WO2008019814A1

WO2008019814A1 - Kohlenstoffkolben für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: WO2008019814A1
Application number: PCT/EP2007/007144
Authority: WO
Inventors: Peter Greiner
Original assignee: GEIWITZ, Arndt
Priority date: 2006-08-14
Filing date: 2007-08-13
Publication date: 2008-02-21
Also published as: EP2191123A1; DE102006038180A1; CN101360906A

Abstract

Es wird ein aus Kohlenstoff bestehender Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für PKW und LKW, beschrieben mit einem Kolbenboden (1), einem an den Kolbenboden axial anschließenden Feuersteg (2), einem Ringabschnitt (3) und einem Kolbenschaft mit einer Nabenbohrung zur Aufnahme eines Kolbenbolzens, wobei die Schaftwand auf der Schaftinnenseite zur Ausbildung der Nabe einander gegenüberliegende Verdickungen (51) aufweist, die sich in die Kolbenboden-Unterseite (12) mit einer Rundung hineinerstrecken, wobei die Kolbenboden-Unterseite in dem Bereich zwischen den Nabenverdickungen (51) eine Gewölbefläche (12) bildet, die an die Nabenverdickungen zumindest im oberen Bereich der Nabenbohrung anschließt. Der Kolben weist eine Kohlenstoffmatrix auf, die durch ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung infiltriert ist.

Description

Kohlenstoffkolben für eine Brennkraftmaschine

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 μm-Bereich, welche die Werkstoffkörner darstellen.

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 Fressneigung (vgl. EP 258 330 A1). Aus der EP 1 042 601 B1 ist ein Kohlenstoffkolben für Brennkraftmaschinen bekannt, der sich durch eine werkstoffgerechte Formgebung auszeichnet, wobei die Kolbenboden-Unterseite in dem Bereich zwischen den Nabenverdickungen eine Gewölbefläche bildet.

Gleichwohl ist es bisher nicht gelungen, serienbestimmte Kohlenstoffkolben mit der für PKW₁LKW, Zweiradfahrzeuge und motorbetriebene Arbeitsgeräte 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. Weitere Probleme ergeben sich daraus, dass die Wärmeausdehnungen von Kohlenstoff und Aluminium differieren. Herkömmliche Kohlenstoff- Werkstoffe weisen weiter gegenüber Aluminium eine niedrigere Biegebruchfestigkeit auf.

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 und der die Vorteile eines Kohlenstoffkolbens mit denen eines Aluminiumkolbens vereint.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen aus Kohlenstoff bestehender Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für PKW, LKW,

Zweiradfahrzeuge und motorbetriebene Arbeitsgeräte, mit einem Kolbenboden, einem an den Kolbenboden axial anschließenden Feuersteg, einem Ringabschnitt und einem Kolbenschaft mit einer Nabenbohrung zur Aufnahme eines Kolbenbolzens, wobei die Schaftwand auf der Schaftinnenseite zur Ausbildung der Nabe einander gegenüberliegende Verdickungen aufweist, die sich in die Kolbenboden-Unterseite mit einer Rundung hineinerstrecken, wobei die Kolbenboden-Unterseite in dem Bereich zwischen den Nabenverdickungen eine Gewölbefläche bildet, die an die Nabenverdickungen zumindest im oberen Bereich der Nabenbohrung anschließt, wobei vorgesehen ist, dass die Kohlenstoffmatrix durch ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung infiltriert ist.

Durch die Infiltration der Kohlenstoffmatrix mit Leichtmetall oder einer

Leichtmetalllegierung wird bei dem erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben ein Verbundwerkstoff vorgeschlagen, der die Vorteile des Kohlenstoffkolbens und des Aluminiumkolbens miteinander vereint. Dabei wird von einem Kohlenstoffkolben ausgegangen, der mittels Gasdruckfiltration oder mittels Sqeeze-Cast-Infiltration mit Aluminium infiltriert ist. Bei den beiden Verfahren wird der Kohlenstoffkolben über die Schmelztemperatur des Aluminiums erhitzt und sodann flüssiges Leichtmetall unter Druck in die Poren der Kohlenstoffmatrix gepresst.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolbens ist also auch in Kleinmotoren vorgesehen, wie sie für motorbetriebene Arbeitsgeräte, wie beispielsweise Kettensägen oder Rasenmäher, benötigt werden.

Gleichermaßen sind Motoren für große Arbeitsgeräte, wie Bagger, Krane und dergleichen sowie Antriebsmotoren für Schiffe, Lokomotiven und dergleichen mit dem erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben ausrüstbar.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kohlenstoffmatrix als Feinstkorngraphitmatrix ausgebildet ist. Der aus einer Mischung von Mesophase und Pechbindern bestehende Feinstkorngraphit mit vorzugsweise Korngröße von 1 bis 5 μm eignet sich hervorragend als Hochleistungswerkstoff für Kolben mit Hubkolbenmotoren. Es handelt sich also bei dem vorgeschlagenen Kohlenstoffkolben um einen Kohlenstoffkolben aus modifizierter Mesophase mit einer Infiltration aus Leichtmetall. Durch die leichtmetallische Infiltration wird der Feinstkorngraphit in der Biegebruchfestigkeit um bis zu 120 % erhöht. Vorzugsweise werden Biegebruchfestigkeiten im Bereich von 170 bis 220 MPa am infiltrierten

Kolbenrohling angestrebt, um den hohen Spitzendrücken, wie sie beispielsweise bei Dieselmotoren auftreten können, zu genügen. In einer weiteren vorteilhaften Weiterführung ist vorgesehen, dass der Volumenanteil des Leichtmetalls oder der Leichtmetalllegierung an dem Kolbenvolumen 5 % bis 50 % beträgt. Durch die Änderung des Volumenanteils des Leichtmetalls bzw. der Leichtmetalllegierung können Materialparameter wie Biegebruchfestigkeit, Wärmedehnung, Wärmeleitfähigkeit eingestellt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass der Volumenanteil des Leichtmetalls oder der Leichtmetalllegierung an dem Kolbenvolumen 5 % bis 30 % beträgt.

Weiter kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Leichtmetall um Aluminium oder um eine Aluminiumlegierung handelt. Durch die Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung wird eine besonders gute Anpassung an aus Aluminium gefertigte Motorenzylinder erreicht.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass es sich bei dem Leichtmetall um Magnesium oder um eine Magnesiumlegierung handelt. Durch die Verwendung von Magnesium oder einer Magnesiumlegierung wird eine besonders gute Anpassung an aus Magnesiumlegierungen gefertigte Motorenzylinder erreicht, die ein besonders günstiges Leistungsgewicht aufweisen.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind auf die Kohlenstoffmatrix gerichtet.

Es kann vorgesehen sein, dass die offenen Poren in der Kohlenstoff matrix überwiegend, d.h. zu mindestens 68 %, eine Porengrösse zwischen 0,6 μm und 1 ,0 μm aufweisen, wobei die kleinste Porengrösse ca. 0,3 μm beträgt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass die Poren in der Kohlenstoffmatrix überwiegend eine Porengrösse zwischen 0,4 μm und 0,8 μm aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass der Elastizitätsmodul des Kolbenwerkstoffs zwischen 12 GPa bis 30 GPa liegt und die Biegebruchfestigkeit zwischen 120 MPa bis 220 MPa liegt. Mit diesen Werkstoffparametern liegt ein Kolbenwerkstoff vor, der den Einsatz der erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben bzw. Feinstkorngraphitkolben im Dauerbetrieb mit hoher Zuverlässigkeit und höchster Temperaturfestigkeit ermöglicht. Während der herkömmliche Aluminiumkolben bei thermischer Beaufschlagung bis zu 50 % und mehr an Biegebruchfestigkeit verliert, bleibt der infiltrierte Kolben aus Feinstkorngraphit im Festigkeitsniveau über den gesamten Betriebstemperaturbereich konstant gleich.

Weiter kann vorgesehen sein, dass die Dichte des Kolbens zwischen 1 ,8 g/cm³ und 2,4 g/cm³ liegt.

Die Wärmeleitfähigkeit des Kolbens kann zwischen 30 W/m*K und 200 W/nvK liegen. Auf diese Weise kann auch die Wärmeleitfähigkeit des Kolben Werkstoffs optimal an die Wärmeleitfähigkeit des Zylinders und/oder des Kurbelgehäuses angepasst werden, vorzugsweise durch adaptive Optimierung.

Es kann vorgesehen sein, dass die an der Kolbenboden-Unterseite ausgebildete Gewölbefläche unabhängig von der Flächengestaltung der Kolbenboden-Oberseite ist.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Ansprüchen 13 bis 23 auf die Ausbildung der Kolbenboden-Unterseite gerichtet.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Ansprüchen 24 bis 31 auf weitere Bereiche des Kolbens gerichtet, wie beispielsweise auf die Ausbildung des Feuerstegs.

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.

Als Ausgangswerkstoff für die Kohlenstoffmatrix des Kohlenstoffkolben kann, wie weiter oben beschrieben, ein modifizierter Kohlenstoff bzw. Kohlenstoff aus der Mesophase vorgesehen sein, der eine Biegebruchfestigkeit im Bereich von ca. 65 MPa bis ca. 160 MPa aufweist, z. B. aus einem Feinstkorngraphit, der aus einem bindemittelfreien Kohlenstoff, einer sogenannten Mesophase, hergestellt ist und mit geeigneten Pechbindern versehen 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 μm-Bereich, welche die Werkstoffkörner darstellen. Durch eine besondere Mischung aus Mesophase mit Pechbindern wird ein Feinstkorngraphit mit Korngrößen im Bereich von 1 bis 10 μm hergestellt, der im Endzustand eine offene Porosität aufweist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt längs der Linie l-l in Fig. 3 mit Teilansicht der Kolbenaußenfläche; Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie INI in Fig. 3 mit Teilansicht der Kolbenaußenfläche;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie Ill-Ill 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;

Fig. 6 einen zu Fig. 4 analogen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens;

Fig. 7 eine Teilansicht des Kolbens gemäß 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 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 1 1 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.

Der Kolben besteht aus einer Kohlenstoffmatrix, in deren Poren Aluminium eingebracht ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Kohlenstoff um Feinstkorngraphit. Der Kolben wurde zunächst als ein poröser Kohlenstoffkolben ausgeführt und sodann mittels Sqeeze-Cast- Infiltration mit Aluminium infiltriert. Dazu wurde der Kohlenstoffkolben auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium aufgeheizt und sodann in die Gießform der Sqeeze-Cast-Anlage gestellt. Die Gießform wurde geschlossen, flüssiges Aluminium in die Gießkammer gefüllt und das Aluminium mittels eines Presskolbens in die Poren des Kohlenstoffkolbens gepresst. Es kann auch vorgesehen sein, das Aluminium unter Anlegen von Vakuum und anschließend von Druckgas, z.B. Stickstoff, in die Poren des Kohlenstoffkolbens zu pressen (Gasdruckinfiltration).

Der so mit Aluminium infiltrierte Kohlenstoffkolben wies folgende Parameter auf, wobei Feinstkorngraphit mit der Werkstoffbezeichnung FU 4617 (Fa. Schunk) verwendet wurde:

- Volumenanteil des Aluminiums am Kolbenvolumen: 19 %

- mittlere Porengrösse der Kohlenstoffmatrix (vor Infiltration): 0,35 μm - Elastizitätsmodul (Youngs Modulus) des Kolbens: 22 GPa

- Biegebruchfestigkeit: 182 MPa

- Dichte des Kolbens: 2,2 g/cm³

- Wärmeleitfähigkeit des Kolbens: 92 W/nτK

- Ausdehnungskoeffizient: 8,8x10^'6/K

Als Optimum gilt ein mit Aluminium infiltrierter Feinstkorngraphit, der folgende bevorzugte physikalische Daten aufweist:

- Biegebruchfestigkeit: 180 bis 220 MPa - Youngs Modulus: 18 bis 24 GPa

- Dichte: 2,0 bis 2,25 g/cm³

- Wärmeleitfähigkeit: 90 bis 140 W/m K

In dem Ringabschnitt 3 sind für nicht gezeigte Kolbenringe drei Ringnuten 31 ausgebildet, von denen die unterste Ringnut zur Aufnahme eines ölabstreifrings dient. Der Nutgrund der Nut ist jeweils mit Rundungsradien ausgebildet, um Spannungen an schroffen Übergängen zu vermeiden. 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. Die öltasche kann auch senkrechtflächig ausgebildet sein.

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 eine 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 Aluminiumoder Graugusskolbens liegt. Fig. 4 zeigt im Längsschnitt einen Kohlenstoffkolben mit 10 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 quer zur Kolbenbolzenachse aus drei Kreiszylinderflächen zusammensetzt. So weist der überwiegende Teil a dieser Fläche einen Radius R₃ 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 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'.

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 Ausführungsform 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 B¹ für die Radien R'b liegt jeweils auf der großen Hauptachse 115. Der Radius R'_a, der im wesentlichen den Flächenverlauf der Kolbenboden-Unterseite 112 bestimmt, läßt sich nach der Formel

R'a = Timm + d/2 berechnen, η 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 A¹ auf der Kolbenachse 114 und die Lage der Mittelpunkte B¹ 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 = r,/r_a = 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 10 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 1 14 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 KolbenbodenUnterseite 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 Übergangsrundungen bzw. -radien vermieden wird.

Die Fig. 8 zeigt den Formverlauf 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 Zylinderlauffläche 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 25 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

Ansprüche

1. Aus Kohlenstoff bestehender Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für PKW₁ LKW, Zweiradfahrzeuge und motorbetriebene

Arbeitsgeräte, 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, wobei die Kolbenboden-Unterseite in dem Bereich zwischen den Nabenverdickungen (51) eine Gewölbefläche (12) bildet, die an die

Nabenverdickungen zumindest im oberen Bereich der Nabenbohrung (5) anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffmatrix durch ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung infiltriert ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffmatrix als Feinstkorngraphitmatrix ausgebildet ist.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil des Leichtmetalls oder der Leichtmetalllegierung an dem Kolbenvolumen 5 % bis 50 % beträgt.

4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil des Leichtmetalls oder der Leichtmetalllegierung an dem Kolbenvolumen 5 % bis 30 % beträgt.

5. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Leichtmetall um Aluminium oder um eine Aluminiumlegierung handelt.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Leichtmetall um Magnesium oder um eine Magnesiumlegierung handelt.

7. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Poren in der Kohlenstoffmatrix zu mindestens 68 % eine Porengrösse zwischen 0,6 μm und 1,0 μm aufweisen, wobei die kleinste

Porengrösse ca.0,3 μm beträgt.

8. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des Kolbenwerkstoffs zwischen 12 GPa bis 30

GPa liegt und die Biegebruchfestigkeit zwischen 120 MPa bis 220 MPa liegt.

9. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Kolbens zwischen 1,8 g/cm³ und 2,4 g/cm³ liegt.

10. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Kolbens zwischen 30 W/m^»K und 200 W/nτK liegt.

11. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Kolbenboden-Unterseite ausgebildete Gewölbefläche (12) unabhängig von der Flächengestaltung der Kolbenboden-Oberseite ist.

12. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenboden-Unterseite eine Kuppelfläche in Form einer Teilkugelfläche bildet.

13. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenboden-Unterseite eine Torusfläche bildet, deren Achse parallel zur Achse (53) der Nabenbohrung (5) verläuft.

14. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenboden-Unterseite angenähert eine Kreiszylinderfläche (12) bildet, deren Achse parallel zur Achse (53) der Nabenbohrung (5) verläuft.

15. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenboden-Unterseite (112) eine Teilfläche eines Zylinders mit elliptischem Querschnitt bildet, dessen Achse rechtwinklig zu der Kolbenachse (114) und parallel zu der Achse (153) der Nabenbohrung (105) liegt.

16. Kolben nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Zylinders mit der Achse (153) der Nabenbohrung (105) zusammenfällt und die große Hauptachse (115) des elliptischen Querschnitts rechtwinklig zu der Kolbenachse (114) und zu der Achse

(153) der Nabenbohrung liegt.

17. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenboden-Unterseite (112) eine Teilfläche eines

Rotationsellipsoids bildet, dessen große Hauptachse (115) rechtwinklig zu der Kolbenachse (114) liegt und dessen Rotationsachse mit der Kolbenachse (114) zusammenfällt.

18. Kolben nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die große Hauptachse (115) des Rotationsellipsoids den

Schnittpunkt (M) zwischen der Kolbenachse (114) und der Achse (153) der Nabenbohrung (105) enthält.

19. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, 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.

20. Kolben nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse den Schnittpunkt (M) zwischen der Kolbenachse (114) und der Achse (153) der Nabenbohrung (105 ) enthält.

21. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Kolbenboden-Unterseite tangential in die einander zugewendeten ebenen Stirnflächen (55) der Nabenverdickungen (51) übergeht.

22. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Kolbenboden-Unterseite mit den einander zugewendeten ebenen Stirnflächen (55) der Nabenverdickungen (51) eine Verschneidung bildet und die Verschneidung gerundet ist.

23. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuersteg (2) eine kreiszylindrische Außenfläche hat.

24. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuersteg (2) eine Kreis-Kegelfläche als Außenfläche hat.

25. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllfläche der Außenflächen des Ringabschnitts (3) bei Kolbendurchmessern bis zu 150 mm eine Kreiszylinderfläche ist.

26. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (41) des Kolbenschafts (4) bis zu dem Ringabschnitt eine sich nach oben verjüngende Kegelfläche mit weitgehend geradliniger Kontur ist.

27. Kolben nach Anspruch 26, 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.

28. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, 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.

29. Kolben nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig neben jeder Nabenöffnung eine Ablauföffnung und eine Öltasche vorgesehen sind.

30. Kolben nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die öltaschen bogenförmig um die Nabenöffnung (5) herum verlaufen oder als Fläche geradlinig senkrecht oder schräg nach unten hin.

31. Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 30, 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.

32. Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 30, 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.

33. Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 30, 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.

34. Kolben/Zylinder-Paarung nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kolben mit Ovalität das Einbauspiel quer zur Kolbenbolzenachse festgelegt ist.

35. Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetall-Lauffläche eine Beschichtung mit Nickel mit einem hohen Anteil von Siliziumcarbid oder eine keramische Beschichtung aufweist.

36. Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetall-Lauffläche durch eine Zylinderbüchse aus einem Leichtmetall /Keramik-Verbund gebildet ist.

37. Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche durch eine Zylinderbüchse aus Grauguss oder einer Grauguss-Legierung gebildet ist.

38. Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderbüchse aus Stahl oder einer Stahllegierung gebildet ist.