DE2938018A1

DE2938018A1 - Kolben fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2938018A1
Application number: DE19792938018
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Dr. Siegfried 8074 Gaimersheim Schäper
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG; Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1979-09-20
Filing date: 1979-09-20
Publication date: 1981-04-02

Description

Kolben für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Ein derartiger Kolben ist in der Zeitschrift "Design Engineering" Ausgabe Februar 1969 beschrieben. Die oberhalb und unterhalb der Kolbenbolzenaugen direkt um den Schaft des Leichtmetallkolbens gewickelten, mit hochtemperaturbeständigem Epoxidharz imprägnierten Kohlenstoffasern sollen der Ausdehnung des Leichtmetallkolbens entgegenwirken, um ein geringes Einbauspiel des Kolbens in dem korrespondierenden Zylinder zu ermöglichen. Aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit und der sehr geringen Wärmedehnung sind die Kohlenstoffasern für diesen Zweck besonders geeignet; aufgrund der begrenzten Temperaturbeständigkeit des Epoxidharzes ist die Anwendung jedoch auf Bereiche des Kolbens beschränkt, die Temperaturen von über 2500C nicht wesentlich überschreiten.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Brennkraftmaschinen ist auch schon vorgeschlagen worden, die Kolben aus Keramikmaterial herzustellen. Diese können Temperaturen bis zu 15000C standhalten.
Durch die Massen- und Gaskräfte können bei derartigen Keramikkolben im Bereich um die Mitte des Kolbenbodens kritische Zugspannungen auftreten, die schließlich zu Rissen oder Brüchen führen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei Kolben aus Keramikwerkstoffen am Kolbenboden auftretenden Zugspannungen zu verringern.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst.
Der erfindungsgemäß im Bereich des Kolbenbodens über den Umfang des Kolbens aufgebrachte Ring aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff behält bis zu Temperaturen von über 15000C eine ausreichende Festigkeit, um aufgrund einer Druckvorspannung die Zugspannungen innerhalb des Kolbenbodens zu verringern. Einerseits mittels der Montagepassung und andererseits mittels des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der über den Faser-Wickelwinkel auch positiv einstellbar ist, lassen sich gewünschte Vorspannungen für zwei Betriebszustände, z.B. für den Montage- und den Höchsttemperaturzustand unabhängig voneinander einstellen.
Die Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Es stellen dar: Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben und FIg. 2 eine perspektivische Ansicht eines Rohlings, wie er für die Herstellung eines aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff bestehenden Ringes verwendet wird.
Die Figur 1 zeigt einen Kolben 2 für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine. Der Kolben 2 ist aus einem reaktionsgesintertem Siliziumkarbid hergestellt und setzt sich im wesentlichen. aus einem Kolbenboden 4 und einem Kolbenschaft 6 zusammen. Im Kolbenschaft 6 sind in bekannter Weise drei Kolbenringnuten 8, 10,. 12 und eine Bohrung 14 für die Aufnahme eines nicht dargestellten Kolbenbolzens eingebracht.
Um die etwa im Mittel des Kolbenbodens aufgrund von Massen- und Gaskräften auftretenden Zugspannungen zu vermindern, ist in Höhe des Kolbenbodens 4 auf einem im Durchmesser stufenförmig zurückgesetzten Ansatz 16 ein Ring 18 aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff aufgesetzt, der auf den Kolbenboden 4 eine Druckspannung ausübt. Der Ring 18 ist an seinen Außenflächen mit einer Siliziumkarbid-Beschichtung 20 versehen.
Die Herstellung des beschriebenen Kolbens ist wie folgt: Der Kolben wird nach seiner Formgebung in bekannter Weise, beispielsweise durch Brennen von Keramikwerkstoff und anschließendem Nitrieren hergestellt.
Zur Herstellung des Ringes 18 werden um einen zylindrischen Kern 22 (siehe Figur 2) Fasern 24 aus Kohlenstoff oder einem Kohlestoffvorprodukt in mehreren Lagen aufgebracht. In Figur 2 sind zwei Lagen dargestellt, von denen die Fasern 24 der einen Lage mit der Umfangsrichtung einen Winkel OC und die Fasern 24 der anderen Lage -it der Umfangsrichtung einen Winkel - Ct bilden. Die benachbarten Fasern 24 sind der Deutlichkeit halber mit großem Abstand zueinander dargestellt. Es versteht sich, daß die Fasern 24 dicht nebeneinander gewickelt sind.
Die Fasern 24 sind mit einem Matrixmaterial, beispielsweise einem Phenolharz , getränkt. Nach dem Aushärten des Harzes werden von dem entstandenen Zylinder Ringe 18 abgestochen. Der Innendurchmesser und die axiale Länge des ringförmigen Vorformlings sind so ausgelegt, daß sich mit der in dem folgenden Prozessen einstellenden Schwindung in etwa die Außenmaße des Ansatzes 16 am Kolben 2 ergeben.
Die Ringe 18 werden bei Temperaturen über 1000°C einer Pyrolyse unterzogen. Entstehende Porösitäten der Ringe werden mit Pech oder einem Kunstharz, beispielsweise Phenolharz, imprägniert. Die imprägnierten Ringe werden nochmals pyrolysiert.
Die entstehenden Ringe aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff (CFCJ werden spanend auf Maß bearbeitet. Die im späteren Betrieb mit brennenden Gasen in Berührung kommenden Oberflächenbereiche der Ringe 18 werden gegen Abbrand geschützt, in dem durch thermisches Spritzen eine Silizium-Karbid-Beschichtung 20 aufgebracht wird. Möglich ist aber auch der Schutz durch eine galvanisch aufgebrachte Metallisierung.
Der Ring 18 wird auf dem Ansatz 16 des Kolbens 2 beispielsweise durch Aufschrumpfen befestigt. Dazu wird der in Faserrichtung negative thermische Ausdehnungskoeffizient der Kohlenstoffasern 22 ausgenützt, mit Hilfe dessen durch Wahl des Wickelwinkels erreicht werden kann, daß sich der fertige Ring 18 nach Abkühlen des Kolbens 2 und des Ringes 18 auf den Ansatz 16 aufschieben läßt und beim Erwärmen beider Teile auf den Ansatz 16 aufschrumpft. Es versteht sich , daß bei der Dimensionierung die Steifigkeit und die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialen des Kolbens 2 und des Ringes 18 herücksichtigt werden.
Die Beschichtung 20 kann selbstverständlich auch erst nach Aufbringen des Aufienringes 10 auf den Ring 18 hergestellt werden.

Claims

Kolben für Brennkraftmaschinen Aiisprüche 1. Kolben für Brennkraftmaschinen, mit einem Kolbenboden und einem Kolbenschaft und mit einem über den Umfang des Kolbens aufgebrachten, mit Kohlefasern verstärkten Ring, der im Betriebszustand eine Druckspannung auf den Kolben ausübt, d a d u r c h g e k e n n z e ic h n e t , daß der Kolben (2) aus Keramikwerkstoff besteht und daß ein Ring (18) aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff gebildet ist und den Kolben (21 in Höhe des Kolbenbodens (4) umschließt.
2. Kolben nach Anspruch 1, d a d uffirwc h g e k e n n z e i c hn e t , daß der Ring (18) durch Aufschrumpfen auf den Kolben (2) befestigt ist.
3. Kolben nach Anspruch 1, d a d u:r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß auf dem Ring (18) eine Beschichtung (20) aus Silizium-Karbid-aufgebracht ist.
4. Kolben nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Kohlenstoffasern (24) des Ringes (18) in mehreren Lagen angeordnet sind und daß die Fasern (24) zweier Lagen gleichen Winkels zur Umfangsrichtung, jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen , haben.