DE102008062334A1

DE102008062334A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102008062334A1
Application number: DE200810062334
Authority: DE
Inventors: Birgit Dipl.-Ing. Hillarius; Gerd Dipl.-Ing. Huber; Frank Dr.-Ing. Peter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-12-16
Also published as: DE102008062334B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine, wobei keramische Verbundwerkstoffelemente (2) als eine Mosaikvernetzung zumindest auf eine zu veredelnde Fläche eines Brennraumes, insbesondere eine Brennraumwandung (1), aufgebracht und mit Hochdruck in die Brennraumwandung (1) gepresst werden, wobei Mittel vorgesehen sind, anhand welcher die keramischen Verbundwerkstoffelemente (2) sowie die Brennraumwandung (1) lokal erhitzt werden und weitere Mittel vorgesehen sind, anhand welcher die Brennraumwandung (1) mit den aufgebrachten keramischen Verbundwerkstoffelementen (2) geglättet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Brennraum.
Aus der DE 40 09 714 A1 ist ein aus einer metallischen Dauerform gegossener Einzelzylinder oder Mehrzylinderblock aus einer Aluminiumlegierung für Verbrennungskraftmaschinen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen bekannt. Dabei sind in einer Aluminiummatrix Siliziumkörner eingebettet, die über eine Zylinderlaufbahn herausragen. Insbesondere besteht die Zylinderlaufbahn aus mit Aluminiumlegierung penetriertem Faserformkörper mit darin eingefügten Siliziumkörnern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Herstellung eines Kurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Brennraum anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Brennraum sieht vor, dass keramische Verbundwerkstoffelemente auf eine zu veredelnde Fläche eines Brennraumes, insbesondere eine Brennraumwand, aufgebracht werden und mit Hochdruck in die Brennraumwand gepresst werden, wobei Mittel vorgesehen sind, anhand welcher die keramischen Verbundwerkstoffelemente sowie die Brennraumwand lokal erhitzt werden und weitere Mittel vorgesehen sind, mittels welchen die Brennraumwand mit den aufgebrachten keramischen Verbundwerkstoffelementen anschließend geglättet wird.
Durch das Aufbringen der keramischen Verbundwerkstoffelemente auf die Brennraumwand wird in Gewinn bringender Weise der Brennraum Wärme isoliert, wodurch eine Energie im Brennraum gespeichert und somit ein Wirkungsgrad bei Verbrennung eines Kraftstoffs erhöht wird.
Dadurch wird in vorteilhafter Weise weniger Kraftstoff für das gleiche Drehmoment, welches auf eine Kurbelwelle übertragen wird, verbraucht, wodurch der Kraftstoffverbrauch und ein daraus resultierender Kohlenstoffdioxid-Ausstoß gesenkt werden.
Insbesondere sind die keramischen Verbundwerkstoffelemente aus kohlenstofffaserverstärktes Siliziumcarbid gebildet, wobei die keramischen Verbundwerkstoffelemente vorzugsweise plättchenförmig ausgebildet sind, die mit Hilfe einer Folie, beispielsweise einer Kunststofffolie, auf die Brennraumwandung aufgebracht werden.
Die keramischen Verbundwerkstoffelemente werden insbesondere in einem Verfahren einer chemischen Gasphaseninfiltration (CVI: Chemical Vapour Infiltration) und/oder in einem Verfahren einer Flüssiginfiltration (LSI: Liquid Silicon Infiltration) hergestellt.
Die keramischen Verbundwerkstoffelemente sind bevorzugt, wie oben beschrieben, plättchenförmig ausgebildet und weisen eine Längsausdehnung einer Oberfläche in einem Größenbereich oberhalb 0,5 mm, beispielsweise 0,5 mm bis 8,0 mm, besonders bevorzugt in einem Größenbereich von 1,0 mm bis 5,0 mm, auf.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen die keramischen Verbundwerkstoffelemente zumindest parallel zu der Brennraumwandung ausgerichtet auf, wodurch eine Wärmeisolation zumindest der Brennraumwandung sichergestellt ist.
Vorzugsweise kann der keramische Verbundwerkstoff auch in eine dem Brennraum zugewandte Oberfläche eines Zylinderkopfes und/oder eines Kolbensitzes eingebettet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnittes einer Brennraumwand mit in diese eingebrachten keramischen Verbundwerkstoffelementen.
Einander entsprechende Teile sind in der Figur mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnittes beispielsweise einer Brennraumraumwandung 1 eines Kurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine mit in die Brennraumwandung 1 eingebrachten keramischen Verbundwerkstoffelementen 2 dargestellt.
Das nicht näher gezeigte Kurbelgehäuse ist beispielsweise aus einem metallischen Grundwerkstoff 3 wie Gusseisen, einem so genannten Grauguss, und/oder aus einer Aluminiumlegierung gebildet. Insbesondere wird das Kurbelgehäuse beispielsweise mit Hilfe einer metallischen Dauerform gegossen.
Unter Gusseisen ist insbesondere eine Gruppe von Eisenlegierungen zu verstehen, die einen hohen Anteil von Kohlenstoff und Silizium sowie weitere Bestandteilen, wie z. B. Mangan, Chrom und Nickel aufweisen.
Beide möglichen Ausbildungsformen des metallischen Grundwerkstoffes 3 des Kurbelgehäuses weisen Bestandteile von Kohlenstoff und/oder Silizium auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht insbesondere vor, dass zumindest auf eine zu veredelnde Fläche eines Brennraumes, insbesondere in eine Oberfläche der Brennraumwandung 1 des Kurbelgehäuses keramische Verbundwerkstoffelemente 2 als so genannte Mosaikvernetzung eingebracht werden.
Insbesondere dienen die keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 dazu, zumindest die Brennraumwandung 1 gegenüber einem Wärmeaustritt und somit gegenüber einem Energieverlust im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zu isolieren.
Durch die Wärmeisolation wird in Gewinn bringender Weise ein Wirkungsgrad bei einer Verbrennung eines Krafftstoffes im Brennraum erhöht. Dadurch wird für ein gleiches Drehmoment, welches auf eine Kurbelwelle übertragen wird, weniger Kraftstoff verbraucht, wodurch ein Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine gesenkt wird. Gleichzeitig wird dadurch besonders vorteilhaft ein Ausstoß von Kohlenstoffdioxid reduziert, wodurch ein Beitrag zum Umweltschutz geleistet wird.
Die keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 sind insbesondere aus kohlenstofffaserverstärktem Siliziumcarbid gebildet, wobei die keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 vorzugsweise plättchenförmig als ”Mosaiksteinchen” ausgebildet sind.
Der keramische Verbundwerkstoff bzw. die keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 werden insbesondere in einem Verfahren einer chemischen Gasphaseninfiltration (CVI: Chemical Vapour Infiltration) und/oder in einem Verfahren einer Flüssiginfiltration (LSI: Liquid Silicon Infiltration) hergestellt.
Bei dem Verfahren der Flüssiginfiltration wird ein poröser kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoffverbundwerkstoff-Formkörper, (C/C-Formkörper) mit flüssigem Silizium infiltriert, wodurch das kohlenstofffaserverstärkte Siliziumcarbid erzeugt wird. Hierzu wird der kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoffverbundwerkstoff-Formkörper in einer Vakuumkammer in flüssiges Silizium gelegt.
Alternativ zur Verwendung zu faserverstärktem Siliziumcarbid wird Siliziumcarbid, rekristallisiertes Siliziumcarbid und/oder mit Silizium nachverdichtetes Siliciumcarbid als keramischer Verbundwerkstoff verwendet.
Darüber hinaus kann als Temperatur stabile, verschleißfeste und Wärme isolierende Keramik auch Aluminiumdioxid und/oder Siliziumdioxid und/oder Zirkoniumdioxid zur Herstellung des Kurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.
Insbesondere weisen die keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 eine Längsausdehnung einer Oberfläche in einem Größenbereich oberhalb 0,5 mm, beispielsweise in einem Größenbereich von 0,5 mm bis 0,8 mm, vorzugsweise in einem Größenbereich von 1,0 mm bis 5 mm, auf.
Darüber hinaus ist die Oberfläche der keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 im Wesentlichen flach ausgebildet, wobei die Oberfläche bei Einbringen dieser in die Brennraumwandung 1 zumindest parallel zu dieser ausgerichtet ist.
Die keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 werden mikroskopisch gesehen als ”Mosaiksteinchen” in eine Oberfläche der Brennraumwandung 1, also in den metallischen Grundwerkstoff 3 des Kurbelgehäuses, eingebracht.
Hierzu werden die keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 in Form der ”Mosaiksteinchen” auf einer Folie, beispielsweise eine Kunststofffolie, angeordnet. Die Folie weist vorzugsweise einseitig eine Klebefläche auf, auf der keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 angeordnet werden, so dass diese in vorteilhafter Weise stoffschlüssig fixiert sind.
Anschließend wird die Folie mit auf den an dieser fixierten keramischen Verbundwerkstoffelementen 2 mit der Klebefläche der Brennraumwandung 1 zugewandt auf diese aufgebracht.
Beispielsweise wird die Folie, an der die keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 stoffschlüssig fixiert sind, mittels eines fluiden Mediums, beispielsweise Luft und/oder Wasser, über Hochdruck in eine Oberfläche der Brennraumwandung 1 gepresst, wodurch die keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 formschlüssig in die Brennraumwandung 1 eingebracht bzw. eingebettet werden.
Auf diesen Schritt folgend wird die Folie von der Brennraumwandung 1, beispielsweise durch Abziehen entfernt, wobei die keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 an bzw. in der Brennraumwandung 1 verbleiben.
Zusätzlich wird mittels eines Lasers, insbesondere eines Faserlasers, eine unlösbare stoffschlüssige Verbindung zwischen den keramischen Verbundwerkstoffelementen 2 und der Brennraumwandung 1 erzeugt, in dem die Brennraumwandung 1 mit den in dieser formschlüssig angeordneten keramischen Verbundwerkstoffelementen 2 gezielt lokal erhitzt wird, wobei Atomverbindungen zwischen dem metallischen Grundwerkstoff 3 des Kurbelgehäuses und den keramischen Verbundwerkstoffelementen 2 erzeugt werden.
Vorzugsweise kann die Oberfläche der Brennraumwandung 1 mittels des Faserlasers, bei dem ein aktives Medium eine Selten-Erd-Ionen dotierte Glasfaser ist, im Millisekundenbereich erhitzt werden.
Dabei erfolgt die Erhitzung insbesondere in einer Tiefe im Mikrometerbereich, wodurch eine Veränderung einer Brennraumkontur in vorteilhafter Weise ausgeschlossen ist.
Durch einen niedrigeren Schmelzpunkt des metallischen Grundwerkstoffes 3 des Kurbelgehäuses und somit auch der Brennraumwandung 1 quillt dieser aufgrund der lokalen Erhitzung zwischen den keramischen Verbundwerkstoffelementen 2 hervor. Diese wulstartigen Hervorhebungen werden nach Abkühlen der Brennraumwandung 1 mit den an dieser stoff- und/oder formschlüssig befestigten keramischen Verbundwerkstoffelementen 2 mit Hilfe einer Schleifvorrichtung, insbesondere mit einem so genannten Mikro-Diamantschleifer entfernt.
Dieser Vorgang wird technisch über Optoelemente, über die eine Oberflächenstruktur der Brennraumwandung 1 elektronisch einer Datenverarbeitungseinheit zugeführt und mittels dieser ausgewertet werden, umgesetzt. Dadurch ist es möglich die wulstartigen Hervorhebungen an der Brennraumwandung 1 exakt zu entfernen.
Die anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens in die Brennraumwandung 1 eingebrachten keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 weisen eine hohe Hitzebeständigkeit, eine geringe Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Zug- bzw. Dehnbelastbarkeit auf, die somit auf die Oberfläche der Brennraumwandung 1 übertragen werden.
Eine Sprödigkeit der keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 wird durch die Mosaikvernetzung, d. h. eine unterbrochene Oberflächenbeschichtung, aufgehoben.
Durch das Einbringen der keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 wird eine Ableitung einer Verbrennungswärme im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine verringert, wodurch eine Verbrennungsenergie zu einem wesentlichen Teil in Bewegungsenergie umgesetzt wird.
Der Wirkungsgrad steigt und ein Verbrauch an Kraftstoff sinkt. Abgaswerte der Verbrennungskraftmaschine werden bei gleichem Fahrprofil besonderes vorteilhaft verbessert.
Auch können die keramischen Verbundwerkstoffelemente 2 in eine dem Brennraum zugewandte Oberfläche eines Zylinderkopfes und/oder eines Kolbensitzes eingebettet werden.

1: Brennraumwandung
2: keramische Verbundwerkstoffelemente
3: metallischer Grundwerkstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4009714 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Brennraum, dadurch gekennzeichnet, dass keramische Verbundwerkstoffelemente (2) als eine Mosaikvernetzung zumindest auf eine zu veredelnde Fläche des Brennraumes, insbesondere eine Brennraumwandung (1), aufgebracht und mit Hochdruck in die Brennraumwandung (1) gepresst werden, wobei Mittel vorgesehen sind, anhand welcher die keramischen Verbundwerkstoffelemente (2) sowie die Brennraumwandung (1) lokal erhitzt werden und weitere Mittel vorgesehen sind, anhand welcher die Brennraumwandung (1) mit dem aufgebrachten keramischen Verbundwerkstoffelementen (2) geglättet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Verbundwerkstoffelemente (2) mittels einer Folie auf die Brennraumwandung (1) aufgebracht werden.
Vorrichtung zur Herstellung eines Kurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Brennraum, dadurch gekennzeichnet, dass keramische Verbundwerkstoffelemente (2) als Mosaikvernetzung zumindest auf eine zu veredelnde Fläche des Brennraumes, insbesondere eine Brennraumraumwandung (1), aufbringbar und mittels Hochdruck in die Brennraumwandung einpressbar sind, wobei mittels eines Lasers die keramischen Verbundwerkstoffelemente (2) sowie die Brennraumwandung (1) erhitzbar sind und mittels einer Schleifvorrichtung die Brennraumwandung (1) glättbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Verbundwerkstoffelemente (2) aus kohlenstofffaserverstärktes Siliziumcarbid gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Verbundwerkstoffelemente (2) eine Längsausdehnung in einem Größenbereich oberhalb 0,5 mm, bevorzugt in einem Größenbereich von 1,0 mm bis 5,0 mm aufweisen.
Kurbelgehäuse einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Brennraum, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Brennraumwandung (1) des Brennraumes plättchenförmige, Wärme isolierende keramische Verbundwerkstoffelemente (2) im metallischen Grundwerkstoff (3) des Kurbelgehäuses aufweist.