Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring für Zweitaktmotoren _» bevorzugt

Großkolben- Zweitaktmotoren _» wobei der Kolbenring mit einer Verschleißanzeige versehen ist.

Bisherige Lösungen zur Bestimmung einer Restdicke eines Kolbenrings _» insbesondere bei Zweitakt-Motoren _» umfassen eine Verwendung eines Ultraschallkopfes, mit dem eine

Restdicke des Kolbenrings selbst oder eine Restdicke einer Beschichtung einer Lauffläche eines Kolbenrings ermittelt werden kann. Eine solche Verschleißbestimmung wird üblicherweise durch Kalibrierungsanforderungen und eine unbequeme Handhabung der Ultraschallgeräte erschwert.

Es ist daher wünschenswert _» ein Verfahren und/oder einen Kolbenring zur Verfügung zu haben _» mit dem es schnell und einfach möglich ist _» einen aktuell vorliegenden

Verschleißzustand zu ermitteln _» und so zu bestimmen _» ob ein Kolbenring ausgetauscht werden muss oder ob es noch möglich ist _» einen nächsten Betriebszyklus mit dem

Kolbenring in dem vorliegenden Verschleißzustand durchzufuhren, bevor ein Austausch unerlässlich ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kolbenring für Zweitaktmotoren mit einer Verschleißanzeige bereitgestellt _» wobei der Kolbenring einen Kolbenringkörper mit einer Außenseite _» zwei Kolbenringflanken und einer Kolbenringinnenfläche umfasst, und wobei mindestens zwei radial übcreinanderliegende Lagen thermisch gespritzter Schichten vorgesehen sind _» aus mindestens zwei verschiedenen Farben in einer festen Reihenfolge aufweisen _» wobei die radial unterste Lage bzw. unterste Lagen durch Beimischung von Cu oder CuFeAI, rötlich ausgeführt sind, wobei bevorzugt der Kupferanteil der untersten Lage bzw. untersten Lagen zwischen 30 und 50 Gew.-% beträgt.

Die Kennzeichnung und vor allem die Farbreihenfolge soll dabei auch bei mehreren Lagen immer die gleiche sein. Bei einer bekannten Reihenfolge der Farben in aufeinanderliegenden Lagen oder Schichten kann ganz einfach anhand der Farbfolge festgestellt werden, ob ein Farbübergang zu einer radial tieferen oder einer radial höheren Schicht gehört. Dies vereinfacht eine Auswertung der Verschleißbilder der Kolbenringe beträchtlich. So kann ohne Nachmessen sofort ermitelt werden, wo übermäßiger Verschleiß auftritt und wo weniger Verschleiß als erwartet stattfindet. Durch eine farbliche Hervorhebung kann mit einem Blick z.B. durch die Spülkanäle des Zylinders einfach festgestellt werden, ob der Kolbenring bereits kritisch verschlissen ist, oder noch weiter eingesetzt werden kann. Ein hoher Anteil an Kupfer kann eine Lage deutlich Rot bzw. kupferfarbig einfarben und gestattet so eine besonders einfache farbliche Kennzeichnung der Lage als Verschleißschutzschicht.

Bevorzugt sind mindestens drei radial übereinander liegende Lagen thermisch gespritzter Schichten vorgesehen, die mit (mindestens) drei verschiedenen Farben in einer festen Reihenfolge gekennzeichnet sind. Bei dieser Ausführung sind ein oder mehrere thermisch gespritzte Lagen übereinander auf der Lauffläche angeordnet.

Bei einer anderen Ausführungsform des Kolbenrings umfasst dieser mindestens eine thermisch gespritzte Lage, die sich spiralförmig in Umfangsrichtung um die Lauffläche erstreckt. Diese spiralförmige Lage erstreckt sich dabei mindestens 2 mal um den gesamten Kolbenring.

Die spiralförmige thermisch gespritzte Lage umfasst bevorzugt in Umfangsrichtung einen Materialgradienten. Dabei wird auf einen geschlossenen Ring oder auf einen offenen Ring, der entsprechend eingespannt ist, zumindest in einem Bereich eine einzige thermisch gespritzte Lage aufgebracht, wobei jeweils nach einer Umdrehung bzw. nach einer

Umrandung des Kolbenrings eine Materialzusammensetzung der thermisch gespritzten Lage verändert werden kann, wodurch beispielsweise in einem einzigen Arbeitsgang mindestens eine optionale Notlaufschicht, mindestens eine Verschleißkennzeichnungsschicht, mindestens eine, bevorzugt mehrere Verschleißschutzschichten und mindestens eine, bevorzugt mehrere Einlaufschichten durch die eine spiralförmig thermisch gespritzte Lage hergestellt werden kann.

Bei einer Aus führungs form des Kolbenrings ist mindestens eine unterste oder eine untere thermisch gespritzte Lage oder ein Anfangsbereich einer spiralförmig thermisch gespritzten Lage mit einem Füllstoff versehen, der dieser Lage oder dem Anfangsbereich eine charakteristische Farbe verleiht. Damit kann eine Verschleißindikatorschicht an dem

Kolbenring angebracht werden.

Eine weitere Ausführung des Kolbenrings umfasst mindestens eine unterste thermisch gespritzte Lage oder einen Anfangsbereich einer spiralförmig thermisch gespritzten Lage mit einem Füllstoff, der der Lage oder dem Anfangsbereich eine Notlaufeigenschaft verleiht. Weiter umfasst diese Ausführung mindestens eine mittlere Lage oder einen Mittelbereich einer spiralförmig thermisch gespritzten Lage mit einem Füllstoff, der der mindestens einen mittleren Lage oder einem Mittelbereich einer spiralförmig thermisch gespritzten Lage

Verschleißeigenschaften verleiht. Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform mindestens eine obere Lage oder ein Endbereich einer spiralförmig thermisch gespritzten Lage als eine

Einlaufschicht ausgeführt, wobei in die Lage bzw. den Bereich Festschmierstoffe

eingebracht sind. Durch die Festschmierstoffe wird erreicht, dass sich der Kolbenring langsam an die Form des Zylinders anpassen kann, während in einer Einlaufphase durch die Festschmierstoffe ein zu großer Verschleiß sowohl der Lauffläche des Kolbenrings als auch einer Zylinderinnenfläche vermieden wird. In dieser Kombination kann eine relativ hohe Einsatzzeit für den Kolbenring erreicht werden. Durch eine farbliche Hervorhebung mindestens der untersten oder der zweituntersten Lage bzw. Bereichs kann zudem

sichergestellt werden, dass ein fortgeschrittener Verschleiß des Kolbenrings durch einfache optische Mittel, beispielsweise durch Öffnungen im Zylinder (wie beispielsweise von

Spiihlkanälen bei Zweitaktmotoren) festgestellt werden kann, ob der Kolbenring

ausgetauscht werden muss oder noch weiter eingesetzt werden kann. Damit ist es möglich, ohne Probleme bei jedem Stillstand des Motors den Zustand der Kolbenringe zu überprüfen, sodass relativ einfach festgestellt werden kann, ob eine unterste oder zweitunterste Lage schon verwendet wird, oder ob noch genug Zeit bis zu einem nächsten Wartungsintervall vorliegt.

In einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden Kolbenrings ist eine unterste thermisch gespritzte Lage oder ein Anfangsbereich einer spiralförmig thermisch gespritzte Lage mit einem Füllstoff versehen, der dieser Lage oder dem Anfangsbereich eine Notlaufeigenschaft verleiht. Eine unterste thermisch gespritzte Schicht wird bevorzugt mit einem hohen Anteil von harten Materialien wie A1 ₂ 0 ₃ gespritzt, um bei einem vollständigen Verschleiß der darüber liegenden thermisch gespritzten Schichten noch eine Einsatzfähigkeit des

Kolbenrings bis zu einem nächsten Austausch zu ermöglichen. Beimischungen von A1 ₂ 0 ₃ führen zu einer weißen Schichtfärbung. Dabei sollte insbesondere der Verschleiß der letzten Schicht vor dem Grundmaterial des Kolbenrings geschont werden.

Bei einer weiteren Ausführung des Kolbenrings umfasst dieser mindestens eine unterste thermisch gespritzte Lage oder einen Anfangsbereich einer spiralförmig thermisch gespritzten Lage mit A1 ₂ 0 ₃ . Durch den Zusatzstoff A1 ₂ 0 ₃ wird eine harte Spritzschicht bereitgestellt, die eine längere Zeit eingesetzt werden kann, und verhindern soll, dass auch wenn alle anderen darüberliegenden Schichten oder Lagen oder Lagenbereiche abgetragen sind, der Kolbenring mit geringem Verschleiß zumindest noch bis zu einem zu erreichenden Ziel eingesetzt werden kann. Dieser Aspekt ist wichtig, da die vorliegenden Kolbenringe insbesondere in Schiffsdieseln zum Einsatz kommen sollen, wobei es wichtig ist, dass das Schiff noch unter Maschinenkraft einen nächsten Hafen oder einen Zielhafen erreichen kann, wo ein Kolbenring ausgetauscht werden kann. Ein Austausch eines Kolbenrings auf See würde zu einer Manövrierunfahigkeit des Schiffes mit der erheblichen Gefahr eines

Totalverlustes fuhren.

Bel einer weiteren Ausführungsform des Kolbenrings umfasst mindestens eine thermisch gespritzte untere Zwischenlage oder ein Zwischenbereich einer spiralförmig thermisch gespritzten Lage Cu oder Cu Legierungen, wobei der Kupferanteil der Zwischenlage bzw. des Zwischenbereichs zwischen 30 und 50 Gew.-% der Lage beträgt.

Bet einer anderen Ausführung des Kolbenrings umfasst mindestens eine thermisch gespritzte obere Einlauflage oder ein Endbereich einer spiralförmig thermisch gespritzte Lage Mo, Ni, Cr, Cr3C ₂ , Mo C oder eine Kombination davon als Hartphasen. Die genannten Hartstoffe gestaten ein langsames Anpassen der Lauffläche bzw. der gespritzten Lagen des

Kolbenrings an eine Innenkontur einer Zylinderinnenwand.

Bei einer weiteren Ausführung des Kolbenrings weist die mindestens eine thermisch gespritzte Lage oder die spiralförmig thermisch gespritzte Lage eine jeweilige Lagendicke von 20-30pm auf.

Bei einer zusätzlichen Ausführung des Kolbenrings sind mehrere mittlere thermisch gespritzte Lagen vorhanden oder ein Mitelbereich einer spiralförmig thermisch gespritzten Lage erstreckt sich mehrfach um den gesamten Kolbenring, wobei jeweils zwei

aufeinanderliegende Lagen mit verschiedenen Zusatzstoffen farblich voneinander abgesetzt sind. Diese Ausführung gestattet es, ein Verschleißbild des Kolbenrings genauer und einfacher beurteilen zu können, dh wie der Verschleiß am Kolbenring auftritt, und vor allem wie gleichmäßig der Kolbenring in Bezug auf die Axialrichtung und die Umfangsrichtung verschleißt.

Die beiden obengenannten Ausführungen gestatten es ebenfalls, sofern sich der Kolbenring nicht beliebig in der Kolbenringnut drehen kann, festzustellen, ob der Zylinder von einer runden Form abweicht, und ob somit ein bestimmtes Verschleißbild durch Eigenschaften des Zylinders bedingt sind, die einen einseitigen oder ungleichmäßigen Verschleiß erzeugen. Bei einer weiteren Ausführung des Kolbenrings weist die mindestens eine unterste thermisch gespritzte Lage oder ein Anfangsbereich einer spiralförmig thermisch gespritzten Lage eine Dicke zwischen 10 und 60 bevorzugt zwischen 20 und 30pm auf. Bet dieser Ausführung 5 weist die mindestens eine thermisch gespritzte Zwischenlage oder der Zwischenbereich einer spiralförmig thermisch gespritzten Lage eine Dicke zwischen 10 und 120 bevorzugt zwischen 20 und όqmhi auf. Bei der gleichen Ausführungsform weist die mindestens eine mittlere thermisch gespritzte Lage oder der Mittelbereich einer spiralförmig thermisch gespritzten Lage eine Gesamtdicke zwischen 100 und 600 bevorzugt zwischen 200 und0 400pm auf. Weiterhin weist mindestens eine obere Einlauflage oder der obere Einlaufbereich einer spiralförmig thermisch gespritzten Lage eine Gesamtdicke zwischen 100 und 600 bevorzugt zwischen 200 und 400pm auf. Diese Ausführung betrifft eine momentan bevorzugte Ausführung, bei der die Reihenfolge und die Dicken der einzelnen Lagen einen besonders guten Kolbenring mit einer Verschleißindikatorschicht {der Zwischenlage) und 5 Notlaufeigenschaftcn bereitstellt.

In einer weiteren Ausführung umfasst der Kolbenring einen Kolbenringkörper aus Gusseisen oder einen Kolbenringkörper, der Gusseisen umfasst. 0 Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von schematischen und nicht

maßstabgetreuen Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen Kolbenring mit mehreren konzentrischen thermisch gespritzten Schichten an einer Außenseite eines Ringkörpers.

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Figur 2 zeigt einen Kolbenring mit einer spiralförmigen umlaufenden thermisch gespritzten Schicht an einer Außenseite eines Ringkörpers, die mindestens einen Materialgradienten in Umfangsrichtung aulweist. 0 Figur 1 zeigt einen Kolbenring 2 mit einem Ringkörper 4, auf dessen Außenseite nacheinander verschiedene thermisch gespritzte Lagen aufgebracht sind. Direkt auf die Außenseite ist eine Notlaufschicht 6 aufgebracht, die sich mit einer Dicke um den gesamten Kolbenring erstreckt. Die Notlaufschicht 6 kann ebenfalls zwei oder mehr konzentrische Lagen umfassen. Die Notlaufschicht 6 ist dabei mit Partikeln aus A1 ₂ 0 ₃ versehen, die dieser 5 Schicht eine besonders hohe Härte verleihen. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dotierte A1 ₂ 0 ₃ Partikel zu verwenden. Beispielsweise mit Chrom dotiertes AI ₂ 0 ₃ kann der Notlaufschicht eine rote Farbe verleihen. Mit Fe ²⁺ , Fe ³⁺ , Ti ⁺ Co ²⁺ , Fe ³⁺ , Ti ³⁺ , Ti ⁴⁺ , Co ²⁺ oder V dotierten A1 ₂ 0 ₃ lassen sich auch anderen Farben der Notlaufschicht erreichen. Auf der Notlaufschicht 6 ist eine Verschleiß-Indikatorschicht 8 aufgebracht die ebenfalls überall die gleiche Dicke aufweisen soll und ein oder zwei thermisch gespritzte Lagen umfassen kann. Die Verschleißindikator-Schicht 8 kann dabei mit Kupfer versetzt sein _» um durch eine leuchtende Kupferfarbe Verschleißgrenze einer Verschleißschutzschicht anzuzeigen. Auf der Verschleißindikator-Schicht 8 ist eine Verschleißschutzschicht 10 durch thermisches Spritzen aufgetragen. Die Verschleißschutzschicht 10 kann dabei mehrere thermisch gespritzte Lagen umfassen. Es kann sogar vorgesehen sein _» die einzelnen Lagen der Verschleißschutzschicht 10 durch verschiedenen Füllstoffe farblich zu markieren _» wodurch es möglich wird einen ungleichmäßigen Verschleiß einfach durch Betrachten der Ringlauffläche festzustellen _» die Übergangslinien zwischen zwei unterschiedlich gefärbten Lagen der Verschleißschutzschicht 10 entsprechen dabei den Höhenlinien einer Landkarte _» wodurch sich auf einen Blick die Art und die Ungleichmäßigkeit eines Verschleißes erkennen lässt. Ein solcher Indikatorring kann ebenfalls dazu verwendet werden _» entsprechende Ringe herzustellen die von Beginn an eine ungleichmäßige Beschichtung aufweisen _» die jedoch bei einem ungleichmäßigen Verschleiß zu einer gleichmäßigen Rest- Schicht- bzw- Lagendicke bei einem verschlissenen Kolbenring führt. Auf der Verschleißschutzschicht 10 befinden sich weiter mehrere Lagen einer Einlaufschicht bzw. thermisch gespritzte Einlauflagen 12 _» die einen höheren Anteil an Festschmierstoffen umfassen und so einen Einlaufvorgang des Kolbenrings ohne bzw. mit stark verringertem Verschleiß einer Zylinderinnenwand ermöglichen. Die thermisch gespritzten Lagen können dabei nacheinander auf dem Kolbenring aufgebracht werden. Die einzelnen Lagen sollen dabei eine möglichst gleichmäßige Dicke aulweisen _» und möglichst konzentrisch angeordnet sein. Die thermisch gespritzten Lagen können aufgespritzt werden _» bevor der Kolbenring bzw. der Kolbenringkörper an einem Stoßende 14 aufgeschnitten wird.

Figur 2 zeigt einen Kolbenring _» der einen ähnlichen Aufbau wie der Kolbenring von Figur 1 aufweist. Anstelle von mehreren Lagen wird dieser Kolbenring jedoch in einem einzigen Arbeitsgang mit einer einzigen sich spiralförmig um die Außenseite erstreckenden thermisch gespritzten Lage hergestellt. Der Kolbenring 2 umfasst dabei den gleichen Kolbenringkörper 4 wie er in Figur 1 dargestellt ist. Anstatt nacheinander mehrere Lagen thermisch aufzuspritzen wird damit begonnen eine einzelne Lage mit einer ersten Zusammensetzung in Umfangsrichtung aufzubringen. Sobald die erste Lage bzw. eine Umdrehung beendet ist, wird ohne den thermischen Spritzprozess zu unterbrechen, die erste Lage weitergespritzt bis so zwei Schichten Übereinanderliegen. Die ersten beiden Schichten stellen dabei eine Notlaufschicht 16 dar, die eine besonders hohe Festigkeit aufweist. Der Spritzvorgang wird weitergefuhrt, wobei bei einer dritten und vierten Umdrehung des Kolbenrings die Zusammensetzung der durchgehenden Schicht zu einem geringeren A1 ₂ 0 ₃ Anteil und einem höheren Kupferanteil verändert wird, wodurch eine spiralförmige Verschleiß- Indikatorschicht 18 gebildet wird. Nach den ersten 2 bis 4 Umdrehungen wird dann ein Karbid (Molybdän, Chrom, Wolfram, ...) als Zusatzstoff verwendet, um bei den nächsten 8 bis 16 Umdrehungen eine mehrlagige spiralförmige Verschleißschutzschicht 20 aufzubringen. Danach kann wiederum, ohne den thermischen Spritzvorgang zu unterbrechen, die Zusammensetzung des gespritzten Materials auf ein Material mit einem höheren Feststoffanteil geändert werden, wodurch bei den darauf folgenden spiralförmigen Lagen eine spiralförmige Einlaufschicht 22 gebildet wird. Durch angepasste Spritz- und Umlaufparameter kann die letzte Lage langsam ausgedünnt werden, wodurch eine insgesamt zylindrische Außenfläche erreicht werden kann. Hier werden die verschiedenen Funktionsschichten bzw. Funktionslagen in einem einzigen ununterbrochenen Spritzvorgang aufgebracht, wobei die einzelne spiralförmige thermisch gespritzte Lage lediglich in Umfangsrichtung verschiedene Gradienten aufweist, die jeweils einen Übergang zwischen einer Notlaufschicht, einer Vcrschleißindikatorschicht einer Verschleißschutzschicht und einer Einlaufschicht darstellen. Dabei können die Übergangsbereiche relativ kurz gewählt werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich einen Materialgradienten über eine gesamte Umdrehung auszudehnen. In der Figur 2 umfasst der Übergangbereich jeweils einen Viertelkreis, der sich von einer 12-Uhr-Position zu einer 3-Uhr-Position erstreckt. Auch hier kann die thermisch gespritzte Lage mit den mehreren Gradienten aufgespritzt werden, bevor der Kolbenring bzw. der Kolbenringkörper an einem Stoßende 14 aufgeschnitten wird. Bezugszeichenliste

2 Kolbenring

4 Kolbenringkörper

6 Notlaufschicht / Notlauflage

8 Verschleiß-Indikatorschicht / -lagen

10 Verschleißschutzschicht / -lagen

12 Einlaufschicht / -lagen

14 Stoß

16 spiralförmige Notlaufschicht / Notlauflage 18 spiralförmige Verschleiß-Indikatorschicht / -lagen 20 spiralförmige Verschleißschutzschicht / -lagen 22 spiralförmige Einlaufschicht / -lagen