DE3001921A1 - Carbon piston for IC engines - produced by pyrolysis with embedded carbon fibre woven cloth and directional rovings - Google Patents

Carbon piston for IC engines - produced by pyrolysis with embedded carbon fibre woven cloth and directional rovings

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Abstract

The Parent Patent 2912786 described a piston for an internal combustion engine which consists of a piston head and a piston skirt with two gudgeon pin bosses, all made of pitch or synthetic resin, which has been converted by pyrolysis into carbon and in which carbon fibres are embedded. In an improved version, the carbon fibres are arranged in the shape of a woven or knitted fibre cloth to suit the shape of the piston configuration. In addition, carbon fibre rovings are introduced in the direction of the dynamic stress. Such a piston can be manufactured at a lower cost. The new design is simple enough to be suitable for mass production.

Description

Kolben für Brennkraftmaschinen sowie Pistons for internal combustion engines and

Verfahren zur Herstellung des Kolbens (Zusatz zur Patentanmeldung P 29 12 786.4-12) Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses Kolbens. Method of manufacturing the piston (addendum to patent application P 29 12 786.4-12) The invention relates to a piston for internal combustion engines according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a method to manufacture this piston.

In der Patentanmeldung P 29 12 786.4 wird ein Kolben vorgeschlagen, der aus durch Pyrolyse gebildetem Kohlenstoff mit eingebetteten Xohlenstoffasern besteht. Ein derartiger Kolben weist bei vergleichbarer oder verbesserter Festigkeit gegenüber bekannten Kolben ein geringeres Gewicht auf und unterliegt nahezu keiner Wärmedehnung.In the patent application P 29 12 786.4 a piston is proposed, that of carbon formed by pyrolysis with embedded carbon fibers consists. Such a piston has comparable or improved strength compared to known pistons has a lower weight and is almost not subject to any Thermal expansion.

Aufgabe der Erfindung ist es, den gattungsgemäßen Kolben derart weiterzubilden, daß dessen Herstellungsaufwand verringert werden kann. Zudem soll ein vereinfachtes, für eine Massenfertigung geeignetes Verfahren zur Herstellung des Kolbens geschaffen werden.The object of the invention is to develop the generic piston in such a way that that its manufacturing cost can be reduced. In addition, a simplified, created for a mass production suitable method for manufacturing the piston will.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Das Fasergewirk oder -gewebe kann mittels einer Vorrichtung in der Funktion ähnlich einer Strick- oder Webmaschine mit relativ geringem fertigungstechnischen Aufwand in einer der Konfiguration des Kolbens entsprechenden Form angefertigt werden, wobei aufgrund der Maschenausbildung eine gewünschte Festigkeit des Kolbens erzielt wird.The first-mentioned object is achieved according to the invention by the characterizing Features of claim 1 solved. The knitted or woven fiber fabric can by means of a device in the Function similar to a knitting or weaving machine with relatively little manufacturing effort in one of the configuration of the Piston corresponding shape are made, with due to the mesh formation a desired strength of the piston is achieved.

Durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 kann die Festigkeit des Kolbens in der Kraftflußrichtung mit einfachen Mitteln noch erhöht werden. Die Rovings können handelsüblicher Art sein und mit nur geringem Mehraufwand in das Fasergewirk oder -gewebe mit "eingestrickt" bzw. eingezogen werden.Due to the features of claim 2, the strength of the piston in the direction of force flow can be increased by simple means. The rovings can be of a commercial type and with only little additional effort in the fiber fabric or -Woven fabrics are "knitted in" or drawn in.

Die verfahrensgemäße Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst. Das Fasergewirk oder -gewebe kann entweder auf dem Kern angefertigt oder nach dessen Herstellung über den Kern gestülpt werden. Durch das anschliessende Einbringen des Vorformlings in eine umschließende Form kann bereits eine relativ große Maß genauigkeit des Kolbens hergestellt werden, so daß die spätere Fertigbearbeitung vereinfacht wird. Nach dem Injizieren eines duroplastisch aushärtenden Kunstharzes, z. B. Phenolharz, als Matrixmaterial, kann der Kolben der Form entnommen, von dem Kern entfernt und seiner weiteren Bearbeitung bzw. der Pyrolyse zugeführt werden.The object of the invention according to the method is achieved with the features of claim 3 solved. The knitted or woven fiber fabric can either be on the Core made or put over the core after its manufacture. By the subsequent introduction of the preform into an enclosing mold can already a relatively high degree of accuracy of the piston can be made, so that the later Finishing is simplified. After injecting a thermoset hardening Synthetic resin, e.g. B. phenolic resin, as matrix material, the piston can be removed from the mold, removed from the core and fed to its further processing or pyrolysis will.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 einen ertindungsgemätsen Kolben, der teilweise im Schnitt und während der Injizierung des Matrixmaterials dargestellt ist.An embodiment of the invention is described in more detail below. The drawing shows in Fig. 1 shows a piston according to the invention, the partly shown in section and during the injection of the matrix material is.

Fig. -2 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Fasergewirkes im Bereich um eine Kolbenbolzenbohrung.Fig. -2 is a view of a fiber fabric according to the invention in the area around a piston pin bore.

Fig. 3 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Fasergewebes.3 shows a view of a fiber fabric according to the invention.

Die Fig. 1 zeigt einen Kolben 50 für eine nicht dargestellte Hubkolben-Brennkraftmaschine. Der Kolben 50 besteht aus einem Kolbenschaft 52, einem Kolbenboden 54 und zwei um eine Kolbenbolzenbohrung 56 angeordnete Bolzenaugen 58.Fig. 1 shows a piston 50 for a reciprocating internal combustion engine, not shown. The piston 50 consists of a piston skirt 52, a piston head 54 and two um Pin bosses 58 arranged in a piston pin bore 56.

Der Kolben 50 ist aus einem durch Pyrolyse hergestellten Kohlenstoff gebildet, in dem Kohlenstoffasern 60 in Form eines der Kolbenkonfiguration angepaßten Fasergewirkes eingebettet sind. Der Kolben 50 ist mit drei Kolbenringnuten 64, 66, 68 versehen.The piston 50 is made of a carbon produced by pyrolysis formed, in the carbon fibers 60 in the form of one of the piston configuration adapted Fiber knitted fabric are embedded. The piston 50 is provided with three piston ring grooves 64, 66, 68 provided.

Zusätzlich sind in den Kolben 50 Kohlenstoffaser-Rovings 62 (in der Fig. i als scharze Punkte dargestellt) eingebettet, die in das Fasergewirk eingezogen sind. Die Kohlenstoffaser-Rovings 62 sind in ihrer Haupterstreckung im Bereich des Kolbenschaftes 52 in Umfangsrichtung, im Bereich des Kolbenbodens 54 in Umfangsrichtung, diametral und kreissehnenartig und im Bereich der Bolzenaugen 58 um diese herum ausgerichtet. Die Ausrichtung ist sinngemäß gleich der Anordnung der Kohlenstoffasern 20 der Patentanmeldung P 29 12 786.4 Auf der Außenseite des Kolbenbodens 54 und im Bereich der Kolbenringnuten 64, 66, 68 ist eine verschleißfeste, temperaturbeständige Schutzschicht aus Siliziumkarbid (SiC) mittels Plasmaspritzen aufgetragen.In addition, carbon fiber rovings 62 (in FIG Fig. I shown as black dots) embedded, which is drawn into the fiber fabric are. The main extent of the carbon fiber rovings 62 is in the area of the Piston skirt 52 in the circumferential direction, in the area of the piston head 54 in the circumferential direction, diametrically and chord-like and in the area of the bolt eyes 58 around them aligned. the The alignment is analogously the same as the arrangement the carbon fibers 20 of the patent application P 29 12 786.4 On the outside of the Piston crown 54 and in the area of the piston ring grooves 64, 66, 68 is a wear-resistant, temperature-resistant protective layer made of silicon carbide (SiC) by means of plasma spraying applied.

Bei der Herstellung des Kolbens 50 wird wie folgt verfahren: Auf einen Kern 70 (in der Fig. 1 nur zur Hälfte dargestellt, die andere Hälfte ist spiegelbildlich gleich ausgeführt) wird ein Fasergewirk der in der Fig. 2 näher dargestellten Ausbildung aufgebracht. Als Material dienen z. B. Polyacrylnitril-Fasern, die nach der späteren Pyrolyse die Kohlenstofffasern 60 bilden. Die Fasern 60 sind - wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist - schlaufenartig miteinander verflochten bzw.The procedure for producing the piston 50 is as follows: On one Core 70 (only half shown in FIG. 1, the other half is a mirror image executed the same) is a knitted fiber fabric of the embodiment shown in more detail in FIG. 2 upset. As a material z. B. polyacrylonitrile fibers after the later Pyrolysis forms the carbon fibers 60. The fibers 60 are - as shown in FIG. 2 can be seen - intertwined or

verstrickt. Ausnehmungen oder öffnungen wie z. B. die Kolbenbolzenbohrung 56 sind in das Fasergewirk bereits mit eingearbeitet. Es versteht sich, daß mehrere solche übereinander angeordnete Fasergewirke zu einem dreidimensionalen Fasergewirk verbunden werden können. In dieses Fasergewirk werden zur Verstärkung Kohlenstoffaser-Rovings 62 in der bereits beschriebenen Ausrichtung eingezogen.entangled. Recesses or openings such as B. the piston pin bore 56 are already incorporated into the fiber fabric. It goes without saying that several such superimposed fiber knitted fabrics into a three-dimensional fiber knitted fabric can be connected. Carbon fiber rovings are used for reinforcement in this knitted fiber fabric 62 is drawn in in the orientation already described.

Das Fasergewirk wird durch eine entsprechende Anreihung von Maschen bzw. Schlaufen der Außenkontur des Kolbens entsprechend ausgeführt. In den Kern 70 ist ein zylindrischer Bolzen 72 eingesetzt, dessen Außendurchmesser geringfügig kleiner ist als der Durchmesser des zugehörigen Kolbenbolzens. Während der Herstellung des Fasergewirkes werden die Kolbenbolzenbohrungen 56 und die Kolbenringnuten 64, 66, 68 bereits grob ausgespart.The knitted fiber fabric is created by a corresponding series of stitches or loops of the outer contour of the piston designed accordingly. To the core 70 a cylindrical bolt 72 is inserted, the outer diameter of which is slightly is smaller than the diameter of the associated piston pin. While the manufacture of the fiber fabric are the piston pin bores 56 and the piston ring grooves 64, 66, 68 already roughly cut out.

Nach dem Aufbringen des Fasergewirkes auf den Kern 70 wird eine diesen Vorformling umschließende, der Außenkontur des Kolbens 50 negativ nachgearbeitete Form 74 aufgesetzt,wobei der Bolzen 72 durch die Form 74 hindurch nach außen ragt. Es versteht sich, daß die Form 74 mehrteilig ausgebildet ist und daß bei der Herstellung der Werkzeuge 70 bis 74 die bei der späteren Pyrolyse des Kolbens 50 auftretende Schwindung zu berücksichtigen ist.After the knitted fiber fabric has been applied to the core 70, one of these becomes Preform enclosing the outer contour of the piston 50 negatively reworked Put on the mold 74, the bolt 72 protruding through the mold 74 to the outside. It goes without saying that the mold 74 is constructed in several parts and that during manufacture of the tools 70 to 74 that which occurs during the later pyrolysis of the piston 50 Shrinkage is to be taken into account.

Nach dem Aufsetzen der Form 74 wird in das Fasergewirk ein Phenolharz als Matrixmaterial injiziert. Das Phenolharz wird aus einer Düse 76 über in den Bolzen 72 vorgesehene Kanäle 78, 80 eingepreßt.After the mold 74 has been placed in position, a phenolic resin is incorporated into the fiber fabric injected as matrix material. The phenolic resin is from a nozzle 76 over into the Channels 78, 80 provided for bolts 72 are pressed in.

Nach dem Aushärten des Phenolharzes werden die Form 74, der Bolzen 72 und der Kern 70 entfernt und der so gebildete Kolbenrohling einer ersten Pyrolyse bei einer Temperatur von ca. 1100 OC unterzogen.After the phenolic resin has cured, the mold 74, the bolt 72 and the core 70 removed and the piston blank thus formed a first pyrolysis subjected to a temperature of approx. 1100 OC.

Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wird die Oberfläche des Kolbenrohlings noch mehrmals mit Matrixmaterial imprägniert und jeweils anschließend nochmals einer Pyrolyse unterzogen, wodurch eine glatte, verschleißfeste Oberflächenschicht gebildet wird.The surface is used to improve the mechanical properties of the piston blank is impregnated several times with matrix material and each time afterwards another pyrolysis subjected, creating a smooth, wear-resistant Surface layer is formed.

Vor der Fertigbearbeitung des Kolbens 50 wird auf die Außenseite des Kolbenbodens 54 und bis zur obersten Kolbenringnut 64 nach dem bekannten Plasma-Spritzv.erfahren eine Schutzschicht aus SiC aufgetragen, die einen Abbrand und einen vorzeitigen Verschleiß an den am höchsten beanspruchten Stellen des Kolbens 50 verhindert. Als letzter Arbeitsgang wird der Kolben 50 spanend oder elektroerosiv auf die genauen Endmaße gebracht.Before finishing the piston 50 is on the outside of the Piston crown 54 and up to the topmost piston ring groove 64 according to the known plasma spray method A protective layer of SiC is applied, which has a burn and a premature Prevents wear at the most highly stressed points of the piston 50. as In the last step, the piston 50 is machined or electro-discharge-machined to the exact required Brought final dimensions.

Anstelle eines Fasergewirkes kann erfindungsgemäß auch ein Fasergewebe wie in der Fig. 3 dargestellt Anwendung finden.Instead of a fiber fabric, a fiber fabric can also be used according to the invention as shown in FIG. 3 apply.

Dabei überkreuzen sich die Polyacrylnitrilfasern 60 in einem Winkel von 900 zueinander. Zur Verstärkung des Fasergewebes sind wie bei dem Fasergewirk gemäß Fig. 2 Kohlenstoffaser-Rovings 62 eingearbeitet.The polyacrylonitrile fibers 60 intersect at an angle from 900 to each other. To reinforce the fiber fabric are as with the fiber knitted fabric 2 carbon fiber rovings 62 incorporated.

zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen, der nach Patentanmeldung P 29 12 786.4 aus durch Pyrolysieren von Pech oder Kunstharz umgewandeltem Kohlenstoff besteht, in dem ein Fasergewirk oder ein -gewebe eingebettet ist. Das Fasergewirk bzw. -gewebe ist zusätzlich mit in Kraftflußrichtung ausgerichteten Kohlenstoffaser-Rovings verstärkt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines derartigen Kolbens wird ein Kern mit einem Fasergewirk oder -gewebe überzogen, der so gebildete Vorformling anschließend in eine ihn umschließenden Form eingebracht und mit einem duroplastisch aushärtenden Matrixmaterial gefüllt. Nach dem Aushärten des Matrixmateriales werden die Form und der Kern entfernt und der Xolbenrohling mehrmals einer Pyrolyse unterzogen. Summary The invention relates to a piston for internal combustion engines, according to patent application P 29 12 786.4 by pyrolysing pitch or synthetic resin converted carbon consists in which a fiber knitted fabric or woven fabric is embedded is. The knitted or woven fiber fabric is also aligned in the direction of force flow Reinforced carbon fiber rovings. According to the method of manufacture according to the invention of such a piston, a core is covered with a fiber knitted fabric or fabric, the preform formed in this way is then introduced into a mold surrounding it and filled with a thermosetting matrix material. After hardening of the matrix material, the mold and the core are removed and the Xolben blank subjected to pyrolysis several times.

Claims (4)

Kolben für Brennkraftmaschinen sowie Verfahren zur Herstellung des Kolbens Ansprüche 1. Kolben für Brennkraftmaschinen, der im wesentlichen durch einen Kolbenboden, einen Kolbenschaft und zwei Bolzenaugen gebildet ist und der nach Patentanmeldung P 29 12 786.4 aus durch Pyrolysieren von Pech oder Kunstharz umgewandeltern Kohlenstoff besteht, in den Kohlenstoffasern eingebettet sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kohlenstoffasern (60) in Form eines der Kolbenkonfiguration angepaßten Fasergewirkes oder -gewebes angeordnet sind.Pistons for internal combustion engines and a method for producing the Piston claims 1. Pistons for internal combustion engines, the substantially by a Piston head, a piston skirt and two pin eyes is formed and according to patent application P 29 12 786.4 from carbon converted by pyrolysis of pitch or synthetic resin consists, in which carbon fibers are embedded, d u r c h e n e n c e i c h n e t that the carbon fibers (60) are in the form of one of the piston configurations adapted fiber knitted fabric or fabric are arranged. 2. 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 zusätzlich in Kraftflußrichtung ausgerichtete Kohlenstoffaser-Rovings eingebracht sind.2. Piston according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that carbon fiber rovings additionally aligned in the direction of force flow are introduced. 3. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach Patentanspruc.- 1, bei dem a) auf einen Kern Kohlenstõffasern õder ein Kohlenstoffaser-Vorprodukt in Längs-, Quer- und Umfangsrichtung aufgebracht werden, b) der so gebildete Vorformling mit Pech oder Kunstharz getränkt wird und c) bei Temperaturen größer 1000 "C einer Pyrolyse unterzogen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß d) der Kern (70) mit einem Fasergewirk oder -gewebe überzogen wird, e) der Vorformling anschließend in eine ihn umschließenden Form (74) eingebracht und f) in die Form (74) ein duroplastisch aushärtendes Matrixmaterial injiziert wird.3. A method for producing a piston according to patent claims 1, in which a) on a core of carbon fibers or a carbon fiber intermediate product be applied in the longitudinal, transverse and circumferential directions, b) the preform thus formed is impregnated with pitch or synthetic resin and c) at temperatures greater than 1000 "C a Is subjected to pyrolysis, d u r c h e k e n n z e i c h n e t that d) the Core (70) is covered with a knitted or woven fiber fabric, e) the preform then introduced into a mold (74) surrounding it and f) into the mold (74) a thermosetting hardening matrix material is injected. 4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Kolbenbolzenbohrungen (56) und die Kolbenringnuten (64, 66, 68) beim Herstellen des Fasergewirkes oder -gewebes ausgespart werden.4. The method according to claim 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the piston pin bores (56) and the piston ring grooves (64, 66, 68) be left out when producing the knitted or woven fiber fabric.
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