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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring mit nichtmetallischem Kern, welcher eine geringere Masse hat als herkömmliche Kolbenringe mit identischen Abmessungen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Kolbenringe.
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Stand der Technik
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Kolbenringe dichten in einem Verbrennungskraftmotor den zwischen Kolbenkopf und Zylinderwand vorhandenen Spalt gegenüber dem Brennraum ab. Bei der Auf- und Abbewegung des Kolbens gleitet der Kolbenring einerseits mit seiner äußeren Umfangsfläche in ständiger federnder Anlage gegen die Zylinderwand, andererseits gleitet der Kolbenring, bedingt durch die Kippbewegungen des Kolbens, oszillierend in seiner Kolbenringnut, wobei seine Flanken wechselnd an der oberen oder unteren Nutenflanke der Kolbenringnut anliegen. Bei den jeweils gegeneinander laufenden Gleitpartnern tritt in Abhängigkeit des Materials ein mehr oder weniger starker Verschleiß auf, der bei einem Trockenlauf zu so genannten Fressern, Riefenbildung und schließlich zu einer Zerstörung des Motors führen kann. Um das Gleit- und Verschleißverhalten von Kolbenringen gegenüber der Zylinderwand zu verbessern, wurden diese an deren Umfangsfläche mit Beschichtungen aus unterschiedlichen Materialien versehen.
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Im dynamischen Motorbetrieb sind Kolbenringe aufgrund von Gas-, Reibungs- und Massenkräften einer axialen Bewegung in der Kolbennut ausgesetzt. Hierbei kann speziell bei Ringen der ersten Kolbennut ausgelöst durch die auftretenden Massenkräfte ein ungewolltes Flattern der Kolbenringe auftreten. Diese flatternde Bewegung der Kolbenringe führt zu einem unerwünschten Bewegungsverhalten mit direktem Einfluss auf die Emissionswerte des Motors. Insbesondere hat eine solche flatternde Bewegung einen erhöhten Ölverbrauch und Reversed Blow-by zur Folge. Die Optimierung der Massenkräfte durch Reduzierung des Gewichtes des Kolbenrings hat daher einen erheblichen Einfluss auf die Bewegung des Kolbenrings unter hohen Motordrehzahlen und ausgeglichenen Druckverhältnissen unterhalb und oberhalb des Kolbenrings.
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Zur Herstellung von Kolbenringen werden meist Gusseisenwerkstoffe bzw. Gusseisenlegierungen verwendet. Kolbenringe, insbesondere Kompressionsringe, unterliegen in hochbeanspruchten Motoren einer zunehmenden Belastung, unter anderem Kompressionsspitzendruck, Verbrennungstemperatur, EGR und Schmierfilmreduzierung, die deren Funktionseigenschaften, wie Verschleiß, Brandspurbeständigkeit, Microwelding und Korrosionsbeständigkeit, maßgeblich beeinflussen. Gusseisenwerkstoffe gemäß dem Stand der Technik weisen jedoch ein hohes Bruchrisiko auf, so dass es bei der Verwendung bisheriger Werkstoffe häufig zu Ringbrüchen kommt. Gestiegene mechanisch-dynamische Belastungen führen zu kürzeren Lebensdauern von Kolbenringen. Ebenso kommt es zu starkem Verschleiß und Korrosion an Lauffläche und Flanke. Aufgrund der höheren mechanischen und dynamischen Beanspruchungen von Kolbenringen fordern immer mehr Motorenhersteller Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen aus hochwertigem Stahl. Hierbei bezeichnet man Eisenwerkstoffe mit weniger als 2,08 Gew.-% Kohlenstoff als Stahl. Liegt der Kohlenstoffgehalt höher, so redet man von Gusseisen. Stahlwerkstoffe besitzen gegenüber Gusseisen bessere Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften, da keine Störung durch freien Graphit im Grundgefüge vorhanden ist.
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Heutige Kolbenringwerkstoffe auf Basis von Gusseisen oder Stahl stellen einen homogenen Werkstoff dar. Die Beeinflussung der Kolbenringmasse ist nur durch Veränderung des Querschnitts des Kolbenrings möglich. Durch die bereits extrem kleinen axialen Höhen und stark reduzierten Wanddicken moderner Kolbenringe sind die Möglichkeiten einer weiteren Massenreduzierung stark limitiert, da höhere Zünddrücke sowie die Kraftstoff-Direkteinspritzung steigende Belastungen für Kolbenringe bedeuten. Bisher untersuchte Maßnahmen zur weiteren Massenreduzierung führen zu ungewollten Nebeneffekten wie beispielsweise einer Erhöhung der Reibung zwischen Kolbenring und Zylinderlaufbuchse, einem erhöhten Flankenverschleiß, sowie dem Zerbrechen von Kolbenringen.
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Beispielsweise wurden bereits Kolbenringe in Form von Hohlringen untersucht. Es wurden hierfür Rohre verwendet, deren Hohlraum entweder an einer Kante oder an den Stoßenden mit dem Luftraum in Verbindung stand, oder die infolge ihres schwachen Querschnitts, ihrer geringen Festigkeit und schlechten Wärmeleitfähigkeit den hohen Wärme- und Druckbeanspruchungen in Brennkraftmaschinen nicht standhalten konnten. Auch wurde versucht, die Eigenschaften solcher Kolbenringe zu verbessern, indem sie mit einem Leichmetall, wie beispielsweise Aluminium, gefüllt wurden. Dies führt allerdings aufgrund des benötigten Aluminiums und des notwendigen Verbundgussverfahrens zu hohen Herstellungskosten.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolbenring bereitzustellen, welcher eine geringere Masse hat als herkömmliche Kolbenringe mit identischen Abmessungen. Hierbei sollen die Nachteile vermieden werden, welche bei der Verwendung solcher Werkstoffe als Kolbenringmaterial bekannt sind, die mit Luft oder Metall gefüllte Hohlräume enthalten.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolbenring gelöst, der als Grundgefüge einen Metallgusswerkstoff umfasst, wobei der Kolbenring einen allseitig geschlossenen Hohlraum aufweist, welcher vollständig mit einem nichtmetallischen Feststoff gefüllt ist. Die Dichte des nichtmetallischen Feststoffs muss hierbei geringer sein, als die Dichte des Metallgusswerkstoffs.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbenrings (1) zusammen mit einer Vergrößerung seines Querschnitts. Hierbei ist zu erkennen, wie der Metallgusswerkstoff (2) den Hohlraum (3) umschließt. 2 zeigt, wie der Hohlraum (3) des erfindungsgemäßen Kolbenrings am Ringstoß vom Metallgusswerkstoff (2) geschlossen wird.
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Das Volumen des Hohlraums liegt bevorzugt im Bereich von 10% bis 50% des Volumens des Kolbenrings.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der nichtmetallische Feststoff einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, als der Metallgusswerkstoff. Bei Erwärmung des Kolbenrings unter Betriebsbedingungen strebt der nichtmetallische gebogene Kern des Kolbenrings stärker danach, sich geradezubiegen, als der ihn umgebende Mantel aus Metallgusswerkstoff. Dies führt vorteilhafterweise zu einer Vergrößerung des Stoßes des Kolbenrings mit der Folge eines höheren Radialdrucks am Stoß, während der Stoß von Vollmetallkolbenringen unter den gleichen Bedingungen unverändert bleibt.
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Bevorzugt ist der nichtmetallische Feststoff eine Keramik. Besonders bevorzugt ist diese Keramik ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al2O3, SiC, Si3N4, Sialonen und Mischungen daraus.
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Bei dem Metallgusswerkstoff handelt es sich bevorzugt um Gusseisen oder einen Stahlgusswerkstoff.
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Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kolbenrings kann nach einem Verfahren erfolgen, welches die folgenden Schritte umfasst:
- a. Herstellen einer Schmelze der Ausgangsmaterialien des Metallgusswerkstoffs,
- b. Abgießen der Schmelze in eine vorgefertigte Form,
wobei während des Abgießens der Schmelze in die vorgefertigte Form ein Kern aus einem nichtmetallischen Feststoff so in der Form platziert wird, dass er von dem Metallgusswerkstoff allseitig umschlossen wird.
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Der Schmelzprozess erfolgt in einem Ofen. Anschließend wird der Kolbenring unter Erstarrung der Schmelze hergestellt. Der Kolbenring kann dabei mit im Stand der Technik bekannte Methoden gegossen werden, wobei Grünsandformen bevorzugt ist. Hierbei wir der nichtmetallische Kern in der vorhandenen Grünsandform mittig platziert und durch die rückwärtige Wand ausgerichtet und in Position gehalten.
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Die Gießtemperatur wird bevorzugt höher gewählt, als beim Gießen eines Kolbenrings aus demselben Metallgusswerkstoff ohne nichtmetallischen Kern. Auf diese Weise wird die Gefahr eines Kaltlaufs durch erhöhten Temperaturverlust und die Gefahr der Bildung von Gasblasen durch Kondenswasser auf dem nichtmetallischen Kern umgangen.
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Nach Erkalten des Kolbenrings wird die Form ausgeleert und der erhaltene Rohling geputzt.
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Gegebenenfalls kann der Kolbenring anschließend vergütet werden. Dies erfolgt durch die folgenden Schritte:
- c. Austenitisieren des Kolbenrings oberhalb seiner Ac3-Temperatur,
- d. Abschrecken des Kolbenrings in einem geeigneten Abschreckmedium, und
- e. Anlassen des Kolbenrings bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 700°C in einem Schutzgasofen.
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Als Abschreckmedium wird bevorzugt Öl verwendet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbenrings zusammen mit einer Vergrößerung seines Querschnitts.
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2 zeigt einen anderen Querschnitt des erfindungsgemäßen Kolbenrings aus 1 am Ringstoß.
