DE19548718C1

DE19548718C1 - Cylinder liner for motor vehicle IC-engine

Info

Publication number: DE19548718C1
Application number: DE1995148718
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl Ing Gasthuber; Matthias Dr Ing Woydt
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1995-12-23
Filing date: 1995-12-23
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2015-12-24

Abstract

The I.C. engine component has a sliding frictional contact surface with a lubricating oxide (LO) layer (12) or a base layer (12). On its upper surface, in the active area, a similar layer is built up. The base layer has, in the active contact areas, the lubricating oxide layer which can be Nitride or Carbide bound with a stoichiometric or substoichiometric metallic component ie. Ti,Al,Mo,V,Cr or a mixture of these metallic elements. The surface layer can be deposited through thermal spraying on the base component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil eines Verbrennungsmotors, mit einem im Motorbetrieb bewegungsreibungsbelasteten Bereich.The invention relates to a component of an internal combustion engine, with an area subject to kinetic friction during engine operation.

Reibungsbelastete Bauteile finden sich beispielsweise in einer Kolben-Laufbüchsen-Einheit, einer Kurbeltriebeinheit und einer Ventiltriebeinheit eines Kraftfahr zeug-Verbrennungsmotors.Find components subject to friction for example in a piston-liner unit, one Crank drive unit and a valve drive unit of a motor vehicle stuff internal combustion engine.

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.Conventionally, lubrication is used in engine operation Motor parts moving relative to one another and adjacent to one another Motor oil is used as a fuel, which has a hydrodynamic Provides lubricating film. There are various additives in engine oil buried, in addition to the wear protection function, further emergency to be able to perform agile or desired functions. Here are especially the so-called high pressure additives, also EP (Extreme ly Pressure) additives, and viscosity improvers too call. The former contain substances that adhere to the rubbing Attach surfaces or react chemically with them to get there to form a kind of microscopic brush structure and thereby to be able to absorb the shear forces caused by friction. Problema The table here is that the high-pressure additives are in operation consume and often for one downstream of the engine Release the catalytic converter harmful substances such as Phos phor and zinc. The viscosity improvers are said to cause with increasing engine temperature, the engine oil viscosity does not decreases sharply, and for this purpose usually consist of ball-shaped mig molecular structures. Other additives serve as corrosion protection, as oxidation protection friction reducer (Friction mo difyer) and as a foam inhibitor. In addition, the engine oil must be part wise perform a cooling function and be able to Ver dissipate wear particles.

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.Since this fuel in the form of conventional engine oil for one consumes itself relatively quickly, which is more common when changing the engine oil sel makes necessary, and second because of its composition problematic from an environmental point of view has already been reported dental alternatives in the form of so-called oil-free motors beaten. For example, in US Pat. No. 4,846,051, a Cooled, oil-free internal combustion engine described, in which two piston and liner are a gas film under pressure serves as a lubricant. As material for pistons and liners sintered silicon nitride is preferably used there.

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.Furthermore, the use of a class of materials, which are referred to as so-called solid lubricants for which surfaces subject to friction from one another in engine operation moving internal combustion engine parts proposed, as z. B. in the patents DE 37 25 495 02, US 5,302,450 and US 5,332,422. These solid lubricants are structured in so-called intrinsic solid lubricants, which are already from Naturally a layered structure with a typical shear have stress less than about 50 MPa, and extrinsic Solid lubricants, such as. B. graphite, which only by doping with Foreign substances (so-called intercalation atoms) in their lubricant function can be activated and otherwise abrasive in its pure form are. Because of their non-oxidic nature, these are solid lubricants substances at elevated temperatures in an atmospheric oxygen environment often not sufficiently stable and therefore in internal combustion engines not completely without an engine oil solely to ensure adequate lubrication radio suitable.

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.The basic publication MN Gardos, "The Effect of Anion Vacancies on the Tribological Properties of Rutile (TiO _2-x )", Tribology Transactions, Volume 31, 4, page 427 describes the effect of anion defects on the tribological properties of TiO _2-x reports. This titanium oxide material with just under stoichiometric oxygen content belongs with a number of other metal oxides to a class of substances for which the term Lubricious Oxides, hereinafter abbreviated to LO, is common.

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.The invention is based on the object to provide an internal combustion engine component, where with little effort for a reliable and comparatively environmentally friendly lubrication function and thus the wear of the components subject to friction is reduced.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is performed by a generic device the characterizing features of claim 1 solved.

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.In engine operation, there is an LO layer on the surface of such a component subjected to friction, which acts as a solid lubricating film due to its shear force-absorbing properties and fulfills a reliable and permanent wear protection function. The LO materials, which include, in addition to titanium oxide, tungsten and vanadium oxide, for example, exist in terms of their crystal structure in the so-called Magnelli phase and usually show shear stresses significantly less than 100 MPa. These metal oxides with un terstoichiometric oxide content form on the basis of so-called planar defects crystallographically oriented shear planes, on which even with low shear forces of z. B. only 10 MPa Git can take place. One example is the rutile lattice of TiO₂, which adapts to the oxygen deficit of the resulting TiO _2-x with sub-stoichiometric oxygen content, ie x <0, when the oxygen is removed due to the formation of the shear planes. It turns out that the LO materials in engine operation to provide the necessary wear protection for the frictionally loaded component are unexpectedly suitable, and that over the entire temperature range relevant for internal combustion engines from the still cold engine to the warmed up engine. If all of the components of an internal combustion engine subject to friction are provided with the LO surface layer, this offers the option of dispensing with engine oil entirely on the engine, or better designing the engine oil without the use of high-pressure additives and viscosity improvers to fulfill other desired functions , for example for cooling, for removing wear particles, as corrosion protection and / or as oxidation protection. This also allows the use of environmentally compatible engine oils and / or a noticeable extension of the engine oil service life. The LO materials themselves are not critical with regard to environmental pollution.

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.The component can be used directly to provide the LO lubrication layer be coated with the LO material, or it will be coated with a Coated base layer, on the surface of which, for. B. only un engine operating conditions form the LO layer. The last called procedure has the advantage that the component in front installation in the engine can be easily handled without the risk there is that the applied LO layer wiped away or otherwise how is hurt. In this case, the LO- Layer just in the necessary for wear protection low thickness, and worn-out LO material can underlying base layer at any time during engine operation be delivered. Because as soon as the base layer at the due the temperature increased with the friction in the friction gap oxygen, e.g. B. atmospheric oxygen or engine oil Cracked oxygen, comes into contact, forms superficially the 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.In claim 2 are advantageous materials for applying a Base layer specified on the internal combustion engine component, the un engine operating conditions due to oxidation the LO lubrication form a layer on its surface.

Wenn die LO-Schicht direkt auf das Verbrennungsmotorbauteil auf gebracht wird, kann dies vorzugsweise auf eine der in Anspruch 3 angegebenen Arten erfolgen. When the LO layer is applied directly to the engine component brought, this can preferably on one of the in claim 3 specified types.

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.In claim 4 are important examples of that with the LO layer provided provided internal combustion engine component. Are preferred all components of an engine that are subject to friction Lubrication traditionally engine oil, another liquid Lubricant or a solid lubricant is used little at least in its frictional surface section with the Provide LO layer.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnun gen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zei gt:Preferred embodiments of the invention are in the drawings shown and are described below. Here zei >

Fig. 1 eine teilweise Längsschnittansicht einer Kolben-Lauf büchsen-Einheit eines Verbrennungsmotors mit Schmieroxid (LO)-Beschichtung, Fig. 1 is a partial longitudinal sectional view of a piston-liners unit of an internal combustion engine with Schmieroxid (LO) coating,

Fig. 2 eine Detaillängsschnittansicht einer Motorbauteil-Rei bungspaarung mit direkt aufgebrachter Schmieroxid-Be schichtung und Fig. 2 is a detailed longitudinal sectional view of an engine component Rei pairing with directly applied lubricating oxide coating and

Fig. 3 eine Ansicht entsprechend Fig. 2, jedoch mit auf die Reibungspartner aufgebracht er, schmieroxidbildender Grundschicht. Fig. 3 is a view corresponding to FIG. 2, but with applied to the friction partner, lubricating oxide-forming base layer.

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.The piston-liner unit of an internal combustion engine shown in Fig. 1 includes in the usual way a liner ( 1 ) in which a piston ( 2 ) is guided axially. The air gap ( 3 ) formed between the piston ( 2 ) and the liner ( 1 ) is sealed with piston rings ( 4 ). The radially outer piston ring surfaces consequently form the respective friction partners with the inner surface of the liner ( 1 ) during engine operation. To absorb the resulting frictional forces, i.e. above all the shear forces caused by the axial relative movement between the piston ( 2 ) and the liner ( 1 ), and as a wear protection there is a layer ( 5 ) made of an LO (Lubricious Oxide) material on the inside the liner ( 1 ) and a similar layer ( 6 ) made of LO material on the ra dialen outside of the piston rings ( 4 ).

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.The under the technical term Lubricious Oxides, e.g. B. also known as lubricating oxides, known LO materials are metal loxides that change their crystallographic properties when oxygen is withdrawn from their stoichiometric composition by transition into the so-called Magnell phase so that they comparatively in this state with just under stoichiometric oxygen content are easy to shear, typically having shear stresses of significantly less than 100 MPa. An important representative is that from the stoichiometric TiO₂ by the formation of oxygen vacancies TiO _2-x , with x <0. Typical values for x are, for example, in the range between 0 and 0.2. Other metal oxides, such as tungsten oxide, molybdenum oxide and vanadium oxide, also show this low shear stress in their state with substoichiometric oxygen content. It is shown in an unexpected manner that these LO layers, as are shown in FIG. 1 by way of example on the inside of the cylinder liners and on the outside of the piston ring, are very stable under the temperature conditions prevailing in an engine during operation and are stable over the whole Provide sufficiently reliable lubrication properties across the temperature range.

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.Preferably, all components of an internal combustion engine subject to friction can be provided with such an LO coating, so that the shear force-absorbing function and thus the wear protection function for the entire engine can be taken over by this LO material if required. Since the LO materials are already oxides, the problems encountered in the so-called solid lubricants, such as MoS₂, WSe₂, hexagonal BN, of the deterioration in the lubricating properties due to oxidation do not occur. In particular, such an LO coating of mutually moving, mutually adjacent friction partners in engine operation not only, as shown in Fig. 1, for the piston-liner unit of the engine, but depending on the application z. B. also be provided in the crank drive unit and / or in the valve train unit of the engine, as in the partial systems piston skirt / cylinder race, connecting rod eye / crankshaft crank pin, main bearing / crank pin, piston / connecting rod / piston pin, camshaft / valve actuating element / valve and valve / Valve guidance in sliding and / or rolling contact. Of course, it may also be sufficient, depending on requirements, to provide only one of two friction partners of an engine with the LO layer.

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.The use of the LO coating for the frictional Internal combustion engine components allow both the operation of the engine in dry running in air as well as in connection with introduced Liquids, such as engine oils. The LO coating takes over there which are traditionally mostly from EP (Extremely Pressure) -Ad ditiven, d. H. High pressure additives that only in connection with egg nem liquid lubricant can be used, provided Wear protection function. The possible waiver of EP Additives eliminates those with their heavy metal contents, e.g. B. on Phosphorus and zinc, associated dangers of a relatively rapid Damage to the catalyst and creates with additional use of Engine oil is the prerequisite for a longer engine oil service life and therefore longer engine oil change intervals. Moreover, can by using the LO coating mostly on a visco sitätsverbesserer be omitted in the engine oil, so that the Mo if necessary, gate oil only on the functions of the structure hydrodynamic lubricating film and the removal of Ver wear particles as well as the engine cooling (i.e. inclusion of the Process heat) needs to be designed. Optionally, you can then Engine oil still in the conventional way additives for corrosion and oxidation protection as well as to prevent foam be.

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.For the application of the respective LO coating on the surface operation of a motor component subjected to friction in the motor operation, such as, for. B. the two LO layers ( 5 , 6 ) of Fig. 1, two alternatives are available. On the one hand, the LO layer can be applied directly by thermal spraying, a PVD or a CVD process of a conventional type. The resulting situation is shown schematically for two components facing each other as friction partners in FIG. 2. There is an LO surface layer ( 12 , 13 ) applied to both a base body ( 10 ) of a first combustion engine component and on a base body ( 11 ) of a second engine component in friction contact, z. B. consisting of TiO _2-x with 0 <x <0.2. As mentioned above, the intermediate bearing gap ( 14 ) may be dry or contain a liquid such as engine oil. Typical materials for the base body ( 10 , 11 ) of the engine components are, for. B. gray cast iron or aluminum. It can be seen that the LO layers ( 12 , 13 ) can be applied to the base body materials conventionally used for friction-loaded engine components with sufficient adhesion.

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.A second possibility of forming a superficial LO layer on a frictionally loaded engine component surface is again shown in FIG. 3 by way of example using a pair of engine components. The two component base bodies ( 20 , 21 ) are provided with a base layer ( 22 , 23 ) made of a material on their surface sections that are rubbing against each other during engine operation, which material combines with the oxygen present in the bearing or friction gap ( 24 ) under engine operating conditions LO material reacts. The oxygen in the case of a dry-running engine can be direct atmospheric oxygen or in the case of the use of an operating fluid, such as engine oil, oxygen absorbed by this liquid and / or chemically bound oxygen. In this variant, the respective LO surface layer ( 25 , 26 ) desirably forms in a comparatively small thickness. Another advantage of this variant is the fact that the LO layer ( 25 , 26 ) can renew itself from the respective base layer ( 22 , 23 ) if it has been removed at one point during operation. The base layer ( 22 , 23 ) forms a kind of depot for the current provision of a sufficient LO layer ( 25 , 26 ). Since the respective LO layer (25, 26) generally until the current engine operating on the surface of the corresponding base layer (22, 23) and also takes out the base layer (22, 23) can be replaced out of the in handling Engine components are not to be taken care that an assembled LO layer is not wiped or otherwise injured when assembling the engine. Compared to the LO material, the base layer material is much less susceptible to such contact influences during assembly.

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.Suitable base layer materials are in particular the carbides and nitrides of the LO-forming metals, such as TiC, TiN, (Ti, Al) N, Ti (C, N), (Ti, Mo) (C, N), VC and CrN. The metal component can also be represented slightly sub-stoichiometrically. For example, the base layers ( 22 , 23 ) can consist of TiC or TiN, from which the LO material TiO _2-x with x <0 is formed at the latest during engine operation due to the increasing engine temperature due to the friction on the base layer surface.

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.Depending on the application, it may be sufficient to provide only a part of the friction-loaded surface of the respective internal combustion engine with an LO-forming base layer material. This optional modification is punctured in Fig. 3 for the base layer ( 22 ) of one of the two friction partner components as a division of the same into three sections ( 22 a, 22 b, 22 c) illustrated along the arrow (P) indicated relative movement direction of the friction partners lie one behind the other. In a multi-phase material, the two poultry stocks can initially ( 22 a, 22 c) in this case, for. B. consist of SiC and / or Si₃N₄, while the middle base layer section (structural component) ( 22 b) is designed as an LO-forming section and is formed from TiC and / or TiN. Static oxidation already before the first engine operation and / or at the latest by tribochemical oxidation in engine operation forms the LO layer of TiO _2-x on the surface of this middle base layer section ( 22 b) made of TiN or TiC, while on the Surface of the two other base layer sections ( 22 a, 22 c) forms a solid surface layer of mixed silicon oxide with nitride and / or carbide proportions depending on the conditions. The LO material formed on the surface of the central base layer section ( 22 b) is also distributed over the surfaces of the non-LO-forming base layer sections ( 22 a, 22 c) due to the rubbing relative movement of the two components, as a result of which again in total a LO surface layer is available as a wear protection.

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.Like the above description of preferred exemplary embodiments shows, the provision of an LO layer according to the invention results in the frictional surface section of a combustion engine door component in, it turns out, unexpectedly favorable Mo gate wear protection properties and in a range of them associated advantages, such as the possible waiver EP additives and viscosity improvers for the in such The engine may still use liquid fuel.

Claims

1. component of an internal combustion engine, with

- An area subject to kinetic friction in engine operation, characterized in that
- The internal combustion engine component in the friction-loaded loading area with a on a base body ( 10 ) applied LO (Lubricious Oxide) layer ( 12 ) or a base layer ( 23 ) is provided on its surface under engine operating conditions such an LO layer ( 26 ) forms.

2. Internal combustion engine component according to claim 1, characterized in that the base layer ( 23 ) for forming the LO surface layer un ter engine operating conditions from a nitride and / or carbide compound of a stoichiometric or substoichiometric existing metal component, the Ti, Al , Mo, V, Cr or mixed proportions of these metal elements.

3. Internal combustion engine component according to claim 1, characterized in that the LO surface layer ( 12 ) by a PVD or a CVD process or by thermal spraying on the component base body by ( 10 ) is applied.

4. Internal combustion engine component according to one of claims 1 to 3, characterized in that it is part of one of the friction-loaded engine subsystems pistons / Connecting rod / piston pin, piston / piston ring / cylinder liner, piston shirt / cylinder barrel, connecting rod eye / crankshafts / crank pin, main bearing / crank pin, valve / valve guide and camshaft / valve actuator / valve is.