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Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere Stahlkolben, für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenboden und einer an einen Kolbenbodenrand des Kolbenbodens anschließenden Ringpartie, welche einen Feuersteg, zumindest eine Kompressionsringnut und zumindest einer Ölabstreifringnut aufweist, wobei die Kompressionsringnut zwischen dem Kolbenbodenrand und dem Ölabstreifring angeordnet ist. Weiters betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kolben, sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschine.
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Stahlkolben werden insbesondere bei Fahrzeugmotoren zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades eingesetzt und ermöglichen hohe Leistungen und geringe Emissionen bei geringerem Kraftstoffverbrauch. Stahlkolben werden im Motorbetrieb auf Grund ihrer geringeren Wärmeleitfähigkeit heißer als Aluminiumkolben, weshalb dem Temperaturmanagement des Kolbens eine große Bedeutung zukommt. Durch die im Vergleich zu Aluminiumkolben geringere Materialausdehnung lassen sich geringe Reibungsverluste erzielen. Allerdings kann Restgas, welches sich im Bereich der Ringpartie ansammelt, zu verschleppter Verbrennung führen. In bestimmten Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine können die Voraussetzungen zum Erreichen einer kurzen Brenndauer nur schwer erreicht werden.
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Aus der
DE 10 2006 056 011 A1 ist ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, in dem ein radial umlaufender, zum Kolbenboden des Kolbens beabstandeter Kühlkanal integriert ist. Über Einspritzdüsen wird ein Kühlmittel in einem freien Strahl in Eintrittsöffnungen eingespritzt. Das Kühlmittel durchströmt den geteilt gestalteten Kühlkanal im Gleichstrom und verlässt den Kolben durch getrennte Austrittsöffnungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Kolben der eingangs genannten optimale Verbrennungsabläufe mit kurzer Brenndauer zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Kolben zumindest eine Restgaskammer aufweist, von der zumindest ein vorzugsweise gebohrter Düsenkanal ausgeht, welcher auf einer einem Kolbenbolzenlager abgewandten ersten Seite einer normal auf die Kolbenachse ausgebildeten Bezugsebene, die durch die Kompressionsring verläuft, an die Kolbenoberfläche führt.
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Die Restgaskammer und der Düsenkanal bilden eine Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung und haben die Funktion, verschleppte Verbrennung zu vermeiden und die Verbrennung zu beschleunigen.
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Im Detail hat die Restgaskammer die Funktion heißes Restgas nach dem Zünden während eines ersten Arbeitstaktes zu speichern, weiter zu erhitzen und in einem folgenden Arbeitszyklus an einer Heißstelle eine Zündung des am heißen Restgas erwärmten Frischgases, welches im Kompressionstakt der Restgaskammer zugeführt wurde, einzuleiten.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kolben zumindest eine Kühlgalerie mit zumindest einem Kühlkanal aufweist, welcher im Bereich der Restgaskammer angeordnet ist, wobei der Kühlkanal kurbelraumseitig zumindest einen Eintritt aufweist. Für die Versorgung der Kühlgalerie kann pro Eintritt eine Kühldüse im Zylinder oder im Kurbelraum vorgesehen sein, wobei vorzugsweise zumindest eine Kühldüse fluchtend mit dem Eintritt angeordnet ist.
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Mittels des Kühlkanals kann die Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung indirekt geschalten, also thermisch aktiviert oder deaktiviert werden, indem die Restgaskammer erwärmt oder abgekühlt wird. Ein Abkühlen der Restgaskammer bewirkt, dass die Temperatur unter eine notwendige Reaktionstemperatur gesenkt wird.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der Kühlkanal schaltbar ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Kühldüse durch ein Schaltorgan schaltbar ausgebildet ist, wobei in einer ersten Stellung des Schaltorgans der Kühlmitteldurchfluss durch die Kühldüse freigegeben und in einer zweiten Stellung des Schaltorgans gesperrt wird. Die erste Stellung des Schaltorgans kann dabei einem ersten Betriebsbereich und die zweite Stellung des Schaltorgans einem zweiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine zugeordnet sein.
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In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Düsenkanal im Bereich des Kolbenbodens an die Kolbenoberfläche führt. Zumindest eine Restgaskammer kann dabei im Bereich des Kolbenbodens angeordnet sein.
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Dies ermöglicht es, die Zündung des Restgases-in einem kolbenmuldennahen Bereich des Brennraumes einzuleiten, beziehungsweise zu unterdrücken. Der Düsenkanal ist dabei vorteilhaft parallel zur Kolbenachse oder parallel zur Bezugsebene ausgebildet oder unter einem Winkel zwischen 30° und 90°, vorzugsweise zwischen 45° und 75°, insbesondere 60° zur Bezugsebene geneigt angeordnet sein.
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In weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Düsenkanal im Bereich des Kolbenrandes oder im Bereich des Feuerstegs an die Kolbenoberfläche geleitet wird. Die Restgaskammer kann dabei nahe dem Bereich des Kolbenrandes oder im Bereich der Ringpartie, vorzugsweise im Bereich des Feuerstegs, angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist zumindest eine Restgaskammer ringsegmentförmig oder ringförmig ausgebildet ist.
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Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere voneinander getrennte Restgaskammern, vorzugsweise gleichmäßig um den Umfang des Kolbens verteilt angeordnet sind. Vorzugsweise können von zumindest einer Restgaskammer mehrere Düsenkanäle ausgehen. Die Düsenkanäle sind dabei beispielsweise radial in Bezug zur Kolbenachse angeordnet.
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Somit kann heißes Restgas, welches sich in einer Randzone des Kolbens ansammelt, mit zugemischter Frischluft zünden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den nicht einschränkenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer ersten Ausführungsvariante in einer axonometrischen Ansicht;
- 2 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in 6;
- 3 das Detail III aus 2;
- 4 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer dritten Ausführungsvariante in einer Detaildarstellung analog zu 3;
- 5 den Kolben aus 1 in einer Detaildarstellung analog zu 3;
- 6 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Variante der in 4 dargestellten Ausführung, in einem Schnitt gemäß der Linie VI-VI in 4;
- 7 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Variante der in 4 dargestellten Ausführung, in einem Schnitt analog zu 6; und
- 8 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer Variante der in 4 dargestellten Ausführung, in einem Schnitt analog zu 6.
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Gleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 bis 6 zeigen jeweils einen als Stahlkolben ausgebildeten Kolben 1 für eine nicht weiter dargestellte Brennkraftmaschine, welcher einen Kolbenmantel 2 mit einer Ringpartie 3 und an einer Stirnseite einen brennraumseitigen Kolbenboden 4 aufweist. Zwischen dem Kolbenboden 4 und dem Feuersteg 7 der Ringpartie 3 ist der Kolbenbodenrand 41 ausgebildet. Die Ringpartie 3 weist im Beispiel zwei Kompressionsringnuten 5 zur Aufnahme jeweils eines nicht dargestellten Kompressionsringes und eine Ölabstreifringnut 6 zur Aufnahme eines nicht weiter dargestellten Ölabstreifringes auf.
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Zur Aufnahme eines nicht weiter dargestellten Kolbenbolzens weist der Kolben 1 ein Kolbenbolzenlager 8 auf, dessen Längsachse mit Bezugszeichen 8a bezeichnet ist. Die Längsachse 8a des Kolbenbolzenlagers 8 fällt mit der Kolbenbolzenachse bzw. der Pleuelschwenkachse des Kolbens 1 zusammen. Eine zur Kolbenachse 1a normale Bezugsebene ε verläuft durch die an den Feuersteg 7 grenzende obere Kompressionsringnut 5.
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Der Kolben 1 weist eine Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung 9 auf, wobei die Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung 9 zumindest eine Restgaskammer 10 aufweist, von welcher mindestens ein Düsenkanal 11 ausgeht, der an der Kolbenoberfläche 40 mündet. Die Mündung 11a des Düsenkanals 11 an der Kolbenoberfläche 40 befindet sich jeweils auf einer dem Kolbenboden 4 zugewandten bzw. dem Kolbenbolzenlager 8 abgewandten Seite einer normal auf die Kolbenachse 1a ausgebildeten Bezugsebene ε, die durch die an den Feuersteg 7 grenzende erste Kompressionsringnut 5 verläuft. Der Düsenkanal 11 bildet eine Strömungsverbindung zwischen der Restgaskammer 10 und der an den Brennraum grenzenden Kolbenoberfläche 40. Die Restgaskammern 10 bilden Rückhalteräume zum temporären Speichern des Restgases aus.
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Bei den in 1 und 5 dargestellten Ausführungsvarianten enden die Düsenkanäle 11 im Bereich des Kolbenbodens 4 an der Kolbenoberfläche 40. Im Bereich der Mündungen 11a der Düsenkanäle 11 ist eine kraterförmige Einformung 11b vorgesehen. Durch die Einformung 11b mündet der unter einem Winkel γ zwischen 30° und 90°, vorzugsweise zwischen 45° und 75°, insbesondere 60° zur Bezugsebene ε geneigt ausgebildete Düsenkanal 11 unter einer annähernd 90°-Abrisskante an der Kolbenoberfläche 40. Dadurch wird einerseits vermieden, dass sich ein Brennstrahl am Kolbenboden 4 anlegt und diesen zusätzlich aufheizt. Andererseits kann am Übergang zwischen Düsenkanal 11 und Kolbenoberfläche 40 auf der gegenüberliegenden Seite keine schneidenartige scharfe Kante entstehen, die eventuell thermisch überfordert werden und abbrennen könnte.
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Die 2 und 3 zeigen eine Ausführungsvariante, bei denen die Düsenkanäle 11 im Bereich des Kolbenrandes 41 bzw. im Bereich der Kolbenbodens 4 an die Kolbenoberfläche 40 führt. Die Düsenkanäle 11 gehen dabei in einer Richtung parallel zur Kolbenachse 1a von zumindest einer im Bereich des Feuersteges 7 angeordneten Restgaskammer 10 aus.
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In den 4 und 6 bis 8 sind Ausführungsvarianten gezeigt, bei denen von den im Bereich des Feuersteges 7 angeordneten Restgaskammern 10 Düsenkanäle 11 ausgehen, die parallel zur Bezugsebene ε ausgebildet sind.
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6 zeigt dabei eine Variante, bei der eine Vielzahl - im dargestellten Beispiel acht - Restgaskammern 10 getrennt voneinander und gleichmäßig in Umfangsrichtung des Kolbens 1 im Bereich des Feuerstegs 7 angeordnet sind. Jede Restgaskammer 10 weist im Wesentlichen die Form eines Ringsegmentes auf. Pro Restgaskammer 10 ist hier ein Düsenkanal 11 vorgesehen, welcher - bezogen auf die Kolbenachse 1a - radial nach außen von der Restgaskammer 10 ausgeht und in einer Richtung parallel zur Bezugsebene ε im Bereich des Feuerstegs 7 oberhalb der ersten Kompressionsringnut 5 an der Kolbenoberfläche 40 endet.
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7 zeigt eine Variante mit einer einzigen ringförmigen Restgaskammer 10, welche sich um den gesamten Umfang um die Kolbenachse 1a erstreckt. Von dieser ringförmigen Restgaskammer 10 gehen mehrere - im gezeigten Ausführungsbeispiel acht - Düsenkanäle 11 aus und münden im Bereich des Feuerstegs 7 an der Kolbenoberfläche 40.
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In 8 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei der zwei Gruppen A, B von Restgaskammern 10 vorgesehen sind. Die erste Gruppe A weist symmetrisch bezüglich der ersten Ebene ε1 und zweiten Ebene ε2 angeordnete ringsegmentförmige Restgaskammern 10 auf, die sich über einen Winkel α unter 30°, hier etwa 20°, erstrecken und von denen jeweils ein einziger Düsenkanal 11 - bezogen auf die Kolbenachse 1a - in radialer Richtung parallel zur Bezugsebene ε ausgeht und an der Kolbenoberfläche 40 des Feuerstegs 7 endet. Die zweite Gruppe B weist symmetrisch bezüglich der der ersten Ebene ε1 und zweiten Ebene ε2 angeordnete ringsegmentförmige Restgaskammern 10 auf, die sich über einen Winkel ß von über 90°, hier etwa 110°, erstrecken. Von den Restgaskammern 10 der zweiten Gruppe B gehen jeweils mehrere - im gezeigten Beispiel drei - Düsenkanäle 11 in radialer Richtung - bezogen auf die Kolbenachse 1a und parallel zur Bezugsebene ε aus und enden an der Kolbenoberfläche 40 des Feuerstegs 7 oberhalb der ersten Kompressionsringnut 5.
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In den in den 2 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispielen ist im Bereich des Kolbenbodens 4 in einer normal auf die Kolbenachse 1a ausgebildeten Kühlebene 12a der Kühlkanalanordnung 12 eine erste Kühlgalerie 13 und eine zweiten Kühlgalerie 14 angeordnet. Die erste 13 und die zweite Kühlgalerie 14 können aber auch axial versetzt zueinander im Kolben 1 angeordnet sein. Weiters kann der Kolben 1 auch ohne der zweiten Kühlgalerie 14 ausgebildet sein. Für die erfindungsgemäße indirekte Steuerung der Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung 8 ist nur eine einzige steuerbare Kühlgalerie 13 erforderlich. Der Abstand a zwischen der ersten Kühlgalerie 13 und der Restgaskammer 10 beträgt bei Stahlkolben vorteilhafterweise zwischen 1 mm und 3 mm.
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Im Ausführungsbeispiel schneidet die Kühlebene 12a den Feuersteg 7 und verläuft durch die Restgaskammern 10. Die erste Kühlgalerie 13 weist im Ausführungsbeispiel einen kreisringförmigen ersten Kühlkanal 131 auf, welcher sich um den vollen Umfang um die Kolbenachse 1a erstreckt. Die zweite Kühlgalerie 14 weist einen kreisringförmigen zweiten Kühlkanal 141 auf, welcher sich ebenfalls um den vollen Umfang erstreckt.
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Insbesondere bei nicht eben geformter brennraumseitiger Kolbenoberfläche 40 kann es vorteilhaft sein, wenn die Kühlkanäle 131, 141 nicht in einer normal auf die Kolbenachse 1a ausgebildeten Kühlebene 12a, sondern entlang einer Fläche ausgebildet sind, welche der brennraumseitigen Kolbenoberfläche 40 nachgeformt ist.
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Die erste Kühlgalerie 13 weist im Ausführungsbeispiel zwei erste Eintritte 132 und zwei erste Austritte 133 auf. Die zweite Kühlgalerie 14 ist ebenfalls mit zwei zweiten Eintritten 142 und zwei Austritten 143 versehen. Die zwei ersten Eintritte 132 und die zwei zweiten Eintritte 142 sind im Bereich einer die Kolbenachse 1a beinhaltenden und normal auf die Längsachse 8a des Kolbenbolzenlagers 8 ausgebildeten ersten Ebene ε1 angeordnet. Die zwei ersten Eintritte 132 sind dabei diametral bezüglich der Kolbenachse 1a und symmetrisch zu einer durch die Kolbenachse 1a und die Längsachse 8a des Kolbenbolzenlagers 8 aufgespannten zweiten Ebene ε2 angeordnet. Analog dazu sind die zwei zweiten Eintritte 142 diametral bezüglich der Kolbenachse 1a und symmetrisch in Bezug auf die zweite Ebene ε2 in der ersten Ebene ε1 angeordnet. Jeder erste Eintritt 132 weist einen im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse 1a ausgebildeten und mit dem ersten Kühlkanal 131 strömungsverbundenen ersten Eintrittskanal 134 auf Jeder zweite zweiter Eintritt 142 weist einen im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse 1a ausgebildeten und mit dem zweiten Kühlkanal 141 strömungsverbundenen zweiten Eintrittskanal 144 auf. Die ersten Eintrittskanäle 134 und zweiten Eintrittskanäle 144 sind nach unten - bei in die Brennkraftmaschine eingebautem Kolben 1 also in Richtung des Kurbelraumes 15 - offen ausgebildet und weisen jeweils eine erste Eintrittsöffnung 135 bzw. zweite 145 auf (2).
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Die ersten Austritte 133 und die zweiten Austritte 143 sind im Bereich der zweiten Ebene ε2 angeordnet. Die beiden ersten Austritte 133 einerseits und die beiden zweiten Austritte 143 andererseits sind diametral bezüglich der Kolbenachse 1a angeordnet. Jeweils ein erster Austritt 133 und ein zweiter Austritt 143 münden in einen gemeinsamen Drainageschacht 16 des Kolbens 1 ein, dessen Schachtachse 16a im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zur Kolbenachse 1a verläuft. Der Drainageschacht 16 ist nach unten - also in Richtung des Kurbelraumes 15 - offen ausgebildet. Die Austrittsöffnung 17 des Drainageschachtes 16 befindet sich im Ausführungsbeispiel im Bereich des Kolbenbolzenlagers 8.
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In 2 sind erste Kühldüsen 18 und zweite Kühldüsen 19 angedeutet, welche im nicht dargestellten Zylindergehäuse oder im Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Jede Kühldüse 18, 19 ist einem Eintrittskanal 134, 144 zugeordnet. Die Spritzachsen 18a, 19a der Kühldüsen 18, 19 sind parallel zur Kolbenachse 1a und fluchtend mit der Kanalachse 134a, 144a des jeweiligen Eintrittskanal 134, 144 ausgebildet, so dass das Kühlmedium - in der Regel Motoröl - in die in Richtung des Kurbelraumes 15 offenen Eintrittskanäle 134, 144 gespritzt wird. Im Ausführungsbeispiel sind zumindest die ersten Kühldüsen 18 schaltbar ausgebildet, sodass einerseits die Kühlung des Kolbens 1 an den jeweiligen Bedarf, beispielsweise in Abhängigkeit des Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine, angepasst werden kann, und andererseits die Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung 9 aktiviert oder deaktiviert werden kann. Zumindest ein erster Kühlkanal 13 ist schaltbar ausgeführt. Die entsprechenden Schaltorgange zum Sperren oder Freigeben des Kühlmittelstromes durch den ersten Kühlkanal sind in 2 mit Bezugszeichen 20 bezeichnet.
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Mittels des Schaltorganes 20 wird der Kühlmittelstrom in der ersten Kühldüse 18 gesteuert, und dadurch indirekt die Verbrennungsbeschleunigungseinrichtung 9 thermisch aktiviert oder deaktiviert, indem das in den Restgaskammern 10 enthaltene Restgas abwechselnd erwärmt oder abgekühlt wird. Ein Abkühlen der Restgaskammer 10 bewirkt, dass die Restgas-temperatur unter eine notwendige Reaktionstemperatur gesenkt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006056011 A1 [0003]
