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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinderrohrs einer Brennkraftmaschine, bei welchem eine Kolbenlauffläche des Zylinderrohrs während eines Bearbeitungsschritts mechanisch bearbeitet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Zylinderrohr einer Brennkraftmaschine.
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Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie dienen dem Herstellen des Zylinderrohrs. Das Zylinderrohr begrenzt, insbesondere gemeinsam mit einem Zylinderkopf, einen Brennraum der Brennkraftmaschine, in welchem ein Kolben der Brennkraftmaschine beweglich angeordnet ist. Zur Erzeugung von mechanischer Energie aus Verbrennungsenergie bewegt sich der Kolben in dem Zylinderrohr zyklisch auf und ab. Dabei tritt er mit der Kolbenlauffläche des Zylinderrohrs in Berührkontakt, bevorzugt über wenigstens einen Kolbenring des Kolbens. Insbesondere liegt zwischen dem Kolben beziehungsweise dem Kolbenring und der Kolbenlauffläche eine Dichtwirkung vor. In einem motorischen Betrieb der Brennkraftmaschine ist es von Bedeutung, dass der Reibungskoeffizient zwischen dem Kolben und der Kolbenlauffläche möglichst gering ist, um Reibungsverluste in der Brennkraftmaschine zu vermeiden. Zudem kann bei geringer Reibung der Verschleiß der Brennkraftmaschine verringert und ihre Belastungsfähigkeit, insbesondere gegenüber Druck, erhöht werden.
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Das Zylinderrohr besteht häufig aus Aluminium. Die Betriebsanforderungen in dem motorischen Betrieb werden jedoch in Zukunft die Werkstoffgrenzen von Aluminium überschreiten. Daher werden teilweise Beschichtungen aus Eisen oder zumindest eisenhaltige Beschichtungen im Bereich der Kolbenlauffläche eingesetzt. Diese sind jedoch insbesondere bei Vorliegen von schwefelhaltigen Verbindungen in dem Zylinderrohr, wie sie beispielsweise in Kraftstoff vorkommen, nicht korrosionsresistent. Ebenfalls verwendete Beschichtungen aus Nickelbasislegierungen, welche in der Regel SiC-Partikel aufweisen, sind dagegen sehr teuer.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinderrohrs einer Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welches die eingangs genannten Nachteile nicht aufweist, sondern insbesondere eine kostengünstige Ausbildung einer Kolbenlauffläche erlaubt, welche hinsichtlich Verschleiß, Reibung, Belastungsfähigkeit und Sicherheit gegen Fressen (bei Zufuhr von Schlechtsprit in die Brennkraftmaschine) Vorteile aufweist.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Kolbenlauffläche während des Bearbeitungsschritts ein Zusatzstoff mechanisch in die Kolbenlauffläche eingebracht wird. Es ist also vorgesehen, dass der Zusatzstoff auf die Kolbenlauffläche aufgebracht und anschließend mechanisch in diese eingebracht wird. Unter dem mechanischen Aufbringen ist insbesondere ein „Einkneten” zu verstehen, bei welchem die Kolbenlauffläche nach Aufbringen des Zusatzstoffs mechanisch belastet wird, sodass der Zusatzstoff in die Oberfläche der Kolbenlauffläche eindringen kann. Besonders bevorzugt ist der Zusatzstoff daher ein einen Oberflächenrandbereich des Zylinderrohrs beziehungsweise der Kolbenlauffläche durchdringendes Zusatzmittel. Vorzugsweise ist lediglich ein einziger Zusatzstoff und nicht etwa mehrere vorgesehen. Mit der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise kann die Korrosionsbeständigkeit der Kolbenlauffläche deutlich erhöht werden.
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Grundsätzlich kann das Verfahren für alle Oberflächen von Werkstücken aus Eisen, Leichtmetall oder einer wenigstens einen dieser Werkstoffe aufweisenden Legierung eingesetzt werden. Es ist demnach nicht auf das Herstellen des Zylinderrohrs beschränkt, sondern kann grundsätzlich für ein beliebiges Werkstück aus den genannten Werkstoffen zum Einsatz kommen. Der Zusatzstoff, welcher für das Verfahren Verwendung findet, ist auf die Betriebsbedingungen abgestimmt, die in der Brennkraftmaschine auftreten. Zum Herstellen des Zylinderrohrs wird der Zusatzstoff insbesondere derart gewählt, dass ein bestimmter Reibwert zwischen Kolben und Kolbenlauffläche erreicht oder sogar unterschritten wird. Somit wird ein kostengünstiges Einstellen von Eigenschaften von Oberflächen der Werkstücke aus Eisen, Leichtmetall beziehungsweise der entsprechenden Legierung ermöglicht. Die Eigenschaften betreffen insbesondere den Korrosionsschutz, den Reibwert, den Verschleiß und/oder die Belastungsfähigkeit der Oberfläche.
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Es kann vorgesehen sein, dass während des Bearbeitungsschritts bestimmte Umgebungsbedingungen und/oder bestimmte Bearbeitungsbedingungen eingestellt werden, die eine Diffusion des Zusatzstoffs in die Kolbenlauffläche bewirken. Die Umgebungsbedingungen beziehungsweise die Bearbeitungsbedingungen umfassen beispielsweise einen Druck und/oder eine Temperatur. Die Umgebungsbedingungen, also insbesondere Umgebungsdruck und/oder Umgebungstemperatur, sind die Bedingungen, welche in der Umgebung des Zylinderrohrs beziehungsweise der Kolbenlauffläche auftreten. Die Umgebungstemperatur beeinflusst insoweit lediglich mittelbar die Temperatur der Kolbenlauffläche. Die Bearbeitungsbedingungen, also insbesondere der Bearbeitungsdruck und/oder die Bearbeitungstemperatur, sind dagegen die Bedingungen, die unmittelbar an der Kolbenlauffläche beziehungsweise zwischen dieser und einem das mechanische Einbringen bewirkenden Werkzeug vorliegen. Der Bearbeitungsdruck ist beispielsweise der Anpressdruck des Werkzeugs auf die Kolbenlauffläche, die Bearbeitungstemperatur diejenige Temperatur, die während des Einbringens durch das Werkzeug an der Kolbenlauffläche erreicht wird. Der während des Bearbeitungsschritts auftretenden Druck und/oder die Temperatur sollen nun derart gewählt werden, dass die Diffusion des Zusatzstoffs in die Kolbenlauffläche begünstigt beziehungsweise bewirkt wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass es wenigstens einen der folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge aufweist: Herstellen des Zylinderrohrs mit der Kolbenlauffläche, insbesondere durch Gießen; mechanisches Vorbearbeiten der Kolbenlauffläche, insbesondere durch zerspanendes Bearbeiten; Beschichten der Kolbenlauffläche, insbesondere thermisches oder galvanisches Beschichten mit Metall; und/oder mechanisches Feinbearbeiten der Kolbenlauffläche, insbesondere durch Honen, Läppen, Schaben oder Schleifen. Vorzugsweise werden alle der genannten Schritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt. Unter Umständen kann jedoch das Beschichten der Kolbenlauffläche entfallen. Zunächst wird also das Zylinderrohr mit der Kolbenlauffläche hergestellt beziehungsweise bereitgestellt. Dies kann beispielsweise durch Gießen erfolgen. Anschließend wird die Kolbenlauffläche vorbearbeitet, also beispielsweise durch zerspanendes Bearbeiten bereits nahezu die endgültige Kontur der Kolbenlauffläche beziehungsweise des Zylinderrohrs hergestellt. Anschließend kann die Kolbenlauffläche beschichtet werden. Dabei ist insbesondere ein thermisches oder galvanisches Beschichten vorgesehen, wobei bei letzterem üblicherweise eine Beschichtung aus Metall aufgebracht wird. Schließlich wird die Kolbenlauffläche mechanisch feinbearbeitet, wobei die endgültige Kontur der Kolbenlauffläche ausgebildet wird. Das Ziel der Feinbearbeitung ist üblicherweise die Verbesserung der Maß- und Formgenauigkeit. Auch sollen tribologische Eigenschaften, hier also die Wechselwirkung zwischen Kolbenlauffläche und Kolben, positiv beeinflusst werden. Vorzugsweise wird die Kolbenlauffläche gehont, wozu eine Honahle zum Einsatz kommt. Die Honahle umfasst geometrisch unbestimmte Schneiden, welche ein in Honleisten zusammengefasstes Schleifmittel aufweisen. Die Schneiden sind in einem federnden Träger eingesetzt. Alternativ sind jedoch auch andere Feinbearbeitungsarten, wie beispielsweise Läppen, Schaben oder Schleifen einsetzbar.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Bearbeitungsschritt das mechanische Feinbearbeiten umfasst oder nach diesem, insbesondere unter Verwendung einer Honahle, durchgeführt wird. In ersterem Fall wird der Zusatzstoff also durch das Feinbearbeiten mechanisch in die Kolbenlauffläche eingebracht. Der Bearbeitungsschritt ist insoweit kein zusätzlicher Schritt, welcher nach dem mechanischen Feinbearbeiten durchgeführt werden muss. Vielmehr liegt das Zylinderrohr beziehungsweise die Kolbenlauffläche nach dem mechanischen Feinbearbeiten bereits in fertiger Form vor, wobei der Zusatzstoff mechanisch in die Kolbenlauffläche eingebracht ist. Im zweiten Fall wird der Bearbeitungsschritt als zusätzlicher Schritt nach dem mechanischen Feinbearbeiten durchgeführt. Das bedeutet, dass die Kolbenlauffläche bereits durch das Feinbearbeiten im Wesentlichen ihre endgültige Kontur aufweist. Nachfolgend wird sie jedoch zusätzlich mechanisch bearbeitet, um den Zusatzstoff in sie einzubringen. Der Bearbeitungsschritt wird bevorzugt unter Verwendung einer Honahle beziehungsweise einer entsprechend modifizierten Honahle durchgeführt. Es wird also erneut ein Feinbearbeiten der Kolbenlauffläche durchgeführt, welches jedoch ausschließlich dazu dient, den Zusatzstoff mechanisch in die Kolbenlauffläche einzubringen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Zusatzstoff Phosphor, Aluminium, Tantal, Titan oder ein Gemisch aus diesen Elementen verwendet wird. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein Festschmierstoff vorgesehen sein. Der Zusatzstoff wird derart gewählt, dass mit ihm die gewünschten Eigenschaften der Kolbenlauffläche, insbesondere hinsichtlich des Korrosionsschutzes, der Reibwerte, des Verschleißes sowie der Belastungsfähigkeit, erzielt werden. Insbesondere ist lediglich ein einziger Zusatzstoff vorgesehen, wobei der Zusatzstoff in einem Trägerstoff vorliegen kann. Der Trägerstoff dient dem einfachen Aufbringen des Zusatzstoffes auf die Kolbenlauffläche, ist jedoch vorzugsweise gegenüber dieser inert. Lediglich der Zusatzstoff, nicht jedoch der Trägerstoff, dringt demnach in die Kolbenlauffläche beziehungsweise den Oberflächenrandbereich des Zylinders ein und verändert dessen Eigenschaften.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Material für das Zylinderrohr Eisen oder ein Leichtmetall, insbesondere Aluminium, oder eine wenigstens einen dieser Werkstoffe aufweisende Legierung verwendet wird. Prinzipiell kann das Material für das Zylinderrohr beliebig gewählt sein. Bevorzugt wird jedoch Eisen oder ein Leichtmetall beziehungsweise eine entsprechende Legierung verwendet.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Zusatzstoff während des Bearbeitungsschritts, insbesondere zusammen mit einem Kühlmittel, oder zuvor auf die Kolbenlauffläche aufgebracht wird. In ersterem Fall soll das Aufbringen des Zusatzstoffs auf die Kolbenlauffläche gleichzeitig mit dem Bearbeiten der Kolbenlauffläche während des Bearbeitungsschritts erfolgen. Bevorzugt wird er dabei dem Kühlmittel beigefügt, welches zum Kühlen des Zylinderrohrs beziehungsweise der Kolbenlauffläche während des Bearbeitungsschritts vorgesehen ist. Das Kühlmittel dient insoweit als Trägerstoff. Alternativ kann der Zusatzstoff selbstverständlich bereits vor dem Bearbeitungsschritt auf die Kolbenlauffläche aufgebracht werden, also beispielsweise in einem zusätzlichen Schritt, welcher zwischen dem mechanischen Feinbearbeiten und dem Bearbeitungsschritt selbst vorliegt. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, eine genau definierte Menge auf genau definierte Bereiche der Kolbenlauffläche aufzutragen. Bei dieser Ausführungsform kann es sinnvoll sein, den Zusatzstoff in den Trägerstoff einzubetten und gemeinsam mit diesem auf die Kolbenlauffläche aufzubringen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Zusatzstoff in wenigstens teilweise flüssiger oder fester Form auf die Kolbenlauffläche aufgebracht wird. Prinzipiell kann der Zusatzstoff in beliebiger Form verwendet werden. Besonders bevorzugt soll er jedoch, insbesondere gemeinsam mit dem Trägerstoff, in flüssiger, plastischer, breiiger, pulverförmiger beziehungsweise körniger oder fester Form vorliegen. Der Trägerstoff dient insoweit dazu, die Eigenschaften des Zusatzstoffs anzupassen, wenn der Zusatzstoff nicht selbst in dem gewünschten Zustand vorliegt. Für den Zusatzstoff in fester Form ist es beispielsweise vorgesehen, dass er allein oder gemeinsam mit dem Trägerstoff als Folie beziehungsweise Folienhalbzeug vorliegt, wobei die Folie einfach handhabbar und der Zusatzstoff mit einer definierten Dicke auf die Kolbenlauffläche aufbringbar ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Bearbeitungsschritt ein Endbearbeitungsschritt ist. Nach dem Bearbeitungsschritt ist insoweit keine weitere mechanische Bearbeitung der Kolbenlauffläche des Zylinderrohrs vor einer Verwendung der Brennkraftmaschine vorgesehen. Selbstverständlich kann es jedoch vorgesehen sein, dass nach dem Bearbeitungsschritt beispielsweise ein Schmierstoff in das Zylinderrohr eingebracht und insbesondere auf die Kolbenlauffläche aufgebracht wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das thermische Beschichten durch thermisches Spritzen, insbesondere Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen oder Laserspritzen, durchgeführt wird. Soll die Kolbenlauffläche nach dem mechanischen Vorbearbeiten und vor dem mechanischen Feinbearbeiten beschichtet werden und ist dazu das thermische Beschichten vorgesehen, so kommt bevorzugt thermisches Spritzen zum Einsatz. Bei diesem wird insbesondere Metall beziehungsweise eine Metalllegierung auf das Zylinderrohr beziehungsweise dessen Kolbenlauffläche aufgebracht. Die Legierung kann beispielsweise Eisen, Chrom, Molybdän, Zink und dergleichen beziehungsweise mehrere dieser Elemente aufweisen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Zylinderrohr einer Brennkraftmaschine, wobei das Zylinderrohr gemäß dem Verfahren gemäß den vorstehenden Ausführungen hergestellt ist.