DE10232397A1

DE10232397A1 - Kolben für Dieselmotor

Info

Publication number: DE10232397A1
Application number: DE10232397A
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Funahashi; Keitarou Shishido
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2003-02-20
Also published as: JP2003041937A

Abstract

Ein Kolben für Dieselmotoren besitzt in einer Kolbenbodenoberfläche einen ausgesparten Hohlraum, der eine Brennkammer definiert, sowie mehrere Ventilaussparungen, die eine gegenseitige Störung zwischen der Kolbenbodenoberfläche und Motorventilen verhindern. Wenigstens eine der Ventilaussparungen steht mit der Brennkammer über eine Öffnungskante des Hohlraums in Verbindung, ferner besitzt der Kolben an der Öffnungskante eine Kerzenaussparung, die eine gegenseitige Störung zwischen der Kolbenbodenoberfläche und einer Glühkerze verhindert. Die Kerzenaussparung überlappt mit der wenigstens einen Ventilaussparung, außerdem befindet sich ein Vorsprung an einer Überlappungsposition der Kerzenaussparung und der wenigstens einen Ventilaussparung auf der Kolbenbodenoberfläche und an einer Position radial außerhalb der Öffnungskante.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Kolben für Direkteinspritzungs-Dieselmotoren und dergleichen und insbesondere eine Kolbenbodenoberfläche, in der ein Hohlraum ausgebildet ist, der eine Brennkammer definiert.

Ein herkömmlicher Kolben für Direkteinspritzungs-Dieselmotoren ist aus JP-U 2-94329-A bekannt. Dieser Kolben besitzt eine Kolbenbodenoberfläche, in dessen Zentrum ein Hohlraum ausgespart ist. Der Hohlraum besitzt am oberen Ende eine im wesentlichen kreisförmige Öffnungskante und definiert zusammen mit der Unterseite eines Zylinderkopfs eine Brennkammer. Die Kolbenbodenoberfläche des Kolbens ist mit vier Ventilaussparungen versehen, die eine gegenseitige Störung der Kolbenbodenoberfläche und der Abfasungsabschnitte von vier Einlaß- und Auslaßventilen im oberen Totpunkt des Kolbens verhindern. Die Ventilaussparungen sind im wesentlichen kreisförmig und in der Kolbenbodenoberfläche symmetrisch angeordnet. Jede Ventilaussparung besitzt ein radial inneres Ende, das mit der Innenseite des Hohlraums über dessen Öffnungskante in Verbindung steht.

Da jedoch das innere Ende jeder Ventilaussparung durch Ausschneiden der oberen Fläche der Öffnungskante des Hohlraums erhalten wird, sind bei dem obenbeschriebenen Kolben an der Grenze zwischen dem Endabschnitt des inneren Endes der Ventilaussparung und dem Endabschnitt der Öffnungs kante des Hohlraums spitz zulaufende Vorsprünge vorhanden, die eine höhere Wärmebelastung erfahren, da sie während des Motorbetriebs dem Verbrennungsgas ausgesetzt sind, so daß sie einen sogenannten Wärmepunkt bilden, auf den sich die Wärmebeanspruchung konzentriert. Dies kann zum Auftreten von Rissen in den Vorsprüngen oder im schlimmsten Fall zu einem Bruch eines der Vorsprünge führen, wodurch das technische Problem einer niedrigeren Lebensdauer des Kolbens entsteht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für Direkteinspritzungs-Dieselmotoren zu schaffen, bei dem das obenbeschriebene Problem nicht besteht und der eine verbesserte Lebensdauer besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kolben nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen
Fig. 1 eine Draufsicht eines Kolbens für Direkteinspritzungs-Dieselmotoren gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine Teilschnittansicht des Kolbens von Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittansicht des Dieselmotors, in dem der erfindungsgemäße Kolben verwendet wird;
Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, die jedoch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens zeigt; und
Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 1, die abgewandelte Ventilaussparungen zeigt.
Im folgenden wird ein Kolben für Direkteinspritzungs- Dieselmotoren beschrieben, in dem die Erfindung verwirklicht ist.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt der Dieselmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung einen Zylinderblock 11 mit einer darin ausgebildeten Zylinderbohrung 11a, einen Zylinderkopf 12, der am oberen Ende des Zylinderblocks 11 befestigt ist, sowie einen Kolben 14, der in der Zylinderbohrung 11a gleitend beweglich und über eine Pleuelstange 13 mit einer nicht gezeigten Kurbelwelle verbunden ist. Im Zentrum der Kolbenbodenoberfläche 14a des Kolbens 14 ist ein Hohlraum 15 ausgespart, der zusammen mit der Unterseite des Zylinderkopfes 12 eine Brennkammer 16 definiert.
Der Zylinderkopf 12 besitzt ein Paar Einlaßkanäle 17 und ein Paar Auslaßkanäle 18, die darin ausgespart sind und mit der Brennkammer 16 in Verbindung stehen. Im Zylinderkopf 12 sind ein Paar Einlaßventile 19 und ein Paar Auslaßventile 20, die die Mündungen der Einlaß- bzw. der Auslaßkanäle 17 bzw. 18 öffnen und schließen, gleitend unterstützt. Eine Einspritzdüse 21 verläuft durch das Zentrum des Zylinderkopfs 12, um Kraftstoff von ihrer Spitze in die Brennkammer 16 einzuspritzen. Zwischen dem Einlaßanschluß 17 und dem Auslaßanschluß 18 auf einer Seite ist eine Glühkerze 22 so angeordnet, daß ihre mit einer Heizeinrichtung 22a versehene Spitze der Brennkammer 16 zugewandt ist, um den Kraftstoff in der Anfangsstufe des Motoranlaßvorgangs zu zünden. In einer Umfangswand des Zylinderblocks 11 ist ferner ein Wassermantel 23 ausgebildet, durch den Motorkühlwasser oder ein anderes Motorkühlmittel zirkuliert.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, besitzt der Kolben 14, der im wesentlichen in der Mitte seiner Kolbenbodenoberfläche 14a einen Hohlraum 15 aufweist, vier Einlaß- und Auslaßventilaussparungen 24, 25, 26, 27, die in bezug auf den Hohlraum 15 symmetrisch angeordnet sind und eine gegenseitige Störung zwischen der Kolbenbodenoberfläche 14a und den Abfassungsabschnitten der Einlaß- und Auslaßventile 19, 20 verhindern, ferner ist zwischen der Ein- laßventilaussparung 24 und der Auslaßventilaussparung 26 auf einer Seite eine Kerzenaussparung 28 vorgesehen, die eine gegenseitige Störung zwischen der Kolbenbodenoberfläche 14a und der Spitze 22a der Glühkerze 22 verhindert.
Die Einlaß- und Auslaßventilaussparungen 24, 26 sind im wesentlichen halbkreisförmig, wobei jeweils die Innenseite abgeschnitten ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Sie besitzen eine Tiefe, die von den tiefsten äußeren Enden zu den inneren Enden 24a, 26a allmählich abnimmt. Die Seitenkanten 24b, 26b, die an die inneren Enden 24a, 26a angrenzen, erweitern sich zu einer kreisförmigen Öffnungskante 15a des Hohlraums 15 und stellen eine Verbindung zwischen den Ventilaussparungen 24, 26 und dem Hohlraum 15 her. Ebenso sind die Einlaß- und Auslaßventilaussparungen 25, 27 auf der gegenüberliegenden Seite im wesentlichen halbkreisförmig und an einer Innenseite abgeschnitten, wobei ihre Tiefe von den tiefsten äußeren Enden zu den inneren Enden 25a, 27a allmählich abnimmt. Die Seitenkanten 25b, 27b, die an die inneren Enden 25a, 27a angrenzen, erweitern sich zu einer kreisförmigen Öffnungs kante 15a des Hohlraums 15 und stellen zwischen den Ventilaussparungen 25, 27 und dem Hohlraum 15 eine Verbindung her.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Kerzenaussparung 28 im wesentlichen an der Mittelposition zwischen den auf einer Seite befindlichen Einlaß- und Auslaßventilaussparungen 24, 26 angeordnet und überspannt letztere längs der Öffnungskante 15a. Genauer ist die Kerzenaussparung 28 im wesentlichen wie ein Kreisbogen oder ein Halbmond längs der Öffnungskante 15a ausgebildet, wobei sich beide Enden 28a, 28b zu den Seitenkanten 24b, 26b der Ventilaussparungen 24, 26 erstrecken und die obere Fläche der Seitenkanten 24b, 26b kappen. Die Kerzenaussparung 28 fällt von einer äußeren Umfangskante 28c zu einer inneren Umfangskante 28d auf seiten der Öffnungskante 15a ab. Darüber hinaus ist die Kerzenaussparung 28 so beschaffen, daß der Krümmungsradius der äußeren Umfangskante 28c im wesentlichen gleich dem halben Krümmungsradius der Öffnungskante 15a des Hohlraums 15 ist.
Somit werden, wie in Fig. 1 gezeigt ist, an Positionen, an denen die äußere Umfangskante 28c der Kerzenaussparung 28 mit den äußeren Umfangskanten 24c, 26c der Ventilaussparungen 24, 26 überlappt oder auf diese trifft, Vorsprünge 29, 30 ausgebildet. Diese Vorsprünge 29, 30 befinden sich im äußeren Bereich der Kolbenbodenoberfläche 14a und an einer Position außerhalb der Öffnungskante 15a des Hohlraums 15.
Daher können in der ersten Ausführungsform die Vorsprünge 29, 30 an Positionen im äußeren Bereich der Kolbenbodenoberfläche 14a mit höherer Wärmeabstrahlungswirkung und ausreichend weit radial außerhalb der Öffnungskante 15a des Hohlraums 15, an der sich die Verbrennungswärme vermutlich am stärksten konzentriert, angeordnet werden, wodurch eine ausgezeichnete Wärmeabstrahlung erzielt wird, was die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer großen Wärmebelastung begrenzt. Im Ergebnis kann eine übermäßige Wärmebeanspruchungskonzentration vermieden werden, wodurch Risse oder ein Bruch der Kolbenbodenoberfläche 14a in der Umgebung der Vorsprünge 29, 30 verhindert werden können.
Darüber hinaus ist die Kerzenaussparung 28 so breit ausgebildet, daß sie die Ventilaussparungen 24, 26 längs der Öffnungskante 15a überspannt. Daher kann ein Winkel q, der durch eine Tangente an einen Punkt 31, 32 jedes Endes 28a bzw. 28b der Kerzenaussparung 28 und durch eine Tangente an die Öffnungskante 15a in diesem Punkt auf einen hohen Wert nahe bei 180° gesetzt werden, wie in Fig. 1 gezeigt ist, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer übermäßigen Wärmebeanspruchungskonzentration in jedem dieser Schnittpunkte 31, 32 begrenzt werden kann.
Weiterhin fällt die Kerzenaussparung 28 von der äußeren Umfangskante 28c zur inneren Umfangskante 28d ab, so daß sich an einem Scheitelpunkt 37 ein kleinerer Winkel θ1 zwischen der inneren Umfangsoberfläche des Hohlraums 15 und der Kerzenaussparung 28 ergibt, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer übermäßigen Wärmebeanspruchungskonzentration am Scheitelpunkt 37 ebenfalls begrenzt werden kann.
Darüber hinaus ist die Kerzenaussparung 28 kreisbogenförmig ausgebildet, so daß an den Verbindungsabschnitten 33, 34, die sich an den Umfangskanten der Enden 28a, 28b befinden und eine Verbindung zwischen der Kerzenaussparung 28 und dem Hohlraum 15 herstellen, eine gleichmäßige Fluidströmung erzielt werden kann, wodurch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer hohen Wärmebeanspruchungskonzentration an den Verbindungsabschnitten 33, 34 begrenzt werden kann.
In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform des Kolbens der Erfindung gezeigt, der im wesentlichen die gleiche Konfiguration wie in der ersten Ausführungsform besitzt, mit der Ausnahme, daß im Boden 14b des Kolbens 14 zwischen dem Hohlraum 15 und einem Kolbenring 35, d. h. im äußeren Bereich und an einer Position außerhalb der Kerzenaussparung 28, ein ringförmiges Loch 36 ausgebildet ist, durch das ein Kühlungsöl zirkuliert.
Daher werden die Vorsprünge 29, 30 und deren Umgebung durch das durch das ringförmige Loch 36 zirkulierende Kühlungsöl zwangsläufig gekühlt, was zu einer noch wirksameren Begrenzung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer übermäßigen Wärmebeanspruchungskonzentration führt.
Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie selbstverständlich nicht darauf beschränkt, vielmehr können viele verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Struktur, wie in Fig. 5 gezeigt ist, auf einen Kolben angewendet werden, bei dem die Einlaßventilaussparungen 24, 25 im wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet sind. Da in dieser Abwandlung nur eine Einlaßventilaussparung 24 so geformt ist, daß sie wie in den obigen Ausführungsformen mit einem Ende 28a der Kerzenaussparung 28 überlappt oder darauf trifft, kann der Vorsprung 29 an einer Position am äußeren Umfang der Kolbenbodenoberfläche 14a angeordnet werden und besitzt eine höhere Wärmeabstrahlungswirkung, während er durch die höhere Wärmebelastung im Hohlraum 15 nicht beeinflußt wird, da die weitere Einlaßventilaussparung 25 nicht mit der Öffnungskante 15a des Hohlraums 15 in Verbindung steht.
Darüber hinaus kann die Erfindung auf Kolben angewendet werden, bei dem zwei Einlaß- und Auslaßventilaussparungen oder eine einzige Ventilaussparung, die einem Einlaßventil und einem Auslaßventil pro Zylinder entsprechen, in der Kolbenbodenoberfläche 14a ausgebildet sind. Ferner kann die Form der Kerzenaussparung 28 wahlweise abgewandelt sein, sofern sich die Vorsprünge an Positionen im äußeren Bereich der Kolbenbodenoberfläche 14 und nicht bei der Öffnungskante 15a des Hohlraums 15 befinden können.

Claims

1. Kolben (14) für Dieselmotoren, der in einer erfläche (14a) eines Kolbenbodens (14b) einen ausgesparten Hohlraum (15), der eine Brennkammer (16) definiert, und mehrere Ventilaussparungen (24-27), die eine gegenseitige Störung zwischen der Kolbenbodenoberfläche (14a) und Motorventilen (19, 20) verhindern, umfaßt, wobei wenigstens eine der Ventilaussparungen (24-27) mit der Brennkammer (16) über eine Öffnungskante (15a) des Hohlraums (15) in Verbindung steht und wobei der Kolben (14) außerdem an der Öffnungskante (15a) eine Kerzenaussparung (28) aufweist, die eine gegenseitige Störung zwischen der Kolbenbodenoberfläche (14a) und einer Glühkerze (22) verhindert,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kerzenaussparung (28) mit der wenigstens einen Ventilaussparung (24-27) überlappt und
ein Vorsprung (29, 30) an einer Überlappungsposition der Kerzenaussparung (28) und der wenigstens einen Ventilaussparung (24-27) sich auf der Kolbenbodenoberfläche (14a) und an einer Position radial außerhalb der Öffnungskante (15a) befindet.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerzenaussparung (28) zwei benachbarte, verschiedene Ventilaussparungen (24, 26) überspannt.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im äußeren Bereich des Kolbenbodens (14b) und an einer Position radial außerhalb der Kerzenaussparung (28) ein ringförmiges Loch (36) ausgebildet ist, durch das Kühlungsöl zirkuliert.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerzenaussparung (28) zum Hohlraum (15) abfällt.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerzenaussparung (28) längs der kreisförmigen Öffnungskante (15a) im wesentlichen kreisbogenförmig ist.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilaussparungen (24-27) im wesentlichen halbkreisförmig sind.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilaussparungen (24-27) ein Paar Einlaßventilaussparungen (24, 25) und ein Paar Auslaßventilaussparungen (26, 27) umfaßt.

8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerzenaussparung (28) eine Einlaßventilaussparung (24) und eine Auslaßventilaussparung (26) überspannt.

9. Kolben nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Einlaßventilaussparung (25) nicht mit dem Hohlraum (15) in Verbindung steht.