DE19912692A1 - Zylinderblock für einen Kolbenmotor - Google Patents

Abstract

Zylinderblock aus einer Leichtmetallegierung für einen Kolbenmotor mit wenigstens einer Zylinderlaufbuchse und eingegossenen, von den Kurbelwellenlagerböcken bis zur Auflagefläche eines Zylinderkopfs reichenden Lagerstühlen aus einer gegenüber der Zylinderblocklegierung eine höhere Warmfestigkeit und Dauerfestigkeit sowie einen niedrigeren Wärmedehnungskoeffizienten aufweisenden Leichtmetallegierung, die die Zylinderkopf- und Kurbelwellenlagerschrauben oder durchgehende Zuganker aufnehmen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderblock aus einer Leichtmetallegierung für einen Kolbenmotor mit wenigstens einer Zylinderlaufbuchse.

Bei Kolbenmotoren, insbesondere Kolbenmotoren für Personenkraftfahrzeuge, ist man bestrebt, das Gewicht weitestgehend zu vermindern. Es ist daher bekannt, die Zylinderblöcke aus einer Leichtmetallegierung herzustellen. Kostengünstige, gut gießfähige und gut bearbeitbare Leichtmetallegierungen weisen indessen eine verhältnismäßig niedrige Warm- und Dauerfestigkeit, einen hohen Wärmedehnungskoeffizienten und einen schlechten Verschleißwiderstand an den Kolbenlaufflächen der Zylinderbohrungen auf.

Um die Verschleißfestigkeit der Laufflächen zu erhöhen, ist es bekannt, nasse oder trockene Graugußzylinderlaufbuchsen vorzusehen, die nachträglich in den fertig bearbeiteten Zylinderblock eingesetzt werden oder beim Gießen des Zylinderblocks mit der Leichtmetallegierung umgossen werden. Des weiteren ist es bekannt, den Zylinderblock aus einer übereutektischen Aluminium-Siliziumlegierung einschließlich der Zylinderlaufflächen herzustellen. Derartige, übereutektische Aluminium-Siliziumlegierungen ergeben aufgrund der sich beim Abkühlen ausscheidenden Siliziumprimärkristalle eine gute Verschleißfestigkeit der Laufflächen in den Zylinderlaufbuchsen, jedoch sind diese Legierungen schwieriger zu gießen und schlechter zu bearbeiten, da die harten Siliziumprimärkristalle zu einem hohen Werkzeugverschleiß führen.

Man ist daher bestrebt, für das Kurbelgehäuse eine kostengünstige, gut gießfähige und bearbeitbare Leichtmetallegierung zu verwenden, jedoch ergeben diese Leichtmetallegierungen Probleme mit den sich bei hoher Verdichtung der modernen Kolbenmotoren ergebenden hohen Verbrennungsdrücken, insbesondere bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, denen diese Leichtmetallegierungen nicht gewachsen sind.

Gemäß der EP 0 554 575 A1 und der EP 0 695 866 A1 ist es bereits bekannt, den Zylinderblock aus einem aus der Zylinderlaufbuchse, der Kurbelwellenlageraufnahme und dem Motorfuß gebildeten Grundblock aus Grauguß und einem darum herum gegossenen Gehäuse aus einer Leichtmetallegierung herzustellen. Zwischen der oder den Zylinderlaufbuchsen und dem Gehäuse aus der Leichtmetallegierung ist ein Wassermantel gebildet, wobei der aus der oder den Zylinderlaufbuchsen, der Kurbelwellenlageraufnahme und dem Motorfuß gebildete Grundblock aus Grauguß dazu dient, den Kraftfluß zwischen dem Zylinderkopf und der Kurbelwellenlagerung in vollem Umfang aufzunehmen.

Diese bekannte Ausführungsform eines Zylinderblocks ist zwar geeignet, für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung und entsprechend hohen Verbrennungsdrücken verwendet zu werden, ist jedoch nicht als ein Leichtbauteil anzusehen, da ein großer Teil des Gewichts auf den aus der oder den Zylinderlaufbuchsen, der Kurbelwellenlageraufnahme und dem Motorfuß gebildete Grundblock aus Grauguß entfällt.

Zwar wird in der EP 0 695 866 A1 angegeben, daß der Grundblock aus anderen Legierungen als aus Grauguß bestehen kann, wenn nur die Steifigkeit des Materials des Grundblocks größer als die des Zylinderblocks ist, jedoch ist keine Angabe gemacht, welche Materialien geeignet sind, und diese Materialien sollen für den gesamten Grundblock, d. h. sowohl als Zylinderlaufbuchsen als auch als Kurbelwellenlageraufnahme geeignet sein.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Zylinderblock für einen Kolbenmotor zu schaffen, der bei möglichst niedrigem Gewicht den hohen Beanspruchungen moderner Motoren gewachsen ist und bei dem es möglich ist, die jeweils am besten geeigneten Materialien für die Zylinderlaufbuchsen, für die kraftleitenden Elemente und für den Zylinderblock auszuwählen, ohne hinsichtlich der geforderten Eigenschaften nachteilige Kompromisse eingehen zu müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Zylinderblock aus einer Leichtmetallegierung für einen Kolbenmotor mit wenigstens einer Zylinderlaufbuchse vorgeschlagen, erfindungsgemäß eingegossene, von den Kurbelwellenlagerböcken bis zur Auflagefläche eines Zylinderkopfs reichende Lagerstühle aus einer gegenüber der Zylinderblocklegierung eine höhere Warm- und Dauerfestigkeit sowie einen niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten aufweisenden Leichtmetallegierung, die die Zylinderkopf und Kurbelwellenlagerschrauben oder durchgehende Zuganker aufnehmen, vorzusehen.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, für den gesamten Zylinderblock einschließlich der kräfteaufnehmenden und -weiterleitenden Bereiche Leichtmetallegierungen vorzusehen und zwar für die den Wassermantel und das Kurbelgehäuse bildende Leichtmetallegierung des Zylinderblocks eine kostengünstige, gut gießfähige und mechanisch gut bearbeitbare Leichtmetallegierung zu verwenden. Für die Lagerstühle wird demgegenüber eine Leichtmetallegierung mit höherer Warm- und Dauerfestigkeit sowie einem niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten verwendet, so daß sich in der Verbindung zwischen Kurbelgehäuse und Zylinderkopf höhere Kräfte übertragen lassen und ein durchgehender Kraftfluß von den Kurbelwellenlagerböcken bis zum Zylinderkopf erreicht wird. Diesem Ziel dient die höhere Warm- und Dauerfestigkeit der verwendeten Leichtmetallegierung, während ihr niedrigerer Wärmedehnungskoeffizient dazu beiträgt, daß sich die Vorspannung der Zylinderkopf und Kurbelwellenlagerschrauben bzw. Zuganker möglichst wenig mit der Temperatur verändern und sich das Lagerspiel der Kurbelwellenbohrung nicht nachteilig vergrößert. Die Zylinderlaufbuchsen können aus der Leichtmetallegierung des Kurbelgehäuses bestehen, wenn die Laufflächen in bekannter Weise verschleißerhöhend behandelt werden. Ebenso ist es möglich, vorgefertigte Zylinderlaufbuchsen aus einem verschleißfesten Material, vorzugsweise aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung in den Zylinderblock einzusetzen oder mit der Leichtmetallegierung des Zylinderblocks zu umgießen. Wichtig ist, daß erfindungsgemäß die Möglichkeit besteht, für das Material des Zylinderblocks und der Lagerstühle jeweils, die am besten geeigneten Leichtmetallegierungen auszuwählen und ggf auch für die Zylinderlaufbuchsen eine weitere Leichtmetallegierung einzusetzen.

Die an die Lagerstühle anzuschraubenden Kurbelwellenlagerböcke können vorzugsweise ebenfalls aus der Leichtmetallegierung mit höherer Warm- und Dauerfestigkeit sowie einem niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten bestehen und vorteilhafterweise in ein Kurbelgehäuseunterteil aus derselben Leichtmetallegierung wie der Zylinderblock mit die Lagerböcke umfassenden Lagerbrücken eingegossen sein. Dadurch entsteht ein Kraftfluß vom Zylinderkopf zum Kurbelwellenlager.

Um einen möglichst geringen Zylindermittenabstand und geringe Kurbelwellenlagerabstände einzuhalten, ist es günstig, wenn die Lagerstühle im Bereich der Zylinderlaufbuchsen U-förmig gegabelt sind, so daß die Zylinderlaufbuchsen zwischen den Schenkeln der Gabel nahe beieinander liegen oder sich berühren können.

Eine Leichtmetallegierung für die Lagerstühle und -böcke, die für den vorgesehenen Zweck besonderes geeignet ist, kann einen hohen Silizium- und/oder einen hohen Eisen-, Kupfer- und Nickelgehalt aufweisen. Zusätzlich kann die Leichtmetallegierung auch noch partikel- oder faserverstärkt sein.

Da die Lagerstühle und -böcke vorgefertigt werden und aus einer Speziallegierung bestehen, ist es vorteilhaft, wenn sie pulvermetallurgisch durch Sintern hergestellt werden. Durch dieses Verfahren besteht einerseits die Möglichkeit, die Lagerstühle und -böcke jeweils in einer entsprechenden Form zu pressen und zu sintern, wobei durch das pulvermetallurgische Verfahren eine große Freiheit in der Zusammensetzung der verwendeten Leichtmetallegierung besteht. Ebenso ist es möglich, einen Bolzen pulvermetallurgisch oder durch Sprühkompaktieren herzustellen, daraus durch Strangpressen ein Profil herzustellen, aus dem sich die Lagerstühle und -böcke durch Abtrennen mit der gewünschten Dicke herstellen lassen.

Da vorzugsweise alle für den Zylinderblock verwendeten Materialien aus Leichtmetallegierungen bestehen, lassen sie sich unter Einhaltung bekannter Maßnahmen beim Gießen stoffschlüssig miteinander verbinden.

Zusätzlich können die Lagerstühle und -böcke Durchbrüche aufweisen, in die die Schmelze der zum Umgießen verwendeten Leichtmetallegierung eindringt und beim Abkühlen eine formschlüssige Verbindung bildet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Zylinderblock entlang der Linie I-I in Fig. 2 eines Mehrzylinderreihenmotors,

Fig. 2 eine Daraufsicht auf die Zylinderkopffläche des Zylinderblocks gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Zylinderblock entlang der Linie IV-III in Fig. 4 eines Mehrzylinder-V-Motors und

Fig. 4 eine Daraufsicht auf die Zylinderkopfiläche des Zylinderblocks gemäß Fig. 3.

Ein in Fig. 1 und 2 dargestellter Zylinderblock 1 für einen Mehrzylinder-Reihenmotor ist schematisch und entsprechend dem Schnittverlauf I-I geschnitten im Bereich eines Lagerstuhls 4 und einer Zylinderlaufbuchse 2 dargestellt. Von einer Zylinderlaufbuchse 2 bzw. zwei benachbarten Zylinderlaufbuchsen 2 ist im Schnitt I-I ein in den Bereich zwischen parallelen Schenkeln 14 eines U-förmig gegabelten Lagerstuhls 4 reichender Wandbereich dargestellt.

Bei einem Einzylindermotor mit zwei Kurbelwellenlagern sind zwei Lagerstühle 4 parallel zueinander beiderseits einer Zylinderlaufbuchse 2 angeordnet. Bei einem Mehrzylinderreihenmotor sind Lagerstühle 4 zwischen den Zylindern sowie an beiden Enden des Zylinderblocks 1 angeordnet.

Die Lagerstühle 4 sind mit einer Leichtmetallegierung umgossen, die das Kurbelgehäuse und ggf die Zylinderlaufbuchsen 2 und den Wassermantel 13 bildet. In ein Kurbelgehäuseunterteil 8 ist ein oder sind mehrere Kurbelwellenlagerböcke 7 eingegossen und bilden in dem Kurbelgehäuseunterteil 8 Lagerbrücken 9.

Der untere Teil des Lagerstuhls 4 bildet mit dem Kurbelwellenlagerbock 7 eine Bohrung 5 für ein Kurbelwellenlager.

Das obere Ende des Zylinderblocks 1 bildet eine Auflagefläche 6 für einen nicht dargestellten Zylinderkopf. In den Schenkeln 14 der Lagerstühle 4 sind Gewindebohrungen 10 für Zylinderkopfschrauben und seitlich von den Lagerbohrungen 5 Gewindebohrungen 11 für Kurbelwellenlagerschrauben vorgesehen. Nicht dargestellte Kurbelwellenlagerschrauben lassen sich durch Bohrungen 12 im Kurbelwellenlagerbock 7 hindurchstecken und in die Gewindebohrung 11 einschrauben.

Wenn der Zylinderkopf mit den Schenkeln 14 der Lagerstühle 4 und die Kurbelwellenlagerböcke 7 mit dem unteren Bereich der Lagerstühle 4 verschraubt sind, ergibt sich ein durchgehender Kraftfluß vom Zylinderkopf bis zu den Lagerböcken 7, ohne daß das Material des Kurbelgehäuses 3 und des Kurbelgehäuseunterteils 8 besonders hoch beansprucht wird, wenn für das Material der Lagerstühle 4 und der Kurbelwellenlagerböcke 7 eine Leichtmetallegierung mit hoher Warm- und Dauerfestigkeit sowie einem niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten verwendet wird, während demgegenüber sich für die Leichtmetallgierung des Kurbelgehäuses 3 und des Kurbelgehäuseunterteils 8 eine gut gießfähige und gut mechanisch bearbeitbare und kostengünstige Leichtmetallegierung verwenden läßt.

In Fig. 3 und 4 ist ein Zylinderblock für einen Mehrzylinder-V-Motor dargestellt, der im Prinzip in gleicher Weise aufgebaut ist, wie der Zylinderblock für einen Reihenmotor gemäß Fig. 1 und 2.

Das Kurbelgehäuseunterteil 8 mit den Kurbelwellenlagerböcken 7 und den Lagerbrücken 9 ist gleich gestaltet wie in Fig. 1 und 2. Der Zylinderblock 15 ist als Gabelblock für einen V-Motor gestaltet und weist dementsprechend V-förmig gegabelte Lagerstühle 15 auf, die auf jeder Seite wiederum U-förmig mit parallelen Schenkeln 14 gegabelt sind.

Als Leichtmetallegierung für die Lagerstühle 4, 16 und Lagerböcke 7 lassen sich solche verwenden, die einen hohen Silizium- und/oder einen hohen Eisen-, Kupfer- und Nickelgehalt aufweisen, da diese Legierungen eine hohe Warm- und Dauerfestigkeit sowie einen niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten ergeben. Diese Eigenschaften lassen sich noch verbessern, wenn die Leichtmetallegierung durch Zugabe von Partikeln oder Fasern verstärkt wird.

Als Herstellungsverfahren für die Lagerstühle 4, 16 und die Lagerböcke 7 ist ein pulvermetallurgisches Verfahren günstig, da sich mit diesem Verfahren eine große Freiheit in der Auswahl der Legierungsbestandteile ergibt, und sich die Lagerstühle 4, 16 und die Lagerböcke 7 in geeigneten Formen pressen und sintern lassen.

Besonderes für die Großserienfertigung ist ein Herstellungsverfahren vorteilhaft, das darin besteht, Strangpreßbolzen pulvermetallurgisch oder durch Sprühkompaktieren herzustellen und daraus durch Strangpressen ein Profil herzustellen, das dem Querschnitt der Lagerstühle und Lagerböcke entspricht. Die Lagerstühle 4, 16 und Lagerböcke 7 lassen sich aus diesem Profil durch einfaches Abtrennen mit der geforderte Dicke herstellen. Hierbei ist es vorteilhaft, das stranggepreßte Profil als Einheit der Lagerstühle und Lagerböcke herzustellen und die Einheit aus Lagerstuhl und Lagerbock vom stranggepreßten Profil abzutrennen und erst danach den Lagerbock vom Lagerstuhl abzutrennen.

Claims (8)

1. Zylinderblock aus einer Leichtmetallegierung für einen Kolbenmotor mit

• - wenigstens einer Zylinderlaufbuchse (2) und
• - eingegossenen, von den Kurbelwellenlagerböcken (7) zur Auflagefläche (6) eines Zylinderkopfs reichenden Lagerstühlen (4, 16) aus einer gegenüber der Zylinderblocklegierung eine höhere Warm- und Dauerfestigkeit sowie einen niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten aufweisenden Leichtmetallegierung, die die Zylinderkopf und Kurbelwellenlagerschrauben oder durchgehende Zuganker aufnehmen.

2. Zylinderblock nach Anspruch 1, bei dem die Kurbelwellenlagerböcke (7) ebenfalls aus der Leichtmetallegierung mit höherer Warm- und Dauerfestigkeit sowie einem niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten bestehen.

3. Zylinderblock nach Anspruch 2, bei dem die Lagerböcke (7) in ein Kurbelgehäuseunterteil (8) mit die Lagerböcke (7) umfassenden Lagerbrücken (9) eingegossen sind.

4. Zylinderblock nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Lagerstühle (4, 16) im Bereich der Zylinderlaufbuchsen (2) U-förmig (14) gegabelt sind.

5. Zylinderblock nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Leichtmetallegierung für die Lagerstühle (4, 16) und -böcke (7) einen hohen Silizium- und/oder einen hohen Eisen-, Kupfer- und Nickelgehalt aufweist.

6. Zylinderblock nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Leichtmetallegierung für die Lagerstühle (4, 16) und -böcke (7) partikel- oder faserverstärkt ist.

7. Zylinderblock nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Lagerstühle (4, 16) und -böcke (7) pulvermetallurgisch durch Sintern hergestellt sind.

8. Zylinderblock nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Lagerstühle (4, 16) und -böcke (7) durch Abtrennen von einem stranggepreßten Profil hergestellt sind.