DE102018202540B4

DE102018202540B4 - Motorblock eines Verbrennungsmotors mit optimierten Wärmeleiteigenschaften

Info

Publication number: DE102018202540B4
Application number: DE102018202540.1A
Authority: DE
Inventors: Carsten Weber; Urban Morawitz; Clemens Maria Verpoort; Paul Nigel Turner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2038-02-21
Also published as: DE102018202540A1; US20190257263A1; US10767594B2; CN110173367A

Abstract

Motorblock (10) eines Verbrennungsmotors, insbesondere aus Aluminium oder zumindest einer Aluminium-Legierung, aufweisend zumindest eine vom Motorblock (10) umgebene, in zumindest einem Betriebszustand zylindrische Kolbenbahn (20) mit einer Längsachse (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenbahn (20; 48) unterschiedliche Beschichtungswerkstoffe aufweist, wobei die Kolbenbahn (20; 48)
- in einem dem oberen Totpunkt nahen Abschnitt (22) eine erste innenseitige, umfängliche Beschichtung (26) mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als derjenigen des radial angrenzenden Materials aufweist, und
- in einem dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt (24) eine zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung (28) mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als derjenigen des radial angrenzenden Materials aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Motorblock eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, aufweisend zumindest eine vom Motorblock umgebene, zylindrische Kolbenbahn mit einer Längsachse. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Motorblocks mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Kurbelgehäuse bzw. Motorblöcke für Verbrennungsmotoren anstelle von Graugussmaterial aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen, beispielsweise in Druckgussverfahren (High Pressure Die Casting, HPDC), herzustellen, wodurch eine erhebliche Gewichtsreduzierung erreichbar ist und außerdem aufgrund der erheblich höheren Wärmeleitfähigkeit Vorteile in Bezug auf eine Abführung der Abwärme des Verbrennungsmotors bestehen.
Zur Erfüllung der tribologischen Anforderungen ist ferner bekannt, in Motorblöcken aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen Zylinderlaufbuchsen aus Graugussmaterial mit einer Wandstärke von typischerweise 2-4 mm einzusetzen. Dabei gehen einige Vorteile bezüglich der Abführung der Abwärme verloren, da die Wärmeleitfähigkeit von Graugussmaterial mit etwa 40-50 $\frac{W}{m \cdot K}$
nur einen Bruchteil der Wärmeleitfähigkeit des Aluminiummaterials von etwa 140 $\frac{W}{m \cdot K}$
beträgt.
Daher werden auch Zylinderlaufbuchsen aus hochwärmeleitfähigem Aluminium verwendet. Aus dem Artikel von K. Bobzin, F. Ernst, K. Richardt, T. Schlaefer, C. Verpoort, and G. Flores: „Thermal spraying of cylinder bores with the Plasma Transferred Wire Arc process“ in Surface and Coatings Technology, Bd. 202, Ausgabe 18, 15. Juni 2008, S. 4438-4443, ist bekannt, dass Motorblöcke von Pkw aus untereutektischen AISi-Legierungen in der Regel mit Gusslaufbuchsen ausgestattet werden, um Zylinderlaufflächen zu erhalten, die den tribologischen Anforderungen genügen. Thermisch gespritzte Zylinderlaufflächen werden darin als eine vielversprechende Alternative zu Gusslaufbuchsen beschrieben. APS-Spritz (atmosphärisches Plasmaspritzen) -Zylinderlaufflächen aus niedrig legiertem C-Stahl hätten bereits ihre Fähigkeit bewiesen, Reibungsverluste in Motoren zu reduzieren.
Zusätzliches Potenzial zur Reduzierung von Reibungsverlusten wird neuartigen und hochlegierten Oberflächenwerkstoffen auf Eisenbasis zugeschrieben. Der Artikel beschreibt die Entwicklung solcher Materialien und ihre Anwendung mittels des thermischen PTWA-Beschichtungsverfahren (Plasma Transferred Wire Arc) an Innenwandungen. Die Einsatzmaterialien führen zu teilweise amorphen Beschichtungen mit eingebetteten boridischen, nanoskaligen Ausscheidungen, wenn sie durch thermisches Spritzen verarbeitet werden. Die Beschichtungen wurden auf die Innenwandungen von Testlaufbuchsen aus Aluminium EN AW 6060 und auf die Zylinderbohrungswände eines 4-Zylinder-Reihenmotors aufgetragen. Vor dem Beschichten wurden alle zu beschichtenden Oberflächen durch ein neuartiges Feinbohrverfahren vorbehandelt, um eine Oberflächentopographie zu erzeugen, die das Anhaften der Beschichtungen ermöglicht. Die Mikrostrukturen der Beschichtungen wurden durch Lichtmikroskopie, Härtemessung und Transmissionselektronenmikroskopie analysiert, und die Ölspeicherkapazitäten der gehonten Oberflächen wurden bestimmt.
In einem bekannten alternativen Ansatz wird auf die Verwendung von Zylinderlaufbuchsen verzichtet, und die Zylinderwandungen des Motorblocks werden beschichtet, um z.B. die gewünschte Reibungs- und Verschleißfestigkeit zu erreichen. Die Beschichtungen werden hinsichtlich Materialauswahl und Anordnung je nach gewünschter Funktion ausgelegt.
Zur Herstellung der Beschichtungen werden thermische Verfahren eingesetzt, wobei besonderes Augenmerk auf eine einwandfreie Aufbringung der Schicht auf die zu beschichtende Zylinderwandung zu legen ist. Im Stand der Technik werden dafür spezielle Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen.
Beispielsweise beschreibt die WO 2016 / 202 511 A1 ein thermisches Spritzverfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten der Innenfläche eines Zylinders einer Brennkraftmaschine oder Kolbenmaschine, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Aufbringen einer thermischen Spritzschicht auf die Innenfläche des Zylinders und optisches Erfassen der Umgebung des Spritzstrahls, nämlich eines Raums außerhalb des Spritzstrahls, durch eine optische Sensorvorrichtung. Dabei wird ein Fehler im Beschichtungsprozess angenommen, sofern im überwachten Bereich außerhalb des Spritzstrahls durch die optische Sensorvorrichtung Partikel des Spritzwerkstoffs, der dem Spritzbrenner zugeführt wird, detektiert werden. Beispielsweise ist das thermisches Spritzverfahren vom bekannten PTWA (Plasma Transferred Wire Arc Spraying)- oder dem RSW (Rotating Single Wire)-Verfahren gebildet.
In der DE 10 2017 103 715 A1 wird eine Beschichtung von Zylinderlaufbuchse oder Zylinderwandung mit einer Funktionsschicht vorgeschlagen, die aufgrund ihrer variablen Porosität für eine Erfüllung unterschiedlicher Schmieranforderungen in verschiedenen Bereichen der Zylinderbohrung sorgt.
Der Motorblock, der beispielsweise aus Gusseisen, Aluminium, Magnesium oder Legierungen davon hergestellt sein kann, kann einen Körper aufweisen, der mindestens eine zylindrische Motorbohrungswand mit einer Längsachse aufweist, und eine sich entlang der Längsachse erstreckende, variable Beschichtung aufweist, die eine Beschichtungsdicke hat. Die Beschichtung kann einen mittleren Bereich und einen ersten und einen zweiten Endbereich aufweisen, und mehrere Poren können in der Beschichtungsdicke verteilt sein. Der mittlere Bereich kann eine andere durchschnittliche Porosität als einer oder beide der Endbereiche aufweisen. Das Verfahren kann thermisches Spritzen einer Beschichtung mit einer ersten Porosität in einem mittleren Längsbereich der Bohrung und Spritzen einer Beschichtung mit einer zweiten Porosität in einem oder mehreren Endbereichen der Bohrung beinhalten. Die Beschichtung kann jede Beschichtung sein, die ausreichende mechanische Festigkeit, Steifigkeit, Dichte, Verschleißeigenschaften, Reibung, Ermüdungsfestigkeit und/oder Wärmeleitfähigkeit für eine Zylinderbohrung bereitstellt, und kann insbesondere auch von einer Beschichtung mit Eisen, Stahl, anderen Metallen oder Nichtmetallen, als keramische Beschichtung, polymere Beschichtung oder als amorphe Kohlenstoffbeschichtung ausgebildet sein. Die erste Porosität kann größer als die zweite Porosität sein, und die erste und die zweite Porosität können während der Spritzschritte ausgebildet werden. Einer oder beide der Endbereiche kann/können eine durchschnittliche Porosität von 0,1 % bis 3% aufweisen. Der mittlere Bereich kann eine durchschnittliche Porosität von mindestens 5% aufweisen. Die Poren können dabei als Vertiefungen für Schmiermittel wirken, wodurch Schmierung unter rauen Betriebsbedingungen bereitgestellt oder die Schmiermittelfilmdicke verbessert wird.
Weiterhin ist das Aufbringen von Beschichtungen an Zylinderwandungen zur Beeinflussung von Wärmeflüssen beim Betrieb des Verbrennungsmotors bekannt.
Beispielsweise schlägt die EP 3 228 852 A1 einen Verbrennungsmotor mit einer Brennkammer vor, die von mindestens einer Innenwand einer Zylinderbohrung, einem Zylinderkopf, einem Ventil und einem Kolben umgeben ist, und einer Überzugsschicht, die an mindestens einem Teil der Innenwand der Brennkammer mittels eines Flammenspritzverfahrens angeordnet ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Überzugsschicht bei Raumtemperatur niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeiten des Zylinderblocks, des Zylinderkopfs, des Ventils und des Kolbens. Dabei ist die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtungsschicht, die beispielsweise eine quasikristalline metallische Legierung, insbesondere eine Al-Cu-Fe-basierte Legierung, oder ein metallisches Glas beinhalten kann, reversibel mit einem Anstieg der Temperatur der Beschichtungsschicht erhöht, und die Wärmekapazität pro Flächeneinheit der Überzugsschicht ist größer als 0 $\frac{k J}{m^{2} \cdot K}$
und kleiner oder gleich 4,2 $\frac{k J}{m^{2} \cdot K} .$
Dadurch soll erreicht werden, dass Kühlverluste der Brennkammer und dadurch der Kraftstoffverbrauch geringgehalten und gleichzeitig ein Klopfen des Verbrennungsmotors verhindert werden kann.
In der JP 4812883 B2 wird eine Zylinderlaufbuchse zum Einsatzgießen und zur Verwendung in einem Zylinderblock aus einer Aluminium-Legierung beschrieben, wobei eine Schicht mit einer Wärmeleitfähigkeit, die niedriger ist als eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens einem aus dem Zylinderblock und der Zylinderlaufbuchse, von einem Zwischenabschnitt der Zylinderlaufbuchse in der axialen Richtung zu einem unteren Ende ausgebildet ist. Die Schicht kann beispielsweise aus einer aufgespritzten Schicht aus Keramikmaterial bestehen; dabei wird Aluminiumoxid als keramisches Material verwendet. Die Schicht wird durch thermisches Spritzen gebildet; z.B. durch Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeit-Flammspritzen (High-Velocity-Oxygen-Fuel, HVOF). Durch die niedrigwärmeleitfähige Schicht soll verhindert werden können, dass eine Temperatur am unteren Ende der Zylinderlaufbuchse während des Betriebs des Zylinderblocks unerwünscht niedrig ausfällt, was zu einer erhöhten Viskosität des Schmieröls und damit zu höherem Kraftstoffverbrauch führen kann.
Zudem wird in der gattungsbildenden JP 2016 205 215 A ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks vorgeschlagen, der einen höheren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten an einer äußeren Umfangswand einer Zylinderbohrung an einem oberen Teil als dem eines unteren Teils der Zylinderbohrung in seiner axialen Richtung aufweist, ohne dass irgendwelche komplexen Schritte zum Einstellen von Zylinderlaufbuchsen mit einem unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten in einer axialen Richtung an einer Gussform für den Zylinderblock angewendet werden müssen. Bei dem Verfahren wird eine Zylinderbohrung mit einem einheitlichen Innendurchmesser ausgebildet, indem durch Formen eines Zylinderblock-Hauptkörpers, beispielsweise aus einer Aluminium-Legierung, ein Innendurchmesser an einem unteren Teil eines Bohrlochs zum Ausbilden der Zylinderbohrung entsteht, der größer ist als ein innerer Durchmesser eines oberen Teils des Bohrlochs. Danach wird Material mit niedrigwärmeleitendem Material, beispielsweise ein eisenbasiertes Material, mit einem niedrigeren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten als dem des den Hauptkörper des Zylinderblock-Hauptkörpers bildenden Materials gegen eine erste Umfangswandfläche und eine zweite Umfangswandfläche der Bohrlochumfangswandfläche, die das Bohrloch definiert, des Zylinderblock-Hauptkörpers flammgespritzt, um eine Spritzschicht zu bilden, wobei die Spritzschicht auf der ersten Umfangswandfläche dicker ist als die Spritzschicht auf der zweiten Umfangswandfläche.
Des Weiteren ist in der US 7 685 987 B2 eine Zylinderlaufbuchse bekannt, beispielsweise aus Gusseisen und zum Einsatzgießen, die in einem Zylinderblock aus einer Aluminium-Legierung verwendet wird. Die Zylinderlaufbuchse weist eine äußere Umfangsfläche und obere, mittlere und untere Abschnitte in Bezug auf eine axiale Richtung der Zylinderlaufbuchse auf. Eine hochwärmeleitende Schicht, beispielsweise aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, ist in einem Abschnitt der äußeren Umfangsfläche ausgebildet, der dem oberen Abschnitt entspricht, und eine niedrigwärmeleitende Schicht ist in einem Abschnitt der äußeren Umfangsfläche ausgebildet, der dem unteren Abschnitt entspricht. Als Material der niedrigwärmeleitenden Schicht kann eine aufgespritzte Schicht hauptsächlich aus einem keramischen Material wie Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid verwendet werden. Alternativ kann die niedrigwärmeleitfähige Schicht aus einer gespritzten Schicht eines Materials auf Eisenbasis gebildet sein, das Oxide und eine Anzahl von Poren enthält. Die hochwärmeleitfähige Schicht und die niedrigwärmeleitende Schicht sind in einem Abschnitt der äußeren Umfangsfläche, die dem mittleren Abschnitt entspricht, laminiert, wodurch ein laminierter Schichtabschnitt gebildet wird. Infolgedessen wird die Temperaturdifferenz entlang der axialen Richtung des Zylinders verringert, wodurch der Kraftstoffverbrauch reduziert werden kann.
Gemäß der US 8 651 083 B2 ist ein Zylinderblock mit einer Zylinderbohrung und einer thermisch gespritzten metallischen Beschichtung versehen, die auf einer Innenwand der Zylinderbohrung angeordnet ist. Die Innenwand hat erste und zweite Wandabschnitte, die sich an unterschiedlichen axialen Stellen entlang der Innenwand der Zylinderbohrung befinden. Die thermisch gespritzte metallische Beschichtung wird durch Aufspritzen von Tropfen eines geschmolzenen Metalls auf die Innenwand der Zylinderbohrung aufgebracht. Die thermisch gespritzte metallische Beschichtung umfasst einen ersten thermisch gespritzten Beschichtungsabschnitt mit einer ersten Eisenoxidkonzentration und einen zweiten thermisch gespritzten Beschichtungsabschnitt mit einer zweiten Eisenoxidkonzentration. Der erste thermisch gespritzte Beschichtungsabschnitt ist auf dem ersten Wandabschnitt angeordnet. Der zweite thermisch gespritzte Beschichtungsabschnitt ist auf dem zweiten Wandabschnitt angeordnet. Die zweite Eisenoxidkonzentration ist unterschiedlich zur ersten Eisenoxidkonzentration.
Die DE 10 2016 205 754 A1 beschäftigt sich mit einem Verfahren zur Herstellung eines Motorblocks eines Verbrennungsmotors mittels spanender Bearbeitung. Die DE 10 2006 101 190 A1 betrifft eine vollständig mittels Lichtbogen-Drahtspritzen gespritzte Zylinderlaufbuchse aus einer Aluminium-Stahl-Werkstoffmischung. Dabei handelt es sich um ein komplett gespritztes Bauteil.
Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet der Bereich der Beschichtung von Kolbenbahnen von Verbrennungsmotoren, die entweder auf der Innenwandung einer im Motorblock eingegossenen Zylinderlaufbuchse oder auf der Innenwandung einer Zylinderbohrung eines Motorblocks angeordnet sind, insbesondere von Verbrennungsmotoren mit Motorblöcken aus Aluminium oder zumindest einer Aluminium-Legierung, noch Raum für Verbesserungen hinsichtlich einer thermischen Auslegung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motorblock eines Verbrennungsmotors, insbesondere aus Aluminium oder zumindest einer Aluminium-Legierung, mit zumindest einer Kolbenbahn bereitzustellen, bei dem die Wärmeabflüsse der beim Betrieb des Verbrennungsmotors entstehenden Abwärme aufgrund der Wärmeleiteigenschaften optimiert sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Motorblock eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Motorblocks gemäß Anspruch 8 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweils abhängigen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Der erfindungsgemäße Motorblock eines Verbrennungsmotors weist zumindest eine vom Motorblock umgebene, in zumindest einem Betriebszustand zylindrische Kolbenbahn mit einer Längsachse auf. Die Kolbenbahn dient in einem Betriebszustand des Motorblocks insbesondere zur Führung eines Kolbens entlang der Längsachse. Der Motorblock kann insbesondere aus Aluminium oder zumindest einer Aluminium-Legierung hergestellt sein. Des Weiteren kann der Motorblock in einem Druckgussverfahren (High Pressure Die Casting, HPDC) hergestellt sein.
Die Kolbenbahn weist unterschiedliche Beschichtungswerkstoffe auf. Dabei weist die Kolbenbahn in einem dem oberen Totpunkt nahen Abschnitt eine erste innenseitige, umfängliche Beschichtung mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als derjenigen des in Bezug auf die Längsachse radial angrenzenden Materials, d.h. des Materials des Motorblocks auf. Weiterhin weist die Kolbenbahn in einem dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt eine zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als derjenigen des in Bezug auf die Längsachse radial angrenzenden Materials, d.h. des Materials des Motorblocks auf.
Die in dieser Anmeldung verwendeten Begriffe „erster“, „zweiter“, usw. dienen nur zum Zwecke der Unterscheidung. Insbesondere soll durch ihre Verwendung keine Reihenfolge oder Priorität der im Zusammenhang mit diesen Begriffen genannten Objekte impliziert werden.
Durch die vorgeschlagenen Beschichtungen der zumindest einen Kolbenbahn kann eine verbesserte Wärmeableitung von Prozesswärme aus einem oberen Bereich der Kolbenbahn in einen üblicherweise vorgesehenen Kühlflüssigkeitskanal erreicht werden. Somit kann auch bei hohen spezifischen Leistungen des Motorblocks eine klopffreie Verbrennung gewährleistet werden. Ferner kann durch die vorgeschlagenen Beschichtungen der zumindest einen Kolbenbahn eine Wärmeisolation des unteren Bereichs der Kolbenbahn bereitgestellt werden. Diese ist erwünscht, um ein Absinken der Temperatur in diesem Bereich zu verhindern, wodurch ein thermischer Wirkungsgrad des Motorblocks verbessert und Verluste durch erhöhte Viskosität des Schmiermittels im unteren Bereich der Kolbenbahn reduziert werden können. Beide Effekte führen vorteilhaft zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch.
Zielführend weist der obere Abschnitt eine Beschichtung mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als der des Materials des Motorblocks (= das radial angrenzende Material) auf, wobei der untere Abschnitt 24 eine Beschichtung mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als der des Materials des Motorblocks aufweist. Das bedeutet, dass die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung des oberen Abschnitts höher ist als die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung des unteren Abschnitts, wobei die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung des oberen Abschnitts größer ist als diejenige des axial angrenzenden Materials (= Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung des unteren Abschnitts). Darüber hinaus ist zweckmäßig, wenn die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung des unteren Abschnitts geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit des radial angrenzenden Materials; d.h. des Materials des Motorblocks, um weitest möglich zu verhindern, dass Wärme aus der Beschichtung des oberen Abschnitts in die Beschichtung des unteren Abschnitts strömt, um eine Wärmeisolation des unteren Bereichs der Kolbenbahn bereitzustellen.
Die vorgeschlagene Beschichtung der Kolbenbahnen eines Motorblocks eines Verbrennungsmotors ist mit besonderem Vorteil auf Motorblöcke anwendbar, die aus Aluminium oder zumindest einer Aluminium-Legierung hergestellt sind.
Bevorzugt weist die zumindest eine Kolbenbahn in einem betriebskalten Zustand zumindest in dem dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt eine konisch geformte Erweiterung auf. Aufgrund der höheren Wärmeausdehnung in dem dem oberen Totpunkt nahen Abschnitt bei einem Übergang vom betriebskalten Zustand in einen betriebswarmen Zustand kann durch eine geeignet konisch geformte Erweiterung eine nahezu perfekt zylindrische Kolbenbahn im betriebswarmen Zustand erreicht und Reibungsverluste des Kolbens entlang der Kolbenbahn reduziert werden, so dass eine formoptimierte Kolbenbahn mit geringen Reibungsverlusten in Kombination mit einer gewünschten Wärmeisolation des unteren Bereichs der Kolbenbahn erreicht werden kann.
Im bevorzugten Ausführungsformen des Motorblocks ist die zumindest eine Kolbenbahn von einer Innenwandung einer Zylinderbohrung im Motorblock oder einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse gebildet. Bei einer Beschichtung der Innenwandung der Zylinderbohrung im Motorblock kann vorteilhaft bei der Herstellung des Motorblocks auf ein Einsetzen der Zylinderlaufbuchse in die Gussform, beispielsweise eine Druckgussform, des Motorblocks verzichtet werden. Ferner kann ein Bauraumvorteil durch die Vermeidung einer Zylinderlaufbuchse erreicht werden.
Im Falle einer Verwendung einer Zylinderlaufbuchse kann die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse vorteilhaft eine porenfreie Oberfläche zur Aufnahme der vorgeschlagenen Beschichtungen bereitstellen. Bevorzugt ist die Zylinderlaufbuchse aus einer hochwärmeleitfähigen Aluminium-Druckgusslegierung, beispielsweise A226 (EN AC-AI Si9Cu3(Fe), Wärmeleitfähigkeit 110-120 $\frac{W}{m \cdot K}$
), hergestellt.
Bevorzugt beinhaltet die erste innenseitige Beschichtung eine übereutektische Aluminium-Siliziumlegierung mit mindestens 12% Silizium. Auf diese Weise können neben einer vorteilhaft hohen Wärmeableitung (Wärmeleitfähigkeit ca. 140 $\frac{W}{m \cdot K}$
)in dem dem oberen Totpunkt nahen Abschnitt der Kolbenbahn auch günstige tribologische Eigenschaften und eine hohe Verschleißfestigkeit erzielt werden.
Bevorzugt beinhaltet die zweite innenseitige Beschichtung eine eisenbasierte Legierung. Durch eine geeignete Ausgestaltung des Beschichtungsverfahrens kann die eisenbasierte Legierung eine mikrokristalline Struktur mit sehr vielen Störstellen, Poren und einem hohen Anteil an niedrigwärmeleitfähigen Oxiden aufweisen, wodurch eine geringe Wärmeleitfähigkeit der zweiten innenseitigen Beschichtung erreichbar ist. Auf diese Weise kann in dem, dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt eine metallbasierte Wärmedämmbeschichtung mit günstigen tribologischen Eigenschaften bereitgestellt werden.
Bevorzugt ist die zweite innenseitige Beschichtung zumindest teilweise als eisenbasiertes Nanokomposit-Material ausgebildet. Durch die Nano-Strukturierung kann die zweite innenseitige Beschichtung gleichzeitig gute tribologische Eigenschaften sowie eine besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit von ca. 2 $\frac{W}{m \cdot K}$
aufweisen.
In bevorzugten Ausführungsformen des Motorblocks erstreckt sich die erste innenseitige Beschichtung in einem Bereich entlang der Längsachse, der einem Drehwinkelbereich des Verbrennungsmotors von 5° bis 50°, bevorzugt 20° bis 40° vor und nach einer oberen Totpunktstellung entspricht. Das bedeutet, dass sich die erste innenseitige Beschichtung bevorzugt in einem Bereich entlang der Längsachse erstreckt, der einem Bereich zwischen den oberen 25 % und 15 % des Kolbenhubs entspricht. Durch die Kopplung der Erstreckung der ersten innenseitigen Beschichtung mit dem Zündzeitpunkt des Motorblocks, also im oberen Bereich des Kolbenhubs kann gewährleistet werden, dass in einem Bereich der Entstehung hoher Prozesswärme eine effektive Wärmeableitung bereitgestellt werden kann. Die zweite innenseitige Beschichtung grenzt bevorzugt an der ersten innenseitigen Beschichtung an, und ist so von einem unteren Totpunkt entlang der Längsachse bevorzugt angrenzend an die erste innenseitige Beschichtung angeordnet.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Motorblocks vorgeschlagen. Das Verfahren weist zumindest folgende Schritte auf:

- Herstellen einer ersten innenseitigen, umfänglichen Beschichtung auf einer Roh-Kolbenbahn in dem, dem oberen Totpunkt nahen Abschnitt mittels eines thermischen Verfahrens mit einer Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Siliziumgehalt von mindestens 12% als Beschichtungswerkstoff,
- Herstellen einer zweiten innenseitigen, umfänglichen Beschichtung auf der Roh-Kolbenbahn in dem, dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt mittels eines thermischen Verfahrens mit einem eisenbasierten Material als Beschichtungswerkstoff, und
- nach dem Auftragen des Materials der ersten inneren Beschichtung und der zweiten inneren Beschichtung Abtragen der ersten innenseitigen, umfänglichen Beschichtung und der zweiten innenseitigen, umfänglichen Beschichtung zur maßlichen Fertigstellung der Kolbenbahn aus der Roh-Kolbenbahn.

Die zur Herstellung der Beschichtungen verwendeten thermischen Verfahren können, ohne darauf beschränkt zu sein, als thermische Spritzverfahren (Laserspritzen, (Draht)-Lichtbogenspritzen (Rotating Single Wire (RSW)-Verfahren), Plasma Transferred Wire Arc (PTWA)-Spritzen, Plasmaspritzen (atmosphärisch, Schutzgas-), (Draht)-Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits (High-Velocity-Oxygen-Fuel, HVOF)-Flammspritzen) oder als Auftragsschweißverfahren (Laser-Auftragsschweißen, Laser Cladding) ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt wird die erste innenseitige, umfängliche Beschichtung mittels eines Laser-Auftragsschweißverfahrens oder eines Rotating Single Wire (RSW)-Verfahrens hergestellt.
Besonders bevorzugt wird die zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung mittels eines Rotating Single Wire (RSW)-Verfahrens hergestellt.
Dadurch können die erste innenseitige Beschichtung und die zweite innenseitige Beschichtung auf effektive, zeitsparende Weise und mit guter Haftung an die Roh-Kolbenbahn hergestellt werden.
Bevorzugt wird der Schritt des Abtragens der ersten innenseitigen, umfänglichen Beschichtung und der zweiten innenseitigen, umfänglichen Beschichtung auf ein vorbestimmtes Soll-Maß mittels Honen ausgeführt. Auf diese Weise kann eine innenseitige Oberfläche der Kolbenbahn bereitgestellt werden, die günstige schmiermittelführende und -haltende Eigenschaften aufweist.
Besonders bevorzugt ist das eisenbasierte Material zur Beschichtung der zweiten innenseitigen, umfänglichen Beschichtung als Nanokomposit-Material ausgebildet.
Bevorzugt wird zunächst die erste innenseitige Beschichtung mittels eines Laser-Auftragsschweißverfahrens hergestellt, und danach wird die zweite innenseitige Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens während einer Abkühlphase der ersten Beschichtung hergestellt, wodurch die Prozesswärme des Laser-Auftragsschweißverfahrens während der Herstellung der zweiten Beschichtung dazu genutzt wird, um deren Haftfestigkeit zu erhöhen.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens wird zunächst die erste innenseitige, umfängliche Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt, und dann wird die zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt. Dabei überlappen sich die erste Beschichtung und die zweite Beschichtung in Richtung der Längsachse teilweise, und die zweite Beschichtung wird auf die spritzraue erste Beschichtung aufgetragen. Dadurch kann ein gleichmäßiger Übergang zwischen der ersten Beschichtung und der zweiten Beschichtung mit einer hohen Haftfestigkeit an der Roh-Kolbenbahn und zwischen der ersten Beschichtung der zweiten Beschichtung erreicht werden.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens wird zunächst die zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt, und dann wird die erste innenseitige, umfängliche Beschichtung mittels eines Laser-Auftragsschweißverfahrens hergestellt. Auf diese Weise kann am Übergang zwischen der ersten innenseitigen Beschichtung und der zweiten innenseitigen Beschichtung eine schweiß-metallurgische Verbindung mit hoher mechanischer Festigkeit erreicht werden. Außerdem ergibt sich dadurch, dass die erste innenseitige, umfängliche Beschichtung schmelzmetallurgisch mit dem in Bezug auf die Längsachse radial angrenzenden Material verbunden ist, eine gegenüber einer Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens deutlich verbesserte Wärmeableitung.
Bevorzugt werden bei der letztgenannten Ausführungsformen des Verfahrens die erste innenseitige Beschichtung und die zweite innenseitige Beschichtung derart hergestellt, dass die erste innenseitige Beschichtung und die zweite innenseitige Beschichtung sich in Richtung der Längsachse teilweise überlappen. Dadurch kann die Haftfestigkeit der zweiten innenseitigen Beschichtung erhöht werden.
Eine weitere Verbesserung der Haftfestigkeit der zweiten innenseitigen Beschichtung kann sich ergeben, wenn die erste innenseitige Beschichtung zumindest in einem Bereich der Überlappung mit der zweiten innenseitigen Beschichtung in wellenförmiger Form entlang eines Umfangs um die Längsachse ausgeführt wird. Durch die Vermeidung eines abrupten Übergangs zwischen der ersten innenseitigen Beschichtung und der zweiten innenseitigen Beschichtung kann eine Rissbildung zwischen der ersten innenseitigen Beschichtung und der zweiten innenseitigen Beschichtung wirksam vermieden werden.
Besonders bevorzugt wird während einer Herstellung der ersten innenseitigen Beschichtung, die eine übereutektische Aluminium-Siliziumlegierung mit mindestens 12% Silizium beinhaltet, mittels eines Laser-Auftragsschweißverfahrens zusätzlich Silizium in Pulverform in den Schweißprozess eingebracht, beispielsweise eingedüst. Dadurch kann der Siliziumgehalt der übereutektischen Aluminium-Siliziumlegierung weiter erhöht werden, beispielsweise auf einen Anteil von 30-40%, wodurch die Wärmeleitfähigkeit und die Verschleißfestigkeit der Kolbenbahn weiter gesteigert werden können.
Als vorbereitender Schritt kann allen Schritten der genannten Ausführungsformen des Verfahrens ein Aufrauen der Roh-Kolbenbahn vorangestellt werden. Beispielsweise kann als Ergebnis des Schrittes des Aufrauens ein an sich bekanntes Schwalbenschwanzprofil an einer Oberfläche der Roh-Kolbenbahn entstehen, das eine Vielzahl von Hinterschnitten aufweist, durch die eine Haftfestigkeit der Beschichtungen erhöht werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Teils eines Motorblocks in einer geschnittenen Seitenansicht,
2 ein Detail des Motorblocks gemäß der 1 in einer schematischen, geschnittenen Seitenansicht,
3 eine schematische Darstellung eines Details einer alternativen Ausführungsformen eines Motorblocks in derselben Ansicht wie 2,
4 eine schematisierte, perspektivische Sicht in eine Zylinderbohrung eines erfindungsgemäßen Motorblocks,
5 eine schematisierte, perspektivische Sicht in eine Zylinderbohrung eines weiteren erfindungsgemäßen Motorblocks,
6 eine schematische Darstellung eines Details einer anderen alternativen Ausführungsform eines Motorblocks in derselben Ansicht wie 2, und
7 eine schematische Darstellung eines Details einer weiteren alternativen Ausführungsform eines Motorblocks in derselben Ansicht wie 2.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motorblocks 10 eines Verbrennungsmotors. Der Motorblock 10 ist aus einer Aluminium-Legierung, beispielsweise aus A226 (EN AC-AI Si9Cu3(Fe)), mittels eines Druckgussverfahrens hergestellt. Der Motorblock 10 ist als Teil eines vierzylindrigen Reihen-Verbrennungsmotors zur Verwendung in einem Personenkraftwagen vorgesehen und weist vier vom Motorblock umgebene, zylindrische Kolbenbahnen auf, von denen eine Kolbenbahn 20 beispielhaft in der 1 dargestellt ist.
Die Kolbenbahn 20 ist von einer Innenwandung einer Zylinderbohrung im Motorblock 10 gebildet, die eine Roh-Kolbenbahn 18 definiert, auf der, wie nachfolgend beschrieben wird, Beschichtungen aufgetragen sind. Die unbeschichtete Kolbenbahn wird zur Unterscheidung im Folgenden als Roh-Kolbenbahn 18 bezeichnet. Die 1 zeigt die Kolbenbahn 20 in einem fertig gestellten Zustand.
Alternativ kann die Kolbenbahn auch von einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse aus einer Aluminium-Legierung gebildet sein, wobei die Zylinderlaufbuchse während der Herstellung des Motorblocks in der Druckgussform positioniert wird.
Eine Mittellinie der zylindrischen Kolbenbahn 20 definiert eine Längsachse 14, entlang derer ein Kolben (nicht dargestellt) in einem Betrieb des Motorblocks 10 geführt ist. Quer zur Längsachse 14 der Kolbenbahn 20 sind radiale Richtungen 16 angeordnet.
Von der Zylinderwandung beabstandet ist in an sich bekannter Weise im Motorblock 10 ein vollumfänglich angeordneter Kühlkanal 12 zur Ableitung von Prozesswärme vorgesehen, die während des Betriebs des Verbrennungsmotors entsteht.
In einem dem oberen Totpunkt nahen Abschnitt 22, der in der 1 oben dargestellt ist, weist die Kolbenbahn 20 eine erste innenseitige, umfängliche Beschichtung 26 mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als derjenigen des radial angrenzenden Materials auf, die 110-120 $\frac{W}{m \cdot K}$
beträgt. Die erste innenseitige Beschichtung 26 beinhaltet eine übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung 54 mit einem Siliziumgehalt von ca. 40%, die eine Wärmeleitfähigkeit von 140 $\frac{W}{m \cdot K},$
sehr gute tribologische Eigenschaften und eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist.
Die erste innenseitige Beschichtung 26 erstreckt sich in einem Bereich entlang der Längsachse 14, der einem Drehwinkelbereich des Verbrennungsmotors von 5° bis 50°, bevorzugt von 20°bis 40° vor und nach einer oberen Totpunktstellung entspricht. Das bedeutet, dass sich die erste innenseitige Beschichtung 26 bevorzugt in einem Bereich entlang der Längsachse erstreckt, der einem Bereich zwischen den oberen 25 % und 15 % des Kolbenhubs entspricht. In diesem Bereich entsteht im Betrieb des Verbrennungsmotors die größte Prozesswärme, die aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit und der hohen Temperaturleitfähigkeit ( $\frac{λ}{c \cdot ρ},$
mit Wärmeleitfähigkeit λ, spezifischer Wärmekapazität c und Dichte p) der ersten innenseitigen Beschichtung 26 schnell in radialer Richtung 16 zum Kühlkanal 12 abgeleitet wird.
In einem dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt 24, der in der 1 unten dargestellt ist, weist die Kolbenbahn 20 eine zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung 28 mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als derjenigen des radial angrenzenden Materials auf. Die zweite innenseitige Beschichtung 28 beinhaltet eine eisenbasierte Legierung, die als Nanokomposit-Material 56 ausgebildet ist und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 2 $\frac{W}{m \cdot K} .$
aufweist. Die als Nanokomposit-Draht kommerziell verfügbare, eisenbasierte Legierung (140 MXC, Praxair Surface Technologies) weist einen Eisenanteil von 20-50% auf und enthält neben Eisen Anteile von Chrom, Wolfram, Niob, Bor, Molybdän, Mangan und Kohlenstoff. Wie in 1 beispielhaft erkennbar grenzt die zweite innenseitige Beschichtung 28 an der ersten innenseitigen Beschichtung an.
Alternativ kann die zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung eine eisenbasierte Legierung beinhalten, die von einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung, beispielsweise mit 0,8% Kohlenstoff, mit einem hohen Porenanteil gebildet ist. Eine derart ausgeführte zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung kann eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 20 $\frac{W}{m \cdot K}$
aufweisen.
Vor einem Auftragen der Beschichtungen wird eine Oberfläche der Roh-Kolbenbahn 18 in einem vorbereitenden Schritt aufgeraut. Dazu sind dem Fachmann vielfältige Verfahren bekannt, die an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden müssen. Als Ergebnis der Anwendung derartiger Verfahren kann die Oberfläche der Roh-Kolbenbahn 18 in bekannter Weise ein sogenanntes Schwalbenschwanzprofil aufweisen, das gute Voraussetzungen für eine hohe Haftfestigkeit für Beschichtungen bereitstellt.
Die erste innenseitige Beschichtung 26 wird mittels eines thermischen Verfahrens, das als Laser-Auftragsschweißen ausgebildet ist, umfänglich auf die Roh-Kolbenbahn 18 aufgetragen. Dabei wird eine Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Anteil von 12% Silizium in Pulverform als Auftragswerkstoff verwendet und gleichzeitig Silizium in Pulverform eingedüst, um den Siliziumanteil auf 40% zu erhöhen. Da die Roh-Kolbenbahn 18 an der Auftragungsstelle oberflächlich eingeschmolzen wird, entsteht eine schweiß-metallurgische Verbindung mit hoher mechanischer Festigkeit (4).
Die zweite innenseitige Beschichtung 28 wird mittels eines thermischen Verfahrens, das als Draht-Lichtbogenspritzen (Rotating Single Wire (RSW)-Verfahren) ausgebildet ist, umfänglich auf die Roh-Kolbenbahn 18 aufgetragen. Dabei wird ein elektrischer Lichtbogen mit Stromstärken typisch bis zu 150 A zwischen einer Kathode und dem nachführbaren Nanokomposit-Draht mit der eisenbasierten Legierung als Anode gezündet, wobei der Nanokomposit-Draht an der Stelle des Lichtbogens aufgeschmolzen wird. Mittels eines eingeströmten Gases wird das geschmolzene Nanokomposit-Material als Beschichtungswerkstoff auf die Roh-Kolbenbahn 18 aufgetragen. Die aufgetragene, zweite innenseitige Beschichtung 28 weist eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 2 $\frac{W}{m \cdot K}$
auf.
Nach dem Auftragen des Materials der ersten innenseitigen Beschichtung 26 und des Materials der zweiten innenseitigen Beschichtung 28 werden diese zur maßlichen Fertigstellung der Kolbenbahn 20 aus der beschichteten Roh-Kolbenbahn 18 innenseitig teilweise abgetragen. Die Abtragung erfolgt mittels Honwerkzeugen in mehreren Honstufen.
Im Ausführungsbeispiel der 1 betragen die Schichtdicken der ersten innenseitigen Beschichtung 26 und der zweiten innenseitigen Beschichtung 28 nach maßlicher Fertigstellung der Kolbenbahn 20 etwa 250 µm.
3 zeigt eine alternative Ausführung einer zweiten innenseitigen Beschichtung 34, bei der eine Roh-Kolbenbahn 30 in dem dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt 24 gegenüber dem dem oberen Totpunkt nahen Abschnitt 22 einen Parallelversatz 32 aufweist. 3 zeigt die beschichtete Roh-Kolbenbahn 30 in einem Zustand vor der maßlichen Fertigstellung. Der Parallelversatz 32 ermöglicht eine größere Schichtdicke der zweiten innenseitigen Beschichtung 34 in radialer Richtung, in dieser speziellen Ausführungsform von 750 µm, gegenüber der ersten innenseitigen Beschichtung 26 mit einer Schichtdicke von etwa 250 µm, wodurch die Wärmedämmwirkung der zweiten innenseitigen Beschichtung 34 verstärkt wird.
In einer möglichen Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Motorblocks 10 gemäß der 2 wird zunächst die zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung 28 mittels des RSW-Verfahrens hergestellt. Anschließend wird dann die erste innenseitige, umfängliche Beschichtung 26 mittels des Laser-Auftragsschweißverfahrens hergestellt. Dadurch wird auch am Übergang zwischen der ersten innenseitigen Beschichtung 26 und der zweiten innenseitigen Beschichtung 28 eine schweiß-metallurgische Verbindung mit einer Schweißnaht 58 mit hoher mechanischer Festigkeit erreicht. 2 zeigt die beschichtete Roh-Kolbenbahn 18 in einem Zustand vor der maßlichen Fertigstellung.
In einer anderen möglichen Ausführungsform des Verfahrens wird zunächst die erste innenseitige, umfängliche Beschichtung 26 mittels eines alternativen thermischen Spritzverfahrens, das als Draht-Lichtbogenspritzverfahren ausgebildet ist, hergestellt. Danach wird die zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung 28 ebenfalls mittels eines Draht-Lichtbogenspritzverfahrens hergestellt, wobei die erste innenseitige Beschichtung 26 und die zweite innenseitige Beschichtung 28 sich in Richtung der Längsachse 14 teilweise überlappen und die zweite innenseitige Beschichtung 28 auf die spritzraue erste innenseitige Beschichtung 26 aufgetragen wird. Auf diese Weise wird ein gleichmäßiger Übergang zwischen der ersten innenseitigen Beschichtung 26 und der zweiten innenseitigen Beschichtung 28 mit einer hohen Haftfestigkeit an der Roh-Kolbenbahn 18 sowie zwischen der ersten innenseitigen Beschichtung 26 und der zweiten innenseitigen Beschichtung 28 erreicht.
In einer Variation der letztgenannten möglichen Ausführungsform des Verfahrens ist die erste innenseitige Beschichtung 26 zumindest in einem Bereich der Überlappung 36 mit der zweiten innenseitigen Beschichtung 28 in wellenförmiger Form entlang eines Umfangs um die Längsachse 14 ausgeführt. Dadurch wird ein abrupter Übergang zwischen der ersten innenseitigen Beschichtung 26 und der zweiten innenseitigen Beschichtung 28 vermieden und das Risiko einer Rissbildung zwischen den beiden Beschichtungen 26, 28 wirksam verringert (5).
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Details einer anderen alternativen Ausführungsform eines Motorblocks in derselben Ansicht wie 2. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden nur die Unterschiede zu der in der 2 dargestellten Ausführungsform beschrieben.
Die Roh-Kolbenbahn 38 der alternativen Ausführungsform eines Motorblocks weist in dem dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt 24 gegenüber dem dem oberen Totpunkt nahen Abschnitt 22 eine konisch geformte Vertiefung 44 auf. 6 zeigt die beschichtete Roh-Kolbenbahn 38 in einem Zustand vor der maßlichen Fertigstellung. Nach einem durchgeführten Schritt des Abtragens zur maßlichen Fertigstellung weist die Kolbenbahn einen konstanten Durchmesser auf. Die konisch geformte Vertiefung 44 der Roh-Kolbenbahn ermöglicht eine entlang der Längsachse 14 nach unten linear ansteigende, radiale Schichtdicke einer zweiten innenseitigen Beschichtung 42, die durch eine abgestufte Versatzbewegung der RSW-Vorrichtung, in dieser speziellen Ausführungsform durch sechs Stufen, hergestellt wird. Die nach unten linear ansteigende, radiale Schichtdicke der zweiten innenseitigen Beschichtung 42 führt zu einer entlang der Längsachse 14 nach unten ansteigenden Wärmedämmwirkung.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Details einer weiteren alternativen Ausführungsform eines Motorblocks in derselben Ansicht wie 6. Wieder sind nur die Unterschiede zu der in der 6 dargestellten Ausführungsform beschrieben. In der weiteren alternativen Ausführungsform weist die Roh-Kolbenbahn 46 in einem betriebskalten Zustand in dem dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt 24 eine konisch geformte Erweiterung 60 auf, die beispielsweise durch Anwendung eines an sich bekannten Form-Honverfahrens auf die Innenwandung der Zylinderbohrung hergestellt werden kann. Ein Übergang zwischen dem oberen, zylindrischen Teil der Roh-Kolbenbahn 46 und der konisch geformten Erweiterung 60 kann als eine konvexe Rundung ausgebildet sein, so dass eine trompetenähnliche Form der Roh-Kolbenbahn 46 entsteht. In alternativen Ausführungsformen kann die konisch geformte Erweiterung in Richtung der Längsachse 14 eine leicht konkave oder eine leicht konvexe Krümmung aufweisen.
In einem betriebswarmen Zustand weist die derart geformte Kolbenbahn 48 eine nahezu perfekt zylindrische Form auf, durch die Reibungsverluste bei einer Bewegung des Kolbens entlang der Längsachse 14 der Kolbenbahn 46 reduziert werden. Nach einer Abtragung der ersten innenseitigen, umfänglichen Beschichtung 50 und der zweiten innenseitigen, umfänglichen Beschichtung 52 zur maßlichen Fertigstellung der Kolbenbahn 48 mittels Form-Honwerkzeugen in mehreren Honstufen weisen die erste innenseitige, umfängliche Beschichtung 50 und die zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung 52 eine konstante Schichtdicke senkrecht zur Roh-Kolbenbahn 46 auf. 7 zeigt die Kolbenbahn 48 in einem Zustand nach der maßlichen Fertigstellung. Die konisch geformte Erweiterung 60, mit der eine Reduzierung von Reibungsverlusten bei der Bewegung des Kolbens entlang der Längsachse 14 der Kolbenbahn 48 erreicht werden kann, bleibt nach Herstellung der ersten innenseitigen Beschichtung 50 und der zweiten innenseitigen Beschichtung 52 im betriebskalten Zustand erhalten. Gleichzeitig weist diese Ausführungsform die zuvor genannten Vorteile einer Wärmeisolation des unteren Abschnitts 24 der Kolbenbahn auf.
Bezugszeichenliste

10: Motorblock
12: Kühlkanal
14: Längsachse
16: radiale Richtung
18: Roh-Kolbenbahn
20: Kolbenbahn
22: dem oberen Totpunkt naher Abschnitt
24: dem unteren Totpunkt naher Abschnitt
26: erste innenseitige Beschichtung
28: zweite innenseitige Beschichtung
30: Roh-Kolbenbahn
32: Parallelversatz
34: zweite innenseitige Beschichtung
36: Überlappung
38: Roh-Kolbenbahn
42: zweite innenseitige Beschichtung
44: konisch geformte Vertiefung
46: Roh-Kolbenbahn
48: Kolbenbahn
50: erste innenseitige Beschichtung
52: zweite innenseitige Beschichtung
54: Aluminium-Silizium-Legierung
56: Nanokomposit-Material
58: Schweißnaht
60: konisch geformte Erweiterung

Claims

Motorblock (10) eines Verbrennungsmotors, insbesondere aus Aluminium oder zumindest einer Aluminium-Legierung, aufweisend zumindest eine vom Motorblock (10) umgebene, in zumindest einem Betriebszustand zylindrische Kolbenbahn (20) mit einer Längsachse (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenbahn (20; 48) unterschiedliche Beschichtungswerkstoffe aufweist, wobei die Kolbenbahn (20; 48) - in einem dem oberen Totpunkt nahen Abschnitt (22) eine erste innenseitige, umfängliche Beschichtung (26) mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als derjenigen des radial angrenzenden Materials aufweist, und - in einem dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt (24) eine zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung (28) mit einer niedrigeren Wärmeleitfähigkeit als derjenigen des radial angrenzenden Materials aufweist.
Motorblock (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kolbenbahn (48) in einem betriebskalten Zustand zumindest in dem, dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt (24) eine konische Erweiterung (60) aufweist.
Motorblock (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Kolbenbahn (20) von einer Innenwandung einer Zylinderbohrung (18) im Motorblock (10) oder einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse gebildet ist.
Motorblock (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste innenseitige Beschichtung (26) eine übereutektische Aluminium-Siliziumlegierung (54) mit mindestens 12% Silizium beinhaltet.
Motorblock (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite innenseitige Beschichtung (28) eine eisenbasierte Legierung beinhaltet.
Motorblock (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite innenseitige Beschichtung (28) zumindest teilweise als eisenbasiertes Nanokomposit-Material (56) ausgebildet ist.
Motorblock (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste innenseitige Beschichtung (26) in einem Bereich entlang der Längsachse (14) erstreckt, der einem Drehwinkelbereich des Verbrennungsmotors von 5° bis 50°, bevorzugt von 20° bis 40° vor und nach einer oberen Totpunktstellung entspricht, wobei sich die erste innenseitige Beschichtung (26) also in einem Bereich entlang der Längsachse erstreckt, der einem Bereich zwischen den oberen 25 % und 15 % des Kolbenhubs entspricht.
Verfahren zur Herstellung eines Motorblocks (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend zumindest folgende Schritte: - Herstellen einer ersten innenseitigen, umfänglichen Beschichtung (26) auf einer Roh-Kolbenbahn (18) in dem, dem oberen Totpunkt nahen Abschnitt (22) mittels eines thermischen Verfahrens mit einer Aluminium-Silizium-Legierung (54) mit einem Siliziumgehalt von mindestens 12% als Beschichtungswerkstoff, - Herstellen einer zweiten innenseitigen, umfänglichen Beschichtung (28) auf der Roh-Kolbenbahn (18) in dem, dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt (24) mittels eines thermischen Verfahrens mit einem eisenbasierten Material (56) als Beschichtungswerkstoff, und - nach dem Auftragen des Materials der ersten inneren Beschichtung (26) und der zweiten inneren Beschichtung (28) Abtragen der ersten innenseitigen, umfänglichen Beschichtung (26) und der zweiten innenseitigen, umfänglichen Beschichtung (28) zur maßlichen Fertigstellung der Kolbenbahn (20) aus der Roh-Kolbenbahn (18).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die erste innenseitige, umfängliche Beschichtung (26) in dem, dem oberen Totpunkt nahen Abschnitt (22) mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt wird und dann die zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung (28) in dem, dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt (24) mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt wird, wobei die erste innenseitige Beschichtung (26) und die zweite innenseitige Beschichtung (28) sich in Richtung der Längsachse (14) teilweise überlappen und die zweite innenseitige Beschichtung (28) auf die spritzraue erste innenseitige Beschichtung (26) aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung (28) in dem, dem unteren Totpunkt nahen Abschnitt (24) mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt wird und dann die erste innenseitige, umfängliche Beschichtung (28) in dem, dem oberen Totpunkt nahen Abschnitt (22) mittels eines Laser-Auftrags-Schweißverfahrens hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste innenseitige Beschichtung (26) und die zweite innenseitige Beschichtung (28) derart hergestellt werden, dass die erste innenseitige Beschichtung (26) und die zweite innenseitige Beschichtung (28) sich in Richtung der Längsachse (14) teilweise überlappen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste innenseitige Beschichtung (26) zumindest in einem Bereich der Überlappung (36) mit der zweiten innenseitigen Beschichtung (28) in wellenförmiger Form entlang eines Umfangs um die Längsachse (14) ausgeführt wird.