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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gleitkombination, die aus mindestens einem Kolbenring und einer Zylinderlaufbuchse gebildet ist, wobei der mindestens eine Ring eine Beschichtung aus Metrallnitrid aufweist, die durch das physikalische Dampfabscheidungs(PVD)-Verfahren aufgetragen wird, und die Zylinderlaufbuchse eine diamantartige Kohlenstoff(DLC)-Beschichtung aufweist. Die daraus sich ergebende Gleitkombination sorgt für eine größere Verschleißfestigkeit im Vergleich mit den gängigen Lösungen, die sich sehr oft auf die Verbesserung von lediglich einem der Kombinationselemente konzentrieren.
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Beschreibung des Standes der Technik
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In einem Verbrennungsmotor ist die zwischen der Zylinderlaufbuchse und den Kolbenringen bestehende Reibung umfangreich untersucht worden, da ein diesbezügliches Geringer-Werden bei einer Optimierung des Funktionierens von Motoren, des Leistungsverhaltens, des Reduzierens des Treibstoffverbrauchs und des Herabsetzens des Verbrennens des auf der Zylinderwand vorhandenen Schmieröls ausschlaggebend ist.
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Ein bis vor kurzem gängiges Paradigma hat darin bestanden, die Verbesserung von jeder Komponente einzeln anzustreben. In der Folge haben Forscher neue Verbesserungen (beispielsweise Basismaterialien und Beschichtungen) für Ringe und Zylinderlaufbuchsen hinsichtlich der jeweiligen Eigenschaften von diesen entwickelt. Eine systematische Untersuchung, die sich die Optimierung des Leistungsverhaltens von mehr als einer Komponente der Verbrennungszelle zum Ziel gesetzt hatte, war nicht üblich.
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Folglich hat in vielen Situationen die Entwicklung eines Kolbenrings, der eine gewisse, mit Hinblick auf den Verschleiß sehr effiziente Beschichtung aufweist, keinen ökonomischen Nutzen aufgrund der Tatsache gebracht, dass sich die neue Beschichtung in den angewandten Zylinderlaufbuchsen als nicht zufriedenstellend herausgestellt hat.
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Die große Mehrheit von derzeit verfügbaren Zylinderlaufbuchsen ist aus Gusseisen hergestellt, ein Material mit hervorragenden Eigenschaften hinsichtlich tribologischer Kompatibilität mit den Ringen und den Schürzen des Kolbens. Diese Kompatibilität ergibt sich aus der Tatsache, dass Gusseisen natürlicherweise Partikel von freiem Kohlenstoff (Graphit) aufweist, das, dadurch, dass es ein Festschmierstoff ist, zur Reduzierung von dynamischer Reibung und folglich zur längeren Haltbarkeit der Komponenten beiträgt.
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In letzter Zeit haben sich Motorkonstrukteure durch den immer größer werdenden Druck hinsichtlich einer Reduzierung im Verbrauch und in der Umweltverschmutzung durch Motoren, der durch eine zunehmend restriktive Schadstoffkontrollgesetzgebung herbeigeführt worden ist, Lösungen, wie beispielsweise das Aufladen bei zunehmend hohen Drücken, und neue Strategien für eine Schadstoffreduktion, wie beispielsweise die Anwendung von Abgasrückführungs(EGR)-Systemen, zunutze gemacht.
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Diese Lösungen haben die Laufbuchsen aus Gusseisen dahin geführt, was die Grenze von tribologischer Anwendung aufgrund der Tatsache zu sein scheint, dass die Komponenten beschleunigten Verschleiß in diesen neuen Motoren, insbesondere im Bereich des oberen Totpunkts (TDC), aufgezeigt haben.
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Folglich hat der zuvor erwähnte, immer größer werdende Druck zur Reduzierung des Verbrauchs und der Umweltverschmutzung durch Motoren, als ein Ergebnis einer zunehmend restriktiven Schadstoffkontrollgesetzgebung, die Notwendigkeit für einen Paradigmenwechsel herbeigeführt, und die Hersteller haben begonnen, über die gemeinsame Entwicklung von Ringen und Laufbuchsen in einer systematischen Art und Weise nachzudenken, indem die Entwicklung von neuen Gleitpaarungen fortgesetzt wird.
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Ein erstes Ergebnis dieses gemeinsamen Lösungsansatzes kann in der Internationalen Patentanmeldung
WO2009/069703 vorgefunden werden, die sich auf die kombinierte Struktur eines Kolbenrings und einer Zylinderlaufbuchse eines Verbrennungsmotors bezieht. Die kombinierte Struktur umfasst Folgendes: (i) eine Zylinderlaufbuchse, deren Gleitoberfläche eine, an 10 unterschiedlichen Punkten gemessene, durchschnittliche Rauheit, von 0,5 µm bis 1,0 µm, eine effektive Beanspruchungsrauheit (Rk), von 0,2 µm bis 0,4 µm, eine anfängliche Verschleißhöhe (Rpk) von zwischen 0,05 µm und 0,1 µm, und eine Ölwannentiefe (Rvk), von zwischen 0,08 µm und 0,2 µm, aufweist; und (ii) einen Kolbenring, dessen äußere Seitenfläche eine, an 10 unterschiedlichen Punkten gemessene, durchschnittliche Rauheit, von 1,6 µm oder weniger, und eine anfängliche Verschleißhöhe von weniger als 0,3 µm aufweist. Überdies sollte der Kolbenring auf die Zylinderlaufbuchse einen Druck in der Größenordnung von 0,03 MPa bis 0,2 MPa ausüben.
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Das Patentdokument
JP2004116707 bezieht sich auf ein kombiniertes Gleitelement, das durch einen Kolbenring und eine Zylinderlaufbuchse gebildet ist. Der Kolbenring umfasst eine Gleitoberfläche, die eine Rauheit Rz von 0,5 µm bis 1,0 µm aufweist, und die Zylinderlaufbuchse weist eine Rauheit Rz von 0,5 µm bis 1,5 µm, eine anfängliche Verschleißhöhe von 0,05 µm bis 0,2 µm (auf Basis des Standard-DIN 4776), eine effektive Beanspruchungsrauheit (Rk) von 0,2 µm bis 0,6 µm, und eine Ölwannentiefe (Rvk) von 0,10 µm bis 0,35 µm auf.
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Die äußere Seitenoberfläche des Kolbenrings ist aus einer Schicht aus metallenem Chrom, einer laminierten Schicht aus metallenem Chrom, einer nitrierten Schicht oder einer Schicht gebildet, die durch das physikalische Gasphasenabscheidungs(PVD)-Verfahren aufgetragen wird. Hingegen ist die Oberfläche der Zylinderlaufbuchse vorzugsweise aus Gusseisen, Gusseisen mit Bor oder Gussstahl gebildet.
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Letztendlich bezieht sich das Japanische Patentdokument
JP2003254156 auf die Kombination eines Zylinders und eines Kolbenrings, worin ein geringes Ausmaß an Gleitreibung, herabgesetzter Scheuerverschleiß, und eine Verringerung im Verlust der Verbrennungsgase durch den Durchlass zwischen den Ringen und der Gleitoberfläche der Laufbuchse hindurch, und im Verbrennen von Schmieröl (Blowby) auftritt. Der Zylinder ist aus einer Legierung auf Basis von Aluminium gebildet, und der Kolbenring weist eine Basis von austenitischem rostfreien Stahl auf, wobei die äußere Seitenoberfläche mit einem Hartchromfilm beschichtet ist, der sich aus zwei oder mehr Schichten zusammensetzt, in denen Mikrorisse verteilt sind, wobei jede davon einen Abschnitt umfasst, der an der äußeren Oberfläche offen ist, und eine Tiefe aufweist, die der Schicht selbst entspricht, der teilweise in einer tieferen Schicht bleibt und sich teilweise in die Richtung einer tieferen Schicht erstreckt. Diese Beschaffenheit garantiert ein hervorragendes Ausmaß an Ölrückhaltevermögen in diesen Mikrorissen, was die Strapazierfähigkeit garantiert und den Verbrauch von Schmiermittel durch Blowby herabsetzt.
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Eine Gleitkombination, welche die erwünschten Vorteile von Haltbarkeit und Festigkeit durch die Anwendung eines Rings mit einer Metallnitridbeschichtung, die durch das physikalische Gasphasenabscheidungs(PVD)-Verfahren aufgetragen wird, und einer Zylinderlaufbuchse mit einer DLC(diamantartige Kohlenstoff-)-Beschichtung erzielt wird, war noch nicht entwickelt worden. Die durch die Anmelderin durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass die Anwendung von anderen Beschichtungsarten auf dem Kolbenring, beispielsweise Chromkeramik oder Chromnitrid, die durch das thermische Spritzverfahren aufgetragen werden, nicht die erwarteten Ergebnisse erbracht hat.
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Zielsetzungen der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine Gleitkombination bereitzustellen, die erhöhte Haltbarkeit und Festigkeit durch die Anwendung eines Rings, der eine durch das physikalische Gasphasenabscheidungs(PVD)-Verfahren aufgetragene Beschichtung aus Metallnitrid aufweist, und einer Zylinderlaufbuchse, die eine Beschichtung aus DLC (diamantartigem Kohlenstoff) aufweist, erzielt.
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Insbesondere zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, eine Gleitkombination bereitzustellen, in welcher der Kompressionsring eine Beschichtung aus CrN, CrCN/C oder TiN aufweist, und die Laufbuchse eine Beschichtung aus DLC (diamantartigem Kohlenstoff) aufweist.
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Die vorliegende Erfindung zielt überdies darauf ab, eine Gleitkombination bereitzustellen, die erhöhte Haltbarkeit und Festigkeit erzielt, ohne, im Gegenzug dazu, eine Erhöhung der diesbezüglichen Herstellungskosten mit sich zu bringen, die diese wirtschaftlich unrentabel machen würde.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung werden durch eine Gleitkombination zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor realisiert, die mindestens eine Zylinderlaufbuchse von zylindrischer Form, die eine innere Gleitoberfläche definiert, und einen Ring, der durch mindestens eine äußere seitliche Gleitoberfläche definiert ist, umfasst, wobei die äußere Gleitoberfläche des Rings relativ zur inneren Oberfläche der Laufbuchse gleitet, worin die Oberfläche des Rings eine erste Beschichtung aus Metallnitrid aufweist, die durch das physikalische Gasphasenabscheidungs(PVD)-Verfahren aufgetragen wird, die über eine zweite Beschichtung aus DLC (diamantartigem Kohlenstoff) gleitet, die über die innere Oberfläche der Laufbuchse aufgetragen ist.
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Zusammengefasste Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend detailliert, auf Basis eines Beispiels einer in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform beschrieben. In den Figuren:
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1 ist eine schematische Querschnittsansicht des Bereichs der oberen Nut (1 bis 3) der Gleitkombination der vorliegenden Erfindung.
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2 ist ein Graph, der den gemessenen Verschleiß nach 1000 Stunden einer Zylinderlaufbuchse, die eine DLC-Beschichtung aufweist, gegenüber einem Kolbenring, der eine durch PVD aufgetragene Beschichtung aus Chromnitrid aufweist, und, im Vergleich dazu, gegenüber einem Ring, der eine durch HVOF aufgetragene Beschichtung aus Chromnitrid aufweist, zeigt.
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3 ist ein Graph, der den Verschleiß einer herkömmlichen Gleitkombination und den Verschleiß der Gleitkombination der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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Die Gleitkombination 1 der vorliegenden Erfindung ist als eine Antwort auf die immer strenger werdenden Anforderungen hinsichtlich einem verbesserten Leistungsverhalten und eines Rückgangs im Verbrauch und in der Emission von Schadstoffen entwickelt worden, für die Verbrennungsmotoren anfällig sind.
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Die Gleitkombination 1 der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens eine Zylinderlaufbuchse 2 von einer im Wesentlichen zylindrischen Form, die eine innere Gleitoberfläche 3 definiert, und einen Ring 4, der mindestens eine äußere seitliche Gleitoberfläche 5 definiert, sodass die äußere Seitenoberfläche 5 des Rings 4 relativ zur inneren Oberfläche 3 der Laufbuchse 2 gleitet.
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Der Ring 4 ist vorzugsweise ein erster Nutring oder Kompressionsring, es ist jedoch offenkundig, dass er jede andere mögliche Konfiguration annehmen kann, wie beispielsweise die eines zweiten Nutrings oder sogar eines Ölabstreifrings, ohne dass die daraus sich ergebende Erfindung aufhört, vom Schutzumfang der angefügten Ansprüche umfasst zu sein. In derselben Art und Weise ist die spezifische Geometrie davon mit Hinblick auf den Schutzumfang irrelevant. Letztendlich kann das Basismaterial, aus dem der Ring gebildet ist, frei variieren, vorausgesetzt, dass es die Anwendung einer Beschichtung ermöglicht, die nachstehend detailliert beschrieben wird. Der Ring 4 setzt sich vorzugsweise aus Gusseisen oder rostfreiem Stahl zusammen.
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Die Zylinderlaufbuchse 2 kann wiederum auch diverse spezifische Konfigurationen annehmen, die innere Durchmesser und einen äußeren Umfang aufweisen können, der frei variieren kann, wobei darauf hingewiesen wird, dass Letzteres in der Regel Elemente darstellt, die das Befestigen davon am Motorblock (wobei diese nicht veranschaulicht sind) erleichtern. Das Basismaterial der Laufbuchse ist vorzugsweise, aber nicht zwangsläufig, Gusseisen, dessen spezifische Zusammensetzung als eine Funktion der Ausgestaltung und der Betriebsparameter des Motors variieren kann, in dem diese eingebaut ist.
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Auch andere Materialien können angewandt werden, vorausgesetzt, dass sie funktionell, wie beispielsweise Gussstahl, sind, ohne dass die daraus sich ergebende Laufbuchse aufhört, vom Schutzumfang der Ansprüche umfasst zu sein.
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Was auch immer die spezifischen Zusammensetzungen des Rings 4 und der Laufbuchse 2 sein mögen, die Oberfläche 5 des Rings weist eine durch das physikalische Gasphasenabscheidungs(PVD)-Verfahren aufgetragene, erste Beschichtung 6 aus Metallnitrid auf, die über eine zweite Beschichtung 7 aus DLC (diamantartigem Kohlenstoff) gleitet, die über die innere Oberfläche 3 der Laufbuchse 2 aufgetragen ist. Auf diese Art und Weise ist es offenkundig, dass das Material, aus dem sich der Ring und die Laufbuchse zusammensetzen, frei variieren kann, vorausgesetzt, dass diese die Anwendung der entsprechenden Beschichtungen rentabel machen.
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In Anlehnung an diverse Untersuchungen hat die Anmelderin festgestellt, dass die isolierte Untersuchung des Kolbenrings und der Laufbuchse nicht ausreichend war, um sicherzustellen, dass die beiden in Betrieb sind, wenn der Ring axial innerhalb des Inneren der Laufbuchse über die Milliarden von Betriebszyklen des Motors gleitet.
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Die verschiedenen Schichten 5, 5‘ der Beschichtung 3 werden durch ein Verfahren aufgetragen, das dem Fachmann als physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) bekannt ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass das physikalische Gasphasenabscheidungsverfahren mit rein physikalischen Verfahren, wie beispielsweise hoher Temperatur, Vakuumverdampfung oder Plasmabombardement, einhergeht. Ferner kann ein Gas, beispielsweise Stickstoff (N2), derart hinzugefügt werden, dass sich dieses mit dem metallischen Material verbindet, das zur Ausbildung von Nitriden abgeschieden wird. Unter den Verfahren, die zur Verdampfung des metallischen Materials aus der Quelle (Zielkathode) eingesetzt werden, ist eines der bekanntesten der kathodische Lichtbogen, worin ein Hochleistungs-Lichtbogen an der Materialquelle angeordnet ist, sie verdampfen lässt und Ionen erzeugt, die auf dem Abschnitt abgeschieden werden. Sind Gase, wie beispielsweise Stickstoff (N2), vorhanden, wird das Nitrid des metallischen Materials auf dem Teil abgeschieden.
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Das heißt, das Abscheidungsverfahren durch einen kathodischen Lichtbogen ist eine Verfahrenstechnik physikalischer Gasphasenabscheidung, worin ein Lichtbogen eingesetzt wird, um Material aus einer Zielkathode verdampfen zu lassen. Das verdampfte Material kondensiert in der Folge auf einem Substrat, indem es einen dünnen Film bildet.
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Die Steuerung des Drucks des Stickstoff(N2)-Gases und des verdampften Metalls ermöglicht im Wesentlichen eine präzise Steuerung der Beschichtung, die erzielt werden soll. Im Fall der vorliegenden Erfindung setzt sich die Beschichtung 6 des Rings 4 vorzugsweise aus CrN, CrCN/C oder TiN zusammen, wobei sich diese noch bevorzugter aus CrN zusammensetzt.
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Die Beschichtung 6 des Rings 4 weist vorzugsweise eine Härte von zwischen 1000 HV und 2300 HV, eine Dicke, die (>) 5 µm überschreitet, vorzugsweise zwischen 20 µm und 40 µm, und eine säulenförmige Morphologie auf.
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Die Beschichtung 7 der Laufbuchse 2 weist eine Härte von zwischen 10 GPa und 20 GPa, eine Dicke, die (>) 1 µm überschreitet, vorzugsweise zwischen 2 µm und 15 µm, und eine Gradienten-Morphologie auf.
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Die vorliegende Gleitpaarung ergibt einen geringeren Verschleiß der diesbezüglichen Komponenten und garantiert somit eine verbesserte Haltbarkeit von Motoren innerhalb der ursprünglichen Parameter oder funktionellen Prinzipien davon.
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Der Graph von 2 veranschaulicht den durchschnittlichen Verschleiß, nach 1000 Stunden, der Zylinderlaufbuchse 2, die eine DLC-Beschichtung 7 aufweist, gegenüber dem Kolbenring 4, der eine durch die PVD aufgetragene Beschichtung 6 aus Chromnitrid aufweist, und, im Vergleich dazu, gegenüber einem unspezifizierten Kolbenring, der eine durch das HVOF-Verfahren aufgetragene Chromnitrid-Beschichtung aufweist. Der Test wurde in einem Motor ausgeführt, der 6 Reihenzylinder aufweist, worin die Buchsen aus perlitischem Gusseisen mit der DLC-Beschichtung waren.
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In durchschnittlichen Zahlen hat die Anwendung von Kolbenringen, die eine durch HVOF aufgetragene Beschichtung aufweisen, nach 1000 Betriebsstunden des Motors zu einem Verschleiß der Buchsen von ungefähr 16 µm an der oberen Totpunkt(TDC)-Position geführt, während die Anwendung von Ringen 4, die eine durch PVD aufgetragene CrN-Beschichtung aufweisen, zu einem Verschleiß der Laufbuchsen einer identen Konfiguration geführt hat, der durch ungefähr 3 µm am TDC reduziert wird.
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Der Graph von 3 wiederum zeigt den vergleichsweisen Verschleiß zwischen zwei Gleitpaarungen, wobei eine erste Gleitpaarung durch eine herkömmliche Laufbuchse ausgebildet ist, die mit dem Ring 4, der eine durch PVD aufgetragene CrN-Beschichtung aufweist, zusammenwirkt, und wobei eine zweite Gleitpaarung durch die Laufbuchse ausgebildet ist, welche die DLC-Beschichtung aufweist, die mit dem, mit einer durch PVD aufgetragenen CrN-Beschichtung ausgestatteten Ring 4 zusammenwirkt.
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Der Graph veranschaulicht Verschleißmessungen auf jeder der Komponenten, die nach 500 Stunden und 1000 Stunden durchgeführt worden sind, und macht deutlich, dass nach 500 Stunden des Testens die Kombination der vorliegenden Erfindung einen Verschleiß angezeigt hat, der 23,4% niedriger im Vergleich mit der Kombination, die eine herkömmliche Laufbuchse einsetzt, ist. Nach 1000 Stunden sind die Ergebnisse in Bezug auf den Verschleiß, der um 29,5% geringer ist, noch viel vorteilhafter. Es genügt, festzustellen, dass die Gleitkombination 1 der vorliegenden Erfindung gezeigt hat, dass sich nach 1000 Stunden des Testens ein Verschleißgrad, für den die Kombination mit der herkömmlichen Laufbuchse gesorgt hat, in der halben Zeit gezeigt hat.
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Diese Ergebnisse stellen das in Frage, was zu erwarten ist, nämlich dahingehend, je größer die Härte der Beschichtung des Rings, desto größer wird der Verschleiß der Laufbuchse sein. Das Ergebnis war unerwartet, da, wenn sich die Oberflächenhärte der Laufbuchse erhöht, ein größerer Verschleiß des Rings zu erwarten ist, und das erzielte Ergebnis war überraschenderweise das Gegenteil zu dem, was erwartet wurde, da eine größere Oberflächenhärte der Laufbuchse zu einem geringeren Verschleiß der Ringe geführt hat. Dieser Rückgang ist in den Graphen von 2 und 3 veranschaulicht, was die durch die Anmelderin offenbarten tribologischen Untersuchungen untermauert.
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Nachdem ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden ist, wird darauf hingewiesen, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung andere mögliche Variationen abdeckt, indem er lediglich durch den Inhalt der angefügten Ansprüche, welche die möglichen Äquivalente umfassen, eingeschränkt ist.
