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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kombination von Kolbendichtringen
zur Verwendung bei einem Verbrennungskraftmotor gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 195 48 931
A1 ist eine Kombination von Kolbendichtringen der eingangs
genannten Art bekannt.
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Übereinstimmend
mit der neuen Forderung von höheren
Motorleistungen sind verschiedene Komponenten des Verbrennungskraftmotors
schwierigen Betriebsbedingungen unterworfen und der Motor muß eine verlängerte Lebensdauer
aufweisen. Kolbenringe werden unter höheren Motordrehzahlen, höherer Temperatur
und höheren
geplanten Drücken (Verdichtungen)
als zuvor betrieben und eine Verbesserung der Lebensdauer ist dringend
notwendig. Des weiteren sind übereinstimmend
mit der Forderung der Erhöhung
der Motorleistung und der Verringerung der Motorgröße verschiedene
Kombinationen von Kolbendichtringen und Schmierringen bei Benzinmotoren
und Dieselmotoren vorgesehen, wie beispielsweise eine Kombination
von drei Kolbendichtringen und zwei Schmierringen, eine Kombination von
drei Kolbendichtringen und einem einzigen Schmierring, eine Kombination
von zwei Kolbendichtringen und einem einzigen Schmierring sowie
eine Kombination von einem einzigen Kolbendichtring und einem einzigen
Schmierring.
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Um
die Lebensdauer der Kolbenringe zu verbessern, wird auf den Gleitflächen der
Kolbenringe eine Behandlung zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit,
wie beispielsweise eine Chromplattierung mit hoher Härte und
eine Nitrierbehandlung durchgeführt.
Die Verschleißfestigkeit
bei einem herkömmlichen
Kolbenring mit Chromplattierung ist jedoch nach wie vor unzureichend.
Andererseits erzeugt die Nitrierbehandlung eine hervorragende Verschleißfestigkeit.
Dadurch verbreitet sich die Nitrierbehandlung in zunehmenden Maße und wird
für einen
ersten Kolbendichtring oder einen obersten Ring verwendet, der unter
den schwierigen Betriebsbedingungen am meisten leidet, da der oberste Ring
von den an einem Kolben angebrachten Kolbenringen sich am nächsten zur
Verbrennungskammer befindet. Dennoch weist der herkömmliche,
nitrierbehandelte Kolbenring nach wie vor eine unzureichende Verschleißfestigkeit,
Freßfestigkeit
und Angriffsfestigkeit gegen ein gegenüberliegendes Bauteil auf, das
sich in relativer Gleitbewegung zum Kolbenring befindet.
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Um
die oben beschriebenen Probleme zu bewältigen, offenbart die JP 7-23903
A eine Kombination von einer Vielzahl von Kolbendichtringen und zumindest
einen Schmierring zur Verwendung bei einem Verbrennungskraftmotor.
Bei der Kombination ist an einer äußeren, umfänglichen Gleitfläche eines ersten
Kolbendichtringes und des zumindest einen Ölrings eine ionenplattierte
Schicht gebildet. Durch die Bildung der ionenplattierten Schicht
werden die Verschleißfestigkeit,
Freßfestigkeit
und Angriffsfestigkeit gegen ein gegenüberliegendes Bauteil sowie die
Korrosionsfestigkeit verglichen zu der herkömmlichen Kolbenringkombination
mit der Nitrierschicht verbessert. Hier ist eine individuelle Entwicklung
der Oberflächenschicht
des Kolbendichtringes und des Ölringes
nötig,
um zu versuchen, die Verschleißfestigkeit,
Freßfestigkeit,
Angriffsfestigkeit gegen das gegenüberliegende Bauteil und die
Korrosionsfestigkeit zu verbessern.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kombination von
Kolbendichtringen der eingangs genannten Art derart zu verbessern,
daß die
Kombination in der Lage ist, die Verschleißfestigkeit und die Freßfestigkeit
weiter zu verbessern und den Angriff gegen ein gegenüberliegendes
Bauteil auf einen so niedrigen Wert wie möglich zu verringern.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Kombination von Kolben- dichtringen zur Verwendung bei einem
Verbrennungskraftmotor, wobei die Kolbenringe zumindest einen ersten
Kolbendichtring aufweisen, der einen obersten Ring mit einer äußeren Umfangsfläche beinhaltet,
die mit einer ersten ionenplattierten Schicht 2A ausgebildet
ist, und zumindest einen Schmierring mit einer äußeren Umfangsfläche beinhaltet,
die mit einer zweiten ionenplattierten Schicht 4A ausgebildet
ist, wobei die beiden ionenplattierten Schichten 2A, 4A unterschiedliche
Porositäten
aufweisen, wobei die aus einer Mischung von Cr-N ausgebildete erste
ionenplattierte Schicht 2A eine poröse Struktur mit einer Porosität im Bereich
von 3 bis 10 % aufweist, die zweite aus einer Mischung von Cr-N
ausgebildete, ionenplattierte Schicht 4A einen dichten
Aufbau mit einer Porosität
im Bereich von 0 bis 3 % aufweist und die erste ionenplattierte
Schicht 2A eine Härte
im Bereich von 1000 bis 1500 HV aufweist und die zweite ionenplattierte
Schicht eine Härte
im Bereich von 1800 bis 2200 HV aufweist.
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Bei
dieser Anordnung kann die äußere Gleitschicht
des obersten Ringes, der den schwierigsten Betriebsbedingungen unter
den Kolbenringen unterliegt, eine ausreichende Verschleißfestigkeit,
Freßfestigkeit
und ein mäßiges Angriffsverhalten
gegen das gegenüberliegende
Bauteil zu bewirken. Des weiteren kann ein Brechen der Schicht oder
ein Abtrennen der Schicht vom Grundkörper des obersten Ringes aufgrund
der ausreichend elastischen Rückstellkraft
der Schicht verhindert werden. Des weiteren kann die äußere Gleitschicht
des zumindest einen Schmierringes eine ausreichende Abriebfestigkeit
und eine ausreichende Schmierstoffabstreiffunktion bereitstellen.
Daher kann bei der Kombination der ersten und zweiten ionenplattierten
Schichten eine verbesserte Motorleistung erreicht werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1 eine
teilweise Schnittansicht, in der eine Kombination von Kolbenringen
zur Verwendung bei einem Verbrennungskraftmotor gemäß einem ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
dargestellt ist; und
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2 eine
teilweise Schnittansicht, in der eine Kombination von Kolbenringen
gemäß einem zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel dargestellt
ist.
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Eine
Kolbenringkombination gemäß einem ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird nun unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Ein Kolben 1 weist drei ringförmige Kolbenringnuten 1a, 1b und 1c auf.
Ein erster Kolbendichtring 2 (oberster Ring), ein zweiter
Kolbendichtring 3 und ein Schmierring 4 sind in
den Nuten 1a, 1b und 1c jeweils eingebaut.
Die Nut 1a ist am nächsten
zu einer Verbrennungskammer angeordnet. Der Schmierring 4 weist ein
Paar von seitlichen Schienen 4a und einen Paßring-Expander 4b auf.
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Ein
Grundwerkstoff der Kolbendichtringe 2 und 3 ist
aus einem korrosionsbeständigen
Stahl (17 Cr korrosionsbeständiger
Stahl) gefertigt. Ein Grundwerkstoff der seitlichen Schienen 4a des
Schmierringes 4 ist aus einem anderen korrosionsbeständigen Stahl
(13 Cr korrosionsbeständiger
Stahl) gefertigt. Eine jede äußere Umfangsfläche der
Ringe 2, 3, 4 dient als eine Gleitfläche, die
sich im Gleitkontakt mit einer Zylinderlaufbuchse 5 befindet.
Bei den Kolbendichtringen 2 und 3 ist die äußere Gleitfläche zumindest
des obersten Ringes 2 mit einer ionenplattierten Schicht 2A ausgebildet.
Da der oberste Ring 2 von den Kolbendichtringen dem stärksten Reibabrieb
unterworfen ist, sollte der oberste Ring 2 eine extrem hohe
Leistung in Sachen Verschleißfestigkeit,
Freßfestigkeit
und Angriffsfestigkeit gegen das gegenüberliegende Bauteil wie beispielsweise
eine Zylinderlaufbuchse aufweisen. Die ionenplattierte Schicht ist aus
einer Cr-N Mischung ge bildet und weist eine poröse Struktur mit einer Porosität im Bereich
von 3 bis 10% und eine Härte
im Bereich von 1000 bis 1500 HV auf. Eine Cr-N Mischung als Werkstoff
der plattierten Schicht 2A ist bezüglich der Abriebfestigkeit und
der Bruchfestigkeit zufriedenstellend. Cr-N ist eine Mischung von
Zusammensetzungen aus CrN und Cr2N. Der
poröse
Aufbau kann die elastische Rückstellkraft
der Schicht 2A verbessern, um das Brechen der Schicht 2A aufgrund
wiederholter Verformung des obersten Ringes 2, wie sie
durch die Motordrehung entsteht, zu vermeiden. Wenn die Porosität kleiner
als 3% ist, wird die elastische Rückstellkraft unzureichend.
Wenn andererseits die Porosität
10% überschreitet,
kann die Bruchfestigkeit der Schicht 2A unter Umständen verringert
sein und die Schicht 2A kann leicht vom Körper des
obersten Ringes abgeschält
werden (dies wird im folgenden der Einfachheit halber als eine Verringerung
der "Schälfestigkeit" bezeichnet). Wenn
die Härte
der Schicht 2A geringer als 1000 HV ist, kann eine ausreichende Abriebfestigkeit
nicht mehr vorgesehen werden. Wenn die Härte 1500 HV überschreitet,
kann die Bruchfestigkeit sinken und die Eigenschaft, das gegenüberliegende,
gleitende Bauteil anzugreifen, kann sich erhöhen.
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Bezüglich des
Schmierringes 4 kann die Ölabstreiffunktion verringert
werden und die Öl-Leckage zur Verbrennungskammer
hin erhöht
werden, wenn die äußeren Umfangsflächen der
seitlichen Schienen 4a durch Reibung abgetragen sind. Daher kann
sich der Verbrauch von Schmieröl
erhöhen
und sich die Qualität
der Verbrennung verschlechtern. In diesem Zusammenhang sind die äußeren Umfangsflächen der
seitlichen Schienen 4a ebenfalls mit ionenplattierten Schichten 4A ausgebildet.
Die ionenplattierte Schicht 4A ist mit einer Cr-N Mischung
gebildet und weist eine dichte Struktur mit einer Porosität im Bereich
von 0 bis 3% und eine Härte
im Bereich von 1800 bis 2200 HV auf. Eine Cr-N Mischung als Werkstoff
der plattierten Schicht 4A ist sowohl bezüglich der
Abriebfestigkeit als auch bezüglich
der Bruchfestigkeit zufriedenstellend. Der dichte Aufbau kann eine
ausreichende Abriebfestigkeit der Schicht 4A sicherstellen.
Da der geplante Druck auf den Schmierring geringer ist als der auf
den obersten Ring, ist das Augenmerk mehr auf die Abriebfestigkeit
als auf die elastische Wiederherstellkraft gerichtet. Wenn die Porosität größer als
3% wird, kann die Abriebfestigkeit verringert sein. Wenn die Härte der Schicht 4A geringer
als 1800 HV ist, kann eine ausreichende Abriebfestigkeit nicht mehr
bereitgestellt sein. Wenn die Härte
größer als
2200 HV wird, können
die Bruchfestigkeit und die Schälfestigkeit
verringert sein und die Eigenschaft, das gegenüberliegende, gleitende Bauteil
anzugreifen, kann erhöht
sein.
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2 zeigt
eine Kolbenringkombination gemäß einem
zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
Das zweite Ausführungsbeispiel
betrifft eine Verringerung der Größe eines Kolbens 11 mit
einer Kombination, die einen einzelnen Kolbendichtring 12 und
einen einzelnen Schmierring 14 umfaßt, wodurch ein kompakter Motor
realisiert wird. Der Kolben 11 ist mit zwei ringförmigen Kolbenringnuten 11a, 11c versehen.
Der Kolbendichtring 12, welcher einen obersten Ring darstellt,
ist in der Kolbenringnut 11a eingebaut, die sich näher an einer Verbrennungskammer
befindet als die Kolbenringnut 11c. Die äußeren Gleitflächen dieser
Ringe 12 und 14 befinden sich im Gleitkontakt
mit einer Zylinderlaufbuchse 15. Eine ionenplattierte Schicht 12A ist
an einer äußeren Umfangsfläche des
Kolbendichtringes 12 ausgebildet und dient als eine Gleitschicht.
Weitere ionenplattierte Schichten 14A sind an äußeren Umfangsflächen der
seitlichen Schienen 14a des Schmierringes 14 ausgebildet.
Diese Schichten 12A und 14A entsprechen jeweils
den Schichten 2A und 4A des ersten Ausführungsbeispiels.
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Sowohl
beim ersten als auch beim zweiten Ausführungsbeispiel sind die ionenplattierten
Schichten 2A, 4A, 12A, 14A mittels
eines herkömmlichen reaktiven
Ionenplattierungsverfahrens gebildet, welches eine Oberflächenbehandlungstechnik
darstellt, bei der das Cr-Metall
verdampft und in einer Gasphase in einem Reaktionsgas wie beispielsweise
N ionisiert wird. Ein aus einer Reaktion hervorgegangener Werkstoff
(CrN), der durch die Reaktion zwischen dem Gas N und den verdampften
Cr-Ionen erzeugt wurde, wird an einer Oberfläche eines unter negativer Spannung
stehenden Grundkörpers
abgelagert.
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Obwohl
die Erfindung im Detail und unter Bezugnahme auf besondere Ausführungsbeispiele
derselben beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann offensichtlich,
daß verschiedene Änderungen
und Modifikationen bei derselben durchgeführt werden können, ohne
daß vom
Kern und Umfang der Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise ist
als eine Modifikation des ersten Ausführungsbeispieles eine Kombination
vorstellbar, die drei Kolbendichtringe und zwei Schmierringe aufweist.
Bei diesem Fall sind jeweils die äußeren Umfangsflächen von
zumindest einem ersten Kolbendichtring (oberster Ring) und einem
ersten Schmierring jeweils mit der ionenplattierten Schicht ausgebildet.
Des weiteren ist eine Kombination vorstellbar, die drei Kolbendichtringe
und einen einzelnen Schmierring umfaßt. Auch in diesem Fall sind
jeweils die äußeren Umflächen von
zumindest einem ersten Kolbendichtring (oberster Ring) und dem Schmierring
jeweils mit den ionenplattierten Schichten ausgebildet.