DE19954334A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor - Google Patents
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Abstract
Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor weist einen Schaft auf, dessen Wand zumindest bereichsweise entlang des Umfangs vollständig aus Kohlenstoff besteht.
Description
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.
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.
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.
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.
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 (8)
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.
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