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Erfindungsgemäß wird ein Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, mit einem Kolbenaußendurchmesser und mit einem Kolbenboden, der eine Mulde aufweist, die in einem inneren Muldenbereich eine W-Form und in einem äußeren Muldenbereich eine Torusform aufweist, vorgeschlagen. Dadurch kann ein Gemisch, welches in einen durch den Kolbenboden begrenzten Brennraum eingeleitet wird, besonders gut aufbereitet werden, wodurch insbesondere in einem Dieselmotor eine Verbrennung verbessert werden kann. Insbesondere in Verbindung mit Ladungswechseleffekten kann erreicht werden, dass die Verbrennung, die von einer Einspritzdüse der Brennkraftmaschine ausgeht, durch den inneren Muldenbereich vorteilhaft verteilt wird, wodurch eine besonders gleichmäßige Verbrennung auch bei geringen Einspritzdrücken erreicht werden kann. Ein besonderer Vorteil liegt in einem guten Transientverhalten, durch das insbesondere bei abrupten Kraftstoffeinbringungen, d. h. bei einer Anhebung des Einspritzdrucks bei relativem Luftmangel, eine Rußbildung verbessert werden kann. Eine Schwärzung nach Bosch kann dabei deutlich unterhalb von 1 gehalten werden. Zudem können durch die verbesserte Verbrennung NOx- und Partikelemissionen gesenkt werden. Insgesamt kann somit durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eine Brennkraftmaschine hinsichtlich ihrer Betriebsparameter optimiert werden. Unter einer „Mulde” soll dabei insbesondere verstanden werden, dass der Kolbenboden eine Oberfläche aufweist, welche in Bezug auf die Ebene, die durch den Kolbenaußendurchmesser aufgespannt wird, eine Vertiefung ausbildet. Unter einer „W-Form” soll dabei insbesondere eine Ausgestaltung des Muldenbereichs verstanden werden, bei der die Oberfläche in einem inneren Teilbereich eine konvexe Krümmung und in einem den inneren Teilbereich umgebenden Teilbereich eine konkave Krümmung aufweist. Zusätzlich kann bei der W-Form ein dritter Teilbereich vorgesehen werden, in dem die Oberfläche eine konvexe Krümmung aufweist und der einen Übergang zu dem äußeren Muldenbereich ausbildet. Die Oberfläche des Kolbenbodens weist dabei in dem mittleren Teilbereich eine geringere Tiefe, als in dem umgebenden Teilbereich auf. Unter einer „Torusform” soll insbesondere verstanden werden, dass die Oberfläche in dem Muldenbereich lediglich eine konkave Krümmung aufweist. Unter einer „konvexen” Krümmung soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die Oberfläche in Bezug auf die Ebene, die durch den Kolbenaußendurchmesser aufgespannt ist, konvex gekrümmt ist. Entsprechend soll unter einer „konkaven” Krümmung insbesondere verstanden werden, dass die Oberfläche in Bezug auf die Ebene, die durch den Kolbenaußendurchmesser aufgespannt ist, konkav gekrümmt ist. Insbesondere liegt bei einer konvexen Krümmung ein Mittelpunkt zur Festlegung eines Krümmungsradius oberhalb der Oberfläche des Kolbenbodens. Bei einer konkaven Krümmung liegt entsprechend ein Mittelpunkt zur Festlegung eines Krümmungsradius unterhalb der Oberfläche des Kolbenbodens. Unter einer „Ebene, die durch den Kolbenaußendurchmesser” aufgespannt wird, soll insbesondere eine Ebene verstanden werden, welche durch einen äußeren Rand des Kolbenbodens ausgespannt wird. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass der Kolbenboden einen die Mulde umgebenden Steg aufweist. Dadurch kann die Verbrennung weiter verbessert werden. Unter einem „Steg” soll dabei insbesondere ein Muldenbereich verstanden werden, in dem die Oberfläche des Kolbenbodens in der durch den Kolbendurchmesser aufgespannten Ebene liegt. Insbesondere soll darunter ein Muldenbereich der Oberfläche verstanden werden, in dem die Oberfläche senkrecht zu einer Symmetrieachse des Kolbenbodens verläuft. Unter einer „Symmetrieachse” soll dabei insbesondere eine Achse verstanden werden, die eine Mittelachse für den Kolbendurchmesser bildet. Der Kolben ist dabei für eine Bewegung entlang der Symmetrieachse vorgesehen.
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Vorzugsweise weist der Steg einen Innendurchmesser auf, auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser einen Faktor zwischen 1,0 und 1,4 aufweist. Unter „zwischen” soll dabei hier und im Folgenden insbesondere ein Teilbereich verstanden werden, welcher die genannten Grenzen in der angegebenen Genauigkeit mit einschließt. Unter einem Wert, „auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser den genannten Faktor” aufweist, soll insbesondere verstanden werden, dass der Kolbenaußendurchmesser um den genannten Faktor größer ist, als der Wert, auf den der Faktor bezogen ist. Unter einem „Faktor von 1,0” soll dabei insbesondere verstanden werden, dass der Kolbenaußendurchmesser dem Innendurchmesser des Stegs entspricht. In einer solchen Ausgestaltung ist die Mulde gleich groß, wie der Kolbenaußendurchmesser. Lediglich der äußere Rand des Kolbenbodens liegt in der Ebene, die durch den Außendurchmesser aufgespannt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der äußere Muldenbereich einen Außendurchmesser auf, auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser einen Faktor zwischen 1,0 und 1,4 aufweist.
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Zwischen dem äußeren Muldenbereich und dem Steg kann dabei ein Übergangsbereich vorgesehen werden, in dem die Oberfläche konvex gekrümmt ist, um einen kantenfreien Übergang zwischen dem Steg und dem äußeren Muldenbereich zu realisieren. Alternativ kann auf den Übergangsbereich aber auch verzichtet werden.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn der äußere Muldenbereich einen Maximalwinkel aufweist, der in einer Vertikalen zwischen 25 Grad und 35 Grad beträgt. Unter einem „Winkel in einer Vertikalen” soll dabei insbesondere ein Winkel verstanden werden, den die Symmetrieachse und eine Oberflächentangente des Kolbenbodens miteinander einschließen. Unter einem „Winkel in einer Horizontalen” soll insbesondere ein Winkel verstanden werden, den die Ebene senkrecht zur Symmetrieachse und eine Oberflächentangente des Kolbenbodens miteinander einschließen. Unter einem „Maximalwinkel” soll in diesem Fall insbesondere der Winkel in einem Punkt, an dem die Oberfläche ihre maximale Steigung aufweist, verstanden werden. Unter einer Steigung der Oberfläche in einem Punkt soll dabei insbesondere wieder der Winkel, den die Ebene senkrecht zur Symmetrieachse und die Oberflächentangente des Kolbenbodens in diesem Punkt miteinander einschließen, verstanden werden. Die Steigung entspricht damit dem Winkel der Oberfläche in der Vertikalen an diesem Punkt.
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Bevorzugt weist der äußere Muldenbereich eine maximale Tiefe auf, die zwischen 5 mm und 10 mm beträgt. Unter einer „Tiefe” soll dabei insbesondere ein Abstand zwischen der durch den Kolbenaußendurchmesser aufgespannten Ebene und einem Punkt auf der Oberfläche entlang einer Richtung, die parallel zu der Symmetrieachse orientiert ist, verstanden werden. Eine Tiefe von 0 mm entspricht dabei vorzugsweise einem höchsten Punkt der Oberfläche. Die durch den Außendurchmesser aufgespannte Ebene weist dabei vorzugsweise eine Höhe von 0 mm auf.
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der äußere Muldenbereich einen Innendurchmesser aufweist, auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser einen Faktor zwischen 1,2 und 2 aufweist. Unter einem „Innendurchmesser des äußeren Muldenbereichs” soll dabei insbesondere ein Durchmesser verstanden werden, die den durch seine konvexe Krümmung definierten äußeren Muldenbereich bezogen auf die Symmetrieachse radial innen begrenzt.
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Zudem wird vorgeschlagen, dass der Kolbenboden einen Übergangswinkel zwischen dem inneren Muldenbereich und dem äußeren Muldenbereich aufweist, der in einer Horizontalen zwischen 0 Grad und 10 Grad beträgt. Unter einem Übergangswinkel soll dabei insbesondere ein Winkel an einem Punkt, an die konvexe Krümmung des äußeren Muldenbereichs in eine konkave Krümmung als Übergang in den inneren Muldenbereich übergeht verstanden werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass der innere Muldenbereich einen Wendepunktdurchmesser aufweist, auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser einen Faktor zwischen 3 und 6 aufweist. Unter einem Wendepunktdurchmesser soll insbesondere ein durch den Wendepunkt, der den inneren Teilbereich und den, den inneren Teilbereich umgebenden Teilbereich des Muldenbereichs voneinander trennt, definierter Durchmesser verstanden werden.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn der innere Muldenbereich eine maximale Tiefe aufweist, die zwischen 10 mm und 20 mm beträgt. Unter einer „maximalen Tiefe” soll dabei insbesondere eine Tiefe in dem konkav gekrümmten Teilbereich, welcher den inneren Teilbereich umgibt, verstanden werden.
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Vorzugsweise weist der innere Muldenbereich einen Wendepunktwinkel auf, der in einer Horizontalen zwischen 20 Grad und 30 Grad beträgt. Unter einem „Wendepunktwinkel” soll dabei insbesondere ein Winkel, den eine Oberflächentangente mit der Ebene senkrecht zu der Symmetrieachse in dem Wendepunkt einschließt, der den inneren Teilbereich und den, den inneren Teilbereich umgebenden Teilbereich einschließt.
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Außerdem wird vorgeschlagen, dass der innere Muldenbereich eine zentrale Tiefe aufweist, die zwischen 4 mm und 9 mm beträgt. Unter einer „zentralen Tiefe” soll dabei insbesondere eine Tiefe in einer Mitte des inneren Teilbereichs verstanden werden.
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Ferner wird eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem erfindungsgemäßen Kolben vorgeschlagen, wodurch eine Brennkraftmaschine mit optimierten Betriebsparametern bereitgestellt werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern.
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2. zeigt einen Kolben der Brennkraftmaschine in einem Querschnitt.
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1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern 7, 8, 9, 10, welche jeweils eine Brennkammer 11, 12, 13, 14 und einen in der entsprechenden Brennkammer 11, 12, 13, 14 geführten Kolben 1, 15, 16, 17 aufweisen. Die Brennkraftmaschine ist als ein Dieselmotor ausgebildet, d. h. ein in den Zylindern 7, 8, 9, 10 vorhandenes zündfähiges Gemisch aus Luft und Treibstoff entzündet sich bei Kompression von selbst. Der jeweilige Kolben 1, 15, 16, 17 und die entsprechende Brennkammer 11, 12, 13, 14 begrenzen dabei einen Brennraum, in der sich, abhängig von einer Gemischverteilung, die Zündung des Gemischs sukzessive ausbreitet. Bei einer typischen Gemischverteilung verbrennt das Gemisch dabei insbesondere entlang eines Brennstrahls, der sich ausgehend von einer Zylinderkopfseite in Richtung des Kolbens 1, 15, 16, 17 mittig innerhalb der entsprechenden Brennkammer 11, 12, 13, 14 ausbreitet.
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2 zeigt den Kolben 1 in einem Querschnitt. Die restlichen Kolben 15, 16, 17 sind äquivalent ausgebildet. Zur Ablenkung dieses Brennstrahls weist der Kolben 1 einen Kolbenboden 2 auf, der eine Mulde 3 aufweist. Der Kolben 1 weist einen Kolbenaußendurchmesser D1 auf, welcher durch einen äußeren Rand 18 des Kolbens 1 definiert ist. Der Rand 18 spannt eine Ebene auf, auf die bezogen der Kolbenboden 2 in seiner Mitte die Mulde 3 ausbildet. Der Rand 18 ist dabei kreisförmig ausgebildet. In Bezug auf den Rand 18 ist damit eine Symmetrieachse 19 definierbar, welche im Folgenden eine Bezugsachse zur Beschreibung des Kolbenbodens 2 bildet. In Bezug auf die Symmetrieachse 19 ist der Kolbenboden 2 rotationsymmetrisch ausgebildet. Die Symmetrieachse 19 verläuft dabei in vertikaler Richtung. In einem Betrieb wird der Kolben 1 entlang der Symmetrieachse 19 verschoben. Die Brennkammer 11 weist dabei eine zur Führung des Kolbens 1 vorgesehene Lauffläche 20 auf, die ebenfalls rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse 19 ist.
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Die Mulde 3 ist durch eine Überlagerung zweier Grundformen ausgebildet. Die Mulde 3 selbst weist einen inneren Muldenbereich 4 auf, in dem die Mulde 3 eine W-Form aufweist, und einen äußeren Muldenbereich 5, in dem die Mulde 3 eine Torusform aufweist. Der Kolbenboden 2 weist eine Oberfläche auf, deren geometrische Ausgestaltung in dem inneren Muldenbereich 4 und dem äußeren Muldenbereich 5 dabei jeweils rotationssymmetrisch in Bezug auf die Symmetrieachse 19 ist. Der äußere Muldenbereich 5 umgibt den inneren Muldenbereich 4 vollständig.
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Zusätzlich weist der Kolbenboden 2 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen die Mulde 3 umgebenden Steg 6 auf. Der Steg 6 weist eine Oberfläche auf, die senkrecht zu der Symmetrieachse 19 orientiert ist. In einem Bereich, in dem der Kolbenboden 2 den Steg 6 aufweist, ist der Kolbenboden 2 nahezu eben. In diesem Bereich weist der Kolbenboden 2 eine mittlere Krümmung auf, die Null beträgt.
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Der Steg 6 weist einen Außendurchmesser auf, der dem Kolbenaußendurchmesser D1 entspricht. Bezogen auf den Kolbenaußendurchmesser D1 weist der Steg 6 einen Innendurchmesser D2 auf, zu dem der Kolbenaußendurchmesser D1 einen Faktor zwischen 1,0 und 1,4 aufweist. Auf den Steg 6 kann demnach grundsätzlich auch verzichtet werden.
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Bezogen auf den Kolbenaußendurchmesser D1 weist der äußere Muldenbereich 5 einen Außendurchmesser D3 auf, zu dem der Kolbenaußendurchmesser D1 ebenfalls einen Faktor zwischen 1,0 und 1,4 aufweist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Innendurchmesser D2 des Stegs 6 etwa um einen Faktor von 1,03 größer, als der Außendurchmesser D3 des äußeren Muldenbereichs 5. Zwischen dem Steg 6 und dem äußeren Muldenbereich 5 weist der Kolbenboden 2 einen Übergangsbereich 21 auf, in dem die Oberfläche des Stegs 6 stetig, d. h. kantenfrei, in den äußeren Muldenbereich 5 übergeht. Der Innendurchmesser D2 des Stegs 6 beträgt dabei 118 mm. Der Außendurchmesser D3 des äußeren Muldenbereichs 5 beträgt 115 mm.
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Der Innendurchmesser D2 des Stegs 6 ist definiert als ein Durchmesser, bei dem der Steg 6 in die Mulde 3 übergeht. Bei dem Innendurchmesser D2 des Stegs 6 weist die Oberfläche des Kolbenbodens 2, ausgehend von dem Kolbenaußendurchmesser D1, erstmals eine konvexe Krümmung auf. Der Übergangsbereich 21 ist vollständig konvex gekrümmt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Übergangsbereich 21 einen minimalen Krümmungsradius R5 zwischen 2 mm und 4 mm auf.
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Der Außendurchmesser D3 des äußeren Muldenbereichs 5 ist definiert als ein Durchmesser, bei dem die Oberfläche des Kolbenbodens 2 einen Wendepunkt 22 aufweist. In dem äußeren Muldenbereich 5 selbst ist die Oberfläche des Kolbenbodens 2 vollständig konkav gekrümmt. Ausgehend von dem äußeren Rand 18 des Kolbenbodens 2 ist die Oberfläche zunächst eben. An den ebenen Steg 6 schließt der Übergangsbereich 21 an, in dem die Oberfläche eine konvexe Krümmung aufweist. An die konvexe Krümmung des Übergangsbereichs 21 schließt der äußere Muldenbereich 5 an, in dem die Oberfläche die konkave Krümmung aufweist. An dem Wendepunkt 22, welcher den Außendurchmesser D3 des äußeren Muldenbereichs 5 definiert, geht damit die konkave Krümmung des Übergangsbereichs 21 in die konvexe Krümmung des äußeren Muldenbereichs 5 über.
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An dem Wendepunkt 22 zwischen dem Übergangsbereich 21 und dem äußeren Muldenbereich 5 weist der äußere Muldenbereich 5 einen Maximalwinkel W2 auf, der in einer Vertikalen zwischen 25 Grad und 30 Grad beträgt. In dem Wendepunkt 22 ist der Winkel, den die Oberfläche des Kolbenbodens 2 mit der Ebene senkrecht zu der Symmetrieachse 19 einschließt, maximal. Die Oberfläche des Kolbenbodens 2 weist in dem Wendepunkt 22 ihre größte Steigung auf.
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In einem Übergang zwischen dem äußeren Muldenbereich 5 und dem inneren Muldenbereich 4 weist die Oberfläche wieder einen Wendepunkt 23 auf. Der Wendepunkt 23, an dem die Krümmung der Oberfläche von konkav zu konvex übergeht, definiert einen Innendurchmesser D4, den der äußere Muldenbereich 5 aufweist. An dem Wendepunkt 23, an dem der äußere Muldenbereich 5 in den inneren Muldenbereich 4 übergeht, weißt der äußere Muldenbereich 5 eine maximale Tiefe H2 auf, die zwischen 5 mm und 10 mm beträgt. Der äußere Muldenbereich 5 weist einen minimalen Krümmungsradius R4 zwischen 3 mm und 9 mm auf. Der Krümmungsradius R4 wird in etwa mittig zwischen den beiden Wendepunkten 22, 23 minimal.
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Der Kolbenboden 2 weist zwischen dem inneren Muldenbereich 4 und dem äußeren Muldenbereich 5, d. h. an dem Wendepunkt 23, an dem der äußere Muldenbereich 5 in den inneren Muldenbereich 4 übergeht, einen Übergangswinkel W3 auf, der in einer Horizontalen zwischen 0 Grad und 10 Grad beträgt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft die Oberfläche damit nahezu parallel zu der Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 19 orientiert ist. Im Bereich des Wendepunkts 23, an dem der äußere Muldenbereich 5 in den inneren Muldenbereich 4 übergeht, ist die Krümmung der Oberfläche nahezu null.
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Bezogen auf den Kolbenaußendurchmesser D1 weist der äußere Muldenbereich 5 einen Innendurchmesser D4 auf, zu dem der Kolbenaußendurchmessers D1 einen Faktor zwischen 1,2 und 2 aufweist. Der Innendurchmesser D4 entspricht dabei einem Außendurchmesser des inneren Muldenbereichs 4. Der äußere Muldenbereich 5 und der innere Muldenbereich 4 gehen stetig ineinander über, d. h. die Oberfläche des Kolbenbodens 2 ist in einem Übergang von dem äußeren Muldenbereich 5 in den inneren Muldenbereich 4 frei von Kanten.
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Der äußere Muldenbereich 4 erstreckt sich ringförmig um den inneren Muldenbereich 4. Der innere Muldenbereich 4 erstreckt sich über eine gesamte von dem Innendurchmesser D4 des äußeren Muldenbereichs 5 umschlossene Fläche. Der innere Muldenbereich 4 weist insgesamt drei Teilbereiche 26, 27, 28 auf, die in unterschiedliche Richtungen gekrümmt sind. Der innere Muldenbereich 4 weist damit insgesamt zwei Wendepunkte 24, 25 auf, welche die Teilbereiche 26, 27, 28 voneinander trennen
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In dem ersten Teilbereich 26, der bezogen auf die Symmetrieachse 19 radial außen liegt, weist die Oberfläche eine konvexe Krümmung auf. Die Oberfläche weist dabei einen minimalen Krümmungsradius R3 zwischen 2 mm und 4 mm auf. In dem zweiten Teilbereich 27, der bezogen auf die Symmetrieachse 19 zwischen den beiden anderen Teilbereichen 26, 28 liegt, weist die Oberfläche eine konkave Krümmung auf. Die Oberfläche weist in dem mittleren Teilbereich 27 einen minimalen Krümmungsradius R2 zwischen 3 mm und 9 mm auf. In dem dritten Teilbereich 28, der bezogen auf die Symmetrieachse 19 innerhalb der beiden anderen Teilbereiche 26, 27 liegt, weist die Oberfläche wieder eine konvexe Krümmung auf. Die Oberfläche weist in dem inneren Teilbereich 28 einen minimalen Krümmungsradius R1 zwischen 2 mm und 4 mm auf. Die Krümmungsradien R1, R3 der Oberfläche in dem ersten Teilbereich 26 und in dem dritten Teilbereich 28 sind damit im Mittel gleich groß. Der zweite Teilbereich 27 ist weniger stark gekrümmt, als die beiden anderen Teilbereiche 26, 28.
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In dem inneren Muldenbereich 4 weist die Mulde 3 über ihre gesamte Erstreckung ihren tiefsten Punkt auf. Der innere Muldenbereich 4 weist dabei eine maximale Tiefe H1 auf, die zwischen 10 mm und 20 mm beträgt. Ihre maximale Tiefe H1 erreicht der innere Muldenbereich 4 in dem mittleren Teilbereich 27.
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Bezogen auf den Kolbenaußendurchmesser D1 weist der innere Muldenbereich 4 in dem Wendepunkt 25, in dem der zweite Teilbereich 27 in den dritten Teilbereich 28 übergeht, einen Wendepunktdurchmesser D5 auf, auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser D1 einen Faktor zwischen 3 und 6 aufweist. In diesem Wendepunkt 25 weist der innere Muldenbereich 4 einen Wendepunktwinkel W1 auf, der in einer Horizontalen zwischen 20 Grad und 30 Grad beträgt.
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Der innere Muldenbereich 4 weist eine zentrale Tiefe H3 auf, die zwischen 4 mm und 9 mm beträgt.
