DE102009049323A1 - Verbrennungsmotor mit einem Kurbelgehäuse sowie Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses - Google Patents

Verbrennungsmotor mit einem Kurbelgehäuse sowie Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses Download PDF

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Abstract

Verbrennungsmotor mit einem Kurbelgehäuse, das mindestens einen zur Aufnahme eines Kolbens vorgesehenen Zylinder aufweist, dessen Innenseite mit einer eine Lauffläche für den Kolben bildenden Beschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung eine Vielzahl von Poren aufweist und wobei die durchschnittliche Größe der Poren und/oder der Porenflächenanteil über der Länge des Zylinders variieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Kurbelgehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 2.
  • Kurbelgehäuse für Verbrennungsmotoren werden heutzutage überwiegend aus Leichtmetall-Werkstoffen im Druckgussverfahren hergestellt. Dabei kommen üblicherweise Al-Si-Legierungen zum Einsatz. Um derartige Legierungen im Druckgussverfahren verarbeiten zu können, ist man auf untereutektische Al-Si-Legierungen beschränkt. Mit Al-Si-Legierungen lassen sich im Druckgussverfahren Kurbelgehäuse sehr kostengünstig und in großer Stückzahl produzieren.
  • Eine druckgegossene Zylinderoberfläche hält den tribologischen Beanspruchungen im System Kolben/Kolbenring-Zylinder nicht dauerhaft stand. Zum einen weisen druckgegossene Kurbelgehäuse eine relativ hohe Porosität auf. Zum anderen ist die tribologische Beanspruchbarkeit untereutektischer Al-Si-Oberflächen aufgrund ihrer relativ geringen Festigkeit, ihrer relativ hohen Duktilität und ihrer zu geringen Verschleißfestigkeit als Zylinderlauffläche ungeeignet. Zur Erzielung einer hinreichenden Standfestigkeit behilft man sich daher häufig mit Graugussbuchsen, die in die Zylinder von Leichtmetallkurbelgehäusen eingesetzt werden.
  • Alternativ dazu sind Leichtmetallkurbelgehäuse bekannt, deren Zylinderlaufflächen mit einem geeigneten Oberflächenwerkstoff beschichtet sind. Die US 5,908,670 , WO 9749497 , EP 568 315 B1 , US 5,626,674 und die US 5,380,564 beschreiben entsprechende Beschichtungsverfahren, wobei zunächst die Zylinderlauffläche mittels eines Hochdruckfluidstrahls aufgeraut wird und anschließend eine Beschichtung in Form aufgeschmolzener Metall- bzw. Legierungströpfchen, z. B. durch Lichtbogendrahtspritzen, auf die aufgerauten Innenflächen der Zylinder aufgebracht werden.
  • Zum relevanten Stand der Technik zählen ferner der Aufsatz mit dem Titel "Thermal spraying of cylinder bores with the Plasma Transferred Wire Arc process", von K. Bobzin, F. Ernst, K. Richardt, T. Schlaefer, C. Verpoort, G. Flores, Surface and Coatings Technology, Volume 202, Issue 18, 15 June 2008, Pages 4438–4443, sowie der Artikel mit dem Titel „Thermal Spraying of Cylinder Bores with the PTWA Internal Coating System" von K. Bobzin et al., Proceedings of the ASME Internal Combustion Engine Division Fall 2007 Technical Conference, ICEF07, October 14–17, 2007, Charleston, South Carolina, USA.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbrennungsmotorkurbelgehäuse mit mindestens einem Zylinder zu schaffen, dessen Lauffläche beschichtet ist, wobei die Lauffläche eine hohe tribologische Widerstandsfähigkeit aufweisen soll.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor mit einem Kurbelgehäuse, das mindestens einen zur Aufnahme eines Kolbens vorgesehenen Zylinder aufweist, dessen Innenseite mit einer eine Lauffläche für den Kolben bildenden Beschichtung versehen ist.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Beschichtung eine Vielzahl von Poren aufweist, wobei die durchschnittliche Größe der Poren und/oder der Porenflächenanteil über der Länge des Zylinders variieren.
  • Beispielsweise kann es sinnvoll sein, die durchschnittliche Porengröße und den Porenflächenanteil so „einzustellen”, dass die durchschnittliche Porengröße und der Porenflächenanteil vom unteren Zylinderende in Richtung zum oberen Zylinderende hin abnehmen. Das ”obere Zylinderende” ist dasjenige Ende, an dem der Zylinderkopf montiert wird. Das untere Zylinderende ist das dem Zylinderkopf abgewandte Ende.
  • Alternativ dazu kann es von Vorteil sein, die Größe der Poren und den Porenflächenanteil so einzustellen, dass sie in einem Mittelbereich des Zylinders am größten sind und in Richtung zum oberen und zum unteren Ende hin abnehmen.
  • Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der Porenflächenanteil vom oberen Zylinderende in Richtung zum unteren Zylinderende hin zunimmt und dass die durchschnittliche Porengröße über der Länge des Zylinders im Wesentlichen konstant ist.
  • Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der Porenflächenanteil im Mittelbereich des Zylinders am kleinsten ist und zu den beiden Zylinderenden hin zunimmt und dass die durchschnittliche Porengröße über der Länge des Zylinders im Wesentlichen konstant ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mindestens einen Zylinder aufweisenden Kurbelgehäuses für einen Verbrennungsmotor weist insbesondere folgende Schritte auf:
    • – Gießen des Kurbelgehäuses aus einem Leichtmetallwerkstoff, wie z. B. einer Aluminium-Silizium-Legierung im Druckgussverfahren. Hierfür in Betracht kommen insbesondere untereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen.
    • – Anschließend wird die Innenseite des mindestens einen Zylinders feingedreht.
    • – Danach wird die feingedrehte Innenseite aufgeraut.
    • – Schließlich wird auf die aufgeraute Innenseite eine Beschichtung aufgebracht, welche eine Lauffläche für einen in den Zylinder einzusetzenden Kolben bildet. Das Aufbringen der Beschichtung erfolgt erfindungsgemäß so, dass eine Beschichtung mit einer Vielzahl von Poren entsteht, wobei die durchschnittliche Porengröße und/oderder Porenflächenanteil über der Länge des Zylinders variieren.
  • Ganz entscheidend für die Ausbildung einer tribologisch vorteilhaften Oberflächenschicht ist die Größe der Metall- bzw. Legierungströpfchen, die auf die aufgeraute Zylinderinnenseite gespritzt werden.
  • Die Tröpfchengröße sollte im Bereich zwischen 0,5 μm und 500 μm, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 μm und 150 μm liegen, um möglichst fein verteilte Poren zu erzielen.
  • Die sich ergebenden Poren können von eher runder bzw. eher ovaler oder länglicher Form sein. Ab einem Längen-/Breitenverhältnis einer Pore von mehr als z. B. 4:1, spricht man von einer länglichen Pore. Bei einem Längen-/Breitenverhältnis einer Pore von weniger als z. B. 4:1, spricht man von einer runden Pore. Die Poren dienen zur ”Speicherung” des Öls und bilden im Betrieb des Motors „Mikrodruckkammern” aus.
  • Der „Porenflächenanteil” wird im metallographischen Querschliff bestimmt. Unter dem Begriff „Porenflächenanteil” wird das Verhältnis der im Querschliff ermittelten Summe aller in einer Auswertefläche enthaltenen Porenflächen zur gesamten Auswertefläche verstanden.
  • Das Verhältnis von länglicher zu runder Porosität bestimmt über die Druckverteilung innerhalb der Poren ganz entscheidend das tribologische Verhalten. Optimale tribologische Eigenschaften ergeben sich z. B. dann, wenn das Verhältnis von länglicher zu runder Porosität im Bereich zwischen 0,01 und 2,5 liegt.
  • Der Porenflächenanteil, die Porengröße und die Porenverteilung werden über die Zylinderlänge den jeweiligen Anforderungen des tribologischen Systems so angepasst, dass in allen Betriebszuständen optimale Schmierungsbedingungen bzw. Verschleißeigenschaften herrschen. Die durchschnittliche Porengröße bestimmt im Betrieb des Verbrennungsmotors ganz entscheidend die Tragfähigkeit des Ölschmierfilms zwischen den Kolbenringen und der Zylinderlauffläche.
  • Der Schichtwerkstoff muss so gewählt werden, dass im Mischreibungsgebiet, insbesondere im Bereich des unteren bzw. oberen Zylinderendes (unterer und oberer Tot-Punkt) eine ausreichende Verschleißbeständigkeit gegeben ist. Als Beschichtungswerkstoff in Betracht kommt z. B. ein unlegierter Stahl, insbesondere ein FeC-Werkstoff, insbesondere der Werkstoff FeC0,8.
  • Die Rauheit der fein gedrehten Zylinderoberfläche, d. h. vor dem Aufrauen kann, z. B. im Bereich von Rz = 2 μm–25 μm liegen.
  • Das Aufrauen der fein gedrehten Zylinderinnenseite kann auf mechanischem und/oder chemischem Wege erfolgen. In Betracht kommt beispielsweise eine spanende Bearbeitung der feingedrehten Zylinderinnenseite. Alternativ oder ergänzend dazu kann die fein gedrehte Zylinderinnenseite auch sand- oder korundgestrahlt werden. Ferner in Betracht kommt ein Aufrauen durch Hochdruckstrahlen mit einem Fluid, insbesondere mit einer Emulsion und/oder mit einer Suspension.
  • Durch das Aufrauen werden mikroskopische Hinterschneidungen in der Zylinderoberfläche erzeugt. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Rauheit der Zylinderoberfläche nach dem Aufrauvorgang im Bereich von Rz = 30 μm–200 μm liegt.
  • Auf die derart vorbearbeitete Zylinderoberfläche wird dann ein als Zylinderlauffläche tribologisch geeigneter Werkstoff aufgebracht. Das Aufbringen kann beispielsweise durch Lichtbogendrahtspritzen erfolgen, wobei schmelzflüssige Metall- bzw. Legierungströpfchen mittels eines Fluidstrahls mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die aufgeraute Zylinderoberfläche katapultiert werden, wodurch eine Laufflächenschicht entsteht, die eine Vielzahl von Poren aufweist.
  • Nach dem Aufbringen der Beschichtung wird diese durch ein mechanisches Hon-Verfahren endbearbeitet.
  • Für die Verschleißbeständigkeit, d. h. für die Abriebfestigkeit der Beschichtung ist primär der Gehalt an Oxiden in der Beschichtung entscheidend. Die Oxidbildung, die unmittelbar nach dem Aufspritzen beim Übergang von der flüssigen in die feste Phase erfolgt, kann durch Variieren der Zusammensetzung des zum Aufspritzen der Metall- bzw. Legierungströpfchen verwendeten Trägergases gezielt gesteuert werden. Als Trägergas kann mit Stickstoff angereicherte Luft verwendet werden. Der Härteverlauf der Zylinderlauffläche kann entsprechend einem über die Länge des Zylinders variierenden Härteprofil eingestellt werden, wobei die Härte vorzugsweise in einem Härtebereich zwischen 300 HV und 700 HV liegen kann.
  • Die beim Aufbringen der schmelzflüssigen Metall- bzw. Legierungströpfchen erzeugten runden und länglichen Porositäten bilden ein System aus nicht miteinander verbundenen Kavitäten in der Zylinderoberfläche. Damit diese Kavitäten als Mikrodruckkammern wirken können und während eines Arbeitszyklus' des Verbrennungsmotors ausreichend mit Öl versorgt werden, ist, wie bereits erwähnt, eine fein strukturierte Honung als Endbearbeitung nach dem Aufbringen der Beschichtung erforderlich.
  • Für die Sicherstellung einer guten Tragfähigkeit der Laufbahn und einer guten Ölversorgung sollte der Rpk der Laufbahn im Bereich
    • • zwischen 0,05 μm–2 μm liegen,
    • • vorzugsweise im Bereich zwischen 0,05 μm–1,5 μm,
    • • und besonderes bevorzugt im Bereich zwischen 0,05 μm–1,1 μm.
  • Der Rvk der Zylinderlauffläche sollte im Bereich zwischen 0,5 μm–15 μm liegen, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 μm–10 μm.
  • Weiterhin ist bedeutend ist, dass der Rauheitskennwert V0 im Bereich zwischen 0,1 μm–16 μm liegt, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 μm–11 μm.
  • Der Rauheitskennwert Rk sollte im Bereich zwischen 0,05 μm–5 μm liegen, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,05 μm–3 μm, und besonderes bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 μm–2 μm.
  • Nur eine günstige Kombination dieser Rauheitskennwerte gewährleistet optimale tribologische Eigenschaften der gehonten Zylinderoberfläche.
  • Eine gemäß der Erfindung aufgebrachte Beschichtung weist gegenüber herkömmlichen übereutektischen Aluminium-Silizium-Werkstoffen eine deutlich verbesserte Verschleißfestigkeit auf.
  • Im Vergleich zu herkömmlichen Zylindern, in die Graugussbuchsen eingesetzt sind, ist ein geringerer Zylinderverzug zu beobachten, da die aufgebrachte Beschichtung im Wesentlichen keine eigene Steifigkeit aufweist und sich an die Struktur des Zylindersubstrats anpasst. Dies wiederum ermöglicht eine Verringerung der Kolbenringanpresskräfte, was letztlich zu einer Verringerung der Reibungsverluste führt. Die intrinsischen Mikrodruckkammern in der Beschichtung bewirken einen höheren hydrodynamischen Reibungsanteil, was sich ebenfalls positiv auf die Verlustreibung auswirkt.
  • Eine erfindungsgemäße Beschichtung weist im Vergleich zu den heutzutage häufig verwendeten Graugussbuchsen eine äußerst hohe Korrosionsbeständigkeit auf und zwar auch bei hohen Verbrennungstemperaturen und sauren Medien aufgrund verbesserter Wärmeableitung von der Zylinderoberfläche in das Kühlmedium.
  • Die intrinsischen Mikrodruckkammern ermöglichen im Vergleich zu Graugussbuchsen eine feinere Oberflächenstrukturierung bei gleicher Schmierwirkung und somit einen Reibungsvorteil.
  • Die Kombination von Leichtmetalldruckguss mit einer Fe-Beschichtung ermöglicht somit einen Kostenvorteil. Da auf die bislang verwendeten Graugussbuchsen verzichtet werden kann, ergibt sich auch ein Gewichtsvorteil und eine höhere Verschleißfestigkeit.
  • Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt in schematischer Darstellung die Oberflächenbeschaffenheit einer Beschichtung gemäß der Erfindung.
  • 1 zeigt schematisch in abgewickelter Darstellung die glatt gehonte Oberfläche (Lauffläche) eines Zylinders eines Verbrennungsmotors. Die Lauffläche weist eher „längliche Porositäten” und eher „runde Porositäten” auf. Ab einem Längen-/Breitenverhältnis (x1:x2) einer Pore von mehr als 4:1 spricht man hier von einer länglichen Pore, darunter von einer runden Pore.
  • Der Porenflächenanteil wird im metallographischen Querschliff bestimmt. Der Porenflächenanteil berechnet sich aus dem Verhältnis der Summe aller Porenflächen zur gesamten Auswertefläche A. Näherungsweise kann die Porenfläche einer Pore als „Rechteck” angesetzt werden, d. h. Porenfläche x1·x2.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5908670 [0004]
    • WO 9749497 [0004]
    • EP 568315 B1 [0004]
    • US 5626674 [0004]
    • US 5380564 [0004]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ”Thermal spraying of cylinder bores with the Plasma Transferred Wire Arc process”, von K. Bobzin, F. Ernst, K. Richardt, T. Schlaefer, C. Verpoort, G. Flores, Surface and Coatings Technology, Volume 202, Issue 18, 15 June 2008, Pages 4438–4443 [0005]
    • „Thermal Spraying of Cylinder Bores with the PTWA Internal Coating System” von K. Bobzin et al., Proceedings of the ASME Internal Combustion Engine Division Fall 2007 Technical Conference, ICEF07, October 14–17, 2007, Charleston, South Carolina, USA [0005]

Claims (15)

  1. Verbrennungsmotor mit einem Kurbelgehäuse, das mindestens einen zur Aufnahme eines Kolbens vorgesehenen Zylinder aufweist, dessen Innenseite mit einer eine Lauffläche für den Kolben bildenden Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Vielzahl von Poren aufweist, wobei die durchschnittliche Größe der Poren und/oder der Porenflächenanteil über der Länge des Zylinders variieren.
  2. Verfahren zur Herstellung eines mindestens einen Zylinder aufweisenden Kurbelgehäuses für einen Verbrennungsmotor, mit folgenden Schritten: – Gießen des Kurbelgehäuses aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere aus einer Al-Si-Legierung, im Druckverfahren, – Feindrehen der Innenseite des Zylinders, – Aufrauen der feingedrehten Innenseite, – Aufbringen einer eine Lauffläche für einen Kolben bildenden Beschichtung auf die aufgeraute Innenseite, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung mit einer Vielzahl von Poren hergestellt wird, wobei die durchschnittliche Größe der Poren und/oder der Porenflächenanteil über der Länge des Zylinders variieren.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauen in einem mechanischen und/oder chemischen Verfahren durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauen erfolgt – durch eine spanende Bearbeitung oder – durch Sand- bzw. Korundstrahlen oder – durch Hochdruckstrahlen mit einem Fluid, insbesondere mit einer Emulsion und/oder einer Suspension.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute Innenseite des Zylinders eine Oberflächenrauheit von bzw. im Bereich von Rz = 30 μm–200 μm aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch auf Aufspritzen schmelzflüssiger Tröpfchen aufgebracht wird, insbesondere durch Lichtbogendrahtspritzen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die schmelzflüssigen Tröpfchen mittels eines Trägergases auf die aufgeraute Innenseite des Zylinders katapultiert werden, wobei das Trägergas im Wesentlichen aus mit Stickstoff angereicherter Luft besteht.
  8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bzw. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Beschichtung um eine Beschichtung auf der Basis von Eisen handelt, insbesondere um eine Beschichtung aus unlegiertem Stahl, insbesondere um eine FeC-Beschichtung, insbesondere um eine FeC0,8-Beschichtung.
  9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bzw. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der die Härte der Beschichtung mitbestimmende Oxidanteil der Beschichtung über der Länge des Zylinders variiert und im Bereich zwischen 300 HV und 700 HV liegt.
  10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bzw. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche durch ein mechanisches Hon-Verfahren endbearbeitet wird bzw. gehont ist.
  11. Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 bzw. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gehonte Lauffläche eine Rauheit aufweist, die innerhalb folgender Bereiche liegt: • Rpk im Bereich zwischen 0,05 μm–2 μm, und/oder • Rvk im Bereich = 0,5 μm–15 μm, und/oder • V0 im Bereich zwischen 0,1 μm–16 μm, und/oder • Rk im Bereich zwischen 0,05 μm–5 μm aufweist.
  12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bzw. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder ein oberes, zylinderkopfnahes Ende und ein unteres, ölwannennahes Ende aufweist, wobei die Größe der Poren und der Porenflächenanteil vom unteren Ende in Richtung zum oberen Ende hin abnehmen.
  13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bzw. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder ein oberes, zylinderkopfnahes Ende und ein unteres, ölwannennahes Ende und einen zwischen den beiden Enden befindlichen Mittelbereich aufweist, wobei die Größe der Poren und der Porenflächenanteil im Mittelbereich am größten sind und zum oberen und zum unteren Ende hin abnehmen.
  14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bzw. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Porenflächenanteil vom oberen Zylinderende in Richtung zum unteren Zylinderende hin zunimmt und dass die durchschnittliche Porengröße über der Länge des Zylinders im Wesentlichen konstant ist.
  15. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bzw. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Porenflächenanteil im Mittelbereich des Zylinders am kleinsten ist und zu den beiden Zylinderenden hin zunimmt und dass die durchschnittliche Porengröße über der Länge des Zylinders im Wesentlichen konstant ist.
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