DE19940022C2 - Kolbenringkombination für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenringkombination für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung, mit einem ersten und einem zweiten Kolbenring.

Bei Dieselmotoren wird der Treibstoff in Luft mit hoher Kompression und hoher Temperatur eingebracht, so daß der Treibstoff hierbei verbrennt und Arbeit erzeugt. Dieselmotoren sind grundsätzlich klassifiziert in solche mit direkter Einspritzung und in solche mit einer zusätzlichen Kammer (Vorkammer), und zwar hinsichtlich der Methoden der Vermischung des eingespritzten Treibstoffes und der Luft. Allgemein wird als Dieselmotor mit zusätzlicher Kammer oder Vorkammer ein Dieselmotor bezeichnet, der mit einer zusätzlichen Kammer in einem Zylinder oder Zylinderkopf versehen ist, und zwar außerhalb der Hauptbrennkammer, und bei dem der Treibstoff in diese zusätzliche Kammer eingespritzt wird. Das Luft-Treibstoff-Verhältnis kann hier dann optimal gewählt werden, da die Vermischung von Treibstoff und Luft bei diesen Verfahren besonders gut ist.

Als Dieselmotor mit direkter Einspritzung wird allgemein ein Dieselmotor bezeichnet, bei dem der Treibstoff mit hohem Druck einen Brennraum eingespritzt wird, der in einem Zylinderkopf oder aber generell oberhalb eines Kolbens gebildet ist. Dieselmotoren dieser Art weisen einen geringeren Verbrauch und einen geringeren Anteil an CO im Abgas auf, und zwar im Vergleich zu Dieselmotoren mit einer zusätzlichen Kammer, so daß diese Dieselmotoren mit Direkteinspritzung den Abgasbestimmungen eher gerecht werden. Weiterhin ist grundsätzlich der Anteil an Verbrennungsprodukten oder -rückständen, wie z. B. Ruß usw. geringer.

Dieselmotoren mit zusätzlichen Kammer wurden umfangreich verwendet, zumal mit großen Motoren dieser Art hohen Leistungen problemlos erreichbar sind.

Bei Dieselmotoren mit zusätzlicher Kammer werden zahlreiche Verbrennungsrückstände, wie Ruß usw. erzeugt, wobei diese Verbrennungsrückstände (Ruß usw.) an dem Kolbenring anhaften und hierdurch zu einem Verschleiß oder Abrieb an Kolbenringen führen. Weiterhin unterliegen Dieselmotoren mit zusätzlichen Kammer einer Korrosionsabnutzung, und zwar bedingt durch den Treibstoff.

Aus diesem Grunde ist für Kolbenringe, die bei Dieselmotoren mit zusätzlicher Kammer eingesetzt werden, eine erhöhte Festigkeit gegen Abnutzung und Abrieb sowie eine erhöhte Hitzebeständigkeit erforderlich.

Aus diesen Gesichtspunkten wurde bereits bei Dieselmotoren mit zusätzlicher Kammer als erster Druckring ein Kolbenring verwendet, der aus einem rostfreien Martensit-Stahl hergestellt ist, welcher 11-18% Cr enthält und daher verhältnismäßig teuer ist. Weiterhin wurde eine Gasnitrid-Behandlung der Oberfläche des Ringes vorgenommen, um die Abriebfestigkeit zu verbessern. Schließlich wird als erster Druckring oftmals ein Ring mit rechteckförmigen oder mit einem Querschnitt entsprechend einem halben Trapez oder einem vollen Trapez verwendet, um die anfallenden Verbrennungsrückstände (Schlacke, Ruß usw.) zu entfernen. Der zweite Druckring, der in Dieselmotoren mit zusätzlicher Kammer verwendet wird, arbeitet unter keinen schwereren Bedingungen als der erste Druckring. Da der zweite Druckring eine komplizierte Formgebung aufweist, beispielsweise als abgeschrägter Ring, als abgeschrägter Ring mit Hinterschneidung oder als abgeschrägter Ring mit Hinterschnitt, wird in der Regel ein gegossener Ring aus Eisen verwendet, und zwar schon aus Gründen der Herstellbarkeit. Um die Abreibfestigkeit zu verbessern, wird oftmals ein Ring verwendet, der an seinem Umfangsbereich sowie auch an der Ober- und Unterseite mit Chrom beschichtet ist.

Wenn jedoch der zweite Druckring sehr dünn ausgebildet wird, um hierdurch Kosten, insbesondere auch Treibstoffkosten zu sparen, ist die mechanische Festigkeit eines gegossenen Ringes aus Eisen ungenügend. Aus diesem Grunde wurde bereits vorgeschlagen (veröffentlichte japanische Anmeldungen JP 58-25 863 A und JP 61-54 103 A) den zweiten Druckring aus den gleichen Stahl zu fertigen, aus dem auch der erste Druckring besteht.

Weiterhin ist bei einem Dieselmotor mit zusätzlicher Kammer auch ein Ölabstreifring oder Ölring verwendet, und zwar in Form eines einstückigen Ringes, dessen Oberflächen wiederum einer Beschichtung mit Chrom und einer Gasnitridbehandlung unterzogen wurden.

In jüngster Zeit werden aber anstelle von Dieselmotoren mit zusätzlicher Kammer oder Vorkammer Motoren mit direkter Einspritzung verwendet, und zwar sowohl für kleine als auch für große Motoren, und zwar aus dem Gesichtspunkt der Treibstoffkosten, der Reduzierung der Abgase und der Verbesserung der Lebensdauer.

Würde ein Druckring, wie er bei Dieselmotoren mit zusätzlicher Kammer üblich ist, als Druckring in einen Dieselmotor mit direkter Einspritzung verwendet, so würde dies sehr hohe Kosten für den Druckring verursachen, was zu wirtschaftlichen Problemen führen würde.

Bekannt ist weiterhin (DE 198 36 360 A1) Kolbenringe zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Resistenz gegen Fressen aus einem Material herzustellen, welches gewichtsbezogen im wesentlichen aus 0,2 bis 1,2 Gewichtprozent Kohlstoff, 0,5 bis 25 Gewichtsprozent Chrom und Eisen besteht, wobei allerdings der Gehalt an Karbit von M₇C₃-Typ in der Struktur nicht mehr als 4 Flächenprozent beträgt.

Angaben über eine spezielle Verwendung dieses bekannten Kolbenringmaterials in Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und/oder über eine zusätzliche Oberflächenbehandlung des hergestellten Kolbenrings sind in diesem Stand der Technik nicht entnehmen.

Bekannt ist weiterhin ein verschleißbeständiger Kolbenring (DE 35 01 823 C2), der aus einem korrosionsbeständigen martensitischen Stahl hergestellt ist, welcher zwischen 0,25 bis 1,2 Gewichtprozent Kohlstoff und zwischen 11 bis 19 Gewichtprozent Chrom enthält und eine nitriergehärtete Schicht aufweist, und zwar mit einer Härte von wenigstens 950 HV. Auch diesem Stand der Technik ist eine spezielle Verwendbarkeit des Kolbenringes für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung nicht zu entnehmen, insbesondere auch nicht die Verwendbarkeit des Kolbenringes als zweiter Druckring einer Kolbenringkombination bestehend aus wenigstens einem ersten oder einen zweiten Druckring.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben angegebenen Probleme in vorteilhafterweise zu lösen und eine Kolbenringkombination für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung zu schaffen, die bei der Möglichkeit einer preiswerten Herstellung eine ausreichende Abrieb- und Verschleißfestigkeit aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Kolbenringkomibination entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind ein Kolbenring entsprechend dem Patentanspruch 1 und eine Kolbenringkombination entsprechend dem Patentanspruch 3 ausgebildet.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine genügende Abriebfestigkeit und Standzeit selbst dann erreicht werden kann, wenn ein Ring aus einem Stahl mit einem geringen Chromanteil als zweiter Druckring eingesetzt wird, auf den eine geringere Hitzebelastung einwirkt.

Weiterhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß ein Ring aus einem Stahl mit einem geringen Chromanteil zufriedenstellend als Ölring verwendet werden kann. Schließlich liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß eine Härteschicht härter als eine Chromschicht dadurch erreicht werden kann, daß ein chromhaltiger Stahl einer Nitridbehandlung unterzogen wird und daß hierbei auch die Abriebfestigkeit verbessert werden kann.

Erste Ergebnisse von Versuchen, die als Basis zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung dienten, werden nun beschrieben.

Hergestellt wurde ein zweiter Druckring und ein Ölring jeweils für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung und für einen Dieselmotor mit Hilfskammer bzw. mit zusätzlicher Kammer, und es wurden hierbei der Grad der Abnutzung dieser Kolbenringe miteinander verglichen. Die Ergebnisse sind in der Fig. 2 wiedergegeben. In diesem Fall wurde ein 70 µm Nitridschicht an der äußeren Umfangs- oder Gleitfläche jedes Kolbenringes erzeugt. Lediglich eine Chromplattierung oder Chromschicht mit einer Dicke von 100 µm wurde auf einen Teil der äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes aufgebracht. Bei den Untersuchungen wurde ein Dieselmotor mit Direkteinspritzung und ein Dieselmotor mit Misch- oder Vorkammer verwendet, und zwar jeweils mit vier Zylindern in Reihe, mit einem inneren Bohrungsdurchmesser von 92 mm und einem Gesamtkolbenhub von 2000 cc. Die Testbedingung wurde auf 4000 Umdrehungen pro Minute, Vollast und 300 Stunden festgelegt.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, weist der zweite Druckring, der lediglich mit Chrom beschichtet ist oder aus einem Stahl mit geringem Chromanteil (10% Chrom oder weniger) besteht, bei dem Dieselmotors mit der zusätzlicher Kammer einen großen Abrieb auf. Andererseits ist bei einem Kolbenring aus einem Stahl mit hohem Chromanteil (13% oder mehr) der Abrieb beim Kolbenring nur 7 µm oder kleiner, was einer zufriedenstellenden Abriebfestigkeit entspricht. Andererseits ist selbst bei einem zweiten Kolbenring aus einem Stahl mit einem Chromanteil von 8% oder 10% bei dem Dieselmotor mit Direkteinspritzung der Abrieb am Kolbenring klein. Es ergibt sich also, daß ein Kolbenring aus einem Stahl mit 8-10% Chromanteil die gleiche zufriedenstellende Abriebfestigkeit aufweist wie ein Ring aus einem Stahl mit hohem Chromanteil (13% oder mehr) eines Motors mit zusätzlicher Kammer. Es wurde weiterhin festgestellt, daß bei einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung ein Ring aus einem Stahl mit einem Chromanteil von 8% oder 10% als Ölring zufriedenstellend verwendet werden kann. Dementsprechend sieht die Erfindung vor, daß ein Kolbenring für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung aus einem Stahl gefertigt ist, der jeweils in Gewichtsprozent enthält C: 0,4-0,8% und Cr: 6-11%, und der eine Nitridschicht an der Gleitfläche des Kolbenringes aufweist.

Entsprechend der Erfindung besitzt die Nitridschicht vorzugsweise eine Härte von 800­ -1100 Hv.

Weiterhin wird eine Kombination von Kolbenringen vorgeschlagen, und zwar für Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, wobei ein erster Druckring aus rostfreiem Martensit-Stahl besteht, der wiederum in Gewichtsprozent enthält C: 0,4-1,2% und Cr: 11-18% und der eine gehärtete Oberflächenschicht aufweist, und zwar mit einer Nitrid-Schicht an der Gleitfläche des ersten Druckringes und eine vorzugsweise PVD behandelte Schicht auf der oberen Schicht der Nitridschicht, wobei ein zweiter Druckring aus einem Stahl gefertigt ist, der wiederum in Gewichtsprozent enthält C: 0,4-0,8% und Cr: 6-11%, und der eine Nitridschicht an der Gleitfläche dieses zweiten Kolbenringes aufweist.

Entsprechend der Erfindung liegt die Oberflächenhärte der gehärteten Schicht, die auf der Gleitfläche des ersten Kolben- oder Druckringes gebildet ist, vorzugsweise bei 900 Hv oder höher und die Härte der gehärteten Schicht auf der Gleitfläche des zweiten Kolben- oder Druckringes, vorzugsweise zwischen 800 und 1100 Hv.

Vorgeschlagen wird weiterhin eine Kombination von Kolbenringen für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung, wobei ein erster Druckring aus einem korrosionsfesten Martensit-Stahl gefertigt wird, der wiederum in Gewichtsprozent enthält C: 0,4-1,2% und Cr: 11-18% und der eine gehärtete Oberflächenschicht aufweist, die eine Nitridschicht auf der Gleitfläche des wenigstens einen ersten Druckringes einschließt und optional auch eine PVD behandelte Schicht der Oberseite der Nitridschicht. Ein zweiter Druckring ist dann aus einem Stahl gefertigt, der wiederum in Gewichtsprozent enthält C: 0,4-0,8% und Cr: 6-11% und der eine Nitridschicht an der Gleitfläche des wenigstens einen zweiten Kolbenringes aufweist, wobei weiterhin ein Ölring aus einem Stahl gefertigt ist, der wiederum in Gewichtsprozent enthält C: 0,4-0,8% und Cr: 6-11% und der eine nitrierte Schicht an der Gleitfläche des Ölringes aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Beispiels einer Kolbenringkombination;

Fig. 2(a) einen Graph, der den Einfluß des Chromanteils im Stahl auf die Höhe der Abnutzung des als ersten Druckring verwendeten Kolbenrings zeigt und

Fig. 2(b) einen Graph, der den Einfluß des Anteils an Chrom im Stahl auf den Grad der Abnutzung des als Ölring verwendeten Kolbenringes zeigt.

Ein Kolbenring gemäß der Erfindung ist ein solcher, der eine bevorzugte oder vorteilhafte Abriebfestigkeit für einen zweiten Druckring oder einen Ölring aufweist oder aber kombinierte Ölringe, und zwar einschließlich des dreiteiligen oder zweiteiligen Typs für Dieselmotoren mit Direkteinspritzung. Der Kolbenring ist vorzugsweise aus einem Drahtmaterial hergestellt und eine Nitridschicht wird zumindest an der Gleitfläche des Kolbenringes erzeugt.

Das Ausgangsmaterial des Kolbenringes für den zweiten Druckring oder den Ölring ist ein Stahl, der in Gewichtsprozent enthält C: 0,4%-0,8% und Cr: 6-11%, vorzugsweise auch Si: 0,1-0,4% und Mn: 0,2-0,4%, Rest Eisen und Verunreinigungen.

Kohlenstoff ist hierbei ein wesentliches Element, um die Härte und Festigkeit des Ausgangsmaterials zu verbessern und um die Abriebfestigkeit zu erhöhen, und zwar in Kombination mit Cr, um feines, hartes Chrom-Karbid zu bilden. Derartige Effekte von C treten bei einem C-Anteil im Ausgangsmaterial von 0,4% und höher auf. Wenn aber der Anteil an C 0,8% übersteigt, läßt sich die Bildung von grobem Primär-Karbid feststellen. Die Festigkeit wird verschlechtert und die Aggressivität des Kolbenringes wird erhöht, was zu einer Erhöhung des Abriebs an der Innenfläche des Zylinders führt. Aus diesem Grunde ist bei der Erfindung der Anteil an C auf einem Bereich von 0,4-0,8%, vorzugsweise auf 0,5-0,7% beschränkt.

Chrom ist ein Element, das fest lösbar in einer Matrix ist und die Hitzebeständigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit verbessert und welches in Kombination mit Kohlenstoff feines, hartes Karbid bildet und hierdurch die Formbeständigkeit, die Abriebfestigkeit und die Standfestigkeit erhöht. Derartige Effekte lassen sich bei einem Cr-Anteil von 6% und höher feststellen. Falls aber der Cr-Anteil 11% übersteigt, wird zwar die Abriebfestigkeit weiter verbessert, eine solche erhöhte Legierung ist aber nicht die beste, geeignete Form in Hinblick auf die Umgebungsbedingungen in einem Dieselmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung, d. h. die Nachteile überwiegen und zwar vom wirtschaftlichen Standpunkt sowie auch deswegen, weil gleichzeitig eine große Anzahl von Chromkarbiden entstehen, die die Verarbeitbarkeit beeinträchtigen. Aus diesem Grunde ist der Anteil Cr auf 6-11% begrenzt.

Silizium ist ein Element, das als Deoxidationsmittel wirkt und die Festigkeit gegen Niederschläge erhöht. Derartige Effekte können bei einem Si-Anteil von 0,1% oder mehr festgestellt werden. Andererseits wird bei einem Si-Anteil über 0,4% die Verarbeitbarkeit verschlechtert und die Zähigkeit beeinträchtigt. Aus diesem Grunde ist der Si-Anteil auf einem Bereich von 0,1-0,4% beschränkt.

Mangan ist ein Element, welches ebenfalls als Deoxidiermittel wirkt die Heißverarbeitbarkeit verbessert. Derartige Wirkungen von Mn können bei einem Mn- Anteil von 0,2% und höher festgestellt werden. Andererseits wird durch einen Mn- Anteil höher 0,4% die Kaltverarbeitbarkeit während des Formens der Ringe verschlechtert. Aus diesem Grunde ist der Mn-Anteil auf einen Bereich von 0,2-0,4% beschränkt.

Der Rest besteht aus Eisen und Verunreinigungen. Als Verunreinigungen sind erlaubt P: 0,04% oder weniger und S: 0,03% oder weniger.

Bei einem Kolbenring, der aus einem Stahlmaterial mit der obigen Zusammensetzung hergestellt ist, wird eine Schicht durch Nitrieren erzeugt, und zwar zumindest am Umfang, der die Gleitfläche bildet. Bei der Herstellung der Nitridschicht ist man nicht auf ein spezielles Verfahren beschränkt, aber die Nitridschicht wird dennoch vorzugsweise durch Nitridbehandlungen, wie Gasnitrierung, Ionen-Nitrierung, Salzbad-Nitrierung, Kupferinfiltrat-Nitrierung oder dergleichen erzeugt. Die Nitrierbehandlung erfolgt vorzugsweise durch Gasnitrierung unter Verwendung einer Amoniumgasatmosphäre und eines Gasgemisches aus Amoniumgas und Stickstoffgas. Weiterhin ist es selbstverständlich möglich, eine Nitridschicht an allen Oberflächen, auch zusätzlich zur Gleitfläche des Kolbenringes zu erzeugen.

Eine Oberflächenschicht, die eine Abriebfestigkeit höher als eine Chrombeschichtung aufweist, wird auf der Oberfläche eines Cr-haltigen Ausgangsmaterials durch eine Nitrierung oder Nitrierbehandlung erzeugt. Es ist wünschenswert, die Nitridschicht mit einer Härte von 800-1100 Hv herzustellen. Die Härte der Nitridschicht ändert sich mit dem Cr-Gehalt im Ausgangsmaterial. Beträgt beispielsweise der Cr-Anteil im Ausgangsmaterial 6%, so ist die Härte der Oberflächenschicht des Kolbenringes 800 bis 900 Hv bei einer Gasnitrierung. Wenn der Cr-Anteil im Basismaterial 11% beträgt, wird eine Härte der Oberflächenschicht des Kolbenringes von 1000-1100 Hv erreicht. Wenn andererseits lediglich eine Chrom-Beschichtung ausgeführt wird anstelle einer Gasnitrierung wird maximal eine Härte von 820 Hv erreicht. Weiterhin kann beispielsweise bei der Gasnitrierung die Härte der Nitridschicht durch die Bedingungen bei der Nitrierung geändert werden, beispielsweise durch die Komponenten der Atmosphäre, die Behandlungsdauer, durch Steuerung der Behandlungszeit usw. Wenn die Härte der Nitridschicht kleiner als 800 Hv ist, erhöht sich das Ausmaß der Abnutzung des Kolbenringes. Falls die Härte der Nitridschicht 1100 Hv übersteigt, wird die Aggressivität des Kolbenringes gegenüber der Innenwand des Zylinders extrem stark.

Auch wenn eine Reaktionsschicht, auch bekannt als "white chip", auf der Oberfläche einer Nitridschicht gebildet ist, ist diese Schicht hart und besitzt eine hervorragende Abriebfestigkeit. Bei einem Kolbenring, der als zweiter Druckring oder als Ölring in einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung verwendet wird, und der der vorliegenden Erfindung entspricht, wird die Nitridschicht dazu verwendet, um die Abriebfestigkeit des Ringes zu erhöhen, ohne daß die Reaktionsschicht entfernt wird. Nach einem Entfernen der Reaktionsschicht kann aber die frei liegende Nitrid- oder Diffusionsschicht ebenfalls verwendet werden.

Es ist wünschenswert, die Kombination von erstem Kolbenring und einem zweiten Kolbenring für einen Dieselmotor mit direkter Einspritzung zu verwenden. Der erste Kolbenring besitzt dann die nachfolgende Zusammensetzung und eine gehärtete Oberflächenschicht, zumindest an der Gleitfläche und wird als erster Druckring eingesetzt. Der zweiten Kolbenring besitzt die oben erwähnte Zusammensetzung und eine nitrierte Schicht zumindest an der Gleitfläche oder Gleitschicht und wird als zweiter Druckring eingesetzt.

Die Kolbenringkombination für einen Dieselmotor mit direkter Einspritzung, die ein Beispiel der Erfindung bildet, ist in der Fig. 1 wiedergegeben. Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt, und zwar in einem Zustand, in dem ein Kolben in einer Bohrung des Zylinders angeordnet ist. Der Kolben 2 ist in die Bohrung des Zylinders 1 eingesetzt. Ein erster Druckring 6 und ein zweiter Druckring 7 sowie ein kombinierter Ölring 8 sind in Nuten 3, 4 bzw. 5, die für die Kolbenringe am Umfang des Kolbens 2 gebildet sind, angeordnet.

Obwohl der erste Kolbenring 6 als einseitiger trapezförmiger Ring dargestellt ist, ist dieser Ring natürlich nicht auf einen solchen Ring mit dieser Formgebung beschränkt. Der Druckring 6 kann auch als solcher mit einem doppelseitigen trapezförmigen Querschnitt oder aber mit einem rechteckförmigen Querschnitt ausgebildet sein. Eine gehärtete Oberflächenschicht ist auf der Gleitfläche und an den anderen Außenflächen des ersten Druckringes 6 gebildet. Der zweite Druckring 7 der Fig. 2 ist als ein Ring mit angeschrägter Gleitfläche dargestellt. Da der Druckring 7 Luft abdichtende Eigenschaften sowie Abstreifeigenschaften für das Schmiermittel aufweisen muß, kann dieser Ring selbstverständlich auch eine andere, geeignete und dem Fachmann bekannte Ausbildung aufweisen, beispielsweise eine Hinterschneidung, eine innere Ausnehmung usw. Eine Nitridschicht 9 ist auf der Gleitfläche gebildet sowie auch auf anderen Flächen des zweiten Druckringes 7. Der kombinierte Ölring 8 der Fig. 1 ist ein Ölring, der mit einem ringförmigen oder spiralförmigen Andrückelement 11 versehen ist. Eine Nitridschicht 9 ist auf der Außenfläche des im Querschnitt I-förmigen Ölringes 12 vorgesehen.

Der erste Druckring (oberste Ring) des Dieselmotors mit direkter Einspritzung ist einer hohen Temperatur ausgesetzt, wie bei einem Dieselmotor mit Hilfskammer und benötigt daher eine hohe Hitzebeständigkeit und Formbeständigkeit, und zwar zusätzlich zur Abriebfestigkeit. Aus diesem Grunde wird für den ersten Druckring des Dieselmotors mit Direkteinspritzung vorzugsweise ein korrosionsbeständiger Martensit- Stahl, wie SUS 410J1, SUS 440B oder dergleichen verwendet, der jeweils in Gewichtsprozenten enthält C: 0,4-1,2%, Cr: 11-18% (hoher Cr-Anteil) und vorzugsweise Si: 0,2-0,5%, Mn: 0,2-0,5%, Rest Eisen und Verunreinigungen, und zwar als Basis oder Ausgangsmaterial, wie bei solchen für Dieselmotoren mit zusätzlicher Kammer.

Falls der C-Anteil unter 0,4% liegt, ist der Anteil an Karbid, welches die Abriebfestigkeit verbessert, ungenügend und die Abriebfestigkeit kann nicht in der gewünschten Form erhalten werden. Andererseits gilt aber, daß bei einem C-Anteil über 1,2% das Karbid groß wird und die Festigkeit des Kolbenringes reduziert wird. Aus diesem Grunde ist der Kohlenstoffanteil auf einen Bereich zwischen 0,4-1,2% beschränkt. Cr ist fest lösbar und verbessert die Korrosionsbeständigkeit sowie Hitzebeständigkeit und bildet Karbide zur Verbesserung der Abriebfestigkeit. Falls der Cr-Anteil kleiner als 11% ist, sind diese Effekte in ihrer Wirkung ungenügend. Andererseits gilt aber, daß dann, wenn der Cr-Anteil 18% übersteigt, der Anteil an fest löslichem Chrom in der Matrix ansteigt und die Abriebfestigkeit erhöht wird. Die Festigkeit des Ringes wird aber ebenfalls hierdurch erhöht und die Zähigkeit des Ringes reduziert. Aus diesem Grunde ist der Chromanteil auf einen Bereich von 11-­ 18% reduziert.

Silizium ist ein Element, welches als Deoxidationsmittel wirkt und die Festigkeit gegen Anlagerung verbessert. Diese Effekte von Silizium sind bei einem Si-Anteil von 0,2% oder mehr feststellbar. Falls der Si-Anteil aber 0,5% übersteigt, wird die Verarbeitbarkeit reduziert und die Zähigkeit beeinträchtigt. Aus diesem Grunde ist der Anteil an Si vorzugsweise auf einen Bereich von 0,2 bis 0,5% beschränkt.

Mn ist ein Element, welches ebenfalls als Deoxidationsmittel wirkt und die Festigkeit sowie die Heißverarbeitbarkeit verbessert. Diese Effekte von Mn lassen sich bei einem Mn-Anteil von 0,2% oder mehr feststellen. Andererseits gilt, daß dann, wenn der Anteil an Mn 0,5% übersteigt, die Kaltverarbeitbarkeit während des Formens des Ringes reduziert wird. Aus diesem Grunde ist der Anteil an Mn vorzugsweise auf einen Bereich zwischen 0,2-0,5% beschränkt.

Um die Abriebfestigkeit und Beständigkeit gegen Abnutzung sowie die Hitzebeständigkeit zu erhöhen, kann die Legierung noch enthalten Ni: 0,6 oder weniger, Mo: 1,25% oder weniger und V: 0,15% oder weniger.

Der Rest bildet Eisen und Verunreinigungen. Als Verunreinigungen sind zulässig P: 0,04% oder weniger und S: 0,09% oder weniger.

Bei dem ersten Druckring ist eine gehärtete Oberflächenschicht wenigstens an der Gleitfläche des Ringes gebildet. Die gehärtete Oberflächenschicht ist vorzugsweise als nitrierte Schicht ausgebildet und bevorzugt ist eine PVD behandelte Schicht als obere Schicht der Nitridschicht vorgesehen. Die Art und Weise der Bildung der Nitridschicht ist bei der Erfindung nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt. Bekannte Verfahren, wie beispielsweise Gasnitrierung, Ionen-Nitrierung, Salzbad-Nitrierung oder Schwefelinfiltrations-Nitrierung usw. können verwendet werden. Speziell wird bei der Erfindung die Gasnitrierung bevorzugt, und zwar unter Verwendung einer Amoniumgasatmosphäre oder einer Mischgasatmosphäre aus Amoniumgas und Stickstoff. Die nitrierte Schicht kann weiterhin auch auf allen Oberflächen zusätzlich zur Gleitfläche des Kolbenringes vorgesehen werden. Die Härte der Oberflächenschicht, die auf der Oberfläche des Kolbenringes erzeugt wird, liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 900 und 1400 Hv. Da das sogenannte "white chip", welches bei der Nitrierung auf der Oberflächenschicht gebildet ist, hart und spröde ist, wird diese Verbindung vorzugsweise durch eine materialabtragende Bearbeitung entfernt, beispielsweise durch Läppen oder dergleichen. Die Dicke der gehärteten Oberflächenschicht aus der Nitridschicht beträgt beispielsweise 70 bis 110 µm. Falls eine PVD behandelte Schicht gebildet ist, beträgt die Dicke der gehärteten Schicht, die von der Nitridschicht gebildet ist, vorzugsweise 10 bis 70 µm und der PVD behandelten Schicht 5 bis 100 µm. Falls die Dicke der Nitridschicht geringer als 10 µm ist, sind die Wirkungen dieser Schicht unbefriedigend. Andererseits ist in Bezug auf die Verschleiß- oder Abriebfestigkeit des Kolbenringes eine Nitridschicht mit einer Dicke größer als 110 µm nicht erforderlich. Falls die Dicke der PVD behandelten Schicht kleiner als 5 µm ist, sind die Wirkungen dieser Schicht unbefriedigend, und falls die Dicke der PVD behandelten Schicht 100 µm übersteigen, neigt diese Schicht zum Ablösen.

Ein erster Druckring 6, ein zweiter Druckring 7 und ein Ölring 12 mit einem ringförmigen Expander werden unter Verwendung von Stahlmaterialien, die in der Tabelle 1 aufgeführt sind, hergestellt. Diese Ringe werden in einem Dieselmotor mit direkter Einspritzung und in einem Dieselmotor mit einer Hilfskammer eingebaut, und zwar in der Kombination der Tabelle 3 und es wurden Tests unter Verwendung üblicher Motoren durchgeführt. Nach den Tests wurde die Größe der Abnutzung an den Gleitflächen der Kolbenringe überprüft.

Hierbei wurden als Versuchsmotoren ein Dieselmotor mit direkter Einspritzung und ein Dieselmotor mit zusätzlicher Kammer verwendet, wobei jeder Motor eine Reihe von vier Zylindern, einen Bohrungsinnendurchmesser von 92 mm und einen Kolbenhub von 2000 cc aufwiesen. Die weiteren Testbedingungen waren 4000 Umdrehungen pro Minute Vollast und 300 Stunden, Wassertemperatur 95°C und Öltemperatur 130° (unter Verwendung eines Motoröls 10W-30).

Die Größe jedes Kolbenrings sowohl bei dem Dieselmotor mit Direkteinspritzung als auch bei dem Motor mit Hilfskammer waren wie folgt:
Erster Druckring: Breite: 2 mm × Dicke: 3,35 mm,
Zweiter Druckring: Breite 1,5 mm × Dicke: 3,3 mm,
Ölring: Breite: 3 mm × Dicke: 2,35 mm.

Die Bedingungen für das Nitrieren und Härten der Umfangsflächen der Kolbenringe sind in der Tabelle 2 angegeben.

Die Ergebnisse der Tests unter Verwendung von marktüblichen Motoren sind in der Tabelle 3 wiedergegeben. Die Größe der Abnutzung des Kolbenrings ergab sich jeweils als Reduzierung des Anteils der Dicke an der Gleitposition.

Entsprechend der Kombination der Kolbenringe bei dem Beispiel der vorliegenden Erfindung läßt sich also ein Kolbenring für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung erreichen, der eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung besitzt. Die Kolbenringe der vorliegenden Erfindung zeigen auch zufriedenstellende Wirkung bei ihrer Verwendung als zweiter Druckring oder als Ölring bei einem Dieselmotor mit direkter Einspritzung. Bei den vergleichenden Beispielen, in denen die Kolbenringe der vorliegenden Erfindung als zweiter Druckring oder als Ölring bei einem Dieselmotor mit Hilfskammer verwendet sind, ist die Abriebfestigkeit ungenügend.

Entsprechend der Erfindung kann ein Kolbenring geschaffen werden, der die erforderliche Abriebfestigkeit erfüllt, und nur eine geringe Menge an Chrom-Edelstahl mit einem hohen Chromanteil enthält und daher preiswert ist. Aus diesem Grunde schafft die Erfindung wertvolle neue Aspekte für die Industrie. Weiterhin werden, da eine Chrombeschichtung nicht notwendig ist, auch Umweltprobleme vermieden.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß für einen Fachmann zahlreiche Änderungen oder Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke verlassen wird.

Die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldungen wird hiermit durch Bezug auf diese Anmeldung mit eingeschlossen.

Tabelle 1

Tabelle 3

Claims (3)

1. Kolbenringkombination für einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung, mit einem ersten Kolbenring und einem zweiten Kolbenring, wobei

• a) der erste Kolbenring aus einem korrosionsfreien Martensit-Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von 0,4-1,2% Gewichtsprozent und mit einem Chromanteil von 11-18% hergestellt ist,
• b) der zweite Kolbenring aus einem Stahl mit einem Kohlenstoffanteil von 0,4-0,8 Gewichtsprozent und mit einem Chromanteil von 6 Gewichtsprozent oder mehr, aber weniger als 11 Gewichtsprozent hergestellt ist, und
• c) beide Kolbenringe zumindest an ihrer Gleitfläche eine durch Nitrieren gehärtete Oberflächenschicht (Nitridschicht) aufweisen.

2. Kolbenringkombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite der Nitridschicht des ersten Kolbenrings PVD behandelt ist.

3. Kolbenringkombination nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Gleitfläche des ersten Kolbenringes bildende Nitridschicht eine Härte von wenigstens 900 Hv aufweist, und daß die die Gleitfläche des zweiten Kolbenringes bildende Nitridschicht eine Härte im Bereich zwischen 800-1100 Hv besitzt.