DE102015004357A1 - Piston crown for internal combustion engines - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Kolbenkrone (110) für Brennkraftmaschinen. Die offenbarte Kolbenkrone (110) weist einen eine Mittelachse (112) aufweisenden Kolbenmantel (114), einen den Kolbenmantel (114) begrenzenden Kolbenboden (116), der aus einem Kolbenbodenrand (118) und einer Kolbenbodenmulde (120) gebildet ist, und zumindest zwei im Kolbenbodenrand (118) eingelassene Ventiltaschen (132, 134) auf, die jeweils eine durchgehend gekrümmte Mantelfläche (133, 135) aufweist, die in einer zur Mittelachse (112) senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse (112) nach außen gekrümmt ist. Die erste Mantelfläche (133) geht in die zweite Mantelfläche (135) mittels einer durchgehend gekrümmten Übergangsmantelfläche (137) über, die in der zur Mittelachse (112) senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse (112) nach innen gekrümmt ist.The present disclosure relates to a piston crown (110) for internal combustion engines. The disclosed piston crown (110) has a piston skirt (114) having a central axis (112), a piston crown (116) bounding the piston skirt (114) and consisting of a piston crown edge (118) and a piston crown (120), and at least two in the piston bottom edge (118) recessed valve pockets (132, 134), each having a continuous curved lateral surface (133, 135) which is curved in a plane perpendicular to the central axis (112) plane with respect to the central axis (112) to the outside. The first lateral surface (133) merges into the second lateral surface (135) by means of a continuously curved transition lateral surface (137), which is curved inwardly in the plane perpendicular to the central axis (112) with respect to the central axis (112).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenkrone und einen Kolben für Brennkraftmaschinen.The present invention relates to a piston crown and a piston for internal combustion engines.
Hintergrundbackground
Kolben für Brennkraftmaschinen können ein Kolbenhemd aufweisen, das mit einer Kolbenkrone und einem Pleuel verbunden wird. Die Kolbenkrone begrenzt zusammen mit einem Zylinder bzw. einer Zylinderlaufbuchse, in der sich der Kolben hin und her bewegt, und dem Zylinderkopf eine Verbrennungskammer.Pistons for internal combustion engines may have a piston skirt, which is connected to a piston crown and a connecting rod. The piston crown defines a combustion chamber together with a cylinder or cylinder liner in which the piston reciprocates and the cylinder head.
Die Kolbenkrone weist eine äußere Mantelfläche auf, die nach oben hin von einem Kolbenboden begrenzt wird, der durch einen Kolbenbodenrand und einer Kolbenbodenmulde gebildet wird. Die Kolbenbodenmulde bildet hierbei einen Teil der Verbrennungskammer.The piston crown has an outer circumferential surface, which is bounded at the top by a piston crown, which is formed by a piston bottom edge and a piston crown. The piston bottom recess forms part of the combustion chamber.
Beispielsweise werden bei einem Otto-Gasmotor Kolben mit verschiedenen Kolbenmuldenformen eingesetzt. So sind Kolben mit dachförmigem Kolbenboden bekannt, der für Brennverfahren mit gasgespülter Vorkammer derart gestaltet ist, dass die Fackelstrahlen möglichst spät auf die Brennraumwände treffen. Zudem sind Kolben mit wannenförmigem Kolbenboden bekannt, der so gestaltet ist, dass eine einlassseitig generierte Tumbleströmung erhalten bleibt. Ferner gibt es Kolben mit Omega-Kolbenbodenmulde, bei denen der Kolbenboden für den Dieselbetrieb für optimale Direkteinspritzung ausgelegt ist und aus Kostengründen und der Einfachheit halber unverändert auch beim Gas-Ottomotor eingesetzt wird. Letzteres ungeachtet eines möglicherweise schlechteren Verbrennungsergebnisses. Außerdem sind Kolben mit einer Topf-Kolbenbodenmulden bekannt, bei denen der Kolbenboden derart gestaltet sein kann, dass zwischen Kolbenrand und Zylinderkopf eine Quetschströmung (Squish-Strömung) in radialer Richtung entsteht. Außerdem kann die Drallströmung in der Topf-Kolbenbodenmulde verstärkt werden.For example, used in a gasoline engine piston with different Kolbenmuldenformen. Thus, pistons are known with roof-shaped piston crown, which is designed for combustion processes with gas-rinsed prechamber such that the torch jets meet as late as possible on the combustion chamber walls. In addition, pistons are known with trough-shaped piston bottom, which is designed so that a Tumbleströmung generated on the inlet side is maintained. There are also pistons with omega piston crown, in which the piston crown is designed for diesel operation for optimal direct injection and is used for cost reasons and for simplicity, unchanged in the gas Otto engine. The latter regardless of a possibly worse combustion result. In addition, pistons are known with a pot-piston bottom wells, in which the piston head can be designed such that a squish flow (squish flow) arises in the radial direction between the piston edge and the cylinder head. In addition, the swirl flow can be amplified in the pot-piston bottom tray.
Für Motoren mit Drall-Einlasskanälen und Kammerkerzen sind Kolben mit Topf-Kolbenbodenmulden sehr gut geeignet. Während des Kompressionstaktes wird das Gemisch über dem Kolbenbodenrand (Squish-Rand) des Kolbens in die Topf-Kolbenbodenmulde verdrängt. Während des Expansionstaktes wird das Gemisch wieder aus der Topf-Kolbenbodenmulde gesaugt. Dieser Vorgang führt, insbesondere in der Nähe des oberen Totpunkts zu starken Quetsch-Strömungen.For engines with swirl inlet ducts and chamber candles pistons with pot-piston bottom wells are very well suited. During the compression stroke, the mixture is displaced above the piston bottom edge (squish edge) of the piston into the pot piston bottom recess. During the expansion stroke, the mixture is sucked out of the pot bottom of the piston. This process leads to strong pinch currents, especially near top dead center.
Ergänzend zu der Quetsch-Strömung führt die Topf-Kolbenbodenmulde auch zu einer Beschleunigung der einlassseitig generierten Drallströmung. Aufgrund der Drehimpulserhaltung erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit der Drallströmung, wenn das Gemisch nach innen in die Topf-Kolbenbodenmulde verdrängt wird.In addition to the squish flow, the pot bottom of the pot also leads to an acceleration of the swirl flow generated on the inlet side. Due to the angular momentum conservation, the rotational speed of the swirl flow increases when the mixture is displaced inwardly into the pot bottom of the pot bottom.
Aus der
Aus der
Die vorliegende Offenbarung ist wenigstens teilweise darauf gerichtet, einen oder mehrere Aspekte bekannter Systeme zu verbessern.The present disclosure is directed, at least in part, to improving one or more aspects of known systems.
Zusammenfassung der OffenbarungSummary of the Revelation
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Kolbenkrone für Brennkraftmaschinen offenbart, die mit einem Kolbenhemd zum Bilden eines Kolbens verbindbar ist. Die offenbarte Kolbenkrone weist einen eine Mittelachse aufweisenden Kolbenmantel, einen den Kolbenmantel begrenzenden Kolbenboden, der aus einem Kolbenbodenrand und einer Kolbenbodenmulde gebildet ist, eine im Kolbenbodenrand eingelassene erste Ventiltasche und eine im Kolbenbodenrand eingelassene zweite Ventiltasche auf. Die erste Ventiltasche hat eine durchgehend gekrümmte erste Mantelfläche, die in einer zur Mittelachse senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse nach außen gekrümmt ist. Die zweite Ventiltasche hat durchgehend gekrümmte zweite Mantelfläche, die in der zur Mittelachse senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse nach außen gekrümmt ist. Die erste Mantelfläche geht in die zweite Mantelfläche mittels einer durchgehend gekrümmten Übergangsmantelfläche über, die in der zur Mittelachse senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse nach innen gekrümmt ist.According to one aspect of the present disclosure, a piston crown for internal combustion engines is disclosed, which is connectable to a piston skirt for forming a piston. The piston crown disclosed has a piston skirt having a central axis, a piston crown bounding the piston skirt, which is formed by a piston bottom edge and a piston bottom recess, a first valve pocket embedded in the piston bottom edge and a second valve pocket embedded in the piston bottom edge. The first valve pocket has a continuously curved first lateral surface which is curved outward in a plane perpendicular to the central axis with respect to the central axis. The second valve pocket has a continuously curved second lateral surface, which is curved outward in the plane perpendicular to the central axis with respect to the central axis. The first lateral surface merges into the second lateral surface by means of a continuously curved transition lateral surface, which is curved inwardly in the plane perpendicular to the central axis with respect to the central axis.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen offenbart, der ein Kolbenhemd und eine am Kolbenhemd angebrachte Kolbenkrone gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist.In another aspect, a piston for internal combustion engines is disclosed having a piston skirt and a piston crown attached to the piston crown in accordance with the present disclosure.
Weitere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden durch die folgende Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.Other features and aspects of this disclosure will become apparent from the following description and the accompanying drawings.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Die folgende Beschreibung ist eine detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die beispielhaften Ausführungsformen, die hierin beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt sind, sind dazu bedacht, die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu lehren, es dem Fachmann zu ermöglichen, diese umzusetzen und die vorliegende Offenbarung in verschiedenen Umgebungen und für verschiedene Anwendungen zu verwenden. Deshalb sind die beispielhaften Ausführungsformen nicht dazu bedacht, und sollten auch nicht dazu angesehen werden, eine beschränkende Beschreibung des Schutzbereichs zu sein. Vielmehr wird der Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung durch die beigefügten Ansprüche definiert.The following description is a detailed description of exemplary embodiments of the present disclosure. The exemplary embodiments described herein and illustrated in the drawings are intended to teach the principles of the present disclosure, to enable those skilled in the art to practice them, and to utilize the present disclosure in various environments and for various applications. Therefore, the exemplary embodiments are not intended and should not be construed to be a limiting description of the scope. Rather, the scope of the present disclosure is defined by the appended claims.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bedeutet eine in einer zu einer Referenzachse senkrecht stehenden Referenzebene bezüglich der Referenzachse nach außen gekrümmte Fläche, dass diese Fläche von der Referenzachse aus betrachtet in der Referenzebene im Wesentlichen konvex ist. Demgegenüber bedeutet im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine in der Referenzebene bezüglich der Referenzachse nach innen gekrümmte Fläche, dass diese Fläche von der Referenzachse aus betrachtet in der Referenzebene im Wesentlichen konkav ist.In the context of the present disclosure, a surface curved outwards with respect to the reference axis in a reference plane perpendicular to a reference axis means that this surface, viewed from the reference axis, is substantially convex in the reference plane. In contrast, in the context of the present disclosure, an inwardly curved surface in the reference plane with respect to the reference axis means that, viewed from the reference axis, this surface is substantially concave in the reference plane.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt eine Tasche eine in einem Körper geformte Ausnehmung, die eine Mantelfläche und eine an die Mantelfläche anschließende Bodenfläche aufweist. Die Bodenfläche der Tasche kann in jeglicher Form vorgesehen werden. Beispielsweise kann die Bodenfläche teilweise eben, teilweise gekrümmt, gegenüber der Mantelfläche geneigt oder in sonstiger Weise vorgesehen sein.In the context of the present disclosure, a pocket describes a recess formed in a body, which has a lateral surface and a bottom surface adjoining the lateral surface. The bottom surface of the bag can be provided in any form. For example, the bottom surface partially flat, partially curved, inclined relative to the lateral surface or provided in any other way.
Der vorliegenden Offenbarung liegt wenigstens teilweise der Gedanke zugrunde, dass die im Kolbenboden eingelassenen Ventiltaschen derart ineinander übergehen, dass nahezu keinerlei scharfen Kanten an der Kolbenkrone vorhanden sind. Zudem liegt der vorliegenden Offenbarung wenigstens teilweise der Gedanke zugrunde, dass nahezu alle brennraumseitig miteinander verbundenen Flächen der Kolbenkrone durch Verrundungen mit vorbestimmten Radien oder durch Fasen vorgesehen sind, so dass der durch die Kolbenbodenmulde teilweise definierte Brennraum nur geringfügig zerklüftet ist. Der dadurch bereitgestellte Brennraum weist eine Geometrie auf, die die in das Verbrennungsgemisch eingebrachten Turbulenzen verringern und somit ein homogeneres Verbrennungsgemisch innerhalb des Brennraums bereitstellen kann. Dies kann zu geringeren Emissionen und einer höheren Effizienz der Verbrennung führen.The present disclosure is based at least in part on the idea that the valve pockets let into the piston crown merge into one another in such a way that almost no sharp edges are present on the piston crown. In addition, the present disclosure is based at least in part on the idea that almost all combustion chamber side interconnected surfaces of the piston crown are provided by rounding with predetermined radii or bevels, so that the partially defined by the piston crown cavity combustion chamber is only slightly rugged. The combustion chamber provided thereby has a geometry that can reduce the turbulences introduced into the combustion mixture and thus provide a more homogeneous combustion mixture within the combustion chamber. This can lead to lower emissions and higher combustion efficiency.
Ferner liegt der vorliegenden Offenbarung der Gedanke zu Grunde dass durch das Bereitstellen von Ventiltaschen, die mit Verrundungen verbunden und gleichzeitig mit Verrundungen in die Kolbenbodenmulde übergehen, ein Brennraum geschaffen werden kann, in dem eine gleichmäßige Verbrennung stattfinden kann. Zudem kann verhindert werden, dass sich an etwaigen konkaven Bereichen bzw. Kanten lokale Temperaturspitzen (sogenannte Hot-Spots) bilden.Further, the present disclosure is based on the idea that by providing valve pockets which are connected with fillets and at the same time with fillets in the piston crown, a combustion space can be created in which a uniform combustion can take place. In addition, it can be prevented that local temperature peaks (so-called hot spots) form at any concave areas or edges.
Der beispielhaft in den
Die Kolbenkrone
In der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform ist der beispielhaft gezeigte Kolben
Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Ventiltaschen nicht auf vier begrenzt ist. Wenn die Brennkraftmaschine beispielsweise pro Zylinder nur ein Einlasstellerventil und nur ein Auslasstellerventil aufweist, sind demzufolge auch nur zwei Ventiltaschen im Kolbenbodenrand vorgesehen.It should be noted, however, that the number of valve pockets is not limited to four. If, for example, the internal combustion engine has only one inlet valve and only one outlet valve per cylinder, then only two valve pockets are provided in the piston bottom edge.
Wie in der
Ferner weist die Ventiltasche
In ähnlicher Weise umfassen die Ventiltaschen
In der
Beispielsweise sind in der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform die Radien sämtlicher Mantelflächen der Ventiltaschen
Die Mantelfläche
Die Übergangsmantelfläche
Jede der Ventiltaschen
Die Tiefen der Ventiltaschen
In der
In ähnlicher Weise können die brennraumzugewandten, oberen und die brennraumabgewandten, unteren Kanten der Mantelflächen der Ventiltaschen
Anstelle der Radien R4 und R5 können in alternativen Ausgestaltungen sämtliche brennraumzugewandte, obere und brennraumabgewandte, untere Kanten der Mantelflächen der Ventiltaschen
In der
Die Kolbenbodenmulde
Der Radius R1 beträgt ungefähr 10% bis 40% des Durchmessers D des Kolbenbodens
In einer in der
Somit können die Ventiltaschen
In der
In weiteren Ausgestaltungen kann der äußere Kühlkanal
Gewerbliche AnwendbarkeitIndustrial Applicability
Durch die Bereitstellung der Ventiltaschen
Durch die erfindungsgemäße Kolbenkrone
Durch das Vorsehen der Radien R3 bis R7 wird das Gaskraftstoff-Luftgemisch nur geringfügig in der optimalen Verwirbelung beeinflusst und hält seinen überwiegend laminaren Strömungsanteil bei. Dies wiederum kann die Verbrennung weitere optimieren und vervollständigen. Dabei können die Emissionen weiter reduziert und die Effizienz der Verbrennung erhöht werden.By providing the radii R3 to R7, the gaseous fuel-air mixture is only slightly influenced in the optimum turbulence and maintains its predominantly laminar flow fraction. This in turn can further optimize and complete the combustion. It can further reduce emissions and increase combustion efficiency.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung hierin beschrieben worden sind, können Verbesserungen und Modifikationen hierin eingearbeitet sein, ohne vom Schutzbereich der folgenden Ansprüche abzuweichen.Although the preferred embodiments of this invention have been described herein, improvements and modifications may be incorporated herein without departing from the scope of the following claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 102012103212 A1 [0008] DE 102012103212 A1 [0008]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |