DE102019115418A1

DE102019115418A1 - Verfahren zur herstellung eines motorblocks

Info

Publication number: DE102019115418A1
Application number: DE102019115418.9A
Authority: DE
Inventors: Lokesh Choudhary; Su Jung Han; Martin S. Kramer; Brian W. Geiser; Brian Christopfer Leuenhagen
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2020-06-10
Also published as: US20200182188A1; CN111287857B; US10781769B2; CN111287857A

Abstract

Ein Zylinderblock zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor beinhaltet eine erste und zweite Zylinderbohrung, ein erstes und zweites Zylinderbohrrohr und einen siamesischen Einsatz. Die ersten und zweiten Zylinderbohrungen sind nebeneinander angeordnet. Die ersten und zweiten Zylinderbohrungen umfassen jeweils eine erste Zylinderbohrungswand und eine zweite Zylinderbohrungswand sowie eine gemeinsame Zylinderbohrungswand. Das erste Zylinderbohrrohr ist auf einer ersten Innenfläche der ersten Zylinderbohrwand und das zweite Zylinderbohrrohr auf einer zweiten Innenfläche der zweiten Zylinderbohrwand angeordnet. Der siamesische Einsatz ist in einem oberen Abschnitt der gemeinsamen Zylinderbohrwand angeordnet.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenlegung bezieht sich im Allgemeinen auf die Herstellung von Motorblöcken aus Aluminiumlegierungen und insbesondere auf Verfahren zur Herstellung von gegossenen Motorblöcken mit verbesserter Robustheit unter Beibehaltung der Gewichtsvorteile gegenüber anderen Legierungen und Prozessen.
Die Verwendung von leichten Aluminiumlegierungen in Zylinderblöcken für Verbrennungsmotoren hat die Energieeffizienz des Fahrzeugs erheblich verbessert, indem sie das Gesamtgewicht des Fahrzeugs reduziert und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit des Zylinderblocks weitgehend erhalten hat. Zusätzliche Konstruktionsanpassungen an leichtere und kompaktere Motorsysteme haben einige Herausforderungen für die weitere Verwendung von Aluminiumlegierungen als Werkstoff der Wahl für einige Motoranwendungen mit sich gebracht. So haben beispielsweise erhöhte Wärmespannungen in bestimmten Bereichen des Zylinderblocks aufgrund der Geometrie des Zylinderblocks und der Unfähigkeit, diese Bereiche richtig zu kühlen, zu vorzeitigen Ausfällen geführt.
Dementsprechend besteht in der Technik Bedarf an einem verbesserten Zylinderblockdesign und Verfahren zur Herstellung des neuen Zylinderblocks, das die Nutzungsdauer des in Betrieb befindlichen Zylinderblocks verlängert, katastrophale Ausfälle verhindert und das Design bereitstellt, das notwendig ist, um die Verwendung von leichten Aluminiumlegierungen zur Erreichung von Kraftstoffsparstandards aufrechtzuerhalten und zu verbessern.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Offenlegung umfasst einen Zylinderblock zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor. Der Zylinderblock beinhaltet eine erste und zweite Zylinderbohrung, ein erstes und zweites Zylinderbohrrohr und einen siamesischen Einsatz. Die ersten und zweiten Zylinderbohrungen sind nebeneinander angeordnet. Die ersten und zweiten Zylinderbohrungen umfassen jeweils eine erste Zylinderbohrungswand und eine zweite Zylinderbohrungswand sowie eine gemeinsame Zylinderbohrungswand. Das erste Zylinderbohrrohr ist auf einer ersten Innenfläche der ersten Zylinderbohrwand und das zweite Zylinderbohrrohr auf einer zweiten Innenfläche der zweiten Zylinderbohrwand angeordnet. Der siamesische Einsatz ist in einem oberen Abschnitt der gemeinsamen Zylinderbohrwand angeordnet.
In einem Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst der siamesische Einsatz eine hochtemperaturbeständige Legierung und der Zylinderblock eine Aluminiumlegierung.
In einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst der siamesische Einsatz eine Aluminium-Bronze-Legierung mit etwa 8 bis 10 Gewichts-% Aluminium, Eisen, Nickel, Mangan, Zink und Kupfer.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst der siamesische Einsatz eine Aluminium-Bronze-Legierung mit etwa 9,62 Gewichts-% Aluminium, 3,93 Gewichts-% Eisen, 0,62 Gewichts-% Nickel, 3,36 Gewichts-% Mangan, 0,46 Gewichts-% Zink und dem Rest Kupfer.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst der siamesische Einsatz entweder eine Aluminiumlegierung, eine Stahllegierung, eine Bronzelegierung oder ein Keramik-Metall-Material.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst der siamesische Einsatz eine obere Oberfläche, die einen Abschnitt einer Kopfdeck-Dichtungsfläche beinhaltet.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst der siamesische Einsatz eine erste und zweite Bohrrohrtasche, das erste Bohrrohr ist teilweise in der ersten Bohrrohrtasche angeordnet, und das zweite Bohrrohr ist teilweise in der zweiten Bohrrohrtasche angeordnet.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst die gemeinsame Zylinderbohrungswand einen ersten Abschnitt des ersten Zylinderbohrrohrs, einen zweiten Abschnitt des zweiten Zylinderbohrrohrs, einen dritten Abschnitt der ersten Zylinderbohrungswand, einen vierten Abschnitt der zweiten Zylinderbohrungswand und den siamesischen Einsatz.
Die vorliegende Offenlegung umfasst ferner einen Zylinderblock zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor. Der Zylinderblock beinhaltet eine erste und zweite Zylinderbohrung, eine erste und zweite Zylinderbohrrohr und einen siamesischen Einsatz. Das erste Zylinderbohrrohr ist auf einer ersten Innenfläche der ersten Zylinderbohrwand und das zweite Zylinderbohrrohr auf einer zweiten Innenfläche der zweiten Zylinderbohrwand angeordnet. Der siamesische Einsatz besteht aus einer Oberseite und einer hochtemperaturfesten, kriechfesten Legierung. Der siamesische Einsatz ist in einem oberen Abschnitt der gemeinsamen Zylinderbohrungswand angeordnet, und die Oberseite beinhaltet einen Abschnitt einer Kopfdeckdichtungsfläche.
In einem Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst der siamesische Einsatz eine Aluminium-Bronze-Legierung mit etwa 8 bis 10 Gewichts-% Aluminium, Eisen, Nickel, Mangan, Zink und Kupfer.
In einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst der siamesische Einsatz eine Aluminium-Bronze-Legierung mit etwa 9,62 Gewichts-% Aluminium, 3,93 Gewichts-% Eisen, 0,62 Gewichts-% Nickel, 3,36 Gewichts-% Mangan, 0,46 Gewichts-% Zink und den Rest Kupfer.
In einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst der siamesische Einsatz entweder eine Aluminiumlegierung, eine Stahllegierung, eine Bronzelegierung oder ein Keramik-Metall-Material.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst der siamesische Einsatz eine erste und zweite Bohrrohrtasche, das erste Bohrrohr ist teilweise in der ersten Bohrrohrtasche angeordnet, und das zweite Bohrrohr ist teilweise in der zweiten Bohrrohrtasche angeordnet.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst die gemeinsame Zylinderbohrungswand einen ersten Abschnitt des ersten Zylinderbohrrohrs, einen zweiten Abschnitt des zweiten Zylinderbohrrohrs, einen dritten Abschnitt der ersten Zylinderbohrungswand, einen vierten Abschnitt der zweiten Zylinderbohrungswand und den siamesischen Einsatz.
Die vorliegende Offenlegung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks für einen Verbrennungsmotor. Das Verfahren beinhaltet das Bilden eines Sandkerngehäuses und einer Form, die ein Zylinderbohrrohr für jeden Zylinder des Motors umfasst. Das Verfahren beinhaltet ferner das Gießen des Zylinderblocks durch Gießen einer Flüssigmetalllegierung in die Form und das Reinigen und Bearbeiten des Zylinderblocks nach dem Abkühlen.
In einem Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst das Bilden des Sandkerngehäuses und der Form, die das Zylinderbohrrohr für jeden Zylinder des Motors umfasst, ferner das Bilden des Sandkerngehäuses und der Form, die das Zylinderbohrrohr für jeden Zylinder des Motors und einen zwischen jedem Zylinderbohrrohr angeordneten siamesischen Einsatz umfasst.
In einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung umfasst das Gießen des Zylinderblocks durch Gießen der Flüssigmetalllegierung in die Form ferner das Gießen einer flüssigen Aluminiumlegierung in die Form, um die Zylinderbohrrohre und siamesischen Einsätze einzugießen.
In einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung beinhaltet das Verfahren ferner die Herstellung eines siamesischen Einsatzes zwischen jedem der Zylinderbohrrohre unter Verwendung einer Metalllegierungszusatztechnik.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung beinhaltet das Verfahren ferner die Herstellung eines siamesischen Einsatzes zwischen jedem der Zylinderbohrrohre unter Verwendung von mindestens einem Laserverkleidung, Kalt-/Kinetischem Spritzen und Thermalspray-Techniken zum Hinzufügen von Metall.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung beinhaltet das Verfahren ferner das Befestigen eines siamesischen Einsatzes zwischen jedem der Zylinderbohrrohre.
In noch einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenlegung beinhaltet das Verfahren ferner das Löten eines siamesischen Einsatzes zwischen jedem der Zylinderbohrrohre.
Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Funktionen der vorliegenden Offenlegung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ohne Weiteres hervor.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenlegung in keiner Weise einschränken.

ist eine perspektivische Ansicht der Zylinderbohrrohre nach den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung;
ist eine Seitenansicht eines gegossenen Motorblocks mit eingegossenen Zylinderbohrrohren nach den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung;
ist eine Seitenansicht eines gegossenen Motorblocks mit eingegossenen Zylinderbohrrohren und siamesischen Einsätzen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung;
ist eine Perspektive und Draufsicht von siamesischen Einsätzen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung;
ist ein Diagramm, das die Testergebnisse einer beispielhaften Legierung darstellt, die in den siamesischen Einsätzen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung verwendet wird,
ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren für einen Motorblock aus Aluminiumlegierung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung darstellt, und
ist ein Querschnitt eines Zylinderblocks gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenlegung.

BESCHREIBUNG
Beispiele für die vorliegende Offenlegung bieten vorteilhaft das Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks 10 für einen Verbrennungsmotor. Der Zylinderblock 10, wie er nach verschiedenen Stufen des Verfahrens in den dargestellt ist, ist in einer V8-Konfiguration angeordnet. Andere Konfigurationen von Zylinderblöcken 10 werden jedoch berücksichtigt, ohne von der vorliegenden Offenlegung abzuweichen. Vorzugsweise sind mindestens zwei Zylinderbohrungen 12 des Zylinderblocks 10 nebeneinander angeordnet und teilen sich einen Abschnitt einer Bohrungswand. Somit können Inline-, „V“-, „W“- oder flache Konfigurationen in diese Offenlegung einbezogen werden. Der Zylinderblock 10 beinhaltet mehrere interne und externe Merkmale, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Zylinderbohrungen 12, interne Wasserkanäle 14, interne Ölkanäle 16, Schraubennüsse 18, Strukturrippen 20 und Dichtflächen 22. Insbesondere beinhalten die Zylinderbohrungen 12 eine Bohrungswand 24 mit einem oberen Ende 26 und einem unteren Ende (nicht dargestellt). Das obere Ende 26 ist bündig mit einer Kopfdeckdichtungsfläche 28, während das untere Ende so geformt ist, dass es in einem Kurbelgehäusehohlraum endet (nicht dargestellt). Die Bohrungswand 24 einer ersten Zylinderbohrung 30 wird mit einer benachbarten zweiten Zylinderbohrung 32 geteilt. Auf diese Weise wird eine Anordnung von Zylinderbohrungen 30, 32 mit gemeinsamen oder geteilten Bohrungswänden 36 als eine siamesische Zylinderbohrungsanordnung betrachtet. Einer der Hauptvorteile einer siamesischen Zylinderbohrungsanordnung besteht darin, die Länge zu verkürzen und das Gewicht des Zylinderblocks 10 zu reduzieren, wodurch ein kompakteres Motorpaket entsteht, das die Möglichkeit bietet, Gewicht in anderen Komponenten des Fahrzeugs zu sparen.
Die Herstellung eines Zylinderblocks 10, wie in den dargestellt, beinhaltet Gusseisen oder Aluminiumlegierungen. Bei Verwendung von Aluminiumlegierungen kann ein Zylinderbohrrohr 34 integriert werden, um die Verschleißeigenschaften der Oberfläche 38 der Bohrungswände 24 zu verbessern. Das Zylinderbohrrohr 34 ist aus einer Eisenbasislegierung gebildet und kann in den Aluminium-Zylinderblock 10 gegossen oder eingepresst werden. Alternativ kann das Zylinderbohrrohr 34 mittels Plasmametallspritztechnik oder einem anderen Herstellungsverfahren auf die Grundmetall-Zylinderbohrung 30, 32 aufgespritzt werden.
Mit Blick auf die , und wird ein Zylinderblock 10 mit einem siamesischen Einsatz 40 dargestellt. Der siamesische Einsatz 40 ist am oberen Ende 26 der gemeinsamen Bohrungswand 36 angeordnet. Der Zweck des siamesischen Einsatzes 40 ist es, die Aluminiumgusslegierung in diesem Bereich durch eine alternative Legierung mit verbesserten Hochtemperatureigenschaften zu ersetzen. Eine Hauptursache für das Versagen von Zylinderblöcken 10 mit siamesischen Bohrungen ist beispielsweise die Verschlechterung der Aluminiumlegierung der Dichtfläche 22 zwischen den Zylinderbohrungen 12 durch hohe thermische Belastung und geringen Kriechwiderstand der Aluminiumgusslegierung. Die hohe thermische Belastung ist in diesem Abschnitt der Zylinderbohrungen 12 höher, da in diesem Bereich keine internen Wasserkanäle 14 vorhanden sind und Wärme von benachbarten Zylinderbohrungen 30, 32 aufgenommen wird. Es ergeben sich zwei Hauptfehlerarten. Der erste Ausfallmodus ist das Versagen der Zylinderkopfdichtung (nicht dargestellt), zwischen den Zylinderbohrungen 12 und den Wasserdurchgängen 14 aufgrund der Rezession der Aluminiumlegierung abzudichten. Der Ausfall der Kopfdichtung verursacht eine Hochdruckverbindung zwischen den benachbarten Zylindern 30, 32. Der zweite Fehlermodus ist die Erhöhung der Verformung der Zylinderbohrung 12, wodurch die Kolbenbaugruppe nicht gegen die Bohrungswand 24 abdichtet. Dies führt zu einem erhöhten Leckgas, was zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, einem erhöhten Ölverbrauch und schlechten Emissionen führt.
Der siamesische Einsatz 40 beinhaltet eine Dichtfläche 42, eine erste Bohrrohrtasche 44, eine zweite Bohrrohrtasche 46, eine erste Schnittstellenfläche 48, eine zweite Schnittstellenfläche 50, eine erste obere Rippe 52 und eine zweite obere Rippe 54. Der siamesische Einsatz 40 weist, wenn er in einer Draufsicht wie in dargestellt wird, eine sanduhrartige Form auf, die der zylindrischen Form der ersten und zweiten Zylinderbohrungen 30, 32 entspricht. Die erste Laufbuchse 44 nimmt eine Laufbuchse 34 der ersten Zylinderbohrung 30 und die zweite Laufbuchse 46 eine Laufbuchse 34 der zweiten Zylinderbohrung 32 auf. Die ersten und zweiten Schnittstellenflächen 48, 50 grenzen an den Zylinderblock 10 und sind durch die restlichen Abschnitte der Zylinderbohrungswände 24 mit diesem verbunden. Das Verfahren zum Verbinden oder Befestigen der siamesischen Einsätze 40 mit dem Zylinderblock 10, möglicherweise eine von mehreren Metallverbindungstechniken. So kann beispielsweise der siamesische Einsatz 40 gelötet oder eingelötet werden. Zusätzlich kann der siamesische Einsatz 40 in gleicher Weise wie die Zylinderbohrrohre 34 in Position gebracht werden.
Nun zu , ein Beispiel für eine Legierung auf Kupferbasis zur Verwendung in den siamesischen Einsätzen 40 ist dargestellt. Das Diagramm 60 stellt eine Zusammensetzung 62 für die Legierung auf Kupferbasis dar, die etwa 9,62 Gewichts-% Aluminium Al, 3,93 Gewichts-% Eisen Fe, 0,62 Gewichts-% Nickel Ni, 3,36 Gewichts-% Mangan Mn, 0,46 Gewichts-% Zink Zn und den Rest Kupfer Cu enthält. Zusätzlich beinhalten die Daten aus der Prüfung dieser speziellen Legierung die Festigkeitsprüfung nach mehreren Stunden bei hohen Temperaturen. So wurden beispielsweise Festigkeitsprüfungen an Proben nach 100, 500 und 1000 Stunden bei 200°C und 300°C durchgeführt.
Unter Bezugnahme auf wird ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Zylinderblocks 10 detailliert und als Verfahren 100 bezeichnet. Das Verfahren 100 beginnt mit einem ersten Schritt 102 als Sandkern- und Sandform- oder semipermanentes Formgießverfahren durch Bilden oder Blasen von Sandkernen, einschließlich eines Kurbelgehäuse- oder Zylinderbohrungskerns mit einer eingegossenen Bohrungsbuchse 34 für jede Zylinderbohrung. Ein zweiter Schritt 104 beinhaltet die Montage der verschiedenen einzelnen Sandkerne des Sandkernpakets. Bei der Montage der Sandkerne können mehrere siamesische Einsätze 40 in das Sandkerngehäuse eingesetzt werden, so dass die siamesischen Einsätze 40 zwischen den Zylinderbohrungen 12 eingegossen werden. Alternativ beinhaltet ein dritter Schritt 106 das Gießen des Zylinderblocks 10 ohne die siamesischen Einsätze 40. In diesem Zusammenhang kann ein vierter Schritt 108 das Schmoren oder andere Verbinden der siamesischen Einsätze 40 mit dem Zylinderblock 10 zwischen den Zylinderbohrungen 12 sein. Alternativ beinhaltet ein fünfter Schritt 110 die Herstellung der siamesischen Einsätze 40 im Zylinderblock 10 unter Verwendung einer Legierungszusatztechnik wie Laserverkleidung, Kalt-/Kinetisches Spritzen, Thermisches Spritzen und einer Kombination aus den Legierungszusatztechniken. Die Legierungszusatztechniken beinhalten eine Abscheidung einer Legierung mit hoher Kriechfestigkeit zwischen den Zylinderbohrungen 12, die den siamesischen Einsatz 40 Bilden. Andere Legierungszusatztechniken können in Betracht gezogen werden, ohne vom Umfang der Offenlegung abzuweichen. Ein sechster Schritt 112 des Verfahrens 100 beinhaltet die Bearbeitung des Gussteils, wodurch ein leichter und kompakter Zylinderblock aus einer Aluminiumlegierung mit hochkriechfesten Legierungen erreicht wird, der zwischen den Zylinderbohrungen 12 an der Dichtfläche 22 der Zylinderkopfdichtung angeordnet ist.
Während Beispiele ausführlich beschrieben wurden, werden diejenigen, die mit der Kunst vertraut sind, auf die sich diese Offenlegung bezieht, verschiedene alternative Designs und Beispiele für die Praxis der offengelegten Struktur im Rahmen der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Zylinderblock zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, wobei der Zylinderblock umfasst: eine erste und eine zweite Zylinderbohrung, die benachbart zueinander angeordnet sind, wobei die erste und zweite Zylinderbohrung jeweils eine erste Zylinderbohrungswand und eine zweite Zylinderbohrungswand sowie eine gemeinsame Zylinderbohrungswand umfassen; ein erstes Zylinderbohrrohr und ein zweites Zylinderbohrrohr, und wobei das erste Zylinderbohrrohr auf einer ersten Innenfläche des ersten Zylinderbohrrohrs und das zweite Zylinderbohrrohr auf einer zweiten Innenfläche des zweiten Zylinderbohrrohrs angeordnet ist, und einen siamesischen Einsatz, der in einem oberen Abschnitt der gemeinsamen Zylinderbohrungswand angeordnet ist.
Zylinderblock nach Anspruch 1, worin der siamesische Einsatz eine hochtemperaturbeständige Legierung und der Zylinderblock eine Aluminiumlegierung umfasst.
Zylinderblock nach Anspruch 1, worin der siamesische Einsatz eine Aluminium-Bronze-Legierung mit zwischen etwa 8 und 10 Gewichts-% Aluminium, Eisen, Nickel, Mangan, Zink und Kupfer umfasst.
Zylinderblock nach Anspruch 1, worin der siamesische Einsatz eine Aluminium-Bronze-Legierung mit etwa 9,62 Gewichts-% Aluminium, 3,93 Gewichts-% Eisen, 0,62 Gewichts-% Nickel, 3,36 Gewichts-% Mangan, 0,46 Gewichts-% Zink und einem Rest aus Kupfer umfasst.
Zylinderblock nach Anspruch 1, worin der siamesische Einsatz entweder eine Aluminiumlegierung, eine Stahllegierung, eine Bronzelegierung oder ein Keramik-Metall-Material umfasst.
Zylinderblock nach Anspruch 1, worin der siamesische Einsatz eine Oberseite umfasst, die eine Kopfdeckdichtfläche beinhaltet.
Zylinderblock nach Anspruch 1, worin der siamesische Einsatz eine erste und zweite Bohrrohrtasche umfasst, das erste Bohrrohr teilweise in der ersten Bohrrohrtasche angeordnet ist und das zweite Bohrrohr teilweise in der zweiten Bohrrohrtasche angeordnet ist.
Zylinderblock nach Anspruch 1, worin die gemeinsame Zylinderbohrungswand einen ersten Abschnitt des ersten Zylinderbohrrohrs, einen zweiten Abschnitt des zweiten Zylinderbohrrohrs, einen dritten Abschnitt der ersten Zylinderbohrungswand, einen vierten Abschnitt der zweiten Zylinderbohrungswand und den siamesischen Einsatz umfasst.