DE102009050265A1

DE102009050265A1 - Kolben für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102009050265A1
Application number: DE102009050265A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Ing. Heiermann
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2010-09-02

Abstract

Ein Kolben (6) einer Brennkraftmaschine weist eine Kolbenmulde (5) auf und ist kolbenbodenseitig mit einer Oberflächenkontur (8) versehen, die zumindest im Wesentlichen aus scharfkantig aneinander anschließenden Geradenstücken zusammengesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere für luftverdichtende Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Kolben der vorgenannten Art sind beispielsweise aus der DE 202 21 786 U1 bekannt. Diese Kolben sind seitens des Kolbenbodens mit einer Kolbenmulde versehen, in der zentral aufragend ein Dom vorgesehen ist. Gegen die Oberseite des Kolbens geht die Kolbenmulde in eine umlaufende, zum Kolbenrand auslaufende Vertiefung über, so dass anschließend an den Kolbenrand lediglich eine verhältnismäßig schmale Randebene verbleibt. Es ergibt sich so zur durch die Randzone bestimmten Ebene des Kolbenbodens eine vertieft liegende und stufig verlaufende Oberflächenkontur, die im Wesentlichen durch verrundet ineinander übergehende Geradenstücke gebildet ist. Dies mit der Zielsetzung, eine vergleichmäßigte Ausströmgeschwindigkeit aus dem Bereich der Kolbenmulde bei der Abwärtsbewegung des Kolbens und in Verbindung damit eine verringerte Anlagerung von Kraftstoffanteilen an der Zylinderwand zu erreichen. Fertigungstechnisch bedeutet eine solche Ausgestaltung einen erheblichen Aufwand und beschränkt die Einflussnahme auf die Vermischung des in der Brennraummulde wandseitig filmartig angelagerten Kraftstoffes im Wesentlichen auf die Verweilzeit durch Verringerung der Ausströmgeschwindigkeit aus der Kolbenmulde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ausbildung für einen derartigen Kolben zu schaffen, der verbesserte Voraussetzungen für die Aufbereitung und Vermischung des eingespritzten Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft ebenso mit sich bringt wie eine Vereinfachung der Fertigung.
Erreicht wird dies mit den Merkmalen des Anspruches 1, wobei durch scharfkantige Übergänge zwischen winklig aneinander anschließenden Geradenstücken ein kontrollierter Strömungsabriss erreicht wird, der Verwirbelungen nach sich zieht und zu einer besonders intensiven Vermischung von Verbrennungsluft und am Kolbenboden angelagerten Kraftstoffteilchen führt, was zur Reduktion der Rußentstehung bei der Verbrennung beiträgt.
Insbesondere kommen im Rahmen der Erfindung Ausgestaltungen zum Tragen, bei denen entsprechend den Schliffbildern von Schmucksteinen, insbesondere Diamanten, facettenartig kurze Geradenstücke aneinander anschließen, die sich ohne Stufensprünge zu einem Polygonzug ergänzen.
Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, zur Intensivierung der Strömungsablösung und -verwirbelung den scharfkantigen Übergang zwischen aufeinander folgenden Geradenstücken als Stufensprung auszubilden, wobei die Stufenhöhe nur einen kleinen Bruchteil der jeweiligen Stufenlänge ausmacht und bevorzugt in der Größenordnung von 1 mm, insbesondere kleiner als 1 mm, liegt.
Herstellungstechnisch lassen sich beide Ausgestaltungsformen gut beherrschen und einfach realisieren, vor allem bei rotationssymmetrisch ausgebildeten Kolbenmulden, aber auch bei ovalen, zum Beispiel elliptischen Kolbenmulden, bei denen sich bei stufig abgesetzter Gestaltung entsprechende, stufig aufeinander folgende Ringzonen ergeben.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit scharfkantig aneinander anschließenden Geradenstücken macht es möglich, gezielt im Hinblick auf die Kraftstoffaufbereitung besonders kritische Bereiche der Kolbenmulde im Sinne einer verbesserten Kraftstoff-Luftvermischung zu gestalten, wobei auch kombiniert ungestuft und gestuft aneinander anschließende Geradenstücke zum Einsatz kommen können, so dass gezielt kritische Bereiche in unterschiedlicher Intensität erfasst werden können, was die Optimierung von Kolben mit unterschiedlichen Muldenformen erleichtert.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung. Es zeigen:
1 eine schematisierte Darstellung eines Kolbens einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine in Zuordnung des Kolbens zu einem entsprechend dem Kolben nur teilweise dargestellten Zylinder der Brennkraftmaschine, und
2 einen Ausschnitt II in der Darstellung gemäß 1, in dem für den im Ausschnitt dargestellten Bereich der Mulde die Oberflächenkontur des Kolbenbodens aus scharfkantig und gestuft aneinander anschließenden Geradenstücken gebildet ist.
Mit 1 ist der Zylinder einer Brennkraftmaschine bezeichnet, von dem in 1 nur der kopfnahe Bereich einer Zylinderhälfte dargestellt ist. Der Zylinder 1, dessen Achse mit 2 bezeichnet ist, ist zentral mit einer angedeuteten Einspritz düse 3 versehen, über deren Spritzlöcher 4 Kraftstoff, insbesondere Diesel, in Richtung auf die Kolbenmulde 5 eingespritzt wird, die vertieft in dem die Oberseite des Kolbens 6 abschließenden Kolbenboden 7 angeordnet ist.
Die Kolbenmulde 5 liegt im dargestellten Ausführungsbeispiel zentrisch zur Achse 2 des Zylinders 1 und des Kolbens 6 und weist eine Oberflächenkontur 8 auf, die zum Rand 9 des Kolbens 6 in einer Randzone 10 ausläuft, welche sich bevorzugt in einer der Achse 2 senkrechten Ebene erstreckt. Ausgehend von der Randzone 10 verläuft die Oberflächenkontur 8, entsprechend der Randzone 10, in die Achse 2 umschließenden Ringzonen, die sich in der Schnittdarstellung gemäß 1 als winklig zueinander stehende Geradenstücke 11 unterschiedlicher Länge darstellen, welche ausgehend von der Randzone 10 scharfkantig aneinander anschließen und die stufig verlaufende Oberflächenkontur 8 bilden. Die Geradenstücke 11, die sich zu einem Polygonzug ergänzen, verlaufen unter unterschiedlichen Winkeln zur Achse 2, wobei, wie 1 zeigt, sowohl parallel wie auch senkrecht zur Achse 2 verlaufende Geradenstücke vorgesehen sind, ebenso wie unter Winkeln von 0 bis 90° verlaufende Geradenstücke, die jeweils über definierte Kanten 12 scharfkantig aneinander anschließen.
Hierbei ergeben sich neben längeren, im Wesentlichen quer zur Achse 2 verlaufenden Geradenstücken 13 in Richtung der Achse 2 verlaufende oder zur Achse 2 geneigte, kürzere Geradenstücke 14, die insbesondere in Stufensprüngen zwischen quer zur Achse 2 verlaufenden Geradenstücken 13 und in Richtung der Achse 2 verlaufenden Geradenstücken 15 liegen.
Auch der Grund der Kolbenmulde 5 ist durch scharfkantig aneinander anschließende Geradenstücke 16 begrenzt und geht in Richtung auf die Achse 2 in einen Dom 17 über, dessen Flanke bevorzugt ebenfalls durch wenigstens ein Geradenstück 18 gebildet ist, welches im senkrecht zur Achse 2 liegenden Scheitel 19 des Domes 17 ausläuft.
Durch die dargestellten scharfkantigen Übergänge zwischen den einzelnen Geradenstücken, zum Beispiel 11 und 14, ergeben sich definierte Kanten 12, die eine kontrollierte Strömungsablösung zur Folge haben, und damit eine entsprechende Turbulenz zumindest im zur Oberfläche des Kolbenbodens 7 benachbarten Bereich, was sich im Hinblick auf geringere Partikelemissionen als vorteilhaft erweist.
Die jeweilige Geometrie eines Kolbens 6 im Bereich von dessen Kolbenboden 7 kann, wie beispielsweise aus 1 ersichtlich, zu einer Oberflächenkontur 8 für den Boden 7 des Kolbens führen, die sich in hinreichender Anpassung auch mit teilweise längeren Geradenstücken zum Beispiel 13 oder 16 darstellen lässt. 2 veranschaulicht, dass unter Beibehalt der grundsätzlichen Konfiguration gemäß 1 auch solche längeren Geradenstücke entsprechend turbulenzerzeugend gestaltet werden können.
2 zeigt diesbezüglich einen stufig abgesetzten Verlauf über die Länge eines solchen Geradenstückes, also die Aufteilung eines solchen langen Geradenstückes 15 oder 16 in kurze Geradenstücke 20, die stufig abgesetzt aneinander anschließen, und zwar bei Stufensprüngen 21 kleiner Höhe, wobei über die Stufensprünge 21 scharfkantige Übergänge geschaffen sind, die definierte Kanten für die Strömungsablösung bilden. Die jeweiligen Geradenstücke 20 können, wie in 2 bezogen auf das Geradenstück 15 veranschaulicht, auch nach Art eines Sägezahnprofiles gegeneinander angestellt sein, so dass sich jeweils vorgegebene Konturverläufe ohne Abweichung von der Grundausrichtung auch mit kurzen Geradenstücken 20 realisieren lassen.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit einer Oberflächenkontur 8 des Kolbenbodens 7, die durch scharfkantig, gegebenenfalls auch scharfkantig und gestuft aneinander anschließende Geradenstücke zum Beispiel 11 gebildet ist, lässt sich auch fertigungstechnisch gut beherrschen, da sich entsprechend gestuft in Richtung der Achse 2 gegeneinander versetzte Ringzonen mit herkömmlichen, insbesondere spangebenden Bearbeitungsverfahren gut herstellen lassen, und dies auch in hinterschnittenen Bereichen der Kolbenmulde 5.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 20221786 U1 [0002]

Claims

Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere für luftverdichtende Brennkraftmaschinen, dessen mit einer Mulde (5) versehener Kolben (6) im Boden (7) eine stufig verlaufende, Geradenstücke (z. B. 11) enthaltende Oberflächenkontur (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkontur (8) des Kolbenbodens (7) zumindest bereichsweise durch scharfkantig aneinander anschließende Geradenstücke (z. B. 11) gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkontur (8) des Kolbenbodens (7) zumindest im Bereich der Kolbenmulde (5) durch scharfkantig aneinander anschließende Geradenstücke (z. B. 15, 16) gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkontur (8) des Kolbenbodens (7) zumindest im Bereich der Wandung der Kolbenmulde (5) und/oder der Flanken eines vom Grund der Kolbenmulde aufragenden Domes (17) durch scharfkantig aneinander anschließende Geradenstücke (z. B. 15, 16, 18) gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkontur (8) des Kolbenbodens (7) im Übergang zwischen Kolbenmulde (5) und Kolbenrand (9) durch scharfkantig aneinander anschließende Geradenstücke (z. B. 11) gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkontur (8) des Kolbenbodens (7) insgesamt aus scharfkantig aneinander anschließenden Geradenstücken (z. B. 11) gebildet ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die scharfkantig aneinander anschließenden Geradenstücken (z. B. 11) einen stufenlos durchlaufenden Polygonzug bilden.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenkontur (8) des Kolbenbodens (7) zumindest bereichsweise aus scharfkantig und gestuft aneinander anschließenden Geradenstücken (20) gebildet ist.