DE3439021A1

DE3439021A1 - Kolbenmotor mit phosphatisierter zylinderwandung

Info

Publication number: DE3439021A1
Application number: DE19843439021
Authority: DE
Inventors: Richard C. Mobile Ala. Fox
Original assignee: Teledyne Industries Inc
Current assignee: TDY Industries LLC
Priority date: 1983-11-02
Filing date: 1984-10-25
Publication date: 1985-06-05
Also published as: BR8405687A; JPS60221583A; NZ210074A; IT1183728B; IT8483631A0; GB2149058B; CA1234730A; SE8405305D0; SE8405305L; FR2554168B1; GB8427169D0; GB2149058A; AU3487684A; FR2554168A1

Description

Kolbenmaschine mit phosphatisierter Zylinderwandung

Die Erfindung bezieht sich auf Kolbenmaschinen, insbesondere vcn Luftfahrzeugen, mit einer gegenüber Rost widerstandsfähigen Zylinderwandung und mit verbessertem Kolbenring-Einpaßverhalten.

Kolbenmaschinen und insbesondere Verbrennungskraftmaschinen weisen typischerweise eine Mehrzahl von zusammengesetzten Zylindern auf. Diese zusammengesetzten Zylinder weisen gewöhnlich mindestens einen Zylinderkopf und mindestens einen Zylinder auf, der aus Stahl besteht

TO und am Kopf befestigt ist. Da das Gewicht der Maschine ein bedeutsamer Faktor für den Einsatz und die Wirksamkeit der Maschine ist, werden häufig Versuche unternommen, das Gesamtgewicht der Maschine zu reduzieren. Für Flugzeugmotore werden beispielsweise der oder die Zylinderköpfe häufig aus Aluminium, einer Aluminiumoder anderen Leichtmetall-Legierungen gewählt. Wegen zahlreicher Gründe bleibt jedoch Stahl das Material der Wahl für den Zylinder selbst.

Bei den Stahlzylindern, die gewöhnlich in Luftfahrzeugen verwendet werden, besteht dar Problem d<=r Rostbildung oder der rostartigen Korrosion der Zylinderbohrungen, speziell während der Lagerung oder der ersten wenigen Betriebsstunden des Motors. Das Problem ist insbesondere schwerwiegend, wenn die Maschine kurz läuft, beispielsweise nach dem Zusammenbau, und dann während längerer Zeit im Stillstand verbleibt. Wenn diese

Korrosion zugelassen wird, können sich Gruben in der Zylinderlauffläche bilden. Manches Mal ist die Korrosion so tiefgreifend, daß der Verschleiß der Kolbenringe und der Ölverbrauch nachteilig beeinflußt werden.

Es bestehen natürlich verschiedene Wege, die Bildung von Rost auf Stahloberflächen zu verhindern, aber wegen der Natur des zusammengebauten Zylinders von Luftfahrzeugen sind diese Wege nicht sehr nützlich. Ein Anstrich der Zylinderwandungen stört bei der Dichtfunktion der Kolbenringe, auch kann der Anstrich während der ersten Betriebsstunden von der Wandung abgerieben werden. Das Vorsehen einer Oxidschicht auf den Zylinderlaufflächen ist häufig nicht möglich wegen der Art der typischen Herstellung von Luftfahrzeugmotoren. Bei den ersten Herstellungsschritten wird nämlich der oder die Stahlzylinder an den Zylinderkopf aus Aluminium angebaut. Die für die Erzeugung von Oxidschichten auf der Zylinderlauffläche verwendeten Chemikalien sind gegenüber Aluminium häufig korrosiv und deren Anwendung deshalb nicht möglich.

Die Anwendung einer Schicht aus kristallinem Phosphat auf einer eisenhaltigen Oberfläche ist an sich bekannt, beispielsweise bei einem Motorkopf aus Stahl für eine Verbrennungskammer, wie in der US-PS 3 082 128 (Craig) beschrieben. Dies beschieht zur Reduzierung der Ablagerung von Kohlenstoff im Kopf während des Betriebs des Motors. Es wurde jedoch keine Literaturstelle gefunden, in der der Zylinder selbst und speziell die Zylinderlauffläche phosphatisiert wurden.

Darüberhinaus gelten phosphatartige Überzüge als relativ zerbrechlich (US-PS 3 297 493, Sp. 1, Z. 28-33). Es steht zu erwarten, daß ein Phosphatüberzug auf einer Zylinderlauffläche während des Betriebs der Maschine durch Verschleiß verschwindet, und zwar unter der schleifenden Reibung der Kolbenringe, oder daß eine solche Schicht den Abrieb der Kolbenringe ungünstig beeinflussen könnte. Die Möglichkeit der Störung der Abdichtfunktion der Kolbenringe könnte ebenfalls von einer

solchen Beschichtung erwartet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine mit einem zusammengesetzten Zylinder zu schaffen, der widerstandsfähig gegen Rost ist und verbesserte Verschleiß- und Abdichteigenschaften aufweist.

Der zusammengesetzte Zylinder weist einen Aluminiumzylinderkopf und einen daran befestigten Zylinderlauf aus Stahl auf. Nachfolgend zur Befestigung des Zylinderlaufs am Zylinderkopf wird die Oberfläche mindestens der inneren Zylinderwandung in eine integrale Schicht aus kristallinem Phosphat verwandelt.

Der Ausdruck "integrale Schicht aus kristallinem Phosphat" bedeutet, daß die Schicht auf einer eisenhaltigen Zylinderwandoberfläche nach der Behandlung durch entweder das nachfolgend beschriebene Phosphatisierungsverfahren existiert oder durch ein anderes, ebenfalls bekanntes oder danach entdecktes Phosphatisierungsverfahren erzeugt wird. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Phosphatisierungsverfahren umfaßt folgende Schritte:

Der Aluminiumzylinderkopf wird gegenüber der Phosphatisierung unempfindlich (inert) gemacht; es wird ein Stahlzylinder angebaut; der so zusammengesetzte Zylinder wird mit einer Lösung von Wasser, Zink und Phosphorsäure behandelt.

Das Verfahren des Zusammenbaus der Maschine umfaßt:

Befestigung mindestens eines Stahlzylinders an jedem von mindestens einem Zylinderkopf,

Anwendung einer Phosphatisierungslösung auf den so zusammengesetzten Zylinder,

Einfügung eines Kolbens und der zugehörigen Kolbenringe in jeden der mindestens so behandelten Zylinder. Das Verfahren der Hochzüchtung eines Motors schließt die Schritte des Zusammenbaus eines Motors gemäß den zuvor beschriebenen Schritten und dann die Kontrolle des Betriebs des Motors während des Einlaufens ein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigt einen Querschnitt nahe des Verbrennungsraums durch einen Teil eines zusammengesetzten Zylinders.

Ein Kolbenmotor 10 gemäß der Erfindung weist mindestens einen zusammengesetzten Zylinder 12 auf, der jeweils einen Zylinderkopf 14 und einen Zylinderlauf 16 aus Stahl besitzt. Die nachfolgende Beschreibung des Motors und des Verfahrens bezieht sich auf das Beispiel eines Luftfahrtmotors mit einer Mehrzahl von zusammengesetzten Zylindern, wobei jeweils ein Zylinderkopf aus Aluminium an einem einzelnen Stahlzylinder befestigt ist. Es ist klar, daß die Brauchbarkeit der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Art von Maschine beschränkt ist, sondern daß die Erfindung bei einem Motor mit einem oder mehreren Zylinderköpfen verwendet werden kann, wobei jeder Zylinderkopf einen oder mehrere daran befestigte Zylinder aufweist.

Einer der ersten Schritte bei der Montage eines Luftfahrtmotors ist der Zusammenbau des Zylinderlaufs 16 aus Stahl mit einem Zylinderkopf aus Aluminium. Der zusammengesetzte Zylinder 12 wird dann nachfolgenden Bearbeitungsschritten unterworfen, beispielsweise wird die Zylinderwandung 18 gehont. Der Innendurchmesser des Zylinderlaufs 16 ist etwas größer als der Durchmesser eines darin einzufügenden Kolbens 20 während der nachfolgenden Motormontage. Der Kolben 20 trägt mindestens einen Kolbenring 22, der zur betriebsmäßigen Abdichtung einer Verbrennungskammer 24 vorgesehen ist, die durch die Zylinderwandung 12, den Zylinderkopf 14 und den Kolben 20 umgrenzt wird.

Das neue Merkmal bei der Motormontage und dem Verfahren gemäß Erfindung ist das Vorsehen einer integralen Schicht aus kristallinem Phosphat 26 auf der Zylinderlauffläche aus Stahl bzw. der Zylinderbohrung 28. Diese Schicht wird wie folgt erzeugt:

1. Der Zylinderkopf 14 aus Aluminium wird getrennt gegenüber Phosphatisierung unempfindlich (inert)

gemacht, vorzugsweise indem er mit einer Chromatkonversionsbeschichtung versehen wird, wie dies bekannt ist. Alternativ kann der Zylinderkopf 14 durch Anodisierung oder ein entsprechendes Verfahren inert gemacht werden. 2. Der Zylinderlauf 16 wird an den Zylinderkopf 14 aus Aluminium zur Bildung eines zusammengesetzten Zylinders 12 befestigt. Das zusammengesetzte Bauteil wird gehont und gewaschen. Beim Waschen wird vorzugsweise die Zylinderbohrung 28 unter Verwendung einer ReinigungsmittellÖsung abgeschrubbt. Es ist jede Detergentien-, Seifen- oder Reinigungsmittellösung oder -flüssigkeit brauchbar, die nicht den zusammengesetzten Zylinder 12 korrodiert oder eine Ablagerung darauf läßt. Die Konzentration der Reinigungsmittellösung oder -flüssigkeit sollte genügend hoch sein, um die Zylinderbohrung frei von schädlichen Stoffen zu machen. Vorzugsweise wird eine Detergentienlösung mit 2 Unzen pro Gallone von Ridoline No. 53 (Produkt der Amchem Products, Inc.) in Wasser bei etwa 66⁰C verwendet.

3. a) Wenn die Lagerung oder der Transport der zusammengesetzten Zylinder 12 gewünscht wird, können diese durch Anwendung eines Öls geschützt werden. Vorzugsweise wird ein Öl entsprechend der militärischen Spezifikation VV-L-800 auf die Innenoberfläche der Zylinderbohrung 28 aufgebracht, es können aber auch andere Öle verwendet werden.

b) Das Schutzöl muß von dem zusammengesetzten Zylinder 12 entfernt werden, wenn dieser weiterbehandelt werden soll. Jede Detergentien-, Seifen- oder ReinigungsmittellÖsung oder -flüssigkeit, die den zusammengesetzten Zylinder 12 nicht korrodiert und keinen Niederschlag darauf hinterläßt und die das Schutzöl genügend entfernt, so daß dieses nicht den Phosphatisierungsschritt stört, ist brauchbar. Das bevorzugte Schutzöl kann durch Eintauchen der zusammengesetzten Zylinder 12 während 5 Minuten in eine Lösung entfernt werden, die ungefähr 4 bis 6 Unzen/Gallone Ridoline No. 53 oder ein entsprechendes Reinigungsmittel bei etwa 66 bis 71 ⁰G enthält. Dieses

oder ein entsprechendes Reinigungsmittel kann alternativ durch einen Vielschritt-Kraftreiniger oder dergleichen
ersetzt werden.

c) Wenn ein auf Wasser basierendes oder wasserlösliches Reinigungsmittel verwendet wird, wird der zusammengesetzte Zylinder 12 gründlich in kaltem Wasser nach dem Waschschritt gespült.

4. Der gereinigte, zusammengesetzte Zylinder 12 wird dann in eine Phosphatisierungslösung während genügend langer Zeit eingetaucht, um eine gleichförmige

grau-kristalline Schicht zu erzeugen. Die Lösung weist
vorzugsweise mindestens ein Zinksalz in einer Phosphorsäurelösung bei einem pH-Wert von ungefähr 2,8 bis 3,0
auf, welche auf eine Temperatur von ungefähr 68 bis

77⁰C gehalten wird. Die Phosphatisierungslösung kann auch einen oder mehrere Beschleuniger enthalten, beispielsweise Nickel oder dgl . Ein bevorzugtes Konzentrat für
die Phosphatisierungslösung ist Turco 4333 (Produkt der Turco Products, einer Abteilung der Purex Corporation).

Eine 3%ige Lösung von Turco 4333 sollte eine Phosphatschicht von etwa 1000 mg/Quadratfuß des Oberflächenbereichs erzeugen, wenn der zusammengesetzte Zylinder für etwa 5 bis 8 Minuten eingetaucht wird.

5. Der zusammengesetzte Zylinder 12 wird dann

in Wasser gespült, um die Phosphatisierung der Zylinderbohrung 28 zu beenden. Die Spülung kann in heißem Wasser von etwa 82⁰C vorgenommen werden, und der zusammengesetzte Zylinder 12 kann dann in Luft getrocknet werden, wenn er nach der Phosphatisierung mit Farbe versehen

werden soll. Vorzugsweise ist das Spülwasser jedoch kalt, und der Zylinder 12 wird mit Öl geschützt, wie nachfolgend beschrieben.

6. Der zusammengesetzte Zylinder 12 kann mit
einer Ölschutzschicht versehen werden, indem er in eine Lösung eines wasserlöslichen Öls bei Raumtemperatur getaucht wird. Vorzugsweise enthält die Lösung des wasserlöslichen Öls etwa 10 Vol.% eines wasserlöslichen Öls
der Spezifikation Turco 4454 (Produkt der Turco Products,

1 O

einer Abteilung der Purex Corporation). Alternativ kann der zusammengesetzte Zylinder 12 durch Anwendung eines das Wasser ersetzenden Schutzöls geschützt werden.

Der Motor 10 gemäß Erfindung weist den gemäß dem beschriebenen Verfahren präparierten, zusammengesetzten Zylinder 12 auf. Der so aufgebaute Motor zeigt ungewöhnliche und unerwartete Eigenschaften. Die integrale Schicht von kristallinem Phosphat 28 ist gegenüber abrassivem Verschleiß der Kolbenringe 22 widerstandsfähig, im Gegensatz zur Erwartung, daß die relativ weiche Phosphatschicht leicht abgeschliffen werden würde. Statt dessen bleiben die Phosphatkristalle bei Inspektion der inneren Zylinderwand 18 nach einer wesentlichen Betriebsdauer der so ausgebildeten Maschine sichtbar. Der gesamte Bereich der Zylinderwandung innerhalb der von den Kolbenringen überstrichenen Fläche zeigt typischerweise einen sichtbaren Phosphatbelag für etwa 100 Betriebsstunden. Nach etwa 200 Betriebsstunden bleiben Phosphatkristalle typischerweise in Tälern und Ritzen des gescheckten Musters innerhalb der von den Ringen überstrichenen Fläche sichtbar. Zusätzlich hat die gemäß Erfindung ausgebildete Maschine günstigere Eigenschaften hinsichtlich des Ölverbrauchs und einen verbesserten Kolbenringsitz während des Hochzüchtens (break-in), und zwar wegen der Phosphatschicht.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist eine Verbesserung bei den Verfahren zum Einfahren Maschinen. Das Einfahren umfaßt gewöhnlich den Motorzusammenbau und den kontrollierten Gebrauch des Motors für eine bestimmte Zeitperiode. Die Verbesserung dieser Verfahren besteht darin, eine integrale Schicht aus kristallinem Phosphat auf der Zylinderwandung vor dem Zusammenbau des Motors zu schaffen. Insbesondere besteht die Verbesserung darin, eine solche Schicht vor der Einfügung des oder der Motorkolben in den oder die so behandelten Zylindern zu erzeugen. Die Schaffung der Phosphatschicht geschieht vorzugsweise wie zuvor beschrieben .

Mit der Erfindung wird somit ein Motor geschaffen, der einen gegenüber Rost widerstandsfähigen Zylinder aufweist, der ferner einen verbesserten Einlauf der Kolbenringe und einen geringeren Ölverbrauch aufweist.

-4ft-

- Leerseite -

Claims

Teledyne Industries, Inc.

1901 Avenue of the Stars, Los Angeles CA 9006 7 Vereinigte Staaten von Amerika

Patentansprüche

1J Kolbenmotor
mit mindestens einem Zylinderkopf (14), mit mindestens einem Zylinder (16) aus Stahl, der mit dem jeweiligen Zylinderkopf (1 4) verbunden ist und eine innere Zylinderwandung (16) und eine Zylinderlauffläche (.28) aufweist,

mit einem Kolben (20), der jeweils in dem zugeordneten Zylinder (16) angeordnet ist, und

mit einem Kolbenring (22), der zwischen dem Kolben (20) und der Zylinderwandung (18) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderwandung (18) eine integrale Schicht (26) aus kristallinem Phosphat auf der Zylinderlauffläche (28) aufweist.
2. Kolbenmotor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Zylinderkopfs (14) frei von Korrosion infolge des Verfahrens zur Schaffung der integralen Schicht aus kristallinem Phosphat ist.
3. Kolbenmotor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Luftfahrtmotor handelt.
4. Kolbenmotor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Zylinder-

Sonnenberger Straße 43 6?00 Wiesbaden Telelon (C61?1) 562943/561998 Telex4186237 Telegramme Patenlconsult

Radeckestraße 43 BUCO München i0 Telefon (089) 883603/883604 Telex 5212313 Telegramme Patentconsult

Telefax (CCITT 2) Wiesbaden und München (089) 834 4618 Altention Patentconsult

kopfs frei von Korrosion infolge der Zusammensetzung ist, die für die Schaffung der integralen Schicht aus kristallinem Phosphat angewendet wird.
5. Kolbenmotor nach Anspruch 1,

wobei die integrale Schicht von kristallinem Phosphat durch Widerstand gegenüber Verschleiß infolge des Kolbenrings (22) während des Betriebs der Maschine gekennzeichnet ist.
6. Kolbenmotor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die integrale Schicht von der Art ist, daß sie das Einlaufen des Kolbenrings im Zylinder unterstützt.
7. Kolbenmotor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Verbrennungskraftmaschine handelt.
8. Kolbenmotor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (14) aus Aluminium besteht.
9. Kolbenmotor nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (14) aus Aliminium eine ChromatkonVersionsschicht trägt .
10. Verfahren zur Herstellung des Motors nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch folgende Schritte: es wird mindestens ein unphosphatisierter Stahlzylinder

(16) an einem Ende eines Zylinderkopfes (14) aus Alumi-

(1 2) nium befestigt, um einen zusammengesetzten Zylinder zu bilden;

die Wandung (18) des unphosphatisierten Zylinders (16) wird gehont;

die Oberfläche (28) der Wandung (18) wird in eine inte-

(26)
grale Schicht kristallisierten Phosphats umgewandelt.
11. Verfahren nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß der Umwandlungsschritt folgende Einzelschritte umfaßt:

a) Aufbringen einer Phosphatisierungslösung auf den zusammengesetzten Zylinder (12), wobei die Lösung Wasser, Zink und Phosphorsäure bei einem pH-Wert von

etwa 2,8 bis 3,0 hat und bei einer Temperatur von etwa 68 bis 77⁰C angewendet wird;

b) die Lösung wird während mindestens 5 Minuten zur Einwirkung auf den zusammengesetzten Zylinder gebracht;

c) die Lösung wird von dem zusammengesetzten Zylinder (12) abgewaschen.
12. Verfahren nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Zylinder (12) vor der Phosphatisierung zunächst gewaschen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Zylinder nach Phosphatierung mit einem Öl versehen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Zylinder in eine Lösung von wasserlöslichem Öl eingetaucht wird .
15. Verfahren zum Einfahren einer Maschine, wobei die Schritte der Montage der Maschine und Kontrolle des Betriebs der Maschine während der ersten Periode des Laufs angewendet werden, wobei der Montageschritt die Einfügung eines Kolbens und eines zugeordneten Kolbenrings in einen zusammengesetzten Zylinder des Motors einschließt und der zusammengesetzte Zylinder mindestens einen Zylinderkopf und mindestens einen Stahlzylinder aufweist, die miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine integrale Phosphatschicht an die Oberfläche des Zylinders nachfolgend dem Zusammenbau mit mindestens dem einen Zylinderkopf angewendet wird, aber vor der Einfügung des Kolbens und des Kolbenrings in den Zylinder.