ES2222045T3

ES2222045T3 - Piston de carbono para un motor de combustion interna.

Info

Publication number: ES2222045T3
Application number: ES99960799T
Authority: ES
Inventors: Peter Greiner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-22
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2005-01-16
Anticipated expiration: 2019-10-21
Also published as: WO2000025012A1; JP2002528669A; US6883418B1; DE19848649A1; EP1042601A1; DE19848649C5; DE59909956D1; DE19848649C2; EP1042601B1

Abstract

Pistón de carbono para un motor de combustión interna, especialmente para automóviles y camiones, con un fondo (1) de pistón, un aro (2) superior del pistón que sigue axialmente al fondo del pistón, una sección (3) de los aros y una falda (4) del pistón con un orificio (5) del cubo para el alojamiento de un perno del pistón, presentando la pared (42) de la falda ensanchamientos (51), opuestos los unos a los otros, en el lado interno de la falda para la configuración del cubo (5), los cuales se extienden hacia dentro en el lado (12) inferior del fondo del pistón con un redondeado, caracterizado porque el lado inferior del fondo del pistón forma una superficie (12) arqueada en la zona entre los ensanchamientos (51) del cubo, con independencia de la configuración de la superficie del lado superior del fondo del pistón, superficie arqueada que sigue a los ensanchamientos del cubo al menos en la zona superior del orificio (5) del cubo, estando previsto a) que el lado inferior del fondo del pistón forme una superficie toroidal, cuyo eje se encuentra en paralelo al eje (53) del orificio (5) del cubo, o b) que el lado inferior del fondo del pistón forme una superficie parcial de un elipsoide de rotación, cuyo eje (115) principal grande se encuentra ortogonal al eje (114) del pistón y al eje (153) del orificio (105) del cubo y forma el eje de rotación.

Description

Pistón de carbono para un motor de combustión interna.

La invención se refiere a un pistón hecho de carbono para un motor de combustión interna según el preámbulo de la reivindicación 1. Además, la invención se refiere a diferentes formaciones de pares de un pistón de carbono de este tipo con cilindros hechos de distintos materiales.

Las crecientes demandas de modernos motores Otto y diesel obligan, entre otras cosas, a un empleo de pistones con masa reducida y volumen estructural reducido. Para ello, ya se han propuesto pistones de carbono hechos de un carbono modificado, por ejemplo, grafito prensado o carbón sinterizado con una determinada resistencia mínima a la flexión (PE-
258 330 A1), o aquellos hechos de un grafito que está fabricado de un carbono sin aglutinantes de una denominada mesofase. La mesofase es una materia prima que, como producto intermedio de la pirólisis de fases líquidas de hidrocarburos, se obtiene preferiblemente de alquitranes procedentes del carbón y del petróleo y está compuesta de poliaromáticos. A partir de estos poliaromáticos se forman por carbonización y grafitado esferolitos de mesofases con un tamaño de partícula en el intervalo de \mu, los cuales representan los granos del material tratado. Con ello se consiguen resistencias a la flexión de más de 200 MPa.

A causa del coeficiente de dilatación térmica del carbono claramente más reducido en comparación con el material de aluminio del pistón, es posible mantener considerablemente más reducido el juego entre el pistón y la superficie de rodadura del cilindro. Además, el carbono como material para los pistones proporciona propiedades apropiadas para la marcha en frío y la marcha de emergencia debido a una cierta capacidad de absorción de aceite y la ausencia de una tendencia a la soldadura (véase el documento PE
258 330 A1). Sin embargo, hasta el momento no se ha logrado crear pistones de carbono, concebidos para la producción en serie, con la extensa vida útil necesaria para automóviles y camiones. Esto es debido, entre otras cosas, a que debido a la conductibilidad térmica del carbono, también considerablemente más baja en comparación con el material aluminio, en los pistones de carbono se presentan durante el funcionamiento campos de temperatura que pueden diferenciarse considerablemente de los campos de temperatura a esperar en los pistones de aluminio.

Por tanto, la tarea de la presente invención es proponer un pistón de carbono para motores de combustión interna que permita que, con la vida útil normal requerida, se ponga a la altura de los pistones de aluminio fabricados en serie, especialmente para automóviles y camiones, sin perder las ventajas que pueden conseguirse gracias al menor espesor del carbono en comparación con el aluminio y a la menor dilatación térmica.

Según la invención, esto se consigue gracias a la configuración según la reivindicación 1.

En el caso de los pistones de aluminio se conoce el redondear el paso del lado inferior del fondo del pistón hacia el aro superior del pistón y hacia la sección de los aros, que porta los aros del pistón, para mejorar el flujo térmico. Sin embargo, por lo demás, con el propósito de mantener la masa del pistón lo más reducida posible, el fondo del pistón se dimensiona únicamente según puntos de vista de la resistencia. De ello se obtiene para el espesor del fondo del pistón un valor normal de 0,07D (D = diámetro del pistón) para motores Otto y 0,1D - 0,25D para motores diesel. Sin embargo, según la invención, independientemente de la configuración del lado superior del fondo del pistón, el lado inferior del fondo del pistón se configura como una superficie arqueada que también conduce a una clara acumulación de material y precisamente en la zona entre los ensanchamientos del cubo. Esto tiene como consecuencia que durante el funcionamiento se presenta un campo de temperatura en el pistón que hace innecesaria una configuración ovalada de la falda del pistón y de la sección de los aros. Las posibilidades de configuración de una superficie arqueada en el lado inferior del fondo del pistón se indican en las reivindicaciones dependientes 2 a 18.

Aunque, tal como se ha descrito al principio, entretanto se dispone de carbonos con resistencias a la flexión que alcanzan la resistencia a la flexión del aluminio o incluso la superan, según un perfeccionamiento de la invención, es ventajoso seleccionar el espesor del fondo del pistón más grueso de lo que se requiere por motivos de resistencia. De esta manera, según la invención los valores normales citados anteriormente para los espesores del fondo del pistón se encuentran ahora del 15 al 20% por encima, es decir, para motores Otto en 0,084D y para motores diesel en 0,12D a 0,3D.

Como consecuencia de la superficie en forma de cúpula del lado inferior del fondo del pistón, también puede evitarse o reducirse, durante la carga de presión, la deflexión vertical axial desigual del fondo del pistón en el caso de los pistones de aluminio, que en las zonas del fondo del pistón, entre los ensanchamientos del cubo, es decir, de forma transversal al eje del perno del pistón, es un múltiplo de la deflexión vertical en la zona de los ensanchamientos del cubo. Además de la distribución desigual de la temperatura, esta deflexión vertical es la causa de la forma ovalada del pistón, especialmente de la sección de los aros y de la falda del pistón, necesaria en el caso de los pistones de aluminio. En el caso del pistón de carbono según la invención, la forma ovalada puede evitarse completamente en el caso de diámetros de pistón menores de hasta 150 mm, de tal manera que el pistón tiene de forma continua una sección transversal circular y, por lo demás, puede tener un tamaño claramente menor.

También la configuración de la falda del pistón se diferencia de la de los pistones de aluminio. Así, la sección transversal también está ampliada en la zona de la falda, de tal manera que, a consecuencia de la sujeción reforzada de la falda del pistón al fondo del pistón por medio de la sección de los aros, se modifica el campo de temperatura que se presenta en el pistón. Para ello, según la invención, el espesor de pared de la falda del pistón es aproximadamente de 0,05D a 0,075D, preferiblemente, aproximadamente de 0,056D a 0,07D. Mientras que, en el caso de los pistones de aluminio, el perfil axial de la superficie de envoltura de la falda del pistón tiene que ser todavía claramente abombado en la zona del cubo para controlar el diferente comportamiento de dilatación respecto a la pared del cilindro más fría, en el caso del pistón de carbono según la invención puede renunciarse a este abombamiento. Por tanto, la superficie de envoltura de la falda del pistón puede configurarse ventajosamente como superficie cónica, cuyas generatrices se desarrollan en línea recta entre la conexión a la sección de los aros y el borde inferior de la falda. Además, la diferencia de esta superficie cónica respecto a una superficie cilíndrica es considerablemente menor que en el caso del perfil descrito de un pistón de aluminio, es decir, el diámetro de la falda del pistón en el caso de la conexión a la sección de los aros es sólo del 0,075% al 0,8% menor que el diámetro en el borde inferior de la falda.

Básicamente, en el caso del pistón de carbono según la invención es posible emplear como aros del pistón, aquellos que también pueden utilizarse en el caso de los pistones de aluminio. Sin embargo, es ventajoso emplear también aros de pistón de carbono con los pistones de carbono, puesto que en este caso no tiene que tenerse en cuenta un comportamiento de dilatación diferente. La resistencia a la flexión descrita y el módulo de elasticidad del carbono del que se dispone hoy en día permiten configurar los aros de pistón de una pieza y montarlos de la misma manera conocida para los aros de pistón metálicos. Sin embargo, los aros de pistón hechos de carbono pueden reducirse del 10 al 15% en la sección transversal en comparación con los aros de pistón metálicos y, gracias al comportamiento de dilatación térmica coincidente con el del pistón, también pueden seleccionarse en las ranuras de los aros juegos axiales considerablemente más reducidos de los aros del pistón respecto a los flancos de la ranura. Además, el conocido aumento de la resistencia, que en el caso del carbono aumenta con una temperatura creciente, también permite prescindir en la ranura de los aros de elementos de apoyo de los aros o similares independientes, en el caso del aro de pistón más próximo al aro superior del
pistón.

Además, para no ejercer una influencia sobre el campo de tensión y de temperatura en la sección de los aros a través de los orificios que parten de la ranura de aro para el aro rascador del aceite, puede pensarse en prever, en lugar de este tipo de orificios en el flanco inferior de la ranura del aro, al menos una abertura de salida hacia fuera cerca de la abertura del cubo, que desemboca en una recámara de aceite en la superficie de envoltura de la falda del pistón. De forma conveniente, a ambos lados de cada abertura del cubo están previstas dos aberturas de salida en la ranura de los aros, las cuales están conectadas en cada caso con una recámara que discurre de forma arqueada alrededor de la abertura del cubo.

En la base de las ranuras de los aros pueden estar previstos radios, en el caso de la utilización de aros de pistón de carbono, que se encuentren en el orden de magnitud de aproximadamente el 20 al 50% de la anchura de la ranura.

La configuración descrita del pistón de carbono según la invención también tiene repercusiones en la realización del cubo para los pernos del pistón. De esta manera, el orificio para los pernos del pistón puede realizarse de forma totalmente cilíndrica, difiriendo así de las realizaciones conocidas para los pistones de aluminio, dado que se reducen las crestas de tensión en las superficies del orificio a causa de la amortiguación condicionada por el material. No son necesarios orificios adicionales para la alimentación de aceite al perno del pistón porque también se deslizan bien sobre el carbono en el caso de la posible utilización de un perno de pistón hecho de acero endurecido o de un perno de pistón hecho de cerámica (nitruro de silicio).

Aunque las ampliaciones de la sección transversal descritas conducen a un incremento de la masa en el caso del pistón de carbono según la invención, también se obtiene una reducción de la masa del pistón del 15 al 25% respecto a pistones de aluminio igual de eficaces. Por tanto, sigue conservándose la ventaja del menor espesor del carbono en comparación con el aluminio. Sin embargo, manteniendo los principios de configuración descritos anteriormente, se consiguen en general las ventajas conocidas en principio, aunque hasta ahora no podían llevarse a la práctica, de la configuración de pistones de automóviles y camiones hechos de carbono. De esta manera pueden ajustarse juegos entre el pistón y la pared del cilindro que tan sólo son aproximadamente el 30% de los juegos necesarios para pistones de aluminio. De esto resulta un consumo reducido de aceite y una cantidad baja de paso, de tal manera que, a su vez, las consecuencias son deposiciones sólo extremadamente reducidas debido a la coquización y un aumento de la presión por compresión de al menos el 10% en comparación con los pistones de aluminio. Gracias al reducido juego de rodadura en el aro superior del pistón y de todo el pistón en sí mismo, los aros del pistón experimentan una carga menor, de tal manera que puede esperarse de ellos una vida útil mayor.

El pistón de carbono según la invención también puede combinarse con diferentes superficies de rodadura del cilindro. Los juegos de montaje del pistón en estado frío que hay que mantener dependen en cada caso de la elección del material de la superficie de rodadura del cilindro. Los juegos son más reducidos en el caso de la utilización de superficies de rodadura del cilindro hechas de cerámica y aumentan en el caso de superficies de rodadura metálicas del cilindro hechas de aluminio, fundición gris o acero. Sin embargo, pueden compensarse en gran medida diferentes coeficientes de dilatación térmica de las superficies de rodadura del cilindro gracias a su enfriamiento más o menos intenso.

A partir de la descripción subsiguiente de ejemplos de realización con ayuda de los dibujos adjuntos, así como a partir de las reivindicaciones dependientes se obtienen otras ventajas y características de la invención. En los dibujos muestran:

la figura 1, un corte parcial a lo largo de la línea I-I de la figura 3, con vista parcial de la superficie externa del pistón en el caso de un pistón con el lado inferior del fondo del pistón como superficie aproximadamente en forma de cilindro circular, para la explicación del principio de la curvatura del lado inferior del fondo del cilindro con transición en los ensanchamientos del cubo, para una mejor comprensión de la forma de realización según la invención mostrada en la figura 6;

la figura 2, un corte parcial a lo largo de la línea II-II de la figura 3 con vista parcial de la superficie externa del pistón;

la figura 3, un corte a lo largo de la línea III-III de la figura 1;

la figura 4, un corte axial de un pistón;

la figura 5, un corte, correspondiente al de la figura 2, de un pistón;

la figura 6, un corte axial, análogo a la figura 4, de una forma de realización de un pistón según la invención;

la figura 7, una vista parcial del pistón según la figura 6, visto en el sentido de la flecha VII de la figura 6, y

la figura 8, un diagrama, a partir del que se desprende el perfil de un pistón de carbono según la invención y su juego respecto a la superficie de rodadura del cilindro.

De manera convencional, el pistón para un motor diesel mostrado en las figuras 1 a 3 presenta un fondo 1 del pistón, un aro 2 superior del pistón, una sección 3 de los aros y una falda 4 del pistón. En el lado superior del fondo 1 del pistón está configurada una concavidad 11. En la superficie 41 de envoltura de la falda 4 del pistón desemboca de forma diametralmente opuesta un orificio 5 del cubo en cada caso para un perno de pistón, no mostrado, orificio que se extiende a ensanchamientos 51 del cubo que parten de la pared 42 interna de la falda 4 del pistón. En el extremo externo del orificio 5 del cubo está presente una ranura 52 para un aro de retención, no mostrado, para la retención del perno del pistón. El orificio 5 del cubo presenta un eje 53 que discurre de forma transversal, coincidente con el eje del perno del pistón.

En la sección 3 de los aros están configuradas tres ranuras 31 de aros para aros del pistón no mostrados, de las cuales la ranura inferior sirve para el alojamiento de un aro rascador del aceite. En el flanco inferior de la ranura 31 de aro para el aro rascador del aceite está prevista, desplazada en la dirección del contorno del pistón, una abertura 32 de salida al lado del orificio 5 del cubo, la cual desemboca en una recámara 33 de aceite plana en la superficie de envoltura de la falda 4 del pistón. La recámara 33 del aceite tiene una profundidad de, por ejemplo, 3 mm cerca de la abertura 32 de salida del aceite y discurre arqueada por fuera el ensanchamiento 54 del cubo que rodea el orificio 5 del cubo. Su profundidad se reduce en el extremo inferior acabando hacia la superficie 41 de envoltura.

Tal como se desprende de la figura 2, el lado 12 inferior del fondo 1 del pistón tiene una superficie en forma de arco que en el ejemplo mostrado es aproximadamente una superficie cilíndrica circular cuyo eje del cilindro, no mostrado, corta de forma ortogonal el eje del pistón. Es decir, la superficie 12 inferior del fondo del pistón está formada por una recta, que se encuentra perpendicular al plano del dibujo de la figura 2, y pasa de forma redondeada a los lados 55 frontales, opuestos el uno al otro, de los ensanchamientos 51 del cubo (figura 1). Entre los dos ensanchamientos 51 del cubo opuestos discurre la superficie 12 inferior del fondo del pistón con el radio del cilindro circular y se une de forma redondeada con un radio menor a la pared 42 interna de la falda 4 del pistón. Este paso discurre más allá del extremo inferior de la sección 3 de los aros, a la que se une la falda 4 del pistón.

El diámetro del fondo 1 del pistón, es decir, el diámetro D del pistón, es de 86,835 mm en el ejemplo de realización mostrado; el espesor del fondo 1 del pistón es de 22 mm partiendo del canto superior del aro 2 superior del pistón y sin tener en cuenta la escotadura 11 en el vértice de la superficie 12 inferior del fondo del pistón. La altura total del pistón desde el canto superior del aro 2 superior del pistón hasta el borde 44 inferior de la falda es de 76,3 mm, teniendo la falda 4 del pistón un espesor de la envoltura de 7,5 mm. De esto resulta un espesor del fondo del pistón de 0,25D, es decir, una relación que, para un pistón de motor diesel de este tamaño, se encuentra considerablemente por encima del valor correspondiente de un pistón de aluminio o de fundición gris.

La figura 4 muestra, en corte longitudinal, un pistón de carbono con una concavidad de cámara de combustión para un motor diesel de inyección directa. En el dibujo se muestra que la superficie 12' inferior del fondo del pistón representa una superficie arqueada que, divergiendo de la forma según las figuras 1 a 3, no es una superficie cilíndrica circular prácticamente continua hasta la pared interna el pistón, sino que, de forma transversal al eje del perno del pistón, se compone de tres superficies cilíndricas circulares. De esta manera, la parte a principal de esta superficie presenta un radio R_{a}, cuyo punto A central se encuentra en el eje 14 el pistón. Por el contrario, las dos secciones b de superficie opuestas, que son simétricas en relación con el plano central del pistón que se encuentra en el eje del perno del pistón, tienen un radio R_{b}, cuyo punto B central se encuentra en un eje transversal que corta el eje del perno del pistón. Se entiende que las secciones b de superficie tienen en cada caso una extensión más corta de forma perpendicular al plano del dibujo de la figura 4 que la sección a central de superficie, porque tienen que discurrir hacia dentro de la pared interna de la falda del pistón con un radio de transición.

En la zona del aro 2' superior del pistón, el pistón según la figura 4 tiene un diámetro de 68,87 mm. En este caso, los radios R_{a} y R_{b} están dimensionados con 41 ó 12 mm.

La forma del pistón según la figura 5 corresponde en tamaño y configuración aproximadamente al de aquél según la figura 4. Diverge del tamaño y de la forma según las figuras 1 a 3 porque, adicionalmente a la abertura 32' de salida en el flanco inferior de la ranura 31' de aro, están previstos varios orificios 35 de salida que conducen al interior del pistón. Éstos apoyan la evacuación del aceite a través de la recámara 33' externa del aceite.

El pistón según las figuras 6 y 7 presenta, tal como aquél según la figura 4, una concavidad de cámara de combustión en el lado superior del fondo del pistón y también está destinado para un motor diesel de inyección directa. Sin embargo, son válidas las siguientes explicaciones generales con independencia de la configuración del lado superior del fondo del pistón y, de este modo, también para un lado superior plano. A diferencia de la forma según la figura 4, la superficie 112 inferior del fondo del pistón forma una superficie parcial de un elipsoide de rotación, cuyo eje 133 de rotación coincide con el eje 114 del pistón. El eje 115 principal grande del elipsoide de rotación discurre de forma ortogonal al eje 114 del pistón y, al mismo tiempo, también ortogonal al eje 153 (figura 7) del orificio 105 del cubo, que, al mismo tiempo, es el eje del perno del perno del pistón, no mostrado. Además, en el ejemplo de realización mostrado, el eje 115 principal grande corta el eje 153 del orificio 105 del cubo y, al mismo tiempo, el eje 114 del pistón. De este modo, el punto M central del elipsoide de rotación coincide con el punto de intersección del eje 114 del pistón y el eje 153 y, con ello, la superficie parcial que forma el lado 113 inferior del fondo del pistón corresponde en gran medida a la mitad de la superficie del casquete del elipsoide de
rotación.

Para la práctica, puede aproximarse la superficie parcial del elipsoide de rotación que se aborda aquí con la superficie de un casquete esférico con el radio R'_{a}, a la que se une en cada caso la superficie de una mitad de un casquete esférico con el radio R'_{b} en los dos extremos del eje 115 principal grande. El punto A' central del radio R'_{a} se encuentra en el eje 114 del pistón; el punto B' central de los radios R'_{b} se encuentra en cada caso en el eje 155 principal grande. El radio R'_{a}, que determina fundamentalmente el desarrollo de la superficie del lado 112 inferior del fondo del pistón, puede calcularse según la fórmula

R'_{a} = r_{imin} + d/2

r_{i} indica la separación del punto M central del lado 112 inferior del fondo del pistón; por tanto, r_{imin} es la menor separación del punto M central del lado inferior del fondo del pistón, medida a lo largo del eje 144 del pistón. d indica el diámetro de la pared 142 interna de la falda 104 del pistón a la altura del eje 115 principal grande, equivalente aquí a la altura del eje 153 del orificio 105 del cubo.

Partiendo de las dimensiones del espesor del fondo del pistón en el intervalo de dimensiones indicado al principio de 0,12D a 0,3D (D = diámetro nominal del pistón) y de la dimensión del espesor s de la pared de la falda en el intervalo de dimensiones mencionado al principio de 0,05D a 0,075D, puede determinarse en cada caso la situación del punto A' central en el eje 114 del pistón y la situación del punto B' central en el eje 115 principal. Además, en el caso de la dimensión del espesor del fondo del pistón tiene que tenerse en cuenta adicionalmente que la ranura de aro inferior en la sección 103 de los aros se encuentra lo suficientemente por encima del lado inferior arqueado del fondo del pistón para no perjudicar el flujo de potencia y el flujo térmico en este lugar debido a una reducción de la sección transversal. Las zonas de transición entre las superficies esféricas parciales generadas de esta manera se nivelan mediante superficies de transición para formar la superficie de un elipsoide de rotación. En el caso de esta forma de realización, la superficie 112 inferior del fondo del pistón se extiende en dirección al eje 153 del orificio 105 del cubo a lo largo de una distancia menor que transversal a él, porque en la zona de los ensanchamientos 151 del cubo tiene que tenerse en cuenta que aún haya una vía libre suficiente para el ojo de la biela. Las zonas de transición a los ensanchamientos 151 del cubo están redondeadas en cada caso.

El radio de la superficie arqueada que determina el lado 112 inferior del fondo del pistón también puede estimarse o determinarse por medio del valor indicativo R'_{a}=KD con K=0,5 - 0,75.

Por tanto, el contorno interno del fondo del pistón, en el caso del pistón según la invención, se diferencia claramente del contorno interno de los pistones de aluminio convencionales, en los que el fondo del pistón está configurado fundamentalmente en forma de placa y únicamente está redondeado en la zona de transición al aro superior del pistón y a la sección de los aros que porta los aros del pistón. Como consecuencia de esto, en el caso del cálculo de la resistencia del fondo del pistón de pistones de carbono según la invención que están relativamente muy cargados (por ejemplo, el pistón según la figura 6), puede hacerse una aproximación de los momentos de resistencia del fondo del pistón en función de los momentos de resistencia de cuerpos elípticos huecos con una relación constante de concavidad y calcularse por medio de la fórmula:

W=\pi/32\cdotCD^{2}(1-\alpha^{4}),

con lo que

\alpha=c/C=d/D=r_{i}/r_{a}=const.

En el ejemplo de realización mostrado r_{amax}=D/2. En la figura 6, el cuerpo hueco elíptico en el que se basa este cálculo está dibujado con rayado cruzado.

En el caso de un pistón según la invención relativamente poco cargado, por ejemplo, para motores Otto, puede seleccionarse tanto el espesor del fondo del pistón, como también el espesor s de la pared de la falda en el límite inferior de los intervalos de dimensión indicados. En este caso, para el cálculo del momento de resistencia del fondo del pistón puede recurrirse al cálculo del momento de resistencia de cuerpos elípticos huecos con un espesor de pared constante gracias a la fórmula simplificada

W\approx0,2sD(D+3C)

La determinación, descrita anteriormente, del recorrido de la superficie del lado 112 inferior del fondo del pistón y el cálculo de su momento de resistencia puede transferirse sin errores perceptibles a una superficie inferior del fondo del pistón, la cual forma la superficie parcial de un cilindro con sección transversal elíptica. El eje de este cilindro se encuentra ortogonal al eje 114 del pistón y coincide con el eje 153 del orificio 105 del cubo, es decir, las generatrices del cilindro se encuentran perpendiculares al plano del dibujo de la figura 6. A su vez, el eje 115 principal grande de la sección transversal elíptica de este cilindro se encuentra ortogonal al eje 114 del pistón y también al eje 153 (véase la figura 6). En este caso, en la zona de los puntos finales del eje 115 principal se necesitan superficies de transición más dilatadas hacia la pared 142 interna en gran medida en forma de cilindro circular en la zona de transición a la falda 104.

En la figura 7 se indican sólo de forma cualitativa las superficies de transmisión sólo por medio de curvas 116 de nivel que se originan mediante secciones transversales de forma transversal al eje 114 del pistón.

Una consideración correspondiente es válida si el lado inferior del fondo del pistón se forma por la superficie parcial de un elipsoide de rotación cuyo corte axial produce la misma imagen que el elipsoide de rotación según la figura 6, el cual tiene, sin embargo, el eje 115 principal grande como eje de rotación. También en este caso, el punto central del elipsoide de rotación se encuentra en el punto M de intersección entre el eje 114 del pistón y el eje 153 del orificio 105 del cubo. Esta configuración produce una superficie arqueada entre los ensanchamientos 151 del cubo, que sólo necesita ligeramente un redondeado hacia dentro de los ensanchamientos del cubo, aunque en la zona de los dos extremos del eje 115 principal grande provee mayores espesores de pared de la falda 104.

En el caso de los pistones de carbono puede renunciarse en gran medida a una excentricidad frecuentemente practicada en el caso de los pistones de aluminio, es decir, un desplazamiento del eje del perno del pistón respecto al eje del pistón. En caso de que sí esté indicada una excentricidad, su medida sigue siendo menor que la de los pistones de aluminio. En el caso de los ejemplos de realización según las figuras 4, 5 y 6, anteriormente descritos, no está prevista una excentricidad. Por eso, en el caso del ejemplo de realización según la figura 6, cuyo lado inferior del fondo del pistón está formado por una superficie parcial de un elipsoide de rotación, el punto M central de éste también se encuentra en el eje del orificio del cubo. Sin embargo, si el pistón está dimensionado con una excentricidad, entonces este punto M central se encuentra sólo en el eje del pistón, a la altura del eje del orifico del cubo, el cual corta en este caso el eje del pistón.

Teóricamente, en el caso de todas las formas de realización anteriormente descritas, entre la pared interna, en gran medida con forma de cilindro circular, del pistón y la superficie arqueada que forma el lado inferior del fondo del pistón se produce un canto de intersección que, en la práctica, se evita por medio de redondeados o radios de transición.

La figura 8 muestra la imagen de la superficie rectificada de un pistón de carbono según la invención con un diámetro D=100 mm, a partir de la cual se desprende el perfil del aro 2 superior del pistón, de la sección 3 de los aros y de la falda 4 del pistón y sus juegos locales respecto a una superficie de rodadura del cilindro hecha de fundición gris. En el caso de este tamaño del pistón también puede considerarse, en el caso de su realización de carbono, una forma ovalada que produce un juego mayor en la zona de los orificios 5 del cubo y un juego menor en las zonas que se encuentran transversales al eje 53 del orificio del cubo. Sin embargo, los valores numéricos dejan ver que tanto los juegos, como también la forma ovalada son aproximadamente un 0,3 veces mayores que los valores correspondientes en el caso de un pistón de aluminio.

Es importante que el perfil, dibujado discontinuo, de la falda del pistón, partiendo del borde inferior de la sección 3 de los aros, se desarrolle en gran medida en línea recta hasta el borde 44 inferior de la falda, es decir, sin que el abombamiento necesario en el caso de los pistones de aluminio produzca una superficie cónica. Además, puede observarse que, en el caso de este pistón de carbono, el aro 2 superior del pistón no presenta ninguna superficie externa cilíndrica, sino cónica, debido a la mayor carga térmica a esperar. Sin embargo, en su zona no está prevista ninguna forma ovalada.

Básicamente, los valores numéricos indicados anteriormente son correspondientemente más bajos en el caso de una formación de pares de pistón / cilindro con un pistón de carbono que en el caso de una formación de pares con pistones de aluminio. No obstante, se producen valores modificados en función de si la superficie de rodadura del cilindro está formada por fundición gris o por otros materiales. De esta manera pueden estar previstas superficies de rodadura metálicas ligeras hechas de aluminio, magnesio y similares, que, de manera conocida, portan un revestimiento de níquel con una gran parte proporcional de carburo de silicio y que se conocen con los nombres de marca Nikasil o Elnisil. También pueden preverse revestimientos puramente cerámicos. Finalmente también pueden concebirse camisas de cilindro o superficies de rodadura del cilindro hechas de materiales compuestos que están construidas de metal / cerámica y se conocen, por ejemplo, con las marcas Alusil, Lokasil y Silitec. En el caso de la configuración de la superficie de rodadura del cilindro a partir de estos materiales distintos de la fundición gris, el juego de montaje del pistón en el estado frío es del 0,010 al 0,035% del diámetro del pistón, determinándose este valor de forma transversal al eje del perno del pistón si el pistón ya presenta una forma ovalada debido a su tamaño.

Claims

1. Pistón de carbono para un motor de combustión interna, especialmente para automóviles y camiones, con un fondo (1) de pistón, un aro (2) superior del pistón que sigue axialmente al fondo del pistón, una sección (3) de los aros y una falda (4) del pistón con un orificio (5) del cubo para el alojamiento de un perno del pistón, presentando la pared (42) de la falda ensanchamientos (51), opuestos los unos a los otros, en el lado interno de la falda para la configuración del cubo (5), los cuales se extienden hacia dentro en el lado (12) inferior del fondo del pistón con un redondeado, caracterizado porque el lado inferior del fondo del pistón forma una superficie (12) arqueada en la zona entre los ensanchamientos (51) del cubo, con independencia de la configuración de la superficie del lado superior del fondo del pistón, superficie arqueada que sigue a los ensanchamientos del cubo al menos en la zona superior del orificio (5) del cubo, estando previsto

a) que el lado inferior del fondo del pistón forme una superficie toroidal, cuyo eje se encuentra en paralelo al eje (53) del orificio (5) del cubo, o

b) que el lado inferior del fondo del pistón forme una superficie parcial de un elipsoide de rotación, cuyo eje (115) principal grande se encuentra ortogonal al eje (114) del pistón y al eje (153) del orificio (105) del cubo y forma el eje de rotación.

2. Pistón según la reivindicación 1, según la alternativa b), caracterizado porque el eje de rotación incluye el punto (M) de intersección entre el eje (114) del pistón y el eje (153) del orificio (105) del cubo.

3. Pistón según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la superficie del lado inferior del fondo del pistón se transforma tangencialmente en las superficies (55) frontales planas orientadas la una a la otra de los ensanchamientos (51) del cubo.

4. Pistón según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la superficie del lado inferior del fondo del pistón forma una intersección con las superficies (55) frontales planas orientadas la una a la otra de los ensanchamientos (51) del cubo y la intersección está redondeada.

5. Pistón según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el aro (2) superior del pistón tiene una superficie externa en forma de cilindro circular.

6. Pistón según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el aro (2) superior del pistón tiene una superficie cónica circular como superficie externa.

7. Pistón según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la superficie de envoltura de las superficies externas de la sección (3) de los aros es una superficie cilíndrica circular en el caso de diámetros de pistón de hasta 150 mm.

8. Pistón según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la superficie (41) de envoltura de la falda (4) del pistón hasta la sección de los aros es una superficie cónica que se estrecha hacia arriba con un contorno en gran medida rectilíneo.

9. Pistón según la reivindicación 8, caracterizado porque la superficie cónica es ovalada en la sección transversal, de tal manera que el diámetro es el 0,04 - 0,09% mayor en una dirección transversal al eje (53) del orificio del cubo que en una dirección del eje del orificio del cubo.

10. Pistón según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el flanco inferior de una ranura (31) para el alojamiento de un aro rascador del aceite en la sección (3) de los aros presenta una abertura (32) de salida al menos en un lado de las aberturas (5) del cubo opuestas, que desemboca en una recámara (33) de aceite en la superficie (41) de envoltura de la falda (4) del pistón.

11. Pistón según la reivindicación 10, caracterizado porque una abertura de salida y una recámara de aceite están previstas a ambos lados junto a cada abertura del cubo.

12. Pistón según la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque las recámaras de aceite discurren de forma arqueada alrededor de la abertura (5) del cubo.

13. Formación de pares de pistón / cilindro utilizando un pistón de carbono según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada porque el cilindro presenta una superficie de rodadura hecha de fundición gris y el juego de montaje del pistón en el estado frío es 0,015 - 0,065% del diámetro del pistón.

14. Formación de pares de pistón / cilindro utilizando un pistón de carbono según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada porque el cilindro presenta una superficie de rodadura hecha de metal ligero y el juego de montaje del pistón en el estado frío es 0,010 a 0,035% del diámetro del pistón.

15. Formación de pares pistón / cilindro utilizando un pistón de carbono según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada porque el cilindro presenta una superficie cerámica de rodadura y el juego de montaje del pistón en el estado frío es 0,010 a 0,035% del diámetro del pistón.

16. Formación de pares pistón / cilindro según una de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizada porque en el caso de un pistón con forma ovalada, el juego de montaje está fijado de forma transversal al eje del perno del pistón.

17. Formación de pares pistón / cilindro según la reivindicación 14, caracterizada porque la superficie de rodadura de metal ligero presenta un revestimiento con níquel con una gran parte proporcional de carburo de silicio o un revestimiento cerámico.

18. Formación de pares pistón / cilindro según la reivindicación 14, caracterizada porque la superficie de rodadura de metal ligero está formada por una camisa del cilindro hecha de un compuesto de metal ligero / cerámica.