DE102019006760A1

DE102019006760A1 - Kolben für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, sowie Hubkolbenmaschine für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019006760A1
Application number: DE102019006760.6A
Authority: DE
Inventors: Helmut Gildein; Herbert Zoeller
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2021-04-01
Also published as: WO2021058192A1; US20220307445A1; CN114514366A; US12092053B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (10) für eine Hubkolbenmaschine, mit einer Kolbenkrone (12) und mit einer Kolbenmulde (14), und mit einer in der Kolbenkrone (12) ausgebildeten und in radialer Richtung (24) des Kolbens (10) nach außen auf die Kolbenmulde (14) folgenden Ringnut (26), deren Querschnitt (26) eine Halbtropfenform (H) aufweist, wobei die Halbtropfenform (H) einen ersten Radius (R1) und einen sich in radialer Richtung (24) des Kolbens (10) nach außen hin direkt an den ersten Radius (R1) anschließenden und gegenüber dem ersten Radius (R1) größeren zweiten Radius (R2) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Hubkolbenmaschine für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 10.
Die DE 10 2016 112 538 A1 offenbart einen Kolben für eine Hubkolbenmaschine, mit einer Kolbenkrone und mit einer Kolbenmulde. Außerdem weist der Kolben eine in der Kolbenkrone ausgebildete und in radialer Richtung des Kolbens nach außen hinauf die Kolbenmulde folgende Ringnut in der Kolbenkrone auf, deren Querschnitt eine Halbtropfenform aufweist. Mit anderen Worten ist der Querschnitt der Ringnut halbtropfenförmig ausgebildet. Bei der DE 10 2016 112 538 A1 wird die in der Kolbenkrone umlaufende Ringnut auch als muldenförmige Ausnehmung bezeichnet, deren auch als Radialschnitt bezeichneter Querschnitt eine Konturierung verfügt beziehungsweise aufweist. Die Konturierung umfasst einen radial äußeren Abschnitt mit einer kreisbogenförmigen Kontur und einen sich an die kreisbogenförmige Kontur direkt anschließenden, radial inneren Abschnitt mit einer rampenförmigen beziehungsweise tangentialen Kontur. Die rampenförmige beziehungsweise tangentiale Kontur schließt sich dabei in radialer Richtung des Kolbens nach innen hin direkt beziehungsweise unmittelbar an die kreisbogenförmige Kontur an, sodass zwischen der kreisbogenförmigen Kontur und der rampenförmigen beziehungsweise tangentialen Kontur keine weitere, andere Kontur der Konturierung angeordnet ist.
Außerdem ist der FR 2 861 136 A1 ebenfalls ein Kolben für eine Hubkolbenmaschine als bekannt zu entnehmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolben sowie eine Hubkolbenmaschine mit wenigstens einem solchen Kolben zu schaffen, sodass ein besonders emissionsarmer und effizienter Betrieb der Hubkolbenmaschine realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Kolben für eine vorzugsweise als Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise als Verbrennungsmotor ausgebildete Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die vorzugsweise als Verbrennungsmotor ausgebildete Hubkolbenmaschine umfasst und mittels der Verbrennungsmaschine antreibbar ist. Dabei ist das Kraftfahrzeug beispielsweise als Kraftwagen ausgebildet. Die Hubkolbenmaschine weist beispielsweise einen Zylinder auf, in welchem der Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen ist. Der Kolben weist eine Kolbenkrone mit einer, von der Kolbenkrone umschlossenen, Kolbenmulde auf. Außerdem weist der Kolben eine in der Kolbenkrone ausgebildete Ringnut auf, welche in radialer Richtung des Kolbens nach außen auf die Kolbenmulde folgt. Dies bedeutet, dass die Ringnut in radialer Richtung des Kolbens zwischen der Kolbenmulde und einer in radialer Richtung des Kolbens äußersten Kante des Kolbens angeordnet ist, wobei die in radialer Richtung äußerste Kante des Kolbens auch als Außenkante des Kolbens bezeichnet wird. Dabei ist die Ringnut in radialer Richtung des Kolbens von der Kolbenmulde beabstandet und verläuft umlaufend in der Kolbenkrone. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Kolbenmulde nicht etwa unterbrechungsfrei in die Ringnut übergeht, sondern die Ringnut ist beispielsweise in radialer Richtung des Kolbens von der Kolbenmulde beabstandet, insbesondere derart, dass in radialer Richtung des Kolbens zwischen der Ringnut und der Kolbenmulde eine insbesondere in Umfangsrichtung des Kolbens umlaufende Wandung angeordnet ist, durch welche die Ringnut in radialer Richtung des Kolbens von der Kolbenmulde getrennt, abgeteilt oder unterteilt ist.
Die Ringnut ist in ihrem auch als Radialschnitt bezeichneten Querschnitt halbtropfenförmig ausgebildet. Mit anderen Worten weist der Querschnitt der Ringnut eine Halbtropfenform auf. Der im Rahmen der Erfindung gemeinte und halbtropfenförmige Querschnitt verläuft oder liegt in einer Schnittebene, welche vorzugsweise in axialer Richtung des Kolbens verläuft, wobei die Mittelachse des Kolbens in der Schnittebene liegt. Vorzugsweise ist die Ringnut bezüglich der Mittelachse rotationssymmetrisch in der Kolbenkrone ausgebildet. Beispielsweise läuft die zuvor genannte Außenkante des Kolbens in Umfangsrichtung des Kolbens um. Dabei verläuft beispielsweise die Außenkante auf einem Außendurchmesser der Außenkante, dessen Mittelpunkt auf der Mittelachse liegt. Vorzugsweise ist die Ringnut eine Ausnehmung, welche in Umfangsrichtung des Kolbens umläuft. Dabei ist die Ausnehmung in eine parallel zur axialen Richtung des Kolbens verlaufende erste Richtung durch die Kolbenkrone beziehungsweise durch einen Wandungsbereich der Kolbenkrone begrenzt. In eine parallel zur axialen Richtung des Kolbens verlaufende und beispielsweise der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung ist die Ringnut vorzugsweise bei alleiniger Betrachtung des Kolbens unbegrenzt, das heißt offen oder frei.
Um nun einen besonders emissionsarmen und effizienten Betrieb der Hubkolbenmaschine realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Halbtropfenform einen ersten Radius und einen sich in radialer Richtung des Kolbens nach außen hin direkt an den ersten Radius anschließenden zweiten Radius aufweist, sodass der erste Radius in radialer Richtung des Kolbens zwischen dem zweiten Radius und der Kolbenmulde verläuft beziehungsweise angeordnet ist. Unter dem Merkmal, dass der zweite Radius unmittelbar beziehungsweise direkt an den ersten Radius anschließt, ist zu verstehen, dass zwischen den Radien kein weiterer, anderer Radius der Halbtropfenform angeordnet ist. Außerdem ist beispielsweise unter dem Merkmal, dass die Halbtropfenform den ersten Radius und den zweiten Radius aufweist, zu verstehen, dass die Halbtropfenform beziehungsweise der Querschnitt eine insbesondere halbtropfenförmige Kontur, insbesondere Innenkontur, aufweist, welche beispielsweise auch als Konturierung bezeichnet wird. Die Kontur weist dabei den ersten Radius und den zweiten Radius auf, beziehungsweise ist durch den ersten Radius und den zweiten Radius gebildet, sodass die Halbtropfenform durch den ersten Radius und den zweiten Radius, insbesondere vollständig, gebildet ist. Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zweite Radius größer als der erste Radius ist.
Der zuvor genannte Zylinder der Hubkolbenmaschine ist beispielsweise in radialer Richtung des Zylinders nach außen hin durch eine auch als Laufbahn bezeichnete Zylinderwand begrenzt, welche beispielsweise durch ein Gehäuseelement, insbesondere durch ein Kurbelgehäuse, der Hubkolbenmaschine gebildet sein kann. Durch die Halbtropfenform des Querschnitts und insbesondere dadurch, dass sich der gegenüber dem ersten Radius größere zweite Radius in radialer Richtung des Kolbens nach außen hin und nicht etwa nach innen hin direkt an den ersten Radius anschließt, kann, insbesondere während eines befeuerten Betriebs der Hubkolbenmaschine, ein vorteilhafter Strömungswirbel in der Ringnut erzeugt werden. Während des befeuerten Betriebs laufen in einem Brennraum der Hubkolbenmaschine Verbrennungsvorgänge ab, wobei der Brennraum teilweise durch den Zylinder, teilweise durch einen Zylinderkopf und teilweise durch den Kolben begrenzt ist. Der Strömungswirbel verläuft dabei so, dass bei dem jeweiligen Verbrennungsvorgang etwaig entstehender Ruß von der relativ kalten Zylinderwand, insbesondere durch den Strömungswirbel wegbewegt und in heiße und sauerstoffreiche Zonen geführt wird. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Rußnachoxidation gewährleistet werden, sodass insbesondere Rußemissionen der Hubkolbenmaschine in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden können. Die besonders vorteilhafte und im Vergleich zu herkömmlichen Kolben bessere Rußnachoxidation ermöglicht die Realisierung eines besonders hohen Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine, sodass eine besonders effektive Verbrennung und ein kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Hubkolbenmaschine realisiert werden können. In der Folge kann ein besonders kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Hubkolbenmaschine realisiert werden. Außerdem können die CO₂-Emissionen der Hubkolbenmaschine besonders gering gehalten werden. Mit anderen Worten wurde gefunden, dass durch die erfindungsgemäß vorgesehene und ausgestaltete Ringnut ein besonders vorteilhafter Strömungswirbel in der Ringnut erzeugt werden kann. Der Strömungswirbel kann den Ruß in den Bereich der Ringnut umlenken, in denen günstige Bedingungen zur Oxidation des Rußes herrschen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Mittelpunkt des ersten Radius im Bereich, insbesondere in der in axialer Richtung des Kolbens äußersten, senkrecht zur axialen Richtung des Kolbens verlaufenden Ebene liegt, in welcher die Kolbenkrone angeordnet ist beziehungsweise verläuft. Vorteilhafterweise ergibt sich mit der Anordnung des Mittelpunktes des ersten Radius zumindest im Bereich der Ebene der Kolbenkrone ein annähernd rechtwinkliger Übergang von der Ebene der Kolbenkrone in die Ringnut, so dass bei einem Verbrennungsvorgang im Brennraum ein Strömungswirbel in der Ringnut entsteht, wodurch ein effizienter und emissionsarmer Betrieb realisierbar ist. Liegt der Mittelpunkt des ersten Radius in der in axialer Richtung des Kolbens äußersten, senkrecht zur axialen Richtung des Kolbens verlaufenden Ebene, ist besonders effizienter und emissionsarmer Betrieb realisierbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Radius 1 Prozent bis 5 Prozent eines Außendurchmessers des Kolbens beträgt und der zweite Radius 5 Prozent bis 20 Prozent des Außendurchmessers des Kolbens beträgt. Vorteilhafterweise kann mit dem zweiten Radius ein in die Ringnut gebildeter Strömungswirbel in seiner Bildung unterstützt werden, so dass der Strömungswirbel stabilisiert werden kann, wodurch der Strömungswirbel besonders vorteilhaft erzeugbar ist.
Um den Kraftstoffverbrauch der Hubkolbenmaschine besonders gering halten zu können, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Ringnut einen Innendurchmesser aufweist, welcher 70 Prozent bis 90 Prozent eines Außendurchmessers, insbesondere des größten Außendurchmessers, des Kolbens beträgt. Unter dem zuvor genannten Innendurchmesser der Ringnut kann insbesondere folgendes verstanden werden: Die Ringnut endet beispielsweise in radialer Richtung des Kolbens nach innen hin, das heißt in Richtung der Kolbenmulde, an beziehungsweise auf dem zuvor genannten Innendurchmesser.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Halbtropfenform in radialer Richtung des Kolbens nach innen hin an einer Abrisskante endet. Dies bedeutet, dass eine Kante zwischen dem ersten Radius der Ringnut und der Ebene der Kolbenkrone relativ abrupt ohne einen sanften Übergang ausgebildet ist. Hierdurch kann ein besonders vorteilhafter Strömungswirbel in der Ringnut erzeugt werden, so dass beispielsweise der zuvor genannte Ruß besonders vorteilhaft geführt wird, wodurch zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, der Ruß von der Zylinderwand ferngehalten werden kann und in der Ringnut nachoxidiert werden kann.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Abrisskante einen Radius von höchstens einem Millimeter aufweist. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Radius der Abrisskante in einem Bereich von einschließlich 0,1 Millimeter bis einschließlich 0,2 Millimeter liegt. Dadurch kann in dem Brennraum eine besonders vorteilhafte Strömung, insbesondere ein Strömungswirbel, realisiert werden, wodurch eine besonders vorteilhafte Rußnachoxidation sichergestellt werden kann.
Um den Kraftstoffverbrauch der Hubkolbenmaschine besonders gering halten zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein in radialer Richtung des Kolbens verlaufender Abstand zwischen der Abrisskante und der in radialer Richtung des Kolbens äußersten Kante des Kolbens in einem Bereich von einschließlich 6 Prozent bis einschließlich 10 Prozent des Außendurchmessers, insbesondere des größten Außendurchmessers, des Kolbens liegt.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass eine Breite der Ringnut 3 Prozent bis 12 Prozent des Außendurchmessers des Kolbens beträgt.. Dadurch kann ein besonders effizienter und kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb realisiert werden.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn eine Breite der Ringnut 3 Prozent bis 12 Prozent des Außendurchmessers des Kolbens beträgt. Dadurch kann ein besonders effizienter und emissionsarmer Betrieb gewährleistet werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine vorzugsweise als Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise Verbrennungsmotor ausgebildete Hubkolbenmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen vorzugsweise als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftwagen. Die Hubkolbenmaschine weist wenigstens einen Zylinder und wenigstens einen Kolben, insbesondere wenigstens einen erfindungsgemäßen Kolben gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, auf, wobei der Kolben translatorisch bewegbar in dem Zylinder aufgenommen ist. Der Kolben, ein Zylinderkopf und der Zylinder begrenzen jeweils teilweise einen Brennraum der Hubkolbenmaschine. Der Kolben weist eine Kolbenkrone und eine Kolbenmulde und eine in der Kolbenkrone ausgebildete und in radialer Richtung des Kolbens nach außen auf die Kolbenmulde folgende Ringnut auf, deren Querschnitt eine Halbtropfenform aufweist. Um nun einen besonders effizienten und emissionsarmen Betrieb der Hubkolbenmaschine realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Halbtropfenform einen ersten Radius und einen sich in radialer Richtung des Kolbens nach außen hin direkt beziehungsweise unmittelbar an den ersten Radius anschließenden und gegenüber dem ersten Radius größeren zweiten Radius aufweist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Vorzugsweise ist die Hubkolbenmaschine als ein Dieselmotor ausgebildet. Die Ringnut ist dabei vorzugsweise eine in Umfangsrichtung des Kolbens umlaufende Ausnehmung, die in der Kolbenkrone ausgebildet ist. Es wurde gefunden, dass durch die Halbtropfenform eine besonders harmonische Strömungsumlenkung erreicht werden kann, da mittels der beiden Radien, das heißt mittels des ersten Radius und des zweiten Radius der Halbtropfenform, die Strömung sanft in eine vorteilhafte Richtung gelenkt werden kann. Vorzugsweise ist die zuvor genannte, scharfe Abrisskante vorgesehen, welche auch als Strömungsabrisskante bezeichnet wird. Die Strömungsabrisskante erzeugt einen vorteilhaften Strömungswirbel in der Ringnut. Vorzugsweise liegt der Mittelpunkt des ersten Radius in der Ebene der Kolbenkrone, sodass die Kolbenkrone und der erste Radius einen rechten Winkel oder zumindest annähernd einen rechten Winkel miteinander einschließen, so dass die scharfe Abrisskante gebildet werden kann, wodurch ein vorteilhafter Strömungsabriss erzeugbar ist. Der Strömungswirbel wird bei der Bewegung des Kolbens von seinem oberen Totpunkt (OT) in Richtung seines unteren Totpunkts (UT) erzeugt und bildet sich in der Ringnut beziehungsweise im Bereich der Ringnut, in welchem die Strömung im Brennraum von oberhalb der Kolbenkrone mittels der Strömungsabrisskante in Richtung der Ringnut geleitet wird und dann mittels des ersten Radius und des zweiten Radius in Richtung der Kolbenmitte umgelenkt wird. In dem Strömungswirbel kann bei der Verbrennung entstehender Ruß sich mit Verbrennungsluft mischen und in der Folge nachoxidiert werden
Es wurde gefunden, dass mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen und ausgestalteten Ringnut der Rußausstoß im Vergleich zu herkömmlichen Hubkolbenmaschinen deutlich abgesenkt werden kann. Hintergrund der Erfindung ist insbesondere das Bestreben, das Verdichtungsverhältnis einer beziehungsweise der vorzugsweise als Dieselmotor ausgebildeten Hubkolbenmaschine im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen deutlich anzuheben, zum Beispiel von einem Verdichtungsverhältnis von 15 auf ein Verdichtungsverhältnis von 17,5, um dadurch einen besonders hohen Wirkungsgrad der Verbrennung, insbesondere der Dieselverbrennung, zu erreichen, in der Folge den Kraftstoffverbrauch zu senken und dabei einen übermäßigen Rußausstoß zu verhindern. Für eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses muss jedoch üblicherweise das Volumen im Brennraum verkleinert werden. Dies kann durch eine Verkleinerung der Kolbenmulde erreicht werden. Dabei rücken zumindest die Wände des Kolbens näher an die Kolbenmitte und damit näher an einen Injektor heran, mittels welchem Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, direkt in den Brennraum eingespritzt werden kann. In der Folge legen die Einspritzstrahlen einen kürzeren Weg zurück, bis sie auf die Kolbenmulde treffen, wodurch weniger Zeit für eine Durchmischung des eingespritzten Kraftstoffs mit der Verbrennungsluft im Brennraum verbleibt. In der Folge treffen relativ große Kraftstofftropfen auf den Kolben, die ihrerseits unvollständiger verbrennen und dazu noch den Kolben abkühlen, sodass der Anteil von Ruß im Brennraum steigt. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene und ausgestaltete Ringnut kann diesem Nachteil wirksam entgegengetreten werden, da der durch die Verringerung des Brennraumvolumens und der damit einhergehenden Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses ansteigende Rußanteil durch den Strömungswirbel in der Ringnut wirksam verhindert werden kann, insbesondere durch die zuvor beschriebene Rußnachoxidation. Dementsprechend kann bei einem unveränderten Verdichtungsverhältnis der Rußausstoß mit der erfindungsgemäß vorgesehenen und ausgestalteten Ringnut noch deutlicher abgesenkt werden. Der zuvor genannte Strömungswirbel ist ein Wirbel, der sich im Bereich der Ringnut ausbildet. Dadurch wird bei der Verbrennung im Brennraum etwaig entstehender Ruß nachoxidiert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht des Kolbens gemäß 1;
3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht des Kolbens gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
4 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht eines Zylinderkopfes, eines Zylinders und des Kolbens gemäß 2.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 und 2 zeigen jeweils ausschnittsweise in einer schematischen Schnittansicht einen Kolben 10 für eine Hubkolbenmaschine eines Kraftfahrzeugs. Dies bedeutet, dass das vorzugsweise als Kraftwagen ausgebildete Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Hubkolbenmaschine umfasst, welche als Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise als Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Dabei ist das Kraftfahrzeug mittels der Hubkolbenmaschine antreibbar. Hierzu ist die Hubkolbenmaschine in ihrem befeuerten Betrieb betreibbar. Die Hubkolbenmaschine weist ein Gehäuseelement auf, welches beispielsweise als Kurbelgehäuse ausgebildet ist. Das Gehäuseelement bildet einen Zylinder 1 beziehungsweise weist wenigstens einen Zylinder 1 auf, welcher in radialer Richtung des Zylinders 1 nach außen hin durch eine Zylinderwand 2 begrenzt ist. Dabei ist der Kolben 10 translatorisch bewegbar in dem Zylinder 1 angeordnet, sodass sich der Kolben 10 relativ zu der Zylinderwand 2 zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) translatorisch hin- und herbewegen kann. Der Zylinder 1 beziehungsweise die Zylinderwand 2, ein Zylinderkopf 3 und der Kolben 10 begrenzen in bekannter Weise jeweils teilweise einen Brennraum 4 der Hubkolbenmaschine. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind der Zylinder 1 mit Zylinderwand 2, der Zylinderkopf 3 und der Brennraum 4 lediglich in 4 näher bezeichnet. Während des befeuerten Betriebs wird mittels eines dem Brennraum 4 zugeordneten, in den Figuren nicht näher dargestellten, Injektors ein Kraftstoff, insbesondere ein flüssiger Kraftstoff, direkt in den Brennraum 4 eingespritzt. Bei dem Kraftstoff handelt es sich beispielsweise um einen Dieselkraftstoff, sodass die Hubkolbenmaschine beispielsweise als ein Dieselmotor ausgebildet ist.
Der Kolben 10 weist dabei eine Kolbenkrone 12 mit einer vorliegend dem Fachmann als bekannte Omega-Mulde ausgebildeten Kolbenmulde 14 auf, welche von der Kolbenkrone 12 umschlossen, das heißt in den Kolben 10 eingebracht ist. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform des Kolbens 10. Der Kolben 10 ist dabei als ein Stufenkolben ausgebildet, sodass die Kolbenmulde 14 als eine Stufenmulde ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Kolbenmulde 14 genau eine Stufe 16 aufweist. Die Stufe 16 liegt in axialer Richtung des Kolbens 10 zwischen dem in axialer Richtung des Kolbens 10 tiefsten Punkt der Kolbenmulde 14 und der in axialer Richtung des Kolbens 10 äußersten, gedachten und senkrecht zur axialen Richtung des Kolbens 10 verlaufenden Ebene 18, in welcher die Kolbenkrone 12 angeordnet ist, verläuft beziehungsweise endet. Dabei ist die axiale Richtung des Kolbens 10 in 1 durch einen Doppelpfeil 20 veranschaulicht. Außerdem ist in 1 die Mittelachse des Kolbens 10 erkennbar und mit 22 bezeichnet. Die Kolbenkrone 12, die Kolbenmulde 14 und die Stufe 16 sind jeweils für sich alleine betrachtet bezüglich der Mittelachse 22 rotationssymmetrisch ausgebildet. Die axiale Richtung des Kolbens 10 fällt mit der Mittelachse 22 zusammen. Außerdem ist in 1 die radiale Richtung des Kolbens 10 durch einen Doppelpfeil 24 veranschaulicht, wobei die radiale Richtung senkrecht zur axialen Richtung verläuft.
Der Kolben 10 weist außerdem eine in der Kolbenkrone 12 ausgebildete und in radialer Richtung des Kolbens 10 nach außen hin auf die Kolbenmulde 14 und Kolbenstufe 16 folgende Ringnut 26 auf, deren Querschnitt Q eine Halbtropfenform H aufweist. Aus 1 und 2 ist erkennbar, dass die Halbtropfenform H eine auch als Konturierung bezeichnete Kontur ist oder aufweist, welche halbtropfenförmig ist. Somit ist der Querschnitt Q beziehungsweise die Ringnut 26 halbtropfenförmig ausgebildet. Die Ringnut 26 ist eine Ausnehmung, welche bei Betrachtung des Kolbens 10 alleine in eine parallel zur axialen Richtung des Kolbens 10 verlaufende und in 1, 2 und 3 durch einen Pfeil 28 veranschaulichte erste Richtung durch die Kolbenkrone 12, insbesondere durch einen Wandungsbereich der Kolbenkrone 12, begrenzt ist. In einer in 1 und 2 durch einen Pfeil 30 veranschaulichte, parallel zur axialen Richtung des Kolbens 10 verlaufende und der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung jedoch ist die Ausnehmung (Ringnut 26) bei alleiniger Betrachtung des Kolbens 10 unbegrenzt, das heißt offen beziehungsweise frei. Die Ringnut 26 verläuft beispielsweise in um die Mittelachse 22 verlaufender Umfangsrichtung des Kolbens 10 um und ist bezüglich der Mittelachse 22 rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Ringnut 26 weist eine in axialer Richtung des Kolbens 10 verlaufende Tiefe t auf, welche sich in axialer Richtung des Kolbens 10 von der Ebene 18 bis zu dem tiefsten Punkt der Ringnut 26 erstreckt. Außerdem ist in 1 mit Da der größte Außendurchmesser des Kolbens 10 bezeichnet. Dem Fachmann ist bekannt, dass ein Kolben für Verbrennungsmotoren keine rein zylindrische Form aufweist, sondern in der Regel eine leicht tonnenförmige Außenkontur aufweisen kann und/oder im Bereich der Kolbenringe eine Einschnürung aufweisen kann. Dabei beträgt beispielsweise die Tiefe t 1 Prozent bis 5 Prozent des Außendurchmessers Da.
Um nun einen besonders kraftstoffverbrauchs- und emissionsarmen Betrieb der Hubkolbenmaschine zu realisieren, weist die Halbtropfenform H - wie besonders gut aus 2 erkennbar ist - einen ersten Radius R1 und einen sich in radialer Richtung des Kolbens 10 nach außen hin direkt an den ersten Radius R1 anschließenden und gegenüber dem ersten Radius R1 größeren zweiten Radius R2 auf. Dies bedeutet, dass die zuvor genannte Konturierung die Radien R1 und R2 aufweist und dabei zumindest überwiegend, insbesondere ausschließlich, durch die Radien R1 und R2 gebildet ist. Unter dem Merkmal, dass die Radien R1 und R2 in radialer Richtung des Kolbens unmittelbar beziehungsweise direkt aneinander anschließen, ist insbesondere zu verstehen, dass in radialer Richtung des Kolbens 10 zwischen den Radien R1 und R2 kein anderer, weiterer Radius der Halbtropfenform H angeordnet ist. Der Radius R1 geht direkt in der Radius R2 über. Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform beträgt der erste Radius R1 1 Prozent bis 5 Prozent des Außendurchmessers Da des Kolbens 10 und der zweite Radius R2 5 Prozent bis 20 Prozent des Außendurchmessers Da des Kolbens 10. Ein Mittelpunkt M des ersten Radius R1 liegt im Bereich der in axialer Richtung des Kolbens äußersten, senkrecht zur axialen Richtung des Kolbens verlaufenden Ebene 18. 2 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Kolbens 10, wobei der Mittelpunkt M in der Ebene 18 liegt. Der Radius R1 und der Radius R2 gehen vorteilhafterweise sanft ineinander über.
Vorzugsweise endet die Halbtropfenform H in radialer Richtung des Kolbens 10 nach innen hin an einer Abrisskante 32, deren Radius vorzugsweise höchstens einen Millimeter beträgt. Vorzugsweise liegt der Radius der Abrisskante 32 in einem Bereich von einschließlich 0,1 Millimeter bis einschließlich 0,2 Millimeter. Die Abrisskante 32 ist eine rotationssymmetrisch um die Mittelachse 22 umlaufende Kante in der Ebene 18 bzw. der Kolbenkrone 12, die einen Innendurchmesser Di der Ringnut 26 definiert.
Vorzugsweise beträgt der Innendurchmesser Di der Ringnut 26 70 Prozent bis 90 Prozent des Außendurchmessers Da des Kolbens 10. Des Weiteren beträgt die Breite Db der Ringnut 26 3 Prozent bis 12 Prozent des Außendurchmessers Da des Kolbens 10.
Des Weiteren beträgt vorzugsweise ein in radialer Richtung des Kolbens 10 verlaufender Abstand zwischen der Abrisskante 32 und der in radialer Richtung äußersten und auf dem Außendurchmesser Da verlaufenden äußersten Kante 34 des Kolbens 10 6 Prozent bis 10 Prozent des auch als Kolbenaußendurchmesser bezeichneten Außendurchmessers Da des Kolbens 10. Die äußerste Kante 34 des Kolbens 10 bezeichnet den Bereich am äußersten Ende der Kolbenkrone 12 des Kolbens 10 zum Zylinder 1 hin.
Um eine besonders laminare Strömung im Brennraum, insbesondere in einem an sich bekannten Quetschspalt zwischen der Kolbenkrone 12 und dem Zylinderkopf 3 bei einer translatorischen Bewegung des Kolbens 10 aus seinem oberen Totpunkt (OT) in seinem unteren Totpunkt (UT) zu erreichen, weist ein Übergang zwischen der Kolbenstufe 16 und der Kolbenkrone einen Radius R3 auf, der in einem Bereich zwischen 1,5 Prozent und 10 Prozent des Außendurchmessers Da des Kolbens 10 liegt. An den Radius R3 kann sich ein horizontaler Abschnitt Ho der Kolbenkrone 12 bis zur Abrisskante 32 anschließen. Die Breite des horizontalen Abschnitts Ho kann zwischen 1 Prozent bis 5 Prozent des Außendurchmessers Da des Kolbens 10 betragen
Eine alternative Ausführung des erfindungsgemäßen Kolbens 10 zeigt 3. Anstelle des horizontalen Abschnitt Ho schließt sich an den Radius R3 ein weiterer Radius R4 bis zur Abrisskante 32 an. Der Radius R4 beträgt 4 Prozent bis 20 Prozent des Außendurchmessers Da des Kolbens 10.
Mittels der Ringnut 26 kann ein besonders vorteilhafter Wirbel erzeugt werden, der Ruß, der bei dem jeweiligen Verbrennungsvorgang entstehen kann, wird von der relativ kalten Zylinderwand wegbewegt und in heiße und sauerstoffreiche Zonen geführt. In diesen Zonen kann der Ruß vorteilhaft nachoxidiert werden, sodass insbesondere übermäßige Rußemissionen der Hubkolbenmaschine vermieden werden können. Durch die vorteilhafte Rußnachoxidation kann ein besonders großes Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine realisiert werden, sodass eine besonders effektive und effiziente Verbrennung realisierbar ist. In der Folge kann der Kraftstoffverbrauch der Hubkolbenmaschine besonders geringgehalten werden.
Da die Ringnut 26 halbtropfenförmig ausgebildet ist, weist die Ringnut 26 eine halbtropfenförmige Kontur auf, welche die Radien R1 und R2 umfasst. Bewegt sich der Kolben 10 von seinem oberen Totpunkt (OT) in Richtung seines unteren Totpunkts (UT), wird insbesondere im Bereich der Abrisskante 32 eine ursprünglich horizontale Strömung in eine zumindest im Wesentlichen kreisförmige Strömung umgewandelt oder umgelenkt, wodurch beispielsweise die sogenannte Karman'sche Wirbelstraße entsteht. In 4 ist schematisch eine solche Strömung S durch drei Pfeile dargestellt. Neben weiteren, nicht dargestellten Strömungen im Brennraum 4 bildet sich die Strömung S im Wesentlichen durch eine, an sich bekannte, inverse Quetschspaltströmung zwischen dem Zylinderkopf 3 und dem Kolben 10, insbesondere der Kolbenkrone 12 des Kolbens 10 aus. Die inverse Quetschspaltströmung ist im Wesentlichen aus der Richtung der Mittelachse 22 des Kolbens 10 radial nach außen in Richtung des Zylinders 1 bzw. der Zylinderwand 2 gerichtet. Bei einer Bewegung des Kolbens 10 vom seinem unteren Totpunkt (UT) in Richtung seines oberen Totpunkts (OT) bildet sich die an sich bekannte Quetschspaltströmung aus, wobei sich eine Strömung ausbildet, die sich im Wesentlichen entgegengesetzt zur inversen Quetschspaltströmung aus Richtung des Zylinders 1 in Richtung der Mittelachse 22 des Kolbens 10 bewegt. Durch die inverse Quetschspaltströmung wird die zunächst horizontale Strömung zumindest teilweise an der Abrisskante 32 in Richtung der Ringnut 26 gelenkt. Auf Grund den von der Strömung S aus gesehenen insgesamt konvex geformten Radien R1 und R2 erfolgt eine sanfte Umlenkung der Strömung S in der Ringnut 26 in Richtung der Mitte des Kolbens 10, so dass im Wesentlichen ein Abprallen der Strömung S in alle Richtungen von der Ringnut 26 vermieden werden kann, wodurch sich ein Strömungswirbel im Wesentlichen in Form eines Torus in der Ringnut bildet. Durch diese Strömungsumlenkung oder -umkehrung, ähnlich einem Totwassergebiet, entsteht ein Strömungswirbel, der noch nicht nachoxidierte Rußpartikel mit sauerstoffreicher Luft durchmischt und so eine Nachoxidation der Rußpartikel ermöglicht. Des Weiteren wird zumindest teilweise der Transport von Ruß durch die inverse Quetschspaltströmung zum Zylinder 1 verhindert. Bis auf die vorzugsweise scharfe, auch als Strömungsabrisskante bezeichnete Abrisskante 32 weist die Halbtropfenform H keine scharfe Kante auf, um eine unerwünschte Drosselung der Strömung und eine unerwünschte Behinderung der Wirbelbildung zu vermeiden.
Die Ringnut 26 kann vollständig und somit unterbrechungsfrei in der Kolbenkrone 16 ausgebildet sein.
Es ist auch denkbar, dass die Ringnut 26 Unterbrechungen aufweist, so dass die Ringnut 26 je nach Anzahl der Unterbrechungen in entsprechender Anzahl von Abschnitten um die Mittelachse 22 des Kolbens 10 in der Kolbenkrone 12 verläuft. Beispielsweise können vorgesehene Ventiltaschen für Auslassventile und/oder Einlassventile in der Kolbenkrone 12 die Ringnut 26 zumindest teilweise unterbrechen. Die Ausführung von Ventiltaschen in Kolben ist dem Fachmann an sich bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird und Ventiltaschen nicht in den Figuren darstellt sind. Ventiltaschen sind bei einem Kolben gemäß dem vorliegenden Kolben 10 als Ausnehmungen in der Kolbenkrone 12 ausgebildet, welche bei Betrachtung des Kolbens 10 alleine in eine parallel zur axialen Richtung des Kolbens 10 verlaufende und in 1, und 2 und 3 durch einen Pfeil 28 veranschaulichte erste Richtung durch die Kolbenkrone 12, insbesondere durch einen Wandungsbereich der Kolbenkrone 12, begrenzt sind. Damit kann die Ringnut 26 im Bereich der Ventiltaschen teilweise oder vollständig unterbrochen sein, so dass die Ringnut 26 je nach Anzahl der Ventiltaschen in entsprechenden Abschnitten um die Mittelachse 22 des Kolbens 10 in der Kolbenkrone 12 verläuft. Die Ringnut 26 ist vollständig unterbrochen, wenn eine Tiefe einer Ventiltasche oder einer anderen Unterbrechung größer ist als die Tiefe t der Ringnut 26.
Die oben genannten Unterbrechungen der Ringnut 26, insbesondere durch Ventiltaschen, haben keinen wesentlichen Einfluss auf das Erzeugen des vorteilhaften Strömungswirbels im Bereich der jeweiligen Abschnitte der Ringnut 26.
Bezugszeichenliste

1: Zylinder
2: Zylinderwand
3: Zylinderkopf
4: Brennraum
10: Kolben
12: Kolbenkrone
14: Kolbenmulde
16: Stufe
18: Ebene
20: Doppelpfeil
22: Mittelachse
24: Doppelpfeil
26: Ringnut
28: Pfeil
30: Pfeil
32: Abrisskante
34: Kante
Da: Außendurchmesser
Di: Innendurchmesser
B: Breite der Ringnut
Ho: Horizontaler Abschnitt
H: Halbtropfenform
Q: Querschnitt
R1: erster Radius
R2: zweiter Radius
R3: dritter Radius
R4: vierter Radius
M: Mittelpunkt
S: Strömung
t: Tiefe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016112538 A1 [0002]
FR 2861136 A1 [0003]

Claims

Kolben (10) für eine Hubkolbenmaschine, mit einer Kolbenkrone (12) und mit einer Kolbenmulde (14), und mit einer in der Kolbenkrone (12) ausgebildeten und in radialer Richtung (24) des Kolbens (10) nach außen auf die Kolbenmulde (14) folgenden Ringnut (26), deren Querschnitt (26) eine Halbtropfenform (H) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbtropfenform (H) einen ersten Radius (R1) und einen sich in radialer Richtung (24) des Kolbens (10) nach außen hin direkt an den ersten Radius (R1) anschließenden und gegenüber dem ersten Radius (R1) größeren zweiten Radius (R2) aufweist.
Kolben (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt (M) des ersten Radius (R1) im Bereich, insbesondere in, der in axialer Richtung (20) des Kolbens (20) äußersten, senkrecht zur axialen Richtung (20) des Kolbens (10) verlaufenden Ebene (18) liegt, in welcher der Kolbenkrone (12) angeordnet ist.
Kolben (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Radius (R1) 1 Prozent bis 5 Prozent eines Außendurchmessers (Da) des Kolbens 10 beträgt und der zweite Radius (R2) 5 Prozent bis 20 Prozent eines Außendurchmessers (Da) des Kolbens 10 beträgt.
Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (26) einen Innendurchmesser (Di) aufweist, welcher 70 Prozent bis 90 Prozent des Außendurchmessers (Da) des Kolbens (10) beträgt.
Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbtropfenform (H) in radialer Richtung (24) des Kolbens (10) nach innen hin an einer Abrisskante (32) endet.
Kolben (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrisskante (32) einen Radius von höchstens 1 Millimeter, insbesondere einem Bereich von einschließlich 0,1 Millimeter bis einschließlich 0,2 Millimeter, aufweist.
Kolben (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein in radialer Richtung (24) des Kolbens (10) verlaufender Abstand zwischen der Abrisskante (32) und der in radialer Richtung (24) äußersten Kante (34) des Kolbens (10) in einem Bereich von einschließlich 6 Prozent bis einschließlich 10 Prozent des Außendurchmessers (Da), insbesondere des größten Außendurchmessers (Da), des Kolbens (10) liegt.
Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (Db) der Ringnut (26) 3 Prozent bis 12 Prozent des Außendurchmessers (Da) des Kolbens (10) beträgt.
Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) als ein Stufenkolben ausgebildet ist, wodurch die Kolbenmulde (14) wenigstens oder genau eine Stufe (16) aufweist.
Hubkolbenmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Zylinder, und mit wenigstens einem translatorisch bewegbar in dem Zylinder aufgenommenen Kolben (10), welcher eine Kolbenkrone (12) mit einer Kolbenmulde (14) und eine in der Kolbenkrone (12) ausgebildete und in radialer Richtung (24) des Kolbens (10) nach außen auf die Kolbenmulde (14) folgende Ringnut (26) aufweist, deren Querschnitt (Q) eine Halbtropfenform (H) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbtropfenform (H) einen ersten Radius (R1) und einen sich in radialer Richtung (24) des Kolbens (10) nach außen hin direkt an den ersten Radius (R1) anschließenden und gegenüber dem ersten Radius (R1) größeren zweiten Radius (R2) aufweist.