DE102005022469A1 - Cylinder crankcase for internal combustion (IC) engine, is monolithically molded from hard material consisting of low-eutectic aluminum alloy added with silicon particles - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkurbelgehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Zylinderkurbelgehäuses.The The invention relates to an internal combustion engine with a cylinder crankcase according to the preamble of claim 1 and a method for producing the cylinder crankcase.
Zur Reduzierung des Gewichtes einer Brennkraftmaschine ist es allgemein bekannt, das Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium, durch ein Gießverfahren herzustellen.to Reducing the weight of an internal combustion engine is general known, the cylinder crankcase made of light metal, in particular aluminum, by a casting process manufacture.
Zum Erreichen hoher Laufzeiten werden dem Aluminium Hartstoffe, beispielsweise Siliziumpartikel, zugegeben, die sich in der Schmelze möglichst homogen verteilen, und die auf der Oberfläche der Zylinderlaufbahn die Gegenfläche für die Kolben der Brennkraftmaschine bilden. Dazu werden üblicher Weise die Hartstoffpartikel aus der eine Matrix bildenden Aluminiumoberfläche nasschemisch oder durch ein spezialisiertes Honverfahren freigelegt.To the Achieving high maturities are the aluminum hard materials, for example Silicon particles, added in the melt as possible distribute homogeneously, and on the surface of the cylinder bore the counter surface for the Form piston of the internal combustion engine. These are becoming more common Make the hard particles from the matrix-forming aluminum surface wet-chemically or uncovered by a specialized honing process.
Bei einer Aluminium-Silizium-Legierungen liegt der sogenannte Eutektoide Punkt bei einem Siliziumanteil von etwa 11.7% vor, bei dem die Schmelz aus der flüssigen Phase direkt in die feste Phase übergeht. Dementsprechend wird eine Aluminium-Silizium-Legierungen mit der Zusammensetzung von etwa AlSi12xx als eutektisch bezeichnet, wobei xx für weitere Legierungsanteile steht, beispielsweise Cu4 (4% Kupfer) oder Mg (1% Magnesium).In an aluminum-silicon alloys, the so-called eutectoid point is present at a silicon content of about 11.7%, at which the melt from the liquid phase passes directly into the solid phase. Accordingly, an aluminum-silicon alloy with the composition of about AlSi 12 xx is referred to as eutectic, where xx stands for further alloying shares, for example, Cu 4 (4% copper) or Mg (1% magnesium).
Aluminium-Silizium-Legierungen mit einem höheren Siliziumanteil, beispielsweise AlSi17xx, werden als übereutektisch bezeichnet. Legierungen mit einem geringeren Siliziumanteil, beispielsweise AlSi9xx, werden als untereutektische Legierung bezeichnet.Aluminum-silicon alloys with a higher silicon content, for example AlSi 17 xx, are called hypereutectic. Alloys having a lower silicon content, for example, AlSi 9 xx are referred to as hypoeutectic alloy.
Dabei ist typisch, dass eine untereutektische Aluminium-Silizium-Legierung kleinere Siliziumkristalle in einer geringeren Anzahl aufweist, und eine übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung größere Siliziumkristalle in einer höheren Anzahl aufweist.there This is typical of a hypoeutectic aluminum-silicon alloy having smaller silicon crystals in a smaller number, and a hypereutectic Aluminum-silicon alloy larger silicon crystals in a higher Number has.
Dabei nimmt der Aufwand für ein zuverlässig reproduzierbares Gießverfahren sowie der Aufwand für die anschließende Bearbeitung der Zylinderlaufbahnen mit einem steigenden Anteil an Siliziumpartikeln stark zu.there takes the effort for a reliable one reproducible casting process as well as the effort for the subsequent Machining the cylinder liners with an increasing proportion of Silicon particles too strong.
Aus
einer Vielzahl von Druckschriften, beispielsweise aus der
Dabei ist es im Hinblick auf ein wenige Fertigungsschritte umfassendes, und damit kostengünstiges Fertigungsverfahren vorteilhaft das Zylinderkurbelgehäuse monolithisch auszubilden, wobei die Zylinderlaufbahnen wie das Zylinderkurbelgehäuses beim Gießen aus dem selben Material entstehen.there is it in terms of a few manufacturing steps comprehensive, and thus cost-effective manufacturing process advantageous to construct the cylinder crankcase monolithic, wherein the cylinder liners as the cylinder crankcase to water made of the same material.
Ein weiterer Vorteil eines monolithischen Zylinderkurbelgehäuses besteht in der Vermeidung mechanischer Spannungen, die bei einer Verwendung von unterschiedlichen Materialien für das Zylinderkurbelgehäuse und die Zylinderlaufbahnen aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten entstehen.One Another advantage of a monolithic cylinder crankcase consists in avoiding mechanical stresses when using of different materials for the cylinder crankcase and the cylinder liners due to the different expansion coefficients arise.
Derartige mechanische Spannungen können zu einem Verzug führen, der die dichtende Wirkung der Kolbenringe reduziert bzw. das Blowby erhöht, den Ölverbrauch und den Verschleiß fördert und letztlich den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine erhöht.such mechanical stresses can lead to a delay, which reduces the sealing effect of the piston rings or the blowby elevated, the oil consumption and promotes wear and tear ultimately increases the fuel consumption of the internal combustion engine.
Aus
der Druckschrift
Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens besteht in dem hohen Aufwand, der zur Anwendung des Kokillengussverfahrens sowie zur Bearbeitung des Rohgussteils insbesondere der Zylinderlaufbahnen aufgewendet werden muss.Of the significant disadvantage of this method is the high cost, for the application of the chill casting process and for processing spent the raw casting, in particular the cylinder liners must become.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkurbelgehäuse sowie ein Verfahren zur Herstellung des Zylinderkurbelgehäuses anzugeben, bei dem ein monolithisch gegossenes Zylinderkurbelgehäuse aus einer untereutektischen Aluminiumlegierung hergestellt werden kann.Of the Invention is the object of an internal combustion engine with a cylinder crankcase as well to provide a method of manufacturing the cylinder crankcase in which a monolithic cast cylinder crankcase a hypoeutectic aluminum alloy can be produced.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 7 gelöst.These Task is achieved by the characterizing features of the independent claims 1 and 7 solved.
Nach Patentanspruch 1 ist das Zylinderkurbelgehäuse aus einer Hartstoffe enthaltenden Aluminiumlegierung hergestellt, ist die Hartstoffe enthaltende Aluminiumlegierung untereutektisch zusammengesetzt, und ist das Zylinderkurbelgehäuse zusammen mit den Zylinderlaufbahnen monolithisch gegossen.To Claim 1 is the cylinder crankcase from a hard materials containing Made of aluminum alloy, is the hard materials containing aluminum alloy hypoeutectic composite, and is the cylinder crankcase together monolithic cast with the cylinder liners.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hartstoff Siliziumpartikel bildendes Silizium ist.In an advantageous embodiment of the invention is provided the hard material is silicon particles forming silicon.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in die Oberfläche der Zylinderlaufbahnen eine Riefen aufweisendes Riefenstruktur eingebracht ist. Die Riefenstruktur ist vorzugsweise durch ein mehrstufiges Spiral-Gleithonverfahren entstanden.In a further advantageous embodiment of the invention is provided that in the surface the cylinder barrels introduced a grooves having grooves structure is. The score structure is preferably a multi-level Spiral sliding-clay method emerged.
In einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kolben der Brennkraftmaschine aus Aluminium hergestellt sind, wobei auf die Mantelfläche der Kolben eine auf Eisen oder auf Graphit basierende Beschichtung aufgebracht ist.In one next advantageous development of the invention is provided that the Pistons of the internal combustion engine are made of aluminum, wherein on the lateral surface the piston is a coating based on iron or graphite is applied.
Die Kolben der Brennkraftmaschine tragen mindestens einen Kolbenring, dessen Oberfläche stahlnitriert ist. Der mindestens eine Kolbenring ist vorzugsweise als zweiteiliger Stahlölring ausgebildet, der beispielsweise von einer innenliegenden Schlauchfeder gegen die Zylinderlaufbahn verschoben wird.The Pistons of the internal combustion engine carry at least one piston ring, its surface is steel nitrided. The at least one piston ring is preferably as a two-part steel oil ring formed, for example, by an internal hose spring is moved against the cylinder bore.
Nach Patentanspruch 7 wird das Zylinderkurbelgehäuse gegossen, wobei als Gießverfahren das kostengünstige Sandgießen oder Druckgießen angewendet wird. Grundsätzlich kann auch hier das Kokillengussverfahren angewendet werden. Die Zylinderlaufbahnen werden durch ein vorzugsweise mehrstufiges Honverfahren bearbeitet. Als Honverfahren wird das Spiral- Gleithonverfahren verwendet.To Claim 7, the cylinder crankcase is cast, using as casting the cost-effective sand casting or die casting is applied. in principle Here, too, the chill casting process can be used. The Cylinder tracks are by a preferably multi-stage honing process processed. As a honing process, the spiral-sliding method used.
In einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zylinderkurbelgehäuse einer Wärmebehandlung T5, T6 oder T7 unterzogen wird. Die T-Nummer zeigt die aus der Wärmebehandlung resultierende Härte und ist relevant für die Elastizität. Nach der europäischer Norm bedeutet der Wärmebehandlungsparameter T6, dass das Werkstück lösungsgeglüht, abgeschreckt und warmausgelagert wird. T7 bedeutet, dass das Werkstück lösungsgeglüht, abgeschreckt und überaltert wird.In one next advantageous development of the invention is provided that the cylinder crankcase a heat treatment T5, T6 or T7 is subjected. The T number shows that from the heat treatment resulting hardness and is relevant for the elasticity. After the European Norm means the heat treatment parameter T6 that the workpiece Solution annealed, quenched and warmed up. T7 means that the workpiece is solution annealed, quenched and obsolete becomes.
In einer letzten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Siliziumpartikel von dem eine Matrix um die Siliziumpartikel bilden Aluminium eingeschlossen werden. Dabei ist vorgesehen, dass die Siliziumpartikel vor der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine nicht aus der Aluminiummatrix freigelegt werden.In a last advantageous development of the invention is provided that the silicon particles from the one matrix around the silicon particles make aluminum are included. It is envisaged that the Silicon particles before the commissioning of the internal combustion engine not be exposed from the aluminum matrix.
Das Zylinderkurbelgehäuse der Bennkraftmaschine, das nach dem beschriebenen Verfahren herbestellt wird, weist sehr geringe Herstellungskosten auf und zeichnet sich durch geringen Ölverbrauch, geringes Blowby und geringen Verschleiß aus.The cylinder crankcase the Bennkraftmaschine that herbestellt according to the described method is, has very low production costs and stands out due to low oil consumption, low blowby and low wear.
Im folgenden ist das erfindungsgemäße Zylinderkurbelgehäuse sowie das Verfahren zur Herstellung des Zylinderkurbelgehäuses der Brennkraftmaschine anhand von einem Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit zwei Figuren dargestellt und erläutert.in the The following is the cylinder crankcase according to the invention as well the method for producing the cylinder crankcase of Internal combustion engine based on an embodiment in connection illustrated and explained with two figures.
Es zeigen:It demonstrate:
Ein Zylinderkurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine wird aus einer untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung gegossen, die aus 88% Aluminium, 9% Silizium und 3% Kupfer, kurz AlSi9Cu3, besteht. Die Herstellung erfolgt kostengünstig in einem Sandgussverfahren. Alternativ kann auch ein Druckgussverfah ren angewendet werden. Nach dem Gießen wird das Zylinderkurbelgehäuse einer Wärmebehandlung T6 ausgesetzt, durch welche die Härte und damit die Elastizität des Zylinderkurbelgehäuses, insbesondere der Zylinderlaufbahnen, eingestellt wird.A cylinder crankcase for an internal combustion engine is cast from a hypoeutectic aluminum-silicon alloy consisting of 88% aluminum, 9% silicon and 3% copper, short AlSi 9 Cu 3 . The production is cost-effective in a sand casting process. Alternatively, a Druckgussverfah ren can be applied. After casting, the cylinder crankcase is subjected to a heat treatment T6, by which the hardness and thus the elasticity of the cylinder crankcase, in particular the cylinder liners, is adjusted.
Die
Gießform
eines Zylinderkurbelgehäuses
Nach
dem Gießen
des Zylinderkurbelgehäuses
Die ebenfalls nicht dargestellten, aus Aluminium hergestellten Kolben weisen auf der Mantelfläche eine Oberflächenbeschichtung auf, die vorzugsweise auf Eisen oder auf Graphit basiert. Beispielsweise wird eine auf Eisen basierende Oberflächenbeschichtung im Siebdruckverfahren aufgebracht, die als Ferroprint bezeichnet wird. Alternativ kann eine als Ferrostan bezeichnete Oberflächenbeschichtung galvanisch aufgebracht werden.The also not shown, made of aluminum pistons have on the lateral surface one surface coating preferably based on iron or graphite. For example becomes an iron-based surface coating by screen printing applied, which is referred to as Ferroprint. Alternatively, you can a surface coating called Ferrostan galvanic be applied.
Der Kolben trägt in seinem oberen Bereich drei Kolbenringe, einen Kompressionsring, einen Zwischenring und einen Ölabstreifring. Der Kompressionsring und der Ölabstreifring bestehen aus einem chromhaltigen Stahl, dessen Chromgehalt gering gewählt ist und bei ca. 11 % liegt. Der Übergang der äußeren, die Zylinderlauffläche berührenden Seitenfläche der Kolbenringe und den dazu im Wesentlichen senkrechten Flächen der Kolbenringe ist so ausgebildet, dass Kantenausbrüche vermieden werden. Zudem kann die äußere Seitenfläche insbesondere des Kompressionsringes symmetrisch oder asymmetrisch ballig ausgebildet werden. Der Ölabstreifring ist vorzugsweise als zweiteiliger Schlauchfederring ausgebildet, beispielsweise als Dachfasenring.Of the Piston carries in its upper area three piston rings, a compression ring, an intermediate ring and an oil scraper ring. The compression ring and the oil scraper ring consist of a chromium-containing steel whose chromium content is low chosen is and is at about 11%. The transition the outer, the cylinder surface touching side surface the piston rings and the substantially vertical surfaces of the Piston rings are designed so that edge breakouts are avoided. moreover in particular, the outer side surface the compression ring formed symmetrically or asymmetrically spherical become. The oil scraper ring is preferably designed as a two-part hose spring ring, for example, as roof lobe ring.
Die
Siliziumpartikel
Für eine zuverlässige Inbetriebnahme der fertig montierten Brennkraftmaschinen ist es üblich die Siliziumpartikel nasschemisch oder durch eine spezielles Honverfahren aus der Aluminiummatrix freizulegen, wobei zudem die Oberflächen der Siliziumpartikel, die mit dem Kolben in Berührung kommen, abgerundet werden. Dieser Freilegeschritt wird beim vorliegenden Herstellungsverfahren nicht durchgeführt, wodurch erhebliche Kostenvorteile entstehen.For a reliable commissioning the assembled engine is the usual Silicon particles wet-chemically or by a special honing process expose from the aluminum matrix, wherein also the surfaces of the Silicon particles that come into contact with the piston are rounded off. This clearance step is used in the present production process not done, which results in considerable cost advantages.
Zur Gewichtsoptimierung kann das Zylinderkurbelgehäuse so ausgeführt sein, dass lediglich ein Innenteil aus dem untereutektischen Aluminium gegossen wird, wobei das Innenteil die Zylinderlaufbahnen und gegebenenfalls einen Teil der Kühlwasserführungen umfasst. Dieses Innenteil wird dann beispielsweise von einem Mantel aus Magnesium umgeben.For weight optimization, the cylinder crankcase can be designed so that only one In Part is poured from the hypoeutectic aluminum, wherein the inner part comprises the cylinder liners and optionally a part of the cooling water ducts. This inner part is then surrounded, for example, by a shell of magnesium.
Durch das Zylinderkurbelgehäuse, das nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt wird, werden die Herstellungskosten der Brennkraftmaschine reduziert, wobei zugleich der Schmiermittelverbrauch, die Reibwerte und damit der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine reduziert wird.By the cylinder crankcase, which is prepared by the described method, the Reduced manufacturing cost of the internal combustion engine, at the same time the lubricant consumption, the coefficient of friction and thus the fuel consumption the internal combustion engine is reduced.
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