DE102021106846A1

DE102021106846A1 - Zylinderlaufbahn mit Teilbereichen und Verfahren zur Herstellung der Zylinderlaufbahn, sowie Zylinder und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102021106846A1
Application number: DE102021106846.0A
Authority: DE
Inventors: Philipp Köser; Florian Pohlmann-Tasche; Frank Berbig
Original assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2022-09-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbahn (15) zum Einsetzen in Form einer Zylinderlaufbuchse in einen Zylinder (11) einer Brennkraftmaschine, wobei die Zylinderlaufbuchse zur Führung eines Kolbens des Zylinders an einer Zylinderlaufbahnoberfläche (16) ausgebildet ist, und die Zylinderlaufbahn (15) zur Darstellung der Zylinderlaufbahnoberfläche (16) als eine belastungsabhängige Zylinderlaufbahnoberfläche (16) oberflächenbehandelt und mindestens drei Teilbereiche (48, 50, 52) umfassend einen ersten und zweiten Teilbereich (48, 50, 52) aufweist, wobei- wenigstens der erste und zweite Teilbereich (48, 50, 52) unterschiedlich oberflächenbehandelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass- der erste Teilbereich (50), umfassend einen, insbesondere mittleren, Zwischenbereich, eine mit einer ersten Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, ..., 80.7) auf die Zylinderlaufbahn (15) aufgebrachte erste Plasmaspritzschicht aufweist,- der zweite Teilbereich (48, 52), umfassend einen, insbesondere unteren und oberen, äußeren Randbereich, der eine mit einer zweiten Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, ..., 80.7) auf die Zylinderlaufbahn aufgebrachte zweite Plasmaspritzschicht aufweist, und- die erste und zweite Plasmaspritzschicht, insbesondere der erste und zweite Teilbereich (48, 50, 52) umfassend den unteren und oberen äußeren Randbereich (48, 52) und den mittleren Zwischenbereich (50), mittels einer Honung bearbeitet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbahn gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12. Die Erfindung betrifft außerdem einen Zylinder gemäß Anspruch 10 und eine Brennkraftmaschine mit einem Großmotor gemäß Anspruch 11.
Eine eingangs genannte Zylinderlaufbahn ist ausgebildet zum Einsetzen in Form einer Zylinderlaufbuchse in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, wobei die Zylinderlaufbuchse, unter Bildung eines tribologischen Systems, zur Führung eines Kolbens des Zylinders an einer Zylinderlaufbahnoberfläche ausgebildet ist, und die Zylinderlaufbahn zur Darstellung der Zylinderlaufbahnoberfläche als eine belastungsabhängige Zylinderlaufbahnoberfläche oberflächenbehandelt und mindestens drei Teilbereiche umfassend einen ersten und zweiten Teilbereich aufweist, wobei wenigstens der erste und zweite Teilbereich unterschiedlich oberflächenbehandelt sind.
Die Zylinderlaufbahnen bilden also zusammen mit einem Kolben ein tribologisches System, im Folgenden auch als Tribosystem bezeichnet. Bei den oben beschriebenen konventionell hergestellten Zylinderlaufbahnen entsteht durch Reibung mit dem Kolben Verschleiß, wodurch wiederum der Ölverbrauch in dem Tribosystem steigt und Verbrennungsanomalien entstehen.
Der Verschleiß von tribologischen Oberflächen, die innerhalb technischer Apparate in Relativbewegung zueinanderstehen, entsteht in der Hauptsache durch vier unterschiedliche Mechanismen. Hierbei sind insbesondere der abrasive und der adhäsive Verschleiß hervorzuheben.
Abrasiver Verschleiß entsteht, wenn harte Teilchen eines Schmierstoffs beziehungsweise Rauheitsspitzen eines der Reibungspartner in die Schicht zwischen den Bauteilen eindringen. In der Folge kommt es zur Ritzung und Mikrozerspanung der beteiligten Bauteiloberflächen.
Adhäsiver Verschleiß tritt wiederum bei mangelnder Schmierung auf. Liegen sich berührende Bauteile bei hoher Flächenpressung fest aufeinander, so haften die Berührungsflächen infolge der Adhäsion aneinander, d.h. die Reibung wird erhöht. Beim Gleiten der Bauteile gegeneinander werden dann Randschichtteilchen abgeschert. Hierdurch wird deutlich, dass die drei Parameter Reibung, Verschleiß und Ölverbrauch bzw. Schmierung sich gegenseitig beeinflussen.
Es ist daher wünschenswert, Reibung, Verschleiß und Ölverbrauch in den Tribosystemen auf vorteilhafte Weise für den Motor zu beeinflussen.
In heutigen Motoren, insbesondere Großmotoren, werden überwiegend gehonte Zylinderlaufbahnen aus Schleuderguss verwendet. Die konventionell hergestellten Zylinderlaufbahnen sind je nach Anforderung mit unterschiedlichen Honstrukturen versehen. Die gehonten Täler dienen dem Tribosystem als Ölreservoirs und als Mikrodruckkammer für eine hydrodynamische Schmierung. Die Strukturen der Zylinderlaufbahnoberflächen solcher Zylinderlaufbahnen lassen sich durch die in ISO 13565-2 beschriebenen Kenngrößen - Rk, Rpk und Rvk - darstellen. Der Effekt der genannten Kenngrößen auf das Verhalten eines Motors ist beispielsweise in 3a und 3b näher erläutert.
DE 103 60 148 A1 beschreibt eine Zylinderlaufbahn, die eine Reduktion des Ölverbrauchs, eine Reduktion der Emission ölbedingter Schadstoffe wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Partikel und eine Reduktion des Verschleißes der Laufbahn der Zylinderlaufbuchse ermöglicht. Es wird hierzu eine Zylinderlaufbahn vorgeschlagen, die in Teilbereichen der Lauffläche mit Mikrostrukturen versehen ist. Solche Mikrostrukturen werden beispielsweise durch Laserbearbeitung erzeugt. Insofern mag zwar grundsätzlich bekannt sein, dass nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine Zylinderlaufbahn bereitgestellt wird, die eine Zylinderlaufbahnoberfläche aufweist, in der mehrere Teilbereiche vorgesehen sind.
Wünschenswert wäre es jedoch, einen zusätzlichen Laserbearbeitungsschritt zur Herstellung vom Mikrostrukturen zu vermeiden.
In F. Ring et al. „Low Friction Powertrain“ wird beschrieben, dass mit porösen Plasmaspritzschichten eine glattere Oberflächentopographie erreicht werden kann als mit herkömmlichen Honungen der Oberfläche. Zudem besitzen poröse Plasmaspritzschichten sowohl gute Reibungs- und Ölverbrauchseigenschaften, als auch gute Verschleißeigenschaften, insbesondere heißt das, dass mit zunehmenden Verschleiß immer neue Poren der porösen Beschichtung als Ölrückhaltevolumen freigelegt werden und so eine permanente Schmierung des Tribosystems gewährleisten. Im Automobilbau werden solche Plasmaspritzschichten bereits verwendet. Die Übertragung solcher Plasmaspritzschichten auf Großmotoren ist aufgrund der vielen Unterschiede zwischen Automotor und Großmotor nicht ohne weiteres möglich.
Wünschenswert ist es die Reibung im Tribosystem zu reduzieren, insbesondere eine Reduzierung der Festkörperreibung- und/oder Reduzierung der Grenzreibung zwischen beteiligten Oberflächen zu erreichen. Insbesondere soll das Tribosystem auf die wirkenden Randbedingungen anpassbar sein, ohne Mikrostrukturen herzustellen.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist eine Vorrichtung und ein Herstellungsverfahren im Hinblick auf eine eingangs genannte Zylinderlaufbahn anzugeben, mittels der es möglich ist, eine Zylinderlaufbahnoberfläche mittels entsprechender Behandlung im Hinblick auf die Reduzierung der Festkörperreibung- und/oder Reduzierung der Grenzreibung zwischen beteiligten Oberflächen herzurichten.
Diese Aufgabe betreffend die Vorrichtung wird gelöst durch eine Zylinderlaufbahn des Anspruchs 1.
Die Erfindung geht aus von einer Zylinderlaufbahn zum Einsetzen in Form einer Zylinderlaufbuchse in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, wobei die Zylinderlaufbuchse zur Führung eines Kolbens des Zylinders an einer Zylinderlaufbahnoberfläche ausgebildet ist, und die Zylinderlaufbahn zur Darstellung der Zylinderlaufbahnoberfläche als eine belastungsabhängige Zylinderlaufbahnoberfläche oberflächenbehandelt und mindestens drei Teilbereiche umfassend einen ersten und zweiten Teilbereich aufweist, wobei der erste und zweite Teilbereich unterschiedlich oberflächenbehandelt sind.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass

- der erste Teilbereich, umfassend einen, insbesondere mittleren, Zwischenbereich, eine mit einer ersten Plasmaspritzschichtvariante auf die Zylinderlaufbahn aufgebrachte erste Plasmaspritzschicht aufweist,
- der zweite Teilbereich, umfassend einen, insbesondere unteren und oberen, äußeren Randbereich, der eine mit einer zweiten Plasmaspritzschichtvariante auf die Zylinderlaufbahn aufgebrachte zweite Plasmaspritzschicht aufweist, und
- die erste und zweite Plasmaspritzschicht, insbesondere der erste und zweite Teilbereich umfassend den unteren und oberen äußeren Randbereich und den mittleren Zwischenbereich, mittels einer Honung bearbeitet sind.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der erste Teilbereich einen mittleren Zwischenbereich umfasst und so der mittlere Zwischenbereich eine mit der ersten Plasmaspritzschichtvariante auf die Zylinderlaufbahn aufgebrachte erste Plasmaspritzschicht aufweist. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der zweite Teilbereich einen unteren und oberen äußeren Randbereich umfasst und so der untere und obere äußere Randbereich eine mit einer zweiten Plasmaspritzschichtvariante auf die Zylinderlaufbahn aufgebrachte zweite Plasmaspritzschicht aufweist. Der mittlere Zwischenbereich liegt vorzugsweise zwischen dem unteren und dem oberen äußeren Randbereich. Der mittlere Zwischenbereich kann unmittelbar an den unteren und den oberen äußeren Randbereich angrenzen. Vorzugsweise sind die erste und zweite Plasmaspritzschicht des ersten und zweiten Teilbereichs umfassend den unteren und oberen äußeren Randbereich und den mittleren Zwischenbereich mittels Honen bearbeitet.
Die erste und zweite Plasmaspritzschichtvariante sind vorzugsweise aus einer Gruppe von mehreren unterschiedlichen Plasmaspritzschichtvarianten ausgewählt. Hierbei kann die erste Plasmaspritzschichtvariante eine sich von der zweiten Plasmaspritzschichtvariante unterscheidende Plasmaspritzschichtvariante aus der Gruppe von Plasmaspritzschichtvarianten sein. Es ist aber auch möglich, dass für die erste und zweite Plasmaspritzschichtvariante dieselbe Plasmaspritzschichtvariante aus der Gruppe von Plasmaspritzschichtvarianten ausgewählt ist.
Die Zylinderlaufbahnoberfläche ist demnach zunächst mit einer ersten und zweiten Plasmaspritzschichtvariante plasmaspritzbeschichtet und anschließend mit einer Honung behandelt.
Durch die Plasmaspritzschicht entsteht ein vorteilhafter Schichtaufbau, wobei die Plasmaspritzbeschichtung eine gewisse Porosität aufweist und ggfs., aber nicht notwendigerweise, an der Oberfläche bereits eine Rauigkeit von weniger als 1 µm gegeben ist. Eine glatte oder glattere Oberfläche für die Plasmaspritzbeschichtung wird durch das anschließende Honen als Oberflächenbearbeitungsart erreicht. Das Honen ist gemäß der DIN 8589-14 den spanenden Fertigungsverfahren zugeordnet und gehört zur Gruppe „Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden“. Honungsvarianten sind beispielsweise Langhubhonen und Kurzhubhonen. Beim Langhubhonen entsteht ein Kreuzschliff, während beim Kurzhubhonen ein Sinusschliff entsteht. Der Schliff kann sich zusätzlich auch noch durch die Riefentiefe der Honungen unterscheiden. Das Honen wird insofern verwendet, um dem Schichtaufbau auf der Basis der Plasmaspritzbeschichtung eine vorteilhaft eingestellte Oberfläche zu verleihen. Diese Kombination der Eigenschaften Plasmaspritzbeschichtung mit dem anschließenden Honen der Oberfläche derselben führt zu der besonders vorteilhaften Reduzierung der Festkörperreibung- und/oder Reduzierung der Grenzreibung zwischen den vorgenannten beteiligten Oberflächen des Tribosystems, wobei die Zylinderlaufbahn zum Einsetzen in Form einer Zylinderlaufbuchse in einen Zylinder mit den erfindungsgemäß definierten Eigenschaften eine maßgebliche besonders vorteilhafte Grundlage bietet.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass, um ein Minimum an Reibung in einem Tribosystem, vorteilhaft vorliegend umfassend die Zylinderlaufbahn, Kolben und ggfs. Kolbenringe, sicherstellen zu können, die Randbedingungen in dem Tribosystem berücksichtigt werden sollten. Als Randbedingungen in einem Tribosystem umfassend wenigstens die Zylinderlaufbahn und einen Kolben sind insbesondere zu berücksichtigen unter anderem die Geschwindigkeit des Kolbens in der Zylinderbuchse, der Zylinderdruck, die Temperatur des Zylinders oder die Wahl des Schmiermittels zwischen Kolben und Zylinderlaufbahn.
Hierzu hat die Erfindung erkannt, dass in unterschiedlichen Teilbereichen der Zylinderlaufbahn unterschiedliche Randbedingungen herrschen, d.h. das Tribosystem unterschiedlichen Belastungen in Abhängigkeit der Zylinderlaufbuchsenhöhe ausgesetzt ist. Die Erfindung hat weiter erkannt, dass durch unterschiedliche Oberflächenbehandlung unterschiedliche Oberflächentopographien der Zylinderlaufbahnoberfläche hergestellt werden können. Insbesondere kann durch die Oberflächentopographie die Gleiteigenschaft des Kolbens auf der Zylinderlaufbahn, die Ölaffinität der Zylinderlaufbahn oder die Robustheit der Zylinderlaufbahn beeinflusst werden. Hierdurch entsteht die Möglichkeit für die Zylinderlaufbahnoberfläche hinsichtlich der Belastungen in Abhängigkeit der Zylinderlaufbuchsenhöhe eine geeignete Oberflächenbehandlung auszuwählen.
Die Erfindung geht weiter von der Überlegung aus, dass insbesondere Plasmaspritzschichten sehr flexibel durch die Wahl einer Plasmaspritzvariante ausgestalten sein können. Die Erfindung geht auch von der Überlegung aus, dass gehonte Oberflächen unterschiedlich ausgestaltet sein können, je nachdem auf welcher Oberfläche gehont wird oder welche Honungsvariante beim Honen verwendet wird. Somit lässt sich die Zylinderlaufbahnoberfläche mit einer geeigneten Oberflächenbehandlung an unterschiedliche Randbedingungen, insbesondere Belastungen, anpassen.
Die Erfindung hat weiter erkannt, dass maßgeschneiderte Zylinderlaufbahnen potentiell neben der Reibungsverminderung auch die Ölfilmbildung optimieren und damit den Verschleiß und den Ölverbrauch senken können. Im Idealfall kann die Reibung und der Verschleiß soweit reduziert werden, so dass ein Schmierfilm obsolet wird. Das heißt auch, dass mit einer maßgeschneiderten Zylinderlaufbahn der Lebenszyklus eines Tribosystems bestehend aus Zylinderlaufbahn und Kolben verlängert werden kann.
Die Erfindung führt im Rahmen der Aufgabenstellung betreffend die Vorrichtung auf einen Zylinder für einen Motor einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderlaufbahn entsprechend dem Konzept der Erfindung und einem Kolben in Form eines tribologischen Systems gemäß Anspruch 10.
Die Erfindung führt im Rahmen der Aufgabenstellung weiterhin auch auf eine Brennkraftmaschine mit einem Motor aufweisend einen Zylinder gemäß dem Konzept der Erfindung gemäß Anspruch 11.
Die Aufgabe betreffend das Verfahren wird gelöst durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 12.
Das Verfahren ist ausgebildet zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn zum Einsetzen in Form einer Zylinderlaufbuchse in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, wobei die Zylinderlaufbuchse, unter Bildung eines tribologischen Systems, zur Führung eines Kolbens des Zylinders an einer Zylinderlaufbahnoberfläche ausgebildet ist, und die Zylinderlaufbahn mindestens drei Teilbereiche umfassend einen ersten und zweiten Teilbereich aufweist, wobei wenigstens der erste und zweite Teilbereich zur Darstellung der Zylinderlaufbahnoberfläche als eine belastungsabhängige Zylinderlaufbahnoberfläche oberflächenbehandelt ist.
Das Verfahren weist die Schritte auf:

- Bereitstellen der Zylinderlaufbahn, wobei die Zylinderlaufbahnoberfläche der Zylinderlaufbahn wenigstens drei Teilbereiche vorsieht.

Erfindungsgemäß sieht das Verfahren die Schritte vor:

- Behandeln eines ersten Teilbereichs, umfassend ein mittlerer Zwischenbereich, der Zylinderlaufbahnoberfläche mit einer ersten Plasmaspritzschichtvariante und eines zweiten Teilbereichs, umfassend einen unteren und oberen äußeren Randbereich, der Zylinderlaufbahnoberfläche mit einer zweiten Plasmaspritzschichtvariante, und
- Honen des ersten und zweiten Teilbereichs, umfassend den unteren und oberen äußeren Randbereich und den mittleren Zwischenbereich, der Zylinderlaufbahnoberfläche.

Das Verfahren weist vorteilhafterweise vor dem Honen des ersten und zweiten Teilbereichs einen Plasmabeschichtungsschritt auf, bei dem ein Teilbereich, insbesondere ein erster und zweiter Teilbereich der Zylinderlaufbahnoberfläche mit einer ggfs. unterschiedlichen ersten und zweiten Plasmaspritzschichtvariante beschichtet wird. Dadurch wird insgesamt nach oben erläuterten Prinzipien eine in tribologischer Hinsicht vorteilhafte Oberfläche jedenfalls der Zylinderlauffläche als maßgeblich für eine Reduzierung der Festkörperreibung- und/oder Reduzierung der Grenzreibung zwischen den beteiligten Oberflächen des Tribosystems zur Verfügung gestellt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Zylinderlaufbahnoberfläche fünf Teilbereiche aufweist, wobei die fünf Teilbereiche zur Darstellung der Zylinderlaufbahnoberfläche als eine belastungsabhängige Zylinderlaufbahnoberfläche oberflächenbehandelt sind. Insbesondere umfassen die fünf Teilbereiche einen unteren und oberen äußeren Randbereich, einen oberen und unteren Zwischenbereich und einen mittleren Zwischenbereich. Die Teilbereiche sind dabei so angeordnet, dass der mittlere Zwischenbereich von dem oberen und unteren Zwischenbereich umschlossen ist. Der obere Zwischenbereich ist von dem oberen äußeren Randbereich und dem mittleren Zwischenbereich umschlossen. Der untere Zwischenbereich ist von dem unteren äußeren Randbereich und dem mittleren Zwischenbereich umschlossen. Die fünf Teilbereiche können unmittelbar aneinander angrenzen.
Eine Aufteilung der Zylinderlaufbahnoberfläche in fünf Teilbereiche ermöglicht eine noch präzisere Anpassung der Zylinderlaufbahn an die unterschiedlichen Randbedingungen, insbesondere Belastungen.
In einer weiteren Weiterbildung ist vorgesehen, dass der untere äußere Randbereich unterschiedlich zu dem oberen äußeren Randbereich und dem mittleren Zwischenbereich oberflächenbehandelt ist, wobei der untere äußere Randbereich mit einer dritten Plasmaspritzschichtvariante behandelt ist. Auch die dritte Plasmaspritzvariante ist aus einer Gruppe von mehreren unterschiedlichen Plasmaspritzschichtvarianten ausgewählt. In dieser Weiterbildung unterscheiden sich die ausgewählten Plasmaspritzvarianten voneinander. Durch die unterschiedlichen Plasmaspritzschichtvarianten unterscheidet sich die Oberflächenbeschaffenheit und somit die Oberflächentopographie des unteren äußeren Randbereichs von der Oberflächenbeschaffenheit und somit von der Oberflächentopographie des mittleren Zwischenbereichs und des unteren äußeren Randbereichs.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mindestens drei Teilbereiche mit einer ersten Honungsvariante bearbeitet sind. In dieser Weiterbildung ist der untere und obere äußere Randbereich mit einer Plasmaspritzschichtvariante, die sich von der Plasmaspritzschichtvariante des mittlere Zwischenbereichs unterscheidet, beschichtet. Das Honen mit einer einzigen Honungsvariante führt auf unterschiedlichen Plasmaspritzschichten bereits zu unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten und somit zu unterschiedlichen Oberflächentopographien, die auf die unterschiedlichen Belastungen, die auf die Zylinderlaufbahn wirken, angepasst werden können.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der mittlere Zwischenbereich mit der ersten Honungsvariante und der untere und obere äußere Randbereich mit einer zweiten Honungsvariante bearbeitet ist. Die verschiedenen Honungsvarianten werden aus einer Gruppe von mehreren unterschiedlichen Honungsvarianten ausgewählt.
Das Honen ist nach dem Aufbringen der Plasmaspritzschicht oder der Plasmaspritzschichten vorgesehen. Verschiedene Honungsvarianten führen zu unterschiedlichen Oberflächentopographien.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Honungsvarianten und die Plasmaspritzschichtvarianten in vorbestimmter Weise belastungsabhängig dem unteren und oberen äußeren Randbereich und den mittleren Zwischenbereich zugeordnet sind, wobei der mittleren Zwischenbereich unterschiedlich zu dem unteren und oberen äußeren Randbereich belastet ist. Die Belastungen der Teilbereiche unterscheiden sich durch unterschiedliche Randbedingungen, die beispielsweise durch den Kolben bzw. den Kolbenhub an den unterschiedlichen Teilbereichen der Zylinderlaufbahn wirken. Die Belastungen entstehen beispielsweise durch unterschiedliche Geschwindigkeit des Kolbens in den Teilbereichen, unterschiedlichen Zylinderdruck während des Kolbenhubs oder dergleichen. Durch die unterschiedlichen Belastungen sind auch die Anforderungen, die an die Beschichtung der unterschiedlichen Teilbereiche gestellt werden, verschieden.
Es ist zudem weiterbildend vorgesehen, dass der mittlere Zwischenbereich eine Laufbahnmitte der Kolbenführung umfasst und der obere Randbereich einen oberen Totpunkt der Kolbenführung umfasst. Zudem ist vorgesehen, dass der untere Randbereich einen unteren Totpunkt der Kolbenführung umfasst.
Zudem ist auch vorgesehen, dass die erste Plasmaspritzschichtvariante, insbesondere die erste Plasmaspritzschichtvariante und die erste Honungsvariante, den oberen in Bezug auf den mittleren Zwischenbereich ausbildet mit einem oder mehreren Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: höherer Affinität zu Motoröl, höherer Porosität und geringerer Dichte.
Im mittleren Zwischenbereich beeinflussen vor allem die Kolbengeschwindigkeit und der Schmierfilm das Tribosystem aus Zylinderlaufbahn und Kolben. Eine Kolbengeschwindigkeit ist beispielsweise jedoch nicht bei 90° maximal, sondern bei -70° des Kurbelwinkels; insofern ist der Zwischenbereich als „zwischen oder angrenzend zu einem Randbereich liegend“ entsprechend allgemein zu verstehen und der mittlere Zwischenbereich ist entsprechend weit zu fassen als ausreichend breiter Bereich zwischen einem unteren und oberen äußeren Randbereich.
Um aber eine reduzierte Reibung vor allem in den Bereichen hoher oder maximaler Kolbengeschwindigkeit zu gewährleisten, muss im Vergleich zu anderen Teilbereichen der Zylinderlaufbahn dort im Zwischenbereich, insbesondere im mittleren Zwischenbereich, eine besonders geringe Reibung unterstützt werden. Eine maximale oder besonders hohe Kolbengeschwindigkeit ist zwar in erster Linie abhängig von der Kurbelwellenkinematik und hat zunächst natürlich keine Beschränkung durch die Oberflächenbeschaffenheiten der Zylinderlaufbahn. Die Oberflächenbeschaffenheit der Zylinderlaufbahnoberfläche beeinflusst dann jedoch die Reibung welche aus „Geschwindigkeit mal Reibwert“ entsteht. Deswegen ist es besonders vorteilhaft, eine Zylinderlaufbahnoberfläche als eine belastungsabhängige Zylinderlaufbahnoberfläche entsprechend einer oder mehrerer der vorgenannten Randbedingungen zur Verfügung zu stellen; d.h. erfindungsgemäß mit den Plasmaspritzschichtvarianten und einer darauf aufbauenden Honungsbearbeitung.
Eine solche vorgenannte Vorgabe stellt an die Zylinderlaufbahnoberfläche unter anderem zudem die Anforderung einen hydrodynamischen Schmierfilm aufzubauen. Für die Oberflächenbeschichtung in dem mittleren Zwischenbereich bedeutet dies, dass - verglichen mit den anderen Teilbereichen der Zylinderlaufbahn - die Oberfläche möglichst keine bis sehr feine Porosität und/oder eine hohe Dichte aufweist.
Auf den oberen äußeren Randbereich wirkt dagegen ein vergleichsweise hoher Druck. Außerdem soll in diesem Bereich regelmäßig das Abdampfen vom Motorenöl vermindert werden. Daher ist das Ziel eine Zylinderlaufbahnoberfläche in diesem Teilbereich möglichst robust zu gestalten, d.h. die Zylinderlaufbahnoberfläche soll verglichen mit der Laufbahnoberfläche in dem mittleren Zwischenbereich eine höhere Affinität zu Motoröl, höhere Porosität und geringere Dichte aufweisen.
Vorteilhafterweise kann diese sich unterscheidenden Bedingungen durch die geeignete Wahl der Oberflächenbeschichtung erreicht werden. Konkret heißt das, dass eine Kombination aus Oberflächenbehandlungen mittels Honen und mittels Plasmaspritzbeschichten in den verschiedenen Teilbereichen je nach Art der Belastung zwischen Kolben und Zylinderlaufbahn ausgewählt werden können.
In einer Variante der vorgenannten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite Plasmaspritzschichtvariante --insbesondere die zweite Plasmaspritzschichtvariante und die zweite Honungsvariante-- den unteren äußeren Randbereich in Bezug auf den mittleren Zwischenbereich ausbildet mit einem oder mehreren Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: höhere Porosität und/oder geringere Dichte.
Im unteren äußeren Randbereich, soll insbesondere eine Grenzreibung zwischen Zylinderlaufbahn und Kolben reduziert werden. Daher ist das Ziel eine Zylinderlaufbahnoberfläche in diesem Teilbereich mit im Vergleich zu den anderen Teilbereichen, also dem oberen äußeren Randbereich und dem mittleren Zwischenbereich, höheren Porosität auszugestalten.
Die Erfindung führt auch zur Lösung der Aufgabe auf ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn gemäß dem Konzept der Erfindung wie oben erläutert.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der mittlere Zwischenbereich mit einer ersten Honungsvariante und der untere und obere äußere Randbereich mit einer zweiten Honungsvariante bearbeitet wird. Die verschiedenen Honungsvarianten werden aus einer Gruppe von mehreren unterschiedlichen Honungsvarianten ausgewählt. Die verschiedenen Honungsvarianten, beispielsweise Langhubhonen und Kurzhubhonen, führen zu unterschiedlichen Oberflächentopographien. Als verschiedene Honungsvarianten werden aber auch ein erstes Langhubhonen mit einem ersten Winkel eines Honwerkzeuges und ein zweites Langhubhonen mit einem zweiten Winkel des Honwerkzeuges angesehen. Selbiges gilt für das Kurzhubhonen.
Der untere und obere äußere Randbereich und der mittlere Zwischenbereich sind vor dem Honen plasmaspritzbeschichtet worden.
Im Rahmen einer weiteren Weiterbildung sieht das Verfahren vor, dass das Behandeln mit der ersten oder der zweiten Plasmaspritzschichtvariante kein Aufbringen einer Plasmaspritzschicht vorsieht. In dieser Weiterbildung ist beispielsweise der untere und obere äußere Randbereich mit einer Plasmaspritzschicht behandelt und der mittlere Zwischenbereich ist nicht mit einer Plasmaspritzschicht behandelt. Anschließend werden der untere und obere äußere Randbereich und mittlere Zwischenbereich gehont.
Vorteilhafterweise sieht das Verfahren vor, dass die erste Plasmaspritzschichtvariante ein erstes Spritzmaterial umfasst und die zweite Plasmaspritzschichtvariante ein zweites Spritzmaterial umfasst. Spritzmaterialien sind beispielsweise Metalle, insbesondere Legierungen, metallische Matrizen, oder Keramiken.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung sieht das Verfahren vor, dass das Plasmaspritzbeschichten in dem mittleren Zwischenbereich und dem unteren und oberen äußeren Randbereich durchgeführt wird, wobei das Plasmaspritzbeschichten in dem mittleren Zwischenbereich und dem unteren und oberen äußeren Randbereich mit unterschiedlichen Spritzparametern durchgeführt wird ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Geschwindigkeit des Spritzmaterials, Temperatur des Plasmas und Zusammensetzung des Plasmagases oder dergleichen. Insbesondere wird durch die Wahl der Spritzparameter die Schichtdicke, Schichtstruktur, Porosität und Oberflächenrauheit der Plasmaspritzschicht auf der Zylinderlaufbahn beeinflusst. Dies lässt sich ausnutzen, um die Beschaffenheit der Zylinderoberflächen in den verschiedenen Teilbereichen gezielt zu steuern.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

1 schematisch eine Darstellung der Parameter Reibung, Verschleiß und Ölverbrauch und deren gegenseitige Beeinflussung in einem tribologischen System aus Zylinderlaufbahn und Kolben;
2 eine exemplarische Darstellung eines tribologischen Systems aus Zylinderlaufbahn und Kolben gemäß dem Stand der Technik;
3a, 3b exemplarisch einen Zylinderoberflächenschrieb einer konventionell gehonten Zylinderlaufbahn und einen idealen Oberflächenschrieb einer Zylinderlaufbahn;
4a schematisch eine Darstellung eines Querschnitts einer Zylinderlaufbahn mit Einflussparametern auf ein tribologisches System aus Zylinderlaufbahn und Kolben;
4b eine Darstellung einer Stribeck-Kurve zur Demonstration der Reibung in dem tribologischen System aus Zylinderlaufbahn und Kolben in Abhängigkeit der Relativgeschwindigkeit des Kolbens zur Zylinderlaufbahn;
5a, 5b eine Darstellung des Arbeitsspiels in Abhängigkeit der Kolbengeschwindigkeit und eine Darstellung des Arbeitsspiels in Abhängigkeit des Zylinderdrucks zur Demonstration der Einflussparameter auf das tribologische System aus Zylinderlaufbahn und Kolben;
6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Zylinderlauffläche gemäß dem Konzept der Erfindung;
7 eine exemplarische Darstellung verschiedener Oberflächenbehandlungen für die verschiedenen Teilbereiche der Zylinderlaufbahnoberfläche;
8a, 8b eine schematische Darstellung einer ersten und zweiten Variante einer lediglich gehonten Zylinderlaufbahn;
9 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Variante einer ersten Ausführungsform der Zylinderlaufbahn gemäß dem Konzept der Erfindung;
10 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Variante einer zweiten Ausführungsform der Zylinderlaufbahn gemäß dem Konzept der Erfindung;
11 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn gemäß dem Konzept der Erfindung.

1 zeigt stark vereinfacht die gegenseitige Beeinflussung der Parameter Reibung 2, Verschleiß 4 und Ölverbrauch 6 in einem tribologischen System, im Weiteren auch als Tribosystem bezeichnet, bestehend aus Zylinderlaufbahn, Kurbelwelle und Kolben. Ein Ölfilm fungiert als Schmierfilm zwischen der Zylinderlaufbahn und Kolben. In einem Tribosystem entsteht zwischen den Partnern des Tribosystems Reibung 2; also vorliegend vor allem zwischen Zylinderlaufbahn, und Kolben und Kolbenringen. Diese Reibung 2 ist zum einen davon abhängig, wie verschlissen die Partner des Tribosystems bereits sind und zum anderen davon, wie der Schmierfilm zwischen der Zylinderlaufbahn und der Kolbengruppe, also vor allem dem Kolben und den Kolbenringen ausgebildet ist.
Der Verschleiß 4 der Zylinderlaufbahn, der Kurbelwelle und des Kolbens sind wiederum davon abhängig, wie die Zylinderlaufbahnund der Kolben aneinander reiben und wie der Schmierfilm zwischen der Zylinderlaufbahnund dem Kolben ausgebildet ist. Reibung 2 sorgt nämlich dafür, dass sich Partikel von der Zylinderlaufbahn oder dem Kolben lösen und in den Schmierfilm gelangen. Dies mag auch zu berücksichtigen sein in Bezug auf die Kurbelwelle.
Der Ölverbrauch 6 hängt eng mit der Reibung 2 und dem Verschleiß 6 zusammen. Konkret kann es aufgrund von Reibung 2 und/oder Verschleiß 4 zu Verbrennungsanomalien kommen, was den Ölverbrauch negativ beeinflusst.
Anhand der 1 wird klar, dass Reibung 2, Verschleiß 4 und Ölverbrauch 6 als ganzheitliches System zu betrachten sind und daher auch als ganzheitliches System zu optimieren ist. Im Idealfall sorgt eine verminderte Reibung 2 dafür, dass weniger bis kein Verschleiß 4 stattfindet. Zuträglich dafür kann sein, dass sich weniger bis keine Partikel von den Oberflächen der Zylinderlaufbahn und des Kolbens lösen. Durch einen geringeren Verschleiß bleibt vor allem die Geometrie der tribologischen Partner erhalten, wodurch der Ölverbrauch äquivalent zum Verschleiß auf einem niedrigeren Niveau gehalten werden kann.
2 zeigt eine exemplarische Darstellung eines Kolben-Zylinderdesigns 10. Das Kolben-Zylinderdesign 10 weist einem Zylinder 11 mit einer Zylinderlaufbahn 16 auf. Es weist weiter einen Kolben 12, einen Kühlkanal 14 und eine Kurbelwelle 15 auf. Insbesondere die Zylinderlaufbahn 16, die Kurbelwelle 15 und der Kolben 12 bilden hier ein Tribosystem.
3a zeigt die Oberflächenbeschaffenheit 20, insbesondere den Oberflächenschrieb, einer konventionell gehonten Zylinderlaufbahn. Eine solche Oberflächenbeschaffenheit 20 ist durch die R-Kenngrößen Rk, Rvk und Rpk beschrieben.
Rk gibt einen Wert für die Kernrauhtiefe an, wobei unter der Kernrautiefe die Tiefe des Oberflächenschriebs unter Ausschluss der herausragenden Spitzen und tiefer Riefen zu verstehen ist. Rpk beschreibt die Spitzenhöhen des Oberflächenschriebs. Die Spitzenhöhe beschreibt die abrassiven Eigenschaften der Oberfläche und damit das Verschleißpotential der Oberfläche, also der Zylinderlaufbahnoberfläche, und des Gegenkörpers, also dem Kolben. Rvk beschreibt die Riefentiefe innerhalb des Oberflächenschriebs. Die Riefentiefe gibt Aufschluss über sogenannte Öldepots, die als Schmierfilmreservoir dienen. Die Ölreservoirs übernehmen während einer tribologischen Beanspruchung langfristig eine schmierende Wirkung.
Die in der 3a gezeigten R-Kenngrößen liegen üblicherweise in einer Größenordnung von 0,2 bis 0,8 µm für Rpk, 0,5 bis 1,5 µm für Rk und 1,0 bis 3,5 für Rvk.
3b zeigt einen idealen Oberflächenschrieb 22 einer Zylinderlaufbahn. Bei einem solchen idealen Oberflächenschrieb 22 gehen die Parameter Rpk und Rk gegen Null, wodurch Reibungsverluste minimiert werden. Die Riefentiefe Rvk kann so gewählt werden, dass die den Anforderungen in einem tribologischen System entsprechend ideale Ölreservoirs bilden.
4a zeigt schematisch eine Darstellung eines Querschnitts 30 einer Zylinderlaufbahn 15 mit Einflussparametern auf ein tribologisches System aus Zylinderlaufbahnoberfläche 16 und Kolben 12. Das Tribosystem weist einen oberen Totpunkt OT und einen unteren Totpunkt UT auf. Vormals beschriebene gleiche Elemente oder Elemente gleicher Funktion erhalten der Einfachheit halber gleiche Bezugszeichen.
Das Tribosystem bestehend aus Zylinderlaufbahnoberfläche 16 und Kolben 12 weist typischerweise als Zwischenmedium Motoröl 46 auf. Der Kolben 12 bildet zusammen mit einem ersten Kompressionsring 34, einem zweiten Kompressionsring 36, einem Ölkontrollring 40 und Kolbenbolzen (hier nicht gezeigt) die so genannte Kolbengruppe. Die Flanke der oberen Fläche des Kolbens 12, die den Brennraum beweglich abschließt, wird Feuersteg 32 genannt. Der Feuersteg 32 bildet den oberen Teil des Dichtsystems, das auch als Ringfeld 33 bezeichnet wird. Die Dichtwirkung wird in erster Linie durch die Kompressionsringe 34, 36 erfüllt, während der Ölkontrolring 40 den Ölhaushalt der Kolbengruppe bestimmt. Überschüssiges Öl, das zur Schmierung und Kühlung des Kolbens über konstruktive Maßnahmen, beispielsweise Ölspritzdüsen, in das Ringfeld 33 gelangt, wird von ihm von der Zylinderlaufbahnoberfläche 16 abstreift und in das Kurbelgehäuse zurückbefördert.
Nachfolgend wird anhand der Darstellung der 4a beschreiben, an welchen Stellen des Tribosystems das System aus Zylinderlaufbahnoberfläche 16 und Kolben 12 im Betrieb beeinflusst wird. Während des Motorbetriebs wirken Gas-, Reibungs- und Massenkräfte auf das Dichtsystem der Kolbengruppe ein. Bedingt durch unvermeidbare Leckage interagieren die drei Fluide Kraftstoff, Motoröl 46 und Leckage-Gas miteinander.
Ein Teil des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff trifft auf die Zylinderlaufbahnoberfläche 16 und wird im Verlauf des Kolbenhubes vom Ringfeld 33 verschmiert und so, unterstützt vom Leckage-Gasstrom aus dem Brennraum, in Richtung Kurbelgehäuse transportiert. Er führt so zur Verdünnung und Schädigung des Motoröls 46 beispielsweise durch Inaktivierung der Verschleiß- und Kor-rosionsschutzadditive. Infolge der Verdünnung und Schädigung des Motoröls 46 erhöht sich die Reibung zwischen Zylinderlaufbahnoberfläche 16 und Kolben 12.
Das Motoröl 46 zwischen Zylinderlaufbahnoberfläche 16 und Kolben 12 ist im Bereich der Kolbengruppe einer Reihe von Kräften ausgesetzt. Neben der Massenkraft üben die Kolbenringe mechanisch Kraft auf das Motoröl 46 aus. Je nach Arbeitstakt wirken durch die auftretenden Leckagegas-Strömungen zusätzlich aerodynamische Kräfte auf das Motoröl 46. Dies führt in Summe zu Öltransportvorgängen, die erheblich zum Ölverbrauch des Verbrennungsmotors beitragen.
Zudem kann Leckage-Gas aus dem Brennraum in den Kurbelraum gelangen. Dies wird als Blow-By bezeichnet. Ein Blow-By kann beispielsweise zu Verbrennungsrückständen wie Ruß im Kurbelgehäuse führen oder auch zur Verdünnung und Schädigung des Motoröls 46.
4b zeigt eine Darstellung einer Stribeck-Kurve 54 zur Demonstration der Reibung µ, µ₀ in dem tribologischen System aus Zylinderlaufbahn und Kolben in Abhängigkeit der Relativgeschwindigkeit v des Kolbens zur Zylinderlaufbahn, also im Betrieb des Tribosystems. Findet keine Relativbewegung statt, so herrscht Haftreibung. Dies ist konkret am oberen Totpunkt OT und am unteren Totpunkt UT gegeben.
Sobald eine Relativbewegung v beginnt und die Geschwindigkeit des Kolbens auf der Zylinderlaufbahn gering ist, herrscht vor allem -bei ggfs. abnehmender Festkörperreibung-Grenzreibung 58. Wenn die Relativgeschwindigkeit v weiter zunimmt, beginnt sich der Kolben von der Zylinderlaufbahn durch Moleküle eines Schmierstoffes zu trennen. Es liegen also sowohl durch einen Flüssigkeitsfilm getrennte und direkte Kontaktbereich zwischen dem Kolben und der Zylinderlaufbahn vor. In einem solchen Bereich herrscht Mischreibung 60. Sowohl Grenz 58- als auch Mischreibung 60 sind in einem oberen äußeren Randbereich 48 um den oberen Totpunkt und einem unteren äußeren Randbereich 52 um den unteren Totpunkt gegeben.
Nimmt nun die Relativbewegung v noch weiter zu, herrscht Flüssigkeitsreibung 64. Ein solcher Zustand ist konkret in einem mittleren Zwischenbereich 50 um die Zylinderlaufbahnmitte gegeben. Bei Flüssigkeitsreibung 64 besteht kein direkter Kontakt zwischen dem Kolben und der Zylinderlaufbahn. Als Trennmedium dient dabei ein flüssiger Schmierfilm. Der Übergang von der Mischreibung 60 zur Flüssigkeitsreibung 64 wird als Ausklinkpunkt 62 bezeichnet. In der Nähe des Ausklinkpunktes 62 herrscht die niedrigste Reibung µ, µ₀ im Tribosystem.
5a und 5b zeigen zum einen Geschwindigkeitsänderungen des Kolbens, zum anderen Gasdruckänderungen im Arbeitsraum des Zylinders. 5a zeigt konkret den Verlauf der Kolbengeschwindigkeit 66 im Arbeitsraum des Zylinders. Der Verlauf der Kolbengeschwindigkeit 66 ist hier in einem Kolbengeschwindigkeit v zu Hubvolumen-Diagramm dargestellt. 5b zeigt den Verlauf des Gasdrucks 68 im Arbeitsraum eines Zylinders. Der Verlauf des Gasdrucks 68 ist hier in einem Gasdruck zu Hubvolumen-Diagramm dargestellt. Die 5a und die 5b werden im Folgenden gemeinsam diskutiert. Exemplarisch wird hierzu ein Tribosystem mit Zylinderlaufbahnoberfläche 16 mit oberen Totpunkt OT und unteren Totpunkt UT und der erste Kompressionsring 34 des Kolbens betrachtet. Vormals beschriebene gleiche Elemente oder Elemente gleicher Funktion erhalten der Einfachheit halber gleiche Bezugszeichen.
In einem ersten Takt, dem Ansaugtakt 70, bewegt sich der Kolben ausgehend von der Ruhelage im oberen Totpunktes OT in Richtung des unteren Totpunkt UT. Auf etwa halben Weg zwischen oberen Totpunkt OT und unterem Totpunkt UT erreicht der Kolben seine maximale Geschwindigkeit v_max. Auf dem weiteren Weg bis zum unteren Totpunkt UT wird der Kolben wieder abgebremst, bis er am unteren Totpunkt UT zur Ruhe kommt. Durch diese Bewegung entsteht ein Unterdruck. Dies führt dazu, dass Luft bzw. ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinderraum strömt.
In einem zweiten Takt, dem Verdichtungstakt 72, bewegt sich der Kolben ausgehend von der Ruhelage im unteren Totpunktes UT in Richtung des oberen Totpunkt OT. Auf etwa halben Weg zwischen unterem Totpunkt UT und oberen Totpunkt OT erreicht der Kolben wieder seine maximale Geschwindigkeit v_max. Auf dem weiteren Weg bis zum oberen Totpunkt OT wird der Kolben wieder abgebremst, bis er am oberen Totpunkt OT zur Ruhe kommt. Durch diese Bewegung wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch komprimiert, bis es einen maximalen Druck, den Verdichtungsdruck pmax erreicht. Je höher das Gemisch durch die Raumverkleinerung komprimiert wird, desto höher der Druck und die Temperatur.
In einem dritten Takt, dem Arbeitstakt 74, wiederholt der Verlauf der Kolbengeschwindigkeit den Verlauf während des Ansaugtaktes 70. Im Arbeitstakt 74 wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch und verbrannt. Beim Verbrennen entsteht ein maximaler Druck pmax und eine Höchsttemperatur. In einem vierten Takt, dem Ausstoßtakt 76, wiederholt der Verlauf der Kolbengeschwindigkeit den Verlauf während des Verdichtungstaktes 72. Das Abgas wird mit leichtem Überdruck aus dem Brennraum geschoben.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Zylinderlaufbahn 15 aufweisend eine Zylinderlaufbahnoberfläche 16 mit verschiedenen Teilbereichen gemäß dem Konzept der Erfindung. Vormals beschriebene gleiche Elemente oder Elemente gleicher Funktion erhalten der Einfachheit halber gleiche Bezugszeichen.
Eine Zylinderlaufbahn 15 ist, wie bereits beschrieben, im Betrieb verschiedenen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen sind abhängig von Randbedingungen wie Reibung, Druck, Temperatur und Geschwindigkeit des Kolbens. Die Belastungen ändern sich mit der Position des Kolbens auf der Zylinderlaufbahn 15. In der 6 ist nun eine belastungsabhängige Zylinderlaufbahn 15 abgebildet. Die Teilbereiche der belastungsabhängige Zylinderlaufbahn 15 sind mit unterschiedlichen Materialen plasmabeschichtet und anschließend gehont.
Primär besteht das Ziel eine Reduzierung der Festkörperreibung- und/oder Reduzierung der Grenzreibung zwischen beteiligten Oberflächen zu erreichen. Insbesondere soll das Tribosystem auf die wirkenden Randbedingungen anpassbar sein, ohne Mikrostrukturen herzustellen.
Besonders in einem oberen äußeren Randbereich 48 der Zylinderlaufbahnoberfläche 16, der den oberen Totpunkt OT miteinschließt, kann damit ein Ölabdampfen reduziert bzw. verhindert werden aufgrund reduzierter Grenz-, bzw. Mischreibung zwischen Zylinderlaufbahn 15 und Kolben und einer dafür entsprechend geschaffenen Oberfläche, insbesondere einer zudem hierfür robusten Oberfläche.
Daher sind für den oberen äußeren Randbereich 48 vergleichsweise verschleißfeste - in Bezug auf Grenz- und Mischreibung - Materialien mit hoher Affinität zu Motoröl vorgesehen. Durch die Affinität zu Motoröl kann das Abdampfen von Öl reduziert werden. Die Porosität der Oberfläche in diesem oberen äußeren Randbereich 48 ist höher als in einem mittleren Zwischenbereich 50 um die Laufbuchsenmitte und geringer als in einem unteren äußeren Randbereich 52, der den unteren Totpunkt UT miteinschließt. Beispielsweise können sich solche Materialen aus Eisen, Kohlenstoff, Chrom und Mangan oder aus Eisen Chrom, Molybdän und Mangan zusammensetzen. In dem oberen äußeren Randbereich 48 können auch zwei verschiedene Materialen als Oberflächenschicht verwendet werden. Eine anschließende Honung erzeugt folgende Kenngrößen; Rk zwischen 0,31 und 0,56, Rvk zwischen 1,14 und 1,94 und Rpk zwischen 0,08 und 0,18.
In dem mittleren Zwischenbereich 50 ist es das Ziel geringe Reibung zu erreichen, hierzu soll Flüssigkeitsreibung erreicht werden, die einen möglichst niedrigen Reibungskoeffizienten besitzt. Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass die Zylinderlaufbahnoberfläche 16 in dem mittleren Zwischenbereich 50 eine geringe Porosität im Vergleich mit den Oberflächen des oberen äußeren Randbereichs 48 und des unteren äußeren Randbereichs 52 besitzt. Das Material dieser Oberfläche kann in dem mittleren Zwischenbereich 50 beispielsweise gehonter Grauguss oder Titandioxid sein. In dem mittleren Zwischenbereich 50 können auch zwei verschiedene Materialen als Oberflächenschicht verwendet werden. Eine anschließende Honung erzeugt folgende Kenngrößen; Rk zwischen 0,24 und 1,12, Rvk zwischen 0,48 und 2,2 und Rpk zwischen 0,05 und 0,24.
In dem unteren äußeren Randbereich 52 ist das Ziel die Oberflächeneigenschaften dahingehend zu verbessern, sie für auftretende Grenzreibung zu optimieren. Die Porosität der Oberfläche ist in diesem unteren äußeren Randbereich 52 größer als in dem oberen äußeren Randbereich 48 und dem mittleren Zwischenbereich 52. Das Material dieser Oberfläche kann in dem unteren äußeren Randbereich 52 beispielsweise aus Eisen, Kohlenstoff, Chrom und Mangan oder aus Eisen Chrom, Molybdän und Mangan zusammensetzen sein. Auch in dem unteren äußeren Randbereich 52 können auch zwei verschiedene Materialen als Oberflächenschicht verwendet werden. Eine anschließende Honung erzeugt folgende Kenngrößen; Rk zwischen 0,31 und 0,56, Rvk zwischen 1,14 und 1,94 und Rpk zwischen 0,08 und 0,18.
Durch die verschiedenen Materialien in den unterschiedlichen Teilbereichen, können durch dieselbe Honung unterschiedliche Kenngrößen Rk, Rvk und Rpk erreicht werden. In einer alternativen Ausführungsform können unterschiedliche Kenngrößen Rk, Rvk und Rpk auch durch das Verwenden desselben Materials und verschiedene Honungen erreicht werden.
In 7 sind verschiedene Oberflächenbehandlungen für die verschiedenen Teilbereiche der Zylinderlaufbahnoberfläche exemplarisch dargestellt.
Die obere Reihe zeigt eine Gruppe verschiedener Honungsvarianten 78. Die Honungsvarianten 78.1, 78.2, 78.3 und 78.4 unterscheiden sich durch Honungsparameter ausgewählt aus der Gruppe; Honwinkel, Kontaktzeit und Kontaktdruck. Durch das Einwirken auf die Zylinderlaufbahnoberfläche mit verschiedenen Honungsparametern ergeben sich unterschiedliche Kenngrößen. Hier dargestellt sind Honungsvarianten 78 bei denen sich folgende Kenngrößen ergeben; für die Honungsvariante 78.1 ergibt sich für Rk 1,12, für Rvk 2,21 und für Rpk 0,24; für die Honungsvariante 78.2 ergibt sich für Rk 0,65, für Rvk 0,65 und für Rpk 0,13; für die Honungsvariante 78.3 ergibt sich für Rk 0,43, für Rvk 2,44 und für Rpk 0,12; für die Honungsvariante 78.4 ergibt sich für Rk 0,48, für Rvk 2,38 und für Rpk 0,17. Das Honen der Honungsvarianten 78.1, 78.2 und 78.3 wurde jeweils mit einem Honwinkel von 45° durchgeführt. Das Honen der Honungsvariante 78.4 wurde mit einem Honwinkel von 145° durchgeführt.
Die untere Reihe zeigt eine Gruppe verschiedener Plasmaspritzvarianten 80. Zu den verschiedenen Plasmaspritzvarianten 80 gehört auch die Plasmaspritzvariante 80.0, die kein Aufbringen einer Plasmaspritzschicht umfasst. Exemplarisch ist dieselbe Oberflächenbehandlung wie in der Honungsvariante 78.1 gezeigt.
Alle weiteren gezeigten Plasmaspritzvarianten 80.1 bis 80.7 umfassen das Aufbringen einer Plasmaspritzschicht und anschließendes Honen.
Bei den Plasmaspritzvarianten 80.1 und 80.2 wurde eine Titandioxidschicht aufgebracht. Die Titandioxidschicht der Plasmaspritzvariante 80.1 wurde unterschiedlich zu der Titandioxidschicht der Plasmaspritzvariante 80.2 gehont. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Kenngrößen Rk, Rvk und Rpk für die Plasmaspritzvarianten 80.1 und 80.2. Bei der Plasmaspritzvariante 80.1 ergibt sich für Rk 0,24, für Rvk 0,48 und für Rpk 0,05. Bei der Plasmaspritzvariante 80.2 ergibt sich für Rk 0,82, für Rvk 1,53 und für Rpk 0,11.
Grundsätzlich haben sich Beschichtungen -aufgebracht mit Plasmaspritzverfahren mit der Bezeichnung F2259, F6419G, GG-E und entsprechenden Materialien-- als vorteilhaft erwiesen; ein vergleichsweise gutes Ergebnis ergibt darüber hinaus eine Beschichtung mit einem PTWA-(„Plasma-Transfer-Wire-Arc“)-Plasmaspritzverfahren.
Bei der Plasmaspritzvariante 80.3 wurde eine in vorteilhafter Weise geeignete Beschichtung mit der Bezeichnung F6419 oder F2259 durch Plasmaspritzen aufgebracht.
F2259 weist vor allem als Beschichtungsmaterial Cr3C2-25NiCr auf (bekannt auch unter dem Namen WOKA 7210) + ggfs. 20 wt% Mo auf (bekannt auch in einer Zusammensetzung unter dem Namen Metco 4063). Diese und andere Zusammensetzungen von Beschichtungsmaterialien sind beispielsweise zu entnehmen dem Datenblatt der Oerlikon Metco „Material Product Data Sheet Chromium Carbide - 25 % Nickel Chromium Powders“ (DSM-0240.0 - Woka 7200 CrC-NiCr Series).
F6419 ist eine Zusammensetzung als Beschichtungsmaterial im Wesentlichen umfassend TiO2 mit einer größeren Porosität als die originale Ti02-Beschichtung (Metco102).
Eine anschließende Honung der Beschichtung ergibt für Rk 0,45, für Rvk 2,50 und für Rpk 0,08.
Ein Material bestehend aus Chrom, Kohlenstoff, Nickel und Molybdän wurde bei der Plasmaspritzvariante 80.4 aufgebracht. Eine anschließende Honung der Beschichtung ergibt für Rk 0,56, für Rvk 1,94 und für Rpk 0,09.
Bei der Plasmaspritzvariante 80.5 wurde eine in vorteilhafter Weise geeignete Beschichtung mit der Bezeichnung GG-E durch Plasmaspritzen aufgebracht. GG-E besteht im Wesentlichen aus dem normalen Laufbuchsenmaterial, welches verkleinert und aufgespritzt wurde. Zusammensetzung wie folgt:

C 2.80 bis 3.30

Si 1.60 bis 2.30

Mn 0.60 bis 1.00

P 0,30 bis 0.50

S max. 0,12

Cr 0,20 bis 0,50

Mo 0,30 bis 0,60

Cu max. 0.50

Ni max. 0,50

Sn max. 0.15
Eine anschließende Honung der Beschichtung ergibt für Rk 1,09, für Rvk 16,33 und für Rpk 0,29.
Bei der Plasmaspritzvariante 80.6 wurde eine in vorteilhafter Weise geeignete Beschichtung mit der Bezeichnung PTWA- „Plasma-Transfer-Wire-Arc“) durch Plasmaspritzen aufgebracht. Vorliegend ist das „Plasma-Transfer-Wire-Arc“-Plasmaspritzverfahren mit einem Material FeC0,8 durchgeführt worden - dabei wird aus einem Eisenkohlenstoffdraht mit 0,8% Kohlenstoff plasmagespritzt.
Eine anschließende Honung der Beschichtung ergibt für Rk 0,31, für Rvk 1,14 und für Rpk 0,17. Ein Material bestehend aus Chrom, Kohlenstoff, Nickel und Mangan wurde bei der Plasmaspritzvariante 80.7 aufgebracht.
Die 8a und die 8b zeigen eine schematische Darstellung für eine erste und eine zweite Variante einer gehonten Zylinderlaufbahnoberfläche 16. In Bezug auf die verwendeten Honungsvarianten werden auch die Bezugszeichen, die in 7 verwendet wurden, genutzt.
Eine erste Variante einer gehonten Zylinderlaufbahnoberfläche 16.1' ist in 8a gezeigt. Die Zylinderlaufbahnoberfläche 16.1' weist fünf verschiedene Teilbereiche und eine Laufbahnhöhe h auf.
Grundsätzlich sind hier und in den weiteren Ausführungsbeispielen der 9 und 10 unterschiedlich gekennzeichnete Bereiche unterschiedlich gehont; z.B. sind hellere (oder hellblaue) Bereiche anders gehont als die dunklere (oder rot-gefärbte) Bereiche.
Die Laufbahnhöhe h erstreckt sich von einem oberen Totpunkt OT der Zylinderlaufbahn 16.1' zu einem unteren Totpunkt UT der Zylinderlaufbahn 16.1'. Die Oberkante der Zylinderlaufbahn 16.1' wird als Nullpunkt für die Laufbahnhöhe h gesetzt. Die Laufbahnhöhe h wird in Millimeter angegeben. Die erste Variante einer gehonten Zylinderlaufbahnoberfläche 16.1' der 8a kombiniert vier verschiedene Honungsvarianten 78.1, 78.2, 78.3 und 78.4 miteinander. Die Zylinderlaufbahnoberfläche 16.1' ist in einer Höhe h von 0 mm bis 71 mm mit der Honungsvariante 78.2, in einer Höhe h von 71 mm bis 107 mm mit der Honungsvariante 78.1, in einer Höhe h von 107 mm bis 193 mm mit der Honungsvariante 78.3, in einer Höhe h von 193 mm bis 230 mm mit der Honungsvariante 78.1 und in einer Höhe h von 230 mm bis 370 mm mit der Honungsvariante 78.4 bearbeitet.
Eine zweite Variante einer gehonten Zylinderlaufbahnoberfläche 16.1" ist in 8b gezeigt. Auch die Zylinderlaufbahnoberfläche 16.1"weist fünf verschiedene Teilbereiche und eine Laufbahnhöhe h auf. Die Laufbahnhöhe h ist ebenso wie in 8a definiert. Die zweite Variante der gehonten Zylinderlaufbahnoberfläche 16.1" der 8b kombiniert drei verschiedene Honungsvarianten 78.1, 78.3 und 78.4 miteinander. Die Zylinderlaufbahnoberfläche 16.1" ist in einer Höhe h von 0 mm bis 42 mm mit der Honungsvariante 78.4, in einer Höhe h von 42 mm bis 107 mm mit der Honungsvariante 78.1, in einer Höhe h von 107 mm bis 193 mm mit der Honungsvariante 78.3, in einer Höhe h von 193 mm bis 230 mm mit der Honungsvariante 78.1 und in einer Höhe h von 230 mm bis 370 mm mit der Honungsvariante 78.4 bearbeitet.
Die zweite Variante der gehonten Zylinderlaufbahnoberfläche 16.1" zeigt zudem noch gegenüber der ersten Variante der gehonten Zylinderlaufbahnoberfläche 16.1' den Vorteil, dass im Betrieb im Bereich des oberen Totpunktes OT weniger Verschleiß zwischen der Zylinderlaufbahn und einem Kolben entsteht.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Variante einer ersten Ausführungsform der Zylinderlaufbahn gemäß dem Konzept der Erfindung. Die Zylinderlaufbahnoberfläche 16.2 ist in fünf Teilbereiche entlang einer Laufbahnhöhe h unterteilt.
Gemäß dieser zweiten Ausführungsform ist die Zylinderlaufbahnoberfläche 16.2 zunächst plasmaspritzbeschichtet und dann gehont. Auch in dieser Ausführungsform erstreckt sich die Laufbahnhöhe h von einem oberen Totpunkt OT der Zylinderlaufbahn 16.2 zu einem unteren Totpunkt UT der Zylinderlaufbahn 16.2. Die Oberkante der Zylinderlaufbahn wird als Nullpunkt für sie Laufbahnhöhe h gesetzt. Die Laufbahnhöhe h wird in Millimeter angegeben.
Die ersten Ausführungsform der Zylinderlaufbahn kombiniert drei verschiedene Plasmaspritzschichtvarianten 80.1, 80.2 und 80.4 miteinander, wobei nur zwei unterschiedliche Materialen - Titandioxidschicht für die Plasmaspritzschichtvarianten 80.1 und 80.2 und Chrom, Kohlenstoff, Nickel und Molybdän für die Plasmaspritzvariante 80.4 - verwendet werden. Der Unterschied zwischen den Plasmaspritzschichtvarianten 80.1 und 80.2 ergibt sich, wie im Zusammenhang mit 7 erläutert, durch unterschiedliche Honungen. Die Honung der Plasmaspritzvariante 80.4 kann der Honung der Plasmaspritzschichtvariante 80.2 entsprechen. Hierdurch können fünf Teilbereiche auch mit nur zwei verschiedenen Honungen erreicht werden.
Alternativ kann die Honung der Plasmaspritzvariante 80.4 sich auch von den Honungen der Plasmaspritzschichtvarianten 80.1 und 80.2 unterscheiden.
Konkret ist die Zylinderlaufbahnoberfläche 16.2 in einer Höhe h von 0 mm bis 52 mm mit der Plasmaspritzvariante 80.4, in einer Höhe h von 52 mm bis 115 mm mit der Plasmaspritzvariante 80.2, in einer Höhe h von 115 mm bis 206 mm mit der Plasmaspritzvariante 80.1, in einer Höhe h von 206 mm bis 243 mm mit der Honungsvariante 80.2 und in einer Höhe h von 243 mm bis 370 mm mit der Honungsvariante 80.4 behandelt. Eine derart behandelte Zylinderlaufbahnoberfläche 16.2 erfüllt die in der 6 beschriebenen Anforderungen, sie ist also belastungsabhängig an die Randbedingungen des Systems Zylinderlaufbahnoberfläche und Kolben angepasst.
Grundsätzlich lassen sich für die zuvor erläuterte Ausführungsform der 9 und die nachfolgende Ausführungsform der 10 Höhenangaben der Bereiche auch in Prozent zur Gesamthöhe der Laufbuchse angeben, sowie Bereich zur Überlappung der einzelnen Bereiche im Rahmen von etwa 5%-10%. So lassen sich für beide Angaben prozentual zur Gesamthöhe h machen.,
Insofern würde der erste Bereich zwischen 0% und -14,87% liegen, der zweite Bereich zwischen -14,87% und -61,89% und der dritte Bereich zwischen -61,89% und 100%. Sicherlich ist es bei diesem Ausführungsbeispiel der 9 und 10 ein Angabe in etwa möglich, insbesondere gerundet, wobei man auf die nächste ganze Prozentzahl aufrunden (15%, 62%) könnte.
Grundsätzlich ist eine „Toleranz“ von 5 bis 10 Prozentpunkten bei diesen Grenzangaben zu den Bereichen im Rahmen des Möglichen und es dürfte im vorteilhaften Bereich sein, wenn die vorgenannten Grenzen gewählt werden, so dass der erste Bereich insofern zwischen 0% und 12% bzw. zwischen 0% und 22% der Gesamthöhe liegt, insbesondere zwischen 0% und 15% bzw. zwischen 0% und 14,87% liegt etc.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Variante einer zweiten Ausführungsform der Zylinderlaufbahn gemäß dem Konzept der Erfindung. Die Zylinderlaufbahnoberfläche 16.3 ist in drei Teilbereiche aufgeteilt. Wie auch in den 8 und 9 weist die Zylinderlaufbahn der 10 eine Laufbahnhöhe h auf. In der Zweiten Ausführungsform der Zylinderlaufbahn werden zwei verschiedene Plasmaspritzvarianten 80.0 und 80.6 miteinander kombiniert. Die Plasmaspritzvariante 80.0 entspricht, wie in 7 erläutert, der Honungsvariante 78.1. Diese Bearbeitungsvariante kommt also ohne Plasmaspritzschicht aus.
Die beiden Plasmaspritzvarianten 80.0 und 80.6 können mit derselben Honung bearbeitet sein.
Konkret ist die Zylinderlaufbahnoberfläche 16.3 in einer Höhe h von 0 mm bis 55 mm mit der Plasmaspritzvariante 80.6, in einer Höhe h von 55 mm bis 229 mm mit der Plasmaspritzvariante 80.0 und in einer Höhe h von 229 mm bis 370 mm mit der Plasmaspritzvariante 80.6 bearbeitet. Auch eine derart behandelte Zylinderlaufbahnoberfläche 16.3 erfüllt die in der 6 beschriebenen Anforderungen, sie ist also belastungsabhängig an die Randbedingungen des Systems Zylinderlaufbahnoberfläche und Kolben angepasst.
11 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahren 500 zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn gemäß dem Konzept der Erfindung. Um eine belastungsabhängige Zylinderlaufbahnoberfläche, wie beispielsweise in der 9 und der 10 beschrieben, herzustellen, muss zunächst in einem ersten Schritt 510 eine Zylinderlaufbahn mit Zylinderlaufbahnoberfläche bereitgestellt werden. Die Zylinderlaufbahnoberfläche der Zylinderlaufbahn sieht wenigstens drei Teilbereiche vor. In einem weiteren Schritt 520 wird ein mittlerer Zwischenbereich der Zylinderlaufbahnoberfläche mit einer ersten Plasmaspritzvariante und ein oberer und unterer äußerer Zwischenbereich der Zylinderlaufbahnoberfläche mit einer zweiten Plasmaspritzschichtvariante behandelt. Es können auch weitere Teilbereiche vorgesehen sein, die mit weiteren Plasmaspritzvarianten behandelt werden. Die Plasmaspritzvarianten unterscheiden sich durch das Spritzmaterial und Spritzparameter ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Geschwindigkeit des Spritzmaterials, Temperatur des Plasmas und Zusammensetzung des Plasmagases.
In einem nächsten Schritt 530 werden die Teilbereiche umfassend den oberen und unteren Randbereich und den mittleren Zwischenbereich der Zylinderlaufbahnoberfläche gehont. Das Honen wird mit denselben Honparametern durchgeführt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Honen 530 des ersten und des zweiten Teilbereichs der Zylinderlaufbahnoberfläche mit unterschiedlichen Honparametern durchgeführt.
Bezugszeichenliste

2: Reibung
4: Verschleiß
6: Ölverbrauch
10: Kolben-Zylinderdesigns
11: Zylinder
12: Kolben
13: Kurbelwelle
14: Kühlkanal
15: Zylinderlaufbahn
16: Zylinderlaufbahnoberfläche
20: Oberflächenbeschaffenheit einer konventionellen Zylinderlaufbahn
22: ideale Oberflächenbeschaffenheit einer Zylinderlaufbahn
30: Querschnitt eines Tribosystems
32: Feuersteg
33: Ringfeld
34: erster Kompressionsring
36: zweiter Kompressionsring
40: Ölkontrolring
42: Kolbenhemd
46: Motoröl
48: oberer äußerer Randbereich
50: mittlerer Zwischenbereich
52: unterer äußerer Randbereich
54: Stribeck-Kurve
56: Haftreibung
58: Grenzreibung
60: Mischreibung
62: Ausklinkpunkt
64: Flüssigkeitsreibung
66: Verlauf der Kolbengeschwindigkeit im Arbeitsraum des Zylinders
68: Verlauf des Gasdrucks im Arbeitsraum des Zylinders
70: Ansaugtakt
72: Verdichtungstakt
74: Arbeitstakt
76: Ausstoßtakt
78, 78.1, ... 78.4: Honungsvarianten
80, 80.1, ..., 80.7: Plasmaspritzschichtvarianten
500: Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn
510: Bereitstellen einer Zylinderlaufbahn
520: Plasmaspritzbeschichten
530: Honen
h: Zylinderlaufbuchsenhöhe
OT: oberer Totpunkt
pmax: maximaler Druck
Rk: Kernrautiefe
Rpk: Spitzenhöhe
Rvk: Riefentiefe
UT: unterer Totpunkt
v: Kolbengeschwindigkeit
vmax: maximale Kolbengeschwindigkeit
µ, µ0: Reibungszahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10360148 A1 [0009]

Claims

Zylinderlaufbahn (15) zum Einsetzen in Form einer Zylinderlaufbuchse in einen Zylinder (11) einer Brennkraftmaschine, wobei die Zylinderlaufbuchse, insbesondere unter Bildung eines vorteilhaften tribologischen Systems (10), zur Führung eines Kolbens des Zylinders an einer Zylinderlaufbahnoberfläche (16) ausgebildet ist, und die Zylinderlaufbahn (15) zur Darstellung der Zylinderlaufbahnoberfläche (16) als eine belastungsabhängige Zylinderlaufbahnoberfläche (16) oberflächenbehandelt und mindestens drei Teilbereiche (48, 50, 52) umfassend einen ersten und zweiten Teilbereich (48, 50, 52) aufweist, wobei - wenigstens der erste und zweite Teilbereich (48, 50, 52) unterschiedlich oberflächenbehandelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Teilbereich (50), umfassend einen, insbesondere mittleren, Zwischenbereich, eine mit einer ersten Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, ..., 80.7) auf die Zylinderlaufbahn (15) aufgebrachte erste Plasmaspritzschicht aufweist, - der zweite Teilbereich (48, 52), umfassend einen, insbesondere unteren und oberen, äußeren Randbereich, der eine mit einer zweiten Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, ..., 80.7) auf die Zylinderlaufbahn aufgebrachte zweite Plasmaspritzschicht aufweist, und - die erste und zweite Plasmaspritzschicht, insbesondere der erste und zweite Teilbereich (48, 50, 52) umfassend den unteren und oberen äußeren Randbereich (48, 52) und den mittleren Zwischenbereich (50), mittels einer Honung bearbeitet sind.
Zylinderlaufbahn (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbahnoberfläche (16) fünf Teilbereiche aufweist, wobei die fünf Teilbereiche zur Darstellung der Zylinderlaufbahnoberfläche (16) als eine belastungsabhängige Zylinderlaufbahnoberfläche (16) oberflächenbehandelt sind.
Zylinderlaufbahn (15) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Randbereich (52) unterschiedlich zu dem Zwischenbereich oberflächenbehandelt ist, insbesondere der untere äußere Randbereich (52) unterschiedlich zu dem oberen äußeren Randbereich (48) und unterschiedlich zu dem mittleren Zwischenbereich (50) oberflächenbehandelt ist, wobei der untere äußere Randbereich (52) mit einer dritten Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, ..., 80.7) behandelt ist.
Zylinderlaufbahn (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Teilbereiche (48, 50, 52) mit einer ersten Honungsvariante (78.1, ... 78.4) bearbeitet sind.
Zylinderlaufbahn (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Zwischenbereich (50) mit einer ersten Honungsvariante (78.1, ... 78.4) und der untere und obere äußere Randbereich (48, 52) mit einer zweiten Honungsvariante (78.1, ... 78.4) bearbeitet ist.
Zylinderlaufbahn (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Honungsvariante (78, 78.1, 78.4) und die erste und zweite Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, ..., 80.7) in vorbestimmter Weise belastungsabhängig dem unteren und oberen äußeren Randbereich und den mittleren Zwischenbereich zugeordnet sind, wobei der mittleren Zwischenbereich (50) unterschiedlich zu dem unteren und oberen äußeren Randbereich (48, 52) belastet ist.
Zylinderlaufbahn (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Zwischenbereich (50) eine Laufbahnmitte der Kolbenführung umfasst und der obere Randbereich (48) einen oberen Totpunkt (OT) der Kolbenführung umfasst und der untere Randbereich (52) einen unteren Totpunkt (UT) der Kolbenführung umfasst.
Zylinderlaufbahn (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, .., 80.7), insbesondere die erste Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, ..., 80.7) und die erste Honungsvariante (78.1, ... 78.4), den oberen äußeren Randbereich (48) in Bezug auf den mittleren Zwischenbereich (50) ausbildet mit einem oder mehreren Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: höherer Affinität zu Motoröl (46), höherer Porosität und geringerer Dichte.
Zylinderlaufbahn (15) nach Anspruch 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, .., 80.7), insbesondere die zweite Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, ..., 80.7) und die zweite Honungsvariante (78.1, ... 78.4), den unteren äußeren Randbereich (52) in Bezug auf den mittleren Zwischenbereich (50) ausbildet mit einem oder mehreren Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: höherer Porosität.
Zylinder (11) für einen Motor einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderlaufbahn (15) und einem Kolben (12), insbesondere unter Bildung eines vorteilhaften tribologischen Systems (10),, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbahn (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine mit einem Motor, insbesondere Großmotor, aufweisend einen Zylinder (11) nach Anspruch 10.
Verfahren (500) zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn (15) zum Einsetzen in Form einer Zylinderlaufbuchse in einen Zylinder (11) einer Brennkraftmaschine, wobei die Zylinderlaufbuchse, insbesondere unter Bildung eines vorteilhaften tribologischen Systems (10), zur Führung eines Kolbens des Zylinders an einer Zylinderlaufbahnoberfläche (16) ausgebildet ist, und die Zylinderlaufbahn (15) mindestens drei Teilbereiche (48, 50, 52) umfassend einen ersten und zweiten Teilbereich (48, 50, 52) aufweist, wobei wenigstens der erste und zweite Teilbereich (48, 50, 52) zur Darstellung der Zylinderlaufbahnoberfläche (16) als eine belastungsabhängige Zylinderlaufbahnoberfläche (16) oberflächenbehandelt ist, aufweisend die Schritte: - Bereitstellen (510) der Zylinderlaufbahn (15), wobei die Zylinderlaufbahnoberfläche (16) der Zylinderlaufbahn (15) wenigstens drei Teilbereiche (48, 50, 52) vorsieht; gekennzeichnet durch die Schritte: - Behandeln (520) eines ersten Teilbereichs (50), umfassend ein mittlerer Zwischenbereich, der Zylinderlaufbahnoberfläche (16) mit einer ersten Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, ..., 80.7) und eines zweiten Teilbereichs (48, 52), umfassend einen unteren und oberen äußeren Randbereich, der Zylinderlaufbahnoberfläche (16) mit einer zweiten Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, ..., 80.7), und - Honen (530) des ersten und zweiten Teilbereichs (48, 50, 52), umfassend den unteren und oberen äußeren Randbereich (48, 52) und den mittleren Zwischenbereich (50), der Zylinderlaufbahnoberfläche (16).
Verfahren (500) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Zwischenbereich (50) mit einer ersten Honungsvariante (78.1, ... 78.4) und der untere und obere äußere Randbereich (48, 52) mit einer zweiten Honungsvariante (78.1, ... 78.4) bearbeitet wird.
Verfahren (500) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Behandeln (520) mit der ersten oder der zweiten Plasmaspritzschichtvariante (80.0) kein Aufbringen einer Plasmaspritzschicht vorsieht.
Verfahren (500) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, ..., 80.7) ein erstes Spritzmaterial umfasst und die zweite Plasmaspritzschichtvariante (80.0, 80.1, ..., 80.7) ein zweites Spritzmaterial umfasst.
Verfahren (500) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmaspritzbeschichten (520) in dem mittleren Zwischenbereich (50) und dem unteren und oberen äußeren Randbereich (48, 52) durchgeführt wird, wobei das Plasmaspritzbeschichten (520) in dem mittleren Zwischenbereich (50) und dem unteren und oberen äußeren Randbereich (48, 52) mit unterschiedlichen Spritzparametern, durchgeführt wird, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Geschwindigkeit des Spritzmaterials, Temperatur des Plasmas und Zusammensetzung des Plasmagases.