DE102017213316B4

DE102017213316B4 - Motorbaugruppe

Info

Publication number: DE102017213316B4
Application number: DE102017213316.3A
Authority: DE
Inventors: Anthony M. Coppola; Hamid G. Kia; Paul M. Najt; Russell P. Durrett; Michael A. Potter
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2021-02-11
Anticipated expiration: 2037-08-02
Also published as: CN107676189B; US10132270B2; US20180030923A1; CN107676189A; DE102017213316A1

Abstract

Motorbaugruppe (100), umfassend:eine Vielzahl von Metalllaufbuchsen (2, 2a, 2b), die jeweils einen offenen zylindrischen Bereich (7, 7a, 7b) bilden, um jeweils einen Kolben aufzunehmen;einen Metallzylinderkopf (13), der integral mit der Vielzahl von Metalllaufbuchsen (2, 2a, 2b) zu einer Einzelkomponente verbunden ist; undeinem Polymerverbundstoffgehäuse (8), das um mindestens einen Teil einer Außenfläche (4, 4a, 4b) der Metalllaufbuchsen (2, 2a, 2b) und angrenzend an den Metallzylinderkopf (13) angeordnet ist, wobei das Polymerverbundstoffgehäuse (8) ein Polymer und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern (201, 301) und sowohl:(i) einer Vielzahl von Mikrokanälen (25) zum Aufnehmen eines Fluids zum Erwärmen und/oder Kühlen der Motorbaugruppe (100); als auch(ii) mindestens einem Draht (302) zum Erwärmen der Motorbaugruppe (100) umfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Motorbaugruppe für Fahrzeuge, die eine integrierte Zylinderkopf- und auskleidungsbaugruppen und ein polymeres Verbundgehäuse umfasst.
Die DE 10 2014 224 827 A1 beschreibt einen Motor, mit mehreren Zylinderlaufbuchsen, die miteinander über eine sog. Blockbefstigungslippe zu einer Einzelkomponente verbunden sind, wobei an die Blockbefstigungslippe an der Oberseite des Motors ein separat handhabbarer Zylinderkopf angrenzt.
Aus der DE 198 18 589 C2 ist beispielweise eine Brennkraftmaschine bekannt, die mehrere metallische Laufbuchsen umfasst, die von einem Kühlmantel aus einem Kunststoffmaterial wie beispielsweise Polyamid umgeben sind.
HINTERGRUND
Traditionell wurden Motorkomponenten für Automobilanwendungen aus Metallen, wie Stahl und Eisen, hergestellt. Metallkomponenten sind robust, typischerweise mit guter Duktilität, Haltbarkeit, Festigkeit und Schlagfestigkeit. Während Metalle als akzeptable Motorkomponenten gearbeitet haben, haben sie einen deutlichen Nachteil bei der Schwere und Verringerung der gravimetrischen Effizienz, Leistung und Stärke eines Fahrzeugs, wodurch die Kraftstoffeinsparung des Fahrzeugs reduziert wird.
Gewichtsreduktion für erhöhte Kraftstoffeinsparung in Fahrzeugen hat die Verwendung von verschiedenen Leichtmetall-Komponenten, wie Aluminium und Magnesium-Legierungen, sowie die Verwendung von leichten verstärkten Verbundwerkstoffen angeregt. Während die Verwendung derartiger leichter Materialien dazu dienen kann, das Gesamtgewicht zu reduzieren und im Allgemeinen die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, können Probleme aufgrund hoher Betriebstemperaturen, die mit der Motorbaugruppe verbunden sind, auftreten, wenn solche Materialien in einer Motorbaugruppe verwendet werden. Beispielsweise können die Leichtmetallkomponenten im Vergleich mit herkömmlichen Stahl- oder Keramikmaterialien auch relativ hohe lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. In Motorbaugruppen kann die Verwendung solcher Leichtmetalle unter bestimmten thermischen Betriebsbedingungen und bezogen auf benachbarte Komponenten mit niedrigeren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie Stahl- oder Keramikmaterialien, eine ungleiche Wärmeausdehnung verursachen, was zu einer Trennung von Komponenten und einer verminderten Leistung führt. Zusätzlich können leichte verstärkte Verbundstoffmaterialien Festigkeitsgrenzen aufweisen, wie z. B. verminderte Zugfestigkeit, und sie können sich nach kontinuierlicher Einwirkung hoher Temperaturen abbauen. Somit sind leichte Motorbaugruppen mit erhöhter Lebensdauer unter Hochtemperaturbetriebsbedingungen erforderlich, um die Effizienz des Betriebs und die Kraftstoffeinsparung weiter zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG
Erfindungsgemäß wird eine Motorbaugruppe für ein Fahrzeug bereitgestellt, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich dem Veranschaulichen ausgewählter Ausführungsformen.

1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Motorbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Motorbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
3a und 3b zeigen eine Querschnittsansicht von alternativen Motorbaugruppen gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Motorbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer Motorbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Motorbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
7a-7e zeigen schematische Darstellungen, die die Ausbildung von Mikrokanälen in einem Polymerverbundstoff gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellen.
8 zeigt einen Polymerverbundstoff mit Verstärkungsfasern und mindestens einem Draht.
9 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Motorbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
10a und 10b zeigen eine Querschnittsansicht einer alternativen Motorbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
11 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Motorbaugruppe gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.

Ähnliche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Bauabschnitte an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Die hier verwendeten Singularformen „ein“ und „der/die/das“, schließen ggf. auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies' nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „beinhaltend“, „einschließlich“ und „hat“ sind nicht ausschließlich und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Bauteile an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von weiteren Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritten, Vorgängen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen hiervon aus. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern diese nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können.
Wenn ein Element oder eine Ebene als „an/auf, „in Verbindung mit“, „verbunden mit“, „befestigt an“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Ebene beschrieben werden, können sie entweder direkt mit anderen Elementen oder Ebenen in Verbindung stehen oder gekoppelt sein, oder es können zwischenliegende Elemente oder Ebenen vorhanden sein. Wird ein Element im Gegenzug als „direkt an/auf“, „direkt in Verbindung mit“, „befestigt an“ oder „direkt gekoppelt mit“ anderen Elementen oder Ebenen beschrieben, sind ggf. keine zwischenliegenden Elemente oder Ebenen vorhanden. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Der Begriff „und/oder“ schließt alle Kombinationen der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet werden können um verschiedene Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe beschränkt werden. Diese Begriffe können nur verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, Region, Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, Schicht oder Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein weiter unten erörtertes erstes Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt als ein zweites Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene Begriffe, wie „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Ausrüstung zu anderen Elementen oder Eigenschaften, wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Räumlich relative Begriffe können bezwecken, unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren dargestellten Orientierung zu umspannen. Wird beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht, würden Elemente, die als „unterhalb“ von oder „unter“ anderen Elementen oder Eigenschaften beschrieben werden, dann „oberhalb“ anderer Elemente oder Eigenschaften ausgerichtet sein. Daher kann der Beispielbegriff „unterhalb“ sowohl eine Orientierung von oberhalb als auch von unterhalb beinhalten. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in andere Richtungen) und die hierin verwendeten räumlich bezogenen Schlagworte können dementsprechend interpretiert werden.
Es sollte für jede Rezitation eines Verfahrens, einer Zusammensetzung, Vorrichtung oder eines Systems, welches bzw. welche bestimmte Schritte, Bestandteile oder Eigenschaften „umfasst“, in Betracht gezogen werden, dass es in bestimmten alternativen Variationen auch denkbar ist, dass diese Verfahren, eine besagte Zusammensetzung, Vorrichtung oder eine besagte Anlage auch „im Wesentlichen“ aus den aufgezählten Schritten, Bestandteilen oder Eigenschaften „bestehen kann“, sodass jegliche andere Schritte, Bestandteile oder Eigenschaften, die materialmäßig die grundlegenden und neuen Eigenschaften der Erfindung verändern, hiervon ausgeschlossen sind.
In dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu in der am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen, sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben.
Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich den für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereichen.
Bei einem Fahrzeug, beispielsweise einem Automobil, ist ein Motor die Kraftquelle zur Erzeugung von Drehmoment für den Vortrieb. Der Motor ist eine Baugruppe, die sich aus verschiedenen Komponenten zusammensetzt, wie Zylinderlaufbuchsen, Kolben, Kurbelwellen, Brennräumen und dergleichen. In einem Viertakt-Verbrennungsmotor weist jeder Kolben einen Einlasstakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Auslasstakt auf. Während des Einlasstakts bewegt sich ein Kolben nach unten und ein Einlassventil wird geöffnet, um zu ermöglichen, dass ein gasförmiges Luftgemisch eine Brennkammer füllt. Während des Verdichtungstakts werden Einlass- und Auslassventile geschlossen, und der Kolben bewegt sich nach oben zum Komprimieren der gasförmigen Luftmischung. Beim Arbeitstakt wird die gasförmige Luftmischung in der Brennkammer durch eine Zündkerze gezündet, und durch die sich schnell ausdehnenden Verbrennungsgase bewegt sich der Kolben nach unten. Während des Auslasstakts öffnet sich das Auslassventil und der Kolben bewegt sich nach oben, um die Verbrennungsgase (Abgase) auszustoßen. Während der internen Verbrennung können die Motorkomponenten durch die exothermen Verbrennungsreaktionen im Motorblock insgesamt unterschiedlichen Belastungen sowie unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt werden.
Wie oben erläutert, führt eine Zunahme des Gewichts der Motorkomponenten gleichzeitig zu einer Abnahme von Leistung, Kraftstoffeinsparung sowie möglicherweise einer Verringerung der Effizienz. Somit ist es wünschenswert, verschiedene Leichtbaukomponenten, wie z. B. Leichtmetalle und Leichtbaustoffe, in Motorbaugruppen anstelle der herkömmlichen Stahl- und/oder Eisenkomponenten einzuschließen, um das Gewicht des Motors zu verringern, aber auch um die strukturelle Integrität des Motors aufrechtzuerhalten.
Somit werden hierin Motorbaugruppen zur Verwendung in Fahrzeuganordnungen bereitgestellt, die eine Kombination von Komponenten umfassen, die aus leichten Materialien (z. B. Polymerverbundstoffmaterialien) und herkömmlichen Materialien ausgebildet sind. Vorteilhafterweise können solche Motorbaugruppen auch zu einer Verbesserung von Geräuschen, Vibrationen und Rauheit führen. Obwohl die hierin beschriebenen Motorbaugruppen für die Verwendung in Komponenten eines Automobils besonders geeignet sind, können sie auch in einer Vielzahl anderer Fahrzeuge verwendet werden. Nicht einschränkende Beispiele von Fahrzeugen, die mit der aktuellen Technologie hergestellt werden können, beinhalten Automobile, Traktoren, Busse, Motorräder, Boote, Wohnmobile, Flugzeuge (bemannt und unbemannt), Camper sowie Panzer.
Insbesondere werden Motorbaugruppen, die einen integrierten Zylinderkopf und eine Auskleidungsbaugruppe sowie ein Polymerverbundstoffmaterial enthalten, hierin bereitgestellt. Beispielsweise wird, wie am besten in 1 gezeigt, eine Motorbaugruppe 100 bereitgestellt. Die Motorbaugruppe 1 beinhaltet eine Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b, die jeweils entsprechende offene, zylindrische Bereiche 7, 7a, 7b definieren. Die Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b kann aus jedem geeigneten Material sein, wie beispielsweise aus Metall (z. B. Stahl, Eisen, Magnesiumlegierung, Aluminiumlegierung, Metall-Verbundstoff) oder Keramik (z. B. Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Keramikverbundstoffe), ohne darauf beschränkt zu sein. In gewissen Variationen ist die Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b ein Metallmaterial. Die Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b kann im Allgemeinen zylindrisch geformt sein und einen hohlen Innenraum aufweisen. Die Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b weist jeweils entsprechende Innenflächen 3, 3a, 3b, entsprechende gegenüberliegende Außenflächen 4, 4a, 4b entsprechende erste Anschlussflächen 5, 5a, 5b und entsprechend gegenüberliegende zweite Anschlussflächen 6, 6a, 6b auf.
Die Motorbaugruppe 100 umfasst ferner einen Zylinderkopf 13, der integral mit der Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b verbunden ist. Der Zylinderkopf 13 beinhaltet einer fünfte Anschlussfläche 14 und eine gegenüberliegende sechste Anschlussfläche 15. Der Zylinderkopf 13 kann jedes geeignete Material, wie Metall- (z. B. Stahl-, Eisen-, Magnesiumlegierungs-, Aluminiumlegierungs-, Metallverbundstoff), Keramik- (z. B. Aluminiumoxid-, Siliciumcarbid-, Keramikverbundstoff) oder ein Polymerverbundmaterial, wie hierin beschrieben, sein. In gewissen Variationen ist der Zylinderkopf 13 ein Metallmaterial. Vorzugsweise bestehen der Zylinderkopf 13 und die Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b aus dem gleichen Material (z. B. sowohl Metall als auch Keramik) und/oder Materialien, die zum Verbinden kompatibel sind. Wie anhand der Motorbaugruppe 110 in 2 gezeigt, sind der Metallzylinderkopf 13' und die Vielzahl von Auskleidungen 2', 2a', 2b' eine integrale Einzelkomponente 30. Beispielsweise können der Metallzylinderkopf 13' und die Vielzahl von Auskleidungen 2', 2a', 2b' in einem einzigen Guss ausgebildet sein. Vorteilhafterweise besteht keine Notwendigkeit für eine Kopfdichtung in den Motorbaugruppen, die hierin in Betracht gezogen werden, wobei der Zylinderkopf integral mit einer Vielzahl von Auskleidungen verbunden ist.
Gemäß einer nicht beanspruchten Ausführungsform kann die Motorbaugruppe 1 ferner eine Platte 35 umfassen, die integral zwischen dem Zylinderkopf 13 und der Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b verbunden ist, wie dies in der Motoranordnung 120 in 3a gezeigt ist. Die Platte 35 kann aus jedem geeigneten Material sein, wie beispielsweise aus Metall (z. B. Stahl, Eisen, Magnesiumlegierung, Aluminiumlegierung, Metall-Verbundstoff) oder Keramik (z. B. Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Keramikverbundstoffe). Wie anhand der Motorbaugruppe 111 in 3b gezeigt, sind die Platte 35' und die Vielzahl von Auskleidungen 2", 2a'', 2b'' eine integrale Einzelkomponente 35'. Beispielsweise kann die Platte 35' und die Vielzahl von Auskleidungen 2'', 2a'', 2b'' in einem einzigen Guss ausgebildet sein. Die Platte 35 kann aus dem gleichen Material wie die Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b (z. B. beide aus Metall oder beide aus Keramik) bestehen, um eine Gegenfläche für den Zylinderkopf 13 vorzusehen, und kann auch eine Dichtfläche für eine Kopfdichtung bereitstellen (nicht dargestellt).
Die Motorbaugruppe 1 umfasst auch ein Gehäuse 8, das um mindestens einen Teil der Außenflächen 4, 4a, 4b der Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b angeordnet ist. Das Gehäuse 8 kann auch an die zweiten Anschlussflächen 6, 6a, 6b der Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b angrenzen. Das Gehäuse 8 weist eine Innenfläche 9, eine gegenüberliegende Außenfläche 10, eine dritte Anschlussfläche 11 und eine gegenüberliegende vierte Anschlussfläche 12 auf. Das Gehäuse 8 kann ein Leichtmetall (z. B. Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung), ein Keramikmaterial (z. B. Aluminiumoxid, Siliciumcarbid) oder ein Polymerverbundstofffmaterial sein. Eine Schicht aus Polymerverbundstoff (z. B. mit diskontinuierlichen Fasern) (nicht gezeigt) kann auch zwischen den Außenflächen 4, 4a, 4b der Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b und dem Gehäuse 8 vorhanden sein. Der Zylinderkopf 13, das Gehäuse 8 und/oder die Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b können ferner durch beliebige geeignete Befestigungsmittel (z. B. Bolzen) und/oder Klebstoff oder Dichtmittel miteinander verbunden werden. Die Befestigungselemente können jedes geeignete Material umfassen wie z. B., aber nicht beschränkt auf Metall, Polymerverbundstoffe und Kombinationen davon.
In verschiedenen Ausführungsformen, wie in 5 gezeigt, umfasst das Gehäuse 8 ein Zylindergehäuseteil 8a und ein Kurbelgehäuseteil 8b. Zur Vereinfachung der Darstellung bezieht sich 5 auf die Einzelauskleidung 2 und assoziiert die Komponenten in der Motorbaugruppe 1. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass die Beschreibung in 5 nicht nur auf eine Einzelauskleidung 2 und eine assoziierte Komponente beschränkt ist, sondern gleichermaßen auf andere hierin beschriebene Motorbaugruppen (z. B. Motorbaugruppe 100) angewendet werden kann. Das Zylindergehäuseteil 8a und das Kurbelgehäuseteil 8b können einteilig ausgebildet sein, wie in 5 gezeigt. Alternativ können, wie in 6 dargestellt, das Zylindergehäuseteil 8a und das Kurbelgehäuseteil 8b bestimmte Komponenten sein, die über einen Klebstoff (nicht dargestellt) oder mit einer Vielzahl von Befestigungselementen 17 in Motorbaugruppe 40 zusammengefügt werden. Wenn als bestimmte Komponenten vorhanden, können das Zylindergehäuseteil 8a und das Kurbelgehäuseteil 8b aus dem gleichen oder aus unterschiedlichem Material sein. Mit Bezug auf 6 weist das Zylindergehäuseteil 8a eine siebte Anschlussfläche 21 und eine gegenüberliegende achte Anschlussfläche 22 auf. Das Kurbelgehäuseteil 8b weist eine neunte Anschlussfläche 23 und eine gegenüberliegende zehnte Anschlussfläche 24 auf. Die neunte Anschlussfläche 23 des Kurbelgehäuseteils liegt angrenzend an die zweite Anschlussfläche 6 der Auskleidung 2 und die achte Anschlussfläche 22 des Zylindergehäuseteils 8a. Die siebte Anschlussfläche 21 des Zylindergehäuseteils 8a kann angrenzend an die sechste Anschlussfläche 15 des Zylinderkopfes 13 liegen. Zylinderkopf 13, Zylindergehäuseteil 8a, Kurbelgehäuseteil 8b und/oder Auskleidung 2 können durch beliebige passende Befestigungselemente, wie hierin beschrieben, miteinander verbunden werden. So kann beispielsweise eine Vielzahl von Befestigungselementen 17 (z. B. Bolzen) den Zylinderkopf 13, das Zylindergehäuseteil 8a und das Kurbelgehäuseteil 8b miteinander verbinden. Die Vielzahl von Befestigungselementen 17 kann jedes geeignete Material umfassen, wie z. B., aber nicht beschränkt auf Metall, Polymerverbundstoffe und Kombinationen davon. Zusätzlich oder alternativ kann ein geeignetes Dichtmittel vorhanden sein (nicht dargestellt) und/oder eine Dichtung (nicht dargestellt) kann zwischen mindestens einem Teil der sechsten Anschlussfläche 15 des Zylinderkopfes 13, mindestens einem Teil der ersten Anschlussfläche 5 der Auskleidung 2 und/oder mindestens einem Teil der siebten Anschlussfläche 21 des Zylindergehäuseteils 8a vorhanden sein.
In bestimmten Aspekten ist das Gehäuse 8 aus einem Polymerverbundstoffmaterial. In solchen Fällen kann das Gehäuse 8 ein geeignetes Polymer und eine Vielzahl von geeigneten Verstärkungsfasern umfassen. Beispiele für geeignete Polymere beinhalten Duroplast-Harz, ein thermoplastisches Harz, Elastomer und Kombinationen davon, ohne darauf beschränkt zu sein. Bevorzugte Polymere beinhalten Epoxide, Phenolikverbindungen, Vinylester, Bismaleimide, Polyetheretherketon (PEEK), Polyamide, Polyamide und Polyamidimide, sind aber nicht beschränkt darauf. Beispiele für geeignete Verstärkungsfasern beinhalten Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, organische Fasern, metallische Fasern und Kombinationen davon, sind aber nicht beschränkt darauf. Insbesondere sind die Verstärkungsfasern Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern. Die Verstärkungsfasern können Endlosfasern oder diskontinuierliche Fasern sein. Die Verstärkungsfasern sind insbesondere Endlosfasern. Vorteilhafterweise kann das Gehäuse 8, das ein Polymerverbundstoffmaterial umfasst, wie hierin beschrieben, eine Druckfestigkeit von etwa 100 MPa bis etwa 2000 MPa, etwa 500 MPa bis etwa 1000 MPa oder etwa 1000 MPa bis etwa 1500 MPa aufweisen.
Polymerverbundstoffe lassen sich aus Streifen des Verbundstoffgrundmaterials aufbauen, wie beispielsweise ein Material auf Faserbasis (z. B. Gewebe oder Grafitband). Der Verbund kann aus einer oder mehreren Schicht(en) bestehen, dabei kann jede Schicht aus von im Stoß- und/oder Überlappungsverfahren angeordneten Streifen des Fasermaterials bestehen.
Das faserbasierte Substratmaterial (z. B. Verstärkungsfasern) kann auch ein Harz umfassen (z. B. ein Polymer). Das Harz kann verfestigt werden (z. B. gehärtet oder reagiert) und kann somit zur Bindung von einzelnen oder mehreren Schichten zusammen in einem Polymerverbundstoff dienen. Üblicherweise kommen zwei Verfahren zum Einsatz, um Harz bei Systemen von Verbundstoffmaterial mit Trägern auf Faserbasis einzusetzen: Laminierung (Layup), Vorimprägnierung (als „Prepreg“ bezeichnet), und Harzinjektionsverfahren. Bei der Laminierung wird das trockene faserverstärkte Material mit dem Harz durchfeuchtet, üblicherweise durch ein Tauchbad. Bei der Vorimprägnierung (Prepreg) wird das Fasermaterial vorab mit dem Harz getränkt und härtet üblicherweise teilweise zu einer viskosen oder klebrigen Konsistenz aus (auch bekannt als B-Stage Teilhärtung), um dann für eine spätere Verwendung aufgewickelt zu werden. Verbundmaterial-Systeme mit Prepreg verwenden für gewöhnlich Duroplast-Harzsysteme, die (je nach Aushärt- oder Reaktionstemperaturen) durch erhöhte Temperaturen mit Aushärt- oder Reaktionszeiten von etwa 1 Minute bis etwa 2 Stunden ausgehärtet oder reagiert werden können. Einige Prepreg-Materialien können jedoch Harze verwenden, die durch aktinische Strahlung aushärten oder reagieren (z. B. ultraviolette Strahlung (UV)). Für das Harzinjektionsverfahren kann trockenes Faserverstärkungs-Material in eine Form gebracht werden, und Harz kann unter Druck (z. B. um 68,95 KPa bis etwa 13789,52 KPa) in die Form infundiert werden. Auf dem Gebiet bekannte Spritzgießverfahren können ebenfalls verwendet werden, um Harz in das Verstärkungsmaterial einzuführen, insbesondere dort, wo das Verstärkungsmaterial diskontinuierliche Fasern umfasst. So kann beispielsweise ein Vorläufermaterial, das ein Harz und das Verstärkungsmaterial enthält, in einen definierten Raum oder eine bestimmte Form eingespritzt oder diffundiert werden, gefolgt durch das Erstarren des Vorläufermaterials, um den Polymerverbundstoff zu formen. Der Begriff „Spritzgießen“ beinhaltet auch Reaction Injection Molding mit Duroplast-Harz.
Für bestimmte andere Aspekte sehen die vorliegenden Lehren auch einen Schritt vor, bei dem das Verstärkungsmaterial durch Fadenwicklung, Flechten oder Weben nahe, innerhalb und/oder über eine Arbeitsfläche (z. B. Außenflächen 4, 4a, 4b) aufgebracht wird. Das Verfahren kann optional das Auf- bzw. Einbringen einer ungehärteten oder unreagierten Harzzusammensetzung in oder auf das Verstärkungsmaterial auf Faserbasis einschließen. Mit Aufbringen ist die Befeuchtung des Fasermaterials mit der ungehärteten oder unreagierten Harzzusammensetzung gemeint, was eine oberflächliche Beschichtung oder eine Durchtränkung des Fasermaterials bedeutet (beispielsweise in die Poren oder Zwischenräume des Fasermaterials). Nach Einbringung des Harzes auf das Fasermaterial folgt die Aushärtung (z. B. Aushärten oder Reagieren), um so den Polymerverbundstoff auszubilden. PrePregfaserbasiertes Material kann auch über Fadenwicklung, Flechten oder Weben aufgebracht werden.
Um die Motorbaugruppe 100 zu erwärmen und/oder zu kühlen, kann das Gehäuse 8 (z. B. ein Polymerverbundstoff) des Weiteren eine Vielzahl von Mikrokanälen 25 umfassen, wie als Beispiel in 1 gezeigt, um ein Wärmeübertragungsfluid aufzunehmen. Beispiele für geeignete Wärmeübertragungsfluids umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Luft, Wasser, Öl, Ethylenglykol, Propylenglykol, Glycerin, Methanol und Kombinationen davon. Die Luft kann von einer Klimaanlage zugeführt oder von der Bewegung des Fahrzeugs erzeugt werden. Die Wärmeträgerflüssigkeit kann durch mindestens eine Pumpe (nicht dargestellt) von mindestens einem Vorratsbehälter oder Zuführkanal (nicht dargestellt) zu mindestens einem Eingang (nicht gezeigt) in die Mikrokanälen 25 der Fahrzeugbaugruppe geführt werden. Die Pumpe und der Vorratsbehälter können angrenzend an die Motorbaugruppe vorhanden sein. Die Wärmeträgerflüssigkeit kann bei einer geeigneten Temperatur zum Kühlen und/oder Erhitzen der Fahrzeugbaugruppe zugeführt werden, beispielsweise um 10 °C bis etwa 120 °C, um 20 °C bis etwa 100 °C oder um 20 °C bis etwa 90 °C. Optional kann die Wärmeträgerflüssigkeit durch einen Kühler fließen (nicht dargestellt), um die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit weiter zu reduzieren, oder die Wärmeträgerflüssigkeit kann durch eine Heizung fließen (nicht dargestellt), um die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit zu erhöhen.
Die Mikrokanäle 25 können einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweisen. Wie hier verstanden, kann „etwa rund“ kreisrunde und ovale Querschnitte beinhalten, und die Abmessungen des Querschnitts können in manchen Aspekten abweichen. Die Mikrokanäle 25 können einen Durchmesser von weniger als etwa 8.000 µm aufweisen. Zusätzlich oder alternativ weisen die Mikrokanäle 25 einen Durchmesser von etwa 0,1 µm bis etwa 8.000 µm, 0,1 µm bis etwa 5.000 µm, 0,1 µm bis etwa 1.000 µm, etwa 1 µm bis etwa 500 µm oder etwa 1 µm bis etwa 200 µm auf. Zusätzlich oder alternativ können die Mikrokanäle 25 einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Wie hier verstanden, kann „im Wesentlichen rechteckig“ quadratische Querschnitte beinhalten, und die Abmessungen des Querschnitts können in manchen Aspekten abweichen. Vorzugsweise ist mindestens ein Teil der Mikrokanäle 25 miteinander verbunden, wodurch Blockaden vermieden werden können. Die Mikrokanäle 25 können in jeder geeigneten Richtung verlaufen, beispielsweise axial, radial, spiralförmig, verzweigt, gekreuzt, kreuz und quer und Kombinationen davon.
Bei bestimmten anderen Aspekten sieht die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Verwendung von Opferfasern vor, um die Mikrokanäle 25 im Polymerverbundstoff (z. B. Gehäuse 8) zu formen. Wie in 7a gezeigt, umfasst eine gewebte Verbundstoff-Vorform 200 erste Verstärkungsfasern 201 (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern) und zweite Verstärkungsfasern 202 (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern) zur Ausbildung einer dreidimensionalen Webstruktur. Die ersten Verstärkungsfasern 201 und die zweiten Verstärkungsfasern 202 können gleiche oder unterschiedliche Fasern sein. Die Opferfasern 203 können zusammen mit den ersten Verstärkungsfasern 201, wie in 7b gezeigt, in die zusammengesetzte geformte Vorform 200 eingewebt werden. Die ersten Verstärkungsfasern 201 und die Opferfasern 203 können sinusförmig durch die zweiten Verstärkungsfasern 202 hindurchgeleitet werden. Es sollte erwähnt werden, dass andere Webmuster auch berücksichtigt werden können und nicht auf die dargestellten Muster in den 7a-7e beschränkt sind, die lediglich exemplarische Ausführungsformen darstellen. Die Opferfasern 203 umfassen ein Material, das dem Weben mit den ersten Verstärkungsfasern 201 und/oder den zweiten Verstärkungsfasern 202 standhalten kann, sowie die Verfestigung des Polymerverbundstoffs (z. B. Harzinfusion und Härtung), ist aber in der Lage, Ätzen oder Auflösen unter Bedingungen, die andere Komponenten des Polymerverbundstoffs (z. B. Verstärkungsfasern) nicht wesentlich verdampfen, schmelzen, ätzen oder auflösen. Beispiele für geeignete Opfermaterialien beinhalten Metalle und Polymere, ohne darauf beschränkt zu sein. Nichtbeschränkende Metalle beinhalten Lötmetalle, die Blei, Zinn, Zink, Aluminium, geeignete Legierungen und dergleichen umfassen. Nichtbeschränkende Polymere können Polyvinylacetat, Polymilchsäure, Polyethylen, Polystyrol sein. Zusätzlich oder alternativ können die Opferfasern weiter mit einem Katalysator behandelt werden oder chemisch modifiziert werden, um das Schmelz- oder Abbauverhalten zu verändern.
Nach Einbau der sakrifizierten Fasern 203, wird ein Harz 204 in die gewebte Verbundwerkstoff-Vorform 200 infundiert, und die Verbundstoff-Vorform 200 wird dann unter geeigneten Bedingungen, wie in 7c und 7d jeweils gezeigt, zu Polymerverbundwerkstoff 210 verfestigt (z. B. reagiert oder ausgehärtet). Nach dem Reagieren oder Aushärten kann der Polymerverbundstoff 210 weiter behandelt (z. B. erwärmt) werden, um die Opferfasern 203 zu verflüchtigen, zu schmelzen oder zu degradieren, oder die Opferfasern 203 können aufgelöst werden, um Abbauprodukte zu erzeugen. Beispielsweise können die Opferfasern auf eine Temperatur erwärmt werden (z. B. etwa 150 °C bis etwa 200 °C), die im Wesentlichen die Opferfasern verdampft oder schmilzt, aber die Verstärkungsfasern und/oder das ausgehärtete Harz nicht wesentlich beeinträchtigt. Jedes geeignete Lösungsmittel, wie beispielsweise Aceton, ohne darauf beschränkt zu sein, kann auf die Opferfasern angewendet werden, um diese aufzulösen, solange das Lösungsmittel die Verstärkungsfasern und/oder das ausgehärtete Harz nicht im Wesentlichen abbaut oder auflöst. Alternativ können die Opferfasern auch mit einer geeigneten Säure verätzt werden (beispielsweise Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure und dergleichen). Die Abbauprodukte können entfernt werden, um Mikrokanäle 205 in dem Polymerverbundstoff 210 auszubilden, z. B. durch Aufbringen eines Vakuums auf den Polymerverbundstoff oder das Einführen eines Gases in den Polymerverbundstoff, um die Abbauprodukte aus dem Polymerverbundstoff zu entfernen. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Mikrokanäle in einem Nicht-Polymerverbundstoffgehäuse, beispielsweise in einem Metallgehäuse oder einem Keramikgehäuse, vorhanden sein können.
Zusätzlich oder alternativ wird hier in Betracht gezogen, dass unterschiedliche Abmessungen und Konfigurationen von Opferfasern in die Verstärkungsfasern eingebaut werden können, um andere Kanäle oder Hohlräume zu bilden. Beispielsweise können weitere Opferfasern in die Verstärkungsfasern eingearbeitet werden, um Zufuhrkanäle für die hierin beschriebenen Mikrokanäle zu bilden.
In anderen Variationen kann ein Verbundstoff-Vorläufermaterial spritzgegossen oder anderweitig auf die gegenüberliegende Außenfläche 4, 4a, 4b der Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b aufgebracht werden, woraufhin eine Verfestigung (z. B. Aushärten oder Reagieren) zur Ausbildung des Gehäuses 8 folgen kann.
Zusätzlich oder alternativ kann der Polymerverbundstoff (z. B. Gehäuse 8) zwecks Verbesserung der Wärmeübertragung eine Vielzahl von Mikrokugeln beinhalten (nicht dargestellt). Die Mikrokugeln können Keramik oder Glas sein und können gegebenenfalls mit Metall-, Keramik- und/oder Nanopartikeln beschichtet sein. Vorzugsweise weist die Beschichtung eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, z. B. Aluminium, Kupfer, Zinn und dergleichen. Die Mikrokugeln können einen Durchmesser von weniger als etwa 1.000 µm aufweisen. Zusätzlich oder alternativ weisen die Mikrokugeln einen Durchmesser von etwa 0,1 µm bis etwa 1.000 µm, etwa 1 µm bis etwa 500 µm oder etwa 1 µm bis etwa 200 µm auf.
Zusätzlich oder alternativ kann der Polymerverbundstoff (z. B. das Gehäuse 8) mindestens einen Draht zum Erwärmen der Motorbaugruppe beinhalten. Wie in 8 dargestellt, können beispielsweise einer oder mehrere Drähte 302 integriert oder in die Verstärkungsfasern 301 (z. B. Kohlenstofffasern) im Polymerverbundstoff 300 (z. B. Gehäuse 8) gewebt werden. Die Drähte 302 können ein beliebiges geeignetes Material zum Leiten von Elektrizität (z. B. Kupfer, Nickelchrom und dergleichen) umfassen. Die Drähte 302 können von den Verstärkungsfasern 301 isoliert sein. Die Drähte 302 können beispielsweise eine geeignete Isolierschicht beinhalten, wie eine Polymerbeschichtung und/oder eine geflochtene Glasfaserhülse. Um die Drähte 302 zu erwärmen, wird Elektrizität durch eine Batterie oder eine andere geeignete externe Quelle (nicht gezeigt) bereitgestellt und durch eine Steuereinheit (nicht gezeigt) gesteuert. Obwohl nicht dargestellt, kann ein Fachmann anhand von 1 erkennen, dass die Drähte 302 im Gehäuse 8 enthalten sein können, zusätzlich zu oder anstelle der Vielzahl von Mikrokanälen 25.
In einer besonderen Ausführungsform umfasst das Polymerverbundstoffgehäuse eines oder mehrere von: (i) einer Vielzahl von Mikrokanälen, wie hierin beschrieben; (ii) mindestens einen Draht, wie hierin beschrieben; und (iii) eine Vielzahl von Mikrokugeln, wie hierin beschrieben. Zusätzlich oder alternativ umfasst das Polymerverbundstoffgehäuse zwei oder mehr von (i), (ii) und (iii) (z. B. (i) und (ii), (i) und (iii), (ii) und (iii). Zusätzlich oder alternativ umfasst das Polymerverbundstoffgehäuse (i), (ii) und (iii).
Unter erneuter Bezugnahme auf 4 kann ein Kühlmittelkanal 16 zwischen mindestens einem Teil der Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b, dem Gehäuse 8 und dem Zylinderkopf 13 definiert sein. Beispielsweise kann der Kühlmittelkanal 16 an die jeweiligen Außenflächen 4, 4a, 4b der Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b, eine Innenfläche 9 des Gehäuses 8 und die sechste Anschlussfläche 15 des Zylinderkopfes 13 angrenzen. Der Kühlmittelkanal 16 kann ein kontinuierlicher Kanal angrenzend an jede Auskleidung sein, oder er kann aus diskreten Kanälen bestehen, die jeder Auskleidung entsprechen. Der Kühlmittelkanal 16 kann, wie hierin beschrieben, ein geeignetes Wärmeübertragungsfluid zum Kühlen einer Fahrzeugbaugruppe (z. B. Motorbaugruppe) aufnehmen. Insbesondere ist das Wärmeübertragungsfluid ein Gemisch aus Wasser und Ethylenglykol. Das Wärmeübertragungsfluid kann durch mindestens eine Pumpe (nicht dargestellt) von mindestens einem Vorratsbehälter oder Zuführkanal (nicht dargestellt) zu mindestens einem Eingang (nicht gezeigt) im Kühlmittelkanal 16 geführt werden. Die Pumpe und der Vorratsbehälter können angrenzend an die Motorbaugruppe vorhanden sein. Das Wärmeübertragungsfluid kann durch den Kühlkanal 16 bei einer Temperatur von etwa 70 °C bis etwa 140 °C, etwa 80 °C bis etwa 130 °C oder etwa 90 °C bis etwa 120 °C zirkuliert werden. Die Pumpe und der Vorratsbehälter können angrenzend an die Motorbaugruppe vorhanden sein. Optional kann das Wärmeübertragungsfluid durch ein Kühler (nicht dargestellt) strömen, um die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids weiter zu reduzieren oder das Wärmeübertragungsfluid kann durch eine Heizung (nicht dargestellt) fließen, die zur Erwärmung des Wärmeübertragungsfluids dient. Ein Durchschnittsfachmann erkennt, dass das Wärmeübertragungsfluid nach Bedarf einem oder mehreren Kühlmittelkanälen zugeführt werden kann. Obwohl nicht in 4 gezeigt, erkennt beispielsweise ein Fachmann auf dem Gebiet, dass die Mikrokanäle 25 zusätzlich zu dem Kühlmittelkanal 16 in dem Gehäuse 8 beinhaltet sein können.
Die durch die Vielzahl von Auskleidungen 2, 2a, 2b definierten offenen Hohlraumzylinderbereiche 7, 7a, 7b können jeweils einen (nicht dargestellten) Kolben aufnehmen. Jeder Kolben kann über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden sein. Der Kolben, die Pleuelstange und die Kurbelwelle können jedes geeignete Material sein, z. B. Metall, Keramik, Polymerverbundstoff und Kombinationen davon. So ist beispielsweise, wie in 5 gezeigt, ein Kolben 18 über eine Pleuelstange 19 mit einer Kurbelwelle 20 verbunden. Der Kolben 18, die Pleuelstange 19 und die Kurbelwelle 20 können jedes geeignete Material sein, z. B. Metall, Keramik, Polymerverbundstoff und Kombinationen davon.
Wie Fachleuten auf dem Gebiet ersichtlich ist, zeigt die in 1 dargestellte Motobaugruppe 100 drei Auskleidungen 2, 2a, 2b, drei offene zylindrische Bereiche 7, 7a, 7b und zugehörige Komponenten, kann aber tatsächlich weniger als drei Auskleidungen (z. B. 1 Auskleidung, 2 Auskleidungen), weniger als drei offene zylindrische Bereiche (z. B. 1 offener zylindrischer Bereich, 2 offene zylindrische Bereiche) und zugehörige Komponenten (z. B. Kolben, Pleuelstange, Kurbelwelle) umfassen. Alternativ kann die in 1 gezeigte Motorbaugruppe 100 tatsächlich mehr als drei Auskleidungen (z. B. 4 Auskleidungen, 5 Auskleidungen, 6 Auskleidungen, 7 Auskleidungen, 8 Auskleidungen, 9 Auskleidungen, 10 Auskleidungen), mehr als drei offene, zylindrische Bereiche (z. B. 4 offene zylindrische Bereiche, 5 offene zylindrische Bereiche, 6 offene zylindrische Bereiche, 7 offene zylindrische Bereiche, 8 offene zylindrische Bereiche, 9 offene zylindrische Bereiche, 10 offene zylindrische Bereiche) und zugehörige Komponenten umfassen.
Wieder mit Bezug auf 1 kann die Motorbaugruppe 100 weiterhin eine Polymerverbundstoffschicht 26 beinhalten, die um mindestens einen Teil der Außenfläche 10 des Gehäuses 8 herum angeordnet ist und sich im Wesentlichen entlang der gesamten Außenfläche 10 des Gehäuses 8 erstreckt. Die Polymerverbundschicht 26 dient als mechanische, chemische und/oder thermische Abschirmung für die Motorbaugruppe. Die Polymerverbundstoffschicht 26 kann aus einem geeigneten Polymer, wie hierin beschrieben, bestehen (z. B. Duroplast-Harz, thermoplastisches Harz, Elastomer) und aus einer Vielzahl von geeigneten Verstärkungsfasern (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, keramische Fasern, organische Fasern, metallische Fasern und Kombinationen davon). Insbesondere sind die Verstärkungsfasern Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern. Die Verstärkungsfasern können diskontinuierliche Fasern sein. Die Polymerverbundstoffschicht 26 kann durch Spritzgießen geformt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Polymerverbundstoffschicht 26 um mindestens einen Teil des Zylinderkopfs 13 verlaufen, wie in einer alternativen Fahrzeugbaugruppe 140 in 9 dargestellt. Zusätzlich oder alternativ kann die Polymerverbundstoffschicht 26 um jede andere geeignete Fläche der Fahrzeugbaugruppe verlaufen, beispielsweise um eine Ölwanne oder um einen Nockendeckel. Zusätzlich oder alternativ kann die Polymerverbundstoffschicht 26 um beliebiges periphere System der Fahrzeugbaugruppe herum verlaufen, beispielsweise Wasserpumpe, Klimaanlage, Turbolader. Alternativ ist hierin vorgesehen, dass anstelle der Polymerverbundstoffschicht 26 eine Metall- oder Keramikschicht verwendet werden kann. Eine solche Polymerverbundstoffschicht 26, Metall- oder Keramikschicht kann die Außenseite der Motorbaugruppe abdichten und ein Austreten von Fluid zwischen den verschiedenen Komponenten der Motorbaugruppe verhindern und die Notwendigkeit der Verwendung von Dichtungen zum Abdichten der Motorbaugruppe vermeiden.
In anderen Varianten können die hier für das Gehäuse 8, und/oder die Polymerverbundstoffschicht 26 verwendeten Polymerverbundstoffe durch jedes andere geeignete, in der Technik bekannte Verfahren hergestellt werden, z. B. Pultrusion, Reaction Injection Molding, Spritzgießen, Formpressen, Prepreg-Formen (in Autoklaven oder als Formpressen), Resin-Transfer-Moulding-Verfahren und vakuumunterstützte Resin-Transfer-Moulding-Verfahren. Faservorläufermaterialien können des Weiteren mit jedem anderen, auf dem Gebiet bekannten, geeigneten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise Flechten, Weben, Vernähen, Stricken, Prepregging, Hand-Layup und Robotersteuerung oder manuelle Kabelplatzierung.
In verschiedenen Aspekten, wie in 10a und 10b dargestellt, wird eine Motorbaugruppe 400 bereitgestellt, die eine optionale Kappe 27 beinhaltet. Die Kappe 27 kann an eine dritte Anschlussfläche 11 des Gehäuses 8 und die sechste Anschlussfläche 15 des Zylinderkopfes 13 angrenzen. Die Kappe 27 kann jedes geeignete Material sein, wie ein Metall-, Keramik- oder Polymerverbundstoffmaterial. Insbesondere die Kappe 27 ist aus Metall (z. B. Stahl, Eisen, Magnesiumlegierung, Aluminiumlegierung), insbesondere wenn das Gehäuse 8 ein Polymerverbundstoff ist, da Kappe 27 besser maschinell bearbeitet werden kann als der Polymerverbundstoff. Die Kappe 27 kann als Passfläche zwischen dem Zylinderkopf 13 und dem Gehäuse 8 dienen. Vorzugsweise sind die Kappe 27 und die Auskleidung 2 aus dem gleichen Material (z. B. Metall), so dass sie beide maschinell bearbeitet werden oder zusammen geformt werden können, in Vorbereitung auf eine Zylinderkopfdichtung und/oder den Zylinderkopf 13. Die Kappe 27 kann mit dem Gehäuse 8 mit einem geeigneten Klebstoff verbunden oder direkt mit dem Gehäuse 8 geformt werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Befestigungselement 17 den Zylinderkopf 13, die Kappe 27 und/oder das Gehäuse 8 verbinden. Zusätzlich oder alternativ kann eine zweite Kappe (nicht gezeigt) ähnlich der Kappe 27 an die achte Anschlussfläche 22 des Zylindergehäuseteils 8a und die neunte Anschlussfläche 23 des Kurbelgehäuseteils 8b angrenzen.
In anderen Variationen wird des Weiteren in Betracht gezogen, dass eine oder mehrere der hierin beschriebenen Motorbaugruppenkomponenten ein oder mehrere mechanische Verriegelungsmerkmale zum Verbinden der verschiedenen Fahrzeugkomponenten umfassen. So können beispielsweise komplementär abstehende Flansche, Nuten, Kanäle, Sicherungsflügel unterschiedlicher Formen für die mechanische Verzahnung verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ, und wie in 11 bei einer alternativen Motorbaugruppe 60 dargestellt, kann mindestens ein Teil der Außenfläche 4 der Auskleidung 2 eine oder mehrere mechanische Verriegelungsmerkmale 28 zum Verbinden mit dem Gehäuse 8 (z. B. Innenfläche 9) umfassen, insbesondere wo das Gehäuse 8 aus einem Polymerverbundstoff ist. Zusätzlich oder alternativ können die Kappe 27 und/oder die dritte Anschlussfläche 11 des Gehäuses 8 ein oder mehrere mechanische Verriegelungsmerkmale (nicht gezeigt) aufweisen, um die Kappe 27 mit dem Gehäuse 8 zu verbinden. Zusätzlich oder alternativ kann keramisches Material zwischen verschiedenen Metall- und Polymerverbundstoffkomponenten in der Motorbaugruppe für Isolationszwecke vorhanden sein. Es versteht sich, dass die hierin beschriebenen verschiedenen Metallkomponenten ohne Weiteres bearbeitetet oder gegossen werden können.
In anderen besonderen Ausführungsformen werden Verfahren zur Herstellung der hierin beschriebenen Motorbaugruppen bereitgestellt. Das Verfahren kann das Anordnen einer Baugruppe in einer Form umfassen. Die Baugruppe kann, wie hierin beschrieben, eine Vielzahl von Metallauskleidungen umfassen, die jeweils einen offenen zylindrischen Bereich bilden, um jeweils einen Kolben und einen integral mit der Vielzahl von Auskleidungen verbundenen Zylinderkopf, wie hierin beschrieben, aufzunehmen. Insbesondere können der Zylinderkopf und die Vielzahl von Auskleidungen aus Metall bestehen. Das Verfahren kann ferner das Anordnen eines Komponentenvorläufers in der Form angrenzend an mindestens einem Teil der Baugruppe umfassen, wobei der Komponentenvorläufer, wie hierin beschrieben, ein polymeres Verbundgehäuse bildet, das um mindestens einen Teil einer Außenfläche der Metallauskleidungen und angrenzend an den Zylinderkopf angeordnet ist. Der Komponentenvorläufer kann eine Vielzahl von Verstärkungsfasern (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polymerfasern, Metallfasern und eine Kombination davon), wie hierin beschrieben, umfassen.
Das Verfahren umfasst ferner das Einführen eines Harzes, wie hierin beschrieben, in die Form, und das Harz kann unter geeigneten Bedingungen gehärtet oder reagiert werden, um das Polymerverbundstoffgehäuse zu bilden. Das Harz kann ein beliebiges geeignetes Polymer sein, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf ein wärmehärtbares Harz, ein Duroplast-Harz, ein Elastomer und eine Kombination davon. Bevorzugte Polymere beinhalten Epoxide, Phenolikverbindungen, Vinylester, Bismaleimide, Polyetheretherketon (PEEK), Polyamide, Polyamide und Polyamidimide, sind aber nicht beschränkt darauf. Das Polymerverbundstoffgehäuse umfasst ein geeignetes Polymer, wie hierin beschrieben, (z. B. Duroplast-Harz, thermoplastisches Harz, Elastomer) und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern, wie hierin beschrieben, (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, keramische Fasern, organische Fasern, metallische Fasern und Kombinationen davon).
Alternativ kann das Polymerverbundstoffgehäuse kann durch Spritzgießen geformt werden. Beispielsweise kann die Form ein Gehäuse umfassen, das einen Hohlraum zum Aufnehmen eines Gehäusevorläufers aufweist, der eine Vielzahl von Verstärkungsfasern aufweist, wie hierin beschrieben (z. B. Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polymerfasern, Metallfasern und eine Kombination davon). Das durch den Hohlraum definierte Gehäuse kann durch eine in der Form vorhandene Metall- oder Polymergrenze definiert werden, die die Form des Gehäuses abgrenzt. Der Gehäusevorläufer und das Harz können getrennt oder zusammen in die Form eingeführt werden, gefolgt von Verfestigung (z.B. Aushärten oder Reagieren), um das Polymerverbundstoffgehäuse zu bilden.
Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren vor dem Anordnen der Baugruppe in der Form ferner umfassen (i) das Gießen des Zylinderkopfes, wie hierin beschrieben, und die Vielzahl von Auskleidungen, um eine einzelne Komponente (z.B. eine integrale Einzelkomponente 30) zu bilden; oder (ii) Zusammenfügen der Vielzahl von Auskleidungen und des Zylinderkopfes durch Schweißen.
In bestimmten anderen Aspekten kann das Verfahren ferner die Verwendung von Opferfasern, wie hier beschrieben, zur Bildung von Mikrokanälen, wie hierin beschrieben, sowie Zufuhrkanälen für die Mikrokanäle, wie hierin beschrieben, in dem polymeren Verbundgehäuse umfassen. Wie hierin erörtert können Opferfasern zusammen mit Verstärkungsfasern in eine zusammengesetzte geformte Vorform eingewebt werden. Nach dem Umsetzen oder Aushärten, um das Polymerverbundstoffgehäuse zu bilden, kann das Verfahren ferner das Entfernen der Vielzahl von Opferfasern aus dem Polymerverbundstoffgehäuse umfassen. Insbesondere kann das polymere Verbundgehäuse weiter behandelt (z. B. erwärmt) werden, um die Opferfasern zu verflüchtigen, zu schmelzen oder zu degradieren, oder die Opferfasern können aufgelöst werden, um Abbauprodukte zu erzeugen. Beispielsweise können die Opferfasern auf eine Temperatur erwärmt werden (z. B. etwa 150 °C bis etwa 200 °C), die im Wesentlichen die Opferfasern verdampft oder schmilzt, aber die Verstärkungsfasern und/oder das ausgehärtete Harz nicht wesentlich beeinträchtigt. Jedes geeignete Lösungsmittel, wie beispielsweise Aceton, ohne darauf beschränkt zu sein, kann auf die Opferfasern angewendet werden, um diese aufzulösen, solange das Lösungsmittel die Verstärkungsfasern und/oder das ausgehärtete Harz nicht im Wesentlichen abbaut oder auflöst. Alternativ können die Opferfasern auch mit einer geeigneten Säure verätzt werden (beispielsweise Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure und dergleichen). Die Abbauprodukte können entfernt werden, um Mikrokanäle in dem Polymerverbundstoffgehäuse auszubilden, z. B. durch Aufbringen eines Vakuums auf den Polymerverbundstoff oder das Einführen eines Gases in den Polymerverbundstoff, um die Abbauprodukte aus dem Polymerverbundstoff zu entfernen.
Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren ferner das Bilden einer Polymerverbundstoffschicht, wie hierin beschrieben (z.B. polymere Verbundschicht 26), um mindestens einen Teil der Motorbaugruppe, z. B. durch Spritzgießen, umfassen. Die Polymerverbundstoffschicht kann ein geeignetes Polymer, wie hierin beschrieben, und eine Vielzahl von geeigneten Verstärkungsfasern, wie hierin beschrieben, umfassen. Insbesondere sind die Verstärkungsfasern Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern. Die Verstärkungsfasern können diskontinuierliche Fasern sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Polymerverbundstoffschicht um jede andere geeignete Fläche der Fahrzeugbaugruppe geformt werden, beispielsweise um eine Ölwanne oder um einen Nockendeckel. Zusätzlich oder alternativ kann die Polymerverbundstoffschicht um beliebiges periphere System der Fahrzeugbaugruppe herum geformt werden, beispielsweise Wasserpumpe, Klimaanlage, Turbolader.
In einer alternativen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung der hierin beschriebenen Motorbaugruppe bereitgestellt, wobei das Polymerverbundstoffgehäuse separat von dem integral verbundenen Zylinderkopf und den Auskleidungen gebildet ist. Das Verfahren kann ferner das Verbinden (z.B. mit einem Klebstoff oder Befestigungselementen) des Polymerverbundstoffgehäuses mit dem integral verbundenen Zylinderkopf und den Auskleidungen umfassen.

Claims

Motorbaugruppe (100), umfassend: eine Vielzahl von Metalllaufbuchsen (2, 2a, 2b), die jeweils einen offenen zylindrischen Bereich (7, 7a, 7b) bilden, um jeweils einen Kolben aufzunehmen; einen Metallzylinderkopf (13), der integral mit der Vielzahl von Metalllaufbuchsen (2, 2a, 2b) zu einer Einzelkomponente verbunden ist; und einem Polymerverbundstoffgehäuse (8), das um mindestens einen Teil einer Außenfläche (4, 4a, 4b) der Metalllaufbuchsen (2, 2a, 2b) und angrenzend an den Metallzylinderkopf (13) angeordnet ist, wobei das Polymerverbundstoffgehäuse (8) ein Polymer und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern (201, 301) und sowohl: (i) einer Vielzahl von Mikrokanälen (25) zum Aufnehmen eines Fluids zum Erwärmen und/oder Kühlen der Motorbaugruppe (100); als auch (ii) mindestens einem Draht (302) zum Erwärmen der Motorbaugruppe (100) umfasst.
Motorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Polymer in dem Polymerverbundstoffgehäuse ein thermoplastisches Harz oder ein Duroplast-Harz umfasst und die Vielzahl von Verstärkungsfasern (301) Fasern sind, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polymerfasern, metallischen Fasern und einer Kombination davon besteht.
Motorbaugruppe nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Polymerverbundstoffschicht (26), die um mindestens einen Teil einer Außenfläche des Polymerverbundstoffgehäuses (8) herum angeordnet ist.
Motorbaugruppe nach Anspruch 3, wobei sich die Polymerverbundstoffschicht (26) um mindestens einen Teil des Metallzylinderkopfes (13) erstreckt.
Motorbaugruppe nach Anspruch 3, wobei die Polymerverbundstoffschicht (26) diskontinuierliche Kohlenstofffasern umfasst.
Motorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Außenfläche (4, 4a, 4b) der Vielzahl von Metalllaufbuchsen (2, 2a, 2b) ein oder mehrere mechanische Verriegelungsmerkmale (28) aufweist, die sich mit dem Polymerverbundstoffgehäuse (8) verbinden.
Motoranbaugruppe nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Kühlmittelkanal (16) der zwischen mindestens einem Teil der Vielzahl von Metalllaufbuchsen (2, 2a, 2b), dem Polymerverbundstoffgehäuses (8) und dem Metallzylinderkopf (13) definiert ist.