DE19940022A1 - Kolbenring und Kolbenringkombination für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung - Google Patents
Kolbenring und Kolbenringkombination für einen Dieselmotor mit DirekteinspritzungInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenringkombination, die preiswert ist, für einen Dieselmotor mit direkter Einspritzung geeignet ist und eine Abriebfestigkeit aufweist, sowie auf einen Kolbenring, der als zweiter Druckring geeignet ist. DOLLAR A Entsprechend der Erfindung ist ein Kolbenring aus einem schwach mit Chrom legierten Stahl gefertigt, der in Gewichtsprozent 0,4-0,8 Kohlenstoff und 6-11% Chrom enthält und eine nitrierte Schicht zumindest ein der Gleitfläche aufweist. Dieser Kolbenring wird als ein zweiter Druckring bei einem Dieselmotor mit direkter Einspritzung verwendet. Die Härte der nitrierten Schicht ist vorzugsweise 800-1100 Hv.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenring, der für die Verwendung
in einem Verbrennungsmotor bestimmt ist, und dabei spezieller auf einen Kolbenring,
der für die Verwendung in einem Dieselmotor geeignet ist.
Bei Dieselmotoren wird der Treibstoff in Luft mit hoher Kompression und hoher
Temperatur eingebracht, so daß der Treibstoff hierbei verbrennt und Arbeit erzeugt.
Dieselmotoren sind grundsätzlich klassifiziert in solche mit direkter Einspritzung und
in solche mit einer zusätzlichen Kammer (Vorkammer), und zwar hinsichtlich der
Methoden der Vermischung des eingespritzten Treibstoffes und der Luft. Allgemein
wird als Dieselmotor mit zusätzlicher Kammer oder Vorkammer ein Dieselmotor
bezeichnet, der mit einer zusätzlichen Kammer in einem Zylinder oder Zylinderkopf
versehen ist, und zwar außerhalb der Hauptbrennkammer, und bei dem der Treibstoff
in diese zusätzliche Kammer eingespritzt wird. Das Luft-Treibstoff-Verhältnis kann hier
dann optimal gewählt werden, da die Vermischung von Treibstoff und Luft bei diesen
Verfahren besonders gut ist.
Als Dieselmotor mit direkter Einspritzung wird allgemein ein Dieselmotor bezeichnet,
bei dem der Treibstoff mit hohem Druck einen Brennraum eingespritzt wird, der in
einem Zylinderkopf oder aber generell oberhalb eines Kolbens gebildet ist.
Dieselmotoren dieser Art weisen einen geringeren Verbrauch und einen geringeren
Anteil an CO im Abgas auf, und zwar im Vergleich zu Dieselmotoren mit einer
zusätzlichen Kammer, so daß diese Dieselmotoren mit Direkteinspritzung den
Abgasbestimmungen eher gerecht werden. Weiterhin ist grundsätzlich der Anteil an
Verbrennungsprodukten oder -rückständen, wie z. B. Ruß usw. geringer.
Dieselmotoren mit zusätzlichen Kammer wurden umfangreich verwendet, zumal mit
großen Motoren dieser Art hohen Leistungen problemlos erreichbar sind.
Bei Dieselmotoren mit zusätzlicher Kammer werden zahlreiche
Verbrennungsrückstände, wie Ruß usw. erzeugt, wobei diese Verbrennungsrückstände
(Ruß usw.) an dem Kolbenring anhaften und hierdurch zu einem Verschleiß oder
Abrieb an Kolbenringen führen. Weiterhin unterliegen Dieselmotoren mit zusätzlichen
Kammer einer Korrosionsabnutzung, und zwar bedingt durch den Treibstoff.
Aus diesem Grunde ist für Kolbenringe, die bei Dieselmotoren mit zusätzlicher
Kammer eingesetzt werden, eine erhöhte Festigkeit gegen Abnutzung und Abrieb
sowie eine erhöhte Hitzebeständigkeit erforderlich.
Aus diesen Gesichtspunkten wurde bereits bei Dieselmotoren mit zusätzlicher Kammer
als erster Druckring ein Kolbenring verwendet, der aus einem rostfreien Martensit-Stahl
hergestellt ist, welcher 11-18% Cr enthält und daher verhältnismäßig teuer ist.
Weiterhin wurde eine Gasnitrid-Behandlung der Oberfläche des Ringes vorgenommen,
um die Abriebfestigkeit zu verbessern. Schließlich wird als erster Druckring oftmals ein
Ring mit rechteckförmigen oder mit einem Querschnitt entsprechend einem halben
Trapez oder einem vollen Trapez verwendet, um die anfallenden
Verbrennungsrückstände (Schlacke, Ruß usw.) zu entfernen. Der zweite Druckring, der
in Dieselmotoren mit zusätzlicher Kammer verwendet wird, arbeitet unter keinen
schwereren Bedingungen als der erste Druckring. Da der zweite Druckring eine
komplizierte Formgebung aufweist, beispielsweise als abgeschrägter Ring, als
abgeschrägter Ring mit Hinterschneidung oder als abgeschrägter Ring mit
Hinterschnitt, wird in der Regel ein gegossener Ring aus Eisen verwendet, und zwar
schon aus Gründen der Herstellbarkeit. Um die Abreibfestigkeit zu verbessern, wird
oftmals ein Ring verwendet, der an seinem Umfangsbereich sowie auch an der Ober-
und Unterseite mit Chrom beschichtet ist.
Wenn jedoch der zweite Druckring sehr dünn ausgebildet wird, um hierdurch Kosten,
insbesondere auch Treibstoffkosten zu sparen, ist die mechanische Festigkeit eines
gegossenen Ringes aus Eisen ungenügend. Aus diesem Grunde wurde bereits
vorgeschlagen (veröffentlichte japanische Anmeldungen Nr. Sho 58-25863 und
61-54103) den zweiten Druckring aus den gleichen Stahl zu fertigen, aus dem auch
der erste Druckring besteht.
Weiterhin ist bei einem Dieselmotor mit zusätzlicher Kammer auch ein Ölabstreifring
oder Ölring verwendet, und zwar in Form eines einstückigen Ringes, dessen
Oberflächen wiederum einer Beschichtung mit Chrom und einer Gasnitridbehandlung
unterzogen wurden.
In jüngster Zeit werden aber anstelle von Dieselmotoren mit zusätzlicher Kammer oder
Vorkammer Motoren mit direkter Einspritzung verwendet, und zwar sowohl für kleine
als auch für große Motoren, und zwar aus dem Gesichtspunkt der Treibstoffkosten, der
Reduzierung der Abgase und der Verbesserung der Lebensdauer, und zwar:
Würde ein Druckring, wie er bei Dieselmotoren mit zusätzlicher Kammer üblich ist,
als Druckring in einen Dieselmotor mit direkter Einspritzung verwendet, so würde dies
sehr hohe Kosten für den Druckring verursachen, was zu wirtschaftlichen Problemen
führen würde.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben angegebenen Probleme in
vorteilhafterweise zu lösen und dementsprechend einen Kolbenring zu schaffen,
speziell einen Kolbenring, der als zweiter Druckring geeignet ist und der preiswert
herstellbar ist und eine Abrieb- und Verschleißfestigkeit aufweist, so daß dieser Ring in
einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung verwendet werden kann, und zwar unter
Berücksichtigung auch der wirtschaftlichen Erfordernisse und der
Verwendungsbedingungen eines Kolbenringes bei Dieselmotoren mit direkter
Kraftstoffeinspritzung.
Weiterhin schlägt die Erfindung eine Kombination von Kolbenringen vor, die für die
Verwendung bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung geeignet sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind ein Kolbenring entsprechend dem Patentanspruch 1
und eine Kolbenringkombination entsprechend dem Patentanspruch 3 ausgebildet.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine genügende Abriebfestigkeit und
Standzeit selbst dann erreicht werden kann, wenn ein Ring aus einem Stahl mit einem
geringen Chromanteil als zweiter Druckring eingesetzt wird, auf den eine geringere
Hitzebelastung einwirkt.
Weiterhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß ein Ring aus einem Stahl
mit einem geringen Chromanteil zufriedenstellend als Ölring verwendet werden kann.
Schließlich liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß eine Härteschicht härter
als eine Chromschicht dadurch erreicht werden kann, daß ein chromhaltiger Stahl
einer Nitridbehandlung unterzogen wird und daß hierbei auch die Abriebfestigkeit
verbessert werden kann.
Erste Ergebnisse von Versuchen, die als Basis zur Erläuterung der vorliegenden
Erfindung dienten, werden nun beschrieben.
Hergestellt wurde ein zweiter Druckring und ein Ölring jeweils für einen Dieselmotor
mit Direkteinspritzung und für einen Dieselmotor mit Hilfskammer bzw. mit
zusätzlicher Kammer, und es wurden hierbei der Grad der Abnutzung dieser
Kolbenringe miteinander verglichen. Die Ergebnisse sind in der Fig. 2
wiedergegeben. In diesem Fall wurde ein 70 µm Nitridschicht an der äußeren
Umfangs- oder Gleitfläche jedes Kolbenringes erzeugt. Lediglich eine
Chromplattierung oder Chromschicht mit einer Dicke von 100 µm wurde auf einen
Teil der äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes aufgebracht. Bei den
Untersuchungen wurde ein Dieselmotor mit Direkteinspritzung und ein Dieselmotor
mit Misch- oder Vorkammer verwendet, und zwar jeweils mit vier Zylindern in Reihe,
mit einem inneren Bohrungsdurchmesser von 92 mm und einem Gesamtkolbenhub
von 2000 cc. Die Testbedingung wurde auf 4000 Umdrehungen pro Minute, Vollast
und 300 Stunden festgelegt.
Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, weist der zweite Druckring, der lediglich mit Chrom
beschichtet ist oder aus einem Stahl mit geringem Chromanteil (10% Chrom oder
weniger) besteht, bei dem Dieselmotors mit der zusätzlicher Kammer einen großen
Abrieb auf. Andererseits ist bei einem Kolbenring aus einem Stahl mit hohem
Chromanteil (13% oder mehr) der Abrieb beim Kolbenring nur 7 µm oder kleiner, was
einer zufriedenstellenden Abriebfestigkeit entspricht. Andererseits ist selbst bei einem
zweiten Kolbenring aus einem Stahl mit einem Chromanteil von 8% oder 10% bei
dem Dieselmotor mit Direkteinspritzung der Abrieb am Kolbenring klein. Es ergibt sich
also, daß ein Kolbenring aus einem Stahl mit 8-10% Chromanteil die gleiche
zufriedenstellende Abriebfestigkeit aufweist wie ein Ring aus einem Stahl mit hohem
Chromanteil (13% oder mehr) eines Motors mit zusätzlicher Kammer. Es wurde
weiterhin festgestellt, daß bei einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung ein Ring aus
einem Stahl mit einem Chromanteil von 8% oder 10% als Ölring zufriedenstellend
verwendet werden kann. Dementsprechend sieht die Erfindung vor, daß ein
Kolbenring für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung aus einem Stahl gefertigt ist,
der jeweils in Gewichtsprozent enthält C: 0,4-0,8% und Cr: 6-11%, und der eine
Nitridschicht an der Gleitfläche des Kolbenringes aufweist.
Entsprechend der Erfindung besitzt die Nitridschicht vorzugsweise eine Härte von 800-
1100 Hv.
Weiterhin wird eine Kombination von Kolbenringen vorgeschlagen, und zwar für
Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, wobei ein erster Druckring aus rostfreiem
Martensit-Stahl besteht, der wiederum in Gewichtsprozent enthält C: 0,4-1,2% und
Cr: 11-18% und der eine gehärtete Oberflächenschicht aufweist, und zwar mit einer
Nitrid-Schicht an der Gleitfläche des ersten Druckringes und eine vorzugsweise PVD
behandelte Schicht auf der oberen Schicht der Nitridschicht, wobei ein zweiter
Druckring aus einem Stahl gefertigt ist, der wiederum in Gewichtsprozent enthält C:
0,4-0,8% und Cr: 6-11%, und der eine Nitridschicht an der Gleitfläche dieses
zweiten Kolbenringes aufweist.
Entsprechend der Erfindung liegt die Oberflächenhärte der gehärteten Schicht, die auf
der Gleitfläche des ersten Kolben- oder Druckringes gebildet ist, vorzugsweise bei 900
Hv oder höher und die Härte der gehärteten Schicht auf der Gleitfläche des zweiten
Kolben- oder Druckringes, vorzugsweise zwischen 800 und 1100 Hv.
Vorgeschlagen wird weiterhin eine Kombination von Kolbenringen für einen
Dieselmotor mit Direkteinspritzung, wobei ein erster Druckring aus einem
korrosionsfesten Martensit-Stahl gefertigt wird, der wiederum in Gewichtsprozent
enthält C: 0,4-1, 2% und Cr: 11-18% und der eine gehärtete Oberflächenschicht
aufweist, die eine Nitridschicht auf der Gleitfläche des wenigstens einen ersten
Druckringes einschließt und optional auch eine PVD behandelte Schicht der Oberseite
der Nitridschicht. Ein zweiter Druckring ist dann aus einem Stahl gefertigt, der
wiederum in Gewichtsprozent enthält C: 0,4-0,8% und Cr: 6-11% und der eine
Nitridschicht an der Gleitfläche des wenigstens einen zweiten Kolbenringes aufweist,
wobei weiterhin ein Ölring aus einem Stahl gefertigt ist, der wiederum in
Gewichtsprozent enthält C: 0,4-0,8% und Cr: 6-11% und der eine nitrierte Schicht
an der Gleitfläche des Ölringes aufweist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Beispiels einer Kolbenringkombination;
Fig. 2(a) einen Graph, der den Einfluß des Chromanteils im Stahl auf die Höhe der
Abnutzung des als ersten Druckring verwendeten Kolbenrings zeigt;
Fig. 2(b) einen Graph, der den Einfluß des Anteils an Chrom im Stahl auf den Grad der
Abnutzung des als Ölring verwendeten Kolbenringes zeigt.
Ein Kolbenring gemäß der Erfindung ist ein solcher, der eine bevorzugte oder
vorteilhafte Abriebfestigkeit für einen zweiten Druckring oder einen Ölring aufweist
oder aber kombinierte Ölringe, und zwar einschließlich des dreiteiligen oder
zweiteiligen Typs für Dieselmotoren mit Direkteinspritzung. Der Kolbenring ist
vorzugsweise aus einem Drahtmaterial hergestellt und eine Nitridschicht wird
zumindest an der Gleitfläche des Kolbenringes erzeugt.
Das Ausgangsmaterial des Kolbenringes für den zweiten Druckring oder den Ölring ist
ein Stahl, der in Gewichtsprozent enthält C: 0,4%-0,8% und Cr: 6-11%,
vorzugsweise auch Si: 0,1-0,4% und Mn: 0,2-0,4%, Rest Eisen und
Verunreinigungen.
Kohlenstoff ist hierbei ein wesentliches Element, um die Härte und Festigkeit des
Ausgangsmaterials zu verbessern und um die Abriebfestigkeit zu erhöhen, und zwar in
Kombination mit Cr, um feines, hartes Chrom-Karbid zu bilden. Derartige Effekte von C
treten bei einem C-Anteil im Ausgangsmaterial von 0,4% und höher auf. Wenn aber
der Anteil an C 0,8% übersteigt, läßt sich die Bildung von grobem Primär-Karbid
feststellen. Die Festigkeit wird verschlechtert und die Aggressivität des Kolbenringes
wird erhöht, was zu einer Erhöhung des Abriebs an der Innenfläche des Zylinders
führt. Aus diesem Grunde ist bei der Erfindung der Anteil an C auf einem Bereich von
0,4-0,8%, vorzugsweise auf 0,5-0,7% beschränkt.
Chrom ist ein Element, das fest lösbar in einer Matrix ist und die Hitzebeständigkeit
sowie Korrosionsbeständigkeit verbessert und welches in Kombination mit Kohlenstoff
feines, hartes Karbid bildet und hierdurch die Formbeständigkeit, die Abriebfestigkeit
und die Standfestigkeit erhöht. Derartige Effekte lassen sich bei einem Cr-Anteil von
6% und höher feststellen. Falls aber der Cr-Anteil 11% übersteigt, wird zwar die
Abriebfestigkeit weiter verbessert, eine solche erhöhte Legierung ist aber nicht die
beste, geeignete Form in Hinblick auf die Umgebungsbedingungen in einem
Dieselmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung, d. h. die Nachteile überwiegen und
zwar vom wirtschaftlichen Standpunkt sowie auch deswegen, weil gleichzeitig eine
große Anzahl von Chromkarbiden entstehen, die die Verarbeitbarkeit beeinträchtigen.
Aus diesem Grunde ist der Anteil Cr auf 6-11% begrenzt.
Silizium ist ein Element, das als Deoxidationsmittel wirkt und die Festigkeit gegen
Niederschläge erhöht. Derartige Effekte können bei einem Si-Anteil von 0,1% oder
mehr festgestellt werden. Andererseits wird bei einem Si-Anteil über 0,4% die
Verarbeitbarkeit verschlechtert und die Zähigkeit beeinträchtigt. Aus diesem Grunde ist
der Si-Anteil auf einem Bereich von 0,1-0,4% beschränkt.
Magnesium ist ein Element, welches ebenfalls als Deoxidiermittel wirkt die
Heißverarbeitbarkeit verbessert. Derartige Wirkungen von Mn können bei einem Mn-
Anteil von 0,2% und höher festgestellt werden. Andererseits wird durch einen Mn-
Anteil höher 0,4% die Kaltverarbeitbarkeit während des Formens der Ringe
verschlechtert. Aus diesem Grunde ist der Mn-Anteil auf einen Bereich von 0,2-0,4%
beschränkt.
Der Rest besteht aus Eisen und Verunreinigungen. Als Verunreinigungen sind erlaubt
P: 0,04% oder weniger und S: 0,03% oder weniger.
Bei einem Kolbenring, der aus einem Stahlmaterial mit der obigen Zusammensetzung
hergestellt ist, wird eine Schicht durch Nitrieren erzeugt, und zwar zumindest am
Umfang, der die Gleitfläche bildet. Bei der Herstellung der Nitridschicht ist man nicht
auf ein spezielles Verfahren beschränkt, aber die Nitridschicht wird dennoch
vorzugsweise durch Nitridbehandlungen, wie Gasnitrierung, Ionen-Nitrierung,
Salzbad-Nitrierung, Kupferinfiltrat-Nitrierung oder dergleichen erzeugt. Die
Nitrierbehandlung erfolgt vorzugsweise durch Gasnitrierung unter Verwendung einer
Amoniumgasatmosphäre und eines Gasgemisches aus Amoniumgas und Stickstoffgas.
Weiterhin ist es selbstverständlich möglich, eine Nitridschicht an allen Oberflächen,
auch zusätzlich zur Gleitfläche des Kolbenringes zu erzeugen.
Eine Oberflächenschicht, die eine Abriebfestigkeit höher als eine Chrombeschichtung
aufweist, wird auf der Oberfläche eines Cr-haltigen Ausgangsmaterials durch eine
Nitrierung oder Nitrierbehandlung erzeugt. Es ist wünschenswert, die Nitridschicht mit
einer Härte von 800-1100 Hv herzustellen. Die Härte der Nitridschicht ändert sich
mit dem Cr-Gehalt im Ausgangsmaterial. Beträgt beispielsweise der Cr-Anteil im
Ausgangsmaterial 6%, so ist die Härte der Oberflächenschicht des Kolbenringes 800
bis 900 Hv bei einer Gasnitrierung. Wenn der Cr-Anteil im Basismaterial 11% beträgt,
wird eine Härte der Oberflächenschicht des Kolbenringes von 1000-1100 Hv erreicht.
Wenn andererseits lediglich eine Chrom-Beschichtung ausgeführt wird anstelle einer
Gasnitrierung wird maximal eine Härte von 820 Hv erreicht. Weiterhin kann
beispielsweise bei der Gasnitrierung die Härte der Nitridschicht durch die
Bedingungen bei der Nitrierung geändert werden, beispielsweise durch die
Komponenten der Atmosphäre, die Behandlungsdauer, durch Steuerung der
Behandlungszeit usw. Wenn die Härte der Nitridschicht kleiner als 800 Hv ist, erhöht
sich das Ausmaß der Abnutzung des Kolbenringes. Falls die Härte der Nitridschicht
1100 Hv übersteigt, wird die Aggressivität des Kolbenringes gegenüber der Innenwand
des Zylinders extrem stark.
Auch wenn eine Reaktionsschicht, auch bekannt als "white chip", auf der Oberfläche
einer Nitridschicht gebildet ist, ist diese Schicht hart und besitzt eine hervorragende
Abriebfestigkeit. Bei einem Kolbenring, der als zweiter Druckring oder als Ölring in
einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung verwendet wird, und der der vorliegenden
Erfindung entspricht, wird die Nitridschicht dazu verwendet, um die Abriebfestigkeit
des Ringes zu erhöhen, ohne daß die Reaktionsschicht entfernt wird. Nach einem
Entfernen der Reaktionsschicht kann aber die frei liegende Nitrid- oder
Diffusionsschicht ebenfalls verwendet werden.
Es ist wünschenswert, die Kombination von erstem Kolbenring und einem zweiten
Kolbenring für einen Dieselmotor mit direkter Einspritzung zu verwenden. Der erste
Kolbenring besitzt dann die nachfolgende Zusammensetzung und eine gehärtete
Oberflächenschicht, zumindest an der Gleitfläche und wird als erster Druckring
eingesetzt. Der zweiten Kolbenring besitzt die oben erwähnte Zusammensetzung und
eine nitrierte Schicht zumindest an der Gleitfläche oder Gleitschicht und wird als
zweiter Druckring eingesetzt.
Die Kolbenringkombination für einen Dieselmotor mit direkter Einspritzung, die ein
Beispiel der Erfindung bildet, ist in der Fig. 1 wiedergegeben. Die Fig. 1 zeigt einen
Längsschnitt, und zwar in einem Zustand, in dem ein Kolben in einer Bohrung des
Zylinders angeordnet ist. Der Kolben 2 ist in die Bohrung des Zylinders 1 eingesetzt.
Ein erster Druckring 6 und ein zweiter Druckring sowie ein kombinierter Ölring 8 sind
in Nuten 3, 4 bzw. S. die für die Kolbenringe am Umfang des Kolbens 2 gebildet sind,
angeordnet.
Obwohl der erste Kolbenring 6 als einseitiger trapezförmiger Ring dargestellt ist, ist
dieser Ring natürlich nicht auf einen solchen Ring mit dieser Formgebung beschränkt.
Der Druckring 6 kann auch als solcher mit einem doppelseitigen trapezförmigen
Querschnitt oder aber mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet sein. Eine
gehärtete Oberflächenschicht ist auf der Gleitfläche und an den anderen Außenflächen
des ersten Druckringes 6 gebildet. Der zweite Druckring 7 der Fig. 2 ist als ein Ring
mit angeschrägter Gleitfläche dargestellt. Da der Druckring 7 gegenüber
luftabdichtende Eigenschaften sowie Abstreifeigenschaften für das Schmiermittel
aufweisen muß, kann dieser Ring selbstverständlich auch eine andere, geeignete und
dem Fachmann bekannte Ausbildung aufweisen, beispielsweise eine
Hinterschneidung, eine innere Ausnehmung usw. Eine Nitridschicht 9 ist auf der
Gleitfläche gebildet sowie auch auf anderen Flächen des zweiten Druckringes 7. Der
kombinierte Ölring 8 der Fig. 1 ist ein Ölring, der mit einem ringförmigen oder
spiralförmigen Andrückelement versehen ist. Eine Nitridschicht 9 ist auf der
Außenfläche des im Querschnitt I-förmigen Ölringes 12 vorgesehen.
Der erste Druckring (oberste Ring) des Dieselmotors mit direkter Einspritzung ist einer
hohen Temperatur ausgesetzt, wie bei einem Dieselmotor mit Hilfskammer und
benötigt daher eine hohe Hitzebeständigkeit und Formbeständigkeit, und zwar
zusätzlich zur Abriebfestigkeit. Aus diesem Grunde wird für den ersten Druckring des
Dieselmotors mit Direkteinspritzung vorzugsweise ein korrosionsbeständiger Martensit-
Stahl, wie SUS 4101, SUS 440B oder dergleichen verwendet, der jeweils in
Gewichtsprozenten enthält C: 0,4-1, 2%, Cr: 11-18% (hoher Cr-Anteil) und
vorzugsweise Si: 0,2-0,5%, Mn: 0,2-0,5%, Rest Eisen und Verunreinigungen, und
zwar als Basis oder Ausgangsmaterial, wie bei solchen für Dieselmotoren mit
zusätzlicher Kammer.
Falls der C-Anteil unter 0,4% liegt, ist der Anteil an Karbid, welches die
Abriebfestigkeit verbessert, ungenügend und die Abriebfestigkeit kann nicht in der
gewünschten Form erhalten werden. Andererseits gilt aber, daß bei einem C-Anteil
über 1, 2% das Karbid groß wird und die Festigkeit des Kolbenringes reduziert wird.
Aus diesem Grunde ist der Kohlenstoffanteil auf einen Bereich zwischen 0,4-1, 2%
beschränkt. Cr ist fest lösbar und verbessert die Korrosionsbeständigkeit sowie
Hitzebeständigkeit und bildet Karbide zur Verbesserung der Abriebfestigkeit. Falls der
Cr-Anteil kleiner als 11% ist, sind diese Effekte in ihrer Wirkung ungenügend.
Andererseits gilt aber, daß dann, wenn der Cr-Anteil 18% übersteigt, der Anteil an fest
löslichem Chrom in der Matrix ansteigt und die Abriebfestigkeit erhöht wird. Die
Festigkeit des Ringes wird aber ebenfalls hierdurch erhöht und die Zähigkeit des
Ringes reduziert. Aus diesem Grunde ist der Chromanteil auf einen Bereich von 11 -
18% reduziert.
Silizium ist ein Element, welches als Deoxidationsmittel wirkt und die Festigkeit gegen
Anlagerung verbessert. Diese Effekte von Silizium sind bei einem Si-Anteil von 0,2%
oder mehr feststellbar. Falls der Si-Anteil aber 0,5% übersteigt, wird die
Verarbeitbarkeit reduziert und die Zähigkeit beeinträchtigt. Aus diesem Grunde ist der
Anteil an Si vorzugsweise auf einen Bereich von 0,2 bis 0,5% beschränkt.
Mn ist ein Element, welches ebenfalls als Deoxidationsmittel wirkt und die Festigkeit
sowie die Heißverarbeitbarkeit verbessert. Diese Effekte von Mn lassen sich bei einem
Mn-Anteil von 0,2% oder mehr feststellen. Andererseits gilt, daß dann, wenn der Anteil
an Mn 0,5% übersteigt, die Kaltverarbeitbarkeit während des Formens des Ringes
reduziert wird. Aus diesem Grunde ist der Anteil an Mn vorzugsweise auf einen
Bereich zwischen 0,2-0,5% beschränkt.
Um die Abriebfestigkeit und Beständigkeit gegen Abnutzung sowie die
Hitzebeständigkeit zu erhöhen, kann die Legierung noch enthalten Ni: 0,6 oder
weniger, Mo: 1,25% oder weniger und V: 0,15% oder weniger.
Der Rest bildet Eisen und Verunreinigungen. Als Verunreinigungen sind zulässig P:
0,04% oder weniger und S: 0,09% oder weniger.
Bei dem ersten Druckring ist eine gehärtete Oberflächenschicht wenigstens an der
Gleitfläche des Ringes gebildet. Die gehärtete Oberflächenschicht ist vorzugsweise als
nitrierte Schicht ausgebildet und bevorzugt ist eine PVD behandelte Schicht als obere
Schicht der Nitridschicht vorgesehen. Die Art und Weise der Bildung der Nitridschicht
ist bei der Erfindung nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt. Bekannte
Verfahren, wie beispielsweise Gasnitrierung, Ionen-Nitrierung, Salzbad-Nitrierung oder
Schwefelinfiltrations-Nitrierung usw. können verwendet werden. Speziell wird bei der
Erfindung die Gasnitrierung bevorzugt, und zwar unter Verwendung einer
Amoniumgasatmosphäre oder einer Mischgasatmosphäre aus Amoniumgas und
Stickstoff. Die nitrierte Schicht kann weiterhin auch auf allen Oberflächen zusätzlich
zur Gleitfläche des Kolbenringes vorgesehen werden. Die Härte der
Oberflächenschicht, die auf der Oberfläche des Kolbenringes erzeugt wird, liegt
vorzugsweise im Bereich zwischen 900 und 1400 Hv. Da das sogenannte "white
chip", welches bei der Nitrierung auf der Oberflächenschicht gebildet ist, hart und
spröde ist, wird diese Verbindung vorzugsweise durch eine materialabtragende
Bearbeitung entfernt, beispielsweise durch Läppen oder dergleichen. Die Dicke der
gehärteten Oberflächenschicht aus der Nitridschicht beträgt beispielsweise 70 bis 110
pm. Falls eine PVD behandelte Schicht gebildet ist, beträgt die Dicke der gehärteten
Schicht, die von der Nitridschicht gebildet ist, vorzugsweise 10 bis 70 pm und der
PVD behandelten Schicht 5 bis 100 µm. Falls die Dicke der Nitridschicht geringer als
10 µm ist, sind die Wirkungen dieser Schicht unbefriedigend. Andererseits ist in Bezug
auf die Verschleiß- oder Abriebfestigkeit des Kolbenringes eine Nitridschicht mit einer
Dicke größer als 110 µm nicht erforderlich. Falls die Dicke der PVD behandelten
Schicht kleiner als 5 µm ist, sind die Wirkungen dieser Schicht unbefriedigend, und
falls die Dicke der PVD behandelten Schicht 100 µm übersteigen, neigt diese Schicht
zum Ablösen.
Ein erster Druckring 6, ein zweiter Druckring 7 und ein Ölring 12 mit einem
ringförmigen Expander werden unter Verwendung von Stahlmaterialien, die in der
Tabelle 1 aufgeführt sind, hergestellt. Diese Ringe werden in einem Dieselmotor mit
direkter Einspritzung und in einem Dieselmotor mit einer Hilfskammer eingebaut, und
zwar in der Kombination der Tabelle 3 und es wurden Tests unter Verwendung
üblicher Motoren durchgeführt. Nach den Tests wurde die Größe der Abnutzung an
den Gleitflächen der Kolbenringe überprüft.
Hierbei wurden als Versuchsmotoren ein Dieselmotor mit direkter Einspritzung und
ein Dieselmotor mit zusätzlicher Kammer verwendet, wobei jeder Motor eine Reihe
von vier Zylindern, einen Bohrungsinnendurchmesser von 92 mm und einen
Kolbenhub von 2000 cc aufwiesen. Die weiteren Testbedingungen waren 4000
Umdrehungen pro Minute Vollast und 300 Stunden, Wassertemperatur 95°C und
Öltemperatur 130° (unter Verwendung eines Motoröls 10 W-30).
Die Größe jedes Kolbenrings sowohl bei dem Dieselmotor mit Direkteinspritzung als
auch bei dem Motor mit Hilfskammer waren wie folgt:
Erster Druckring: Breite: 2 mm x Dicke: 3,35 mm,
Zweiter Druckring: Breite 1,5 mm x Dicke: 3,3 mm,
Ölring: Breite: 3 mm x Dicke: 2, 35 mm.
Erster Druckring: Breite: 2 mm x Dicke: 3,35 mm,
Zweiter Druckring: Breite 1,5 mm x Dicke: 3,3 mm,
Ölring: Breite: 3 mm x Dicke: 2, 35 mm.
Die Bedingungen für das Nitrieren und Härten der Umfangsflächen der Kolbenringe
sind in der Tabelle 2 angegeben.
Die Ergebnisse der Tests unter Verwendung von marktüblichen Motoren sind in der
Tabelle 3 wiedergegeben. Die Größe der Abnutzung des Kolbenrings ergab sich
jeweils als Reduzierung des Anteils der Dicke an der Gleitposition.
Entsprechend der Kombination der Kolbenringe bei dem Beispiel der vorliegenden
Erfindung läßt sich also ein Kolbenring für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung
erreichen, der eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung besitzt. Die
Kolbenringe der vorliegenden Erfindung zeigen auch zufriedenstellende Wirkung bei
ihrer Verwendung als zweiter Druckring oder als Ölring bei einem Dieselmotor mit
direkter Einspritzung. Bei den vergleichenden Beispielen, in denen die Kolbenringe der
vorliegenden Erfindung als zweiter Druckring oder als Ölring bei einem Dieselmotor
mit Hilfskammer verwendet sind, ist die Abriebfestigkeit ungenügend.
Entsprechend der Erfindung kann ein Kolbenring geschaffen werden, der die
erforderliche Abriebfestigkeit erfüllt, und nur eine geringe Menge an Chrom-Edelstahl
mit einem hohen Chromanteil enthält und daher preiswert ist. Aus diesem Grunde
schafft die Erfindung wertvolle neue Aspekte für die Industrie. Weiterhin werden, da
eine Chrombeschichtung nicht notwendig ist, auch Umweltprobleme vermieden.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht
sich, daß für einen Fachmann zahlreiche Änderungen oder Abwandlungen möglich
sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke verlassen wird.
Die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldungen wird hiermit durch
Bezug auf diese Anmeldung mit eingeschlossen.
Claims (4)
1. Kolbenring für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolbenring aus einem Stahl gefertigt ist, der in Gewichtsprozent 0,4-0,8%
Kohlenstoff und 6-11% Chrom enthält, und daß eine Schicht durch Nitrieren
zumindest auf der Gleitfläche des Kolbenrings erzeugt ist.
2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitridschicht eine
Härte von 800-1100 Hv aufweist.
3. Kolbenringkombination für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Druckring aus einem korrossionsfreien Martensit-
Stahl hergestellt ist, der in Gewichtsprozent 0,4-1, 2% Kohlenstoff und 11-18%
Chrom aufweist und eine gehärtete Oberflächenschicht aus einer Nitridschicht
zumindest auf der Gleitfläche des ersten Druckringes aufweist sowie optional eine
PVD behandelte Schicht des oberen Bereichs bzw. der oberen Schicht der
Nitridschicht, und daß ein zweiter Druckring aus einem Stahl gefertigt ist, der in
Gewichtsprozent 0,4-0,8% Kohlenstoff und 6-11% Chrom aufweist, und daß eine
Nitridschicht zumindest an der Gleitfläche des wenigstens einen zweiten
Druckringes vorgesehen ist.
4. Kolbenringkombination für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung nach
Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte der gehärteten
Oberflächenschicht, die an der Gleitfläche des ersten Kolbenringes gebildet ist, 900
Hv oder mehr beträgt, und daß die Härte der gehärteten Schicht, die an der
Gleitfläche des zweiten Druckringes gebildet ist, 800-1100 Hv beträgt.
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