DE10360148A1 - Cylinder barrel for internal combustion engine has several sub-sections of bearing surface provided with micro-structures defining oil retaining volume - Google Patents

Cylinder barrel for internal combustion engine has several sub-sections of bearing surface provided with micro-structures defining oil retaining volume Download PDF

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Abstract

The cylinder barrel (1) with a honed bearing surface (2) has several sub-sections (4a,4b) of the bearing surface provided with micro-structures (3), whereby these sub-sections are located around a top and a bottom dead center position of a piston guided in the barrel. An oil retaining volume is defined by the micro-structures. An axial center section (5) without micro-structures is provided between the sub-sections provided with them. An independent claim is included for a method for the manufacture of a cylinder barrel for installing in a cylinder of an internal combustion engine, whereby the bearing surface is honed over the whole axial length, and micro-structures introduced in several sub-sections of the bearing surface.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbahn insbesondere für eine Brennkraftmaschine zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zylinderlaufbahn.The The invention relates to a cylinder bore, in particular for an internal combustion engine for use in a motor vehicle, and a method of manufacture such a cylinder liner.

Aus der DE 39 41 381 A1 ist ein Zylinderblock für eine Brennkraftmaschine bekannt, welcher aus einer Leichtmetalllegierung hergestellt ist. In jede Kolbenlaufbahn des Zylinderblocks ist eine perforierte Hülse aus einem verschleißbeständigen, einen höheren Schmelzpunkt aufweisenden Material eingegossen, welche Laufflächenanteile bildet. Die Hülse ist aus einem dünnwandigen, durch Durchstellen perforierten Blech hergestellt, wobei die Durchstellungen eine von der Laufbahnkrümmung abweichende, Hinterschneidungen zum Grundmaterial bildende Ausrichtung haben und mit einer porösen, durch thermisches Metallspritzen aufgebrachten Schicht versehen sind.From the DE 39 41 381 A1 a cylinder block for an internal combustion engine is known which is made of a light metal alloy. In each piston race of the cylinder block, a perforated sleeve of a wear-resistant, higher melting point material is poured, which forms tread portions. The sleeve is made of a thin-walled, perforated by passing through sheet metal, the settings have a different from the track curvature, undercuts to the base material forming orientation and are provided with a porous, applied by thermal metal spray layer.

Nachteilig an dem aus der DE 39 41 381 A1 bekannten Zylinderblock ist dabei, dass die Herstellung der Hülse mit den Durchstellungen aufwendig und kostenintensiv ist. Die Oberfläche der Lauffläche hat zwar ein hohes Ölrückhaltevolumen, jedoch wird das meiste Öl abgestreift und vorausgeschoben, sodass in der Folge eine Erhöhung der ölbedingten Schadstoffe und ein höherer Verschleiß der Laufbahnen auftritt.A disadvantage of the from the DE 39 41 381 A1 known cylinder block is that the production of the sleeve with the settings is complicated and costly. Although the surface of the tread has a high oil retention volume, most of the oil is stripped and pushed forward, resulting in an increase in oil contaminants and higher wear on the raceways.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Zylinderlaufbahn, welche beim Einsatz zum Beispiel in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs 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, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zylinderlaufbahn bereitzustellen.task the invention it is in contrast, a Cylinder runway, which when used for example in an internal combustion engine a motor vehicle, a reduction in oil consumption, a reduction the emission of oil Pollutants such as unburned hydrocarbons and particles and a reduction of wear the career of the cylinder liner allows, as well as a method to provide such a cylinder liner.

Diese Aufgabe wird durch eine Zylinderlaufbahn mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.These The object is achieved by a cylinder liner with the features of the claim 1 and a method for producing a cylinder bore with the Characteristics of claim 7 solved. Advantageous embodiments and further developments of the invention are Subject of the respective subclaims.

Die Zylinderlaufbahn mit einer gehonten Lauffläche in einem Zylinder ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Teilbereiche der Lauffläche mit Mikrostrukturen versehen sind.The Cylinder runway with a honed tread in a cylinder is characterized according to the invention characterized in that several subregions of the tread with Microstructures are provided.

Die erfindungsgemäße Zylinderlaufbahn zeichnet sich somit durch eine Aufteilung der Lauffläche in mehrere Bereiche auf, wobei in bestimmten Bereichen vorgesehene Mikrostrukturen mit gehonten Laufflächenbereichen und damit auch deren jeweilige Vorteile kombiniert sind.The inventive cylinder liner draws Thus, by dividing the tread into several areas, with in certain areas envisaged microstructures with honed Tread areas and thus their respective advantages are combined.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die mit der Mikrostruktur versehenen Teilbereiche um den oberen und den unteren Totpunkt eines in der Zylinderlaufbahn geführten Kolbens angeordnet. Es werden so die vorteilhaften Eigenschaften der Mikrostrukturen in den Bereichen um den oberen und den unteren Totpunkt zur Ausbildung eines stationären Ölfilms in diesen Bereichen und die vorteilhaften Eigenschaften der gehonten Lauffläche im mittleren Bereich zur Erzielung eines möglichst geringen Ölrückhaltevolumens in diesem Bereich kombiniert.In A preferred embodiment of the invention are those with the microstructure provided partial areas around the top and bottom dead center of a guided in the cylinder liner Plunger arranged. It will be the beneficial properties the microstructures in the areas around the top and the bottom Dead center to form a stationary oil film in these areas and the advantageous properties of the honed tread in the middle Area to achieve as much as possible low oil retention volume combined in this area.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Bereich zwischen den mit der Mikrostruktur versehenen Teilbereichen mit einer Spiegelhonung versehen.In Another embodiment of the invention is an area between the provided with the microstructure portions with a mirror honing Mistake.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Mikrostrukturen mittels Laserbearbeitung in die Lauffläche eingebracht.In Another embodiment of the invention, the microstructures introduced by laser processing in the tread.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst die Lauffläche der Zylinderlaufbahn auf ihrer gesamten axialen Länge gehont und dann in den Bereichen um die Totpunkte mit der Mikrostruktur versehen wird.The inventive method is characterized by the fact that first the running surface of the cylinder liner honed over its entire axial length and then in the areas around the dead centers with the microstructure is provided.

Hierbei kann zunächst die gesamte Lauffläche mit einer abschließenden Spiegelhonung bearbeitet werden, woraufhin die Mikrostrukturen in die mehreren Teilbereiche eingebracht werden. Alternativ ist es auch möglich, dass nach der Durchführung einer ersten und gegebenfalls einer zweiten Honstufe der gesamten Lauffläche die Mikrostrukturen in die mehreren Teilbereiche eingebracht werden und anschließend die gesamte Lauffläche einschließlich der Teilbereiche mit den Mikrostrukturen mit einer Spiegelhonung bearbeitet wird.in this connection can first the entire tread with a final Mirror honing are processed, whereupon the microstructures in the several sub-areas are introduced. Alternatively it is also possible, that after performing a first and, if necessary, a second honing step of the entire tread the Microstructures are introduced into the multiple sections and subsequently the entire tread including the subregions with the microstructures with a mirror honing is processed.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie der Zeichnung. Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Darin zeigt die einzige 1 eine schematische, teilgeschnittene perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zylinderlaufbahn.Further features and combinations of features result from the description and the drawing. A concrete embodiment of the invention is shown in simplified form in the drawing and explained in more detail in the following description. In it shows the only one 1 a schematic, partially cutaway perspective view of a cylinder bore according to the invention.

In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Zylinderlaufbahn 1 in teilgeschnittener perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Zylinderlaufbahn 1 der Erfindung wird nachfolgend in der vorteilhaften Anwendung für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs näher erläutert.In 1 schematically is an inventively designed cylinder liner 1 shown in a partially sectioned perspective view. The cylin derlaufbahn 1 The invention will be explained in more detail in the advantageous application for a cylinder of an internal combustion engine of a motor vehicle.

Die Erfindung ist aber auch bei anderen Kolbenmaschinen wie zum Beispiel Hochdruckpumpen und dergleichen einsetzbar.The Invention is also in other piston engines such as High pressure pumps and the like can be used.

Die Zylinderlaufbahn 1 ist hohlzylindrisch geformt und so ausgebildet, dass sie in einen nicht näher dargestellten Zylinderblock einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann. In der Zylinderlaufbahn 1 ist ein ebenfalls nicht weiter dargestellter Kolben vorgesehen, welcher beweglich in der Zylinderlaufbahn 1 angeordnet ist. Der Kolben wird durch einen Pleuel ausgehend von der Drehung einer Kurbelwelle zwischen einem oberen Totpunkt (im Folgenden als OT bezeichnet) und einem unteren Totpunkt (im Folgenden als UT bezeichnet) geführt. Der Kolben verfügt über ein Kolbenringpaket, welches in Anlage an einer Lauffläche 2 der Zylinderlaufbahn 1 liegt und der Abdichtung des Brennraums gegenüber dem Rest der Brennkraftmaschine dient. Die Reibung zwischen den Kolbenringen und der Lauffläche 2 wird durch einen auf der Lauffläche 2 befindlichen Ölfilm reduziert. Damit der Ölfilm durch die Kolbenringe nicht abgestreift wird, ist eine Struktur in die Lauffläche 2 eingebracht, welche ein Ölrückhaltevolumen definiert. Öl steht somit auch nach dem Abstreifen durch die Kolbenringe zur Verfügung, sodass die Schmierung stets aufrecht erhalten werden kann.The cylinder liner 1 is hollow cylindrical shaped and designed so that it can be used in a cylinder block, not shown, an internal combustion engine. In the cylinder liner 1 is also not shown piston provided, which is movable in the cylinder bore 1 is arranged. The piston is guided by a connecting rod based on the rotation of a crankshaft between a top dead center (hereinafter referred to as OT) and a bottom dead center (hereinafter referred to as UT). The piston has a piston ring package which is in contact with a tread 2 the cylinder liner 1 is located and the sealing of the combustion chamber over the rest of the internal combustion engine is used. The friction between the piston rings and the tread 2 gets through one on the tread 2 reduced oil film is reduced. So that the oil film is not stripped off by the piston rings, a structure is in the tread 2 introduced, which defines an oil retention volume. Oil is thus also available after stripping through the piston rings, so that the lubrication can always be maintained.

Die genannte Struktur wird üblicher Weise mittels Honens durch ein Honwerkzeug kreuzartig auf der Lauffläche 2 aufgebracht. Die Honstruktur ist allerdings einerseits sehr unregelmäßig, sodass der Schmierungsgrad nicht überall gleich gut ist, andererseits bilden die einander kreuzenden Honspuren kommunizierende Strukturen, welche dazu führen, dass der Ölfilm durch die Kolbenringe entlang der Honriefen in der Lauffläche 2 vorweggeschoben werden. Die dadurch veränderten tribologischen Bedingungen steigern den Verschleiß insbesondere im Bereich der Totpunkte, wo die Kolbengeschwindigkeit kurzzeitig fast auf Null absinkt. Höhere thermomechanische Beanspruchungen verschärfen die Problematik weiter.The said structure is usually cruciform on the tread by means of honing by a honing tool 2 applied. However, the honing structure is very irregular on the one hand, so that the degree of lubrication is not equally good everywhere, on the other hand, the crossing honing marks form communicating structures, which cause the oil film through the piston rings along the Honriefen in the tread 2 be pushed ahead. The resulting changed tribological conditions increase the wear, especially in the area of the dead centers, where the piston speed briefly drops almost to zero. Higher thermomechanical stresses further aggravate the problem.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, in Teilbereichen 4a und 4b um die Totpunkte des Kolbens Mikrostrukturen 3 in die Lauffläche 2 der Zylinderlaufbahn 1 einzubringen, welche sicherstellen, dass eine stationäre Ölfilmausbildung in den kritischen Bereichen erfolgen kann, welche die tribologischen Randbedingungen verbessert. Die Strukturierung kann dabei beispielsweise mittels Laserbearbeitung erfolgen.According to the invention is therefore proposed in sub-areas 4a and 4b around the dead centers of the piston microstructures 3 in the tread 2 the cylinder liner 1 which ensure that a stationary oil film formation can take place in the critical areas, which improves the tribological boundary conditions. The structuring can be done for example by means of laser processing.

In einem Bereich 5 zwischen den Totpunkten sind derartige Strukturen zur Verbesserung der tribologischen Vorgänge von untergeordneter Bedeutung. Die Verbrennungstemperaturen bewirken jedoch ein Abdampfen des auf der Lauffläche 2 befindlichen Öls mit entsprechend steigendem Ölverbrauch und nachteiligen Auswirkungen auf Emissionsbestandteile wie Kohlenwasserstoffe und Partikel. Im mittleren Bereich 5 ist somit ein möglichst geringes Ölrückhaltevolumen anzustreben, was beispielsweise mittels Spiegelhonung oder Spindelverfahren erzielt werden kann.In one area 5 between the dead centers such structures to improve the tribological processes are of minor importance. However, the combustion temperatures cause evaporation of the on the tread 2 oil with a corresponding increase in oil consumption and adverse effects on emission components such as hydrocarbons and particles. In the middle area 5 Thus, the aim is to achieve the lowest possible oil retention volume, which can be achieved, for example, by means of mirror honing or spindle processes.

Die Herstellung der gewünschten Oberflächenstruktur der Lauffläche 2 kann dabei entweder durch Honen, wie beispielsweise durch sogenannte „Diato-Spiegelhonungen", oder Spindeln und nachfolgendes Einbringen der Mikrostrukturen 3 durch Laserbearbeitung in den Teilbereichen 4a, 4b erfolgen. Alternativ werden die Mikrostrukturen 3 in den beiden Teilbereichen 4a, 4b nach einer ersten Honstufe eingebracht, und danach erfolgt eine abschließende Spiegelhonung der gesamten axialen Länge der Zylinderlaufbuchse einschließlich der Teilbereiche 4a und 4b, ohne dabei die Mikrostrukturen 3 zu entfernen.The production of the desired surface structure of the tread 2 can either by honing, such as by so-called "diato Spiegelhonungen", or spindles and subsequent introduction of the microstructures 3 by laser processing in the subareas 4a . 4b respectively. Alternatively, the microstructures 3 in the two subareas 4a . 4b introduced after a first honing stage, and then there is a final mirror honing the entire axial length of the cylinder liner including the sections 4a and 4b without losing the microstructures 3 to remove.

Das Honen oder auch Spindeln erfolgt dabei bei beiden Varianten zweckmäßiger Weise entlang der gesamten axialen Länge der Zylinderlaufbahn 1, da dies den Herstellungsprozess wesentlich einfacher gestaltet, als wenn nur der Bereich 5 gehont oder gespindelt würde.The honing or spindles takes place in both variants expedient manner along the entire axial length of the cylinder bore 1 because this makes the manufacturing process much easier than just the area 5 would be honed or spindled.

Claims (10)

Zylinderlaufbahn (1) mit einer gehonten Lauffläche (2), dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Teilbereiche (4a, 4b) der Lauffläche (2) mit Mikrostrukturen (3) versehen sind.Cylinder liner ( 1 ) with a honed tread ( 2 ), characterized in that several subregions ( 4a . 4b ) of the tread ( 2 ) with microstructures ( 3 ) are provided. Zylinderlaufbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Mikrostrukturen (3) aufweisenden Teilbereiche (4a, 4b) um einen oberen und einen unteren Totpunkt eines in der Zylinderlaufbahn (1) geführten Kolbens vorgesehen sind.Cylinder liner according to claim 1, characterized in that the microstructures ( 3 ) ( 4a . 4b ) about an upper and a lower dead center of a cylinder in the ( 1 ) guided piston are provided. Zylinderlaufbahn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Mikrostrukturen (3) ein Ölrückhaltevolumen definiert ist.Cylinder liner according to claim 1 or 2, characterized in that through the microstructures ( 3 ) an oil retention volume is defined. Zylinderlaufbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Teilbereichen (4a, 4b) mit den Mikrostrukturen (3) ein axial mittlerer Bereich (5) ohne Mikrostruktur (3) vorgesehen ist.Cylinder track according to one of claims 1 to 3, characterized in that between the subregions ( 4a . 4b ) with the microstructures ( 3 ) an axially middle region ( 5 ) without microstructure ( 3 ) is provided. Zylinderlaufbahn nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der axial mittlere Bereich (5) mit einer Spiegelhonung versehen ist.Cylinder liner according to claim 4, characterized in that the axially middle region ( 5 ) is provided with a mirror honing. Zylinderlaufbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen (3) mittels Laserbearbeitung hergestellt sind.Cylinder lining according to one of claims 1 to 5, characterized in that the microstructures ( 3 ) are produced by laser processing. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn (1) zum Einsetzen in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer gehonten Lauffläche (2), wobei in der Lauffläche (2) mehrere Teilbereichen (4a, 4b) mit Mikrostrukturen (3) versehen sind, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Honen der Lauffläche (2) auf gesamter axialer Länge, und – Einbringen der Mikrostrukturen (3) in den mehreren Teilbereichen (4) der Lauffläche (2).Method for producing a cylinder liner ( 1 ) for insertion into a cylinder of an internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, with a honed running surface ( 2 ), whereby in the tread ( 2 ) several subregions ( 4a . 4b ) with microstructures ( 3 ), the method comprising the following steps: - honing the tread ( 2 ) over the entire axial length, and - introducing the microstructures ( 3 ) in the several subregions ( 4 ) of the tread ( 2 ). Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die gesamte Lauffläche (2) mit einer abschließenden Spiegelhonung bearbeitet wird und dann die Mikrostrukturen (3) in die mehreren Teilbereiche (4a, 4b) eingebracht werden.A method according to claim 7, characterized in that first the entire tread ( 2 ) is processed with a final mirroring and then the microstructures ( 3 ) into the several subregions ( 4a . 4b ) are introduced. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Durchführung einer ersten und gegebenenfalls zweiten Honstufe der gesamten Lauffläche (2) die Mikrostrukturen (3) in die mehreren Teilbereiche (4a, 4b) eingebracht werden und anschließend die gesamte Lauffläche einschließlich der Teilbereiche mit den Mikrostrukturen mit einer Spiegelhonung bearbeitet wird.A method according to claim 7, characterized in that after performing a first and optionally second honing stage of the entire tread ( 2 ) the microstructures ( 3 ) into the several subregions ( 4a . 4b ) are introduced and then the entire tread including the portions is processed with the microstructures with a mirror honing. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen (3) mittels Laserbearbeitung ind die mehreren Teilbereiche (4a, 4b) eingebracht werden.Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the microstructures ( 3 ) by means of laser processing in the several subregions ( 4a . 4b ) are introduced.
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