DE3903722A1 - Kolben-kolbenring-anordnung fuer einen verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Kolbenring-Anordnung für ei­ nen Verbrennungsmotor, die zum Unterdrücken des Anklebens der Aluminiumlegierung des Kolbens an einem Kolbenring behandelt worden ist.

Eine Kolben-Kolbenring-Anordnung bzw. -Baueinheit für die Ver­ wendung in einem Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor muß hitzebe­ ständig sein. Der Kolben wird im allgemeinen aus einer Legie­ rung mit Aluminium als Grundmetall (nachstehend als Aluminium­ legierung bezeichnet) hergestellt, um den Kolben leicht zu ma­ chen. Wenn der Motor läuft und die Temperatur der Kolben-Kol­ benring-Anordnung hoch wird, nimmt die Härte der Aluminiumle­ gierung des Kolbens ab, und die Aluminiumlegierung neigt dazu, an dem Kolbenring anzukleben, was dazu führt, daß der Kolben­ ring an der Kolbenringnut anhaftet. Sobald dieses Anhaften eingetreten ist, ist die Fähigkeit des Kolbens, der Oberfläche der Zylinderbohrung zu folgen, vermindert, was zu einem star­ ken Abrieb des Kolbenringes und der Zylinderbohrung führt. Fer­ ner wird durch den starken Abrieb die Temperatur des Kolbenrin­ ges, insbesondere die Temperatur desjenigen Bereiches des Kol­ benringes, wo die Umfangsenden des Kolbenringes aneinandersto­ ßen, erhöht, wodurch ein örtliches Schmelzen der Wand der Kol­ benringnut verursacht werden kann. Folglich sollte ein Anhaf­ ten des Kolbenringes an dem Kolben verhindert werden.

Es sind drei typische Verfahren zum Verhindern des Anhaftens eines Kolbenringes an einem Kolben bekannt. Bei dem ersten Verfahren, das aus der Japanischen Gebrauchsmusterpublikation 81 756/1984 bekannt ist, werden beim Guß keramische Fasern in einen Kolbenbereich, der einer Kolbenringnut nahe ist, einge­ bracht. Bei dem zweiten Verfahren wird eine Kolbenringnut ei­ ner Oberflächenbehandlung wie z.B. einer Anodisierungsbehand­ lung (d.h., einer anodischen Oxidationsbehandlung) unterzogen. Das zweite Verfahren kann die Anodisierungsbehandlung und eine Ionenplattierung, durch die auf der gehärteten Schicht, die durch die Anodisierungsbehandlung gebildet worden ist, ferner eine Titannitridschicht gebildet wird, umfassen, wie es aus der Japanischen Gebrauchsmusterpublikation 1 37 361/1987 bekannt ist. Bei dem dritten Verfahren, das aus der Japanischen Ge­ brauchsmusterpublikation 82 552/1985 bekannt ist, wird auf ei­ nem Kolbenring ein Überzug gebildet, der Polytetrafluorethylen enthält, das ein gutes Schmiervermögen und ein schlechtes Haft­ vermögen hat, um zu verhindern, daß ein Fremdstoff einschließ­ lich der Aluminiumlegierung des Kolbens an dem Kolbenring an­ klebt.

Aus der Japanischen Gebrauchsmusterpublikation 1 84 346/1984 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Ölring aus Polyimidharz her­ gestellt wird, um das Schmiervermögen des Kolbenringes zu ver­ bessern, jedoch hat dieses Verfahren nicht den Zweck, das An­ kleben der Aluminiumlegierung eines Kolbens an einem Kolben­ ring zu verhindern.

Die vorstehend beschriebenen Verfahren haben jedoch die folgen­ den Nachteile:

Wenn das Verfahren angewandt wird, bei dem beim Guß keramische Fasern in einen Kolben eingebracht werden, ist es notwendig, den Schwerkraftguß durch den Druckguß zu ersetzen, um die Alu­ miniumlegierung in bzw. zwischen die keramischen Fasern ein­ dringen zu lassen, wodurch die Kosten des Gusses erhöht werden.

Wenn das Verfahren angewandt wird, bei dem eine Oberfläche einer Kolbenringnut einer Anodisierungsbehandlung unterzogen wird, wird die Oberfläche durch die Anodisierungsbehandlung aufgerauht, und die aufgerauhte Oberfläche erhöht die Menge des Gases und des Öls, die durch in der aufgerauhten Oberflä­ che gebildete Zwischenräume hindurchgehen, so daß die Menge des vorbei- bzw. durchblasenden Gases und der Ölverbrauch zu­ nehmen.

Wenn das Verfahren angewandt wird, bei dem auf einem Kolben­ ring ein Überzug aus Polytetrafluorethylen gebildet wird, tritt ein starker Abrieb ein, sobald der Überzug von dem Kol­ benring abgerieben ist. Dieses Verfahren ist folglich hinsicht­ lich der Haltbarkeit weniger zuverlässig als das Verfahren, bei dem eine Oberfläche einer Kolbenringnut einer Anodisie­ rungsbehandlung unterzogen wird.

Das Verfahren der Herstellung eines ganzen Ringes aus Poly­ imidharz kann zwar auf einen Ölring angewandt werden, der ei­ ner verhältnismäßig niedrigen Temperatur ausgesetzt ist, je­ doch kann es nicht auf einen obersten Kolbenring, der einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, angewandt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolben-Kolben­ ring-Anordnung bereitzustellen, bei der das Ankleben der Alu­ miniumlegierung eines Kolbens an einem Kolbenring in hohem Ma­ ße unterdrückt ist und folglich die Hitzebeständigkeit und die Haltbarkeit der Anordnung in hohem Maße verbessert sind, ohne daß sie von einer Zunahme der Menge des vorbei- bzw. durchbla­ senden Gases und des Ölverbrauchs begleitet sind.

Die vorstehend beschriebene Aufgabe kann durch eine erfindungs­ gemäße Kolben-Kolbenring-Anordnung für einen Verbrennungsmotor gelöst werden. Die erfindungsgemäße Kolben-Kolbenring-Anord­ nung für einen Verbrennungsmotor umfaßt einen Kolben, der aus einer Legierung mit Aluminium als Grundmetall besteht, und Kol­ benringe, die in Kolbenringnuten, die in dem Kolben ausgebil­ det sind, eingepaßt sind. Jede der Kolbenringnuten ist durch eine Nutoberfläche abgegrenzt, die, wenn der Kolben senkrecht ausgerichtet ist, eine obere Nutfläche, eine untere Nutfläche und eine Nut-Seitenfläche, die die obere Nutfläche und die un­ tere Nutfläche verbindet, umfaßt. Wenigstens eine untere Nut­ fläche wenigstens einer obersten Kolbenringnut ist einer Ober­ flächenhärtungsbehandlung von der Art, die mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden ist, unterzogen worden. Je­ der der Kolbenringe weist, wenn der Kolben senkrecht ausgerich­ tet ist, eine obere Ringfläche, eine untere Ringfläche und ei­ ne radial innere Ring-Seitenfläche auf, die der oberen Nutflä­ che, der unteren Nutfläche bzw. der Nut-Seitenfläche gegenüber­ liegen. Wenigstens auf einer der gehärteten Oberfläche der Kolbenringnut gegenüberliegenden Oberfläche eines Kolbenringes ist ein Überzug ausgebildet, der als Grundmaterial des Überzu­ ges ein Harz mit einem ausgezeichneten Haftvermögen enthält. Polytetrafluorethylen sollte in dem Harz mit einem ausgezeich­ neten Haftvermögen nicht enthalten sein.

Die untere Nutfläche der obersten Kolbenringnut ist scharfen Hitze- und Belastungsbedingungen ausgesetzt. Ein der unteren Nutfläche der obersten Kolbenringnut naher Bereich des Kolbens wird jedoch unter Bildung einer gehärteten Schicht gehärtet, weil wenigstens die untere Nutfläche der obersten Kolbenring­ nut der Oberflächenhärtungsbehandlung unterzogen wird. Die Knoop-Härte H_k der gehärteten Schicht beträgt z. B. 300 bis 450, während die Knoop-Härte H_k der ungehärteten Aluminiumlegierung des Kolbens weniger als 200 beträgt. Dieses Härten der Nutober­ fläche verhindert wirksam das Ankleben der Aluminiumlegierung des Kolbens an dem Kolbenring und verbessert die Hitzebestän­ digkeit der Anordnung in hohem Maße.

Die Oberflächenhärtungsbehandlung umfaßt beispielsweise eine Anodisierungsbehandlung. Wenn die Nutoberfläche der Kolbenring­ nut der Anodisierungsbehandlung bis zu einem derartigen Grade unterzogen wird, daß die in einer zu der Nutoberfläche senk­ rechten Richtung gemessene Dicke der gehärteten Schicht 10 bis 20 µm beträgt, hat die rauhe bzw. unebene Oberfläche der ge­ härteten Schicht eine Rauhigkeit von 4 bis 16 µm, wobei diese Rauhigkeit durch den Abstand zwischen einem Gipfel und einem Tal der rauhen Außenfläche, der in der zu der Nutoberfläche senkrechten Richtung gemessen wird, ausgedrückt wird. Weil die Täler der rauhen Oberfläche vorbei- bzw. durchblasendes Gas und Öl durchlassen und als Folge die Menge des vorbei- bzw. durchblasenden Gases und den Ölverbrauch erhöhen, sollten sol­ che Täler eine geringe Größe haben. Man könnte sich zwar vor­ stellen, die rauhe Oberfläche der Kolbenringnut zu schleifen, jedoch ist das Schleifen nicht durchführbar, weil es schwierig ist, in die Kolbenringnut, die eine Größe von 1 bis 2 mm hat, ein Schleifwerkzeug einzusetzen, und weil das Schleifen im Ver­ gleich zum Fräsen teuer ist.

Gemäß der Erfindung wirkt der auf der Kolbenringoberfläche ge­ bildete Überzug derart, daß er die Täler der rauhen Oberfläche der Kolbenringnut füllt. Im einzelnen bewegt sich der Kolben­ ring relativ zu der Kolbenringnut in der Umfangsrichtung des Kolbens sowie in der Axialrichtung des Kolbens, wenn sich der Kolben in dem Zylinder hin- und hergehend bewegt. Die Oberflä­ che des Kolbenringes und die rauhe Oberfläche der Kolbenring­ nut werden infolgedessen abgerieben. Der Harzüberzug des Kol­ benringes wird allmählich von dem Kolbenring abgerieben und haftet an der Kolbenringnut an, wobei das Harz die Täler der rauhen Oberfläche der Kolbenringnut füllt, weil es ein ausge­ zeichnetes Haftvermögen hat. Ein Material wie z.B. Polyamid­ harz oder Polyimidharz hat ein ausgezeichnetes Haftvermögen und haftet gut an der rauhen Oberfläche der Kolbenringnut an und ist in das Material des Überzuges einzuschließen, während Polytetrafluorethylen, das an keiner Oberfläche gut anhaften kann, in das Material des Überzuges nicht eingeschlossen wer­ den sollte. Wenn das Harz, das an der rauhen Oberfläche der Kolbenringnut angehaftet hat, durch den Kolbenring, der den Verbrennungsdruck des Motors aufnimmt, gedrückt wird, wird das anhaftende Harz verformt, so daß es die Täler der rauhen Oberfläche der Kolbenringnut füllt. Als Folge wird der Durch­ gang von Luft und Öl durch die Täler der rauhen Oberfläche wirksam verhindert, so daß eine Zunahme der Menge des vorbei­ blasenden Gases und des Ölverbrauchs unterdrückt wird.

Die gegenwärtig bevorzugten Beispiele für Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die bei­ gefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1A ist eine Schnittzeichnung eines Bereichs eines Kolbens einschließlich einer Kolbenringnut und eines in die Kolben­ ringnut eingepaßten Kolbenringes gemäß einer ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung.

Fig. 1B ist eine Schnittzeichnung eines Bereichs eines Kolbens einschließlich einer Kolbenringnut und eines in die Kolben­ ringnut eingepaßten Kolbenringes gemäß einer zweiten Ausfüh­ rungsform der Erfindung.

Fig. 2A ist eine vergrößerte Teil-Schnittzeichnung einer Ober­ fläche der Kolbenringnut von Fig. 1A.

Fig. 2B ist eine vergrößerte Teil-Schnittzeichnung einer Ober­ fläche der Kolbenringnut von Fig. 1B.

Fig. 3 ist eine Schnittzeichnung einer vollständigen Kolben- Kolbenring-Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform der Er­ findung, die auch auf die zweite Ausführungsform der Erfindung anwendbar ist.

Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse von Ölverbrauchs­ versuchen veranschaulicht, die mit drei erfindungsgemäßen An­ ordnungen und mit drei Vergleichsanordnungen, die keine Überzü­ ge hatten, durchgeführt wurden.

Fig. 3 veranschaulicht eine Kolben-Kolbenring-Anordnung für einen Verbrennungsmotor. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, weist ein Kolben 2 wenigstens eine Kolbenringnut, z.B. zwei Kolbenring­ nuten 4 und 6, und eine unterhalb der Kolbenringnuten 4 und 6 angeordnete Ölringnut 8 auf. In die Kolbenringnuten 4 und 6 sind Kolbenringe 10 bzw. 12 lose eingepaßt, und ein Ölring 14 ist in die Ölringnut 8 lose eingepaßt. Die Kolbenringnuten 4 und 6 und die Ölringnut 8 erstrecken sich in Umfangsrichtung über den gesamten Umfang des Kolbens 2. Wenn der Kolben 2, wie gezeigt, in senkrechter Richtung ausgerichtet ist, ist die in der höchsten Lage angeordnete Kolbenringnut die oberste Kolben­ ringnut 4; die in der zweithöchsten Lage angeordnete Kolben­ ringnut ist die zweite Kolbenringnut 6; und bei (nicht gezeig­ ten) Kolbenringnuten, die in der dritt-, viert-, ...thöchsten Lage angeordnet sind, handelt es sich um die dritte, vierte, ...te Kolbenringnut. Entsprechend ist der in die oberste Kol­ benringnut 4 eingepaßte Kolbenring der oberste Kolbenring 10; der in die zweite Kolbenringnut 6 eingepaßte Kolbenring ist der zweite Kolbenring 12; und bei (nicht gezeigten) Kolbenrin­ gen, die in die dritte, vierte, ...te Kolbenringnut eingepaßt sind, handelt es sich um den dritten, vierten, ...ten Kolben­ ring.

Wie in Fig. 1A und 1B gezeigt ist, weist jede Kolbenringnut 4, 6 eine untere Nutfläche 4 a bzw. 6 a, eine obere Nutfläche 4 b bzw. 6 b und eine Nut-Seitenfläche 4 c bzw. 6 c auf. Die Nut-Sei­ tenfläche 4 c verbindet die obere Nutfläche 4 b und die untere Nutfläche 4 a, und die Nut-Seitenfläche 6 c verbindet die obere Nutfläche 6 b und die untere Nutfläche 6 a. Entsprechend weist jeder Kolbenring 10, 12 eine untere Ringfläche 10 a bzw. 12 a, eine obere Ringfläche 10 b bzw. 12 b, eine radial innere Ring- Seitenfläche 10 c bzw. 12 c und eine radial äußere Ring-Seiten­ fläche 10 d bzw. 12 d auf.

Der Kolben 2 empfängt an seiner Oberseite, die den darüberlie­ genden Verbrennungsraum des Motors abgrenzt, den Wärmefluß aus dem Verbrennungsraum. Der Wärmefluß strömt dann über die Kol­ benringe 10 und 12 und den Ölring 14 zu dem Zylinder des Mo­ tors. Der größte Teil des Wärmeflusses strömt über den ober­ sten Kolbenring 10 zu dem Zylinder. Folglich wird ein dem ober­ sten Kolbenring 10 naher Bereich des Kolbens 2 stark erhitzt, z.B. bis auf eine Temperatur von 200 bis 300°C. Die untere Nutfläche 4 a der obersten Kolbenringnut 4 wird bis auf eine Temperatur von nicht weniger als 200°C erhitzt. Die untere Nut­ fläche 4 a der obersten Kolbenringnut 4 empfängt die stärkste Belastung, weil der oberste Kolbenring 10 gegen die untere Nut­ fläche 4 a der obersten Kolbenringnut 4 gedrückt wird, wenn der Verbrennungsdruck des Motors auf den obersten Kolbenring 10 einwirkt.

Der Kolben 2 besteht aus einer Aluminiumlegierung. Wenn der Kolben keiner Oberflächenbehandlung unterzogen würde, würde die Aluminiumlegierung des Kolbens erweichen, wenn der Kolben bis auf eine Temperatur von 200 bis 230°C erhitzt wird, und die erweichte Aluminiumlegierung des Kolbens würde an dem ober­ sten Kolbenring ankleben. Wie in Fig. 1A und 1B gezeigt ist, wird die Nutoberfläche der Kolbenringnut im Rahmen der Erfin­ dung einer Oberflächenhärtungsbehandlung von der Art, die mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden ist, unter­ zogen, um ein solches Ankleben zu unterdrücken. Insbesondere wird wenigstens die untere Nutfläche 4 a wenigstens der ober­ sten Kolbenringnut 4 der Oberflächenbehandlung unterzogen.

Der Grund dafür, daß wenigstens die oberste Kolbenringnut 4 der Oberflächenhärtungsbehandlung unterzogen werden sollte, be­ steht darin, daß die oberste Kolbenringnut 4 den schärfsten Hitzebedingungen ausgesetzt ist. Gewünschtenfalls können auch die Oberflächen der zweiten Kolbenringnut 6 und anderer Kolben­ ringnuten der Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Der Grund dafür, daß wenigstens die untere Nutfläche 4 a der ober­ sten Kolbenringnut 4 der Oberflächenbehandlung unterzogen wer­ den sollte, besteht darin, daß die untere Nutfläche 4 a der obersten Kolbenringnut 4 die stärkste Belastung empfängt. Ge­ wünschtenfalls können auch die obere Nutfläche 4 b, 6 b und/oder die Nut-Seitenfläche 4 c, 6 c jeder Kolbenringnut 4, 6 und die untere Nutfläche 6 a der zweiten Kolbenringnut 6 der Oberflä­ chenbehandlung unterzogen werden. Die Oberflächenbehandlung, die mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden ist, umfaßt beispielsweise eine Anodisierungsbehandlung. Die Anodi­ sierungsbehandlung ist ein an sich bekanntes Verfahren.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 1A und 2A gezeigt ist, besteht die Oberflächenhärtungsbehandlung, die mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden ist, nur aus einer Anodisierungsbehandlung. Durch die Anodisierungs­ behandlung wird in einem der Nutoberfläche nahen Bereich des Kolbens 2 eine gehärtete Schicht 16 gebildet. Die Außenflä­ che der gehärteten Schicht 16 befindet sich außerhalb der ur­ sprünglichen Lage der Nutoberfläche in einer zu der Nutoberflä­ che senkrechten Richtung, und die innere Grenzfläche der ge­ härteten Schicht 16 befindet sich innerhalb der ursprünglichen Lage der Nutoberfläche in der zu der Nutoberfläche senkrechten Richtung. Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 1B und 2B gezeigt ist, besteht die Oberflächenhärtungs­ behandlung, die mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden ist, aus einer Anodisierungsbehandlung für die Bil­ dung einer gehärteten Schicht 16 und aus einer Ionenplattie­ rung von Titannitrid für die Bildung einer Titannitridschicht 20 auf der Außenfläche der gehärteten Schicht 16.

Wenn die Oberfläche der Kolbenringnut 4, 6 der Anodisierungs­ behandlung unterzogen wird, wird die Nutoberfläche aufgerauht und bildet eine rauhe bzw. unebene Oberfläche 22, die die Au­ ßenfläche der gehärteten Schicht 16 festlegt (siehe Fig. 2A). Die Rauhigkeit der rauhen Oberfläche bzw. Außenfläche 22 wird vorzugsweise derart eingestellt, daß der Abstand d zwischen einem Gipfel bzw. einer Spitze 22 a und einem Tal bzw. Boden 22 b der rauhen Oberfläche 22, der in einer zu der Nutoberflä­ che, die der Anodisierungsbehandlung unterzogen worden ist, senkrechten Richtung gemessen wird, 4 bis 16 µm beträgt. Die Rauhigkeit kann eingestellt werden, indem die Zeit eingestellt wird, für die der Kolben in die Anodisierungsbehandlungsflüs­ sigkeit eingebracht wird. Ein Bereich der Kolbenringnut, der der Anodisierungsbehandlung nicht unterzogen werden soll, wird abgedeckt, wenn der Kolben in die Anodisierungsbehandlungsflüs­ sigkeit eingebracht wird. Wie in Fig. 2B gezeigt ist, wird im Fall der zweiten Ausführungsform, bei der auf der gehärteten Schicht 16 die Titannitridschicht 20 gebildet wird, die Außen­ fläche 24 der Titannitridschicht 20 derart gebildet, daß sie im wesentlichen dieselbe Rauhigkeit wie die rauhe Oberfläche 22 der gehärteten Schicht 16, die nur durch Anwendung der Ano­ disierungsbehandlung erhalten wird, hat, weil die Titannitrid­ schicht 20 dazu neigt, den Konturen der rauhen Oberfläche 22 der gehärteten Schicht 16 zu folgen.

Fig. 1A und 1B veranschaulichen eine Kolbenringnut 4, 6 und ei­ nen Kolbenring 10, 12, der in der entsprechenden Kolbenringnut 4, 6 angeordnet ist. Wenn die Oberflächenbehandlung der Kol­ benringnut 4, 6 eine Anodisierungsbehandlung umfaßt, wie es in Fig. 2A und 2B gezeigt ist, beträgt die in einer zu dem Be­ reich der ursprünglichen Nutoberfläche, der der Anodisierungs­ behandlung unterzogen wurde, senkrechten Richtung gemessene Dicke D der gehärteten Schicht 16, die in dem Kolben 2 durch Anwendung der Anodisierungsbehandlung gebildet worden ist, vor­ zugsweise 10 bis 20 µm. Der Grund dafür, daß die gehärtete Schicht 16 vorzugsweise in einer Dicke gebildet wird, die we­ nigstens 10 µm beträgt, besteht darin, daß eine gewünschte Haltbarkeit der Anordnung gewährleistet werden soll, weil die gehärtete Schicht 16, wie hoch ihre Härte auch sein mag, wäh­ rend eines Langzeitbetriebes des Motors allmählich abgerieben wird. Der Grund dafür, daß die gehärtete Schicht 16 vorzugswei­ se in einer Dicke gebildet wird, die höchstens 20 µm beträgt, besteht darin, daß der Abstand d zwischen einem Gipfel bzw. einer Spitze 22 a und einem Tal bzw. Boden 22 b der Rauhigkeit die zulässige Grenze für den Abstand d in um so höherem Maße zu überschreiten pflegt, je dicker die gehärtete Schicht 16 ist. Wenn die obersten Bereiche der rauhen Oberfläche 22 abge­ rieben werden, nimmt der Zwischenraum zwischen der Nutoberflä­ che und dem Kolbenring allmählich zu. Wenn dieser Zwischenraum schließlich die zulässige Grenze für den Zwischenraum, die der zulässigen Grenze für den Abstand d entspricht, überschreitet, hat der Kolbenring in der Kolbenringnut eine unstabile Bewe­ gung, wodurch eine unzulässige Zunahme der Menge des vorbeibla­ senden Gases und des Ölverbrauchs verursacht wird.

Die Anodisierungsbehandlung wird durchgeführt, indem ein Be­ reich der Kolbenoberfläche, der der Anodisierungsbehandlung nicht unterzogen werden soll, abgedeckt und der abgedeckte Kolben in die Anodisierungsbehandlungsflüssigkeit, die Oxalsäu­ re und Schwefelsäure enthält, eingebracht wird. Die Anodi­ sierungsbehandlung wird derart gesteuert, daß die gehärtete Schicht 16 eine in der zu der Oberfläche senkrechten Richtung gemessene Dicke von 10 bis 20 µm hat. Wenn die Dicke der ge­ härteten Schicht 16 den vorstehend beschriebenen Wert erreicht hat, beträgt die resultierende Rauhigkeit der rauhen Außenflä­ che der gehärteten Schicht 16, die durch den Abstand d zwi­ schen dem Gipfel bzw. der Spitze 22 a und dem Tal bzw. dem Bo­ den 22 b der rauhen Oberfläche 22 ausgedrückt wird, 4 bis 16 µm.

Wenn die Oberflächenhärtungsbehandlung eine Anodisierungsbe­ handlung umfaßt, hat die gehärtete Schicht 16 eine Knoop-Härte H_k von 300 bis 450. Weil der H_k-Wert der Aluminiumlegierung selbst weniger als 200 beträgt, kann festgestellt werden, daß derjenige Bereich des Kolbens, der der Nutoberfläche nahe ist, durch die Anodisierungsbehandlung in hohem Maße gehärtet wird. Eine gehärtete Schicht 16 mit einem H_k-Wert von 300 bis 450 kann eine Temperatur von 300°C aushalten, ohne zu erweichen. Weil die maximale Temperatur, der die untere Nutfläche 4 a der obersten Kolbenringnut 4 ausgesetzt sein kann, weniger als 300°C beträgt, kann die gehärtete Schicht 16 die maximale Tempera­ tur von weniger als 300°C aushalten und verhindert wirksam, daß ein Ankleben der Aluminiumlegierung an dem Kolbenring ein­ tritt.

Wie vorstehend erläutert wurde, ist die Oberfläche der gehär­ teten Schicht 16 eine rauhe Oberfläche. Solch eine rauhe Ober­ fläche würde infolgedessen von einer Zunahme der Menge des vor­ beiblasenden Gases und des Ölverbrauchs begleitet sein, wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen würden. Als Gegenmaßnahme für die Unterdrückung einer solchen Zunahme der Menge des vorbei­ blasenden Gases und des Ölverbrauchs wird im Rahmen der Erfin­ dung auf derjenigen Oberfläche der Kolbenringe 10, 12, die bei der ersten Ausführungsform der rauhen Oberfläche 22 der gehär­ teten Schicht 16 der Kolbenringnut oder bei der zweiten Ausfüh­ rungsform der rauhen Oberfläche 24 der Titannitridschicht 20 der Kolbenringnut gegenüberliegt, ein Überzug 18 gebildet, der als sein Grundmaterial ein Harz mit einem ausgezeichneten Haft­ vermögen enthält, wie es in Fig. 1A und 1B gezeigt ist. Unter einem Harz mit einem ausgezeichneten Haftvermögen ist ein Harz zu verstehen, das Fremdstoffe nicht abweist bzw. nicht aus­ schließt und dazu neigt, an jeder Art von Oberfläche gut anzu­ haften. Polytetrafluorethylen, das Fremdstoffe abweist bzw. ausschließt sowie ein hohes Schmiervermögen hat, sollte folg­ lich nicht in das Harz mit einem ausgezeichnetem Haftvermögen eingeschlossen werden.

In das Harz mit einem ausgezeichneten Haftvermögen sind z.B. Polyamidharz und Polyimidharz eingeschlossen. Die zulässige Temperaturgrenze für die Verwendung von Polyamidharz und Poly­ imidharz liegt in dem Bereich von 170°C bis 360°C. Der Überzug 18 kann die Temperatur aushalten, der der Kolbenring ausge­ setzt ist, wenn als Material des Überzuges 18 ein Harz verwen­ det wird, das aus Polyamidharz und Polyimidharz ausgewählt ist. Ferner können Polyamidharz und Polyimidharz dem Kolbenring bei seiner Axial- und Umfangsbewegung relativ zu der Kolbenringnut ein gutes Schmiervermögen verleihen.

Der Überzug 18 kann in seinem Material mindestens eine Art ei­ nes Materials enthalten, das aus Molybdändisulfid (MoS₂), Gra­ phit (C) und Dioxid des Ferrittyps ausgewählt ist. Diese Mate­ rialien wirken derart, daß sie die Hitzebeständigkeit des Über­ zuges 18, der das Harz mit einem ausgezeichneten Haftvermögen enthält, erhöhen. Falls der Überzug 18 Graphit enthält, wird ferner das Schmiervermögen des Überzuges 18 verbessert.

Die Dicke t des Überzuges 18 beträgt vorzugsweise 3 bis 13 µm. Die Untergrenze von 3 µm wird aus dem Harzvolumen ermittelt, das erforderlich ist, um die Täler der rauhen Nutoberfläche 22, 24 der Kolbenringnut zu füllen, wenn während des Betriebes des Motors ein Teil des Überzuges 18 von dem Kolbenring entfernt wird und sich zu der Oberfläche der Kolbenringnut bewegt und an dieser Oberfläche anhaftet, so daß die Täler der rauhen Nut­ oberfläche 22, 24 allmählich gefüllt werden. Im einzelnen er­ folgt das Füllen der Täler der rauhen Nutoberfläche 22, 24 auf die folgenden zwei Weisen. Eine Füllweise besteht darin, daß zuerst ein Teil des Harzes des Überzuges 18 von dem Kolbenring entfernt wird, indem der Überzug 18 bei der ersten Ausführungs­ form durch die rauhe Oberfläche 22 der gehärteten Schicht 16 oder bei der zweiten Ausführungsform durch die rauhe Oberflä­ che 24 der Titannitridschicht 20 abgerieben wird, und daß das Harz dann an der rauhen Oberfläche 22, 24 anhaftet, wobei das Harz, das an der rauhen Oberfläche 22, 24 angehaftet hat, ver­ formt wird und die Täler der rauhen Oberfläche 22, 24 füllt, wenn es durch den Kolbenring gegen die rauhe Oberfläche 22, 24 gedrückt wird. Die andere Füllweise besteht in Folgendem: Wenn der Kolbenring fest gegen die rauhe Oberfläche 22, 24 gedrückt wird, dringen die obersten Bereiche der rauhen Nutoberfläche 22, 24 der Kolbenringnut in den Überzug 18 ein, so daß das Harz des Überzuges 18 verformt wird, in die Täler der rauhen Oberfläche 22, 24 der Kolbenringnut eindringt und diese Täler füllt und fest an der rauhen Oberfläche 22, 24 anhaftet, wobei das Harz auf der Seite der rauhen Oberfläche 22, 24 bleibt und die Täler der rauhen Oberfläche 22, 24 füllt, wenn die Haftfe­ stigkeit, die zwischen dem Harz und der rauhen Oberfläche 22, 24 wirkt, größer ist als die Haftfestigkeit, die zwischen dem Harz und dem Kolbenring wirkt. Die Menge der Luft und des Öls, die durch die Täler der rauhen Oberfläche 22, 24 der Kolben­ ringnut hindurchgehen, wird wegen dieser Füllung der Täler der rauhen Oberfläche 22, 24 der Kolbenringnut in hohem Maße unter­ drückt. Andererseits ist bei der Festlegung der Obergrenze von 13 µm der Dicke t des Überzuges 18 berücksichtigt worden, daß der Zwischenraum zwischen dem Kolbenring und der Nutoberfläche auch im Falle der Entfernung des gesamten Überzuges 18 von dem Kolbenring eine zulässige Grenze nicht überschreiten darf, da­ mit das Eintreten einer unstabilen Bewegung des Kolbenringes in der Kolbenringnut verhindert wird. Ein zu großes Ausmaß der freien Bewegung des Kolbenringes 10, 12 in der Kolbenringnut 4, 6 würde eine unzulässige Zunahme der Menge des vorbeiblasen­ den Gases und des Ölverbrauchs verursachen.

Um die Wirkungen des Überzuges 18 auf die Unterdrückung einer Zunahme der Menge des vorbeiblasenden Gases und des Ölverbrau­ ches zu bestätigen, wurden Versuche durchgeführt, bei denen drei Beispiele (n = 3) von erfindungsgemäßen Kolben-Kolbenring- Anordnungen, die jeweils einen Überzug 18 hatten, und drei Bei­ spiele (n′ = 3) von bekannten Kolben-Kolbenring-Anordnungen oh­ ne Überzug verwendet wurden. Die Versuche wurden mit den erfin­ dungsgemäßen Anordnungen und mit den bekannten Anordnungen un­ ter denselben Versuchsbedingungen, d.h., unter Anwendung des­ selben Motors und unter demselben Ansaugdruck und über diesel­ be Zeit, durchgeführt. Jede der erfindungsgemäßen Anordnungen umfaßte einen Kolben, bei dem die Nutoberfläche der obersten Kolbenringnut einer Anodisierungsbehandlung unterzogen worden war, und Kolbenringe einschließlich eines obersten Kolbenrin­ ges, auf den ein Harz mit einem ausgezeichneten Haftvermögen, das Molybdändisulfid und Graphit enthielt, aufgebracht worden war, und jede der bekannten Anordnungen umfaßte einen Kolben, bei dem die Nutoberfläche der obersten Kolbenringnut einer Ano­ disierungsbehandlung unterzogen worden war, und Kolbenringe, auf denen kein Harzüberzug gebildet worden war. In Fig. 4 sind die Versuchsergebnisse in Form von relativen Ölverbrauchssät­ zen gezeigt, wobei der höchste Ölverbrauchssatz gleich 1,0 ge­ setzt wird. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, wurde der Ölver­ brauch im Falle der erfindungsgemäßen Anordnungen auf etwa ein Drittel des Ölverbrauches der bekannten Anordnungen vermindert.

Es wurde angenommen, daß auch die Menge des vorbeiblasenden Gases im wesentlichen in demselben Ausmaß wie der Ölverbrauch vermindert wurde.

Durch die Erfindung werden die folgenden Wirkungen erzielt:

Erstens wird die Hitzebeständigkeit der Kolben-Kolbenring-An­ ordnung in einem hohen und ausreichenden Maße erhöht, weil we­ nigstens die untere Nutfläche 4 a wenigstens der obersten Kol­ benringnut 4 und vorzugsweise auch die untere Nutfläche 6 a der Kolbenringnut 6 einer Oberflächenhärtungsbehandlung von der Art, die mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden ist, unterzogen werden. Die Oberflächenhärtung verhindert wirk­ sam ein Ankleben der Aluminiumlegierung des Kolbens 2 an dem Kolbenring, so daß ein Anhaften des Kolbenringes an der Nut­ oberfläche der Kolbenringnut verhindert wird.

Zweitens nimmt zwar die Rauhigkeit der Nutoberfläche der Kol­ benringnut zu, weil die Nutoberfläche der Kolbenringnut der Oberflächenhärtungsbehandlung unterzogen wird, jedoch werden die Täler der rauhen Oberfläche 22, 24 der gehärteten Schicht 16 mit einem Harz gefüllt, das an der rauhen Oberfläche 22, 24 anhaftet, weil wenigstens auf demjenigen Bereich der Oberflä­ che der Kolbenringe 10, 12, der der gehärteten Schicht 16 der Kolbenringnuten 4, 6 gegenüberliegt, ein Überzug 18 aus einem Harz mit einem ausgezeichneten Haftvermögen gebildet wird, so daß eine Zunahme der Menge des vorbeiblasenden Gases und des Ölverbrauchs wirksam unterdrückt wird.

Drittens wird als kombinierte Wirkung der zwei vorstehend be­ schriebenen Wirkungen die Hitzebeständigkeit der erfindungsge­ mäßen Kolben-Kolbenring-Anordnung in hohem Maße verbessert, ohne daß sie von einer Zunahme der Menge des vorbeiblasenden Gases und des Ölverbrauchs begleitet ist.

Claims (10)

1. Kolben-Kolbenring-Anordnung für einen Verbrennungsmotor mit
einem Kolben (2), der aus einer Legierung mit Aluminium als Grundmetall besteht, wobei der Kolben (2) mit Kolbenringnuten (4, 6) ausgebildet ist und wobei jede der Kolbenringnuten (4, 6) durch eine Nutoberfläche abgegrenzt ist, die, wenn der Kol­ ben (2) senkrecht ausgerichtet ist, eine obere Nutfläche (4 b, 6 b), eine untere Nutfläche (4 a, 6 a) und eine Nut-Seitenfläche (4 c, 6 c), die die obere Nutfläche und die untere Nutfläche ver­ bindet, umfaßt, und
Kolbenringen (10, 12), die in den Kolbenringnuten (4, 6) ange­ ordnet sind, wobei jeder der Kolbenringe (10, 12), wenn der Kolben (2) senkrecht ausgerichtet ist, eine obere Ringfläche (10 b, 12 b), eine untere Ringfläche (10 a, 12 a) und eine radial innere Ring-Seitenfläche (10 c, 12 c) aufweist, die der oberen Nutfläche (4 b, 6 b), der unteren Nutfläche (4 a, 6 a) bzw. der Nut-Seitenfläche (4 c, 6 c) einer entsprechenden Kolbenringnut (4, 6) gegenüberliegen,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine untere Nutfläche (4 a) wenigstens einer obersten Kolbenringnut (4) einer Oberflä­ chenhärtungsbehandlung von der Art, die mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden ist, unterzogen worden ist und daß wenigstens eine der gehärteten Oberfläche (4 a) der Kolben­ ringnut (4) gegenüberliegende Oberfläche (10 a) eines Kolbenrin­ ges (10) mit einem Überzug (18) ausgebildet ist, der als Grund­ material des Überzuges (18) ein Harz mit einem ausgezeichneten Haftvermögen enthält.

2. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberflächenhärtungsbehandlung, die mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden ist, eine Anodisie­ rungsbehandlung umfaßt.

3. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Harz mit einem ausgezeichneten Haftvermögen Polyamidharz enthält bzw. daraus besteht.

4. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Harz mit einem ausgezeichneten Haftvermögen Polyimidharz enthält bzw. daraus besteht.

5. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Überzug (18) ferner mindestens eine Art ei­ nes Materials enthält, das aus Molybdändisulfid, Graphit und Dioxid des Ferrittyps ausgewählt ist.

6. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in einer zu der Nutoberfläche senkrech­ ten Richtung gemessene Dicke (D) einer gehärteten Schicht (16), die in einem Bereich des Kolbens gebildet worden ist, der der­ jenigen Nutoberfläche, die der Oberflächenhärtungsbehandlung unterzogen wurde, nahe ist, 10 bis 20 µm beträgt.

7. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rauhigkeit einer rauhen Außenfläche (22) der gehärteten Schicht (16) 4 bis 16 µm beträgt, wobei diese Rau­ higkeit durch den Abstand (d) zwischen einem Gipfel (22 a) und einem Tal (22 b) der rauhen Außenfläche (22, 24), der in einer zu dem Nutoberflächenbereich, der der Oberflächenhärtungsbe­ handlung unterzogen worden ist, senkrechten Richtung gemessen wird, ausgedrückt wird.

8. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Knoop-Härte der gehärteten Schicht (16) 300 bis 450 beträgt.

9. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke (t) des Überzuges (18) 3 bis 13 µm be­ trägt.

10. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf der gehärteten Schicht (16) ferner durch Ionenplattierung eine Titannitridschicht (20) gebildet worden ist.