DE19905518A1 - Kolbenringkombination zur Verwendung bei Verbrennungskraftmotoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenringkombination zur Verwendung bei ei­ nem Verbrennungskraftmotor und insbesondere eine Kombination, die zumindest einen Kolbendichtring und zumindest einen Schmierring aufweist.

Übereinstimmend mit der neuen Forderung von höheren Motorleistungen sind verschie­ dene Komponenten des Verbrennungskraftmotors schwierigen Betriebsbedingungen unterworfen und der Motor muß eine verlängerte Lebensdauer aufweisen. Kolbenringe werden unter höheren Motordrehzahlen, höherer Temperatur und höheren geplanten Drücken (Verdichtungen) als zuvor betrieben und eine Verbesserung der Lebensdauer ist dringend notwendig. Des weiteren sind übereinstimmend mit der Forderung der Er­ höhung der Motorleistung und der Verringerung der Motorgröße verschiedene Kombi­ nationen von Kolbendichtringen und Schmierringen bei Benzinmotoren und Dieselmoto­ ren vorgesehen, wie beispielsweise eine Kombination von drei Kolbendichtringen und zwei Schmierringen, eine Kombination von drei Kolbendichtringen und einem einzigen Schmierring, eine Kombination von zwei Kolbendichtringen und einem einzigen Schmierring sowie eine Kombination von einem einzigen Kolbendichtring und einem einzigen Schmierring.

Um die Lebensdauer der Kolbenringe zu verbessern, wird auf den Gleitflächen der Kol­ benringe eine Behandlung zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit, wie beispielsweise ei­ ne Chromplattierung mit hoher Härte und eine Nitrierbehandlung durchgeführt. Die Ver­ schleißfestigkeit bei einem herkömmlichen Kolbenring mit Chromplattierung ist jedoch nach wie vor unzureichend. Andererseits erzeugt die Nitrierbehandlung eine hervorra­ gende Verschleißfestigkeit. Dadurch verbreitet sich die Nitrierbehandlung in zunehmen­ den Maße und wird für einen ersten Kolbendichtring oder einen obersten Ring verwen­ det, der unter den schwierigen Betriebsbedingungen am meisten leidet, da der oberste Ring von den an einem Kolben angebrachten Kolbenringen sich am nächsten zur Ver­ brennungskammer befindet. Dennoch weist der herkömmliche, nitrierbehandelte Kol­ benring nach wie vor eine unzureichende Verschleißfestigkeit, Freßfestigkeit und An­ griffsfestigkeit gegen ein gegenüberliegendes Bauteil auf, das sich in relativer Gleitbe­ wegung zum Kolbenring befindet.

Um die oben beschriebenen Probleme zu bewältigen, offenbart die offengelegte japani­ sche Patentanmeldung Kokai Hei 7-239032 eine Kombination von einer Vielzahl von Kolbendichtringen und zumindest einen Schmierring zur Verwendung bei einem Ver­ brennungskraftmotor. Bei der Kombination ist an einer äußeren, umfänglichen Gleitflä­ che eines ersten Kolbendichtringes und des zumindest einen Ölrings eine ionenplattierte Schicht gebildet. Durch die Bildung der ionenplattierten Schicht werden die Verschleiß­ festigkeit, Freßfestigkeit und Angriffsfestigkeit gegen ein gegenüberliegendes Bauteil sowie die Korrosionsfestigkeit verglichen zu der herkömmlichen Kolbenringkombination mit der Nitrierschicht verbessert. Hier ist eine individuelle Entwicklung der Oberflächen­ schicht des Kolbendichtringes und des Ölringes nötig, um zu versuchen, die Ver­ schleißfestigkeit, Freßfestigkeit, Angriffsfestigkeit gegen das gegenüberliegende Bauteil und die Korrosionsfestigkeit zu verbessern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung hat daher zum Ziel, eine Kolbenringkombination zur Verwen­ dung bei einem Verbrennungskraftmotor bereitzustellen, wobei die Kombination in der Lage ist, die Verschleißfestigkeit und die Freßfestigkeit weiter zu verbessern und den Angriff gegen ein gegenüberliegendes Bauteil auf einen so niedrigen Wert wie möglich zu verringern.

Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung können durch eine Kolbenringkom­ bination zur Verwendung bei einem Verbrennungskraftmotor erreicht werden, wobei die Kolbenringe zumindest einen Kolbendichtring, der einen obersten Ring mit einer äuße­ ren, umfänglichen Fläche beinhaltet, die mit einer ersten ionenplattierten Schicht ausge­ bildet ist, und zumindest einen Schmierring mit einer äußeren, umfänglichen Fläche aufweist, die mit einer zweiten ionenplattierten Schicht ausgebildet ist, wobei die Kombi­ nation die verbesserte erste ionenplattierte Schicht und die zweite ionenplattierte Schicht umfaßt. Die erste ionenplattierte Schicht wird aus einer Mischung von Cr-N ge­ bildet und weist eine poröse Struktur mit einer Porosität im Bereich von 3 bis 10% auf. Die zweite ionenplattierte Schicht wird aus einer Mischung von Cr-N gebildet und weist eine dichte Struktur mit einer Porosität im Bereich von 0 bis 3% auf.

Vorzugsweise weist die erste ionenplattierte Schicht eine Härte im Bereich von 1000 bis 1500 HV und die zweite ionenplattierte Schicht eine Härte im Bereich von 1800 bis 2200 HV auf.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Kombination von Kolben­ ringen zur Verwendung bei einem Verbrennungskraftmotor vorgesehen, wobei die Kol­ benringe zumindest einen Kolbendichtring mit einem obersten Ring, der eine äußere, umfängliche Fläche aufweist, die mit einer ersten ionenplattierten Schicht gebildet ist, und zumindest einen Schmierring mit einer äußeren, umfänglichen Fläche umfassen, die mit einer zweiten ionenplattierten Schicht gebildet ist, wobei die Kombination die ver­ besserte erste und zweite ionenplattierte Schicht umfaßt. Die erste ionenplattierte Schicht ist aus einer Mischung von Cr-N gebildet und weist eine Härte im Bereich von 1000 bis 1500 HV auf. Die zweite ionenplattierte Schicht ist aus einer Mischung von Cr-N gebildet und weist eine Härte im Bereich von 1800 bis 2200 HV auf.

Bei dieser Anordnung kann die äußere Gleitschicht des obersten Ringes, der den schwierigsten Betriebsbedingungen unter den Kolbenringen unterliegt, eine ausreichen­ de Verschleißfestigkeit, Freßfestigkeit und ein mäßiges Angriffsverhalten gegen das ge­ genüberliegende Bauteil zu bewirken. Des weiteren kann ein Brechen der Schicht oder ein Abtrennen der Schicht vom Grundkörper des obersten Ringes aufgrund der ausrei­ chend elastischen Rückstellkraft der Schicht verhindert werden. Des weiteren kann die äußere Gleitschicht des zumindest einen Schmierringes eine ausreichende Abriebfe­ stigkeit und eine ausreichende Schmierstoffabstreiffunktion bereitstellen. Daher kann bei der Kombination der ersten und zweiten ionenplattierten Schichten eine verbesserte Motorleistung erreicht werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine teilweise Schnittansicht, in der eine Kombination von Kolbenringen zur Verwendung bei einem Verbrennungskraftmotor gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel dargestellt ist; und

Fig. 2 eine teilweise Schnittansicht, in der eine Kombination von Kolbenringen gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel darge­ stellt ist.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Eine Kolbenringkombination gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbei­ spiel wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Ein Kolben 1 weist drei ring­ förmige Kolbenringnuten 1a, 1b und 1c auf. Ein erster Kolbendichtring 2 (oberster Ring), ein zweiter Kolbendichtring 3 und ein Schmierring 4 sind in den Nuten 1a, 1b und 1c je­ weils eingebaut. Die Nut 1a ist am nächsten zu einer Verbrennungskammer angeordnet. Der Schmierring 4 weist ein Paar von seitlichen Schienen 4a und einen Paßring- Expander 4b auf.

Ein Grundwerkstoff der Kolbendichtringe 2 und 3 ist aus einem korrosionsbeständigen Stahl (17Cr korrosionsbeständiger Stahl) gefertigt. Ein Grundwerkstoff der seitlichen Schienen 4a des Schmierringes 4 ist aus einem anderen korrosionsbeständigen Stahl (13Cr korrosionsbeständiger Stahl) gefertigt. Eine jede äußere Umfangsfläche der Rin­ ge 2, 3, 4 dient als eine Gleitfläche, die sich im Gleitkontakt mit einer Zylinderlaufbuchse 5 befindet. Bei den Kolbendichtringen 2 und 3 ist die äußere Gleitfläche zumindest des obersten Ringes 2 mit einer ionenplattierten Schicht 2A ausgebildet. Da der oberste Ring 2 von den Kolbendichtringen dem stärksten Reibabrieb unterworfen ist, sollte der oberste Ring 2 eine extrem hohe Leistung in Sachen Verschleißfestigkeit, Freßfestigkeit und Angriffsfestigkeit gegen das gegenüberliegende Bauteil wie beispielsweise eine Zy­ linderlaufbuchse aufweisen. Die ionenplattierte Schicht ist aus einer Cr-N Mischung ge­ bildet und weist eine poröse Struktur mit einer Porosität im Bereich von 3 bis 10% und eine Härte im Bereich von 1000 bis 1500 HV auf. Eine Cr-N Mischung als Werkstoff der plattierten Schicht 2A ist bezüglich der Abriebfestigkeit und der Bruchfestigkeit zufrie­ denstellend. Cr-N ist eine Mischung von Zusammensetzungen aus CrN und Cr₂N. Der poröse Aufbau kann die elastische Rückstellkraft der Schicht 2A verbessern, um das Brechen der Schicht 2A aufgrund wiederholter Verformung des obersten Ringes 2, wie sie durch die Motordrehung entsteht, zu vermeiden. Wenn die Porosität kleiner als 3% ist, wird die elastische Rückstellkraft unzureichend. Wenn andererseits die Porosität 10% überschreitet, kann die Bruchfestigkeit der Schicht 2A unter Umständen verringert sein und die Schicht 2A kann leicht vom Körper des obersten Ringes abgeschält werden (dies wird im folgenden der Einfachheit halber als eine Verringerung der "Schäl­ festigkeit" bezeichnet). Wenn die Härte der Schicht 2A geringer als 1000 HV ist, kann eine ausreichende Abriebfestigkeit nicht mehr vorgesehen werden. Wenn die Härte 1500 HV überschreitet, kann die Bruchfestigkeit sinken und die Eigenschaft, das ge­ genüberliegende, gleitende Bauteil anzugreifen, kann sich erhöhen.

Bezüglich des Schmierringes 4 kann die Ölabstreiffunktion verringert werden und die Öl- Leckage zur Verbrennungskammer hin erhöht werden, wenn die äußeren Umfangsflä­ chen der seitlichen Schienen 4a durch Reibung abgetragen sind. Daher kann sich der Verbrauch von Schmieröl erhöhen und sich die Qualität der Verbrennung verschlech­ tern. In diesem Zusammenhang sind die äußeren Umfangsflächen der seitlichen Schie­ nen 4a ebenfalls mit ionenplattierten Schichten 4A ausgebildet. Die ionenplattierte Schicht 4A ist mit einer Cr-N Mischung gebildet und weist eine dichte Struktur mit einer Porosität im Bereich von 0 bis 3% und eine Härte im Bereich von 1800 bis 2200 HV auf. Eine Cr-N Mischung als Werkstoff der plattierten Schicht 4A ist sowohl bezüglich der Ab­ riebfestigkeit als auch bezüglich der Bruchfestigkeit zufriedenstellend. Der dichte Aufbau kann eine ausreichende Abriebfestigkeit der Schicht 4A sicherstellen. Da der geplante Druck auf den Schmierring geringer ist als der auf den obersten Ring, ist das Augen­ merk mehr auf die Abriebfestigkeit als auf die elastische Wiederherstellkraft gerichtet. Wenn die Porosität größer als 3% wird, kann die Abriebfestigkeit verringert sein. Wenn die Härte der Schicht 4A geringer als 1800 HV ist, kann eine ausreichende Abriebfestig­ keit nicht mehr bereitgestellt sein. Wenn die Härte größer als 2200 HV wird, können die Bruchfestigkeit und die Schälfestigkeit verringert sein und die Eigenschaft, das gegen­ überliegende, gleitende Bauteil anzugreifen, kann erhöht sein.

Fig. 2 zeigt eine Kolbenringkombination gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel betrifft eine Verringerung der Größe eines Kolbens 11 mit einer Kombination, die einen einzelnen Kolbendichtring 12 und einen einzelnen Schmierring 14 umfaßt, wodurch ein kompakter Motor realisiert wird. Der Kolben 11 ist mit zwei ringförmigen Nuten 11a, 11c versehen. Der Kolben­ dichtring 12, welcher einen obersten Ring darstellt, ist in der Nut 11a eingebaut, die sich näher an einer Verbrennungskammer befindet als die Nut 11c. Die äußeren Gleitflächen dieser Ringe 12 und 14 befinden sich im Gleitkontakt mit einer Zylinderlaufbuchse 15. Eine ionenplattierte Schicht 12A ist an einer äußeren Umfangsfläche des Kolbendicht­ ringes 12 ausgebildet und dient als eine Gleitschicht. Weitere ionenplattierte Schichten 14A sind an äußeren Umfangsflächen der seitlichen Schienen 14A des Schmierringes 14 ausgebildet. Diese Schichten 12A und 14A entsprechen jeweils den Schichten 2A und 4A des ersten Ausführungsbeispiels.

Sowohl beim ersten als auch beim zweiten Ausführungsbeispiel sind die ionenplattierten Schichten 2A, 4A, 12A, 14A mittels eines herkömmlichen reaktiven Ionenplattierungsverfahrens gebildet, welches eine Oberflächenbehandlungstechnik darstellt, bei der das Cr-Metall verdampft und in einer Gasphase in einem Reaktionsgas wie beispielsweise N ionisiert wird. Ein aus einer Reaktion hervorgegangener Werkstoff (CrN), der durch die Reaktion zwischen dem Gas N und den verdampften Cr-Ionen erzeugt wurde, wird an einer Oberfläche eines unter negativer Spannung stehenden Grundkörpers abgelagert.

Obwohl die Erfindung im Detail und unter Bezugnahme auf besondere Ausführungsbei­ spiele derselben beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann offensichtlich, daß ver­ schiedene Änderungen und Modifikationen bei derselben durchgeführt werden können, ohne daß vom Kern und Umfang der Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise ist als eine Modifikation des ersten Ausführungsbeispieles eine Kombination vorstellbar, die drei Kolbendichtringe und zwei Schmierringe aufweist. Bei diesem Fall sind jeweils die äußeren Umfangsflächen von zumindest einem ersten Kolbendichtring (oberster Ring) und einem ersten Schmierring jeweils mit der ionenplattierten Schicht ausgebildet. Des weiteren ist eine Kombination vorstellbar, die drei Kolbendichtringe und einen einzelnen Schmierring umfaßt. Auch in diesem Fall sind jeweils die äußeren Umflächen von zu­ mindest einem ersten Kolbendichtring (oberster Ring) und dem Schmierring jeweils mit den s mit den ionenplattierten Schichten ausgebildet.

Claims (3)

1. Eine Kombination von Kolbendichtringen zur Verwendung bei einem Verbren­ nungskraftmotor, wobei die Kolbenringe zumindest einen ersten Kolbendichtring, der einen obersten Ring mit einer äußeren Umfangsfläche beinhaltet, die mit ei­ ner ersten ionenplattierten Schicht ausgebildet ist, und zumindest einen Schmier­ ring mit einer äußeren Umfangsfläche aufweisen, die mit einer zweiten ionenplat­ tierten Schicht ausgebildet ist; wobei die Kombination umfaßt:
die erste ionenplattierte Schicht, die aus einer Mischung von Cr-N ausgebildet ist und eine poröse Struktur mit einer Porosität im Bereich von 3 bis 10% aufweist, und
die zweite ionenplattierte Schicht, die aus einer Mischung von Cr-N ausgebildet ist und einen dichten Aufbau mit einer Porosität im Bereich von 0 bis 3% auf­ weist.

2. Die Kombination nach Anspruch 1, wobei die erste ionenplattierte Schicht eine Härte im Bereich von 1000 bis 1500 HV aufweist und wobei ferner die zweite io­ nenplattierte Schicht eine Härte im Bereich von 1800 bis 2200 HV aufweist.

3. Eine Kombination von Kolbenringen zur Verwendung bei einem Verbrennungs­ kraftmotor, wobei die Kolbenringe zumindest einen Kolbendichtring, der einen obersten Ring mit einer äußeren Umfangsfläche aufweist, die mit einer ersten io­ nenplattierten Schicht ausgebildet ist, und zumindest einen Schmierring mit einer äußeren Umfangsfläche umfaßt, die mit einer zweiten ionenplattierten Schicht ausgebildet ist; wobei die Kombination umfaßt:
die erste ionenplattierte Schicht, die aus einer Mischung von Cr-N ausgebildet ist und eine Härte im Bereich von 1000 bis 1500 HV aufweist, und
die zweite ionenplattierte Schicht, die aus einer Mischung von Cr-N ausgebildet ist und eine Härte im Bereich von 1800 bis 2200 HV aufweist.