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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor und insbesondere einen Kolben mit einem verbesserten radialen Lippenprofil für verbesserte Emissionen, verbesserte Effizienz und höhere Leistungsabgabe.
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HINTERGRUND
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Dieser Abschnitt stellt Hintergrundinformationen bezogen auf die vorliegende Offenbarung bereit, bei denen es sich nicht notwendigerweise um Stand der Technik handelt.
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Es ist in der Technik in Bezug auf Dieselmotoren bekannt, dass Regierungsemissionsverordnungen Verbesserungen im Motordesign erfordern, um Emissionen zu verringern, um diese Verordnungen zu erfüllen oder zu übertreffen. Beispielsweise könnten verstärkte Luftsystemkonstruktionen höhere Raten von gekühlter AGR (Abgasrückführung) bereitstellen, um dadurch NOx-Emissionen zu verringern, während verstärkte Kraftstoffeinspritzsysteme die unvermeidbaren höheren Rußemissionen verringern könnten, die sich aus der Verwendung höherer EGR-Raten ergeben würden. Ruß- und NOx-Emissionsnachbehandlungssysteme könnten ebenfalls Emissionen von Dieselmotoren verringern. Abgasnachbehandlungssysteme können jedoch kostspielig sein und sind daher nicht das wünschenswerteste Mittel zum Erzielen von Emissionsverringerungen.
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Im Gegensatz dazu könnten Fortschritte bei der Auslegung des Verbrennungssystems Emissionen verringern, während der Bedarf an kostspieligen und unbewiesenen Nachbehandlungssystemen für Dieselabgas minimiert wird. Ferner werden Kraftstoffeinsparung, Abgasemissionen und Leistung von Dieselverbrennungssystemen stark durch die Auslegung des Kolbens des Motors, sowie auch durch die Wahl von Kraftstoffeinspritz- und Luftbehandlungsgeräten (e.g., Turbolader, AGR-System usw.) beeinflusst. Daher könnten Verbesserungen bei der Gestaltung von Dieselmotorkolben vorteilhafterweise zu niedrigeren Emissionen ohne signifikante Kostensteigerungen führen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung des vollen Umfangs oder aller Merkmale.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Dieselmotor-Verbrennungsmuldenkonstruktion bereit, die eine verstärkte Durchmischung von Verbrennungsprodukten mit in dem Zylinder verfügbaren Luftüberschuss ermöglicht, wobei gleichzeitig Ruß- und NOx-Emissionen verringert werden. Genauer gesagt stellt die vorliegende Erfindung einen Kolben mit einer verbesserten abgestuften Muldenkonstruktion bereit. Die verbesserte abgestufte Muldenkonstruktion führt zu einer Verringerung in der Erzeugung von NOx-Gasen. Die vorliegende Offenbarung erzielt ebenfalls auch überlegene Ausgleiche von Ruß (d.h. Partikelmaterial; PM) gegenüber NOx-Emissionen und Kraftstoffverbrauch gegenüber NOx-Emissionen.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Kolben einen Kolbenkörper mit einer allgemein planaren Krone und einer sich von der Krone erstreckten Seitenwand. Eine abgestufte Verbrennungsmulde ist in der Krone ausgespart, wobei die abgestufte Verbrennungsmulde eine äußere Mulde umfasst, die relativ zu der Krone ausgespart ist und eine allgemein planare ringförmige Bodenfläche definiert, die abgestufte Verbrennungsmulde eine innere Mulde umfasst, die relativ zu der äußeren Mulde ausgespart ist, die innere Mulde eine Seitenwand aufweist, die sich kontinuierlich nach innen von der äußeren Mulde zu einer Bodenfläche der inneren Mulde neigt, und mehrere hervorstehende Lippen, die sich von der Seitenwand in Richtung einer Mittelachse des Kolbenkörpers erstrecken.
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Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung wer-den sich aus der hier nachstehend bereitgestellten Beschreibung ergeben. Es sei zu verstehen, dass die ausführliche Be-schreibung und die spezifischen Beispiele lediglich zu Zwecken der Veranschaulichung bestimmt sind und nicht bestimmt sind, den Umfang der Offenbarung einzuschränken.
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Figurenliste
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Die hier beschriebenen Zeichnungen sind lediglich für veranschaulichende Zwecke von ausgewählten Ausführungsformen und nicht für alle möglichen Implementierungen und sind nicht bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
- 1 ist eine Perspektivansicht des Kolbens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung:
- 2 ist eine obere Draufsicht des in 1 gezeigten Kolbens;
- 3 ist ein Querschnitt des Kolbens, der entlang der Linie 3-3 von 2 genommen ist;
- 4 ist ein Querschnitt des radialen Lippenprofils des Kolbens, die entlang der Linie 4-4 von 2 genommen ist; und
- 5 ist eine Querschnitt des radialen Lippenprofils des Kolbens, die entlang der Linie 5-5 von 2 genommen ist.
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Entsprechende Bezugszeichen geben entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen an.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es werden nun beispielhafte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
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Es werden beispielhafte Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können, und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung beschränkt. In manchen beispielhaften Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
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Die hier verwendete Terminologie dient lediglich der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hier verwendet, sind die Singularformen „ein“ und „der/die/das“ bestimmt, auch die Pluralformen zu umfassen, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhaltend“ und „aufweisend“ sind inklusiv und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Bauteile an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von weiteren Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritten, Vorgängen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen hiervon aus. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern diese nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem zu verstehen, dass zusätzliche oder alternative Schritte benutzt werden können.
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Wenn ein Element oder eine Ebene als „an/auf“, „in Verbindung mit“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“, oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben werden, können sie direkt an/auf, in Eingriff mit, verbunden oder gekoppelt sein mit dem anderen Element oder der Schicht, oder es können zwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird ein Element im Gegensatz dazu als „direkt an/auf“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ anderen Elementen oder Ebenen beschrieben, sind ggf. keine zwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
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Raumbezogene Begriffe, wie „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur einfachen Beschreibung der Beziehung von einem Element oder Merkmal zu einem anderen Element(en) oder Merkmal(en), wie in den Figuren veranschaulicht, verwendet werden. Räumlich relative Begriffe können bestimmt sein, unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren dargestellten Orientierung zu umspannen. Wird beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht, würden Elemente, die als „unterhalb“ von oder „unter“ anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben werden, dann „oberhalb“ anderer Elemente oder Merkmalen ausgerichtet sein. Daher kann der Beispielbegriff „unterhalb“ sowohl eine Orientierung von oberhalb als auch von unterhalb beinhalten. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in andere Orientierungen) und die hier verwendeten räumlich bezogenen Deskriptoren können dementsprechend interpretiert werden.
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Mit Bezugnahme auf 1 wird ein Kolben 10 gezeigt, der einen Kolbenkörper 12 mit einer Krone 14 und einen Ringgürtel 16 umfasst, der sich von der Krone 14 erstreckt. Die Ringgürtel 16 kann eine oder mehrere Kolbenringnuten (nicht gezeigt) umfassen. Die Krone 14 definiert eine allgemein planare Oberfläche und umfasst eine abgestufte Verbrennungsmulde 20, die von der Krone 14 ausgespart ist.
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Mit Bezugnahme auf den Querschnitt von 3-5 umfasst die abgestufte Verbrennungsmulde 20 eine äußere Mulde 22 mit einer äußeren Seitenwand 24, die sich von der Krone 14 erstreckt. Die äußere Mulde 22 umfasst eine ringförmige Bodenfläche 26, die allgemein planar ist. Die abgestufte Verbrennungsmulde 20 umfasst ferner eine innere Mulde 28 mit einer äußeren Seitenwand 30 (am besten gezeigt in 3 und 5), die sich von der ringförmigen Bodenfläche 26 der äußeren Mulde 22 erstreckt. Die äußere Seitenwand 30 ist von der inneren Mulde 28 kontinuierlich nach innen von der ringförmigen Bodenfläche 26 zu einer Bodenfläche 32 der inneren Mulde 28 geneigt. Mehrere hervorstehende Rippen 34 erstrecken sich von der äußeren Seitenwand 30 der inneren Mulde 28 in Richtung einer Mittelachse des Kolbenkörpers 12. Die hervorstehenden Rippen 34 gehen ebenfalls störungsfrei und direkt von der ringförmigen Bodenfläche 26 der äußeren Mulde 22 zu einem annähernden Tiefpunkt des Bodens der inneren Mulde 28 über. Die Bodenfläche 32 der inneren Mulde 28 weist einen gehäufte Mittelbereich 36 auf.
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Mit Bezugnahme auf 5 kann ein beispielhafter Kolben gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung einen Außendurchmesser D1 von 103 mm mit der abgestuften Verbrennungsmulde mit einem Durchmesser D2 von 84 mm aufweisen. Ein Durchmesser D3 am Anfang der inneren Mulde ist 69 mm. Eine Tiefe d1 der äußeren Mulde 22 kann 3 mm sein und eine maximale Tiefe d2 der inneren Mulde 28 kann 12,7 mm sein, wobei der gehäufte Mittelbereich eine Tiefe d3 von 6,25 mm aufweist.
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Mit Bezugnahme auf 4 kann eine radiale Länge 11 von der äußeren Mulde 22 gleich 7,5 mm sein und eine radiale Länge 12 der Krone kann 9,5 mm sein. Die Vorsprunghöhe h1 der mehreren Lippen 34 kann 2,68 mm sein und eine Breite w1 der mehreren Lippen 34 kann 3,6 mm sein. Wie in 3 gezeigt, kann der Radius r1 der mehreren Lippen 34 4 mm sein und die Lippen können in einem Winkel zwischen 42-48° und genauer gesagt 45° für das bereitgestellte Beispiel geneigt sein.
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Obwohl die obigen Abmessungen für eine spezifische Beispielausführungsform vorgesehen sind, werden die folgenden Abmessungsbeziehungen für einen Bereich von unterschiedlich dimensionierten Kolben bereitgestellt. Das Verhältnis der radialen Länge 11 der äußeren Mulde 22 zu der radialen Länge 12 der Kronenfläche 14 kann zwischen 70 und 80% und genauer gesagt 78,9% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis der radialen Länge 11 der äußeren Mulde 22 zu der Stufentiefe d1 der äußeren Mulde 22 kann zwischen 200-300% und genauer gesagt 250% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis der radialen Länge 11 zu dem Bohrungsdurchmesser D1 kann zwischen 5-10% und genauer gesagt 7,3% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis der radialen Länge 11 der äußeren Mulde 22 zu der Muldentiefe d3 von der Kronenfläche 14 zu der Spitze des gehäuften Mittelbereichs 36 kann zwischen 100-150% und genauer gesagt 120% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis der radialen Länge 11 der äußeren Mulde 22 zu der maximalen Muldentiefe d2 kann zwischen 40-70% und genauer gesagt 48% für das bereitgestellte Beispiel sein.
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Das Verhältnis der äußeren Muldentiefe d1 zu der Muldentiefe d3 von der Kronenfläche 14 zu der Spitze des gehäuften Mittelbereichs 36 kann zwischen 30-60% und genauer gesagt 48% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis der äußeren Muldentiefe d1 zu der maximalen Muldentiefe d2 kann zwischen 10-30% und genauer gesagt 23,6% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis der äußeren Muldentiefe d1 zu dem Bohrungsdurchmesser D1 kann zwischen 1-5% und genauer gesagt 2,9% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis der maximalen Muldentiefe d2 zu dem Bohrungsdurchmesser D1 kann zwischen 10-20% und genauer gesagt 12,3% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis des Durchmessers D2 der äußeren Mulde zu dem Bohrungsdurchmesser D1 kann zwischen 70-90% und genauer gesagt 81% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis des Durchmessers D3 der inneren Mulde zu dem Bohrungsdurchmesser D1 kann zwischen 60-80% und genauer gesagt 67% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis des Durchmessers D3 der inneren Mulde zu dem äußeren Muldendurchmesser D2 kann zwischen 70-90% und genauer gesagt 82,1 % für das bereitgestellte Beispiel sein.
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Das Verhältnis der radialen Länge 11 der äußeren Mulde zu dem äußeren Muldendurchmesser D2 kann zwischen 5-10% und genauer gesagt 8,9% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis der radialen Länge 11 der äußeren Mulde zu dem Durchmesser D3 der inneren Mulde kann zwischen 5-15% und genauer gesagt 10,9% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis der radialen Länge 12 der Krone 14 zu dem äußeren Muldendurchmesser D2 kann zwischen 5-15% und genauer gesagt 11,3% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis der radialen Länge 12 der Krone 14 zu dem Durchmesser D3 der inneren Mulde kann zwischen 10-20% und genauer gesagt 13,8% für das bereitgestellte Beispiel sein. Das Verhältnis von der Höhe des Lippenvorsprungs h1 zu der Breite der Lippenvorsprünge w1 kann zwischen 60-100% und genauer gesagt 74,4% für das bereitgestellte Beispiel sein.
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Die Verwendung von radialen Lippen in einer Verbrennungsmulde in einem Dieselmotor kann große Vorteile beim Verringern von Rauch und Verstärken der Effizienz bringen. Derartige Nutzen werden stark erhöht, wenn sie mit einer inneren Mulde mit einem scharfstufigen Merkmal gekoppelt sind. Die vorgeschlagene Auslegung bettet eine scharf-abgestufte Muldenkonstruktion mit radialen Lippen in einer schmiedbaren Weise ein, ohne die Thermodynamik zu verschlechtern.
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Die Auslegung der vorliegenden Offenbarung bricht ein klassische Dieselrätzel zwischen dem Erzielen hoher Effizienz gegenüber niedriger Emissionen (PM und NOx) und stellt eine kostenwirksame Lösung bereit, die mit Standardherstellungsprozessen möglich ist.
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Die vorliegende Offenbarung beseitigt hohe Teilekosten einer vorherigen scharf-abgestuften Verbrennungsmulde mit radialen Lippen, die eine 5 Achsen CNC-Bearbeitung erfordert, die an Aluminium- und Stahlkolben benötigt werden.
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Die Verbrennungsmulden-Schablonengestaltung der vorliegenden Offenbarung kombiniert wirksam die scharfe Stufe und die radialen Lippenmerkmale in einer neuen Weise ohne Unterschneidungen, um ein Muldenprofil bereitzustellen, das zum Schmieden oder Bearbeiten ohne 5-Achsen CNC-Bearbeitung geeignet ist.
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Die Einzelheiten der radialen Lippe (Vorsprungabstand, Dicke und Abrundung) sind ‚glatt genug‘, um mit Schmiedewerkzeugen und mit minimaler Verschlechterung von Thermodynamik-Eigenschaften konform zu sein.
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Die Verbrennungsmulde kann in einem einzigen Stück geschmiedet und dann mit einem Basiskolben verschweißt werden, wobei genaue radiale Lippen durch Indizieren mit Düsensprühen und mit konkurrenzfähiger Kolbenverdichtung/Ölgalleriehöhe und Gesamtgewicht behalten werden.
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Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsformen wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer speziellen Ausführungsform sind allgemein nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt, sondern sind, wo anwendbar, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, selbst wenn dies nicht speziell gezeigt oder beschrieben ist. Diese können auch auf viele Arten variiert werden. Solche Variationen sind nicht als eine Abweichung von der Offenbarung zu betrachten und alle derartigen Modifikationen sollen im Schutzumfang der Offenbarung eingeschlossen sein.
