DE19504803A1 - Kolben-Kolbenring-Baugruppe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Kolben- und Zylinder-Baugruppen und insbesondere Verbesserungen, mittels derer das Freiraumvolu­ men der Kolben-Zylinder-Baugruppe verringert und der Dich­ tungskontakt der Kolbenringe unter gleichzeitiger Reduzie­ rung der Reibung verbessert wird.

Bei gegenwärtig gebräuchlichen Konstruktionen von Hochtempe­ ratur-Kolben-Zylinder-Baugruppen (d. h. Verbrennungsmotorkol­ ben mit Kolbenringen) treten folgende fünf charakteristi­ schen Probleme einzeln oder gemeinsam auf: (i) übermäßiges Freiraumvolumen, (ii) übermäßiger Durchtritt von Fluiden, (iii) vorzeitiges Ermüdungsversagen von Ringen, (iv) gestei­ gerte Verbrennung von Öl und (v) hohe Kosten für die Ferti­ gung der Nuten zur Aufnahme der Kolbenringe.

Das Freiraumvolumen (gemeint ist der Raum zwischen dem Kol­ ben und der Zylinderbohrungswand einschließlich der Nuten­ räume bis zu der Abdichtungsstelle des unteren Kompressions­ rings) vergrößert sich mit dem Spiel zwischen dem Kolbenbo­ den und der Bohrungswand sowie mit der Nutengröße. Derzeiti­ gen Kolben-Zylinder-Konstruktionen für kommerzielle Kraft- Fahrzeug-Verbrennungsmotoren sind große Freiraumvolumina ei­ gen, wodurch das Vorhandensein von unverbranntem Kraftstoff zugelassen wird, was wiederum zu vermehrten Emissionen führt. Weiterhin wird bei einem Kaltstart mehr Kraftstoff in die Brennkammer gespritzt, um die Verbrennung einzuleiten und zu unterstützen; daraus resultierender unverbrannter Kraftstoff wird aber durch einen Katalysator bei einem Kalt­ start nicht ohne weiteres umgewandelt. Zu berücksichtigen ist auch, daß die Auslegung des Kolbens in Bezug auf die Zy­ linderbohrung auf das kleinste Spiel bei Kaltstartbedingun­ gen abgestellt ist; die Wärmeausdehnung des Kolbenmaterials relativ zum Bohrungsmaterial, (d. h. des Aluminiumkolbens zur Gußeisenbohrung) hat bei höheren Temperaturen eine Vergröße­ rung des Freiraumvolumens zur Folge.

Ideal wäre ein Kolben, der sich in einer Zylinderbohrung oh­ ne Spiel zwischen dem Kolben (Boden oder Mantel) und der Bohrungswand mit geringer oder keiner Reibung bei allen Be­ triebszuständen hin- und herbewegt. Um eine Haltbarkeit der aneinander angrenzenden Materialien des Kolbens und der Zy­ linderbohrungswand herbeizuführen, hat man die Materialien jedoch auf jene beschränkt, die unerwünschte Reibung erzeu­ gen, wie z. B. für die Kolbenringe auf mit Nickel oder Chrom beschichtetes Eisen oder Stahl, auf Eisen oder Aluminium für die Bohrungswände, die manchmal mit verschleißbeständigen Beschichtungen versehen sind, und auf Eisen oder Aluminium für den Kolbenmantel, der manchmal mit verschleißbeständigen Beschichtungen versehen ist. Das Erreichen eines Nullspiels ist noch schwieriger; die Materialauswahl wird das Kolben­ spiel in typischen Gußeisen-Zylindern am oberen Totpunkt va­ riieren lassen. Z.B. wird bei Aluminiumkolben das Spiel zwi­ schen 15 µm und 60 µm betragen. Das Spiel kann sich unter warmen Betriebsbedingungen nahezu verdoppeln. Ferner kann die Bohrungswand unter harten Kaltstartbedingungen ver­ schlissen werden, wenn in den Ringnuten kein flüssiges Schmiermittel vorhanden ist.

Fluide oder Verbrennungsgase können an den Kolbenringen vor­ bei entweichen, wodurch möglicherweise das Schmiermittel auf der anderen Seite der Kolbenringe verschmutzt und im Schmiermittel selbst ein Verbrennungsrückstand erzeugt wird. Solch eine Undichtigkeit kann an der Rückseite, an der Vor­ derseite oder an den Schlitzenden der Kolbenringe auftreten. Eine Gasundichtigkeit tritt üblicherweise gemeinsam mit ei­ nem schlechten Abstreifen des Ölfilms auf, wodurch Öl nach oben in die Brennkammer gelangen kann, was zu einer Verun­ reinigung durch Ablagerungen auf den Brennkammerwänden führt. Ein Durchtritt von Fluiden, insbesondere eine Undich­ tigkeit an der Vorderseite, verringert die Motorkompression und damit die Solleistung des Motors. Herkömmliche Ringkon­ struktionen sind darauf abgestellt, den kleinsten Ringspalt bei Hochdruck-/Hochbelastungsbedingungen zu erzeugen, da der hohe Druck hinter dem Kompressionsring einen besseren Dich­ tungskontakt erzwingt. Jedoch wird bei Bedingungen mit nied­ riger Drehzahl/niedriger Belastung ein Gasdruck nicht vor­ handen sein, und so kann der Ringspalt sehr groß bzw. unzu­ lässig groß werden. Durch einen nach unten auf die Kompres­ sionsringe wirkenden Gasdruck kann, ausgelöst durch hohe Reibung, der Ring auch an dem Boden der Nut oder an einem anderen Ring festhaften; dieses verringert die Fähigkeit, einen angemessenen Ringspalt zur Bohrungswand zu halten. Der Spalt zwischen den Enden eines geschlitzten Kolbenrings kann sich bei hoher Drehzahl ebenfalls vergrößern, was einen noch größeren Verlust von Brenngasen zur Folge hat.

Vorzeitiges Ermüdungsversagen eines Rings wird durch hohen Gasdruck verursacht, durch den die Kompressionsringe an ih­ ren Nuten festhaften, während der Kolben gegen die Bohrungs­ wand gekippt und dabei der anhaftende Ring entgegen seiner Vorspannung gerüttelt und beansprucht wird, während er gleichzeitig zwangsweise auf eine nichtpassende Zylinderwand hinbewegt wird. Da die hin- und herbewegenden Kräfte ihre Größe und Richtung alle 720° ändern, hat eine solche Bela­ stung eine Stoßbelastung des Rings zur Folge; eine derartige Stoßbelastung führt zu Nutenverschleiß, einer (gewöhnlich als Flattern bezeichneten) Ringinstabilität und möglicher­ weise zu einem Versagen der Ringe infolge Materialermüdung.

Ein erhöhter Ölverbrauch resultiert aus einer Art peristoli­ schem Ölpumpvorgang, wobei das Öl zwischen dem Ölring und dem zweiten Kompressionsring (in dem Raum in der Nähe des Stegs zwischen diesen beiden Ringen) eingeschlossen ist. Beim Aufwärtshub des Kolbens wird so eingeschlossenes Öl zu­ rück nach oben an den Kompressionsringen vorbei oder hinter diesen in die Brennkammer gedrückt. In die Brennkammer ange­ saugtes Öl hinterläßt einen Rückstand oder eine Kohlenstoff­ ablagerung. Der erhöhte Ölverbrauch kann erheblich sein, da im Stegraum vorhandenes Öl während des Ansaughubs bei Motor­ bedingungen mit niedriger Drehzahl/niedriger Belastung wirk­ sam nach oben gepumpt wird. Bei dem Stand der Technik wurde mit verschiedenen Zwei-Ring-Konstruktionen sowie Drei-Ring- Konstruktionen experimentiert, um dieses Problem zu beseiti­ gen. Jedoch weisen alle bisher vorgeschlagenen Konstruktio­ nen entweder einen erhöhten Ölverbrauch bei Verringerung der Reibung oder verringerten Ölverbrauch durch Erhöhung der Reibung mittels höherer Ringspannung auf.

Die Verwendung von auf Eisen basierenden Ringen erfordert eine kleine Ringhöhe, um die Ringspannung zu beschränken. Solche Ringe erfordern relativ enge Nuten. Schmale oder enge Nuten zur Aufnahme solcher Ringe sind in einer Massenferti­ gung kostspielig und schwierig herzustellen.

Die Entwicklung von Kolbenringkonstruktionen für Kraftfahr­ zeuganwendungen zeigt wiederholte Bemühungen, einen Durch­ tritt von Fluiden (Kompressionsverluste) zu verhindern, wo­ bei festgestellt wurde, daß die Ringe nicht wirksam gegen die Bohrungswand abdichten oder daß Undichtigkeiten durch die Nuten, die die Ringe stützen, auftreten. Verschiedenar­ tige verschleißbeständige Beschichtungen wurden sowohl auf die Ringnuten als auch auf die freiliegende Dichtungsfläche am Ringumfang aufgebracht (vgl. eine Nickelbeschichtung gem. US-PS 25 75 214; eine Chrombeschichtung gem. US-PS 30 95 204 und eine Kombinationsbeschichtung aus Ni, Co-Mo oder Mo gem. US-PS 39 38 814). Bei einem Flattern der Ringe unter Wech­ selbelastung trat jedoch trotz derartiger Beschichtungen ei­ ne Gas- und Fluidundichtigkeit auf. Es wurde versucht, das Flattern durch Erhöhen des Dichtungskontaktdruckes der ge­ schlitzten Ringe in jeder der mit Abstand voneinander ange­ ordneten Nuten zu überwinden. Unglücklicherweise erhöht ein solcher erhöhter Kontaktdruck die Reibung, die dann zu einem möglichen Nuten- oder Ringverschleiß trotz Ölschmierung führt.

Den Erfindern sind keine Konstruktionsbestrebungen bekannt, die ohne Erhöhung der Kolbenreibung erfolgreich die Dichtung der Kolbenringe verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschrie­ benen Probleme in wirtschaftlich vertretbarer Weise zu behe­ ben.

Erfindungsgemäß wird eine Kolben-Kolbenring-Baugruppe vorge­ schlagen, die innerhalb einer zylindrischen Wand Fluid zu einer Seite hin zurückhält. Die Baugruppe umfaßt: einen Kol­ ben mit einer Nut oder mit mehreren mit Abstand voneinander angeordneten Nuten in der Kolbenseitenwand, wobei jede Nut ein Paar von inneren Nutflächen aufweist, die in einer gleichmäßigen Entfernung voneinander angeordnet sind; wenig­ stens ein Dichtungselement, das ein Paar von einander gegen­ überliegenden Flächen aufweist, die zwischen und längs dem Paar von Nutflächen wirksam sind, und das an der zylindri­ schen Wand angreifen kann, wobei der Zwischenraum zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen des Dichtungsele­ ments und dem Paar von inneren Flächen der Nut nicht größer als zehn Mikrometer ist; und eine Mischung für einen Fest­ stoffschmiermittelfilm, mit der die Nutflächen und wenig­ stens die einander gegenüberliegenden Flächen des Dichtungs­ elements beschichtet sind, wodurch die Oberflächenadhäsion des in dem Zwischenraum vorhandenen Fluids dessen Durchgang durch den Zwischenraum hindurch hemmt und wodurch ein Flat­ tern des Dichtungselements im Zwischenraum weitgehend besei­ tigt wird. Die Baugruppe beseitigt weitgehend das Ringflat­ tern bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer wirksamen Dichtung. Das Freiraumvolumen, der Durchtritt von Fluiden, das Ringversagen und das Pumpen von Öl werden reduziert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen bei­ spielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweise weggebrochenen Aufriß einer Kolben- Baugruppe gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Perspektivansicht eines der Kolbenringe aus Fig. 1 mit einer Darstellung der Schwalbenschwanzkonstruktion der Schlitzenden des Rings;

Fig. 3 eine stark vergrößerte Querschnittsansicht eines Ab­ schnitts der Kolben- und Kolbenring-Baugruppe aus Fig. 1;

Fig. 4 eine noch weiter vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der obersten Nut und des obersten Rings aus Fig. 3, und

Fig. 5 und 6 Ansichten wie Fig. 4, jedoch mit einer Ver­ gleichsdarstellung der Funktionsweise von Ringen nach dem Stande der Technik.

Die bevorzugte Kolben-Kolbenring-Baugruppe 10 der Erfindung ist, wie in den Fig. 1-4 dargestellt, längs einer zylindri­ schen Wand 24 bewegbar. Die Baugruppe umfaßt einen Kolben 11 mit einem Boden 12, einer Seitenwand 13, Mäntel 14, die von der Seitenwand herabhängen, und eine innere Verbindungs­ struktur 15 zum Verbinden des Kolbens mit dem Bolzen 16 für die Pleuelstange. Die Seitenwand weist drei Ringnuten 17, 18, 19 auf, die jede zur Ebene des Kolbenbodens ausgerich­ tet und in einem axialen Abstand (bezogen auf die Kolbenach­ se) von der anderen angeordnet ist, in einem Abstand 20 von beispielsweise 2 bis 10 mm. Die oberste Nut 17 enthält ein erstes Dichtungselement (geschlitzter Kompressionsring 21), die zweite Nut ein zweites Dichtungselement (geschlitzter Kompressionsring 22) und die untere Nut einen Ölabstreifring 23. Der Kolben arbeitet innerhalb der mit Öl bedeckten Zy­ linderbohrungswand eines Verbrennungsmotors. Der Zwischen­ raum 42 zwischen den einander gegenüberliegenden radialen Nutflächen, wie z. B. 43, 44 für Nut 21, und der einander ge­ genüberliegenden Oberseite und Unterseite des Rings, wie z. B. die Oberseite 40 und die Unterseite 41, sollte zehn Mi­ krometer oder weniger betragen. Jeder Ring und jede Nut ist mit einem Feststoffschmiermittelfilm mit chemischen Eigen­ schaften bedeckt, die ein Verringern des Reibungskoeffizien­ ten zwischen den aneinander anliegenden Ring- und Nutflächen auf 0,01-0,02 in einer einen Ölfilm aufweisenden Umgebung bewirken. Die Eigenviskosität von Verbrennungsgasen, die vom Freiraum 45A nach 45B bei einem derartig engen Spiel oder solch eine enge Lücke bei 42 hindurchtreten, verhindert ein Gasdurchströmen oder ein Gasdurchblasen. Darüber hinaus wird durch das enge Spiel ein Schrägstellen oder Flattern der Ringe in den Nuten weitgehend vermieden.

Der oberste Kompressionsring 21 ist dazu ausgelegt, eine Ab­ dichtung gegen eine Fluidwanderung zwischen der Brennkammer 35 und dem Kurbelgehäuse 36 zu bewirken. Der zweite Ring 22 wirkt vorrangig als Ölabstreifer während des Abwärtshubes und auch als Gasdichtung. Der Ölabstreifring 23 streift Öl von der Bohrung während des Abwärtshubes ab und hält auch einen Ölfilm in dem Zwischenraum zwischen dem obersten und dem zweiten Kompressionsring während des Aufwärtshubes auf­ recht. Der Ölabstreifring 23 weist eine sehr hohe Spannung auf, um eine ausreichende Abdichtung gegen Gasdruck zu schaffen und um ein effektives Ölabstreifen zu bewirken. Je­ der der Kompressionsringe ist dazu ausgelegt, einen Ring­ spalt, wie z. B. bei 25, zur Zylinderbohrungswand 24 zu er­ zeugen, bei dem auch unter härtesten Betriebsbedingungen (üblicherweise der Motorbetrieb mit hoher Drehzahl/hoher Be­ lastung) keine Störung auftritt.

Bei Baugruppen nach dem Stand der Technik ist der Ringspalt 26 (siehe Fig. 5) so ausgebildet, daß er ein merkliches Durchblasen von Verbrennungsgasen bei Bedingungen mit nied­ riger Drehzahl/niedriger Belastung des Verbrennungsmotors zuläßt. Ein solcher im Stand der Technik vorhandener Spalt 26 bei Bedingungen mit niedriger Drehzahl/niedriger Bela­ stung resultiert aus einem Steckenbleiben des Rings 27 an Nutseiten 28 oder 29 während einiger Hübe und aus einer Weg­ bewegung des Rings von den Nutseiten 28 oder 29 bei anderen Hüben. Die durchblasenden Gase enthalten sowohl Verbren­ nungsprodukte als auch unverbrannte Elemente, was zu einer Verschlechterung des Ölschmiermittels (das zur Aufrechter­ haltung eines Schmiermittelfilms auf der Zylinderbohrung und anderen Teilen des Motors notwendig ist) führt. Da ein Groß­ teil des Fahrzeug-Betriebszyklus Bedingungen mit niedriger Drehzahl/niedriger Belastung einschließt, erfordern die Ver­ unreinigung und die Verschmutzung des Ölschmiermittels ein Wechseln von Öl und Ölfiltern in regelmäßigen Intervallen, was optimalerweise beseitigt werden sollte.

Der oberste Kompressionsring 21 wird durch die Verbrennungs­ gase angegriffen, die auf die Oberseiten eines solchen Rings einwirken und den Ring gegen die Bodenfläche 28 der jeweili­ gen Nut mit einer Kraft 31 drücken, die proportional zum Gasdruck ist. Eine solche Axialkraft 31 erreicht ihr Maximum nahe des oberen Totpunkts (TDC) nach der Zündung. Während die hohe Axialkraft 31 den Ring nach unten auf die Nut drückt, wechselt die Kolbenseitenlast 32 (der Kontakt mit der Bohrungswand 24) von der kleineren Druckseite auf die größere Druckseite. Eine solche Seitenlast 32 wird die Un­ erseite 33 der Ringe (die durch Reibung mit der Nutfläche 28 verbunden ist) beanspruchen, wenn der Kolben sich von der kleineren Druckseite zur größeren Druckseite bewegt. Da die Relativbewegung zwischen dem Ring und der Nut sehr langsam ist und oszilliert, kann angenommen werden, daß die Reibung in der Mischschmierungszone sinkt und daher einen Reibungs­ bereich von ungefähr 0,12-0,15 aufweist. Dies ist ein hoher Reibungskoeffizient, da die Kraft zyklisch auftritt, und da­ durch kann ein Ermüdungsversagen des metallischen Kolben­ rings verursacht werden. Bei Betrieb des Verbrennungsmotors wechseln die Ring-Trägheitskräfte, die aus der Kolbenbewe­ gung resultieren, nämlich die Gaslast sowie die Reibungs­ kräfte zwischen dem Ring und der Bohrung zyklisch alle 720° sowohl die Richtung als auch die Größe. Auf diese Weise wer­ den die Ringflächen einer zyklischen Stoßbelastung ausge­ setzt, die zum Flattern führt.

Unter Flattern wird ein Schrägstellen der mittleren radialen Ebene 34 des Rings zur mittleren radialen Ebene der Nut ver­ standen. Ein solches Schrägstellen tritt auf, wenn die Stoß- Seitenbelastungskraft 32 größer ist als das Produkt aus der Gasdruckkraft 31 mal dem Reibungskoeffizienten längs der Kontaktflächen 33 und 28. Zyklisches Flattern kann die Nutz­ lebensdauer des Rings verkürzen. Flattern kann einen Nutver­ schleiß verursachen (beginnend bei den Nutkanten 35, 36), der das Spiel zwischen dem Ring und der Nut vergrößert. Häufig verschleißt die Nut an der mit 38 bezeichneten Stelle in ei­ nem zunehmenden Maße vom Boden der Nut bis zur Eingangsöff­ nung (wie in Fig. 6 dargestellt). Ein übermäßiger Nutver­ schleiß verursacht nicht nur Flattern, sondern auch eine Ringinstabilität und -ermüdung. Die Dauerhaltbarkeit kann sich auf 500 Stunden verkürzen. Die Erfindung beseitigt im wesentlichen Flattern und Nutverschleiß durch Beschränken jeglichen Spiels zwischen dem Ring und der Nut auf zehn Mi­ krometer oder weniger und durch Verringern der Reibung zwi­ schen dem Ring und der Nut auf äußerst niedrige Werte.

Eine von Nutverschleiß herrührende Beschädigung bei Baugrup­ pen nach dem Stande der Technik wird im Laufe der Zeit zu­ nehmend stärker und kann zu übermäßigem Ölverbrauch aufgrund einer peristolischen Pumpwirkung führen.

Öl gelangt in den Raum 46 zwischen der Kolbenseitenwand 13 und der Bohrungswand 24 und in axialer Richtung zwischen den Ölabstreifring 23 und den zweiten Kompressionsring 22. Im Raum 46 vorhandenes Öl kann während zyklischer Aufwärtshübe hinter die Kompressionsringe in die Räume 47 und 45C ge­ drückt und fortlaufend in die Brennkammer gepumpt werden. Der Ölverbrauch kann deutlich steigen, wenn sich Öl in die­ sem axialen Raum 46 ansammelt. Dies kann insbesondere wäh­ rend des Ansaughubs bei einem Motorbetrieb mit niedriger Drehzahl/niedriger Belastung auftreten. Der Ring kann auch Schlitzenden aufweisen, die wie in Fig. 2 dargestellt profi­ liert sind und dazu beitragen, ein Durchströmen zu verhin­ dern. Die Schlitzenden 60, 61 weisen einander entsprechende Kerben 62, 63 auf, die bei Zusammengeführten Enden ein schwalbenschwanzförmiges Ineinandergreifen bewirken.

Erfindungsgemäß wird das peristolische Pumpen von Öl durch den Kolbenring im wesentlichen dadurch beseitigt, daß jede Verbindung, durch die Öl in die Räume 46, 47 oder 45C ein­ dringen kann, eingeschränkt wird. Dies beruht auf (a) den engen Spielen zwischen den Ringen und der Ober- oder der Un­ terseite ihrer jeweiligen Nuten und (b) dem kontinuierlichen Eingriff der Kompressionsringe 26 oder 22 in den Ölfilm 48 auf der Bohrungswand 24. Dieser kontinuierliche Eingriff wird durch das Gleiten der Ringe unter äußerst niedriger Reibung innerhalb der Nuten erleichtert, wodurch die im Ring vorhandene Spannung in Verbindung mit dem Gasdruck in Räumen wie z. B. 47, 45C hinter den Kompressionsringen 21 und 22 wirken kann. Da eine Ablauföffnung 51 im Kolben den Raum 46 mit dem Kolbeninneren und einem Ölsumpf verbindet, ist zu­ sätzlich ein Einschließen von Öl als ersten Schritt für ein peristolisches Pumpen beseitigt.

Während der Kolben 11 Kompressions- und Expansionshübe aus­ führt, wirkt der Kompressionsring 21 als wirksame Dichtung gegen den Ölfilm der Bohrungswand 24. Da der Gasdruck bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens während des Kompressionshu­ bes ansteigt, erfolgt auf der Oberseite 40 des Rings 21 wie auch an der radial innenliegenden Fläche 50 des Rings 21 ei­ ne entsprechende Druckerhöhung und drückt diesen Ring mit ausreichender Spannung gegen den Ölfilm der Bohrungswand. Eine hinreichende Ringspannung wird durch die äußerst nied­ rige Reibung der Ringe an den Nutwänden erleichtert, so daß bei diesem Betrieb kein Durchtritt von Fluid an der innen­ liegenden Kontaktfläche der Kompressionsringe auftritt.

Der Kompressionsring 22 ist üblicherweise so ausgelegt, daß seine Kontaktkraft etwas geringer als die des oberen Kom­ pressionsringes 21 ist, da er während der Abwärtsbewegung des Kolbens im wesentlichen als Ölfilmabstreifer wirkt. Auf­ grund des schnellen Anstiegs des Gasdrucks auf der Innensei­ te und oberhalb des Kompressionsrings 22 gelangen solche Ringe in einfacher Weise mit dem Ölfilm in Eingriff, wodurch die Abdichtung verbessert und der Durchtritt von Fluid er­ heblich verringert wird.

Die Höhe 53 entweder der Nut 21 oder 22 ist gegenüber der üblicherweise im Stand der Technik verwendeten Höhe auf we­ nigstens ungefähr 4 mm vergrößert, was die Bearbeitung er­ leichtert. Die Höhe 54 der Ringe 21 oder 22 ist vergrößert, was durch deren Ausbilden aus Leichtmetall, wie z. B. Alumi­ nium (wie etwa A1 6061), erleichtert ist. Die Masse des Rings ist deutlich größer, um eine äquivalente Ringspann­ kraft zu erzielen, wodurch die Nut ohne Gewichtsnachteile höher ausgebildet sein kann. Um zu gewährleisten, daß das Spiel 42 zwischen den Ringen und den Nuten im wesentlichen daßelbe bleibt, sollten die Ringe aus demselben Metallmate­ rial wie der Kolben ausgebildet sein, wie z. B. aus Alumini­ um, und aus dem Kolbenbereich sollte um jede Nut herum durch Spritzen von Kühlöl an die Innenwand 55 des Kolbens während des Motorbetriebs Wärme abgeführt werden. Das Volumen an Kühlöl sollte diese Kolbenbereiche bei einer Temperatur von 177°C (350°F) oder niedriger halten können.

Das Material für den Feststoffschmiermittelfilm selbst kann nicht auf Graphit oder irgendeinem Schmiermittel allein ba­ sieren, sondern es basiert vielmehr auf einer spezifischen Kombination von Feststoffschmiermitteln in einem Spezialpo­ lymer, das einem Auffüllen (replenishing) von Graphit mit Wasser bei hohen Temperaturen hilfreich ist. Der Feststoff­ schmiermittelfilm weist eine Mischung von wenigstens zwei Elementen auf, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Gra­ phit, MoS₂ sowie BN enthält; die Mischung wird in einer wär­ meausgehärteten Polymermischung gehalten, die bis zu 316°C bis 427°C (600°-800°F) stabil ist, wobei sie die Filmbe­ schichtung an ihren Träger anklebt und dabei ein Kohlenwas­ serstoff-Anziehungsvermögen (Öl-Anziehungsvermögen) ausbil­ det. Das Polymer ist ein Polyamid oder Epoxidharz und bildet 45 bis 60 Gewichtsprozente der Mischung.

Bei Verwendung von Graphit sollte dies in einer Menge von 29 bis 58 Gewichtsprozenten in der Mischung enthalten sein. Üb­ licherweise wirkt Graphit als Feststoffschmiermittel bis zu Temperaturen von etwa 204°C (400°F). Bei Verwendung von MoS₂ sollte dies in einer Menge von 29 bis 58 Gewichtsprozenten in der Mischung enthalten sein. Es bewirkt in erster Linie eine Erhöhung der Tragfähigkeit der Mischung bis zu einer Temperatur von wenigstens 304°C (580°F), zerfällt aber bei Temperaturen oberhalb 304°C in einer Luft- oder nichtredu­ zierenden Atmosphäre. MoS₂ reduziert Reibung in Abwesenheit von Öl oder in Anwesenheit von Öl und trägt Lasten von we­ nigstens 69 kPa (10 psi) bei solchen Temperaturen. Auch MoS₂ zieht Öl an. Bei Verwendung von BN, sollte dies vorzugsweise in einer Menge von 7 bis 16 Gewichtsprozenten in der Mi­ schung enthalten sein, wodurch die Stabilität der Mischung bis zu Temperaturen von 371°C (700°F) erhöht und gleichzei­ tig das MoS₂ stabilisiert wird. Öl wird durch BN in wirksa­ mer Weise angezogen. Gleichwohl kann BN in Mengen von bis zu 40% vorhanden sein.

Die Schmiermittelmischung wird als eine Beschichtung aufge­ bracht, die eine Adhäsion erfordert. Diese kann dadurch ver­ bessert werden, daß entweder die Nutwände oder die Ringflä­ chen mit Mikronuten versehen werden, oder dadurch, daß eine Zwischenbeschichtung aus Zinkphosphat oder eloxiertem Alumi­ nium eingesetzt wird. Eine bevorzugte Teilchengröße der ein­ zelnen Bestandteile kann wie folgt sein: Graphit wird der Mischung im Bereich von 0,5 bis 4,0 µm, MoS₂ im Bereich von 0,3 bis 4,5 µm und BN mit ungefähr 5 µm zugeführt. Jedoch können auch größere Teilchengrößen bis zu 45 µm verwendet werden, insbesondere wenn eine Nachbearbeitung erfolgen soll. Die Mischung wird üblicherweise in einer Kugelmühle gemahlen, um eine mittlere Teilchengröße von 0,3 bis 10 µm zu erzeugen. BN kann Lasten von 34 kPa (5 psi) tragen, aber als Teil der Mischung mit Graphit und BN im vorerwähnten Po­ lymer können Lasten in Höhe von 3447 kPa (500 psi) bei Tem­ peraturen bis zu 204°C (400°F) getragen werden. Die optimale Mischung enthält alle drei Bestandteile und sorgt für eine Temperaturstabilität bis oberhalb von 371°C (700°F), für Tragfähigkeiten deutlich über 69 kPa (10 psi) und für ein ausgezeichnetes Öl-Anziehungsvermögen. Die Kombination aller drei Elemente hat einen Reibungskoeffizienten zur Folge, der bei Raumtemperatur im Bereich von 0,07 bis 0,08 liegt und bei 371°C auf 0,03 abfällt.

Der metallische Kolbenkörper (d. h. die Seitenwand des Kol­ bens) kann mit wesentlich größerer Geschwindigkeit und Ge­ nauigkeit bearbeitet werden, da die zulässige Höhe der Nuten wesentlich größer als bei Nuten für Kompressionsringe nach dem Stand der Technik ist. Vorzugsweise wird die Mischung für den Feststoffschmiermittelfilm als Emulsion auf die dazu vorgesehenen Flächen aufgesprüht, indem zunächst das Metall mit Mikronuten versehen oder ein Grundanstrich aus Zinkphos­ phat oder eloxiertem Aluminium aufgebracht und die Mischung als Emulsion aufgesprüht wird.

Claims (8)

1. Kolben-Kolbenring-Baugruppe (10), die innerhalb einer zylindrischen Bohrung Fluide zu einer Seite hin zurück­ hält, wobei der Kolben (11) eine Seitenwand (13) für eine Bewegung längs der zylindrischen Wand (24) der Bohrung aufweist, mit:

• (a) einem Kolben (11) mit einer Nut oder mehreren mit Abstand (20) voneinander angeordneten Nuten (17, 18, 19) in der Seitenwand (13), wobei jede Nut (17, 18, 19) ein Paar von inneren Nutflächen (43, 44) aufweist, die in einem gleichmäßigen Abstand voneinander angeordnet sind,
• (b) wenigstens einem Dichtungselement (21, 22, 23), das ein Paar von einander gegenüberliegenden Flächen (40, 41) aufweist, und welches zwischen und längs dem Paar von Nutflächen (43, 44) wirksam ist und an der zy­ lindrischen Wand (24) angreifen kann, wobei der Zwi­ schenraum (42) zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen (40, 41) des wenigstens einen Dichtungselements und des Paars von inneren Flächen (43, 44) der Nut nicht größer als zehn Mikrometer ist, und mit
• (c) einer Mischung für einen Feststoffschmiermittel­ film, mit der besagte Nutflächen (43, 44) und wenigstens die einander gegenüberliegenden Flächen (40, 41) des we­ nigstens einen Dichtungselements (21, 22, 23) beschichtet sind, wodurch die Oberflächenadhäsion des in dem Zwi­ schenraum (42) vorhandenen Fluids ein Wandern des Fluids durch den Zwischenraum (42) hindurch hemmt und ein Flattern des wenigstens einen Dichtungselements (21, 22, 23) in dem Zwischenraum (42) im wesentlichen un­ terdrückt wird.

2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Dichtungselement (21, 22, 23) und der Kolben (11) aus dem im wesentlichen gleichen Leichtme­ tall gebildet sind, um jegliche unterschiedliche Wärme­ ausdehnung bei variierenden Temperaturbedingungen zu beschränken.

3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kolben (11) einen hohlen Innenraum auf­ weist, und die Baugruppe Einrichtungen aufweist, um den Innenraum zur Wärmeabführung mit Öl zu versorgen, wo­ durch zusätzlich die Wärmeausdehnung der Kolbenseiten­ wand (13) und des wenigstens einen Dichtungselements (21, 22, 23) beschränkt ist.

4. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das wenigstens eine Dichtungselement (21, 22, 23) eine Höhe von wenigstens 2 mm aufweist.

5. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Feststoffschmiermittel in der Mischung eine mittlere Teilchengröße von 4 µm oder we­ niger aufweisen, wodurch der Zwischenraum (42) ohne Nachbearbeitung der einen Nut oder der mehreren Nuten (17, 18, 19) oder des wenigstens einen Dichtungselements (21, 22, 23) ausgebildet werden kann.

6. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schmiermittelmischung einen wär­ meausgehärteten (thermoset) Träger aus Polyamid oder Epoxidharz enthält, der 45 bis 60 Gewichtsprozente der Mischung bildet.

7. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß (a) die Feststoffschmiermittel in der Mischung wenigstens zwei Elemente aus einer aus Gra­ phit, Bornitrid und MoS₂ bestehenden Gruppe enthalten, und daß (b) die einander gegenüberliegenden Flächen (40, 41) des Dichtungselements (21, 22, 23) und die inne­ ren Nutflächen (43, 44) eine das Haftvermögen fördernde Zwischenbeschichtung unter dem Feststoffschmiermittel­ film tragen, die aus einem Material aus einer Zinkphos­ phat, eloxiertes Aluminium sowie Eisenphosphat umfas­ senden Gruppe besteht.

8. Kolben- und Kolbenring-Baugruppe (10), die innerhalb einer zylindrischen Bohrung eines Verbrennungsmotors wirksam ist, wobei der Kolben (11) einen Boden (12) mit einer ringförmigen, herabhängenden Seitenwand (13) für eine hin- und hergehende Bewegung längs der Bohrungs­ wand (24) aufweist und die Bohrungswand (24) mit Öl be­ netzt ist, gekennzeichnet durch

• (a) einen auf der Basis von Aluminium ausgebildeten Kolben (11) mit einer Mehrzahl von mit Abstand (20) voneinander angeordneten Nuten (17, 18, 19) in der Sei­ tenwand (13), von denen jede einen rechtwinkligen Quer­ schnitt mit oberen und unteren, jeweils radial verlau­ fenden, in einem gleichmäßigen Abstand von wenigstens 2 mm zueinander angeordneten Flächen (43, 44) aufweist;
• (b) einen geschlitzten Dichtungsring (21, 22, 23) in je­ der der Nuten (17, 18, 19), der einen zur ihn aufnehmen­ den Nut komplementären Querschnitt aufweist, aus einem auf Aluminium basierenden Metall gebildet ist und eine Höhe aufweist, die im wesentlichen gleich dem besagten gleichmäßigen Abstand ist und zur Ausbildung eines Spiels (42) höchstens 10 µm kleiner als dieser ist, und durch
• (c) eine Feststoffschmiermittelfilm-Beschichtung auf den Nutflächen (43, 44) und den Ringen (21, 22, 23), wobei die Beschichtung aus einer Mischung von wenigstens zwei Schmiermitteln gebildet ist, die aus einer Graphit, BN sowie MoS₂ enthaltenden Gruppe ausgewählt sind.