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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft selektive Flächenstrukturen von Zylinderlaufbuchsen und ein Verfahren zum Reinigen von Zylinderlaufbuchsen.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Motorblöcke (Zylinderblöcke) können eine oder mehrere Zylinderbohrungen beinhalten, die Kolben eines Verbrennungsmotors umschließen. Motorblöcke können z. B. aus Gusseisen oder Aluminium gegossen sein. Aluminium ist leichter als Gusseisen und kann ausgewählt werden, um das Gewicht eines Fahrzeugs zu reduzieren und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Motorblöcke aus Aluminium können eine Laufbuchse, wie z. B. eine gusseiserne Laufbuchse, beinhalten. Wenn er laufbuchsenlos ist, kann der Aluminiummotorblock eine Beschichtung auf der Bohrungsfläche beinhalten. Gusseiserne Laufbuchsen erhöhen im Allgemeinen das Gewicht des Blocks und können zu nicht zueinander passenden thermischen Eigenschaften zwischen dem Aluminiumblock und den gusseisernen Laufbuchsen führen. Laufbuchsenlose Blöcke können eine Beschichtung aufnehmen (z. B. durch einen Prozess zur Plasmabeschichtung der Bohrungen), um Verschleiß und/oder Reibung zu verringern.
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Die innere Fläche von jeder Zylinderbohrung wird vor dem Beschichten bearbeitet, damit die Fläche zur Verwendung in Fahrzeuganwendungen mit geeigneter Verschleißfestigkeit und Stärke geeignet ist. Der Bearbeitungsprozess kann das Anrauen der inneren Fläche, das Anwenden einer Metallbeschichtung auf die aufgeraute Fläche, das Honen der Metallbeschichtung, um eine behandelte innere Fläche zu erhalten, und das Reinigen der inneren Fläche beinhalten, um Grate und Rückstände zu entfernen.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Verfahren offenbart, das das Aufsprühen einer Beschichtung auf eine Motorbohrungsfläche, das Honen der beschichteten Fläche, um einen gehonten Flächenbereich zu erzeugen, und das Reinigen des gehonten Flächenbereichs umfasst, um Material aus den Flächenporen zu entfernen. Der gehonte Flächenbereich beinhaltet eine Vielzahl von Flächenporen und einen oberen, mittleren und unteren Bereich. Das Reinigen des gehonten Flächenbereichs produziert obere, mittlere und untere Bereichsflächenporositäten, wobei die Porosität des mittleren Bereichs größer ist als mindestens eine der oberen und unteren Porositäten.
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Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann die durchschnittliche Porosität des mittleren Bereichs größer sein als die Porosität des oberen Bereichs und die Porosität des unteren Bereichs. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Reinigungsschritt das Aufsprühen einer Druckflüssigkeit auf den gehonten Flächenbereich beinhalten. Das Aufsprühen in dem Reinigungsschritt kann das Aufsprühen der Druckflüssigkeit durch eine Düse mit mehreren gesteuerten Öffnungen von unterschiedlichen Durchmessern beinhalten. Das Aufsprühen in dem Reinigungsschritt kann das Bewegen einer Düse mit einer einzelnen Öffnung relativ zu der Motorbohrungsfläche und Variieren des Sprühdrucks der Druckflüssigkeit auf Grundlage des Bereichs beinhalten. In einer anderen Ausführungsform kann der Reinigungsschritt das Maskieren von mindestens einem Bereich der gehonten Fläche und Entfernen des Materials aus Flächenporen in einem unmaskierten Bereich über Gasverbrennung beinhalten. In anderen Ausführungsformen kann der Reinigungsschritt das Aufsprühen einer abrasiven Hochdruckflüssigkeit auf den gehonten Flächenbereich und variierende Sprühdrucke auf Grundlage des Bereichs beinhalten. Die abrasive Hochdruckflüssigkeit kann verdichtete Luft oder ein Trockeneisstrahl sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Verfahren offenbart, das das Aufsprühen einer Beschichtung auf eine Motorbohrungsfläche, das Honen der beschichteten Fläche, um einen gehonten Flächenbereich zu erzeugen, der eine Vielzahl von Flächenporen aufweist, und das Reinigen der gehonten Fläche umfasst, um Material selektiv aus den Flächenporen zu entfernen. Der gehonte Flächenbereich beinhaltet einen ersten und einen zweiten Bereich. Das Reinigen des gehonten Flächenbereichs erzeugt eine durchschnittliche Flächenporosität des ersten Bereichs, die größer ist als eine durchschnittliche Flächenporosität des zweiten Bereichs.
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Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kann der erste Bereich ein mittlerer Bereich des gehonten Flächenbereichs sein und der zweite Bereich kann ein oberer und unterer Ring des gehonten Flächenbereichs sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Reinigungsschritt das Aufsprühen einer Druckflüssigkeit auf den gehonten Flächenbereich beinhalten. Das Aufsprühen in dem Reinigungsschritt kann das Aufsprühen der Druckflüssigkeit durch eine Düse mit mehreren gesteuerten Öffnungen von unterschiedlichen Durchmessern beinhalten. Das Aufsprühen in dem Reinigungsschritt kann das Bewegen einer Düse mit einer einzelnen Öffnung relativ zu der Motorbohrungsfläche und Variieren des Sprühdrucks der Druckflüssigkeit auf Grundlage des Bereichs beinhalten. In einer anderen Ausführungsform kann der Reinigungsschritt das Maskieren von einem Bereich des gehonten Flächenbereichs und das Entfernen des Materials aus Flächenporen in einem unmaskierten Bereich über Gasverbrennung beinhalten. In anderen Ausführungsformen kann der Reinigungsschritt das Aufsprühen einer abrasiven Hochdruckflüssigkeit auf den gehonten Flächenbereich und variierende Sprühdrucke auf Grundlage des Bereichs beinhalten. Die abrasive Hochdruckflüssigkeit kann verdichtete Luft oder ein Trockeneisstrahl sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Verfahren offenbart, das das Aufsprühen einer Beschichtung auf eine Motorbohrungsfläche, das Honen der beschichteten Fläche, um einen gehonten Flächenbereich zu erzeugen, der eine Vielzahl von Flächenporen und einen oberen, mittleren und unteren Bereich aufweist, und das Reinigen des gehonten Flächenbereichs umfasst, um Material aus den Flächenporen aus dem mittleren Bereich zu entfernen.
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Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann der mittlere Bereich ein Großteil des gehonten Flächenbereichs sein und der obere und der untere Bereich können ein oberer und unterer Ring des gehonten Flächenbereichs sein. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Reinigungsschritt selektives Aufsprühen einer Druckflüssigkeit oder einer abrasiven Druckflüssigkeit auf den mittleren Bereich beinhalten. In einer anderen Ausführungsform kann der Reinigungsschritt das Maskieren des oberen und unteren Bereichs des gehonten Flächenbereichs und das Entfernen des Materials aus Flächenporen in dem mittleren Bereich über Gasverbrennung beinhalten.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Motorblocks;
- 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Zylinderlaufbuchse gemäß einer Ausführungsform;
- 3 ist ein schematischer fragmentierter Querschnitt einer beschichteten Motorbohrung gemäß einer Ausführungsform; und
- 4 ist ein schematischer fragmentierter Querschnitt einer beschichteten Motorbohrung gemäß einer Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind hier nach Bedarf offenbart; es versteht sich jedoch, dass es sich bei den offenbarten Ausführungsformen lediglich um Beispiele für die Erfindung handelt, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Basis, um den Fachmann den vielfältigen Gebrauch der vorliegenden Erfindung zu lehren.
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In Bezug auf 1 ist ein Motorblock oder Zylinderblock, 10 gezeigt. Der Motorblock 10 kann eine oder mehrere Zylinderbohrungen 12 beinhalten, die dazu konfiguriert sein können, Kolben eines Verbrennungsmotors aufzunehmen. Der Körper des Motorblocks kann aus einem beliebigen geeigneten Material, wie z. B. Aluminium, Gusseisen, Magnesium oder Legierungen davon, gebildet sein. In mindestens einer Ausführungsform ist der Motorblock 10 ein laufbuchsenloser Motorblock. In diesen Ausführungsformen können die Bohrungen 12 eine Beschichtung darauf aufweisen. In mindestens einer Ausführungsform kann der Motorblock 10 Zylinderlaufbuchsen 14, wie z. B. in 2 gezeigt, beinhalten, die in die Bohrungen 12 eingesetzt oder eingegossen sind. Die Laufbuchsen 14 können ein Hohlzylinder oder Rohr mit einer äußeren Fläche 16, einer inneren Fläche 18 und einer Wanddicke 20 sein.
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Wenn es sich bei dem Grundmaterial des Motorblocks um Aluminium handelt, dann kann eine gusseiserne Laufbuchse oder eine Beschichtung in den Zylinderbohrungen bereitgestellt sein, um der Zylinderbohrung eine erhöhte Festigkeit, Steifigkeit, Verschleißbeständigkeit oder andere Eigenschaften zu verleihen. Zum Beispiel kann eine gusseiserne Laufbuchse in den Motorblock eingegossen oder in die Zylinderbohrungen eingepresst werden, nachdem der Motorblock (z. B. durch Gießen) gebildet wurde. In einem anderen Beispiel können die Aluminiumzylinderbohrungen laufbuchsenlos sein, können jedoch mit einer Beschichtung beschichtet werden, nachdem der Motorblock (z. B. durch Gießen) gebildet wurde. In einer anderen Ausführungsform kann es sich bei dem Grundmaterial des Motorblocks um Aluminium oder Magnesium handeln und kann eine Laufbuchse aus Aluminium oder Magnesium in die Motorbohrungen eingesetzt oder eingegossen sein. Das Eingießen einer Laufbuchse aus Aluminium in einen Aluminiummotorblock ist in der US-Anmeldung mit der lfd. Nr.
14/972,144 , eingereicht am 17. Dezember 2015, beschrieben, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich in diese Schrift aufgenommen ist.
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Demnach kann die Bohrungsfläche der Zylinderbohrungen auf eine Vielzahl von Arten und aus einer Vielzahl von Materialien gebildet sein. Zum Beispiel kann die Bohrungsfläche eine gusseiserne Fläche (z. B. von einem gusseisernen Motorblock oder einer gusseisernen Laufbuchse) oder eine Aluminiumfläche (z. B. von einem laufbuchsenlosen Al-Block oder einer Al-Laufbuchse) sein. Die offenbarte variable Beschichtung kann auf eine beliebige geeignete Bohrungsfläche aufgebracht sein, sodass sich der Begriff Bohrungsfläche auf eine Fläche eines laufbuchsenlosen Blocks oder auf eine Fläche einer Zylinderlaufbuchse oder - hülse, die in der Zylinderbohrung angeordnet wurde (z. B. durch Presspassung oder durch Eingießen), beziehen.
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In Bezug auf 3 ist eine Zylinderbohrung 30, die eine Beschichtung 32 aufweist, offenbart. Zwar ist eine Zylinderbohrung dargestellt und beschrieben, jedoch kann die vorliegende Offenbarung für ein jedes Erzeugnis gelten, das einen Körper umfasst, der wenigstens eine Gleitflächenwand mit einer Längsachse beinhaltet. Vor dem Aufbringen der Beschichtung 32 kann die Bohrungsfläche 34 angeraut werden. Durch das Anrauen der Bohrungsfläche 34 kann sich die Haftung oder Bindefestigkeit der Beschichtung 32 an der Bohrung 30 verbessern. Der Anrauungsprozess kann ein mechanischer Anrauungsprozess z. B. unter Verwendung eines Werkzeugs mit einer Schnittkante, Strahlputzen oder Nassputzen sein. Zu weiteren Anrauungsprozessen können Ätzen (z. B. chemisch oder Plasma), Funken-/Elektroerosion oder andere gehören. In der dargestellten Ausführungsform kann der Anrauungsprozess mehrere Schritte umfassen. Im ersten Schritt kann Material von der Bohrungsfläche 34 entfernt werden, sodass Vorsprünge 36 gebildet werden (als gestrichelte Linien). Im zweiten Schritt können die Vorsprünge verändert werden, um überhängende Vorsprünge 38 mit Unterschneidungen 40 zu bilden. Die Vorsprünge können mittels eines beliebigen geeigneten Verfahrens, wie z. B. Walzen, Schneiden, Fräsen, Pressen, Strahlputzen oder anderen, verändert werden.
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Die Beschichtung 32 kann auf die angeraute Bohrungsfläche aufgebracht werden. In einer Ausführungsform kann die Beschichtung eine aufgespritzte Beschichtung, wie z. B. eine thermisch aufgespritzte Beschichtung, sein. Zu nicht einschränkenden Beispielen für thermische Spritztechniken, die zum Bilden der Beschichtung 32 verwendet werden können, können Plasmaspritzen, Detonationsspritzen, Lichtbogenspritzen (z. B. Plasmadrahtspritzen mit übertragendem Lichtbogen oder PTWA (Plasma Transferred Wire Arc)), Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (High Velocity Oxygen Fuel Spraying - HVOF), Heißspritzen oder Kaltspritzen gehören. Andere Beschichtungstechniken können ebenfalls verwendet werden, wie z. B. Gasphasenabscheidung (z. B. PVD oder CVD) oder chemische/elektrochemische Techniken. In wenigstens einer Ausführungsform ist die Beschichtung 32 eine Beschichtung, die durch Plasmadrahtspritzen mit übertragendem Lichtbogen (PTWA) gebildet wird.
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Es kann eine Vorrichtung zum Aufspritzen der Beschichtung
32 bereitgestellt sein. Die Vorrichtung kann eine thermische Spritzvorrichtung, einschließlich eines Spritzbrenners, sein. Der Spritzbrenner kann Brennerparameter, wie z. B. Zerstäubergasdruck, elektrischer Strom, Plasmagasströmungsgeschwindigkeit, Drahtvorschubgeschwindigkeit und Verfahrgeschwindigkeit des Brenners, beinhalten. Die Brennerparameter können variabel sein, sodass sie während des Brennerbetriebs einstellbar oder variabel sind. Die Vorrichtung kann eine Steuerung beinhalten, die dazu programmiert oder konfiguriert sein kann, die Brennerparameter während des Brennerbetriebs zu steuern und zu variieren. Wie in der gemeinsamen US-Anmeldung mit der lfd. Nr.
15/064 903 , eingereicht am 9. März 2016, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich in diese Schrift aufgenommen ist, offenbart, kann die Steuerung derart programmiert sein, dass sie die Brennerparameter variiert, um die Porosität der Beschichtung
32 in einer Längs- und/oder Tiefenrichtung einzustellen. Die Steuerung kann ein System aus einem oder mehreren Computern beinhalten, die dazu konfiguriert sein können, bestimmte Vorgänge oder Handlungen dadurch auszuführen, dass sie auf dem System installierte Software, Firmware, Hardware oder eine Kombination davon aufweisen, die im Betrieb das System dazu veranlasst, die offenbarten Handlungen auszuführen. Ein oder mehrere Computerprogramme können dazu konfiguriert sein, bestimmte Vorgänge oder Handlungen dadurch auszuführen, dass sie Anweisungen beinhalten, die bei Ausführung durch die Steuerung die Vorrichtung dazu veranlassen, die Handlungen auszuführen.
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Bei der Beschichtung 32 kann es sich um eine beliebige Beschichtung handeln, die ausreichend Festigkeit, Steifigkeit, Dichte, Verschleißeigenschaften, Reibung, Dauerfestigkeit und/oder Wärmeleitfähigkeit für eine Zylinderbohrung in einem Motorblock bereitstellt. In wenigstens einer Ausführungsform kann die Beschichtung eine Eisen- oder Stahlbeschichtung sein. Zu nicht einschränkenden Beispielen für geeignete Stahlzusammensetzungen können beliebige AISI/SAE-Stahlsorten der Stähle 1010 bis 4130 gehören. Der Stahl kann ferner ein nichtrostender Stahl sein, wie z. B. jene der AISI/SAE-400-Serie (z. B. 420). Andere Stahlzusammensetzungen können jedoch ebenfalls verwendet werden. Die Beschichtung ist nicht auf Eisen oder Stähle beschränkt und kann aus anderen Metallen oder Nichtmetallen ausgebildet sein oder diese enthalten. Beispielsweise kann die Beschichtung eine Keramikbeschichtung, eine Polymerbeschichtung oder eine Beschichtung aus amorphem Kohlenstoff (z. B. DLC oder dergleichen) sein. Die Beschichtungsart und -zusammensetzung können daher je nach Anwendung und gewünschten Eigenschaften variieren. Darüber hinaus können in der Zylinderbohrung 30 mehrere Beschichtungsarten vorliegen. Beispielsweise können verschiedene Beschichtungsarten (z. B. Zusammensetzungen) auf verschiedene Bereiche der Zylinderbohrung aufgebracht werden (weiter unten näher beschrieben) und/oder kann sich die Beschichtungsart in Abhängigkeit der Tiefe der Gesamtbeschichtung (z. B. Lage für Lage) ändern.
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Im Allgemeinen kann der Prozess zum Aufbringen der Beschichtung
32 und Fertigstellen der Bohrungsmaße und -eigenschaften mehrere Schritte beinhalten. Zunächst kann die Bohrungsfläche darauf vorbereitet werden, die Beschichtung aufzunehmen. Wie vorstehend beschrieben, kann die Bohrungsfläche eine gegossene Motorbohrung oder eine Laufbuchse (eingegossen oder Presspassung) sein, und als solches sind sie nachstehend auswechselbar verwendet und sind sie nicht als einschränkend gedacht. Die Flächenvorbereitung kann ein Anrauen und/oder Waschen der Fläche beinhalten, um die Haftung/Bindung der Beschichtung zu verbessern. Als Nächstes kann die Abscheidung der Beschichtung beginnen. Die Beschichtung kann auf eine beliebige geeignete Weise, wie z. B. durch Spritzen, aufgebracht werden. In einem Beispiel kann die Beschichtung durch thermisches Spritzen, wie z. B. PTWA-Spritzen, aufgebracht werden. Die Beschichtung kann durch Rotationsspritzen der Beschichtung auf die Bohrungsfläche aufgebracht werden. Die Spritzdüse, die Bohrungsfläche oder beide können zum Aufbringen der Beschichtung rotiert werden. Wie in der US-Anmeldung mit der lfd. Nr.
15/064 903 beschrieben, können die Abscheidungsparameter (z. B. durch eine Steuerung) eingestellt werden, um variierende Porositätsgrade in der Beschichtung zu erzeugen. Die Einstellungen können durchgeführt werden, während die Beschichtung aufgebracht wird, oder die Aufbringung kann zum Einstellen der Parameter pausiert werden. Zusätzliche Lagen der Beschichtung können unter Verwendung der gleichen oder weiterer eingestellter Abscheidungsparameter aufgebracht werden.
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Nachdem die Beschichtung aufgebracht wurde, kann sie auf einen Endbohrungsdurchmesser gemäß spezifizierten Motorbohrungsmaßen gehont werden. In einigen Ausführungsformen kann ein optionaler mechanischer Bearbeitungsvorgang, wie z. B. Aufbohren, Schruppen usw., vor dem Honen durchgeführt werden, um die Menge an Werkstoffabnahme beim Honen zu verringern. Im Allgemeinen beinhaltet der Honprozess Einführen eines Drehwerkzeugs mit Schleifpartikeln in die Zylinderbohrung, um Material auf einen kontrollierten Durchmesser zu entfernen. Die Schleifpartikel können an einzelnen Teilen haften, die als Honsteine bezeichnet werden, und ein Honwerkzeug kann eine Vielzahl von Honsteinen beinhalten. Der Honprozess kann einen oder mehrere Honschritte beinhalten. Wenn mehrere Honschritte vorliegen, können die Parameter des Honprozesses, wie z. B. Korngröße und angewandte Kraft, von Schritt zu Schritt variieren. In den in 3 gezeigten Ausführungsformen kann die Beschichtung 32 zunächst auf eine anfängliche Dicke 52 abgeschieden werden, die als gestrichelte Linie gezeigt ist. Der Honprozess kann Material von der Beschichtung 32 entfernen und eine stark zylindrische Bohrungswand 54 mit dem Endbohrungsdurchmesser bereitstellen. Wie hier beschrieben, kann die Beschichtungsfläche die Fläche sein, die aus dem Honprozess hervorgeht, der gehonte Flächenbereich, nicht die Ausgangsfläche nach der Abscheidung (z. B. die Bohrungswand 54 und nicht die Ausgangsdicke 52).
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Im hier verwendeten Sinne kann der gehonte Flächenbereich ein Bereich in der Beschichtung sein, welcher die Fläche der Beschichtung und eine relativ geringe Tiefe unterhalb der Fläche, z. B. bis zu 5 µm, 10 µm, 25 µm oder 50 µm unterhalb der Fläche, beinhaltet. Es wurde festgestellt, dass die Porosität (d. h. durchschnittliche Flächenporosität) des gehonten Flächenbereichs im Allgemeinen mit zwei Arten von Poren beschrieben werden kann, die als primäre und sekundäre Poren bezeichnet werden können. Primäre Poren können jene sein, die während des Beschichtungsprozesses (z. B. Spritzen) erzeugt werden. Beispielsweise die Art von Porosität, von der allgemein in der US-Anmeldung mit der lfd. Nr. 15/064 903 die Rede ist. Diese Poren (z. B. Porosität und Größe) können im Allgemeinen über die Beschichtungsparameter gesteuert werden. Sekundäre Poren können jene sein, die erzeugt werden oder hervorgehen, nachdem die Beschichtung abgeschieden wurde.
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Während des Honprozesses kann Material, das von der beschichteten Bohrungsfläche oder einem Grat oder einer Kante einer Pore entfernt wird, die Porenfläche überschmieren oder die Pore auffüllen. Dies kann zu einer geringeren Flächenporosität führen und das Ölretentionsvermögen der Pore signifikant verringern. Dementsprechend können Reinigungsprozesse die Laufbuchsenflächen reinigen, um die Poren offenzulegen. Der Reinigungsprozess kann Durchführen eines oder mehrerer Reinigungsdurchgänge an der Bohrungsbeschichtungsfläche beinhalten. In einer Ausführungsform kann der Reinigungsprozess Besprühen mit Hochdruckwasser beinhalten. Das Besprühen kann derart gesteuert sein, dass sich ein Sprühmuster, wie z. B. ein fächerförmiges Sprühmuster (z. B. ein im Wesentlichen 2D-Sprühmuster), ergibt. Andere Reinigungsverfahren, die möglicherweise geeignet sind, können Eisstrahlen (z. B. auf Wasser- oder CO2-Basis), Bürsten oder sehr feine Schleifmittel beinhalten. Diese Verfahren sind jedoch Beispiele und sollen nicht einschränkend sein.
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Der Reinigungsprozess kann das Material, wie etwa Rückstände oder Grate entfernen, das aufgrund vorheriger Bearbeitungsvorgänge, wie z. B. vorheriger Honschritte oder eines Aufbohrvorgangs, vorhanden ist. Demnach kann loses Material, das in den Poren der Beschichtung vorliegt, entfernt werden, damit die Poren freigelegt werden und es ihnen möglich ist, Öl aufzunehmen. Während bestimmter Beschichtungsprozesse können Partikel aus dem Beschichtungsmaterial zur Bohrungsoberfläche hin beschleunigt werden, z. B. in Form von Feststoffpartikeln (Kaltspritzen) oder geschmolzenen Kügelchen (Heißspritzen). Diese Partikel können sich aneinander ablagern und eine im Wesentlichen durchgängige Beschichtung bilden. Die Partikel können sich im Allgemeinen unter Bildung einer relativ einheitlichen Beschichtung verformen oder verschmelzen, jedoch bleiben einige Partikel abgetrennter oder schwächer an die Beschichtung gebunden als andere. Darüber hinaus kann es sein, dass die Beschichtungslagen in bestimmten Abschnitten nicht vollständig anhaften oder weniger stark anhaften als in anderen Abschnitten. Diese Partikel und Abschnitte können potenzielle Stellen für eine Erzeugung neuer Poren während des Reinigungsprozesses (z. B. Keimbildungsstellen) sein.
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Der Reinigungsprozess kann eine Ablösung oder Trennung dieser Partikel bzw. Lagen verursachen oder kann Eigenspannungen in der Beschichtung bei oder nahe den Partikeln auslösen. Demnach kann der Reinigungsprozess mindestens zwei Funktionen ausführen: 1) bestehende Rückstände und Grate von der Beschichtungsfläche entfernen und 2) Keimbildungsstellen auf der Beschichtungsfläche erzeugen. Der Reinigungsprozess kann es daher ermöglichen, dass die gehonte Fläche nicht nur eine ähnliche Porosität wie das Volumen der Beschichtung aufweist, sondern aufgrund der zusätzlich erzeugten Poren auch über eine erhöhte Porosität verfügt. In einigen Ausführungsformen kann der Reinigungsprozess (oder ein ähnlicher Reinigungsprozess) nach dem Endhonprozess wiederholt werden, um letzte Rückstände zu beseitigen, Grate zu entfernen oder sonstiges loses Material von der Bohrungsfläche oder aus den Poren zu reinigen.
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Die Verwendung von Flächenporen und Flächenporosität, um Ölretention in Zylinderbohrflächen, wie etwa Zylinderlaufbuchsen oder Bohrungswänden, zu verbessern, erfordert Reinigungsprozesse, um Grate und Rückstände zu entfernen, um die Schmiermittelverteilung zu verbessern, um hydrodynamischen Widerstand und Kolbenringunebenheit zu reduzieren. Während geläufige Reinigungsprozesse vorstehend beschrieben sind, erfordern bestimmte Poren einen gesteuerteren und selektiveren Prozess, um Reduzierungen von Verschleiß und Reibung vollständig zu maximieren. Zusätzlich kann die Zylinderbohrung konkrete Bereiche mit mehr Widerstandsreduzierung, und somit mehr Schmiermittelretention, benötigen, sodass Bereiche von höherer Flächenporosität oder das Offenlegen von mehr Poren durch Reinigen benötigt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein selektiver Reinigungsprozess offenbart. Ein selektiver Reinigungsprozess entfernt Materialien aus Poren in einem gesteuerten Prozess, um Poren zu bestimmten Graden in bestimmten Abschnitten der Zylinderbohrung oder Bereichen des gehonten Flächenbereichs offenzulegen, was zu einer angepassten Flächenstruktur führt. Der selektive Reinigungsprozess deckt Poren, die während des Honvorgangs der Zylinderfläche mit Rückständen gefüllt oder überschmiert wurden, zu einem bestimmten Grad oder in bestimmten Bereichen der Bohrungsfläche auf oder legt sie frei. Zum Beispiel ist die Zylinderbohrfläche, auf welcher das Kolbenringpaket läuft, aus bestimmten Bereichen hergestellt, bei denen einige eine höhere durchschnittliche Flächenporosität erfordern als andere. Durch Anpassen des Reinigungsprozesses an verschiedene Bereiche kann Schmiermittelabscheidung genau dort verbessert werden, wo es durch Kolbenringbewegung erfordert ist. Im Allgemeinen würde der Großteil der Bohrfläche davon profitieren, dass mehr der Poren durch Reinigen offengelegt werden, wobei der obere und der untere Ringumkehrbereich der Bohrfläche (oder oberer und unterer Bereich) weniger offengelegte Poren als der mittlere (Großteil-) Bereich beinhalten können. Durch selektives Reinigen des gehonten Flächenbereichs, kann Flächenstruktur angepasst werden, um Poren richtig auf der beschichteten Fläche freizulegen.
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Wie in 4 gezeigt, kann ein mittlerer Bereich 48 zwischen dem oberen und dem unteren Bereich 46 angeordnet sein. Der mittlere Bereich 48 kann einen Großteil der Zylinderlaufbuchsen oder Bohrwände umfassen oder eine bestimmte Höhe der Zylinderbohrung gemäß des Kurbelwinkels des Kolbens abdecken. Ähnlich wie beim Kurbelwinkel können der obere und der untere Bereich(e) 46 und der mittlere Bereich 48 Abschnitte (z. B. Höhenbereiche) der Bohrungsfläche abdecken, die Bereichen entsprechen, in denen der Kolben eine bestimmte Geschwindigkeit aufweist. Zu beispielhaften Zwecken werden Kurbelwinkel für die Bereiche erläutert, andere Eigenschaften können jedoch auch zutreffen. Obwohl dies nicht in 4 veranschaulicht ist, können der obere und untere Bereich 46 die gleiche Höhe aufweisen oder nicht, und können auf den oberen und unteren Ring reflektieren. Daher können die Kurbelwinkelbereiche asymmetrisch sein und können sich von einem beliebigen vorstehend für den oberen Bereich 46 offenbarten Wert bis zu einem beliebigen Wert für den unteren Bereich 46 erstrecken. Zum Beispiel kann das Verhältnis der Längen des oberen, mittleren und unteren Bereichs unter anderem etwa 0,05:0,9:0,05 bis 0,1:0,8:0,1 bzw. etwa 0,05:0,9:0,05 bis 0,15:0,7:0,15 sein. In anderen Ausführungsformen, in denen der obere und der untere Bereich 46 nicht die gleiche Höhe aufweisen können, kann das Verhältnis der Längen des oberen, mittleren und unteren Bereichs zum Beispiel unter anderem etwa 0,03:0,9:0,07 bis 0,08:0,8:0,12 oder etwa 0,07:0,9:0,03 bis 0,12:0,8:0,08 sein. In einer Ausführungsform können der obere und der untere Bereich 46 zum Beispiel mindestens 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 6 %, 7 %, 8%, 9 % oder 10 % des gehonten Flächenbereichs zusammen und bis zu 10 %, 15 %, 20 %, 25 % oder 30 % des gehonten Flächenbereichs zusammen ausmachen. In manchen Ausführungsformen können der obere und der untere Bereich 46 zum Beispiel jeder einzeln mindestens 1 %, 2 % oder 3 % und höchstens etwa 5 %, 10 % oder 15 %des gehonten Flächenbereichs ausmachen und können oder können nicht den gleichen Prozentanteil des gehonten Flächenbereichs ausmachen.
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In einer Ausführungsform kann die Flächenporosität (z. B. die durchschnittliche Flächenporosität) des oberen und unteren Bereichs 46 eine durchschnittliche Flächenporosität von bis zu 3 % aufweisen. Beispielsweise können der obere und der untere Bereich 46 eine Porosität von bis zu unter anderem 2,5 %, 2 % oder 1,5 % aufweisen. In einer Ausführungsform können der obere und der untere Bereich 46 eine Porosität der gehonten Fläche von 0,1 % bis 3 % oder einem beliebigen Teilbereich davon, wie etwa 0,5 % bis 3 %, 0,5 % bis 2,5 %, 0,5 % bis 2 %, 1 % bis 2,5 % oder 1 % bis 2 %, aufweisen. Wie hier offenbart, kann sich „durchschnittliche Flächenporosität“ auf eine Flächenporosität oder einen Prozentsatz der Fläche der Beschichtung beziehen, der aus Poren (z. B. Leerstellen oder Luft, vor Einbringen von Schmiermittel) besteht.
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Die Flächenporosität des mittleren Bereichs 48 kann größer sein als die Flächenporosität des oberen und/oder unteren Bereichs/e 46. In einer Ausführungsform kann der mittlere Bereich 48 eine Flächenporosität (z. B. durchschnittliche Flächenporosität) von mindestens 2 %, zum Beispiel mindestens 3 %, 4 %, 5 %, 6 %, 7 %, 8 %, 9 %, 10 %, 15 % oder 20 %, aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann der mittlere Bereich 48 eine Flächenporosität von 2 % bis 20 % oder einem beliebigen Teilbereich davon, wie etwa 3 % bis 20 %, 5 % bis 20 %, 10 % bis 20 %, 2 % bis 15 %, 3 % bis 15 %, 5 % bis 15 %, 7 % bis 15 %, 3 % bis 12 %, 3 % bis 10 %, 4 % bis 10 %, 5 % bis 10 % oder 5 % bis 8 %, aufweisen.
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Die Größe oder der Durchmesser der Poren, die Porentiefe und/oder die Porenverteilung in den Bereichen mit geringer und hoher Porosität der gehonten Fläche können gleich oder unterschiedlich sein, auf Grundlage des selektiven Reinigungsprozesses, der die Poren in dem/n Bereich(en) offenlegt. In einer Ausführungsform können die mittleren oder durchschnittlichen Porengrößen des oberen/unteren Bereichs 46 und des mittleren Bereichs 48 die gleiche oder ähnlich sein, während die Flächenporositäten auf Grundlage des selektiven Reinigungsprozesses unterschiedlich sind. Die durchschnittlichen Porengrößen des unteren/oberen Bereichs 46 und des mittleren Bereichs 48 können unter anderem bei von 0,1 bis 750 µm oder in einem beliebigen Teilbereich davon, wie etwa 0,1 bis 500 µm, 0,1 bis 250 µm, 0,1 bis 200 µm, 1 bis 750 µm, 1 bis 500 µm, 1 bis 300 µm, 1 bis 200 µm, 10 bis 300 µm, 10 bis 200 µm, 20 bis 200 µm, 10 bis 150 µm oder 20 bis 150 µm, liegen. In einer anderen Ausführungsform können die Poren selektiv während des Reinigungsprozesses auf Grundlage von Durchmesser oder Porentiefe, unter anderem etwa 10 % bis 95 %, etwa 15 % bis 90 %, etwa 20 % bis 85 %, oder etwa 25 % bis 80 % von Größe/Tiefe offengelegt werden, um eine selektive Flächenstruktur zu erhalten. In einer anderen Ausführungsform kann die Porenverteilung auf der Flächenporosität selektiv auf Grundlage des/r Bereich(e) offengelegt werden. Bestimmte Bereiche können einen höheren Prozentsatz von offengelegten Poren aufweisen. Zum Beispiel können Poren in dem oberen und unteren Bereich auf eine Flächenporosität von etwa 0,1 % bis 3 % offengelegt werden, wobei der mittlere Bereich auf etwa eine Flächenporosität von etwa 2 % bis 20 % offengelegt werden kann. Um die Flächenporositäten zu erzielen, kann der Reinigungsprozess Poren innerhalb der ausgewählten Bereiche auf Grundlage des Durchmessers oder der Porentiefe offenlegen, etwa 10 % bis 95 %, etwa 15 % bis 95 %, etwa 20 % bis 95 %, etwa 25 % bis 95 %, etwa 10 % bis 90 %, etwa 15 % bis 90 %, etwa 20 % bis 90 %, etwa 25 % bis 90 %, etwa 10 % bis 85 %, etwa 15 % bis 85 %, etwa 20 % bis 85 %, etwa 25 % bis 85 %, etwa 10 % bis 80 %, etwa 15 % bis 80 %, etwa 20 % bis 80 % oder etwa 25 % bis 80 %. In anderen Ausführungsformen kann die Porengröße/-tiefe durch die Bereiche gleichmäßig bleiben, jedoch können mehr Poren selektiv in dem mittleren Bereich 48 offengelegt werden, im Vergleich zu dem oberen/unteren Bereich 46, um die gewünschte Flächenporosität zu erreichen.
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Der selektive Reinigungsschritt kann Prozesse wie etwa Besprühen mit einer Hochdruckflüssigkeit (z. B. Luft oder Wasser), Eisstrahlen oder mechanisches Reinigen (z. B. Bürsten) beinhalten. Dementsprechend kann das Erhöhen oder Verringern der Intensität des Reinigungsprozesses an verschiedenen Stellen innerhalb der Zylinderbohrung den Grad der Offenlegung der Poren in dem gehonten Flächenbereich beeinträchtigen. In einer Ausführungsform kann das Erhöhen der Intensität des Reinigungsprozesses das Entfernen von Material aus Poren erhöhen und umgekehrt. Das Erhöhen der Intensität an verschiedenen Bereichen der Zylinderbohrung kann die Flächenporosität des gehonten Flächenbereichs ändern, da mehr oder weniger Poren zwischen Bereichen offengelegt werden. Wenn zum Beispiel ein Hochdruckwasserstrahl verwendet wird, kann das Erhöhen des Drucks des Strahls durch einen bestimmten Bereich die Intensität des Reinigungsdurchgangs erhöhen. Ebenso können, wenn eine mechanische Reinigung verwendet wird, die angewandte Kraft, die Geschwindigkeit der Reinigung oder andere Parameter, durch welche die Reinigung intensiver wird, in bestimmten Bereichen der Zylinderbohrung erhöht werden. Eine andere Möglichkeit zum Erhöhen oder Verringern der Intensität kann darin bestehen, die Anzahl von Reinigungsdurchgängen im Reinigungsprozess zu variieren. Zusätzliche Reinigungsdurchgänge können Entfernung von mehr Material verursachen, während sie durch weniger verringert werden kann. Ändern der Intensität der Reinigung nach Bereich stellt einen gesteuerten Ansatz zum Reinigen der Zylinderbohrungen bereit, um eine selektive Flächenstruktur der gehonten Fläche zu erzielen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann eine Hochdruckflüssigkeit durch eine unter Druck gesetzte Düse aufgetragen werden, um das angepasste Reinigungsverfahren für eine selektive Flächenstruktur umzusetzen. In einigen Ausführungsformen kann die unter Druck gesetzte Düse mehrere gesteuerte Öffnungen von unterschiedlichen Durchmessern beinhalten, um unterschiedliche Drücke zu erzeugen, um Flächenporen zu unterschiedlichen Graden offenzulegen. In anderen Ausführungsformen kann die unter Druck gesetzte Düse eine einzige Öffnung beinhalten, die relativ zu der Laufbuchse bewegt wird, und Druck wird abhängig von der Düsenposition in der Laufbuchse variiert, um Poren zu unterschiedlichen Graden offenzulegen. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein gasförmiger Verbrennungsprozess verwendet werden, um den Reinigungsprozess anzupassen. Bestimmte Bereiche der Laufbuchse können derart maskiert sein, dass ein Verbrennungsereignis, das ausreichend ist, um Grate und jegliche Grade von Teilchen auf der Fläche der Poren wegzubrennen, verwendet werden kann, um die Poren in einem unmaskierten Bereich der Laufbuchse offenzulegen. Gemäß noch einer anderen Ausführungsform kann eine abrasive Hochdruckflüssigkeit (wie etwa verdichtete Luft/Trockeneisstrahl) verwendet werden, um die selektive Flächenstruktur bereitzustellen. Die abrasive Hochdruckflüssigkeit kann mit einer Düse umgesetzt werden, die relativ zu der Laufbuchse bewegt wird, und Druck wird abhängig von der Düsenposition in der Laufbuchse variiert, um Poren zu unterschiedlichen Graden offenzulegen.
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Während die Beschichtung 32 auf der Zylinderbohrung 30 vorstehend mit zwei Bereichen unterschiedlicher Flächenporosität beschrieben wurde, können mehr als zwei Bereiche unterschiedlicher Flächenporosität, wie z. B. 3, 4, 5 oder mehr verschiedene Bereiche, vorliegen. Um die Flächenporositätsabstufungen und -änderungen zwischen Bereichen zu beeinträchtigen, beruhen die Porengrößen und der Grad von Offenlegung entsprechend auf selektivem Reinigen. In einigen Ausführungsformen kann anstelle getrennter Bereiche eine Abstufung in der Flächenporosität entlang der Höhe der Zylinderbohrung 30 vorliegen, abhängig von dem Reinigungsprozess zum Offenlegen der Poren. Die Veränderung der Flächenporosität kann kontinuierlich sein und kann eine lineare/konstante Zunahme/Abnahme oder eine Kurve sein. Die Änderung der Flächenporosität kann ferner aus einer Vielzahl kleiner Schritte in der Flächenporosität mit zwei oder mehr Bereichen (z. B. 2 bis N Bereichen) bestehen.
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Dementsprechend ist ein angepasster Reinigungsprozess zum Bereitstellen einer selektiven Flächenstruktur bereitgestellt. Der Prozess stellt ein kostengünstiges Verfahren mit schneller Zykluszeit bereit, um Poren zu variierenden Graden offenzulegen, damit thermale Sprühbeschichtungen wirksam verwendet werden können, um Gewicht und Produktionskosten zu reduzieren. Die Poren können zu variierenden Graden offengelegt werden, gemäß ausgewählten Bereichen der gehonten Flächenbereiche der Zylinderbohrung.
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Während vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener umgesetzter Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen zu bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 14/972144 [0012]
- US 15/064903 [0016, 0018]
