[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbrennungsmotorkurbelgehäuse gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
[0003] Kurbelgehäuse für Verbrennungsmotoren werden heutzutage überwiegend aus Leichtmetall-Werkstoffen
im Druckgussverfahren hergestellt. Dabei kommen üblicherweise Al-Si-Legierungen zum
Einsatz. Um derartige Legierungen im Druckgussverfahren verarbeiten zu können, ist
man auf untereutektische Al-Si-Legierungen beschränkt. Mit Al-Si-Legierungen lassen
sich im Druckgussverfahren Kurbelgehäuse sehr kostengünstig und in großer Stückzahl
produzieren.
[0004] Eine druckgegossene Zylinderoberfläche hält den tribologischen Beanspruchungen im
System Kolben/Kolbenring-Zylinder nicht dauerhaft stand. Zum einen weisen druckgegossene
Kurbelgehäuse eine relativ hohe Porosität auf. Zum anderen ist die tribologische Beanspruchbarkeit
untereutektischer Al-Si-Oberflächen aufgrund ihrer relativ geringen Festigkeit, ihrer
relativ hohen Duktilität und ihrer zu geringen Verschleißfestigkeit als Zylinderlauffläche
ungeeignet. Zur Erzielung einer hinreichenden Standfestigkeit behilft man sich daher
häufig mit Graugussbuchsen, die in die Zylinder von Leichtmetallkurbelgehäusen eingesetzt
werden.
[0005] Alternativ dazu sind Leichtmetallkurbelgehäuse bekannt, deren Zylinderlaufflächen
mit einem geeigneten Oberflächenwerkstoff beschichtet sind. Die
US 5,908, 670,
WO 9749497,
EP 568 315 B1,
US 5,626,674 und die
US 5,380,564 beschreiben entsprechende Beschichtungsverfahren, wobei zunächst die Zylinderlauffläche
mittels eines Hochdruckfluidstrahls aufgeraut wird und anschließend eine Beschichtung
in Form aufgeschmolzener Metall- bzw. Legierungströpfchen, z.B. durch Lichtbogendrahtspritzen,
auf die aufgerauten Innenflächen der Zylinder aufgebracht werden.
[0006] Zum relevanten Stand der Technik zählen ferner der Aufsatz mit dem Titel "
Thermal spraying of cylinder bores with the Plasma Transferred Wire Arc process",
von K. Bobzin, F. Ernst, K. Richardt, T. Schlaefer, C. Verpoort, G. Flores, Surface
and Coatings Technology, Volume 202, Issue 18, 15 June 2008, Pages 4438-4443, sowie der Artikel mit dem Titel "
Thermal Spraying of Cylinder Bores with the PTWA Internal Coating System" von K. Bobzin
et al., Proceedings of the ASME Internal Combustion Engine Division Fall 2007 Technical
Conference, ICEF07, October 14 - 17, 2007, Charleston, South Carolina, USA.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbrennungsmotorkurbelgehäuse mit mindestens einem
Zylinder zu schaffen, dessen Lauffläche beschichtet ist, wobei die Lauffläche eine
hohe tribologische Widerstandsfähigkeit aufweisen soll. Diese Aufgabe wird durch die
Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
[0008] Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor mit einem Kurbelgehäuse, das
mindestens einen zur Aufnahme eines Kolbens vorgesehenen Zylinder aufweist, dessen
Innenseite mit einer eine Lauffläche für den Kolben bildenden Beschichtung versehen
ist.
[0009] Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Beschichtung eine Vielzahl von Poren
aufweist, wobei die durchschnittliche Größe der Poren und/oder der Porenflächenanteil
über der Länge des Zylinders variieren.
[0010] Erfindungsgemäss werden die Porengröße und den Porenflächenanteil so eingestellt,
dass die durchschnittliche Porengröße und der Porenflächenanteil vom unteren Zylinderende
in Richtung zum oberen Zylinderende hin abnehmen. Das "obere Zylinderende" ist dasjenige
Ende, an dem der Zylinderkopf montiert wird. Das untere Zylinderende ist das dem Zylinderkopf
abgewandte Ende.
[0011] Das Verfahren zur Herstellung eines mindestens einen Zylinder aufweisenden Kurbelgehäuses
für einen Verbrennungsmotor weist insbesondere folgende Schritte auf:
- Gießen des Kurbelgehäuses aus einem Leichtmetallwerkstoff, wie z.B. einer Aluminium-Silizium-Legierung
im Druckgussverfahren. Hierfür in Betracht kommen insbesondere untereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen.
- Anschließend wird die Innenseite des mindestens einen Zylinders feingedreht.
- Danach wird die feingedrehte Innenseite aufgeraut.
- Schließlich wird auf die aufgeraute Innenseite eine Beschichtung aufgebracht, welche
eine Lauffläche für einen in den Zylinder einzusetzenden Kolben bildet. Das Aufbringen
der Beschichtung erfolgt so, dass eine Beschichtung mit einer Vielzahl von Poren entsteht,
wobei die durchschnittliche Porengröße und/oderder Porenflächenanteil über der Länge
des Zylinders variieren.
[0012] Ganz entscheidend für die Ausbildung einer tribologisch vorteilhaften Oberflächenschicht
ist die Größe der Metall- bzw. Legierungströpfchen, die auf die aufgeraute Zylinderinnenseite
gespritzt werden.
[0013] Die Tröpfchengröße sollte im Bereich zwischen 0,5 µm und 500 µm, vorzugsweise im
Bereich zwischen 0,5 µm und 150 µm liegen, um möglichst fein verteilte Poren zu erzielen.
[0014] Die sich ergebenden Poren können von eher runder bzw. eher ovaler oder länglicher
Form sein. Ab einem Längen-/ Breitenverhältnis einer Pore von mehr als z.B. 4:1, spricht
man von einer länglichen Pore. Bei einem Längen-/ Breitenverhältnis einer Pore von
weniger als z.B. 4:1, spricht man von einer runden Pore. Die Poren dienen zur "Speicherung"
des Öls und bilden im Betrieb des Motors "Mikrodruckkammern" aus.
[0015] Der "Porenflächenanteil" wird im metallographischen Querschliff bestimmt. Unter dem
Begriff "Porenflächenanteil" wird das Verhältnis der im Querschliff ermittelten Summe
aller in einer Auswertefläche enthaltenen Porenflächen zur gesamten Auswertefläche
verstanden.
[0016] Das Verhältnis von länglicher zu runder Porosität bestimmt über die Druckverteilung
innerhalb der Poren ganz entscheidend das tribologische Verhalten. Optimale tribologische
Eigenschaften ergeben sich z.B. dann, wenn das Verhältnis von länglicher zu runder
Porosität im Bereich zwischen 0,01 und 2,5 liegt.
[0017] Der Porenflächenanteil, die Porengröße und die Porenverteilung werden über die Zylinderlänge
den jeweiligen Anforderungen des tribologischen Systems so angepasst, dass in allen
Betriebszuständen optimale Schmierungsbedingungen bzw. Verschleißeigenschaften herrschen.
Die durchschnittliche Porengröße bestimmt im Betrieb des Verbrennungsmotors ganz entscheidend
die Tragfähigkeit des Ölschmierfilms zwischen den Kolbenringen und der Zylinderlauffläche.
[0018] Der Schichtwerkstoff muss so gewählt werden, dass im Mischreibungsgebiet, insbesondere
im Bereich des unteren bzw. oberen Zylinderendes (unterer und oberer Tot-Punkt) eine
ausreichende Verschleißbeständigkeit gegeben ist. Als Beschichtungswerkstoff in Betracht
kommt z.B. ein unlegierter Stahl, insbesondere ein FeC-Werkstoff, insbesondere der
Werkstoff FeC0,8.
[0019] Die Rauheit der fein gedrehten Zylinderoberfläche, d.h. vor dem Aufrauen kann, z.B.
im Bereich von Rz = 2 µm - 25 µm liegen.
[0020] Das Aufrauen der fein gedrehten Zylinderinnenseite kann auf mechanischem und/oder
chemischem Wege erfolgen. In Betracht kommt beispielsweise eine spanende Bearbeitung
der fein gedrehten Zylinderinnenseite. Alternativ oder ergänzend dazu kann die fein
gedrehte Zylinderinnenseite auch sand- oder korundgestrahlt werden. Ferner in Betracht
kommt ein Aufrauen durch Hochdruckstrahlen mit einem Fluid, insbesondere mit einer
Emulsion und/oder mit einer Suspension.
[0021] Durch das Aufrauen werden mikroskopische Hinterschneidungen in der Zylinderoberfläche
erzeugt. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Rauheit der Zylinderoberfläche
nach dem Aufrauvorgang im Bereich von Rz= 30 µm - 200 µm liegt.
[0022] Auf die derart vorbearbeitete Zylinderoberfläche wird dann ein als Zylinderlauffläche
tribologisch geeigneter Werkstoff aufgebracht. Das Aufbringen kann beispielsweise
durch Lichtbogendrahtspritzen erfolgen, wobei schmelzflüssige Metall- bzw. Legierungströpfchen
mittels eines Fluidstrahls mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die aufgeraute Zylinderoberfläche
katapultiert werden, wodurch eine Laufflächenschicht entsteht, die eine Vielzahl von
Poren aufweist.
[0023] Nach dem Aufbringen der Beschichtung wird diese durch ein mechanisches Hon-Verfahren
endbearbeitet.
[0024] Für die Verschleißbeständigkeit, d.h. für die Abriebfestigkeit der Beschichtung ist
primär der Gehalt an Oxiden in der Beschichtung entscheidend. Die Oxidbildung, die
unmittelbar nach dem Aufspritzen beim Übergang von der flüssigen in die feste Phase
erfolgt, kann durch Variieren der Zusammensetzung des zum Aufspritzen der Metall-
bzw. Legierungströpfchen verwendeten Trägergases gezielt gesteuert werden. Als Trägergas
kann mit Stickstoff angereicherte Luft verwendet werden. Der Härteverlauf der Zylinderlauffläche
kann entsprechend einem über die Länge des Zylinders variierenden Härteprofil eingestellt
werden, wobei die Härte vorzugsweise in einem Härtebereich zwischen 300 HV und 700
HV liegen kann.
[0025] Die beim Aufbringen der schmelzflüssigen Metall- bzw. Legierungströpfchen erzeugten
runden und länglichen Porositäten bilden ein System aus nicht miteinander verbundenen
Kavitäten in der Zylinderoberfläche. Damit diese Kavitäten als Mikrodruckkammern wirken
können und während eines Arbeitszyklus' des Verbrennungsmotors ausreichend mit Öl
versorgt werden, ist, wie bereits erwähnt, eine fein strukturierte Honung als Endbearbeitung
nach dem Aufbringen der Beschichtung erforderlich.
[0026] Für die Sicherstellung einer guten Tragfähigkeit der Laufbahn und einer guten Ölversorgung
sollte der Rpk der Laufbahn im Bereich
- zwischen 0,05 µm - 2 µm liegen,
- vorzugsweise im Bereich zwischen 0,05 µm - 1,5 µm,
- und besonderes bevorzugt im Bereich zwischen 0,05 µm - 1,1 µm.
[0027] Der Rvk der Zylinderlauffläche sollte im Bereich zwischen 0,5 µm - 15 µm liegen,
vorzugsweise im Bereich zwischen 1 µm - 10 µm.
[0028] Weiterhin ist bedeutend dass der Rauheitskennwert V0 im Bereich zwischen 0,1 µm -
16 µm liegt,vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 µm-11 µm.
[0029] Der Rauheitskennwert Rk sollte im Bereich zwischen 0,05 µm - 5 µm liegen, vorzugsweise
im Bereich zwischen 0,05 µm - 3 µm, und besonderes bevorzugt im Bereich zwischen 0,1µm
- 2 µm.
[0030] Nur eine günstige Kombination dieser Rauheitskennwerte gewährleistet optimale tribologische
Eigenschaften der gehonten Zylinderoberfläche.
[0031] Eine gemäß der Erfindung aufgebrachte Beschichtung weist gegenüber herkömmlichen
übereutektischen Aluminium-Silizium-Werkstoffen eine deutlich verbesserte Verschleißfestigkeit
auf.
[0032] Im Vergleich zu herkömmlichen Zylindern, in die Graugussbuchsen eingesetzt sind,
ist ein geringerer Zylinderverzug zu beobachten, da die aufgebrachte Beschichtung
im Wesentlichen keine eigene Steifigkeit aufweist und sich an die Struktur des Zylindersubstrats
anpasst. Dies wiederum ermöglicht eine Verringerung der Kolbenringanpresskräfte, was
letztlich zu einer Verringerung der Reibungsverluste führt. Die intrinsischen Mikrodruckkammern
in der Beschichtung bewirken einen höheren hydrodynamischen Reibungsanteil, was sich
ebenfalls positiv auf die Verlustreibung auswirkt.
[0033] Eine erfindungsgemäße Beschichtung weist im Vergleich zu den heutzutage häufig verwendeten
Graugussbuchsen eine äußerst hohe Korrosionsbeständigkeit auf und zwar auch bei hohen
Verbrennungstemperaturen und sauren Medien aufgrund verbesserter Wärmeableitung von
der Zylinderoberfläche in das Kühlmedium.
[0034] Die intrinsischen Mikrodruckkammern ermöglichen im Vergleich zu Graugussbuchsen eine
feinere Oberflächenstrukturierung bei gleicher Schmierwirkung und somit einen Reibungsvorteil.
[0035] Die Kombination von Leichtmetalldruckguss mit einer Fe-Beschichtung ermöglicht somit
einen Kostenvorteil. Da auf die bislang verwendeten Graugussbuchsen verzichtet werden
kann, ergibt sich auch ein Gewichtsvorteil und eine höhere Verschleißfestigkeit.
[0036] Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die Oberflächenbeschaffenheit
einer Beschichtung gemäß der Erfindung.
[0037] Fig. 1 zeigt schematisch in abgewickelter Darstellung die glatt gehonte Oberfläche
(Lauffläche) eines Zylinders eines Verbrennungsmotors. Die Lauffläche weist eher "längliche
Porositäten" und eher "runde Porositäten" auf. Ab einem Längen-/Breitenverhältnis
(x1 : x2) einer Pore von mehr als 4 : 1 spricht man hier von einer länglichen Pore,
darunter von einer runden Pore.
[0038] Der Porenflächenanteil wird im metallographischen Querschliff bestimmt. Der Porenflächenanteil
berechnet sich aus dem Verhältnis der Summe aller Porenflächen zur gesamten Auswertefläche
A. Näherungsweise kann die Porenfläche einer Pore als "Rechteck" angesetzt werden,
d.h. Porenfläche ≈ x1 * x2.
1. Verbrennungsmotorkurbelgehäuse, das mindestens einen zur Aufnahme eines Kolbens vorgesehenen
Zylinder aufweist, dessen Innenseite mit einer eine Lauffläche für den Kolben bildenden
Beschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung eine Vielzahl von Poren aufweist,
wobei die durchschnittliche Größe der Poren und/oder ein weiterer Parameter über der
Länge des Zylinders variieren,
dadurch gekennzeichnet,
• dass der weitere Parameter der Porenflächenanteil ist,
• dass die Lauffläche durch ein mechanisches Honverfahren endbearbeitet ist,
• dass der Zylinder ein oberes, zylinderkopfnahes Ende und ein unteres, ölwannennahes Ende
aufweist, wobei die Größe der Poren und der Porenflächenanteil vom unteren Ende in
Richtung zum oberen Ende hin abnehmen und, dass die gehonte
Lauffläche eine Rauheit aufweist, die innerhalb folgender Bereiche liegt:
• Rpk im Bereich zwischen 0,05 µm - 2 µm, und/oder
• Rvk im Bereich = 0,5 µm - 15 µm, und/oder
• V0 im Bereich zwischen 0,1 µm - 16 µm, und/oder
• Rk im Bereich zwischen 0,05 µm - 5 µm aufweist.
2. Verbrennungsmotorkurbelgehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute Innenseite des Zylinders eine Oberflächenrauheit von bzw. im Bereich
von Rz = 30 µm - 200 µm aufweist.
3. Verbrennungsmotorkurbelgehäuse nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Beschichtung um eine Beschichtung auf der Basis von Eisen handelt,
insbesondere um eine Beschichtung aus unlegiertem Stahl, insbesondere um eine FeC-Beschichtung,
insbesondere um eine FeC0,8-Beschichtung.
4. Verbrennungsmotorkurbelgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der die Härte der Beschichtung mitbestimmende Oxidanteil der Beschichtung über der
Länge des Zylinders variiert und im Bereich zwischen 300 HV und 700 HV liegt.
1. An internal combustion engine crankcase which has at least one cylinder provided for
receiving a piston, the inner side of which cylinder is provided with a coating forming
a running surface for the piston, wherein the coating has a large number of pores,
wherein the average size of the pores and/or a further parameter vary/varies over
the length of the cylinder,
characterised in that
• the further parameter is the pore surface proportion,
• the running surface is finished by a mechanical honing process,
• the cylinder has an upper end close to the cylinder head and a lower end close to
the oil pan, wherein the size of the pores and the pore surface proportion decrease
from the lower end in the direction of the upper end, and in that the honed running surface has a roughness which lies within the following ranges:
• Rpk in the range between 0.05 µm and 2 µm, and/or
• Rvk in the range = 0.5 µm - 15 µm, and/or
• V0 in the range between 0.1 µm and 16 µm, and/or
• Rk in the range between 0.05 µm and 5 µm.
2. An internal combustion engine crankcase according to Claim 1,
characterised in that the roughened inner side of the cylinder has a surface roughness of or in the range
of Rz = 30 µm - 200 µm.
3. An internal combustion engine crankcase according to one of Claims 1 or 2,
characterised in that the coating is a coating based on iron, especially a coating made of unalloyed steel,
especially an FeC coating, in particular an FeC0.8 coating.
4. An internal combustion engine crankcase according to one of Claims 1 to 3,
characterised in that the oxide content of the coating which jointly determines the hardness of the coating
varies over the length of the cylinder and lies in the range between 300 HV and 700
HV.
1. Carter de vilebrequin de moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre
destiné à recevoir un piston dont la face interne est équipée d'un revêtement formant
une surface de déplacement du piston, le revêtement ayant un ensemble de pores, la
dimension moyenne des pores et/ou un autre paramètre variant sur la longueur du cylindre,
caractérisé en ce que
- l'autre paramètre est la proportion de surface de pores,
- la surface de circulation est soumise à un usinage final par un procédé de rodage,
- le cylindre a une extrémité supérieure proche de la culasse et une extrémité inférieure
proche du carter d'huile, la dimension des pores et la proportion de surface des pores
diminuant de l'extrémité inférieure en direction de l'extrémité inférieure, et
la surface de déplacement rodée a une rugosité située dans les plages suivantes :
- Rpk entre 0,05 µm - 2 µm et/ou
- Rvk entre 0,5 µm - 15 µm, et/ou
- V0 entre 0,1 µm- 16 µm et/ou
- Rk entre 0,05 µm - 5 µm
2. Carter de vilebrequin de moteur à combustion interne conforme à la revendication 1,
caractérisé en ce que
la face interne rendue rugueuse du cylindre a une rugosité de surface en particulier
située dans la plage de Rz = 30 µm - 200 µm.
3. Carter de vilebrequin de moteur à combustion interne conforme à l'une des revendications
1 et 2,
caractérisé en ce que
le revêtement est un revêtement à base de fer, en particulier un revêtement en un
acier non allié, en particulier un revêtement en FeC, en particulier un revêtement
en FeC0,8.
4. Carter de vilebrequin de moteur à combustion interne conforme à l'une des revendications
1 à 3,
caractérisé en ce que
la proportion d'oxyde du revêtement qui contribue à la dureté du revêtement varie
sur la longueur du cylindre et est située dans la plage comprise entre 300 HV et 700
HV.