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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge.
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STAND DER TECHNIK
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Fahrzeuge enthalten Verbrennungsmotoren. Verbrennungsmotoren liefern Drehmoment als Antriebskraft für das Fahrzeug. Verbrennung in dem Motor liefert Drehmoment. Verbrennung kann auf vielfältige Weise erfolgen. Zum Beispiel kann ein Motor ein homogenes Kompressionszündungssystem (HCCI) verwenden, bei dem bei Zündtemperatur ein Luft-Kraftstoff-Gemisch verdichtet wird. Desgleichen kann ein Motor ein Funkenzündsystem (SI) verwenden, bei dem ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einer elektrischen Ladung von einer Zündkerze interagiert, um zu verbrennen.
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Ein Verdichtungsverhältnis in dem Verbrennungsmotor regelt die Höhe des erzeugten Drehmoments und der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs. Das Verdichtungsverhältnis kann gesteuert werden, indem man Mechanismen wie etwa variable Ventilsteuerung und Drosselklappensteuerung verwendet. Außerdem kann ein Kolben in dem Motor das Verdichtungsverhältnis beeinflussen. Die Geometrie, die Form und der Hub des Kolbens können verwendet werden, um das Verdichtungsverhältnis und damit die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu optimieren. Daher kann ein Kolben mit einer Geometrie, welche die Verbrennung in dem Motor verbessert, vorteilhaft sein. In dem Dokument
EP 2 078 836 A2 wird ein Zylinder mit einem Zylinderkopf und einem Kolben beschrieben, wobei in dem Kolbenboden jeweils zwei Einlassventilvertiefungen und jeweils zwei Auslassventilvertiefungen nebeneinander angeordnet sind und der Kolbenboden eine zwischen den Einlassventilvertiefungen einerseits und den Auslassventilvertiefungen andererseits eine keilförmige Erhebung aufweist. In dem Dokument
DE 14 76 075 B wird ein Kolben mit in dem Kolbenboden angeordneten Mulden beschrieben.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Ein Kolben enthält einen Boden mit einem Kolbendach, einer Brennraummulde, einer Auslassventilvertiefung und einer Einlassventilvertiefung. Der Kolben enthält ferner einen Keil, der auf dem Boden angeordnet ist und sich von der Auslassventilvertiefung und der Einlassventilvertiefung zu der Brennraummulde über dem Kolbendach erstreckt. Der Keil ist ein ebener Keil, der in einem Winkel angeordnet ist, der im Wesentlichen parallel zu einem zugehörigen, in der Auslassventilvertiefung aufgenommenen Auslassventil ist. Der Boden ist symmetrisch um eine Kolbenmittellinie.
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Ein Motor enthält einen Motorblock und einen Zylinderkopf, der einen Zylinder definiert. Der Motor enthält ferner einen in dem Zylinder angeordneten Kolben, der einen symmetrischen gewölbten Boden mit einem Keil hat, wobei sich der Keil von einer Einlassventilvertiefung und einer Auslassventilvertiefung erstreckt. Der Keil ist über einem Kolbendach in Richtung einer Mitte des Bodens geneigt, parallel zu einem Auslassventil, das von der Auslassventilvertiefung aufgenommen wird. Der Kolben enthält ferner eine gebogene Rampe, die tangential zu dem Kolbendach und dem Keil zwischen den Ventilvertiefungen angeordnet ist.
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Bei einem gewölbten Kolben mit einem Boden, der symmetrisch um eine Mittellinie ist, enthält jede Hälfte des Bodens ein Kolbendach, eine Einlassventiltasche und eine Auslassventiltasche, eine Brennraummulde an der Spitze und eine gebogene Rampe, die zwischen den Ventiltaschen angeordnet ist. Die Ventiltaschen erstrecken sich jeweils unter dem Kolbendach zu einem ebenen Keil, der sich von den Ventiltaschen über dem Kolbendach zu einer Spitze erstreckt. Die gebogene Rampe erstreckt sich tangential zwischen dem Kolbendach und dem Keil.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeugs, das einen Direkteinspritzmotor mit einem Kolben hat, der einen gegossenen Kolbenboden aufweist.
- 2 ist eine Querschnittsansicht eines Kolbens im Inneren eines Kolbenzylinders, der eine Kolbenbodengeometrie verwendet, die so ausgelegt ist, dass sie den Kraftstoffdurchfluss verbessert;
- 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Kolbenbodens der vorliegenden Offenbarung; und
- 4 ist eine Querschnittsansicht eines Kolbenbodens senkrecht der Linie 4-4 von 3 der vorliegenden Offenbarung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Wie erfordert werden hierin detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgebildet sein kann. Die Figuren sind nicht zwangsläufig maßstabsgerecht; einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert dargestellt sein, um Details von bestimmten Komponenten zu zeigen. Deshalb sind bestimmte strukturelle und funktionale Details, die hierin offenbart sind, nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für die Unterrichtung eines Fachmanns, wie er die vorliegende Erfindung auf verschiedene Arten anwenden kann.
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Bezugnehmend auf 1 ist ein Fahrzeug 10 gezeigt, das einen Verbrennungsmotor 12 hat. Der Verbrennungsmotor 12 ist mechanisch mit einem Fahrzeug-Antriebsstrang 14 gekoppelt. Der Verbrennungsmotor 12 erzeugt Drehmoment, das mittels des Antriebsstrangs 14 auf die Fahrzeugräder 15 übertragen wird. Die Übertragung von Drehmoment mittels des Antriebsstrangs 14 auf die Räder 15 liefert eine Antriebskraft, um das Fahrzeug 10 anzutreiben. In mindestens einer Ausführungsform ist der Motor 12 als Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung 12 dargestellt und beschrieben, in dem ein Luft-Kraftstoff-Gemisch direkt in dem Motor 12 bereitet wird, um verbrannt zu werden. Die Verwendung eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung 12 erfordert mindestens eine Kraftstoffeinspritzposition 13, die so konfiguriert ist, dass sie Kraftstoff direkt in einen Zylinder 18 einspritzt.
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Wie nachstehend näher beschrieben wird, kann der Motor 12 einen Kolben 16 enthalten, der sich in dem Zylinder 18 hin- und herbewegt. Der Zylinder ist an einem Motorblock 17 definiert. In mindestens einer Ausführungsform kann der Motor 12 einen Kolben 16 oder eine Vielzahl von Kolben 16 enthalten, wie zum Beispiel eine Motorkonfiguration mit sechs Kolben 16 oder acht Kolben 16. Der Kolben 16 kann auch ein gewölbter Kolben 16 sein. Der Zylinder 18 kann eine Vielzahl von Konfigurationen annehmen. Bei einem Motor 12 mit einer Vielzahl von Kolben 16 können sich die Kolben 16 in einer Vielzahl von Zylindern 18 hin- und herbewegen. Die Vielzahl von Zylindern 18 kann eine Vielzahl von Konfigurationen haben. Die Zylinder 18 können in Reihe oder in einer V-Konfiguration sein. Eine symmetrische Kolbengeometrie kann erlauben, dass für jeden Zylinder 18 eine einzige Kolbenkonstruktion verwendet wird, gleichgültig ob Reihen- oder V-Konfiguration.
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Das Luft-Kraftstoff-Gemisch kann mittels einer Kraftstoffeinspritzposition 13 direkt in den Zylinder 18 des Motors 12 eingespritzt werden. Ferner enthält der Motor 12 eine Zündkerze 20. Die Zündkerze 20 gibt einen Funken als Zündquelle, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch in dem Zylinder 18 zu verbrennen. Die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches drückt den Kolben 16 nach unten, sodass sich der Kolben 16 in dem Zylinder 18 hin- und herbewegt. Wenn sich der Kolben 16 in dem Zylinder 18 hin- und herbewegt und dabei in Richtung der Zündkerze 20 fährt, kann die Zündkerze 20 erneut das Luft-Kraftstoff-Gemisch zünden und für weitere Verbrennung sorgen. Diese Verbrennungsenergie wird von dem Motor 12 verwendet, um Drehmoment mittels des Fahrzeug-Antriebsstrangs 14 auf die Fahrzeugräder 15 zu übertragen.
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Wie nachstehend näher beschrieben wird, hängt die Verbrennungsgeschwindigkeit in dem Motor 12 von einer Vielzahl von Faktoren ab. Zum Beispiel kann der Hub des Kolbens 16 in dem Zylinder 18 die Verbrennung beeinflussen. Desgleichen können die Größe und die Form des Kolbens 16 die Geschwindigkeit erhöhen, mit der das Luft-Kraftstoff-Gemisch den Funken der Zündkerze 20 erreicht. Die Optimierung der Größe und der Form des Kolbens 16 zur Erhöhung der Verbrennung in dem Motor 12 kann ein Verdichtungsverhältnis des Motors 12 erhöhen. Die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses des Motors 12 kann zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und zur Emissionsminderung beitragen.
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Bezugnehmend auf 2 ist eine Querschnittsansicht des Kolbens 16 in dem Zylinder 18 gezeigt. Der Kolben 16 sowie der Zylinder 18 können eine zylindrische Form definieren. Die durch das Luft-Kraftstoff-Gemisch definierten Verbrennungsgase werden durch eine Vielzahl von Kolbenringen 21 in dem Zylinder 18 eingeschlossen gehalten. Der Kraftstoff wird mittels eines Einlassventils 22 in den Zylinder 18 eingespritzt. Desgleichen verlassen Gase, die aus der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches resultieren, den Zylinder 18 durch ein Auslassventil 24. Die Ventilwinkel zwischen dem Einlassventil 22 und dem Auslassventil 24 sind unterschiedlich groß. Die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches durch die Zündkerze 20 erzeugt eine nach unten gerichtete Kraft auf den Kolben 16. Die nach unten gerichtete Kraft, die auf den Kolben 16 wirkt, bewirkt die Drehung einer Pleuelstange 26. Die Pleuelstange 26 koppelt den Kolben 16 mechanisch mit einer Kurbelwelle 28. Die Drehbewegung der Pleuelstange 26 wird auf die Kurbelwelle 28 übertragen. Dadurch wird Drehmoment mittels des Fahrzeug-Antriebsstrangs 14 auf die Fahrzeugräder 15 übertragen.
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Wie vorstehend angegeben, ist der Zündzeitpunkt durch Interaktion eines Funkens von der Zündkerze 20 und des Luft-Kraftstoff-Gemisches ein wichtiger Faktor für die Optimierung des Verdichtungsverhältnisses. Ferner kann auch die geometrische Ausgestaltung eines Bodens 30 des Kolbens 16 den Zeitpunkt der Interaktion zwischen dem Funken von der Zündkerze 20 und dem Luft-Kraftstoff-Gemisch beeinflussen. Zum Beispiel kann der Kolbenboden 30 eine Brennraummulde 32 definieren, die an einer Spitze 31 eines Kolbendachs 34 definiert ist. Der Kolbenboden 30 kann auch einen Keil 36 enthalten, der vertikal in Richtung der Brennraummulde 32 geneigt ist. Der Keil 36 umfasst eine ebene Fläche, die einen ebenen Keil 36 zur Folge hat. Der Keil 36 kann auch als Keil-Pop-Up definiert sein. Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder 18 eingespritzt wird, hilft der Keil 36 dabei, den Kraftstoff zu der Brennraummulde 32 zu drücken. Der Keil 36 hilft dabei, das Luft-Kraftstoff-Gemisch genau und effizient zu der Brennraummulde 32 zu leiten, um die Verbrennung durch die Zündkerze 20 zu verbessern. Daher kann die Neigung des Keils 36 so definiert werden, dass das Verdichtungsverhältnis des Motors 12 optimiert wird.
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Der Kolben 16 in dem Zylinder 18 definiert ein Verdichtungsverhältnis. Das Verdichtungsverhältnis bestimmt die Höhe der Kraft, die auf den Kolben wirkt, und somit die Geschwindigkeit, mit der sich die Kurbelwelle 28 dreht. Ein hohes Verdichtungsverhältnis kann vorteilhaft sein. Die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses erlaubt mehr Wärmeenergie durch Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches, die in mechanische Energie umgewandelt werden soll, wodurch Drehmoment auf die Fahrzeugräder 15 übertragen wird. Das Verdichtungsverhältnis kann durch das Volumen eines Brennraums 27 an dem oberen Ende des Kolbenhubs und an dem unteren Ende des Kolbenhubs definiert werden. Das Volumen des Brennraums 27 ändert sich mit der Hublänge des Kolbens 16 in dem Zylinder 18. Ferner ändert sich das Volumen des Brennraums in Abhängigkeit von der Geometrie des Kolbenbodens 30. Eine Kompressionshöhe 25 ist zwischen der Mitte der Kopplung, die sich zwischen dem Kolben 16 und der Pleuelstange 26 befindet, und dem Kolbenboden 30 definiert. Die Kompressionshöhe 25 beeinflusst das Verdichtungsverhältnis durch Verringerung des Volumens des Brennraums 27. Daher kann das Verdichtungsverhältnis erhöht werden, indem man die Geometrie des Kolbenbodens 30 so anpasst, dass der Kompressionshöhe 25 Volumen hinzugefügt wird, aber Spiel für das Einlassventil 22 und das Auslassventil 24 sowie für die Zündkerze 20 bleibt.
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Bezugnehmend auf die 3 und 4 sind eine perspektivische und eine Querschnittsansicht senkrecht der Linie 4-4 des Kolbenbodens 30 gezeigt. Der Kolbenboden 30 kann ferner eine Rampe 38 enthalten, die auf dem Kolbendach 34 definiert ist. Die Rampe 38 ist eine gebogene Rampe 38, die zwischen einer Einlassventilvertiefung 40 und einer Auslassventilvertiefung 42 definiert ist. Die Rampe 38 ist ferner tangential zu der Kompressionshöhe 25. Um einen Keilwinkel zu erhalten, der den Kolbenboden 30 vergrößert, fügt die Rampe 38 über die Kompressionshöhe 25 hinaus Volumen hinzu, um ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis zu erzielen. Aus diesem Grund fügt die Rampe 38 der Kompressionshöhe 25 Volumen hinzu. Die Verwendung der Rampe 38, um der Kompressionshöhe 25 Volumen hinzuzufügen, erlaubt dem Kolbenboden 30, durch den Keil 36 eine verbesserte Kraftstoffdurchflussrate zu erzielen. Die Verbesserung der Durchflussrate des Kraftstoffs erlaubt dem Luft-Kraftstoff-Gemisch beim Einspritzen in den Zylinder 18, die Brennraummulde 32 schneller zu erreichen. Dies verbessert die Verbrennung durch den Motor 12 in der Gesamtkraftstoffeffizienz des Fahrzeugs 10.
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Ferner können sich die Winkel des Einlass- und Auslassventils, wie vorstehend angegeben, von dem Einlassventil 22 und dem Auslassventil 24 unterscheiden. Die Auslassventilvertiefung 42 nimmt das Auslassventil 24 auf und die Einlassventilvertiefung 40 nimmt das Einlassventil 22 auf. Das Anbringen der Rampe 38 an dem Kolbendach 34 erlaubt dem Kolbenboden 30, symmetrisch zu sein. Die Rampe 38 erlaubt dem Keil 36, im Wesentlichen parallel zu dem Auslassventil 24 zu sein. Der Keil 36 erstreckt sich zwischen der Auslassventilvertiefung 42 und der Einlassventilvertiefung 40. Aufgrund der Tatsache, dass der Keil 36 im Wesentlichen parallel zu dem Auslassventil 24 ist, nimmt die Auslassventilvertiefung 42 das Auslassventil 24 mit minimalem Spiel auf. Da die Winkel zwischen dem Auslassventil 24 und dem Einlassventil 22 unterschiedlich groß sind und der Keil 36 sich von der Auslassventilvertiefung 42 zu der Einlassventilvertiefung 40 erstreckt, bietet die Rampe 38 zusätzliches Spiel für das Einlassventil 22 und erlaubt dem Keil 36, den Kolbenboden 30 maximal zu vergrößern. Die Bereitstellung von zusätzlichem Spiel für das Einlassventil 22 trägt dazu bei, das Verdichtungsverhältnis zu vergrößern, indem mehr Raum für den Kolbenboden 30 zur Aufnahme des Einlassventils 22 zur Verfügung gestellt wird, und erlaubt dem Kolbenboden 30, symmetrisch um eine Kolbenmittellinie 44 zu sein.
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Die maximale Vergrößerung des Kolbenbodens 30 optimiert die Durchflussrate des Kraftstoffs in dem Zylinder 18. Wenn der Kolbenboden 30 maximal vergrößert wird, hat der Keil 36 eine maximale Neigung zu der Brennraummulde 32, um ein erhöhtes Verdichtungsverhältnis zu erzielen. Das Anbringen der Rampe 38 bietet Vorteile für den Kolbenboden 30. Die Rampe 38 beseitigt eine scharfe Kante oder ein Gefälle zwischen dem Kolbendach 34 und dem Keil 36. Die Rampe 38 bietet einen Radius, der so ausgelegt ist, dass er die Geometrie des Kolbenbodens 30 verbessert. Die Verbesserung der Geometrie des Kolbenbodens 30 erlaubt der Rampe 38, über die Kompressionshöhe 25 hinaus Volumen hinzuzufügen. Das Hinzufügen von Volumen über die Kompressionshöhe 25 hinaus verringert das Volumen des Brennraums, erlaubt aber immer noch Spiel für das Einlassventil 22, das Auslassventil 24 und die Zündkerze 20. Dies trägt dazu bei, das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen. Durch die Verbesserung und Beibehaltung des Spiels erlaubt die Rampe 38 dem Keil 36 eine Neigung mit einem maximalen Winkel, um die Durchflussrate des Kraftstoffs zu der Zündkerze zu verbessern und das Verdichtungsverhältnis weiter zu erhöhen. Die Rampe 38 erlaubt dem Keil 36, seinen höchsten Punkt an der Kolbenmittellinie 44 zu haben. Dies erlaubt dem Boden 30, ein symmetrischer gewölbter Boden 30 zu sein. Die Beibehaltung der Symmetrie und die maximale Vergrößerung des Kolbenbodens 30 verbessert die Leistung des Kolbens 16 und damit des Motors 12.
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Wie vorstehend angegeben, bietet das Anbringen der Rampe 38 verschiedene Vorteile für den Kolbenboden 30. Ein weiterer Vorteil, der durch die Verwendung der Rampe 38 zur Verbesserung der Geometrie des Kolbenbodens erreicht wird, ist eine Reduzierung des Bearbeitungsprozesses. Das Anbringen der Rampe 38 erlaubt im Wesentlichen dem gesamten Kolbenboden 30, gegossen zu sein. Die Geometrie des Kolbenbodens 30 erlaubt dem Kolbenboden 30, unter Verwendung eines Steigers (nicht gezeigt) ausgebildet zu sein. Der einzige Bereich des Kolbenbodens 30, der nach dem Gießen maschinell bearbeitet werden muss, ist die Brennraummulde 32. Dies reduziert den Bearbeitungsaufwand, der zur Ausbildung des Kolbenbodens 30 erforderlich ist, erheblich. Das Anbringen der Rampe 38 trägt dazu bei, die Herstellungsprozesse, die zur Ausbildung des Kolbenbodens 30 erforderlich sind, zu reduzieren. Dies kann Zeit, Ausgaben und Herstellungskosten sparen.
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Die Verbesserung der Geometrie des Kolbenbodens 30 durch das Anbringen der Rampe 38 ergibt einen wirtschaftlicheren Kolben 16. Ein Vorteil der Verwendung eines Gießverfahrens besteht zum Beispiel darin, dass die komplexe Geometrie des Kolbenbodens einfacher und wirtschaftlicher auszubilden wird. Ferner schafft die Ausgestaltung des Kolbenbodens 30 unter Verwendung eines Gießverfahrens eine formbeständigere und langlebigere Geometrie des Kolbenbodens. Desgleichen kann die Gussform mehrmals verwendet werden, um mehrere Kolbenböden 30 auszubilden, die in der Kraftfahrzeugproduktion benötigt werden. Die schnelle und wirtschaftliche Vervielfältigung der Geometrie des Kolbenbodens verbessert die Herstellung des Kolbens 16 und damit des Motors 12. Daher verbessert das Anbringen der Rampe 38 die Wirtschaftlichkeit der Herstellung des Kolbens 16 und erlaubt einen langlebigeren Kolbenboden 30.
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Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsbeispiele beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Begriffe eher beschreibende als einschränkende Begriffe, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Grundgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale von verschiedenen Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden.
