CN101389848A

CN101389848A - 用于内燃机的碳素活塞

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Publication number: CN101389848A
Application number: CNA2007800004617A
Authority: CN
Inventors: 丹尼斯·天林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-01-17
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2009-03-18
Also published as: WO2008092294A1

Abstract

一种内燃机活塞，尤其涉及一种由碳素制成的内燃机活塞及上述碳素活塞与不同材料制成的气缸的不同配对。本发明的活塞具有一个活塞顶(1)，一个在活塞顶上沿轴向连接的火力岸(2)，一个环岸(3)和一个设置一个用于容纳活塞销的销孔(5)的活塞裙(4)，其中裙壁(42)在裙内侧面上置有为了构成所述销孔(5)而彼此相反对置的销座(51)，并与活塞顶－底侧面(12)以倒圆光滑连接，同时所述活塞顶－底侧面在所述销座(51)之间的区域中构成一个拱形表面(12)，并且所述拱形表面(12)至少在所述销孔(5)的上边区域中连接到所述销座上，所述碳素基质经过一种轻金属或轻金属合金渗透处理。

Description

用于内燃机的碳素活塞技术领域

本发明涉及一种内燃机活塞，尤其涉及一种由碳素制成的内燃机活塞及上述碳素活塞与不同材料制成的气缸的不同配对。背景技术

随着对现代汽车发动机（汽油机）及柴油发动机要求的提高，需要采用具有较小质量和较小结构体积的活塞。对此已经出现了一种由改性的碳素（Kohlenstoff)构成的碳素活塞（ Kohlenstoffkolben )，例如或者由具有确定最小抗弯强度的压缩石墨 (Pressgraphit) 硬化动力燃煤（Hartbrandkohle) (EP-258330A1 ), 或者由一种石墨构成的这类活塞，石墨是由一种无结合剂的碳素、即一个所谓的中间相制成。该中间相为一种原材料，其作为碳氢化合物的液相 -热解的中间产物，最好是由碳基及来自石油的沥青所衍生，并由聚芳酰胺（Polyaromaten)构成。由这种聚芳酰胺通过碳化和石墨化所产生的粒子尺寸在微米范围内的中间相球粒，即是原材料颗粒。

与活塞材料铝相比，该碳素活塞具有较小的热膨胀系数，这大大降低了活塞和气缸运行表面之间的间隙。另外，由于碳素的油吸纳性，并且不易于被卡住（参见 EP258330A1 ), 碳素作为活塞材料有很好的自润滑特性和冷态运行特性。

EP1042601B1公开了一种用于内燃机的碳素活塞，其特点是一个与材料相匹配的造型结构，其中活塞顶-底侧面在销座之间的区域中构成一个拱形表面。

但是尽管如此，至今还没有能够符合 PKW (轿车)、 LKW (货车)、两轮机动车和设备所要求的髙使用寿命的系列碳素活塞。另外，由于碳素和材料铝相比热传导性较差，在运行时碳素活塞中产生的温度场可能与铝活塞中的显著不同。另外还有以下问题：碳和铝的热膨胀系数不同；传统的碳素材料的弯曲断裂强度远比铝的低。发明内容

本发明的目的是提供一种内燃机用的碳素活塞，具有较髙的使用寿命，可以替代已成系列的铝活塞、特别是用于轿车和货车的活塞，并且同时具有碳素活塞的优点和轻金属活塞的优点。

实现本发明目的的技术方案是：

—种由碳素构成的、用于内燃机、特别是适用于 PKW、 LKW、两轮机动车和设备的活塞，具有一个活塞顶，一个在活塞顶上沿轴向连接的火力岸，一个环岸和一个设置有一个用于容纳活塞销的销孔的活塞裙，其中裙壁在裙内侧面上置有为了构成所述销孔而彼此相反对置的销座，并与活塞顶 -底侧面以倒圆光滑连接，同时所述活塞顶-底侧面在所述销座之间的区域中构成一个拱形表面，并且所述拱形表面至少在销孔的上边区域中连接到销座上，其中规定，所述碳素基质经过一种轻金属或轻金属合金渗透处理。

所述碳素基质经过一种轻金属或轻金属合金渗透处理后，使本发明的碳素活塞成为一种复合材料，从而同时具有碳素活塞和轻金属活塞的优点。其方法是将一个碳素活塞通过气压渗透或压铸渗透方法进行轻金属渗透。在上述两个方法中，碳素活塞被加热到所述轻金属的熔化温度以上，然后使液态的轻金属在压力下被挤压到碳素基质的小孔中。

在一个优选的方案中，所述碳素基质为细粒石墨。由中间相和沥青粘合剂的混合物组成的细粒石墨的颗粒尺寸最好是 1-5 μ ιη，该材料特别适合于作为冲程式活塞发动机活塞的高效能材料。因此本发明的碳素活塞为由一种用轻金属渗透处理改性的中间相构成的碳素活塞。通过用轻金属渗透处理，细粒石墨的弯曲断裂强度可被提高 120%。活塞坯件的弯曲断裂强度在渗透处理后最好是提高到 170-220MPa，以承受如柴油发动机中可能出现的较高的尖峰压力。

在另一个优选的方案中，所述活塞中的所述轻金属或轻金属合金的体积百分比含量为 5%-50%。通过改变轻金属或轻金属合金的体积百分比含量可以调整如弯曲断裂强度、热膨胀系数、热传导系数等材料参数。

在另一个优选的方案中，所述活塞中的所述轻金属或轻金属合金的体积百分比含量为 5%-30%。

另外可以规定，所述轻金属或轻金属合金为铝或铝合金。通过应用铝或一种铝合金就获得与铝制发动机气缸非常良好的适配性。

此外可以规定，所述轻金属或轻金属合金为镁或镁合金。通过应用铝或一种铝合金就获得与铝制发动机气缸非常良好的适配性，镁合金制发动机气缸具有非常好的的单位功率重量。

另外的优选方案中可以对碳素基质作如下规定- 可以规定，在碳素基质中开口的小孔尺寸至少有 68%为 0.6 μ ιη—1.0 μ ιη，其中最小的小孔尺寸为 0.3 μ ηι。

在另一个优选的方案中，碳素基质中的绝大多数小孔的孔尺寸在 0.4 μ m和 0.8 μ m 之间。

可以规定，活塞材料的弹性模量为 12GPa-30GPa，弯曲断裂强度为 120MPa-220MPa。具有上述材料参数的活塞材料，即能实现将本发明碳素活塞或细粒石墨活塞应用在具有高度可靠性和最高耐热性要求的持久运行中。传统的铝活塞在热力负荷等于或大于 50% 时将丧失弯曲断裂强度，而由细粒石墨制的经过渗透处理的活塞能够在整个运行温度范围内保持稳定的强度水平。

另外可以规定，所述活塞的密度为 1.8g/cm³— 2.4 g/cm³。

所述活塞的热传导系数为 30W/m.K— 200W/m.K。所述活塞材料的热传导系数与气缸的热传导系数和 /或曲轴壳体的热传导系数能够很好的匹配，并且可以最优化设置。

可以规定，所述在活塞顶-底侧面上构成的拱形表面与活塞顶-上侧面的表面造型无关。所述活塞顶-底侧面构成一个部分球面形式的拱顶面。

另外的优选方案中可以对活塞顶 -底侧面的结构造型作如下规定：

所述活塞顶 -底侧面构成一个环曲面，所述环曲面的轴线平行于销孔的轴线的延伸线。所述活塞顶-底侧面近似地构成一个圆柱表面，所述圆柱表面的轴线平行于销孔的轴线的延伸线。

所述活塞顶 -底侧面构成一个具有橢圆横截面的柱体的部分表面，所述柱体的轴线处于相对活塞轴线成直角的位置并且平行于销孔的轴线。 .

所述柱体的轴线与销孔的轴线重合，并且所述橢圆横截面的大主轴处于和活塞轴线及销孔的轴线成直角的位置。

所述活塞顶-底侧面构成一个回转橢圆体的部分表面，所述回转橢圆体的大主轴处于和活塞轴线成直角的位置并且其回转轴与活塞轴线重合。

所述回转橢圆体的大主轴经过活塞轴线和销孔的轴线的交点 M。

所述活塞顶-底侧面构成一个回转橢圆体的部分表面，所述回转橢圆体的大主轴处于和活塞轴线及销孔的轴线成直角的位置并构成回转轴。

所述回转轴经过活塞轴线和销孔的轴线的交点 M。

所述活塞顶 -底侧面的表面通过切线过度到销座的彼此面对的平端面中。

所述活塞顶 -底侧面的表面与销座的彼此面对的平端面构成一个被倒圆的棱角。所述火力岸的外表面为圆柱面。

所述火力岸的外表面为圆锥面。

所述环岸的外表面的包络面在活塞直径大于或等于 150mm时为圆柱面。

所述活塞裙到环岸的外周面为一个具有接近直线轮廓的向上收敛的锥体表面。所述锥体表面的横截面为一橢圆，所述椭圆在横向于销孔轴线方向上的直径比在销孔轴线方向上大 0.04-0.09%。在所述环岸中一个用于接纳刮油环的沟槽的下边的槽侧壁至少在彼此相反对置的销孔的一个侧面上具有一个排放口，所述排放口通入到一个位于活塞裙外周表面中的油袋中。

在每个销孔的两侧附近设置一个排放口和一个油袋。

所述油袋以弯弧状围绕销孔（5)延伸，或作为直线表面垂直向下延伸或倾斜向下延伸。

本发明的碳素活塞也可以和不同的气缸运行表面进行组合配置。活塞在常温状态下的装入间隙取决于气缸运行表面的材料。该间隙在应用陶瓷制气缸运行表面时较小，但在由铝、灰铸铁或钢制的金属气缸运行表面中较大。但是可以由气缸运行表面不同的热膨胀系数来部分平衡。

作为用于碳素活塞的碳素基质的原始材^ "可以如上述的一种改性的碳素或由中间相构成的碳素，其弯曲断裂强度为 65MPa- 160MPa，例如由一种细粒石墨构成，其由一种无粘合剂的碳素，一个所谓的中间相制成并且含有相匹配的沥青粘合剂。该中间相为一种原材料，其作为碳氢化合物的液相 -热解的中间产物，最好是由碳基及来自石油的沥青所衍生，并由聚芳酰胺构成。由这种聚芳酰胺通过碳化和石墨化所产生的粒子尺寸在微米范围内的中间相球粒，即是原材料颗粒。通过将中间相与沥青粘合剂混合就制成一种具有颗粒尺寸为 1-10 μ πι的细粒石墨，其最终状态为具有敞口的多孔性。本发明的积极效果是：（1 )本发明的内燃机活塞由于采用了碳素材料制造，因而热膨胀较小，在活塞使用过程中会大大减小活塞与气缸表面间的间隙，从而提高了活塞的使用性能。并且由于碳素所具有的油吸纳性、自润滑特性和冷态运行特性，使得碳素活塞在使用过程中与气缸的摩擦更小，不易于被卡住。（2)本发明的内燃机活塞由于在碳素材料中渗透了金属材料，尤其是轻金属材料，使得本发明的碳素活塞具有较高的弯曲断裂强度，并且可以通过调整本发明的碳素活塞中金属的含量，从而能够获得理想的热膨胀系数、热传导系数等材料参数，以与不同材料的气缸相匹配。因此，本发明的内燃机活塞同时具有碳素活塞的优点和金属活塞的优点，具有高使用性能和髙使用寿命。（3) 本发明的内燃机活塞的结构设计及与不同气缸的配对，使得本发明的活塞可以满足内燃机，特别是轿车、货车、两轮机动车和其他同类设备的要求。附图的简要说明

图 1是本发明的活塞沿图 3中剖示线 Ι-Ι的一个周部剖面图及带有活塞外表面的局部视图，图 2是本发明的活塞沿图 3中咅！！ Π-Π的一个局部剖面图及带有活塞外表面的局部视图，图 3是本发明的活塞沿图 1中剖示线 ΙΠ-ΠΙ的截面图，

图 4是本发明的活塞的另一实施例的轴向剖面图，

图 5是本发明的活塞的另一实施例的对应于图 2的剖面图，

图 6是本发明的活塞的另一实施例的类似图 4的轴向剖面图，

图 7是图 6所示的活塞沿图 6中箭头 VII方向的局部视图，

图 8是本发明的碳素活塞的轮廓和其相对气缸运行表面的间隙的图解示意图。本发明的最佳实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，但不局限于此。

如图 1-3所示，用于柴油发动机的活塞包括一个活塞顶 1，一个活塞环火力岸 2，一个环岸 3和一个活塞裙 4。在所述活塞顶 1的上侧面上设置一个盆凹（槽） 11。在所述活塞裙 4的外周表面 41上幵设有用于在直径上相反设置的活塞销（图中未示）的销孔 5，所述销孔 5设置在活塞裙 4的内壁 42的销座 51中。在销孔 5的外端部上设有一个用于设置安全环（图中未示）的沟槽 52，所述安全环用于锁定所述活塞销。销孔 5 具有一个横向延伸的与活塞销轴线一致的轴线 53。

活塞由一种碳素基质构成，在其小孔中被渗入了铝。在本实施例中碳素为细粒石墨。该活塞为将铝通过压铸渗透方法渗入到一种多孔的碳素活塞中。为此，碳素活塞被加热到高于铝的熔点的温度，然后置于压铸设备的铸模中。将该铸模闭合，液态的铝被充注到铸腔中，并且通过一个挤压活塞被挤压到碳素活塞的小孔中。当然，也可以通过气压渗透的方法实现，即将铝置于真空状态下，然后通过高压气体（例如氮气）挤压到碳素活塞的小孔中。

上述用铝渗透后的碳素活塞具有如下的参数，其中细粒石墨采用的材料为 FU4617 (Fa, Schunk):

-在活塞中的铝的体积百分比含量： 19%;

-碳素基质的平均小孔尺寸（渗透之前）： 0.35 m_;

-活塞的弹性模量（Youngs (杨氏）模量）： 22GPa_;

-弯曲断裂强度： 182MPa;

-活塞的密度： 2.2g/cm³;

-活塞的热传导系数： 92W/m.K_;

-膨胀系数： 8.8X 10_⁶/K; 作为最佳实施例的用于渗透铝的细粒石墨，应具有如下优选的物理参数-

-弯曲断裂强度： 180-220MPa;

-杨氏模量： 18-24GPa;

-密度： 2.0-2.25g/cm³;

-热传导系数： 90-140W/mK：。

在环岸 3中用于设置活塞环（图中未示）的三个环形沟槽 31，其中最下边的环槽用于容纳一个刮油环。所述槽的槽底分别被设置为倒圆的结构，以避免造成应力集中。在用于所述刮油环的环槽 31的下边的槽侧壁上，沿活塞的圆周方向上在销孔 5旁设置一个排放口 32，所述排放口 32通入到活塞裙 4外周表面的一个浅平油袋 33中。所述油袋 33在油排放口 32的附近有一个包围销孔 5的弧形加厚 54,所述弧形加厚 54深度为 3mm，并且其深度在下边端部处逐渐减小，直至在外周表面 41处消失。该油袋也可以被设置为垂直面的结构。

如在图 2中所示，活塞顶 1的底侧面 12具有一个拱形的表面，在本实施例中是近似于一个圆柱表面，其圆柱轴线（图中未示）与活塞轴线垂直相交。也就是说，活塞顶 1的底表面 12是由垂直于图 2的图平面的直线构成，并且通过倒圆过度到销座 51的彼此相反对置的端侧面 55中（图 1 )。在两个相反对置的销座 51之间，该活塞顶-底表面 12以圆柱体半径方向延伸，并且通过一个半径较小的倒圆连接到活塞裙 4的内壁 42上。上述过度结构的延伸超出了该环岸 3下边的端部，在环岸 3上与活塞裙 4连接。

活塞顶 1的直径，也即活塞直径 D，在本实施例中为 86.835mm_; 活塞顶 1的厚度从火力岸 2的上边缘起在活塞顶的底表面 12的顶点处为 22mm (不考虑盆凹 11 )。活塞从火力岸 2的上边缘到下边裙边缘 44的整个髙度是 76.3mm，其中，活塞裙 4具有一个 7.5mm的壳厚度。由此得到活塞顶厚度为 0.25D, 也就是说，得到一个比例，这个比例对于这种尺寸的柴油发动机活塞来说明显地大于一个铝活塞或灰铸铁活塞的相应数值。

如图 4所示为一用于直喷柴油发动机的碳素活塞的纵剖图，所述碳素活塞设有一个燃烧室盆凹 11。如图所示，该活塞顶的底表面 12'呈现为一个拱形表面，本实施例与图 1-3中所示实施例的差别在于：该活塞顶的底表面 12'不是一个到活塞内壁一直连续的圆柱表面，而是由在相对活塞销轴线的侧向上的三个圆柱表面组合构成。因此这个表面的大部分 a具有一个半径 Ra，其中心点 A位于活塞轴线 14上。两个彼此相反对置的表面分段 b相对这个位于活塞销轴线上的活塞中央平面对称，并且半径为 Rb，其中心点 B 位于一个与活塞销轴线相交的横轴上。可以理解，该表面分段 b分别在垂直于图 4的图平面方向上的延伸长度比该中央的表面分段 a短，因为它们必须以一个过度半径延伸到活塞裙的内壁中。

在火力岸 2'的区域中，图 4的活塞的直径为 68.87mm。半径 Ra及 Rb相应分别为 41及 12

按照图 5所示实施例的活塞在尺寸和结构方面与图 4所示的活塞相似。它们与图 1-3 所示的实施例的不同之处在于：除了环槽 31 '下边槽侧壁中的排放口 32'以外设置多个导引到活塞内部的排放孔 35。所述排放孔有助于通过外部油袋 33'进行排油。

图 6与 7所示的活塞与图 4中所示的活塞类似，在活塞顶的上侧面上具有一个燃烧室盆凹，也是用于一个直喷柴油发动机。但是下面的阐述与活塞顶的上侧面结构是无关的，因此下面的阐述也适用于上侧面为平面的情况。与图 4所示实施例的不同之处在于，该活塞顶-底表面 112构成一个回转橢圆体的部分表面，其回转轴线 113与活塞轴线 114 重合。回转橢圆体的大主轴 115是与活塞轴 114成直角延伸的，并同时也与销孔 105的轴线 153 (如图 7)成直角延伸，所述轴线（153) 同时即是活塞销（图中未示）的销轴线。此外，在本实施例中的大主轴 115与销孔 5的轴线 153同时与活塞轴线 114相交。因此，回转橢圆体的中心点 M与活塞轴线 114和轴线 153的交点相重合，并且构成活塞顶-底表面 112的部分表面与回转橢圆体的半个球形表面在很大程度上是一致的。

对于实际情况，上述回转橢圆体的部分表面可以近似为一个具有半径 R'a的球拱，在该球拱上及大主轴 115的两个端部上分别连接一个半径为 R'b的半球拱表面。半径 R'a 的中心点 A，位于活塞轴线 114上；半径 R'b的中心点 B'分别位于大主轴线 115上。半径 R'a基本上决定了该活塞顶-底侧面 112的表面曲线，可以按照公式：

R'a=rimin+d/2计算。

ri表示中点 M到活塞顶-底侧面 112的间距，因此 rimin即是中心点 M到活塞顶-底侧面的最小间距，需要沿着活塞轴线 114测出。 d表示活塞裙 104的内壁 142在大主轴线 115的髙度，此时等同于在销孔 105的轴线 153高度上的直径。

根据上述所给出的通过 0.12D至 0.30D (D-活塞额定直径）来确定活塞顶厚度的尺寸范围及通过 0.05D-0.075D来确定裙壁厚度 S的尺寸范围，可以分别确定中心点 A'在活塞轴线 114上的位置及中心点 B，在主轴 115上的位置。其中在确定活塞顶厚度的尺寸时必须注意，位于该拱形活塞顶 -底侧面上方的环岸 103最下边的环槽与该拱形活塞顶- 底侧面的距离要足够大，以免由于在这个位置上的横截面减小而影响受力及热流。上述部分球面之间的过度必须圆滑，实施例中是通过向一个回转橢圆体表面的过度表面来实现。在这个实施例中，活塞顶-底表面 112在销孔 105轴线 153的方向上延伸的距离要小于在所述轴线 153垂直方向上的延伸距离，因为在销座 151的区域中必须考虑到，还要设置足够的自由通道以用于连杆孔。上述到销座 151的过度均需要倒圆。用于确定该活塞顶-底侧面 112的拱形表面的半径也可以通过 R'a= D来估计或确定，此处 K-0.5-0.75。

因此本发明的活塞，活塞顶的内部型廓与传统铝活塞的内部型廓明显地不同，在传统铝活塞中，该活塞顶基本上为平板形，并且仅仅在到火力岸的过度处及到载有活塞环环岸的过度处被倒圆。因此在计算承载较高（例如按图 6的活塞）的本发明碳素的活塞活塞顶强度时，该活塞顶的抗扭强度就可以根据空心比例为常数的中空橢圆体的抗扭强度近似地计算，其公式为：

W= π /32-CD ( 1- 4),

其中 α =c/C=d/D=ri/ra=常数.

在本实施例中 ramax=D/2。如图 6所示，作为这个计算基础的橢圆中空体用交叉阴影线标明。

本发明的活塞在用于相对小承载的、例如用于轿车发动机时，活塞顶厚度和裙壁厚 S都可以选择上述尺寸范围的下边界。在这种情况下，对于活塞顶抗扭强度的计算就可以采用具有常数壁厚的中空橢圆体抗扭强度的简化公式：

W (近似等号） 0.2sD (D+3C)。

上述对活塞顶-底侧面 112表面曲线的计算及对其抗扭强度的计算都可以转用到具有橢圆横截面的柱体的部分表面的活塞顶 -底表面上。所述柱体的轴线处于和活塞轴线 114呈直角的位置，并与销孔 105的轴线 153相重合，也就是说该柱体的母线垂直于图 6的图平面。所述柱体的橢圆横截面的大（长）主轴 115垂直于活塞轴线 114，并且也垂直于轴线 153 (对比图 6)。在这种情况下，在主轴 115的端点区域内，则需要过度表面在向（活塞）裙 104过度时尽可能延长到圆柱形内壁 142中。

在图 7中，通过由横向于活塞轴线 114的横截面产生的等高线 116只是定性地表示该过度表面。

在其它实施例中，当活塞顶 -底侧面由一个回转橢圆体的部分表面构成时，其轴向剖面则产生如图 6所示回转橢圆体相同的图形，但是该回转橢圆体的回转轴为大主轴 115。而且在这种情况下，回转橢圆体的中心点处于活塞轴线 114和销孔 105轴线 153 的相交点 M上。上述结构造型就在销座 151之间产生一个拱形表面，其只需通过一个微小的倒圆过渡到销座中，但却在大主轴 115的两个端部的区域中提供了较大的裙壁厚 104。在碳素活塞中，应尽量不用在铝活塞中经常应用的偏心配置（活塞销轴线相对活塞轴线具有移位配置）。伹即使是表明应用一个偏心配置，其偏心程度也比铝活塞的情况小。上述如图 4， 5和 6所示的实施例，均没有偏心配置。因此在图 6的实施例中其活塞顶 -底侧面是由一个回转橢圆体的部分表面构成，故其中心点 M也位于销孔的轴线上。但如果活塞配置有一个偏心结构的话，则中心点 M只位于活塞轴线中该销孔轴线的髙度上，'该销孔轴线与活塞轴线相交。

在所有上述实施例中，理论上在活塞的圆柱形内壁和构成该活塞顶-底侧面的拱形表面之间会产生一个相交边缘，在实践中通常借助过度倒圆或过度半径来避免。

图 8所示为一个本发明的具有直径 D=100mm的碳素活塞的结构形状曲线图，其中可看出火力岸 2，环岸 3和活塞裙 4的型廓以及其相对一个由灰铸铁构成的气缸运行表面的局部间隙。在上述参数尺寸的活塞中，也可以在由碳素制的实施例中设置一个橢圆度，其在销孔 5的区域中可以产生一个较大的间隙，并在相对销孔轴线 53侧向安置的区域中产生一个较小的间隙。但是上述数值都可以求出，间隙和橢圆度可以大约计为铝活塞相应数值的 0.3倍。

图中的含意是，以虚线表示的活塞裙型廓，从环岸 3的下边缘起始，以直线延伸到下边的裙边缘 44中，即不是如铝活塞所要求的鼓形，而是一个锥表面。此外可以看出，在所述碳素活塞中，由于较高的热负荷，该火力岸 2不是圆柱形而是具有一个锥形外表面，而且在它的区域中没有设置任何橢圆度。

在用碳素活塞的活塞 /气缸配对时，上述数值原则上比用铝活塞配对时相应地低。尽管如此，上述数值会根据气缸运行表面是由灰铸铁构成还是由另外的材料构成有所不同。因此，可以设置由铝，镁和类似材料制成的轻金属运行表面，并载有商标名为 Mkasil 和 Elnisil的一种具有高份额碳化硅的镍覆层。还可以设置纯粹陶瓷的覆层。最后也可以想到气缸套或气缸运行表面由复合材料制成，如由商标名为 Alusil, Lokasil, Silitec的金属 /陶瓷构成。在由上述与灰铸铁不同的材料设置气缸-运行表面时，活塞在冷状态中的装入间隙为活塞直径的 0.010-0.035%，上述数值在活塞具有橢圆度时是指在其横向于活塞销轴线的方向上确定的数值。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

权利要求书

1、一种用于内燃机，特别是用于轿车、货车、两轮机动车和设备的碳素活塞，包括一个活塞顶（1 ), 一个在活塞顶上沿轴向连接的火力岸（2)，一个环岸（3 )和一个设置一个用于容纳活塞销的销孔（5) 的活塞裙（4)，其中裙壁（42)在裙内侧面上置有为了构成所述销孔（5)而彼此相反对置的销座（51 )，并与活塞顶-底侧面（12) 以倒圆光滑连接，同时所述活塞顶 -底侧面在所述销座（51 )之间的区域中构成一个拱形表面（12)，并且所述拱形表面（12)至少在所述销孔（5) 的上边区域中连接到所述销座上，其特征在于：所述碳素基质经过一种轻金属或轻金属合金渗透处理。

2、如权利要求所述 1的碳素活塞，其特征在于：所述碳素基质为细粒石墨。

3、如权利要求所述 1或 2的碳素活塞，其特征在于：所述活塞中的所述轻金属或轻金属合金的体积百分比含量为 5%-50%。

4、如权利要求所述 3的碳素活塞，其特征在于：所述活塞中的所述轻金属或轻金属合金的体积百分比含量为 5%-30%。

5、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：所述轻金属或轻金属合金为铝或铝合金。

6、如权利要求所述 1-4之一的碳素活塞，其特征在于：所述轻金属或轻金属合金为镁或镁合金。

7、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：在碳素基质中开口的小孔尺寸至少有 68%为 0.6 μ πι— 1.0 μ ιη，其中最小的小孔尺寸为 0.3 μ πι。

8、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：所述活塞材料的弹性模量为 12GPa-30GPa, 弯曲断裂强度为 120MPa-220MPa。

9、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：所述活塞的密度为 1.8g/cm³— 2.4 g/cm³。

10、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：所述活塞的热传导系数为 30W/m.K— 200W/m.K。

11、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：所述在活塞顶-底侧面上构成的拱形表面与活塞顶 -上侧面的表面造型无关。

12、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：所述活塞顶-底侧面构成一个部分球面形式的拱顶面。

13、如权利要求所述 1-12之一的碳素活塞，其特征在于：所述活塞顶 -底侧面构成一个环曲面，所述环曲面的轴线平行于销孔（5) 的轴线（53 ) 的延伸线。 14、如权利要求所述 1-12之一的碳素活塞，其特征在于：所述活塞顶 -底侧面近似地构成一个圆柱表面（12)，所述圆柱表面（12) 的轴线平行于销孔（5) 的轴线（53) 的延伸线。

15、如权利要求所述 1-12之一的碳素活塞，其特征在于：所述活塞顶-底侧面（112) 构成一个具有橢圆横截面的柱体的部分表面，所述柱体的轴线处于相对活塞轴线（114) 成直角的位置并且平行于销孔（105) 的轴线（153)。

16、如权利要求所述 15的碳素活塞，其特征在于：所述柱体的轴线与销孔（105) 的轴线（153)重合，并且所述橢圆横截面的大主轴（115) 处于和活塞轴线（114)及销孔的轴线（153 )成直角的位置。

17、如权利要求所述 1-12之一的碳素活塞，其特征在于：所述活塞顶-底侧面（112) 构成一个回转橢圆体的部分表面，所述回转橢圆体的大主轴（115)处于和活塞轴线（114) 成直角的位置并且其回转轴与活塞轴线（114)重合。

18、如权利要求所述 17的碳素活塞，其特征在于：所述回转橢圆体的大主轴（115) 经过活塞轴线（114)和销孔（105) 的轴线（153) 的交点 M。

19、如权利要求所述 1-12之一的碳素活塞，其特征在于：所述活塞顶 -底侧面构成一个回转橢圆体的部分表面，所述回转橢圆体的大主轴（115) 处于和活塞轴线（114) 及销孔（105) 的轴线（153)成直角的位置并构成回转轴。

20、如权利要求所述 19的碳素活塞，其特征在于：所述回转轴经过活塞轴线（114) 和销孔 ( 105) 的轴线 ( 153) 的交点 M。

21、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：所述活塞顶-底侧面的表面通过切线过度到销座（51 ) 的彼此面对的平端面（55) 中。

22、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：所述活塞顶-底侧面的表面与销座（51 ) 的彼此面对的平端面（55)构成一个被倒圆的棱角。

23、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：所述火力岸（2) 的外表面为圆柱面。

24、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：所述火力岸（2) 的外表面为圆锥面。

25、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：所述环岸（3 ) 的外表面的包络面在活塞直径大于或等于 150mm时为圆柱面。

26、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：所述活塞裙（4) 到环岸的外周面（41 ) 为一个具有接近直线轮廓的向上收敛的锥体表面。 27、如权利要求 26所述的碳素活塞，其特征在于：所述锥体表面的横截面为一橢圆，所述椭圆在横向于销孔轴线（53)方向上的直径比在销孔轴线方向上大 0.04-0.09%。

28、如前述权利要求之一的碳素活塞，其特征在于：在所述环岸（3) 中一个用于接纳刮油环的沟槽（31 ) 的下边的槽侧壁至少在彼此相反对置的销孔（5) 的一个侧面上具有一个排放口（32),所述排放口通入到一个位于活塞裙（4)外周表面中的油袋（33 ) 中。

29、如权利要求 26所述的碳素活塞，其特征在于：在每个销孔的两侧附近设置一个排放口和一个油袋。

30、如权利要求 28或 29所述的碳素活塞，其特征在于：所述油袋以弯弧状围绕销孔（5)延伸，或作为直线表面垂直向下延伸或倾斜向下延伸。

31、应用权利要求 1-30之一所述的碳素活塞组成的活塞 /气缸-配对，其特征在于：所述气缸具有一个由灰铸铁构成的运行表面，并且所述活塞在冷状态中的装入间隙为活塞直径的 0.015-0.065%。

32、应用权利要求 1-30之一所述的碳素活塞组成的活塞 /气缸-配对，其特征在于：所述气缸具有一个由轻金属构成的运行表面，并且所述活塞在冷状态中的装入间隙为活塞直径的 0.010-0.035%。

33、应用权利要求 1-30之一所述的碳素活塞组成的活塞 /气缸-配对，其特征在于：所述气缸具有一个陶瓷的运行表面，并且所述活塞在冷状态中的装入间隙为活塞直径的 0.010-0.035%。

34、如权利要求 31-33之一所述的活塞 /气缸-配对，其特征在于：在一个具有橢圆度的活塞中，所述装入间隙为横向于活塞销轴线方向上的间隙。

35、如权利要求 32所述的活塞 /气缸-配对，其特征在于：所述轻金属运行表面具有含有髙份额碳化硅的镍覆层或具有陶瓷覆层。

36、如权利要求 32所述的活塞 /气缸-配对，其特征在于：所述轻金属运行表面包括一个由轻金属 /陶瓷复合物构成的气缸套。

37、如权利要求 32所述的活塞 /气缸-配对，其特征在于：所述运行表面包括一个由灰铸铁或由灰祷铁合金制的气缸套。

38、如权利要求 32所述的活塞 /气缸-配对，其特征在于：所述气缸套由钢或钢合金构成。