DE102004018712B4

DE102004018712B4 - Piston for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102004018712B4
Application number: DE200410018712
Authority: DE
Inventors: Richard Knoblauch
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2004-04-17
Filing date: 2004-04-17
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2024-04-18
Also published as: DE102004018712A1

Abstract

Dieser Kolben ist für eine Brennkraftmaschine der Hubkolbengattung geeignet, der einen Kolbenboden, einen Kolbenschaft sowie eine Kolbenbolzenlagerung umfasst. Um einen Kolben dieser Bauart bezüglich Gewicht und Festigkeit zu optimieren bestehen der Kolbenboden, der Kolbenschaft und die Kolbenbolzenlagerung aus Keramik, die durch Zusammenfügen den Kolben bilden.This piston is suitable for an internal combustion engine of Hubkolbengattung comprising a piston crown, a piston skirt and a piston pin bearing. To optimize a piston of this type in terms of weight and strength of the piston head, the piston skirt and the piston pin bearing made of ceramic, which form the piston by joining.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a piston for an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.

Es ist ein Kolben bekannt, DE 40 16 723 A1 , der mehrteilig ist und einen Kolbenschaft, einen Kolbenboden und eine Pleuellagerung umfasst. Im Bereich des Kolbenbodens ist an den Kolbenschaft eine Ringpartie angeschlossen, die mit einem Feuersteg und Verdichtungsringnute versehen ist.It's a piston known DE 40 16 723 A1 , which is multi-part and includes a piston skirt, a piston crown and a conrod bearing. In the region of the piston crown, a ring section is connected to the piston skirt, which is provided with a top land and Verdichtungsringnute.

Die DE 199 54 334 A1 befasst sich mit einem Kolben für Verbrennungsmotoren, der aus Metall, vorzugsweise Stahl besteht. Unterhalb eines Kolbenbodens des Kolbens ist eine Bolzennabe vorgesehen, die aus einem Stück mit einer Kolbenstruktur hergestellt ist. Die Bolzennabe ist von einem Schaft umgeben, der bereichsweise ausgespart ist, wobei in entsprechende Ausnehmungen des Schafts Gleitelemente aus Kohlenstoff eingesetzt sind.The DE 199 54 334 A1 deals with a piston for internal combustion engines, which consists of metal, preferably steel. Below a piston crown of the piston, a pin boss is provided, which is made in one piece with a piston structure. The pin boss is surrounded by a shank which is partially recessed, wherein in corresponding recesses of the shaft sliding elements made of carbon are used.

In der DE 37 41 689 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen als Verbundkörper beschrieben, die aus nach dem Formvorgang gebranntem, keramischem Material und einer in diesem eingebetteten Armierung mit gegenüber dem keramischen Material erhöhter Festigkeit bestehen. Die Armierung ist als in sich steifes, räumliches Traggerüst ausgebildet, das vor der Füllung des Formhohlraums mit keramischem Material in der Form positioniert, verankert und gelagert wird. Darüber hinaus weist das Traggerüst eine für das keramische Material durchlässige Struktur auf.In the DE 37 41 689 A1 describes a method for the production of molded parts as composite body, which consist of burned after the molding process, ceramic material and embedded in this reinforcement with respect to the ceramic material increased strength. The reinforcement is designed as a rigid, spatial support framework which is positioned, anchored and supported in the mold prior to filling the mold cavity with ceramic material. In addition, the support frame has a permeable structure for the ceramic material.

Die DE 85 10 204 U1 zeigt einen mehrteiligen Hubkolben für Brennkraftmaschinen. Dabei sind Kolbenhemd, Kolbenboden mit Feuersteg sowie eine Zentrierhülse aus einem keramischen Werkstoff hergestellt.The DE 85 10 204 U1 shows a multi-part piston for internal combustion engines. This piston skirt, piston crown with top land and a centering sleeve are made of a ceramic material.

Aus der DE 32 35 220 A1 ist ein Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine bekannt, bei dem Kolbeninnenteile aus einem Keramikmaterial hergestellt werden. Weiter wird vorgeschlagen, innere Kolbenteile mittels Kleben oder Schweißen am Kolbenboden zu befestigen.From the DE 32 35 220 A1 For example, a piston for a reciprocating internal combustion engine is known, in which piston inner parts are made of a ceramic material. It is also proposed to fasten inner piston parts by gluing or welding to the piston crown.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Kolben für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, der bei hoher Betriebsfestigkeit sich durch niedriges Gewicht und werkstoffgerechte Herstellung auszeichnet.The object of the invention is to provide a piston for an internal combustion engine, which is characterized by low weight and material-compatible production at high operating stability.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs gelost. Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.According to the invention, this object is achieved by the features of the claim. Further, the invention ausgestaltende features are included in the subclaims.

Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile sind darin zu sehen, dass der Kolben, weil aus Keramik bestehend, bezüglich Gewicht optimiert ist und dabei anspruchsvollen Belastungen beim Betrieb der Brennkraftmaschine gut standhält. Der Kolbenboden, der Kolbenschaft und die Kolbenbolzenlagerung lassen sich mit vertretbaren Mitteln zusammenfügen und bilden den besagten Kolben. Die Kolbenbolzenlagerung ist nicht nur konstruktiv vorbildlich ausgeführt, sondern stellt eine funktionsgerechte Verbindung zum Kolbenschaft her.The advantages achieved by the invention are to be seen in the fact that the piston, because of ceramic, is optimized in terms of weight and thereby withstand demanding loads during operation of the internal combustion engine well. The piston crown, the piston skirt and the piston pin bearing can be combined with acceptable means and form the said piston. The piston pin bearing is designed not only constructively exemplary, but provides a functional connection to the piston stem ago.

In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das nachstehend näher erläutert wird.In the drawing, an embodiment of the invention is shown, which will be explained in more detail below.

Es zeigenShow it

1 eine Schrägansicht auf einen Kolben nach der Erfindung, 1 an oblique view of a piston according to the invention,

2 einen Schnitt etwa nach der Linie II-II der 1, 2 a section about the line II-II of the 1 .

3 eine Ansicht von oben auf die 2, 3 a view from above on the 2 .

4 eine Schrägansicht von unten auf eine Kolbenbolzenlagerung des Kolbens, 4 an oblique view from below of a piston pin bearing of the piston,

5 eine Schrägansicht eines Rohlings eines ersten Lagerelements, 5 an oblique view of a blank of a first bearing element,

6 eine Schrägansicht eines Rohlings eines zweiten Lagerelements, 6 an oblique view of a blank of a second bearing element,

7 eine Schrägansicht der Rohlinge nach den 5 und 6 in zusammengebautem Zustand, 7 an oblique view of the blanks after the 5 and 6 in assembled condition,

8 eine Schrägansicht eines Rohlings für einen Kolbenschaft des Kolbens, 8th an oblique view of a blank for a piston skirt of the piston,

9 eine Schrägansicht eines Zusammenbaus der Rohlinge nach den 7 und 8, 9 an oblique view of an assembly of the blanks after the 7 and 8th .

10 eine Schrägansicht nach 9 mit Rohlingen für ein Ringelement und einen Kolbenboden, 10 an oblique view 9 with blanks for a ring element and a piston crown,

11 einen Zusammenbau der Rohlinge nach 10. 11 an assembly of blanks after 10 ,

Ein Kolben 1 ist für eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine der Hubkolbengattung ausgebildet und wird durch Ausdehnung von Verbrennungsgasen in Arbeitsbewegung versetzt, und er treibt dadurch eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine an. Die Konstruktion des Kolbens 1 umfasst einen Kolbenboden 2, einen Kolbenschaft 3 sowie eine Kolbenbolzenlagerung 4, die mit einer Pleuelstange – nicht gezeigt – zusammenwirkt. Als Werkstoff für Kolbenboden 2, Kolbenschaft 3 und Kolbenbolzenlagerung 4 findet Keramik Verwendung, wobei letztere durch vorgefertigte Rohlinge 5, 6, 7 und 8 – 5 bis 10 – gebildet werden.A piston 1 is designed for an internal combustion engine, not shown, the Hubkolbengattung and is offset by expansion of combustion gases in working movement, and thereby drives a crankshaft of the internal combustion engine. The construction of the piston 1 includes a piston crown 2 , a piston stem 3 and a piston pin bearing 4 , which cooperates with a connecting rod - not shown. As material for piston crown 2 , Piston shaft 3 and piston pin bearing 4 finds ceramic use, the latter by prefabricated blanks 5 . 6 . 7 and 8th - 5 to 10 - be formed.

Der Kolbenboden 2 ist eine ebene Scheibe 9, die auf dem Kolbenschaft 3 aufliegt. Benachbart vom Kolbenboden 2 ist der Kolbenschaft 3 mit einer zu einer Mittellängsebene A-A des Kolbens 1 gerichteten ringartigen Abstellung 10 versehen, deren freie Seite 11 eine Durchgangsöffnung 12 begrenzt. Darüber hinaus ist im Bereich des Kolbenbodens 2 der Kolbenschaft 3 mit einem Durchmessereinzug 13 – 2 versehen, der sich lediglich über eine Teillänge Tl der Gesamtlänge Gl des Kolbenschafts 3 erstreckt und zur Aufnahme eines Ringelements 14 ausgelegt ist. Das Ringelement 14 ist ebenfalls aus Keramik hergestellt und basiert auf einem Rohling 15 mit ungerichteten kurzen Kohlefasern Kfuk.The piston bottom 2 is a flat disk 9 on the piston skirt 3 rests. Adjacent to the piston crown 2 is the piston shaft 3 with a to a central longitudinal plane AA of the piston 1 directed ring-like adjustment 10 provided, whose free side 11 a passage opening 12 limited. In addition, in the area of the piston crown 2 the piston shaft 3 with a diameter feed 13 - 2 provided, which is only over a partial length Tl of the total length Gl of the piston skirt 3 extends and for receiving a ring element 14 is designed. The ring element 14 is also made of ceramic and is based on a blank 15 with undirected short carbon fibers Kfuk.

Die Kolbenbolzenlagerung 4 ist mit einer Bolzenbohrung 16 versehen und wird durch ein erstes Lagerelement 17 und ein zweites Lagerelement 18 gebildet. Das erste Lagerelement 17 weist einen hutprofilförmigen Querschnitt 19 mit Schenkeln 20 und 21 auf, die einen Zwischenraum 22 begrenzen und an freien Seiten mit Flanschen 23 und 24 vorgesehen sind. Das zweite Lagerelement 18 besitzt einen T-förmigen Querschnitt 25, der mit einem Schenkel 26 in dem Zwischenraum 22 verläuft. Ein Steg 26' des T-förmigen Querschnitts 25 ragt mit einer zylinderformigen Platte 27 in die Durchgangsöffnung 12 hinein und schließt mit einer Begrenzungsebene 28 – 2 – zwischen Kolbenschafts 3 und Kolbenboden 2 bündig ab. Die Flansche 23 und 24 sind mit freien Enden 29 und 30 an eine Innenseite 31 des Durchmessereinzugs 13 herangeführt.The piston pin bearing 4 is with a bolt hole 16 provided and is by a first bearing element 17 and a second bearing element 18 educated. The first bearing element 17 has a hat profile-shaped cross-section 19 with thighs 20 and 21 on that a gap 22 limit and on free sides with flanges 23 and 24 are provided. The second bearing element 18 has a T-shaped cross-section 25 that with a thigh 26 in the gap 22 runs. A jetty 26 ' of the T-shaped cross section 25 protrudes with a cylindrical plate 27 in the passage opening 12 into and closes with a boundary plane 28 - 2 - between piston skirt 3 and piston bottom 2 flush off. The flanges 23 and 24 are with free ends 29 and 30 to an inside 31 of the diameter feed 13 introduced.

Der Kolbenschaft 3 ist im Bereich der Bolzenbohrung 16 mit parallelen Abflachungen 32 und 33 an einer Mantelfläche 34 versehen. Eine Innenseite 35 des Ringelementes 14 ist mit Stützflächen 36, 37 und 38, 39 an die Abflachungen 32 und 33 und an Umfangsabschnitte 40 und 41 des Durchmessereinzugs 13 angepasst.The piston shaft 3 is in the area of the bolt hole 16 with parallel flattening 32 and 33 on a lateral surface 34 Mistake. An inside 35 of the ring element 14 is with support surfaces 36 . 37 and 38 . 39 to the flattenings 32 and 33 and on peripheral sections 40 and 41 of the diameter feed 13 customized.

In den 5 und 6 sind die gerichtete Kohlefasersträngen Kfg – 2 – aufweisenden Rohlinge 7 und 8 in unbearbeitetem Zustand Zu und in bearbeitetem Zustand Zb gezeigt, wobei 7 einen Zusammenbau ZI der beiden die Kolbenbolzenlagerung 4 bildenden Rohlinge 7 und 8 wiedergibt. Aus 8 geht der mit verwebten Kohlefasern Kfv – 2 – versehene Rohling 6 für den Kolbenschaft 3 hervor, und 9 zeigt einen Zusammenbau ZII der Rohlinge 6, 7 und 8. Außerdem ist in 10 dargestellt, wie der Zusammenbau ZII mit Rohling 5 und Rohling 15 für den Kolbenboden 2 bzw. das Ringelements 14 erfolgt, die nach 11 schließlich den Zusammenbau ZIII bilden; für Rohling 5 eignet sich der Einsatz verwebter Kohlefasern – Kfv –. Die Kohlefasern der Rohlinge 5, 6, 7, 8 und 15 sind in entsprechendes Harz eingebunden, und diese Rohlinge werden zusammengefügt und mittels geeignetem Verfahren verfilzt. Danach werden besagte Rohlinge mit Druck und Temperatur behandelt, bevor sie siliziert werden d. h., es werden SiC Kristalle eingelagert.In the 5 and 6 are the directional carbon fiber strands Kfg - 2 - containing blanks 7 and 8th in the unprocessed state To and in the processed state Zb shown, where 7 an assembly ZI of the two the piston pin bearing 4 forming blanks 7 and 8th reproduces. Out 8th goes with the woven carbon fiber Kfv - 2 - provided blank 6 for the piston skirt 3 forth, and 9 shows an assembly ZII of the blanks 6 . 7 and 8th , It is also in 10 shown as the assembly ZII with blank 5 and blank 15 for the piston crown 2 or the ring element 14 done that after 11 finally make the assembly ZIII; for blank 5 is the use of woven carbon fibers - Kfv -. The carbon fibers of the blanks 5 . 6 . 7 . 8th and 15 are incorporated in appropriate resin, and these blanks are joined together and matted by a suitable method. Thereafter, said blanks are treated with pressure and temperature before they are siliconized, ie, SiC crystals are incorporated.

Claims

Piston for an internal combustion engine of the Hubkolbengattung comprising a piston head, a piston skirt and a piston pin bearing, characterized in that the piston head ( 2 ), the piston skirt ( 3 ) and the piston pin bearing ( 4 ) consist of ceramic, which by joining the piston ( 1 ), wherein the piston pin bearing ( 4 ) by a first bearing element ( 17 ) and a second bearing element ( 18 ) is formed, wherein the first bearing element ( 17 ) has a hat profile-shaped cross-section ( 19 ) and the second bearing element ( 18 ) has a T-shaped cross section ( 25 ), which second bearing element ( 18 ) with a thigh ( 26 ) of the T-shaped cross section ( 25 ) in a space ( 22 ) between thighs ( 20 and 21 ) of the hat profile-like cross section ( 19 ) of the first bearing element ( 1 ) and that a bridge ( 26 ' ) of the hat profile-like cross section ( 19 ) with a cylindrical plate ( 27 ) in the passage opening ( 12 ) of the secondment ( 10 protrudes beyond that and flanges ( 23 and 24 ) of the thighs ( 20 and 21 ) of the hat profile-shaped cross section ( 19 ) on an inside ( 31 ) of the piston shaft ( 3 ) issue.

Piston according to claim 1, characterized in that the piston crown ( 2 ), the piston skirt ( 3 ) and the piston pin bearing ( 4 ) by prefabricated blanks ( 5 . 6 . 7 and 8th ) are formed

Piston according to claim 2, characterized in that the piston skirt ( 3 ) adjacent the piston head ( 2 ) has a directed to a central longitudinal plane of the piston annular Abstell.

Piston according to claim 3, characterized in that a free side ( 11 ) of the secondment ( 10 ) a passage opening ( 12 ) limited.

Piston according to claim 3, characterized in that the piston skirt ( 3 ) adjacent the piston head ( 2 ) with a local diameter ( 13 ) is provided.

Piston according to claim 5, characterized in that the diameter ( 13 ) for receiving a ring element ( 14 ) is trained.

Piston according to claim 6, characterized in that the ring element ( 14 ) consists of ceramic.

Piston according to claim 3, characterized in that the piston head ( 2 ) in the manner of a disc ( 9 ), which is at work ( 10 ) of the piston shaft ( 3 ) rests.

Piston according to one of the preceding claims, characterized in that free ends ( 29 and 30 ) of the flanges ( 23 and 24 ) to an inside ( 35 ) of the diameter feeder ( 13 ) are introduced.

Piston according to claim 1, characterized in that the piston skirt ( 3 ) in the area of bolt holes ( 16 ) parallel flattenings ( 32 and 33 ) having.

Piston according to claims 6 and 9, characterized in that an inner side ( 35 ) of the ring element ( 14 ) with the flattenings ( 32 and 33 ) and peripheral sections ( 40 and 41 ) of the diameter feeder ( 13 ) adapted support surfaces ( 36 . 37 and 38 . 39 ) owns.

Piston according to claim 8, characterized in that the blanks ( 7 and 8th ) for the bearing elements ( 17 and 18 ) directed carbon fiber strands (Kfg) have.

Piston according to claim 1, characterized in that the blanks ( 5 and 6 ) for the piston head ( 2 ) and the piston skirt ( 3 ) are provided with woven carbon fibers (KfV).

Piston according to claim 7, characterized in that a blank ( 15 ) for the ring element ( 14 ) comprises undirected short carbon fibers (Kfug).