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Die
Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
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Aus
der gattungsbildenden Offenlegungsschrift
DE 199 52 868 A1 ist ein
Kolben für
eine Brennkraftmaschine bekannt, der eine Mulde aufweist. Die Mulde
weist Hinterschneidungen zu einem Kolbenboden auf, die abschnittsweise
verrundet und nicht verrundet sind. Die nicht verrundeten Abschnitte
befinden sich bevorzugt an solchen Bereichen, an denen Kraftstoffstrahlen
aus einer Einspritzdüse
auf den Muldenrand auftreffen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, einen
Kolben für
eine Brennkraftmaschine bereit zu stellen, der zu geringen Emissionen
bei der Verbrennung in einem Brennraum oberhalb des Kolbens führt, wobei
zusätzlich
höchste
Anforderungen an die thermische und mechanische Festigkeit erfüllt werden.
Insbesondere wird die Dauerfestigkeit in einem Muldenrand deutlich
erhöht,
so dass Muldenrandrisse zuverlässig
verhindert werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Bei
einem Kolben für
eine Brennkraftmaschine, der eine Mulde aufweist, ist ein Muldenhals
zwischen der Mulde und einem den Brennraum begrenzenden Kolbenboden
sowohl für
die Festigkeit des Kolbens als auch für die Emissionen beim Betrieb
der Brennkraftmaschine ausschlaggebend. Ebenso ist eine Ausrundung
am Muldenhals, die den Kolben in Richtung Brennraum abschließt, sowohl
für die
Festigkeit des Kolbens als auch für die Emissionen beim Betrieb
der Brennkraftmaschine ausschlaggebend. Eine kleine Höhe des Muldenhalses
ist für
die Emissionen vorteilhaft und eine große Höhe des Muldenhalses bietet
Vorteile bei der Festigkeit. Erfindungsgemäß weist der Kolben eine kleine
Höhe des
Muldenhalses auf. Mit großer
Höhe des
Muldenhalses bilden die hoch belasteten Abschnitte, die in den zwei sich
gegenüber
liegenden Bereichen in Richtung einer Kolbenbolzenachse angeordnet
sind, eine Ausnahme. Auf diese Weise werden die Emissionen beim
Betrieb der Brennkraftmaschine auf Grund der kleinen Höhe des Muldenhalses
und damit kleiner Schadräume
gering gehalten. Gleichzeitig wird die Festigkeit in den am höchsten belasteten
Bereichen soweit verbessert, dass im Betrieb keine Risse am Muldenhals
und am Ausrundungsradius der Mulde entstehen.
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Die
am höchsten
belasteten Bereiche sind die Bereiche oberhalb der Kolbenaugen,
in denen ein Kolbenbolzen gelagert ist. Da in diesen Bereichen die Gaskräfte aus
der Verbrennung über
den Kolbenbolzen in eine Pleuelstange geleitet werden, entstehen hier
bei Betrieb der Brennkraftmaschine unter hoher Last hohe Spannungen.
Diese Spannungen führen bei
gleich bleibend kleiner Höhe
des Muldenhalses unter Hitzeeinfluss zu Rissen in den betroffenen
Bereichen, wie beispielsweise dem gesamten Übergangsbereich zwischen Mulde
und Kolbenboden, der von oben den Verbrennungstemperaturen ausgesetzt
ist. Durch eine partielle Vergrößerung der
Höhe des
Muldenhalses in diesen beiden Bereichen oberhalb der beiden Kolbenaugen,
wird die Rissbildung vermieden. Durch die beiden Kolbenaugen verläuft mittig
die Kolbenbolzenachse, die damit durch ihre Richtung die Abschnitte
im Randbereich mit großer Höhe des Muldenhalses
definiert.
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Besonders
emissionsarm verläuft
die Verbrennung in einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kolben,
wenn der Muldenhals mit kleiner Höhe am Umfang einen größeren Anteil
annimmt als der Muldenhals mit großer Höhe. Dies wird dadurch erreicht,
dass der Muldenhals mit großer Höhe in Richtung
der Kolbenbolzenachse sich über weniger
als ein Viertel des Umfanges des Muldenhals erstreckt.
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Ein
Muldenhals mit großer
Höhe wird
auf einfache Weise dadurch erzeugt, dass ein Abstand des Muldenhalses
zu einer mittigen Kolbenlängsachse
in diesem Bereich größer ist
als in Bereichen mit niedrigerem Muldenhals. Der Vorteil dabei ist
eine rotationssymmetrische Form der Mulde mit einer daraus resultierenden
guten Verbrennung. Der größere Abstand
des Muldenhalses zur Kolbenlängsachse
wird bei der ohnehin notwendigen mechanischen Nachbearbeitung der
Kolbenoberfläche
beispielsweise durch einfaches Ausdrehen erzeugt.
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Vorteile
bezüglich
geringer Emissionen bei gleich bleibender Festigkeit des Kolbens
ergeben sich durch einen vergrößerten Ausrundungsradius
in Bereichen mit einem Muldenhals mit großer Höhe gegenüber Bereichen mit einem Muldenhals
mit kleiner Höhe.
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Vorteile
in der Festigkeit und im Abgasverhalten des Kolbens ergeben sich
weiterhin durch einen kontinuierlichen Übergang von einem kleinen zu einem
großen
Ausrundungsradius.
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Ein
erfindungsgemäß ausgeführter Kolben für höchste mechanische
Belastungen und sehr gutem Abgasverhalten wird vorzugsweise in einer
direkteinspritzenden, luftverdichtenden Brennkraftmaschine verwendet.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der
Beschreibung und der Zeichnung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Kolben
in einer perspektivischen Schrägansicht,
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2 einen
Querschnitt durch einen oberen Teil des erfindungsgemäßen Kolbens
und
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3 eine
vereinfachte Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Kolben.
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In 1 ist
ein Kolben 1 für
eine nicht näher gezeigte
direkteinspritzende, luftverdichtende Brennkraftmaschine gezeigt,
der einen Schaft 2 mit einem Kolbenbolzenauge 3,
einen Kolbenboden 4 und eine Mulde 5 aufweist.
Im Kolbenboden 4 sind vier Ventiltaschen 6 ausgebildet.
Die Brennraummulde 5 ist in etwa symmetrisch zur Mitte
des Kolbenbodens 4 ausgebildet und weist in ihrer Mitte
eine Erhebung beziehungsweise einen Höcker 7 auf.
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Die
Mulde 5 weist in 2 am Übergang zum
höher liegenden
Kolbenboden 4 einen Muldenhals 8 auf, der abgerundet
ausgebildet ist und einen Ausrundungsradius 9 zum Kolbenboden 4 aufweist. Die
Höhe des
Muldenhalses 8 ist über
den Umfang des Muldenhalses 8 verschieden groß ausgeführt. In einer
ersten Richtung 10, die parallel zu einer Kolbenbolzenachse 11 und
quer zu einer Kolbenlängsachse 17 verläuft, ist
die Höhe
h' des Muldenhalses 8 größer ausgeführt als
in einer zweiten Richtung 12, die senkrecht zur ersten
Richtung 10 in einer Ebene im Kolbenboden 4 verläuft, wo
der Muldenhals 8 eine kleine Höhe h aufweist.
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Eine
möglichst
kleine Höhe
des Muldenhals 8 und ein geringer Ausrundungsradius 9 bei
einem Kolben 1 ergeben bei modernen Hochleistungsdieselmotoren
für Kraftfahrzeuge
eine geringe Schadstoffemission auf Grund eines dann entsprechend kleinen
Schadvolumens eines vom Kolben 1 und einem Zylinderkopf
begrenzten Brennraum der Brennkraftmaschine. Daher wird angestrebt,
den Muldenhals 8 und den Ausrundungsradius 9 so
klein wie möglich
zu gestalten.
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Bei
Einwirkung der Verbrennungskräfte
und Verbrennungsdrücke
stützt
sich der Kolben 1 über die
Kolbenbolzenaugen 3 auf den nicht gezeigten Kolbenbolzen
und ein ebenso nicht gezeigtes Pleuel ab. Dadurch ist der Bereich
unmittelbar oberhalb der Kolbenbolzenaugen 3 mechanisch
hoch belastet, was sich auch auf Grund der thermischen Belastung auf
die Festigkeit in diesem Bereich auswirkt. Um eine Rissbildung in
dem auf Grund der kleinen Höhe h
des Muldenhalses 8 und des kleinen Ausrundungsradius 9 besonders
gefährdeten
Bereich 13 oberhalb der Kolbenbolzenachse 11 und
der Kolbenbolzenaugen 3 zu vermeiden, wird die Höhe Muldenhals 8 erfindungsgemäß in diesem
gefährdeten
Bereich 13 vergrößert. Dieser
gefährdete
Bereich 13 ist unmittelbar beidseitig der ersten Richtung 10 am
Muldenhals 8 ausgebildet. Auf Grund der ungefähr symmetrischen
Form des Kolbens 1 ist der gefährdete Bereich 13 mit
hohem Muldenhals 8 oberhalb jedes der beiden Kolbenbolzenaugen 3 vorhanden.
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Ein
hoher Muldenhals 8 wird dadurch erreicht, dass bei einer
rotationssymmetrischen Mulde 5 der Abstand zu einer Kolbenlängsachse 17 in
den gefährdeten
Bereichen 13 mit hohem Muldenhals 8 vergrößert ist.
Der Hinterschnitt 18 unterhalb des Muldenhalses 8 in
der Mulde 5 bedingt bei einer Vergrößerung des Abstandes zur Kolbenlängsachse 17 eine
größere Höhe h' des Muldenhalses 8.
Der Abstand zur Kolbenlängsachse 17 kann
in den beiden gefährdeten
Bereichen 13 durch Drehen oder Fräsen erzeugt werden, wobei ein
Werkzeug mit einer Bearbeitungsdrehachse verwendet wird, die in
etwa parallel zur Kolbenlängsachse 17 verläuft. Dadurch
ist, wie in der Draufsicht auf den Kolben 1 gemäß 3 näher gezeigt
ist, der Muldenhals 8 als ringförmige Zylinderfläche ausgebildet,
die aus zwei Kreisabschnitten K und zwei Eindrehungen E zusammengesetzt ist.
Dabei sind die Kreisabschnitte K in weniger gefährdeten zweiten Bereichen 14 und
die Eindrehungen E in den gefährdeten
Bereichen 13 ausgebildet. Die Übergänge von den Kreisabschnitten
k zu den Eindrehungen E am Muldenhals sind verrundet ausgeführt und
erfolgen kontinuierlich, um keinerlei Spannungsspitzen zu erzeugen
oder hitzegefährdete Ecken
und Kanten zu vermeiden.
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Um
eine ausreichende Festigkeit des Kolbens 1 und gleichzeitig
gute Emissionen beim Betrieb der Brennkraftmaschine zu erreichen,
ist der erste Umfangswinkel 15 des gefährdeten Bereiches 13 mit großer Höhe h' des Muldenhals 8 kleiner
als 90°.
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Zur
weiteren Verbesserung ist der gefährdete Bereich 13 mit
einem großen
Ausrundungsradius 9 versehen. Zwischen dem gefährdeten
Bereich 13 mit großem
Ausrundungsradius 9 und dem zweiten Bereich 14 mit
kleinem Ausrundungsradius 9, der in einer Draufsicht nach 3 auf
den Kolbenboden 4 um 90° verdreht
angeordnet ist, weist der Ausrundungsradius 9 einen kontinuierlichen Übergang
zwischen den beiden Werten auf. Ebenso ist der Übergang vom Muldenhals 8 zur
Ausrundung mit einem kontinuierlichen Übergang versehen.
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Der
erste Umfangswinkel 15 erstreckt sich damit jeweils mit
maximal etwa +/– 45° von der
ersten Richtung 10 auf dem Umfang des Muldenhalses 8. Die
beiden zweiten Bereiche 14 mit einem niedrigen Muldenhals
und einem kleinem Ausrundungsradius 9 erstrecken sich daher
jeweils über
einen zweiten Umfangswinkel 16 von mindestens 90°.