AT514635A2 - Kolben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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AT514635A2 ATA9147/2013A AT91472013A AT514635A2 AT 514635 A2 AT514635 A2 AT 514635A2 AT 91472013 A AT91472013 A AT 91472013A AT 514635 A2 AT514635 A2 AT 514635A2
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben (1) sowie einen Motor­ block (6) einer Brennkraftmaschine mit einem darin geführten Kol­ben (1) und mit mindestens einem darin geführten, eine Mittelachse (6.3, 6.4) aufweisenden Gaswechselventil (6.1, 6.2). Der Kolben (1) hat einen eine Mittelachse M aufweisenden Kolbenmantel (1.1) und einen den Kolbenmantel (1.1) nach oben begrenzenden Kolbenboden (2) mit einem Durchmesser (D). Der Kolbenboden (2) ist gebildet aus ei­ nem Kolbenbodenrand (2.1) sowie einer Kolbenbodenmulde (2.2) mit ei­ ner eine Höhe (H) aufweisenden Kolbenmuldenwand (3). Im Kolbenbodenmuldenrand (2.1) ist mindestens eine Ventiltasche (5.1) eingelassen, die im kalten Zustand einen Mindestabstand a zum Gaswechselventil (6.1) aufweist, der einen sicheren Freigang des geöffneten Gaswechselventils (6.1) gewährleistet, mit 1 mm < a < 2 mm. Mindestens eine Ventiltasche (5.1-5.4) ist, zumindest teilwei­se, wesentlich tiefer ausgebildet ist als für den Freigang des geöffneten Gaswechselventils (6.3, 6.4) notwendig ist. Der Abstand a ist zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand (3) auf einen Ab­ stand A vergrößert, mit A >= + 2 mm.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben einer Brennkraftmaschine. Insbesondere betrifft sie einen Kolben mit einem Kolbenmantel und einem Kolbenboden. Der Kolbenboden kann den Kolbenmantel nach oben begrenzen. Der Kolbenboden kann aus einem Kolbenbodenrand sowie einer Kolbenbodenmulde mit einer eine Höhe H aufweisenden Kolbenmuldenwand gebildet sein. Im Kolbenbodenrand kann mindestens eine Ventiltasche eingelassen sein, die mit Bezug zum Kolbenbodenrand eine Tiefe T aufweist.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Motorblock einer Brennkraftmaschine, wie einen Otto-Motor mit externer Gemischbildung. Ein Kolben und mindestens ein darin geführtes Gaswechselventil können darin geführten sein. Der Kolben kann einen Kolbenmantel und einen den Kolbenmantel nach oben begrenzenden Kolbenboden aufweisen. Der Kolbenboden kann aus einem Kolbenbodenrand sowie einer Kolbenbodenmulde mit einer eine Höhe H aufweisenden Kolbenmuldenwand gebildet sein. Im Kolbenbodenrand kann mindestens eine Ventiltasche eingelassen sein, die einen Mindestabstand a zum Gaswechselventil aufweist, der einen sicheren Freigang des geöffneten Gaswechselventils gewährleistet.
Hintergrund
Aus der DE 10 2010 018 930 Al ist beispielsweise ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, der innerhalb des Kolbenbodens vier Ventiltaschen aufweist, die einen Freigang der Aus- und Einlassventile gewährleiten.
Beim Otto-Gasmotor werden Kolben mit verschiedenen Kolbenmuldenformen eingesetzt, in der Regel wird zwischen den folgenden, üblichen Varianten unterschieden: A) Kolben mit dachförmigem Kolbenboden. Der Kolbenboden ist für Brennverfahren mit gasgespülter Vorkammer so gestaltet, dass die Fackelstrahlen möglichst spät auf die Brennraumwände treffen. B) Kolben mit wannenförmigem Kolbenboden. Der Kolbenboden ist so gestaltet, dass eine einlassseitig generierte Tumbleströmung erhalten bleibt. C) Kolben mit Omega-Kolbenbodenmulde. Der Kolbenboden ist für den Dieselbetrieb für optimale Direkteinspritzung ausgelegt und wird aus Kostengründen und der Einfachheit halber unverändert auch beim Gas-Ottomotor eingesetzt. Letzteres ungeachtet eines möglicherweise schlechteren Verbrennungsergebnisses. D) Kolben mit Topf-Kolbenbodenmulde. Der Kolbenboden ist so gestaltet, dass zwischen Kolbenrand und Zylinderkopf eine Quetschströmung (Squish-Strömung) in radialer Richtung entsteht. Außerdem wird die Drallströmung in der Topf-Kolbenbodenmulde verstärkt. Für Motoren mit Drall-Einlasskanälen und Kammerkerzen sind Kolben mit Topf-Kolbenbodenmulden sehr gut geeignet. Während des Kopressionstaktes wird das Gemisch über dem Kolbenbodenrand (Squish-Rand) des Kolbens in die Topf-Kolbenbodenmulde verdrängt. Während des Expansionstaktes wird das Gemisch wieder aus der Topf-Kolbenbodenmulde gesaugt. Dieser Vorgang führt, insbesondere in der Nähe des oberen Totpunkts, zu starken Quetsch-Strömungen.
Ergänzend zu der Quetsch-Strömung führt die Topf-Kolbenbodenmulde auch zu einer Beschleunigung der einlassseitig generierten Drallströmung. Aufgrund der Drehimpulserhaltung erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit der Drallströmung, wenn das Gemisch nach innen in die Topf-Kolbenbodenmulde verdrängt wird.
Die vorliegende Offenbarung ist zumindest teilweise darauf gerichtet, einen oder mehrere Aspekte der früheren Systeme zu verbessern oder zu überwinden.
Zusammenfassung der Offenbarung
Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf einen Kolben einer Brennkraftmaschine gerichtet. Der Kolben kann einen Kolbenmantel mit einer Mittelachse M aufweisen sowie einen Kolbenboden, der den Kolbenmantel nach oben begrenzt.
Der Kolbenboden kann einen Durchmesser D haben und von einem Kolbenbodenrand und einer Kolbenbodenmulde, die eine Wandhöhe H hat, gebildet sein. Zumindest eine Ventiltasche kann im Kolbenbodenrand gebildet sein. Die zumindest eine Ventiltasche kann eine Tiefe T mit Bezug auf den Kolbenbodenrand aufweisen, wobei die Ventiltaschen-Tiefe T bezogen auf die Wandhöhe H die folgende Bedingung zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand erblühen kann: insbesondere z.B.
Gemäß einem anderen Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf einen Motorblock einer Brennkraftmaschine gerichtet. Der Motorblock kann einen im Maschinenblock geführten Kolben aufweisen. Der Kolben kann einen Kolbenmantel mit einer Mittelachse M sowie einen Kolbenboden aufweisen, der den Kolbenmantel nach oben begrenzt, mit einem Durchmesser D. Der Kolbenboden kann von einem Kolbenbodenrand und einer Kolbenbodenmulde mit einer Wand, die eine Wandhöhe H aufweist, gebildet sein. Zumindest eine Ventiltasche kann im Kolbenbodenrand gebildet sein. Zumindest ein Gaswechselventil kann eine Mittelachse und einen Minimalabstand a zur Kolbenbodenmulde aufweisen, um einen Freigang des geöffneten Gaswechselventils sicherzustellen. Zumindest eine Ventiltasche ist zumindest teilweise wesentlich tiefer ausgebildet als notwendig ist für den Freigang des geöffneten Gaswechselventils.
Der Abstand a kann auf einen Abstand A zumindest im Bereich der Kolbenbodenwand vergrößert sein, wobei A &gt;= a + 2 mm ist.
Der Mindestabstand a kann zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand auf einen Abstand A vergrößert sein, mit A &gt;= a + 2 mm, A &gt;= a + 3 mm oder A &gt;= a + 4 mm oder A &gt;= a + 5 mm. Der damit erreichte Mindestabstand A beträgt im kalten Zustand dann absolut mindestens 4 mm bis 15 mm oder 6 mm bis 15 mm oder 7 mm bis 15 mm. Letzteres zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand.
Durch Vertiefung der Ventiltasche wir die im Bereich der Kolbenmuldenwand vorherrschende Drallströmung aufgebrochen, sodass auch ein turbulenter Strömungsanteil begründet wird, der die Verbrennung verbessert. Die Ventiltaschen werden deutlich tiefer ausgebildet als es eigentlich für den Freigang der Ventile erforderlich wäre. Diese Ausführungen können eine starke Brechung der Drallströmung bei gleichzeitig geringem Fertigungsaufwand erzeugen. Die vorstehend beschriebene Maßnahme kann die Turbulenz im Brennraum erhöhen. Die erhöhte Turbulenz führt zu einer beschleunigten Verbrennung und zu einem schnelleren und besseren Ausbrand im Zylinder. Dadurch können sich der Wirkungsgrad und der Klopfabstand des Motors erhöhen.
Sollten für den eigentlichen Betrieb eines Kolbens keine Ventiltaschen notwendig sein, so kann der erfindungsgemäße Effekt selbstverständlich auch durch Anbringung von Ventiltaschen erreicht werden. Eine solche Ausführungsform ist zumindest im Äquivalenzbereich des Anspruchs enthalten anzusehen.
Im Fall, dass der Mindestabstand a zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand auf den Abstand A vergrößert ist, damit der gewünschte Turbulenzeintrag erreicht wird, muss keine Ventiltasche vorgesehen werden, deren Durchmesser dem Ventilkörper entspricht. Eine Aussparung im Kolbenbodenrand im Grenzbereich zur Kolbenmuldenwand ist ausreichend.
Das Verhältnis H/D von der Tiefe H der Kolbenbodenmulde zu dem Durchmesser des Kolbenbodens bzw. des Kolbendurchmessers D kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung zwischen 0,15-0,35 betragen.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Ventiltasche einen Ventiltaschenboden mit einer Flächennormalen N aufweist, wobei die Flächennormale N zumindest einer Ventiltasche um einen Winkel ß geneigt zur Mittelachse M angeordnet ist, mit 1°&lt;= ß &lt;= 25° oder 5°&lt;= ß &lt;= 20° oder 5° &lt;= ß &lt;= 10°, wobei die Tiefe T zur Kolbenbodenmulde hin anwächst. Somit ist die Ventiltasche, wie vorstehend schon erläutert, insbesondere im Bereich der Kolbenmuldenwand etwas tiefer ausgebildet. Damit einher kann ein verstärkter Einfluss auf die in der Kolbenbodenmulde vorherrschende Drallströmung gehen. Zudem wird aufgrund der verminderten Tiefe T im Randbereich des Kolbens die Festigkeit des Kolbens bzw. seine Architektur nicht übermäßig nachteilig beeinflusst. Außerdem kann die Quetschströmung im zylinderwandnahen Bereich besser erhalten bleiben.
Vorteilhaft kann es bei der Ausbildung der Ventiltasche ferner sein, wenn der Abstand A folgende Bedingung erfüllt: 0,05 H &lt;= A &lt;= 0,5 H oder 0,05 H &lt;= A &lt;= 0,2 H oder 0,1 H &lt;= A &lt;= 0,2 H oder a+1 mm &lt;= A &lt;= 20 mm. Eine weiterführende Vertiefung der ganzen Ventiltasche würde in der Regel die Festigkeit des Kolbens zu sehr beeinflussen oder zu einer Kollision mit Kühlkanälen des Kolbens führen. Wenn der Boden der Ventiltasche, wie nachstehend ausgeführt, angestellt ist, ist zumindest im Bereich der Kolbenbodenmulde eine weiterführende Vertiefung möglich. Somit wird der Turbulenzeintrag erhöht. Dabei kann es von Vorteil sein, wenn die Ventiltasche einen Ventiltaschenboden mit einer Flächennormale N aufweist, wobei die Flächennormale N zumindest einer Ventiltasche um einen Winkel ß geneigt zur Mittelachse M oder zur Mittelachse des entsprechenden Gaswechselventils angeordnet ist, mit 1°&lt;= ß &lt;= 25° oder 5°&lt;= ß &lt;= 20° oder 5°&lt;= ß &lt;= 10°, wobei ein Abstand A zur Kolbenbodenmulde hin anwächst.
Somit kann die Ventiltasche, wie vorstehend schon erläutert, zumindest bereichsweise, also insbesondere im Bereich der Kolbenbodenmuldenwand, etwas tiefer ausgebildet werden. Der Ventiltaschenboden kann flach, konkav, konvex ausgebildet sein oder eine Mischform der vorstehenden Grundformen aufweisen. Die Flächennormale repräsentiert zumindest eine Zone oder nur einen Punkt auf dem Ventiltaschenboden.
In der Regel sind bei Großmotoren die Ventile bzw. deren Schaftachsen parallel zur Kolbenachse ausgerichtet. Sollte in diesem Fall eine Ventiltasche zwecks Freigangs des Ventils notwendig sein, so ist deren Ventiltaschenboden rechtwinkelig zur Schaftachse ausgerichtet. Für eine Anstellung des Ventiltaschenbodens gibt es ja keinen Grund.
Mit Anwendung eines angestellten bzw. nach innen abfallenden Ventiltaschenbodens variiert bei einem solchen Großmotor der Abstand zwischen dem Ventil und dem Ventiltaschenboden. Letzteres allein um einen erhöhten Turbulenzeintrag zu gewährleisten. Der kritische Abstand zum Ventil wird nur im radial außenliegenden Bereich der Ventiltasche erreicht.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Ventiltasche zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand eine Tiefe T aufweist, wobei die Tiefe T in Bezug auf die Höhe H folgende Bedingung erfüllt: 0,05 H &lt;= T &lt;= 0,5 H oder 0,05 H &lt;= T &lt;= 0,2 H oder 0,1 H &lt;= T &lt;= 0,2 H.
Der Bereich der Kolbenmuldenwand befindet sich mit Bezug zur Mittelachse M in radialer Richtung auf Höhe der Kolbenmuldenwand. Mit einer im Bereich der Kolbenmuldenwand maximal vertieften Ventiltasche geht zum einen ein verstärkter
Turbulenzeinfluss auf die in der Kolbenbodenmulde vorherrschende Drallströmung einher. Durch diese Ausbildung wird die Festigkeit des Kolbens bzw. seine Architektur nicht übermäßig nachteilig beeinflusst.
Der Bereich der Kolbenmuldenwand, d.h. der Bereich der nahe der Kolbenmuldenwand gelegenen Ventiltasche, kann auf der Höhe der Kolbenmuldenwand in radialer Richtung zur Mittelachse M angeordnet werden. Der Mindestabstand a zwischen der Ventiltasche oder einem Ventiltaschenboden und dem entsprechenden Gaswechselventil kann von der Größe des Motors von seiner Blendraumarchitektur abhängen und erfahrungsgemäß zwischen 0,5 mm und 3 mm betragen, zumindest im Betriebszustand. Im kalten Zustand oder im abgeschalteten Zustand kann der Abstand etwas größer sein.
Die Schaffung der Squish-Strömung und die Verstärkung der Drall-Strömung kann einen positiven Effekt auf die Verbrennung haben. Dieser kann jedoch noch positiver sein, wenn diese gerichteten Strömungen in zweckorientierter Weise in eine Turbulenz konvertiert werden, da dies die Verbrennung noch weiter verbessern würde.
Kurzbeschreibunq der Zeichnung
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Offenbarung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht des Kolbens;
Figur 2 eine Schnittdarstellung des Kolbens;
Figur 3 eine Prinzipskizze eines Motors.
Detaillierte Beschreibung
Ein in Fig. 1 dargestellter Kolben 1 weist einen Kolbenmantel 1.1 und einen den Kolbenmantel 1.1 nach oben begrenzenden Kolbenboden 2 auf. Der Kolbenboden 2 ist gebildet aus einem Kolbenbodenrand 2.1 sowie einer koaxial zu einer Mittelachse M verlaufenden Kolbenbodenmulde 2.2. Die Kolbenbodenmulde 2.2 weist einen die Kolbenbodenmulde 2.2 nach unten begrenzenden Kolbenmuldenboden 4 sowie eine an den Kolbenmuldenboden 4 anschließende Kolbenmuldenwand 3 auf. Innerhalb des Kolbenmuldenrandes 2.1 sind vier über den Umfang verteilt angeordnete Ventiltaschen 5.1 bis 5.4 vorgesehen.
Wie in Fig. 2 dargestellt, weist die jeweilige Ventiltasche 5.1 bis 5.4 einen mit Bezug zur Mittelachse M einerseits sowie mit Bezug zu einer Ventilachse 6.3, 6.4 andererseits, angestellten Ventiltaschenboden 5a-5d auf. Eine auf dem jeweiligen Ventiltaschenboden 5a-5d gebildete Flächennormale N, schließt mit der Mittelachse M bzw. mit der jeweiligen Achse des Gaswechselventils 6.3, 6.4 einen Winkel ß von etwa 7 Grad ein. Ausgehend von einem Abstand a, den das jeweilige Gaswechselventil 6.1, 6.2 zum Kolbenboden 2.1 bzw. zum Ventiltaschenboden 5a-5d aufweist, erhöht sich dieser Abstand a gemäß Fig. 2, rechte Seite, auf einen Abstand A kontinuierlich, und er ist im Bereich der Kolbenmuldenwand 3 bzw. in radialer Richtung zur Mittelachse M auf der Höhe der Kolbenmuldenwand 3 maximal.
In entsprechender Weise ist eine tiefe T der jeweiligen Ventiltasche 5.1 im Randbereich des Kolbens 1 mit Τ' wesentlich geringer als eine Tiefe T im Bereich der Kolbenmuldenwand 3.
Die Tiefe T beträgt etwa 15 % der Höhe H der Kolbenbodenmulde 2.2. Das Verhältnis der Höhe H der Kolbenbodenmulde 2.2 zu dem Durchmesser D des Kolbenbodens 2 bzw. des Kolbendurchmessers D beträgt etwa 0,2. Das Verhältnis des Muldendurchmessers d zum Durchmesser D des Kolbenboden 2 beträgt etwa 0,5.
Gemäß Fig. 2 weist der Kolben 1 zudem einen Kühlkanal 7 auf, der sich im Bereich unterhalb des Kolbenbodenrandes 2.1 befindet.
Der Kolben 1 nach Fig. 2 ist Teil eines Motors bzw. Motorblocks 6.
Gemäß Fig. 3 sind sechs der vorstehend beschriebenen Kolben 1, 1' innerhalb des Motors 6 bzw. eines nicht weiter dargestellten Zylinderblocks mit entsprechenden Gaswechselventilen 6.1', 6.2 angeordnet.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Der Kolben und Motorblock wie hier beschrieben können in einem Diesel-Motor oder in einem Otto-Motor oder einem Otto-Gasmotor verwendet werden. Im Fall des Otto-Motors oder Otto-Gasmotors kann der Motor mit einer externen oder internen Gemischbildung ausgebildet sein.
Ein Kolben gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ausgebildet sein, sodass eine verbesserte Verbrennung erreicht wird.
Wie hier beschrieben, kann gemäß einem Ausbildungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung zumindest eine Ventiltasche zumindest teilweise wesentlich tiefer ausgebildet sein, als notwendig ist für den Freigang des geöffneten Gaswechselventils.

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Kolben (1) einer Brennkraftmaschine mit einem eine Mittelachse M aufweisenden Kolbenmantel (1.1); und einem den Kolbenmantel (1.1) nach oben begrenzenden Kolbenboden (2) mit einem Durchmesser D, wobei der Kolbenboden (2) gebildet ist aus einem Kolbenbodenrand (2.1) sowie einer Kolbenbodenmulde (2.2) mit einer eine Höhe H aufweisenden Kolbenmuldenwand (3), wobei im Kolbenbodenrand (2.1) mindestens eine Ventiltasche (5.1-5.4) eingelassen ist, die mit Bezug zum Kolbenbodenrand (2.1) eine Ventiltaschen-Tiefe T aufweist, wobei die Tiefe T in Bezug auf die Höhe H zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand (3) folgende Bedingung erfüllt: 0,05 H &lt;= T &lt;= 0,5 H.
  2. 2. Kolben (1) nach Anspruch 1, wobei die Ventiltasche (5.1-5.4) einen Ventiltaschenboden (5a-5d) mit einer Flächenormalen N aufweist, wobei die Flächenormale N zumindest einer Ventiltasche (5.1-5.4) um einen Winkel ß geneigt zur Mittelachse M angeordnet ist, mit 1°&lt;= ß &lt;= 25°, wobei die Tiefe T zur Kolbenbodenmulde (2.2) hin anwächst.
  3. 3. Motorblock (6) einer Brennkraftmaschine mit einem darin geführten Kolben (1), der einen Kolbenmantel (1.1) mit Mittelachse M; und einem Kolbenboden (2) enthält, der den Kolbenmantel (1.1) nach oben begrenzt mit einem Durchmesser D, wobei der Kolbenboden (2) gebildet ist aus einem Kolbenbodenrand (2.1) sowie einer Kolbenbodenmulde (2.2) mit einer eine Höhe H aufweisenden Kolbenmuldenwand (3), mindest einer im Kolbenbodenrand (2.1) gebildeten Ventiltasche (5.1); mit mindestens einem Gaswechselventil (6.1, 6.2), das eine Mittelachse (6.3, 6.4) und einen Mindestabstand a zur Kolbenbodenmulde (2.2) aufweist, um einen Freigang des geöffneten Gaswechselventils (6.1) zu gewährleisten, wobei mindestens eine Ventiltasche (5.1-5.4), zumindest teilweise, wesentlich tiefer ausgebildet ist als für den Freigang des geöffneten Gaswechselventils (6.1, 6.2) notwendig ist, wobei der Abstand a zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand (3) auf einen Abstand A vergrößert ist, mit
  4. 4. Motorblock (6) nach Anspruch 3, wobei der Abstand A folgende Bedingung erfüllt:
  5. 5. Motorblock (6) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Ventiltasche (5.1-5.4) einen Ventiltaschenboden (5a-5d) mit einer Flächennormalen N aufweist, wobei die Flächennormale N zumindest einer Ventiltasche (5.1-5.4) um einen Winkel ß geneigt zur Mittelachse M oder zur Mittelachse (6.3, 6.4) des Gaswechselventils (6.1, 6.2) angeordnet ist, mit 1°&lt;= ß &lt;= 25°, wobei ein Abstand A zur Kolbenbodenmulde (2.2) hin anwächst.
  6. 6. Motorblock (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Ventiltasche (5.1-5.4) zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand (3) eine Tiefe T aufweist, wobei die Tiefe T in Bezug auf die Höhe H folgende Bedingung erfüllt:
  7. 7. Diesel-Motor (6) oder Otto-Motor (6) oder Otto-Gasmotor (6) mit einem darin geführten Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2.
  8. 8. Diesel-Motor (6) oder Otto-Motor (6) oder Otto-Gasmotor (6) mit einem Motorblock nach einem der Ansprüche 3 bis 6.
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