DE3903722C2 - Kolben-Kolbenring-Anordnung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents
Kolben-Kolbenring-Anordnung für einen VerbrennungsmotorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kolben-Kolbenring-Anordnung für ei
nen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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.
Die DE 28 35 332 A1 offenbart eine Verfahren zur Herstellung
einer gattungsgemäßen Kolben-Kolbenring-Anordnung mit einer
höheren Verschleißfestigkeit. Dazu wird mindestens eine der
Kolbenringnutenflanken des Kolbens einer Energiestrahl-Umschmelzbehandlung
unterzogen, wodurch sich eine gehärtete
Zone bildet.
Aus der CH 339 429 ist ein Verfahren zur Verbesserung
der Gleiteigenschaften von Kolbenringlaufflächen und ein
nach diesem Verfahren hergestellter Kolbenring bekannt. Der
bekannte Kolbenring weist auf der Lauffläche rillenartige
Einschnitte auf. Nach Erzeugen der rillenartigen Einschnitte
wird der Kolbenring mit einem Überzug unter Verwendung
eines organischen oder organischen Bindemittels
versehen. Bei dem organischen Bindemittel handelt es sich
um eine Kunstharzmasse auf Phenolharzbasis. Zur Verbesserung
der Laufeigenschaften enthalten beide Arten von Bindemitteln
desweiteren Molybdän-Disulfid.
Aus der DE-GM 17 84 019 ist bekannt, Ringnutenflanken von
Leichtmetallkolben mit einer Schutzschicht zu versehen, deren
Dicke an der Öffnung der Nuten grundsätzlich größer ist
als am Nutgrund. Beispielhaft werden in diesem Stand der
Technik Schutzschichten aus Nickel oder Chrom oder aus
Legierungen dieser Metalle erwähnt.
Der JP-GM 62-137 361 ist zu entnehmen, die oberste Kolbenringnut
an zumindest der unteren Flanke mit einer TiN-
Schicht zu versehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn
diese TiN-Schicht aufgebracht wird, nachdem man zuvor die
Oberfläche des Kolbens an der entsprechenden Stelle einer
Anodisierungsbehandlung unterzogen hat.
Aus der JP-GM 59-81 756 ist bekannt, keramische Fasern beim
Guß in dem Kolbenbereich einzubringen, der der Kolbenringnut
benachbart ist.
Aus der JP-GM 60-82 552 ist bekannt, den Kolbenring eines
Kolbens mit einer Schicht aus Phosphat oder Eisentetroxid
zu versehen und anschließend auf dieser Schicht einen Überzug
aus einem hitze- und abriebresistenten Harz, beispielsweise
Polytetrafluorethylen aufzubringen.
Die JP-GM 59-184 346 befaßt sich mit der Verbesserung der
Eigenschaften von Ölringen am Kolben. Dieser Stand der
Technik vermittelt die Lehre, einen Ölring, der sich am
Kolben an einer Stelle unterhalb des Kolbenrings befindet,
an der die thermische Belastung relativ gering ist aus
einem Harz, insbesondere einem Polyamid- oder Polyimidharz
herzustellen.
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.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kolben-Kolbenring-
Anordnung zur Verfügung zu stellen, welche das Ankleben
der Aluminiumlegierung des Kolbens an dem Kolbenring
verhindert, wobei nicht nur der Verschleiß, sondern auch
die Zunahme der Menge des vorbeiblasenden Gases und des
Ölsverbrauchs vermindert werden soll.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Kolben-
Kolbenring-Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
dieser Kolben-Kolbenring-Anordnung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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 Nutoberfläche, eine untere Nutoberfläche
und eine Nut-Seitenfläche, die die obere Nutfläche und die un
tere Nutfläche verbindet, umfaßt. Diese drei Nut
flächen wenigstens der obersten Kolbenringnut sind einer Anodisierungsbehandlung
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 Nutoberfläche,
der unteren Nutoberfläche bzw. der Nut-Seitenfläche gegenüber
liegen. Wenigstens eine Kolbenringoberfläche, die der einer Anodisierungsbehandlung
unterzogenen Nutoberfläche gegenüberliegt, ist mit einem Überzug ausgebildet,
der als Grundmaterial des Überzu
ges ein Harz mit einem ausgezeichneten Haftvermögen enthält, das
aus der Gruppe der Polyamide
und Polyimide ausgewählt ist.
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 bevorzugt unter Bildung einer gehärteten Schicht gehärtet.
Die
Knoop-Härte Hk der gehärteten Schicht beträgt z. B. 300 bis 450 [N/mm²]
während die Knoop-Härte Hk 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.
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. Das erfindungsgemäß verwendete Polyamid
harz oder Polyimidharz hat ein ausgezeichnetes Haftvermögen
und haftet gut an der rauhen Oberfläche der Kolbenringnut an.
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 die
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
der Erfindung.
Fig. 1B ist eine Schnittzeichnung eines Bereichs eines Kolbens
einschließlich einer Kolbenringnut und eines in die Kolben
ringnut eingepaßten Kolbenringes gemäß einer bevorzugten 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 Nutoberfläche 4a bzw. 6a, eine obere Nutoberfläche 4b
bzw. 6b und eine seitliche Nutoberfläche 4c bzw. 6c auf. Die seitliche Nutoberfläche
4c verbindet die obere Nutoberfläche 4b und die untere
Nutoberfläche 4a, und die seitliche Nutoberfläche 6c verbindet die obere
Nutoberfläche 6b und die untere Nutoberfläche 6a. Entsprechend weist
jeder Kolbenring 10, 12 eine untere Kolbenringoberfläche 10a bzw. 12a,
eine obere Kolbenringoberfläche 10b bzw. 12b, eine radial innere Kolbenringoberfläche
10c bzw. 12c und eine radial äußere Kolbenringoberfläche
10d bzw. 12d 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
Nutoberfläche 4a der obersten Kolbenringnut 4 wird bis auf eine
Temperatur von nicht weniger als 200°C erhitzt. Die untere Nutober
fläche 4a der obersten Kolbenringnut 4 empfängt die stärkste
Belastung, weil der oberste Kolbenring 10 gegen die untere Nutober
fläche 4a 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 Anodisierungsbehandlung von der Art, die mit
einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden ist, unter
zogen, um ein solches Ankleben zu unterdrücken.
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.
Die Anodisierungsbehandlung der Oberfläche
ist mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden.
Die Anodi
sierungsbehandlung ist ein an sich bekanntes Verfahren.
Bei der Erfindung, wie sie in Fig. 1A
und 2A gezeigt ist, besteht die Oberflächenbehandlung,
die mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden ist,
nur in der erfindungsgemäßen 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, ist die Anodisierungsbehandlung,
die mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit
verbunden ist, für die Bil
dung einer gehärteten Schicht 16 mit einer Ionenplattie
rung von Titannitrid für die Bildung einer Titannitridschicht
20 auf der Außenfläche der gehärteten Schicht 16 gekoppelt.
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 22 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 22a bzw. einer Spitze und einem Tal 22b bzw. Boden
der rauhen Außenfläche 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 einer bevorzugten 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 Außenfläche
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 Außenfläche 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. Bei der
eine Anodisierungsbehandlung, 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 22a bzw.
einer Spitze und einem Tal 22b bzw. Boden 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 Außenfläche 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 22a bzw. der Spitze und dem Tal 22b bzw. dem Bo
den der rauhen Außenfläche 22 ausgedrückt wird, 4 bis 16 µm.
Bei der Anodisierungsbe
handlung, hat die gehärtete Schicht 16 eine Knoop-Härte
Hk von 300 bis 450 [N/mm²]. Weil der Hk-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 Hk-Wert von 300 bis 450
kann eine Temperatur von 300°C aushalten, ohne zu erweichen.
Weil die maximale Temperatur, der die untere Nutoberfläche 4a 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 der Oberfläche der Kolbenringe 10, 12, die
der rauhen Außenfläche 22 der gehär
teten Schicht 16 der Kolbenringnut oder bei der bevorzugten Ausfüh
rungsform der rauhen Außenfläche 24 der Titannitridschicht 20
der Kolbenringnut gegenüberliegt, ein Überzug 18 gebildet, der
als sein Grundmaterial ein Harz aus Polyamid oder Polyimid 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, ist folg
lich nicht in das Harz mit einem ausgezeichnetem Haftvermögen
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 Außenfläche 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 Außen
fläche 22, 24 allmählich gefüllt werden. Im einzelnen er
folgt das Füllen der Täler der rauhen Außenfläche 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 Außenfläche 22 der gehärteten Schicht 16
oder bei der zweiten Ausführungsform durch die rauhe Außenflä
che 24 der Titannitridschicht 20 abgerieben wird, und daß das
Harz dann an der rauhen Außenfläche 22, 24 anhaftet, wobei das
Harz, das an der rauhen Außenfläche 22, 24 angehaftet hat, ver
formt wird und die Täler der rauhen Außenfläche 22, 24 füllt,
wenn es durch den Kolbenring gegen die rauhe Außenfläche 22, 24
gedrückt wird. Die andere Füllweise besteht in Folgendem: Wenn
der Kolbenring fest gegen die rauhe Außenfläche 22, 24 gedrückt
wird, dringen die obersten Bereiche der rauhen Außenfläche
22, 24 der Kolbenringnut in den Überzug 18 ein, so daß das
Harz des Überzuges 18 verformt wird, in die Täler der rauhen
Außenfläche 22, 24 der Kolbenringnut eindringt und diese Täler
füllt und fest an der rauhen Außenfläche 22, 24 anhaftet, wobei
das Harz auf der Seite der rauhen Außenfläche 22, 24 bleibt und
die Täler der rauhen Außenfläche 22, 24 füllt, wenn die Haftfe
stigkeit, die zwischen dem Harz und der rauhen Außenfläche 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 Außenfläche 22, 24 der Kolben
ringnut hindurchgehen, wird wegen dieser Füllung der Täler der
rauhen Außenfläche 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
die Nutfläche wenigstens der obersten Kol
benringnut 4 und vorzugsweise auch die Nutfläche der
Kolbenringnut 6 einer Anodisierungsbehandlung von der
Art, die mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden
ist, unterzogen werden. Diese Art der 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
Anodisierungsbehandlung unterzogen wird, jedoch werden
die Täler der rauhen Außenfläche 22, 24 der gehärteten Schicht
16 mit einem Harz gefüllt, das an der rauhen Außenfläche 22, 24
anhaftet, weil wenigstens auf einer Oberflä
che der Kolbenringe 10, 12, die der gehärteten Schicht 16 der
Kolbenringnuten 4, 6 gegenüberliegt, ein Überzug 18 aus einem
Harz mit einem ausgezeichneten Haftvermögen gebildet ist, 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 (7)
1. Kolben-Kolbenring-Anordnung umfassend:
einen Kolben (2), der aus einer Legierung mit Aluminium als Grundmetall besteht und mit Kolbenringnuten (4, 6) einschließlich einer obersten Kolbenringnut (4) ausgebildet ist, wobei die Nutoberflächen (4a, 4b, 4c; 6a, 6b, 6c) einschließlich einer unteren Nutoberfläche (4a, 6a) von wenigstens der obersten Kolbenringnut (4) gehärtet sind und Kolbenringe (10, 12), die sich in den Kolbenringnuten (4, 6) befinden, dadurch gekennzeichnet, daß
die Härtung der Nutoberflächen (4a, 4b, 4c; 6a, 6b, 6c) durch eine Anodisierungsbehandlung erfolgt ist und wenigstens eine Kolbenringoberfläche (10a, 10b, 10c; 12a, 12b, 12c), die der einer Anodisierungsbehandlung unterzogenen Nutoberfläche (4a, 4b, 4c; 6a, 6b, 6c) gegenüberliegt, mit einem Überzug (18) ausgebildet ist, der als Grundmaterial ein mit einem ausgezeichneten Haftungsvermögen ausgestattetes Harz aufweist, das aus der Gruppe der Polyamide und Polyimide ausgewählt ist.
einen Kolben (2), der aus einer Legierung mit Aluminium als Grundmetall besteht und mit Kolbenringnuten (4, 6) einschließlich einer obersten Kolbenringnut (4) ausgebildet ist, wobei die Nutoberflächen (4a, 4b, 4c; 6a, 6b, 6c) einschließlich einer unteren Nutoberfläche (4a, 6a) von wenigstens der obersten Kolbenringnut (4) gehärtet sind und Kolbenringe (10, 12), die sich in den Kolbenringnuten (4, 6) befinden, dadurch gekennzeichnet, daß
die Härtung der Nutoberflächen (4a, 4b, 4c; 6a, 6b, 6c) durch eine Anodisierungsbehandlung erfolgt ist und wenigstens eine Kolbenringoberfläche (10a, 10b, 10c; 12a, 12b, 12c), die der einer Anodisierungsbehandlung unterzogenen Nutoberfläche (4a, 4b, 4c; 6a, 6b, 6c) gegenüberliegt, mit einem Überzug (18) ausgebildet ist, der als Grundmaterial ein mit einem ausgezeichneten Haftungsvermögen ausgestattetes Harz aufweist, das aus der Gruppe der Polyamide und Polyimide ausgewählt ist.
2. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Überzug (18) ferner mindestens eine
Art eines Materials enthält, das aus Molybdändisulfid, Graphit
und Dioxid des Ferrittyps ausgewählt ist.
3. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die in einer zu der Nutoberfläche senkrechten
Richtung gemessene Dicke (D) einer gehärteten
Schicht (16), die in einem Bereich des Kolbens (2) gebildet
worden ist, der derjenigen Nutoberfläche (4a, 4b, 4c; 6a, 6b, 6c), die der Anodisierungsbehandlung
unterzogen wurde, nahe ist, 10 bis 20 µm
beträgt.
4. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rauhigkeit einer rauhen Außenfläche
(22) der gehärteten Schicht (16) 4 bis 16 µm beträgt, wobei
diese Rauhigkeit durch den Abstand (d) zwischen einem Gipfel
(22a) und einem Tal (22b) der rauhen Außenfläche (22,
24), der in einer zu dem Nutoberflächenbereich, der der
Anodisierungsbehandlung unterzogen worden ist, senkrechten
Richtung gemessen ist, ausgedrückt ist.
5. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Koop-Härte [N/mm²] der gehärteten
Schicht (16) 300 bis 450 beträgt.
6. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke (t) des Überzugs (18) auf den Kolbenringen (10, 12) 3 bis 13 µm
beträgt.
7. Kolben-Kolbenring-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der gehärteten Schicht (16) ferner
durch Ionenplattierung eine Titannitridschicht (20) gebildet
worden ist.
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