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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Beschichtung von Zylinderlaufflächen in einem Kurbelgehäuse. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Vorrichtung, welche geeignet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, Zylinderlaufflächen in Kurbelgehäusen für Verbrennungsmotoren mit einer thermischen Beschichtung zu versehen, einer typischerweise die tribologischen Eigenschaften verbessernden Schicht, welche über thermische Beschichtungsverfahren aufgebracht worden ist. Derartige thermische Beschichtungsverfahren können beispielsweise Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen sein. In diesem Zusammenhang kann beispielhaft auf die
DE 10 2004 038 179 A1 hingewiesen werden. In dieser Schrift ist ein Verfahren zur Herstellung einer thermisch beschichteten Zylinderlauffläche umfassend beschrieben. Als weiteres Beispiel kann die
DE 10 2014 015 089 A1 genannt werden. In dieser Schrift ist eine in ein Kurbelgehäuse eingegossene Zylinderlaufbuchse beschrieben, welche ebenfalls eine thermische Beschichtung zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften zwischen dem später in die Zylinderbohrung eingebrachten Kolben und der Zylinderlauffläche aufweist.
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Das Material des Kurbelgehäuses ist dabei typischerweise ein Leichtmetall, aus welchem das Kurbelgehäuse beispielsweise im Druckguss hergestellt wird. Dafür ist es heutzutage typisch, die Kurbelgehäuse in einer sogenannten Open-Deck-Ausführung zu realisieren. Dies bedeutet, dass Kanäle beispielsweise zur Schmiermittelzufuhr und Wassertaschen zur Ausbildung eines Wassermantels im späteren Betrieb des Verbrennungsmotors an der Trennfläche zwischen dem Kurbelgehäuse und einem Zylinderkopf offen liegen. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung indem beispielsweise in einer Druckgussform Kerne aus Stahl eingeführt werden, um die entsprechenden Öffnungen, beispielsweise für die Wassertaschen oder andere Kanäle innerhalb des Kurbelgehäuses, auszubilden.
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In der industriellen Praxis bei der thermischen Beschichtung der Zylinderlaufflächen hat sich nun gezeigt, dass bei zunehmend hohen Fertigungsgeschwindigkeiten während der Beschichtung und beispielsweise auch bei der gleichzeitigen Beschichtung mehrerer nebeneinander liegender Zylinderbohrungen an ihren Zylinderlaufflächen gelegentlich ein Verzug des Kurbelgehäuses auftritt, welcher zu einer unerwünschten Geometrie desselben führen kann. Beispielsweise bei einer Nachbearbeitung der thermischen Beschichtungen kann dies zu unterschiedlichen Schichtdicken der thermischen Beschichtung über den Umfang und die axiale Höhe der Beschichtung der Zylinderbohrung führen. In der Praxis ist dies ein gravierender Nachteil, da eine nicht gleichmäßige Schichtdicke sich nachteilig auf die gewünschten Eigenschaften der thermischen Beschichtung auswirken kann.
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Erfindungsgemäß ist es nun die Aufgabe, ein Verfahren zur thermischen Beschichtung von Zylinderlaufflächen in einem Kurbelgehäuse anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet und eine schnelle und zuverlässige Beschichtung ermöglicht. Ferner ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, geeignete Vorrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Geeignete Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 6 und 11 angegeben. Auch diese lösen die Aufgabe oder tragen zumindest zusammen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Lösung der Aufgabe bei.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass das Kurbelgehäuse während der thermischen Beschichtung mit Kühlelementen in Kontakt gebracht wird. Die Erfinder haben erkannt, dass die bei der thermischen Beschichtung, insbesondere mit entsprechend kurzen Prozesszeiten, auftretenden Probleme aufgrund einer thermischen Belastung des Kurbelgehäuses auftreten. Zwar ist das Kurbelgehäuse aus einem typischerweise gut die Wärme leitenden Leichtmetallwerkstoff hergestellt. Dennoch reicht die zur Verfügung stehende Masse des Kurbelgehäuses nicht aus, um eine ausreichende Menge an Wärme aufzunehmen, ohne dass es zu einer ungleichmäßigen thermischen Belastung des Kurbelgehäuses kommt. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es deshalb vor, dass zusätzliche Kühlelemente mit dem Kurbelgehäuse in Kontakt gebracht werden, um dieser Problematik entgegenzuwirken. Diese Kühlelemente können aus einem geeigneten Material hergestellt sein, welches die Wärme aufnimmt und ableitet. Ein solches Material kann prinzipiell beliebig sein. So ist beispielsweise der Einsatz von zusätzlichen Kühlelementen aus einem Eisen- oder Stahlwerkstoff denkbar. Die Kühlelemente könnten genauso gut aus anderen geeigneten Materialien ausgebildet sein, beispielsweise aus gut wärmeleitenden Buntmetallen oder ähnlichem.
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Dabei kann prinzipiell bereits eine passive Kühlung durch die Kühlelemente und die dadurch vergrößerte Masse und das vergrößerte Volumen zur Aufnahme und Speicherung von Wärmeenergie einen signifikanten Erfolg erzielen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es ferner vorgesehen sein, dass die Kühlelemente aktiv gekühlt sind. Eine solche aktive Kühlung der Kühlelemente sorgt für eine effiziente Abfuhr der eingetragenen Prozesswärme und erlaubt so eine sehr schnelle thermische Beschichtung beispielsweise auch mehrerer Zylinderbohrungen gleichzeitig, während durch die aktive Kühlung der Kühlelemente die Wärmeabfuhr soweit verbessert wird, dass keine thermischen Beeinträchtigungen und insbesondere kein thermisch induzierter Verzug der Geometrie des Kurbelgehäuses auftritt. Eine aktive Kühlung der Kühlelemente kann dabei prinzipiell in beliebiger Art und Weise erfolgen. Beispielsweise kann die aktive Kühlung über ein Kühlfluid, also eine Flüssigkeit oder ein Gas, realisiert werden, welches die Kühlelemente in hierfür geeigneten Kanälen durchströmt oder Teile der Kühlelemente umströmt, um die Wärme abzuführen. Alternativ dazu wäre auch eine beispielsweise elektrisch aufgebaute Kühlung denkbar, bei welcher die Wärme über Peltier-Elemente oder ähnliches aktiv von den Kühlelementen weggeführt wird.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dies zusammen mit einem Kurbelgehäuse in der sogenannten Open-Deck-Ausführung genutzt. Bei einem solchen Kurbelgehäuse ist es so, dass zur Trennfläche zwischen dem Kurbelgehäuse und dem Zylinderkopf hin offene Wassertaschen vorliegen. Neben den Wassertaschen können dabei auch andere Kanäle offen sein. Wie eingangs erwähnt ist eine solche Bauweise insbesondere für die Herstellung des Kurbelgehäuses im Druckguss von Vorteil. Die in Richtung der Trennfläche zwischen dem Kurbelgehäuse und dem Zylinderkopf offenen Wassertaschen werden bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens nun genutzt, um die Kühlelemente während der thermischen Beschichtung in den Wassertaschen zu platzieren. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass diese einerseits in Richtung der Trennfläche zwischen dem Kurbelgehäuse und dem Zylinderkopf hin offen sind und dass diese andererseits durch beispielsweise Kerne aus einem Stahlmaterial während des Druckgussprozesses hergestellt worden sind. Um ein Entformen von diesen Kernen zu gewährleisten, muss die gesamte Geometrie der Wassertaschen von der Trennfläche aus frei zugänglich sein. Dies kann nun genutzt werden, um die Kühlelemente vergleichbar den zuvor während des Herstellungsprozesses eingelegten Kernen geometrisch korrespondierend zu den Wassertaschen auszubilden und so über die Kühlelemente in passiver oder aktiver Kühlung eine sehr gute Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Zylinderbohrungen zu erzielen, da diese nur durch die vergleichsweise dünne und gut wärmeleitende Zylinderwand von diesen Wassertaschen getrennt sind. Dadurch ist ein guter Wärmeeintrag in den Bereich der Kühlelemente möglich, um so während der thermischen Beschichtung das Kurbelgehäuse kühlen zu können.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass die Kühlelemente durch Federelemente in die Wassertaschen und/oder gegen deren Wandungen in Richtung der Zylinderbuchsen gedrückt werden. Eine derartige Ausgestaltung mit Federelementen, welche die Kühlelemente in die Wassertaschen und/oder in Richtung der zu den Zylinderbohrungen hin liegenden Wandungen der Wassertaschen drücken, stellen bei geeigneter Geometrie der Kühlelemente eine sehr gute mechanische Anlage der Kühlelemente an den Wandungen der Wassertasche sicher, sodass ein möglichst guter Wärmetransfer von dem Material des Kurbelgehäuses, welches die Zylinderbohrung unmittelbar umgibt, zu den Kühlelementen in den Wassertaschen hin realisiert wird. Damit lässt sich genau der Bereich, in welchem die Wärme durch die thermische Beschichtung eingetragen wird, sehr effizient kühlen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können dabei prinzipiell verschiedene Arten von thermischer Beschichtung eingesetzt werden. In der Praxis hat sich als sehr einfaches, effizientes und zuverlässiges Verfahren eine thermische Beschichtung durch das sogenannte Lichtbogendrahtspritzen erwiesen, sodass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die thermische Beschichtung durch Lichtbogendrahtspritzen erfolgen soll. Durch die Zusammensetzung der Legierung des Drahts lassen sich dabei die Eigenschaften der thermisch gespritzten Beschichtung einfach anpassen, und so je nach eingesetzten Materialen des Kurbelgehäuses, der Kolben bzw. der Kolbenringe und der speziellen Anforderungen entsprechend der Art des eingesetzten Kraftstoffs ideale Beschichtungen zu erzielen.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird zusammen mit dem Verfahren auch durch eine Vorrichtung zur Kühlung eines Kurbelgehäuses in Open-Deck-Bauart in einem Verfahren gemäß einer der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen gelöst. Die Vorrichtung weist dabei Kühlelemente mit einer zumindest teilweise mit den Wassertaschen des Kurbelgehäuses korrespondierenden geometrischen Form auf. Durch solche Kühlelemente, welche zumindest auf der den Zylinderbohrungen zugewandten Seite der Kühlelemente mit der Form der Wassertaschen korrespondieren, wird, wie oben bereits erläutert, ein sehr guter mechanischer Kontakt realisiert, sodass durch die große anliegende Fläche eine gute Wärmeübertagung stattfindet. Hierdurch wird eine sehr gute Kühlung des Kurbelgehäuses insbesondere im Bereich, in dem die thermische Beschichtung aufgetragen wird, während des Beschichtungsprozesses, gewährleistet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es dabei vorgesehen sein, dass die Kühlelemente über Federelemente an einer Halteplatte aufgenommen sind, welche im bestimmungsgemäßen Einsatz parallel zur oder auf der Trennfläche des Kurbelgehäuses zum Zylinderkopf zu liegen kommt. Dabei wirken die Federelemente parallel zur axialen Richtung der Zylinderbohrungen.
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Die Halteplatte wird also vorzugsweise nachdem die Beschichtungsköpfe bereits in die Zylinder des Kurbelgehäuses eingefahren sind, auf der Trennfläche oder mit minimalem Abstand über der Trennfläche platziert. Die einzelnen Kühlelemente, welche insbesondere aktiv gekühlt sein können, sind nun über Federelemente mit der Halteplatte verbunden und werden durch die Kraft der Federelemente parallel zur axialen Richtung der Zylinderbohrungen in die Wassertaschen gedrückt, sodass sie gegen das der Trennfläche abgewandte Ende der Wassertaschen gedrückt werden. Typischerweise sind die Wassertaschen konisch ausgebildet, um eine Entformung der Kerne bei der Herstellung des Kurbelgehäuses zu gewährleisten. Die Kühlelemente mit einer mit diesen Kernen korrespondierenden konischen Form werden nun über die Federelemente in die Wassertaschen gedrückt und kommen somit an den Wandungen dieser zumindest teilweise zur Anlage. Bei geeigneter Geometrie erfolgt dabei eine Kontaktierung über einen großen Bereich der Oberfläche der Wassertaschen, sodass ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee können die Kühlelemente weitere Federelemente aufweisen, welche in radialer Richtung zu den Achsen der Zylinderbohrung wirken und zwischen den Wandungen der Wassertaschen und der der Zylinderbohrung abgewandten Seite der Kühlelemente angeordnet sind. Ein solcher Aufbau, bei welchem in Kauf genommen wird, dass die Kühlelemente auf der den Zylinderbohrungen abgewandten Seite der Wassertaschen nicht vollflächig anliegen, ermöglicht eine Verbesserung der Anlage der Kühlelemente an den Wandungen der Wassertaschen, welche in Richtung der Zylinderbohrungen ausgebildet sind. Durch die weiteren nun radial wirkenden Federelemente und die zuvor bereits beschriebenen axial wirkenden Federelemente werden die Kühlelemente einerseits in axialer Richtung parallel zu den Zylinderbohrungen an den Boden der Wassertaschen gepresst und andererseits durch die weiteren Federelemente in Richtung der Zylinderbohrungen, also an die dort liegende Wand der Wassertaschen. Damit ist eine sehr gute Anlage in diesem Bereich gewährleistet. Da in diesem Bereich die meiste Wärme entsteht, welche in die Kühlelemente eingetragen wird, ist dies ein entscheidender Vorteil, sodass durch die über die weiteren Federelemente erzielte verbesserte Anlage auf der einen Seite der Wassertasche der schlechtere Kontakt auf der anderen den Zylinderbohrungen abgewandten Seite in Kauf genommen werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass die Kühlelemente integrierte Kühlkanäle aufweisen, welche mit Anschlussstutzen für ein Kühlfluid verbunden sind. Eine einfache Methode zur aktiven Kühlung der Kühlelemente kann die Integration von Kanälen für ein Kühlfluid in den Kühlelementen darstellen. Diese werden dann über Anschlussstutzen beispielsweise mit flexiblen Leitungen mit einem Reservoir für das Kühlmedium verbunden. Dies kann prinzipiell sowohl ein gasförmiges als auch ein flüssiges Kühlmedium sein. In der Praxis hat sich ein flüssiges Kühlmedium bewährt, da dieses eine vergleichsweise hohe Wärmeabfuhr gewährleistet. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil zur effizienten und prozesssicheren Kühlung des Kurbelgehäuses während der thermischen Beschichtung seiner Zylinderbohrungen sicher.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Idee ist es nun ferner vorgesehen, dass jeweils eines der Kühlelemente mit den verbundenen Wassertaschen um mehrere benachbarte Zylinderbohrungen in seiner geometrischen Form korrespondiert. Der typische Aufbau eines Kurbelgehäuses sieht es vor, dass mehrere benachbarte Zylinder, welche beispielsweise in einer Reihe liegen, von zwei Wassertaschen auf der einen Seite der Reihe und auf der anderen Seite der Reihe gekühlt werden. Je Reihe von Zylindern existieren deshalb typischerweise zwei Wassertaschen, welche in ihrer geometrischen Form um die Seiten dieser Zylinder herumgeführt sind. Bei einem Aufbau mit mehreren Reihen an Zylindern, beispielsweise einem V-Motor, tritt dieser Aufbau dann je Reihe auf, ist also entsprechend der Anzahl an Reihen von Zylindern mehrfach vorhanden. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung in der oben beschriebenen Variante sieht es nun vor, dass jeweils eines der Kühlelemente diese untereinander verbundenen Wassertaschen nutzt und mit seiner Geometrie dementsprechend ausgestaltet ist. Dies entspricht einer Ausgestaltung analog zu den Kernen beim Gießen der Kurbelgehäuse in diesem Bereich, wenn diese einteilig sind. In der Praxis bedeutet dies beispielsweise bei einem Reihenmotor mit 4 oder 6 Zylindern, dass zwei derartige Kühlelemente vorhanden sind, eines rechts der Reihe und eines links der Reihe. Der Aufbau ist deshalb sehr einfach, da die beiden Kühlelemente zur Kühlung aller Zylinderbohrungen gleichzeitig eingesetzt werden können.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur thermischen Beschichtung von Zylinderlaufflächen in den Zylinderbohrungen eines Kurbelgehäuses mit zur Trennfläche zwischen dem Kurbelgehäuse und einem Zylinderkopf hin offenen Wassertaschen umfasst zumindest einen oder vorzugsweise mehrere thermische Beschichtungsköpfe, insbesondere eine Anzahl von thermischen Beschichtungsköpfen, welche denen in Reihe zueinander angeordneten Zylinderbohrungen entspricht. Die thermischen Beschichtungsköpfe, welche auch als Brenner bezeichnet werden, sind relativ zu den Zylinderbohrungen in deren axialer Richtung verfahrbar, können also in die Zylinderbohrungen eingefahren werden, oder das Kurbelgehäuse mit seinen Zylinderbohrungen wird über die feststehenden Beschichtungsköpfe gefahren. Die Beschichtungsköpfe rotieren dann, um die Beschichtung in an sich bekannter Art und Weise aufzubringen. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Abdeckplatte, welche während der thermischen Beschichtung parallel zur oder auf der Trennfläche des Kurbelgehäuses zum Zylinderkopf zu liegen kommt. Diese Abdeckplatte, welche auch als Maske bezeichnet werden könnte, sorgt dafür, dass keine Partikel der thermischen Beschichtung in den Bereich der Trennfläche gelangen, da diese später die Abdichtung zwischen dem Kurbelgehäuse und dem Zylinderkopf beeinträchtigen könnten. Erfindungsgemäß ist es in der Vorrichtung zum thermischen Beschichten von Zylinderlaufflächen nun vorgesehen, dass Kühlelemente eingesetzt werden, welche zumindest während der thermischen Beschichtung in wärmeleitendem Kontakt zu den Wassertaschen stehen. Die Ausgestaltung dieser Kühlelemente und ihr verfahrensgemäßer Einsatz ergibt sich analog den bisherigen Ausführungen.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es vorgesehen sein, dass die Abdeckplatte als Halteplatte im oben beschriebenen Sinn dient. Die Abdeckplatte und die Halteplatte können also als ein und dasselbe Bauteil ausgeführt sein. Hierdurch ein außerordentlich einfacher und effizienter Aufbau. Die Abdeckplatte wird ohnehin in eine Position parallel zur oder auf der Trennfläche abgesenkt. Ist die Abdeckplatte zusätzlich als Halteplatte mit den Federelementen und den daran befestigten Kühlelementen versehen, dann werden beim Absenken der Abdeckplatte die Kühlelemente in die Wassertaschen eingedrückt und durch die Kraft der Feder an die Wandungen der Wassertaschen gepresst. Hierdurch entsteht ein guter wärmeleitender Kontakt, welcher eine effiziente Abfuhr der eingetragenen Wärme während der thermischen Beschichtung zu den Kühlelementen hin gewährleistet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee können die Kühlelemente dabei aktiv gekühlt sein, wozu diese, wie oben beschrieben, integrierte Kühlkanäle und Anschlussstutzen aufweisen, und wozu diese in der Vorrichtung zur thermischen Beschichtung der Zylinderlaufflächen gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung über flexible Leitungselemente, wie beispielsweise Schläuche, mit einem Kühlkreislauf verbunden sind. Dieser Kühlkreislauf der Vorrichtung in dieser vorteilhaften Ausgestaltung weist beispielsweise einen Vorratsbehälter für ein Kühlfluid, insbesondere eine geeignete Kühlflüssigkeit, auf. Wie es bei einem Kühlkreislauf üblich ist, wird dieses Kühlfluid dann entsprechend umgewälzt, beispielsweise über eine Kühlmittelfördereinrichtung. Über die Kühlmittelfördereinrichtung gelangt das Kühlfluid zu einem oder mehreren der Kühlelemente, welche insbesondere parallel oder auch in Reihe hintereinander von dem Kühlmedium durchströmt und dabei sehr effizient aktiv gekühlt werden. Hierdurch ist eine sehr gute Wärmeabfuhr aus dem Bereich der thermisch zu beschichtenden Zylinderlaufflächen möglich. Das Kühlmedium strömt dann beispielsweise über einen Sammler bei einer parallelen Verschaltung der Kühlelemente und einen Kühler wieder zurück zur Kühlmittelfördereinrichtung, sodass der Kreislauf von neuem beginnt. Die entstehende Abwärme kann über einen an sich bekannten Kühler beispielsweise in die Umgebung der Vorrichtung abgegeben werden, indem dieser Kühler von einem weiteren Kühlmedium, insbesondere von aktiv durch ihn geförderter Luft, durchströmt wird, um die Abwärme beispielsweise in die Umgebung der Vorrichtung oder in die Umgebung einer die Vorrichtung aufweisenden Werkhalle abzuführen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtungen ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Motorblocks einer Brennkraftmaschine;
- 2 eine Draufsicht auf ein Kurbelgehäuse;
- 3 das Kurbelgehäuse mit Teilen einer Vorrichtung zur thermischen Beschichtung der Zylinderlaufflächen;
- 4 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem prinzipmäßigen Schnitt durch einen Teil des Kurbelgehäuses und ein Kühlelement;
- 5 eine Darstellung analog zu 4 mit einer alternativen Ausführungsform des Kühlelements; und
- 6 eine schematische Darstellung einer aktiven Kühlung eines Kühlelements.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichneter Motorblock angedeutet. Dieser Motorblock 1 besteht aus einem Kurbelgehäuse 2, wobei in dem Kurbelgehäuse 2 angedeutet vier beispielhafte Zylinderbohrungen 3 zu erkennen sind. Außerdem ist im oberen Bereich des Motorblocks 1 ein Zylinderkopf 4 dargestellt. Der Zylinderkopf 4 ist in an sich bekannter Art und Weise mit dem Kurbelgehäuse 2 entlang einer mit 5 bezeichneten Trennfläche verbunden, wobei zwischen die beiden Teile eine hier nicht erkennbare dem Fachmann aber an sich bekannte sogenannte Zylinderkopfdichtung eingelegt ist. Das Kurbelgehäuse 2 ist in einer sogenannten Open-Deck-Ausführung hergestellt. Es soll beispielsweise aus einem Leichtmetall im Druckguss hergestellt sein. Die sogenannte Open-Deck-Bauweise hat dabei den Vorteil, dass die Kerne für einzelne Elemente, welche innerhalb des Kurbelgehäuses 2 frei bleiben sollen, in diese eingelegt und einfach wieder entformt werden können. In der Darstellung der 2, einer Draufsicht auf das Kurbelgehäuse 2 aus Richtung der Trennfläche 5, ist dies prinzipiell erkennbar. Neben den eigentlichen Zylinderbohrungen 3 sind entlang dieser in einer Reihe angeordneten Zylinderbohrungen 3 zwei sogenannte Wassertaschen 6 zu erkennen. Diese werden durch eingelegte Kerne, beispielsweise aus einem Stahlmaterial, während des Druckguss ausgeformt und verbleiben als Öffnungen in dem Kurbelgehäuse 2. Gegenelemente und/oder eine Abdichtung dieser Wassertaschen 6 befinden sich beispielsweise in dem Zylinderkopf 4 bzw. die Wassertaschen 6 werden mit ihren in der Darstellung der 2 an der Trennfläche 5 offenen Seiten über die Zylinderkopfdichtung und den aufgesetzten Zylinderkopf 4 im späteren Motorblock 1 abgedichtet. Neben den Zylinderbohrungen 3 und den Wassertaschen 6 sind in der Darstellung der 2 weitere Elemente zu erkennen. Diese können beispielsweise Ölführungskanäle oder Gewindebohrungen zur Aufnahme von Schrauben zur Befestigung des Zylinderkopfs 4 oder ähnliches sein. Sie sind für die nachfolgend dargestellte Erfindung nicht weiter von Bedeutung, sodass auf sie nicht weiter eingegangen wird und sie auch nicht mit einem Bezugszeichen versehen sind.
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Die Oberflächen der Zylinderbohrungen 3 werden nun in dem Bereich, in dem später die Kolben bzw. Kolbenringe der Kolben auf ihnen laufen, mit einer thermischen Beschichtung versehen. Diese thermische Beschichtung verbessert die tribologischen Eigenschaften und reduziert somit die Reibung in dem Motor während des Betriebs. Letzten Endes wird hierdurch also Kraftstoff eingespart und die Leistung des Motors verbessert. In der Darstellung der 3 ist das Kurbelgehäuse 2 nochmals dargestellt. Analog zur Darstellung in 1 ist das Kurbelgehäuse in einer Seitenansicht zu erkennen, in welcher die Zylinderbohrungen 3 angedeutet sind. Auf der Trennfläche 5 ist eine Abdeckplatte 7 positioniert, welche so gestaltet ist, dass sie typischerweise lediglich die Zylinderbohrungen 3 freilässt. Sie dient zur Abdeckung bzw. Maskierung der Trennfläche 5, um zu verhindern, dass sich auf dieser Trennfläche 5 Material der thermischen Beschichtung absetzt. Oberhalb dieser Abdeckplatte 7 ist in der Darstellung der 3 für jede der Zylinderbohrungen 3 jeweils ein einzelner LDS-Brenner 8, als thermischer Beschichtungskopf, dargestellt. Dieser LDS-Brenner 8 ist soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es handelt sich dabei um einen Brenner für das Lichtbogendrahtspritzen (LDS), bei welchem zwei Drähte, welche gleichzeitig die Elektroden eines elektrischen Leistungskreises ausbilden, gegeneinander geführt werden. Wird der Abstand zwischen den beiden Elektroden unter einen Grenzabstand verringert, dann kommt es zu einem Lichtbogen zwischen den beiden Elektroden, welcher das Material der nachgeführten Elektroden aufschmilzt. Typischerweise wird über ein dem LDS-Brenner 8 zugeführtes Gas das aufgeschmolzene Material der Elektroden dann fein zerstäubt aus dem LDS-Brenner 8 herausgespritzt und gelangt so auf die Zylinderlaufbahnen der Zylinderbohrungen 3. Um diese gleichmäßig zu beschichten, bewegen sich die LDS-Brenner 8 dabei, wie es durch die Pfeile angedeutet ist, von oben nach unten in der Darstellung der 3 und rotieren um ihre eigene Achse. Die genaue Ausgestaltung dieser Bewegungen, beispielsweise spiralförmig oder in einzelnen Bahnen von unten nach oben, woraufhin ein Verschwenken des LDS-Brenners 8 in Umfangsrichtung erfolgt, und das auf und ab bewegen desselben von neuem beginnt, ist dabei für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung. All diese Bewegungsarten sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt und lassen sich entsprechend der benötigten Eigenschaften der Schicht optimieren. Das Ziel ist es, eine möglichst gleichmäßige thermische Beschichtung zu erhalten, und diese im Hinblick auf die Serienfertigung möglichst schnell und prozesssicher zu erreichen. Anstelle der hier dargestellten vier LDS-Brenner 8 wären ebenso einer oder zwei LDS-Brenner 8 denkbar, welche nacheinander in die einzelnen Zylinderbohrungen 3 eintauchen würden.
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Um der Problematik eines thermischen Verziehens des Materials des Kurbelgehäuses 2 entgegenzuwirken ist es nun so, dass in den Wassertaschen 6, welche ja in Richtung der Trennfläche 5 noch offen sind und deshalb nicht von einem Kühlmedium durchströmt werden können, Kühlelemente 9 eingebracht werden, welche für eine Abfuhr der eingetragenen Wärme durch den LDS-Prozess, oder einen alternativen thermischen Beschichtungsprozess, sorgen. Diese Kühlelemente 9 können dabei beispielsweise in der in der Darstellung der 4 beschriebenen Art und Weise eingebracht werden. Dazu ist in der Darstellung der 4 eine der Zylinderbohrungen 3 mit dem sie umgebenden Material 2 des Kurbelgehäuses dargestellt. Außerdem ist eine der Wassertaschen 6 im Bereich neben der jeweiligen Zylinderbohrung 3 zu erkennen. Die Wärme, welche auf der Innenseite der Zylinderbohrung 3 in das Material unter der Zylinderlauffläche eingetragen wird, gelangt dann durch das Material des Kurbelgehäuses 2 zu der Wassertasche 6 und wird von dem dort befindlichen Kühlelement 9 zumindest teilweise aufgenommen. Um bei der Herstellung des Kurbelgehäuses 2 eine Entformung des Stahlkerns, welcher die Wassertaschen 6 ausbildet, zu gewährleisten, sind die Wandungen der Wassertasche 6 typischerweise konisch ausgebildet. In dem Ausführungsbeispiel der 4 erweitern diese sich konisch nach oben. Das Kühlelement 9 ist ebenfalls konisch ausgebildet und entspricht im Wesentlichen der geometrischen Form der Kerne, über welche die Wassertaschen 6 ausgebildet worden sind. Um eine möglichst gute mechanische Anlage der Fläche des Kühlelements 9 an den Wandungen der Wassertasche 6 zu erreichen, wird das Kühlelement 9, wie es in der Darstellung der 4 angedeutet ist, über ein Federelement 10 in die Wassertasche 6 hineingedrückt. Hierfür kann das Kühlelement 9 beispielsweise über das Federelement 10 mit der Abdeckplatte 7, welche dann gleichzeitig als Halteplatte 7 für die Kühlelemente 9 fungiert, verbunden sein. Wird diese Haltplatte bzw. Abdeckplatte 7 nun in Richtung der Trennfläche 5 abgesenkt und kommt parallel zu dieser oder auf dieser zu liegen, dann werden gleichzeitig die Kühlelemente 9 in die Wassertaschen 6 gedrückt, um eine möglichst gute und vollflächige Anlage der Kühlelemente 9 an den Wandungen der Wassertasche 6 zu gewährleisten. Das Federelement 10 wirkt dabei parallel zu der axialen Richtung a bezogen auf die Achsen der Zylinderbohrungen 3. Es drücken das Kühlelement 9 also ausgehend von der Seite der Trennfläche 5 auf den gegenüberliegenden Boden der Wassertaschen 6.
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Die bei der thermischen Beschichtung eingetragene Wärme muss also nun nicht ausschließlich von dem Material des Kurbelgehäuses 2 abgeführt werden, sondern kann auch von dem Material der Kühlelemente 9 mit aufgenommen und abgeführt werden.
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Die Kühlelemente 9 können hierfür nicht nur, wie es in der Darstellung der 4 angedeutet ist, als passive Kühlelemente ausgebildet sein, sondern können auch aktiv gekühlt werden. Ein solches aktiv gekühltes Kühlelement 9 ist beispielhaft in der Darstellung der 5 angedeutet. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem im Rahmen der 4 beschriebenen Aufbau. Allerdings weist das Kühlelement 9 einzelne Kühlkanäle 11 auf, welche von einem gasförmigen oder vorzugsweise flüssigen Kühlmedium in der später noch näher beschriebenen Art und Weise durchströmt werden sollen.
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Über das Kühlmedium wird dabei ein sehr guter Abtransport der Wärme aus dem Bereich des Kurbelgehäuses 2 zuverlässig gewährleistet. In der Praxis ist es nun so, dass die Wandungen der Wassertaschen 6 nach dem Druckguss des Kurbelgehäuses 2 typischerweise nicht nachbearbeitet werden. Die Form der Wandungen und die Abmessungen der Kühltaschen unterliegen damit typischerweise vergleichsweise hohen Toleranzen. Um nun einen möglichst guten und sicheren Kontakt der Kühlelemente 9 mit den Wandungen der Wassertaschen 6, und hier insbesondere mit der der Zylinderbohrung 3 zugewandten Wandung der Wassertasche 6 zu erreichen, kann es, wie es in der Darstellung der 5 angedeutet ist, vorgesehen sein, dass die Kühlelemente 9 in ihrer radialen Ausdehnung in der radialen Richtung r bezogen auf die Achse der Zylinderbohrungen 3 etwas kleiner als die zu erwartende Breite der Wassertasche 6 ausgebildet ist. Über weitere Federelemente 12, welche in der Darstellung der 5 beispielhaft als eine gebogene Flachfeder dargestellt sind, kann nun dafür gesorgt werden, dass durch die Federwirkung zwischen der der Zylinderbohrung 3 abgewandten Wandung der Wassertasche 6 und dem Federelement 12, welches seinerseits mit dem Kühlelement 9 verbunden ist, eine Kraftwirkung auf das Kühlelement in Richtung der Zylinderbohrung 3 erzielt wird. Das Kühlelement 9 wird also gegen die der Zylinderbohrung 3 zugewandte Wand der Wassertasche 6 gepresst, während das Federelement 10 zwischen dem Kühlelement und der Halte- bzw. Abdeckplatte das Kühlelement 9 in der Darstellung der 4 und 5 nach unten, also auf den Boden der Wassertasche 6 presst. Hierdurch ist ein guter, flächiger Kontakt der Kühlelemente 9 zwischen den relevanten Abschnitten der Wandung der Wassertasche 6 gewährleistet, sodass die von der Zylinderbohrung 3 in radialer Richtung abgeleitete Wärme von dem Kühlelement 9 ideal aufgenommen werden kann.
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Dem Fachmann ist dabei klar, dass er die Ausführungen der 4 und 5 beliebig untereinander kombinieren kann. So ist es beispielsweise denkbar, die aktive Kühlung über die Kühlkanäle des Kühlelements auch bei der Ausführungsvariante der 4 vorzusehen oder den Einsatz der weiteren Federn 12 bei der passiven Variante.
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In der Darstellung der 6 ist eines der Kühlelemente 9 nochmals in einer schematischen dreidimensionalen Ansicht zu erkennen. Das Kühlelement 9 ist dabei so ausgeführt, dass es die Wassertasche 6, welche mehrere der in Reihe liegenden Zylinder 3 gemeinsam kühlt, wie es aus der Darstellung der 2 ersichtlich ist, weitgehend ausfüllt. Für den beispielhaft in der Darstellung der 2 dargestellten Aufbau mit vier in Reihe befindlichen Zylindern reichen also zwei der Kühlelemente 9 aus. Diese Kühlelemente 9 sollen gemäß der Darstellung in 6 nun wiederum die hier nicht erkennbaren Kühlkanäle 11 aufweisen. Diese Kühlkanäle 11 in dem Kühlelement 9 sind dabei mit Anschlussstutzen 13 verbunden, welche ihrerseits mit einem Kühlkreislauf 14 verbunden sind, in welchem ein flüssiges Kühlmedium zur Abfuhr der Wärme aus den Kühlelementen 9 zirkuliert. Der Kühlkreislauf 14 weist dabei, wie es in der Darstellung der 6 zu erkennen ist, wenigstens eine Kühlmedienfördereinrichtung 15 auf. Diese fördert das Kühlmedium in einen Verteiler 16 und von dort beispielsweise zu zwei Kühlelementen 9, wobei in der Darstellung der 6 lediglich eines der Kühlelemente 9 dargestellt ist. Nach dem Durchströmen des Kühlelements 9, in der Darstellung der 6 wäre es dabei so, dass die Kühlelemente 9 parallel zueinander durchströmt werden, gelangt das Kühlmedium wieder zurück in einen Sammler 17 und von dort über einen Kühlwärmetauscher 18 wieder zur Kühlmedienfördereinrichtung 15. Alternativ zu dieser Darstellung wäre selbstverständlich auch eine serielle Durchströmung von Kühlelementen 9 in dem Kühlkreislauf 14 denkbar.
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Das Kühlmedium, welches sich im Bereich des Sammlers 17 sammelt, hat die Abwärme aus mehreren der Kühlelemente 9 aufgenommen. In dem Kühlwärmetauscher 18 wird das Kühlmedium wieder abgekühlt, um so erneut zur Aufnahme von Wärme aus den Kühlelementen 9 zur Verfügung zu stehen. Der Kühlwärmetauscher 18 kann beispielsweise ein von Umgebungsluft gekühlter Kühlwärmetauscher 18 sein, wie es in der Darstellung der 6 durch den Kühlwärmetauscher 18 und ein die Umgebungsluft in Zwangskonvektion durch ihn hindurchpressendes Gebläse 19 prinzipmäßig angedeutet ist. Der Kühlkreislauf 14 kann selbstverständlich mehrere Kühlmittelfördereinrichtungen und weitere Einrichtungen wie beispielsweise Filter, Kühlmittelausgleichsbehälter und ähnliches aufweisen. All dies ist dem Fachmann für einen Kühlkreislauf 14 bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
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Alles in allem erlaubt das thermische Beschichten mit einer effizienten Kühlung des Materials des Kurbelgehäuses 2 durch die in die Wassertaschen 6 eingebrachten Kühlelemente 9, ungleich ob diese aktiv oder passiv ausgeführt sind, eine sehr effiziente Wärmeabfuhr, sodass zuverlässig und prozesssicher eine thermische Beschichtung möglich ist, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Material des Kurbelgehäuses 2 sich verzieht. All dies dient einer sehr schnellen und effizienten Herstellung von Kurbelgehäusen 2 mit einer thermischen Beschichtung der Zylinderlaufbahnen, welche dann beim Einsatz in den entsprechenden Motorblöcken 1 bzw. Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen oder anderen Nutzanwendungen einen sehr energieeffizienten Betrieb ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004038179 A1 [0002]
- DE 102014015089 A1 [0002]
