DE19524367A1

DE19524367A1 - Kolbenanordnung mit Abrasiv-Beschichtung

Info

Publication number: DE19524367A1
Application number: DE19524367A
Authority: DE
Inventors: V Durga Nageswar Rao; James Ryland Clarke
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1994-07-05
Filing date: 1995-07-04
Publication date: 1996-02-15
Also published as: CA2153017A1; GB9513722D0; US5469777A; GB2291160B; JPH0842393A; GB2291160A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung zum Betrieb in fluidgeschmierten Zylinderbohrungswänden sowie eine ölge schmierte Kolben-/Zylinderanordnung zum Einsatz in Pumpen, Kompressoren oder dgl., wobei ein Ölfilm entlang der Zylin derwand gebildet ist, der eine Viskosität im Bereich von 5 bis 200 Cp aufweist.

Die Erfindung bezieht sich also auf die Kunst, Kolbenanord nungen zu entwerfen und herzustellen, und insbesondere auf die Auslegung von Kolben, die im wesentlichen null Spiel ge genüber den sie umgebenden Zylinderwänden, innerhalb derer sie betrieben werden, ermöglichen.

Erfindungsgemäß werden also Probleme betroffen, die charakte ristisch für die zur Zeit im Handel befindlichen Verbren nungsmotor-Kolben/Zylinderanordnungen sind; überschüssiges Hohlraumvolumen, vorzeitiges Kolbenringversagen wegen Ermü dung und überschüssiges Austreten von Fluiden ("Blasen") oder induzierte Ölverbrennung.

Das Hohlraumvolumen ist der obere Raum zwischen dem Kolben und der Zylinderwand, der die Ringnuten bis zur Abdichtung des untersten Kolbenringes umfaßt; er wächst mit dem Abstand zwischen Kolbenboden und Bohrungswand und der Nutgröße. Bei großem Hohlraumvolumen kann unverbrannter Treibstoff in der Brennkammer verbleiben und so Emissionen hervorrufen. Dieser wird beim Kaltstart abreagieren, wenn mehr Treibstoff in die Brennkammer, um die Verbrennung zu initiieren und aufrechtzu erhalten, injiziert wird; der resultierende unverbrannte Treibstoff wird aufgrund des Kaltstartverhaltens des Kataly sators nicht leicht durch den Abgaskatalysator umgewandelt. Es ist zu berücksichtigen, daß die Auslegung des Kolbens re lativ zur Zylinderbohrungswand konventionell für den gering sten Abstand bei maximaler Geschwindigkeit/Lastkondition aus gelegt ist - demzufolge bewirkt die thermische Expansion des Kolbenmaterials relativ gegenüber dem Bohrungswandmaterial (nämlich Aluminiumkolben gegenüber einer Gußeisenbohrungs wand) ein Ansteigen des Hohlraumvolumens unter Kaltstartbe dingungen.

Es wäre ideal, einen Kolben zu haben, der sich innerhalb der Zylinderbohrungswände ohne jegliches Spiel zwischen dem Kol benboden und der Bohrungswand und mit so gut wie keiner oder geringer Reibung unter allen Betriebsbedingungen bewegt. Um Haltbarkeit der einander gegenüberliegenden Materialien zu erzielen, werden diese auf solche eingeschränkt, die nicht die geringste Reibung schaffen, wie Eisen oder Stahl, mit Nickel oder Chrom beschichtet, für die Kolbenringe; Eisen oder Aluminium für die Bohrungswand, die manchmal mit abra sionswiderstandsfähigen Beschichtungen beschichtet ist, und Eisen oder Aluminium für das Kolbenhemd, das manchmal mit abrasionsresistenten Beschichtungen beschichtet ist. Alle diese Beschichtungen müssen unter extremen Temperaturkreis läufen stabil sein, wie zwischen -28,88 und 204°C (-20 bis 400°F). Demzufolge können gute Schmiermaterialien, die bei niedrigeren Temperaturen stabil sind, nicht als geeignet angesehen werden, um das Hohlraumvolumen zu reduzieren.

Ein vorzeitiges Ermüdungsversagen der Kolbenringe kann durch den hohen Gasdruck entstehen, der aus den Kompressionsringen in ihren Nuten stammt, während der Kolben gegen die Boh rungswand schlägt, wodurch Zerkratzen und Belastung der ge frorenen Ringe gegen ihre Spannung stattfindet, während sie gegen eine ihnen nicht angepaßte Zylinderwand gezogen werden. Da die Hin- und Herbewegungskräfte ihre Größe und Richtung alle 180° ändern (und eine Hauptänderung des Zünddrucks alle 720° auftritt), bewirkt eine derartige Belastung eine Stoßbe lastung der Ringe. Stoßbelastung führt zum Ausschlagen der Nut, einer Ringinstabilität (allgemein als "Flattern" be zeichnet) und schließlich zum Versagen der Ringe durch Ermü dung. Die Ringe können extrem heiß werden, durch die hohe Reibung der Ringe in ihren Nuten verstärkt, wodurch manchmal Mikro-Schweißen stattfinden kann. Es ist erwünscht, einen besseren thermischen Weg zu haben, als durch die Ringe, um die vom Kolben abzuleitende Wärme an die Zylinderbohrungswand zur Erleichterung der Ableitung durch den Kühlmantel abzuge ben.

Das "Blasen" oder die Wanderung der Brenngase oder des Öl fluids an den Kolbenringen vorbei ist ein ständiges Problem bei der Auslegung von Kolbenanordnungen. Fluide können von der Brennkammer an der Rückseite, Vorderseite, oder durch die gespaltenen Enden (allgemein als "Endschlitz" bezeichnet) der Kolbenringe wandern; die oben beschriebene Ringdynamik, kom biniert mit diesen Leckwegen, wird üblicherweise durch eine schlechte Ölfilmentfernung, was es dem Öl ermöglicht, nach oben in die Brennkammer zu wandern, wodurch Verunreinigung durch Ablagerung auf den Brennkammerwänden entstehen, beglei tet. Das "Blasen" der Brenngase in das Kurbelwellengehäuse reduziert die Motorkompression und beraubt den Motor seiner Energie. Häufiger wird eine derartige Leckage entweder nach oben oder nach unten an den Kolbenringen vorbei durch die hohe Reibung der Kolbenringe in ihren Nuten unterstützt. Die der Zylinderbohrungswand gegenüberliegende Kolbenbodenwand ist nicht dazu eingesetzt worden, um "Blasen" einzuschränken.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch bei einer gattungsge mäßen Kolbenanordnung dadurch gelöst, daß diese aufweist:

(a) einen Kolbenkörper mit mindestens einer ringförmigen Erhebung, die so ausgelegt ist, daß sie genau in die Zylinderbohrungswände paßt;
(b) eine an mindestens einer Erhebung haftende Abrasiv- Beschichtung, durch die im wesentlichen Null Spiel gegenüber der fluidüberzogenen Zylinderbohrungswand hergestellt und aufrechterhalten wird; und
(c) eine Wärmesenke in Form von mindestens:
- (i) Wärmeleitern in der Abrasiv-Beschichtung, um Wärme von den Erhebungen abzuführen, und
- (ii) einem Kolbenkörperinneren, das ein wärmeleitfähiges Fluid, das sich entlang des Inneren zur Abführung von Wärme daraus bewegt, aufnehmen kann.

Ferner betrifft die Erfindung auch eine ölgeschmierte Kolben- /Zylinderanordnung zum Einsatz in Pumpen, Kompressoren oder dgl., wobei ein Ölfilm entlang der Zylinderwand gebildet ist, der eine Viskosität im Bereich von 5 bis 200 Cp aufweist, die aufweist:

(a) einen Kolbenkörper mit einer Bewegung in Richtung seiner Mittelachse und mindestens einer Erhebung, die mit der Zylinderbohrungswand abschließt;
(b) mehrere Vertiefungen im Kolbenkörper gegenüber der Zylinderwand, die entlang der oder um die Achse des Kolbenkörpers mit Abstand voneinander angeordnet sind;
(c) eine abschleifbare Festfilmschmiermittelbeschichtung, die fest an mindestens der Erhebung haftet, die zum Erhalt des im wesentlichen Null betragenden Spiels zwischen dem Ölfilm der Zylinderbohrungswand und dem Kolbenkörper wirkt;
(d) Kompressionsdichtelemente in den Vertiefungen, um dynamisch und einstellbar den Kontakt zwischen dem Kolben körper und der Zylinderbohrungswand aufrecht zu erhalten; und
(e) eine Festfilmschmiermittelbeschichtung der Vertiefungen und der Dichtelemente.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen, auf die in vollem Umfang bezug genommen wird.

Eine derartige Anordnung eleminiert im wesentlichen das Hohl raumvolumen durch Einsatz der Abrasivschicht auf der oberen Kolbenbodenwand und ist so beschaffen, daß sie eine ultrage ringe Reibung mit der Zylinderbohrungswand induziert. Eine derartige Abrasivschicht schafft nach Betrieb der Kolbenan ordnung im wesentlichen null Spiel dazwischen, wodurch im we sentlichen lediglich ein durch Druck gebildeter Ölfluidfilm zwischen dem Feuersteg und der Zylinderbohrungswand möglich wird.

Bevorzugt umfaßt die Abrasivschicht (i) thermisch leitfähiges Material, wie Kupferflocken, um einen thermisch hochleitfähi gen Weg vom Kolbenabsatz zur Zylinderbohrungswand zur Herab setzung vorzeitigen Kolbenringermüdungsversagens, und (ii) hochwirksame Festschmierstoffpartikel, um das "Blasen" und zusätzlich dazu die Reibung stark zu reduzieren. Eine feste Schmierstoffe enthaltende Beschichtung kann auch dazu eingesetzt werden, um die Oberflächen der Nut- und Kolben ringe zu bedecken, um den Anti-Reibbetrieb der Kolbenringe zu unterstützen (als auch das fast-Null-Spiel zwischen Ring/Ringnut); dadurch wird das "Blasen" weiter verringert. Um das Hohlraumvolumen vollständig zu reduzieren, wird die Auslegung der Nuten gegenüber der Dicke der Kolbenringe be trächtlich auf ein Spiel von nicht mehr als 10 Mikron ver kleinert, falls die Nutenoberflächen und die Außenoberflächen des Kolbenringes mit Festfilmschmierstoffen, wie hierin er läutert, beschichtet werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Be schreibung sowie der Figuren, die spezielle Ausführungsformen der Erfindung darstellen, auf die sie jedoch keinesfalls be grenzt ist, erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine geschnittene Ansicht eines Teils einer Kol ben/Zylinderbohrungswand-Anordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 und 3 weiter vergrößerte Ansichten von Zonen der An ordnung der Fig. 1; und

Fig. 4 eine Schnittansicht der Gesamtumgebung der Kol ben/Zylinderanordnung gemäß der Erfindung, die zeigt, wie die Ölschmierung im Inneren des Kolbenkörpers durchgeführt werden kann, um Wärme von dem der Verbrennungszone ausgesetzten Kol benkörper aufzunehmen.

Wie in Fig. 4 gezeigt, ist ein Kolbenkörper 10 innerhalb ei ner Zylinderbohrungswand 11, die Teil eines flüssigkeitsge kühlten Motorblocks ist, hin und her bewegbar. Zwischen der Zylinderbohrungswand 11 und mindestens einer ringförmigen Kolbenerhebung (wie der Feuersteg 14 oder andere Erhebungen 16 und 17) liegt ein ringförmiger Betriebsspalt mit im we sentlichen Null Breite, der erhalten wird, indem eine Abra siv-Beschichtung 15 sorgfältig auf der entsprechenden Erhe bung haftend angebracht wird. Die Erhebungen sind bevorzugt kreisförmig und größenmäßig so ausgelegt, daß sie sehr genau an die Zylinderbohrungswand 11 angepaßt sind, d. h. lediglich einen geringfügigen radialem Abstand, wie 5 Mikron, geringeren Durchmesser als die Bohrung 11a der Zylinderboh rungswand 11, haben.

Die Abrasiv-Beschichtung 15 enthält feste Schmierstoffe als auch thermisch leitfähige Partikel. Die Beschichtung wird auf der Erhebung 14 (oder anderen Erhebungen) in einer Dicke aufgebrachte die mindestens gleich, bevorzugt etwas größer als der Freiraum 13 zwischen den Erhebungen und der Zylinder bohrungswand ist, so daß sich die Beschichtung 15 während des anfänglichen Motorbetriebs abschleift und auf eine glatte Oberfläche 18 poliert, die dem Umfang der Zylinderbohrungs wand mit sehr geringem oder keinem radialen Spiel 19 zwischen der Beschichtung und dem Ölfilm 20 auf der Zylinderbohrungs wand entspricht. Unter "Abrasion" im Zusammenhang der Erfin dung bedeutet dies, daß die Beschichtung sich absichtlich bis zu einem bestimmten Grad abschleifen soll. Abradierbarkeit soll hier keineswegs weiche Materialien, wie Teflon oder schmelzbare Substanzen umfassen. Die polierte abradierte Oberfläche der Beschichtung wird eine Glätte von Ra 5-15 ha ben.

Ein direkter thermischer Weg 21 vom Kolbenboden 22 wird durch die Beschichtung durch Dispersion leitfähiger Partikel oder Flocken 23 (wie Kupfer) in der Beschichtungsmatrix 24 ge schaffen; zusätzlich oder alternativ dazu wird ein direkter thermischer Weg vom Kolbenboden 22 durch den Kolbenkörper selbst oder die Innenoberfläche 25 des Kolbenkörpers 10 mit der dagegen zur Wärmeabführung gesprühten Kühlflüssigkeit 26 verbunden. Demzufolge besteht eine Wärmesenke in Form von Wärmeleitern (Teilchen 23) in der Beschichtung 15, um Wärme von der Erhebung abzuleiten oder eines wärmeleitfähigen Fluids 26, das sich entlang des Inneren des Kolbens bewegt und von diesem Wärme aufnimmt.

Die Kolbenanordnung wirkt entweder als wärmegenerierende Ma schine (wie ein Verbrennungsmotor) oder als nicht-wärmegene rierende Anordnung (wie eine Pumpe oder ein Kompressor). Bei einer Wärmekraftmaschine ist die Verwendung der Wärmeleiter in der Beschichtung äußerst effektiv, um sicherzustellen, daß die Temperatur des Kolbens als auch der Abrasiv-Schicht ein spezifisches Niveau nicht überschreitet, wodurch durch den Einsatz spezieller, ultra-niedrige Reibung aufweisender Mate rialien ermöglicht wird, die thermische Stabilität über die Lebensdauer des Motors und der Beschichtung sicher zu stel len. Bei einer Nicht-Wärmegenerierenden Anordnung, wie einer Pumpe oder einem Kompressor ist die Wärmesenke idealerweise ein sich bewegender Körper aus Kühlflüssigkeit, der die ther mische Ausdehnung des Kolbenbodens verzögert, wodurch der Kolben daran gehindert wird, sich mehr als die Zylinderboh rungswand zu expandieren. In einem Kompressor besteht der Kolben typischerweise aus Aluminium und die Zylinderbohrungs wand aus Gußeisen. Differentielle thermische Expansion des Kolbens während des anfänglichen Startens könnte aufgrund des anfänglichen Interferenz-Paßsitzes der Beschichtung in der Bohrungswand die Abrasiv-Schicht dazu veranlassen, exzessiv abgeschliffen zu werden, wodurch die Vorteile der Beschichtung zunichte gemacht werden, die dadurch erzielt werden, daß ein im wesentlichen Null betragendes Spiel erreicht wird (es ist notwendig, die Funktion der Abrasiv- Schicht in diesem Zusammenhang anzuerkennen; das Kühlfluid, d. h. Öl, wird den "beinahe null" Abstand zwischen Kolben boden und -Bohrung stets aufrecht erhalten). Wenn das Kühlmittel versagt, schleift sich die Beschichtung ab; Mo torversagen kann vermieden werden.

Beim im wesentlichen Null betragenden Spiel (gleich oder we niger als 5 Mikron radialer Abstand) kann der Kolben in der Zylinderbohrungswand mit nicht mehr als einer Gaspressfilm schmierung dazwischen arbeiten, wobei angenommen wird, daß ein Ölfilm auf der Zylinderbohrungswand versagt. Falls der Abstand 19 zwischen der Beschichtung und der Zylinderboh rungswand oder dem darauf befindlichen Ölfilm mehr als 5 Mi kron werden darf, bzw. bis zu 10 oder 15 Mikron, sollte die Abrasiv-Schicht eine erwünschte Menge Festfilmschmierstoffe enthalten. Als fester Schmierstoff wird hier jedes feste Ma terial definiert, das einen Reibungskoeffizienten von nicht mehr als 0,03 bis 0,06 bei -23,33-190,55°C (-10° bis 375° F) besitzt und bei dieser Temperatur stabil ist. Eine Beschichtung, die derartige Kriterien erfüllt, sollte eine spezifische Kombination fester Schmierstoffe aufweisen, die sich bei hohen Temperaturen bis zu mindestens 315,55°C (600° F) gut verhalten und auch Öl aufnehmen. Die höhere Tempera turresistenz dient dazu, die Kolbensystemfunktion bei Versa gen des Ölschmiermittels oder des Kühlmittels zu sichern. Die Schmierstoffe (wie Graphit, dessen Schmierwirkung durch die Gegenwart darin enthaltener H₂O-Materialien in seiner Kri stallstruktur verbessert wird) werden in einer Matrix (wie ei nem Epoxypolymer) der Beschichtung aufgenommen, die dazu dient, den Schmierstoff bei hohen Temperaturen mit Wasser zu versorgen. Die Festfilmschmierstoffe können mindestens eine Mischung aus mindestens zwei Elementen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Molybdändisulfid und Bornitrid aufweisen; diese Mischung wird in einer Polymeremulsion zu ihrer Abscheidung gebracht, wobei das Polymer (Polyamid oder thermisch härtendes Epoxyharz) die Filmbeschichtung an der Erhebung anklebt. Aus Sicherheitsgründen wird die Kol benerhebung bevorzugt oxidiert oder anodisch behandelt als auch mikrogeätzt, bevor das Ankleben stattfindet. Falls Graphit ausgewählt wird, sollte es in einer Menge von 29 bis 58 Gew.% der Mischung vorliegen. Graphit wirkt als fester Schmierstoff bis zu Temperaturen von um 204°C (400°F). Molybdändisulfid sollte, falls dieses ausgewählt wird, in einer Menge von 29 bis 58 Gew.% der Mischung vorliegen und ist, was hierbei als besonders wichtig betrachtet wird, in der Lastaufnahmefähigkeitsverbesserung der Mischung bis zu einer Temperatur von mindestens 304,44°C (580°F) wirksam, es versagt aber bei Temperaturen oberhalb 304,44°C (580°F) in Luft oder nicht reduzierender Atmosphäre. Molybdändisulfid reduziert die Reibung in Anwesenheit oder Abwesenheit von Öl und erträgt, was am wichtigsten ist, Belastungen von mindestens 0,7 bar (10 psi) bei derartigen Temperaturen. Molybdändisulfid ist ein Ölattraktor, der auf dem Gebiet der Erfindung sinnvoll ist. Falls Bornitrid ausgewählt wird, sollte dieses in einer Menge von 7 bis 16 Gew.% der Mischung vorliegen; es erhöht die Stabilität der Mischung bis zu Temperaturen von 371°C (700°F) und stabilisiert gleichzeitig die Temperatur für die Inhalte des Molybdändisulfids und Graphits als auch des Polymers. Bonitrid ist ein effektiver Ölattraktor. Die Partikelgrößensteuerung der individuellen Zusatzstoffe für die Festfilmschmierstoffmischung ist wichtig, um Nachbearbeiten zu vermeiden und damit diese im Öl suspendiert bleiben, wenn sie abgeschliffen werden. Die Partikel sollten bevorzugt ultrafein sein, d. h. nicht größer als etwa 1 bis 5 Mikron durchschnittliche Größe. Graphit kann bevorzugt in die Mischung im Bereich von 0,4 bis 4,0 Mikron; Molybdänsulfid im Bereich von 0,3 bis 4,5 Mikron und Bornitrid von etwa 5 Mikron eingearbeitet werden. Die Mischung wird typischerweise in einer Kugelmühle hergestellt, um eine durchschnittliche Partikelgröße von 0,3 bis 4 Mikron sicher zu stellen. Bornitrid kann Lasten von 35 bar (500 psi) aufnehmen; falls es Teil einer Mischung mit Graphit und Bornitrid im oben genannten Polymer ist, können Lasten bis zu 35 bar (500 psi) bei Temperaturen bis zu 204,44°C (400°F) aufgenommen werden. Demzufolge umfaßt die optimale Mischung alle drei Zusatzstoffe, die eine Temperaturstabilität bis zu 371,11°C (700°F) ermöglichen, und Lastaufnahmefähigkeiten weit oberhalb von 0,07 bar (10 psi) so wie eine hervorragende Ölaufnahmefähigkeit. Die Kombination aller drei Elemente liefert einen Reibungskoeffizienten im Bereich von 0,07 bis 0,08 bei Raumtemperatur und einen Reibungskoeffizienten von nur 0,03 bei 371°C (700°F).

Das thermisch aushärtende Polymer ist bevorzugt Epoxyharz oder Polyamid zu 30 bis 60% der Mischung. Das Polymer ver netzt bei Temperaturen von 190,55°C (375°F) zu einer star ren, zementartigen Struktur, die einen Kohlenwasserstoff- und Wasserdampftransfer zum Graphit ermöglicht, während Öl ange zogen wird und haftet gut an einem Aluminiummetallträger, der mit einem Epoxyharz vom Phosphatestertyp oder einem Zinkphos phat vorbeschichtet wurde. Das Polymer sollte auch Härter, wie Dicyandiimid, in einer Menge von 2 bis 5% des Polymeren aufweisen; das Polymer kann auch ein Dispersionsmittel wie 2,4,6-Tridimethylaminoethylphenol in einer Menge von 0,3 bis 1,5% aufweisen. Der Träger für ein derartiges Polymer kann ein Mineralöl, Alkohol oder Butylacetat sein.

Die Beschichtung ist aufgrund der Anwesenheit von Kupferfloc ken einer Partikelgröße von 5 bis 15 Mikron abschleifbar, wo bei diese Partikel ein Aspektverhältnis von mindestens 2 und bevorzugt 10 besitzen. Zum Verständnis der Funktion der ab schleifbaren Beschichtung gemäß der Erfindung in der Umgebung einer Kolbenanordnung ist es notwendig, andere Aspekte des Kolbens zu beschreiben. Eine konventionelle Dreiring-Alumini umlegierung- (bzw. 12 bis 18% Silizium) Kolbenkonstruktion, wie in Fig. 4 gezeigt, ist so ausgelegt, daß sie in einer Aluminium- oder Gußeisenzylinderbohrungswand läuft. Der Zy linderkörper umfaßt verschiedene im Körper des Kolbens ring artig begrenzte Nuten 30, 31, 32, die die Seitenwand 33 des Kolbens in das aufteilen, was vorstehend als Kolbenerhebungen bezeichnet wurde. Ein einzelner ringförmiger Kompressionsring wird innerhalb der beiden obersten zwei (bei einem 3-Nut-Kol ben) oder drei (im Falle eines 4-Nutkolbens) Ringnuten auf genommen, um dynamisch und einstellbar Kontakt zwischen dem Kolbenkörper und der Zylinderbohrungswand aufrecht zu erhal ten. Der oberste Ring 34 (Topkompressionsring) befindet sich etwa 5 bis 6 mm unterhalb des Kolbenbodens oder sogar noch weiter als 10 mm. Der axiale Abstand zwischen der Topring nut 30 und dem Topring 34 beträgt zwischen 40 und 50 Mikron (0,002 inch) beim Stand der Technik, wird aber hier auf 10 Mikron oder weniger eingeschränkt. Ein derartiges 10 Mikron- Spiel wird durch die Beschichtung der Topnut und des Toprings mit einer Festfilmschmiermittelbeschichtung 60, wie nachfol gend beschrieben, ermöglicht. Das Spiel zwischen dem Feuer steg 36 und der Zylinderbohrungswand 37 wird so eingestellt, daß die Differenz während Kaltstarts oder anderen Bedingun gen, die eine schnelle Expansion des Kolbenbodens bewirken, während die Bohrung relativ langsam expandiert, verhindert wird (man sollte sich daran erinnern, daß der Ölsprühnebel auf der Unterseite die Kolbenbodenexpansion während dieses Zeitraums verhindert). Die Ringoberfläche, die Oberfläche, die auf der Bohrungsoberfläche (Ölfilm) gleitet, hat ein faß förmiges Profil, um schnelle hydrodynamische Filmbildung und leichtes Gleiten während des nach oben und nach unten gerich teten Kolbenweges zu unterstützen.

Ein zweiter Ring 38 (Ölabstreifring oder zweiter Kompressi onsring) ist in der zweiten Nut 31 angeordnet, die sich etwa 3 bis 5 Millimeter oder mehr unterhalb der Topnut 30 befin det. Die Kolbenaußenoberfläche zwischen der Topringnut 30 und der zweiten Ringnut 31 ist die zweite Erhebung 39 (bei einem Benzin/zündfunkengezündeten Motor besteht die Ringanordnung üblicherweise aus drei Ringen, während bei Dieselmotoren vier oder mehr Ringe vorliegen). Die zweite Ringnut kann auch ein 10 Mikron Spiel aufweisen, wenn eine Festfilmschmiermittel beschichtung eingesetzt wird. Die zweite Ringoberfläche kann ein abgeschrägtes Keilprofil aufweisen, das leicht an der Außenkante abgerundet ist (diese Rundung kann entweder von der Abnutzung stammen, oder wird vorgefertigt) um das Abstreifen der Ölschicht von der Zylinderwand während der nach unten gerichteten Bewegung des Kolbens ohne exzessive Reibverluste zu ermöglichen. Es dient auch dazu, über schüssiges Öl abzustreifen, um einen dünnen Ölfilm bevorzugt mit einer Viskosität von etwa 20 bis 200 Cp, aufrechtzuerhal ten.

Der dritte Ring 40 ist der Ölabstreifring, der in die dritte Ringnut 32 paßt und sorgfältig so ausgelegt ist, daß er einen Ölfilm auf der Bohrungsoberfläche aufrecht erhält, während er überschüssiges Öl abstreift und zum Sumpf 41 zurückführt. Jede Nut und Ring werden mit einem Festfilmschmiermittel 60 in der für die Abrasivschicht beschriebenen Mischung be schichtet. Der einzige Unterschied zwischen der Erhebungsbe schichtung und der Nut/Ring-Beschichtung besteht in der Anwe senheit von Kupferflocken, die die Abradierbarkeit der Erhe bungsbeschichtung erhöht.

Die Kolbenhemd 42 spielt eine wichtige Rolle bei der Steue rung der kolbenkippbezogenen Geräusche, als auch der Reibung, des Ölverbrauchs und des seitlich ausströmenden Materials. Die Ölabstreifringe und das Kolbenhemd bilden mindestens 60% der Kolbensystemreibung und die Anwendung von Festfilm schmierstoffbeschichtungen auf den Kolbenerhebungen reduziert die Reibung signifikant, wenn der Freiraum mit der Beschich tung sich innerhalb des Bereichs bewegt, der für ein Gasfilm schmiersystem notwendig ist. Das Kolbenkippen resultiert aus der Anlenkung des Kolbens bei 43 an einer Pleuelstange 44, die wiederum mit einer Kurbelwelle 45, die in einem Kurbel wellengehäuse 46 mit einem Ölsumpf 47 läuft, verbunden ist. Der Kolbenboden wird hohen Gastemperaturen aus der Brennkam mer 48 ausgesetzt, die durch die Anordnung 50 gezündet und alternierend über das Ventilsystem 49 be- und entladen wird.

Wie in Fig. 3 gezeigt, wird die Polymer/Festschmierstoffmi schung für die Abrasivschicht mit 80 bis 90 Gew.% Kupferfloc ken mit einem Aspektverhältnis von mindestens 2 bis 20 und einer Partikelgröße nicht oberhalb von 15 Mikron (die netto Bindemittel/Pigmentratio sollte weniger als 35 zu 65 betra gen) gemischt, für ein thermisch aushärtendes Bindemittel mit einer Wasserbasis oder einer organischen Lösemittelbasis sollte das Bindemittel/Pigment-Verhältnis unterhalb von 30 zu 70 liegen. Die Auswahl der Kupferpartikelgröße sollte so sein, daß ein Weg ungehinderter thermischer Leitfähigkeit durch die Beschichtung geschaffen wird und dennoch eine her vorragende Adhäsion an der Oberfläche, die bevorzugt ein Alu miniumkolbenerhebung ist, erzielt wird.

Das abradierte Material wird nach anfänglichem Betrieb der Anordnung durch das Ölschmiermittel entfernt und entweder durch das Öl als Suspension entfernt, wobei es gefiltert wird oder fein genug ist, um einen Rest im Öl zu schaffen, der eine Reibungsreduktion für jegliche gegeneinanderreibenden Oberflächen analog zu reibungsherabsetzenden Additiven in Öl zu schaffen. Kupfer selbst hat einen niedrigen Reibungsko effizienten (F=0,2) und liefert dann, wenn es im Motor oxidiert wird, auch in oxidischer Form einen niedrigeren Reibungskoeffizienten (0,12-0,15 für Kupfer(II)oxid und 0,2- 0,3 für Kupfer(III)oxid). Verglichen dazu, schaffen andere Metalle, wie Eisen oder Aluminium-Oxide höhere Reibungskoef fizienten (Eisen(II)oxid 0,25-0,3; Eisen(III)oxid 0,35- 0,4 und Aluminiumoxid von mehr als 0,4).

Vor Aufbringen der Beschichtung werden die Kolbenerhebungs oberflächen bevorzugt mechanisch bearbeitet oder aufgerauht (bis auf Ra 5-25 Mikron) und einer Oberflächenbehandlung wie Fluorwasserstoffsäure-Ätzen, Sandstrahlen und Fluorwas serstoffsäure-Ätzen, oder Phosphatieren oder Hartanotisieren, um eine adäquate Beschichtungshaftung und Haltbarkeit über die Lebensdauer des beschichteten Kolbens sicherzustellen, unterworfen. Der Einbau der etwas auf Übergröße beschichteten Kolben in die Zylinderbohrung kann durch Schrumpfen stattfinden, wobei der Kolben oder die Kolbenendbohrung auf etwa -23°C (-10°F) abgekühlt werden.

Aufgrund der hohen Abreibbarkeit der Beschichtung wird der Kolben größenmäßig so ausgelegt, daß er im wesentlichen vir tuell Null Spiel zwischen Kolbenerhebung/Bohrung beim Zusam menbau erzielt, wenn die Beschichtung aufgebracht ist. Die Affinität der Beschichtung für Öl dient dazu, einen Ölfilm zwischen der Kolbenerhebung und der Bohrungsoberfläche und zwischen den Ring- und Ringnutoberflächen aufrechtzuerhalten. Beim Betrieb des eingebauten Kolbens schleift sich die Beschichtung ausreichend ab, um die Beschichtungsform an die Zylinderbohrung anzupassen, während im wesentlich null Spiel aufrechterhalten wird. Demzufolge wird der Kolbenringab satz/Bohrungsabstand im wesentlichen das entsprechende Hohl raumvolumen eliminieren, wodurch die Ringnuten kleiner ausge legt und nach unten verlegt (mehr als die derzeitigen 5 mm) werden können. Dies ist besonders dann günstig, wenn be schichtete Aluminiumringe (die das Merkmal der Konformität an die Bohrungsgeometrie haben) verwendet werden. Falls der Ab stand gleich, oder weniger als 5 Mikron beträgt, ist der Fluß von Verbrennungsgasen am Kolben vorbei ("Blasen") unter den dynamischen Kolbenbedingungen niedrig und liefert einen Gas druckfilm. Der Gasfilm besitzt eine sehr hohe Schmierfähig keit und niedere Reibung. Aufgrund der durchgängig hohen Tem peraturen wird die Gasviskosität hoch und wächst mit steigen der Temperatur, was wiederum die Lastaufnahmefähigkeit des Gasfilmes steigert. Im Gegensatz dazu erniedrigt sich die Öl viskosität mit steigender Temperatur, wodurch ein Abnehmen der Lastaufnahmefähigkeit von Ölfilmen resultiert. Während des Expansionshubes des Kolbens wird die beschichtete Erhe bung durch den Gasdruckfilm in der ringförmigen Öffnung bedeckt (aufgrund des Gasdrucks) und dies stützt den Kolben.

Wärme wird durch die Beschichtung zur Zylinderbohrungswand oder dem Ölfilm auf der Zylinderbohrungswand aufgrund der Anwesenheit der leitfähigen Partikel geleitet; Wärme wird auch vom Kolben durch Ölspritzer oder Nebel 51, die von der Unterseite 52 des Kolbens stammen, abgeführt. Öl kann aus dem Sumpf 47 (die Ölpumpe liefert den Druck) abgezogen und durch die Kurbelwelle 45 und die Pleuelstange 44 gefördert werden, wobei es durch Radialkanäle 61 geleitet wird, um gegen die Innenunterseite 52 des Kolbens zu sprühen.

Beide Wärmeleitwege kombinieren die Kühlung des Kolbens wäh rend der Expansions- und Abgashübe, wodurch der Wärmeübergang in die Gascharge (während des Ansaughubes) minimiert wird. Dies resultiert in einer verbesserten volumetrischen Effizi enz der Wärmekraftmaschine. Sogar bei nicht wärmegenerieren den Anordnungen, wie Kompressoren oder Pumpen, steuert die Wärmeabführung die thermische Expansion des Kolbens während des anfänglichen Einlaufens, so daß die Beschichtung nicht in unerwünschter Weise abgerieben wird; und aufgrund der niedri gen Reibung und reduzierten Spielräume wird die Pumpeneffizi enz stark erhöht.

Das Kühlmittelfluid, oder die Spritzer 51 vermeiden exzessive Abnutzung der Topringflächenbeschichtung während Kaltstarts. Eine eingeschränkte Abrasion der Beschichtung verhindert ein Verkeilen oder Fressen der Kolben und Bohrungen bei Versagen des Kühlmittels/der Ölpumpe. Experimente zeigen, daß der Maschinenölfluß einen vollständigen dynamischen Druck erst 0,5 bis 1,5 Sekunden nach dem Start bei -17,77°C (0°F) bei konventionellen 10 bis 30 Gewicht Ölkühlmittel (oder in weniger als einer halben Sekunde mit 5-30 Last Öl) aufbaut. Der Kolbenboden wird mindestens 5 Zündzyklen in der ersten Sekunde erleben und es dauert etwa 10 bis 20 Sekunden bei Ma schinenleerlauf, bis der Kolbenboden eine Temperatur im Be reich von 21,11-65,55°C (70 bis 150°F) hat. Während die ses Zeitraumes ist das Kühlfluid immer noch bei oder in der Nähe von -17,77°C (0°F) demzufolge bleibt der Bohrungs durchmesser relativ unverändert. Bei fehlender Kolbenkühlung (oder bei Versagen der letzteren) kann die relative thermi sche Expansion des Kolbenbodens mit der der Bohrung interfe rieren und die Abrasivschicht exzessiv abschleifen. Ein der artiges exzessives Abschleifen wird die oben beschriebenen Vorteile zunichte machen, die durch das im wesentlichen null betragende Spiel erzielt werden. Nichts desto weniger wird eine ernsthafte Beschädigung des Kolbensystems verhindert, wenn die Kolbenkühlung versagt.

Bezugszeichenliste

10 Kolbenkörper
11 Zylinderbohrungswand
11a Bohrung der Wand
13 Freiraum
14 Feuersteg
15 Abrasiv-Beschichtung
16 Erhebung
17 Erhebung
18 glattgeschliffene Oberfläche
19 radiales Spiel
19 Zylinderbohrungswand
20 Ölfilm auf 19
21 direkter thermischer Weg
22 Kolben
23 wärmeleitfähige Partikel oder Flocken
24 Beschichtungsmatrix
25 Innenoberfläche des Kolbenkörpers 10
26 Kühlflüssigkeit, wärmeleitfähiges Fluid
28 -
30 Topringnut
31 zweite Nut
32 Nut
32 dritte Nut
33 Seitenwand des Kolbens
34 oberster Ring (Topkompressionsring)
36 Feuersteg
37 Zylinderbohrungswand
38 zweiter Ring
39 zweite Erhebung
40 dritter Ring, Ölabstreifring
41 Sumpf
42 Kolbenhemd
43 Anlenkung
44 Pleuelstange
45 Kurbelwelle
46 Kurbelwellengehäuse
47 Ölsumpf
48 Brennraum
49 Ventilsystem
50 Zündanordnung
51 Kühlölspritzer oder Nebel
52 Unterseite des Kolbens
60 Festschmierstoff
61 Radialkanäle

Claims

1. Kolbenanordnung zum Betrieb in fluidgeschmierten Zylinderbohrungswänden (19, 37), gekennzeichnet durch:

(a) einen Kolbenkörper (10) mit mindestens einer ringförmigen Erhebung (16, 17, 39), die so ausgelegt ist, daß sie genau in die Zylinderbohrungswänden (19, 37) paßt;
(b) eine an mindestens einer Erhebung (16, 17, 39) haftende Abrasiv-Beschichtung (15), durch die im wesentlichen Null Spiel gegenüber der fluidüberzogenen Zylinderbohrungswand (19, 37) hergestellt und aufrechterhalten wird; und
(c) eine Wärmesenke in Form von mindestens:
(i) Wärmeleitern (23) in der Abrasiv-Beschichtung (15), um Wärme von den Erhebungen (16, 17, 39) abzuführen, und
(ii) einem Kolbenkörperinneren, das ein wärmeleitfähiges Fluid, das sich entlang des Inneren zur Abführung von Wärme daraus bewegt, aufnehmen kann.

2. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abrasiv-Beschichtung (15) ferner Festschmierstoffe aufweist.

3. Kolbenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Festschmierstoffe mindestens zwei Schmierstoffe, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Molybdändisulfid und Bornitrid aufweisen.

4. Kolbenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke durch Wärmeleiter in der Abrasiv- Beschichtung (15) gebildet ist, wobei die Wärmeleiter aus in der Abrasiv-Beschichtung (15) verteilten Kupferpartikeln (23) bestehen.

5. Kolbenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferpartikel (23) mindestens 70 bis 90 Gew.-% der Abrasiv-Beschichtung (15) bilden und ein Aspektverhältnis von 2 bis 20 besitzen.

6. Kolbenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferpartikel (23) beim Betrieb der Kolbenanordnung in Oxide umgewandelt werden, die zu zusätzlichen Fest- Schmierstoffen in der Abrasiv-Beschichtung (15) werden.

7. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke ein fluidbeschichtetes Kolbenkörperinneres ist, wobei das Fluid in Form eines entlang des Körperinneren versprühten Kühlfluids vorliegt, um die Kolbentemperatur auf nicht mehr als 10°C (50° Fahrenheit) über der Zylinderwand- Temperatur zu halten.

8. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand zwischen den beschichteten Kolben (22) und den fluidgebadeten Zylinderbohrungswänden (19, 37) nicht größer als 5 bis 10 Mikron ist.

9. Kolbenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Fluid überzogene Zylinderwand (19, 37) mit Öl einer Viskosität im Bereich von 5 bis 200 Cp überzogen ist.

10. Ölgeschmierte Kolben-/Zylinderanordnung zum Einsatz in Pumpen, Kompressoren oder dgl., wobei ein Ölfilm (20) entlang der Zylinderwand (19, 37) gebildet ist, der eine Viskosität im Bereich von 5 bis 200 Cp aufweist, gekennzeichnet durch:

(a) einen Kolbenkörper (10) mit einer Bewegung in Richtung seiner Mittelachse und mindestens einer Erhebung (16, 17, 39), die mit der Zylinderbohrungswand (19, 37) abschließt;
(b) mehrere Vertiefungen (30, 31, 32) im Kolbenkörper (10) gegenüber der Zylinderwand (19, 37), die entlang der oder um die Achse des Kolbenkörpers (10) mit Abstand voneinander angeordnet sind;
(c) eine abschleifbare Festfilmschmiermittelbeschichtung, die fest mindestens an der Erhebung (16, 17, 39) haftet, die zum Erhalt des im wesentlichen Null betragenden Spiels zwischen dem Ölfilm der Zylinderbohrungswand (19, 37) und dem Kolbenkörper (10) wirkt;
(d) Kompressionsdichtelemente (38, 34) in den Vertiefungen, um dynamisch und einstellbar den Kontakt zwischen dem Kolbenkörper (10) und der Zylinderbohrungswand (11) aufrecht zu erhalten; und
(e) eine Festfilmschmiermittelbeschichtung der Vertiefungen (30, 31, 32, 32) und der Dichtelemente (34, 38, 40).

11. Kolben-/Zylinderanordnung nach Anspruch 9, die ferner vom Kolbenkörper (10) abhängige Mittel aufweist, um die Bewegung

(d) Kompressionsdichtelemente (38, 34) in den Vertiefungen, um dynamisch und einstellbar den Kontakt zwischen dem Kolbenkörper (10) und der Zylinderbohrungswand (11) aufrecht zu erhalten; und
(e) eine Festfilmschmiermittelbeschichtung der Vertiefungen (30, 31, 32, 32) und der Dichtelemente (34, 38, 40).

11. Kolben-/Zylinderanordnung nach Anspruch 9, die ferner vom Kolbenkörper (10) abhängige Mittel aufweist, um die Bewegung des Kolbenkörpers (10) gegen die Zylinderbohrungswand (19, 37) zu stabilisieren.

12. Kolben-/Zylinderanordnung nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ferner aufweist:

(i) eine Wärmesenke in Form von mindestens einem Wärmeleiter in der Abrasiv-Beschichtung (15) zur Ableitung von Wärme von den Erhebungen, und
(ii) ein Kolbenkörperinneres zur Aufnahme eines wärmeleitenden Fluids, das sich entlang des Kolbeninneren zur Ableitung von Wärme daraus bewegt.

13. Kolben-/Zylinderanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke die Form von Wärmeleitern in der Abrasiv-Beschichtung (15) aufweist, die aus Kupferflocken mit einer Partikelgröße im Bereich von 5 bis 25 Mikron mit einem Aspektverhältnis von 1 bis 20 besteht.

14. Kolben-/Zylinderanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Freiraum zwischen der Vertiefung (30, 31, 32, 34) und dem Dichtelement (34, 38, 40) nicht mehr als 10 Mikron beträgt.