DE102013211887A1

DE102013211887A1 - piston engine

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Publication number: DE102013211887A1
Application number: DE201310211887
Authority: DE
Inventors: Jeannette Kopp; Hagen Kuckert; Luiz-Alexandre Colodel; Patrick Glaser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2014-12-24
Also published as: WO2014206849A1

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.Piston machine, having a cylinder running surface 2, in which a piston 3, connected to a crankshaft via a connecting rod 6, can be moved up and down in translation, the piston 3 having at least one circumferential piston ring groove 7 into which a piston ring 5 cooperating with the cylinder running surface 2 is inserted . According to the invention, a piston machine is provided whose wear behavior is improved compared to the prior art. This is achieved in that the cylinder running surface 2 has a wear-reducing coating 4.

Description

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. The present invention relates to a piston engine, comprising a cylinder 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.

Stand der Technik State of the art

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. Such a piston engine is from the EP 2 154 400 A2 known. This reciprocating engine is designed as a reciprocating expansion machine for use in a steam cycle of a heat recovery cycle 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 circumferentially extending piston ring groove receiving a piston ring. The piston skirt 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kolbenmaschine bereitzustellen, deren Verschleißverhalten gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. The invention is based on the object to provide a piston engine whose wear behavior is improved over the prior art.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

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. This object is achieved in that the cylinder surface has a coating. In this case, it is first of all the case that the piston engine can basically be suitable for any desired application, but is very preferably used in a heat recovery system with which the waste heat generated by an internal combustion engine installed in a motor vehicle is recovered. For this purpose, for example, in the exhaust line of the internal combustion engine, a heat exchanger of a fluid circuit is used, wherein in the heat exchanger, the fluid is transferred to the vapor state and the steam thus produced is then fed to the reciprocating engine for energy recovery. The steam is expanded in the piston engine with displacement of the piston in a translational up and down movement. As a result, 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. The Reibkontaktfläche between the cylinder surface, the piston and the piston ring should be realized largely without the lubricating effect of oil leakage. Since the condensing fluid has no significant lubricating effect, in particular the cylinder surface is exposed to a strong wear load. This wear load is significantly reduced by the wear-reducing coating according to the invention.

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 a further development of the invention, the coating is designed as a thermal spray coating. 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.

In Weiterbildung der Erfindung weist die Beschichtung eine Schichtdicke von 50 µm bis 500 µm, bevorzugt von 100 µm bis 300 µm 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 a development of the invention, the coating has a layer thickness of from 50 μm to 500 μm, preferably from 100 μm to 300 μm. This very thin coating can be applied by the thermal spray process cost 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.

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 a further embodiment of the invention, the material of the coating is an alloy and / or a mixture. The mixture of the coating in turn has in a further embodiment of the invention solid lubricant, for example molybdenum, graphite or boron nitride, which is incorporated in a binding matrix. The materials of the binder matrix include, for example, cobalt-molybdenum-chromium-silicon powder in a proportion of molybdenum of at least 25%. Of course, however, other materials or material combinations are usable within the scope of the invention. With such sprayed onto the cylinder surface powder, the friction and Fressneigung the piston ring derived therefrom, which consists for example of a nitrided steel, and the piston is minimized. By using friction-reducing and wear-reducing coating material on the cylinder surface, the sacrificial function or inlet function can be transmitted from the piston ring to the cylinder surface. Since the cylinder surface is much larger than the piston ring surface, the specific wear load per unit area is significantly lower than in the prior art.

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 µm erreicht.In a further development of the invention, the material of the cylinder running surface is a metallic material such as steel, stainless steel and / or cast iron. A corrosion-resistant material such as stainless steel has the advantage that the cylinder surface even at a existing residual porosity of the coating need not be further treated to prevent corrosion. In contrast, should preferably be applied to the cylinder surface, which prevents corrosion of the cylinder surface in a non-corrosion resistant material, such as cast iron, a corrosion-resistant and media-dense intermediate layer. A corrosion barrier is achieved for example by an intermediate layer in the form of a galvanically applied nickel layer with a layer thickness of about 20 microns.

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. In a further development of the invention, the cylinder running surface for application of the coating or the intermediate layer is roughened. This 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. Subsequently, the coating is sprayed onto the overlying surface by the thermal spraying process, which is, for example, a flame spraying process, a high-speed flame spraying process or an atmospheric plasma spraying process. Finally, then provided with the coating cylinder surface can be finished by a grinding process and optionally an additional honing process. In the case of poorly adhering materials, an additional adhesion promoter based on ductile non-ferrous metals can be sprayed on as an additional intermediate layer between the cylinder surface and the coating or, if appropriate, also between the intermediate layer and the coating in order to increase the adhesion of the coating.

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. As a result, the wear resistance per unit area is significantly reduced by the inventive design. As a result, the piston ring can be made of a material with increased wear resistance and corrosion resistance, for example of a nitrided steel, whereby the life of the piston engine is significantly increased together with the coating of the cylinder surface.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist: Further advantageous embodiments of the invention are shown in the drawing, in which an illustrated in the figures embodiment of the invention is described in more detail:

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Es zeigen: Show it:

1 eine Prinzipdarstellung eines in einer mit einer Beschichtung versehenen Zylinderlauffläche translatorisch bewegbaren Kolbens, 1 3 is a schematic representation of a piston provided with a coating in a translationally movable piston, FIG.

2 in einer Ausschnittsvergrößerung aus 1 eine auf einer Zylinderlauffläche aufgebrachten Beschichtung, die eine Bindematrix mit eingelagerten Feststoffschmiermittel aufweist. 2 in a detail enlargement 1 a coated on a cylinder surface coating having a binding matrix with embedded solid lubricant.

Ausführungsform der Erfindung Embodiment of the invention

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. 1 shows a piston engine, which is preferably used in a heat recovery system for an internal combustion engine. The heat recovery system comprises 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 the piston engine is introduced. In the steam room 1 the steam expands, causing a translatory movement of a piston 3 in a cylinder tread 2 the piston engine is movable up and down. The piston 3 is over a connecting rod 6 connected to a crankshaft, not shown, via which the energy thus generated is tapped. To improve the wear behavior of the piston engine, the cylinder surface is 2 at least in a region between a top dead center and a bottom dead center of the piston 3 with a coating 4 Mistake. In particular, a piston ring acts with the coating 5 of the piston 3 together, in a circumferential piston ring groove 7 of the piston 3 is used. It is of course also possible in the context of the invention, a plurality of piston rings 5 next to each other in corresponding piston ring grooves 7 all directly or indirectly in the piston 3 are inserted. The piston ring 5 is preferably made of a material with increased corrosion resistance, for example of a nitrided steel. By using friction-reducing and wear-reducing coating material on the cylinder surface 2 can the sacrificial function or inlet function of the piston ring 5 to the cylinder surface 2 be transmitted. Because the cylinder surface 2 is significantly larger than the piston ring surface, the specific wear load per unit area is significantly lower than in the prior art.

Die Beschichtung 4 wird insbesondere durch einen thermischen Spritzprozess auf die vorzugsweise vorher aufgeraute Zylinderlauffläche 2 mit einer Schichtdicke von vorzugsweise zwischen 100 µm bis 300 µm aufgebracht und weist ausweislich der 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. The coating 4 is in particular by a thermal injection process on the preferably previously roughened cylinder surface 2 with a layer thickness of preferably between 100 .mu.m to 300 .mu.m applied and has evidenced by 2 a binding matrix 8th on, in the solid lubricant 9 are stored. The material of the binding matrix 8th For example, Tribaloy is an alloy of cobalt-molybdenum-chromium-silicon powder with a molybdenum content of at least 25%. To the materials of the solid lubricant 9 For example, molybdenum, graphite and boron nitride are included.

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. The cylinder surface 2 is preferably made of stainless steel, with the coating on the stainless steel 4 can be applied directly. Used as material for the cylinder surface 2 For example, a non-corrosion resistant cast iron is used between the coating 4 and the cylinder surface 2 an intermediate layer 10 applied, which is a corrosion of the cylinder surface 2 prevented. The intermediate layer 10 is provided since the coating 4 has a residual porosity through which the vapor or the fluid can penetrate. In the event that the cylinder tread 2 and or the intermediate layer 10 is a poorly adhering material, an additional adhesive layer between the cylinder tread 2 and the coating 4 (or the intermediate layer 10 ) or between the intermediate layer 10 and the coating 4 be attached. The one with the coating 4 provided cylinder surface 2 is finally finished in a grinding process, if necessary supplemented by an additional honing process.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2154400 A2 [0002]

Claims

Piston machine, comprising a cylinder surface ( 2 ), in which a piston ( 3 ) is translationally movable up and down, wherein the piston ( 3 ) at least one circumferential piston ring groove ( 7 ), in which a with the cylinder surface ( 2 ) cooperating piston ring ( 5 ), characterized in that the cylinder surface ( 2 ) a wear-reducing coating ( 4 ) having.

Piston engine according to claim 1, characterized in that the coating ( 4 ) is a thermal spray coating.

Piston engine according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) has a layer thickness of 50 microns to 500 microns, preferably from 100 microns to 300 microns.

Piston machine according to one of the preceding claims, characterized in that the material of the coating ( 4 ) is an alloy and / or a mixture.

Piston machine according to claim 4, characterized in that the mixture solid lubricant ( 9 ), for example molybdenum, graphite or boron nitrate in a binding matrix ( 8th ) having.

Piston engine according to claim 4, characterized in that the alloy material is a cobalt-molybdenum-chromium-silicon powder.

Piston engine according to claim 6, characterized in that the proportion of molybdenum is at least 25%.

A piston machine according to one of the preceding claims, characterized in that the material of the cylinder face ( 2 ) is a metallic material such as steel, stainless steel and / or cast iron.

Piston machine according to one of the preceding claims, characterized in that between the coating ( 4 ) and the cylinder surface ( 2 ) an intermediate layer ( 10 ) is arranged.

Piston engine according to one of the preceding claims, characterized in that the cylinder surface ( 2 ) is roughened.

Piston machine according to one of the preceding claims, characterized in that the with the coating ( 4 ) provided cylinder surface ( 2 ) is ground and / or honed.