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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben ein Kühlkanalsystem und eine Brennraummulde aufweist, und ein Verfahren zur Konfiguration einer Brennraummulde.
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STAND DER TECHNIK
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Kolben mit einer in den Kolbenboden eingebrachten Brennraummulde sind bekannt. Die
DE 10 2008 004 828 A1 ist auf eine Optimierung der Konfiguration der Brennraummulde gerichtet, um eine verbesserte Vermischung von Verbrennungsprodukten mit der im Zylinder vorhandenen überschüssigen Luft und gleichzeitig eine Verminderung von Ruß und NO
x-Emissionen zu erzielen.
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Wie in der
DE 10 2008 004 828 A1 ist die Geometrie der Brennraummulde üblicherweise für eine gute Verbrennung ausgelegt. Eine weitere für die Verbrennung optimierte Brennraummulde ist in der
DE 10 2004 045 634 A1 angegeben, die einen kegelförmigen Kompressionsvorsprung aufweist.
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Neben der Optimierung der Brennraummuldengeometrie im Hinblick auf die Verbrennung ist die Betriebsfestigkeit des Kolbens eine weitere, wenn auch oft nachgelagerte Größe. Dazu beschreibt die
DE 10 2009 025 063 A1 einen Aluminiumkolben mit einer Omega-förmigen Brennraummulde, die von einer zum Muldenrand radial beabstandeten Ausnehmung umschlossen ist. Damit soll eine bessere thermische Ermüdungsfestigkeit im Randbereich der Brennraummulde realisiert werden.
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Eine andere Maßnahme zur Verbesserung der Betriebsfestigkeit des Kolbens wird dadurch erzielt, dass ein Kühlkanalsystem mit einem oder mehreren Kühlkanälen und Zu- und Abflüssen für ein Kühl- und Schmiermittel im Kolben vorgesehen ist. Die
DE 10 2009 027 148 beschreibt ein System aus Kühlkanälen mit zumindest zwei ringförmigen Kanälen, die miteinander verbunden sind. Die Kühlkanäle sind auch im Bereich der Brennraummulde vorgesehen, um die dort vorherrschenden hohen Temperaturen abzuführen und dadurch die Betriebsfestigkeit und Lebensdauer des Kolbens zu erhöhen.
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Zur Optimierung der Geometrie der Brennraummulde werden im Stand der Technik einfache Variantenberechnungen durchgeführt, bei denen einzelne Kolbendesigns mit unterschiedlichen Muldenentwürfen berechnet und verglichen werden. Dies erfordert eine aufwendige Parametrisierung der Muldengeometrie, welche dann volumenneutral unter Einhaltung tangentialer Radienstücke modifiziert werden kann. Jeder Designentwurf ist mit einer eigenständigen Finite-Elemente-Berechnung zu überprüfen, was einen Aufwand von ein bis zwei Tagen pro Entwurf bedeutet.
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Eine verbesserte Optimierung der Geometrie der Brennraummulde insbesondere an eine bestehende Kühlarchitektur für eine weitere Verbesserung der Betriebsfestigkeit des Kolbens findet im Stand der Technik bisher nicht oder nur unzureichend statt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kolben und ein Verfahren zur Konfiguration der Brennraummulde eines Kolbens mit verbesserter Betriebsfestigkeit anzugeben.
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Die Aufgabe wird mit einem Kolben, der die Merkmal des Anspruchs 1 aufweist, und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen folgen aus den Unteransprüchen.
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Der vorzugsweise als Dieselmotorkolben, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, ausgelegte Kolben weist einen Kolbenboden auf, in den eine Brennraummulde eingebracht ist. Die Brennraummulde hat einen oberen Rand, von dem aus sich die Brennraummulde in den Kolben erstreckt. Der Kolben ist zylindrisch ausgebildet, wodurch eine Kolbenachse definiert wird. Das Merkmal „zylindrisch” bezieht sich in erster Linie auf den Kolbenkopf und weniger auf den Kolbenschaft mit den Bolzbohrungen, der nach innen versetzte, geschwungene oder geradlinige Wände aufweisen kann oder andersartig geformt ist. Es sei eine Schnittebene so festgelegt, dass sie die Kolbenachse enthält und somit senkrecht auf dem Kolbenboden steht, sofern der Kolbenboden flach und nicht etwa kegelförmig oder anders ausgebildet ist. In der Nähe der Brennraummulde ist ein Kühlkanal mit vorzugsweise konstantem Querschnitt senkrecht zu seiner Erstreckungsrichtung vorgesehen. Vorzugsweise erstreckt sich der Kühlkanal ringförmig, wobei darunter nicht nur ein kreisförmiger Kühlkanal zu verstehen ist, sondern außerdem wellenförmige, ovale, elliptische, abgestufte oder andere vorzugsweise geschlossene Geometrien enthalten sind. Der Querschnitt weist eine der Brennraummulde nächstliegende Seite auf, durch die eine erste Richtung wie folgt definiert wird: Ist die der Brennraummulde nächstliegende Seite im Wesentlichen gerade, so wird die erste Richtung eindeutig durch ihre Erstreckung definiert. Allerdings muss die der Brennraummulde nächstliegende Seite nicht vollständig gerade sein. In dem Fall, in dem diese Seite schwach gekrümmt ist, wird die erste Richtung durch eine beliebige Tangente an dieser Seite oder vorzugsweise durch die Tangente bestimmt, an der die Krümmung minimal ist oder deren Abstand zur Brennraummulde minimal ist. Vorzugweise ist der Querschnitt des Kühlkanals länglich ausgebildet, deren Erstreckung im Wesentlichen mit der ersten Richtung übereinstimmt. Im Falle eines flachen Kolbenbodens weist die erste Richtung eine senkrechte Komponente bezüglich des Kolbenbodens auf und ist vorzugsweise zum Kolbenboden geneigt.
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Die Kontur der Brennraummulde steht erfindungsgemäß mit der Erstreckungsrichtung des Kühlkanalquerschnitts wie folgt im Zusammenhang: Im Bereich des minimalen Abstands der Kontur der Brennraummulde zum Kühlkanal weist die Kontur einen lokal vergrößerten Krümmungsradius auf, durch den eine erste Abflachung definiert wird. Die Erstreckung der Abflachung definiert eine zweite Richtung, nämlich durch eine geeignete Tangente an einem Punkt der Abflachung oder vorzugsweise durch die Tangente, an welcher der Krümmungsradius ein lokales Maximum aufweist.
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Erfindungsgemäß sind die erste Richtung und die zweite Richtung ungefähr parallel, wodurch ein besonders guter Kraftfluss vom Kolbenboden zur Bolzenbohrung bewerkstelligt und die lokale Kerbwirkung des Krümmungsradius minimiert wird. Auf diese Weise wird durch eine Anpassung der Geometrie der Brennraummulde an das bestehende Kühlkanalsystem die Betriebsfestigkeit und die Lebensdauer des Kolbens deutlich verbessert.
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Vorzugsweise ist die erste Abflachung gänzlich flach und weist über einen gewissen Erstreckungsweg keine Krümmung auf, wodurch das Zusammenspiel zwischen Brennraummulde und Kühlkanal im Hinblick auf die Betriebsfestigkeit des Kolbens weiter verbessert wird.
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Vorzugsweise ist ein weiterer lokaler Bereich vergrößerten Krümmungsradius vorgesehen, und zwar ausgehend vom oberen Rand der Brennraummulde hinter der ersten Abflachung. Folgt man ausgehend vom oberen Rand der Brennraummulde dem Verlauf der Kontur, durchläuft man zunächst im Bereich des minimalen Abstands zum Kühlkanal ein erstes lokales Maximum des Krümmungsradius und anschließend ein weiteres lokales Maximum des Krümmungsradius. Analog zur ersten Abflachung definiert die zweite Abflachung eine dritte Richtung, nämlich durch eine geeignete Tangente an einem Punkt der zweiten Abflachung oder vorzugsweise durch die Tangente, an welcher der Krümmungsradius an der zweiten Abflachung ein lokales Maximum aufweist. Die dritte Richtung steht vorzugsweise ungefähr senkrecht auf der ersten Richtung und somit ungefähr senkrecht auf der zweiten Richtung. Wie Simulationen gezeigt haben, wird durch diese Maßnahme eine weitere Verbesserung der Betriebssicherheit des Kolbens erzielt.
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Vorzugsweise ist die zweite Abflachung gänzlich flach und weist keine Krümmung auf, wodurch das Zusammenspiel zwischen Brennraummlde und Kühlkanal im Hinblick auf die Betriebsfestigkeit des Kolbens weiter verbessert wird.
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Vorzugsweise weist die Brennraummulde im Zentrum, d. h. auf der Kolbenachse einen Kompressionsvorsprung auf, der vorzugsweise in der Form einer kegelförmigen Erhebung ausgebildet ist. Der Kompressionsvorsprung ist im Hinblick auf eine Verbesserung der Verbrennung im Brennraum und eine Verringerung von Rußpartikelbildung vorteilhaft.
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Vorzugsweise gehen die Krümmungsradien der Kontur der Brennraummulde kontinuierlich, d. h. allmählich ineinander über, damit eine weiche Kontur des Muldenquerschnitts, ohne Krümmungssprünge, d. h. mit stetiger Tangente und stetiger Krümmung, erzielt wird.
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Vorzugsweise ist die Brennraummulde zur Achse des Kolbens rotationssymmetrisch, wodurch die Herstellung des Kolbens vereinfacht wird.
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Vorzugsweise ist der Rand der Mulde eingezogen, d. h. so zur Kolbenachse hin verlagert, dass der Radius des Kolbenrands kleiner als der größte Radius der Brennraummulde ist. Diese Maßnahme wirkt sich positiv sowohl auf die Verbrennung als auch auf die Betriebsstabilität aus.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Konfiguration einer Brennraummulde eines Kolbens wird zunächst eine Startgeometrie der Brennraummulde mit einem bestimmten Brennraumvolumen festgelegt. Die Startgeometrie dient als Ausgangspunkt für die Optimierung der Geometrie der Brennraummulde. Danach wird eine automatisierte Gestaltoptimierung der Brennraummulde auf der Basis iterativer Finite-Elemente-Berechnungen durchgeführt, wobei nach jedem Iterationsschritt eine Betriebsfestigkeitsuntersuchung durchgeführt wird. Vorzugsweise hat das Ergebnis der Betriebsfestigkeitsuntersuchung einen Einfluss auf die Bestimmung der nachfolgenden Iterationsschritte. Während der Gestaltoptimierung wird das Brennraumvolumen in jedem Iterationsschritt konstant gehalten. Durch die automatisierte Gestaltoptimierung kann eine verbesserte Brennraummuldengeometrie gefunden werden, die Grundzüge des Startentwurfs beinhaltet, jedoch eine deutliche Verbesserung der Betriebsfestigkeit des Kolbens bietet. Durch die Vorgabe des konstanten Brennraumvolumens während der Gestaltoptimierung bleibt auch das Kompressionsverhältnis konstant, wodurch die Einwirkungen auf die Verbrennung gering bleiben.
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Vorzugsweise werden an der Startgeometrie ein oder mehrere Radienstücke festgelegt, deren Tangenten bei der Gestaltoptimierung konstant gehalten werden, um die für die Verbrennung relevanten oder andere gewünschte Eigenschaften des Startentwurfs im Wesentlichen beizubehalten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine dreidimensionale aufgeschnittene Darstellung eines Kolbens;
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2 ist eine Schnittdarstellung eines Kolbenkopfes, welche den Konturverlauf der Brennraummulde darstellt.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Der Kolben 10 in der 1, der vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, weist am Kolbenkopf 11 einen Kolbenboden 13 mit einer Omega-förmigen Brennraummulde 12, mehrere Ringnuten 14 und zwei Bolzenbohrungen 16 auf. Im Kolbenkopf 11 ist ein ringförmiger Kühlkanal 18 vorgesehen, der bis auf in der 1 nicht dargestellte Einlässe und Auslässe für das Kühlmittel geschlossen ist (ein Einlass oder Auslass 18' für das Kühlmittel ist in der 2 gezeigt). In der aufgeschnittenen Version der 1 sind lediglich zwei längliche Öffnungen zu sehen, die den Austrittsquerschnitt des Kühlkanals 18 aus der Schnittebene zeigen. Die Brennraummulde 12 weist einen kegelförmigen Kompressionsvorsprung 21 und einen eingezogenen oberen Rand 22 auf. Die Brennraummulde 12 ist rotationssymmetrisch bezüglich der Kolbenachse, die in der 1 mit A bezeichnet ist.
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Die 2 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung des Kolbens 10, wobei die Schnittebene die Kolbenachse A enthält und senkrecht auf dem Kolbenboden 13 steht. In der Figur sind zwei alternative Konturverläufe der Brennraummulde 12 gezeigt, die mit K1 und K2 bezeichnet sind. Hierbei bezeichnet die gestrichelt dargestellte K1 eine Startkontur und K2 eine im Hinblick auf die Betriebsfestigkeit verbesserte Kontur. Die Brennraummulde 12 weist am Kolbenboden 13 einen eingezogenen Rand 22 auf, von dem aus sich die Brennraummulde 12 in das Innere des Kolbenkopfes 11 erstreckt.
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Die Erstreckungsrichtung des Kühlkanals 18 im Querschnitt der 2 ist mit R1 bezeichnet. Hierbei wird als maßgebliches Merkmal zur Bestimmung der Erstreckungsrichtung diejenige Seite des Kühlkanals 18 genommen, die der Brennraummulde 12 am nächsten liegt, d. h. die in der Darstellung der 2 linke Seite des Kühlkanalquerschnitts. Da im vorliegenden Fall ein vollständig geradliniger Abschnitt vorliegt, ist die Richtung R1 eindeutig durch den geradlinigen Abschnitt bestimmt.
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Allerdings lässt sich die Bestimmung einer Richtung R1 auch bei ovalen, elliptischen oder andersartigen Kühlkanalquerschnitten bestimmen. Dazu wird eine geeignete Tangente an die Seite des Kühlkanalquerschnitts gelegt, die der Brennraummulde 12 am nächsten liegt. Vorzugsweise dient entweder die der Brennraummulde 12 nächstliegende Tangente oder die Tangente am lokalem Krümmungsmaximum der entsprechenden Seite als Bezugsrichtung R1.
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Mittels einer computerbasierten, automatisierten Gestaltoptimierung des Kolbens 10 auf der Basis einer iterativen Finite-Elemente-Berechnung mit anschließender Betriebsfestigkeitsuntersuchung wurde ausgehend von der Startkontur K1 die verbesserte Kontur K2 gefunden, die weiterhin Grundzüge des Startentwurfs beinhaltet, jedoch eine deutliche Verbesserung der Betriebsfestigkeit des Kolbens 10 erzielt. Um die Einwirkungen auf die Verbrennung gering zu halten, wurde die Berechnung volumenneutral, d. h. mit konstantem Brennraumvolumen, durchgeführt, wodurch auch das Kompressionsverhältnis konstant blieb. Durch Definition einer Rotationssymmetrie während der Gestaltoptimierung kann die Brennraummulde 12 weiterhin durch Drehen gefertigt werden. Die neue Muldengeometrie ist somit in der Fertigung kostenneutral.
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Bei der Gestaltoptimierung der Brennraummulde 12 hat sich als besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Betriebsfestigkeit herausgestellt, wenn ausgehend von der Startkontur K1 im Bereich des größten Radius der Brennraummulde 12, d. h. im Bereich des minimalen Abstands der Brennraummulde 12 zum Kühlkanal 18, eine erste Abflachung A1 gebildet wurde, deren Erstreckung im Wesentlichen mit der Richtung R1 übereinstimmt. Dazu wird der ersten Abflachung A1 eine Erstreckungsrichtung R1 zugeordnet. Die erste Abflachung A1 ist ein Bereich lokal vergrößerten Krümmungsradius der Kontur K2. Durch die Tangente an einen Punkt des vergrößerten Krümmungsradius, vorzugsweise an dem Punkt des maximalen Krümmungsradius oder des minimalen Abstands zum Kühlkanal 18, ist die Richtung R2 eindeutig definiert. In dem Fall, in dem R1 und R2 ungefähr parallel sind, wird ein besonders effektiver Kraftfluss vom Kolbenboden zur Bolzenbohrung erzielt, der sich positiv auf die Betriebsfestigkeit und Lebensdauer des Kolbens 10 auswirkt.
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Eine weitere Verbesserung ergibt sich in Kombination mit einer zweiten Abflachung A2, die sich ausgehend von dem oberen Rand 22 im Verlauf der Kontur hinter der ersten Abflachung A1 befindet und sich in der 2 ungefähr am tiefsten Punkt der Brennraummulde 12 befindet. Analog zur ersten Abflachung A1 definiert die zweite Abflachung A2 eine dritte Richtung, die in 2 mit R3 bezeichnet ist. In dem Fall, in dem die zweite Abflachung A2 nicht vollständig gerade ist, sondern eine schwache Krümmung aufweist, wird R3 durch die Tangente am Punkt des dortigen lokal maximalen Krümmungsradius festgelegt. In der Ausführungsform der 2 steht R3 senkrecht auf R1 und R2, wodurch eine weitere Verbesserung der Betriebsfestigkeit des Kolbens 10 erzielt wird.
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Die obige optimierte Kontur K2 ergab sich aus der Startkontur K1 durch Ausführung einer automatisierten Gestaltoptimierung der Brennraummulde auf der Basis iterativer Finite-Elemente-Berechnungen. Nach jedem Iterationsschritt wurde eine Betriebsfestigkeitsuntersuchung durchgeführt, was zu den besonderen geometrischen Merkmalen der verbesserten Kontur K2 führte. Während der Gestaltoptimierung wurde das Brennraumvolumen in jedem Iterationsschritt konstant gehalten. Wie es aus einem Vergleich der Konturen K1 und K2 in 2 hervorgeht, weist die verbesserte Kontur K2 weiterhin Grundzüge der Startkontur K1 auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008004828 A1 [0002, 0003]
- DE 102004045634 A1 [0003]
- DE 102009025063 A1 [0004]
- DE 102009027148 [0005]
