Zylinderkopf fuer Hubkolbenbrennkraftmaschinen

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Verfahrens zum Beschichten von metallischen Werkstoffen für Zylinderköpfe von Hubkolbenbrennkraftmaschinen. Dabei wird das bekannte Verfahren der Mikrooxidation von Leichtmetallen dazu verwendet, die Oberflächeneigenschaften eines Zylinderkopfes (2) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) zu verbessern. Die Erfindung betrifft ferner einen Zylinderkopf (2) für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine (1), der nach dem Microarcoxidationsverfahren beschichtete Bereiche aufweist sowie ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderköpfen (2).

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Verfahrens zum Beschichten von metallischen Werkstoffen für Zylinderköpfe von Hubkolbenbrennkraftmaschinen. Dabei wird das bekannte Verfahren der Microarcoxidation (auch bekannt als Plasmaspark bzw. Plasmaelectrolytic Oxidation oder Microarc discharge oxidizing) von Leichtmetallen dazu verwendet, die Oberflächeneigenschaften eines Zylinderkopfes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu verbessern. Die Erfindung betrifft ferner einen Zylinderkopf für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, der nach dem Microarcoxidationsverfahren beschichtete Bereiche aufweist sowie ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderköpfen.

[0002] 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. Stand der Technik ist es, Zylinderköpfe aus Leichtmetall oder Leichtmetallegierungen zu verwenden, da sie Gewichtsvorteile und Vorteile in der Wärmeabfuhr aufweisen. Allerdings haben Leichtmetallzylinderköpfe einige Bereiche, in denen das Leichtmetall den Anforderungen des Betriebes nicht genügt. So wird z. B. der Bereich zur Führung der Gaswechselventile durch Hülsen aus Messing oder Sintermetall verstärkt. Auch die Dichtflächen der Gaswechselventile werden üblicherweise durch Ringe, die sogenannten Ventilsitzringe, aus gehärteten Stahllegierungen verstärkt.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] Wird nun das Microarcoxidationsverfahren auf verschiedene Bereiche eines Zylinderkopfes angewandt, so lassen sich einige Bauteilverbesserungen erreichen, wie z. B. bessere thermische Isolierung oder erhöhte Verschleißfestigkeit. Bereiche, in denen die Oberfläche nicht oxidiert werden soll, müssen während der Anwendung des Verfahrens abgedeckt sein.

[0006] Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung einen Zylinderkopf einer Hubkolbenbrennkraftmaschine durch Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation von Leichtmetallen so zu verbessern, daß er kostengünstiger hergestellt werden kann, 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.

[0007] Erfindungsgemäß werden Zylinderköpfe aus Leichtmetall von Hubkolbenbrennkraftmaschinen 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. Diese Eigenschaften können an einem Zylinderkopf, der je nach Bereich unterschiedliche Aufgaben hat, vorteilhaft genutzt werden.

[0008] Erfindungsgemäß werden daher die Dichtflächen eines Zylinderkopfes zu den Gaswechselventilen mittels Microarcoxidation beschichtet. Stand der Technik ist es, bei Leichtmetallzylinderköpfen für diese Dichtflächen sogenannte Ventilsitzringe zu verwenden. Dies ist nötig, da das Leichtmetall der Belastung, die durch das Aufprallen der schließenden Gaswechselventile auf die Dichtflächen entsteht, auf Dauer nicht standhält. Ventilsitzringe sind daher üblicherweise aus gehärteten Stahlwerkstoffen hergestellt. Durch Beschichtung dieser Dichtflächen mittels Microarcoxidation werden die Dichtflächen des Zylinderkopfes derart gehärtet, daß die Verwendung von Ventilsitzringen überflüssig wird. Dies spart mehrere Bearbeitungsschritte am Zylinderkopf sowie die Fertigung und Montage der Ventilsitzringe. Vorteilhaft ist hier auch, daß die beschichteten Bereiche deutlich dünner sind als die sonst verwendeten Ventilsitzringe, so daß es möglich ist den Zylinderkopf so zu verändern, daß die Kühlwasserkanäle näher an die Ventile heranreichen.

[0009] Eine weitere erfindungsgemäße Anwendung des Microarcoxidationsverfahrens am Zylinderkopf bietet sich für die Ventilführungen der Gaswechselventile an. Üblicherweise erfüllt der Leichtmetallwerkstoff von Zylinderköpfen nicht die Anforderungen, die an eine Gleitlagerführung gestellt werden. Daher werden für die Führung der üblicherweise aus Stahlwerkstoffen hergestellten Gaswechselventile Führungshülsen aus Legierungen oder Sinterwerkstoffen eingesetzt. Diese bieten eine ausreichende Härte, gewisse Notlaufeigenschaften bei Fehlen oder Unterversorgung des Betriebsschmierstoffes und/oder eine gewisse Porosität zur Speicherung geringer Mengen von Schmierstoff, um so Notlaufeigenschaften sicherzustellen. Werden nun erfindungsgemäß die Führungen für Gaswechselventile direkt aus dem Leichtmetallwerkstoff des Zylinderkopfes herausgearbeitet und anschließen mit dem Microarcoxidationsverfahren beschichtet, so ergeben sich die erforderlichen oben aufgeführten Eigenschaften zur Führung von Gaswechselventilen, so daß der Einsatz von separaten Führungshülsen überflüssig wird.

[0010] Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorteilhaft, die Ein- und Auslaßkanäle eines Zylinderkopfes mittels des Microarcoxidationsverfahrens zu beschichten. Als Ein- bzw. Auslaßkanäle werden die Kanäle innerhalb eines Zylinderkopfes bezeichnet, die die Verbrennungsluft in den Zylinder, bzw. die Abgase aus dem Zylinder hinein- bzw. hinausleiten. Wie zuvor beschrieben besitzt die durch das Microarcoxidationsverfahren entstandene Oberflächenschicht eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit als der Leichtmetallzylinderkopfwerkstoff. Diese wenn auch geringe thermische Isolation ist für den Verbrennungslufteinlaßkanal sinnvoll, da die Verbrennungsluft bei betriebswarmen Motor weniger aufgeheizt wird und dadurch, daß kältere Luft eine geringere Dichte besitzt, die Füllung des Zylinders mit Verbrennungsluft verbessert wird. Es ist außerdem sinnvoll, die Auslaßkanäle zu beschichten. Durch die Isolationswirkung kühlen sich die Abgase weniger ab, so daß eine üblicherweise nachgeschaltete katalytische Abgasreinigungsvorrichtung schneller ihre Zündtemperatur erreicht.

[0011] Eine weitere vorteilhafte Gestaltung der Erfindung sieht vor, die sind zwischen zwei Ventilsitzen am Zylinderkopf ergebenden Stege, die sogenannten Ventilstege zu beschichten. Dieser Bereich ist üblicherweise einem besonderen thermischen Streß ausgesetzt, der aus der dünnen Wandung zwischen Abgasund Einlaßkanal resultiert. Eine zusätzliche Isolation dieses Bereiches durch Beschichten dieses Bereiches mittels des Microarcoxidationsverfahrens ist daher vorteilhaft.

[0012] Die Erfindung betrifft weiterhin einen Zylinderkopf, der eine das Microarcoxidationsverfahren erzeugte Beschichtung an mindestens einem der zuvor beschriebenen Bereiche aufweist.

[0013] Weiterhin wird ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Zylinderkopf an mindestens einem der zuvor beschriebenen Bereiche beschichtet wird. Bereiche, die nicht beschichtet werden sollen, werden durch geeignete Maßnahmen abgedeckt. So lassen sich je nach Bedarf ein oder mehrere Bereiche eines Zylinderkopfes oder der gesamte Zylinderkopf in der beschriebenen Weise beschichten.

[0014] Die Erfindung wird anhand der einzigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1

Einen Ausschnitt eines Schnittes durch eine Hubkoibenbrennkraftmaschine

[0015] 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.

[0016] Erfindungsgemäß wird ein Leichtmetallzylinderkopf 2 im Bereich der Dichtflächen der Gaswechselventile 7,7' mittels Microarcoxidation beschichtet. Üblicherweise sind hier Ventilsitzringe 9, 9' aus üblicherweise gehärtetem Stahlwerkstoff in Einsatz, da in diesem Bereich die Gaswechselventile 7, 7' beim Schließen mit hoher Geschwindigkeit auf den Zylinderkopf prallen. Sind dagegen diese Bereiche wie beschrieben durch Microarcoxidation beschichtet worden, so ist die entstandene Schicht den Anforderungen gewachsen, so daß die Ventilsitzringe 9, 9' entfallen können.

[0017] Ähnliches gilt für die Bereiche der Ventilführungen 8, 8', in denen die Gaswechselventile 7, 7' gelagert sind. Üblicherweise erfüllt der Leichtmetallwerkstoff des Zylinderkopfes 2 nicht die Anforderungen, die an eine Lagerung der Gaswechselventile 7, 7' gestellt werden: Die Gleitlagerung der Gaswechselventile 7, 7' muß ausreichend verschleißfest sein, aber auch Notlaufeigenschaften aufweisen, da es beim Anlassen einer Brennkraftmaschine 1 einige Sekunden dauert, bis der Schmierstoff an alle Lagerstellen vordringt. Erfindungsgemäß wird nun dieser Bereich der Lagerung der Gaswechselventile 7, 7' durch Microarcoxidation mit einer oxidierten Oberflächenschicht überzogen. Diese Schicht weist eine genügende Verschleißfestigkeit aus, ist aber auch leicht porös, so daß etwas Öl zurückgehalten werden kann, was wiederum die gewünschte Notlaufeigenschaft bietet. Auf separate Ventilführungen 8, 8' kann daher verzichtet werden. Eine zusätzliche Beschichtung durch PTFE (Teflon) oder Gleitlack ist denkbar.

[0018] Erfindungsgemäß, kann es auch vorteilhaft sein, die Ein- bzw. Auslaßkanäle 10, 11 eines Verbrennungsmotors 1 zu beschichten. Die Beschichtung hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das Grundmaterial. Dies hat auf der Einlaßseite den Vorteil, daß die Verbrennungsluft weniger aufgeheizt wird, so daß kühlere, damit dichtere und daher mehr Verbrennungsluft in den Brennraum 6 gelangen kann. Auf der Auslaßseite bringt diese leichte Isolationswirkung den Vorteil, daß die Abgase nicht so schnell abkühlen und daher z. B. eine katalytische Abgasbehandlungseinrichtung schneller ihre Zündtemperatur erreicht.

[0019] Auch eine thermische Isolierung der Ventilstege 12 ist sinnvoll, da diese Bereiche hohen Temperaturdifferenzen und starker mechanischer Belastung ausgesetzt sind.

Ansprüche

1. Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation von Leichtmetallen, zur Beschichtung von Zylinderköpfen (2) von Hubkolbenbrennkraftmaschinen (1).

2. Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
   die Zylinderköpfe (2) in den Kontaktbereichen der Gaswechselventilteller (9, 9') beschichtet werden.

3. Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
   die Zylinderköpfe (2) in den Kontaktbereichen der Gaswechselventilführungen (8, 8') beschichtet werden.

4. Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
   die Ein- und Auslaßkanäle (10, 11) beschichtet werden.

5. Verwendung eines Verfahrens zur Microarcoxidation nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
   die Ventilstege beschichtet werden.

6. Zylinderkopf für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine (1)
dadurch gekennzeichnet, daß
   der Zylinderkopf (2) beschichtete Bereiche nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.

7. Verfahren zur Beschichtung von Zylinderköpfen (2) für Hubkolbenbrennkraftmaschinen (1) mittels Microarcoxidation
dadurch gekennzeichnet, daß
   die nicht in den Ansprüchen 2 bis 5 genannten Bereiche während der Microarcoxidation abgedeckt werden, so daß in diesen Bereichen keine Oberfiächenbeschichtung erfolgt.

Zeichnung