritzbeschichtung ausgebildet. Diese thermische Spritzbeschichtung wird durch ein thermisches Spritzverfahren auf die Zylinderlauffläche aufgetragen, wobei das Spritzverfahren kostengünstig umsetzbar ist. Zudem sind bei einem thermischen Spritzverfahren große Freiheitsgrade bezüglich des zu spritzenden Pulvers und der Pulvermischung möglich.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Beschichtung eine Schichtdicke von 50 μηι bis 500 μηι, bevorzugt von 100 μηι bis 300 μηι auf. Diese sehr dünne
Beschichtung kann durch das thermische Spritzverfahren kostengünstig und betriebssicher auf die Zylinderlauffläche aufgebracht werden. Da der Werkstoff der Zylinderlauffläche funktional von der Beschichtung getrennt ist, kann darüber hinaus ein kostengünstiger Werkstoff für die Zylinderlauffläche gewählt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Werkstoff der Beschichtung eine Legierung und/oder ein Gemisch. Das Gemisch der Beschichtung weist wiederum in weiterer Ausgestaltung der Erfindung Feststoffschmiermittel, beispielsweise Molybdän, Graphit oder Bornitrit auf, das in einer Bindematrix eingebunden ist. Zu den Werkstoffen der Bindematrix gehören beispielsweise Kobalt-Molybdän-Chrom-Silicium-Pulver einem Anteil von Molybdän von mindestens 25%. Selbstverständlich sind aber auch andere Werkstoffe oder
Werkstoffkombinationen im Rahmen der Erfindung verwendbar. Mit einem solchen auf die Zylinderlauffläche aufgespritzten Pulver wird die Reibung und Fressneigung des darauf abgleitenden Kolbenrings, der beispielsweise aus einem nitrierten Stahl besteht, und des Kolbens minimiert. Durch den Einsatz von reibvermindernden und verschleißvermindernden Beschichtungsmaterial auf der
Zylinderlauffläche kann die Opferfunktion beziehungsweise Einlauffunktion von dem Kolbenring an die Zylinderlauffläche übertragen werden. Da die
Zylinderlauffläche wesentlich größer ist als die Kolbenringoberfläche, ist die spezifische Verschleißbelastung je Flächeneinheit deutlich geringer als beim Stand der Technik.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Werkstoff der Zylinderlauffläche ein metallischer Werkstoff wie Stahl, Edelstahl und/oder Gusseisen. Ein
korrosionsbeständiger Werkstoff wie Edelstahl hat den Vorteil, dass die
Zylinderlauffläche auch bei einer vorhandenen Restporosität der Beschichtung nicht weiter behandelt werden muss, um eine Korrosion zu verhindern. Dagegen sollte vorzugsweise bei einem nicht korrosionsbeständigen Werkstoff, wie Gusseisen, eine korrosionsresistente und mediendichte Zwischenschicht auf die Zylinderlauffläche aufgebracht werden, die eine Korrosion der Zylinderlauffläche verhindert. Eine Korrosionsbarriere wird beispielsweise durch eine
Zwischenschicht in Form einer galvanisch applizierten Nickelschicht mit einer Schichtdicke von ca. 20 μηι erreicht.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Zylinderlauffläche zur Applikation der Beschichtung beziehungsweise der Zwischenschicht aufgeraut. Diese
Aufrauhung verbessert die Hafteigenschaften der Beschichtung bzw. der Zwischenschicht auf der Zylinderlauffläche und kann beispielsweise durch Sandstrahlen oder durch Wasserstrahlaufrauen erzeugt werden. Anschließend wird die Beschichtung durch den thermischen Spritzprozess, der beispielsweise ein Flammspritzsprozess, ein Hochgeschwindigkeitsflammspritzprozess oder ein atmosphärischer Plasmaspritzprozess ist, auf die vorhandelte Oberfläche aufgespritzt. Abschließend kann dann die mit der Beschichtung versehene Zylinderlauffläche durch einen Schleifprozess und gegebenenfalls einen zusätzlichen Honprozess endbehandelt werden. Bei schlecht haftenden
Werkstoffen kann ein zusätzlicher Haftvermittler auf Basis duktiler
Nichteisenmetalle als zusätzliche Zwischenschicht zwischen der
Zylinderlauffläche und der Beschichtung oder aber gegebenenfalls auch zwischen der Zwischenschicht und der Beschichtung aufgespritzt werden, um die Haftung der Beschichtung zu steigern.
Im Ergebnis wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die
Verschleißbelastung je Flächeneinheit deutlich reduziert. Dadurch kann der Kolbenring aus einem Werkstoff mit erhöhter Verschleißfestigkeit und
Korrosionsbeständigkeit hergestellt werden, beispielsweise aus einem nitrierten Stahl, wodurch die Lebensdauer der Kolbenmaschine zusammen mit der Beschichtung der Zylinderlauffläche deutlich erhöht wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist:
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines in einer mit einer Beschichtung
versehenen Zylinderlauffläche translatorisch bewegbaren Kolbens,
Figur 2 in einer Ausschnittsvergrößerung aus Figur 1 eine auf einer
Zylinderlauffläche aufgebrachten Beschichtung, die eine Bindematrix mit eingelagerten Feststoffschmiermittel aufweist.
Ausführungsform der Erfindung Figur 1 zeigt eine Kolbenmaschine, die vorzugsweise bei einem
Wärmerückgewinnungssystem für eine Brennkraftmaschine Verwendung findet. Das Wärmerückgewinnungssystem weist einen Fluidkreislauf auf, wobei das Fluid von der Abwärme beispielsweise einer Brennkraftmaschine in den dampfförmigen Zustand überführt wird und dann in einen Dampfraum 1 der
Kolbenmaschine eingeführt wird. In dem Dampfraum 1 expandiert der Dampf unter Hervorrufung einer translatorischen Bewegung eines Kolbens 3, der in einer Zylinderlauffläche 2 der Kolbenmaschine auf und ab bewegbar ist. Der Kolben 3 ist über ein Pleuel 6 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle
verbunden, über die die so erzeugte Energie abgegriffen wird. Um das
Verschleißverhalten der Kolbenmaschine zu verbessern, ist die
Zylinderlauffläche 2 zumindest in einem Bereich zwischen einem oberen
Totpunkt und einem unteren Totpunkt des Kolbens 3 mit einer Beschichtung 4 versehen. Mit der Beschichtung wirkt insbesondere ein Kolbenring 5 des Kolbens 3 zusammen, der in einer umlaufenden Kolbenringnut 7 des Kolbens 3 eingesetzt ist. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auch möglich, mehrere Kolbenringe 5 nebeneinander liegend in entsprechenden Kolbenringnuten 7, die alle direkt oder indirekt in den Kolben 3 eingelassen sind, einzusetzen. Der Kolbenring 5 ist vorzugsweise aus einem Material mit erhöhter Korrosionsbeständigkeit, beispielsweise aus einem nitrierten Stahl hergestellt.
Durch den Einsatz von reibvermindernden und verschleißvermindernden
Beschichtungsmaterial auf der Zylinderlauffläche 2 kann die Opferfunktion beziehungsweise Einlauffunktion von dem Kolbenring 5 an die Zylinderlauffläche 2 übertragen werden. Da die Zylinderlauffläche 2 wesentlich größer ist als die Kolbenringoberfläche, ist die spezifische Verschleißbelastung je Flächeneinheit deutlich geringer als beim Stand der Technik.
Die Beschichtung 4 wird insbesondere durch einen thermischen Spritzprozess auf die vorzugsweise vorher aufgeraute Zylinderlauffläche 2 mit einer
Schichtdicke von vorzugsweise zwischen 100 μηι bis 300 μηι aufgebracht und weist ausweislich der Figur 2 eine Bindematrix 8 auf, in die Feststoffschmiermittel 9 eingelagert sind. Der Werkstoff der Bindematrix 8 ist beispielsweise Tribaloy, dies ist eine Legierung aus Kobalt-Molybdän-Chrom-Silizium-Pulver mit einem Anteil von Molybdän von mindestens 25%. Zu den Werkstoffen des
Feststoffschmiermittels 9 gehört beispielsweise Molybdän, Graphit und Bornitrit. Die Zylinderlauffläche 2 ist vorzugsweise aus Edelstahl gefertigt, wobei auf dem Edelstahl die Beschichtung 4 direkt aufgetragen werden kann. Wird als Werkstoff für die Zylinderlauffläche 2 beispielsweise ein nicht korrosionsbeständiges Gusseisen verwendet, wird zwischen die Beschichtung 4 und die
Zylinderlauffläche 2 eine Zwischenschicht 10 aufgebracht, die eine Korrosion der Zylinderlauffläche 2 verhindert. Die Zwischenschicht 10 ist vorgesehen, da die Beschichtung 4 eine Restporosität aufweist, durch die der Dampf
beziehungsweise das Fluid hindurch dringen kann. Für den Fall, dass die Zylinderlauffläche 2 und oder die Zwischenschicht 10 ein schlecht haftender Werkstoff ist, kann eine zusätzliche Haftvermittlerschicht zwischen der
Zylinderlauffläche 2 und der Beschichtung 4 (oder der Zwischenschicht 10) oder aber auch zwischen der Zwischenschicht 10 und der Beschichtung 4 angebracht werden. Die mit der Beschichtung 4 versehene Zylinderlauffläche 2 wird abschließend in einem Schleifprozess gegebenenfalls ergänzt durch einen zusätzlichen Honprozess endbearbeitet.

Claims

Ansprüche
1. Kolbenmaschine, aufweisend eine Zylinderlauffläche (2), in der ein Kolben (3) translatorisch auf und ab bewegbar ist, wobei der Kolben (3) zumindest eine umlaufende Kolbenringnut (7) aufweist, in die ein mit der Zylinderlauffläche (2) zusammenwirkender Kolbenring (5) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlauffläche (2) eine
verschleißmindernde Beschichtung (4) aufweist.
2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) eine thermische
Spritzbeschichtung ist.
3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) eine Schichtdicke von 50 μιη bis 500 μηι, bevorzugt von 100 μηι bis 300 μηι aufweist.
4. Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Beschichtung (4) eine
Legierung und/oder ein Gemisch ist.
5. Kolbenmaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch Feststoffschmiermittel (9), beispielsweise Molybdän, Graphit oder Bornnitrat in einer Bindematrix (8) aufweist.
6. Kolbenmaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Legierungswerkstoff ein Kobalt-Molybdän- Chrom-Silizium-Pulver ist.
7. Kolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von Molybdän mindestens 25% ist.
8. Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Zylinderlauffläche (2) ein metallischer Werkstoff wie Stahl, Edelstahl und/oder Gusseisen ist.
9. Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Beschichtung (4) und der Zylinderlauffläche (2) eine Zwischenschicht (10) angeordnet ist.
10. Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlauffläche (2) aufgeraut ist.
1 1. Kolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Beschichtung (4) versehene Zylinderlauffläche (2) geschliffen und/oder gehont ist.
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