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