DE10261333A1

DE10261333A1 - Kolben für eine luftverdichtende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10261333A1
Application number: DE2002161333
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. Dr. Ospelt; Wolfgang Dipl.-Ing. Cartellieri; Helmut Dipl.-Ing. Theissl; Helmut Dipl.-Ing. Koudelka; Attila Dipl.-Ing. Grauenfels
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-12-28
Publication date: 2004-01-29
Also published as: AT5997U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) für eine luftverdichtende Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung, mit einer im Kolben (1) angeordneten Brennraummulde (2), welche vorzugsweise einen torusförmigen Abschnitt (4) aufweist. Zur Verminderung der in das Motoröl eingebrachten Verbrennungsrückstände wird vorgeschlagen, dass an der Oberseite (5) des Kolbens (1) eine umlaufende, vom Kolbenrand (8) abgewandte Einformung (9) zwischen dem Kolbenrand (8) und dem Rand (7) der Brennraummulde (2) angeordnet ist, wobei die Einformung (9) direkt an den Rand (7) der Brennraummulde (2) anschließt und in die Brennraummulde (2) ausläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine luftverdichtende Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung, mit einer im Kolben angeordneten Brennraummulde, welche vorzugsweise einen torusförmigen Abschnitt aufweist.

Aus der EP 271 478 A2 ist eine lutverdichtende, ventilgesteuerte Brennkraft- maschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit einem im Kolben angeordneten Brennraum bekannt, welcher einen torusförmigen Abschnitt aufweist, der in Richtung zur Kolbenoberseite in einen eine Einschnürung bildenden, zylinderförmigen Abschnitt übergeht, wobei der Auftreffbereich des eingespritzten Kraftstoffes im oberen Totpunkt des Kolbens etwa im Übergangsbereich zwischen dem zylinderförmigen Abschnitt und dem torusförmigen Abschnitt liegt. Dabei ist ein an der Bildung des torusförmigen Abschnittes beteiligter zentrischer Mittenteil vorgesehen, der zusammen mit der Einschnürung einen engen, ringförmigen Überströmquerschnitt vom torusförmigen Abschnitt zum zylinderförmigen Abschnitt des Brennraumes bildet. Die Kraftstoffstrahlen der Einspritzdüse sind auf den Übergangsbereich zwischen torusförmigen und zylinderförmigen Abschnitt des Brennraumes gerichtet. Der Mittenteil im Zentrum des Brennraumes der Brennkraftmaschine und die große verfügbare Oberfläche des Brennraumes verhindern ein für die Verbrennung nachteiliges Ineinanderlaufen von Kraftstofffilmen, die von verschiedenen Einspritzstrahlen stammen.

Aus der EP 0383 001 B1 ist eine ähnliche Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Mittenteil exzentrisch zum torusförmigen Abschnitt des Brennraumes angeordnet ist.

Weiters ist eine Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung und einem torusförmigen Brennraum in der im Jahr 1935 veröffentlichten CH 175 433 B beschrieben. Die Konstruktion dieser Brennkraftmaschine ging von dem Gedanken aus, dass es erforderlich ist, die Ladeluft zu allen Brennstoffteilchen gelangen zu lassen und dass sich keine Tropfen des Brennstoffes an den Wandungen des Verbrennungsraumes ansetzen sollen, da sonst eine Verzögerung der Verbrennung und eine unvollständige Verbrennung stattfindet, die sich durch Rußbildung im Auspuff anzeigt. Dementsprechend wurde dem torusförmigen Verbrennungsraum eine mehrstrahlige Einspritzdüse so zugeordnet, dass die Brennstoffstrahlen den Ringwirbel der Luft einmal beim Durchtritt der Luft durch die Drosselöffnung im inneren Teil der Torusform und ein zweites Mal im äußeren Teil derselben durchsetzen. Dadurch sollte eine vollkommene Verteilung des Brennstoffes in der Ladeluft erzielt werden, die sich in einer rußfreien Verbrennung des Brennstoffes und einer beträchtlichen Leistungssteigerung der Maschine zeigen sollte.

Weiters ist aus der DE 974 449 C ein schnelllaufender Dieselmotor mit im Kolben liegenden, rotationsförmigen Verbrennungsraum bekannt, bei der im Bereich einer umlaufenden Einschnürung eine umlaufende Kante vorgesehen ist, um eine Ablösung der auftreffenden Brennstoffteilchen des auf die Kolbenwand gespritzten Kraftstoffes zu erreichen. Dadurch sollen Rückstände bzw. Ablagerungen an der Brennraumwand verhindert werden, welche zu einer Änderung des Temperaturfeldes der Wandung führen würde. Durch die Vermeidung von vorzeitigem chemischen Zerfall des Kraftstoffes soll weiters ein geräuscharmer Gang der Maschine bei kleinstmöglichem Kraftstoffverbrauch unter Ausschaltung jeder Art von Dieselklopfen gewährleistet werden.

Bei den bekannten Kolben entstehen nach dem oberen Totpunkt bei der Abwärtsbewegung des Kolbens relativ hohe radiale Ausströmungsgeschwindigkeiten aus der Brennraummulde, wobei vergleichsweise große Kraftstoffmengen mitgerissen werden und über die Kolbenstirnseite zur Zylinderwand gelangen. Dadurch werden vermehrt Verbrennungsrückstände in das Motoröl befördert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass weniger Verbrennungsrückstände in das Motoröl befördert werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass an der Oberseite des Kolbens eine umlaufende, vom Kolbenrand abgewandte Einformung zwischen dem Kolbenrand und dem Rand der Brennraummulde angeordnet ist, wobei die Einformung direkt an den Rand der Brennraummulde anschließt und in die Brennraummulde ausläuft. Durch die stufenartig ausgeführte Einformung und die somit entstehende Querschnittserweiterung an der Oberseite des Kolbens unmittelbar im Bereich des Randes der Brennraummulde kann die radiale Ausströmungsgeschwindigkeit bei der Abwärtsbewegung des Kolbens wesentlich vermindert werden. Dies hat unmittelbar zur Folge, dass bedeutend weniger Kraftstoffanteile an die Kolbenoberseite und weiter zur Zylinderwand befördert werden.

Der Rand zur Brennraummulde kann konzentrisch oder exzentrisch zum Zylinder ausgebildet sein.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Einformung ringförmig und konzentrisch zu Brennraummulde ausgebildet ist. Dies insbesonders dann, wenn die Brennraummulde ihrerseits konzentrisch oder maximal 1% radial exzentrisch zum Zylinder ist. Bei größerer Exzentrizität der Brennraummulde zum Zylinder ist es vorteilhaft, die Einformung konzentrisch zum Zylinder auszubilden, womit die Ausströmbewegung aus der Brennraummulde in den Kolbenspalt über den Umfang vergleichmäßigt wird. Die Einformung kann dabei einen ebenen, zur Brennraummulde auslaufenden Boden, sowie zumindest teilweise eine zylindrische Wand aufweisen.

Der Austrag von Kraftstoffteilchen aus der Brennraummulde kann insbesondere dann wesentlich reduziert werden, wenn zwischen Wand und Boden ein Übergangsradius ausgebildet ist, welcher vorzugsweise zwischen etwa 1 mm und 50% der Kolbenmuldentiefe beträgt. Zur Einstellung der gewünschten Verminderung der radialuen Ausströmgeschwindigkeit aus der Brennraummulde reicht es dabei aus, wenn die Einformung eine Tiefe zwischen etwa 5% und 15% der Brennraummuldentiefe aufweist.

Der Radius der Wand der Einformung sollte dabei etwa 10% bis 20% größer sein als der obere Brennraumradius im Bereich des Randes der Brennraummulde. Bei exzentrischer Brennraummulde sollte er zumindest so groß sein, wie die Summe aus Muldenexzentrizität und oberem Brennraumradius, und maximal 20% größer als der obere Brennraumradius.

Die Brennraummulde weist im Bereich ihres Randes einen Durchmesser von etwa 50% bis 70%, vorzugsweise etwa 60% des Zylinderdurchmessers auf.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer ersten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt gemäß der Linie I-I in 2,
2 eine Draufsicht auf diesen Kolben,
3 einen erfindungsgemäßen Kolben in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Längsschnitt gemäß der Linie III-III in 4,
4 eine Draufsicht auf diesen Kolben und
5 ein Diagramm, in welchem die radiale Ausströmgeschwindigkeit über dem Kurbelwinkel aufgetragen ist.
Der im Zylinder 14 hin- und hergehende Kolben 1 weist einen durch eine Brennraummulde 2 gebildeten Brennraum 3 auf. Die Brennraummulde 2 ist zum Teil durch einen torusförmigen Abschnitt 4 gebildet, welcher sich in Richtung der Kolbenoberseite 5 zu einer Einschnürung 6 im Bereich des Randes 7 der Brennraummulde 2 hin verjüngt. Zwischen dem Rand 7 der Brennraummulde 2 und dem Kolbenrand 8 ist eine Einformung 9 an der Kolbenoberseite 5 angeordnet.
Die Einformung 9 ist ringförmig ausgebildet und weist einen ebenen, zur Brenn raummulde 2 auslaufenden Boden 10 sowie eine zumindest teilweise zylindrische Wand 11 auf.
Zwischen der Wand 11 und dem Boden 10 ist ein Übergangsradius r ausgebildet, welcher etwa zwischen 1 mm und 50% der Brennraummuldentiefe T beträgt. Die Tiefe h der Einformung 9 beträgt etwa 5% bis 15% der Brennraummuldentiefe T. Der größte Radius R₁ der Einformung 9 im Bereich der Wand 11 ist etwa um 10% bis 20% größer als der Radius R₂ der Brennraummulde 2 im Bereich der Einschnürung 6. Der Radius R₂ der Brennraummulde 2 beträgt im Bereich der Einschnürung 6 etwa zwischen 50% bis 70%, vorzugsweise etwa 60% des Zylinderdurchmessers D.
Die Einformung 9 ist im in 1 und 2 dargestellten Beispiel konzentrisch zur Brennraummulde 2 ausgebildet. In diesem Fall ist die Brennraummulde 2 konzentrisch zur Kolbenachse 1a angeordnet. Alternativ dazu ist aber auch eine exzentrische Ausbildung der Brennraummulde 2 möglich. Bei Muldenexzentrizitäten e größer als 1% des Zylinderdurchmessers D ist es sinnvoller, die Einformung konzentrisch zum Zylinder 12 auszubilden, um die Ausströmbewegung aus der Brennraummulde 2 in den Kolbenspalt über den Umfang zu vergleichsmäßigen. Eine Ausführung mit exzentrischer Brennraummulde 2 ist in 3 und 4 dargestellt. Die Muldenexzentrizität e ist der Abstand zwischen Kolbenachse 1a und Brennraumachse 3a.
In 5 ist die radiale Ausströmgeschwindigkeit v aus der Brennraummulde 2 über dem Kurbelwinkel KW nach dem oberen Totpunkt OT, also bei abwärtsgehendem Kolben 1, aufgetragen. Die strichlierte Linie 12 zeigt die Situation bei einem herkömmlichen Kolben ohne Einschnürung 9. Die voll ausgezogene Linie 13 zeigt die Austrittsgeschwindigkeit v bei einem Kolben 1 mit Einformung 9. Deutlich ist zu erkennen, dass durch die Einformung 9 die maximale Austrittsgeschwindigkeit v wesentlich reduziert wird.

Claims

Kolben (1) für eine luftverdichtende Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung, mit einer im Kolben (1) angeordneten Brennraummulde (2), welche vorzugsweise einen torusförmigen Abschnitt (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberseite (5) des Kolbens (1) eine umlaufende, vom Kolbenrand (8) abgewandte Einformung (9) zwischen dem Kolbenrand (8) und dem Rand (7) der Brennraummulde (2) angeordnet ist, wobei die Einformung (9) direkt an den Rand (7) der Brennraummulde (2) anschließt und in die Brennraummulde (2) ausläuft.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformung (9) ringförmig und konzentrisch zur Brennraummulde (2) ausgebildet ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformung (9) konzentrisch zum Zylinder (14) ausgebildet ist.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformung (9) einen ebenen, zur Brennraummulde (2) auslaufenden Boden (10) aufweist.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformung (9) eine Tiefe (h) zwischen etwa 5% und 15% der Brennraummuldentiefe (T) aufweist.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Wand (11) und Boden (10) ein Übergangsradius (r) ausgebildet ist, welche vorzugsweise zwischen 1 mm und 50% der Kolbenmuldentiefe (T) beträgt.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformung (9) eine zumindest teilweise zylindrische Wand (11) aufweist.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraummulde (2) im Bereich ihres Randes (7) einen Durchmesser (D₂) von etwa 50% bis 70%, vorzugsweise etwa 60% des Zylinderdurchmessers (D) aufweist.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformung (9) im Bereich der Wand (11) einen Radius (R₁) um die Kolbenachse (1a) aufweist, der zwischen etwa 10% bis 20% größer ist als der Radius (R₂) der Brennraummulde (2) im Bereich ihres Randes (7).
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer exzentrischen Brennraummulde, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformung (9) im Bereich der Wand (11) einen Radius (R₁) um die Kolbenachse (1a) aufweist, der zumindest so groß ist wie die Summe aus Muldenexzentrizität (e) und dem Radius (R₂) der Brennraummulde (2) im Bereich ihres Randes (7) und maximal etwa 20% größer ist als der Radius (R₂) der Brennraummulde (2) im Bereich ihres Randes (7).
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (7) der Brennraummulde (2) konzentrisch zur Kolbenachse (1a) ausgebildet ist.