EP1460249A1 - Zylinderkopf fuer Hubkolbenbrennkraftmaschinen - Google Patents

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EP1460249A1
EP1460249A1 EP03100713A EP03100713A EP1460249A1 EP 1460249 A1 EP1460249 A1 EP 1460249A1 EP 03100713 A EP03100713 A EP 03100713A EP 03100713 A EP03100713 A EP 03100713A EP 1460249 A1 EP1460249 A1 EP 1460249A1
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EP
European Patent Office
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cylinder head
internal combustion
microarcoxidation
camshaft
valve spring
Prior art date
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Withdrawn
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EP03100713A
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Inventor
Torsten Kluge
Clemens Maria Verpoort
Maik Broda
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Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means
    • F02F1/36—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/38—Cylinder heads having cooling means for liquid cooling the cylinder heads being of overhead valve type
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/026—Anodisation with spark discharge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/02—Surface coverings of combustion-gas-swept parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/11—Thermal or acoustic insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
    • F02B2275/20—SOHC [Single overhead camshaft]

Definitions

  • the present invention relates to the use of a method for coating metallic materials for components, as are usually found in cylinder heads of reciprocating internal combustion engines, such as. B. springs, rocker arms and camshafts.
  • the known method of microarcoxidation (also known as plasma park or plasmaelectrolytic oxidation or microarc discharge oxidizing) of light metals is used to improve the surface properties of these components.
  • the invention further relates to a cylinder head for a reciprocating piston internal combustion engine, which has components coated by the microarcoxidation process.
  • Today's reciprocating piston internal combustion engines consisting of at least one cylinder, containing a piston which sets a crankshaft in rotation via a connecting rod, and a cylinder head which closes off the combustion chamber formed by the piston and cylinder at the top.
  • the cylinder head usually contains several gas exchange valves for the inlet or outlet of the combustion air or the combustion gases. These gas exchange valves are usually spring-loaded and secured by valve wedges.
  • one or more camshafts are used to drive the gas exchange valves, which usually set these valves in motion via bucket tappets, rocker arms or roller levers.
  • the state of the art is to produce rocker arms, tappets, valve springs, valve spring wedges and camshafts from steel materials or from sintered materials.
  • microarcoxidation of light metals is e.g. B. from WO 00/05493, from US 6,197,178 or the SAE paper by VDN Rao, HA Cikanek, BA Boyer, LN Lesnevsky, NM Tchernovsky, NV Tjurin "Friction and wear characteristics of micro-arc oxidation coating for light weight, wear resistant, powertrain component application "SAE paper 970022; 1997. It is also known to use the microarcoxidation process for coating cylinders and pistons.
  • a prerequisite for the microarcoxidation process is an acidic or basic electrolyte bath with a specific aqueous electrolyte into which one or more workpieces are immersed.
  • the workpiece or workpieces form the anode, while the container usually represents the cathode.
  • a voltage is applied to the workpiece (s), here a cylinder head, until tiny arcs are formed at certain current levels. After some time, this leads to an oxidized surface layer of usually approximately 20 to 500 thousandths of a millimeter. This surface layer is characterized by significantly increased hardness, lower friction and better wear resistance.
  • the outermost porous area can be mechanically removed before the first use.
  • the heat conduction of the oxidized layer is significantly reduced compared to the base material, so that a certain thermal insulation is achieved by comparison.
  • Microarcoxidations Kunststoffes Kunststoffes Kunststoffes on different components, such as. B. camshafts or valve springs of a cylinder head, these parts can also be made of light metal materials, since the microarcoxidation process ensures a significantly increased surface hardness, as well as improved wear resistance. Areas in which the surface should not be oxidized must be covered during the application of the process.
  • components such. B. a camshaft, a cylinder head of a reciprocating internal combustion engine made of light metal coated by the previously described method for microarcoxidation.
  • the microarcoxidation process creates an oxidized surface layer of approx. 20 to 500 thousandths of a millimeter. This surface layer has significantly different properties than the base material. So z. B. significantly increases the hardness, increases the wear resistance and reduces the thermal conductivity. It is not necessary to coat the whole part. However, the contaminated areas must be coated. Areas that should not be coated are covered by suitable measures.
  • the at least one camshaft of a cylinder head is therefore produced from a light metal material and coated by means of microarcoxidation. It is state of the art to produce camshafts from steel or sintered materials, since light metal does not withstand the load that usually acts on camshafts in the long run. In particular, the sliding surfaces of the cams and the bearing points of the camshaft place increased demands on the material of the camshaft in terms of wear, hardness and emergency running properties. If, according to the invention, the camshaft is now made of light metal and coated by means of the microarcoxidation process, the requirements for the sliding surfaces of the cams and the bearing points can also be met by a camshaft made of light metal.
  • the reduced weight means on the one hand a lower total engine weight, but in particular a reduction in the weight of the rotary masses, ie the power which has to be applied for the operation of a valve train of a reciprocating piston internal combustion engine is reduced.
  • Another application of the microarcoxidation method according to the invention for components of a cylinder head is suitable for other parts of a valve train of a reciprocating piston internal combustion engine.
  • the at least one camshaft usually does not directly drive the gas exchange valves of a reciprocating piston internal combustion engine, but rather via power transmission devices such as drag or roller levers or e.g. B. via tappets.
  • a light metal material also meets the requirements placed on these components. Therefore, they are usually made of steel or sintered materials. These offer sufficient hardness, certain emergency running properties and / or a certain porosity for storing small amounts of lubricant in order to ensure emergency running properties.
  • components such as drag or roller levers or bucket tappets are now produced from a light metal material and then coated with the microarcoxidation process, the properties listed above result, so that the use of steel or sintered materials for these components is superfluous. As mentioned above, this again means significant weight savings with a simultaneous reduction in the masses moved in a rotational or translatory manner.
  • valve springs are usually used to close gas exchange valves in reciprocating piston internal combustion engines, which are in turn held in position by usually two valve spring wedges per valve and a valve spring holder.
  • the valve springs are Usually made from spring steel, in rare cases also from titanium. According to the invention, it also makes sense here to produce these springs from light metal which is coated using the microarcoxidation process. This procedure also makes sense for the valve spring wedges and valve spring holders. As before, there are significant weight advantages.
  • the invention further relates to a cylinder head which contains components as described above.
  • FIG. 1 shows a section of a section through a reciprocating piston internal combustion engine 1.
  • a cylinder head 2, a part of a cylinder block 3 and a cylinder 4 in which a piston 5 is movably arranged can be seen.
  • the piston 5 forms a combustion chamber 6 together with the cylinder 4 and the cylinder head 2.
  • Combustion air enters the combustion chamber 6 through an inlet channel 10 through one of the two gas exchange valves 7, 7 ', while the exhaust gases pass the combustion chamber through the other of the two gas exchange valves 7, Leave 7 'and then be forwarded through the outlet channel 11.
  • the gas exchange valves 7, 7 ' are usually movably arranged in valve guides 8, 8'.
  • the valve springs 14, 14 'necessary for closing the gas exchange valves 7, 7' and the valve spring wedges 15, 15 'and valve spring retainers 16, 16' necessary for connecting gas exchange valves 7, 7 'and valve springs 14, 14 can also be seen.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Verfahrens zum Beschichten von metallischen Werkstoffen für Bauteile, wie sie üblicherweise in Zylinderköpfen (2) von Hubkolbenbrennkraftmaschinen (1) zu finden sind, wie z. B. Federn (14,14'), Schlepphebel (13,13') und Nockenwellen (12). Dabei wird das bekannte Verfahren der Microarcoxidation von Leichtmetallen dazu verwendet, die Oberflächeneigenschaften dieser Bauteile zu verbessern. Die Erfindung betrifft ferner einen Zylinderkopf (2) für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine (1), der nach dem Microarcoxidationsverfahren beschichtete Bauteile aufweist. <IMAGE>

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Verfahrens zum Beschichten von metallischen Werkstoffen für Bauteile, wie sie üblicherweise in Zylinderköpfen von Hubkolbenbrennkraftmaschinen zu finden sind, wie z. B. Federn, Schlepphebel und Nockenwellen. Dabei wird das bekannte Verfahren der Microarcoxidation (auch bekannt als Plasmaspark bzw. Plasmaelectrolytic Oxidation oder Microarc discharge oxidizing) von Leichtmetallen dazu verwendet, die Oberflächeneigenschaften dieser Bauteile zu verbessern. Die Erfindung betrifft ferner einen Zylinderkopf für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, der nach dem Microarcoxidationsverfahren beschichtete Bauteile aufweist.
  • Heutige Hubkolbenbrennkraftmaschinen, bestehend aus mindestens einem Zylinder, enthaltend einen Kolben, der über einen Pleuel eine Kurbelwelle in Rotation versetzt, und einen Zylinderkopf, der den mittels Kolben und Zylinder gebildeten Verbrennungsraum nach oben abschließt. Der Zylinderkopf enthält üblicherweise mehrere Gaswechselventile für den Einlaß bzw. Auslaß der Verbrennungsluft bzw. der Verbrennungsgase. Diese Gaswechselventile sind üblicherweise Federbelastet und durch Ventilkeile gesichert. Zum Antrieb der Gaswechselventile werden üblicherweise eine oder mehrere Nockenwellen herangezogen, die diese Ventile üblicherweise über Tassenstößel, Schlepphebel oder Rollenhebel in Bewegung versetzen. Stand der Technik ist es, Schlepphebel, Tassenstößel, Ventilfeder, Ventilfederkeile und Nockenwellen aus Stahlwerkstoffen oder aus gesinterten Werkstoffen herzustellen.
  • Das Verfahren der Microarcoxidation von Leichtmetallen ist z. B. aus der WO 00/05493, aus der US 6,197,178 oder dem SAE-Papier von V.D.N. Rao, H.A. Cikanek, B.A. Boyer, L.N. Lesnevsky, N.M. Tchernovsky, N.V. Tjurin "Friction and wear characteristics of micro-arc oxidation coating for light weight, wear resistant, powertrain component application" SAE paper 970022; 1997 bekannt. Bekannt ist außerdem das Microarcoxidationsverfahren zur Beschichtung von Zylindern und Kolben anzuwenden.
  • Voraussetzungen für das Microarcoxidationsverfahren ist ein saures oder basisches Elektrolytbad mit einem spezifischen wäßrigen Elektrolyten, in das ein oder mehrere Werkstücke eingetaucht werden. Das oder die Werkstücke bilden die Anode während üblicherweise der Behälter die Kathode darstellt. An das oder die Werkstücke, hier ein Zylinderkopf, wird eine Spannung angelegt, bis sich winzige Lichtbögen bilden, bei bestimmten sich einstellenden Stromstärken. Dies führt nach einiger Zeit zu einer oxidierten Oberflächenschicht von üblicherweise ca. 20 bis 500 tausendstel Millimeter. Diese Oberflächenschicht zeichnet sich durch eine deutliche erhöhte Härte, durch geringere Reibung sowie eine bessere Verschleißfestigkeit aus. Der äußerste entstehende poröse Bereich kann vor dem ersten Einsatz mechanisch entfernt werden.
    Außerdem ist die Wärmeleitung der oxidierten Schicht deutlich vermindert gegenüber dem Grundmaterial, so daß vergleichsweise eine gewisse thermische Isolierung erreicht wird.
  • Wird nun das Microarcoxidationsverfahren auf verschiedene Bauteile, wie z. B. Nockenwellen oder Ventilfedern eines Zylinderkopfes angewandt, so lassen sich diese Teile auch aus Leichtmetallwerkstoffen herstellen, da das Microarcoxidationsverfahren für eine erheblich erhöhte Oberflächenhärte sorgt, sowie für eine verbesserte Verschleißfestigkeit. Bereiche, in denen die Oberfläche nicht oxidiert werden soll, müssen während der Anwendung des Verfahrens abgedeckt sein.
  • Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung Bauteile eines Zylinderkopfes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine durch Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation von Leichtmetallen so zu verbessern, daß sie kostengünstiger hergestellt werden können, wobei gleichzeitig die Lebensdauer heraufgesetzt wird. Dies wird durch die Verwendung des Verfahren gemäß des Hauptanspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Erfindungsgemäß werden Bauteile, wie z. B. eine Nockenwelle, eines Zylinderkopfes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine aus Leichtmetall durch das zuvor beschriebene Verfahren zur Microarcoxidation beschichtet. Wie zuvor erwähnt entsteht durch das Microarcoxidationsverfahren eine oxidierte Oberflächenschicht von ca. 20 bis 500 tausendstel Millimeter. Diese Oberflächenschicht weist deutlich andere Eigenschaften als das Grundmaterial auf. So ist z. B. die Härte wesentlich erhöht, die Verschleißfestigkeit heraufgesetzt und die Wärmeleitfähigkeit vermindert. Es ist dabei nicht notwendig, daß ganze Teil zu beschichten. Es müssen allerdings die belasteten Bereiche beschichtet sein. Bereiche, die nicht beschichtet werden sollen, werden durch geeignete Maßnahmen abgedeckt.
  • Erfindungsgemäß wird daher die mindestens eine Nockenwelle eines Zylinderkopfes aus einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt und mittels Microarcoxidation beschichtet. Stand der Technik ist es, Nockenwellen aus Stahl- oder Sinterwerkstoffen herzustellen, da Leichtmetall der Belastung, die üblicherweise auf Nockenwellen wirken, auf Dauer nicht standhält. Insbesondere die Gleitflächen der Nocken sowie die Lagerstellen der Nockenwelle stellen erhöhte Ansprüche an das Material der Nockenwelle in Bezug auf Verschleiß, Härte und Notlaufeigenschaften. Wird nun erfindungsgemäß die Nockenwelle aus Leichtmetall hergestellt und mittels des Microarcoxidationsverfahrens beschichtet, so können die Anforderungen and die Gleitflächen der Nocken sowie die Lagerstellen auch von einer Nockenwelle aus Leichtmetall erfüllt werden. Es ist dabei nicht notwendig die gesamte Nockenwelle zu beschichten, ein Beschichten der Gleitflächen der Nocken und/oder der Lagerstellen ist ausreichend. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem geringeren Gewicht einer Nockenwelle aus Leichtmetall gegenüber einer Nockenwelle aus Stahlwerkstoff oder einer gesinterten Nockenwelle. Das verringerte Gewicht bedeutet einerseits ein geringeres Motorgesamtgewicht, aber insbesondere eine Verringerung des Gewichtes der rotatorischen Massen, d. h. die Leistung, die für den Betrieb eines Ventiltriebes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine aufgebracht werden muß, verringert sich.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Anwendung des Microarcoxidationsverfahrens für Bauteile eines Zylinderkopfes bietet sich für weitere Teile eines Ventiltriebes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine an. Die mindestens eine Nockenwelle treibt üblicherweise die Gaswechselventile einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nicht direkt an, sondern über Kraftübertragungseinrichtungen wie Schlepp- oder Rollenhebel oder z. B. über Tassenstößel. Üblicherweise erfüllt auch hier ein Leichtmetallwerkstoff die Anforderungen, die an diese Bauteile gestellt werden. Daher werden sie üblicherweise aus Stahlwerkstoffen oder Sinterwerkstoffen hergestellt. Diese bieten eine ausreichende Härte, gewisse Notlaufeigenschaften und/oder eine gewisse Porosität zur Speicherung geringer Mengen von Schmierstoff, um so Notlaufeigenschaften sicherzustellen. Werden nun erfindungsgemäß Bauteile wie Schlepp- oder Rollenhebel oder Tassenstößel aus einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt und anschließen mit dem Microarcoxidationsverfahren beschichtet, so ergeben sich die erforderlichen oben aufgeführten Eigenschaften, so daß die Verwendung von Stahl- oder Sinterwerkstoffen für diese Bauteile überflüssig wird. Dies bedeutet wieder wie oben erwähnt eine deutliche Gewichtsersparnis bei gleichzeitiger Verringerung der rotatorisch bzw. translatorisch bewegten Massen.
  • Für das Schließen von Gaswechselventilen in Hubkolbenbrennkraftmaschinen werden üblicherweise Federn, die sogenannten Ventilfedern, eingesetzt, die wiederum von üblicherweise zwei Ventilfederkeilen pro Ventil und einem Ventilfederhalter in Position gehalten werden. Die Ventilfedern werden üblicherweise aus Federstahl, in seltenen Fällen auch aus Titan, hergestellt. Erfindungsgemäß ist es auch hier sinnvoll, diese Federn aus Leichtmetall herzustellen, der mit dem Microarcoxidationsverfahren beschichtet wird. Auch für die Ventilfederkeile und Ventilfederhalter ist diese Vorgehensweise sinnvoll. Es ergeben sich - wie zuvor - deutliche Gewichtsvorteile.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin einen Zylinderkopf, der Bauteile, wie sie zuvor beschrieben wurden, enthält.
  • Die Erfindung wird anhand der einzigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    Einen Ausschnitt eines Schnittes durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine
  • Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Schnittes durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine 1. Zu erkennen sind ein Zylinderkopf 2, ein Teil eines Zylinderblockes 3 und ein Zylinder 4, in dem ein Kolben 5 beweglich angeordnet ist. Der Kolben 5 bildet zusammen mit dem Zylinder 4 und dem Zylinderkopf 2 einen Brennraum 6. Verbrennungsluft gelangt über einen Einlaßkanal 10 durch eines der beiden Gaswechselventile 7, 7' in den Brennraum 6, während die Abgase den Brennraum durch das andere der beiden Gaswechselventile 7, 7' verlassen und dann durch den Auslaßkanal 11 weitergeleitet werden. Die Gaswechselventile 7, 7' sind üblicherweise in Ventilführungen 8, 8' beweglich angeordnet. In den Zylinderkopf 2 sind Ventilsitzringe 9, 9' eingelassen, an denen Dichtflächen für die Gaswechselventile 7, 7' ausgebildet sind. Die Gaswechselventile 7, 7' werden üblicherweise über mindestens eine Nockenwelle 11 direkt oder wie hier gezeigt über Schlepphebel 13, 13' angetrieben. Zu erkennen sind weiterhin die für das Schließen der Gaswechselventile 7, 7' notwendigen Ventilfedern 14, 14' sowie die zur Verbindung von Gaswechselventilen 7, 7' und Ventilfedern 14, 14' notwendigen Ventilfederkeile 15, 15' und Ventilfederhalter 16, 16'.
  • Erfindungsgemäß werden z. B. die Nockenwelle 12 und/oder die Schlepphebel 13, 13' und/oder die Ventilfederkeile 15, 15' und/oder die Ventilfederhalter 16, 16' aus einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt, der mit dem Microarcverfahren beschichtet wurde.

Claims (5)

  1. Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation von Leichtmetallen zur Beschichtung von mindestens einem Bauteil eines Zylinderkopfes (2) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (1).
  2. Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       das mindestens eine Bauteil eine Nockenwelle ist.
  3. Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       das mindestens eine Bauteil ein Schlepp- oder Rollenhebel oder ein Tassenstößel ist.
  4. Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
       das mindestens eine Bauteil eine Ventilfeder, ein Ventilfederkeil oder ein Ventilfederhalter ist.
  5. Zylinderkopf für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine (1)
    dadurch gekennzeichnet, daß
       der Zylinderkopf (2) beschichtete Bauteile nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 enthält.
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