DE102006057839A1 - Zylinder für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinder (10) für einen Verbrennungsmotor, dessen Innendurchmesser im Bereich oberhalb des oberen Ringumkehrpunkts eines im Zylinder (10) axial hin und her geführten Kolbens eine Verengung aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verengung als auf der Lauffläche (11) des Zylinders (10) im Bereich des oberen Umkehrpunkts aufgebrachten Materialauftrag (30) ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zylinders.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinder für einen Verbrennungsmotor, wobei der Innendurchmesser des Zylinders im Bereich oberhalb des oberen Ringumkehrpunkts eines im Zylinder axial hin und her geführten Kolbens eine Verengung aufweist.
- Eine derartige Verengung dient dazu, die sich auf dem Feuersteg des Kolbens anlagernde Ölkohle abzustreifen und einen Kontakt der Ölkohle mit der Lauffläche des Zylinders zu vermeiden.
- Diese Verengung kann bspw. als ringförmiger Einsatz ausgebildet sein, der in eine Ausnehmung des Zylinders im Bereich oberhalb des oberen Ringumkehrpunkts eingesetzt wird, wie es bspw. in der
DE 103 21 034 B3 oder derDE 35 43 668 A1 beschrieben ist. Es sind auch Einsätze in Form bearbeiteter Gussringe bekannt, die aufgrund ihrer großen Wanddicke und der dadurch benötigten großen Auflagefläche nur für große Motoren geeignet sind, wie sie bspw. in Stationärmotoren eingesetzt werden. Es ist ferner bekannt, diese Verengung durch eine lokale Wärmebehandlung des Zylinderwerkstoffs zu erzeugen, bei der aufgrund einer Gefügeumwandlung ein reduzierter Bohrungsdurchmesser erzielt wird. Schließlich ist es bekannt, die Lauffläche des Zylinders in diesem Bereich zu rändeln, so dass der Innendurchmesser des Zylinders durch die dabei entstehenden Materialaufwürfe reduziert wird. - Alle diese bekannten Techniken zur Reduzierung des Innendurchmessers eines Zylinders haben gemeinsam, dass der Durchmesser des Feuerstegs des Kolbens an die Verengung angepasst werden muss. Teilweise wird der Zylinderwerkstoff stark mechanisch und/oder thermisch beansprucht. Mit dem eingesetzten Ring wird ein zudem ein zusätzliches Bauteil benötigt.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Zylinder mit einer Verengung seines Innendurchmessers im Bereich oberhalb des oberen Ringumkehrpunkts eines im Zylinder axial hin und her geführten Kolbens zu schaffen, der einfach und kostengünstig herzustellen ist, bei dem die Beanspruchung des Zylinderwerkstoffs verringert und die Anpassung des Feuerstegdurchmessers vereinfacht ist.
- Die Lösung besteht in einem Zylinder mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verengung als auf der Lauffläche des Zylinders im Bereich des oberen Umkehrpunkts aufgebrachten Materialauftrag ausgebildet ist. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Zylinder, bei dem auf der Lauffläche des Zylinders im Bereich des oberen Umkehrpunkts ein Materialauftrag aufgebracht wird.
- Der erfindungsgemäße Zylinder weist erstmals eine Verengung in Form eines auf die Lauffläche aufgebrachten Materialauftrags auf. Beim Aufbringen des Materialauftrags wird der Zylinderwerkstoff nur in einem sehr begrenzten lokalen Bereich mechanisch und/oder thermisch beansprucht. Dadurch wird eine Schwächung des Zylinders durch weit reichende Gefügeveränderungen sowie eine Veränderung der Maße des Zylinders (bspw. durch Verziehen) vermieden. Der Materialauftrag kann so ausgestaltet werden, dass eine Nachbearbeitung nicht erforderlich ist, was die Herstellung weiter vereinfacht. Eine Veränderung des Zylinderquerschnitts, bspw. durch Einbringen von Nuten, ist nicht erforderlich. Der Materialauftrag kann auch nachträglich auf bereits fertig gestellte Bauteile aufgebracht werden. Eine zusätzliche Anpassung des Feuerstegdurchmessers am Kolben ist ebenfalls nicht erforderlich, weil der erfindungsgemäße Materialauftrag individuell passgenau aufgetragen werden kann.
- Dieses erfindungsgemäße Gestaltungsprinzip erlaubt den Einsatz des erfindungsgemäßen Zylinders auch bei wesentlich geringeren Motorenbaugrößen, als sie bisher möglich waren, was die Verwendung in praktisch allen Motortypen einschließlich PKW-Motoren ermöglicht. Der erfindungsgemäße Zylinder kann einfach und kostengünstig hergestellt werden, wobei eine Serienfertigung möglich und auch wirtschaftlich ist.
- Gegenstand der Erfindung sind außerdem ein Zylinderkurbelgehäuse und ein Verbrennungsmotor, die jeweils erfindungsgemäße Zylinder aufweisen.
- Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Der Materialauftrag kann vorzugsweise auf die fertig bearbeitete Lauffläche des Zylinders aufgebracht werden. Damit können fertige Bauteile nachträglich mit dem erfindungsgemäßen Materialauftrag versehen werden. Eine Nachbearbeitung ist in der Regel nicht notwendig.
- Der Materialauftrag kann durch jedes Verfahren erfolgen, das eine möglichst exakte Begrenzung der axialen Höhe des Materialauftrags erlaubt. Dazu zählt bspw. das thermische Spritzen, bspw. Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen, Laserspritzen, Laserauftragsschweißen etc..
- Besonders bevorzugt werden aber Verfahren, bei denen der Materialauftrag mit einem möglichst geringen Wärmeeintrag in den Zylinderwerkstoff verbunden ist. Damit wird nicht nur eine übermäßige Beanspruchung des Zylinderwerkstoffs durch Gefügeveränderungen vermieden, sondern auch unerwünschte Oxidationen des Zylinderwerkstoffs.
- Zu diesen Verfahren gehört bspw. eine galvanische oder stromlose Abscheidung auf die Lauffläche, bei der der gewünschte Bereich selektiv mit einem Materialauftrag vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff in der gewünschten Dicke (bspw. 50–500 μm) versehen wird. Geeignet sind bspw. Eisen, Kupfer, Chrom oder andere Elemente enthaltende Werkstoffe. Bei der Abscheidung wird durch geeignete Masken, z. Bsp. Zylindereinsätze, die mit Dichtlippen (vorzugsweise aus Gummi) flüssigkeitsdicht den nicht zu beschichtenden Bereich abdecken, die erforderliche Selektivität und Begrenzung der axialen Höhe des Materialauftrags erzielt. Dies kann bei der galvanischen Abscheidung auch durch eine angepasste Ausführung der Gegenelektrode oder mittels Blenden zur Begrenzung des elektrischen Feldes erreicht werden. Diese Verfahrenstechniken und Maßnahmen sind dem Fachmann bekannt.
- Der Materialauftrag kann auch durch ein Druckverfahren, bspw. Tampondruck, auf die Lauffläche des Zylinders aufgebracht werden. Auch hierbei wird ein übermäßiger Wärmeeintrag in den Zylinderwerkstoff vermieden.
- Ein besonders bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen des Materialauftrags auf die Lauffläche des Zylinders, bei dem ein übermäßiger Wärmeeintrag in den Zylinderwerkstoff vermieden wird, ist das Kaltgasspritzen. Beim Kaltgasspritzen (cold spray) wird der Werkstoff des Materialauftrags in Form eines festen Pulvers mit hoher kinetischer Energie auf die Lauffläche aufgetragen. Es findet praktisch kein Wärmeeintrag in den Zylinderwerkstoff statt. Die axiale Höhe des Materialauftrags kann durch die Spritzstrahlbreite exakt kontrolliert werden. Es entsteht ein qualitativ besonders hochwertiger Materialauftrag mit einer praktisch beliebig wählbaren Dicke von 10 μm bis 5 mm. Ferner können mit diesem Verfahren zahlreiche Materialien verarbeitet werden, von Metallen über Kunststoffe bis hin zu Keramiken und Gemischen hiervon.
- Für den Materialauftrag können generell alle Werkstoffe verwendet werden, die sich dauerhaft auf die Lauffläche des Zylinders auftragen lassen und beständig gegen die Beanspruchungen während des Betriebs sind. Insbesondere sind geeignet Metalle, Metalllegierungen, metallische Gläser, anorganische Gläser, Keramiken und Verbundkeramiken, Emaillewerkstoffe, Lacke und Emaillelacke.
- Die Dicke des Materialauftrags hängt von den Anforderungen des Einzelfalls ab und kann bspw. 50–500 μm betragen. Idealerweise sollte die Dicke so gewählt werden, dass eine Montage des kompletten Kolbens mit Kolbenringen von der Zylinderkopfseite her problemlos möglich ist. Der Zylinderdurchmesser im Bereich des Materialauftrags muss also größer sein als der Nenndurchmesser des zu montierenden Kolbens.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens; -
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. -
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei zum Aufbringen des Materialauftrags das Kaltgasspritzen eingesetzt wird. Der zu bearbeitende Zylinder10 ist im Ausführungsbeispiel eine Zylinderlaufbuchse10 aus einer lamellaren Gusseisenlegierung mit einem Innendurchmesser von 130 mm. Eine Vorrichtung20 zum Kaltgasspritzen umfasst in an sich bekannter Weise einen Vorratsbehälter21 für ein Gas, bspw. Stickstoff, das sowohl als Prozessgas als auch als Trägergas für den pulverförmigen Werkstoff dient. Der Werkstoff ist im Ausführungsbeispiel ein metallisches Pulver auf der Basis von Eisen, wobei auch Pulver auf der Basis von Kupfer oder Aluminium gut geeignet sind. Der Werkstoff wird in einem Pulverförderer22 bevorratet. Vom Vorratsbehälter21 führt eine Rohrleitung23 zum Pulverförderer. Das über diese Rohrleitung23 in den Pulverförderer22 transportierte Gas dient als Trägergas für den pulverförmigen Werkstoff. Eine weitere Rohrleitung24 führt vom Vorratsbehälter21 zu einem Gasheizer25 . Das in diesen Gasheizer25 transportierte Gas dient als Prozessgas, welches bei Bedarf auf eine Temperatur von bspw. 200–600°C aufgeheizt werden kann. Sowohl das Trägergas mit dem pulverförmigen Werkstoff als auch das Prozessgas werden über Rohrleitungen26 ,27 in eine Überschalldüse oder Lavaldüse28 transportiert. Dort wird das Pulver-Gas-Gemisch in Richtung des Pfeils B, also in Richtung auf die zu beschichtende Oberfläche, d.h. im Ausführungsbeispiel auf die Lauffläche11 der Zylinderlaufbuchse10 , auf eine Geschwindigkeit von mehr als 500 m/s, in Spitzen bis 1500 m/s beschleunigt. Der resultierende Strahl29 trifft bei Arbeitsabständen von typischerweise 5–50 mm auf die zu beschichtende Lauffläche11 auf und bildet dabei den erfindungsgemäßen Materialauftrag30 in einer definierten Dicke von bspw. 50 μm und mit einer über die Breite des Strahls29 genau kontrollierbaren axialen Erstreckung H von z.B. 5 mm. Dabei rotiert die Zylinderlaufbuchse 10 um ihre Mittelachse A in Richtung des Pfeils P. - Um die axiale Höhe H des Materialsauftrag
30 noch besser kontrollieren zu können, kann gemäß2 in der in der1 beschriebenen Anordnung eine Blende31 vor den zu beschichtenden Bereich der Lauffläche11 gesetzt werden. Falls erforderlich, kann eine Honbearbeitung des Materialauftrags erfolgen.
Claims (18)
- Zylinder (
10 ) für einen Verbrennungsmotor, wobei der Innendurchmesser des Zylinders (10 ) im Bereich oberhalb des oberen Ringumkehrpunkts eines im Zylinder (10 ) axial hin und her geführten Kolbens eine Verengung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung als auf der Lauffläche (11 ) des Zylinders (10 ) im Bereich oberhalb des oberen Ringumkehrpunkts aufgebrachter Materialauftrag (30 ) ausgebildet ist. - Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialauftrag (
30 ) auf die fertig bearbeitete Lauffläche (11 ) des Zylinders (10 ) aufgebracht ist. - Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialauftrag (
30 ) ein thermisch gespritzter Materialauftrag ist. - Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialauftrag (
30 ) ein galvanisch oder stromlos abgeschiedener Materialauftrag ist. - Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialauftrag (
30 ) ein gedruckter Materialauftrag ist. - Zylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialauftrag (
30 ) ein kaltgasgespritzter Materialauftrag ist. - Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialauftrag (
30 ) aus einem Metall, einer Metalllegierung, aus metallischem Glas, aus anorganischem Glas, aus Kunststoff, aus Keramik, aus Verbundkeramik, aus Emaille, aus Lack oder aus Emaillelack besteht. - Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialauftrag (
30 ) eine Dicke von 0,02 bis 1 mm aufweist. - Zylinderkurbelgehäuse für einen Verbrennungsmotor, mit mindestens einem Zylinder (
10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8. - Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 9.
- Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, nämlich ein Dieselmotor für ein Nutzfahrzeug oder ein PKW-Motor.
- Verfahren zur Verengung des Innendurchmessers eines Zylinders (
10 ) für einen Verbrennungsmotor im Bereich oberhalb des oberen Ringumkehrpunkts eines im Zylinder (10 ) axial hin und her geführten Kolbens, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Lauffläche (11 ) des Zylinders (10 ) im Bereich des oberen Umkehrpunkts ein Materialauftrag (30 ) aufgebracht wird. - Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialauftrag (
30 ) nach dem Fertigbearbeiten der Lauffläche (11 ) des Zylinders (10 ) aufgebracht wird. - Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialauftrag (
30 ) durch thermisches Spritzen aufgebracht wird. - Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialauftrag (
30 ) durch galvanische oder stromlose Abscheidung aufgebracht wird. - Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialauftrag (
30 ) durch Drucken, insbesondere Tampondruck, aufgebracht wird. - Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialauftrag (
30 ) durch Kaltgasspritzen aufgebracht wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für den Materialauftrag (
30 ) ein Metall, eine Metalllegierung, ein metallisches Glas, ein anorganisches Glas, ein Kunststoff, eine Keramik, eine Verbundkeramik, eine Emaille, ein Lack oder ein Emaillelack verwendet wird.
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