DE19506910A1 - Verfahren zur Herstellung und zur Verwendung einer Kolben/Ring-Anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und zur Verwendung von Kolben/Ring-Anordnungen, und insbesondere Verbesserungen, die eine ökonomischere Herstellung der An­ ordnungen ermöglichen und gleichzeitig einen günstigeren Dichtungskontakt der Kolbenringe bei reduzierter Reibung be­ wirken.

Die Erfindung befaßt sich mit einem oder mehreren von fünf Problemen, die für gegenwärtige Konstruktionen von Kol­ ben/Zylinder-Anordnungen im Hochtemperaturbetrieb (d. h., für Verbrennungsmotorkolben mit Kolbenringen) kennzeichnend sind: (i) extremes Spaltvolumen, (ii) extremes Durchblasen (Blow-by) von Fluiden, (iii) vorzeitiger Ringermüdungsaus­ fall, (iv) Verbrennung eingeschleppten Öls und (v) hohe Be­ arbeitungskosten für die Ringnuten.

Das Spaltvolumen (womit der Raum zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrungswand, einschließlich der Nutenräume im all­ gemeinen bis zum Dichtungspunkt des unteren Verdichtungsrin­ ges gemeint ist) wächst mit dem Spiel zwischen dem Kolben­ kopf und der Bohrungswandung und mit der Nutengröße. Gegen­ wärtige Kolben/Zylinder-Anordnungen für kommerzielle Automo­ bilverbrennungsmotoren weisen große Spaltvolumina auf, was zu einem Vorhandensein von teilweise unverbranntem Kraft­ stoff und damit tendenziell zu höheren Emissionen führt. Darüber hinaus wird beim Kaltstart eine größere Kraftstoff­ menge in die Verbrennungskammer eingespritzt, um die Ver­ brennung zu starten und aufrechtzuerhalten, was dazu führt, daß der unverbrannte Kraftstoff nicht ohne weiteres von ei­ nem Katalysator während des Kaltstarts umgewandelt wird. Es ist auch zu berücksichtigen, daß der Kolben relativ zur Zy­ linderbohrung auf das kleinste Spiel unter Kaltstartbedin­ gungen ausgelegt ist, wobei die Wärmeausdehnung des Kolben­ materials relativ zum Bohrungsmaterial (d. h., Aluminiumkol­ ben gegenüber einer Graugußbohrung) bewirkt, daß das Spalt­ volumen bei höheren Temperaturen größer wird.

Ideal wäre ein Kolben, der sich innerhalb einer Zylinderboh­ rung ohne Spiel zwischen dem Kolben (Kopf oder Mantel) und der Bohrungswandung mit wenig oder keiner Reibung unter al­ len Betriebsbedingungen hin- und herbewegt. Um jedoch eine Beständigkeit der Grenzflächenmaterialien des Kolbens und der Zylinderbohrungswandung zu erzielen, sind die Materiali­ en auf diejenigen eingeschränkt, welche eine unerwünschte Reibung erzeugen, wie z. B. Eisen oder Stahl beschichtet mit Nickel oder Chrom für die Kolbenringe, Eisen oder Aluminium für die Bohrungswände, welche manchmal mit verschleißfesten Beschichtungen beschichtet sind, und Eisen oder Aluminium für den Kolbenmantel, welcher manchmal mit verschleißfesten Beschichtungen beschichtet ist. Das Erzielen eines Spiels von Null ist noch schwieriger, da die Materialauswahl be­ wirkt, daß sich das Spiel für Kolben in typischen Graugußzy­ lindern am oberen Totpunkt verändert. Beispielsweise bewir­ ken Aluminiumkolben eine Veränderung des Spiels zwischen 15 und 60 µm. Das Spiel kann sich unter Arbeitsbedingungen bei Wärme nahezu verdoppeln. Desweiteren kann die Zylinder­ wandung unter schwierigen Kaltstartbedingungen verschleißen, da möglicherweise kein Flüssigschmierstoff zwischen den Ringnuten vorhanden ist.

Das Durchblasen (blow-by) erlaubt Fluiden oder Verbrennungs­ gasen, hinter die Kolbenringe zu dringen und schließlich das Schmiermittel auf den anderen Seiten der Ringe zu verschmut­ zen und innerhalb des Schmiermittels selbst Asche zu erzeu­ gen. Eine derartige Leckage kann durch eine Wanderung hinter die Rückseite, die Vorderseite oder durch die geteilten En­ den der Ringe erfolgen. Eine Gasleckage wird üblicherweise von einer schlechten Ölfilmabstreifung begleitet, was es dem Öl ermöglicht, in die Verbrennungskammer mit der Folge einer Verschmutzung durch Ablagerungen an den Verbrennungskammer­ wänden hochzuwandern. Das Durchblasen, insbesondere die Vor­ derseitenleckage, reduziert die Kompression des Motors und nimmt dem Motor seine Nennleistung. Eine herkömmliche Ring­ konstruktion ist so ausgelegt, daß sie den kleinsten Ring­ spalt bei Hochdruck/Hochlast-Bedingungen erzeugt, da der Hochdruck hinter dem Verdichtungsring einen besseren Dicht­ kontakt bedingt. Bei Zuständen kleiner Last und niedriger Drehzahlen liegt aber kein Gasdruck vor, womit der Ringspalt sehr ungleichmäßig werden kann. Der Gasdruck, welcher nach unten auf die Verdichtungsringe wirkt, kann auch den Ring gegenüber dem Boden der Nut oder gegenüber einem anderen Ring, induziert durch hohe Reibung, "einfrieren", was die Fähigkeit, einen geeigneten Ringspalt zu der Bohrungswandung aufrechtzuerhalten, reduziert. Der Endspalt zwischen den En­ den eines geteilten Kolbenrings kann sich ebenfalls bei ho­ her Drehzahl vergrößern und damit eine noch größere Ver­ brennungsgasleckage ermöglichen.

Ein vorzeitiger Ermüdungsausfall eines Rings wird durch das Einfrieren der Verdichtungsringe auf ihren Nuten aufgrund hohen Gasdrucks verursacht, wobei der Kolben gegen die Boh­ rungswandung schlägt und dabei den eingefrorenen Ring gegen seine Spannung rüttelt und beansprucht, während er an einer nicht übereinstimmenden Zylinderwandung entlang gezerrt wird. Da die hin- und hergehenden Kräfte ihre Größe und Richtung jedesmal bei 720° Kurbelwellendrehung wechseln, stellt eine solche Beanspruchung eine Stoßbelastung des Rings dar, wobei die Stoßbelastung zu Nutenverschleiß, Ring­ instabilität (allgemein als Flattern bezeichnet) und schließlich zum Ringausfall aufgrund von Ermüdung führt.

Ein Verbrauch eingeschleppten Öls resultiert aus einer Art peristolischer Pumpwirkung von Öl, das zwischen dem Ölring und dem zweiten Verdichtungsring (dem Raum neben dem Steg zwischen diesen zwei Ringen) eingeschlossen ist. Bei dem Aufwärtshub des Kolbens wird ein derartig eingeschlossenes Öl hinter den Verdichtungsringen nach oben oder hinter den Verdichtungsringen in die Verbrennungskammer gedrängt. Das in den Verbrennungsraum eingeschleppte Öl hinterläßt einen Rückstand oder Carbonablagerungen. Der Verbrauch einge­ schleppten Öls kann signifikant sein, da Öl in dem Stegraum während des Ansaughubes bei Motorzuständen mit niedriger Drehzahl und niedriger Last effektiv nach oben gepumpt wird. Nach dem Stand der Technik hat man mit einigen Zwei-Ring- Konstruktionen und Drei-Ring-Konstruktionen experimentiert, um dieses Problem zu lösen. Alle bisher vorgeschlagenen Kon­ struktionen haben jedoch entweder den Ölverbrauch bei ver­ ringerter Reibung erhöht, oder den Ölverbrauch durch Erhö­ hung der Reibung mit höherer Ringspannung reduziert.

Schmale Ringe (mit niedriger Höhe) begrenzen den Berührungs­ kontakt mit der Bohrungswandung. Leider sind aber dünne oder schmale Nuten auf der Basis hoher Stückzahlen wesentlich teurer und schwieriger zu bearbeiten. Große Nuten mit Ein­ zelringen haben sich als unzweckmäßig erwiesen.

Die Entwicklungsgeschichte der Kolbenringkonstruktionen für Automobilanwendungen zeigt wiederholte Versuche, das Durch­ blasen (Verlust der Kompression) mit der Erkenntnis, daß die Ringe nicht wirksam gegen die Bohrungswandung abdichten oder der Erkenntnis, daß die Leckage über die die Ringe unter­ stützenden Nuten auftrat, zu verhindern. Es wurden sowohl eine Vielfalt verschleißfester Beschichtungen auf die Ring­ nuten, als auch auf die freiliegende Umfangsdichtfläche der Ringe (siehe Nickelbeschichtung gemäß US-PS 25 75 214; Chrombeschichtung gemäß US-PS 30 95 204 und eine Kombinati­ onsbeschichtung aus Ni, Co-Mo oder Mo gemäß US-PS 39 38 814) aufgebracht. Das Flattern der Ringe unter Umkehrlast ließ trotz derartiger Beschichtungen eine Gas- und Fluidleckage zu und man hoffte, dieses durch Erhöhen des Dichtkontakt­ druckes der geteilten Ringe in jeder der beabstandeten Nuten zu überwinden. Leider erhöht ein derartig erhöhter Kontakt­ druck die Reibung, welche dann trotz der Ölschmierung zu ei­ nem möglichen Nut- oder Ringverschleiß führt.

Den Erfindern ist keine Konstruktion bekannt, bei der der Dichtdruck der Kolbenringe erfolgreich erhöht ist, ohne die Kolbenreibung insbesondere bei extrem hohen Temperaturen zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend ge­ nannten Probleme mit einer wirtschaftlichen Lösung zu über­ winden.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Kolben/Ring-Anordnung vorgesehen. Das Verfahren umfaßt: (a) Bereitstellen eines Metallkolbens mit einem Kopf und einer sich ringformig davon erstreckenden Seitenwand; (b) Spanen einer gestuften ringförmigen Nut in der Seitenwand mit einer Gesamthöhe von mindestens 4 mm; (c) Herstellen eines Paars metallischer, geteilter und ringför­ miger Verdichtungsringe, welche in der Nut verschachtelbar sind und so wirken, daß sie als eine übereinandergelegte Einheit zusammenarbeiten, um sowohl gegen die Stufe als auch gegen die Nut abzudichten; (d) Beschichten der Nut und der ungepaßten Oberflächen der Ringe mit Festschmierstoff- Filmen; und (e) Einsetzen des beschichteten Ringpaares in die beschichtete Nut, wobei deren geteilte Enden nicht zu­ einander ausgerichtet übereinanderliegen. Die Ringe werden so hergestellt, daß sie kombiniert eine Gesamthöhe gleich der Nuthöhe abzüglich 60 µm oder weniger aufweisen. Die Festschmierstoff-Filme werden als ein Gemisch von mindestens zwei ausgewählten Substanzen aus der Graphit, Molybdändisul­ fid und Bornitrid enthaltenden Gruppe in einem Emulsionsträ­ ger aufgebracht. Die poröse Beschichtung zieht Öl an und weist bevorzugt eine mittlere Partikelgröße der Festschmier­ stoffe von nicht größer als 5 µm auf. Die Beschichtung kann durch Emulsionssprühen eines in einem Polyamid getragenen Festschmierstoffgemisches ausgeführt werden.

Ein derartiges Verfahren erleichtert das Ausbilden der Nut in dem Kolben und der Beschichtungen und ermöglicht gleich­ zeitig eine Reduzierung des Durchblasens der Ringanordnung, eine Reduzierung des Spaltvolumens, eine Reduzierung des Ringflatterns und eine Beseitigung des Ringausfalls. Der Festschmierstoff-Film trägt zu einer Beseitigung eines Fest­ frierens der Ringe an den Nutenseiten bei, erhöht die Rin­ germüdungs-Lebensdauer, verbessert die Ringspannung und ver­ ringert die Emissionen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Reduzieren der Durchblasens der Kolbenringe für eine Kolben/Ring-Anordnung in einer Zylinderbohrungswandung eines Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei die Wandung mit Öl aus einem Vorrat gespült wird, und das Verfahren die Bereitstel­ lung eines bearbeiteten Kolbens und von geteilten Ringen, wie vorstehend erwähnt, und das Hin- und Herbewegen zur Aus­ führung eines Motorbetriebs in der Bohrungswandung umfaßt, wodurch die Ringe aufgrund der Reibung an ihren Paßflächen gemeinsam arbeiten und sich frei als eine Einheit mit wenig oder keiner Hemmreibung radial ausrichten können, während sie den Dichtkontakt mit der gestuften Nut, mit einer Seite der Nut und mit dem Ölfilm an der Bohrungswandung beibehal­ ten. Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Aufrißansicht einer herkömmlichen Kolbenkonstruktion nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine stark vergrößerte Schnittansicht eines Teils der Kolbenringanordnung von Fig. 1 nach dem Stand der Technik, welche zeigt, wie das Durchblasen stattfindet und wie eine Ölverschmutzung der Ver­ brennungsgase erfolgt;

Fig. 3 eine teilweise aufgeschnittene Aufrißansicht einer Kolbenkonstruktion, welche die Prinzipien der Erfin­ dung verkörpert;

Fig. 4 und 5 jeweils perspektivische Ansichten eines Paars gepaßter übereinandergelegter Kolbenringe, die für die Erfindung zweckmäßig sind und einen Teil dieser Erfindung bilden, wobei jede Ansicht eine unter­ schiedliche Verzinkungskonstruktion für die geteil­ ten Enden der Ringe darstellt;

Fig. 6 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, welche aber die Prinzi­ pien dieser Erfindung verkörpert;

Fig. 7 eine mittige Schnittaufrißansicht eines Motors, wel­ cher die Kolbenanordnung dieser Erfindung enthält;

Fig. 8 eine graphische Darstellung des Oktanzahlanstiegs als Funktion der Testzeit für einen Motor mit sich verändernden Kammerablagerungen;

Fig. 9 eine weiter vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Nut- und Ringanordnung von Fig. 6; und

Fig. 10, 11 und 12 noch weiter vergrößerte Ansichten gekenn­ zeichneter Abschnitte von Fig. 9.

Zum Verständnis der Vorteile dieser Erfindung seien zunächst einige Erläuterungen über die Funktion von Kolbenanordnungen nach dem Stand der Technik gegeben. Eine typische Kol­ ben/Ring-Anordnung 10 nach dem Stand der Technik ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt, die aus einem Kolben 11 mit einem Kopf 12, Seitenwänden 13, von der Seitenwand nach unten sich erstreckenden Kolbenmänteln 14 und einer Innenver­ bindungsstruktur 15 zum Verbinden des Kolbens mit einem Pleuelbolzen 16 besteht. Die Seitenwand weist drei ringför­ mige Nuten 17, 18, 19 auf, die jeweils zu der Ebene des Kol­ benkopfes ausgerichtet sind und jeweils voneinander in einem axialen Abstand 20 von etwa 2 bis 10 mm beabstandet sind. Die oberste Nut 17 enthält einen ersten geteilten Ver­ dichtungsring 21, die zweite Nut 18 enthält einen zweiten geteilten Verdichtungsring 22, und die unterste Nut 19 ent­ hält einen Ölabstreifring 23. Die Ringe bestehen üblicher­ weise aus Grauguß oder Stahl und weisen in etwa dieselbe Wärmeausdehnungseigenschaft wie die der Bohrungswandung 24 auf, die sich durch das Gießen des Blocks oder durch die Verwendung einer Laufbüchse ergibt. Jeder Verdichtungsring ist so ausgelegt, daß er einen Ringspalt, wie z. B. bei 25, mit der Zylinderbohrungswandung 24 bildet, welcher aus­ reicht, um ein Übermaß unter den schwierigsten Arbeitsbedin­ gungen (üblicherweise bei einem Betrieb des Motors bei hoher Drehzahl und hoher Belastung) zu vermeiden. Ein derartiger Ringspalt 25 läßt jedoch bei Betriebsbedingungen des Ver­ brennungsmotors mit niedriger Drehzahl und niedriger Bela­ stung ein signifikantes Durchblasen von Verbrennungsgasen 26 zu. Dieser vergrößerte Spalt bei Betriebsbedingungen mit niedriger Drehzahl und niedriger Belastung ergibt sich aus dem Festkleben des Ringes an den Nutenseiten während einiger Hübe und aus dem Wegziehen von den Nutenseiten während ande­ rer Hübe. Die durchblasenden Gase enthalten sowohl Verbren­ nungsprodukte als auch unverbranntes Gemisch, was zu einer Verschlechterung der Ölschmierung (welche für die Aufrecht­ erhaltung eines Schmierfilms 27 an der Zylinderbohrungs­ wandung und anderen Teilen des Motors wichtig ist) führt. Da ein größerer Teil des Fahrzeugbetriebszyklus Bedingungen mit niedriger Drehzahl und geringer Belastung beinhaltet, macht eine Kontamination und Verschmutzung des Ölschmiermittels einen Wechsel des Öls und des Ölfilters in regelmäßigen Ab­ ständen erforderlich, was optimalerweise beseitigt werden sollte.

Jeder der Verdichtungsringe wird von dem auf die Oberseite derartiger Ringe einwirkenden Verbrennungsgas 26 beeinflußt, welches sie mit einer zu dem Gasdruck proportionalen Kraft gegen den Boden der jeweiligen Nuten drückt. Die Gase haben über ein Spiel 28 in jeder Nut, welches typischerweise 100 µm beträgt, Zugang auf die Oberseite der Ringe. Ein der­ artiger Gasdruck wirkt auch auf die radiale Innenoberfläche 29 jedes Rings, um die Spannkraft des Metallrings zu unter­ stützen. Die Kraft des Verbrennungsgases erreicht ihr Maxi­ mum in der Nähe des oberen Totpunktes nach der Zündung. Die­ se hohe axial gerichtete Kraft drückt die Ringe fortgesetzt gegen die Bodenseite der Nuten (wie z. B. die Bodenseite 30 der Nut 17) nach unten, wenn die kolbenseitige Belastung von der Seite niedrigen Drucks auf die Seite höheren Drucks wechselt. Der Kolben 11 erteilt jedoch eine seitliche Bela­ stung, welche gegen die Bodenfläche der Ringe (wie z. B die Oberfläche 21-1 des Ringes 21) wirkt, wenn sich der Kolben von der Seite niedrigen Drucks zu der Seite höheren Drucks bewegt, so daß die Ringe an der Bohrungswandung schaben. Nach dem Stand der Technik wurde früher irrtümlicherweise angenommen, daß eine derartige seitliche Belastung keinen Beitrag zu der Ringkontaktkraft liefert. Es wurde nun fest­ gestellt, daß der Beitrag der Kolbenseitenbelastung gleich dem Produkt der Seitenbelastung und des Reibungs­ koeffizienten der Kontaktoberflächen ist. Wenn der Ring auf der Nutenseite aufgrund hoher Reibung festklebt, ist die Ringkontaktkraft hoch. Jede Relativbewegung zwischen dem Ring und der Nut ist sehr langsam und oszilliert unter einer derartigen Belastung, wobei mit hinreichender Genauigkeit angenommen werden kann, daß die Reibung zwischen dem Ring und der Nutenseite in den Bereich der Mischschmierungszone fällt, der einem Reibungskoeffizientenbereich von etwa 0,12 bis 0,15 entspricht. Dieses ist ein hoher Reibungskoeffizi­ ent und da die Reibungskraft zyklisch ist, kann sie einen Ermüdungsausfall des Metallkolbenrings herbeiführen.

Eine zyklische Stoßbelastung kann Ringflattern verursachen. Die sich aus der Kolbenbewegung ergebende Ringträgkeits­ kraft, die Gasbelastung und die Reibungskraft zwischen dem Ring und der Bohrungswandung ändern sowohl die Richtung als auch die Größe mit jedem 720°-Zyklus der Kurbelwelle, wo­ durch die Nutenkanten, wie z. B. bei 31 und 32 einer zykli­ schen Stoßbelastung unterworfen werden. Unter bestimmten Be­ dingungen kann und wird Ringflattern auftreten (siehe die Verkantungswinkel 33 der Ringebene 34). Das Flattern kann an solchen Kanten einen Nutenverschleiß bewirken, was das Spiel zwischen dem Ring und Nut vergrößert. Oft verschleißt die Nut progressiv vom Nutengrund aus zu der Nutenkante hin. Ein übermäßiger Nutverschleiß bewirkt nicht nur Flattern, son­ dern auch eine Ringinstabilität. Die aus dem Nutverschleiß resultierende Beschädigung wird zunehmend schlimmer und kann aufgrund einer peristolischen Pumpwirkung während der Hin- und Herbewegung des Kolbens zu einem übermäßigen Ölverbrauch führen.

Das Pumpen ist das Ergebnis der nachstehenden Vorgänge: Der oberste Verdichtungsring 21 bildet eine Abdichtung zwischen der Verbrennungskammer 35 und dem Kurbelgehäuse 36. Der zweite Ring 22 weist sowohl primär die Funktion eines Ölab­ streifers während des Abwärtshubs als auch die Funktion ei­ ner Gasdichtung auf. Der Ölabstreifring 23 streift sowohl Öl während des Abwärtshubs von der Bohrung ab und hält auch ei­ nen Ölfilm in dem Raum zwischen dem obersten und dem zweiten Verdichtungsring während des Aufwärtshubs aufrecht. Der Öl­ abstreifring 23 weist eine sehr hohe Spannung auf, um eine angemessene Abdichtung gegen den Gasdruck und auch eine ef­ fektive Ölabstreifung bereitzustellen. Mehr als 50% der Kol­ benringreibung gegenüber der Bohrungswandung ist dem Öl­ steuerring zuzurechnen, und diese ist sogar noch höher, wenn eine Bohrungsverformung vorliegt, die eine sehr hohe Ring­ spannung erfordert, um eine angemessene Abdichtung zu er­ zielen. Das Öl wandert hinter den Ring 23 in den Raum 37 zwischen der Kolbenseitenwand 13 und der Bohrungswandung 24 und wird axial zwischen dem Ölabstreifring 23 und dem zwei­ ten Verdichtungsring 22 verteilt. Dieses Öl kann während zy­ klischer Aufwärtshübe hinter die Verdichtungsringe 22 und 23 gedrückt und daraufhin in die Verbrennungskammer 35 gepumpt werden. Der Ölverbrauch kann signifikant ansteigen, wenn sich Öl im Raum 37 während des Ansaughubs bei Betrieb des Motors mit niedriger Drehzahl und niedriger Belastung ansam­ melt.

Ein weiterer größerer Durchblasanteil tritt zwischen dem Endspalt der geteilten Ringe (dem Raum zwischen den geteil­ ten Enden der Verdichtungsringe) auf. Die Verbrennungsgase können ihren Weg nach unten durch die Spalte der geteilten Ringe erzwingen, indem sie sich trotz des Umstandes, daß die Dichtringe bestimmungsgemäß gegen die Bohrungswandung drücken, einen Weg um die Dichtringe herum bahnen.

Die erfindungsgemäße Kolben/Ring-Anordnung dieser Erfindung unterscheidet sich hiervon deutlich. Gemäß Darstellung in den Fig. 3 bis 6 und 9 bis 12 weist die Kolbenanordnung 40 zwei Verdichtungsringe 41, 42 auf, die mit einer Passung in einer einzigen gestuften Nut 43 übereinanderliegen, wobei die geteilten Enden 44, 45 jedes Verdichtungsrings axial zu­ einander nicht ausgerichtet übereinanderliegen. Ein her­ kömmlicher Ölabstreifring 46 kann in einer in einem Abstand 48 von der Nut 43 beabstandeten Nut 47 verwendet werden. Die Verdichtungsringe können aus herkömmlichem Eisen oder Stahl oder aus leichteren Metallen hergestellt werden. Sowohl die Oberflächen der Nut 43 als auch die ungepaßten Oberflächen 56, 57, 58, 59, 60, 61 des Verdichtungsringepaares sind mit einem Festschmierstoff-Film üblicherweise in einer Beschich­ tungsdicke von etwa 10 µm oder weniger beschichtet. Die Nut ist bei 49 in einen oberen und unteren Raum (50, 51) ge­ stuft, wobei der obere Raum 50 die größere Nuttiefe 52 auf­ weist. Die Stufe 49 kann mit wechselseitig rechtwinkligen Oberflächen ausgebildet sein. Die Nut kann insgesamt eine wesentlich größere Höhe aufweisen als es für Nuten nach dem Stand der Technik erlaubt war (die Nuthöhe war bisher von der Notwendigkeit bestimmt, die Ringe dünn zu halten, um die Ringspannung zu steuern). Die gestufte Nut mit vergrößerter Höhe kann ein Aspektverhältnis (Tiefe zu Höhe) aufweisen, welches kleiner als 10 und bevorzugt kleiner als 5 ist. Je­ der Ring 41, 42 sitzt im wesentlichen in einem anderem Raum, wobei der oberste Ring 41 seine Oberfläche 55 sowohl mit der Oberfläche 53 der Nutstufe als auch mit der Oberseite 54 des untersten Ringes 42 in Kontakt stehen hat. Die unbeschichte­ ten Paßflächen 54, 55 sollten einen Reibungskoeffizienten von 0,12 bis 0,15 aufweisen. Ein Leckpfad #1, welcher hinter den Ringen (längs der Oberflächen 57 oder 58) und unterhalb beider Ringe (längs der Oberflächen 54 oder 59) verlaufen würde, ist unter allen Betriebsbedingungen verschlossen. Ein Leckpfad #2, welcher dem äußeren Umfang der Ringe (Ober­ flächen 61, 60) und der Bohrungswandung 62 folgen würde, ist geschlossen oder wird im wesentlichen zu einem Spielraum von Null zwischen diesen. Ein Leckpfad #3 durch die Ringe zwi­ schen deren geteilten Enden ist auf einen vernachlässigbaren Betrag reduziert.

Die kombinierten Merkmale arbeiten, um das Durchblasen (durch die Leckpfade #1, #2, #3) zu verhindern, in der fol­ genden Weise: Der Verbrennungsgasdruck 63 drückt auf die Oberseite 56 des oberen Verdichtungsringes 41 und zwingt das Verdichtungsringpaar 41, 42 zum gegenseitigen Kontakt ent­ lang ihrer nicht beschichteten Paßflächen 54, 55. Das Fehlen von Öl zwischen diesen Paßflächen und der normalerweise hohe Reibungskoeffizient (d. h. 0,12 bis 0,15) derartiger Ober­ flächen stellt sicher, daß sich das Ringpaar als eine Ein­ heit oder ein Paar bewegt. Während der Kompressions- und Ex­ pansionshübe des Kolbens 64 arbeitet der obere Verdichtungs­ ring 41 als wirksame Dichtung. Wenn der Gasdruck 63 während der Aufwärtsbewegung des Kolbens während des Kompressionshu­ bes ansteigt, tritt sowohl ein entsprechender Druckanstieg an der Oberseite 56 des oberen Verdichtungsringes 41 als auch gegen die radiale Innenfläche 57 auf, welche den oberen Ring 41 dazu zwingt, die inhärente Ringspannung zu unter­ stützen, um einen ausreichenden Kontakt gegenüber dem Ölfilm 65 der Bohrungswandung 62 herzustellen. Der untere Verdich­ tungsring 42 bewegt sich mit dem oberen Verdichtungsring 41, nicht nur wegen der Reibung zwischen ihren Paßflächen, son­ dern auch deswegen, weil die Unterseite 59 des unteren Ver­ dichtungsringes 42 mit nur wenig oder keiner Reibung auf der Bodenfläche 66 der Nut aufgrund des Vorhandenseins der Fest­ schmierstoff-Filmbeschichtungen daran gleiten kann, gemein­ sam. Die vereinten Ringe, die sich seitlich frei bewegen und eine Spannung gegen den Ölfilm an der Bohrungswandung aus­ üben können, wirken entsprechend, während sie gegen die Stu­ fe 49 (Oberfläche 53) und den Boden der Nut (an der Oberflä­ che 66) abdichten. Der Leckpfad #1 ist somit blockiert. Ein Durchblasen zwischen den Außenkontaktflächen 61, 60 der Ver­ dichtungsringe und der Bohrungswandung tritt nicht auf, da sich die Ringe ohne Festkleben oder Reibung frei biegen kön­ nen. Somit ist der Leckpfad #2 blockiert.

Obwohl die Spannkraft des unteren Verdichtungsringes etwas geringer als die des oberen Verdichtungsringes ist, wird der obere Verdichtungsring von dem Gasdruck unterstützt, um eine ausreichende Abdichtung zu gewährleisten, die nur wenig oder kein Durchblasen zur Folge hat. Wegen des schnellen Anstiegs des Gasdrucks auf der Innenseite des oberen Verdichtungsrin­ ges 41 besitzt dieser eine verbesserte Abdichtung. Der unte­ re Verdichtungsring ist im wesentlichen als ein Ölfilmab­ streifer (mit einer tonnenförmigen Außenkantenkontur) wäh­ rend der Abwärtsbewegung des Kolbens ausgebildet und trägt nur wenig oder gar nicht zu einer Reibung bei.

Gemäß Darstellung in Fig. 5 liegen die geteilten Endpaare 44-45 und 69-70 der jeweiligen Verdichtungsringe nicht zu­ einander ausgerichtet übereinander und können nachstehend als überlappend bezeichnet werden. Zusätzlich ist jedes En­ denpaar der geteilten Enden gezinkt oder in einer Umfangs­ richtung überlappt. Dieses Merkmal ist wichtig, da wegen der zwischen dem oberen und unteren Verdichtungsring aufrechter­ haltenen engen Verbindung, die sich aus der Kraft des Gas­ drucks ergibt, der Leckpfad für Verbrennungsgase (um durch jeden Spalt oder Abstand zwischen den geteilten Enden zu wandern) aufgrund dieses zweifachen Überlappungszustandes beseitigt ist. Die Zinkungskonstruktion erzeugt überlappende Zungen, wie z. B. die bei 44a und 45a. Gemäß Darstellung in Fig. 4 kann die Zinkung in einer radialen Richtung vorlie­ gen, wodurch jedes der geteilten Enden 69, 70 des Ringes in radialer Richtung gestuft ist, um eine Kerbe zu haben, die Zungen 69a und 70a erzeugt, wobei sich die Zungen innerhalb eines Ringes in einer radialen Richtung überlappen, aber zwischen den Ringen in einer Umfangsrichtung überlappt aus­ gebildet sind. Da die übereinanderliegenden Ringe jeden di­ rekten Pfad durch die Ringe hindurch blockieren, ist der Leckpfad #3 vollständig beseitigt.

Das Spaltvolumen der Kolben/Ring-Anordnung wird reduziert. Ein solches Volumen wird erstens von dem Spiel zwischen den Verdichtungsringen und dem Nutgrund und den Nutseiten, und zweitens von der Auswahl der Materialien beeinflußt, welche (a) die Länge des Raumes über den Ringen, der zwischen dem Kolbensteg und der Bohrungswandung sitzt, und (b) den radia­ len Spalt des Steges über den Ringen mit der Bohrungswandung beeinflussen. Wenn eine hochfeste Legierung (Aluminium oder Eisen) für den Kolben gewählt wird, kann der Stegraum ver­ kürzt werden, und wenn das Kolben- und das Bohrungswandmate­ rial gepaart sind, können die Wärmeausdehnungsunterschiede gesteuert werden, um den radialen Stegspalt zu reduzieren. In jedem Falle erlaubt diese Erfindung eine Reduzierung des Spaltvolumens um 25% gegenüber dem Stand der Technik.

Durch das leichte Gleiten der Verdichtungsringe als eine Tandemeinheit innerhalb der gestuften Nut wird die laterale Bewegung der Ringe erleichtert und somit das Flattern und Kippen der Ringe innerhalb ihrer Nuten wesentlich reduziert. Zustände nach dem Stand der Technik, welche vordem Ringer­ müdungen erzeugten, sind nun wegen des Vorhandenseins des Festschmierstoff-Films und durch den Einbau eines Ölablaufs 70 beseitigt. Der Ablauf steht mit einem Steg 71 zwischen dem Ölring und der gestuften Nut 43 und mit einem Ölsumpf 72 des Kurbelgehäuses in Verbindung, wodurch das peristolische Pumpen von Öl hinter die Kompressionsringe im wesentlichen beseitigt ist. Der untere Verdichtungsring 42 bildet, da er zwischen dem oberen Verdichtungsring und dem Nutboden ein­ geschlossen ist, mit einer langsamem aber beschleunigten Ab­ wärtsbewegung der Kolben eine Kombination, um eine ver­ besserte Ölfilmabstreifung zu gewährleisten, die nur wenig oder kein Überschußöl in die Verbrennungskammer wandern läßt, wobei das abgestreifte Öl durch den Raum 72 über den Ablauf 70 zum Sumpf hin abgeleitet wird. Das Spiel 73 zwi­ schen der Oberseite des Ringes 41 und der Nutoberfläche 74 ist (wenn die vereinten Ringe durch die Druckkräfte gegen den Boden der Nut niedergedrückt werden) nicht größer als etwa 60 µm. Ein derartiges Spiel 73 bewirkt zusammen mit dem reibungsfreien Gleiten der Ringe eine Beseitigung des Flat­ terns und Kippens.

Die im wesentlichen vollständige Beseitigung der Aufwärts­ wanderung des Öls in die Verbrennungskammer (durch peristo­ lisches Pumpen) ist wichtig, da sie Kohleablagerungen aus dem Öl an den Verbrennungskammerwänden verhindert. Solche Ablagerungen zwingen die Motorkonstrukteure, das Motorver­ dichtungsverhältnis niedriger zu halten, um ein von heißen Ablagerungen verursachtes Vorzünden oder Klopfen zu verhin­ dern. Mit dieser Erfindung (welche im wesentlichen ein Spiel von Null zu dem dünnen Ölfilm an der Bohrungswandung und die vollständige Beseitigung des peristolischen Ring-Pumpens von Öl in die Verbrennungskammer durch Verringerung des Spalt­ volumens und des Flatterns gewährleistet) kann das Verdich­ tungsverhältnis (z. B. auf 10,5 anstatt 9,8) für eine vorge­ gebene Kolbengröße erhöht werden, was eine verbesserte Mo­ torleistung, welche bis zu 5% höher sein kann, erbringt.

Das Material der Festschmierstoff-Filmbeschichtung (SFL) um­ faßt nicht nur Graphit oder irgend ein Einzelschmiermittel, sondern eine spezifische Kombination von Festschmierstoff­ mitteln, welche sich bei hohen Temperaturen (zumindest bis zu 316°C (600°F)) günstig verhalten und Öl anziehen. Die Schmiermittel werden von einem Polymer- oder Trägermaterial getragen, welches die Regeneration des Schmiermittels mit Wasser bei hohen Temperaturen unterstützt. Die Festschmier­ stoff-Filme der Beschichtung weisen ein Gemisch von minde­ stens zwei aus der Graphit, MoS₂ und BN enthaltenden Gruppe ausgewählten Elementen auf, wobei das Gemisch in einer Poly­ meremulsion für die Abscheidung getragen wird, das Polymer (Polyamid-Typ) die Filmbeschichtung an seinem anodisierten Träger anhaften läßt und eine Kohlenwasserstoffanziehung (Ölanziehung) bereitstellt. Falls Graphit gewählt wird, sollte es in einer Menge von 29 bis 58 Gewichtsprozenten des Gemisches vorliegen. Graphit wirkt als Festschmierstoff üb­ licherweise bis zu Temperaturen von etwa 204°C (400°F). Mo­ lybdändisulfid sollte, wenn es gewählt wird, in einer Menge von 29 bis 58 Gewichtsprozenten des Gemisches vorliegen, wo­ bei von größter Bedeutung ist, daß es die Tragfähigkeit des Gemisches bis zu einer Temperatur von mindestens 304°C (580°F) erhöht, aber bei Temperaturen über 304°C (580°F) in einer Luft- oder nichtreduzierenden Atmosphäre zusammen­ bricht. Molybdändisulfid reduziert die Reibung bei Abwesen­ heit von Öl oder in der Anwesenheit von Öl und nimmt, was ganz besonders wichtig ist, Belastungen von zumindest 0,690 × 10⁵ Pa (10 psi) bei solchen Temperaturen auf. Mo­ lybdändisulfid ist ebenfalls ein ölanziehendes Material und sehr nützlich für diese Erfindung. Bornitrid sollte, wenn es gewählt wird, in einer Menge von 7 bis 16 Gewichtsprozenten des Gemisches vorliegen. Es erhöht die Stabilität des Gemi­ sches bis zu Temperaturen in der Höhe von 371°C (700°F) und stabilisiert gleichzeitig die Temperatur für die Beimengun­ gen von Molybdändisulfid und Graphit. Bornitrid stellt ein wirksam ölanziehendes Material dar.

Die Steuerung der Partikelgröße der einzelnen Beimengungen für das Gemisch des Festschmierstoff-Films ist wichtig, um Nachbearbeitungen zu vermeiden. Die Partikel sollten ultra­ fein und nicht größer als 4 µm sein. Graphit kann in einen Bereich von 0,5 bis 4,0 µm in das Gemisch eingebracht wer­ den, Molybdändisulfid in einen Bereich von 0,3 bis 4,5 µm und Bornitrid mit etwa 5 µm. Das Gemisch wird typischerweise in einer Kugelmühle gemahlen, um eine mittlere Partikelgröße von 0,3 bis 4,0 µm zu erzeugen. Bornitrid kann Belastungen von 0,345 × 10⁵ Pa (5 psi) aufnehmen, aber als Teil des Ge­ misches aus Graphit und Bornitrid in dem vorgenannten Poly­ mer können Belastungen in der Höhe von 3,45 × 10⁶ Pa (500 psi) bei Temperaturen bis zu 204°C (400°F) aufgenommen wer­ den.

Das optimale Gemisch enthält alle drei Beimengungen, welche eine Temperaturstabilität bis zu Temperaturen in der Höhe von 371°C (700 °F), eine Belastungskapazität deutlich über 0,690 × 10⁵ Pa (10 psi) und ein hervorragendes Ölanziehungs­ vermögen gewährleisten. Die Kombination aller drei Elemente liefert einen Reibungskoeffizienten, welcher bei Raumtempe­ ratur in dem Bereich von 0,07 bis 0,08 liegt und einen Rei­ bungskoeffizienten von nur 0,03 bei 371°C (700°F) aufweist.

Das warmhärtbare Polymer besteht vorzugsweise aus Epoxidharz oder Polyamid, wie z. B. Epon, das in einer Menge von 30% bis 60% des Gemisches vorhanden ist. Das Polymer bildet bei Tem­ peraturen von 190,5°C (375°F) Quervernetzungen, wodurch sich eine feste zementartige Struktur ausbildet, welche einen Kohlenwasserstoff- und Wasserdampftransport zum Graphit be­ wirkt, wobei Öl angezogen und eine hervorragende Haftung auf einer Aluminiummetallunterlage ermöglicht wird, welche mit einem esterartigen Phosphatepoxyd wie z. B. Zinkphosphat vor­ beschichtet wurde. Das Polymer sollte auch ein Abbindemittel in einer Menge von 2 bis 5% des Polymers, wie z. B. Dizyan­ diamid enthalten und kann auch ein Dispergiermittel in einer Menge von 0,3 bis 1,5%, wie z. B. 2,4,6-Tri(dimethyl­ aminoethyl)phenol enthalten. Die Träger für ein solches Po­ lymer können Lösungsbenzine oder Butylazetat sein.

Die gestufte Konfiguration der Verdichtungsringnut ist von großer Bedeutung. Sie beseitigt das Kippen der Ringe inner­ halb der Nut aufgrund des Doppelhebels, der sich aus der Stufe und dem unteren Ring ergibt, falls ein Kippen ausge­ löst werden sollte. Wegen des dauernden Kontaktes der koor­ dinierten Ringe mit dem Boden der Nut unter den meisten Be­ dingungen, wie er durch den Druck der Verbrennungskammergase erzeugt wird, werden jedoch die zwei Ringe gemeinsam nach unten gedrückt. Die Fähigkeit der Ringe innerhalb einer der­ art gestuften Nut, zu kippen oder zu flattern, ist signifi­ kant reduziert. Die Abstufung kann gemäß Darstellung in Fig. 6 konstruiert sein, wodurch die Stufe eine größere ra­ diale Breite für den oberen Verdichtungsring und eine schma­ lere Breite für den unteren Verdichtungsring zur Folge hat.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Ver­ fahren zur Herstellung einer Kolben/Ring-Anordnung, welches die Schritte aufweist: (i) Bereitstellen eines Metallkolbens mit einem Kopf und einer sich ringförmig davon erstreckenden Seitenwandung; (ii) Ausbilden einer gestuften ringförmigen Nut (d. h., zuerst durch ein mechanisches Vorspanen gefolgt von einer Elektronenentladungsbearbeitung (Elektroerosion)) in der Seitenwand mit einer Gesamthöhe von mindestens 2 mm (2 bis 6 mm); (iii) Herstellen eines Paars geteilter ring­ förmiger Verdichtungsringe, die innerhalb der Nut verschach­ telbar sind und so wirken, daß sie zusammen als eine über­ einandergelegte Einheit arbeiten, wobei jeder anderen Seiten der Stufe gegenüberliegt; (iv) Erzeugen einer reibungsarmen Oberfläche sowohl in der gestuften Nut als auch an den unge­ paßten Flächen der Verdichtungsringe (wobei die reibungsarme Oberfläche eine Beschichtung ist, welche einen porösen Fest­ schmierstoff-Film aufweist, der bei Temperaturen bis zu min­ destens 316°C (600°F) stabil ist); und (v) Einsetzen der Ringe in die Nut, wobei deren geteilte Enden nicht zueinan­ der ausgerichtet übereinanderliegen.

Die Ringe 41 und 42 können aus einem Metall, wie z. B. Stahl, Hohlgußeisen oder Aluminium bestehen. Die Ringe werden so hergestellt, daß sie kombiniert eine Gesamthöhe 75 aufwei­ sen, welche gleich der Nuthöhe 76 abzüglich 60 µm oder weni­ ger ist. Die Elektronenentladungsbearbeitung der Nut kann weiter dadurch erleichtert werden, daß der Kolben 64 aus ei­ nem auf Aluminium basierenden Material, wie z. B. 6061Al be­ steht. Die Aluminiumlegierung erhöht die Wärmeleitfähigkeit für die Übertragung der Verbrennungswärme an die Ringe, um über die Ringe eine effektivere Wärmeabfuhr an das Öl­ schmierungssystem zu erleichtern. Zur Vervollständigung ei­ nes derartigen Wärmeübertragungspfades werden die Kolbenrin­ ge ebenfalls aus einem auf Aluminium basierenden Material, wie z. B. einer Al220-Legierung, bevorzugt mit einem hohlen Ringquerschnitt, hergestellt. Aluminiumverdichtungsringe wurden in der Vergangenheit aus der Befürchtung, die mit et­ wa 500 Stunden angenommene Ermüdungslebensdauer von Alumini­ umringen zu überschreiten, vermieden. Im Rahmen der Erfin­ dung wurde festgestellt, daß es die hohe Reibung und die Ei­ genschaft des zyklischen Festklebens der herkömmlichen Ring­ konstruktion und nicht das Material ist, wodurch die Ermü­ dungslebensdauer eingeschränkt wurde. Bei Verwendung der vorliegenden Konstruktion der Kolbenanordnung kann die Ermü­ dungslebensdauer eines Aluminiumringes auf 5000 Stunden (was typischerweise 241 400 Fahrzeugkilometern {150 000 Fahrzeug­ meilen} für einen Motor entspricht) verlängert werden. Dar­ über hinaus können die Aluminiumringe nun dicker als auf Ei­ sen basierende Ringe ausgebildet werden, da ihre inhärente Materialspannung nicht eingeschränkt werden muß. Die Ringe werden zuerst mittels herkömmlicher Verfahren, wie z. B. Pro­ filwalzen, hergestellt und dann mittels Elektronenent­ ladungsbearbeitung endbearbeitet, um eine Oberfläche mit Vertiefungen in Submikrometerbereich zu schaffen, welche die Beschichtung aggressiv aufnimmt. Die tonnenförmigen Kan­ tenformen der Ringe können genauer ausgebildet werden. Mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Ringkonstruktion und -Anordnung kann das Herstellungsverfahren nun auf Aluminium basierende Ringe und Kolben umfassen, ohne die Dichtwirkung nachteilig zu beeinflussen. Das Fehlen von Kohleablagerungen in der Verbrennungskammer kann nun zu einer signifikanten Reduzierung des Oktan-Bedarfs für eine äquivalente Motorlei­ stung führen (siehe Fig. 8).

Das Herstellungsverfahren ist wirtschaftlich, weil (i) die Bearbeitung des Metallkolbenkörpers, insbesondere die der Seitenwand des Kolbens mit viel höherer Geschwindigkeit und Genauigkeit ausgeführt werden kann, da die Höhe der Nut viel größer ist, als die, welche bei Verdichtungsringnuten nach dem Stand der Technik zugelassen war, und (ii) die Be­ schichtung der Nut und der Ringe durch elektrostatisches Aufsprühen oder Eintauchen ausgeführt werden kann, um eine gleichmäßige poröse Zusammensetzung zu erzeugen. Vorzugswei­ se wird das Gemisch des Festschmierstoff-Films bei Raumtem­ peratur elektrostatisch in die Innenflächen der Nut ge­ sprüht, nachdem diese mit Zinkoxid oder Zinkphosphat zur Ver­ besserung der Haftung vorbehandelt wurden. Die Beschich­ tungsemulsion weist eine zum Nutmetall unterschiedliche Po­ larität auf. Die elektrostatische Sprühtechnik beinhaltet das Aufladen des Beschichtungsmaterials mit einer bestimmten Polarität und das Aufladen der zu beschichtenden Oberfläche mit der entgegengesetzten Polarität. Bei dem Emulsionsauf­ trag kann ein Lösungsbenzinträger oder Wasser für die Schmierpartikel verwendet werden. Die mittlere Partikelgröße des Festschmierstoffs wird so gesteuert, daß sie kleiner als 5 µm ist, und erübrigt somit eine spanabhebende Bearbeitung, um die Nuten oder Ringe auf Maß zu bringen oder fertigzu­ stellen.

Das SFL-Gemisch weist einen Polyamidträger (kein Epoxidharz) in einer Menge von 50 bis 55% auf. Das SFL-Gemisch besteht aus mindestens zwei aus Graphit, BN und MoS₂ ausgewählten Substanzen. Die Ringe können jedoch zu 100% aus Graphit ohne eine Beschichtung bestehen, während die Nut, wie vorstehend beschrieben, beschichtet wird.

Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zum Reduzieren des Kolbenring-Durchblasens (eine neue Anwendung) an einer ölge­ spülten Zylinderbohrungswandung 62 eines Verbrennungsmotors 80. Das Verfahren reduziert die Schadstoffemissionen 81 aus dem Motor, reduziert die Kontamination des Motoröls 72 für ein Schmiersystem und ermöglicht einen Betrieb des Motors 80 bei höheren Verdichtungsverhältnissen mit verbessertem Wir­ kungsgrad. Das Verfahren weist (unter Bezugnahme auf Fig. 7) die Schritte auf: (i) Bereitstellen eines Kolbens 64 mit ei­ ner gestuften ringförmigen Nut 43, die mit einem bei hohen Temperaturen (wie z. B. mindestens 316°C (600°F)) stabilen Festschmierstoff-Film beschichtet ist; (ii) Einsetzen eines Paares in Passung übereinanderliegender Verdichtungsringe 41, 42 in eine solche gestufte Nut, wobei die geteilten En­ den der Ringe nicht ausgerichtet übereinander liegen und im wesentlichen alle ungepaßten Oberflächen der Ringe mit einem bei hohen Temperaturen stabilen Festschmierstoff-Film 82 be­ schichtet sind; und (iii) Hin- und Herbewegen der Kolben­ anordnung in der Bohrungswandung 62 zur Ausführung eines Mo­ torbetriebs. Ein Viertaktbetrieb umfaßt die Ansaugung oder Einspritzung eines brennbaren Gemisches in die Verbren­ nungskammer 35, so wie es von dem Einlaßventil 83 zugelassen wird, die Verdichtung, die Zündung durch eine Zündfunken­ vorrichtung 84 und das Ausblasen in Form von Emissionen 81 über ein Auslaßventil 85, (wobei sich der Kolben 64 hin- und herbewegt, um eine Kurbelwelle 86 über ein Pleuel 87 anzu­ treiben, während die Bohrungswandung und der Kolben mit Öl gespült werden, um den Ölfilm 65 aufrechtzuerhalten), wo­ durch die Ringe 41, 42 aufgrund der Passungsreibung dazwi­ schen als eine Einheit arbeiten und sich als eine Einheit mit wenig oder keiner hemmenden Reibung radial frei einstel­ len können, während sie den Dichtungskontakt mit der Nut 49, der Bodenseite 66 der Nut und mit dem Ölfilm 65 an der Boh­ rungswandung beibehalten.

Da das Durchblasen und das Ölpumpen im wesentlichen besei­ tigt sind, sind die Emissionen 81 im Schadstoffgehalt um bis zu 20% reduziert, ist die Ölwanderung daran gehindert, zu den Kohlenwasserstoffen in der Verbrennungskammer beizutra­ gen, wird der Ölvorrat 72 nicht verbraucht und bleibt das Öl im wesentlichen aschefrei und unkontaminiert, da die Ver­ brennungsgase nicht in den Ölvorrat wandern können. Un­ kontaminiertes Öl wird durch einen mit dem Ölsumpf in Ver­ bindung stehenden Kanal abgeleitet. Die signifikante Redu­ zierung der Ringreibung und der verbesserte Spannungskontakt mit dem Ölfilm der Bohrungswandung führen zu einer Verbesse­ rung der Kraftstoffausnutzung (bis zu 3%), zu einem vermin­ derten Ringverschleiß bis zu 75% und zu einem geringeren Mo­ torgeräusch aufgrund des Kolbenringspiels von Null.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung einer Kolben/Ring-Anordnung, gekennzeichnet durch die Schritte:

• (a) Bereitstellen eines Metallkolbens mit einem Kopf und einer sich ringförmig davon erstreckenden Seiten­ wand;
• (b) Spanen einer gestuften ringförmigen Nut in der Sei­ tenwand mit einer Gesamthöhe von mindestens 2 mm;
• (c) Herstellen eines Paars metallischer, geteilter und ringförmiger Verdichtungsringe, welche in der Nut verschachtelbar sind und so wirken, daß sie als eine übereinandergelegte Einheit zusammenarbeiten, um so­ wohl gegen die Stufe als auch gegen die Nut abzu­ dichten;
• (d) Beschichten der Nut und der ungepaßten Oberflächen der Ringe mit Festschmierstoff-Filmen; und
• (e) Einsetzen des beschichteten Ringpaares in die be­ schichtete Nut, wobei deren geteilte Enden nicht zu­ einander ausgerichtet übereinanderliegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe so hergestellt werden, daß sie kombiniert eine Gesamthöhe gleich der Nuthöhe abzüglich 60 µm oder weni­ ger aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Festschmierstoff-Filme als ein Gemisch von mindestens zwei ausgewählten Substanzen aus der Graphit, Molybdändisulfid und Bornitrid aufweisenden Gruppe in einem Emulsionsträger aufgebracht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem Schritt (a) ein auf Aluminium­ guß basierender Kolben bereitstellt wird, und der Schritt (c) die Herstellung hohler, auf Aluminium basie­ render Verdichtungsringe umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die poröse Beschichtung ölanziehend ist und eine bevorzugte mittlere Partikelgröße der Fest­ schmierstoffe von nicht größer als 5 µm aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schritt (d) durch Emulsionssprühen von in einem Polyamid getragenen Festschmierstoffgemi­ schen ausgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ringe auf den Paßflächen durch ei­ ne Maske abgedeckt werden, um die Abscheidung des Emul­ sionssprays zu verhindern, und daß die Nut und die Ringe durch (i) eine Unterbeschichtung aus Zinkphosphat, oder (ii) eine Eloxierung, oder (iii) eine Aufrauhungsbehand­ lung vorbehandelt werden.

8. Verfahren zur Reduzierung des Kolben/Ring-Durchblasens (blow-by) einer Kolben/Ring-Anordnung in einer Zylinder­ bohrungswandung eines Verbrennungsmotors, wobei die Wan­ dung mit einem aus einem Vorrat entnommenen Öl gespült wird, dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte auf­ weist:

• (a) Bereitstellen des Kolbens mit einer gestuften ring­ förmigen Nut, die Ober- und Unterseiten aufweist und mit einem Festschmierstoff-Film beschichtet ist, der bei hohen Temperaturen stabil ist;
• (b) Einsetzen eines Paares übereinandergelegter Verdich­ tungsringe in Passung in die gestufte Nut, wobei die geteilten Enden der Ringe nicht zueinander ausge­ richtet übereinanderliegen und im wesentlichen alle ungepaßten Oberflächen der Ringe mit einem Fest­ schmierstoff-Film beschichtet sind, der bei hohen Temperaturen stabil ist;
• (c) Hin- und Herbewegen der Anordnung in der Bohrungs­ wandung zur Ausführung des Motorbetriebs, wodurch die Ringe aufgrund der Reibung an ihren Paßflächen als eine Einheit arbeiten und sich frei als eine Einheit mit wenig oder keiner hemmenden Reibung ra­ dial einstellen können, während sie den Dichtungs­ kontakt mit der Stufe der Nut, mit einer Seite der Nut und mit dem Ölfilm an der Bohrungswandung beibe­ halten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Hin- und Herbewegung infolge reduzierten Spalt­ volumens der Kolben/Ring-Anordnung und reduzierter Ver­ schmutzung des Ölvorrats reduzierte Schadstoffemissionen auftreten.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß das Öl von vornherein aschefrei ist und während der Hin- und Herbewegung aschefrei bleibt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß während des Hin- und Herbewegens ein stark reduziertes Durchblasen auftritt, was einen Be­ trieb des Motors bei einem höheren Verdichtungsverhält­ nis ermöglicht.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ölspülung des Kolbens durch den Kolben hindurch abgeleitet wird, und daß die Ringe aus einem Material auf Aluminiumbasis hergestellt werden.