DE102006060920A1

DE102006060920A1 - Cylinder sleeve for reciprocating piston internal combustion engine, has structure varying over breadth of interpolar area, such that middle thickness and middle size of structural units are different in different sections of area

Info

Publication number: DE102006060920A1
Application number: DE200610060920
Authority: DE
Inventors: Reiner Dr.-Ing. Heigl; Tobias Dipl.-Ing. Hercke; Axel Dipl.-Ing. Heuberger; Josef Lehsiak; Agnes Dipl.-Ing. Ott
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-07-03

Abstract

The sleeve (2) has a structure (8) in an interpolar area (7), where the structure varies over the breadth of the interpolar area, such that middle thickness and middle size of structural units of the structure is different in different sections (7A, 7B, 7C) of the interpolar area. The structure varies over the breadth of the interpolar area, such that the larger thickness of the structural units and/or larger structural units are provided at the section (7A) than in the section (7C), which is away from a working chamber, where the section (7A) is turned towards the chamber.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine.The The invention relates to a cylinder liner for a reciprocating internal combustion engine.

Aufgrund der immer schärfer werdenden Regulierungen der Abgasgrenzwerte von Kraftfahrzeugen besteht eine immer größer werdende Notwendigkeit zur Reduktion des Ölverbrauchs in Verbrennungsmotoren. Um den Ölverbrauch möglichst gering halten zu können, muss insbesondere das Ölrückhaltevolumen der Zylinderlaufbahnen möglichst gering sein. Dies erfordert eine sehr feine Oberflächenstruktur der Zylinderlaufbahn. Bei einer solch feinen Oberflächenstrukturierung erhöht sich allerdings das Risiko des Verschleißes in den hochbeanspruchten Bereichen der Zylinderlaufbahn, insbesondere im Zwickelbereich; ein zunehmender Verschleiß kann jedoch eine Steigerung des Ölverbrauchs über die Laufzeit des Motors zur Folge haben. Weiterhin erhöht sich die Gefahr einer lokalen Temperaturerhöhung der Reibstelle zwischen Kolben und Zylinder, was im Extremfall zu einem Motorausfall (Kolbenfresser) führen kann.by virtue of the ever sharper Becoming regulations of the exhaust emission limits of motor vehicles There is an ever-increasing number Need to reduce oil consumption in internal combustion engines. To the oil consumption preferably to be able to keep low, especially the oil retention volume the cylinder tracks as low as possible be. This requires a very fine surface structure of the cylinder liner. With such a fine surface structuring elevated However, the risk of wear in the highly stressed Areas of the cylinder bore, in particular in the gusset area; An increasing wear can however, an increase in oil consumption over the Running time of the engine result. Further increases the danger of a local temperature increase of the friction point between Piston and cylinder, which in extreme cases to a motor failure (piston seizure) to lead can.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Oberflächenstruktur der Zylinderlaufbahn, insbesondere im Zwickelbereich, in einer solchen Weise zu gestalten, dass der Ölverbrauch verringert wird, während gleichzeitig die Gefahr des Verschleißes im Zwickelbereich reduziert wird.Of the Invention is based on the object, the surface structure of the cylinder liner, especially in the gusset area, in such a way to shape that the oil consumption is reduced while At the same time reduces the risk of wear in the gusset area becomes.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The The object is achieved by the Characteristics of claim 1 solved.

Danach wird die Zylinderlaufbahn im Zwickelbereich mit einer Oberflächenstruktur versehen, die über den Zwickelbereich hinweg lokal variiert und den lokalen tribologischen Gegebenheiten des Zwickelbereichs angepasst ist. In einem oberen Zwickelbereich, in dem sehr wenig Öl vorhanden ist und ungünstig geringe Kolbengeschwindigkeiten herrschen, werden mehr Strukturelemente und/oder größere Strukturelemente mit einem höheren Ölrückhaltevolumen eingebracht. In einem unteren Zwickelbereich, den die Kolbenringe mit einer höheren Geschwindigkeit überstreichen, ist die Zahl und/oder die Größe der Strukturelemente geringer. Die lokale Dichte und die Größe der Strukturelemente wird an die lokale Belastung der Zylinderlaufbuchse angepasst.After that The cylinder liner is in the gusset area with a surface structure provided over the gusset area varies locally and the local tribological Conditions of the gusset area is adjusted. In an upper one Zwickelbereich in which very little oil is present and unfavorably low Piston speeds prevail, become more structural elements and / or larger structural elements with a higher oil retention volume brought in. In a lower gusset area, the piston rings with a higher one Sweep speed, is the number and / or the size of the structural elements lower. The local density and the size of the structural elements becomes adapted to the local load of the cylinder liner.

Die erfindungsgemäße Strukturierung der Zylinderlaufbahnen – mit einer fein ausgeführten Grundstruktur und einer lokal angepassten Strukturierung im Zwickelbereich – gewährleistet einerseits einen geringen Ölverbrauch und Verschleiß über die Laufbahn hinweg und führt andererseits im hochbeanspruchten Zwickelbereich zu einer Verbesserung des Verschleißverhaltens und einer Verringerung der Fressneigung. Die einzelnen Strukturelemente weisen vorteilhafterweise eine flache Flanke auf, mit einem Flankenwinkel, der vorzugsweise < 60° ist.The structuring according to the invention cylinder liners - with a finely executed basic structure and a locally adapted structuring in the gusset area - guaranteed on the one hand a low oil consumption and wear over the track away and leads On the other hand, in the highly stressed gusset area to improve the wear behavior and a reduction in predation. The individual structural elements advantageously have a flat flank, with a flank angle, which is preferably <60 °.

Die Strukturierung wird vorteilhafterweise mit Hilfe eines ps-Lasers durchgeführt. Ein solcher Laser bewirkt ein lokales Verdampfen des Werkstoffs der Zylinderlaufbuchse im Auftreffpunkt des Lasers. Auf diese Weise können gratfreie Strukturierungen erreicht werden, wodurch einen nachträgliche Glätthonung entfällt und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöht wird. Weiterhin ermöglicht ein ps-Laser die Erzeugung geometrisch genau definierter Vertiefungen; auf dies Weise können insbesondere flache Vertiefungen mit geringen Strukturtiefen und flachen Flanken erzeugt werden.The Structuring is advantageously carried out with the aid of a ps laser carried out. Such a laser causes a local evaporation of the material the cylinder liner at the point of impact of the laser. In this way can Burr-free structuring can be achieved, whereby a subsequent smoothness deleted and the economy of the process is increased. Furthermore, a allows ps laser the generation of geometrically well-defined wells; this way you can in particular shallow depressions with small structure depths and flat flanks are generated.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:in the The following is the invention with reference to an illustrated in the figures embodiment explained in more detail. there demonstrate:

1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Zylinderlaufbuchse mit einem darin geführten Kolben; 1 a schematic sectional view through a cylinder liner with a piston guided therein;

2 eine schematische Darstellung einer Strukturierung eines Zwickelbereichs der Zylinderlaufbuchse der 1; 2 a schematic representation of a structuring of a gusset portion of the cylinder liner of 1 ;

3a und 3b unterschiedliche Formen von Strukturelementen in einer schematischen Schnittdarstellung; 3a and 3b different forms of structural elements in a schematic sectional view;

4a–4d unterschiedliche Formen von Strukturelementen in einer Aufsicht. 4a - 4d different forms of structural elements in a plan view.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer in einen Zylinderblock 1 einer Hubkolben-Brennkraftmaschine eingegossenen Zylinderlaufbuchse 2. Im Betrieb der Brennkraftmaschine ist in der Zylinderlaufbuchse 2 ein Kolben 3 geführt. Der Kolben 3 weist mehrere Kolbenringe 4 auf, die den Arbeitsraum 10 gegenüber dem Kurbelgehäuse abdichten. Die Kolbenringe 4a–4d gleiten auf einer Innenfläche 5 der Zylinderlaufbuchse 2, der sogenannten Zylinderlaufbahn 6, und verhindern ein Durchtreten der im Arbeitsraum befindlichen, zeitweise unter hohem Druck stehenden Gase zum Kurbelgehäuse. Die Zylinderlaufbahn 6 ist mit einer gehonten, fein ausgeführten Grundstruktur versehen, die einen geringen Ölverbrauch und Verschleiß über die Zylinderlaufbahn 6 hinweg sicherstellt. 1 shows a schematic sectional view of a cylinder block 1 a reciprocating internal combustion engine cast cylinder liner 2 , During operation of the internal combustion engine is in the cylinder liner 2 a piston 3 guided. The piston 3 has several piston rings 4 on top of the workroom 10 Seal against the crankcase. The piston rings 4a - 4d glide on an inner surface 5 the cylinder liner 2 , the so-called cylinder liner 6 , And prevent passage of located in the working space, at times high pressure gases to the crankcase. The cylinder liner 6 is equipped with a honed, finely executed basic structure, which low oil consumption and wear over the cylinder liner 6 ensures.

In der Darstellung der 1 befindet sich der Kolben 3 nahe seinem oberen Totpunkt in der Zylinderlaufbuchse 2, in dem die Relativgeschwindigkeit der Kolbenringe 4 gegenüber der Innenwand 5 der Zylinderlaufbuchse 2 sehr gering ist. Derjenige Bereich 7 (Zwickelbereich 7) der Innenwand 5 der Zylinderlaufbuchse 2, der dem Kolben 3 in der Nähe dieses oberen Totpunkts gegenüberliegt, ist im Betrieb der Brennkraftmaschine einer hohen Beanspruchung ausgesetzt. Aufgrund dieser niedrigen Relativgeschwindigkeit im oberen Totpunkt muss der Zwickelbereich 7 eine gute Ölversorgung der Kolbenringe 4a–4d sicherstellen, um den Verschleiß der Zylinderlaufbuchse 2 zu minimieren. Andererseits soll im Interesse guter Abgaswerte der Ölverbrauch möglichst gering sein.In the presentation of the 1 is the piston 3 near its top dead center in the cylinder liner 2 in which the relative velocity of the piston rings 4 opposite the inner wall 5 the cylinder liner 2 is very low. The one area 7 (Interstitial region 7 ) of the inner wall 5 the cylinder liner 2 , the piston 3 in the vicinity of this top dead center is in operation the internal combustion engine exposed to high stress. Due to this low relative velocity at top dead center, the gusset area must 7 a good oil supply to the piston rings 4a - 4d Ensure the wear of the cylinder liner 2 to minimize. On the other hand, in the interests of good exhaust gas values, the oil consumption should be as low as possible.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist der Zwickelbereich 7 mit einer Struktur 8 von Öltaschen 9 versehen, wobei die Größe und/oder Form der Öltaschen 9 über den Zwickelbereich 7 hinweg variiert: Ein dem Arbeitsraum 10 benachbarter Abschnitt 7A des Zwickelbereichs 7, der im Betrieb der Brennkraftmaschine besonders hohen Belastungen ausgesetzt ist, weist eine Strukturierung 8A auf, in der die Öltaschen 9 eine höhere Dichte und/oder ein größeres Volumen haben; ein vom Arbeitsraum 10 weiter entfernter Bereich 7C des Zwickelbereichs 7 ist mit einer Strukturierung 8C versehen, die eine vergleichsweise geringere Dichte und/oder ein geringeres Volumen haben.To meet these requirements, is the gusset area 7 with a structure 8th of oil bags 9 provided with the size and / or shape of the oil pockets 9 over the gusset area 7 varies: A the work space 10 adjacent section 7A of the gusset area 7 , which is exposed during operation of the internal combustion engine particularly high loads, has a structuring 8A on, in the oil bags 9 have a higher density and / or a larger volume; one from the workroom 10 further away 7C of the gusset area 7 is with a structuring 8C provided, which have a relatively lower density and / or a smaller volume.

2 zeigt ein Beispiel für eine solche lokal variierende Strukturierung 8 des Zwickelbereichs 7 mit Strukturelementen 12 die im Betrieb der Brennkraftmaschine als Öltaschen 9 dienen und vorliegenden Ausführungsbeispiel eine elliptische Außenkontur haben:

– In einem ersten, dem Arbeitsraum 10 am nächsten gelegenen Abschnitt 7A des Zwickelbereichs 7, der etwa ein Drittel der Breite 11 des Zwickelbereichs einnimmt, befinden sich zwischen 50% und 60% der Gesamtzahl der Strukturelemente 12; ein Großteil der in diesem Abschnitt 7A vorgesehenen Strukturelemente 12 weist eine vergleichsweise großen Durchmesser und/oder Tiefe auf (Strukturelemente 12A). Neben diesen großen Strukturelementen 12A sind mittelgroße Strukturelemente 12B und einige kleine Strukturelemente 12C vorgesehen. Die Strukturelemente 12 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel statistisch über den Abschnitt 7A verteilt; sie können jedoch auch in einem regelmäßigen Muster angeordnet sein.
– In einem mittleren zweiten Abschnitt 7B, der ebenfalls etwa ein Drittel der Breite 11 des Zwickelbereichs 7 einnimmt, befinden sich zwischen 30% und 35% der Gesamtzahl der Strukturelemente 12; hier dominieren Strukturelemente 12B mittlerer Größe, während nur sehr wenige große Strukturelemente 12A und einige kleine Strukturelemente 12C vorgesehen sind.
– In einem dritten, am weitesten vom Arbeitsraum 10 entfernten Abschnitt 1C, der ebenfalls etwa ein Drittel der Länge des Zwickelbereichs 7 einnimmt, befinden sich die restlichen 5% bis 20% der Gesamtzahl der Strukturelemente 12; der Großteil der Strukturelemente in diesem Abschnitt sind klein (Strukturelemente 12C), und es sind nur wenige mittelgroße Strukturelemente 12B vorgesehen.

2 shows an example of such a locally varying structuring 8th of the gusset area 7 with structural elements 12 in the operation of the internal combustion engine as oil pockets 9 serve and present embodiment have an elliptical outer contour:

- In a first, the workroom 10 nearest section 7A of the gusset area 7 that is about one third of the width 11 of the gusset area is between 50% and 60% of the total number of structural elements 12 ; much of this section 7A provided structural elements 12 has a comparatively large diameter and / or depth (structural elements 12A ). In addition to these great structural elements 12A are medium-sized structural elements 12B and some small structural elements 12C intended. The structural elements 12 in the present embodiment are statistically over the section 7A distributed; however, they may also be arranged in a regular pattern.
- In a middle second section 7B , which is also about one third of the width 11 of the gusset area 7 occupies between 30% and 35% of the total number of structural elements 12 ; Structural elements dominate here 12B medium size, while very few large structural elements 12A and some small structural elements 12C are provided.
- In a third, furthest from the workroom 10 removed section 1C , which is also about one third of the length of the gusset area 7 occupies the remaining 5% to 20% of the total number of structural elements 12 ; most of the structural elements in this section are small (structural elements 12C ), and there are only a few medium-sized structural elements 12B intended.

Im Ausführungsbeispiel der 2 ist die mittlere Dichte der Strukturelemente 12 (d. h. Zahl der Strukturelemente pro Flächeneinheit) im Abschnitt 7A höher als in den Abschnitten 7B und 7C. Weiterhin ist die mittlere Größe der Strukturelemente 12 (d. h. das über alle Strukturelemente 12 gemittelte Volumen der Strukturelemente) im Abschnitt 7A größer als in Abschnitt 7B, in dem die mittlere Größe der dort vorhandenen Strukturelemente 12 wiederum größer ist als in Abschnitt 7C.In the embodiment of 2 is the mean density of the structural elements 12 (ie number of structural elements per unit area) in the section 7A higher than in the sections 7B and 7C , Furthermore, the mean size of the structural elements 12 (ie all structural elements 12 average volume of structural elements) in the section 7A bigger than in section 7B in which the average size of the structural elements present there 12 again larger than in section 7C ,

Die Strukturierung 8 wird mit Hilfe eines Strahls eines ps-Lasers in den Zwickelbereich 7 der Zylinderlaufbuchse 2 eingebracht. 3a und 3b zeigen in einer Schnittansicht Beispiele von Strukturelemente 12', 12'', die mit Hilfe eines solchen Laserstrahls erzeugt wurden. Die Strukturelemente 12', 12'' können unterschiedliche Tiefen 13', 13'', unterschiedliche Breiten 14', 14'' und unterschiedliche Profile (Außenkonturen) 15', 15'' haben. Daher unterscheiden sich unterschiedliche Strukturelemente 12', 12'' insbesondere auch bezüglich ihres Volumens. Als besonders vorteilhaft haben sich flache Strukturelemente 12' mit flachen Flanken (d. h. kleinen Flankenwinkeln 16) erwiesen.The structuring 8th becomes into the gusset area with the help of a beam of a ps laser 7 the cylinder liner 2 brought in. 3a and 3b show in a sectional view examples of structural elements 12 ' . 12 '' , which were generated by means of such a laser beam. The structural elements 12 ' . 12 '' can have different depths 13 ' . 13 '' , different widths 14 ' . 14 '' and different profiles (outer contours) 15 ' . 15 '' to have. Therefore, different structural elements differ 12 ' . 12 '' especially with regard to their volume. Particularly advantageous are flat structural elements 12 ' with flat flanks (ie small flank angles 16 ).

Im konkreten Ausführungsbeispiel der 2 haben die großen elliptischen Strukturelemente 12A eine Breite 14A von etwa 250 μm, die mittleren Strukturelemente 12B eine Breite 14B von etwa 200 μm und die kleinen Strukturelemente 12C eine Strukturbreite von etwa 150 μm.In the concrete embodiment of the 2 have the big elliptical structural elements 12A a width 14A of about 250 μm, the middle structural elements 12B a width 14B of about 200 microns and the small structural elements 12C a structure width of about 150 microns.

Weiterhin können die Strukturelemente 12 unterschiedliche Außenkonturen haben; 4 zeigt als Beispiel hierfür in einer Aufsicht Strukturelemente 112a–112d mit einer kreisförmigen Außenkontur 15a, (4a), einer elliptischen Außenkontur 15b (4b), einer rautenförmigen Außenkontur 15c (4c) und einer rechteckigen Außenkontur 15d (4c).Furthermore, the structural elements 12 have different outer contours; 4 shows structural elements as an example in a plan view 112a - 112d with a circular outer contour 15a , ( 4a ), an elliptical outer contour 15b ( 4b ), a diamond-shaped outer contour 15c ( 4c ) and a rectangular outer contour 15d ( 4c ).

Claims

Cylinder liner ( 2 ) of a reciprocating internal combustion engine, which in a gusset area ( 7 ) with a structuring ( 8th ) is characterized in that the structuring ( 8th ) across the width ( 11 ) of the gusset area ( 7 ), so that the average density and or the average size of the structural elements ( 12 ) in different sections ( 7A . 7B . 7C ) of the gusset area ( 7 ) is different.

Cylinder liner ( 2 ) according to claim 1, characterized in that the structuring ( 8th ) across the width ( 11 ) of the gusset area ( 7 ) in a varies in such a way that in a working space ( 10 ) facing section ( 7A ) of the gusset area ( 7 ) a greater density of structural elements ( 12 ) and / or larger structural elements ( 12 ) are provided as in a the work space ( 10 ) further away section ( 7C ) of the gusset area ( 7 ).

Cylinder liner ( 2 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the structural elements ( 12 ) in the region of its edge contour ( 15 ) a flank angle ( 16 ) <60 ° with respect to the inner wall ( 5 ) of the cylinder liner ( 2 ) lock in.

Cylinder liner ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the structuring ( 8th ) by means of a laser, in particular by means of a ps laser, into the inner wall ( 5 ) of the cylinder liner ( 2 ) is introduced.