EP1042601B1

EP1042601B1 - Kohlenstoffkolben für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP1042601B1
Application number: EP99960799A
Authority: EP
Inventors: Peter Greiner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-22
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2019-10-21
Also published as: WO2000025012A1; JP2002528669A; US6883418B1; DE19848649C2; DE19848649C5; ES2222045T3; DE59909956D1; EP1042601A1; DE19848649A1

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.

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, 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 0,07D (D=Kolbendurchmesser) für Ottomotoren und 0,1D - 0,25D 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 sind in den Unteransprüchen 2 bis 18 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 Ottomotoren bei 0,084D und für Dieselmotoren bei 0,12D bis 0,3D.

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. Erfindungsgemäß beträgt hierzu die Wanddicke des Kolbenschafts etwa 0,05D bis 0,075D, vorzugsweise etwa 0,056D bis 0,07D. Während weiterhin 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 verlaufen. 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. Zusatzliche 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 lassen sich unterschiedliche Wärmedehnkoeffizienten der Zylinderlaufflächen weitgehend durch deren mehr oder weniger starke Kühlung ausgleichen.

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 bei einem Kolben mit Kolbenbodenunterseite als angenäherte Kreiszylinderfläche zur Erläuterung des Prinzips der Krümmung der Kolbenbodenunterseite mit Übergang in die Nabenverdickungen zum besseren Verständnis der in Fig. 6 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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 eines Kolbens;
Fig. 5: einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt eines Kolbens;
Fig. 6: einen zu Fig. 4 analogen Axialschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens;
Fig. 7: eine Teilansicht des Kolbens gem. Fig. 6, gesehen in Richtung des Pfeiles VII in Fig. 6, und
Fig. 8: ein Diagramm, aus dem das Profil eines erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolbens und dessen Spiel gegenüber der Zylinderlauffläche hervorgehen.

Der in 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 Beispiel 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 0,25D, 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 Form 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 R_a 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 R_b, 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 R_a und R_b sind in diesem Fall mit 41 bzw. 12 mm bemessen.

Die Form des Kolbens gemäß Fig. 5 entspricht in Größe und Gestaltung angenähert derjenigen gemäß Fig. 4. Sie weicht davon und von der Form 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'.

Der Kolben gemäß den Fig. 6 und 7 weist wie derjenige gemäß Fig. 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 Form gemäß Fig. 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 (Fig. 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.

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 Flachenverlauf der Kolbenboden-Unterseite 112 bestimmt, läßt sich nach der Formel R'a = rimin + d/2 berechnen. ri bezeichnet den Abstand des Mittelpunkts M von der Kolbenboden-Unterseite 112; r_imin 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.

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.

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.

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 Fig. 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.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist r_amax = D/2. In Fig. 6 ist der dieser Berechnung zugrunde liegende elliptische Hohlkörper kreuzschraffiert eingezeichnet.

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.

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 stehen senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 6. Die große Hauptachse 115 des elliptischen Querschnitts dieses Zylinders liegt ihrerseits rechtwinklig zu der Kolbenachse 114 und auch zu der Achse 153 (vgl. Fig. 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.

In Fig. 7 sind durch Höhenlinien 116, die durch Querschnitte quer zur Kolbenachse 114 entstehen, die Übergangsflächen nur qualitativ angedeutet.

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 Fig. 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.

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 Fig. 4, 5 und 6 ist eine Desaxierung nicht vorgesehen. Deshalb liegt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 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.

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 Übergangs rundungen bzw. -radien vermieden wird.

Die Fig. 8 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

Kohlenstoffkolben 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) bildet, die an die Nabenverdickungen zumindest im oberen Bereich der Nabenbohrung (5) anschließt,
wobei vorgesehen ist,

a) daß die Kolbenboden-Unterseite eine Torusfläche bildet, deren Achse parallel zur Achse (53) der Nabenbohrung (5) liegt, oder

b) 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.
Kolben nach Anspruch 1, gemäß Alternative b),
dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse den Schnittpunkt (M) zwischen der Kolbenachse (114) und der Achse (153) der Nabenbohrung (105 ) enthält.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Kolbenboden-Unterseite tangential in die einander zugewendeten ebenen Stirnflächen (55) der Nabenverdickungen (51) übergeht.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Kolbenboden-Unterseite mit den einander zugewendeten ebenen Stimflächen (55) der Nabenverdickungen (51) eine Verschneidung bildet und die Verschneidung gerundet ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Feuersteg (2) eine kreiszylindrische Außenfläche hat.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Feuersteg (2) eine Kreis-Kegelfläche als Außenfläche hat.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllfläche der Außenflächen des Ringabschnitts (3) bei Kolbendurchmessern bis zu 150 mm eine Kreiszylinderfläche ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche (41) des Kolbenschafts (4) bis zu dem Ringabschnitt eine sich nach oben verjüngende Kegelfläche mit weitgehend geradliniger Kontur ist.
Kolben nach Anspruch 8,
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.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
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.
Kolben nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig neben jeder Nabenöffnung eine Ablauföffnung und eine Öltasche vorgesehen sind.
Kolben nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Öltaschen bogenförmig um die Nabenöffnung (5) herum verlaufen.
Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kohlenstoffkolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
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.
Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kohlenstoffkolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
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.
Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kohlenstoffkolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
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.
Kolben/Zylinder-Paarung nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kolben mit Ovalität das Einbauspiel quer zur Kolbenbolzenachse festgelegt ist.
Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtmetall-Lauffläche eine Beschichtung mit Nickel mit einem hohen Anteil von Siliziumcarbid oder eine keramische Beschichtung aufweist.
Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtmetall-Lauffläche durch eine Zylinderbüchse aus einem Leichtmetall /Keramik-Verbund gebildet ist.