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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Kolbenringe und im Speziellen Kolbenringe für Verbrennungsmotoren.
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Es ist seit längerem bekannt, Kolbenringe auf der Außenseite mit verschiedenen Einlauf- und oder Verschleißschutzschichten zu beschichten, um die Reibpaarung Kolbenring/Zylinderinnenwand zu optimieren.
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Die Innenseiten von Kolbenringen stehen dabei üblicherweise mit keiner anderen Komponente in Kontakt und sind daher nicht Gegenstand weiterer Untersuchungen. Es ist nur bei Ölabstreifringen bekannt, Stützfedern einzusetzen, die auf der Innenseite von Ölabstreifringen aufliegen, um den Anpressdruck der Ölabstreifringe zu erhöhen.
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Aus dem Stand der Technik sind ebenfalls vollständig beschichtete Kolbenringe bekannt, die mit Beschichtungsverfahren beschichtet wurden, welche eine Beschichtung beider Seiten des Kolbenrings zulassen. Eine Beschichtung der Innenflächen von Kolbenringen würde im Allgemeinen eine Verschwendung von Beschichtungsmaterial darstellen.
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Bei bekannten außenbeschichteten Kolbenringen kann es durch die Außenbeschichtung zu unerwünschten Bimetalleffekten kommen, bei denen sich eine Außenbeschichtung eines Kolbenrings bei steigenden Temperaturen anders ausdehnt als das Material des Kolbenrings selbst, wodurch die Spannung bzw. die resultierende Radialdruckverteilung des Kolbenrings beeinträchtigt werden kann. Üblicherweise sind diese Effekte vernachlässigbar, da die Beschichtung üblicherweise nur einen vernachlässigbar kleinen Teil der Querschnittsfläche des Kolbenrings bildet und die Festigkeit der Beschichtung nur wenig über der Festigkeit des Materials des Kolbenrings liegt.
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Es sind bereits verschiedene Veröffentlichungen zum Thema Kolbenringe bekannt. Die
EP 2206937 (A1) beschreibt einen Kolbenring mit integrierter Anpressfeder, die
US 2010140880 (A1) offenbart einen Kolbenring, dessen Ober- und/oder Unterseite beschichtet ist, die
US 2010127462 (A1) betrifft einen Kolbenring mit einer mehrsichtigen Beschichtung der Lauffläche/Außenfläche des Kolbenrings.
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Demgegenüber offenbart die
DE 102005063123 (B3) einen Kolbenring mit einer mehrschichtigen Beschichtung der Lauffläche/Außenfläche des Kolbenrings.
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EP 2183404 (A1) zeigt ebenfalls einen an der Außenfläche beschichteten Kolbenring.
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EP 2119807 (A1) betrifft ebenfalls einen Kolbenring, an dessen Außenfläche eine Verschleißschutzschicht angeordnet ist.
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WO 2008151619 (A1) offenbart einen Kolbenring, der dazu ausgelegt ist, in der Kolbenringnut zu verkippen.
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DE 7608044 (U1) betrifft einen Kolbenring mit einer Laufflächenbeschichtung, bei dem ein Überzug sich am Innenumfang nur im Bereich der Stoßenden aufgebracht ist, um eine thermisch bedingte Durchbiegung der Stoßenden nach außen aufgrund eines Bimetalleffekts zu kompensieren.
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JP 2005351460 (A) betrifft einen zweilagigen Kolbenring aus einer axial oberen und axial unteren Lage, wobei die Lagen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dadurch ergibt sich im Betrieb bei Erwärmung eine Durchbiegung des Rings, durch welche die Auflagestelle an der Kolbenringnut nach innen versetzt wird und durch die der Kolbenring nicht mehr an der Kante der Ringnut anliegt, um den Verschleiß der Kante zu verringern.
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Bei moderneren Verschleißschutzbeschichtungen kann es dazu kommen, dass durch die immer weiter steigende Härte von auf Kolbenringen aufgebrachten Verschleißschutzschichten Bimetalleffekte an den Kolbenringen auftreten, was dazu führen kann, dass sich der von dem Kolbenring ausgeübte Radialdruck und die resultierende Radialdruckverteilung des Kolbenrings bei Erwärmung verändern.
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Dieser Effekt tritt bei unbeschichteten und vollständig beschichteten Kolbenringen nicht auf.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kolbenring mit verbesserter Radialdruckverteilung bereitzustellen.
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Herkömmlicherweise würde man davon ausgehen, den Bimetalleffekt zu beseitigen, indem die Beschichtung unterbrochen wird oder nur Teile der Außenfläche beschichtet werden. Es ist ebenfalls zu erwarten, dass der Fachmann die Form eines Kolbenrings im kalten Zustand so ändert, dass eine durch den Bimetalleffekt zu erwartende Veränderung der Radialdruckverteilung des Kolbenrings bereits in der Auslegung des Kolbenrings berücksichtigt wird. Ein Fachmann würde zur Vermeidung von Abweichungen in der Radialdruckverteilung des Kolbenrings diesen so formen, dass der Kolbenring bei Betriebstemperatur und mit dem Bimetalleffekt die gewünschte Radialdruckverteilung zeigt.
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Erfindungsgemäß kann der Bimetalleffekt jedoch auch dazu verwendet werden, die Radialdruckverteilung in Abhängigkeit der Betriebstemperatur zu steuern, was jedoch aufgrund der für den Verschleißschutz notwendigen Schichtdicken und entsprechend harten Materialen auf der Außenseite des Kolbenrings nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich ist. Eine Verschleißschutzschicht auf der Außenseite zum Erreichen einer gewünschten Radialdruckverteilung zu nutzen, könnte an der Notwendigkeit scheitern, eine runde, zu einem Zylinder passende Außenfläche an dem Kolbenring bereitzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein auf der Innenseite mit einer Innenbeschichtung beschichteten Kolbenring bereitgestellt, wobei die Innenbeschichtung einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der sich von dem des Materials des Kolbenrings unterscheidet. Die Innenbeschichtung dient dazu, in Abhängigkeit von der Temperatur, die Radialdruckverteilung des Kolbenrings zu beeinflussen. Je nach Dicke der Beschichtung bzw. dem Verhältnis der Dicken des Materials des Kolbenrings und der Beschichtung, dem Verhältnis der Festigkeiten des Materials des Kolbenrings und der Beschichtung und dem Verhältnis der Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Kolbenrings und der Beschichtung kann ein unterschiedlich starker Bimetalleffekt erreicht werden.
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Es ist vorgesehen, dass sich die Innenbeschichtung nur auf der Innenseite des Kolbenrings erstreckt und nicht auf den anderen Flächen des Kolbenrings wie der Lauffläche oder der Ober- bzw. Unterseite des Kolbenrings, die mit den Kolbenringnuten-Flanken Kolbens in Kontakt stehen können.
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Die Innenbeschichtung erstreckt sich nur auf einem Teil der Innenseite des Kolbenrings. Durch eine nur teilweise Beschichtung der Innenseite des Kolbenrings können die Ränder der Innenseite des Kolbenrings von der Beschichtung frei gehalten werden, um eine Wechselwirkung zwischen der Beschichtung und dem Material des Kolbens im Bereich der Kolbenringnut zu vermeiden.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kolbenrings erstreckt sich die Innenbeschichtung nur innerhalb mindestens eines Sektors oder Abschnitt des Kolbenrings.
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Durch diese Ausführungsform kann beispielsweise eine Innenbeschichtung im Bereich des Ringstoßes dazu dienen, den Radialdruck im Bereich des Ringstoßes zu steuern, um entweder einem Verschleiß oder dem Effekt des Ringflatterns entgegenzuwirken.
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Die Innenbeschichtung erstreckt sich in Axialrichtung nur auf einem Teil des Kolbenrings. Durch einen derartigen Aufbau kann erreicht werden, dass bei Betriebstemperaturen eine Verkippung des Kolbenrings begünstigt oder einer Verkippung des Kolbenrings entgegengewirkt wird. Mit diesem Aufbau kann ebenfalls erreicht werden, dass beispielsweise der Radialdruck nur an der oberen Seite des Kolbenrings erhöht oder verringert wird.
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In einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform des Kolbenrings ist die Dicke der Innenbeschichtung in Axialrichtung variiert. Wie bereits vorstehend beschrieben, kann durch Einstellung des Dickenverhältnisses zwischen Kolbenringmaterial und der Innenbeschichtung (zusammen mit den jeweiligen Festigkeiten und den jeweiligen thermischen Ausdehnungskoeffizienten) die Stärke des Bimetalleffekts des Kolbenrings beeinflusst werden. Durch eine im Querschnitt im Wesentlichen keilförmige Beschichtung kann ein Kolbenring angegeben werden, der sich bei Erwärmung nur zu einem Teil nach innen biegt und somit eine Verkippung begünstigt oder einer Verkippung entgegenwirkt.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kolbenrings ist die Dicke der Innenbeschichtung in Umfangsrichtung variiert. Durch diese Auslegung eines erfindungsgemäßen Kolbenrings kann erreicht werden, dass sich der Kolbenring im Bereich des Ringstoßes weniger verformt, wodurch ein Verschleiß an der Außenfläche des Kolbenrings und vielmehr an der Zylinderinnenwand verringert werden kann. Insgesamt kann durch eine geeignete Wahl des Dickenverlaufs der Innenbeschichtung der Bimetalleffekt und damit die Radialdruckverteilung des Kolbenrings bei Betriebstemperatur gesteuert werden. Es wäre ebenfalls möglich, Ungleichmäßigkeiten des Kolbenringmaterials durch eine entsprechende Dickenbearbeitung (beispielsweise einer Abtragung) der Innenbeschichtung auszugleichen. Es ist ebenfalls möglich anstelle der lokalen Dicke der Innenbeschichtung auch nur das lokale Verhältnis der Dicke der Innenbeschichtung zu der Dicke des Kolbenrings zu definieren.
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In einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Kolbenring weiter mindestens eine Beschichtung auf der Außenseite des Kolbenrings, wobei sich das Material der Beschichtung auf der Außenseite von dem Material der Beschichtung auf der Innenseite unterscheidet. Durch diese Ausführungsform kann ein durch eine hochwertige und teure Außenbeschichtung bedingter Bimetalleffekt durch eine entsprechend ausgeführte weniger hochwertige und günstigere Innenbeschichtung ausgeglichen werden. Bevorzugt ist das Material der Aussenbeschichtung härter bzw. fester als das Material der Innenbeschichtung bzw. des Kolbenrings ausgeführt, was die Laufeigenschaften verbessert.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kolbenrings sind das Material (und damit die Festigkeit und der Wärmeausdehnungskoeffizient) und die Abmessungen der Innenbeschichtung so gewählt, dass ein durch die Beschichtung auf der Außenseite hervorgerufener Bimetalleffekt im Wesentlichen kompensiert wird. Damit können Bimetalleffekte, die durch moderne Verschleißschutzschichten bedingt sind, einfach und kostengünstig behoben werden. Es erscheint nicht notwendig, eventuelle Bimetalleffekte von Einlaufschichten zu beheben, da diese durch Verschleiß abgetragen werden sollen.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind das Material der Innenbeschichtung (und damit deren Festigkeit und deren Wärmeausdehnungskoeffizient) sowie die Abmessungen der Innenbeschichtung so gewählt, dass ein durch eine Verschleißschutzbeschichtung auf der Außenseite hervorgerufener Bimetalleffekt überkompensiert wird. Herkömmliche Verschleißschutzschichten bestehen aus besonders harten Materialien, die üblicherweise einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, während das Material des Kolbenrings aus weicherem Material, mit einem üblicherweise höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, was in der Kombination einen Bimetalleffekt bedingt, der den Radialdruck erhöht. Um den Verschleiß bei Betriebstemperaturen von schnell laufenden Kolbenmaschinen zu verringern, kann es vorteilhaft sein, den Radialdruck bei Betriebstemperatur zu verringern.
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In einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform des Kolbenrings sind das Material der Innenbeschichtung (und damit deren Festigkeit und deren Wärmeausdehnungskoeffizient) und die Abmessungen der Innenbeschichtung so gewählt, dass ein durch die Beschichtung auf der Außenseite hervorgerufener Bimetalleffekt verstärkt wird. Diese Ausführungsform eignet sich vor allem für langsam laufende Kolbenmaschinen, bei denen die Kolbenringe einen wesentlichen Teil der Abdichtung des Kolbenspalts bzw. des Arbeitsraumes leisten.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Kolbenrings weist die Innenbeschichtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner ist als der des Materials des Kolbenrings. Damit wird ein Kolbenring erreicht, der sich bei zunehmender Erwärmung zusammenzieht bzw. den Radialdruck verringert. Andererseits kann ein derartiger Kolbenring bei Kolbenmaschinen mit sehr niedriger Betriebstemperatur den Radialdruck erhöhen.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform des Kolbenrings weist die Innenbeschichtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der größer ist als der des Materials des Kolbenrings. Durch diese Konfiguration wird erreicht, dass sich der Radialdruck des Kolbenrings bei steigender Betriebstemperatur erhöht.
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In einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform des Kolbenrings weist der Kolbenring eine erste Innenbeschichtung, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer ist als der des Materials des Kolbenrings, und eine zweite Innenbeschichtung auf, die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der kleiner ist als der des Materials des Kolbenrings. Durch eine derartige Ausführungsform lässt sich eine Verkippungsneigung eines Kolbenrings in Abhängigkeit der Betriebstemperatur gezielt steuern, ohne dass der Radialdruck des Kolbenrings verändert wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kolbenmotor mit mindestens einem Kolbenring, wie er vorstehend beschrieben ist, bereitgestellt.
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Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem vorstehenden Kolbenmotor bereitgestellt, der mit mindestens einem Kolbenring versehen ist, wie er vorstehend beschrieben ist.
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In den Figuren wird die Erfindung anhand von beispielhaften Ausführungsformen erläutert.
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1 stellt einen herkömmlichen Kolbenring in einer Aufsicht dar.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolbenring mit einer Innenbeschichtung in einer Aufsicht.
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3 stellt einen erfindungsgemäßen Kolbenring mit einer Innenbeschichtung mit wechselnder Dicke in einer Aufsicht dar.
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4 stellt einen erfindungsgemäßen Kolbenring mit einer Innenbeschichtung dar, die nur in Sektoren bzw. Abschnitten des Kolbenrings aufgebracht ist.
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5 stellt einen herkömmlichen Kolbenring mit einer äußeren Verschleißschutzschicht in einer Querschnittsansicht dar.
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6 stellt einen Kolbenring mit einer Innenbeschichtung in einer Querschnittsansicht dar (nicht Teil der Erfindung).
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7 stellt einen Kolbenring mit einer Innenbeschichtung in einer Querschnittsansicht dar, der zusätzlich mit einer äußeren Verschleißschutzschicht versehen ist (nicht Teil der Erfindung).
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8 stellt den Kolbenring von 7 mit einer dickeren Innenbeschichtung dar (nicht Teil der Erfindung).
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9 stellt einen Kolbenring mit einer Innenbeschichtung dar, deren Dicke in Axialrichtung ansteigt (nicht Teil der Erfindung).
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10 und 11 stellen jeweils die Kolbenringe der 6 und 8 dar, wobei der Bimetalleffekt durch die gestrichelten und durchgezogenen Linien verdeutlicht ist (nicht Teil der Erfindung).
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12 und 13 stellen jeweils einen Kolbenring mit einer in Axialrichtung nur teilweise aufgebrachten Innenbeschichtung und deren Effekt bei Erwärmung des Kolbenrings dar.
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14 und 15 stellen jeweils einen Kolbenring mit zwei verschiedenen, in Axialrichtung nur teilweise aufgebrachten Innenbeschichtungen und deren Effekt bei Erwärmung des Kolbenrings dar (nicht Teil der Erfindung).
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In der folgenden detaillierten Beschreibung der Figuren werden sowohl in der Beschreibung als auch in der Zeichnung gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente oder Komponenten verwendet. Die Figuren dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht maßstabgerecht, sondern stellen lediglich schematische Darstellungen dar.
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1 stellt einen herkömmlichen Kolbenring 1 in einer Aufsicht dar. Der Kolbenring ist ein fast geschlossener Kreisbogen, der in einem unbelasteten und gestrichelt dargestellten Zustand 3 leicht aufgebogen ist.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolbenring 2 mit einer Innenbeschichtung 4 in einer Aufsicht. In 2 ist die Innenbeschichtung 4 gleichmäßig auf der Innenfläche des Kolbenrings 2 aufgebracht. Bei einem Innenbeschichtungsmaterial 4 mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als dem des Materials des Kolbenrings 2 ergibt sich damit ein Kolbenring, der bei Erwärmung bestrebt ist, den Durchmesser oder einen entsprechenden Radialdruck gleichmäßig zu erhöhen. Bei einem Innenbeschichtungsmaterial 4 mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als dem des Materials des Kolbenrings 2 ergibt sich hingegen ein Kolbenring, der bei Erwärmung bestrebt ist, den Durchmesser oder einen entsprechenden Radialdruck gleichmäßig zu verringern.
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3 stellt einen erfindungsgemäßen Kolbenring 2 mit einer Innenbeschichtung 4 dar, deren Dicke in Umfangsrichtung des Kolbenrings 2 variiert ist. Durch diesen Aufbau ergibt sich, je nach den gewählten Materialien und Abmessungen eine ungleichmäßige Ausdehnung des Kolbenrings 2 bei Erwärmung. Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Bimetalleffekt im Bereich des Ringstoßes verstärkt, was dazu dienen kann, den Verschleiß im Bereich des Ringstoßes zu verringern oder einem Ringflattern entgegenzuwirken.
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In der dargestellten Ausführungsform werden bei Erwärmung (sofern man eine Innenbeschichtung 4 mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizienten als dem des Materials des Kolbenrings 2 verwendet) die Enden des Kolbenrings 2 im Bereich des Ringstoßes nach innen gezogen und der gesamte Ring wird zudem bestrebt sein, seinen Durchmesser zu verringern.
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4 entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform von 3, mit dem Unterschied, dass der Kolbenring 2 nur in dem Bereich des Ringstoßes und in dem Bereich der dem Ringstoß gegenüberliegt, mit der Innenbeschichtung 4 versehen ist. Durch eine derartige sektorweise Innenbeschichtung 4 des Kolbenrings 2 lässt sich für jede Temperatur sektorweise eine gewünschte Radialdruckverteilung erzielen. Diese Ausführungsform gestattet es, jedem gleichmäßig innen beschichteten Kolbenring durch Abtragen der Innenbeschichtung eine im Wesentlichen beliebige Radialdruckverteilung für eine bestimmte Betriebstemperatur zu verleihen.
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5 stellt eine Querschnittansicht durch einen herkömmlichen Kolbenring 1 dar, der an der Außenfläche mit einer Verschleißschutzschicht 6 versehen ist. Die Verschleißschutzschicht 6 steht dabei stellvertretend für alle Schichten oder Schichtsysteme, die an der Lauffläche eines Kolbenrings 1 aufgebracht werden können. Die Verschleißschutzschicht ist üblicherweise aus einem im Vergleich zu dem Material des Kolbenrings 2 festeren Material hergestellt, daher ergibt sich bei Erwärmung des Kolbenrings eine Erhöhung des Radialdrucks. Der Kolbenring 1 neigt bei Erwärmung dazu, sich auszudehnen bzw. den Radialdruck zu erhöhen, da sich das festere Material der Verschleißschutzschicht 6 nicht so stark dehnt wie das Material des Kolbenrings 1.
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6 stellt einen Kolbenring 2 mit einer Innenbeschichtung in einer Querschnittsansicht dar. Im Gegensatz zu der Außenbeschichtung des herkömmlichen Kolbenrings 1 kann die Innenbeschichtung 4 keinen Verschleiß reduzieren, da die Innenseite des Kolbenrings nicht einmal mit dem Grund der Kolbenringnut in Berührung kommt. Die Innenbeschichtung 4 umfasst ein Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich im Wesentlichen von dem des Materials des Kolbenrings 2 unterscheidet. Somit bildet der Kolbenring einen Bimetallring, der sich je nach Erwärmung zusammenzieht oder ausdehnt.
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Die Stärke des Bimetalleffekts hängt dabei von dem Verhältnis der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials der Innenbeschichtung und des Materials des Kolbenrings ab. Die Stärke des Bimetalleffekts hängt ebenfalls von dem zu erwartenden Temperaturunterschied zwischen Normalbedingungen und der Betriebstemperatur ab. Die Festigkeiten der verwendeten Materialien wirken sich zudem auf den Bimetalleffekt aus, wie auch die jeweiligen Abmessungen des Kolbenrings und der Innenbeschichtung. Mit diesen Parametern sollte sich für jede Betriebstemperatur eines Kolbenrings eine gewünschte Radialdruckverteilung erzielen lassen.
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7 stellt einen Kolbenring 2 mit einer Innenbeschichtung 4 in einer Querschnittsansicht dar, der mit einer äußeren Verschleißschutzschicht 6 versehen ist. Dieser Kolbenring ist dabei gleichzeitig zwei Bimetalleffekten unterworfen. Der erste Bimetalleffekt entsteht zwischen der Innenbeschichtung 4 und dem Kolbenring 2, da der erfindungsgemäße Kolbenring Materialien in der Innenbeschichtung verwendet, deren Wärmeausdehnungskoeffizient sich von dem des Kolbenrings 2 unterscheidet. Der zweite Bimetalleffekt entsteht zwischen der Verschleißschutzschicht 6 und dem Kolbenring 2, sofern die Materialien der Verschleißschutzschicht 6 und des Kolbenrings 2 unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Damit kann die Innenbeschichtung dazu genutzt werden, einerseits die Radialdruckverteilung des Kolbenrings in Abhängigkeit der Temperatur des Kolbenrings zu steuern, und andererseits eventuell auftretende Bimetalleffekte zwischen einer Verschleißschutzschicht 6 und dem Kolbenring 2 auszugleichen oder zu verstärken.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Innenbeschichtung aus einem anderen Material als die Außenbeschichtung bestehen kann und auch soll, da hier aufgrund der fehlenden mechanischen Beanspruchung ein kostengünstigeres oder weniger aufwendiges Beschichtungsmaterial oder Beschichtungsverfahren eingesetzt werden kann.
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8 stellt den Kolbenring von 7 mit einer dickeren Innenbeschichtung 4 dar. Die dickere Innenbeschichtung kann einen stärkeren Bimetalleffekt erzeugen oder durch die Verwendung eines kostengünstigeren und weniger festen Materials, bei geringeren Kosten den gleichen Bimetalleffekt erreichen, wie der Kolbenring von 7.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Innenbeschichtung aus einem anderen Material als die Außenbeschichtung bestehen sollte, da üblicherweise eine Verschleißschutzschicht 6 aufwendige Vakuum- oder Plasmabeschichtungsverfahren erfordert. Es ist aufgrund der fehlenden mechanischen Beanspruchung der Innenbeschichtung an dieser Stelle ein kostengünstigeres, leichteres, einfacher zu verarbeitendes oder einfach nur billigeres Material zu verwenden.
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9 stellt den Kolbenring mit einer in Innenbeschichtung dar, deren Dicke in Axialrichtung ansteigt. Ein derartiger Kolbenring wird sich bei einer Wärmebelastung in Radialrichtung ausdehnen oder zusammenziehen. Durch die ungleichmäßige Innenbeschichtung wird sich der Bimetalleffekt zu einem Teil auch in Axialrichtung auswirken, und bestrebt sein, dem Kolbenring eine zweite gleichmäßige Krümmung zu verleihen. Eine Überlagerung dieser Krümmungen entspricht dabei im Wesentlichen einem Kippen des Ringprofils in der Ringebene. Ein vergleichbarer Effekt wurde bei Außenbeschichtungen bisher nicht beschrieben.
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10 und 11 stellen jeweils die Kolbenringe der 6 und 8 dar, wobei der Bimetalleffekt durch die gestrichelten und durchgezogenen Linien verdeutlicht wird.
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In 10 wird der Bimetalleffekt durch die Innenbeschichtung 4 bei Erwärmung verdeutlicht. In 10 weist die Innenbeschichtung 4 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der kleiner ist als der des Materials des Kolbenrings 2. Bei steigender Temperatur dehnt sich der Kolbenring 2 stärker aus als die Innenbeschichtung 4 und Kolbenring zieht sich zusammen. Im Betrieb eines Kolbenmotors bedeutet dies, dass der Teil des Radialdrucks des Kolbenrings, der durch die Vorspannung des Kolbenrings erzeugt wird, verringert wird.
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In 11 wird der Bimetalleffekt durch die Innenbeschichtung 4 bei Erwärmung verdeutlicht. In 10 weist eine Verschleißschutzschicht 6 und eine Innenbeschichtung 4 auf. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Innenbeschichtung 4 ist kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kolbenrings 2. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verschleißschutzschicht 6 ist kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kolbenrings 2. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verschleißschutzschicht 6 ist ebenfalls kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Innenbeschichtung 4.
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Unter diesen Voraussetzungen wirkt der Bimetalleffekt zwischen der Innenbeschichtung 4 und dem Kolbenring 2 gegen den Bimetalleffekt zwischen der Verschleißschutzschicht 6 und dem Kolbenring 2. Je nach den gewählten Verhältnissen der Abmessungen und der Festigkeiten der Innenbeschichtung 4 und der Verschleißschutzschicht 6 kann das Verhalten des Kolbenrings bei Erwärmung auf eine bestimmte Temperatur gewählt werden.
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Durch eine dickere Innenbeschichtung 4 kann ein Bimetalleffekt zwischen der Verschleißschutzschicht 6 und dem Kolbenring 2 ausgeglichen oder sogar überkompensiert werden.
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Durch eine dünnere Innenbeschichtung 4 kann ein Bimetalleffekt zwischen der Verschleißschutzschicht 6 und dem Kolbenring 2 abgeschwächt werden.
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Durch eine Innenbeschichtung 4 mit einem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als dem des Kolbenrings kann ein Bimetalleffekt zwischen der Verschleißschutzschicht 6 und dem Kolbenring 2 weiter verstärkt werden.
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Dem Fachmann stehen mit sektorweiser Innenbeschichtung und in Axialrichtung nur teilweiser Beschichtung alle Möglichkeiten zur Verfügung, die Eigenschaften und das Verhalten eines Kolbenrings in Abhängigkeit der Temperatur zu steuern.
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In 12 ist ein erfindungsgemäßer Kolbenring 2 dargestellt, der eine Innenbeschichtung aufweist, die nur auf der oberen Hälfte der Innenfläche des Kolbenrings 2 aufgebracht ist. In 13 ist die Wirkung dieses Aufbaus bei einer Temperaturerhöhung dargestellt, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Innenbeschichtung über dem des Materials des Kolbenrings liegt. Bei Erwärmung dehnt sich die Innenbeschichtung 4 stärker aus als der Kolbenring 2. Durch die stärkere Ausdehnung der Innenbeschichtung 4 wird einerseits der Radius des Kolbenrings 2 erhöht und andererseits wird der Kolbenring durch die einseitig aufgebrachte Kraft ebenfalls senkrecht zu der Kreisebene des Kolbenrings 4 verbogen. Die Überlagerung der Krümmung und der Verbiegung des Kolbenrings ergibt zusammen eine Verkippung α des Querschnitts des Kolbenrings 2 zu der Kreisebene. Die Überlagerung der Krümmungen wirkt dabei der durch den Bimetalleffekt bewirkten Ausdehnung des Kolbenrings entgegen.
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14 stellt einen Kolbenring mit zwei verschiedenen, in Axialrichtung nur teilweise aufgebrachten Innenbeschichtungen dar. Der Kolbenring 2 ist in einem ersten axialen Bereich mit einer ersten Innenbeschichtung 8, und in einem zweiten axialen Bereich mit einer zweiten Innenbeschichtung 10 versehen. Die erste Innenbeschichtung 8 weist dabei einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der über dem des Materials des Kolbenrings 2 liegt. Die zweite Innenbeschichtung 8 weist dabei einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der unter dem des Materials des Kolbenrings 2 liegt.
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15 verdeutlicht die Auswirkungen einer Erwärmung der Ausführungsform von 14. In der dargestellten Ausführungsform gleichen sich die radialen Bimetalleffekte der ersten und der zweiten Innenbeschichtung 8, 10 gegenüber dem Material des Kolbenrings 2 gegenseitig aus. Die Bimetalleffekte der ersten und der zweiten Innenbeschichtung 8, 10 gegenüber dem Material des Kolbenrings 2, die senkrecht zu der Ebene des Kolbenrings wirken, hingegen verstärken sich gegenseitig, was zu einer Verbiegung senkrecht zu der Ebenen des Kolbenrings führt. Eine Überlagerung der Krümmung und der Verbiegung führt zu einer Verkippung β des Querschnitts des Kolbenrings gegenüber der Kolbenringebene bzw. der Kolbenringnut. Die Überlagerung der Krümmung und der Verbiegung bedingt ebenfalls eine Verkleinerung des Durchmessers des Kolbenrings, die in der dargestellten Ausführung jedoch durch einen Bimetalleffekt zwischen dem Kolbenring 2 und einer außen an dem Kolbenring 2 aufgebrachten Verschleißschutzschicht 6 aufgehoben wird, der einer Verkleinerung des Durchmessers des Kolbenrings 2 entgegenwirkt.
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Die vorliegende Erfindung wurde in den Figuren lediglich anhand von Kolbenringen mit im Wesentlichen rechteckigen Querschnitten dargestellt. Die vorliegende Erfindung wurde in den Figuren lediglich anhand von Kolbenringen mit im Wesentlichen gleichbleibenden Abmessungen dargestellt. Es wird hier explizit darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch mit Kolbenringen mit nicht-rechteckigen Querschnittsformen verwendet werden kann. Es wird hier ebenfalls explizit darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch an Kolbenringen Anwendung finden kann, deren Querschnitt über den gesamten Kolbenring nicht konstant ist. Es ist anzumerken, dass die Innenbeschichtung auf weitere Zwischenschichten aufgebracht sein kann. Es ist ebenfalls möglich, einen erfindungsgemäßen Kolbenring aus einem Bimetalldraht zu biegen. Der Ausdruck „Innere Beschichtung” bzw. „Innenbeschichtung” dient lediglich dazu, den Ort der Beschichtung zu verdeutlichen, und sollte die Innenbeschichtung nicht auf ein bestimmtes Herstellungsverfahren bzw. Beschichtungsverfahren einschränken.
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Die vorliegende Erfindung kann bei jeder Art von Kolbenringen verwendet werden und ist im Prinzip ebenfalls bei geschlossenen, ringstoßfreien Kolbenringen anwendbar, sofern eine Beschichtung auf der Innenseite des Kolbenrings bereitgestellt wird, wobei die Innenbeschichtung dazu dient, die Radialdruckverteilung des Kolbenrings in Abhängigkeit der Temperatur des Kolbenrings zu beeinflussen.
