DE19548718C1 - Reibungsbelastetes Bauteil eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil eines Verbrennungsmotors, mit einem im Motorbetrieb bewegungsreibungsbelasteten Bereich.

Reibungsbelastete Bauteile finden sich beispielsweise in einer Kolben-Laufbüchsen-Einheit, einer Kurbeltriebeinheit und einer Ventiltriebeinheit eines Kraftfahr­ zeug-Verbrennungsmotors.

Herkömmlicherweise wird zur Schmierung von sich im Motorbetrieb relativ zueinander bewegenden, aneinandergrenzenden Motorteilen als Betriebsstoff Motoröl eingesetzt, das einen hydrodynamischen Schmierfilm bereitstellt. Dem Motoröl sind verschiedene Additive beigesetzt, um neben der Verschleißschutzfunktion weitere not­ wendige oder gewünschte Funktionen erfüllen zu können. Hier sind insbesondere die sogenannten Hochdruckadditive, auch EP (Extreme­ ly Pressure)-Additive genannt, und Viskositätsverbesserer zu nennen. Erstere beinhalten Substanzen, die sich an den reibenden Oberflächen anlagern oder mit diesen chemisch reagieren, um dort eine Art mikroskopischer Bürstenstruktur auszubilden und dadurch die reibungsbedingten Scherkräfte aufnehmen zu können. Problema­ tisch ist hierbei, daß sich die Hochdruckadditive im Betrieb verbrauchen und dabei häufig für einen dem Motor nachgeschalte­ ten Abgaskatalysator schädliche Substanzen freisetzen, wie Phos­ phor und Zink. Die Viskositätsverbesserer sollen bewirken, daß mit steigender Motortemperatur die Motorölviskosität nicht so stark abnimmt, und bestehen zu diesem Zweck meist aus knäuelför­ migen Molekülgebilden. Weitere Additive dienen als Korrosions­ schutz, als Oxidationsschutz Reibungsverminderer (Friction mo­ difyer) und als Schaumverhinderer. Daneben muß das Motoröl teil­ weise eine Kühlfunktion erfüllen und in der Lage sein, Ver­ schleißpartikel abzuführen.

Da dieser Betriebsstoff in Form des herkömmlichen Motoröls zum einen sich relativ rasch verbraucht, was häufigere Motorölwech­ sel nötig macht, und zum anderen aufgrund seiner Zusammensetzung unter Umweltaspekten problematisch ist, wurden bereits verschie­ dentliche Alternativen in Form sogenannter ölfreier Motoren vor­ geschlagen. So wird in der Patentschrift US 4.846.051 ein unge­ kühlter, ölfreier Verbrennungsmotor beschrieben, bei dem zwi­ schen Kolben und Laufbüchse ein unter Druck stehender Gasfilm als Schmiermittel dient. Als Material für Kolben und Laufbüchse wird dort vorzugsweise gesintertes Siliciumnitrid verwendet.

Des weiteren wurde die Verwendung einer Klasse von Materialien, die als sogenannte Festschmierstoffe bezeichnet werden, für die reibungsbelasteten Oberflächen von im Motorbetrieb gegeneinander bewegten Verbrennungsmotorteilen vorgeschlagen, wie dies z. B. in den Patentschriften DE 37 25 495 02, US 5.302.450 und US 5.332.422 beschrieben ist. Diese Festschmierstoffe gliedern sich in sogenannte intrinsische Festschmierstoffe, die bereits von Natur aus eine Schichtebenenstruktur mit einer typischen Scher­ spannung von weniger als etwa 50 MPa aufweisen, und extrinsische Festschmierstoffe, wie z. B. Graphit, die erst durch Dotieren mit Fremdstoffen (sog. Interkalationsatome) in ihrer Schmierstoff­ funktion aktiviert werden und ansonsten in reiner Form abrasiv sind. Wegen ihrer nichtoxidischen Art sind diese Festschmier­ stoffe bei erhöhten Temperaturen in einer Luftsauerstoffumgebung häufig nicht ausreichend stabil und daher in Verbrennungsmotoren bei voll ständigem Verzicht auf ein Motoröl nicht ohne weiteres allein zur Gewährleistung einer ausreichenden Schmierungsfunk­ tion geeignet.

In der grundlegenden Veröffentlichung M. N. Gardos, "The Effect of Anion Vacancies on the Tribological Properties of Rutile (TiO_2-x)", Tribology Transactions, Band 31, 4, Seite 427 wird über die Wirkung von Anionfehlstellen auf die tribologischen Ei­ genschaften von TiO_2-x berichtet. Dieses Titanoxid-Material mit knapp unterstöchiometrischem Sauerstoffgehalt gehört mit einer Reihe weiterer Metalloxide zu einer Stoffklasse, für welche die Bezeichnung Lubricious Oxides, nachfolgend mit LO abgekürzt, ge­ bräuchlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbrennungsmotorbauteil bereitzustellen, bei dem mit geringem Aufwand für eine zuverlässige und vergleichsweise umweltfreundliche Schmierungsfunktion gesorgt und somit der Verschleiß der reibungsbelasteten Komponenten ge­ mindert ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

An der reibungsbelasteten Oberfläche eines solchen Bauteils liegt im Motorbetrieb eine LO-Schicht vor, die aufgrund ihrer scherkraftaufnehmenden Eigenschaft als fester Schmierfilm fungiert und eine zuverläs­ sige und dauerhafte Verschleißschutzfunktion erfüllt. Die LO-Ma­ terialien, wozu neben Titanoxid beispielsweise auch Wolfram- und Vanadiumoxid gehören, liegen hinsichtlich ihrer Kristallstruktur in der sogenannten Magnelli-Phase vor und zeigen Scherspannungen meist deutlich weniger als 100 MPa. Diese Metalloxide mit un­ terstöchiometrischem Oxidanteil bilden auf der Basis sogenannter planarer Defekte kristallographisch orientierte Scherebenen, auf denen schon bei geringen Scherkräften von z. B. nur 10 MPa Git­ tergleitungen stattfinden können. Ein Beispiel ist das Rutil­ gitter von TiO₂, das sich bei Sauerstoffentzug durch die Bildung der Scherebenen dem Sauerstoffdefizit des entstehenden TiO_2-x mit unterstöchiometrischem Sauerstoffanteil, d. h. x<0, anpaßt. Es zeigt sich, daß die LO-Materialien im Motorbetrieb zur Bereit­ stellung des erforderlichen Verschleißschutzes für das reibungs­ belastete Bauteil unerwartet tauglich sind, und zwar über den gesamten, bei Verbrennungsmotoren relevanten Temperaturbereich vom noch kalten Motor bis zum warmgelaufenen Motor. Wenn alle reibungsbelasteten Bauteile eines Verbrennungsmotors mit der LO- Oberflächenschicht versehen sind, bietet dies die Möglichkeit, bei dem Motor ganz auf ein Motoröl zu verzichten oder das Mo­ toröl unter Verzicht auf Hochdruckadditive und Viskositätsver­ besserer optimal auf die Erfüllung anderer gewünscht er Funktio­ nen hin auszulegen, beispielsweise zum Kühlen, zum Abführen von Verschleißpartikeln, als Korrosionsschutz und/oder als Oxidati­ onsschutz. Dies erlaubt zudem die Verwendung umweltverträgliche­ rer Motoröle und/oder einer merklichen Verlängerung der Motoröl­ gebrauchsdauer. Die LO-Materialien selbst sind hinsichtlich Um­ weltbelastungen unkritisch.

Zur Bereitstellung der LO-Schmierschicht kann das Bauteil direkt mit dem LO-Material beschichtet werden, oder es wird mit einer Grundschicht beschichtet, an deren Oberfläche sich z. B. erst un­ ter Motorbetriebsbedingungen die LO-Schicht bildet. Die letztge­ nannte Vorgehensweise hat den Vorteil, daß sich das Bauteil vor dem Einbau im Motor leicht handhaben läßt, ohne daß die Gefahr besteht, daß die aufgebrachte LO-Schicht weggewischt oder sonst­ wie verletzt wird. Außerdem entsteht in diesem Fall die LO- Schicht gerade in der jeweils für den Verschleißschutz notwen­ digen, geringen Dicke, und abgetragenes LO-Material kann von der darunterliegenden Grundschicht im Motorbetrieb jederzeit nachge­ liefert werden. Denn sobald die Grundschicht bei der aufgrund der Reibung erhöhten Temperatur mit dem im Reibungsspalt vorlie­ genden Sauerstoff, z. B. Luftsauerstoff oder vom Motoröl mitge­ rissener Sauerstoff, in Kontakt kommt, bildet sich oberflächlich das LO-Material.

In Anspruch 2 sind vorteilhafte Materialien zum Aufbringen einer Grundschicht auf das Verbrennungsmotorbauteil angegeben, die un­ ter Motorbetriebsbedingungen durch Oxidation die LO-Schmier­ schicht an ihrer Oberfläche bilden.

Wenn die LO-Schicht direkt auf das Verbrennungsmotorbauteil auf­ gebracht wird, kann dies vorzugsweise auf eine der in Anspruch 3 angegebenen Arten erfolgen.

In Anspruch 4 sind wichtige Beispiele für das mit der LO-Schicht versehene Verbrennungsmotorbauteil genannt. Vorzugsweise sind sämtliche reibungsbelasteten Bauteile eines Motors, zu deren Schmierung herkömmlicherweise Motoröl, ein anderes flüssiges Schmiermittel oder ein Festschmierstoff verwendet wird, wenig­ stens in ihrem reibungsbelasteten Oberflächenabschnitt mit der LO-Schicht versehen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnun­ gen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zei­ gt:

Fig. 1 eine teilweise Längsschnittansicht einer Kolben-Lauf­ büchsen-Einheit eines Verbrennungsmotors mit Schmieroxid (LO)-Beschichtung,

Fig. 2 eine Detaillängsschnittansicht einer Motorbauteil-Rei­ bungspaarung mit direkt aufgebrachter Schmieroxid-Be­ schichtung und

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend Fig. 2, jedoch mit auf die Reibungspartner aufgebracht er, schmieroxidbildender Grundschicht.

Die in Fig. 1 gezeigte Kolben-Laufbüchsen-Einheit eines Verbren­ nungsmotors beinhaltet in üblicher Weise eine Laufbüchse (1), in welcher ein Kolben (2) axialbeweglich geführt ist. Der zwischen Kolben (2) und Laufbüchse (1) gebildete Luftspalt (3) ist mit Kolbenringen (4) abgedichtet. Die radial außenliegenden Kolben­ ringoberflächen bilden folglich im laufenden Motorbetrieb die jeweiligen Reibpartner mit der innenseitigen Oberfläche der Laufbüchse (1). Zur Aufnahme der entstehenden Reibungskräfte, d. h. vor allem der durch die axiale Relativbewegung zwischen Kolben (2) und Laufbüchse (1) auftretenden Scherkräfte, und da­ mit als Verschleißschutz sind eine Schicht (5) aus einem LO(Lubricious Oxide)-Material auf der Innenseite der Laufbüchse (1) und eine ebensolche Schicht (6) aus LO-Material auf der ra­ dialen Außenseite der Kolbenringe (4) gebildet.

Die unter dem Fachbegriff Lubricious Oxides, z. B. auch als Schmieroxide benennbaren, bekannten LO-Materialien sind Metal­ loxide, die bei Entzug von Sauerstoff aus ihrer stöchiometri­ schen Zusammensetzung ihre kristallographischen Eigenschaften durch Übergang in die sogenannte Magnell-Phase so ändern, daß sie in diesem Zustand mit knapp unterstöchiometrischem Sauer­ stoffanteil vergleichsweise leicht scherbar sind, wobei sie ty­ pischerweise Scherspannungen von deutlich weniger als 100 MPa aufweisen. Ein wichtiger Vertreter ist das aus dem stöchiometri­ schen TiO₂ durch Bildung von Sauerstoffehlstellen hervorgehende TiO_2-x, mit x<0. Typische Werte für x liegen beispielsweise im Bereich zwischen 0 und 0,2. Auch andere Metalloxide, wie Wolf­ ramoxid, Molybdänoxid und Vanadiumoxid, zeigen in ihrem Zustand mit unterstöchiometrischem Sauerstoffanteil diese geringe Scher­ spannung. Es zeigt sich in nicht zu erwartender Weise, daß diese LO-Schichten, wie sie in Fig. 1 beispielhaft an der Laufbüchsen­ innenseite und der Kolbenringaußenseite angebracht sind, unter den in einem Motor im laufenden Betrieb herrschenden Temperatur­ bedingungen sehr stabil sind und über diesen gesamten Tempera­ turbereich hinweg ausreichend zuverlässige Schmierungseigen­ schaften bereitstellen.

Vorzugsweise können sämtliche reibungsbelasteten Bauteile eines Verbrennungsmotors mit einer solchen LO-Beschichtung versehen sein, so daß die scherkraftaufnehmende Funktion und damit die Verschleißschutzfunktion für den gesamten Motor bei Bedarf von diesem LO-Material übernommen werden kann. Da die LO-Materialien bereits Oxide sind, treten die bei den sogenannten Festschmier­ stoffen, wie MoS₂, WSe₂, hexagonales BN anzutreffenden Probleme der Verschlechterung der Schmiereigenschaften wegen Oxidation nicht auf. Insbesondere kann eine solche LO-Beschichtung von im Motorbetrieb relativ zueinander bewegten, aneinandergrenzenden Reibungspartnern nicht nur, wie in Fig. 1 dargestellt, für die Kolben-Laufbüchsen-Einheit des Motors sondern je nach Anwen­ dungsfall z. B. auch in der Kurbeltriebeinheit und/oder in der Ventiltriebeinheit des Motors vorgesehen sein, wie in den Teil­ systemen Kolbenhemd/Zylinderlaufbahn, Pleuelauge/Kurbelwellen- Hubzapfen, Hauptlager/Kurbelzapfen, Kolben/Pleuel/Kolbenbolzen, Nockenwelle/Ventilbetätigungselement/Ventil und Ventil/Ventil­ führung im Gleit- und/oder Wälzkontakt. Selbstverständlich kann es je nach Bedarf auch genügen, nur einen von zwei Reibungspart­ nern eines Motors mit der LO-Schicht zu versehen.

Die Verwendung der LO-Beschichtung für die reibungsbelasteten Verbrennungsmotorbauteile erlaubt sowohl den Betrieb des Motors im Trockenlauf an Luft als auch in Verbindung mit eingebrachten Flüssigkeiten, wie Motorölen. Die LO-Beschichtung übernimmt da­ bei die herkömmlicherweise meist von EP(Extremely Pressure)-Ad­ ditiven, d. h. Hochdruckadditiven, die nur in Verbindung mit ei­ nem flüssigen Schmiermittel einsetzbar sind, bereitgestellte Verschleißschutzfunktion. Der dadurch mögliche Verzicht auf EP- Additive beseitigt die mit deren Schwermetallgehalten, z. B. an Phosphor und Zink, verbundenen Gefahren einer relativ raschen Katalysatorschädigung und schafft bei zusätzlichem Einsatz von Motoröl die Voraussetzung für eine längere Motorölgebrauchsdauer und damit längeren Motorölwechselintervallen. Überdies kann durch die Verwendung der LO-Beschichtung meist auf einen Visko­ sitätsverbesserer im Motoröl verzichtet werden, so daß das Mo­ toröl gegebenenfalls nur noch auf die Funktionen des Aufbaus ei­ nes hydrodynamischen Schmierfilms und des Abführens von Ver­ schleißpartikeln sowie der Motorkühlung hin (d. h. Aufnahme der Prozeßwärme) ausgelegt zu sein braucht. Optional können dann im Motoröl noch in herkömmlicher Weise Zusätze zwecks Korrosions- und Oxidationsschutz sowie zur Schaumverhinderung vorgesehen sein.

Für das Aufbringen der jeweiligen LO-Beschichtung auf den im Mo­ torbetrieb reibungsbelasteten Oberflächenabschnitt eines Motor­ bauteils, wie z. B. der beiden LO-Schichten (5, 6) von Fig. 1, bieten sich zwei Alternativen an. Zum einen kann die LO-Schicht direkt durch thermisches Spritzen, ein PVD- oder ein CVD-Verfah­ ren herkömmlicher Art aufgebracht werden. Die daraus resultie­ rende Situation ist für zwei sich als Reibungspartner gegenüber­ stehende Bauteile in Fig. 2 schematisch dargestellt. Dort ist sowohl auf einen Grundkörper (10) eines ersten Verbrennungsmo­ tor-Bauteils als auch auf einen Grundkörper (11) eines in Rei­ bungskontakt gegenüberstehenden zweiten Motorbauteils eine LO- Oberflächenschicht (12, 13) aufgetragen, z. B. bestehend aus TiO_2-x mit 0<x<0,2. Wie oben erwähnt, kann der dazwischenliegende La­ gerspalt (14) trocken sein oder eine Flüssigkeit, wie Motoröl, enthalten. Typische Werkstoffe für die Grundkörper (10, 11) der Motorbauteile sind z. B. Grauguß oder Aluminium. Es zeigt sich, daß die LO-Schichten (12, 13) auf den herkömmlicherweise für reibungsbelastete Motorbauteile verwendeten Grundkörpermateria­ lien mit ausreichender Haftung aufgebracht werden können.

Eine zweite Möglichkeit der Bildung einer oberflächlichen LO- Schicht an einer reibungsbelasteten Motorbauteiloberfläche ist in Fig. 3 wiederum beispielhaft anhand eines Motorbauteil-Rei­ bungspaares dargestellt. Die beiden Bauteil-Grundkörper (20, 21) sind an ihren sich im Motorbetrieb reibend gegenüberliegenden Oberflächenabschnitten mit einer Grundschicht (22, 23) aus einem Material versehen, das unter Motorbetriebsbedingungen mit dem im Lager- bzw. Reibspalt (24) vorliegenden Sauerstoff zu einem LO- Material reagiert. Dabei kann der Sauerstoff im Fall eines trockenlaufenden Motors direkt Luftsauerstoff oder im Fall des Ein­ satzes einer Betriebsflüssigkeit, wie Motoröl, von dieser Flüs­ sigkeit aufgenommener Sauerstoff und/oder chemisch gebundener Sauerstoff sein. Bei dieser Variante bildet sich die jeweilige LO-Oberflächenschicht (25, 26) erwünschtermaßen in einer ver­ gleichsweise geringen Dicke. Ein weiterer Vorteil dieser Vari­ ante ist die Tatsache, daß sich die LO-Schicht (25, 26) aus der jeweiligen Grundschicht (22, 23) heraus erneuern kann, wenn sie während des Betriebs an einer Stelle abgetragen worden ist. Die Grundschicht (22, 23) bildet gewissermaßen ein Depot für die je­ derzeitige Bereitstellung einer ausreichenden LO-Schicht (25, 26). Da sich die jeweilige LO-Schicht (25, 26) meist erst im laufenden Motorbetrieb an der Oberfläche der zugehörigen Grund­ schicht (22, 23) bildet und außerdem aus der Grundschicht (22, 23) heraus erneuert werden kann, braucht bei der Handhabung der Motorbauteile nicht darauf geachtet zu werden, daß beim Zusam­ menbau des Motors eine aufgebrachte LO-Schicht nicht abgewischt oder sonstwie verletzt wird. Gegenüber dem LO-Material ist das Grundschichtmaterial wesentlich unanfälliger gegenüber solchen Berührungseinflüssen während der Montage.

Geeignete Grundschichtmaterialien sind insbesondere die Carbide und Nitride der LO-bildenden Metalle, wie TiC, TiN, (Ti,Al)N, Ti(C,N), (Ti,Mo) (C,N), VC und CrN. Dabei kann die Metallkompo­ nente jeweils auch geringfügig unterstöchiometrisch vertreten sein. Beispielsweise können die Grundschichten (22, 23) aus TiC oder TiN bestehen, woraus sich spätestens im Motorbetrieb auf­ grund der sich durch die Reibung erhöhenden Motortemperatur an der Grundschichtoberfläche das LO-Material TiO_2-x mit x<0 bildet.

Je nach Anwendungsfall kann es genügen, nur einen Teil der rei­ bungsbelasteten Oberfläche des jeweiligen Verbrennungsmotorbau­ teils mit einem LO-bildenden Grundschichtmaterial zu versehen. Diese optionale Modifikation ist in Fig. 3 für die Grundschicht (22) des einen der beiden Reibungspartner-Bauteile punktiert als Aufteilung derselben in drei Abschnitte (22a, 22b, 22c) illu­ striert, die längs der durch einen Pfeil (P) angedeuteten Rela­ tivbewegungsrichtung der Reibungspartner hintereinanderliegen. In einem mehrphasigen Werkstoff können die beiden Geflügebestand­ teile (22a, 22c) anfänglich in diesem Fall z. B. aus SiC und/oder Si₃N₄ bestehen, während der mittlere Grundschichtabschnitt (Gefügebestandteil) (22b) als LO-bildender Abschnitt gestaltet ist und aus TiC und/oder TiN gebildet ist. Durch statische Oxi­ dation bereits vor einem erstmaligen Motorbetrieb und/oder spä­ testens durch tribochemische Oxidation im Motorbetrieb bildet sich an der Oberfläche dieses mittleren Grundschichtabschnitts (22b) aus TiN bzw. TiC die LO-Schicht aus TiO_2-x, während sich an der Oberfläche der beiden anderen Grundschichtabschnitte (22a, 22c) eine feste Oberflächenschicht aus Siliciummischoxid mit je nach Bedingungen Nitrid- und/oder Carbidanteilen bildet. Das an der Oberfläche des mittleren Grundschichtabschnitts (22b) gebil­ dete LO-Material verteilt sich durch die reibende Relativbewe­ gung der beiden Bauteile auch über die Oberflächen der nicht LO- bildenden Grundschichtabschnitte (22a, 22c) hinweg, wodurch wie­ derum im gesamten reibungsbelasteten Bereich eine LO-Oberflä­ chenschicht als Verschleißschutz bereitsteht.

Wie die obige Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele zeigt, resultiert das erfindungsgemäße Vorsehen einer LO-Schicht im reibungsbelasteten Oberflächenabschnitt eines Verbrennungsmo­ torbauteiles in, wie sich herausstellt, unerwartet günstigen Mo­ torverschleißschutzeigenschaften und in einer Reihe von damit verbundenen Vorteilen, wie dem dadurch möglichen Verzicht auf EP-Additive und Viskositätsverbesserer für den in einem solchen Motor eventuell noch verwendeten flüssigen Betriebsstoff.

Claims (4)

1. Bauteil eines Verbrennungsmotors, mit

• - einem im Motorbetrieb bewegungsreibungsbelasteten Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß
• - das Verbrennungsmotor-Bauteil in dem reibungsbelasteten Be­ reich mit einer auf einen Grundkörper (10) aufgebrachten LO(Lubricious Oxide)-Schicht (12) oder einer Grundschicht (23) versehen ist, die an ihrer Oberfläche unter Motorbetriebsbe­ dingungen eine derartige LO-Schicht (26) bildet.

2. Verbrennungsmotor-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschicht (23) zur Bildung der LO-Oberflächenschicht un­ ter Motorbetriebsbedingungen aus einer Nitrid- und/oder Carbid- Verbindung einer stöchiometrisch oder unterstöchiometrisch vor­ handenen Metallkomponente besteht, die Ti, Al, Mo, V, Cr oder gemischte Anteile dieser Metallelemente enthält.

3. Verbrennungsmotor-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die LO-Oberflächenschicht (12) durch ein PVD- oder ein CVD-Ver­ fahren oder durch thermischen Spritzen auf den Bauteil-Grundkör­ per (10) aufgebracht ist.

4. Verbrennungsmotor-Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es Teil eines der reibungsbelasteten Motorteilsysteme Kolben/ Pleuel/Kolbenbolzen, Kolben/Kolbenring/Zylinderlaufbahn, Kolben­ hemd/Zylinderlaufbahn, Pleuelauge/Kurbelwellen/Hubzapfen, Haupt­ lager/Kurbelzapfen, Ventil/Ventilführung und Nockenwelle/Ventil­ betätigungselement/Ventil ist.