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Die
Erfindung betrifft eine Kolben-Kolbenring-Anordnung für einen
Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Eine
Kolben-Kolbenring-Anordnung bzw. -Baueinheit für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor
muß hitzebeständig sein. Der
Kolben wird im allgemeinen aus einer Legierung mit Aluminium als
Grundmetall (nachstehend als Aluminiumlegierung bezeichnet) hergestellt,
um den Kolben leicht zu machen. Wenn der Motor läuft und die Temperatur der
Kolben-Kolbenring-Anordnung hoch wird, nimmt die Härte der
Aluminiumlegierung des Kolbens ab, und die Aluminiumlegierung neigt dazu,
an dem Kolbenring anzukleben, was dazu führt, daß der Kolbenring an der Kolbenringnut
anhaftet. Sobald dieses Anhaften eingetreten ist, ist die Fähigkeit
des Kolbens, der Oberfläche
der Zylinderbohrung zu folgen, vermindert, was zu einem starken
Abrieb des Kolbenringes und der Zylinderbohrung führt. Ferner
wird durch den starken Abrieb die Temperatur des Kolbenringes, insbesondere
die Temperatur desjenigen Bereiches des Kolbenringes, wo die Umfangsenden
des Kolbenringes aneinanderstoßen,
erhöht,
wodurch ein örtliches
Schmelzen der Wand der Kolbenringnut verursacht werden kann. Folglich
sollte ein Anhaften des Kolbenringes an dem Kolben verhindert werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
der
JP-GM 59-81 756 ist
bekannt, keramische Fasern beim Guß in dem Kolbenbereich einzubringen,
der der Kolbenringnut benachbart ist.
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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 abriebresi stenten Harz, beispielsweise Polytetrafluorethylen
aufzubringen.
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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.
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Die
vorstehend beschriebenen Verfahren haben jedoch die folgenden 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 Aluminiumlegierung in bzw. zwischen die keramischen
Fasern eindringen zu lassen, wodurch die Kosten des Gusses erhöht werden.
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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 Oberfläche gebildete Zwischenräume hindurchgehen,
so daß die
Menge des vorbei- bzw. durchblasenden Gases und der Ölverbrauch
zunehmen.
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Wenn
das Verfahren angewandt wird, bei dem auf einem Kolbenring ein Überzug aus
Polytetrafluorethylen gebildet wird, tritt ein starker Abrieb ein,
sobald der Überzug
von dem Kolbenring abgerieben ist. Dieses Verfahren ist folglich
hinsichtlich der Haltbarkeit weniger zuverlässig als das Verfahren, bei
dem eine Oberfläche
einer Kolbenringnut einer Anodisierungsbehandlung unterzogen wird.
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Das
Verfahren der Herstellung eines ganzen Ringes aus Polyimidharz kann
zwar auf einen Ölring angewandt
werden, der einer verhältnismäßig niedrigen
Temperatur ausgesetzt ist, jedoch kann es nicht auf einen obersten
Kolbenring, der einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, angewandt
werden.
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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.
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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.
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Die
erfindungsgemäße Kolben-Kolbenring-Anordnung
für einen
Verbrennungsmotor umfaßt einen
Kolben, der aus einer Legierung mit Aluminium als Grundmetall besteht,
und Kolbenringe, die in Kolbenringnuten, die in dem Kolben ausgebildet
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 untere Nutfläche
verbindet, umfaßt.
Diese drei Nutflächen
wenigstens der obersten Kolbenringnut sind einer Anodisierungsbehandlung
unterzogen worden. Jeder der Kolbenringe weist, wenn der Kolben
senkrecht ausgerichtet ist, eine obere Ringfläche, eine untere Ringfläche und eine
radial innere Ring-Seitenfläche
auf, die der oberen Nutoberfläche,
der unteren Nut oberfläche
bzw. der Nut-Seitenfläche
gegenüberliegen.
Wenigstens eine Kolbenringoberfläche,
die der einer Anodisierungsbehandlung unterzogenen Nutoberfläche gegenüberliegt,
ist mit einem Überzug
ausgebildet, der als Grundmaterial des Überzuges ein Harz mit einem ausgezeichneten
Haftvermögen
enthält,
das aus der Gruppe der Polyamide und Polyimide ausgewählt ist.
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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 Nutoberfläche
verhindert wirksam das Ankleben der Aluminiumlegierung des Kolbens
an dem Kolbenring und verbessert die Hitzebeständigkeit der Anordnung in hohem
Maße.
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Wenn
die Nutoberfläche
der Kolbenringnut der Anodisierungsbehandlung bis zu einem derartigen
Grade unterzogen wird, daß die
in einer zu der Nutoberfläche
senkrechten Richtung gemessene Dicke der gehärteten Schicht 10 bis 20 μm beträgt, hat die
rauhe bzw. unebene Oberfläche
der gehärteten 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
solche Täler
eine geringe Größe haben.
Man könnte
sich zwar vorstellen, 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 Vergleich
zum Fräsen
teuer ist.
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Gemäß der Erfindung
wirkt der auf der Kolbenringoberfläche gebildete Überzug derart,
daß er die
Täler der
rauhen Oberfläche
der Kolbenringnut füllt.
Im einzelnen bewegt sich der Kolbenring 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 Oberfläche
des Kolbenringes und die rauhe Oberfläche der Kolbenringnut werden
infolgedessen abgerieben. Der Harzüberzug des Kolbenringes 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 ausgezeichnetes Haftvermögen hat. Des erfindungsgemäß verwendete
Polyamidharz 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 Durchgang von Luft und Öl durch die Täler der
rauhen Oberfläche
wirksam verhindert, so daß eine
Zunahme der Menge des vorbeiblasenden Gases und des Ölverbrauchs
unterdrückt
wird.
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Die
gegenwärtig
bevorzugten Beispiele für die
Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
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1A ist
eine Schnittzeichnung eines Bereichs eines Kolbens einschließlich einer
Kolbenringnut und eines in die Kolbenringnut eingepaßten Kolbenringes
gemäß der Erfindung.
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1B ist
eine Schnittzeichnung eines Bereichs eines Kolbens einschließlich einer
Kolbenringnut und eines in die Kolbenringnut eingepaßten Kolbenringes
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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2A ist
eine vergrößerte Teil-Schnittzeichnung
einer Oberfläche
der Kolbenringnut von 1A.
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2B ist
eine vergrößerte Teil-Schnittzeichnung
einer Oberfläche
der Kolbenringnut von 1B.
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3 ist
eine Schnittzeichnung einer vollständigen Kolben-Kolbenring-Anordnung
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung, die auch auf die zweite Ausführungsform der Erfindung anwendbar
ist.
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4 ist
ein Diagramm, das die Ergebnisse von Ölverbrauchsversuchen veranschaulicht,
die mit drei erfindungsgemäßen Anordnungen
und mit drei Vergleichsanordnungen, die keine Überzüge hatten, durchgeführt wurden.
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3 veranschaulicht
eine Kolben-Kolbenring-Anordnung für einen Verbrennungsmotor.
Wie in 3 gezeigt ist, weist ein Kolben 2 wenigstens
eine Kolbenringnut, z. B. zwei Kolbenringnuten 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 Kolbenringnut 4;
die in der zweithöchsten Lage
angeordnete Kolbenringnut ist die zweite Kolbenringnut 6;
und bei (nicht gezeigten) 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 Kolbenringnut 4 eingepaßte Kolbenring
der oberste Kolbenring 10; der in die zweite Kolbenringnut 6 eingepaßte Kolbenring
ist der zweite Kolbenring 12; und bei (nicht gezeigten)
Kolbenringen, die in die dritte, vierte, ...te Kolbenringnut eingepaßt sind,
handelt es sich um den dritten, vierten, ...ten Kolbenring.
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Wie
in 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.
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Der
Kolben 2 empfängt
an seiner Oberseite, die den darüberliegenden
Verbrennungsraum des Motors abgrenzt, den Wärmefluß aus dem Verbrennungsraum.
Der Wärmefluß strömt dann über die Kolbenringe 10 und 12 und
den Ölring 14 zu
dem Zylinder des Motors. Der größte Teil
des Wärmeflusses strömt über den
obersten Kolbenring 10 zu dem Zylinder. Folglich wird ein
dem obersten 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 Nutoberfläche 4a der
obersten Kolbenringnut 4 empfängt die stärkste Belastung, weil der oberste
Kolbenring 10 gegen die untere Nutoberfläche 4a der
obersten Kolbenringnut 4 gedrückt wird, wenn der Verbrennungsdruck
des Motors auf den obersten Kolbenring 10 einwirkt.
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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
obersten Kolbenring ankleben. Wie in 1A und 1B gezeigt
ist, wird die Nutoberfläche
der Kolbenringnut im Rahmen der Erfindung einer Anodisierungsbehandlung
von der Art, die mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden ist,
unterzogen, um ein solches Ankleben zu unterdrücken.
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Der
Grund dafür,
daß wenigstens
die oberste Kolbenringnut 4 der Oberflächenhärtungsbehandlung unterzogen
werden sollte, besteht darin, daß die oberste Kolbenringnut 4 den
schärfsten
Hitzebedingungen ausgesetzt ist. Gewünschtenfalls können auch
die Oberflächen
der zweiten Kolbenringnut 6 und anderer Kolbenringnuten
der Oberflächenbehandlung
unterzogen werden.
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Die
Anodisierungsbehandlung der Oberfläche ist mit einer Zunahme der
Oberflächenrauhigkeit verbunden.
Die Anodisierungsbehandlung ist ein an sich bekanntes Verfahren.
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Bei
der Erfindung, wie sie in 1A und 2A gezeigt
ist, besteht die Oberflächenbehandlung,
die mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit
verbunden ist, nur in der erfindungsgemäßen Anodisierungsbehandlung.
Durch die Anodisierungsbehandlung wird in einem der Nutoberfläche nahen
Bereich des Kolbens 2 eine gehärtete Schicht 16 gebildet.
Die Außenfläche der
gehärteten
Schicht 16 befindet sich außerhalb der ursprünglichen
Lage der Nutoberfläche
in einer zu der Nutoberfläche
senkrechten Richtung, und die innere Grenzfläche der gehärteten 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 1B und 2B gezeigt ist, ist die Anodisierungsbehandlung, die
mit einer Zunahme der Oberflächenrauhigkeit verbunden
ist, für
die Bildung einer gehärteten Schicht 16 mit
einer Ionenplattierung von Titannitrid für die Bildung einer Titannitridschicht 20 auf
der Außenfläche der
gehärteten
Schicht 16 gekoppelt.
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Wenn
die Oberfläche
der Kolbenringnut 4, 6 der Anodisierungsbehandlung
unterzogen wird, wird die Nutoberfläche aufgerauht und bildet eine
rauhe bzw. unebene Oberfläche 22,
die die Außenfläche 22 der
gehärteten
Schicht 16 festlegt (siehe 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 Nutoberfläche,
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 Anodisierungsbehandlungsflüssigkeit eingebracht wird.
Ein Bereich der Kolbenringnut, der der Anodisierungsbehandlung nicht
unterzogen werden soll, wird abgedeckt, wenn der Kolben in die Anodisie rungsbehandlungsflüssigkeit
eingebracht wird. Wie in 2B gezeigt
ist, wird im Fall einer bevorzugten Ausführungsform, bei der auf der
gehärteten
Schicht 16 die Titannitridschicht 20 gebildet
wird, die Außenfläche 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 Anodisierungsbehandlung erhalten
wird, hat, weil die Titannitridschicht 20 dazu neigt, den
Konturen der rauhen Außenfläche 22 der gehärteten Schicht 16 zu
folgen.
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1A und 1B veranschaulichen
eine Kolbenringnut 4, 6 und einen Kolbenring 10, 12,
der in der entsprechenden Kolbenringnut 4, 6 angeordnet
ist. Bei der eine Anodisierungsbehandlung, wie es in 2A und 2B gezeigt
ist, beträgt
die in einer zu dem Bereich der ursprünglichen Nutoberfläche, der
der Anodisierungsbehandlung unterzogen wurde, senkrechten Richtung
gemessene Dicke D der gehärteten
Schicht 16, die in dem Kolben 2 durch Anwendung
der Anodisierungsbehandlung gebildet worden ist, vorzugsweise 10
bis 20 μm.
Der Grund dafür,
daß die
gehärtete
Schicht 16 vorzugsweise in einer Dicke gebildet wird, die
wenigstens 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, während eines
Langzeitbetriebes des Motors allmählich abgerieben wird. Der
Grund dafür,
daß die gehärtete Schicht 16 vorzugsweise
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 abgerieben werden,
nimmt der Zwischenraum zwischen der Nutoberfläche 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 Bewegung,
wodurch eine unzulässige
Zunahme der Menge des vorbeiblasenden Gases und des Ölverbrauchs
verursacht wird.
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Die
Anodisierungsbehandlung wird durchgeführt, indem ein Bereich der
Kolbenoberfläche,
der der Anodisierungsbehandlung nicht unterzogen werden soll, abgedeckt
und der abgedeckte Kolben in die Anodisierungsbehandlungsflüssigkeit,
die Oxalsäure und
Schwefelsäure
enthält,
eingebracht wird. Die Anodisierungsbehandlung 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 gehärteten
Schicht 16 den vorstehend beschriebenen Wert erreicht hat, beträgt die resultierende
Rauhigkeit der rauhen Außenfläche der
gehärteten
Schicht 16, die durch den Abstand d zwischen dem Gipfel 22a bzw.
der Spitze und dem Tal 22b bzw. dem Boden der rauhen Außenfläche 22 ausgedrückt wird,
4 bis 16 μm.
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Bei
der Anodisierungsbehandlung, 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 maxi male 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 Temperatur von weniger als 300°C aushalten
und verhindert wirksam, daß ein
Ankleben der Aluminiumlegierung an dem Kolbenring eintritt.
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Wie
vorstehend erläutert
wurde, ist die Oberfläche
der gehärteten
Schicht 16 eine rauhe Oberfläche. Solch eine rauhe Oberfläche würde infolgedessen
von einer Zunahme der Menge des vorbeiblasenden Gases und des Ölverbrauchs
begleitet sein, wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen würden. Als Gegenmaßnahme für die Unterdrückung einer
solchen Zunahme der Menge des vorbeiblasenden Gases und des Ölverbrauchs
wird im Rahmen der Erfindung auf der Oberfläche der Kolbenringe 10, 12,
die der rauhen Außenfläche 22 der
gehärteten
Schicht 16 der Kolbenringnut oder bei der bevorzugten Ausführungsform
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 Haftvermögen
enthält,
wie es in 1A und 1B gezeigt
ist. Unter einem Harz mit einem ausgezeichneten Haftvermögen ist
ein Harz zu verstehen, das Fremdstoffe nicht abweist bzw. nicht
ausschließt
und dazu neigt, an jeder Art von Oberfläche gut anzuhaften. Polytetrafluorethylen,
das Fremdstoffe abweist bzw. ausschließt sowie ein hohes Schmiervermögen hat,
ist folglich nicht in das Harz mit einem ausgezeichnetem Haftvermögen eingeschlossen.
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Die
zulässige
Temperaturgrenze für
die Verwendung von Polyamidharz und Polyimidharz liegt in dem Bereich
von 170°C
bis 360°C.
Der Überzug 18 kann
die Temperatur aushalten, der der Kolbenring ausgesetzt ist, wenn
als Material des Überzuges 18 ein
Harz verwendet 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.
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Der Überzug 18 kann
in seinem Material mindestens eine Art eines Materials enthalten,
das aus Molybdändisulfid
(MoS2), Graphit (C) und Dioxid des Ferrittyps
ausgewählt
ist. Diese Materialien wirken derart, daß sie die Hitzebeständigkeit
des Überzuges 18,
der das Harz mit einem ausgezeichneten Haftvermögen enthält, erhöhen. Falls der Überzug 18 Graphit
enthält,
wird ferner das Schmiervermögen
des Überzuges 18 verbessert.
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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 Außenfläche 22, 24 allmählich gefüllt werden.
Im einzelnen erfolgt 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 Ausführungsform
durch die rauhe Außenfläche 22 der
gehärteten
Schicht 16 oder bei der zweiten Ausführungsform durch die rauhe
Außenfläche 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, verformt 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 Haftfestigkeit, 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
Kolbenringnut hindurchgehen, wird wegen dieser Füllung der Täler der rauhen Außenfläche 22, 24 der
Kolbenringnut in hohem Maße unterdrückt. 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, damit 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 vorbeiblasenden Gases und des Ölverbrauchs verursachen.
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Um
die Wirkungen des Überzuges 18 auf
die Unterdrückung
einer Zunahme der Menge des vorbeiblasenden Gases und des Ölverbrauches
zu bestätigen,
wurden Versuche durchgeführt,
bei denen drei Beispiele (n = 3) von erfindungsgemäßen Kolben-Kolbenring-Anordnungen,
die jeweils einen Überzug 18 hatten,
und drei Beispiele (n' =
3) von bekannten Kolben-Kolbenring-Anordnungen ohne Überzug verwendet wurden. Die
Versuche wurden mit den erfindungsgemäßen Anordnungen und mit den
bekannten Anordnungen unter denselben Versuchsbedingungen, d. h.,
unter Anwendung desselben Motors und unter demselben Ansaugdruck
und über
dieselbe 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 Kolbenringes, 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 Anodisierungsbehandlung unterzogen worden war, und Kolbenringe,
auf denen kein Harzüberzug
gebildet worden war. In 4 sind die Versuchsergebnisse
in Form von relativen Ölverbrauchssätzen gezeigt,
wobei der höchste Ölverbrauchssatz
gleich 1,0 gesetzt wird. Wie aus 4 ersichtlich
ist, wurde der Ölverbrauch
im Falle der erfindungsgemäßen Anordnungen
auf etwa ein Drittel des Ölverbrauches
der bekannten Anordnungen vermindert.
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Es
wurde angenommen, daß auch
die Menge des vorbeiblasenden Gases im wesentlichen in demselben
Ausmaß wie
der Ölverbrauch
vermindert wurde.
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Durch
die Erfindung werden die folgenden Wirkungen erzielt:
Erstens
wird die Hitzebeständigkeit
der Kolben-Kolbenring-Anordnung in einem hohen und ausreichenden
Maße erhöht, weil
die Nutfläche
wenigsten der obersten Kolbenringnut 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 wirksam ein
Ankleben der Aluminiumlegierung des Kolbens 2 an dem Kolbenring,
so daß ein
Anhaften des Kolbenringes an der Nutoberfläche der Kolbenringnut verhindert
wird.
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Zweitens
nimmt zwar die Rauhigkeit der Nutoberfläche der Kolbenringnut 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 Oberfläche
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.
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Drittens
wird als kombinierte Wirkung der zwei vorstehend beschriebenen Wirkungen
die Hitzebeständigkeit
der erfindungsgemäßen Kolben-Kolbenring-Anordnung
in hohem Maße
verbessert, ohne daß sie
von einer Zunahme der Menge des vorbeiblasenden Gases und des Ölverbrauchs
begleitet ist.