DE19954334A1

DE19954334A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE19954334A1
Application number: DE1999154334
Authority: DE
Inventors: Roland Linz
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2019-11-12
Also published as: DE19954334C2

Abstract

Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor weist einen Schaft auf, dessen Wand zumindest bereichsweise entlang des Umfangs vollständig aus Kohlenstoff besteht.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem in neuartiger Weise gestalteten Kolbenschaft.

Bekanntermaßen bewegt sich der Kolben eines Verbrennungsmotors in der Zylinderbohrung auf und ab. Hierbei erfolgt die Führung des Kolbens insbesondere durch diejenigen Bereiche des Kolbenschafts, die gewissermaßen einander gegenüberliegend auf beiden Seiten des Kolbenbolzens vorgesehen sind. In diesen Bereichen, also an der Mantelfläche des Kolbenschafts, welche die Druck- bzw. Gegendruckseite des Kolbens bildet, benötigt ein Kolben gute Gleiteigenschaften im Hinblick auf die Bewegung in der Zylinderbohrung. Hierbei sind auch die Notlaufeigenschaften in Betracht zu ziehen, das heißt die Situation, daß wenig oder gar kein Schmieröl zwischen den relativ zueinander bewegten Flächen vorliegt.

Stand der Technik

Aus der DE 41 13 773 C2 ist es beispielsweise bekannt, die Druck- und Gegendruckseite eines Kolbens derart mit einer Beschichtung zu versehen, daß die Beschichtung gegenüber dem Kolbenschacht vorsteht, und die umliegenden Flächen ein wenig zurückgesetzt sind, so daß die Gleitbeschichtung ihre Wirkung besonders gut entfalten kann.

Aus der EP 0 465 022 B1 ist es bekannt, in dem Schaft eines Kolbens einen Einsatz aus Plastwerkstoff vorzusehen. Der Einsatz kann mit verschiedenen Stoffen, unter anderem Kohlenstoff, bevorzugt in Form von Graphit, verstärkt sein.

Die GB 2 129 523 A gibt die Lehre, an einem Kolben den Kolbenkopf aus Metall und den Schaft aus Plastik auszuführen. Das Plastikmaterial des Schaftes kann mit Glas, Metall, organischen oder Metalloxidfasern sowie -drähten verstärkt sein. In der Praxis haben sich die zuletzt beschriebenen Kolben mit teilweise oder vollständig aus Plastik ausgeführten Kolbenschäften nicht durchsetzen können, da sie den Anforderungen in verschiedenerlei Hinsicht nicht gerecht wurden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der derart ausgebildet ist, daß dessen Gleiteigenschaften im Hinblick auf die Bewegung des Kolbenschaftes bezüglich der Zylinderbohrung verbessert sind, und bei dem zusätzlich das für die Kompensation von Wärmedehnung erforderliche Laufspiel verringert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen Kolben.

Demzufolge wird erfindungsgemäß ein Kolben geschaffen, der einen Schaft aufweist, dessen Wand zumindest bereichsweise entlang des Umfangs vollständig aus Kohlenstoff besteht. Hierunter wird im Zusammenhang mit der Erfindung verstanden, daß die gesamte Wanddicke des Kolbenschaftes zumindest bereichsweise durch Kohlenstoff gebildet wird. Mit anderen Worten handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Maßnahme nicht um eine Beschichtung der Oberfläche des Kolbenschaftes mit Kohlenstoff oder einem sonstigen geeigneten Element. Vielmehr wird die Wand des Kolbenschaftes selbst zumindest bereichsweise durch Kohlenstoff gebildet.

Dies bietet erhebliche Vorteile im Hinblick auf die Gleiteigenschaften. Der Werkstoff Kohlenstoff besitzt nämlich hervorragende Gleiteigenschaften gegenüber sämtlichen Metallwerkstoffen und verfügt darüber hinaus über besonders gute Notlaufeigenschaften. Dies bedeutet, daß die Kohlenstoffbereiche, die zumindest teilweise den Kolbenschaft bilden, auch bei einer sogenannten Mischreibung oder sogar im Fall einer Trockenreibung, wenn also kein Schmieröl vorhanden ist, noch eine Bewegung des Kolbens in der Zylinderbohrung ermöglichen, ohne daß die Gefahr eines Kolbenfressers besteht.

Darüber hinaus besitzt Kohlenstoff einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der kleiner ist als der von Eisenwerkstoffen, so daß das vorzusehende Laufspiel verringert werden kann. Verglichen mit dem kalten Zustand dehnt sich der Kolbenschaft, der zumindest bereichsweise aus Kohlenstoff besteht, nämlich deutlich weniger aus als ein Kolbenschaft aus Eisenwerkstoff, so daß für diese Dehnung im kalten (Einbau-) Zustand des Kolbens ein deutlich geringeres Einbauspiel vorgesehen werden muß. Darüber hinaus bietet der erfindungsgemäße Kolben den Vorteil, daß keine getrennte Oberflächenbehandlung, beispielsweise in Form einer Beschichtung, erforderlich ist. Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens. Es sei noch erwähnt, daß der Kolbenschaft vollständig aus Kohlenstoff ausgeführt werden kann, was insbesondere bei der Ausführung als Pendelschaftkolben vorteilhaft ist. Hierbei ergeben sich auch gegenüber einem Schaft aus Aluminium die Vorteile im Hinblick auf die Gleiteigenschaften, die geringere Masse des Kolbenschafts sowie den um den Faktor 2,2 geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Die Herstellung derjenigen Wandabschnitte, die vollständig aus Kohlenstoff ausgeführt sind, erfolgt im wesentlichen dadurch, daß ein Kohlenstoffgranulat unter hohem Druck und hoher Temperatur gepreßt wird. Nachfolgend wird es in kohlenstoffhaltiger Atmosphäre graphitiert. Zu den Einzelheiten der Herstellung eines derartigen Formteils aus Kohlenstoff sei auf die DE 196 28 965 C2 verwiesen, deren Offenbarung zu diesem Gesichtspunkt hiermit vollinhaltlich zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Schließlich sei auf die Unternehmen Schunk und Poco (USA) verwiesen, die derartige Formteile auf dem Markt anbieten.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Während es, wie oben erwähnt, grundsätzlich denkbar ist, daß der Kolbenschaft vollständig aus Kohlenstoff ausgeführt ist, wird bevorzugt, daß der Kolbenschaft bereichsweise ausgespart ist, und daß in die Aussparung(en) zumindest ein Gleitelement aus Kohlenstoff eingesetzt ist. Dieses Gleitelement kann in vorteilhafter Weise mit einfachen Maßnahmen so gestaltet werden, daß es gegenüber den umliegenden Flächen des Kolbenschafts vorsteht. Hierdurch wird gewährleistet, daß die mit der Innenfläche der Zylinderbohrung zusammenwirkende Gleitfläche durch den oder die Gleiteinsätze aus Kohlenstoff gebildet wird, was zu den vorangehend beschriebenen Vorteilen führt.

Die Gleiteigenschaften des neuartigen Kolbens können besonders zuverlässig verbessert werden, und das Gewicht des Kolbens kann besonders stark verringert werden, wenn der Kolbenschaft auf der Druck- und/oder Gegendruckseite derart umfangreich ausgespart ist, daß lediglich ein vergleichsweise schmaler Rahmen verbleibt, in den ein vergleichsweise großes Gleitelement aus Kohlenstoff eingesetzt ist. In diesem Fall bildet der verbleibende Rahmen des Kolbenstoffs gewissermaßen das Skelett oder Gerüst des Kolbenschafts, und die mit der Zylinderbohrung in Berührung kommende Wand des Kolbenschafts wird durch das großflächige eingesetzte Gleitelement gebildet.

Bei Versuchen hat sich ergeben, daß ein formschlüssiges Einsetzen des Gleitelements aus Kohlenstoff Vorteile im Hinblick auf die Anbringung des Gleitelements bietet.

Alternativ ist eine Ausführungsform denkbar, bei der auf der Druck- und/oder Gegendruckseite mehrere kleinere Aussparungen vorgesehen sind, in die jeweils ein Gleitelement eingesetzt ist. Untersuchungen haben ergeben, daß (in einer Seitenansicht gesehen) der Kolbenschaft nicht in jeder Höhe entlang der Kolbenachse über seine gesamte Breite belastet wird bzw. "trägt". Es sind deshalb Kolben bekannt, bei denen der Kolbenschaft in der Richtung der Kolbenachse hinsichtlich seiner Breite variiert ist. Insbesondere in solchen Anwendungsfällen bietet es für den erfindungsgemäßen Kolben Vorteile, wenn dementsprechend mehrere kleinere Ausnehmungen vorgesehen und mit einem jeweiligen Gleitelement aus Kohlenstoff versehen sind, so daß ebenfalls entlang der Höhe des Kolbens auf einer unterschiedlichen Breite die erforderlichen Gleiteinsätze ausgebildet werden können.

Hierbei wird derzeit bevorzugt, daß der erfindungsgemäße Kolben in einem dem Kolbenboden näheren Bereich entlang seines Umfangs(also gemäß einer Seitenansicht entlang der Breite) mit mehr Aussparungen versehen ist, oder ein größerer Bereich ausgespart ist, als dies in einem dem Kolbenboden ferner liegenden Bereich der Fall ist. Mit anderen Worten wird in einem dem Kolbenboden näheren Bereich eine breitere Gleitfläche durch die erfindungsgemäß aus Kohlenstoff ausgeführten Zonen gebildet.

Besondere Vorteile lassen sich gemäß der Erfindung erreichen, wenn der gesamte Schaft aus Kohlenstoff ausgeführt ist.

Insbesondere können hierbei die Vorteile im Hinblick auf die geringere Masse des Kolbenschaftes sowie die über den gesamten Kolben gewährleisteten günstigen Gleiteigenschaften erhalten werden. Hierbei ist es beispielsweise denkbar, daß unterhalb des Kolbenkopfes, der aus Metall ausgeführt ist, ein "Skelett" ausgebildet wird, das den vollständig aus Kohlenstoff ausgeführten Schaft trägt und fest mit den übrigen Abschnitten des Kolbens verbindet.

Bei Versuchen wurden besonders gute Ergebnisse mit Kolbenschäften von Pendelkolben erzielt, die vollständig aus Kohlenstoff ausgeführt waren. Bei einem sogenannten Pendelkolben setzt sich der Kolbenkopf im wesentlichen gabelförmig nach unten hin zu dem Bereich des Kolbenbolzens fort. Der Schaft ist im allgemeinen lose über dem Kolbenbolzen angebracht und wird von diesem mitgetragen. Mit anderen Worten besteht keine starre Verbindung zwischen dem Kolbenkopf und dem Schaft, vielmehr können diese beiden Elemente des Kolbens bezüglich einander "pendeln". In herkömmlicher Weise wurde der Schaft eines derartigen Pendelkolbens aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgeführt. Gemäß der Erfindung kann der Schaft eines Pendelkolbens aus Kohlenstoff ausgeführt werden, wodurch sich gegenüber dem herkömmlichen Schaft aus Aluminium die besonderen Vorteile unter dem Gesichtspunkt der Gleiteigenschaften, der geringeren Masse des Kolbenschafts und des um den Faktor 2,2 geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten erreichen lassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier beispielhaft in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kolbens in Richtung der Kolbenbolzenachse gesehen;

Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. 1 gezeigten Kolbens aus einem gegenüber der Fig. 1 um 90° versetzten Blickwinkel; und

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Kolben 10 an den zu beiden Seiten der Kolbenbolzennabe 12 liegenden Bereichen Kolbenschaftwände 14 auf, die entlang ihrer Dicke vollständig aus Kohlenstoff bestehen. Diese sind in die jeweilige Zone des Kolbenschafts des aus Stahl ausgeführten Kolbens 10 formschlüssig eingesetzt. Wie aus der schematischen Figur in übertriebener Darstellung zu erkennen ist, stehen die Schaftwände 14 hierbei gegenüber dem Rahmen 16, der durch den verbleibenden Abschnitt des Kolbenschafts gebildet wird, ein wenig vor. Hierdurch wird gewährleistet, daß der erfindungsgemäße Kolben 10 über die aus Kohlenstoff ausgeführten Kolbenwände 14 in Berührung mit der Zylinderbohrung gelangt.

In Fig. 2 ist ergänzend das Ausmaß des Gleitelements 14 aus Kohlenstoff in Form eines weitgehend die gesamte Schaftwand bildenden Einsatzes zu erkennen. Mit anderen Worten wird der Kolbenschaft bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sowohl auf der Druck- als auch auf der Gegendruckseite bis in die äußerste Nähe zu seinen Randbereichen derart ausgespart, daß lediglich ein Rahmen 16 verbleibt. In diesen Rahmen 16 wird das Gleitelement 14 aus Kohlenstoff, das gewissermaßen eine sich über einen wesentlichen Teil des Umfangs erstreckende Schale bildet, eingesetzt. Hierbei ist die Aussparung entlang der Wandachse gestuft, so daß die Lage des formschlüssig eingesetzten Gleitelements 14 definiert ist. In dem gezeigten Fall weist das Gleitelement 14 harmonisch abgerundete Ecken auf.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist die "Breite" (gemäß der Darstellung von Fig. 3) des Kolbenschaftes entlang der Kolbenachse 18 verändert. Diese ist in einem oberen, das heißt dem Kolbenboden näheren Bereich deutlich größer als in einem unteren, dem Kolbenboden ferneren Bereich. Dementsprechend werden bei einer derartigen Ausführungsform die mit den Innenflächen der Zylinderbohrung zusammenwirkenden Gleitflächen durch mehrere kleinere Kohlenstoff-Gleitelemente 20 mit abgerundeten Ecken gebildet, die in abgestufte Aussparungen eingesetzt sind. Insbesondere sind in dem gezeigten Fall im oberen Bereich des Kolbenschaftes zwei weitgehend rechteckige Kohlenstoff- Gleitelemente 20 in entsprechende Aussparungen eingesetzt, während sich am unteren Ende des Kolbens 10 nur ein einziges derartiges Gleitelement 20 befindet. Auch in dieser Ausführungsform kann durch entsprechende Maßnahmen sichergestellt werden, daß die Gleitelemente 20 gegenüber den umgebenden Flächen des Kolbenschafts zumindest geringfügig vorstehen, so daß die Berührung mit den Innenflächen der Zylinderbohrung an den Gleitelementen 20 erfolgt und zu den oben erläuterten, hervorragenden Gleiteigenschaften führt.

Claims

1. Kolben (10) für Verbrennungsmotoren aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, mit einem Schaft, dessen Wand zumindest bereichsweise entlang des Umfangs vollständig aus Kohlenstoff besteht.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft bereichsweise ausgespart ist, wobei in die Ausnehmung(en) zumindest ein Gleitelement (14, 20) aus Kohlenstoff eingesetzt ist.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft auf der Druck- und/oder Gegendruckseite derart ausgespart ist, daß ein vergleichsweise schmaler Rahmen (16) verbleibt, in den ein großflächiges Gleitelement (14) eingesetzt ist.

4. Kolben nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitelement (14, 20) formschlüssig eingesetzt ist.

5. Kolben nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Druck- und/oder Gegendruckseite mehrere Aussparungen vorgesehen sind, in die jeweils ein Gleitelement (20) eingesetzt ist.

6. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dem Kolbenboden nahen Bereich entlang des Umfangs des Kolbenschafts mehr Aussparungen vorgesehen sind, oder ein größerer Bereich ausgespart ist, als in einem dem Kolbenboden ferneren Bereich.

7. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschaft vollständig aus Kohlenstoff ausgeführt ist.

8. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser ein Pendelkolben ist.