EP1042601B1 - Carbon piston for an internal combustion engine - Google Patents

Description

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 carbon Piston for an internal combustion engine with the preamble of Claim 1. Furthermore, the invention relates on different pairings of such a carbon piston with different materials Cylinders.

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 A1) 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 petrol and Among other things, diesel engines force the use of Pistons with low mass and small construction volume. Therefor are already carbon pistons from a modified Carbon has been proposed, e.g. B. pressed graphite or Hard coal with a certain minimum bending strength (EP-258 330 A1) or those made of a graphite made of a binder-free carbon, a so-called Mesophase is made. The mesophase is a raw material which as an intermediate of the liquid phase pyrolysis of Hydrocarbons, preferably from coal and petroleum-derived pechen and made from polyaromatics consists. From these polyaromatics arise Carbonizing and graphitizing mesophase spherulites in a particle size in the µ range, which the Represent material grains. So that bending strengths of over 200 MPa.

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 A1). 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 thermal Coefficient of expansion of carbon compared to the piston material aluminum it is possible to play between the piston and the tread of the cylinder to keep much lower. Furthermore carbon results Favorable emergency and cold running properties as piston material due to a certain absorption capacity for oil and one lack of tendency to weld (cf. EP 258 330 A1). Nonetheless, it has so far not been possible to determine the series Carbon pistons with those required for cars and trucks to create a long service life. That is u. a. remember that due to the compared to the material aluminum also significantly lower thermal conductivity of the Carbon accumulates in carbon pistons during operation Set temperature fields that differ from those in Aluminum pistons expected temperature fields can distinguish considerably.

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 a Propose carbon pistons for internal combustion engines, which allows him to do it with the usual required Lifetime in place of the standard Aluminum pistons, especially for cars and trucks, come on leave without the lower density of the Carbon compared to aluminum and the lower Thermal expansion achievable advantages lose.

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

Bei Aluminiumkolben ist es bekannt, den Übergang der Kolbenboden-Unterseite zum Feuersteg und zu dem die Kolbenringe tragenden Ringabschnitt zu runden, um den Wärmefluß zu verbessern. Im übrigen wird jedoch in der 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 18 angegeben.With aluminum pistons it is known to transition Bottom of the piston crown to the top land and the To round the piston ring bearing ring section to the To improve heat flow. For the rest, however, in the Intent to keep the piston mass as low as possible The piston crown is only dimensioned 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 Bottom of the piston crown regardless of the design of the Piston top surface designed as a vaulted surface that also and especially in the area between the Hub thickening for a clear accumulation of material leads. The consequence of this is that in operation Temperature field in the piston adjusts that an oval Training of the top land and the ring section unnecessary makes. The possibilities of forming a vaulted area on the piston crown underside are in the dependent claims 2 to 18 specified.

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 beginning, now carbon with bending strengths that are available to the Bending strength of aluminum or even reach it surpass it, according to a further development of the invention advantageous to choose the piston crown thickness more than Strength reasons require this. So now lie According to the invention the above rule values for the Butt plate thicknesses 15 to 20% higher, d. H. for gasoline 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 dome surface of the piston crown underside axial unequal in aluminum pistons Lowering of the piston crown under pressure avoid or reduce that in the piston crown areas between the hub thickenings, d. H. across to Piston pin axis, a multiple of the countersink in the Range of hub thickening is. In addition to the unequal Temperature distribution is this reduction in the case of Aluminum piston necessary ovality of the piston, especially the ring section and the piston skirt, causally. In the carbon piston according to the invention ovality can be achieved with smaller piston diameters up to 150 mm to be avoided completely, so that the piston has a circular cross-section throughout, and otherwise a have a significantly smaller extent.

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 formation of the piston skirt also differs from that of the aluminum pistons. So is also in Shank area of the cross section enlarged, so that as a result the increased connection of the piston skirt via the Ring section on the piston crown that prevailing in the piston Temperature field is changed. According to the invention the wall thickness of the piston skirt is about 0.05D to 0.075D, preferably about 0.056D to 0.07D. While the axial profile of the aluminum pistons Piston skirt outer surface clearly in the area of the hub must be crowned to the different expansion behavior over the cooler cylinder wall on the carbon piston according to the invention Crowning can be dispensed with. The outer surface of the Piston shank can therefore be used as a conical surface be designed, the generators between the connection to the ring section and the lower shaft edge straight run. In addition, the deviation is this Cone area of a cylinder area considerably less than in the described profile of an aluminum piston, d. H. the diameter of the piston skirt when connecting to the Ring section is only 0.075 to 0.8% less than that Diameter at the lower edge of the shaft.

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.Basically, it is with the invention Carbon pistons possible, such as piston rings to be used, which is also used for aluminum pistons Find. However, it is advantageous to use the Carbon pistons also carbon piston rings to be used because of the different expansion behavior does not have to be taken into account. The one described Flexural strength and the modulus of elasticity of today Available carbons allow that To form piston rings in one piece in the same way and assemble them like this from metallic piston rings is known here. However, the piston rings can be made Carbon in cross section compared to the metallic Piston rings can be reduced by 10 to 15% and due the thermal expansion behavior corresponding to the piston can also have significantly smaller axial grooves Games of the piston rings to the groove flanks can be selected. The well-known for carbon with increasing temperature increasing strength increases also allows also with the piston ring closest to the top land in the ring groove on separate ring supports or to do without the like.

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.Around the voltage and temperature field in the ring section bores from the ring groove for the oil control ring not to influence, can still be thought instead of such holes in the lower ring groove flank at least one drain opening to the outside in the area the hub opening to be provided in an oil pocket in the The outer surface of the piston skirt opens. Conveniently, there are two drain holes in on both sides of each hub opening the annular groove provided, each with an arc around the Pocket in 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 bottom of the ring grooves when using Carbon piston rings are provided in radii on the order of about 20 to 50% of the groove width lie.

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 werkstoffbedingten Dämpfung abgebaut werden. Zusatzliche 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 invention Carbon pistons also affect execution the hub for the piston pin. So the hole for the Piston pin deviates from the known designs for Aluminum pistons are designed to be purely cylindrical because Stress peaks in the bore surfaces due to the damping due to the material. additional There are no holes for the oil supply to the piston pin required because even with the possible use of a Piston pin made of hardened steel or a piston pin made of ceramic (silicon nitride) glide 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 in the Carbon pistons according to the invention to an increase in mass lead compared to equally powerful Aluminum pistons reduce the piston mass by 15 to 25%. The advantage of the lower density of carbon in the Comparison with aluminum is therefore preserved. All in all are adhered to as described above Design principles, however, in principle recognized, but so far not realizable advantages the design of car and truck pistons made of carbon reached. So games between the piston and the Set the cylinder wall, which is only about 30% of that for Aluminum pistons necessary games. It follows low oil consumption and low Blow-through quantity, so that in turn only extremely small Deposits from coking and an increase in Compression pressure compared to at least 10% Aluminum pistons are the result. Due to the low running play on the top land and the entire piston itself Piston rings a lower load, so that for this one longer service life is to be expected.

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 used different cylinder treads can be combined. The piston installation play to be observed in cold The condition depends on the choice of material Cylinder tread dependent. The games are less Use of ceramic treads and are larger for metallic cylinder running surfaces made of aluminum, Cast iron or steel. However, there are different Thermal expansion coefficients of the cylinder surfaces largely compensate by cooling them more or less.

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:

Fig. 1

einen Teilschnitt längs der Linie I-I in Fig. 3 mit Teilansicht der Kolbenaußenfläche bei einem Kolben mit Kolbenbodenunterseite als angenäherte Kreiszylinderfläche zur Erläuterung des Prinzips der Krümmung der Kolbenbodenunterseite mit Übergang in die Nabenverdickungen zum besseren Verständnis der in Fig. 6 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Fig. 2

einen Teilschnitt längs der Linie II-II in Fig. 3 mit Teilansicht der Kolbenaußenfläche;

Fig. 3

einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 4

einen Axialschnitt eines Kolbens;

Fig. 5

einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt eines Kolbens;

Fig. 6

einen zu Fig. 4 analogen Axialschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens;

Fig. 7

eine Teilansicht des Kolbens gem. Fig. 6, gesehen in Richtung des Pfeiles VII in Fig. 6, und

Fig. 8

ein Diagramm, aus dem das Profil eines erfindungsgemäßen Kohlenstoffkolbens und dessen Spiel gegenüber der Zylinderlauffläche hervorgehen.

Further advantages and features of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings and from the subclaims. The drawings show:

Fig. 1

a partial section along the line II in Fig. 3 with a partial view of the piston outer surface in a piston with a piston bottom underside as an approximate circular cylinder surface to explain the principle of the curvature of the piston bottom underside with transition into the hub thickening for better understanding of the embodiment according to the invention shown in Fig. 6.

Fig. 2

a partial section along the line II-II in Figure 3 with a partial view of the piston outer surface.

Fig. 3

a section along the line III-III in Fig. 1;

Fig. 4

an axial section of a piston;

Fig. 5

one of FIG 2 corresponding section of a piston.

Fig. 6

an axial section analogous to FIG. 4 of an embodiment of a piston according to the invention;

Fig. 7

a partial view of the piston acc. Fig. 6, seen in the direction of arrow VII in Fig. 6, and

Fig. 8

a diagram showing the profile of a carbon piston according to the invention and its play against the cylinder surface.

Der in 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 shown in FIGS. 1 to 3 for a diesel engine has in conventionally a piston crown 1, a top land 2, a Ring section 3 and a piston skirt 4. At the top of the Piston bottom 1 has a trough 11. In the lateral surface 41 of the Piston shaft 4 opens diametrically opposite each Hub bore 5 for a piston pin, not shown, which is in from the Inner wall 42 of the piston skirt 4 outgoing hub thickenings 51 extends. At the outer end of the hub bore 5 is not a groove 52 for one shown circlip for securing the piston pin available. The hub bore 5 has a transverse, axis 53 coinciding with 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 are for piston rings, not shown three annular grooves 31 are formed, of which the lowest Ring groove is used to hold an oil scraper ring. In the is the lower groove flank of the annular groove 31 for the oil control ring offset in the circumferential direction of the piston next to the Hub bore 5 an outlet opening 32 is provided, which in a flat oil pocket 33 in the lateral surface of the Piston shaft 4 opens. The oil pocket 33 has near the Oil drain opening 32 a depth of, for example, 3 mm and runs in an arc outside the hub bore 5 surrounding, hub thickening 54 around. Your depth decreased tapering to the lateral surface 41 at the lower end.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, hat die Unterseite 12 des Kolbenbodens 1 eine gewölbeartige Fläche, die in dem gezeigten Beispiel 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 bottom 12 of the Piston bottom 1 a vaulted surface, which in the shown example approximates a Circular cylinder surface is the cylinder axis, not shown the piston axis intersects at right angles. That is, the Piston base lower surface 12 is through - to the plane of the drawing Fig. 2 vertical - just formed and goes rounded into opposite end faces 55 the hub thickenings 51 over (Fig. 1). Between the two opposite hub thickenings 51 runs Piston crown lower surface 12 with the radius of a circular cylinder, and closes with a smaller radius rounded to the Inner wall 42 of the piston skirt 4. This transition extends beyond the lower end of the ring section 3, on which the piston skirt 4 attaches.

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 Piston diameter D is in the shown Embodiment 86.835 mm; the thickness of the piston crown 1 starting from the top edge of the top land is 2 and without taking into account the recess 11 at the apex of the Piston bottom surface 12 22 mm. The total height of the Piston from the top edge of the top land 2 to lower skirt edge 44 is 76.3 mm, the piston skirt 4th has a jacket thickness of 7.5 mm. This results in one Piston crown thickness of 0.25D, d. H. a relationship that for a diesel engine piston of this size significantly above that corresponding value of an aluminum or cast iron piston lies.

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 Form 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_a 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 R_b, 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 trough 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 shape according to FIGS. 1 to 3, is not practically a circular cylindrical surface up to the inner wall of the piston, but rather - three circular cylindrical surfaces - transverse to the piston pin axis composed. The major part a of this surface has a radius R _a , 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 R _b , the center B of which lies on a transverse axis intersecting the piston pin axis. It goes without saying that the surface sections b, each perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 4, have a shorter extension 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_b 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 _b in this case are 41 and 12 mm, respectively.

Die Form des Kolbens gemäß Fig. 5 entspricht in Größe und Gestaltung angenähert derjenigen gemäß Fig. 4. Sie weicht davon und von der Form 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 shape of the piston according to FIG. 5 corresponds to Size and design approximate that of FIG. 4. It deviates from it and from the shape according to FIGS. 1 to 3 in that in addition to the drain opening 32 ' in the lower flank of the groove 31 'several in the Drain bores 35 leading inside the piston are provided. These support the oil drainage through the outside 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 Form 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 points like that according to Fig. 4 at the top of the piston head Burning chamber trough and is also direct for you injecting diesel engine. However, the apply following general explanations regardless of the Formation of the top of the piston crown and thus also for a flat top. Unlike that 4 forms the piston crown lower surface 112 a partial surface of an ellipsoid of revolution, its axis of rotation 113 with the piston axis 114 coincides. The major axis 115 of the Rotational ellipsoids are perpendicular to that Piston axis 114 and at the same time also perpendicular to the axis 153 (Fig. 7) of the hub bore 105, which is also the Pin axis of the piston pin, not shown. Moreover cuts the large one in the embodiment shown Main axis 115, the axis 153 of the hub bore 105 and at the same time the piston axis 114. The center point M thus falls of the ellipsoid of revolution together with the intersection of the Piston axis 114 and axis 153 and the the piston crown underside 113 partial area thus corresponds largely half the calotte area of the Spheroid.

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 Flachenverlauf der Kolbenboden-Unterseite 112 bestimmt, läßt sich nach der Formel R'a = rimin + d/2 berechnen. ri bezeichnet den Abstand des Mittelpunkts M von der Kolbenboden-Unterseite 112; r_imin 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.In practice, the partial surface of the rotational ellipsoid mentioned here can be approximated by the surface of a spherical cap with the radius R ' _a , to which the surface of half a spherical cap with the radius R' _b connects at both ends of the large main axis 115. The center point A 'for the radius R' _a lies on the piston axis 114; the center point B 'for the radii R' _b is in each case on the major axis 115. The radius R ' _a , which essentially determines the shape of the surface of the piston crown underside 112, can be calculated using the formula R ' a = r imine + d / 2 to calculate. ri denotes the distance of the center M from the piston crown underside 112; r _imin is therefore the smallest distance between the center M and the underside of the piston crown, 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, in this case synonymous with the height of the axis 153 of the hub bore 105th

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 rated range from 0.12D to 0.3D (D = nominal piston diameter) and the dimensioning of the Shaft wall thickness s in the range specified at the beginning Rated range from 0.05D to 0.075D, the location of the Center A 'on the piston axis 114 and the location of the Center points B 'on the main axis 115 are determined in each case become. When dimensioning the piston crown thickness, additionally note that the lowest ring groove in the Ring section 103 sufficiently far above the arched Bottom of the piston crown lies so as not to be through a Cross-sectional reduction at this point the force and To affect heat flow. The transitions between the so Partial spherical surfaces are created by transition surfaces smoothed to the surface of an ellipsoid of revolution. at In this embodiment, the lower surface of the piston crown extends 112 in the direction of the axis 153 of the hub bore 105 over a shorter distance than across, because in Area of the hub thickening 151 taken into account must be that there is still sufficient clearance for the Connecting rod eye is present. The transitions to the Hub thickenings 151 are rounded in each case.

Der Radius für die die Kolbenboden-Unterseite 112 bestimmende Gewölbefläche läßt sich auch durch den Richtwert R'_a = KD mit K = 0,5 - 0,75 abschätzen bzw. festlegen.The radius for the vault surface determining the piston crown underside 112 can also be estimated or determined by the guide value R ' _a = KD 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: W = π/32 · CD2(1 -α4), wobei α = c/C = d/D = ri/ra = const. 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 rounded only in the transition to the top land and to the ring section carrying the piston rings. As a result of this, when calculating the strength of the piston crown of carbon pistons according to the invention which are subject to relatively high loads (for example 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 · CD 2 (1 -α 4 ) in which α = c / C = d / D = r i / 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 _amax = D / 2. 6, the elliptical hollow body on which this calculation is based is drawn 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 Formel W ≈ 0,2 sD(D+3C) herangezogen werden. In 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) be used.

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.The determination of the surface course described above the piston crown underside 112 and the calculation of the The moment of resistance of this can be made without any noticeable error transferred to a piston crown lower surface, which the Partial area of a cylinder with an elliptical cross section forms. The axis of this cylinder is at right angles the piston axis 114 and coincides with the axis 153 the hub bore 105, d. H. the generatrix of the cylinder are perpendicular to the plane of Fig. 6. The large one Major axis 115 of the elliptical cross section of this The cylinder is in turn perpendicular to the piston axis 114 and also to the axis 153 (see FIG. 6). In this case is required in the area of the end points of the main axis 115 extended transition areas into those at the transition to the Shaft 104 largely circular cylindrical inner wall 142.

In Fig. 7 sind durch Höhenlinien 116, die durch Querschnitte quer zur Kolbenachse 114 entstehen, die Übergangsflächen nur qualitativ angedeutet.In Fig. 7 are by contours 116, which by Cross sections across the piston axis 114 arise that Transitional areas only indicated qualitatively.

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 through the partial surface of an ellipsoid of revolution is formed, the axial section of which gives the same picture like the ellipsoid of revolution shown in FIG. 6, but the major major axis 115 as an axis of rotation. Also in this The center of the ellipsoid of rotation lies in the case Intersection point M between the piston axis 114 and the axis 153 of the secondary bore 105. This design results in between the hub thickening 151 a vaulted surface that only slightly rounded into the hub thickening required, but delivers in the area 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.On one often practiced with aluminum pistons Desaxation, that is, a transfer of the Piston pin axis in relation to the piston axis, can at Carbon pistons are largely dispensed with. If it does if a relaxation is indicated, its extent remains smaller than that of aluminum pistons. With the above described embodiments according to FIGS. 4, 5 and 6, no relaxation is provided. That's why 6, the piston crown underside through a partial surface of an ellipsoid of revolution is formed, the center point M thereof also on the axis the hub bore. But is the piston with a desaxation designed, this center point M lies only on the Piston axis at the level of the axis of the hub bore, which the Piston axis crosses in this case.

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 Übergangs rundungen bzw. -radien vermieden wird.In all the embodiments described above results theoretically between the largely circular cylindrical Inner wall of the piston and the bottom of the piston crown vaulted surface forming an intersection edge, which in avoided in practice by means of transitional curves or radii becomes.

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 pattern of an inventive Carbon pistons with a diameter D = 100 mm which the profile of the top land 2, the ring section 3 and of the piston skirt 4 and their local games into one Gray cast iron existing cylinder barrel surface emerge. at this size of the piston can also be used in its execution carbon an ovality that a bigger game in Area of the hub bores 5 and less play in the areas transverse to the hub bore axis 53 results to be considered. Leave the numerical values however realize that both the games and the Ovality 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 Kohlenstoffkolben 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 dotted line Profile of the piston skirt, starting from the lower edge of the ring section 3, largely rectilinear to the lower Shaft edge 44 runs d. H. without the at Aluminum pistons required crowning a conical surface results. It can also be seen that in this Carbon pistons due to the higher expected Thermal stress of the top land 2 is not cylindrical, but has a conical outer surface. However, in his No ovality in the 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 basic when piston / cylinder are paired with a Carbon pistons correspondingly lower than one Pairing with aluminum pistons. Still arise changed values depending on whether the cylinder tread by gray cast iron or by other materials is formed. So light metal treads can Aluminum, magnesium and the like may be provided a known nickel coating with a high Share of silicon carbide and among the Brand names Nikasil or Elnisil are known. It can purely ceramic coatings can also be provided. After all, there are also cylinder liners or cylinder running surfaces made of composite materials conceivable from Metal / ceramic built and, for example, among the Brand names Alusil, Lokasil, Silitec are known. In the Formation of the cylinder tread from these of gray cast iron deviating materials is the installation clearance of the Cold piston 0.010 to 0.035% of Piston diameter, this value transverse to Piston pin axis is set when the piston is due its size is already oval.

Claims (18)

1. Carbon piston for an internal combustion engine, in particular for passenger cars and lorries, having a piston head (1), a firing land (2) which axially adjoins the piston head, an annular section (3) and a piston stem (4) having a hub hole (5) for accommodating a piston pin, the stem wall (42) having thickened portions (51) lying opposite one another on the stem inner side to form the hub (5), which thickened portions (51) extend into the underside (12) of the piston head with a rounded portion, characterized in that the underside of the piston head forms an arched surface (12) in the region between the thickened portions (51) of the hub independently of the surface design of the upper side of the piston head, which arched surface (12) adjoins the thickened portions of the hub at least in the upper region of the hub hole (5), there being provision

   a) for the underside of the piston head to form a toroidal surface whose axis lies parallel to the axis (53) of the hub hole (5), or

   b) for the underside of the piston head to form a partial surface of a rotational ellipsoid whose large main axis (115) lies at right angles to the piston axis (114) and to the axis (153) of the hub bore (105) and forms the axis of rotation.
2. Piston according to Claim 1, in accordance with alternative b), characterized in that the axis of rotation includes the point of intersection (M) between the piston axis (114) and the axis (153) of the hub bore (105).
3. Piston according to Claim 1 or 2, characterized in that the surface of the underside of the piston head merges tangentially into the mutually facing planar end faces (55) of the thickened portions (51) of the hub.
4. Piston according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the surface of the underside of the piston head forms an intersection with the mutually facing planar end faces (55) of the thickened portions (51) of the hub and the intersection is rounded.
5. Piston according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the firing land (2) has a circular-cylindrical outer surface.
6. Piston according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the firing land (2) has a circular-conical surface as outer surface.
7. Piston according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the enveloping surface of the outer surfaces of the annular section (3) is a circular-cylindrical surface in the case of piston diameters up to 150 mm.
8. Piston according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the circumferential surface (41) of the piston stem (4) is an upwardly tapering conical surface with a largely rectilinear contour up to the annular section.
9. Piston according to Claim 8, characterized in that the conical surface has an oval cross section in such a way that the diameter is greater in a transverse direction to the hub bore axis (53) by 0.04 - 0.09% than in a direction along the hub bore axis.
10. Piston according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the lower groove flank of a groove (31) for accommodating an oil scraper ring in the annular section (3) has, at least on one side of the mutually opposite hub openings (5), an outlet opening (32) which opens into an oil pocket (33) in the circumferential surface (41) of the piston stem (4).
11. Piston according to Claim 10, characterized in that an outlet opening and an oil pocket are provided on both sides next to each hub opening.
12. Piston according to Claim 10 or 11, characterized in that the oil pockets extend arcuately around the hub opening (5).
13. Piston/cylinder combination using a carbon piston according to one of Claims 1 to 12, characterized in that the cylinder has a liner made of grey cast iron and the installation clearance of the piston in the cold state is 0.015 - 0.065% of the piston diameter.
14. Piston/cylinder combination using a carbon piston according to one of Claims 1 to 12, characterized in that the cylinder has a liner made from lightweight metal and the installation clearance of the piston in the cold state is 0.010 to 0.035% of the piston diameter.
15. Piston/cylinder combination using a carbon piston according to one of Claims 1 to 12, characterized in that the cylinder has a ceramic liner and the installation clearance of the piston in the cold state is 0.010 to 0.035% of the piston diameter.
16. Cylinder/piston combination according to one of Claims 13 to 15, characterized in that, in the case of an oval piston, the installation clearance is determined transversely with respect to the piston-pin axis.
17. Piston/cylinder combination according to Claim 14, characterized in that the lightweight metal liner has a coating of nickel having a high proportion of silicon carbide, or else a ceramic coating.
18. Piston/cylinder combination according to Claim 14, characterized in that the lightweight metal liner is formed by a cylinder sleeve made from a lightweight metal/ceramic composite.

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