DE19506910C2 - Kolben- und Kolbenring-Anordnung für Hubkolben-Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolben- und Kolbenring-Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

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: extremes Spaltvolumen, extremes Durchblasen (Blow-by) von Fluiden, vorzeitiger Ringermüdungsausfall, Verbrennung einge­ schleppten Öls und hohe Bearbeitungskosten für die Ringnuten.

Das Spaltvolumen (d. h. der Raum zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrungswand, einschließlich der Nutenräume im allge­ meinen bis zum Dichtungspunkt des unteren Verdichtungsringes) wächst mit dem zunehmenden Spiel zwischen dem Kolbenkopf und der Bohrungswandung und mit der Nutengröße. Gegenwärtige Kol­ ben/Zylinder-Anordnungen für kommerzielle Automobilverbren­ nungsmotoren weisen große Spaltvolumina auf, was zu einem Vorhandensein von teilweise unverbranntem Kraftstoff und da­ mit tendenziell zu höheren Emissionen führt. Darüber hinaus wird beim Kaltstart eine größere Kraftstoffmenge in die Ver­ brennungskammer eingespritzt, um die Verbrennung zu starten und aufrechtzuerhalten, was dazu führt, daß der unverbrannte Kraftstoff nicht ohne weiteres von einem Katalysator während des Kaltstarts umgewandelt wird. Es ist auch zu berücksichti­ gen, daß der Kolben relativ zur Zylinderbohrung auf das kleinste Spiel unter Kaltstartbedingungen ausgelegt ist, wo­ bei die Wärmeausdehnung des Kolbenmaterials relativ zum Boh­ rungsmaterial (d. h., Aluminiumkolben gegenüber einer Grau­ gußbohrung) bewirkt, daß das Spaltvolumen bei höheren Tempe­ raturen kleiner 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 allen Betriebsbedingungen hin- und herbewegt. Um jedoch eine Be­ ständigkeit der Grenzflächenmaterialien des Kolbens und der Zylinderbohrungswandung zu erzielen, sind die Materialien 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 Beschich­ tungen beschichtet sind, und Eisen oder Aluminium für den Kolbenmantel, welcher manchmal mit verschleißfesten Beschich­ tungen beschichtet ist. Das Erzielen eines Spiels von Null ist noch schwieriger, da die Materialauswahl bewirkt, daß sich das Spiel für Kolben in typischen Graugußzylindern am oberen Totpunkt verändert. Beispielsweise bewirken Aluminium­ kolben eine Veränderung des Spiels zwischen 15 und 60 µm. Desweiteren kann die Zylinderwandung unter schwierigen Kalt­ startbedingungen verschleißen, da möglicherweise kein Flüs­ sigschmierstoff 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 Enden 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 ge­ genüber dem Boden der Nut oder gegenüber einem anderen Ring, induziert durch hohe Reibung, "festhalten", was die Fähig­ keit, einen geeigneten Ringspalt zu der Bohrungswandung auf­ rechtzuerhalten, reduziert. Der Endspalt zwischen den Enden eines geteilten Kolbenrings kann sich ebenfalls bei hoher Drehzahl vergrößern und damit eine noch größere Ver­ brennungsgasleckage ermöglichen.

Ein vorzeitiger Ermüdungsausfall eines Rings wird durch das Festhalten der Verdichtungsringe auf ihren Nuten aufgrund ho­ hen 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, Ringinstabilität (all­ gemein als Flattern bezeichnet) und schließlich zum Ringaus­ fall aufgrund von Ermüdung führt.

Ein Verbrauch eingeschleppten Öls resultiert aus einer Art peristaltischer Pumpwirkung von Öl, das zwischen dem Ölring und dem zweiten Verdichtungsring (dem Raum neben dem Steg zwischen diesen zwei Ringen) eingeschlossen ist. Bei dem Auf­ wärtshub des Kolbens wird ein derartig eingeschlossenes Öl hinter den Verdichtungsringen nach oben oder hinter den Ver­ dichtungsringen in die Verbrennungskammer gedrängt. Das in den Verbrennungsraum eingeschleppte Öl hinterläßt einen Rück­ stand oder Carbonablagerungen. Der Verbrauch eingeschleppten 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-Konstruktio­ nen und Drei-Ring-Konstruktionen experimentiert, um dieses Problem zu lösen. Alle bisher vorgeschlagenen Konstruktionen haben jedoch entweder den Ölverbrauch bei verringerter Rei­ bung erhöht, oder den Ölverbrauch durch Erhöhung 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 teu­ rer und schwieriger zu bearbeiten. Große Nuten mit Einzelrin­ gen 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 unterstüt­ zenden Nuten auftrat, zu verhindern. Es wurden sowohl eine Vielfalt verschleißfester Beschichtungen auf die Ringnuten, als auch auf die freiliegende Umfangsdichtfläche der Ringe (siehe Nickelbeschichtung gemäß US-PS 25 75 214; Chrombe­ schichtung gemäß US-PS 30 95 204 und eine Kombinationsbe­ schichtung aus Ni, Co-Mo oder Mo gemäß US-PS 39 38 814) auf­ gebracht. Das Flattern der Ringe unter Umkehrlast ließ trotz derartiger Beschichtungen eine Gas- und Fluidleckage zu und man hoffte, dieses durch Erhöhen des Dichtkontaktdruckes der geteilten Ringe in jeder der beabstandeten Nuten zu überwin­ den. Leider erhöht ein derartig erhöhter Kontaktdruck die Reibung, welche dann trotz der Ölschmierung zu einem mögli­ chen 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.

Aus JP 1-29657 (A) ist eine Kolben- und Kolbenring-Anordnung für Hubkolben-Verbrennungsmotoren bekannt, bei der ein Kol­ benring durch einen Verschleißring gestützt wird, so daß ein direkter Kontakt des Kolbenrings mit dem aus Aluminium herge­ stellten Zylinderkörper vermieden wird, um einen verschleiß des Kolbenrings und des Zylinderkörpers zu verhindern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Kolben- und Kolbenring-Anordnung dahingehend zu verbessern, daß der Wandungsdruck der Verdichtungsringe während des Verbrennungszyklus durch den Oberflächenkontakt mit den Nutflächen nicht beeinflußt wird und somit ein opti­ maler Dichtungskontakt mit der Bohrungswand ermöglicht wird, wobei gleichzeitig eine optimale Abdichtung auch im Hinblick auf die inneren Leckpfade geschaffen werden soll. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kolben- und Kolbenring-Anordnung vorgeschlagen werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7.

Die erfindungsgemäße Kolben- und Kolbenring-Anordnung weist den Vorteil auf, daß auch bei hoher Motorbelastung das Durch­ blasen der Kolbenringe reduziert wird, weil die Ringe auf­ grund 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 beibehalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren erleichtert das Ausbilden der Nut in dem Kolben und der Beschichtungen und ermöglicht gleichzeitig eine Reduzierung des Durchblasens der Ring­ anordnung, eine Reduzierung des Spaltvolumens, eine Reduzie­ rung des Ringflatterns und eine Beseitigung des Ringausfalls. Der Festschmierstoff-Film trägt zu einer Beseitigung eines Festhaltens der Ringe an den Nutenseiten bei, erhöht die Rin­ germüdungs-Lebensdauer, verbessert die Ringspannung und ver­ ringert die Emissionen.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeich­ nungen 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 stattfin­ det und wie eine Ölverschmutzung der Verbrennungsgase 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 geteilten Enden der Ringe darstellt;

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

Fig. 7 eine mittige Schnittaufrißansicht eines Motors, welcher 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 Kolben- und Kolbenring-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 Pleu­ elbolzen 16 besteht. Die Seitenwand weist drei ringförmige Nuten 17, 18, 19 auf, die jeweils zu der Ebene des Kolben­ kopfes 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 ge­ teilten Verdichtungsring 22, und die unterste Nut 19 enthält einen Ölabstreifring 23. Die Ringe bestehen üblicherweise aus Grauguß oder Stahl und weisen in etwa dieselbe Wärmeausde­ hungseigenschaft 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 Zylinderboh­ rungswandung 24 bildet, welcher ausreicht, um ein Übermaß un­ ter den schwierigsten Arbeitsbedingungen (üblicherweise bei einem Betrieb des Motors bei hoher Drehzahl und hoher Bela­ stung) zu vermeiden. Ein derartiger Ringspalt 25 läßt jedoch bei Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors mit niedriger Drehzahl und niedriger Belastung ein signifikantes Durchbla­ sen von Verbrennungsgasen 26 zu. Dieser vergrößerte Spalt bei Betriebsbedingungen mit niedriger Drehzahl und niedriger Be­ lastung ergibt sich aus dem Festkleben des Ringes an den Nu­ tenseiten während einiger Hübe und aus dem Wegziehen von den Nutenseiten während anderer Hübe. Die durchblasenden Gase enthalten sowohl Verbrennungsprodukte als auch unverbranntes Gemisch, was zu einer Verschlechterung der Ölschmierung (wel­ che für die Aufrechterhaltung eines Schmierfilms 27 an der Zylinderbohrungswandung und anderen Teilen des Motors wichtig ist) führt. Da ein größerer Teil des Fahrzeugbetriebszyklus Bedingungen mit niedriger Drehzahl und geringer Belastung be­ inhaltet, macht eine Kontamination und Verschmutzung des Öl­ schmiermittels einen Wechsel des Öls und des Ölfilters in re­ gelmäßigen Abständen erforderlich, was optimalerweise besei­ tigt 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 derartiger Gasdruck wirkt auch auf die radiale Innenoberfläche 29 jedes Rings, um die Spannkraft des Metallrings zu unterstützen. Die Kraft des Verbrennungsgases erreicht ihr Maximum in der Nähe des oberen Totpunktes nach der Zündung. Diese hohe axial ge­ richtete Kraft drückt die Ringe fortgesetzt gegen die Boden­ seite der Nuten (wie z. B. die Bodenseite 30 der Nut 17) nach unten, wenn die kolbenseitige Belastung von der Seite niedri­ gen Drucks auf die Seite höheren Drucks wechselt. Der Kolben 11 erteilt jedoch eine seitliche Belastung, welche gegen die Bodenfläche der Ringe (wie z. B. die Oberfläche 21-1 des Rin­ ges 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 festgestellt, daß der Beitrag der Kol­ benseitenbelastung gleich dem Produkt der Seitenbelastung und des Reibungskoeffizienten 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 Genauig­ keit angenommen werden kann, daß die Reibung zwischen dem Ring und der Nutenseite in den Bereich der Mischschmierungs­ zone fällt, der einem Reibungskoeffizientenbereich von etwa 0,12 bis 0,15 entspricht. Dieses ist ein hoher Reibungskoef­ fizient 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 Ringträgkeitskraft, 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, wodurch die Nu­ tenkanten, wie z. B. bei 31 und 32 einer zyklischen Stoßbela­ stung unterworfen werden. Unter bestimmten Bedingungen 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, sondern auch eine Ringinstabilität. Die aus dem Nutverschleiß resultierende Be­ schädigung 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 einer Gasdichtung auf. Der Ölabstreifring 23 streift sowohl Öl wäh­ rend des Abwärtshubs von der Bohrung ab und hält auch einen Ölfilm in dem Raum zwischen dem obersten und dem zweiten Ver­ dichtungsring während des Aufwärtshubs aufrecht. Der Ölab­ streifring 23 weist eine sehr hohe Spannung auf, um eine an­ gemessene Abdichtung gegen den Gasdruck und auch eine effek­ tive Ölabstreifung bereitzustellen. Mehr als 50% der Kolben­ ringreibung 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 zwi­ schen der Kolbenseitenwand 13 und der Bohrungswandung 24 und wird axial zwischen dem Ölabstreifring 23 und dem zweiten Verdichtungsring 22 verteilt. Dieses Öl kann während zykli­ scher Aufwärtshübe hinter die Verdichtungsringe 22 und 23 ge­ drückt 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 ansammelt.

Ein weiterer größerer Durchblasanteil tritt zwischen dem End­ spalt der geteilten Ringe (dem Raum zwischen den geteilten Enden der Verdichtungsringe) auf. Die Verbrennungsgase können ihren weg nach unten durch die Spalte der geteilten Ringe er­ zwingen, indem sie sich trotz des Umstandes, daß die Dicht­ ringe bestimmungsgemäß gegen die Bohrungswandung drücken, einen weg um die Dichtringe herum bahnen.

Die erfindungsgemäße Kolben- und Kolbenring-Anordnung dieser Erfindung unterscheidet sich hiervon deutlich. Gemäß Darstel­ lung in den Fig. 3 bis 6 und 9 bis 12 weist die Kolbenanord­ nung 40 zwei Verdichtungsringe 41, 42 auf, die mit einer Pas­ sung in einer einzigen gestuften Nut 43 übereinanderliegen, wobei die geteilten Enden 44, 45 jedes Verdichtungsrings axial zueinander nicht ausgerichtet übereinanderliegen. Ein herkömmlicher Ölabstreifring 46 kann in einer in einem Ab­ stand 48 von der Nut 43 beabstandeten Nut 47 verwendet wer­ den. Die Verdichtungsringe können aus herkömmlichem Eisen oder Stahl oder aus leichteren Metallen hergestellt werden. Sowohl die Oberflächen der Nut 43 als auch die Oberflächen außer in der Ebene ihrer Paßflächen 56, 57, 58, 59, 60, 61 des Verdichtungsringepaares sind mit einem Festschmierstoff- Film üblicherweise in einer Beschichtungsdicke von etwa 10 µm oder weniger beschichtet. Die Nut ist bei 49 in einen oberen und unteren Raum (50, 51) gestuft, wobei der obere Raum 50 die größere Nuttiefe 52 aufweist. Die Stufe 49 kann mit wech­ selseitig 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 Nut­ höhe war bisher von der Notwendigkeit bestimmt, die Ringe dünn zu halten, um die Ringspannung zu steuern). Die gestufte Nut mit vergrößerter Höhe kann ein Tiefen/Höhen-Verhältnis (Tiefe zu Höhe) aufweisen, welches kleiner als 10 und bevor­ zugt kleiner als 5 ist. Jeder Ring 41, 42 sitzt im wesentli­ chen 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 unbeschichteten Paßflächen 54, 55 sollten einen Reibungskoeffizienten von 0,12 bis 0,15 aufweisen. Ein Leckpfad A, 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 Betriebsbedin­ gungen verschlossen. Ein Leckpfad B, welcher dem äußeren Um­ fang der Ringe (Oberflächen 61, 60) und der Bohrungswandung 62 folgen würde, ist geschlossen oder wird im wesentlichen zu einem Spielraum von Null zwischen diesen. Ein Leckpfad C durch die Ringe zwischen deren geteilten Enden ist auf einen vernachlässigbaren Betrag reduziert.

Die kombinierten Merkmale arbeiten, um das Durchblasen durch die Leckpfade A, B, C zu verhindern, in der folgenden Weise: Der Verbrennungsgasdruck 63 drückt auf die Oberseite 56 des oberen Verdichtungsringes 41 und zwingt das Verdichtungsring­ paar 41, 42 zum gegenseitigen Kontakt entlang ihrer nicht be­ schichteten Paßflächen 54, 55. Das Fehlen von Öl zwischen diesen Paßflächen und der normalerweise hohe Reibungskoeffi­ zient (d. h. 0,12 bis 0,15) derartiger Oberflächen stellt si­ cher, daß sich das Ringpaar als eine Einheit oder ein Paar bewegt. Während der Kompressions- und Expansionshübe des Kol­ bens 64 arbeitet der obere Verdichtungsring 41 als wirksame Dichtung. Wenn der Gasdruck 63 während der Aufwärtsbewegung des Kolbens während des Kompressionshubes 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 unterstützen, um einen ausrei­ chenden Kontakt gegenüber dem Ölfilm 65 der Bohrungswandung 62 herzustellen. Der untere Verdichtungsring 42 bewegt sich mit dem oberen Verdichtungsring 41, nicht nur wegen der Rei­ bung zwischen ihren Paßflächen, sondern auch deswegen, weil die Unterseite 59 des unteren Verdichtungsringes 42 mit nur wenig oder keiner Reibung auf der Bodenfläche 66 der Nut auf­ grund des Vorhandenseins der Festschmierstoff-Filmbeschich­ tungen daran gleiten kann, gemeinsam. Die vereinten Ringe, die sich seitlich frei bewegen und eine Spannung gegen den Ölfilm an der Bohrungswandung ausüben können, wirken entspre­ chend, während sie gegen die Stufe 49 (Oberfläche 53) und den Boden der Nut (an der Oberfläche 66) abdichten. Der Leckpfad A ist somit blockiert. Ein Durchblasen zwischen den Außenkon­ taktflächen 61, 60 der Verdichtungsringe und der Bohrungswan­ dung tritt nicht auf, da sich die Ringe ohne Festkleben oder Reibung frei biegen können. Somit ist der Leckpfad B bloc­ kiert.

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 untere Verdichtungsring ist im wesentlichen als ein Ölfilmabstreifer (mit einer tonnenförmigen Außenkantenkontur) während der Ab­ wärtsbewegung 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 zueinan­ der ausgerichtet übereinander und können nachstehend als überlappend bezeichnet werden. Zusätzlich ist jedes Endenpaar der geteilten Enden gezinkt oder in einer Umfangsrichtung überlappt. Dieses Merkmal ist wichtig, da wegen der zwischen dem oberen und unteren Verdichtungsring aufrechterhaltenen engen Verbindung, die sich aus der Kraft des Gasdrucks er­ gibt, der Leckpfad für Verbrennungsgase (um durch jeden Spalt oder Abstand zwischen den geteilten Enden zu wandern) auf­ grund 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 vorliegen, wodurch je­ des der geteilten Enden 69, 70 des Ringes in radialer Rich­ tung 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 ausgebildet sind. Da die übereinanderliegenden Ringe jeden direkten Pfad durch die Ringe hindurch blockieren, ist der Leckpfad C vollständig be­ seitigt.

Das Spaltvolumen der Kolben- und Kolbenring-Anordnung wird reduziert. Ein solches Volumen wird erstens von dem Spiel zwischen den Verdichtungsringen und dem Nutgrund und den Nut­ seiten, und zweitens von der Auswahl der Materialien beein­ flußt, welche (a) die Länge des Raumes über den Ringen, der zwischen dem Kolbensteg und der Bohrungswandung sitzt, und (b) den radialen 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 verkürzt werden, und wenn das Kolben- und das Boh­ rungswandmaterial gepaart sind, können die Wärmeausdehnungs­ unterschiede gesteuert werden, um den radialen Stegspalt zu reduzieren. In jedem Falle erlaubt diese Erfindung eine Redu­ zierung des Spaltvolumens um 25% gegenüber dem Stand der Technik.

Durch das leichte Gleiten der Verdichtungsringe als eine Tan­ demeinheit innerhalb der gestuften Nut wird die laterale Be­ wegung der Ringe erleichtert und somit das Flattern und Kip­ pen der Ringe innerhalb ihrer Nuten wesentlich reduziert. Zu­ stände nach dem Stand der Technik, welche vordem Ringer­ müdungen erzeugten, sind nun wegen des Vorhandenseins des Festschmierstoff-Films und durch den Einbau eines Ölablaufs 88 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 peristaltische Pum­ pen von Öl hinter die Kompressionsringe im wesentlichen be­ seitigt 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 zwischen 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 Flatterns und Kippens.

Die im wesentlichen vollständige Beseitigung der Aufwärts­ wanderung des Öls in die Verbrennungskammer (durch perista­ ltisches Pumpen) ist wichtig, da sie Kohleablagerungen aus dem Öl an den Verbrennungskammerwänden verhindert. Solche Ab­ lagerungen zwingen die Motorkonstrukteure, das Motorverdich­ tungsverhältnis niedriger zu halten, um ein von heißen Abla­ gerungen verursachtes Vorzünden oder Klopfen zu verhindern. Mit dieser Erfindung (welche im wesentlichen ein Spiel von Null zu dem dünnen Ölfilm an der Bohrungswandung und die vollständige Beseitigung des peristaltischen Ring-Pumpens von Öl in die Verbrennungskammer durch Verringerung des Spaltvo­ lumens 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 Motor­ leistung, 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 Festschmierstoff-Filme der Beschichtung weisen ein Gemisch von mindestens zwei aus der Graphit, MoS₂ und BN enthaltenden Gruppe ausgewählten Elementen auf, wobei das Gemisch in einer Polymeremulsion für die Abscheidung getragen wird, das Poly­ mer (Polyamid-Typ) die Filmbeschichtung an seinem anodisier­ ten 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 übli­ cherweise bis zu Temperaturen von etwa 204°C (400°F). Molyb­ dändisulfid sollte, wenn es gewählt wird, in einer menge von 29 bis 58 Gewichtsprozenten des Gemisches vorliegen, wobei von größter Bedeutung ist, daß es die Tragfähigkeit des Gemi­ sches 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 zusammenbricht. Mo­ lybdändisulfid reduziert die Reibung bei Abwesenheit 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. Molybdändisulfid ist ebenfalls ein ölanziehendes Material und sehr nützlich für diese Erfin­ dung. Bornitrid sollte, wenn es gewählt wird, in einer Menge von 7 bis 16 Gewichtsprozenten des Gemisches vorliegen. Es erhöht die Stabilität des Gemisches bis zu Temperaturen in der Höhe von 371°C (700°F) und stabilisiert gleichzeitig die Temperatur für die Beimengungen von Molybdändisulfid und Gra­ phit. 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 werden, Molybdändisulfid in einen Bereich von 0,3 bis 4,5 µm und Bor­ nitrid 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 Gemisches aus Graphit und Bornitrid in dem vorgenannten Polymer können Be­ lastungen in der Höhe von 3,45 × 10⁶ Pa (500 psi) bei Tempe­ raturen bis zu 204°C (400°F) aufgenommen werden.

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 Ölanziehungsvermögen gewährleisten. Die Kombination aller drei Elemente liefert einen Reibungskoeffizienten, welcher bei Raumtemperatur in dem Bereich von 0,07 bis 0,08 liegt und einen Reibungskoeffi­ zienten 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° (375°F) Quervernetzungen, wodurch sich eine feste zementartige Struktur ausbildet, welche einen Koh­ lenwasserstoff- und Wasserdampftransport zum Graphit bewirkt, wobei Öl angezogen und eine hervorragende Haftung auf einer Aluminiummetallunterlage ermöglicht wird, welche mit einem esterartigen Phosphatepoxyd wie z. B. Zinkphospat vorbeschich­ tet wurde. Das Polymer sollte auch ein Abbindemittel in einer Menge von 2 bis 5% des Polymers, wie z. B. Dizyandiamid ent­ halten und kann auch ein Dispergiermittel in einer menge von 0,3 bis 1,5%, wie z. B. 2,4,6-Tri(dimethylaminoethyl)phenol enthalten. Die Träger für ein solches Polymer können Lösungs­ benzine 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 ausgelöst werden sollte. Wegen des dauernden Kontaktes der koordinier­ ten Ringe mit dem Boden der Nut unter den meisten Bedingun­ gen, wie er durch den Druck der Verbrennungskammergase er­ zeugt wird, werden jedoch die zwei Ringe gemeinsam nach unten gedrückt. Die Fähigkeit der Ringe innerhalb einer derart ge­ stuften Nut, zu kippen oder zu flattern, ist signifikant re­ duziert. Die Abstufung kann gemäß Darstellung in Fig. 6 kon­ struiert sein, wodurch die Stufe eine größere radiale Breite für den oberen Verdichtungsring und eine schmalere Breite für den unteren Verdichtungsring zur Folge hat.

Die Herstellung der Kolben- und Kolbenring-Anordnung weist die Schritte auf: (a) Bereitstellen eines Metallkolbens mit einem Kopf und einer sich ringförmig davon erstreckenden Sei­ tenwandung; (b) 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); (c) Herstellen eines Paars geteilter ringförmiger Ver­ dichtungsringe, die innerhalb der Nut verschachtelbar sind und so wirken, daß sie zusammen als eine übereinandergelegte Einheit arbeiten, wobei jeder anderen Seiten der Stufe gegen­ überliegt; (d) Erzeugen einer reibungsarmen Oberfläche sowohl in der gestuften Nut als auch an den ungepaßten Flächen der Verdichtungsringe (wobei die reibungsarme Oberfläche eine Be­ schichtung ist, welche einen porösen Festschmierstoff-Film aufweist, der bei Temperaturen bis zu mindestens 316°C (600°F) stabil ist); und (e) Einsetzen der Ringe in die Nut, wobei deren geteilte Enden nicht zueinander 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 aufweisen, welche gleich der Nuthöhe 76 abzüglich 60 µm oder weniger ist. Die Elektronenentladungsbearbeitung der Nut kann weiter dadurch erleichtert werden, daß der Kolben 64 aus einem auf Aluminium basierenden Material, wie z. B. 6061A1 besteht. Die Aluminiumlegierung erhöht die Wärmeleitfähigkeit für die Übertragung der Verbrennungswärme an die Ringe, um über die Ringe eine effektivere Wärmeabfuhr an das Ölschmierungssystem zu erleichtern. Zur Vervollständigung eines derartigen Wärme­ übertragungspfades werden die Kolbenringe ebenfalls aus einem auf Aluminium basierenden Material, wie z. B. einer A1220-Le­ gierung, bevorzugt mit einem hohlen Ringquerschnitt, herge­ stellt. Aluminiumverdichtungsringe wurden in der Vergangen­ heit aus der Befürchtung, die mit etwa 500 Stunden angenom­ mene Ermüdungslebensdauer von Aluminiumringen zu überschrei­ ten, vermieden. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß es die hohe Reibung und die Eigenschaft des zyklischen Festklebens der herkömmlichen Ringkonstruktion und nicht das Material ist, wodurch die Ermüdungslebensdauer eingeschränkt wurde. Bei Verwendung der vorliegenden Konstruktion der Kol­ benanordnung kann die Ermüdungslebensdauer eines Aluminium­ ringes auf 5000 Stunden (was typischerweise 241400 Fahrzeug­ kilometern {150000 Fahrzeugmeilen} für einen Motor ent­ spricht) verlängert werden. Darüber hinaus können die Alumi­ niumringe nun dicker als auf Eisen basierende Ringe ausgebil­ det werden, da ihre inhärente Materialspannung nicht einge­ schränkt werden muß. Die Ringe werden zuerst mittels herkömm­ licher Verfahren, wie z. B. Profilwalzen, hergestellt und dann mittels Elektronenentladungsbearbeitung endbearbeitet, um eine Oberfläche mit Vertiefungen in Submikrometerbereich zu schaffen, welche die Beschichtung aggressiv aufnimmt. Die tonnenförmigen Kantenformen der Ringe können genauer ausge­ bildet werden. Mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Ring­ konstruktion 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 äquiva­ lente Motorleistung führen (siehe Fig. 8).

Das Herstellungsverfahren ist wirtschaftlich, weil die Bear­ beitung des Metallkolbenkörpers, insbesondere die der Seiten­ wand des Kolbens mit viel höherer Geschwindigkeit und Genau­ igkeit ausgeführt werden kann, da die Höhe der Nut viel größer ist, als die, welche bei Verdichtungsringnuten nach dem Stand der Technik zugelassen war, und die Beschichtung der Nut und der Ringe durch elektrostatisches Aufsprühen oder Eintauchen ausgeführt werden kann, um eine gleichmäßige po­ röse Zusammensetzung zu erzeugen. Vorzugsweise wird das Ge­ misch des Festschmierstoff-Films bei Raumtemperatur elektro­ statisch in die Innenflächen der Nut gesprüht, nachdem diese mit Zinkoxid oder Zinkphospat zur Verbesserung der Haftung vorbehandelt wurden. Die Beschichtungsemulsion weist eine zum Nutmetall unterschiedliche Polarität auf. Die elektrostati­ sche Sprühtechnik beinhaltet das Aufladen des Beschichtungs­ materials mit einer bestimmten Polarität und das Aufladen der zu beschichtenden Oberfläche mit der entgegengesetzten Pola­ rität. Bei dem Emulsionsauftrag kann ein Lösungsbenzinträger oder Wasser für die Schmierpartikel verwendet werden. Die mittlere Partikelgröße des Festschmierstoffs wird so gesteu­ ert, daß sie kleiner als 5 µm ist, und erübrigt somit eine spanabhebende Bearbeitung, um die Nuten oder Ringe auf Maß zu bringen oder fertigzustellen.

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 Reduzieren des Kolbenring- Durchblasens (eine neue Anwendung) an einer ölgespülten Zy­ linderbohrungswandung 62 eines Verbrennungsmotors 80. Das Verfahren reduziert die Schadstoffemissionen 81 aus dem Mo­ tor, reduziert die Kontamination des Motoröls 72 für ein Schmiersystem und ermöglicht einen Betrieb des Motors 80 bei höheren Verdichtungsverhältnissen mit verbessertem Wirkungs­ grad. Das Reduzieren des Durchblasens (unter Bezugnahme auf Fig. 7) weist die Schritte auf: Bereitstellen eines Kolbens 64 mit einer gestuften ringförmigen Nut 43, die mit einem bei hohen Temperaturen (wie z. B. mindestens 316°C (600°F)) stabi­ len Festschmierstoff-Film beschichtet ist; Einsetzen eines Paares in Passung übereinanderliegender Verdichtungsringe 41, 42 in eine solche gestufte Nut, wobei die geteilten Enden der Ringe nicht ausgerichtet übereinander liegen und im wesentli­ chen alle ungepaßten Oberflächen der Ringe mit einem bei ho­ hen Temperaturen stabilen Festschmierstoff-Film 82 beschich­ tet sind; und Hin- und Herbewegen der Kolbenanordnung in der Bohrungswandung 62 zur Ausführung eines Motorbetriebs. Ein Viertaktbetrieb umfaßt die Ansaugung oder Einspritzung eines brennbaren Gemisches in die Verbrennungskammer 35, so wie es von dem Einlaßventil 83 zugelassen wird, die Verdichtung, die Zündung durch eine Zündfunkenvorrichtung 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 anzutreiben, während die Bohrungswandung und der Kolben mit Öl gespült werden, um den Ölfilm 65 auf­ rechtzuerhalten), wodurch die Ringe 41, 42 aufgrund der Pas­ sungsreibung dazwischen als eine Einheit arbeiten und sich als eine Einheit mit wenig oder keiner hemmenden Reibung ra­ dial frei einstellen können, während sie den Dichtungskontakt mit der Nut 49, der Bodenseite 66 der Nut und mit dem Ölfilm 65 an der Bohrungswandung beibehalten.

Da das Durchblasen und das Ölpumpen im wesentlichen beseitigt sind, sind die Emissionen 81 im Schadstoffgehalt um bis zu 20% reduziert, ist die Ölwanderung daran gehindert, zu den Kohlenwasserstoffen in der Verbrennungskammer beizutragen, wird der Ölvorrat 72 nicht verbraucht und bleibt das Öl im wesentlichen aschefrei und unkontaminiert, da die Verbren­ nungsgase nicht in den Ölvorrat wandern können. Unkontami­ niertes Öl wird durch einen mit dem Ölsumpf in Verbindung stehenden Kanal abgeleitet. Die signifikante Reduzierung der Ringreibung und der verbesserte Spannungskontakt mit dem Öl­ film der Bohrungswandung führen zu einer Verbesserung der Kraftstoffausnutzung (bis zu 3%), zu einem verminderten Ring­ verschleiß bis zu 75% und zu einem geringeren Motorgeräusch aufgrund des Kolbenringspiels von Null.

Claims (8)

1. Kolben- und Kolbenring-Anordnung für Hubkolben-Ver­ brennungsmotoren mit einem einen Kolben-Kopf aufweisenden Metallkolben, der in einer einen Ölfilm aufweisenden Zy­ linderbohrung beweglich angeordnet ist, einer gestuften ringförmigen Nut (43) im Kolben-Kopf und mit zwei metal­ lischen, geteilten und ringförmigen Verdichtungsringen (41, 42), die in der gestuften Nut (43) übereinanderlie­ gend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verdichtungsringe (41, 42) in der gestuften Nut (43) auf Paßflächen derart versetzt übereinanderlie­ gend angeordnet sind, daß die geteilten Enden (44, 45, 69, 70) der Ringe nicht übereinanderliegen, daß die Ringe mit ihrem Außenumfang jeweils in Berührungskontakt mit dem Ölfilm der Zylinderbohrungswand stehen, daß alle Oberflächen der Ringe (56-61) außer in der Ebene ihrer Paßflächen und alle Oberflächen der Nut (43) mit Fest­ schmierstoff-Filmen überzogen sind, und daß die aufeinan­ der liegenden Oberflächen (54, 55) der beiden Ringe je­ weils einen hohen Reibungskoeffizienten aufweisen, so daß sich die beiden Ringe im wesentlichen als eine Einheit gemeinsam bewegen, daß wenigstens eine beschichtete Sei­ tenoberfläche (56, 59) eines Ringes während des Kompres­ sions- und des Expansionshubes des Zylinders mit wenig­ stens einer beschichteten Fläche (66, 74) der Nut in Oberflächenkontakt steht.

2. Kolben- und Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige, gestufte Nut (43) eine Gesamthöhe von mindestens 2 mm aufweist.

3. Kolben- und Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (41, 42) kombiniert eine Gesamthöhe gleich der Nuthöhe abzüglich 60 µm oder weniger aufweisen.

4. Kolben- und Kolbenring-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Festschmier­ stoff-Filme als ein Gemisch von mindestens zwei ausge­ wählten Substanzen aus der Graphit, Molybdändisulfid und Bornitrid aufweisenden Gruppe in einem Emulsionsträger ausgebildet sind.

5. Kolben- und Kolbenring-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Festschmier­ stoff-Filme als ölanziehende poröse Beschichtungen ausge­ bildet sind und daß die bevorzugte mittlere Partikelgröße der Festschmierstoffe nicht mehr als 5 µm beträgt.

6. Kolben- und Kolbenring-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben aus Alu­ miniumguß besteht und die Verdichtungsringe (41, 42) hohl und auf Aluminium basierend ausgebildet sind.

7. Verfahren zur Herstellung einer Kolben- und Kolbenring- Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Feststoffbeschichtungen durch Emul­ sionssprühen von in einem Polyamid getragenen Fest­ schmierstoffgemischen hergestellt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe auf den Paßflächen durch eine Maske abgedeckt werden, um die Abscheidung des Emulsionssprays zu verhin­ dern, und daß die Nut und die Ringe durch eine Unter­ beschichtung aus Zinkphosphat, oder eine Eloxierung, oder eine Aufrauhungsbehandlung vorbehandelt werden.