In vorangegangenen Forschungsprojekten konnte nachgewiesen werden, daß mit der Verwendung von Kohlenstoffkolben in Verbrennungsmotoren Verbesserungen bezüglich Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen verglichen mit dem Einsatz von Aluminiumkolben erzielt werden können. Darüber hinaus kann aufgrund der geringen Dichte von Kohlenstoff die Bauteilmasse der Kolben reduziert werden. Das Ziel dieser Arbeit war es, zu untersuchen, ob eine spezielle Form von Strukturkohlenstoff, genannt Mesophasenkohlenstoff, als Kolbenwerkstoff geeignet ist. Weiterhin wurde untersucht, wie die Spannungsbelastung in Kolben während des Betriebs reduziert und die Werkstoffqualität verbessert werden können. Es wurden verschiedene Bruchversuche durchgeführt, um die Festigkeit des Werkstoffs bei verschiedenen Belastungsarten zu bestimmen. Aus den Ergebnissen der einzelnen Bruchversuche wurde eine Vergleichsspannungshypothese formuliert. Zusätzlich wurde in einem Vier-Punkt-Biegeversuch der Weibullmodul des Werkstoffs ermittelt. Über Licht- und Rasterelektronenmikroskopie wurden potentiell rissauslösende Defekte in der Mikrostruktur lokalisiert. Mit einer dreidimensionalen Finite Elemente Analyse wurde die Spannungsbelastung in verschiedenen Kohlenstoffkolben während des Motorbetriebs abgeschätzt. Aus Spannungsbelastung und Werkstoffeigenschaften wurden Ausfallwahrscheinlichkeit und Lebensdauer für eine gegebene Kolbengeometrie abgeschätzt. Es konnte nachgewiesen werden, daß die Festigkeit von Mesophasenkohlenstoff ausreichend hoch ist, um den mechanischen Lasten im Motorbetrieb standzuhalten. Thermische Spannungen sind für das Versagensverhalten von Kohlenstoffkolben nicht relevant, da Elastizitätsmodul und thermische Ausdehnung des Werkstoffs gering sind. Für die Verwendung von Mesophasenkohlenstoff als Kolbenwerkstoff ist ein Mindest-Weibullmodul von 15 zu fordern. Dieser Wert ist höher als der am untersuchten Werkstoff gemessene Wert von 10,3. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Werkstoffeigenschaften zu verbessern. Alternativ ist die Verwendung eines 100% "proof load" Verfahrens zur Bauteilabnahme möglich. Für die Ausbildung von potentiell bruchauslösenden Defekten im Mikrogefüge konnte ein eindeutiger Einfluss des Grünkörper-Preßverfahrens nachgewiesen werden. Darüber hinaus hat die Aufbereitung des pulverförmigen Ausgangsprodukts Auswirkungen auf Bruch- und Zuverlässigkeitsverhalten des späteren Bauteils. Auf Basis der Finite Elemente Analyse wurde eine werkstoffgerechte Gestaltung für verschiedene Kohlenstoffkolben vorgeschlagen.     «

In vorangegangenen Forschungsprojekten konnte nachgewiesen werden, daß mit der Verwendung von Kohlenstoffkolben in Verbrennungsmotoren Verbesserungen bezüglich Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen verglichen mit dem Einsatz von Aluminiumkolben erzielt werden können. Darüber hinaus kann aufgrund der geringen Dichte von Kohlenstoff die Bauteilmasse der Kolben reduziert werden. Das Ziel dieser Arbeit war es, zu untersuchen, ob eine spezielle Form von Strukturkohlenstoff, genannt Mesophasenkohlen...     »

In previous research projects it could be proved, that the use of carbon pistons in combustion engines can result in improved emission behaviour and fuel consumption compared to state of the art aluminium alloy pistons. Furthermore, component mass is reduced due to the low density of carbon. The aim of this paper was to investigate, whether a particular form of pyrolytic car-bon, called mesophase carbon, is capable of being used as piston material. Also ex-amined was how stresses in the structure can be reduced and material quality be improved. Different fracture tests were used to measure the materials fracture strength at differ-ent loading conditions. The results of the particular fracture tests were used to for-mulate an equivalent strain increment. In addition the Weibull Modulus was deter-mined in a four point bending test. Light and scanning electron microscopy were used to locate potential fracture origins in the microstructure. Three dimensional finite element analysis was used to determine the stress distribu-tion in carbon pistons during engine operation. Failure probability and life time for a given piston design were assessed. It was found that the strength of mesophase carbon is high enough to withstand the applied mechanical loads during engine testing. Thermal stresses are not relevant for piston failure, as Youngs Modulus and thermal expansion of the material are low. For the use of mesophase carbon as piston material a minimum Weibull Modulus of 15 was determined, which is higher than the materials measured value of 10.3 in its cur-rent condition. Therefore an improvement of the material must be addressed or a 100% proof test has to be established. A clear influence of the moulding method for the carbon powder on the formation of defects could be shown. Additionally the conditioning of the powder has effects on fracture and reliability behaviour. Based on finite element analysis a design for carbon pistons was proposed, that is appropriate for the material involved.     «

In previous research projects it could be proved, that the use of carbon pistons in combustion engines can result in improved emission behaviour and fuel consumption compared to state of the art aluminium alloy pistons. Furthermore, component mass is reduced due to the low density of carbon. The aim of this paper was to investigate, whether a particular form of pyrolytic car-bon, called mesophase carbon, is capable of being used as piston material. Also ex-amined was how stresses in the structur...     »