DE10204812A1

DE10204812A1 - Motor

Info

Publication number: DE10204812A1
Application number: DE2002104812
Authority: DE
Inventors: Michael Eis Benzon; Lech Moczulski
Original assignee: MAN B&W Diesel AS
Current assignee: MAN B&W Diesel AS
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2003-08-14
Also published as: WO2003067052A1; AU2003212219A1

Abstract

Bei einem Motor, insbesondere einem Zweitakt-Großdieselmotor, bei dem thermisch hochbelastete und einem korrosiven Milieu ausgesetzte Oberflächen zumindest teilweise mit einer dünnen Schutzschicht (12) zum Schutz gegen Heißkorrosion versehen sind, lässt sich dadurch eine besonders hohe Sicherheit erreichen, dass die Schutzschicht (12) zumindest teilweise aus Bornitrid und/oder Zirkoniumoxid als Grundmaterial besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Motor, insbesondere einen Großmotor wie einen Zweitakt-Großdieselmotor, bei dem innere Oberflächen, insbesondere thermisch hochbelastete und einem korrosiven Milieu ausgesetzte Oberflächen zumindest teilweise mit einer dünnen Schutzschicht insbesondere zum Schutz gegen Heißkorrosion versehen sind.

In der DE 196 29 399 A1 wird im Zusammenhang mit kleineren Motoren vorgeschlagen, die brennraumseitige Oberfläche des Kolbens mit einer aus einer Mischung von Phosphatharzen, Chromaten und Aluminiumpulver bestehenden Schutzschicht gegen Verzunderung und Erosion zu versehen. Die hiermit angestrebte Wärmekorrosionsfestigkeit ist jedoch auf vergleichsweise geringe Temperaturen beschränkt und reicht daher für viele Anwendungsfälle nicht aus. Insbesondere bei Großmotoren, vorzugsweise Zweitakt-Großdieselmotoren, treten an vielen Stellen wesentlich höhere Temperaturen auf, als an der brennraumseitigen Oberfläche der Kolben von kleineren Motoren. Das oben erwähnte Aluminiumpulver würde dabei schmelzen. Die Phosphatharze würden verbrennen.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine auch bei vergleichsweise hohen Temperaturen wirksame Schutzschicht zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schutzschicht zumindest teilweise aus Bornitrid und/oder Zirkoniumoxid als Grundmaterial besteht.

Eine aus diesen Materialien bestehende Schutzschicht bildet auch bei sehr hohen Temperaturen einen porenfreien, dichten Belag, der in vorteilhafter Weise auch in einem äußerst stark korrosiven Milieu beständig ist. Mit der erfindungsgemäßen Schutzschicht kann daher auch bei den bei Großmotoren, wie Zweitakt-Großdieselmotoren, auftretenden, hohen Temperaturen und bei einem korrosiven Milieu mit bei Großmotoren, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotoren auftretender Intensität eine bisher nicht vermeidbare Heißkorrosion an allen gefährdeten Stellen zuverlässig verhindert werden. Infolge der Beständigkeit der erfindungsgemäßen Schutzschicht bei sehr hohen Temperaturen besteht in vorteilhafter Weise keine Beschränkung auf die gekühlte Kolbenkrone. Die vorgeschlagenen Materialien diffundieren auch bei den bei Großmotoren vorliegenden Bedingungen nicht in das darunterliegende Material in Form von Gußeisen bzw. Stahl hinein, so dass keinerlei Gefügeänderungen zu befürchten sind. Außerdem entspricht der Wärmeausdehnungskoeffizient der für die erfindungsgemäße Schutzschicht vorgeschlagenen Materialien in etwa dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der bei Großmotoren Verwendung findenden Werkstoffe oben genannter Art, so dass im Bereich der Grenzschicht zwischen der erfindungsgemäßen Schutzschicht und dem Trägermaterial keine inneren Spannungen zu erwarten sind, was sich vorteilhaft auf die Haltbarkeit der erfindungsgemäßen Schutzschicht auswirkt. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch, dass die erfindungsgemäße Schutzschicht gute Haftungseigenschaften nicht nur gegenüber Gußeisen- und Stahloberflächen sondern auch gegenüber Kohlenstoff aufweist. Hierdurch ergibt sich nicht nur der Vorteil, dass die Schutzschicht auch auf eine Kohlenstoffauflage aufweisenden Oberflächen gut haftet, so dass die erfindungsgemäße Schutzschicht nicht nur im Rahmen der Herstellung neuer Motoren angebracht werden kann, sondern auch nachträglich im Rahmen von Wartungsarbeiten, womit die Lebensdauer gebrauchter Motoren wesentlich gesteigert werden kann, sondern auch der weitere Vorteil, dass sich die Schutzschicht selbst mit einer Kohlenstoffschicht überziehen kann, was einen guten Erosionsschutz darstellt.

Das zur Bildung der erfindungsgemäßen Schutzschicht vorgeschlagene Bornitrid ergibt eine glasartige Struktkur der Schutzschicht, so dass in vorteilhafter Weise zusätzlich zur Beständigkeit gegen Heißkorrosion auch ein sehr niedriger Reibungskoeffizient und damit sehr gute Gleiteigenschaften erreicht werden. Dies ergibt in vorteilhafter Weise vielfach einen erwünschten Selbstreinigungseffekt, was insbesondere bei Kolbenringnuten etc. vorteilhaft sein kann. Das zur Bildung der erfindungsgemäßen Schutzschicht weiter vorgeschlagene Zirkoniumoxid besitzt eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit und kommt daher zweckmäßig überall dort zur Anwendung, wo besonders hohe Temperaturen zu erwarten sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann die Schutzschicht in das Grundmaterial eingebettete Partikel aus keramischem und/oder metallischem Material als Bewehrungsmaterial enthalten. Dies ergibt in vorteilhafter Weise einen guten Erosionsschutz und kommt daher vorteilhaft vor allem dort zum Einsatz, wo ein natürlicher Erosionsschutz in Form eines Kohlenstoffbezugs nicht zu erwarten ist. Durch die genannten Maßnahmen kann in vorteilhafter Weise auch ein gewisser Poliereffekt erreicht werden, durch den die mit der erfindungsgemäßen Schutzschicht zusammenwirkende Gegenoberfläche während des Betriebs poliert werden kann.

Als keramisches Bewehrungsmaterial eignet sich besonders Aluminiumoxid. Als metallisches Bewehrungsmaterial eignet sich Mangandisulfid besonders gut. Diese Materialien besitzen in vorteilhafter Weise eine ähnliche Temperatur- und Säurefestigkeit wie die vorgeschlagenen Grundmaterialien sowie ähnliche Ausdehnungskoeffizienten.

Der Anteil des Bewehrungsmaterials an der erfindungsgemäßen Schutzschicht kann entsprechend den Bedürfnissen des Einzelfalls gewählt werden. Bei einem Anteil von 25 Vol-% wurden bei Versuchen gute Ergebnisse erreicht. Bis zu einem derartigen Anteil kommen offenbar sowohl die Eigenschaften des Grundmaterials als auch die Eigenschaften des Bewehrungsmaterials gut zum Tragen.

Zum Abbinden der Schutzschicht auf dem Trägermaterial kann vorteilhaft ein auf Asphalt basierendes Bindemittel, vorzugsweise in der Form von Teer und/oder Bitumen vorgesehen sein. Materialien dieser Art sind temperatur- wasser- und säurebeständig, so dass hohe Standzeiten gewährleistet sind. Ein weiterer Vorteil derartiger organischer Bindemittel ist, dass sie leicht in Form eines Anstrichs aufgebracht werden können.

Eine andere vorteilhafte Bindemittelvariante kann aus einem lichthärtenden Kunstharz basieren. Dies ermöglicht die Erzielung kurzer Aushärtzeiten.

Zweckmäßig kann die erfindungsgemäße Schutzschicht eine Dicke von 50-100 µ aufweisen. Es ist daher möglich, die erfindungsgemäße Schutzschicht als Anstrich oder Sprühschicht aufzubringen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.

Die nachstehend beschriebene Zeichnung zeigt in ihrer einzigen Figur einen Schnitt durch den oberen Bereich eines Zylinders eines Zweitakt- Großdieselmotors.

Hauptanwendungsgebiet der Erfindung sind Großmotoren, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotoren, bei denen im Brennraum vergleichsweise hohe Temperaturen und infolge der Verbrennung von Schwerölen etc. auch ein äußerst aggressives Milieu entstehen. Derartige Motoren besitzen in der Regel mehrere, reihenartig hintereinander angeordnete Zylinder, die auf einem zugeordneten Zwischenboden des Maschinengestells aufgenommen sind. Diese Zylinder, von denen in der Zeichnung ein Zylinder 1 angedeutet ist, besitzen jeweils einen Zylindermantel 2, der mit einem aufgesetzten Zylinderkopf 3 versehen ist. Innerhalb des Zylinders 1 befindet sich ein Brennraum 4, der durch einen im Zylinder 1 angeordneten Kolben 5 vergrößerbar bzw. verkleinerbar ist. Der Kolben 5 wirkt in an sich bekannter Weise mit einer hier nicht näher dargestellten Kurbelwelle zusammen. Zur Abdichtung des Spalts zwischen Zylindermantel 2 und Kolben 5 ist dessen Oberteil mit umlaufenden Kolbenringnuten 6 versehen, in denen jeweils ein Kolbenring 7 angeordnet ist.

Der Zylinderkopf 3 ist mit einem zentralen, vom Brennraum 4 abgehenden Auslasskanal 8 versehen, der durch ein zugeordnetes Auslassventil 9 kontrollierbar ist. Dieses ist als Tellerventil ausgebildet, dessen tellerseitige Anlagefläche mit einer zugeordneten Sitzfläche eines in den Zylinderkopf 3 eingesetzten Ventilgehäuses oder Sitzteils 10 zusammenwirkt.

In den oberen Bereich des Brennraums 4 wird Brennstoff eingespritzt. Hierzu ist wenigstens ein an eine geeignete Brennstoffversorgungseinrichtung anschließbares, im Zylinderkopf 3 angeordnetes Einspritzventil 11 vorgesehen. Als Brennstoff findet bei Zweitakt- Großdieselmotoren hier vorliegender Art vielfach Schweröl Verwendung, das einen vergleichsweise hohen Schwefelgehalt aufweist.

Der Zylindermantel 2, der Zylinderkopf 3 und der Kolben 5 bestehen regelmäßig aus Gusseisen bzw. Stahlguss. Die Kolbenringe 7, das Auslassventil 9 und das Sitzteil 10 bestehen in der Regel aus einer hochfesteren Stahllegierung.

Im Brennraum 4 entstehen vergleichsweise hohe Verbrennungstemperaturen. Die Oberflächentemperatur an den Brennraumwänden liegt erfahrungsgemäß bei ca. 500°C. Gleichzeitig ergeben sich aufgrund des hohen Schwefelgehalts des Brennstoffs sehr aggressive Verbrennungsprodukte und damit ein sehr aggressives Milieu im Brennraum 4. Hierdurch kann eine sogenannte Heisskorrosion ausgelöst werden. Dabei handelt es sich um eine Oxidation des Metalls unter dem Einfluss der hohen Temperatur und des korrosiven Milieus.

Um dies zu verhindern werden in dieser Hinsicht gefährdete Oberflächen mit einer dünnen, Bornitrid und/oder Zirkoniumoxid als Grundmaterial enthaltenden Schutzschicht 12 versehen. Im dargestellten Beispiel sind in erster Linie die brennraumseitien Oberflächen des Zylinderkopfes 3 und des Kolbens 4 sowie der untere Bereich des Auslassventils 9, die Innenoberflächen des Auslasskanals 8 und des Sitzteils 10 und die Oberfläche des unteren, in den Brennraum 4 hineinragenden Bereichs des Einspritzventils 11 mit einer derartigen Schutzschicht 12 versehen.

Zirkoniumoxid besitzt eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit und eignet sich daher besonders gut für Bereiche mit einer extrem hohen Temperaturbelastung, beispielsweise die Unterseite des Auslassventils 9. Bornitrid ergibt eine glasartige Struktur und hat daher gleichzeitig zur Temperaturbeständigkeit einen geringen Reibungskoeffizienten, was dort vorteilhaft ist, wo ein geringer Reibungswiderstand und gute Gleiteigenschaften erwünscht sind, beispielsweise im Bereich der auslasskanalseitigen Oberfläche des Zylinderkopfes 3 und des Sitzteils 10.

Versuche haben ergeben, dass die Gleiteigenschaften von Bornitrid in etwa denen von Teflon entsprechen. Dieses Material eignet sich daher im Hochtemperaturbereich auch als Teflonersatz. So können beispielsweise die unteren Auflageflächen der Kolbenringnuten 6 und/oder der Kolbenringe 7 ebenfalls mit einer Schutzschicht 12 aus Bornitrid versehen sein. Versuche haben gezeigt, dass hiermit ein guter Selbstreinigungseffekt erreichbar und dementsprechend eine Verkokung verhinderbar sind.

Die Schutzschicht 12 enthält neben dem oben genannten Grundmaterial inform von Bornitrid und/oder Zirkoniumoxid ein das Grundmaterial aufnehmendes Bindemittel das eine gute Abbindung auf dem Trägermaterial ergibt und eine einfache Verarbeitung des die Schutzschicht 12 bildenden Mittels nach Art einer Farbe gestattet. Der Anteil des als Matrix für das Grundmaterial fungierenden Bindemittels kann je nach Anwendungsfall und vorgesehener Beschichtungsdicke 20-90 Vol-% betragen. Bei größerer Beschichtungsdicke kann ein vergleichsweise hoher Bindemittelanteil vorgesehen sein und umgekehrt.

Das Bindemittel muss hochtemperaturbeständig sein sowie resistent gegen Säure, Öl und Wasser sein und eine einfache Verarbeitbarkeit ermöglichen. Mit Teer, d. h. dem durch Dehydrierung des bei der Kohlevergasung anfallenden Gases gewonnenen Mittel lassen sich gute Ergebnisse erwarten. Hierbei handelt es sich um ein organisches Bindemittel auf Asphaltbasis. Auch andere derartige Mittel, wie Bitumen, wären denkbar. Mittel vorstehend genannter Art können nach Art einer Farbe in einer vergleichsweise dicken Schicht von 0,3-0,5 mm aufgetragen werden, wobei sich nach der Trocknung eine porendichte Schutzschicht 12 mit einer Dicke von 50-100 µ ergibt.

Auch Versuche mit einem Bindemittel auf der Basis von Polyvinylbutyral und/oder Phenolharz und/oder Silikonharz waren erfolgreich. auch die Verwendung von Polyurethan und/oder Polyphenylsulfid (PPS) und/oder Polyimid und/oder Perfluoralloxy (PFA) wären denkbar.

Hierbei handelt es sich um Kunstharze, die lichthärtbar sind, so dass durch eine Bestrahlung mit UV-Licht die Trocknungs- und Aushärtezeit abkürzbar ist.

Das die Schutzschicht 12 bildende Mittel wird, wie schon erwähnt, wie eine Farbe auf die zu schützende Oberfläche aufgetragen. Dabei kann in manchen Fällen zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit eine Verdünnung zweckmäßig sein. Bei der Verwendung von auf Asphalbasis hergestellten Bindemitteln, wie bitumenartigen Bindemitteln, eignen sich Aromate wie Xylen (C₆H₄(CH₃)₂) oder Toluen (C₆H₅CH₃) besonders gut. In einfachen Fällen könnte aber auch Petroleum Verwendung finden. Bei Teer wird in der Regel kein Verdünner benötigt. Das gilt auch für die erwähnten Kunstharze.

Das die Schutzschicht 12 bildende Mittel kann einfach mit Hilfe eines Pinsels oder einer Rolle aufgetragen werden. Auch ein Sprühauftrag ist denkbar. In jedem Fall können auch komplizierte Oberflächengestaltungen vergleichsweise einfach beschichtet werden. Vor dem Auftragen des die Schutzschicht bildenden Mittels wird die hiermit zu versehende Oberfläche mit Hilfe eines fettlösenden Mittels gereinigt. Auf die so gereinigte Oberfläche werden der Anstrich oder Sprühauftrag aufgetragen. Danach erfolgt eine Trocknung. Diese erfolgt bei wärmetrocknenden Bindemitteln zweckmäßig bei leicht erhöhter Temperatur bis maximal 100°C, vorzugsweise weniger als 100°C. Bei lichttrocknenden Bindemitteln kann die Trocknung durch Bestrahlung mit UV-licht beschleunigt werden. Die Schutzschicht 12 kann bei der Neuherstellung des Motors und/oder im Rahmen von Reparatur- und Wartungsarbeiten angebracht werden. Im letzteren Falle sind selbstverständlilch lockere Ablagerungen vorher zu entfernen.

Während des Betriebs überzieht sich die Schutzschicht 12 in der Regel mit einer Schicht aus Kohlenstoffablagerungen. Diese schützen die darunter sich befindende Schutzschicht 12 gegen Erosion und gewährleisten damit eine lange Standzeit der Schutzschicht 12. Wo keine Kohlenstoffablagerungen zu erwarten sind, kann die Erosionsbeständigkeit der Schutzschicht 12 durch Zugabe eines Bewehrungsmaterials zum aus Bornitrid und/oder Zirkoniumoxid bestehenden Grundmaterial erhöht werden.

Als Bewehrungsmaterial können im Grundmaterial fein verteiltes Aluminiumoxid und/oder Mangandisulfid Verwendung finden. Bei Aluminiumoxid handelt es sich um ein keramisches Material, das besonders hart ist. Bei Mangandisulfid handelt es sich um ein metallisches Material, das gegenüber Aluminiumoxid zäher ist, so dass in jedem Fall den Bedürfnissen des Einzelfalls Rechnung getragen werden kann. Der Anteil des Bewehrungsmaterials an der Schutzschicht beträgt je nach Belastung bis zu 25 Vol-% des Grundmaterials.

Mit Hilfe des Bewehrungsmaterials, insbesondere in Form von Aluminiumoxid, lässt sich in vorteilhafter Weise auch eine Polierung einer hiermit zusammenwirkenden Gegenfläche erreichen. Eine Schutzschicht hier vorliegender Art kann daher vorteilhaft auch dort zur Anwendung kommen, wo eine Polierung benötigt wird, beispielsweise im Bereich eines hier nicht näher dargestellten Kreuzkopfzapfens des vorliegenden Zweitakt-Großdieselmotors.

Claims

1. Motor, insbesondere Großmotor wie Zweitakt-Großdieselmotor, bei dem innere Oberflächen, insbesondere thermisch hochbelastete und einem korrosiven Milieu ausgesetzte Oberflächen zumindest teilweise mit einer dünnen Schutzschicht (12) insbesondere zum Schutz gegen Heißkorrosion versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) zumindest teilweise aus Bornitrid und/oder Zirkoniumoxid als Grundmaterial besteht.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) in das Grundmaterial eingebettete Partikel aus keramischem und/oder metallischem Material als Bewehrungsmaterial enthält.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) in das Grundmaterial eingebettete Partikel aus Aluminiumoxid und/oder Mangandisulfid enthält.

4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) bis zu 25 Vol-% aus in das Grundmaterial eingebetteten Partikeln des Bewehrungsmaterials besteht.

5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) ein Bindemittel zum Abbinden auf dem Trägerwerkstoff enthält.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) ein organisches Bindemittel enthält.

7. Motor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) ein auf Asphalt basierendes Bindemittel enthält.

8. Motor nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) Teer und/oder Bitumen als Bindemittel enthält.

9. Motor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) ein auf einem vorzugsweise lichthärtenden Kunstharz basierendes Bindemittel enthält.

10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) Polyvinylbutyral und/oder Phenolharz und/oder Silikonharz als Bindemittel enthält.

11. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) als getrockneter Anstrich ausgebildet ist.

12. Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der die Schutzschicht (12) bildende Anstrich im Nasszustand flüchtiges Lösungsmittel enthält.

13. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) im getrockneten Zustand eine Dicke von 50-100 µ aufweist.

14. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) zumindest im Bereich des Zylinderkopfes (3) und/oder der Oberseite des Kolbens (5) und/oder des Auslassventils (9) und/oder des Sitzteils (10) und/oder des Auslasskanals (8) und/oder der Einspritzventilanordnung (11) und/ oder der Unterseiten der Kolbenringe (7) und/oder der den Kolbenringen (7) zugeordneten Stützflächen der Kolbenringnuten (6) vorgesehen ist.