AT514641B1 - Kolben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine eines Otto-Motors mit externer Gemischbildung 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 sich in Umfangsrichtung U erstreckenden Kolbenbodenrand (2.1) der Breite b und einer Kolbenmulde (2.2) mit einer Tiefe t, wobei die Kolbenmulde (2.2) eine Kolbenmuldenwand (2.2a) mit einem Grunddurchmesser d aufweist, wobei innerhalb der Kolbenmuldenwand (2.2a) mindestens eine Ausnehmung (4.1) mit einer Höhe h vorgesehen ist, wobei die Höhe h mit Bezug zur Richtung der Mittelachse M folgende Bedingung erfüllt: 0,2 t <= h <= t, und im Kolbenbodenrand (2.2a) mindestens eine Ventiltasche (5.1) eingelassen ist und mindestens eine Ausnehmung (4.1. 4.2) ausschließlich im Bereich der Ventiltasche (5) vorgesehen ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem eine Mittelachse M aufweisenden Kolbenmantel und einem den Kolbenmantel nach oben begrenzenden Kolbenboden mit einem Durchmesser D, wobei der Kolbenboden gebildet ist aus einem sich in Umfangsrichtung U erstreckenden Kolbenbodenrand und einer Kolbenmulde mit einer Tiefe t, wobei die Kolbenmulde eine Kolbenmuldenwand mit einem Grunddurchmesser d aufweist, und innerhalb der Kolbenmuldenwand mindestens eine Ausnehmung mit einer Höhe h vorgesehen ist, wobei die Höhe h mit Bezug zur Richtung der Mittelachse M die Bedingung h &lt;= t erfüllt.

[0002] Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei einem Otto-Gasmotor werden Kolben mit verschiedenen Kolbenmuldenformen eingesetzt. In der Regel wird zwischen den folgenden, üblichen Varianten unterschieden: [0003] · Kolben mit dachförmigem Kolbenboden. Der Kolbenboden ist für Brennverfahren mit gasgespülter Vorkammer so gestaltet, dass die Fackelstrahlen möglichst spät auf die Brennraumwände treffen.

[0004] · Kolben mit wannenförmigem Kolbenboden. Der Kolbenboden ist so gestaltet, dass eine einlassseitig generierte Tumbleströmung erhalten bleibt.

[0005] · Kolben mit Omega-Kolbenmulde. Der Kolbenboden ist für den Dieselbetrieb für optima le Direkteinspritzung ausgelegt und wird aus Kostengründen und der Einfachheit halber auch beim Gas-Ottomotor eingesetzt. Letzteres jedoch ungeachtet eines womöglich schlechteren Verbrennungsverlaufs.

[0006] · Kolben mit Topf-Kolbenmulde. Der Kolbenboden ist so gestaltet, dass zwischen Kol benrand und Zylinderkopf eine Quetsch-Strömung (Squish-Strömung) in radialer Richtung entsteht. Außerdem wird die Drallströmung in der Topf- Kolbenmulde verstärkt.

[0007] Für Motoren mit Drall-Einlasskänalen und Kammerkerzen sind Kolben mit Topf-Kolbenmulden sehr gut geeignet. Während des Kompressionstaktes wird das Gemisch über dem Kolbenbodenrand (Squish-Rand) des Kolbens in die Topf-Kolbenmulde verdrängt.

[0008] Während des Expansionstaktes wird das Gemisch wieder aus der Topf- Kolbenmulde gesaugt. Dieser Vorgang führt, insbesondere in der Nähe des oberen Totpunkts, zu starken Quetsch-Strömungen.

[0009] Ergänzend zu der Quetsch-Strömung führt die Topf-Kolbenmulde 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-Kolbenmulde verdrängt wird.

[0010] Aus der DE 1 029 613 A sind verschiedene Kolbenbodenformen für selbstzündende Motoren bekannt, die eine geräuscharme Verbrennung durch optimale Zufuhr und Einmischung des eingespritzten Brennstoffs möglich machen sollen. Hierzu wird beschrieben, die Kolbenmuldenwand mit achsparallelen oder spiralförmigen Ablösekanten zu versehen, damit der Brennstoff in die mittig vorherrschende, günstige Drallströmung geführt wird.

[0011] Die DE 10 2010 027 637 A1 offenbart Kolbenausbildungen mit Omega-Mulden, die Ausnehmungen in der Kolbenmuldenwand und Ventiltaschen. Die Ausnehmungen innerhalb der Kolbenmulde können das Strömungsverhalten beeinflussen. Ventiltaschen ermöglichen einen Freigang der Aus- und Einlassventile.

[0012] Die WO 85 00198 A1 beschreibt vor allem Kolben mit Omega-förmigen Kolbenmulden, die seitliche Ausnehmungen aufweisen, jedoch fehlen hier Ventiltaschen.

[0013] Die DE 295 15 308 U1 beschreibt ähnlich wie WO 85 00198 A1 einen Kolben mit seitlichen Ausnehmungen und ohne Ventiltaschen. Die Ausnehmungen dienen als Entlastungskerben, um dem Entstehen von Wärmespannungen entgegenzuwirken, was jedoch unerheblich für den Verbrennungsvorgang ist.

[0014] Kolben für Brennkraftmaschinen die, Ausnehmungen im Kolbenmuldenboden aufweisen, sind z.B. aus GB 2 074 231 A, wobei es sich hier um schraubenlinienartige Ausnehmungen handelt, und aus DE 27 11 681 A1, die sichelförmige Ausnehmungen offenbart, bekannt. Auch die US 5 103 784 A offenbart spezielle Kolbenbodenausbildungen mit kleinen Kolbenmulden, wobei auch hier seitliche Ausnehmungen sowie Ventiltaschen fehlen.

[0015] Aus der JP H1 193 779 A ist ebenfalls ein Kolben für Brennkraftmaschinen bekannt, der Vertiefungen im Kolbenboden, jedoch ohne seitliche Ausnehmungen, aufweist.

[0016] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben einer Brennkraftmaschine derart auszubilden, dass eine verbesserte Verbrennung gewährleistet ist.

[0017] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Höhe h auch die Bedingung 0,2 t &lt;= h erfüllt, und dass im Kolbenbodenrand mindestens eine Ventiltasche eingelassen ist und die mindestens eine Ausnehmung ausschließlich im Bereich der Ventiltasche vorgesehen ist.

[0018] Aufgrund dieser Anordnung der Ausnehmung kann die in der Kolbenmulde vorherrschende Drallströmung zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand aufgebrochen werden, sodass insbesondere an den Kanten der Ausnehmung Verwirbelungen entstehen, die einen turbulenten Strömungsanteil begründen. Die Verwirbelungen können über die Höhe h entstehen, sodass mit größerer Höhe h mehr Turbulenz erzeugt werden kann. Die erhöhte Turbulenz kann zu einer beschleunigten Verbrennung und zu einem schnelleren und besseren Ausbrand im Zylinder führen. Dadurch können der Wirkungsgrad und der Klopfabstand des Motors erhöht werden. Dadurch, dass die Ausnehmung mit Bezug zur Umfangsrichtung im Bereich der Ventiltasche angebracht ist, kann die Drallströmung eines Brenngas-Ladeluft-Gemisches in der Mulde gezielt in Turbulenz verwandelt werden, ohne den Kolbenbodenrand zur Erzeugung von Quetschströmungen zu verringern; die Squish-Strömung kann in den Bereichen zwischen den Ventiltaschen unbeeinflusst bleiben. Lediglich dort, wo ohnehin Ventiltaschen vorgesehen sind, wo also die Squish-Strömung schon beeinflusst wird, kommt es aufgrund der Ausnehmung zu einer weiterführenden Abnahme der Squish-Strömung zu Gunsten der generierbaren Turbulenz.

[0019] Vorteilhafterweise erstreckt sich die Ausnehmung mit Bezug zur Umfangsrichtung U an der maximalen Breite B über einen Winkel ß , mit ß &lt;= 180° oder 3°&lt;= ß &lt;= 90°. Aufgrund der Ausnehmung kann die in der Kolbenmulde vorherrschende Drallströmung im Bereich der Kolbenmuldenwand aufgebrochen werden, sodass insbesondere an den Kanten der Ausnehmung Verwirbelungen entstehen, die einen turbulenten Strömungsanteil begründen. Die Art und die Intensität der Verwirbelung kann von der Ausdehnung der Ausnehmung in Umfangsrichtung, mit in dem Winkel ß und der maximalen Breite B der Ausnehmung im Bereich der Kolbenmuldenwand abhängen. Wenn diese zu klein wird, reduziert sich der turbulenzeintragende Effekt. Wenn sie zu breit wird, kann nur eine sehr begrenzte Anzahl an Vertiefungen realisiert werden.

[0020] Weiters ist es vorteilhaft, wenn die Ausnehmung mit Bezug zur Mittelachse M eine radiale Ausdehnung r über den Grunddurchmesser d der Kolbenmulde hinaus aufweist, wobei die radiale Ausdehnung r über mindestens 50 % der Höhe h ist. Der Grad der eintragbaren Turbulenz kann zum Teil abhängig von dem Maß der radialen Ausdehnung sein. Ein Mindestmaß an radialer Ausdehnung r kann notwendig sein, um effektiv Turbulenz eintragen zu können. Dieses Mindestmaß kann gegeben sein, wenn die radiale Ausdehnung r über mindestens 50 % der Höhe h der Ausnehmung vorgesehen ist und die folgende Bedingung erfüllt: 0,02 &lt;= r/D &lt;= 0,1. Die radiale Ausdehnung r kann jedoch mindestens 2 mm groß bzw. tief sein, um einen nachhaltigen Effekt auf den Turbulenzeintrag zu begründen.

[0021] Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn mehrere über den Umfang U verteilt angeordnete Ausnehmungen vorgesehen sind. Wie oben bereits ausgeführt muss die Ausnehmung eine gewisse Größe haben, damit sie die gewünschte Wirkung, also ein wirkungsvolles Aufbrechen der in der Kolbenmulde vorherrschenden Drallströmung, bewirkt. Mehrere solcher Ausnehmungen, die über den Umfang U verteilt angeordnet sind, können diese Wirkung erhöhen.

[0022] Weiters kann die Ausnehmung eine Symmetrieachse S aufweisen, die gegenüber der Mittelachse M in einem Winkel α angestellt ist, mit 0° &lt;= α &lt;= 30 oder 5° &lt;= α &lt;= 25°. Mit der Anstellung der Symmetrieachse S zur Mittelachse M hin kann eine Verjüngung der Ausnehmung nach unten hin erreicht werden. Durch das Verjüngen der Ausnehmungen zum Kolbenmuldenboden hin wird die Festigkeit des Kolbens in diesem Bereich nur geringfügig beeinflusst. Die Symmetrieachse S kann sich dabei auch nur auf einen wesentlichen Teil der Ausnehmung beziehen. Sofern sich die Symmetrieachse S stetig ändert, wie bspw. bei einer parabelförmigen Ausnehmung, ist auf eine mittlere bzw. gemittelte Symmetrieachse S abzustellen.

[0023] Auch ist es von Vorteil, wenn pro Ventiltasche eine, zwei, drei, vier oder mehr Ausnehmungen vorgesehen sind. Die Anzahl der Ausnehmungen richtet sich zum einen nach dem Verhältnis ihrer Größe zur Größe der jeweiligen Ventiltasche. Zum anderen wird die Anzahl entsprechend der damit jeweils erreichbaren Wirkung auf die Drallströmung bestimmt.

[0024] Vorteilhafterweise können die Ausnehmungen über den Umfang U symmetrisch verteilt angeordnet sein. Die Verteilung könnte aber auch, den jeweils vorliegenden Strömungsverhältnissen nach, asymmetrisch sein. Grundsätzlich ist auch eine unregelmäßige Verteilung der Ventiltaschen über den Umfang denkbar. Es kann von Vorteil sein, nur im Bereich einer Umfangszone Turbulenz zu erzeugen, während in einer anderen Umfangszone ausreichend Turbulenz durch die vorherrschenden Strömungsverhältnisse gegeben ist. In dieser Zone wird dann die Quetsch-Strömung nicht durch Turbulenztaschen beeinflusst.

[0025] Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Diesel-Motor oder Otto-Motor oder Otto-Gasmotor mit einem darin geführten Kolben wie vorstehend angegeben. Bei dem Otto-Motor bzw. dem Otto-Gasmotor kann es sich um einen Motor mit externer oder interner Gemischbildung handeln.

[0026] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen noch weiter erläutert. In den Figuren zeigen [0027] Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Kolbens mit Ausnehmungen; [0028] Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Kolbens nach Fig. 1; [0029] Fig. 3 eine Prinzipskizze eines Motors.

[0030] Ein in Fig. 1 dargestellter Kolben 1 weist einen eine Mittelachse M aufweisenden Kolbenmantel 1.1 und einen den Kolbenmantel 1.1 nach oben begrenzten Kolbenboden 2 mit einem Durchmesser D auf.

[0031] Der Kolbenboden 2 ist gebildet aus einem Kolbenbodenrand 2.1 der Breite b und einer zentral und koaxial zur Mittelachse M angeordneten Kolbenmulde 2.2. Die Kolbenmulde 2.2 weist eine im Wesentlichen zylinderförmige Kolbenmuldenwand 2.2a mit einem Grund(Basis)durchmesser d und einen Kolbenmuldenboden 2.2b auf. Innerhalb des Kolbenbodenrandes 2.1 sind vier über den Umfang U verteilt angeordnete Ventiltaschen 5.1-5.4 vorgesehen. Die Ventiltaschen 5.1-5.4 dienen einem ausreichenden Freigang der Ein- bzw. Auslassventile während des Betriebs des dargestellten Kolbens 1.

[0032] Zudem sind innerhalb der Kolbenmuldenwand 2.2a mehrere über den Umfang U verteilt angeordnete Ausnehmungen 4.1-4.6 vorgesehen. Die jeweilige Ausnehmung 4.1-4.6 erstreckt sich dabei über eine Flöhe h, die etwa 75 % einer Tiefe t der Kolbenmulde 2.2 entspricht.

[0033] Ferner weist die jeweilige Ausnehmung 4.1-4.6 eine maximale Breite B auf, die mit Bezug auf eine Umfangsrichtung U eine Erstreckung der jeweiligen Ausnehmung 4.1-4.6 um einen Winkel (3 etwa 40 Grad ergibt. Die jeweilige Ausnehmung 4.1-4.6 weist eine Symmetrieachse S auf, die einen Winkel α von etwa 22 Grad mit der Mittelachse M einschließt. Somit ergibt sich mit Bezug zur Mittelachse M eine radiale Ausdehnung r der Ausnehmung 4.1-4.6 die mit der Höhe h der Ausnehmung 4.1-4.6 variiert. Die radiale Ausdehnung r ist im Bereich des Kolbenbodenrandes 2.1 maximal und verjüngt sich über die Höhe h bis auf 0. Ein Mindestmaß an radialer Ausdehnung r ist notwendig, um effektiv Turbulenz eintragen zu können. Die radiale Ausdehnung r ist aufgrund der teilzylindrischen Form der Ausnehmung 4.1-4.6 einerseits und der Anstellung im Winkel α andererseits über mehr als 95 % der Höhe h größer als 0,5 mm.

[0034] Fig. 2 zeigt die Schnittdarstellung des Schnittes ll-ll, der sich, ausgehend von der Ausnehmung 4.1, über die Mittelachse M hin zur Ausnehmung 4.6 erstreckt. Dadurch kommt es betreffend die Darstellung der Ausnehmung 4.3, 4.4 zu einer Überschneidung gemäß Fig. 2. Aufgrund der Anstellung der Symmetrieachse S im Winkel α zur Mittelachse M, wird eine ausreichende Wandstärke zwischen der Kolbenmulde 2.2 und dem Kühlkanal 7 gewährleistet.

[0035] Nach der Ausführungsform von Fig. 1 sind pro Ventiltasche 5.1-5.4 jeweils zwei Ausnehmungen 4.1-4.6 im Bereich der jeweiligen Ventiltasche 5.1-5.4 vorgesehen. Die während des Auf- und Abbewegens des Kolbens 1 entstehende Quetsch-Strömung in die Kolbenmulde 2.2 und aus der Kolbenmulde 2.2 heraus ist in diesem Bereich aufgrund der Ventiltasche 5.1-5.4 ohnehin etwas gestört.

[0036] Durch die Anordnung der jeweiligen Ausnehmungen 4.1-4.6, insbesondere im Bereich der jeweiligen Ventiltasche 5.1-5.4, wird die ohnehin schon beeinflusste Quetsch-Strömung weiter beeinflusst. Dem gegenüber verbleibt es aber in den Bereichen zwischen den Ventiltaschen 5.1-5.4 bei einer Ausbildung einer vollständigen Quetsch-Strömung zwischen dem Kolbenbodenrand 2.1 und der Kolbenmulde 2.2.

[0037] Aufgrund der Ausnehmungen 4.1-4.6 wird, insbesondere im Bereich der Kolbenmuldenwand 2.2a, die innerhalb der Kolbenmulde 2.2 entstehende Drallströmung, insbesondere im Bereich der jeweiligen Kante der jeweiligen Ausnehmungen 4.1-4.6, verwirbelt, sodass insgesamt ein erhöhter Turbulenzeintrag erreicht wird.

[0038] Nach der Ausführungsform gemäß Fig. 3 findet ein Kolben 1,1’ wie nach Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben, auch Anwendung innerhalb eines Motors bzw. Motorblocks 6 eines Otto-Motors mit externer Gemischbildung.

Claims (8)

1. Patentansprüche 1. Kolben (1) für eine 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 sich in Umfangsrichtung U erstreckenden Kolbenbodenrand (2.1) und einer Kolbenmulde (2.2) mit einer Tiefe t, wobei die Kolbenmulde (2.2) eine Kolbenmuldenwand (2.2a) mit einem Grunddurchmesser d aufweist, und innerhalb der Kolbenmuldenwand (2.2a) mindestens eine Ausnehmung (4.1) mit einer Höhe h vorgesehen ist, wobei die Höhe h mit Bezug zur Richtung der Mittelachse M die Bedingung h &lt;= t erfüllt, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe h auch die Bedingung 0,21 &lt;= h erfüllt, und dass im Kolbenbodenrand (2.2a) mindestens eine Ventiltasche (5.1) eingelassen ist und die mindestens eine Ausnehmung (4.1. 4.2) ausschließlich im Bereich der Ventiltasche (5) vorgesehen ist.
2. 2. Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausnehmung (4. 1) mit Bezug zur Umfangsrichtung U über einen Winkel ß erstreckt, mit ß &lt;= 180° oder 3° &lt;= ß &lt;= 90°.
3. 3. Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (4. 1) mit Bezug zur Mittelachse M eine radiale Ausdehnung r über den Grunddurchmesser d der Kolbenmulde ( 2. 2) hinaus aufweist, wobei die radiale Ausdehnung r über mindestens 50 % der Höhe h vorgesehen ist und die folgende Bedingung erfüllt: 0,02 &lt;= r/D &lt;= 0,1.
4. 4. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere über den Umfang U verteilt angeordnete Ausnehmungen (4.1, 4.2, 4.3) vorgesehen sind.
5. 5. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (4) eine Symmetrieachse S aufweist, die gegenüber der Mittelachse M in einem Winkel α angestellt ist, mit 0° &lt;= α &lt;= 30 oder °5° &lt;= α &lt;= 25°.
6. 6. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Ventiltasche (5.1, 5.2. 5.3) eine, zwei, drei, vier oder mehr Ausnehmungen (4.1 4.2) vorgesehen sind.
7. 7. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (4, 4’, 4&quot;) über den Umfang U symmetrisch verteilt angeordnet sind.
8. 8. Diesel-Motor (6) oder Otto-Motor (6) oder Otto-Gasmotor (6) mit einem darin geführten Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen