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DE102006038180A1 - Carbon piston for an internal combustion engine - Google Patents

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DE102006038180A1
DE102006038180A1 DE200610038180 DE102006038180A DE102006038180A1 DE 102006038180 A1 DE102006038180 A1 DE 102006038180A1 DE 200610038180 DE200610038180 DE 200610038180 DE 102006038180 A DE102006038180 A DE 102006038180A DE 102006038180 A1 DE102006038180 A1 DE 102006038180A1
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axis
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cylinder
light metal
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DE200610038180
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German (de)
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Peter Greiner
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Olivo Siegfried De
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Individual
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Abstract

Es wird ein aus Kohlenstoff bestehender Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für PKW und LKW, beschrieben mit einem Kolbenboden (1), einem an den Kolbenboden axial anschließenden Feuersteg (2), einem Ringabschnitt (3) und einem Kolbenschaft mit einer Nabenbohrung zur Aufnahme eines Kolbenbolzens, wobei die Schaftwand auf der Schaftinnenseite zur Ausbildung der Nabe einander gegenüberliegende Verdickungen (51) aufweist, die sich in die Kolbenboden-Unterseite (12) mit einer Rundung hineinerstrecken, wobei die Kolbenboden-Unterseite in dem Bereich zwischen den Nabenverdickungen (51) eine Gewölbefläche (12) bildet, die an die Nabenverdickungen zumindest im oberen Bereich der Nabenbohrung anschließt. Der Kolben weist eine Kohlenstoffmatrix auf, die durch ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung infiltriert ist.It is a piston made of carbon for an internal combustion engine, in particular for cars and trucks, described with a piston head (1), an axially adjoining the piston crown fire land (2), a ring portion (3) and a piston skirt with a hub bore for receiving a Piston pin, wherein the shaft wall on the shaft inner side to form the hub opposite each other thickenings (51) extending into the piston bottom bottom (12) hineinerstrecken with a rounding, the piston bottom bottom in the area between the hub thickenings (51) a Vault surface (12) forms, which adjoins the hub thickening at least in the upper region of the hub bore. The piston has a carbon matrix infiltrated by a light metal or a light metal alloy.

Description

Die Erfindung betrifft einen aus Kohlenstoff bestehenden Kolben für eine Brennkraftmaschine mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf verschiedene Paarungen eines solchen Kohlenstoffkolbens mit aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Zylindern.The The invention relates to a piston made of carbon for an internal combustion engine with the preamble of claim 1. Furthermore relates the invention to various pairs of such a carbon piston with cylinders made of different materials.

Die steigenden Anforderungen an moderne Otto- und Dieselmotoren zwingen unter anderem zu einem Einsatz von Kolben mit geringer Masse und geringem Bauvolumen. Hierfür sind bereits Kohlenstoffkolben aus einem modifizierten Kohlenstoff vorgeschlagen worden, z. B. Pressgraphit oder Hartbrandkohle mit einer bestimmten Mindestbiegefestigkeit ( EP 258 330 A1 ) oder solche aus einem Graphit, der aus einem bindemittelfreien Kohlenstoff, einer sogenannten Mesophase hergestellt ist. Die Mesophase ist ein Rohstoff, der als Zwischenprodukt der Flüssigphasen-Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise aus kohle- und erdölstämmigen Pechen abstammt und aus Polyaromaten besteht. Aus diesen Polyaromaten entstehen durch Carbonisieren und Graphitieren Mesophasen-Sphärolithe in einer Teilchengröße im μm-Bereich, welche die Werkstoffkörner darstellen.The increasing demands on modern gasoline and diesel engines force, among other things, the use of pistons with low mass and low volume. For this purpose, carbon pistons have already been proposed from a modified carbon, z. B. compressed graphite or hard coal with a certain minimum bending strength ( EP 258 330 A1 ) or those made of a graphite made of a binder-free carbon, a so-called mesophase. The mesophase is a raw material derived as an intermediate of the liquid-phase pyrolysis of hydrocarbons, preferably from coal and petroleum derived pitches and consists of polyaromatics. From these polyaromatics arise by carbonization and graphitization mesophase spherulites in a particle size in the micron range, which represent the grains of material.

Aufgrund des deutlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kohlenstoffs im Vergleich zu dem Kolbenmaterial Aluminium ist es möglich, das Spiel zwischen dem Kolben und der Lauffläche des Zylinders wesentlich geringer zu halten. Weiterhin ergibt Kohlenstoff als Kolbenmaterial günstige Not- und Kaltlaufeigenschaften aufgrund einer gewissen Aufnahmefähigkeit für Öl und einer fehlenden Fressneigung (vgl. EP 258 330 A1 ).Due to the significantly lower thermal expansion coefficient of the carbon compared to the piston material aluminum, it is possible to keep the clearance between the piston and the running surface of the cylinder substantially lower. Furthermore, carbon gives as piston material favorable emergency and cold running properties due to a certain absorption capacity for oil and a lack of feeding tendency (see. EP 258 330 A1 ).

Aus der EP 1 042 601 B1 ist ein Kohlenstoffkolben für Brennkraftmaschinen bekannt, der sich durch eine werkstoffgerechte Formgebung auszeichnet, wobei die Kolbenboden-Unterseite in dem Bereich zwischen den Nabenverdickungen eine Gewölbefläche bildet.From the EP 1 042 601 B1 is known a carbon piston for internal combustion engines, which is characterized by a material-compatible design, wherein the piston bottom bottom forms a vault surface in the region between the hub thickenings.

Gleichwohl ist es bisher nicht gelungen, serienbestimmte Kohlenstoffkolben mit der für PKW, LKW, Zweiradfahrzeuge und motorbetriebene Arbeitsgeräte erforderlichen hohen Lebensdauer zu schaffen. Das liegt u. a. daran, dass aufgrund der im Vergleich zu dem Werkstoff Aluminium ebenfalls erheblich niedrigeren Wärmeleitfähigkeit des Kohlenstoffs sich in Kohlenstoffkolben beim Betrieb Temperaturfelder einstellen, die sich von den in Aluminiumkolben zu erwartenden Temperaturfeldern beträchtlich unterscheiden können. Weitere Probleme ergeben sich daraus, dass die Wärmeausdehnungen von Kohlenstoff und Aluminium differieren. Herkömmliche Kohlenstoff-Werkstoffe weisen weiter gegenüber Aluminium eine niedrigere Biegebruchfestigkeit auf.nevertheless so far it has not been possible to produce series-produced carbon pistons with the for Passenger cars, trucks, two-wheeled vehicles and motorized tools required to create a long service life. This is u. a. because of that the compared to the material aluminum also considerably lower thermal conductivity of carbon settling in carbon pistons when operating temperature fields set apart from the temperature fields expected in aluminum pistons considerably can distinguish. Further problems arise from the fact that the thermal expansions of carbon and aluminum differ. Conventional carbon materials continue facing Aluminum on a lower bending strength on.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kohlenstoffkolben für Brennkraftmaschinen vorzuschlagen, der es erlaubt, ihn mit der üblichen geforderten Lebensdauer an die Stelle der serienmäßigen Aluminiumkolben, insbesondere für PKW und LKW, treten zu lassen und der die Vorteile eines Kohlenstoffkolbens mit denen eines Aluminiumkolbens vereint.task Therefore, it is the object of the present invention to provide a carbon piston for internal combustion engines to propose it with the usual required life span in place of the standard aluminum pistons, in particular for cars and trucks, and let the benefits of a carbon piston united with those of an aluminum piston.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen aus Kohlenstoff bestehender Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für PKW, LKW, Zweiradfahrzeuge und motorbetriebene Arbeitsgeräte, mit einem Kolbenboden, einem an den Kolbenboden axial anschließenden Feuersteg, einem Ringabschnitt und einem Kolbenschaft mit einer Nabenbohrung zur Aufnahme eines Kolbenbolzens, wobei die Schaftwand auf der Schaftinnenseite zur Ausbildung der Nabe einander gegenüberliegende Verdickungen aufweist, die sich in die Kolbenboden-Unterseite mit einer Rundung hineinerstrecken, wobei die Kolbenboden-Unterseite in dem Bereich zwischen den Nabenverdickungen eine Gewölbefläche bildet, die an die Nabenverdickungen zumindest im oberen Bereich der Nabenbohrung anschließt, wobei vorgesehen ist, dass die Kohlenstoffmatrix durch ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung infiltriert ist.The The object of the invention is achieved by a piston made of carbon for an internal combustion engine, especially for Passenger cars, trucks, two-wheeled vehicles and motor-driven implements, with a piston crown, a flank axially adjoining the piston crown, a ring portion and a piston stem with a hub bore for receiving a piston pin, wherein the shaft wall on the shaft inside for the formation of the hub has opposite thickenings, which extend into the bottom of the piston crown with a rounding, the piston bottom bottom being in the area between the hub thickenings forming a vaulted area, to the hub thickenings at least in the upper part of the hub bore connects, wherein it is provided that the carbon matrix by a light metal or a light metal alloy is infiltrated.

Durch die Infiltration der Kohlenstoffmatrix mit Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung wird bei dem erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben ein Verbundwerkstoff vorgeschlagen, der die Vorteile des Kohlenstoffkolbens und des Aluminiumkolbens miteinander vereint. Dabei wird von einem Kohlenstoffkolben ausgegangen, der mittels Gasdruckfiltration oder mittels Sqeeze-Cast-Infiltration mit Aluminium infiltriert ist. Bei den beiden Verfahren wird der Kohlenstoffkolben über die Schmelztemperatur des Aluminiums erhitzt und sodann flüssiges Leichtmetall unter Druck in die Poren der Kohlenstoffmatrix gepresst.By the infiltration of the carbon matrix with light metal or a Light metal alloy is a composite material in the carbon piston according to the invention proposed that the advantages of the carbon piston and the aluminum piston with each other united. It is assumed that a carbon piston, the by gas pressure filtration or by Sqeeze-Cast infiltration infiltrated with aluminum. In the two methods, the carbon piston on the Melting temperature of the aluminum heated and then liquid metal under Pressure pressed into the pores of the carbon matrix.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolbens ist also auch in Kleinmotoren vorgesehen, wie sie für motorbetriebene Arbeitsgeräte, wie beispielsweise Kettensägen oder Rasenmäher, benötigt werden.Of the Use of the carbon piston according to the invention is therefore also provided in small engines, as they are for motorized tools, such as chainsaws or lawnmowers, needed become.

Gleichermaßen sind Motoren für große Arbeitsgeräte, wie Bagger, Krane und dergleichen sowie Antriebsmotoren für Schiffe, Lokomotiven und dergleichen mit dem erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben ausrüstbar.Equally are Motors for size tools, such as excavators, cranes and the like, as well as propulsion engines for ships, Locomotives and the like with the carbon piston according to the invention be equipped.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kohlenstoffmatrix als Feinstkorngraphitmatrix ausgebildet ist. Der aus einer Mischung von Mesophase und Pechbindern bestehende Feinstkorngraphit mit vorzugsweise Korngröße von 1 bis 5 μm eignet sich hervorragend als Hochleistungswerkstoff für Kolben mit Hubkolbenmotoren. Es handelt sich also bei dem vorgeschlagenen Kohlenstoffkolben um einen Kohlenstoffkolben aus modifizierter Mesophase mit einer Infiltration aus Leichtmetall. Durch die leichtmetallische Infiltration wird der Feinstkorngraphit in der Biegebruchfestigkeit um bis zu 120 % erhöht. Vorzugsweise werden Biegebruchfestigkeiten im Bereich von 170 bis 220 MPa am infiltrierten Kolbenrohling angestrebt, um den hohen Spitzendrücken, wie sie beispielsweise bei Dieselmotoren auftreten können, zu genügen.In an advantageous development, it is provided that the carbon matrix is formed as Feinstkorngraphitmatrix. The fine grain graphite, which preferably has a particle size of from 1 to 5 μm and consists of a mixture of mesophase and pitch binders, is outstandingly suitable as a high-performance material material for pistons with reciprocating piston engines. Thus, the proposed carbon piston is a modified mesophase carbon piston with light metal infiltration. The light-metal infiltration increases the fine-grained graphite in bending strength by up to 120%. Preferably, flexural strengths in the range of 170 to 220 MPa are sought on the infiltrated piston blank to meet the high peak pressures, such as may occur in diesel engines, for example.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterführung ist vorgesehen, dass der Volumenanteil des Leichtmetalls oder der Leichtmetalllegierung an dem Kolbenvolumen 5 % bis 50 % beträgt. Durch die Änderung des Volumenanteils des Leichtmetalls bzw. der Leichtmetalllegierung können Materialparameter wie Biegebruchfestigkeit, Wärmedehnung, Wärmeleitfähigkeit eingestellt werden.In a further advantageous continuation is provided that the volume fraction of the light metal or the light metal alloy on the piston volume is 5% to 50%. By the change the volume fraction of the light metal or the light metal alloy can Material parameters such as bending strength, thermal expansion, thermal conductivity be set.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass der Volumenanteil des Leichtmetalls oder der Leichtmetalllegierung an dem Kolbenvolumen 5 % bis 30 % beträgt.In a further advantageous embodiment it is provided that the Volume fraction of the light metal or the light metal alloy the piston volume is 5% to 30%.

Weiter kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Leichtmetall um Aluminium oder um eine Aluminiumlegierung handelt. Durch die Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung wird eine besonders gute Anpassung an aus Aluminium gefertigte Motorenzylinder erreicht.Further it can be provided that the light metal is aluminum or an aluminum alloy. By the use of Aluminum or an aluminum alloy will be a particularly good Adapted to engine cylinders made of aluminum.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass es sich bei dem Leichtmetall um Magnesium oder um eine Magnesiumlegierung handelt. Durch die Verwendung von Magnesium oder einer Magnesiumlegierung wird eine besonders gute Anpassung an aus Magnesiumlegierungen gefertigte Motorenzylinder erreicht, die ein besonders günstiges Leistungsgewicht aufweisen.It can be further provided that it is the light metal around Magnesium or a magnesium alloy. By use of magnesium or a magnesium alloy becomes a special one achieves good adaptation to engine cylinders made of magnesium alloys, the one very cheap Have power weight.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind auf die Kohlenstoffmatrix gerichtet.Further advantageous embodiments are directed to the carbon matrix.

Es kann vorgesehen sein, dass die offenen Poren in der Kohlenstoffmatrix überwiegend, d.h. zu mindestens 68 %, eine Porengrösse zwischen 0,6 μm und 1,0 μm aufweisen, wobei die kleinste Porengrösse ca. 0,3 μm beträgt.It can be provided that the open pores in the carbon matrix predominantly, i.e. at least 68%, have a pore size between 0.6 microns and 1.0 microns, where the smallest pore size approx. 0.3 μm is.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass die Poren in der Kohlenstoffmatrix überwiegend eine Porengrösse zwischen 0,4 μm und 0,8 μm aufweisen.In a further advantageous embodiment can be provided that the pores in the carbon matrix predominantly have a pore size between 0.4 μm and 0.8 μm.

Es kann vorgesehen sein, dass der Elastizitätsmodul des Kolbenwerkstoffs zwischen 12 GPa bis 30 GPa liegt und die Biegebruchfestigkeit zwischen 120 MPa bis 220 MPa liegt. Mit diesen Werkstoffparametern liegt ein Kolbenwerkstoff vor, der den Einsatz der erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben bzw. Feinstkorngraphitkolben im Dauerbetrieb mit hoher Zuverlässigkeit und höchster Temperaturfestigkeit ermöglicht. Während der herkömmliche Aluminiumkolben bei thermischer Beaufschlagung bis zu 50 % und mehr an Biegebruchfestigkeit verliert, bleibt der infiltrierte Kolben aus Feinstkorngraphit im Festigkeitsniveau über den gesamten Betriebstemperaturbereich konstant gleich.It can be provided that the modulus of elasticity of the piston material between 12 GPa to 30 GPa and the bending strength between 120 MPa to 220 MPa. With these material parameters lies a piston material before, the use of the carbon piston according to the invention or Ultra-fine graphite piston in continuous operation with high reliability and highest Temperature resistance allows. While the conventional one Aluminum pistons with thermal load up to 50% and more loses bending strength, remains the infiltrated piston from ultrafine graphite in the strength level over the entire operating temperature range constantly the same.

Weiter kann vorgesehen sein, dass die Dichte des Kolbens zwischen 1,8 g/cm3 und 2,4 g/cm3 liegt.It can further be provided that the density of the piston is between 1.8 g / cm 3 and 2.4 g / cm 3 .

Die Wärmeleitfähigkeit des Kolbens kann zwischen 30 W/m·K und 200 W/m·K liegen. Auf diese Weise kann auch die Wärmeleitfähigkeit des Kolbenwerkstoffs optimal an die Wärmeleitfähigkeit des Zylinders und/oder des Kurbelgehäuses angepasst werden, vorzugsweise durch adaptive Optimierung.The thermal conductivity of the piston may be between 30 W / m · K and 200 W / m · K. In this way, also the thermal conductivity the piston material optimally to the thermal conductivity of the cylinder and / or of the crankcase be adapted, preferably by adaptive optimization.

Es kann vorgesehen sein, dass die an der Kolbenboden-Unterseite ausgebildete Gewölbefläche unabhängig von der Flächengestaltung der Kolbenboden-Oberseite ist.It can be provided that formed on the piston bottom bottom Vaulted area independent of the surface design the piston crown top is.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Ansprüchen 13 bis 23 auf die Ausbildung der Kolbenboden-Unterseite gerichtet.Further advantageous embodiments are in the claims 13 to 23 on the training directed to the piston bottom bottom.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Ansprüchen 24 bis 31 auf weitere Bereiche des Kolbens gerichtet, wie beispielsweise auf die Ausbildung des Feuerstegs.Further advantageous embodiments are in the claims 24 to 31 further Areas of the piston directed, such as on the training the firestop.

Der erfindungsgemäße Kohlenstoffkolben kann auch mit unterschiedlichen Zylinder-Laufflächen kombiniert werden. Die einzuhaltenden Einbauspiele des Kolbens in kaltem Zustand sind jeweils von der Materialwahl der Zylinderlauffläche abhängig. Geringer sind die Spiele bei Verwendung von Zylinderlaufflächen aus Keramik und werden größer bei metallischen Zylinderlaufflächen aus Aluminium, Grauguss oder Stahl. Jedoch lassen sich unterschiedliche Wärmedehnkoeffizienten der Zylinderlaufflächen weitgehend durch deren mehr oder weniger starke Kühlung ausgleichen.Of the Carbon piston according to the invention can can also be combined with different cylinder treads. The to be observed mounting play of the piston in a cold state are each of the choice of material of the cylinder surface dependent. Less are the games when using cylinder surfaces made of ceramic and are greater in metallic Cylinder liners made of aluminum, cast iron or steel. However, they are different Wärmedehnkoeffizienten the cylinder surfaces largely offset by their more or less strong cooling.

Als Ausgangswerkstoff für die Kohlenstoffmatrix des Kohlenstoffkolben kann, wie weiter oben beschrieben, ein modifizierter Kohlenstoff bzw. Kohlenstoff aus der Mesophase vorgesehen sein, der eine Biegebruchfestigkeit im Bereich von ca. 65 MPa bis ca. 160 MPa aufweist, z. B. aus einem Feinstkorngraphit, der aus einem bindemittelfreien Kohlenstoff, einer sogenannten Mesophase, hergestellt ist und mit geeigneten Pechbindern versehen ist. Die Mesophase ist ein Rohstoff, der als Zwischenprodukt der Flüssigphasen-Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise aus kohle- und erdölstämmigen Pechen abstammt und aus Polyaromaten besteht. Aus diesen Polyaromaten entstehen durch Carbonisieren und Graphitieren Mesophasen-Sphärolithe in einer Teilchengröße im μm-Bereich, welche die Werkstoffkörner darstellen. Durch eine besondere Mischung aus Mesophase mit Pechbindern wird ein Feinstkorngraphit mit Korngrößen im Bereich von 1 bis 10 μm hergestellt, der im Endzustand eine offene Porosität aufweist.As described above, a modified carbon or carbon from the mesophase, which has a bending strength in the range of about 65 MPa to about 160 MPa, z. B. from a Feinstkorngraphit, which is made of a binder-free carbon, a so-called mesophase, and is provided with suitable pitch binders. The mesophase is a raw material used as an intermediate in the liquid-phase pyrolysis of hydrocarbons, preferably derived from coal and Erddölstämmigen pitches and consists of polyaromatics. From these polyaromatics arise by carbonization and graphitization mesophase spherulites in a particle size in the micron range, which represent the grains of material. A special mixture of mesophase with pitch binders produces a very fine grain graphite with grain sizes in the range of 1 to 10 μm, which has an open porosity in the final state.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:Further Advantages and features of the invention will become apparent from the following Description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. In the drawings show:

1 einen Teilschnitt längs der Linie I-I in 3 mit Teilansicht der Kolbenaußenfläche; 1 a partial section along the line II in 3 with partial view of the piston outer surface;

2 einen Teilschnitt längs der Linie II-II in 3 mit Teilansicht der Kolbenaußenfläche; 2 a partial section along the line II-II in 3 with partial view of the piston outer surface;

3 einen Schnitt längs der Linie III-III in 1; 3 a section along the line III-III in 1 ;

4 einen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens; 4 an axial section of another embodiment of a piston according to the invention;

5 einen der 2 entsprechenden Schnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens; 5 one of the 2 corresponding section of a further embodiment of a piston according to the invention;

6 einen zu 4 analogen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens; 6 one too 4 analogous axial section of another embodiment of a piston according to the invention;

7 eine Teilansicht des Kolbens gemäß 6, gesehen in Richtung des Pfeiles VII in 6, und 7 a partial view of the piston according to 6 , seen in the direction of the arrow VII in 6 , and

8 ein Diagramm, aus dem das Profil eines erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolbens und dessen Spiel gegenüber der Zylinderlauffläche hervorgehen. 8th a diagram showing the profile of a carbon piston according to the invention and its game against the cylinder surface.

Der in den 1 bis 3 dargestellte Kolben für einen Dieselmotor weist in herkömmlicher Weise einen Kolbenboden 1, einen Feuersteg 2, einen Ringabschnitt 3 und einen Kolbenschaft 4 auf. An der Oberseite des Kolbenbodens 1 ist eine Mulde 11 ausgebildet. In die Mantelfläche 41 des Kolbenschafts 4 mündet diametral gegenüberliegend jeweils eine Nabenbohrung 5 für einen nicht gezeigten Kolbenbolzen, die sich in von der Innenwand 42 des Kolbenschafts 4 ausgehenden Nabenverdickungen 51 erstreckt. Am äußeren Ende der Nabenbohrung 5 ist eine Nut 52 für einen nicht gezeigten Sicherungsring zur Sicherung des Kolbenbolzens vorhanden. Die Nabenbohrung 5 weist eine quer verlaufende, mit der Kolbenbolzenachse übereinstimmende Achse 53 auf.The in the 1 to 3 illustrated piston for a diesel engine has in a conventional manner a piston crown 1 , a fire-pier 2 , a ring section 3 and a piston stem 4 on. At the top of the piston crown 1 is a hollow 11 educated. In the lateral surface 41 of the piston shaft 4 opens diametrically opposite each a hub bore 5 for a piston pin, not shown, extending from the inner wall 42 of the piston shaft 4 outgoing hub thickening 51 extends. At the outer end of the hub bore 5 is a groove 52 for a locking ring, not shown, for securing the piston pin present. The hub bore 5 has a transverse, coincident with the piston pin axis axis 53 on.

Der Kolben besteht aus einer Kohlenstoffmatrix, in deren Poren Aluminium eingebracht ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Kohlenstoff um Feinstkorngraphit. Der Kolben wurde zunächst als ein poröser Kohlenstoffkolben ausgeführt und sodann mittels Sqeeze-Cast-Infiltration mit Aluminium infiltriert. Dazu wurde der Kohlenstoffkolben auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium aufgeheizt und sodann in die Gießform der Sqeeze-Cast-Anlage gestellt. Die Gießform wurde geschlossen, flüssiges Aluminium in die Gießkammer gefüllt und das Aluminium mittels eines Presskolbens in die Poren des Kohlenstoffkolbens gepresst. Es kann auch vorgesehen sein, das Aluminium unter Anlegen von Vakuum und anschließend von Druckgas, z.B. Stickstoff, in die Poren des Kohlenstoffkolbens zu pressen (Gasdruckinfiltration).Of the Piston consists of a carbon matrix in whose pores aluminum is introduced. In the illustrated embodiment is in the case of carbon, fine-grained graphite. The piston was initially called a porous one Carbon piston executed and then by Sqeeze-Cast infiltration infiltrated with aluminum. This was the carbon piston on a temperature above the melting point of aluminum heated and then into the mold put the Sqeeze-Cast plant. The mold was closed, liquid aluminum into the casting chamber filled and the aluminum by means of a plunger into the pores of the carbon piston pressed. It can also be provided, the aluminum under application from vacuum and then compressed gas, e.g. Nitrogen, in the pores of the carbon piston to press (gas pressure infiltration).

Der so mit Aluminium infiltrierte Kohlenstoffkolben wies folgende Parameter auf, wobei Feinstkorngraphit mit der Werkstoffbezeichnung FU 4617 (Fa. Schunk) verwendet wurde:

  • – Volumenanteil des Aluminiums am Kolbenvolumen: 19 %
  • – mittlere Porengrösse der Kohlenstoffmatrix (vor Infiltration): 0,35 μm
  • – Elastizitätsmodul (Youngs Modulus) des Kolbens: 22 GPa
  • – Biegebruchfestigkeit: 182 MPa
  • – Dichte des Kolbens: 2,2 g/cm3
  • – Wärmeleitfähigkeit des Kolbens: 92 W/m·K
  • – Ausdehnungskoeffizient: 8,8 × 10–6/K
The carbon piston thus infiltrated with aluminum had the following parameters, fine-grain graphite having the material designation FU 4617 (Schunk) being used:
  • - volume fraction of aluminum on the piston volume: 19%
  • - Mean pore size of the carbon matrix (before infiltration): 0.35 μm
  • Young's modulus of the piston: 22 GPa
  • Bending strength: 182 MPa
  • - Density of the piston: 2.2 g / cm 3
  • - Thermal conductivity of the piston: 92 W / m · K
  • Coefficient of expansion: 8.8 × 10 -6 / K

Als Optimum gilt ein mit Aluminium infiltrierter Feinstkorngraphit, der folgende bevorzugte physikalische Daten aufweist:

  • – Biegebruchfestigkeit: 180 bis 220 MPa
  • – Youngs Modulus: 18 bis 24 GPa
  • – Dichte: 2,0 bis 2,25 g/cm3
  • – Wärmeleitfähigkeit: 90 bis 140 W/m K
Optimum is an ultrafine grain graphite infiltrated with aluminum which has the following preferred physical data:
  • Bending strength: 180 to 220 MPa
  • - Youngs Modulus: 18 to 24 GPa
  • Density: 2.0 to 2.25 g / cm 3
  • - Thermal conductivity: 90 to 140 W / m K

In dem Ringabschnitt 3 sind für nicht gezeigte Kolbenringe drei Ringnuten 31 ausgebildet, von denen die unterste Ringnut zur Aufnahme eines Ölabstreifrings dient. Der Nutgrund der Nut ist jeweils mit Rundungsradien ausgebildet, um Spannungen an schroffen Übergängen zu vermeiden. In der unteren Nutflanke der Ringnut 31 für den Ölabstreifring ist in Umfangsrichtung des Kolbens versetzt neben der Nabenbohrung 5 eine Ablauföffnung 32 vorgesehen, die in eine flache Öltasche 33 in der Mantelfläche des Kolbenschafts 4 mündet. Die Öltasche 33 hat in der Nähe der Ölablauföffnung 32 eine Tiefe von beispielsweise 3 mm und läuft bogenförmig außerhalb der die Nabenbohrung 5 umgebenden Nabenverdickung 54 herum. Ihre Tiefe verringert sich am unteren Ende auslaufend zur Mantelfläche 41. Die Öltasche kann auch senkrechtflächig ausgebildet sein.In the ring section 3 are three ring grooves for piston rings, not shown 31 formed, of which the lowermost annular groove serves to receive a Ölabstreifrings. The groove bottom of the groove is formed in each case with radii of curvature in order to avoid stresses on abrupt transitions. In the lower groove flank of the annular groove 31 for the oil control ring is offset in the circumferential direction of the piston adjacent to the hub bore 5 a drain hole 32 Intended in a shallow oil pocket 33 in the lateral surface of the piston skirt 4 empties. The oil bag 33 has near the oil drain hole 32 a depth of for example 3 mm and runs arcuately outside of the hub bore 5 surrounding hub thickening 54 around. Their depth decreases at the lower end expiring to the lateral surface 41 , The oil bag can also be formed vertically.

Wie aus 2 hervorgeht, hat die Unterseite 12 des Kolbenbodens 1 eine gewölbeartige Fläche, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel angenähert eine Kreiszylinderfläche ist, deren nicht gezeigte Zylinderachse die Kolbenachse rechtwinklig schneidet. Das heißt, die Kolbenboden-Unterfläche 12 ist durch eine zur Zeichenebene von 2 senkrecht stehende Gerade gebildet und geht gerundet in die einander gegenüberliegenden Stirnseiten 55 der Nabenverdickungen 51 über (1). Zwischen den beiden gegenüberliegenden Nabenverdickungen 51 verläuft die Kolbenboden-Unterfläche 12 mit dem Kreiszylinder-Radius und schließt mit einem kleineren Radius gerundet an die Innenwand 42 des Kolbenschafts 4 an. Dieser Übergang verläuft über das untere Ende des Ringabschnitts 3 hinaus, an welchem der Kolbenschaft 4 ansetzt.How out 2 shows the bottom has 12 of the piston crown 1 a vault-like surface, which is approximately a circular cylindrical surface in the embodiment shown, the cylinder axis, not shown, the piston axis intersects at right angles. That is, the piston bottom surface 12 is by a to the drawing level of 2 formed perpendicular straight line and is rounded in the opposite end faces 55 hub thickening 51 above ( 1 ). Between the two opposite hub thickenings 51 runs the piston bottom surface 12 with the circular cylinder radius and rounded with a smaller radius rounded to the inner wall 42 of the piston shaft 4 at. This transition runs over the lower end of the ring section 3 in addition to which the piston skirt 4 attaches.

Der Durchmesser des Kolbenbodens 1, das heißt der Kolbendurchmesser D, beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 86,835 mm; die Dicke des Kolbenbodens 1 beträgt ausgehend von der Oberkante des Feuerstegs 2 und ohne Berücksichtigung der Ausnehmung 11 am Scheitel der Kolbenboden-Unterfläche 12 22 mm. Die Gesamthöhe des Kolbens von der oberen Kante des Feuerstegs 2 bis zum unteren Schaftrand 44 ist 76,3 mm, wobei der Kolbenschaft 4 eine Manteldicke von 7,5 mm hat. Daraus ergibt sich eine Kolbenbodendicke von 0,25D, d. h. ein Verhältnis, das für einen Dieselmotor-Kolben dieser Größe erheblich über dem entsprechenden Wert eines Aluminium- oder Graugusskolbens liegt.The diameter of the piston crown 1 , that is, the piston diameter D is 86.835 mm in the embodiment shown; the thickness of the piston crown 1 is starting from the top edge of the topplate 2 and without consideration of the recess 11 at the apex of the piston bottom surface 12 22 mm. The overall height of the piston from the top edge of the topplate 2 to the lower shaft edge 44 is 76.3 mm, with the piston skirt 4 has a jacket thickness of 7.5 mm. This results in a piston crown thickness of 0.25D, that is, a ratio that, for a diesel engine piston of this size, is significantly above the equivalent value of an aluminum or gray cast iron piston.

4 zeigt im Längsschnitt einen Kohlenstoffkolben mit 10 einer Brennraummulde für einen direkt einspritzenden Dieselmotor. In der Zeichnung ist dargestellt, dass die Kolbenboden-Unterfläche 12' eine Gewölbefläche darstellt, die in Abweichung von der Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 nicht praktisch durchgehend bis zur Kolbeninnenwand eine Kreiszylinderfläche ist, sondern sich quer zur Kolbenbolzenachse aus drei Kreiszylinderflächen zusammensetzt. So weist der überwiegende Teil a dieser Fläche einen Radius Ra auf, dessen Mittelpunkt A auf der Kolbenachse 14 liegt. Die beiden einander gegenüberliegenden Flächenabschnitte b, die bezüglich der in der Kolbenbolzenachse liegenden Kolbenmittelebene symmetrisch sind, haben hingegen einen Radius Rb, dessen Mittelpunkt B auf einer die Kolbenbolzenachse schneidenden Querachse liegt. Es versteht sich, dass die Flächenabschnitte b jeweils senkrecht zur Zeichenebene der 4 eine kürzere Erstreckung haben als der mittlere Flächenabschnitt a, weil sie mit einem Übergangsradius in die Innenwand des Kolbenschafts hineinverlaufen müssen. 4 shows in longitudinal section a carbon piston with 10 a combustion bowl for a direct injection diesel engine. In the drawing it is shown that the piston bottom surface 12 ' represents a vault surface, which differs from the embodiment according to the 1 to 3 not practically continuous to the piston inner wall is a circular cylindrical surface, but is composed transversely to the piston pin axis of three circular cylindrical surfaces. Thus, the majority a of this surface has a radius R a , the center A on the piston axis 14 lies. The two opposite surface portions b, which are symmetrical with respect to the plane lying in the piston pin axis piston center plane, however, have a radius R b , the center B is located on a transverse axis of the piston pin axis. It is understood that the surface portions b each perpendicular to the plane of the 4 have a shorter extension than the central surface portion a, because they have to run with a transition radius in the inner wall of the piston skirt.

Im Bereich des Feuerstegs 2' hat der Kolben gemäß 4 einen Durchmesser von 68,87 mm. Die Radien Ra und Rb sind in diesem Fall mit 41 bzw. 12 mm bemessen.In the area of the Feuersteg 2 ' the piston has according to 4 a diameter of 68.87 mm. The radii R a and R b are dimensioned in this case with 41 and 12 mm.

Die Ausführungsform des Kolbens gemäß 5 entspricht in Größe und Gestaltung angenähert derjenigen gemäß 4. Sie weicht davon und von der Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 dadurch ab, dass zusätzlich zu der Ablauföffnung 32' in der unteren Nutflanke der Ringnut 31' mehrere in das Kolbeninnere führende Ablaufbohrungen 35 vorgesehen sind. Diese unterstützen die Ölableitung durch die äußere Öltasche 33'.The embodiment of the piston according to 5 corresponds in size and design approximately to that according to 4 , She deviates from it and from the embodiment according to the 1 to 3 characterized in that in addition to the drain opening 32 ' in the lower groove flank of the annular groove 31 ' several leading into the piston interior drain holes 35 are provided. These support the drainage of oil through the outer oil pocket 33 ' ,

Der Kolben gemäß den 6 und 7 weist wie derjenige gemäß 4 an der Oberseite des Kolbenbodens eine Brennraummulde auf und ist ebenfalls für einen direkt einspritzenden Dieselmotor bestimmt. Jedoch gelten die folgenden allgemeinen Erläuterungen unabhängig von der Ausbildung der Oberseite des Kolbenbodens und damit auch für eine ebene Oberseite. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 4 bildet die Kolbenboden-Unterfläche 112 eine Teilfläche eines Rotationsellipsoids, dessen Rotationsachse 113 mit der Kolbenachse 114 zusammenfällt. Die große Hauptachse 115 des Rotationsellipsoids verläuft rechtwinklig zu der Kolbenachse 114 und zugleich auch rechtwinklig zu der Achse 153 (7) der Nabenbohrung 105, die zugleich die Bolzenachse des nicht gezeigten Kolbenbolzens ist. Außerdem schneidet in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die große Hauptachse 115 die Achse 153 der Nabenbohrung 105 und zugleich die Kolbenachse 114. Damit fällt der Mittelpunkt M des Rotationsellipsoids zusammen mit dem Schnittpunkt der Kolbenachse 114 und der Achse 153 und die die Kolbenboden-Unterseite 113 bildende Teilfläche entspricht damit weitgehend der halben Kalottenfläche des Rotationsellipsoids.The piston according to the 6 and 7 like the one according to 4 on the top of the piston crown a combustion bowl and is also intended for a direct injection diesel engine. However, the following general explanations apply regardless of the formation of the top of the piston crown and thus also for a flat top. Unlike the embodiment according to 4 forms the piston bottom surface 112 a partial surface of an ellipsoid of revolution, whose axis of rotation 113 with the piston axis 114 coincides. The big main axis 115 of the ellipsoid of revolution is perpendicular to the piston axis 114 and at the same time also perpendicular to the axis 153 ( 7 ) of the hub bore 105 , which is at the same time the pin axis of the piston pin, not shown. In addition, in the embodiment shown, the major major axis intersects 115 the axis 153 the hub bore 105 and at the same time the piston axis 114 , Thus, the center M of the ellipsoid of revolution coincides with the intersection of the piston axis 114 and the axis 153 and the the piston bottom bottom 113 forming partial surface thus corresponds largely to half the spherical surface of the ellipsoid of revolution.

Für die Praxis kann die hier angesprochene Teilfläche des Rotationselipsoids angenähert werden durch die Fläche einer Kugelkalotte mit dem Radius R'a, an welche sich an den beiden Enden der großen Hauptachse 115 jeweils die Fläche einer halben Kugelkalotte mit dem Radius R'b anschließt. Der Mittelpunkt A' für den Radius R'a liegt auf der Kolbenachse 114; der Mittelpunkt B' für die Radien R'b liegt jeweils auf der großen Hauptachse 115. Der Radius R'a, der im wesentlichen den Flächenverlauf der Kolbenboden-Unterseite 112 bestimmt, läßt sich nach der Formel R'a = rimin + d/2berechnen. ri bezeichnet den Abstand des Mittelpunkts M von der Kolbenboden-Unterseite 112; rimin ist somit der kleinste Abstand des Mittelpunkts M von der Kolbenboden-Unterseite, gemessen längs der Kolbenachse 114. d bezeichnet den Durchmesser der Innenwand 142 des Kolbenschafts 104 in der Höhe der großen Hauptachse 115, hier gleichbedeutend mit der Höhe der Achse 153 der Nabenbohrung 105.For the practice of the addressed here partial area of the Rotationselipsoids can be approximated by the surface of a spherical cap of radius R 'a, at which at the two ends of the major axis 115 in each case the surface of half a spherical cap with the radius R ' b followed . The center A 'for the radius R' a is located on the piston axis 114 ; the center B 'for the radii R' b lies on the major axis 115 , The radius R ' a , which is essentially the surface of the piston bottom bottom 112 determined, can be after the formula R ' a = r imine + d / 2 to calculate. r i denotes the distance of the center M from the bottom of the piston crown 112 ; r imin is thus the smallest distance of the center M from the bottom of the piston bottom, measured along the piston axis 114 , d denotes the diameter of the inner wall 142 of the piston shaft 104 at the height of the major axis 115 , here synonymous with the height of the axis 153 the hub bore 105 ,

Ausgehend von der Bemessung der Kolbenbodendicke in dem eingangs angegebenen Bemessungsbereich von 0,12D bis 0,3D (D = Kolben-Nenndurchmesser) und von der Bemessung der Schaftwanddicke s in dem eingangs angegebenen Bemessungsbereich von 0,05D bis 0,075D kann die Lage des Mittelpunkts A' auf der Kolbenachse 114 und die Lage der Mittelpunkte B' auf der Hauptachse 115 jeweils bestimmt werden. Bei der Bemessung der Kolbenbodendicke muß dabei zusätzlich beachtet werden, daß die unterste Ringnut in dem Ringabschnitt 103 hinreichend weit über der gewölbten Kolbenboden-Unterseite liegt, um nicht durch eine Querschnittsverringerung an dieser Stelle den Kraft- und Wärmefluss zu beeinträchtigen. Die Übergänge zwischen den so erzeugten Teil-Kugelflächen werden durch Übergangsflächen zu der Fläche eines Rotationsellipsoids geglättet. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich die Kolbenboden-Unterfläche 112 in Richtung der Achse 153 der Nabenbohrung 105 über eine geringere Distanz als quer dazu, weil im Bereich der Nabenverdickungen 151 darauf Rücksicht genommen werden muß, dass noch ausreichend Freigang für das Pleuelauge vorhanden ist. Die Übergänge zu den Nabenverdickungen 151 sind jeweils gerundet.Starting from the design of the piston head thickness in the initially specified design range of 0.12D to 0.3D (D = nominal piston diameter) and the sizing of the sash wall thickness s in the initially specified design range of 0.05D to 0.075D, the position of the center point A 'on the piston axis 114 and the location of the centers B 'on the major axis 115 each determined. In the design of the piston head thickness must also be noted that the lowest annular groove in the ring section 103 is sufficiently far above the arched piston bottom bottom, so as not to affect by a cross-sectional reduction at this point the power and heat flow. The transitions between the partial spherical surfaces thus produced are smoothed by transition surfaces to the surface of an ellipsoid of revolution. In this embodiment, the piston bottom surface extends 112 in the direction of the axis 153 the hub bore 105 over a smaller distance than transversely to it, because in the area of the hub thickenings 151 Care must be taken to ensure that there is still sufficient clearance for the connecting rod. The transitions to the hub thickenings 151 are each rounded.

Der Radius für die die Kolbenboden-Unterseite 112 bestimmende Gewölbefläche lässt sich auch durch den Richtwert R'a = KD mit K = 0,5 – 0,75 abschätzen bzw. festlegen.The radius for the piston bottom bottom 112 determining vault surface can also be estimated or determined by the guideline R ' a = KD with K = 0.5 - 0.75.

Somit unterscheidet sich die Innenkontur des Kolbenbodens bei dem erfindungsgemäßen Kolben deutlich von der Innenkontur herkömmlicher Aluminiumkolben, bei denen der Kolbenboden im wesentlichen plattenförmig gestaltet ist und lediglich im Übergang zum Feuersteg und zu dem die Kolbenringe tragenden Ringabschnitt gerundet ist. Als Folge davon können bei der Festigkeitsberechnung des Kolbenbodens von erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben, die relativ hoch belastet sind (z.B. der Kolben gemäß 6) die Widerstandsmomente des Kolbenbodens entsprechend den Widerstandsmomenten hohler elliptischer Körper mit konstantem Höhlungsverhältnis angenähert und durch die Formel berechnet werden: W = π/32·CD2(1 – α4),wobei
α = c/C = d/D = ri/ra = const.Thus, the inner contour of the piston head in the piston according to the invention differs significantly from the inner contour of conventional aluminum piston, in which the piston crown is designed substantially plate-shaped and rounded only in the transition to the top land and the ring bearing the piston rings. As a result, in the strength calculation of the piston crown of inventive carbon piston, which are relatively highly loaded (eg, the piston according to FIG 6 ) the moments of resistance of the piston crown are approximated according to the moments of resistance of hollow elliptical bodies with a constant cavity ratio and calculated by the formula: W = π / 32 · CD 2 (1 - α 4 ) in which
α = c / C = d / D = r i / r a = const.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist ramax = D/2. In 6 ist der dieser Berechnung zugrunde liegende elliptische Hohlkörper kreuzschraffiert eingezeichnet.In the embodiment shown, r amax = D / 2. In 6 the elliptical hollow body underlying this calculation is shown cross-hatched.

Bei relativ gering belasteten erfindungsgemäßen Kolben, zum Beispiel für Ottomotoren, kann sowohl die Kolbenbodendicke als auch die Schaftwanddicke s an der unteren Grenze der angegebenen Bemessungsbereiche gewählt werden. In diesem Fall kann für die Berechnung des Widerstandsmoments des Kolbenbodens die Berechnung des Widerstandsmoments von hohlelliptischen Körpern mit konstanter Wanddicke durch die vereinfachte Formel W ≈ 0,2 sD(D + 3C)herangezogen werden.In the case of pistons according to the invention, which are relatively lightly loaded, for example for gasoline engines, both the piston head thickness and the shaft wall thickness s can be selected at the lower limit of the specified design ranges. In this case, for the calculation of the moment of resistance of the piston crown, the calculation of the moment of resistance of hollow elliptic bodies with constant wall thickness by the simplified formula W ≈ 0.2 sD (D + 3C) be used.

Die vorstehend beschriebene Ermittlung des Flächenverlaufs der Kolbenboden-Unterseite 112 und die Berechnung des Widerstandsmoments davon lässt sich ohne merklichen Fehler übertragen auf eine Kolbenboden-Unterfläche, die die Teilfläche eines Zylinders mit elliptischem Querschnitt bildet. Die Achse dieses Zylinders liegt rechtwinklig zu der Kolbenachse 114 und fällt zusammen mit der Achse 153 der Nabenbohrung 105, d. h. die Erzeugenden des Zylinders 10 stehen senkrecht zur Zeichenebene von 6. Die große Hauptachse 115 des elliptischen Querschnitts dieses Zylinders liegt ihrerseits rechtwinklig zu der Kolbenachse 114 und auch zu der Achse 153 (vgl. 6). In diesem Fall bedarf es im Bereich der Endpunkte der Hauptachse 115 ausgedehnterer Übergangsflächen in die am Übergang zu dem Schaft 104 weitgehend kreiszylindrische Innenwand 142.The above-described determination of the surface profile of the piston bottom bottom 112 and the calculation of the modulus of resistance thereof can be transmitted to a piston crown bottom surface, which forms the partial surface of a cylinder of elliptical cross section, without appreciable error. The axis of this cylinder is at right angles to the piston axis 114 and coincides with the axis 153 the hub bore 105 ie the generators of the cylinder 10 are perpendicular to the plane of 6 , The big main axis 115 the elliptical cross section of this cylinder is in turn perpendicular to the piston axis 114 and also to the axis 153 (see. 6 ). In this case, the main axis is required in the area of the end points 115 wider transition surfaces in the transition to the shaft 104 largely circular cylindrical inner wall 142 ,

In 7 sind durch Höhenlinien 116, die durch Querschnitte quer zur Kolbenachse 114 entstehen, die Übergangsflächen nur qualitativ angedeutet.In 7 are by contour lines 116 passing through cross sections transverse to the piston axis 114 emerge, the transitional surfaces only qualitatively indicated.

Eine entsprechende Betrachtung gilt, wenn die Kolbenboden-Unterseite durch die Teilfläche eines Rotationsellipsoids gebildet wird, dessen Axialschnitt das gleiche Bild ergibt wie das Rotationsellipsoid gemäß 6, das jedoch die große Hauptachse 115 als Rotationsachse hat. Auch in diesem Fall liegt der Mittelpunkt des Rotationsellipsoids in dem Schnittpunkt M zwischen der Kolbenachse 114 und der Achse 153 der Nebenbohrung 105. Diese Gestaltung ergibt zwischen den Nabenverdickungen 151 eine Gewölbefläche, die nur geringfügig eine Abrundung in die Nabenverdickungen hinein benötigt, liefert jedoch im Bereich der beiden Enden der großen Hauptachse 115 größere Wanddicken des Schafts 104.A corresponding consideration applies if the bottom of the piston bottom is formed by the partial surface of an ellipsoid of revolution, the axial section of which produces the same image as the ellipsoid of revolution according to FIG 6 but the big main axis 115 as a rotation axis has. Also in this case, the center of the ellipsoid of revolution lies in the point of intersection M between the piston axis 114 and the axis 153 the sub-bore 105 , This design results between the hub thickening 151 However, a vault surface that requires only a slight rounding in the hub thickening, but provides in the region of the two ends of the major axis 115 greater wall thickness of the shaft 104 ,

Auf eine bei Aluminiumkolben häufig praktizierte Desaxierung, das heißt eine Versetzung der Kolbenbolzenachse gegenüber der Kolbenachse, kann bei Kohlenstoffkolben weitgehend verzichtet werden. Falls doch eine Desaxierung angezeigt ist, bleibt ihr Ausmaß geringer als dasjenige von Aluminiumkolben. Bei den vorstehend geschilderten Ausführungsbeispielen gemäß den 4, 5 und 6 ist eine Desaxierung nicht vorgesehen. Deshalb liegt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6, dessen Kolbenboden-Unterseite durch eine Teilfläche eines Rotationsellipsoids gebildet ist, der Mittelpunkt M davon auch auf der Achse der Nabenbohrung. Ist der Kolben aber mit einer Desaxierung ausgelegt, so liegt dieser Mittelpunkt M nur auf der Kolbenachse in Höhe der Achse der Nabenbohrung, welche die Kolbenachse in diesem Fall kreuzt.On a commonly practiced in aluminum piston desaxation, that is, a displacement of the piston pin axis relative to the piston axis, can be largely dispensed with carbon piston. If desaxing is indicated, its size will be less than that of aluminum pistons. In the above-described embodiments according to the 4 . 5 and 6 is a deraxation not provided. Therefore, according to the embodiment 6 whose bottom of the piston bottom is formed by a partial surface of an ellipsoid of revolution, the center M thereof also on the axis of the hub bore. However, if the piston is designed with a deflection, this midpoint M lies only on the piston axis at the level of the axis of the hub bore, which crosses the piston axis in this case.

Bei allen vorstehend geschilderten Ausführungsformen ergibt sich theoretisch zwischen der weitgehend kreiszylindrischen Innenwand des Kolbens und der die Kolbenboden-Unterseite bildenden Gewölbefläche eine Verschneidungskante, die in der Praxis durch Übergangsrundungen bzw. -radien vermieden wird.at All of the above-described embodiments results theoretically between the largely circular cylindrical inner wall of the piston and the vault surface forming the bottom of the piston crown is an intersecting edge, which in practice by transitional rounding or radii is avoided.

Die 8 zeigt den Formverlauf eines erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolbens mit einem Durchmesser D = 100 mm, aus dem das Profil des Feuerstegs 2, des Ringabschnitts 3 und des Kolbenschafts 4 und deren örtliche Spiele zu einer aus Grauguss bestehenden Zylinderlauffläche hervorgehen. Bei dieser Größe des Kolbens kann auch bei seiner Ausführung aus Kohlenstoff eine Ovalität, die ein größeres Spiel im Bereich der Nabenbohrungen 5 und ein geringeres Spiel in den quer zur Nabenbohrungsachse 53 liegenden Bereichen ergibt, in Betracht gezogen werden. Die Zahlenwerte lassen jedoch erkennen, dass sowohl die Spiele als auch die Ovalität nur etwa das 0,3-fache der entsprechenden Werte bei einem Aluminiumkolben betragen.The 8th shows the shape of a carbon piston according to the invention with a diameter D = 100 mm, from which the profile of the top land 2 , the ring section 3 and the piston shaft 4 and their local games emerge from a gray cast iron cylinder surface. With this size of the piston can also in its execution of carbon ovality, the larger game in the hub bores 5 and a smaller clearance in the transverse to the hub bore axis 53 be considered. However, the figures show that both the games and the ovality are only about 0.3 times the corresponding values for an aluminum piston.

Von Bedeutung ist, dass das gestrichelt eingezeichnete Profil des Kolbenschafts, ausgehend von dem unteren Rand des Ringabschnitts 3, weitgehend geradlinig zum unteren Schaftrand 44 hin verläuft, d. h. ohne die bei Aluminiumkolben erforderliche Balligkeit eine Kegelfläche ergibt. Weiterhin ist erkennbar, dass bei diesem Kohlenstoffkolben aufgrund der höheren zu erwartenden Wärmebelastung der Feuersteg 2 keine zylindrische, sondern eine konische Außenfläche aufweist. Jedoch ist in seinem Bereich keinerlei Ovalität vorgesehen.It is important that the dashed line profile of the piston skirt, starting from the lower edge of the ring section 3 , largely linear to the lower shaft edge 44 runs out, ie without the required for aluminum piston crown results in a conical surface. Furthermore, it can be seen that in this carbon piston due to the higher expected heat load of the top land 2 has no cylindrical but a conical outer surface. However, no ovality is provided in its area.

Die vorstehend angegebenen Zahlenwerte sind grundsätzlich bei einer Paarung von Kolben/Zylinder mit einem Kohlenstoffkolben entsprechend niedriger als bei einer Paarung mit Aluminiumkolben. Trotzdem ergeben sich geänderte Werte in Abhängigkeit davon, ob die Zylinderlauffläche durch Grauguss oder durch andere Materialien gebildet ist. So können leichtmetallische Laufflächen aus Aluminium, Magnesium und dergleichen vorgesehen sein, die in bekannter Weise eine Nickelbeschichtung mit einem hohen Anteil an Siliziumcarbid tragen und die unter den Markennamen Nikasil oder Elnisil bekannt sind. Es können auch rein keramische Beschichtungen vorgesehen werden. Schließlich sind auch Zylinderbüchsen oder Zylinder Laufflächen aus Verbundwerkstoffen denkbar, die aus Metall/Keramik aufgebaut und beispielsweise unter den Markennamen Alusil, Lokasil, Silitec bekannt sind. Bei der Ausbildung der Zylinder-Lauffläche aus diesen von Grauguss abweichenden Materialien beträgt das Einbauspiel des 25 Kolbens im kalten Zustand 0,010 bis 0,035 % des Kolbendurchmessers, wobei dieser Wert quer zur Kolbenbolzenachse festgelegt ist, wenn der Kolben aufgrund seiner Größe bereits eine Ovalität aufweist.The The numerical values given above are basically with a pairing of Piston / cylinder with a carbon piston correspondingly lower as when mating with aluminum pistons. Nevertheless arise modified Values in dependence of it, whether the cylinder surface is formed by gray cast iron or other materials. So can be light metallic treads be provided from aluminum, magnesium and the like, in known Way a nickel coating with a high proportion of silicon carbide carry and the known under the brand names Nikasil or Elnisil are. It can also purely ceramic coatings are provided. Finally are also cylinder liners or cylinder treads made of composite materials conceived of metal / ceramic and for example under the brand names Alusil, Lokasil, Silitec are known. In the formation of the cylinder tread this differs from cast iron materials is the installation play of the piston in the cold state 0.010 to 0.035% of the piston diameter, wherein this value is set transversely to the piston pin axis when the Piston already due to its size an ovality having.

Claims (37)

Aus Kohlenstoff bestehender Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für PKW, LKW, Zweiradfahrzeuge und motorbetriebene Arbeitsgeräte, mit einem Kolbenboden (1), einem an den Kolbenboden axial anschließenden Feuersteg (2), einem Ringabschnitt (3) und einem Kolbenschaft (4) mit einer Nabenbohrung (5) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens, wobei die Schaftwand (42) auf der Schaftinnenseite zur Ausbildung der Nabe (5) einander gegenüberliegende Verdickungen (51) aufweist, die sich in die Kolbenboden-Unterseite (12) mit einer Rundung hineinerstrecken, wobei die Kolbenboden-Unterseite in dem Bereich zwischen den Nabenverdickungen (51) eine Gewölbefläche (12) bildet, die an die Nabenverdickungen zumindest im oberen Bereich der Nabenbohrung (5) anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffmatrix durch ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung infiltriert ist.Piston made of carbon for an internal combustion engine, in particular for cars, trucks, two-wheeled vehicles and engine-driven implements, having a piston head ( 1 ), an adjacent to the piston crown flank ( 2 ), a ring section ( 3 ) and a piston stem ( 4 ) with a hub bore ( 5 ) for receiving a piston pin, wherein the shaft wall ( 42 ) on the shaft inside to form the hub ( 5 ) opposing thickenings ( 51 ) which extends into the piston bottom ( 12 ), with the bottom of the piston bottom in the region between the hub thickenings ( 51 ) a vaulted area ( 12 ), which at the hub thickenings at least in the upper region of the hub bore ( 5 ), characterized in that the carbon matrix is infiltrated by a light metal or a light metal alloy. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffmatrix als Feinstkorngraphitmatrix ausgebildet ist.Piston according to claim 1, characterized in that the carbon matrix is formed as Feinstkorngraphitmatrix. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil des Leichtmetalls oder der Leichtmetalllegierung an dem Kolbenvolumen 5 % bis 50 % beträgt.Piston according to claim 1 or 2, characterized that the volume fraction of the light metal or the light metal alloy on the piston volume is 5% to 50%. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil des Leichtmetalls oder der Leichtmetalllegierung an dem Kolbenvolumen 5 % bis 30 % beträgt.Piston according to claim 3, characterized in that the volume fraction of the light metal or the light metal alloy on the piston volume is 5% to 30%. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Leichtmetall um Aluminium oder um eine Aluminiumlegierung handelt.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the light metal is aluminum or is an aluminum alloy. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Leichtmetall um Magnesium oder um eine Magnesiumlegierung handelt.Piston according to one of claims 1 to 4, characterized that the light metal is magnesium or a magnesium alloy is. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Poren in der Kohlenstoffmatrix zu mindestens 68 % eine Porengrösse zwischen 0,6 μm und 1,0 μm aufweisen, wobei die kleinste Porengrösse ca. 0,3 μm beträgt.Piston according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the open pores in the carbon matrix at least 68% a pore size between 0.6 μm and 1.0 μm have, wherein the smallest pore size is about 0.3 microns. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des Kolbenwerkstoffs zwischen 12 GPa bis 30 GPa liegt und die Biegebruchfestigkeit zwischen 120 MPa bis 220 MPa liegt.Piston according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the elastic modulus of the piston material between 12 GPa to 30 GPa and the bending strength between 120 MPa to 220 MPa. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Kolbens zwischen 1,8 g/cm3 und 2,4 g/cm3 liegt.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the density of the piston is between 1.8 g / cm 3 and 2.4 g / cm 3 . Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Kolbens zwischen 30 W/m·K und 200 W/m·K liegt.Piston according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the thermal conductivity of the piston between 30 W / m · K and 200 W / m · K lies. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Kolbenboden-Unterseite ausgebildete Gewölbefläche (12) unabhängig von der Flächengestaltung der Kolbenboden-Oberseite ist.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that formed on the piston bottom bottom arch surface ( 12 ) is independent of the surface design of the piston crown top. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenboden-Unterseite eine Kuppelfläche in Form einer Teilkugelfläche bildet.Piston according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the piston bottom bottom a dome surface in shape a partial spherical surface forms. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenboden-Unterseite eine Torusfläche bildet, deren Achse parallel zur Achse (53) der Nabenbohrung (5) verläuft.Piston according to one of claims 1 to 12, characterized in that the bottom of the piston bottom forms a torus surface whose axis is parallel to the axis ( 53 ) of the hub bore ( 5 ) runs. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenboden-Unterseite angenähert eine Kreiszylinderfläche (12) bildet, deren Achse parallel zur Achse (53) der Nabenbohrung (5) verläuft.Piston according to one of claims 1 to 12, characterized in that the piston crown bottom approximated a circular cylindrical surface ( 12 ) whose axis is parallel to the axis ( 53 ) of the hub bore ( 5 ) runs. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenboden-Unterseite (112) eine Teilfläche eines Zylinders mit elliptischem Querschnitt bildet, dessen Achse rechtwinklig zu der Kolbenachse (114) und parallel zu der Achse (153) der Nabenbohrung (105) liegt.Piston according to one of claims 1 to 12, characterized in that the piston bottom ( 112 ) forms a partial surface of a cylinder with an elliptical cross section whose axis is perpendicular to the piston axis ( 114 ) and parallel to the axis ( 153 ) of the hub bore ( 105 ) lies. Kolben nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Zylinders mit der Achse (153) der Nabenbohrung (105) zusammenfällt und die große Hauptachse (115) des elliptischen Querschnitts rechtwinklig zu der Kolbenachse (114) und zu der Achse (153) der Nabenbohrung liegt.Piston according to claim 15, characterized in that the axis of the cylinder with the axis ( 153 ) of the hub bore ( 105 ) and the major axis ( 115 ) of the elliptical cross-section perpendicular to the piston axis ( 114 ) and to the axis ( 153 ) of the hub bore is located. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenboden-Unterseite (112) eine Teilfläche eines Rotationsellipsoids bildet, dessen große Hauptachse (115) rechtwinklig zu der Kolbenachse (114) liegt und dessen Rotationsachse mit der Kolbenachse (114) zusammenfällt.Piston according to one of claims 1 to 12, characterized in that the piston bottom ( 112 ) forms a partial surface of an ellipsoid of revolution whose major axis ( 115 ) at right angles to the piston axis ( 114 ) and its axis of rotation with the piston axis ( 114 ) coincides. Kolben nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die große Hauptachse (115) des Rotationsellipsoids den Schnittpunkt (M) zwischen der Kolbenachse (114) und der Achse (153) der Nabenbohrung (105) enthält.Piston according to claim 17, characterized in that the major axis ( 115 ) of the ellipsoid of revolution the point of intersection (M) between the piston axis ( 114 ) and the axis ( 153 ) of the hub bore ( 105 ) contains. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenboden-Unterseite eine Teilfläche eines Rotationsellipsoids bildet, dessen große Hauptachse (115) rechtwinklig zu der Kolbenachse (114) und zu der Achse (153) der Nabenbohrung (105) liegt und die Rotationsachse bildet.Piston according to one of claims 1 to 12, characterized in that the piston bottom underside forms a partial surface of an ellipsoid of revolution whose major axis ( 115 ) at right angles to the piston axis ( 114 ) and to the axis ( 153 ) of the hub bore ( 105 ) and forms the axis of rotation. Kolben nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse den Schnittpunkt (M) zwischen der Kolbenachse (114) und der Achse (153) der Nabenbohrung (105) enthält.Piston according to Claim 19, characterized in that the axis of rotation intersects the point of intersection (M) between the piston axis ( 114 ) and the axis ( 153 ) of the hub bore ( 105 ) contains. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Kolbenboden-Unterseite tangential in die einander zugewendeten ebenen Stirnflächen (55) der Nabenverdickungen (51) übergeht.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of the piston bottom underside tangentially in the mutually facing flat end faces ( 55 ) of the hub thickenings ( 51 ) passes over. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Kolbenboden-Unterseite mit den einander zugewendeten ebenen Stirnflächen (55) der Nabenverdickungen (51) eine Verschneidung bildet und die Verschneidung gerundet ist.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of the piston bottom bottom with the mutually facing flat end faces ( 55 ) of the hub thickenings ( 51 ) forms an intersection and the intersection is rounded. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuersteg (2) eine kreiszylindrische Außenfläche hat.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the top land ( 2 ) has a circular cylindrical outer surface. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuersteg (2) eine Kreis-Kegelfläche als Außenfläche hat.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the top land ( 2 ) has a circular cone surface as the outer surface. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllfläche der Außenflächen des Ringabschnitts (3) bei Kolbendurchmessern bis zu 150 mm eine Kreiszylinderfläche ist.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the envelope surface of the outer surfaces of the annular portion ( 3 ) is a circular cylindrical surface with piston diameters up to 150 mm. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (41) des Kolbenschafts (4) bis zu dem Ringabschnitt eine sich nach oben verjüngende Kegelfläche mit weitgehend geradliniger Kontur ist.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the lateral surface ( 41 ) of the piston shaft ( 4 ) up to the ring portion an upwardly tapering conical surface with a largely rectilinear contour. Kolben nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelfläche im Querschnitt oval ist derart, dass der Durchmesser in einer Richtung quer zur Nabenbohrungsachse (53) um 0,04-0,09 % größer als in einer Richtung in der Nabenbohrungsachse ist.Piston according to claim 26, characterized in that the conical surface is oval in cross-section such that the diameter in a direction transverse to the hub bore axis ( 53 ) is 0.04-0.09% larger than in one direction in the hub bore axis. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Nutflanke einer Nut (31) zur Aufnahme eines Ölabstreifrings in dem Ringabschnitt (3) mindestens an einer Seite der einander gegenüberliegenden Nabenöffnungen (5) eine Ablauföffnung (32) aufweist, die in eine Öltasche (33) in der Mantelfläche (41) des Kolbenschafts (4) mündet.Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the lower groove flank of a groove ( 31 ) for receiving an oil scraper ring in the ring section ( 3 ) at least on one side of the opposite hub openings ( 5 ) a drain opening ( 32 ), which are in an oil bag ( 33 ) in the lateral surface ( 41 ) of the piston shaft ( 4 ) opens. Kolben nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig neben jeder Nabenöffnung eine Ablauföffnung und eine Öltasche vorgesehen sind.Piston according to claim 26, characterized that on both sides next to each hub opening a drain opening and an oil bag are provided. Kolben nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Öltaschen bogenförmig um die Nabenöffnung (5) herum verlaufen oder als Fläche geradlinig senkrecht oder schräg nach unten hin.Piston according to claim 28 or 29, characterized in that the oil pockets arcuately around the hub opening ( 5 ) or as an area rectilinearly vertical or obliquely downwards. Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder eine Lauffläche aus Grauguss aufweist und das Einbauspiel des Kolbens im kalten Zustand 0,015-0,065 % des Kolbendurchmessers beträgt. 32 Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder eine Lauffläche aus Leichtmetall aufweist und das Einbauspiel des Kolbens im kalten Zustand 0,010 bis 0,035 % des Kolbendurchmessers beträgt.Piston / cylinder mating using a piston according to one of the claims 1 to 30, characterized in that the cylinder is a tread Cast iron and the installation play of the piston in the cold state 0.015-0.065% of the piston diameter. 32 piston / cylinder pairing using a piston according to any one of claims 1 to 30, characterized in that the cylinder is a tread Having light metal and the installation play of the piston in the cold State 0.010 to 0.035% of the piston diameter. Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder eine keramische Lauffläche aufweist und das Einbauspiel des Kolbens im kalten Zustand 0,010 bis 0,035 % des Kolbendurchmessers beträgt.Piston / cylinder mating using a piston according to one of the claims 1 to 30, characterized in that the cylinder is a ceramic tread and the installation play of the piston in the cold state 0.010 to 0.035% of the piston diameter. Kolben/Zylinder-Paarung nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kolben mit Ovalität das Einbauspiel quer zur Kolbenbolzenachse festgelegt ist.Piston / cylinder pairing according to one of claims 31 to 33, characterized in that in a piston with ovality the installation clearance is defined transversely to the piston pin axis. Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetall-Lauffläche eine Beschichtung mit Nickel mit einem hohen Anteil von Siliziumcarbid oder eine keramische Beschichtung aufweist.Piston / cylinder pairing according to claim 32, characterized characterized in that the light metal tread has a nickel coating having a high content of silicon carbide or a ceramic coating. Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetall-Lauffläche durch eine Zylinderbüchse aus einem Leichtmetall/Keramik-Verbund gebildet ist.Piston / cylinder pairing according to claim 32, characterized characterized in that the light metal tread is characterized by a cylinder liner a light metal / ceramic composite is formed. Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche durch eine Zylinderbüchse aus Grauguss oder einer Grauguss-Legierung gebildet ist.Piston / cylinder pairing according to claim 32, characterized characterized in that the tread through a cylinder liner made of gray cast iron or a gray cast iron alloy. Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderbüchse aus Stahl oder einer Stahllegierung gebildet ist.Piston / cylinder pairing according to claim 32, characterized in that the cylinder liner is made of steel or a steel alloy is formed.
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