DE102016116815A1

DE102016116815A1 - Verfahren zur Beschichtung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine und Zylinder für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102016116815A1
Application number: DE102016116815.7A
Authority: DE
Inventors: Holger Klumpp
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-03-08
Also published as: KR102018429B1; JP2018040360A; CN107806373B; US20180066349A1; CN107806373A; JP6515155B2; KR20180028389A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Zylinder (1) in einem Kurbelgehäuse (7) der Verbrennungskraftmaschine (2) ausgebildet ist, und einen Laufflächenabschnitt (4) mit einer einem Innenraum (3) des Zylinder (1) zugewandt ausgebildete Kolbenlauffläche (5) aufweist, entlang derer ein Kolben der Verbrennungskraftmaschine (2) bewegbar ist, und wobei der Zylinder an den Innenraum (3) angrenzende weitere Flächen (13, 14) aufweist, insbesondere eine Lagerabschnittsfläche (13) eines zur Lagerung einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine (2) vorgesehenen Lagerabschnitt (6) sowie eine Auslaufabschnittsfläche (14) eines zwischen dem Lagerabschnitt (6) und dem Laufflächenabschnitt (4) ausgebildeten Auslaufabschnitts (8). Erfindungsgemäß erhält in einem ersten Schritt die dem Innenraum (3) zugewandt ausgebildete weitere Fläche (13; 14) eine definierte Struktur (16), und in einem zweiten Schritt erfolgt die Beschichtung in Form einer Besprühung der Kolbenlauffläche (5). Des Weiteren wird ein Zylinder (1) für eine Verbrennungskraftmaschine (2) angegeben, der zumindest temporär eine definierte Struktur (16) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Zylinder für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Patentanspruch 11.
Verfahren zur Beschichtung von Zylindern von Verbrennungskraftmaschinen sind bekannt. Die Beschichtung der Zylinder an ihren Kolbenlaufflächen dient einem verschleißverringerten Lauf eines sich im Zylinder oszillierend bewegenden Kolbens der Verbrennungskraftmaschine. Die Beschichtung erfolgt durch Besprühung der Kolbenlauffläche mit einem Plasmaspray.
Die Patentschrift EP 2 112 359 B1 offenbart einen Zylinder, dessen Kolbenlauffläche eine Verkrallstruktur aus Nuten oder einem spiralförmigen Profil aufweist. Die Verkrallstruktur besitzt Hinterschneidungen, wodurch sich die Vergrößerung einer Haftfläche für eine Beschichtung des Zylinders ergibt. Des Weiteren resultiert daraus eine verbesserte Haftung der Beschichtung.
Der Patentschrift EP 1 334 268 B1 ist ein Verfahren zur Beschichtung eines Zylinders zu entnehmen, wobei eine Kolbenlauffläche des Zylinders zur verbesserten Haftung der Beschichtung eine zwei Wellenformen umfassende gewindeartige Struktur aufweist.
Aus der Patentschrift EP 1 225 324 B1 ist ein Zylinder für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, dessen Kolbenlauffläche eine Beschichtung bestehend aus einer Legierung aufweist. Die Kolbenlauffläche selbst weist zur verbesserten Haftung der Beschichtung eine Verkrallstruktur mit einer Vielzahl schräg verlaufender Zähne auf.
Während des Beschichtungsvorganges kommt es allerdings durch reflektierte Partikel des Beschichtungsmaterials zu einer undefinierten Materialeinbettung derselben in der Beschichtung. Diese Partikel werden insbesondere an im Zylinder ausgebildeten Oberflächen eines so genannten Honauslaufes und sogenannter Lagerstühle reflektiert. Diese Reflexionen führen zu einer inhomogenen Schichtausbildung der Beschichtung infolge eines Einbettens der reflektierten Partikel. Diese inhomogene Beschichtung führt im weiteren Bearbeitungsprozess, insbesondere einem Veredelungsprozess wie bspw. Honen des Zylinders, zu Ausbrüchen und Oberflächenbeschädigungen. Der Zylinder wird hierdurch unbrauchbar und kann nicht mehr verwendet werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Beschichtung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines verbesserten Zylinders für eine Verbrennungskraftmaschine.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Beschichtung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zylinder für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Beschichtung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Zylinder in einem Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist, und einen Laufflächenabschnitt mit einer einem Innenraum des Zylinder zugewandt ausgebildete Kolbenlauffläche aufweist, entlang derer ein Kolben der Verbrennungskraftmaschine bewegbar ist, und wobei der Zylinder an den Innenraum angrenzende weitere Flächen aufweist, insbesondere eine Lagerabschnittsfläche eines zur Lagerung einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine vorgesehenen Lagerabschnitt sowie eine Auslaufabschnittsfläche eines zwischen dem Lagerabschnitt und dem Laufflächenabschnitt ausgebildeten Auslaufabschnitts, zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Schritt die der dem Innenraum zugewandt ausgebildete weitere Fläche eine definierte Struktur erhält und wobei in einem zweiten Schritt die Beschichtung in Form einer Besprühung der Kolbenlauffläche erfolgt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Flächen des Zylinders, die nicht als Kolbenlauffläche ausgebildet sind, somit die weiteren Flächen, eine zur definierten Reflektion von während einem Aufbringen der Beschichtung entstehenden Partikel ausgebildete definierte Struktur erhalten. Das bedeutet, dass eine wesentlich verbesserte Zylinderoberfläche im Bereich der Kolbenlauffläche erzielbar ist. Dadurch reduziert sich eine Ausschussrate wodurch Herstellungskosten wesentlich gesenkt werden können. Bevorzugt ist die Fläche die Lagerabschnittsfläche und/oder eine Auslaufabschnittsfläche des Auslaufabschnitts. Die Auslaufflächenabschnittsfläche ist direkt an die Kolbenlauffläche angrenzend ausgebildet und steht daher in unmittelbarem Kontakt zu dieser. Die Lagerabschnittsfläche dient insbesondere der Reflexion, da sie quer, üblicherweise senkrecht zur Kolbenlauffläche ausgebildet ist.
Bevorzugt wird die Beschichtung in Form einer thermisch- und mechanischbeständigen Plasma-Beschichtung ausgeführt.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in einem nächsten Schritt, welcher sich an den zweiten Schritt anschließt oder nahezu gleichzeitig geschieht, eine Absaugung von reflektierten Partikeln. Die Absaugung der reflektierten Partikel führt zu einer gesicherten Eliminierung der reflektierten Partikel.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem weiteren Schritt, welcher sich an den zweiten Schritt oder nächsten Schritt anschließt, die definierte Struktur entfernt. Die definierte Struktur an der weiteren Fläche, insbesondere an der Lagerabschnittsfläche und/oder der Auslauffläche, weist nach erfolgter Beschichtung keine Funktion mehr auf und kann somit entfernt werden, wodurch eine mögliche Kerbwirkung, die in Abhängigkeit der definierten Struktur entsteht, vermieden wird. Ein weiterer Vorteil ist in einer verbesserten Nachbearbeitung des Zylinders zu sehen, da die definierte Struktur als Störfaktor bei der Nachbearbeitung auszuschließen ist.
Ebenso ist es aus den vorstehenden genannten Gründen von Vorteil in einem folgenden Schritt, der sich an den nächsten Schritt oder weiteren Schritt anschließt, die auf der weiteren Fläche, insbesondere der Lagerabschnittsfläche und/oder der Auslaufabschnittsfläche, aufgebrachte Beschichtung zu entfernen. Dies kann gleichzeitig mit der Entfernung der aufgebrachten definierten Struktur erfolgen. Sofern die Entfernung gleichzeitig erfolgt, ergibt sich eine Kostenersparnis des Verfahrens aufgrund reduzierter Verfahrensschritte.
Bevorzugt wird die definierte Struktur mit Hilfe eines Spindelprozesses, einer Zirkularbearbeitung oder einer Helix-Bearbeitung hergestellt.
Die definierte Struktur wird durch eine zahnformartige Struktur realisiert. Die Zähne leiten aufgrund einer unter einem Winkel zum Sprühstrahl stehenden Seitenflächen die auf sie auftreffenden Partikel in eine definierte Richtung in den Innenraum des Zylinders, d. h. mit anderen Worten in eine von der Kolbenlauffläche abgewandte Richtung. Dort können sie einfach entfernt werden, bspw. durch Absaugung. Die definierte Struktur weist bevorzugt einen zwischen zwei benachbarten Zähnen ausgebildeten Winkel mit einem Wert zwischen 0° und 90° auf.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Zylinder für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei der Zylinder einen Laufflächenabschnitt mit einer einem Innenraum des Zylinder zugewandt ausgebildete Kolbenlauffläche aufweist, entlang derer ein Kolben der Verbrennungskraftmaschine bewegbar ist, und wobei der Zylinder an den Innenraum angrenzende weitere Flächen aufweist, insbesondere eine Lagerabschnittsfläche eines zur Lagerung einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine vorgesehenen Lagerabschnitt sowie eine Auslaufabschnittsfläche eines zwischen dem Lagerabschnitt und dem Laufflächenabschnitt ausgebildeten Auslaufabschnitts, aufweist. Erfindungsgemäß weist der Zylinder zumindest temporär eine definierte Struktur auf. Mit Hilfe dieser zumindest temporären definierten Struktur kann eine qualitativ hochwertige beschichtete Kolbenlauffläche herbeigeführt werden. Diese reduziert einen Verschleiß der Kolbenlauffläche und führt damit zu einer Steigerung der Lebensdauer des Zylinders.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es zeigen:
1 in einer schematischen Darstellung einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine während einem Verfahren zur Beschichtung gemäß dem Stand der Technik,
2 in einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine während einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Beschichtung,
3 eine Detailansicht III des Zylinders gem. 2,
4 in einer Draufsicht ein Kurbelgehäuse mit dem erfindungsgemäßen Zylinder,
5 in einem Schnitt entlang der Schnittlinie V-V einen Ausschnitt des Kurbelgehäuses gem. 4,
6 eine Detailansicht VI des Zylinders gem. 4,
7 eine Detailansicht VII des Zylinders gem. 4, und
8 in einer perspektivischen Ansicht das Kurbelgehäuse gem. 5.
In 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Zylinder 1 einer Verbrennungskraftmaschine 2 während einem Verfahren zur Beschichtung gemäß dem Stand der Technik dargestellt.
Der Zylinder 1 ist in Form eines Hohlzylinders ausgebildet und weist einen Innenraum 3 auf, in dem im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 2 ein nicht näher dargestellter Kolben eine oszillierende Bewegung ausführend aufgenommen ist. Zur Reduktion des Verschleißes zwischen dem Zylinder 1 und dem Kolben ist eine Beschichtung des Zylinders 1 im Bereich eines Laufflächenabschnitts 4 des Zylinders 1 an einer dem Innenraum 3 zugewandt ausgebildeten Kolbenlauffläche 5 vorgesehen. Der Laufflächenabschnitt 4 ist der Abschnitt des Zylinders 1, welcher im Betrieb einen Kontakt mit dem Kolben bzw. dessen Kolbenringe aufweist.
Der Zylinder 1 ist in einem Kurbelgehäuse 7 ausgebildet und umfasst eine Lagerabschnittsfläche 13 eines zur Lagerung einer nicht näher dargestellten Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 2 vorgesehenen Lagerabschnitts 6 des Kurbelgehäuses 7 sowie einen zwischen dem Lagerabschnitt 6 und dem Laufflächenabschnitt 4 ausgebildeten Auslaufabschnitt 8.
Als Beschichtung ist eine Plasmabeschichtung in Form einer Spritzbeschichtung vorgesehen, welche auf der speziell vorbereiteten Kolbenlauffläche 5 aufgetragen wird. Diese spezielle Vorbereitung der Kolbenlauffläche 5 dient einer verbesserten Haftung der Beschichtung an der Kolbenlauffläche 5.
Das Verfahren zur Beschichtung wird mit einer entsprechend ausgebildeten Lanze 9 durchgeführt, welche eine Öffnung 10 zur Ausbildung eines Sprühstrahls 11 von aus ihr austretendem Beschichtungsmaterial aufweist. Während der Beschichtung des Zylinders 1 führt die Lanze 9 eine rotatorische Bewegung um ihre Lanzenachse 12 und eine axiale Bewegung entlang ihrer Lanzenachse 12 durch, wie durch die Bewegungspfeile 19 angedeutet ist.
Im Laufe des Beschichtungsvorganges des Verfahrens gemäß dem Stand der Technik kommt es im Bereich des Lagerabschnitts 6 an der dem Innenraum 3 zugewandt ausgebildeten Lagerabschnittsfläche 13 sowie an einer dem Innenraum 3 zugewandt ausgebildeten Auslaufabschnittsfläche 14 des Auslaufabschnitts 8 zur Reflexion von Partikeln 15 der Beschichtung, die sich auf der Kolbenlauffläche 5 undefiniert und unkontrolliert anlagern.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Zylinder 1 der Verbrennungskraftmaschine 2 während einem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Lagerabschnittsfläche 13 und die Auslaufabschnittsfläche 14 weisen eine definierte Struktur 16 auf, mittels derer ein kontrolliertes Reflektieren der auf die Lagerabschnittsfläche 13 und/oder Auslaufabschnittsfläche 14 auftreffenden Partikel 15 herbeigeführt wird. Mit Hilfe der definierten Struktur 16 werden die reflektierten Partikel 15 gezielt in den Innenraum 3 reflektiert und dort abgesaugt.
Das bedeutet, dass das erfindungsgemäße Verfahren in einem ersten Schritt die Ausbildung der definierten Struktur 16 an der Lagerabschnittsfläche 13 und der Auslaufabschnittsfläche 14 aufweist. In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Beschichtung, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Plasmabeschichtung ist, insbesondere auf die Kolbenlauffläche 5 aufgebracht. D.h. mit anderen Worten, es erfolgt eine Besprühung der Kolbenlauffläche 5. Während der Beschichtung oder direkt anschließend erfolgt die Absaugung der reflektierten Partikel 15, im vorliegende Ausführungsbeispiel der Plasmapartikel.
Aufgrund des Sprühstrahls 11 werden ebenso die dem Innenraum 3 zugewandt ausgebildeten weiteren Flächen 13, 14, d.h. insbesondere die Lagerabschnittsfläche 13 und die Auslaufabschnittsfläche 14 mit dem Beschichtungsmaterial, d.h. mit Plasma besprüht. Das heißt, diese weiteren Flächen 13, 14 weisen ebenfalls eine Beschichtung auf.
Nach der Beschichtung und der Absaugung werden die Lagerabschnittsfläche 13 und die Auslaufabschnittsfläche 14 weiter bearbeitet, wobei die sich dort ebenfalls angelagerte Beschichtung abgetragen wird. Gleichzeitig mit dieser Abtragung wird die definierte Struktur 16 ebenfalls abgetragen.
Ebenso könnte die definierte Struktur 16 auch im Anschluss an die Abtragung der angelagerten Beschichtung entfernt werden.
In 3 ist eine Detailansicht III des erfindungsgemäßen Zylinders 1 dargestellt. Die definierte Struktur 16 ist in Form einer zahnformartigen Struktur ausgebildet. Zwischen zwei benachbarten Zähnen 17 der definierten Struktur 16 liegt an deren einander zugewandt ausgebildeten Seitenflächen 18 ein Winkel α vor, welcher einen Wert zwischen 30° und 60° aufweist, wie insbesondere in den 6 und 7 dargestellt ist.
Die definierte Struktur 16 besitzt eine konstante Steigung P mit einem Wert von größer oder gleich 1 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde sie in einem Spindelprozess hergestellt. Ebenso könnte sie auch in einer Zirkularbearbeitung oder einer Helix-Bearbeitung ausgebildet werden.
Es zeigt 4 in einer Draufsicht das Kurbelgehäuse 7 mit dem erfindungsgemäßen Zylinder 1. Der erfindungsgemäße Zylinder 1 ist in einem Schnitt entlang der Schnittlinie V-V ausschnittsweise im Bereich der definierten Struktur 16 in 5 und in einer perspektivischen Ansicht in 8 dargestellt. Der 5 sind die Positionen der Detailansichten VI, s. 6, und VII, s. 7, der definierten Struktur 16 zu entnehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2112359 B1 [0003]
EP 1334268 B1 [0004]
EP 1225324 B1 [0005]

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Zylinder (1) in einem Kurbelgehäuse (7) der Verbrennungskraftmaschine (2) ausgebildet ist, und einen Laufflächenabschnitt (4) mit einer einem Innenraum (3) des Zylinder (1) zugewandt ausgebildete Kolbenlauffläche (5) aufweist, entlang derer ein Kolben der Verbrennungskraftmaschine (2) bewegbar ist, und wobei der Zylinder an den Innenraum (3) angrenzende weitere Flächen (13, 14) aufweist, insbesondere eine Lagerabschnittsfläche (13) eines zur Lagerung einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine (2) vorgesehenen Lagerabschnitt (6) sowie eine Auslaufabschnittsfläche (14) eines zwischen dem Lagerabschnitt (6) und dem Laufflächenabschnitt (4) ausgebildeten Auslaufabschnitts (8), dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die dem Innenraum (3) zugewandt ausgebildete weitere Fläche (13; 14) eine definierte Struktur (16) erhält, und in einem zweiten Schritt die Beschichtung in Form einer Besprühung der Kolbenlauffläche (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung in Form einer Plasma-Beschichtung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nächsten Schritt, welcher sich an den zweiten Schritt anschließt oder nahezu gleichzeitig erfolgt, eine Absaugung von reflektierten Partikeln (15) der Beschichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt, welcher sich an den zweiten Schritt oder nächsten Schritt anschließt, die definierte Struktur (16) entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem folgenden Schritt, der sich an den nächsten Schritt oder weiteren Schritt anschließt, die auf der weitere Fläche (13; 14) aufgebrachte Beschichtung entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der weitere Fläche (13; 14) aufgebrachte Beschichtung zusammen mit der definierten Struktur (16) entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Struktur (16) mit Hilfe eines Spindelprozesses, einer Zirkularbearbeitung oder einer Helix-Bearbeitung hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Struktur (16) durch eine zahnformartige Struktur realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Zähnen (17) der definierten Struktur (16) ein Winkel (α) zwischen 30° und 60° ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Struktur (16) mit einer Steigung (P) ausgebildet wird, wobei die Steigung (P) einen Wert von größer oder gleich 1 aufweist.
Zylinder für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei der Zylinder (1) einen Laufflächenabschnitt (4) mit einer einem Innenraum (3) des Zylinder (1) zugewandt ausgebildete Kolbenlauffläche (5) aufweist, entlang derer ein Kolben der Verbrennungskraftmaschine (2) bewegbar ist, und wobei der Zylinder an den Innenraum (3) angrenzende weitere Flächen (13, 14) aufweist, insbesondere eine Lagerabschnittsfläche (13) eines zur Lagerung einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine (2) vorgesehenen Lagerabschnitt (6) sowie eine Auslaufabschnittsfläche eines zwischen dem Lagerabschnitt (6) und dem Laufflächenabschnitt (4) ausgebildeten Auslaufabschnitts (8), dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (1) zumindest temporär eine definierte Struktur (16) aufweist.
Zylinder nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Innenraum (3) zugewandt ausgebildete Fläche (13; 14) die definierte Struktur (16) aufweist.
Zylinder nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Struktur (16) zahnformartig ausgebildet ist.
Zylinder nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Zähnen (17) der definierten Struktur (16) ein Winkel (α) mit einem Wert zwischen 30° und 60° ausgebildet ist.
Zylinder nach Anspruch einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Struktur (16) mit einer Steigung (P) ausgebildet ist, wobei die Steigung (P) einen Wert von größer oder gleich 1 aufweist.