DK172547B1 - Stempelringe og/eller stempel i en forbrændingsmotor af dieseltypen samt fremgangsmåde til indkøring af en dieselmotor - Google Patents

Description

DK PR 172547 B1 i

Den foreliggende opfindelse angår stempelringe og/eller et stempel i en forbrændingsmotor af dieseltypen, navnlig en totakts krydshovedmotor, hvis maksimale forbrændingstryk ved fuldlast overstiger 135 5 bar, og hvor stemplet er forsynet med flere, såsom fra tre til fem, stempelringe og bevæges i en frem- og tilbagegående bevægelse i en cylinderforing med en slaglængde på i det mindste 750 mm, hvilke stempelringe i monteret stand i ringspor, der i aksialretningen har 10 større højde end ringhøjden, har en yderdiameter på mindst 250 mm og hver har en radial yderside, der glider langs foringens inderside.

De allernyeste totakts krydshovedmotorer af dieseltypen er konstrueret til drift med meget høje 15 maksimale forbrændingstryk på mere end 135 bar. Disse høje tryk fremkalder meget store belastninger på stempelringene, dels fordi differenstrykkene over ringene nødvendigvis bliver store, når fra tre til fem ringe skal hindre trykket i forbrændingskammeret i at 20 forplante sig ned under stemplet, dels fordi de høje tryk frembragt ved kompressionen og forbrændingen ledsages af meget høje temperaturer, der indvirker negativt på de tribologiske forhold, så stempelringene og foringen lettere udsættes for rivninger, der be-25 skadiger stempelringene og foringen. For at tætne mod de høje tryk skal stempelringenes anlægstryk mod foringens inderside være højt. Dette fører til, at stempelringene har større tendens til at træde gennem smøreoliefilmen og områdevis køre tørt mod foringens 30 inderside.

De vanskelige smøringsforhold kan yderligere forværres af, at motorerne af miljøhensyn drives på brændsel, der er meget svovlfattigt eller helt svovlfrit. Brændslet og smøreolien indeholdt tidligere altid 35 svovl i forholdsvis store mængder, hvilket hjalp med DK PR 172547 B1 2 til opretholdelse af gode tribologiske forhold, fordi svovl er et udmærket smøremiddel.

Fra små firtaktsmotorer kendes eksempler på at forsyne en forbrændingsmotors stempelringe med en 5 belægning, der indeholder faststofsmøremidler. Således beskrives i DE-A 1 771 640 at et på stempelringe påsprøjtet slidlag af molybdæn kan modificeres ved at indbygge nikkelomkransede partikler af MoS2 i slidlaget for derved at modvirke den kraftige slidende påvirkning 10 på cylinderboringen som er konstateret ved slidlag, som udelukkende består af påsprøjtet molybdæn. US 5 239 955 beskriver et stempelskørt med et fastfilms smøremiddel, der omfatter grafit og MoS2 i en harpiks, fx en termo-hærdnende epoxy. Når motoren startes, overføres noget 15 af fastfilms smøremidlet til cylindervæggens inderside, så smøremidlet under den fortsatte drift vedvarende findes på både stempel og cylindervæg. Fra JP A 63-289374 kendes en stempelring med et hårdt, nitrideret slidlag og et meget tyndt yderlag i form af et fast-20 stofsmøremiddel indlejret i et metalsubstrat, jern eller nikkel. Yderlagets tykkelse er mindre end 0,02 mm, og laget slides derfor bort efter nogle få stempelslag. GB 938 120 foreslår problemer med indkøring af stempelringe løst ved, at stempelringens yderside 25 påsprøjtes en belægning i en tykkelse fra 0,025 til 0,125 mm og af et bindemiddel, et hårdt slibemiddel og et smøremiddel, fx aluminiumoxid og grafit bundet i en harpiks. Fra EP A2 0 126 323 kendes et cylinderelement med et indkøringslag, der har en sådan hårdhed og 30 slidstyrke, at det tager mindst 1000 driftstimer at bortslide laget. Den kendte teknik anviser således, at indkøringslagene skal indeholde hårde, slidbestandige elementer.

Forholdene i de for opfindelsen relevante store 35 motorer med høje maksimaltryk adskiller sig væsentligt DK PR 172547 B1 3 fra forholdene i firtaktsmotorer, hvor der for benzinmotorer anvendes maksimaltryk af størrelsesordenen 40 bar og for dieselmotorer maksimaltryk af størrelsesordenen 80 bar. Endvidere er firtaktsmotorernes rao-5 torblok, stempler og stempelringe fremstillet i letmetal, mens cylinderforingerne, stemplerne og stempelringene i de store motorer normalt er fremstillet i støbejern, støbestål eller stål for at være i stand til at modstå de store tryk- og temperaturpåvirkninger.

10 Forskellene i de anvendte materialer gør det vanskeligt at sammenligne egenskaber for påsprøjtede belægninger med hinanden, idet de tribologiske forhold, vedhæft-ningsforholdene, reaktionerne på termiske påvirkninger osv. afviger betydeligt mellem støbejern og stål på den 15 ene side og letmetaller, såsom aluminium, på den anden side.

Ved indkøringen af store krydshovedmotorer af dieseltypen, hvis maksimale forbrændingstryk ved fuldlast overstiger 135 bar, har der vist sig store 20 problemer med rivninger på foringens inderside og på stempelringenes ydersider. Det har i en række tilfælde været påkræves at skifte stempelringene ud og at efterbearbejde foringen, inden indkøringen var tilendebragt. I nogle tilfælde har det endda været nødven-25 digt at skifte stempelringene ud flere gange, inden motoren kunne belastes fuldt. Udover at dette har været både tids- og omkostningskrævende, griber det også forstyrrende ind i den initielle justering af motoren, som skal foretages i løbet af indkøringen.

30 Opfindelsen har til formål at anvise stempelringe og/eller stempler, der gør det muligt at foretage en hurtigere og mere problemløs indkøring af de aktuelle motorer ved at beskytte i det mindste stempelringene og fortrinsvis også stemplet mod rivninger, i det mindste 35 indtil motoren er belastet med fuld last.

DK PR 172547 B1 4

Med henblik herpå er stempelringene og/eller stemplet ifølge den foreliggende opfindelse ejendommelige ved, at stempelringenes radielle yderside og/eller et afsnit af stemplets radielle yderside i nyfrem-5 stillet stand på i og for sig kendt vis er forsynet med et indkøringslag, der omfatter et faststofsmøremiddel og en metallisk binder, at indkøringslaget i radialretningen har en tykkelse på mindst 0,1 mm og er af et materiale, der angivet i vægtprocent og bortset fra 10 almindeligt forekommende urenheder indeholder fra 5 til 60% af faststofsmøremidlet, såsom grafit, og 40-95% af den metalliske binder, såsom Ni, Al, Si, samt eventuelt op til 15% af en organisk binder, og at indkøringslagets makrohårdhed er mindre end 300 HV30.

15 I løbet af den initielle indkøring af stempel- ringene sker der en tilslibning af ringenes radielle ydersider til en facetteret facon. Da ringsporene har større højde end ringene, kan disse bevæges aksialt i det tilhørende ringspor, og ringene vil under ind-20 virkning af de store trykforskelle over ringene vippe eller vrides en smule i sporene, så ringenes ydersider danner en varierende vinkel med foringens inderside i løbet af stemplets frem- og tilbagegående bevægelse. De første mange gange ringene vipper, vil deres over-25 eller underkanter ligge an mod foringens inderside med et meget lille areal og tilhørende særdeles store fladetryk, der medfører hurtig bortslidning af ringmaterialet, antagelig fordi ringkanterne momentant træder gennem oliefilmen på foringens inderside. Efterhånden 30 som ringene opnår den facetterede facon forøges anlægsarealet og fladetrykket mindskes til under den grænse, hvor oliefilmen gennembrydes.

Hvis der i løbet af denne tilslibning er så ringe smøring mellem stempelringenes ydersider og foringens 35 inderside, at friktionen mellem de indbyrdes glidende DK PR 172547 B1 5 overflader fremkalder høje temperaturer, opstår der begyndende rivning på stempelringens anlægsareal mod foringen. Når først rivningen er opstået i et lokalt område, vil den dannede meget ru overflade på stempel-5 ringen forøge friktionen, så det for høje temperatumi-veau opretholdes, og rivningen vil brede sig over et større område af stempelringen, indtil denne er helt kassabel. Det ru rivningsområde på stempelringen kan også give rivninger på foringens inderside, og disse 10 medvirker også til det forhøjede temperaturniveau.

Da anlægstrykket vokser, når motorbelastningen og dermed maksimaltrykket øges, er det væsentligt, at indkøringslaget beskytter mod fremkomsten af rivninger, indtil motoren har været drevet ved fuldlast i et 15 tidsrum, der tillader færdigslibning af facetterne på ringydersiden. For at opnå dette skal indkøringslaget have en tykkelse på mindst 0,1 mm. Det er muligt at anvende væsentligt tykkere indkøringslag, såsom lag med tykkelser på 0,15, 0,19 eller 0,25 mm eller endog 1 20 eller 2 mm eller tykkere, idet facetterne i første omgang indslibes i indkøringslaget, hvorefter facetterne i den sidste del af eller efter afslutningen af indkøringen langsomt indslibes i det bagvedliggende, væsentligt hårdere stempelringsmateriale. Denne færdig-25 indslibning med samtidig fjernelse af indkøringslaget foregår på et tidspunkt, hvor ringens anlægsareal mod foringen er så stort, at smøreoliefilmen ikke brydes.

Det er væsentligt for opfindelsen, at indkøringslaget er blødt med en makrohårdhed på mindre end 300 30 HV30. Ved de aktuelle store motorer med høje maksimaltryk har det hidtil været en fast antagelse, at stempelringenes ydersider skulle bestå af hårdt materiale, i det mindste i løbet af den del af indkøringsperioden, hvor motorbelastningen blev sat op til over 50%. Med 35 opfindelsen er erkendt, at stempelringene med blødt DK PR 172547 B1 6 indkøringslag godt kan modstå de store påvirkninger, der forekommer i det øvre belastningsområde for motoren, og at facett ilslibningen med fordel kan foretages i blødt materiale, der hurtigere slibes i facet-5 faconen.

Indkøringslagets indhold af fra 5 til 60% af et faststofsmøremiddel sikrer opretholdelse af tilstrækkelig smøring, mens den indledende tilslibning foregår, indtil anlægsarealet bliver tilstrækkelig stort til, at 10 stempelringen ikke træder gennem oliefilmen. Hvis der er mindre end 5% af faststofsmøremidlet, bliver de tribologiske forhold for dårlige, og hvis indholdet er større end 60% er det vanskeligt at binde smøremidlet tilstrækkeligt godt til stempelringens yderside. Som 15 faststofsmøremiddel foretrækkes grafit, men det er også muligt at anvende andre velkendte smøremidler, såsom MoS2, LiP og CaF2. Som metallisk binder foretrækkes Ni eller Al, der begge er bløde metaller, men andre bløde metaller, såsom Cu, Ag, Si eller Zn kan også anvendes.

20 I en foretrukken udførelsesform er indkøringslaget termisk sprøjtet på et støbt stempelrings- eller stempelemne af stål, støbestål eller støbejern. Den termiske påsprøjtning er en meget velkendt process, der er højtydende og kan anvendes til påførsel af belæg-25 ninger med meget varierende sammensætninger. De termisk påsprøjtede belægninger kan endvidere bringes til at hæfte passende godt på overfladen af stål eller støbejern. Som alternativ til termisk påsprøjtning kan belægningen påføres ved neddypning i et smeltebad af 30 det ønskede indkøringslag, men ved denne påførings-metode kan det være vanskeligere at styre den termiske påvirkning på stempelringene eller stemplet.

Det er velkendt at forsyne et støbt stempelringsemne med et hårdt slidlag for at forlænge ringenes 35 levetid. Der kan eksempelvis henvises til stempelringe DK PR 172547 B1 7 af støbejern, der af det svenske firma DAROS AB forsynes med hårde slidbelægninger med de kommercielle betegnelser PM2, PM10 eller PM14. Disse belægninger indeholder partikler med mikrohårdheder på over 1800 HV 5 og er termisk påsprøjtet på ringydersiden. For at hindre disse meget hårde partikler i at fremkalde rivninger på cylinderforingen foretages der en blankslibning af belægningens yderside. Som følge af fremstillingstolerancerne på cylinderforingen og stempel-10 ringene vil de nyfremstillede stempelringe sædvanligvis ikke over hele omkredsen ligge 100% an mod foringen.

Tætningen mellem stempelringen og foringen kan forbedres ved at påføre den hårdpålagte og glatslebne ringyderside en meget tynd belægning af kobber eller rent 15 grafit. De steder, hvor foring og stempelring ligger an mod hinanden, slides denne tynde belægning bort efter et par stempelslag, mens den kan restere lidt længere og tætne på steder, hvor pasningen mellem ringen og foringen ikke er helt præcis. Hvis et sådant støbt 20 stempelringsemne af stål, støbestål eller støbejern, der ved termisk spøjtning er påført et slidlag af et materiale, der punktvis har mikrohårdheder på mere end 1200 HV, ønskes påført et indkøringslag ifølge opfindelsen, så foretrækkes det, at den ved påsprøjt-25 ningen af slidlaget fremkomne overfladeruhed opretholdes, indtil indkøringslaget er påsprøjtet uden på slidlaget. Det giver naturligvis en fordelagtig forenkling af fremstillingsprocessen, at slibningen af det påsprøjtede slidlag kan udelades, men det er mere 30 væsentligt, at indkøringslaget for at opnå den ønskede virkning må have en sikker vedhæftning på stempel-ringens yderside, hvilket er vanskeligt at opnå på en glatslebet, hård overflade. Ved utilstrækkelig vedhæftning, kan indkøringslaget områdevis brække af i 35 flager, inden der er sket den ønskede facetterede DK PR 172547 B1 8 tilslibning.

Det er velkendt, at også stemplet kan påføres rivninger ved indkøringen. Det foretrækkes derfor, at det støbte stempelemne af stål, støbestål eller støbe-5 jern på det øvre afsnit af den radielle yderside, der ligger mellem ringsporet for øverste stempelring og stempeltoppen, er forsynet med et termisk påsprøjtet lag med en total lagtykkelse beliggende i intervallet fra 0,1 til 5 mm, hvoraf indkøringslaget udgør den 10 yderste del af laget. Ved at opbygge det påsprøjtede lag til en tykkelse, der er væsentlig større, end hvad der er påkrævet til selve indkøringslaget, opnås, at ringrummet mellem stemplet og cylinderforingens inderside i området oven over den øverste stempelring 15 udfyldes af det selvsmørende materiale, der ved kontakt med cylinderforingens inderside er ude af stand til at fremkalde rivninger. Udfyldelsen af dette ringrum giver den yderligere fordel, at den øverste stempelring beskyttes mod det meget høje temperaturniveau, der 20 forekommer i forbrændingskammeret. De høje temperaturer har negativ indflydelse på smøringsforholdene, fordi smøreoliefilmen lettere brydes ved høj temperatur. Udførelsesformen giver således en fordelagtig forbedring af smørings forholdene omkring øverste stempelring, 25 hvilket mindsker risikoen for rivninger, både i løbet af indkøringen og også ved den efterfølgende sædvanlige motordrift.

I en yderligere udførelsesform er det støbte stempelemne af stål eller støbej em forsynet med det 30 termisk påsprøjtede indkøringslag på det nedre afsnit af den radielle yderside, der ligger mellem ringsporet for den nederste stempelring og stemplets nederste afslutning. I den foreliggende forbindelse skal forstås, at stemplet kan inkludere et stempelskørt, der er 35 et påboltet nedre stempelstykke, der strækker sig ned DK PR 172547 B1 9 til stemplets nedre afslutning. I dette nedre afsnit, der typisk befinder sig på stempelskørtet, kan stemplet berøre cylinderforingens inderside. Ved at forsyne dette afsnit med et indkøringslag modvirkes rivnings-5 dannelser på stemplet i løbet af indkøringen, hvor cylunderforingens inderside er forholdsvis ru. Efterhånden som de højeste punkter slides bort fra cylinderforingens inderside, mindskes risikoen for rivningsskader på stemplet, og det er derfor tilstrækkeligt at 10 påføre et egentligt indkøringslag på det nedre stempel-afsnit.

Det er muligt kun at påføre indkøringslaget på stempelringene, men det foretrækkes, at alle stempel-ringene er påført indkøringslaget, og at stemplet i det 15 mindste er påført indkøringslaget i sit nedre afsnit beliggende under ringsporet for den nederste stempel-ring, idet dette giver mulighed for at foretage en hurtigere indkøring af motoren, fordi risikoen for rivningsskader på stemplet og stempelringene dermed er 20 væsentligt nedsat.

Den foreliggende opfindelse angår endvidere en fremgangsmåde til indkøring af en totakts krydsho-vedmotor af dieseltypen, hvis maksimale forbrændingstryk ved fuldlast overstiger 100 bar, og hvor motoren 25 for mindst en af cylindrene har en cyl inder foring, hvori et stempel med flere nyfremstillede stempelringe er bevægeligt i en frem- og tilbagegående bevægelse med en slaglængde på i det mindste 750 mm, hvor hver stempelring har en yderdiameter på mindst 250 mm og en 30 radial yderside, der ligger an mod foringens inderside.

Den kendte metode til indkøring af en sådan motor strækker sig typisk over mange timer, hvor der sker en trinvis øgning af motorbelastningen med mellemliggende standsninger af motoren, hvor stempelringene inspiceres 35 for rivninger, inden belastningen øges. Normalt startes DK PR 172547 B1 10 der med en halv times drift af motoren ved omtrent 15%'s belastning, hvorefter stempelringene inspiceres.

Derefter startes motoren igen og køres trinvis op på omtrent 40%'s belastning i løbet af et par timer, og 5 efter fornyet standsning af motoren i en halv time, startes motoren og køres trinvis op på 90%'s belastning i løbet af mindst tre timer, hvorefter belastningen øges til 100%. Motoren bringes således første gang op på fuld belastning efter en samlet driftstid på mindst 10 6 timer, hvorefter der standses og foretages fornyet kontrol. Til trods for denne langsomme indkøring er der som nævnt ovenfor for de nyeste motorer konstateret betydelige problemer med rivninger af stempelringene.

Når det har været nødvendigt at isætte nye stempel-15 ringe, har indkøringsproceduren skullet gentages forfra.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at motoren startes og bringes op på fuld belastning inden for en samlet driftstid på højst tre timer, 20 i hvilket tidsrum der til foringens inderside overføres i det mindste en del af et indkøringslag, der inden motoren startes er placeret på de nyfremstillede stempelringes radielle ydersider og/eller et afsnit af stemplets radielle yderside, og som inden motoren 25 startes i radialretningen har en tykkelse på mindst 0,1 mm og er af et materiale, der har en makrohårdhed på mindre end 300 HV30. Når der er tale om indkøring af nyfremstillede stempelringe i en nyfremstillet cylinderforing, kan motoren inden for den samlede driftstid 30 på højst tre timer bringes op på fuld belastning, hvor det maksimale forbrændingstryk overstiger 135 bar.

Det bløde, passende tykke indkøringslag muliggør et indkøringsforløb, hvor belastningen væsentligt hurtigere øges op til fuldlast samtidig med, at risiko-35 en for rivnings skader er væsentlig mindre end i de DK PR 172547 B1 11 kendte motorer af den pågældende type. Den hurtigere og mere sikre indkøring giver en væsentlig besparelse i det tidsforbrug, der medgår i forbindelse med klargøringen af motoren. Samtidig bliver det i højere grad 5 muligt at koncentrere indkøringen omkring de justeringer af motorens komponenter, som nødvendigvis skal foretages, såsom justering af brændslets indsprøjtningsforløb og af turboladersystemet.

I tillæg til at det bløde indkøringslag giver en 10 hurtig slibning af facetterne på stempelringenes indersider, afsættes det afslebne materiale på foringens inderside, navnlig i dennes øverste afsnit.

Dette skyldes, at trykket i forbrændingskammeret er størst i den del af motorcyklussen, hvor stenplet 15 bevæger sig de første 20°'s krumtapdrejning ned fra sit topdødpunkt, og slibningen sker, når trykket er højt.

Det afsatte materiale på foringens inderside hjælper med til at frembringe rivningshindrende smøreforhold, og afsætningen i cylinderforingens øverste område 20 hjælper netop der, hvor den smøreoliebaserede smøring har sværest ved at fungere, fordi temperaturen er høj.

Opfindelsen giver mulighed for at anvende en cylinderforing, hvis inderside er af et påsprøjtet slidlag. Det er også muligt at anvende opfindelsen på en motor, hvor 25 foringen på sin inderside er forsynet med et indkøringslag af blødt materiale, der er placeret oven på det hårde slidlag.

Det foretrækkes, at motoren bringes op på fuld belastning inden for en samlet driftstid på højst halvan-30 den time, hvilket stort set svarer til den driftstid, der er krævet af hensyn til indkøringen af motorens lejer og til justeringerne af motorens komponenter.

Dette indkørings for løb er dermed ikke bestemt af hensyn til at undgå rivninger på cylinderkomponenterne.

35 Stempelringene i en dieselmotor slides gradvist og DK PR 172547 B1 12 har kortere levetid end cylinderforingerne. Når stempelringene i en cylinder i de kendte motorer skal udskiftes, er det nødvendigt at foretage en indkøring med gradvist øgende belastning over mange timer, såsom 5 i løbet af 6 timer. Dette sker typisk på et skib, der ønskeligt skal holde en forudbestemt sejlplan, og hvor forsinkelser kan påføre rederen store omkostninger, typisk på omkring 25.000 - 40.000 USD per døgn. Det er åbenlyst fordelagtigt, hvis det er muligt at nedbringe 10 den indkøringstid, der er nødvendig efter montering af et nyt sæt stempelringe på en cylinder i motoren.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen muliggør, at et stempel med flere nyfremstillede stempelringe med indkøringslag placeres i en tidligere ibrugtaget 15 cylinderforing, og at motoren startes og bringes op på fuld belastning inden for en samlet driftstid på højst én time. Med en så kort indkøringstid af nye stempelringe er det uproblematisk at skifte ringene ved et helt sædvanligt havneophold, idet indkøringstiden er 20 mindre end den tid, der normalt går fra motoren startes og til der gives kommando om sejlads ved fuld last.

Eksempler på opfindelsen forklares herefter nærmere med henvisning til den stærkt skematiske tegning, hvorpå 25 fig. 1 viser et længdesnit gennem den øverste del af en cylinderforing, hvor stemplet med stempelringene befinder sig i det øvre dødpunkt, fig. 2 et tværsnit gennem en stempelring, der er påført et indkøringslag direkte på det støbte ringma-30 teriale, fig. 3 et tværsnit gennem en anden udførelsesform for en stempelring, der er påført et indkøringslag uden på et hårdt slidlag, der er sprøjtet på det støbte ringmateriale, 35 fig. 4 i udsnit et sidebillede af et stempel DK PR 172547 B1 13 ifølge opfindelsen, og fig. 5 et diagram over et eksempel på en fremgangsmåde ifølge opfindelsen til indkøring af en motor.

I fig. 1 ses det øverste afsnit af en generelt med 5 1 betegnet cylinderforing til en stor totakts krydsho-vedmotor, der kan anvendes som stationær motor til drift af en elgenerator eller som fremdrivningsmotor i et skib. Afhængigt af motorstørrelsen kan cylinderforingen udføres i forskellige størrelser med cylinder-10 boringer, der typisk kan ligge i intervallet fra 250 mm til 1000 mm, og tilsvarende typiske længder, der kan ligge i intervallet fra 1000 mm til 4500 mm. Foringen fremstilles normalt i støbejern eller i stål eller i støbestål, der på foringens inderside er forsynet med 15 et påsprøjtet slidlag, og den kan være i et stykke eller delt i mindst to stykker, der er samlet i forlængelse af hinanden. Det er også muligt ved den delte foring at lave det øvre stykke i et andet grundmateriale end det nedre stykke.

20 Foringen er på velkendt vis monteret i den kun delvis viste motor ved at en rundtgående, nedadvendende flade 3 positioneres på toppladen 4 i motorens stativ eller cylinderblok, hvorefter et stempel 5 monteres i cylinderforingen, og et cylinderdæksel 6 anbringes på 25 toppen af foringen på dennes rundtgående, opadvendende flade 7 og spændes fast til toppladen ved hjælp af ikke viste dækseltappe.

I cylinderforingens nedre afsnit er der en rundtgående række af ikke viste skylleluftporte. Stemplet er 30 bevægeligt i foringens længderetning mellem et topdød-punkt, hvor stempeloversiden 9 befinder sig oppe i en udboring i cylinderdækslet 6, og et bunddødpunkt, hvor stempeloversiden 9 befinder sig umiddelbart under den nedre afslutning af skylleluftportene.

35 Stemplet er gennem en stempelstang 10, et krydsho- DK PR 172547 B1 14 ved og en plej Istang på velkendt vis forbundet med motorens krumtapaksel. For hver gang krumtapakslen udfører en drejning på 360° bevæges stemplet fra bunddødpunktet til topdødpunktet og tilbage igen.

5 Cylinder for ingen 1 er i det øvre afsnit beliggende mellem fladerne 3 og 7 udformet med større ydre diameter, og i toppen af dette afsnit er mange langstrakte køleboringer 14 boret således op i foringens væg fra en udvendig recess 15, at de rette køleboringers læng-10 deakser forløber skråt eller vindskævt i forhold til foringens længdeakse. I hver køleboring er indsat et rør eller en ledeplade, der styrer det indstrømmende kølevand fra recessen 15 op til boringens øvre blindende, hvorfra kølevandet strømmer nedefter og ud i et 15 kammer 16, hvorfra vandet via rør 17 ledes op i cylinderdækslet. Det skal bemærkes, at køleboringerne er tegnet som om deres længdeakser forløb i snitplanet, selv om de i realiteten forløber skråt i forhold hertil. Recessen 15 er omgivet af en rundtgående 20 skærmplade 18. Det er velkendt, at køleboringerne kan have andre udformninger, fx krumme rør, der er indstøbt i foringens væg og udmunder i et kammer ved toppen af foringens yderside.

Cylinderf oringen kan på indersiden 13 være for-25 synet med et eller flere termisk påsprøjtede, hårde slidlag, der kan være af keramik, en blanding af keramik og metal, det såkaldte cermet, eller et slidlag bestående af meget hårde partikler lejret i en forholdsvis blød metallisk matrix. Matrixen kan eksempel-30 vis omfatte Cr, Ni og/eller Mo, og de hårde partikler kan eksempelvis være carbider, nitrider, borider og/eller oxider. Et af slidlagene kan også være af en blanding af molybdæn og molybdænoxid. Det er endvidere muligt at forsyne foringen med et inderste, blødt 35 indkøringslag, der kan omfatte grafit fikseret i en DK PR 172547 B1 15 binder af Ni, Mo, Al eller Ag. Det er også muligt at udelade det bløde indkøringslag på foringens inderside, hvilket giver en hurtigere tilslibning af stempelringene, fordi de i så fald glider direkte mod for-5 ingens hårde slidlag eller mod foringens støbte grundmateriale. Cylinder for ingen kan være fremstillet med et bølgeformet mønster i sin inderside, hvor bølgetoppene i mønstret er fjernet. Det er muligt at fremstille foringen med det pågældende mønster langs hele inder-10 siden. Mønstret kan også være forarbejdet alene i et øvre afsnit af foringen, såsom det afsnit, der be-stryges af stempelringene i de første 40% af det nedovergående stempelslag. Afsnittet kan også have andre relative størrelser, såsom 20%, 25%, 30% eller 15 35% eller mellemliggende værdier. Det bølgeformede mønster hjælper med til at opretholde de bedst mulige smøringsforhold mellem stempelringene og foringens inderside, idet der i bunden af bølgedalene kan samle sig smøreolie, som forsyner plateauområderne mellem 20 bølgedalene med smøreolie. Når de nye stempelringe indkøres i den nye foring, glider stempelringenes ydersider på de tilnærmelsesvis plane plateauområder.

Stemplet 5 er i fig. 1 vist i topdødpunktet.

Stemplet er forsynet med fire stempelringe, der ge-25 nerelt betegnes med 19, hvoraf den øverste stempelring er en standard skrålåsring eller er af gastæt type, dvs. ringens deling er udformet således, at gas er i det væsentlige hindret i at strømme gennem ringdelingen. Dette kan eksempelvis ske ved, at ringens ene 30 ende har en flad udragende tap, der rager ind i en modsvarende udsparing i ringens anden ende. Den næstø-verste stempelring, den tredieøverste stempelring og den nederste stempelring kan være sædvanlige ringe, hvis ringdeling er udformet som en spalte, der forløber 35 skråt i omkredsretningen fra ringover- til ringundersi- DK PR 172547 B1 16 den, eller kan være af den tilnærmelsesvis gastætte type.

Stempelringen 19 i fig. 2 omfatter et støbt stempelringsemne 30 af støbej em. På den radielle 5 yderside 31 er emnet ved hjælp af termisk påsprøjtning påført et indkøringslag 32 i en tykkelse på mindst 0,1 mm. Stempelringen 19 i fig. 3 omfatter et støbt stempelringsemne 34 af stål eller støbestål. Da emnet ikke er af støbejern er det nødvendigt på den radielle 10 stålyderside 35 at påføre et slidlag 36 af et materiale, der har tilfredsstillende glideegenskaber mod cylinderforingens inderside, såsom et af det svenske firma DAROS AB fremstillede materialer PM2, PM10, PM14, PM20, PM28 eller LI. På den radielle yderside 33 af 15 slidlaget er der ved hjælp af termisk sprøjtning påført et indkøringslag 37 i en tykkelse på mindst 0,1 mm. Indkøringslagene på stempelringene kan også have større tykkelse end 0,1 mm, såsom en tykkelse beliggende i intervallet fra 0,13 til 3,0 mm, fortrinsvis højst 2,0 20 mm.

I fig. 4 ses et udsnit af stemplet 5, hvor det midterste stempelafsnit er udeladt. På stemplets radielle yderside er der i et øvre afsnit 38, der strækker sig fra ringsporet for den øverste stempelring 25 op til en not 39 for montering af et stempelløfteværktøj, ved hjælp af termisk sprøjtning påført et blødt lag 40 i en tykkelse på fra 0,1 til 5 mm. Den yderste del af dette lag virker som indkøringslag, og laget er af samme sammensætning som indkøringslagene anvendt til 30 stempelringene. Det nederste stykke af stemplet består af et stempelskørt 41, der er boltet fast til stemplets øverste del. Skillefladen mellem de to dele er markeret med punkteret linie. Ydersiden af stempelskørtet er ved hjælp af termisk sprøjtning påført et indkøringslag 42 35 i en tykkelse på mindst 0,1 mm.

DK PR 172547 B1 17

Det er meget velkendt at påsprøjte materialelag på runde emner ved hjælp af termisk sprøjtning. Der kan eksempelvis være tale om flammesprøjtning, plasmasprøjtning, HVOF sprøjtning eller lysbuesprøjtning.

5 Metoder til påsprøjtning er eksempelvis beskrevet i EP-B 0 341 672, EP-A 0 203 556, W095/21994 og i W095/-02023. Ved påsprøjtningen anvendes eksempelvis et til-satsmateriale, der angivet i vægtprocent og bortset fra almindeligt forekommende urenheder kan omfatte en af 10 følgende sammensætninger: (a) fra 5 til 60% grafit og fra 40 til 95% Ni, (b) fra 5 til 60% grafit og fra 40 til 95% Al, (c) fra 5 til 60% grafit og fra 40 til 95% Si og/eller

Al, eller 15 (d) fra 5 til 60% grafit, fra 20 til 90% Si og/eller Al og fra 5 til 15% organisk binder.

Der foretrækkes en sammensætning, hvor tilsatsmaterialet omfatter fra 20 til 25% grafit og fra 75 til 80% Ni og/eller Al, eller en sammensætning, hvor 20 tilsatsmaterialet omfatter fra 15 til 25% grafit og fra 75 til 85% Ni og/eller Al.

Eksempel 1:

Fire stempelringe af støbejern og med en yderdiameter 25 på knap 600 mm blev opspændt ved siden af hinanden og blev påført et indkøringslag ved hjælp af et standard plasmasprøjteapparat af fabrikatet METCO. Afstanden mellem sprøjtehovedet og stempelringenes yderside var 115 mm, og der blev anvendt en strømstyrke på 500 A.

30 Den indbyrdes rotation mellem sprøjtehovedet og stempelringene blev indstillet til 27 rpm og tilspændingen i ringenes aksialretning blev indstillet til 7 mm per omdr. Der blev tilført pulverformet udgangsmateriale af nikkelbelagte grafitkugler med sammensætningen 20% 35 grafit og 80% nikkel i en mængde på 95 g per minut, DK PR 172547 B1 18 hvilket afsatte et lag på 0,02 mm per passage af indersiden. Som bæregas blev anvendt nitrogen. Laget blev opbygget til en tykkelse på 0,15 mm. Den gennemsnitlige hårdhed af laget blev målt til 140 HV30.

5 Stempelringene blev adskilt, og blev uden yderligere efterbehandling monteret på et stempel i en standard cylinderforing i en totakts krydshovedmotor. Motoren havde et normalt maksimalt forbrændingstryk på 145 bar.

Efter en halv times initialdrift ved 15% belastning 10 blev belastningen i løbet af et kvarter øget til 100%, hvorefter driften fortsatte i halvanden time, motoren blev standset, og cylinderforingen blev inspiceret. Der kunne ikke konstateres tegn på egentlige rivninger, hverken på stempelringenes ydersider eller på foringens 15 inderside. Der kunne konstateres indslebne facetter i stempelringenes ydersider, hvilket indikerer, at den fortsatte drift med stempelringene kan ske uden dannelse af rivninger. Der kunne også konstateres, at en del af indkøringslaget fra stempelringene var blevet afsat 20 på cyUnderforingens inderside i den øverste fjerdedel af det område, der bestryges af stempelringene.

Eksempel 2?

Et stempelskørt til en totakts krydshovedmotor med en 25 cylinderboring på 350 mm blev på sin cylindriske yderside ved hjælp af flammesprøjtning påført et indkøringslag af samme type som ovenfor i en tykkelse på 1 mm. Efter påførslen blev lagets gennemsnitlige hårdhed målt til 75 HV30. Stemplet inklusive stempel-30 skørtet blev monteret i motoren i en traditionel cylinder foring, og cylinderen blev indkørt på den traditionelle måde. Efter indkøringen kunne der ikke konstateres rivninger på stempelskørtet.

35 I fig. 5 illustrerer et eksempel på en fremgangs- DK PR 172547 B1 19 måde til indkøring af en ny dieselmotor af krydshovedtypen, hvor motorens stempelringe er påført et blødt indkøringslag af ovennævnte art. Efter samlingen af motoren startes der med et køre i en halv time ved en 5 belastning på 15%, hvorefter motoren standses og stempelringenes tilstand inspiceres. Efter et stop på en halv time øges belastningen med femminutters intervaller fra 15% til 25%, 40% og 50%, hvorefter der i en halv time køres med 50%'s belastning. Derefter øges 10 belastningen uden standsning af motoren med femminutters intervaller til belastningerne 60%, 75%, 85%, 90% og endelig 100%. Den fulde motorbelastning er således opnået efter en samlet driftstid på lidt over halvanden time. Denne hurtige indkøring til fuld belastning er 15 muliggjort af det bløde indkøringslag på stempelringene. Det er også muligt at fortage indkøringen med andre gradvise belastningsændringer.

I et ekstraordinært forsøg med en motor af den aktuelle type med en cylinderstørrelse på 350 mm og med 20 et normalt maksimalt forbrændingstryk på 145 bar, blev der foretaget en halv times initialdrift ved en belastning på 15% for tilkøring af hovedlejerne, hvorefter belastningen i løbet af et kvarter blev øget gradvist til 100%. Den fulde belastning blev opretholdt 25 i én time, hvorefter motoren blev standset og stempelringenes tilstand blev inspiceret. Det kunne overraskende konstateres, at der ikke var rivninger på ydersiden af stempelringene på trods af den særdeles bratte indkøring.

30 Makrohårdheden af indkøringslaget afhænger af lagets sammensætning og af påførselsmetoden. Makrohårdheden afhænger af de enkelte bestanddeles mikrohård-heder. Grafitten har i sig selv ikke nogen målbar mikrohårdhed, hvilket betyder, at indkøringslagets 35 makrohårdhed mindskes med stigende grafitindhold.

DK PR 172547 B1 20

Mikrohårdheden af den metalliske binder afhænger af påførselsmetoden, og det kan eksempelvis nævnes, at der i nikkel-grafit lag er målt mikrohårdheder i nikkelfasen på 100 HV, når laget er flammepåsprøjtet, og 5 mikrohårdheder på op til 600 HV, når laget er plasmapå-sprøjtet. Makrohårdheden af indkøringslaget kan således varieres efter ønske mellem 40 HV til 300 HV ved at variere grafitindholdet og ved at vælge flammepåsprøjt-ning, når laget ønskes meget blødt. Ved at vælge 10 lysbuesprøjtning bliver laget hårdere, plasmasprøjtning endnu hårdere og HVOF-sprøjtning hårdest.

Claims (13)

1. Stempelringe og/eller stempel i en forbrændingsmotor af dieseltypen, navnlig en totakts krydsho-vedmotor, hvis maksimale forbrændingstryk ved fuldlast 5 overstiger 135 bar, og hvor stemplet (5) er forsynet med flere, såsom fra tre til fem, stempelringe (19) og bevæges i en frem- og tilbagegående bevægelse i en cylinderf oring (1) med en slaglængde på i det mindste 750 mm, hvilke stempelringe i monteret stand i ring-10 spor, der i aksialretningen har større højde end ringhøjden, har en yderdiameter på mindst 250 mm og hver har en radial yderside, der glider langs foringens inderside (13),kendetegnet ved, at stempel-ringenes radielle yderside og/eller et afsnit af 15 stemplets (5) radielle yderside i nyfremstillet stand på i og for sig kendt vis er forsynet med et indkøringslag, der omfatter et faststofsmøremiddel og en metallisk binder, at indkøringslaget (32, 37, 40, 42) i radialretningen har en tykkelse på mindst 0,1 mm dg 20 er af et materiale, der angivet i vægtprocent og bortset fra almindeligt forekommende urenheder indeholder fra 5 til 60% af f aststof smøremidlet, såsom grafit, og 40-95% af den metalliske binder, såsom Ni, Al, Si, samt eventuelt op til 15% af en organisk 25 binder, og at indkøringslagets makrohårdhed er mindre end 300 HV30.

2. Stempelringe og/eller stempel ifølge krav 1, kendetegnet ved, at indkøringslaget (32) er termisk sprøjtet på et støbt stempelrings- eller 30 stempelemne (30) af stål eller støbejern.

3. Stempelringe og/eller stempel ifølge krav 2, kendetegnet ved, at det støbte stempelringsemne af stål eller støbejern ved termisk spøjtning er • påført et slidlag (36) af et materiale, der punktvis 35 har mikrohårdheder på mere end 1200 HV, og at den ved DK PR 172547 B1 påsprøjtningen af slidlaget fremkomne overfladeruhed opretholdes, indtil indkøringslaget (37) er påsprøjtet uden på slidlaget.

4. Stempelringe og/eller stempel ifølge krav 2 5 eller 3, kendetegnet ved, at det støbte stempelemne af stål eller støbejern på det øvre afsnit (38) af den radielle yderside, der ligger mellem ringsporet for øverste stempelring (19) og stempeltoppen, er forsynet med et termisk påsprøjtet lag med en 10 total lagtykkelse beliggende i intervallet fra 0,1 til 5 mm, hvoraf indkøringslaget (40) udgør den yderste del af laget.

5. Stempelringe og/eller stempel ifølge et af kravene 2 - 4, kendetegnet ved, at det 15 støbte stempelemne af stål eller støbejern er forsynet med det termisk påsprøjtede indkøringslag (42) på det nedre afsnit (41) af den radielle yderside, der ligger mellem ringsporet for den nederste stempelring (19) og stemplets nederste afslutning.

6. Stempelringe og/eller stempel ifølge et af kravene 2 - 5, kendetegnet ved, at alle stempelringene (19) er påført indkøringslaget (32, 37) , og at stemplet (5) i det mindste er påført indkøringslaget (42) i sit nedre afsnit (41) beliggende under 25 ringsporet for den nederste stempelring.

7. Stempelringe og/eller stempel ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at indkøringslaget (32, 37) på stempelringene har en tykkelse beliggende i intervallet fra 0,13 til 3,0 mm, fortrins- 30 vis højst 2,00 mm.

8. Stempelringe og/eller stempel ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at til-satsmaterialet brugt ved termisk påsprøjtning af indkøringslaget (32, 37, 40, 42) har en sammensætning, 35 der angivet i vægtprocent og bortset fra almindeligt DK PR 172547 B1 forekommende urenheder omfatter en af følgende sammensætninger: (a) fra 5 til 60% grafit og fra 40 til 95% Ni, (b) fra 5 til 60% grafit og fra 40 til 95% Al, 5 (c) fra 5 til 60% grafit og fra 40 til 95% Si og/eller Al, eller (d) fra 5 til 60% grafit, fra 20 til 90% Si og/eller Al og fra 5 til 15% organisk binder.

9. Stempelringe og/eller stempel ifølge krav 8, 10 kendetegnet ved, at tilsatsmaterialet omfatter fra 15 til 25% grafit og fra 75 til 85% Ni og/eller Al.

10. Fremgangsmåde til indkøring af en totakts krydshovedmotor af dieseltypen, hvis maksimale for- 15 brændingstryk ved fuldlast overstiger 100 bar, og hvor motoren for mindst en af cylindrene har en cylinderforing (1), hvori et stempel (5) med flere nyfremstillede stempelringe (19) er bevægeligt i en frem- og tilbagegående bevægelse med en slaglængde på i det 20 mindste 750 mm, hvor hver stempelring har en yderdiameter på mindst 250 mm og en radial yderside, der ligger an mod foringens inderside (13), kendetegnet ved, at motoren startes og bringes op på fuld belastning inden for en samlet driftstid på højst tre timer, 25. hvilket tidsrum der til foringens inderside (13) overføres i det mindste en del af et indkøringslag (32, 37, 40, 42), der inden motoren startes er placeret på de nyfremstillede stempelringes radielle ydersider og/eller et afsnit af stemplets radielle yderside, og 30 som inden motoren startes i radialretningen har en tykkelse på mindst 0,1 mm og er af et materiale, der har en makrohårdhed på mindre end 300 HV30.

11. Fremgangsmåde ifølge krav 10, kendetegnet ved, at motoren med en nyfremstillet 35 cylinder foring inden for den samlede driftstid på højst DK PR 172547 B1 tre timer bringes op på en fuld belastning, hvor det maksimale forbrændingstryk overstiger 135 bar.

12. Fremgangsmåde ifølge krav 10 eller 11, k e n -detegnet ved, at motoren bringes op på fuld be- 5 lastning inden for en samlet driftstid på højst halvanden time.

13. Fremgangsmåde ifølge krav 10, kendetegnet ved, at et stempel med flere nyfremstillede stempelringe med indkøringslag placeres i en tid- 10 ligere ibrugtaget cylinderforing, og at motoren startes og bringes op på fuld belastning inden for en samlet driftstid på højst én time. 15