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DE19542944C2 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Aufbringen einer Wärmedämmschicht - Google Patents

Brennkraftmaschine und Verfahren zum Aufbringen einer Wärmedämmschicht

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DE19542944C2
DE19542944C2 DE19542944A DE19542944A DE19542944C2 DE 19542944 C2 DE19542944 C2 DE 19542944C2 DE 19542944 A DE19542944 A DE 19542944A DE 19542944 A DE19542944 A DE 19542944A DE 19542944 C2 DE19542944 C2 DE 19542944C2
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combustion engine
internal combustion
thermal barrier
porosity
barrier coating
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Klaus Prof Dr Binder
Karl-Heinz Dr Weisskopf
Patrick Dipl Ing Izquierdo
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Daimler Benz AG
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Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren zum Aufbringen einer Wärmedämmschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13, wie beides aus der gattungsbildend zugrundegelegten DE 31 33 223 A1 als bekannt hervorgeht.
Aus der DE 31 33 223 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, de­ ren verbrennungs- und hierbei insbesondere wärmebeaufschlagten Teile innerhalb des Brennraums zumindest bereichsweise mit einer aus einem hitzebeständigen, temperaturschockstabilen und abrieb­ festen Dämmaterial gebildeten porösen Wärmedämmschicht beschich­ tet sind. Die Gesamtporosität der Wärmedämmschicht ist größer als 20%, wobei zur Bildung der Wärmedämmschicht zumindest teil­ weise Hohlkörper verwendet werden. Diese brennraumseitige Maß­ nahme führt u. a. zu einer Reduktion der emittierten Schadstoffe der Brennkraftmaschine.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrundege­ legte Brennkraftmaschine dahingehend weiterzuentwickeln, daß de­ ren Schadstoffemission noch weiter reduziert ist. Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen der Wärmedämmschicht anzugeben.
Die Aufgabe wird bei der zugrundegelegten Brennkraftmaschine durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. bei ei­ nem Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 13 ge­ löst. Durch die zumindest bereichsweise Beschichtung der ver­ brennungs-, insbesondere wärmebeaufschlagten Teile mit einer er­ findungsgemäßen hochporösen Wärmedämmschicht der angegebenen Wärmeeindringzahl, die bislang nur durch die erfindungsgemäße Gesamtporosität erreichbar ist, kann die bei einem Verbrennungs­ vorgang entstehende Wärme allenfalls in geringem Umfang in die Wärmedämmschicht und ggf. auch in die metallischen Teile ein­ dringen. Dadurch kann die Wärme dort nur in einem allenfalls vernachlässigbarem Umfang zwischengespeichert werden.
Entgegen dem bisherigen Stand der Technik, bei dem bei einem Verbrennungsprozeß im ersten Teil der für die Gasarbeit wichti­ gen Expansionsphase Wärme vom Arbeitsgas in die vorbekannten Wärmedämmschicht abfließt, steht bei der Erfindung die bislang während der Lastwechselphase abgeflossene Wärme zumindest weit­ gehend dem Antrieb zur Verfügung und wird nicht mehr wie bislang an das Frischgas abgegeben, wodurch sie ohne die erfinderische lehre für den Arbeitsprozeß verloren war. Insgesamt resultieren aus der erfindungsgemäß günstigeren Adiabatisierung der Verbren­ nungsmaschine bessere Verbrennungsvorgänge und geringe Schad­ stoffwerte sowie ein verbesserter Wirkungsgrad.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprü­ chen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit im Bereich der Kompressionszone angeordnet er Wärmedämmschicht,
Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung der Wärmedämmschicht nach Fig. 1 und
Fig. 3 ein das Dämmaterial aufweisendes Ausgangsprodukt zur Her­ stellung der Wärmedämmschicht nach Fig. 1 bzw. 2.
In Fig. 1 ist ein Brennraum einer Brennkraftmaschine und hier­ bei insbesondere eines Verbrennungsmotors dargestellt. Der Ver­ brennungsmotor weist u. a. das Zylindergehäuse 12, den Zylinder­ kopf 13, je nach Motorart eine Zünd- oder eine Glühkerze 14, Ventile 15, einen Kolben 16 mit Kolbenringen 17 und ggf. eine Einspritzdüse (nicht eingezeichnet) usw. auf.
Der Brennraum ist im Bereich der Kompressionszone 7, im Bereich der Ventilsitze 18, im Rereich der Ventile 15 und im Bereich des Kolbenbodens 8 des Kolbens 16 mit einer Wärmedämmschicht 1 be­ schichtet, deren Wärmeeindringzahl b kleiner 0.25 ist. Günstiger ist eine Wärmeeindringzahl b insbesondere unterhalb 0.1, da hierbei die Adiabatisierung des Verbrennungsmotors zunimmt. Die bessere Adiabatisierung kann darauf zurückgeführt werden, daß der Wärme- und damit der Energieübertritt von dem Arbeitsgas in die Wärmedämmschicht 1 und ggf. in das Basismaterial des zu be­ schichtenden, verbrennungs- und insbesondere wärmebeaufschlagten Teils, das der Wärmedämmschicht 1 nachfolgt, zumindest verrin­ gert ist.
Durch eine bislang vorbekannte Wärmedämmung allein ist dieser Effekt nicht erreichbar, da hierbei bei einem Verbrennungsprozeß im ersten Teil der für die Gasarbeit wichtigen Expansionsphase Wärme vom Arbeitsgas an die im vorbekannten Sinne isolierte Wär­ medämmschicht abfließt. Die derart an die vorbekannte Wärmedämm­ schicht und ggf. nachfolgende Schichten abgeflossene Wärme wird bislang während der Lastwechselphase an das Frischgas abgegeben und ist ohne die erfinderische Lehre für den Arbeitsprozeß ver­ loren. Erst durch die erfindungsgemäße Verwendung von Wärmedämm­ schichten 1 mit der angegebenen Wärmeeindringzahl b, die durch die hohe Gesamtporosität der erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht 1 realisierbar ist, ist der Betrag der bislang nutzlos abgeflos­ senen Wärme hinreichend verringert.
Die Wärmeeindringzahl b ist durch folgenden mathematischen Aus­ druck definiert:
wobei
b: die Wärmeeindringzahl in [J/(Kcm²√)-1],
ρ: die Dichte der Wärmedämmschicht 1 in [g/cm³]
λ: die Wärmeleitfähigkeit des Dämmaterials 4 in [W/cmK] und
C: die spez. Wärme des Dämmaterials 4 in [J/gK] ist.
Die oberen Grenzwerte dieser Materialeigenschaften der Wärme­ dämmschicht 1 bzw. des Dämmaterials 4 sind wie folgt
  • - die Dichte der Wärmedämmschicht 1 ist kleiner als 5.1 g/cm³, insbesondere kleiner als 3,6 g/cm³;
  • - die Wärmeleitfähigkeit des Dämmaterials 4 ist kleiner als 0.03 W/cmK, insbesondere kleiner als 0.01 W/cmK und
  • - die spezifische Wärme C des Dämmaterials 4 ist kleiner als 0.4 J/gK, insbesondere kleiner als 0,25 J/gK.
Die in Fig. 1 vorliegende Anordnung der Wärmedämmschicht 1 ist nur beispielhaft. Prinzipiell kann die Wärmedämmschicht 1 an al­ len verbrennungs- und insbesondere wärmebeaufschlagten Teilen wie Kolben 16, gesamte Zylinderlauffläche 6, Zünd- oder Glühker­ zen 14 usw. angeordnet sein kann.
Um die angesprochenen Teile mit der Wärmedämmschicht 1 beschich­ ten zu können, muß das Dämmaterial 4 bzw. die Wärmedämmschicht 1 hinsichtlich der an sie gestellten Beanspruchungen geeignet sein, weshalb das Dämmaterial 4 außer den bislang erwähnten Ma­ terialeigenschaften auch noch hitzebeständig, temperaturschock­ stabil und abriebfest sein muß. Als besonders vorteilhaft hat sich hierfür mit Yttriumoxid (Y₂O₃) und/oder mit Ceroxid (CeO₂) teilstabilisiertes tetragonales Zirkonoxid (t′-ZrO₂) erwiesen, wobei der Anteil von ZrO₂ und/oder Ceroxid (CeO₂) zwischen 6% und 10% insbesondere zwischen 7% und 9% beträgt.
Die Wärmedämmschicht 1 ist einem körnigem und/oder fasrigem Däm­ material 4 gebildet, dessen Körner 2 und/oder Fasern außenseitig miteinander verbundenen sind. In ihrem Innern weisen zumindest einige der Körner 2 und/oder der Fasern Innenhohlräume 5 auf. Im erfindungsgemäßen Sinne können unter aus außenseitig miteinander haftend verbundenen Körnern 2 und/oder Fasern gebildeten Wärme­ dämmschichten 1 auch Schäume verstanden werden.
Die Wärmedämmschicht 1 weist über ihr gesamtes eingenommenes Vo­ lumen eine hohe Gesamtporosität vom mehr als 20%, bevorzugt von mehr als 40% und besonders bevorzugt von mehr als 90% auf. Die Gesamtporosität der Wärmedämmschicht 1 ist hierbei die Summe aus einer Zwickelporosität und einer Innenporosität. Die Zwickel­ porosität ist im wesentlichen aus den Außenhohlräumen 3 gebil­ det, die zwischen den einzelnen aus Körnern 2 und/oder Fasern des Dämmaterials 4 der Wärmedämmschicht 1 angeordnet sind, wäh­ rend die Innenporosität im wesentlichen aus den Innenhohlräumen 5 der Körner 2 und/oder der Fasern innerhalb des Dämmaterials 4 gebildet ist.
Hierbei ist zu beachten, daß die Innenporosität größer als die Schlupflunkerporosität der Körner 2 bzw. Fasern ist, die bei ei­ nem ungeeigneten Erstarren der Körner 2 und/oder Fasern auftre­ ten kann. Der Anteil der Zwickelporosität beträgt prozeßbedingt i.a. zwischen 3 bis 15%. Der restliche Betrag zur Gesamtporosi­ tät wird von der Innenporosität aufgebracht.
Um eine gute außenseitige Haftung der Körner 2 und/oder Fasern des Dämmaterials 4 der Wärmedämmschicht 1 untereinander zu rea­ lisieren, weisen die Körner 2 und/oder Fasern eine das Dämmate­ rial 4 umgebende Kleberschicht 11 auf, deren Schichtdicke maxi­ mal 200 nm beträgt.
Zweckmäßiger Weise weist diese Kleberschicht 11 gleichzeitig ei­ ne korrosionsschützende Wirkung auf. Als Material für diese Kle­ ber- und Korrosionsschutzschicht 11 ist insbesondere Al₂O₃ ge­ eignet.
Des weiteren ist zwischen der Wärmedämmschicht 1 und dem Basis­ material des unbeschichteten verbrennungs-, insbesondere wärme­ beaufschlagten Teils eine Haftvermittlerschicht 9 angeordnet, die sinnvollerweise gleichzeitig als Korossionsschutzschicht ausgebildet ist.
Als zweckmäßiges Material für die Haftvermittlerschicht 9 ist insbesondere eine NeCrAlY-Legierung geeignet, wobei das Me­ tall (Me) die Stoffe Nickel (Ni) und/oder Eisen (Fe) und/oder Ko­ bald (Co) ist.
Die Beschichtung der verbrennungs-, und insbesondere wärmebeauf­ schlagten Teile mit der Wärmedämmschicht 1 kann bspw. durch vor­ gefertigte und vorgeformte Wärmedämmschichten 1 erfolgen.
Günstiger ist es jedoch, die Wärmedämmschicht mit einem Plas­ maspritzverfahren (APS) und/oder einem Elektronenstrahl physika­ lischen Beschichtungs-Verfahren [Electron Beam-Physical Vapor Deposition (EB-PVD)] aufzutragen.
Bei einem APS-Verfahren, das mit einem PT-F4-Brenner und einem Steuerschrank PT 2000 ausgeführt wurde, wurden als Ausgangsmate­ rial agglomerierte und/oder gesinterte Körner 2 und/oder Fasern eines Durchmessers zwischen 45 und 125 µm verwandt, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind. Die Körner 2 und/oder Fasern weisen innenseitig eine Kern 10 auf, der von dem Dämmaterial 4 umgeben ist. Das Dämmaterial 4, vorzugsweise mit 8 Gew.-% Y₂O₃ teilstabi­ lisiertes t′-ZrO₂₁ ist zumindest bereichsweise von der Kleber­ schicht 11 aus insbesondere Al₂O₃ umgeben, das zweckmäßigerweise in einem Sol/Gel-Prozeß aufgebracht ist.
Mit dem APS-Verfahren wurde eine Wärmedämmschicht 1 mit einer Schichtdicke von 2 mm hergestellt, wobei die weiteren Prozeßpa­ rameter wie folgt waren;
Spritzkonfiguration: Düse 300-002, Pulverrohrdurchmesser 2 mm, Pulverrohrstellung 12 : 00, Pulverrohrhalter 90° und Abstand der Düse zum Pulverrohr 6 min;
Spritzparameter: Stromstärke 55 A, Primärgas Argon (Ar) 37 l/min, Sekundärgas H₂ 10 l/min, Pulverträ­ gergas Ar 3.5 l/min, Pulverrate 40 g/min, Abstand des zu beschickenden Teils von der Düse 150 mm, Spritzwinkel des Plasmastrahls zum zu beschichtenden Teil 65° und Vorer­ wärmung des zu beschichtenden Teils 300°C.
Reim Auftragen der Wärmedämmschicht 1 wird der Kern 10, der aus einer bei dem Auftragsbedingungen verdampfbaren Substanz, insbe­ sondere aus einem Kunststoff gebildet ist, unter Ausbildung der für die Innenporosität verantwortlichen Innenhohlräume 5, ther­ misch durch Verdampfen entfernt. Bei der Entfernung des Kerns 10 kann die aus dem Dämmaterial 4 und aus der Kleberschicht 11 ge­ bildete Wandung eines Korns 2 und/oder einer Faser aufmanteln.
Des weiteren werden beim Auftragen der Wärmedämmschicht 1 auch gleichzeitig die Körner 2 und/oder Fasern mittels der Kleber- und Korrosionsschutzschicht 11 miteinander außenseitig haftend ver­ bunden, wobei sie gleichzeitig die die Zwickelporosität bedin­ genden Außenhohlräume 3 ausbilden.

Claims (22)

1. Brennkraftmaschine mit verbrennungs-, insbesondere wärmebe­ aufschlagten Teilen, insbesondere innerhalb des Brennraums, die zumindest teilweise mit einer aus hitzebeständigen, temperatur­ schockstabilen und abriebfesten Dämmaterial gebildeten porösen Wärmedämmschicht mit einer Gesamtporosität größer 20% beschich­ tet sind, die aus außenseitig miteinander verbundenen hohlen Körnern und/oder hohlen Fasern gebildet ist, wobei die Wärme­ dämmschicht (1) eine durch folgende Formel definierte Wärmeein­ dringzahl mit
b: Wärmeeindringzahl der Wärmedämmschicht in [J·(Kcm²√)-1]
ρ: Dichte der Wärmedämmschicht in [g/cm³]
λ: Wärmeleitfähigkeit des Dämmaterials in [W/cmK)
C: spez. Wärme des Dämmaterials in [J/gK]aufweist, die kleiner als 0,25 [J·(Kcm²√)-1] ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitfähigkeit λ des Dämmaterials (4) kleiner als 0.03 W/cmK ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeeindringzahl kleiner als0.1 [J·(Kcm²√)-1] ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtporosität der Wärmedämmschicht (1) einer Summe aus einer Zwickelporosität und einer Innenporosität entspricht, daß die Zwickelporosität aus Außenhohlräumen (3) gebildet ist, die zwischen den einzelnen Körnern (2) und/oder Fasern des Dämmate­ rials (4) der Wärmedämmschicht (1) bestehen, und daß die Innen­ porosität aus Innenhohlräumen (5) gebildet ist, die zumindest einige der Körner (2) und/oder der Fasern aufweisen, wobei die Innenporosität größer als eine Schlupflunkerporosität ist, und daß die Gesamtporosität größer als 40% des Gesamtvolumens der Wärmedämmschicht (1) ist, wobei die Zwickelporosität zwischen 3 bis 15% beträgt.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtporosität der Wärmedämmschicht (1) einer Summe aus einer Zwickelporosität und einer Innenporosität entspricht, daß die Zwickelporosität aus Außenhohlräumen (3) gebildet ist, die zwischen den einzelnen Körnern (2) und/oder Fasern des Dämmate­ rials (4) der Wärmedämmschicht (1) bestehen, und daß die Innen­ porosität aus Innenhohlräumen (5) gebildet ist, die zumindest einige der Körner (2) und/oder der Fasern aufweisen, wobei die Innenporosität größer als eine Schlupflunkerporosität ist, und daß die Gesamtporosität bis zu 90%, insbesondere bis zu 95% des Gesamtvolumens der Wärmedämmschicht (1) beträgt, wobei die Zwic­ kelporosität weniger als 15% beträgt.
5. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Wärmedämmschicht (1) kleiner als 5.1 g/cm³, insbesondere kleiner als 3,6 g/cm³ ist, daß die Wärmeleitfähig­ keit des Dämmaterials (4) kleiner als 0.01 W/cmK ist und daß die spezifische Wärme C des Dämmaterials (4) kleiner als 0.4 J/gK, insbesondere kleiner als 0,25 J/gK ist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Hubkolben-Brennkraftmaschine ist, daß das verbrennungs-, insbesondere wärmebeaufschlagte Teil eine Zylinderlauffläche (6) der Hubkolben-Brennkraftmaschine ist und daß die Zylinderlauffläche (6) zumindest im Bereich der Kom­ pressionszone (7) mit der Wärmedämmschicht (1) beschichtet ist.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Hubkolben-Brennkraftmaschine ist, daß das verbrennungs-, insbesondere wärmebeaufschlagte Teil ein Kolbenboden (8) der Hubkolben-Brennkraftmaschine ist und daß der Kolbenboden (8) die Wärmedämmschicht (1) aufweist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht (1) weitgehend aus insbesondere mit Yt­ triumoxid (Y₂O₃) und/oder mit Ceroxid (CeO₂) teilstabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂) gebildet ist.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Zirkonoxids (ZrO₂) und/oder des Ceroxids (CeO₂) zwischen 6% und 10%, insbesondere zwischen 7% und 9% beträgt.
10. Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wärmedämmschicht (1) und dem Basismaterial des unbeschichteten verbrennungs-, insbesondere wärmebeaufschlagten Teils eine Haftvermittlerschicht (9) angeordnet ist.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftvermittlerschicht (9) auch als Korossionsschutz­ schicht ausgebildet ist.
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftvermittlerschicht (9) eine MeCrAlY-Schicht ist, wo­ bei das Metall (Me) die Stoffe Ni und/oder Fe und/oder Co um­ faßt.
13. Verfahren zum Aufbringen einer Wärmedämmschicht auf ein ver­ brennungs-, insbesondere wärmebeaufschlagten Teil einer Brenn­ kraftmaschine, welche Wärmedämmschicht zumindest bereichsweise aus einem hitzebeständigen, temperaturschockstabilen und abrieb­ festen Dämmaterial besteht und bei der zur Ausbildung einer min­ destens 20% betragenden Gesamtporosität der Wärmedämmschicht diese aus hohlen Körnern und/oder aus hohlen Fasern gebildet ist, die außenseitig miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß für die Körner (2) und/oder Fasern ein Material so gewählt wird, daß das aus ihnen gebildete Dämmaterial eine Wärmeleitfä­ higkeit λ kleiner als 0.03 W/cmK aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Auftragen der Wärmedämmschicht (1) Körner (2) und/oder Fasern gewählt werden, die in ihrem Innern einen von dem Dämma­ terial (4) umgebenen, insbesondere thermisch entfernbaren Kern (10) aufweisen, und daß beim Auftragen und/oder bei vorliegender Wärmedämmschicht (1) der Kern (10) zur Bildung eines eine Innen­ porosität bedingenden Innenhohlraumes (5) entfernt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht (1) mittels Plasmaspritzen aufgetragen wird, wobei Körner (2) und/oder Fasern verwendet werden, die in ihrem Innern einen von dem Dämmaterial (4) umgebenen, insbe­ sondere thermisch entfernbaren Kern (10) aufweisen, und daß der Kern (10) unter Ausbildung eines eine Innenporosität bedingenden Innenhohlraums (5) beim Auftragen entfernt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (10) verdampft wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (10) unterhalb von 400°C verdampft wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Körner (2) und/oder die Fasern vor dem Verbinden zu der Wärmedämmschicht (1) außenseitig eine Kleberschicht (11) aufgetragen wird und daß bei der Ausbildung der Wärmedämmschicht (1) die Körner (2) und/oder die Fasern unter Zuhilfenahme der Kleberschicht (11) miteinander verbunden werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kleberschicht (11) bis zu 200 nm dick ist.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kleberschicht (11) aus Al₂O₃ besteht.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Körner (2) und/oder die Fasern die Kleberschicht (11) unter Zuhilfenahme eines Sol/Gel-Verfahrens aufgebracht wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht (1) durch ein Elektronenstrahl­ physikalisches Gasphaseabscheidungs-Verfahren [Electron Beam- Physical Vapor Deposition (EP-PVD)] und/oder durch ein atmosphä­ risches Plasmaspritzverfahren (APS) aufgetragen wird.
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