DE2938018A1 - Ceramic IC engine piston - has carbon fibre reinforced carbon ring shrunk on near top to produce compression stress in piston - Google Patents
Ceramic IC engine piston - has carbon fibre reinforced carbon ring shrunk on near top to produce compression stress in pistonInfo
- Publication number
- DE2938018A1 DE2938018A1 DE19792938018 DE2938018A DE2938018A1 DE 2938018 A1 DE2938018 A1 DE 2938018A1 DE 19792938018 DE19792938018 DE 19792938018 DE 2938018 A DE2938018 A DE 2938018A DE 2938018 A1 DE2938018 A1 DE 2938018A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- piston
- ring
- carbon
- fibre reinforced
- ceramic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
- F16J1/005—Pistons; Trunk pistons; Plungers obtained by assembling several pieces
- F16J1/006—Pistons; Trunk pistons; Plungers obtained by assembling several pieces of different materials
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F3/00—Pistons
- F02F3/02—Pistons having means for accommodating or controlling heat expansion
- F02F3/04—Pistons having means for accommodating or controlling heat expansion having expansion-controlling inserts
- F02F3/08—Pistons having means for accommodating or controlling heat expansion having expansion-controlling inserts the inserts being ring-shaped
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
- F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
- F02F7/0087—Ceramic materials
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
- F05C2253/16—Fibres
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Abstract
Description
Kolben für Brennkraftmaschinen Pistons for internal combustion engines
Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a piston for internal combustion engines according to the preamble of the main claim.
Ein derartiger Kolben ist in der Zeitschrift "Design Engineering" Ausgabe Februar 1969 beschrieben. Die oberhalb und unterhalb der Kolbenbolzenaugen direkt um den Schaft des Leichtmetallkolbens gewickelten, mit hochtemperaturbeständigem Epoxidharz imprägnierten Kohlenstoffasern sollen der Ausdehnung des Leichtmetallkolbens entgegenwirken, um ein geringes Einbauspiel des Kolbens in dem korrespondierenden Zylinder zu ermöglichen. Aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit und der sehr geringen Wärmedehnung sind die Kohlenstoffasern für diesen Zweck besonders geeignet; aufgrund der begrenzten Temperaturbeständigkeit des Epoxidharzes ist die Anwendung jedoch auf Bereiche des Kolbens beschränkt, die Temperaturen von über 2500C nicht wesentlich überschreiten.Such a piston is in the magazine "Design Engineering" February 1969 edition. The above and below the piston pin bosses directly wound around the shaft of the light metal piston, with high temperature resistant Epoxy resin impregnated carbon fibers are designed to allow the expansion of the light metal piston counteract to a small installation clearance of the piston in the corresponding Enable cylinder. Due to their high tensile strength and the very low Due to thermal expansion, the carbon fibers are particularly suitable for this purpose; because of However, the limited temperature resistance of the epoxy resin is the application limited to areas of the piston that do not significantly exceed temperatures above 2500C exceed.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Brennkraftmaschinen ist auch schon vorgeschlagen worden, die Kolben aus Keramikmaterial herzustellen. Diese können Temperaturen bis zu 15000C standhalten.To increase the efficiency of internal combustion engines is already it has been proposed to make the pistons from ceramic material. these can Withstand temperatures up to 15000C.
Durch die Massen- und Gaskräfte können bei derartigen Keramikkolben im Bereich um die Mitte des Kolbenbodens kritische Zugspannungen auftreten, die schließlich zu Rissen oder Brüchen führen können.Due to the mass and gas forces, ceramic pistons of this type critical tensile stresses occur in the area around the center of the piston crown, which can eventually lead to cracks or breaks.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei Kolben aus Keramikwerkstoffen am Kolbenboden auftretenden Zugspannungen zu verringern.The invention is based on the object of pistons made of ceramic materials to reduce tensile stresses occurring on the piston crown.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst.This problem is solved with the features of the main claim.
Der erfindungsgemäß im Bereich des Kolbenbodens über den Umfang des Kolbens aufgebrachte Ring aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff behält bis zu Temperaturen von über 15000C eine ausreichende Festigkeit, um aufgrund einer Druckvorspannung die Zugspannungen innerhalb des Kolbenbodens zu verringern. Einerseits mittels der Montagepassung und andererseits mittels des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der über den Faser-Wickelwinkel auch positiv einstellbar ist, lassen sich gewünschte Vorspannungen für zwei Betriebszustände, z.B. für den Montage- und den Höchsttemperaturzustand unabhängig voneinander einstellen.According to the invention in the area of the piston head over the circumference of the Piston attached ring made of carbon fiber reinforced carbon retains up at temperatures above 15000C sufficient strength to be due to a Compressive preload to reduce the tensile stresses within the piston crown. On the one hand by means of the installation fit and, on the other hand, by means of the thermal expansion coefficient, which can also be positively adjusted via the fiber winding angle, can be desired Preloads for two operating states, e.g. for the assembly and the maximum temperature state set independently of each other.
Die Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens.The subclaims characterize advantageous embodiments of the piston according to the invention.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.The invention is illustrated below with reference to schematic drawings, for example and explained with further details.
Es stellen dar: Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben und FIg. 2 eine perspektivische Ansicht eines Rohlings, wie er für die Herstellung eines aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff bestehenden Ringes verwendet wird.The figures show: FIG. 1 a cross section through one according to the invention Piston and fig. 2 is a perspective view of a blank as it is used for manufacture a ring made of carbon fiber reinforced carbon is used.
Die Figur 1 zeigt einen Kolben 2 für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine. Der Kolben 2 ist aus einem reaktionsgesintertem Siliziumkarbid hergestellt und setzt sich im wesentlichen. aus einem Kolbenboden 4 und einem Kolbenschaft 6 zusammen. Im Kolbenschaft 6 sind in bekannter Weise drei Kolbenringnuten 8, 10,. 12 und eine Bohrung 14 für die Aufnahme eines nicht dargestellten Kolbenbolzens eingebracht.FIG. 1 shows a piston 2 for a reciprocating internal combustion engine. The piston 2 is made of a reaction sintered silicon carbide and is set essentially. composed of a piston head 4 and a piston skirt 6. In the piston skirt 6 are three piston ring grooves 8, 10 ,. 12 and one Bore 14 introduced for receiving a piston pin, not shown.
Um die etwa im Mittel des Kolbenbodens aufgrund von Massen- und Gaskräften auftretenden Zugspannungen zu vermindern, ist in Höhe des Kolbenbodens 4 auf einem im Durchmesser stufenförmig zurückgesetzten Ansatz 16 ein Ring 18 aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff aufgesetzt, der auf den Kolbenboden 4 eine Druckspannung ausübt. Der Ring 18 ist an seinen Außenflächen mit einer Siliziumkarbid-Beschichtung 20 versehen.Around the center of the piston crown due to inertia and gas forces To reduce tensile stresses occurring is at the level of the piston head 4 on a In the diameter stepped back approach 16 a ring 18 made of carbon fiber reinforced Placed carbon, which exerts a compressive stress on the piston head 4. Of the Ring 18 is provided with a silicon carbide coating 20 on its outer surfaces.
Die Herstellung des beschriebenen Kolbens ist wie folgt: Der Kolben wird nach seiner Formgebung in bekannter Weise, beispielsweise durch Brennen von Keramikwerkstoff und anschließendem Nitrieren hergestellt.The manufacture of the piston described is as follows: The piston is after its shaping in a known manner, for example by firing Ceramic material and subsequent nitriding.
Zur Herstellung des Ringes 18 werden um einen zylindrischen Kern 22 (siehe Figur 2) Fasern 24 aus Kohlenstoff oder einem Kohlestoffvorprodukt in mehreren Lagen aufgebracht. In Figur 2 sind zwei Lagen dargestellt, von denen die Fasern 24 der einen Lage mit der Umfangsrichtung einen Winkel OC und die Fasern 24 der anderen Lage -it der Umfangsrichtung einen Winkel - Ct bilden. Die benachbarten Fasern 24 sind der Deutlichkeit halber mit großem Abstand zueinander dargestellt. Es versteht sich, daß die Fasern 24 dicht nebeneinander gewickelt sind.To produce the ring 18, a cylindrical core 22 (See Figure 2) Fibers 24 made of carbon or a carbon precursor in several Layers applied. In Figure 2, two layers are shown, of which the fibers 24 of the one layer with the circumferential direction an angle OC and the fibers 24 of the other position -it the circumferential direction form an angle - Ct. The neighboring For the sake of clarity, fibers 24 are shown at a large distance from one another. It will be understood that the fibers 24 are wound closely together.
Die Fasern 24 sind mit einem Matrixmaterial, beispielsweise einem Phenolharz , getränkt. Nach dem Aushärten des Harzes werden von dem entstandenen Zylinder Ringe 18 abgestochen. Der Innendurchmesser und die axiale Länge des ringförmigen Vorformlings sind so ausgelegt, daß sich mit der in dem folgenden Prozessen einstellenden Schwindung in etwa die Außenmaße des Ansatzes 16 am Kolben 2 ergeben.The fibers 24 are with a matrix material, for example one Phenolic resin, impregnated. After the resin has hardened, the resulting Cylinder rings 18 cut off. The inner diameter and the axial length of the annular Preforms are designed in such a way that they can be adjusted in the following processes Shrinkage roughly corresponds to the external dimensions of the projection 16 on the piston 2.
Die Ringe 18 werden bei Temperaturen über 1000°C einer Pyrolyse unterzogen. Entstehende Porösitäten der Ringe werden mit Pech oder einem Kunstharz, beispielsweise Phenolharz, imprägniert. Die imprägnierten Ringe werden nochmals pyrolysiert.The rings 18 are subjected to pyrolysis at temperatures above 1000 ° C. Resulting porosity of the rings are with pitch or a synthetic resin, for example Phenolic resin, impregnated. The impregnated rings are pyrolyzed again.
Die entstehenden Ringe aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff (CFCJ werden spanend auf Maß bearbeitet. Die im späteren Betrieb mit brennenden Gasen in Berührung kommenden Oberflächenbereiche der Ringe 18 werden gegen Abbrand geschützt, in dem durch thermisches Spritzen eine Silizium-Karbid-Beschichtung 20 aufgebracht wird. Möglich ist aber auch der Schutz durch eine galvanisch aufgebrachte Metallisierung.The resulting rings made of carbon fiber reinforced carbon (CFCJ are machined to measure. The later operation with burning Surface areas of the rings 18 which come into contact with gases are protected against burning protected, in which a silicon carbide coating 20 is applied. However, protection by means of a galvanically applied one is also possible Metallization.
Der Ring 18 wird auf dem Ansatz 16 des Kolbens 2 beispielsweise durch Aufschrumpfen befestigt. Dazu wird der in Faserrichtung negative thermische Ausdehnungskoeffizient der Kohlenstoffasern 22 ausgenützt, mit Hilfe dessen durch Wahl des Wickelwinkels erreicht werden kann, daß sich der fertige Ring 18 nach Abkühlen des Kolbens 2 und des Ringes 18 auf den Ansatz 16 aufschieben läßt und beim Erwärmen beider Teile auf den Ansatz 16 aufschrumpft. Es versteht sich , daß bei der Dimensionierung die Steifigkeit und die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialen des Kolbens 2 und des Ringes 18 herücksichtigt werden.The ring 18 is on the shoulder 16 of the piston 2, for example Shrink-on attached. For this purpose, the coefficient of thermal expansion is negative in the direction of the fibers of carbon fibers 22 exploited, with the help of this by choice the winding angle can be achieved that the finished ring 18 after cooling of the piston 2 and the ring 18 can be pushed onto the shoulder 16 and when heated both parts are shrunk onto the shoulder 16. It goes without saying that when dimensioning the rigidity and the coefficient of thermal expansion of the materials of the Piston 2 and the ring 18 are taken into account.
Die Beschichtung 20 kann selbstverständlich auch erst nach Aufbringen des Aufienringes 10 auf den Ring 18 hergestellt werden.The coating 20 can of course also only be applied after it has been applied of the outer ring 10 on the ring 18 can be produced.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19792938018 DE2938018A1 (en) | 1979-09-20 | 1979-09-20 | Ceramic IC engine piston - has carbon fibre reinforced carbon ring shrunk on near top to produce compression stress in piston |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19792938018 DE2938018A1 (en) | 1979-09-20 | 1979-09-20 | Ceramic IC engine piston - has carbon fibre reinforced carbon ring shrunk on near top to produce compression stress in piston |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2938018A1 true DE2938018A1 (en) | 1981-04-02 |
Family
ID=6081352
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19792938018 Withdrawn DE2938018A1 (en) | 1979-09-20 | 1979-09-20 | Ceramic IC engine piston - has carbon fibre reinforced carbon ring shrunk on near top to produce compression stress in piston |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2938018A1 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4466399A (en) * | 1981-09-02 | 1984-08-21 | Deutsche Forschungs- Und Versuchsanstalt Fur Luft- Und Raumfahrt E.V. | Piston-cylinder set for reciprocating internal-combustion engines, especially Otto and diesel engines |
EP0182034A1 (en) * | 1984-10-22 | 1986-05-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Piston for internal combustion engine |
EP0196076A2 (en) * | 1985-03-26 | 1986-10-01 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Light metal alloy piston |
US4651629A (en) * | 1983-05-05 | 1987-03-24 | Regie Nationale Des Usines Renault | Piston of refractory materials, particularly for compression-ignition engines |
DE4340267A1 (en) * | 1993-11-26 | 1995-06-01 | Mahle Gmbh | Alloy piston for diesel engine |
US6240828B1 (en) * | 1998-04-21 | 2001-06-05 | Nissan Motor Co., Ltd. | Piston of internal combustion engine |
-
1979
- 1979-09-20 DE DE19792938018 patent/DE2938018A1/en not_active Withdrawn
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4466399A (en) * | 1981-09-02 | 1984-08-21 | Deutsche Forschungs- Und Versuchsanstalt Fur Luft- Und Raumfahrt E.V. | Piston-cylinder set for reciprocating internal-combustion engines, especially Otto and diesel engines |
US4651629A (en) * | 1983-05-05 | 1987-03-24 | Regie Nationale Des Usines Renault | Piston of refractory materials, particularly for compression-ignition engines |
EP0182034A1 (en) * | 1984-10-22 | 1986-05-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Piston for internal combustion engine |
EP0196076A2 (en) * | 1985-03-26 | 1986-10-01 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Light metal alloy piston |
EP0196076A3 (en) * | 1985-03-26 | 1987-08-26 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Light metal alloy piston |
DE4340267A1 (en) * | 1993-11-26 | 1995-06-01 | Mahle Gmbh | Alloy piston for diesel engine |
US5511521A (en) * | 1993-11-26 | 1996-04-30 | Mahle Gmbh | Light-alloy piston with a combustion bowl |
DE4340267B4 (en) * | 1993-11-26 | 2007-08-02 | Mahle Gmbh | Light metal piston with a combustion bowl |
US6240828B1 (en) * | 1998-04-21 | 2001-06-05 | Nissan Motor Co., Ltd. | Piston of internal combustion engine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE3133209C2 (en) | Hollow composite body, in particular body of revolution and method for its production | |
DE69916240T2 (en) | HEAT EXCHANGER OF COMPOSITE MATERIAL AND ITS MANUFACTURING PROCESS | |
DE2952117C2 (en) | Piston pin | |
DE69611582T2 (en) | Rotor made of high temperature resistant composite material, especially with a small diameter, and its manufacturing process | |
DE4324755C1 (en) | Method for the production of fibre-reinforced drive components | |
DE69705907T2 (en) | Manufacturing process of a fiber-reinforced metallic part | |
DE102018130362B4 (en) | CYLINDER LUBRICATION ARRANGEMENT | |
EP0129266B1 (en) | An aluminium alloy cast piston for an internal-combustion engine | |
DE2845716A1 (en) | ARRANGEMENT FOR A THERMALLY HIGH-STRENGTH CONNECTION BETWEEN A COMPONENT consisting of a ceramic material and a component consisting of a metallic material | |
DE60030220T2 (en) | Composite shaft with high rigidity | |
DE3230388A1 (en) | METHOD FOR CONNECTING AN INLET POWDERED INTO A COMPONENT MOLDED IN A LIGHT METAL MATERIAL FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE | |
DE3129220C2 (en) | ||
DE2938018A1 (en) | Ceramic IC engine piston - has carbon fibre reinforced carbon ring shrunk on near top to produce compression stress in piston | |
EP0258330B1 (en) | Piston engine | |
DE102008035148A1 (en) | Compression piston ring | |
DE2912786B1 (en) | Pistons for internal combustion engines and method for producing the piston | |
EP0359111B1 (en) | Fibre-reinfoced light metal cylinder for internal-combustion engines | |
EP0049006B1 (en) | Compound piston | |
DE19653164C2 (en) | Method of manufacturing a pump piston | |
DE60006079T2 (en) | FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH PISTON HEAD AND RADIAL MOVABLE CAP | |
DE3722437A1 (en) | PISTON PISTON ASSEMBLY | |
EP0051327B1 (en) | Gas-dynamic pressure-wave machine for the supercharging of internal-combustion engines | |
DE19816692A1 (en) | Combustion chamber seal unit with high recovery rate for IC engine | |
DE3406479A1 (en) | Piston for internal-combustion engines and method for manufacturing the piston | |
DE3529905C2 (en) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: AUDI AG, 8070 INGOLSTADT, DE |
|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |