DE19524367A1 - Kolbenanordnung mit Abrasiv-Beschichtung - Google Patents
Kolbenanordnung mit Abrasiv-BeschichtungInfo
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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
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 (15)
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.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Country Status (5)
Country | Link |
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