DE19848649C2 - Kohlenstoffkolben für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Kohlenstoffkolben für eine Brennkraftmaschine

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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.
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 µ-Bereich, welche die Werkstoffkörner darstellen. Damit werden Biegefestigkeiten von über 200 MPa erreicht.
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 Verschweißneigung (vgl. EP 258 330 A1). Gleichwohl ist es bisher nicht gelungen, serienbestimmte Kohlenstoffkolben mit der für PKW und LKW 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.
Ein bekannter Kolben, der teilweise aus Kohlenstofffasern besteht, ist aus drei Bauteilen aufgebaut, nämlich aus einem Kolbenboden, einem Kolbenschaft und einem Innenkorpus, welcher die Kolbenbolzenaugen bildet (DE 30 40 125 A1). Diese Bauteile sind mit geringen Wandstärken in einer Wickeltechnik hergestellt und müssen sich daher gerüstartig aufeinander abstützen, um die Kräfte vom Kolbenboden zu dem damit verbundenen Innenkorpus und von diesem zum Kolbenschaft überleiten zu können. Hierfür und aufgrund der Wahl einer Wickeltechnik bei der Herstellung des Innenkorpus ist dieser domartig verjüngt ausgebildet. Der zwischen Kolbenboden, Kolbenschaft und Innenkorpus gebildete Zwischenraum ist mit Polyurethanschaum niedriger Dichte ausgefüllt. Zur Verwendung als Kolben in einer Brennkraftmaschine ist dieser bekannte Kolben kaum geeignet.
Weiterhin ist ein aus Kohlenstofffasern bestehender und nach der Wickeltechnik hergestellter Kolben bekannt (DE 29 12 786 B1), der in Anlehnung an das Gestaltungsprinzip von metallischen Kolben für Brennkraftmaschinen geformt ist und unter anderem einen im wesentlichen plattenförmig ausgebildeten Kolbenboden aufweist.
Ein weiterer bekannter Kolben für eine Brennkraftmaschine ist ebenfalls aus mehreren Einzelteilen aufgebaut, die jeweils für sich als Wickelkörper aus Kohlenstofffasern bestehen (DE 34 06 379 A1). Die einzelnen Bauteile sind ein Kolbenschaft, ein Innenkörper, sowie gesonderte Kolbenbolzenaugen und miteinander verbunden. Der Innenkörper hat einen kegelstumpfförmigen Kopfteil, der zusammen mit einem flanschartigen Rand des Kolbenschafts den Kolbenboden bildet. Die Unterseite des von dem Innenkörper gebildeten Kolbenbodens ist zur Aufnahme des oberen Pleuelendes nach Art eines Kreiszylinders gekrümmt und verläuft dementsprechend quer dazu geradlinig.
Bei einem bekannten Kolben der eingangs genannten Art, der aus einem massiven, sogenannten "monolithischen" Graphit besteht (US-A 14 67 255) ist der Kolbenboden im wesentlichen als ebene Platte ausgeführt und weist zentral an seiner Unterseite eine Ausnehmung in Form einer Kugelkalotte auf. Diese dient zur Aufnahme des komplementär gestalteten oberen Pleuelendes, über das der Kolbenboden zusätzlich abgestützt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, 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, ohne die durch die geringere Dichte des Kohlenstoffs im Vergleich zu Aluminium und die geringere Wärmedehnung erzielbaren Vorteile einzubüßen.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch die Gestaltung nach dem Patentanspruch 1.
Bei Aluminiumkolben ist es bekannt, den Übergang der Kolbenboden-Unterseite zum Feuersteg und zu dem die Kolbenringe tragenden Ringabschnitt zu runden, um den Wärmefluß zu verbessern. Im übrigen wird jedoch in der Absicht, die Kolbenmasse möglichst gering zu halten, der Kolbenboden nur nach Festigkeitsgesichtspunkten bemessen. Daraus ergibt sich für die Kolbenbodendicke ein Regelwert von 0,07 D (D = Kolbendurchmesser) für Ottomotoren und 0,1 D-0,25 D für Dieselmotoren. Erfindungsgemäß wird jedoch die Kolbenboden-Unterseite unabhängig von der Gestaltung der Kolbenboden-Oberseite als eine Gewölbefläche gestaltet, die auch und gerade in dem Bereich zwischen den Nabenverdickungen zu einer deutlichen Materialansammlung führt. Das hat zur Folge, daß sich im Betrieb ein Temperaturfeld im Kolben einstellt, das eine ovale Ausbildung des Feuerstegs und des Ringabschnitts unnötig macht. Die Möglichkeiten der Ausbildung einer Gewölbefläche an der Kolbenboden-Unterseite ist in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.
Obwohl, wie eingangs geschildert, inzwischen Kohlenstoffe mit Biegefestigkeiten zur Verfügung stehen, die an die Biegefestigkeit von Aluminium heranreichen oder sie sogar übertreffen, ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung von Vorteil, die Kolbenbodendicke stärker zu wählen als Festigkeitsgründe dies erfordern. So liegen nunmehr erfindungsgemäß die vorstehenden Regelwerte für die Kolbenbodendicken um 15 bis 20% höher, d. h. für Otto­ motoren bei 0,084 D und für Dieselmotoren bei 0,12 D bis 0,3 D.
Infolge der Kuppelfläche der Kolbenboden-Unterseite läßt sich auch die bei Aluminiumkolben ungleiche axiale Durchsenkung des Kolbenbodens bei der Druckbelastung vermeiden oder verringern, die in den Kolbenbodenbereichen zwischen den Nabenverdickungen, d. h. quer zur Kolbenbolzenachse, ein Mehrfaches der Durchsenkung im Bereich der Nabenverdickungen beträgt. Neben der ungleichen Temperaturverteilung ist diese Durchsenkung für die bei Aluminiumkolben notwendige Ovalität des Kolbens, insbesondere des Ringabschnitts und des Kolbenschafts, ursächlich. Bei dem erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben kann die Ovalität bei kleineren Kolbendurchmessern bis 150  mm vollständig vermieden werden, so daß der Kolben durchgehend einen Kreisquerschnitt hat, und im übrigen ein deutlich geringeres Ausmaß haben.
Auch die Ausbildung des Kolbenschafts unterscheidet sich von derjenigen der Aluminiumkolben. So ist auch im Schaftbereich der Querschnitt vergrößert, so daß infolge der verstärkten Anbindung des Kolbenschafts über den Ringabschnitt an den Kolbenboden das im Kolben herrschende Temperaturfeld verändert ist. Während bei Aluminiumkolben das axiale Profil der Kolbenschaft-Mantelfläche im Bereich der Nabe deutlich ballig sein muß, um das unterschiedliche Dehnungsverhalten gegenüber der kühleren Zylinderwand zu beherrschen, kann bei dem erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben auf diese Balligkeit verzichtet werden. Die Mantelfläche des Kolbenschafts kann daher mit Vorteil als Kegelfläche gestaltet werden, deren Erzeugende zwischen dem Anschluß an den Ringabschnitt und dem unteren Schaftrand geradlinig verläuft. Darüber hinaus ist die Abweichung dieser Kegelfläche von einer Zylinderfläche erheblich geringer als bei dem beschriebenen Profil eines Aluminiumkolbens, d. h. der Durchmesser des Kolbenschaftes bei dem Anschluß an den Ringabschnitt beträgt nur 0,075 bis 0,8% weniger als der Durchmesser am unteren Schaftrand.
Grundsätzlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben möglich, als Kolbenringe solche einzusetzen, die auch bei den Aluminiumkolben Verwendung finden. Von Vorteil ist es jedoch, mit den Kohlenstoffkolben auch Kolbenringe aus Kohlenstoff einzusetzen, da hierbei unterschiedliches Dehnungsverhalten nicht berücksichtigt werden muß. Die geschilderte Biegefestigkeit und der Elastizitätsmodul der heute zur Verfügung stehenden Kohlenstoffe erlaubt es, die Kolbenringe einstückig in gleicher Weise auszubilden und sie zu montieren, wie dies von metallischen Kolbenringen her bekannt ist. Jedoch können die Kolbenringe aus Kohlenstoff im Querschnitt im Vergleich zu den metallischen Kolbenringen um 10 bis 15% verringert werden und aufgrund des mit dem Kolben übereinstimmenden Wärmedehnverhaltens können auch in den Ringnuten erheblich geringere axiale Spiele der Kolbenringe zu den Nutflanken gewählt werden. Die bekannte beim Kohlenstoff mit steigender Temperatur zunehmende Festigkeitssteigerung erlaubt es darüber hinaus, auch bei dem dem Feuersteg nächstliegenden Kolbenring in der Ringnut auf gesonderte Ringabstützungen oder dergleichen zu verzichten.
Um das Spannungs- und Temperaturfeld im Ringabschnitt durch von der Ringnut für den Ölabstreifring ausgehende Bohrungen nicht zu beeinflussen, kann weiterhin daran gedacht sein, anstelle solcher Bohrungen in der unteren Ringnutflanke mindestens eine Ablauföffnung nach außen in der Umgebung der Nabenöffnung vorzusehen, die in eine Öltasche in der Mantelfläche des Kolbenschafts mündet. Zweckmäßigerweise sind beidseits jeder Nabenöffnung zwei Ablauföffnungen in der Ringnut vorgesehen, die mit je einer bogenförmig um die Nabenöffnung verlaufenden Tasche in Verbindung stehen.
Am Nutgrund der Ringnuten können bei Verwendung von Kohlenstoff-Kolbenringen Radien vorgesehen werden, die in der Größenordnung von etwa 20 bis 50% der Nutbreite liegen.
Die beschriebene Gestaltung des erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolbens hat auch Auswirkungen auf die Ausführung der Nabe für den Kolbenbolzen. So kann die Bohrung für den Kolbenbolzen abweichend von den bekannten Ausführungen für Aluminiumkolben rein zylindrisch ausgeführt werden, weil Spannungsspitzen in den Bohrungsflächen aufgrund der werkstoffbedingten Dämpfung abgebaut werden. Zusätzliche Bohrungen zur Ölversorgung des Kolbenbolzens sind nicht erforderlich, weil auch bei der möglichen Verwendung eines Kolbenbolzens aus gehärtetem Stahl oder eines Kolbenbolzens aus Keramik (Siliziumnitrid) auf Kohlenstoff gut gleiten.
Obwohl die beschriebenen Querschnittsvergrößerungen bei dem erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben zu einer Massenzunahme führen, ergibt sich gegenüber gleich leistungsfähigen Aluminiumkolben eine Reduzierung der Kolbenmasse von 15 bis 25%. Der Vorteil der geringeren Dichte des Kohlenstoffs im Vergleich zu Aluminium bleibt daher gewahrt. Insgesamt werden bei Einhaltung der vorstehend beschriebenen Gestaltungsprinzipien jedoch die prinzipiell zwar erkannten, jedoch bisher nicht verwirklichbaren Vorteile der Gestaltung von PKW- und LKW-Kolben aus Kohlenstoff erreicht. So lassen sich Spiele zwischen dem Kolben und der Zylinderwandung einstellen, die nur noch etwa 30% der für Aluminiumkolben notwendigen Spiele betragen. Daraus ergibt sich ein geringer Ölverbrauch und eine niedrige Durchblasmenge, so daß wiederum nur äußerst geringe Ablagerungen durch Verkokung und ein Anstieg des Kompressionsdruckes um mindestens 10% gegenüber Aluminiumkolben die Folge sind. Durch das geringe Laufspiel am Feuersteg und des gesamten Kolbens an sich erfahren die Kolbenringe eine geringere Belastung, so daß für diese eine höhere Lebensdauer zu erwarten ist.
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 läßt sich das Wärmedehnverhalten der Zylinderlaufflächen weitgehend durch die Kühlung bestimmen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus den Unteransprüchen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Teilschnitt längs der Linie I-I in Fig. 3 mit Teilansicht der Kolbenaußenfläche;
Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie II-II in Fig. 3 mit Teilansicht der Kolbenaußenfläche;
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1;
Fig. 4 einen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens;
Fig. 5 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens und
Fig. 6 ein Diagramm, aus dem das Profil eines erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolbens und dessen Spiel gegenüber der Zylinderlauffläche hervorgehen.
Der in den Fig. 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.
In dem Ringabschnitt 3 sind für nicht gezeigte Kolbenringe drei Ringnuten 31 ausgebildet, von denen die unterste Ringnut zur Aufnahme eines Ölabstreifrings dient. 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.
Wie aus Fig. 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 - zur Zeichenebene von Fig. 2 senkrecht stehende - Gerade gebildet und geht gerundet in die einander gegenüberliegenden Stirnseiten 55 der Nabenverdickungen 51 über (Fig. 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.
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 0,25 D, d. h. ein Verhältnis, das für einen Dieselmotor-Kolben dieser Größe erheblich über dem entsprechenden Wert eines Aluminium- oder Graugußkolbens liegt.
Fig. 4 zeigt im Längsschnitt einen Kohlenstoffkolben mit 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 Fig. 1 bis 3 nicht praktisch durchgehend bis zur Kolbeninnenwand eine Kreiszylinderfläche ist, sondern sich aus - quer zur Kolbenbolzenachse - drei Kreiszylinderflächen zusammensetzt. So weist der überwiegende Teil a dieser Fläche einen Radius Ra auf, dessen Mittelpunkt A auf der Kolbenachse 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 Fig. 4 eine kürzere Erstreckung haben als der mittlere Flächenabschnitt a, weil sie mit einem Übergangsradius in die Innenwand des Kolbenschafts hineinverlaufen müssen.
Im Bereich des Feuerstegs 2' hat der Kolben gemäß Fig. 4 einen Durchmesser von 68,87 mm. Die Radien Ra und Rb sind in diesem Fall mit 41 bzw. 12 mm bemessen.
Die Ausführungsform des Kolbens gemäß Fig. 5 entspricht in Größe und Gestaltung angenähert derjenigen gemäß Fig. 4. Sie weicht davon und von der Ausführungsform gemäß den Fig. 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'.
Die Fig. 6 zeigt das Schleifbild 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.
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.
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 Zylinder- Lauffläche 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 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.

Claims (20)

1. Aus Kohlenstoff, insbesondere aus einem mittels einer Kohlenstoff-Mesophase hergestellten Graphit bestehender Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für PKW und LKW, 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenboden-Unterseite in dem Bereich zwischen den Nabenverdickungen (51) unabhängig von der Flächengestaltung der Kolbenboden-Oberseite eine Gewölbefläche (12) mit einer quer zur Achse der Nabenbohrung (5) gerichteten Krümmung bildet.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenboden-Unterseite (12) eine Kuppelfläche bildet.
3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenboden-Unterseite (12) eine Torusfläche bildet, deren Achse parallel zur Achse des Kolbenbolzens liegt.
4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenboden-Unterseite (12) angenähert eine Kreiszylinderfläche bildet, deren Achse parallel zur Achse (53) der Nabenbohrung (5) verläuft.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Kolbenboden-Unterseite (12) tangential in die einander zugewendeten ebenen Stirnflächen (55) der Nabenverdickungen (51) übergeht.
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Kolbenboden-Unterseite (12) mit den einander zugewendeten ebenen Stirnflächen (55) der Nabenverdickungen (51) eine Verschneidung bildet und die Verschneidung gerundet ist.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuersteg (2) eine kreiszylindrische Außenfläche hat.
8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuersteg (2) eine Kreis-Kegelfläche als Außenfläche hat.
9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllfläche der Außenflächen des Ringabschnitts (3) bei Kolbendurchmessern bis zu 150 mm eine Kreiszylinderfläche ist.
10. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche (41) des Kolbenschafts (4) bis zu dem Ringabschnitt eine sich nach oben verjüngende Kegelfläche mit weitgehend geradliniger Kontur ist.
11. Kolben nach Anspruch 10, 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.
12. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 11, 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.
13. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig neben jeder Nabenöffnung (5) eine Ablauföffnung (32) und eine Öltasche (33) vorgesehen sind.
14. Kolben nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Öltaschen (33) bogenförmig um die Nabenöffnung (5) herum verlaufen.
15. Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kohlenstoffkolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 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.
16. Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kohlenstoffkolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 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.
17. Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kohlenstoffkolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 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.
18. Kolben/Zylinder-Paarung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kolben mit Ovalität das Einbauspiel quer zur Nabenbohrungsachse (53) festgelegt ist.
19. Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtmetall-Lauffläche eine Beschichtung mit Nickel mit einem hohen Anteil von Siliziumcarbid oder eine keramische Beschichtung aufweist.
20. Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtmetall-Lauffläche durch eine Zylinderbüchse aus einem Leichtmetall/Keramik-Verbund gebildet ist.
DE19848649A 1998-10-22 1998-10-22 Kohlenstoffkolben für eine Brennkraftmaschine Expired - Fee Related DE19848649C5 (de)

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