DE10028449A1 - Internal combustion engine with troughed piston head uses segmentally spherical trough forming annulus round hump at maximum trough depth diametered less than half piston diameter. - Google Patents

Internal combustion engine with troughed piston head uses segmentally spherical trough forming annulus round hump at maximum trough depth diametered less than half piston diameter.

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Abstract

The piston head trough (4) approximates to a spherical segment (5) in which an annular part of the trough (4,7) at maximum depth surrounding the compression hump (6) has a diameter less than half the piston diameter. The section of the trough (4) has a shallow entry of minor curvature only to increase in curvature from maximum trough depth to the hump (6). The transition from piston head to trough should be radiussed and the hump presents a cone shape of less than 150 deg with a rounded blunt tip (8) and the spray angle of the injection nozzle (2) should be less than 140 deg .

Description

Die Erfindung betrifft luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Zylindern und Kolben, von denen der Kolben einen Kolbenboden mit einer Kolbenmulde aufweist, wobei in der Kolbenmulde ein zumindest annähernd mittig liegender Kompressionshöcker ange­ ordnet ist, der der im Zylinderkopf vorgesehenen Einspritzdüse gegenüberliegt.The invention relates to air-compressing internal combustion engines Cylinders and pistons, of which the piston has a piston crown with a piston recess, wherein in the piston recess at least approximately centrally located compression humps is assigned to that of the injector provided in the cylinder head opposite.

Es ist aus der DE 196 49 052 A1 bekannt, bei einer luftverdich­ tenden Brennkraftmaschine mit drallarmer luftverteilender Di­ rekteinspritzung den Kraftstoff in eine Kolbenmulde im Kolben­ boden einzuspritzen. Um eine niedrige Schadstoffemission zu er­ reichen, wird die Kolbenmulde aufgeweitet und durch eine da­ durch verbesserte Lufterfassung eine gute Durchmischung des Kraftstoffes mit der Luft erreicht. Der Kompressionshöcker hat die Aufgabe, an Stellen im Brennraum in der Kolbenmulde, die nicht vom Einspritzstrahl der Einspritzdüse erfasst sind, keine Luft verbleiben zu lassen, die nicht an der Verbrennung teil­ nimmt. Die Formen des Kompressionshöckers und des Spritzwinkels der Einspritzdüse sind aufeinander abgestimmt.It is known from DE 196 49 052 A1, with an air compression tendency internal combustion engine with low-swirl air-distributing Di direct injection of fuel into a piston recess in the piston inject soil. To achieve low pollutant emissions range, the piston bowl is widened and there by one due to improved air collection a good mixing of the Reached with the air. The compression hump has the task at points in the combustion chamber in the piston bowl, the are not caught by the injection jet of the injection nozzle, none To leave air that is not part of the combustion takes. The shapes of the compression hump and the spray angle the injection nozzle are coordinated.

Durch diese Maßnahmen wird die Verbrennung optimiert, so daß ohne Vergrößerung des Schadstoffausstoßes die Luftmasse im Zy­ linder durch höhere Aufladung vergrößert werden kann, und damit bei gleichem Grundmotor die eingespritzte Kraftstoffmenge ver­ größert werden kann. Eine größere Kraftstoffmenge ergibt einen höheren Zünddruck, Mitteldruck und Leistung. Der hohe Zünddruck und die mit dem hohen Zünddruck einhergehende hohe Temperatur erfordern besondere Maßnahmen am Kolben, damit die mechanische und thermische Festigkeit und Dauerhaltbarkeit gewährleistet sind.These measures optimize combustion so that the air mass in the cy without increasing the pollutant emissions linder can be enlarged by higher charging, and thus with the same basic engine, the injected fuel quantity ver can be enlarged. A larger amount of fuel gives you one higher ignition pressure, medium pressure and power. The high ignition pressure and the high temperature associated with the high ignition pressure require special measures on the piston so that the mechanical  and ensures thermal strength and durability are.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben derarti­ ger Bauart für höhere Verbrennungsdrücke, das heißt höhere Mo­ torwirkungsgrade und Leistungen, sowohl mechanisch als auch thermisch haltbarer zu machen, ohne dabei die Schadstoffemissi­ on zu vergrößern.The invention has for its object a piston suchi design for higher combustion pressures, i.e. higher Mo door efficiency and performance, both mechanical and to make them thermally more durable without reducing pollutant emissions on to enlarge.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Kolbenmulde in ihrer Grundform zumindest annähernd eine Kugelkalotte bildet und daß ein den Kompressionshöcker umgebender ringförmiger Teil der Kolbenmulde im Bereich der maximalen Muldentiefe einen Ringdurchmesser aufweist, der kleiner als der halbe Kolben­ durchmesser ist.The object is achieved in that the piston bowl in their Basic shape at least approximately forms a spherical cap and that an annular part of the compression hump surrounding the Piston recess in the area of the maximum recess depth one Has ring diameter that is smaller than half the piston diameter is.

Vorteilhafte und förderliche Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen zu entnehmen.Advantageous and beneficial developments of the invention are the other claims.

Eine Kugelkalotte als Grundform einer Kolbenmulde hat zwei Vor­ teile: Die Kugelform in Verbindung mit einem großen Kugelradius ist von der Spannungsverteilung im Kolbenmaterial her vorteil­ haft, da keine engen Radien an der Oberfläche oder Quer­ schnittssprünge im Kolbenmaterial auftreten. Ein zweiter Vor­ teil ist die geringere Oberfläche einer Kugelkalotte als Grund­ form einer Kolbenmulde gegenüber einer zylindrischen oder ke­ gelartigen Grundform einer Kolbenmulde.A spherical cap as the basic shape of a piston bowl has two advantages parts: The spherical shape in connection with a large spherical radius is advantageous from the stress distribution in the piston material clinging because there are no tight radii on the surface or across cuts occur in the piston material. A second forward part is the smaller surface of a spherical cap as the base shape of a piston bowl opposite a cylindrical or ke gel-like basic shape of a piston bowl.

Dadurch, daß die Muldentiefe zum Kolbenaußendurchmesser hin im­ mer geringer wird und am Übergang zum Kolbenboden ein flacher Einlauf bei keinerlei scharfen Übergängen vorgesehen ist, ist die Materialbelastung durch den hohen Zünddruck gering. Während des Einspritzvorganges spritzen die Kraftstoffstrahlen auf den äußeren Bereich der Kolbenmulde, der Kraftstoff entzündet sich und der Kolben in diesem Bereich und am Übergang zum Kolbenbo­ den erwärmt sich stark. Da keine stark hervorstehenden Mate­ rialbereiche vorhanden sind, die schlecht zu kühlen sind, entstehen bei einer erfindungsgemäßen Ausführung der Kolbenmulde keine Wärmeverzüge, Risse und Abbrand des Kolbenmaterials, ins­ besondere nicht am gefährdeten Randbereich.Because the trough depth to the piston outer diameter in mer gets smaller and a flatter one at the transition to the piston crown Enema is not provided with any sharp transitions the material load is low due to the high ignition pressure. While of the injection process spray the fuel jets onto the outer area of the piston bowl, the fuel ignites and the piston in this area and at the transition to the piston piston it heats up a lot. Since there is no protruding mate areas are present that are difficult to cool  in an embodiment of the piston bowl according to the invention no heat distortion, cracks and burning of the piston material, ins especially not at the endangered edge area.

Die erfindungsgemäße Ausführung der Kolbenmulde ermöglicht ein Verschieben eines Kühlkanals im Kolben in Richtung Brennraum­ seite, ohne daß die Festigkeit des Kolbenbodens und der Kolben­ mulde geringer wird. Der Kühlkanal verläuft unmittelbar unter­ halb des Kolbenbodens und des Überganges zur Kolbenmulde. Das verbessert die Dauerhaltbarkeit des Kolbens bei hoher Tempera­ tur und Zünddruck.The design of the piston bowl according to the invention enables one Moving a cooling channel in the piston towards the combustion chamber side without losing the strength of the piston crown and the pistons trough becomes smaller. The cooling channel runs immediately below half of the piston crown and the transition to the piston bowl. The improves the durability of the piston at high temperatures tur and ignition pressure.

Ein weiterer Vorteil des nach oben verschobenen Kühlkanals ist die Möglichkeit, die Ringpartie, insbesondere den ersten Kol­ benringträger mit Kolbenring, in Richtung Brennraum zu ver­ schieben, da eine ausreichende Kühlung durch den Kühlkanal ge­ währleistet ist. Eine Verkleinerung des Feuerstegs ist eine Verkleinerung des Schadvolumens zwischen Kolben und Zylinder­ wand und damit eine direkte Verringerung des Schadstoffaussto­ ßes durch unverbrannten oder verkokten Kraftstoff.Another advantage of the cooling channel moved upwards is the possibility of the ring section, especially the first col ring ring carrier with piston ring, in the direction of the combustion chamber push because there is sufficient cooling through the cooling channel is guaranteed. A reduction in the size of the top land is one Reduction of the volume of damage between the piston and cylinder wall and thus a direct reduction in pollutant emissions due to unburned or coked fuel.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.The following is an embodiment of the invention based on a drawing explained in more detail.

Ein Kolben 1 mit einem Kolbendurchmesser DK in einem Zylinder einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine ist in einer Stel­ lung im oberen Totpunkt seiner Bewegung mit geringstem Abstand zu einer im Zylinderkopfangeordneten Einspritzdüse 2 gezeigt. Die Oberseite des Kolbens 1 ist durch einen Kolbenboden 3 mit einer darin eingelassenen Kolbenmulde 4 gebildet. Zylinder und Zylinderkopf sind nicht dargestellt.A piston 1 with a piston diameter DK in a cylinder of an air-compressing internal combustion engine is shown in a position in the top dead center of its movement with the smallest distance from an injection nozzle 2 arranged in the cylinder head. The top of the piston 1 is formed by a piston crown 3 with a piston recess 4 embedded therein. The cylinder and cylinder head are not shown.

Diese Kolbenmulde 4 wird durch eine Kugelkalotte 5 mit dem Kugelradius RK gebildet. Der Rand der Kolbenmulde 4 am Übergang zum Kolbenboden 3 hat einen Durchmesser DM. Ungefähr in der Mitte der Kolbenmulde 4 befindet sich ein Kompressionshöcker 6 und zwar direkt gegenüber der Einspritzdüse 2. This piston bowl 4 is formed by a spherical cap 5 with the ball radius RK. The edge of the piston recess 4 at the transition to the piston crown 3 has a diameter DM. Approximately in the middle of the piston recess 4 there is a compression bump 6 , specifically directly opposite the injection nozzle 2 .

Die Tiefe der Kolbenmulde 4 nimmt vom Rand der Kolbenmulde zur Mitte des Kolbens 1 hin zu.The depth of the piston bowl 4 increases from the edge of the piston bowl to the center of the piston 1 .

Der Kompressionshöcker 6 gegenüber der Einspritzdüse 2 in der Kolbenmulde 4 verringert durch seine kegelartige Form die Mul­ dentiefe derart, daß im Übergangsbereich zwischen der Kugelka­ lotte 5 als Grundform und der kegelartigen Form des Kompressi­ onshöckers ein ringförmiger Bereich 7 mit einer maximalen Mul­ dentiefe TR gebildet ist. Der Ringdurchmesser DR dieses Berei­ ches 7 maximaler Muldentiefe ist erfindungsgemäß kleiner als der halbe Kolbendurchmesser DK.The compression hump 6 compared to the injector 2 in the piston recess 4 reduces by its conical shape, the Mul dent depth such that in the transition area between the Kugelka lotte 5 as the basic shape and the conical shape of the compression onshöckers an annular region 7 is formed with a maximum Mul depth DE TR . The ring diameter DR of this area 7 maximum trough depth is, according to the invention, smaller than half the piston diameter DK.

Die Kugelkalotte 5 als Muldengrundform wird mit einem großen Kugelradius RK ausgeführt, zum Beispiel bei Kolbendurchmesser DK von 120 mm mit einem Kugelradius RK von 80 mm bis 100 mm. Damit ist ein flacher Einlauf am Übergang vom Kolbenboden 3 zur Kol­ benmulde 4 gewährleistet.The spherical cap 5 as a basic trough shape is designed with a large spherical radius RK, for example with a piston diameter DK of 120 mm with a spherical radius RK from 80 mm to 100 mm. This ensures a flat inlet at the transition from the piston crown 3 to the piston benmulde 4 .

Der Übergang von der Kugelkalotten 5 in den kegelartigen Kom­ pressionshöcker 6 im ringförmigen Bereich 7 der maximalen Mul­ dentiefe hat einen - im Verhältnis zum Kugelradius RK - kleine­ ren Radius RH, zum Beispiel bei einem Kolbendurchmesser DK von 120 mm einen Radius RH von 20 mm bis 30 mm. Der Kompressionshöcker 6 ist kegelartig mit einem Kegelwinkel α von weniger als 150° und mit einer abgerundeten Spitze 8 ausgeführt.The transition from the spherical caps 5 into the conical compression hump 6 in the annular region 7 of the maximum trough depth has a - in relation to the spherical radius RK - smaller radius RH, for example with a piston diameter DK of 120 mm a radius RH of 20 mm to 30 mm. The compression hump 6 is conical with a cone angle α of less than 150 ° and with a rounded tip 8 .

Die Ausrundung 3a zwischen dem Kolbenboden 3 und der Kolbenmul­ de 4 ist fertigungstechnisch bedingt, verhindert aber auch im Gegensatz zu einer scharfen Kante ein Abbrennen der Kante. Da die Kolbenmulde 4 flach in den Kolbenboden 3 übergeht, ist die Gefahr einer übermäßigen Belastung nicht gegeben.The fillet 3 a between the piston crown 3 and the Kolbenmul de 4 is production-related, but also prevents the edge from burning off, in contrast to a sharp edge. Since the piston bowl 4 merges flat into the piston crown 3 , there is no risk of excessive stress.

Im Bereich des Kompressionshöckers 6 ist die thermische und me­ chanische Belastung nicht so groß wie am Muldenrand, da die Einspritzstrahlen 9 nicht auf den Kompressionshöcker treffen und demzufolge dort auch keine direkte Verbrennung stattfindet. In the area of the compression bump 6 , the thermal and mechanical stress is not as great as at the edge of the trough, since the injection jets 9 do not strike the compression bump and consequently there is no direct combustion either.

Deshalb ist es nicht schädlich für die Kolbenhaltbarkeit den Kompressionshöcker 6 mit relativ zum Kugelkalottenradius RK kleinen Radien RH zu versehen. Der Abstand der Spitze 8 des Kompressionshöckers 6 zur Einspritzdüse 2 ist im oberen Tot­ punkt der Kolbenbewegung kleiner als 7 mm, vorzugsweise zwischen 3 mm und 5 mm.Therefore, it is not harmful to the piston durability to provide the compression hump 6 with small radii RH relative to the spherical cap radius RK. The distance of the tip 8 of the compression hump 6 to the injection nozzle 2 is at the top dead center of the piston movement less than 7 mm, preferably between 3 mm and 5 mm.

Der Kegelwinkel α des Kompressionshöckers ist kleiner als 150°, um ein ausreichendes Verdichtungsvolumen in der Kolben­ mulde 4 zu erreichen und wegen den Forderungen nach großen Ra­ dien, der Lage der ringförmigen maximalen Kolbentiefe 7 und vor allem um die Ausbreitung der Einspritzstrahlen 9 durch den Kom­ pressionshöcker 6 nicht zu stören.The cone angle α of the compression hump is less than 150 ° in order to achieve a sufficient compression volume in the piston bowl 4 and because of the demands for large radia, the location of the annular maximum piston depth 7 and, above all, the spread of the injection jets 9 by the com pressure bumps 6 not to bother.

Der Spritzwinkel β der Einspritzdüse ist daran angepasst und kleiner als 140°. Damit ist gewährleistet, daß die Einspritz­ strahlen 9 den Kolbenboden 3 und vor allem die Kolbenmulde 4 treffen.The injection angle β of the injection nozzle is adapted to this and less than 140 °. This ensures that the injection rays 9 hit the piston crown 3 and especially the piston recess 4 .

Zwischen einem Kühlkanal 10 zur Kolbenkühlung zum Beispiel mit Öl und der Brennraumseite des Kolbens 1, die durch Kolbenboden 3 und Kolbenmulde 4 gebildet ist, ist eine Mindestdicke des Kolbenmaterials aus Festigkeitsgründen erforderlich. Durch die Form der Kolbenmulde 4, ohne enge Radien - insbesondere zum Kolbenboden 3 hin - und am Rande flach auslaufend, ist eine Anordnung des Kühlkanals 10 nahe am Kolbenboden 3 ohne eine Be­ einträchtigung der Kolbenfestigkeit darstellbar. Durch einen weit oben am Kolbenboden 3 angeordneten Kühlkanal 10 ist die Kühlung der Kolbenringe 11 ebenfalls verbessert. Die Kolbenrin­ ge 11 sind ebenfalls in Richtung Kolbenboden 3 verschoben an­ geordnet. Aufgrund der verbesserten Kühlung durch den verscho­ benen Kühlkanal 10 und der guten Anbindung des Kolbenbodens 3 an den seitlichen Bereich des Kolbens 1 besteht keine Gefahr, daß der oberste Kolbenring aus einem mechanisch und thermisch hochbelasteten Abschnitt ausbricht.Between a cooling channel 10 for piston cooling, for example with oil, and the combustion chamber side of the piston 1 , which is formed by the piston crown 3 and piston recess 4 , a minimum thickness of the piston material is required for reasons of strength. Due to the shape of the piston bowl 4 , without tight radii - in particular towards the piston crown 3 - and tapering flat at the edge, an arrangement of the cooling channel 10 close to the piston crown 3 can be represented without impairing the piston strength. The cooling of the piston rings 11 is likewise improved by a cooling channel 10 arranged high up on the piston crown 3 . The Kolbenrin ge 11 are also shifted towards the piston crown 3 arranged. Due to the improved cooling through the shifted cooling channel 10 and the good connection of the piston crown 3 to the lateral region of the piston 1 , there is no danger that the uppermost piston ring will break out of a mechanically and thermally highly stressed section.

Claims (6)

1. Luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Zylindern und Kol­ ben, von denen der Kolben einen Kolbenboden mit einer Kolben­ mulde aufweist, wobei in der Kolbenmulde ein zumindest annä­ hernd mittig liegender Kompressionshöcker angeordnet ist, der der im Zylinderkopf vorgesehenen Einspritzdüse gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmulde (4) in ihrer Grundform zumindest annähernd eine Kugelkalotte (5) bildet und daß ein den Kompressionshöcker (6) umgebender ringförmiger Teil (7) der Kolbenmulde im Bereich der maximalen Muldentiefe einen Ringdurchmesser aufweist, der kleiner als der halbe Kolbendurchmesser ist.1. Air-compressing internal combustion engine with cylinders and Kol ben, of which the piston has a piston crown with a piston recess, wherein an at least approximately centrally located compression hump is arranged in the piston recess, which is opposite the injection nozzle provided in the cylinder head, characterized in that the piston recess ( 4 ) in its basic form at least approximately forms a spherical cap ( 5 ) and that an annular part ( 7 ) of the piston bowl surrounding the compression hump ( 6 ) has a ring diameter in the region of the maximum bowl depth, which is smaller than half the piston diameter. 2. Luftverdichtende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmulde (4) - im Querschnitt gesehen - vom Kolben­ boden (3) aus zunächst einen flachen Einlauf mit einer geringen Krümmung und ab dem Bereich der maximalen Muldentiefe eine bis in den Kompressionshöcker (6) reichende stärkere Krümmung auf­ weist.2. Air-compressing internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the piston recess ( 4 ) - seen in cross section - from the piston bottom ( 3 ) initially a flat inlet with a slight curvature and from the area of the maximum trough depth one into the compression hump ( 6 ) Reaching greater curvature. 3. Luftverdichtende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen dem Kolbenboden (3) und der Kolbenmulde (4) gebildeter Übergang abgerundet ausgeführt ist.3. Air-compressing internal combustion engine according to one of claims 1 to 2, characterized in that a transition formed between the piston crown ( 3 ) and the piston bowl ( 4 ) is rounded. 4. Luftverdichtende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionshöcker (6) eine kegelartige Form mit abge­ rundeter stumpfer Spitze (8) aufweist.4. Air-compressing internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the compression hump ( 6 ) has a cone-like shape with rounded blunt tip ( 8 ). 5. Luftverdichtende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionshöcker (6) einen Kegelwinkel von weniger als 150° aufweist.5. Air-compressing internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the compression bump ( 6 ) has a cone angle of less than 150 °. 6. Luftverdichtende Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (2) einen Spritzwinkel von weniger als 140° aufweist.6. Air-compressing internal combustion engine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the injection nozzle ( 2 ) has an injection angle of less than 140 °.
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