EP1042601A1

EP1042601A1 - Carbon piston for an internal combustion engine

Info

Publication number: EP1042601A1
Application number: EP99960799A
Authority: EP
Inventors: Peter Greiner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-22
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2000-10-11
Anticipated expiration: 2019-10-21
Also published as: WO2000025012A1; US6883418B1; DE19848649A1; JP2002528669A; ES2222045T3; DE19848649C2; DE59909956D1; DE19848649C5; EP1042601B1

Abstract

A carbon piston engine having a lower side (112) that forms a domed surface, preferably an ellipsoid surface, in the area between the enlargements of the hub (151) irrespective of the design of the lower side of the piston head, whereby said domed surface is adjacent to the enlargements of the hub. The skirt (104) of the piston has an axial profile in the form of a conical surface with straight-line generatrixes, tapering upwards as it comes into contact with the ring section.

Description

Kohlenstoffkolben für eine Brennkraftmaschine Carbon pistons for an internal combustion engine

Beschreibungdescription

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.The invention relates to a piston made of carbon for an internal combustion engine with the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to various pairings of such a carbon piston with cylinders made of different materials.

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 AI) 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 μ-Bereich, welche die Werkstoffkörner darstellen. Damit werden Biegefestigkeiten von über 200 MPa erreicht.The increasing demands on modern gasoline and diesel engines force, among other things, the use of pistons with a low mass and small construction volume. For this purpose, carbon pistons made of a modified carbon have already been proposed, e.g. B. pressed graphite or hard coal with a certain minimum bending strength (EP-258 330 AI) or those made of a graphite, which is made of a binder-free carbon, a so-called mesophase. The mesophase is a raw material which, as an intermediate product in the liquid phase pyrolysis of hydrocarbons, preferably originates from coal and petroleum-derived pitches, and consists of polyaromatics. From these polyaromatics, mesophase spherulites with a particle size in the μ-range are formed by carbonizing and graphitizing, which Represent material grains. This enables bending strengths of over 200 MPa to be achieved.

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 Verschweißneigung (vgl. EP 258 330 AI). Gleichwohl ist es bisher nicht gelungen, serienbestimmte Kohlenstoffkolben mit der für PKW und LKW 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.Due to the significantly lower coefficient of thermal expansion of the carbon compared to the piston material aluminum, it is possible to keep the play between the piston and the running surface of the cylinder much less. Furthermore, carbon as the piston material gives favorable emergency and cold running properties due to a certain absorption capacity for oil and a lack of tendency to weld (cf. EP 258 330 AI). At the same time, it has so far not been possible to create series-specific carbon pistons with the long service life required for cars and trucks. That is u. a. because, due to the fact that the thermal conductivity of carbon is also considerably lower than that of aluminum, temperature fields occur in carbon pistons during operation, which can differ considerably from the temperature fields to be expected in aluminum pistons.

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, ohne die durch die geringere Dichte des Kohlenstoffs im Vergleich zu Aluminium und die geringere Wärmedehnung erzielbaren Vorteile einzubüßen.The object of the present invention is therefore to propose a carbon piston for internal combustion engines, which allows it to take the place of the standard aluminum pistons with the usual required service life, in particular for cars and trucks, without the reduced density of carbon in the Compared to aluminum and the lower thermal expansion achievable advantages.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch die Gestaltung nach dem Patentanspruch 1.According to the invention, this is achieved by the design according to claim 1.

Bei Aluminiumkolben ist es bekannt, den Übergang der Kolbenboden-Unterseite zum Feuersteg und zu dem dieWith aluminum pistons, it is known to transition from the piston crown underside to the top land and to which

Kolbenringe tragenden Ringabschnitt zu runden, um denTo round the piston ring bearing ring section to the

Wärmefluß zu verbessern. Im übrigen wird jedoch in derTo improve heat flow. For the rest, however, in the

Absicht, die Kolbenmasse möglichst gering zu halten, der Kolbenboden nur nach Festigkeitsgesichtspunkten bemessen. Daraus ergibt sich für die Kolbenbodendicke ein Regelwert von 0,07D ( D=Kolbendurchmesser) für Ottomotoren und 0,1D - 0,25D für Dieselmotoren. Erfindungsgemäß wird jedoch die Kolbenboden-Unterseite unabhängig von der Gestaltung der Kolbenboden-Oberseite als eine Gewölbefläche gestaltet, die auch und gerade in dem Bereich zwischen den Nabenverdickungen zu einer deutlichen Materialansammlung führt. Das hat zur Folge, daß sich im Betrieb ein Temperaturfeld im Kolben einstellt, das eine ovale Ausbildung des Feuerstegs und des Ringabschnitts unnötig macht. Die Möglichkeiten der Ausbildung einer Gewölbefläche an der Kolbenboden-Unterseite sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 angegeben.Intent to keep the piston mass as low as possible Only measure the piston crown according to strength considerations. This results in a control value for the piston crown thickness of 0.07D (D = piston diameter) for gasoline engines and 0.1D - 0.25D for diesel engines. According to the invention, however, the underside of the piston crown is designed as a vaulted surface, regardless of the configuration of the piston crown top, which also and particularly in the area between the hub thickenings leads to a clear accumulation of material. The result of this is that a temperature field is established in the piston during operation, which makes an oval formation of the top land and the ring section unnecessary. The possibilities for forming a vaulted surface on the underside of the piston crown are specified in subclaims 2 to 12.

Obwohl, wie eingangs geschildert, inzwischen Kohlenstoffe mit Biegefestigkeiten zur Verfügung stehen, die an die Biegefestigkeit von Aluminium heranreichen oder sie sogar übertreffen, ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung von Vorteil, die Kolbenbodendicke stärker zu wählen als Festigkeitsgründe dies erfordern. So liegen nunmehr erfindungsgemäß die vorstehenden Regelwerte für die Kolbenbodendicken um 15 bis 20 % höher, d. h. für Ottomotoren bei 0,084D und für Dieselmotoren bei 0,12D bis 0,3D.Although, as described at the outset, carbons with bending strengths are now available which approach or even exceed the bending strength of aluminum, according to a further development of the invention it is advantageous to choose the piston crown thickness to be greater than the strength reasons require. According to the invention, the above-mentioned control values for the piston crown thicknesses are now 15 to 20% higher, ie. H. for petrol engines at 0.084D and for diesel engines at 0.12D to 0.3D.

Infolge der Kuppelfläche der Kolbenboden-Unterseite läßt sich auch die bei Aluminiumkolben ungleiche axiale Durchsenkung des Kolbenbodens bei der Druckbelastung vermeiden oder verringern, die in den Kolbenbodenbereichen zwischen den Nabenverdickungen, d. h. quer zur Kolbenbolzenachse, ein Mehrfaches der Durchsenkung im Bereich der Nabenverdickungen beträgt. Neben der ungleichen Temperaturverteilung ist diese Durchsenkung für die bei Aluminiumkolben notwendige Ovalität des Kolbens, insbesondere des Ringabschnitts und des Kolbenschafts, ursächlich. Bei dem erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben kann die Ovalität bei kleineren Kolbendurchmessern bis 150 mm vollständig vermieden werden, so daß der Kolben durchgehend einen Kreisquerschnitt hat, und im übrigen ein deutlich geringeres Ausmaß haben.As a result of the coupling surface of the piston crown underside, the uneven axial sagging of the piston crown in the case of pressure loading, which is unequal in the case of aluminum pistons, can be avoided or reduced, which in the piston crown areas between the hub thickenings, i.e. transversely to the piston pin axis, is a multiple of the reduction in the area of the hub thickenings. In addition to the unequal temperature distribution, this reduction is the cause of the ovality of the piston necessary in the case of aluminum pistons, in particular of the ring section and the piston skirt. In the case of the carbon piston according to the invention, the ovality can be up to 150 with smaller piston diameters mm are completely avoided, so that the piston has a circular cross-section throughout, and otherwise have a significantly smaller size.

Auch die Ausbildung des Kolbenschafts unterscheidet sich von derjenigen der Aluminiumkolben. So ist auch im Schaftbereich der Querschnitt vergrößert, so daß infolge der verstärkten Anbindung des Kolbenschafts über den Ringabschnitt an den Kolbenboden das im Kolben herrschende Temperaturfeld verändert ist. Erfindungsgemäß beträgt hierzu die Wanddicke des Kolbenschafts etwa 0,05D bis 0,075D, vorzugsweise etwa 0,056D bis 0,07D. Während weiterhin bei Aluminiumkolben das axiale Profil der Kolbenschaft-Mantelfläche im Bereich der Nabe deutlich ballig sein muß, um das unterschiedliche Dehnungsverhalten gegenüber der kühleren Zylinderwand zu beherrschen, kann bei dem erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben auf diese Balligkeit verzichtet werden. Die Mantelfläche des Kolbenschafts kann daher mit Vorteil als Kegelfläche gestaltet werden, deren Erzeugende zwischen dem Anschluß an den Ringabschnitt und dem unteren Schaftrand geradlinig verlaufen. Darüber hinaus ist die Abweichung dieser Kegelfläche von einer Zylinderfläche erheblich geringer als bei dem beschriebenen Profil eines Aluminiumkolbens, d. h. der Durchmesser des Kolbenschaftes bei dem Anschluß an den Ringabschnitt beträgt nur 0,075 bis 0,8 % weniger als der Durchmesser am unteren Schaftrand.The design of the piston skirt also differs from that of the aluminum piston. The cross section is also enlarged in the skirt area, so that the temperature field prevailing in the piston is changed as a result of the reinforced connection of the piston shaft via the ring section to the piston crown. According to the invention, the wall thickness of the piston skirt is approximately 0.05D to 0.075D, preferably approximately 0.056D to 0.07D. Furthermore, while the axial profile of the piston skirt outer surface in the area of the hub must be clearly spherical in the case of aluminum pistons in order to master the different expansion behavior compared to the cooler cylinder wall, this sphericity can be dispensed with in the carbon piston according to the invention. The outer surface of the piston skirt can therefore advantageously be designed as a conical surface, the generatrix of which runs in a straight line between the connection to the ring section and the lower skirt edge. In addition, the deviation of this conical surface from a cylindrical surface is considerably smaller than in the described profile of an aluminum piston, i. H. the diameter of the piston skirt when connecting to the ring section is only 0.075 to 0.8% less than the diameter at the lower skirt edge.

Grundsätzlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben möglich, als Kolbenringe solche einzusetzen, die auch bei den Aluminiumkolben Verwendung finden. Von Vorteil ist es jedoch, mit den Kohlenstoffkolben auch Kolbenringe aus Kohlenstoff einzusetzen, da hierbei unterschiedliches Dehnungsverhalten nicht berücksichtigt werden muß. Die geschilderte Biegefestigkeit und der Elastizitätsmodul der heute zur Verfügung stehenden Kohlenstoffe erlaubt es, die Kolbenringe einstückig in gleicher Weise auszubilden und sie zu montieren, wie dies von metallischen Kolbenringen her bekannt ist. Jedoch können die Kolbenringe aus Kohlenstoff im Querschnitt im Vergleich zu den metallischen Kolbenringen um 10 bis 15 % verringert werden und aufgrund des mit dem Kolben übereinstimmenden Wärmedehnverhaltens können auch in den Ringnuten erheblich geringere axiale Spiele der Kolbenringe zu den Nutflanken gewählt werden. Die bekannte beim Kohlenstoff mit steigender Temperatur zunehmende Festigkeitssteigerung erlaubt es darüber hinaus, auch bei dem dem Feuersteg nächstliegenden Kolbenring in der Ringnut auf gesonderte Ringabstützungen oder dergleichen zu verzichten.In principle, it is possible with the carbon piston according to the invention to use as piston rings those which are also used with the aluminum pistons. However, it is advantageous to also use carbon piston rings with the carbon pistons, since different expansion behavior need not be taken into account here. The described flexural strength and the modulus of elasticity of the carbons available today make it possible to form the piston rings in one piece in the same way and to mount them, as is known from metallic piston rings. However, the piston rings made of carbon can be reduced in cross-section by 10 to 15% in comparison to the metallic piston rings, and due to the thermal expansion behavior which corresponds to the piston, considerably smaller axial clearances of the piston rings to the groove flanks can also be selected in the ring grooves. The known increase in strength in the case of carbon with increasing temperature also makes it possible to dispense with separate ring supports or the like, even with the piston ring in the ring groove closest to the top land.

Um das Spannungs- und Temperaturfeld im Ringabschnitt durch von der Ringnut für den Ölabstreifring ausgehende Bohrungen nicht zu beeinflussen, kann weiterhin daran gedacht sein, anstelle solcher Bohrungen in der unteren Ringnutflanke mindestens eine Ablauföffnung nach außen in der Umgebung der Nabenöffnung vorzusehen, die in eine Öltasche in der Mantelfläche des Kolbenschafts mündet. Zweckmäßigerweise sind beidseits jeder Nabenöffnung zwei AblaufÖffnungen in der Ringnut vorgesehen, die mit je einer bogenförmig um die Nabenöffnung verlaufenden Tasche in Verbindung stehen.In order not to influence the voltage and temperature field in the ring section by bores emanating from the annular groove for the oil scraper ring, it can further be considered to provide at least one drain opening to the outside in the vicinity of the hub opening instead of such bores in the lower annular groove flank opens into the outer surface of the piston skirt. Appropriately, two drain openings are provided in the annular groove on each side of each hub opening, each of which is connected to a pocket running in an arc around the hub opening.

Am Nutgrund der Ringnuten können bei Verwendung von Kohlenstoff-Kolbenringen Radien vorgesehen werden, die in der Größenordnung von etwa 20 bis 50 % der Nutbreite liegen.At the groove bottom of the ring grooves, when using carbon piston rings, radii can be provided which are in the order of about 20 to 50% of the groove width.

Die beschriebene Gestaltung des erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolbens hat auch Auswirkungen auf die Ausführung der Nabe für den Kolbenbolzen. So kann die Bohrung für den Kolbenbolzen abweichend von den bekannten Ausführungen für Aluminiumkolben rein zylindrisch ausgeführt werden, weil Spannungsspitzen in den Bohrungsflächen aufgrund der erkstoffbedingten Dämpfung abgebaut werden. Zusätzliche Bohrungen zur Ölversorgung des Kolbenbolzens sind nicht erforderlich, weil auch bei der möglichen Verwendung eines Kolbenbolzens aus gehärtetem Stahl oder eines Kolbenbolzens aus Keramik (Siliziumnitrid) auf Kohlenstoff gut gleiten.The described design of the carbon piston according to the invention also has an effect on the design of the hub for the piston pin. In this way, the bore for the piston pin can be made purely cylindrical, deviating from the known designs for aluminum pistons, because stress peaks in the bore surfaces are reduced due to the material-related damping. Additional holes for the oil supply to the piston pin are not necessary, because even if a Piston pin made of hardened steel or a piston pin made of ceramic (silicon nitride) slide well on carbon.

Obwohl die beschriebenen Querschnittsvergrößerungen bei dem erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolben zu einer Massenzunahme führen, ergibt sich gegenüber gleich leistungsfähigen Aluminiumkolben eine Reduzierung der Kolbenmasse von 15 bis 25 %. Der Vorteil der geringeren Dichte des Kohlenstoffs im Vergleich zu Aluminium bleibt daher gewahrt. Insgesamt werden bei Einhaltung der vorstehend beschriebenen Gestaltungsprinzipien jedoch die prinzipiell zwar erkannten, jedoch bisher nicht verwirklichbaren Vorteile der Gestaltung von PKW- und LKW-Kolben aus Kohlenstoff erreicht. So lassen sich Spiele zwischen dem Kolben und der Zylinderwandung einstellen, die nur noch etwa 30 % der für Aluminiumkolben notwendigen Spiele betragen. Daraus ergibt sich ein geringer Ölverbrauch und eine niedrige Durchblasmenge, so daß wiederum nur äußerst geringe Ablagerungen durch Verkokung und ein Anstieg des Kompressionsdruckes um mindestens 10 % gegenüber Aluminiumkolben die Folge sind. Durch das geringe Laufspiel am Feuersteg und des gesamten Kolbens an sich erfahren die Kolbenringe eine geringere Belastung, so daß für diese eine höhere Lebensdauer zu erwarten ist.Although the described cross-sectional enlargements lead to an increase in mass in the carbon piston according to the invention, there is a reduction in the piston mass of 15 to 25% compared to aluminum pistons of equal capacity. The advantage of the lower density of carbon compared to aluminum is therefore preserved. Overall, if the design principles described above are adhered to, the advantages of designing car and truck pistons made of carbon, which have been recognized in principle but have not yet been realized, are achieved. This allows games to be set between the piston and the cylinder wall, which are only about 30% of the games required for aluminum pistons. This results in low oil consumption and a low blow-through quantity, so that in turn only extremely small deposits due to coking and an increase in the compression pressure of at least 10% compared to aluminum pistons are the result. Due to the small running play on the top land and the entire piston itself, the piston rings experience less stress, so that a longer service life is to be expected for them.

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.The carbon piston according to the invention can also be combined with different cylinder running surfaces. The installation clearance of the piston to be observed when cold depends on the material selected for the cylinder barrel surface. The games are less when using cylinder treads made of ceramic and become larger with metallic cylinder treads made of aluminum, cast iron or steel. However, different thermal expansion coefficients of the cylinder surfaces can largely be compensated for by their more or less strong cooling.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus den Unteransprüchen. In den Zeichnungen zeigen:Further advantages and features of the invention result from the following description of Exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings and from the subclaims. The drawings show:

Fig. 1 einen Teilschnitt längs der Linie I-I in Fig. 3 mit Teilansicht der Kolbenaußenfläche;Figure 1 is a partial section along the line I-I in Figure 3 with a partial view of the piston outer surface.

Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie II-II in Fig. 3 mit Teilansicht der Kolbenaußenfläche;Figure 2 is a partial section along the line II-II in Figure 3 with a partial view of the piston outer surface.

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1;3 shows a section along the line III-III in Fig. 1.

Fig. 4 einen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens;4 shows an axial section of a further embodiment of a piston according to the invention;

Fig. 5 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens;5 shows a section corresponding to FIG. 2 of a further embodiment of a piston according to the invention;

Fig. 6 einen zu Fig. 4 analogen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens;6 shows an axial section analogous to FIG. 4 of a further embodiment of a piston according to the invention;

Fig. 7 eine Teilansicht des Kolbens gemäß Fig. 6, gesehen in Richtung des Pfeiles VII in Fig. 6, undFig. 7 is a partial view of the piston of FIG. 6, seen in the direction of arrow VII in Fig. 6, and

Fig. 8 ein Diagramm, aus dem das Profil eines erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolbens und dessen Spiel gegenüber der Zylinderlauffläche hervorgehen.Fig. 8 is a diagram showing the profile of a carbon piston according to the invention and its play against the cylinder surface.

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 11 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.The piston for a diesel engine shown in FIGS. 1 to 3 has, in a conventional manner, a piston crown 1, a top land 2, a ring section 3 and a piston skirt 4. A trough 11 is formed on the upper side of the piston head 1. A diametrically opposite hub bore 5 for a piston pin (not shown) opens into the lateral surface 41 of the piston skirt 4 and extends into hub thickenings 51 extending from the inner wall 42 of the piston skirt 4. At the outer end of the hub bore 5 is a groove 52 for a locking ring, not shown, for securing the piston pin available. The hub bore 5 has a transverse axis 53 which corresponds to the piston pin axis.

In dem Ringabschnitt 3 sind für nicht gezeigte Kolbenringe drei Ringnuten 31 ausgebildet, von denen die unterste Ringnut zur Aufnahme eines Ölabstreifrings dient. 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.In the ring section 3, three ring grooves 31 are formed for piston rings, not shown, of which the lowermost ring groove serves to receive an oil scraper ring. In the lower groove flank of the annular groove 31 for the oil scraper ring, in the circumferential direction of the piston, in addition to the hub bore 5, an outlet opening 32 is provided which opens into a flat oil pocket 33 in the outer surface of the piston shaft 4. The oil pocket 33 has a depth of, for example, 3 mm in the vicinity of the oil drain opening 32 and runs in an arc outside the hub thickening 54 surrounding the hub bore 5. Their depth decreases at the lower end tapering to the lateral surface 41.

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 - 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.As can be seen from FIG. 2, the underside 12 of the piston head 1 has an arch-like surface, which in the exemplary embodiment shown is approximately a circular cylinder surface, the cylinder axis (not shown) of which intersects the piston axis at right angles. This means that the piston crown lower surface 12 is formed by a straight line which is perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 2 and merges into the opposite end faces 55 of the hub thickenings 51 (FIG. 1). Between the two opposite hub thickenings 51, the piston crown lower surface 12 runs with the radius of the circular cylinder, and adjoins the inner wall 42 of the piston skirt 4 with a rounded radius. This transition extends beyond the lower end of the ring section 3, on which the piston skirt 4 is attached.

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 Aluminium- oder Graugußkolbens liegt.The diameter of the piston crown 1, that is to say the piston diameter D, is 86.835 mm in the exemplary embodiment shown; the thickness of the piston crown 1, starting from the upper edge of the top land 2 and without taking into account the recess 11 at the apex of the piston crown lower surface 12, is 22 mm. The total height of the Piston from the upper edge of the top land 2 to the lower shaft edge 44 is 76.3 mm, the piston skirt 4 having a jacket thickness of 7.5 mm. This results in a piston crown thickness of 0.25D, ie a ratio that for a diesel engine piston of this size is considerably higher than the corresponding value of an aluminum or cast iron piston.

Fig. 4 zeigt im Längsschnitt einen Kohlenstoffkolben mit 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 aus - quer zur Kolbenbolzenachse - drei Kreiszylinderflächen zusammensetzt. So weist der überwiegende Teil a dieser Fläche einen Radius R 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 Rt_>, 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.Fig. 4 shows in longitudinal section a carbon piston with a combustion chamber bowl for a direct injection diesel engine. In the drawing it is shown that the piston crown lower surface 12 'represents a vaulted surface which, in deviation from the embodiment according to FIGS. 1 to 3, is not a practically continuous circular cylinder surface up to the inner wall of the piston, but rather - three circular cylindrical surfaces - transverse to the piston pin axis put together. The major part a of this surface has a radius R, the center A of which lies on the piston axis 14. The two opposite surface sections b, which are symmetrical with respect to the piston center plane lying in the piston pin axis, on the other hand have a radius Rt _> , the center point B of which lies on a transverse axis intersecting the piston pin axis. It goes without saying that the surface sections b each have a shorter extension perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 4 than the central surface section a because they have to run into the inner wall of the piston skirt with a transition radius.

Im Bereich des Feuerstegs 2' hat der Kolben gemäß Fig. 4 einen Durchmesser von 68,87 mm. Die Radien R_a und R sind in diesem Fall mit 41 bzw. 12 mm bemessen.In the area of the top land 2 ', the piston according to FIG. 4 has a diameter of 68.87 mm. The radii R _a and R in this case are 41 and 12 mm, respectively.

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 ' .The embodiment of the piston according to FIG. 5 corresponds approximately in size and design to that according to FIG. 4. It differs therefrom and from the embodiment according to FIGS. 1 to 3 in that in addition to the drain opening 32 'in the lower groove flank of the annular groove 31 'several in that Drain bores 35 leading inside the piston are provided. These support the oil drainage through the outer oil pocket 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.The piston according to FIGS. 6 and 7, like that according to FIG. 4, has a combustion chamber trough at the top of the piston head and is also intended for a direct-injection diesel engine. However, the following general explanations apply regardless of the design of the top of the piston crown and thus also for a flat top. In contrast to the embodiment according to FIG. 4, the piston crown lower surface 112 forms a partial surface of an ellipsoid of revolution whose axis of rotation 113 coincides with the piston axis 114. The large main axis 115 of the ellipsoid of revolution runs at right angles to the piston axis 114 and at the same time also at right angles to the axis 153 (FIG. 7) of the hub bore 105, which is also the pin axis of the piston pin (not shown). In addition, in the exemplary embodiment shown, the major major axis 115 intersects the axis 153 of the hub bore 105 and at the same time the piston axis 114. The center M of the ellipsoid of revolution coincides with the intersection of the piston axis 114 and the axis 153 and corresponds to the partial surface forming the piston crown underside 113 thus largely half the spherical surface of the ellipsoid of revolution.

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 B' 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 FormelFor practical purposes, as referred to herein may be part of the surface Rotationselipsoids be approximated by the surface of a spherical cap of radius R _'a, which is followed in each case 115 connects to the two ends of the large major axis of the area of a half-spherical dome with radius R' b. The center point A 'for the radius R' _a lies on the piston axis 114; the center point B 'for the radii R'b lies in each case on the major axis 115. The radius R'a, which essentially corresponds to the surface course of the Piston bottom underside 112 determined can be according to the formula

R'a = rimin + d/2R'a = rimin + d / 2

berechnen, ri bezeichnet den Abstand des Mittelpunkts M von der Kolbenboden-Unterseite 112; ri_min 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.calculate, ri denotes the distance of the center M from the piston crown underside 112; ri _m in is thus the smallest distance of the center M from the piston crown underside, measured along the piston axis 114. d denotes the diameter of the inner wall 142 of the piston skirt 104 at the height of the major axis 115, here equivalent to the height of the axis 153 Hub bore 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 A' auf der Kolbenachse 114 und die Lage der Mittelpunkte B' 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.Based on the dimensioning of the piston crown thickness in the initially specified dimension range from 0.12D to 0.3D (D = nominal piston diameter) and on the dimensioning of the skirt wall thickness s in the initially specified dimension range from 0.05D to 0.075D, the position of the center point can be determined A 'on the piston axis 114 and the position of the center points B' on the main axis 115 are determined in each case. When dimensioning the piston crown thickness, it must also be noted that the lowest annular groove in the ring section 103 is sufficiently far above the curved piston crown underside so as not to impair the flow of force and heat at this point by reducing the cross section. The transitions between the partial spherical surfaces produced in this way are smoothed by transition surfaces to the surface of an ellipsoid of revolution. In this embodiment, the piston crown lower surface 112 extends in the direction of the axis 153 of the hub bore 105 over a shorter distance than transversely thereto, because in the area of the hub thickenings 151 it must be taken into account that there is still sufficient clearance for the connecting rod eye. The transitions to the hub thickenings 151 are each rounded.

Der Radius für die die Kolbenboden-Unterseite 112 bestimmende Gewölbefläche läßt sich auch durch den Richtwert R'_a = D mit K = 0,5 - 0,75 abschätzen bzw. festlegen.The radius for the vault surface defining the piston crown underside 112 can also be determined by the Estimate or fix guideline value R ' _a = D with K = 0.5 - 0.75.

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:Thus, the inner contour of the piston crown in the piston according to the invention differs significantly from the inner contour of conventional aluminum pistons, in which the piston crown is essentially plate-shaped and is only rounded in the transition to the top land and to the ring section carrying the piston rings. As a result, when calculating the strength of the piston crown of carbon pistons according to the invention which are relatively highly loaded (e.g. the piston according to FIG. 6), the resistance moments of the piston crown corresponding to the resistance moments of hollow elliptical bodies with a constant cavity ratio can be approximated and calculated using the formula:

W = π/32 • CD²(1 -cχ4),W = π / 32 • CD ² (1 -cχ4),

wobei α = c/C = d/D = ri/r_a = const.where α = c / C = d / D = ri / 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.In the exemplary embodiment shown, r _a max = D / 2. 6, the elliptical hollow body on which this calculation is based is shown with cross hatching.

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 FormelIn the case of pistons according to the invention which are loaded relatively lightly, for example for gasoline engines, both the piston crown thickness and the skirt wall thickness s can be selected at the lower limit of the specified design ranges. In this case, for the calculation of the section modulus of the piston crown, the calculation of the section modulus of hollow elliptical bodies with constant wall thickness can be done using the simplified formula

W _* 0,2 sD(D+3C)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 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.be used. The above-described determination of the surface profile of the piston crown underside 112 and the calculation of the section modulus thereof can be transferred without noticeable error to a piston crown bottom surface which forms the partial surface of a cylinder with an elliptical cross section. The axis of this cylinder lies at right angles to the piston axis 114 and coincides with the axis 153 of the hub bore 105, ie the generatrix of the cylinder is perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 6. The major major axis 115 of the elliptical cross section of this cylinder is in turn perpendicular to the piston axis 114 and also to the axis 153 (see FIG. 6). In this case, more extensive transition surfaces are required in the region of the end points of the main axis 115 into the inner wall 142 which is largely circular cylindrical at the transition to the shaft 104.

In Fig. 7 sind durch Höhenlinien 116, die durch Querschnitte quer zur Kolbenachse 114 entstehen, die Übergangsflächen nur qualitativ angedeutet.In FIG. 7, the transition surfaces are only indicated qualitatively by contour lines 116, which are created by cross sections transverse to the piston axis 114.

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.A corresponding consideration applies when the piston crown underside is formed by the partial surface of an ellipsoid of revolution, the axial section of which gives the same image as the ellipsoid of revolution according to FIG. 6, but which has the major axis 115 as the axis of rotation. In this case, too, the center of the ellipsoid of revolution lies at the intersection M between the piston axis 114 and the axis 153 of the secondary bore 105. This configuration results in an arch surface between the hub thickenings 151, which only requires a slight rounding into the hub thickenings, but provides in the region of the two ends of the major major axis 115 greater wall thicknesses of the shaft 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 Kolbenboden- Unterseite 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.In the case of carbon pistons, it is largely possible to dispense with a desaxation which is frequently practiced with aluminum pistons, that is to say an offset of the piston pin axis with respect to the piston axis. If it does if a desaxation is indicated, its extent remains smaller than that of aluminum pistons. 4, 5 and 6, no desaxing is provided. Therefore, in the exemplary embodiment according to FIG. 6, the underside of the piston crown of which is formed by a partial surface of an ellipsoid of revolution, the center M thereof also lies on the axis of the hub bore. However, if the piston is designed with a desaxation, this center point M lies only on the piston axis at the level of the axis of the hub bore, which in this case crosses the piston axis.

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.In all the above-described embodiments, there is theoretically an intersection edge between the largely circular-cylindrical inner wall of the piston and the vault surface forming the underside of the piston crown, which is avoided in practice by rounding curves or radii.

Die Fig. 8 zeigt das Schleifbild 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.FIG. 8 shows the grinding image of a carbon piston according to the invention with a diameter D = 100 mm, from which the profile of the top land 2, the ring section 3 and the piston skirt 4 and their local games result from a cylinder running surface consisting of gray cast iron. With this size of the piston, an ovality, which results in a greater play in the area of the hub bores 5 and a smaller play in the areas lying transversely to the hub bore axis 53, can also be taken into account when it is made of carbon. The numerical values show, however, that both the clearances and the ovality are only about 0.3 times the corresponding values for an aluminum piston.

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 Kohlenstoff olben aufgrund der höheren zu erwartenden Wärmebelastung der Feuersteg 2 keine zylindrische, sondern eine konische Außenfläche aufweist. Jedoch ist in seinem Bereich keinerlei Ovalität vorgesehen.It is important that the dashed profile of the piston skirt, starting from the lower edge of the ring section 3, runs largely in a straight line towards the lower shaft edge 44, ie a conical surface without the crowning required for aluminum pistons results. Furthermore, it can be seen that with this carbon, because of the higher thermal load to be expected, the top land 2 does not have a cylindrical but a conical outer surface. However, no ovality is foreseen in its area.

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 Zylinder- Lauffläche 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 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. The numerical values given above are in principle correspondingly lower when pairing pistons / cylinders with a carbon piston than when pairing with aluminum pistons. Nevertheless, there are changed values depending on whether the cylinder tread is made of gray cast iron or other materials. For example, light-metal treads made of aluminum, magnesium and the like can be provided, which have a nickel coating with a high proportion of silicon carbide in a known manner and which are known under the brand names Nikasil or Elnisil. Purely ceramic coatings can also be provided. Finally, cylinder liners or cylinder running surfaces made of composite materials are also conceivable, which are made of metal / ceramic and are known, for example, under the brand names Alusil, Lokasil, Silitec. When the cylinder running surface is formed from these materials, which differ from gray cast iron, the installation clearance of the piston in the cold state is 0.010 to 0.035% of the piston diameter, this value being defined transversely to the piston pin axis if the piston already has an ovality due to its size.

Claims

Patentansprüche claims

1. Kohlenstoffkolben für eine Brennkraftmaschine, insbesonsere für PKW und LKW, mit einem Kolbenboden ( 1 ) einem an den Kolbenboden axial anschließenden Feuersteg ( 2 ) , einem Ringabschnitt (3 ) und einem Kolbenschaft ( ) 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kolbenboden-Unterseite in dem Bereich zwischen den Nabenverdickungen ( 51 ) unabhängig von der Flächengestaltung der Kolbenboden-Oberseite eine Gewölbefläche (12) bildet, die an die Nabenverdickungen zumindest im oberen Bereich der Nabenbohrung ( 5 ) anschließt.1. Carbon piston for an internal combustion engine, in particular for cars and trucks, with a piston crown (1), a top land (2) axially adjoining the piston crown, a ring section (3) and a piston skirt () with a hub bore (5) for receiving a piston pin , wherein the skirt wall (42) on the inside of the skirt to form the hub (5) has opposite thickenings (51) which extend into the piston crown underside (12) with a curve, characterized in that the piston crown underside in the area Between the hub thickenings (51), regardless of the surface configuration of the top of the piston crown, a vault surface (12) forms, which adjoins the hub thickenings at least in the upper region of the hub bore (5).

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 die Kolbenboden-Unterseite eine Kuppelfläche in2. 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 the piston crown underside in a coupling surface

Form einer Teilkugelfläche bildet. Forms a partial spherical surface.

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 die Kolbenboden-Unterseite eine Torusfläche bildet, deren Achse parallel zur Achse (53) der Nabenbohrung (5) liegt.3. 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 the piston crown underside forms a toroidal surface, the axis of which is parallel to the axis (53) of the hub bore (5).

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 Kolbenboden-Unterseite angenähert eine Kreiszylinderfläche (12) bildet, deren Achse parallel zur Achse ( 53 ) der Nabenbohrung ( 5 ) verläuft.4. 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 the piston crown underside approximately forms a circular cylindrical surface (12) whose axis runs parallel to the axis (53) of the hub bore (5).

5. 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 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.5. Piston according to claim 1, so that the piston crown underside (112) forms a partial surface of a cylinder with an elliptical cross section, the axis of which is perpendicular to the piston axis (114) and parallel to the axis (153) of the hub bore (105).

6. Kolben nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 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.6. Piston according to claim 5, characterized in that the axis of the cylinder coincides with the axis (153) of the hub bore (105) and the major major axis (115) of the elliptical cross section perpendicular to the piston axis (114) and to the axis (153) the hub bore is.

7. 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 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.7. Piston according to claim 1, so that the piston crown underside (112) forms a partial surface of an ellipsoid of revolution, the major axis (115) of which is perpendicular to the piston axis (114) and the axis of rotation of which coincides with the piston axis (114).

8. Kolben nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die große Hauptachse (115) des Rotationsellipsoids den Schnittpunkt (M) zwischen der Kolbenachse (114) und der Achse (153) der Nabenbohrung (105) enthält.8. Piston according to claim 7, characterized in that the major axis (115) of the ellipsoid of revolution contains the intersection (M) between the piston axis (114) and the axis (153) of the hub bore (105).

9. Kolben nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, daß die Kolbenboden-Unterseite eine Teilfläche eines Rotationsellipsoids bildet, dessen große Hauptachse (115) rechtwinklig zu der Kolbenachse (114) und zu der Achse (153) der Nebenbohrung (105) liegt und die Rotationsachse bildet.9. Piston according to claim 1, dadurchgekennzeic hn et that the piston crown underside forms a partial surface of an ellipsoid of revolution, the major axis (115) of which is perpendicular to the piston axis (114) and to the axis (153) of the secondary bore (105) and which Axis of rotation forms.

10. Kolben nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Rotationsachse den Schnittpunkt (M) zwischen der Kolbenachse (114) und der Achse (153) der Nabenbohrung (105) enthält.10. Piston according to claim 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the axis of rotation contains the intersection (M) between the piston axis (114) and the axis (153) of the hub bore (105).

11. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Fläche der Kolbenboden-Unterseite tangential in die einander zugewendeten ebenen Stirnflächen (55) der Nabenverdickungen (51) übergeht.11. Piston according to one of claims 1 to 10, so that the surface of the underside of the piston crown tangentially merges into the flat end faces (55) of the thickened hubs (51) facing each other.

12. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Fläche der Kolbenboden-Unterseite mit den einander zugewendeten ebenen Stirnflächen ( 55 ) der Nabenverdickungen (51) eine Verschneidung bildet und die Verschneidung gerundet ist.12. Piston according to one of claims 1 to 10, so that the surface of the underside of the piston crown with the facing flat end faces (55) of the thickened hubs (51) forms an intersection and the intersection is rounded.

13. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Feuersteg ( 2 ) eine kreiszylindrische Außenfläche hat.13. Piston according to one of claims 1 to 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the top land (2) has a circular cylindrical outer surface.

14. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Feuersteg (2) eine Kreis-Kegelfläche als14. Piston according to one of claims 1 to 12, characterized in that the top land (2) as a circular conical surface

Außenfläche hat.Has outside surface.

15. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Hüllfläche der Außenflächen des Ringabschnitts (3) bei Kolbendurchmessern bis zu 150 mm eine Kreiszylinderfläche ist.15. Piston according to one of claims 1 to 14, so that the envelope surface of the outer surfaces of the ring section (3) is a circular cylindrical surface for piston diameters up to 150 mm.

16. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mantelfläche (41) des Kolbenschafts (4) bis zu dem Ringabschnitt eine sich nach oben verjüngende Kegelfläche mit weitgehend geradliniger Kontur ist.16. Piston according to one of claims 1 to 15, so that the outer surface (41) of the piston skirt (4) up to the ring section is a conically tapering surface with a largely rectilinear contour.

17. Kolben nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 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.17. Piston according to claim 16, so that the conical surface is oval in cross-section such that the diameter in a direction transverse to the hub bore axis (53) is 0.04-0.09% larger than in a direction in the hub bore axis.

18. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 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.18. Piston according to one of claims 1 to 17, characterized in that the lower groove flank of a groove (31) for receiving an oil scraper ring in the ring section (3) has an outlet opening (32) on at least one side of the opposing hub openings (5), which opens into an oil pocket (33) in the outer surface (41) of the piston skirt (4).

19. Kolben nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß beidseitig neben jeder Nabenöffnung eine AblaufÖffnung und eine Öltasche vorgesehen sind. 19. Piston according to claim 18, characterized in that an outlet opening and an oil pocket are provided on both sides next to each hub opening.

20. Kolben nach Anspruch 19 oder 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Öltaschen bogenförmig um die Nabenöffnung (5) herum verlaufen.20. Piston according to claim 19 or 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the oil pockets arcuate around the hub opening (5) around.

21. Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kohlenstoff olbens nach einem der Ansprüche 1 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zylinder eine Lauffläche aus Grauguß aufweist und das Einbauspiel des Kolbens im kalten Zustand 0,015 - 0,065 % des Kolbendurchmessers beträgt.21. piston / cylinder pairing using a carbon piston according to one of claims 1 to 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the cylinder has a tread made of gray cast iron and the installation clearance of the piston when cold is 0.015 - 0.065% of the piston diameter.

22. Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kohlenstoffkolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zylinder eine Lauffläche aus Leichtmetall aufweist und das Einbauspiel des Kolbens im kalten Zustand 0,010 bis 0,035 % des Kolbendurchmessers beträgt.22 piston / cylinder pairing using a carbon piston according to one of claims 1 to 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the cylinder has a tread made of light metal and the installation clearance of the piston in the cold state is 0.010 to 0.035% of the piston diameter.

23. Kolben/Zylinder-Paarung unter Verwendung eines Kohlenstoffkolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zylinder eine keramische Lauffläche aufweist und das Einbauspiel des Kolbens im kalten Zustand 0,010 bis 0,035 % des Kolbendurchmessers beträgt.23 piston / cylinder pairing using a carbon piston according to one of claims 1 to 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the cylinder has a ceramic tread and the installation clearance of the piston in the cold state is 0.010 to 0.035% of the piston diameter.

24. Kolben/Zylinder-Paarung nach einem der Ansprüche 21 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei einem Kolben mit Ovalität das Einbauspiel quer zur Kolbenbolzenachse festgelegt ist.24. Piston / cylinder pairing according to one of claims 21 to 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that with a piston with ovality, the installation clearance is fixed transversely to the piston pin axis.

25. Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Leichtmetall-Lauffläche eine Beschichtung mit Nickel mit einem hohen Anteil von Siliziumcarbid oder eine keramische Beschichtung aufweist. 25. Piston / cylinder pairing according to claim 22, characterized in that the light metal tread has a coating with nickel with a high proportion of silicon carbide or a ceramic coating.

6. Kolben/Zylinder-Paarung nach Anspruch 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Leichtmetall -Lauffläche durch eine6. piston / cylinder pairing according to claim 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the light metal tread by a

Zylinderbüchse aus einem Leichtmetall/Keramik-Verbund gebildet ist. Cylinder liner is formed from a light metal / ceramic composite.