DE102005028588A1

DE102005028588A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005028588A1
Application number: DE200510028588
Authority: DE
Inventors: Hinnerk Büssemaker; Jörg Dr. Ing. Demmel; Ronald Knoll; Dieter Gaus
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2007-01-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, bei der mindestens ein auf Verschleiß beanspruchtes Bauteil des Motorgehäuses aus einem Eisenwerkstoff mindestens bereichsweise aus einem austenitisch-ferritischen Gusseisen (ADI) besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine. Auf Verschleiß beanspruchte Bauteile in Brennkraftmaschinen wie zum Beispiel Zylinderlaufbuchsen bestehen nach dem Stand der Technik in der Regel aus Gusseisen. Besteht der Zylinderblock aus einer Aluminiumlegierung, werden in der Regel Zylinderlaufbuchsen aus hochwertigem feinkörnigen Gusseisen eingezogen, um eine ausreichend verschleißfeste Zylinderlaufbahn zu erhalten. Die Anbindung der Gusseisenbuchsen kann durch Aufschrumpfen auf der Grundlage unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gusseisen und Aluminium erfolgen. Die Tatsache, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium etwa doppelt so groß ist wie derjenige von Grauguss führt jedoch zu verschiedenen Problemen sowohl in fertigungstechnischer Hinsicht als auch im Hinblick auf einen einwandfreien Betrieb des Motors über eine lange Lebensdauer. Die Ansätze zur Lösung der durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gegebenen Problematik in der Literatur sind unterschiedlich.
Wenn man einen Aluminiummotorblock mit Graugussbuchsen vor der Bearbeitung einen gewissen Zeitraum lang auf einer erhöhten Temperatur hält und dann weiter abkühlen lässt, werden beim Erstarren der Aluminiumschmelze an den Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss die durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten induzierten Spannungen im Aluminium abgebaut bis zur Rekristallisationsgrenze von ca. 145°C. Bei Temperaturen unterhalb dieses Werts wird die Grauguss-Zylinderlaufbuchse eingeschnürt, abhängig davon, wie geschlossen der Aluminiumgürtel ist und wie stark dessen Wandstärke um die Zylinderlaufbuchse herum ist. Wenn eine längere Warmhaltezeit des Motorblocks vor der endgültigen Abkühlung vorgesehen ist, entsteht dadurch eine Grobkörnigkeit, die vermutlich eine Art vorgezogene Ermüdung des Aluminiums bewirkt. Die Graugussbuchse kann leichter ihre Rundheit und Zylindrizität gegen den Aluminum-Gürtel erzwingen. Im Betrieb des Motors ändert sich jedoch die Einschnürung mit der Betriebstemperatur.
Das prozesssichere Eingießen von Zylinderlaufbuchsen aus Gusseisen in einen Aluminiummotorblock setzt eine ausreichende Zylinderstegbreite (Mindestbüchsenwanddicke) voraus. Praktische Zwänge und Wettbewerbsdruck verringern allerdings die Mindestabmessung stetig, wodurch sich die Toleranzproblematik im Hinblick auf die Büchsen-Geometrie, Rundheit, Position der Bohrungen im Rohteil, Bankversatz beim V-Motor etc. verschärft. Manche Hersteller sehen daher bei Dieselmotoren für bestimmte Fahrzeugtypen aufgrund zu geringer Zylinderstegbreite von der Büchsenlösung ab. Andere Hersteller schlitzen hingegen bei bestimmten Dieselmotoren sogar vergleichsweise schmale Zylinderstege im Deckbereich aus thermischen Gründen. Der richtige Umgang mit der Problematik der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wird in der Fachliteratur kontrovers diskutiert. Es gibt Meinungen, wonach ein Zylinderverbund mit ausgewogenen (nicht dickwandigen) Querschnitten und einer durch Schrumpfkräfte auf Druck vorgespannten Büchse dem pulsierenden hohen Zylinderdruck am besten Stand hält. Es wird teilweise angenommen, dass im Zuge einer Wärmebehandlung 40 bis 60 % der Eigenspannungen im Büchsenbereich abgebaut werden. Man kann zumindest davon ausgehen, dass mit Hilfe der Wärmebehandlung die Eigenspannungen, die ein Aluminium-Motorblock mit eingegossenen Grauguss-Büchsen mit sich bringt gleichförmiger werden, so dass die Motorblöcke in Serie bearbeitet und gehont werden können.
Wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des nach dem Stand der Technik für die Zylinderlaufbuchse verwendeten Graugusses einerseits und des umhüllenden Aluminiums andererseits, darf jedenfalls die Graugusszylinderwand nicht zu dünn sein, damit diese nicht vom Aluminium eingebeult wird. In der Literatur wird auch berichtet über statische Bohrungsverzüge, Wärmeverzug durch ungleichmäßige Temperaturdehnung, reduzierte Kolbenspiele bis zum Kolbenklemmer. Der Zwang zur dickeren Wandstärke der Zylinderlaufbuchsen erlaubt es nicht, einen Motor „weiter aufzubohren", das heißt ihn gleichsam durch Leistungssteigerung zu miniaturisieren.

Die DE 33 27 490 A1 beschreibt eine Verbundzylinderlaufbüchse für Verbrennungsmotoren, bei der die Laufbüchse zwei Schichten umfasst. Dies ist zum einen eine Außenschicht aus einem Material mit hoher Festigkeit und Duktilität und eine Innenschicht aus einem üblichen Spezialgusseisen mit hoher Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen. Die Außenschicht und die Innenschicht sind durch Verschmelzen an den Grenzflächen miteinander verbunden. Die Verbundzylinderlaufbüchse kann darüber hinaus eine Zwischenschicht zwischen der Außenschicht und der Innenschicht aufweisen. Die Außenschicht kann aus einem Gusseisen mit Kugelgraphit, einem Gusseisen mit verdichtetem Vermikulargraphit oder einem Stahlguss mit Kugelgraphit bestehen. Die Innenschicht besteht aus einem Spezialgusseisen mit einem Anteil an Kohlenstoff von ca. 3 %, einem Gehalt an Silizium von ca. 1 % sowie Anteilen an Mangan, Phosphor und Schwefel. Die Innenschicht kann außerdem einen geringeren Gehalt an Chrom aufweisen.

In der DE 33 27 490 A1 wird auch ausgeführt, dass die Innenseite der Zylinderlaufbüchse während des Verbrennungsprozesses sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, während die Außenseite der Laufbüchse einer niedrigen Temperatur ausgesetzt ist, da der Zylinder in der Regel mit Wasser gekühlt wird. Dieser Temperaturgradient zwischen der Innenseite und der Außenseite der Laufbüchse erzeugt thermische Spannungen, die Druckspannungen beziehungsweise Zugspannungen in den Innenbereichen beziehungsweise in den Außenbereichen verursachen. Es wird daher hier davon ausgegangen, dass es wahrscheinlich ist, dass Brüche an der Außenseite der Laufbüchse beginnen. Die hier beschriebenen Verbund-Zylinderlaufbüchsen weisen jedoch in jedem Fall auch eine Außenschicht auf, die ebenfalls aus einem Gusseisen besteht. Es handelt sich nicht um Zylinderlaufbuchsen, die in einen Aluminiummotorblock eingegossen werden, so dass die Probleme, die sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium einerseits und Grauguss andererseits ergeben, nicht behandelt werden. Außerdem betrifft die Entgegenhaltung in erster Linie Zylinderlaufbüchsen mit großem Durchmesser für Verbrennungsmotoren, die insbesondere für Schiffe eingesetzt werden.

Die US 2003/0053725 A1 beschreibt eine Lagerung für eine Kurbelwelle in einem Motorblock. Der Teil des Motorblocks, in dem die Kugelwelle gelagert ist, besteht im Wesentlichen aus Aluminium. Die Kurbelwelle kann aus einem ADI-Material gemäß der Definition nach DIN EN 1564 bestehen. Die Kurbelwelle wird im Bereich ihres Hauptlagers unmittelbar ohne Zwischenschaltung weiterer Komponenten aus anderen Werkstoffen in dem Bauteil des Motorblocks aus Aluminium gelagert. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des verwendeten ADI-Materials soll demjenigen des Aluminiumwerkstoffs vergleichsweise nahe kommen, wodurch das Lagerspiel verringert und Leckagen durch Ölverlust bei hohen Motortemperaturen vermieden werden sollen.

Die DE 103 44 073 A1 beschreibt eine Kurbelwelle mit kombiniertem Antriebszahnrad sowie ein Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung. Kurbelwelle und Antriebszahnrad werden in einem Stück gegossen und können aus ADI bestehen. Der Vorteil wird darin gesehen, dass sich eine Kurbelwelle mit kombiniertem Antriebszahnrad in weniger Verfahrensschritten herstellen lässt. Dadurch, dass für das Zahnrad der Werkstoff ADI verwendet wird, kann auf eine Härtung verzichtet werden. Der Bereich des Zahnrades soll dabei bevorzugt eine erhöhte Härte gegenüber dem restlichen Gussteil aufweisen, was durch eine unterschiedlich gesteuerte Temperaturführung während der Wärmebehandlung der verschiedenen Gussteilbereiche erreicht wird.

Es wurden in der Vergangenheit auch Zylinderlaufbuchsen von der Firma Goetze aus Chromstahl/Chromguss/Dulenit hergestellt, die eine angeglichene Wärmeausdehnung hatten und entsprechend dünnwandige Buchsen und kleine Zylinderabstände gestatteten. Die bei diesen Werkstoffen vergleichsweise hohen Kosten haben jedoch eine breitere Anwendung verhindert.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem auf Verschleiß beanspruchten Bauteil aus einem Eisenwerkstoff zur Verfügung zu stellen, bei der der Werkstoff eine Verringerung der inneren Reibung, geringeren Verschleiß und auch fertigungstechnische Vorteile ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß besteht mindestens ein auf Verschleiß beanspruchtes Bauteil des Motorgehäuses der Brennkraftmaschine mindestens bereichsweise aus einem austenitisch-ferritischen Gusseisen (ADI).

ADI-Austempered Ductile iron – bezeichnet einen wärmebehandelten duktilen Sphäroguss, der bei gleicher Bruchdehnung eine doppelt so große Festigkeit und Dauerfestigkeit wie konventionelles Gusseisen mit Kugelgraphit und somit eine signifikant höhere Verschleißfestigkeit aufweist. ADI hat pro Gewichtseinheit eine größere Festigkeit als Aluminium, ist sehr verschleißbeständig und leichter zu bearbeiten als Stahl. Es gibt im Prinzip zwei Möglichkeiten zur Herstellung eines ADI-Werkstoffs, nämlich die Zwischenstufenumwandlung und das Vergüten (Abschrecken und Anlassen). Die Zwischenstufenumwandlung ist eine isothermische Wärmebehandlung, bei der das Material zunächst durch Aufheizen in den austenitischen Bereich gebracht und dann rasch auf einen Temperaturbereich zwischen etwa 260°C und 285°C abgeschreckt wird. Das Material wandelt sich in diesem Temperaturbereich isotherm um und liegt dann je nach Werkstoff als Zwischenstufengefüge bei Gusseisen oder Bainitgefüge bei Stahl vor. Beim Vergütungsprozess erfolgt eine Austenitisierung gefolgt von einem schnellen Abschrecken unterhalb die Martensit-Linie. Der Preis von ADI-Material pro Kilogramm ist niedriger als der von Stahl oder Aluminium, so dass sich Kostenvorteile ergeben. ADI lässt sich sehr gut auch in komplizierte Formen gießen. Ein typisches Gussstück aus ADI braucht weniger Energie als ein Stahlgussstück.

Gemäß der Erfindung besteht mindestens ein Bauteil des Motorgehäuses mindestens bereichsweise aus ADI. Der ADI-Werkstoff eignet sich gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen, insbesondere für Zylinderlaufbuchsen, die in einen Aluminiummotorblock eingegossen werden. Eine mindestens teilweise aus ADI bestehende Zylinderlaufbuchse gemäß der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine verringerte Wandstärke aufweisen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung besteht mindestens eine Zylinderlaufbuchse der Brennkraftmaschine aus einem Eisenwerkstoff, der einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von etwa 16 μ bis etwa 18 μ/m° aufweist.

Gegenüber der herkömmlichen Fertigung kann das Gießen beispielsweise eines Aluminiummotorblocks mit eingegossenen Zylinderlaufbuchsen aus ADI im Prinzip wie bisher erfolgen. Eine Warmbehandlung (Vorwärmung) der ADI-Buchsen ist weiterhin vorteilhaft. Beispielsweise wird das Motorgehäuse nach dem Guss über einen längeren Zeitraum, insbesondere mindestens eine Stunde lang bei einer Temperatur von mehr als 200°C, vorzugsweise im Temperaturbereich von etwa 230 bis 270°C gehalten. Aufgrund des ADI-Werkstoffs kann jedoch die Ofenzeit gegenüber herkömmlichen Verfahren verkürzt werden. Alternativ dazu kann die Wandstärke der ADI-Zylinderlaufbuchsen dünner werden – bei vergleichbaren Deformationen, wie sie heute in Kauf genommen werden. Wenn dagegen die Wandstärke gleich bleibt, kann man die Fertigqualität in kürzerer Taktzeit erreichen, woraus erhebliche Kostenvorteile resultieren. Die höhere Oberflächenhärte des Werkstoffs ADI führt zu besseren Reibeigenschaften und bewirkt in Verbindung mit dem geringeren Geometrieverzug eine verringerte innere Reibung. Der Durchmesserverschleiß des Zylinders in den Kolbenumkehrpunkten wird verringert.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens eine Zylinderlaufbuchse der Brennkraftmaschine mindestens teilweise aus einem Eisenwerkstoff mit einer Zugfestigkeit im Bereich zwischen etwa 800 mPa und etwa 1400 mPa besteht. Diese Zugfestigkeitwerte lassen sich bei Verwendung des Werkstoffs ADI erreichen. Besonders bevorzugt ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der ADI-Werkstoff mit der Werkstoffbezeichnung EN-GJS-800-8. Dieser Werkstoff weist eine Zugfestigkeit von mehr als 800 mPa auf. Die Streckgrenze liegt bei mehr als 500 mPa, die Dehnung bei ca. 8 %, die Härte liegt bei 260/320. Andere Werkstoffe nach der ADI-Euro-Norm mit höheren Zugsfestigkeiten von beispielsweise mehr als 1000 mPa bis über 1400 mPa sind erfindungsgemäß ebenfalls vorteilhaft einsetzbar. Die ADI-Werkstoffe weisen ein Gefüge auf, welches eine Mischung aus nadelförmigem Ferrit und Kohlenstoff angereichertem Austenit darstellt. Im ADI treten die Graphitkugeln gleichmäßig verteilt auf, beispielsweise mit einer Kugelzahl von mindestens 100/mm², einem Anteil von zum Beispiel über 80 % Kugelgraphit, beispielsweise höchstens 0,5 % Carbiden und nichtmetallischen Einschlüssen sowie maximal zum Beispiel etwa 1 % Mikroporosität oder Mikrolunker. Der Werkstoff ADI bietet tribologisch sehr gute Voraussetzungen für die erfindungsgemäßen Anwendungen, insbesondere zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen in Brennkraftmaschinen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ggf. durch einfache Versuche die im einzelnen Anwendungsfall auszuwählende genaue Zusammensetzung des ADI-Werkstoffs empirisch ermittelt werden, ebenso wie die optimale Materialstärke einer erfindungsgemäßen Verschleißschicht aus ADI. Diese Materialstärke kann sich beispielsweise aus der Abschreckgeschwindigkeit nach der Warmbehandlung des Werkstoffs ergeben. Bei gleichbleibender Wandstärke der ADI-Schicht und einem bevorzugt enthaltenen Nickelmindestanteil schwanken die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs vernachlässigbar wenig.

Claims

Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein auf Verschleiß beanspruchtes Bauteil des Motorgehäuses aus einem Eisenwerkstoff mindestens bereichsweise aus einem austenitisch-ferritischen Gusseisen (ADI) besteht.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zylinderlaufbuchse mindestens teilweise aus ADI besteht.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine mindestens teilweise aus ADI bestehende Zylinderlaufbuchse in einen Aluminiummotorblock eingegossen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens teilweise aus ADI bestehende Zylinderlaufbuchse eine verringerte Wandstärke aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zylinderlaufbuchse aus einem Eisenwerkstoff einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von etwa 16 μ bis etwa 18 μ/m° aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zylinderlaufbuchse mindestens teilweise aus einem Eisenwerkstoff mit einer Zugfestigkeit im Bereich zwischen etwa 800 mPa und etwa 1400 mPa besteht.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse eine Warmbehandlung über einen längeren Zeitraum, insbesondere mindestens eine Stunde, bei einer Temperatur von mehr als 200°C, vorzugsweise im Temperaturbereich von etwa 230 bis 270°C erhalten hat.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zylinderlaufbuchse mindestens teilweise aus einem ADI-Werkstoff mit der Werkstoffbezeichnung EN-GJS-800-8 besteht.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der ADI-Werkstoff einen Anteil gleichmäßig im Werkstoff verteilter Graphitkugeln mit einer Kugelzahl von mindestens etwa 100/mm² aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der ADI-Werkstoff Graphit mit einem Anteil von mindestens etwa 80 % Kugelgraphit enthält.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der ADI-Werkstoff einen Anteil von höchstens etwa 0,5 % an Carbiden aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der ADI-Werkstoff einen Anteil von höchstens etwa 0,5 % an Carbiden und nichtmetallischen Einschlüssen aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der ADI-Werkstoff einen Anteil an Nickel enthält.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der ADI-Werkstoff eine Mikroporosität oder Mikrolunker von höchstens etwa 1 % aufweist.