DE112010005268B4

DE112010005268B4 - Kolben für Maschine mit interner Verbrennung

Info

Publication number: DE112010005268B4
Application number: DE112010005268.9T
Authority: DE
Inventors: Masafumi Takeda; Yasushi Yoshihara; Tetsuo Omura; Akio Yoshimatsu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2030-02-16
Also published as: WO2011099156A1; DE112010005268T5; CN102762836B; JP5293842B2; US8978611B2; JPWO2011099156A1; CN102762836A; US20120318230A1

Abstract

Ein Kolben (16) für eine Maschine (10) mit interner Verbrennung, mit:einer nichtadiabaten Region (50), die einen mittleren Abschnitt (36) einer oberen Fläche (35) des Kolbens (16) umfasst, wobei die obere Fläche (35) des Kolbens (16) eine Kante aufweist, die eine Kolbenwand des Kolbens (16) berührt, wobei die nichtadiabate Region (50) wie ein Streifen geformt ist, der sich von der Kante auf einer Einlassseite zu einer Kante auf einer gegenüberliegenden Auslassseite der oberen Fläche (35) des Kolbens (16) erstreckt, wobei die nichtadiabate Region (50) keine isolierende Schicht aufweist; undeiner adiabaten Region (52), die auf einem Teil der oberen Fläche (35) des Kolbens (16) außer der nichtadiabaten Region (50) angeordnet ist, wobei die adiabate Region (52) eine isolierende Schicht aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für eine Maschine mit interner Verbrennung bzw. eine Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Ein herkömmlich bekannter Kolben für eine Maschine mit interner Verbrennung, der beispielsweise in der JP 2008-111 367 A offenbart ist, weist eine nichtadiabate Region und eine adiabate Region auf. Die nichtadiabate Region ist relativ zu einem Ansaugfluss seitlich positioniert und auf der oberen Fläche des Kolbens angeordnet. Die adiabate Region ist eine Region außer der nichtadiabaten Region. Das Vorhandensein der adiabaten Region ermöglicht es, Kühlverluste zu verringern.
Die JP H11 280 545 A zeigt einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben aus Metallmaterialien mit unterschiedlicher Wärmeleitzahl besteht.
Die JP 2009-121 425 A weist darauf hin, dass mit steigender Isolationseffizienz der Wärmedurchsatz in einem Kolben reduziert werden kann, was den Anstieg der Kolbentemperatur unterdrücken und ein Klopfen verhindern kann.
Die DE 10 12 120 B schlägt vor, einen oder mehrere Ringe in den Kolbenkopf einzugießen, die in den freien Kolbenraum hineinragen und dadurch helfen, Wärme besser aus dem Kolbenboden abzuleiten als diese bei einem herkömmlichen Kolben geschieht.
Die DE 63Q 440 A stellt einen Leichtmetallkolben für eine Brennkraftmaschine dar, der mittels eines Drosselrings eine Ableitung der Wärme zu den Kolbenringen regelt. Der Drosselring ist dabei mit Schlitzen oder Bohrungen versehen.
Die JP S61-142 320 A offenbart eine Brennkammer eines Dieselmotors, bei der die Zylinderinnenwand in der Nähe des oberen Totpunkts mit wärmeisolierendem Material beschichtet wird, um die Temperatur in der Brennkammer zu erhöhen und dadurch eine gute Verbrennung zu erreichen.
Die JP 2009-036 126 A , die JP 2009-041 388 A und die JP 2009-062 975 A sind weitere relevante Dokumente aus dem Stand der Technik, die hier der Vollständigkeit halber erwähnt werden.
Kurze Erläuterung der Erfindung
Technisches Problem
In einer Maschine mit interner Verbrennung, in der eine Wirbelströmung in einem Zylinder gebildet wird, kommt ein starker Ansaugfluss (der Fluss von Ansauggas) während eines Ansaughubs mit der oberen Fläche des Kolbens in Kontakt. Eine Region, die mit dem starken Ansaugfluss in Kontakt kommt, erhöht dessen thermische Leitfähigkeit bzw. Energie. Daher wird das Ansauggas durch die obere Fläche des Kolbens aufgeheizt. In dem Fall des vorstehend erläuterten herkömmlichen Kolbens ist die adiabate Region in der Region angeordnet, die mit dem starken Ansaugfluss in Kontakt kommt. Folglich ist die Temperatur der adiabaten Region hoch, obwohl der Kühlverlust klein ist. Folglich steigt die thermische Dosis bzw. thermische Energie, die von der oberen Fläche des Kolbens auf das Ansauggas wirkt. Eine Erhöhung der thermischen Dosis, die auf das Ansauggas wirkt, erhöht die Temperatur des Ansauggases an einem Ende der Kompression. Als ein Ergebnis wird befürchtet, dass ein Klopfen auftreten kann.
Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um das vorstehend erläuterte Problem zu lösen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben zu schaffen, der für eine Maschine mit interner Verbrennung verwendet wird, die einen Zylinder aufweist, in dem eine Wirbelströmung gebildet wird, und der dazu fähig ist, das Auftreten eines Klopfens zu unterdrücken und den Kühlverlust zu verringern.
Lösung des Problems
Dieses Problem wird durch einen Kolben nach einem der beiliegenden Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Wenn die Wirbelströmung in dem Zylinder gebildet wird, ermöglichen es die ersten und zweiten Aspekte der vorliegenden Erfindung, sicherzustellen, dass eine Region auf der oberen Fläche des Kolbens außer einer Region, mit der die Wirbelströmung in Kontakt ist, eine adiabate Region ist. Das Vorhandensein der adiabaten Region verringert die Menge an Wärme, die von einem Brenngas an den Kolben übertragen wird, und verringert den Kühlverlust. Zudem bilden die ersten und zweiten Aspekte der vorliegenden Erfindung eine nichtadiabate Region auf der oberen Fläche des Kolbens, mit der die Wirbelströmung in Kontakt ist. Die Temperatur der oberen Fläche des Kolbens ist in der nichtadiabaten Region niedriger als in der adiabaten Region. Obwohl die thermische Leitfähigkeit in einer Region hoch ist, mit der die Wirbelströmung in Kontakt ist, verringert sich die Temperatur der Region, wenn sie eine nichtadiabate Region ist. Folglich verringert sich die thermische Dosis, die von der oberen Fläche des Kolbens auf das Ansauggas wirkt. Dies verringert die Temperatur des Ansauggases am Kompressionsende und unterdrückt das Auftreten eines Klopfens. Folglich unterdrückt die vorliegende Erfindung, wenn sie auf eine Maschine mit interner Verbrennung angewendet wird, in der eine Wirbelströmung im Zylinder gebildet wird, nicht nur das Auftreten von Klopfen, sondern reduziert auch den Kühlverlust.
Wenn die Wirbelströmung in dem Zylinder gebildet wird, ermöglichen es die dritten und vierten Aspekte der vorliegenden Erfindung, sicherzustellen, dass die Temperatur einer Region, mit der die Wirbelströmung in Kontakt ist, niedrig gehalten wird. Noch genauer wird Wärme von dem Kolben an das Ansauggas übertragen, um die Temperatur der Region zu verringern, wenn eine Region auf der oberen Fläche des Kolbens, mit der die Wirbelströmung in Kontakt ist, eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. In diesem Augenblick wird Wärme von der anderen Region des Kolbens, die eine hohe Temperatur aufweist, an die vorstehend erläuterte Region übertragen, in der die Temperatur verringert ist. Diese Wärmeübertragung findet statt, um ein thermisches Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Die vorliegende Erfindung ist jedoch so konzipiert, dass die Wärmeübertragung durch ein wärmeisolierendes Teil behindert wird, das in dem Kolben angeordnet ist. Daher kann die Temperatur der Region, die von der Wirbelströmung berührt wird, niedrig gehalten werden, um die thermische Dosis zu verringern, die von der oberen Fläche des Kolbens auf das Ansauggas wirkt. Folglich kann die vorliegende Erfindung die Temperatur des Ansauggases am Kompressionsende verringern und das Auftreten von Klopfen unterdrücken.
Figurenliste

1 ist ein Schaubild, welches den Systemaufbau einer Maschine mit interner Verbrennung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist ein Schaubild, das den Aufbau der oberen Fläche 35 des Kolbens 16 nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3(A) ist eine Draufsicht, die den Aufbau der oberen Fläche 62 des Kolbens 60 in dem System nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
3(B) ist eine Längsschnittansicht des Kolbens 60 nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.

Bezugszeichenliste

10: Maschine mit interner Verbrennung, Brennkraftmaschine
12: Zylinderblock
14: Zylinder
16, 60: Kolben
18: Kolbenbolzen
20: Verbindungsstange bzw. Pleuel
22: Zylinderkopf
24: Brennkammer
26: Zündkerze
28: Einlassanschluss
30: Auslassanschluss
32: Einlassventil
34: Auslassventil
35, 62: obere Fläche
36: mittlerer Abschnitt
38, 66: ein äußerer Rand der oberen Fläche des Kolbens
40: ein äußerer Rand der konkaven Unterseite des Zylinderkopfs
42: obere Fläche der Brennkammer
44: Auslassseitenwand des Zylinders
46: Einlassseitenwand des Zylinders
48_EX, 48_IN, 64_IN, 64_EX: Ventilaussparungen
50, 70: eine Wirbelströmungskontaktregion (nichtadiabate Region)
52: eine Region außer der Wirbelströmungskontaktregion (adiabate Region)
68: Kolbenbolzenauge
72: Wärmeisolator (wärmeisolierendes Teil)

Beschreibung von Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genau beschrieben. Ähnliche Elemente in den Figuren werden durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht redundant beschrieben.
Erste Ausführungsform
(Grundlegender Aufbau)
1 ist ein Schaubild, das den Systemaufbau einer Maschine 10 mit interner Verbrennung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein System nach der ersten Ausführungsform umfasst die Maschine 10 mit interner Verbrennung. Es wird angenommen, dass die Maschine 10 mit interner Verbrennung eine Viertaktmaschine ist. 1 ist eine Längsschnittansicht der Maschine 10 mit interner Verbrennung.
Die Maschine 10 mit interner Verbrennung umfasst einen Zylinderblock 12. Ein Zylinder 14 ist in dem Zylinderblock 12 gebildet. In der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl von Zylindern, die in der Maschine 10 mit interner Verbrennung enthalten sind, nicht speziell beschränkt. Ein Kolben 16 ist gleitfähig in dem Zylinder 14 angeordnet. Der Kolben 16 ist über einen Kolbenbolzen 18 und eine Verbindungsstange bzw. ein Pleuel 20 mit einer Kurbelwelle verbunden.
Ein Zylinderkopf 22 ist oben auf dem Zylinderblock 12 angeordnet. Eine Brennkammer 24 für die Maschine 10 mit interner Verbrennung ist ein Raum, der von der inneren Oberfläche des Zylinders 14, der in dem Zylinderblock 12 gebildet ist, der oberen Fläche des Kolbens 16 und der konkaven Unterseite des Zylinderkopfs 22 eingeschlossen ist. Eine Zündkerze 26 ist auf dem Zylinderkopf 22 in einer solchen Weise montiert, dass die Zündkerze 26 von der Oberseite der Brennkammer 24 in die Brennkammer 24 vorsteht.
Ein Einlassanschluss 28 und ein Auslassanschluss 30 sind auf dem Zylinderkopf 22 gebildet, um mit der Brennkammer 24 in Verbindung zu stehen. Eine (nicht gezeigte) Einspritzung ist stromauf des Einlassanschlusses 28 angeordnet und zur Brennkammer 24 hin ausgerichtet, um Kraftstoff in den Einlassanschluss 28 einzuspritzen. Das System nach der vorliegenden Ausführungsform umfasst eine ECU (elektronische Steuereinheit), die in der Figur nicht gezeigt ist. Die ECU ist mit der vorstehend genannten Zündkerze 26 und der Einspritzung verbunden. Die ECU veranlasst die Einspritzung dazu, den Kraftstoff während eines Ansaughubs einzuspritzen, und ermöglicht es der Zündkerze 26, während eines Kompressionshubs als eine Funkenzündung zu arbeiten.
Der stromabwärtige Abschnitt des Einlassanschlusses 28 ist in zwei Zweige aufgeteilt. Ein Einlassventil 32 ist für jedes der verzweigten stromabwärtigen Enden des Einlassanschlusses 28 vorgesehen, um den Einlassanschluss 28 gegenüber der Brennkammer 24 zu öffnen und zu schließen. In ähnlicher Weise ist der stromaufwärtige Abschnitt des Auslassanschlusses 30 in zwei Zweige aufgeteilt. Ein Auslassventil 34 ist für jedes der verzweigten stromaufwärtigen Enden des Auslassanschlusses 30 vorgesehen, um den Auslassanschluss 30 gegenüber der Brennkammer 24 zu öffnen und zu schließen. In der vorliegenden Erfindung sind die Anzahl von Zweigen des Einlassanschlusses und des Auslassanschlusses, die Anzahl der Einlassventile und die Anzahl der Auslassventile nicht speziell beschränkt.
Eine sphärische Einbuchtung wird an dem mittleren Abschnitt 36 der oberen Fläche 35 des Kolbens 16 gebildet, der der Brennkammer gegenüberliegt. Zudem wird auf einem äußeren Rand 38 der oberen Fläche 35 des Kolbens 16 eine schräge Quetschfläche gebildet. Die schräge Quetschfläche ist von dem äußeren Rand zum mittleren Abschnitt 36 orientiert und hin zur Brennkammer nach oben gekippt. Eine andere schräge Quetschfläche wird an einem äußeren Rand 40 der konkaven Unterseite des Zylinderkopfs 22 gebildet, der die Brennkammer 24 bildet, und ist gegenüber dem äußeren Rand 38 angeordnet. In anderen Worten wird ein Quetschbereich zwischen den äußeren Rändern 38, 40 gebildet.
2 ist ein Schaubild, das den Aufbau der oberen Fläche 35 des Kolbens 16 nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 2 ist eine Draufsicht der oberen Fläche 35 des Kolbens 16 in der Richtung des Pfeils B in 1. Wie in 2 gezeigt, werden Ventilaussparungen 48_IN , die jeweils zu einem schirmförmigen Abschnitt eines der beiden Einlassventile 32 passen, auf der oberen Fläche 35 des Kolbens 16 gebildet. In ähnlicher Weise werden Ventilaussparungen 48_EX , die jeweils zu einem schirmförmigen Abschnitt eines der beiden Auslassventile 34 passen, auf der oberen Fläche 35 gebildet. Zudem werden vier äußere Ränder 38, die den vorstehend erläuterten Quetschbereich bilden, auf der oberen Fläche 35 gebildet und so positioniert, dass sie die Ventilaussparungen 48_IN , 48_EX zwischen sich aufnehmen.
(Charakteristischer Aufbau)
Ein Ansaugfluss in dem System nach der vorliegenden Ausführungsform, der der Fluss eines Ansauggases (eines Luft-Kraftstoff-Gemisches) ist, das man durch Mischen von Kraftstoff mit Frischluft erhält, wird nun beschrieben. 1 zeigt einen typischen Ansaugfluss, der in dem Zylinder 14 während des Ansaughubs des Systems nach der vorliegenden Ausführungsform gebildet wird. Der durchgezogene Pfeil a1 gibt den Fluss des Ansauggases wieder, das durch den Einlassdurchlass 28 während des Ansaughubs eingelassen wird und entlang der hinteren Oberfläche des schirmförmigen Abschnitts des Einlassventils 32, der dem Einlassanschluss 28 gegenüberliegt, der oberen Fläche 42 der Brennkammer 24 zugeführt wird. Der durchgezogene Pfeil a2 gibt den Fluss des Ansauggases wieder, das während des Ansaughubs von der oberen Fläche 42 der Brennkammer 24 entlang der vorderen Oberfläche des schirmförmigen Abschnitts des Auslassventils 34, der der Brennkammer 24 gegenüberliegt, zu einer Auslassseitenwand 44 des Zylinders 14 geführt wird. Der durchgezogene Pfeil a3 gibt den Fluss des Ansauggases wieder, das mit der Auslassseitenwand 44 des Zylinders 14 und mit der oberen Fläche 35 während des Ansaughubs in Kontakt gebracht wird und zu einer Einlassseitenwand 46 des Zylinders 14 eingeführt wird. Wie vorstehend beschrieben wird in dem System nach der vorliegenden Ausführungsform eine durch die durchgezogenen Pfeile a1 bis a3 wiedergegebene Wirbelströmung gebildet. Der durchgezogene Pfeil a3 ist senkrecht zu der Achslinie des Kolbenbolzens 18 ausgerichtet.
Gestrichelte Pfeile a3 in 2 geben wie im Fall des durchgezogenen Pfeils a3 in 1 den Fluss des Ansauggases wieder, das während des Ansaughubs mit der oberen Fläche 35 in Kontakt kommt. Eine Region 50 auf der oberen Fläche 35, die in 2 gezeigt ist, ist eine Region, in der das Ansauggas in Kontakt mit der oberen Fläche 35 kommt und als eine Wirbelströmung fließt. Die Region 50 wird nachstehend als die Wirbelströmungskontaktregion oder nichtadiabate Region bezeichnet.
Es ist vorstellbar, dass sich die Festlegung der Wirbelströmungskontaktregion 50 auf der oberen Fläche 35 des Kolbens 16 beispielsweise mit den Spezifikationen der Maschine mit interner Verbrennung ändert, bei der die vorliegende Erfindung angewendet wird, wie den Formen des Einlassanschlusses 28 und der oberen Fläche 35 und der Position und den Ventilöffnungseigenschaften des Einlassventils 32. Im Allgemeinen wird daher die Wirbelströmungskontaktregion 50 auf einer experimentellen Basis für jede Maschine mit interner Verbrennung festgelegt. Beispielsweise kann eine Region der oberen Fläche 35, mit der die Wirbelströmung in Kontakt kommt, eine thermische Leitfähigkeit aufweisen, die nicht niedriger als ein Schwellenwert ist, und durch ein Experiment oder auf ähnliche Weise als die Wirbelströmungskontaktregion 50 definiert wird, die durch einen starken Luftstrom berührt wird. Im Hinblick darauf wird angenommen, dass die obere Fläche 35 außer der Wirbelströmungskontaktregion 50 durch einen schwachen Luftstrom berührt wird, der eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die nicht höher als der Schwellenwert ist und nicht von der Wirbelströmung berührt wird.
Wie vorstehend beschrieben, wird die Wirbelströmung während des Ansaughubs gebildet, wenn der Aufbau nach der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird. Der Ansaugfluss, der die Wirbelströmung ist, fließt von der Auslassseite des Zylinders 14 zur oberen Fläche 35 des Kolbens 16 und strömt zur Einlassseite des Zylinders 14 daran vorbei, während er mit der oberen Fläche 35 in Kontakt ist. Folglich kommt ein starker Luftstrom mit der Wirbelströmungskontaktregion 50 der oberen Fläche 35 in Kontakt.
In dem System nach der vorliegenden Ausführungsform ist zumindest ein Teil der oberen Fläche 35 außer der Wirbelströmungskontaktregion 50 als eine adiabate Region aufgebaut, in der eine isolierende Schicht gebildet ist. Beispielsweise wird eine Region 52 außer der Wirbelströmungskontaktregion 50 als die adiabate Region aufgebaut, in welcher die isolierende Schicht gebildet wird. Mit Bezug auf 2 ist die Region 52 (adiabate Region) relativ zu der Wirbelströmung, die sich von der Auslassseite zur Einlassseite erstreckt, während sie mit der oberen Fläche 35 des Kolbens 16 in Kontakt ist, seitlich angeordnet. Ein keramisches oder anderes wärmeisolierendes Teil wird als Wärmeisolator bzw. wärmeisolierendes Teil verwendet, der die isolierende Schicht bildet.
Zudem wird in dem System nach der vorliegenden Ausführungsform die Wirbelströmungskontaktregion 50, die durch einen starken Luftzug berührt wird, als eine nichtadiabate Region aufgebaut, in der keine isolierende Schicht gebildet wird. Wie vorstehend erwähnt wird die Wirbelströmungskontaktregion 50 experimentell für jede Maschine 10 mit interner Verbrennung definiert. Daher wird nachstehend ein typisches Beispiel beschrieben. Es wird definiert, dass die langen Seiten der Wirbelströmungskontaktregion 50 sich von einer Position, welche die Auslassseitenwand 44 des Zylinders 14 berührt, bis zu einer Position erstrecken, die die Einlassseitenwand 46 des Zylinders 14 berührt, um über den mittleren Abschnitt 36 der oberen Fläche 35 zu gehen. Die kurzen Seiten der Wirbelströmungskontaktregion 50 werden wie nachstehend beschrieben definiert. Als Erstes werden das Einlassventil 32 und das Auslassventil 34, die einander gegenüberliegen, als ein Paar behandelt. In dem System nach der vorliegenden Ausführungsform sind zwei Paare von Einlassventilen 32 und von Auslassventilen 34 parallel angeordnet. Als Nächstes stehen die schirmförmigen Abschnitte jedes Paars der Einlass- und Auslassventile 32, 34 hin zur oberen Fläche 35 vor. Dann wird ein Liniensegment gezogen, um die Mitten der vorstehenden schirmförmigen Abschnitte der Einlass- und Auslassventile 32, 34 zu verbinden. Parallele Liniensegmente werden für die zwei Paare gezogen. Der Abstand zwischen den parallelen Liniensegmenten wird als die kurzen Seiten der Wirbelströmungskontaktregion 50 definiert. Die Wirbelströmungskontaktregion 50 wird als ein streifenförmiger Bereich auf der oberen Fläche 35 definiert, der durch die vorstehend erläuterten parallelen Liniensegmente umschlossen ist.
Wie vorstehend beschrieben ermöglicht es der Aufbau nach der vorliegenden Ausführungsform, der in den 1 und 2 gezeigt ist, die Menge an Wärme zu verringern, die von einem Brenngas an den Kolben 16 übertragen wird, und Kühlverluste zu verringern, wenn die Region 52, die während des Ansaughubs nicht von einem starken Luftstrom berührt wird, als die adiabate Region aufgebaut ist.
Zudem stellt der Aufbau nach der vorliegenden Ausführungsform sicher, dass die Temperatur der Wirbelströmungskontaktregion 50 niedriger ist, als wenn die isolierende Schicht gebildet wird, wenn die Wirbelströmungskontaktregion 50, die während des Ansaughubs durch eine starke Wirbelströmung berührt wird und eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, als die nichtadiabate Region aufgebaut ist. Wenn die Temperatur der Wirbelströmungskontaktregion 50 sinkt, kann die thermische Dosis verringert werden, die von der oberen Fläche des Kolbens auf das Ansauggas wirkt. Dies ermöglicht es, die Temperatur des Ansauggases bei einem Kompressionsende zu verringern und das Auftreten von Klopfen zu unterdrücken.
Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht es das System nach der vorliegenden Ausführungsform in einer Maschine mit interner Verbrennung, in der eine Wirbelströmung in einem Zylinder gebildet wird, nicht nur das Auftreten von Klopfen zu unterdrücken, sondern auch den Kühlverlust zu verringern. Folglich kann eine vorteilhafte thermische Effizienz erzielt werden.
In dem vorstehend beschriebenen System nach der ersten Ausführungsform werden die kurzen Seiten der Wirbelströmungskontaktregion 50 als der Abstand zwischen den parallelen Liniensegmenten für die zwei Paare der Einlass- und Auslassventile 32, 34 in einer Situation definiert, in der die Liniensegmente gezogen werden, um die Mitten der vorstehenden schirmförmigen Abschnitte der Einlass- und Auslassventile 32, 34 zu verbinden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf ein solches Verfahren der Definition der kurzen Seiten der Wirbelströmungskontaktregion 50 beschränkt. Eine erste Alternative ist es, parallele Tangentenlinien zu ziehen, die als gemeinsame Tangentenlinien für die vorstehenden schirmförmigen Abschnitte von zwei Paaren der Einlass- und Auslassventile 32, 34 zählen und hin zur Mitte des Kolbens 16 positioniert sind, und die kurzen Seiten der Wirbelströmungskontaktregion 50 als den Abstand zwischen den parallelen Tangentenlinien zu definieren, die für die zwei Paare der Einlass- und Auslassventile 32, 34 gezogen werden. Eine zweite Alternative ist es, parallele Tangentenlinien zu ziehen, die als gemeinsame Tangentenlinien für die vorstehenden schirmförmigen Abschnitte von zwei Paaren der Einlass- und Auslassventile 32, 34 zählen und hin zu den äußeren Rändern des Kolbens 16 positioniert sind, und die kurzen Seiten der Wirbelströmungskontaktregion 50 als den Abstand zwischen den parallelen Tangentenlinien zu definieren, die für die zwei Paare der Einlass- und Auslassventile 32, 34 gezogen sind. Dies gilt auch für die nachfolgende Ausführungsform.
Zudem wird in dem vorstehend beschriebenen System nach der ersten Ausführungsform angenommen, dass eine Einspritzung in den Einlassanschluss 28 als die Einspritzung verwendet wird. Alternativ kann jedoch eine Direkteinspritzung in den Zylinder 14 verwendet werden. Dies gilt auch für die nachfolgende Ausführungsform.
In der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform entspricht der Kolben 16 dem „Kolben“ nach den ersten und zweiten Aspekten der vorliegenden Erfindung; die obere Fläche 35 entspricht der „oberen Fläche des Kolbens“ nach den ersten und zweiten Aspekten der vorliegenden Erfindung; die Wirbelströmungskontaktregion 50 entspricht der „nichtadiabaten Region“ nach den ersten und zweiten Aspekten der vorliegenden Erfindung; und die Region 52 entspricht der „adiabaten Region“ nach den ersten und zweiten Aspekten der vorliegenden Erfindung.
Zweite Ausführungsform
(Grundlegender Aufbau)
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die 3(A) und 3(B) beschrieben. Das System nach der zweiten Ausführungsform weist im Wesentlichen denselben Aufbau wie das System nach der ersten Ausführungsform auf, mit Ausnahme dessen, dass ein später erläuterter Kolben 60 anstelle des Kolbens 16 verwendet wird, der in 1 gezeigt ist.
3(A) ist eine Draufsicht, die den Aufbau der oberen Fläche 62 des Kolbens 60 in dem System nach der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Wie in 3(A) gezeigt werden Ventilaussparungen 64_IN , die jeweils zu einem schirmförmigen Abschnitt von einem von zwei Einlassventilen 32 passen, auf der oberen Fläche 62 des Kolbens 60 gebildet. In ähnlicher Weise werden Ventilaussparungen 64_EX , die jeweils zu einem schirmförmigen Abschnitt von einem von zwei Auslassventilen 34 passen, auf der oberen Fläche 62 gebildet. Zudem werden zwei äußere Ränder 66, die einen Quetschbereich bilden, auf der oberen Fläche 62 gebildet und so positioniert, dass sie die Ventilaussparungen 64_IN , 64_EX umschließen.
3(B) ist eine Längsschnittansicht des Kolbens 60 entlang der Linie C-C der 3(A). Ein Kolbenbolzenauge 68 ist an der Unterseite des Kolbens 60 angeordnet. Das Kolbenbolzenauge 68 ist an jedem von seitlichen Abschnitten angeordnet, die senkrecht zu der Einlass-/Auslassrichtung der oberen Fläche 62 positioniert sind. Der in 1 gezeigte Kolbenbolzen 18 ist in das Kolbenbolzenauge 68 eingefügt.
(Maßgeblicher Aufbau)
Nun wird der Ansaugfluss in dem System nach der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, der der Fluss des Ansauggases (der Luft-Kraftstoff-Mischung) ist, das durch Mischen von Kraftstoff mit Frischluft erhalten wird. In dem System nach der vorliegenden Ausführungsform wird die durch die durchgezogenen Pfeile a1 bis a3 wiedergegebene Wirbelströmung wie in dem Fall des in 1 gezeigten zuvor beschriebenen Systems gebildet.
Pfeil a3, der in 3(A) gezeigt ist, gibt den Fluss des Ansauggases wieder, das während des Ansaughubs in Kontakt mit der oberen Fläche 62 ist, wie in dem Fall des durchgezogenen Pfeils a3 in 1. Eine Region 70 auf der oberen Fläche 62, die in 3(A) gezeigt ist, ist eine Region, in der das Ansauggas in Kontakt mit der oberen Fläche 62 als eine Wirbelströmung fließt. Die Region 70 wird nachstehend als die Wirbelströmungskontaktregion bezeichnet.
Es ist vorstellbar, dass sich die Definition der Wirbelströmungskontaktregion 70 auf der oberen Fläche 62 des Kolbens 60 beispielsweise mit den Spezifikationen für die Maschine mit interner Verbrennung ändert, auf welche die vorliegende Erfindung angewendet wird, wie in dem Fall der Definition der Wirbelströmungskontaktregion 50 in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform. Im Allgemeinen wird daher die Wirbelströmungskontaktregion 70 auf einer experimentellen Basis für jede Maschine mit interner Verbrennung festgelegt. Das Verfahren der Definition der Wirbelströmungskontaktregion 70 wird hier nicht beschrieben, weil es gleich dem in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Wirbelströmungskontaktregion 50 beschriebenen ist. Beispielsweise zeigt 3(A) eine elliptische Wirbelströmungskontaktregion 70, die den mittleren Abschnitt des Kolbens 60 umfasst und sich entlang des Ansaugflusses erstreckt.
Wie vorstehend beschrieben wird die Wirbelströmung während des Ansaughubs gebildet, wenn der Aufbau nach der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird. Der Ansaugfluss, der die Wirbelströmung ist, fließt von der Auslassseitenwand 44 des Zylinders 14 zur oberen Fläche 62 des Kolbens 60 und geht in Richtung der Einlassseitenwand 46 des Zylinders 14 die obere Fläche 62 berührend an dieser vorbei. Folglich kommt ein starker Luftfluss mit der Wirbelströmungskontaktregion 70 der oberen Fläche 62 in Kontakt.
In dem System nach der vorliegenden Ausführungsform ist zumindest die Wirbelströmungskontaktregion 70, die von dem starken Luftfluss berührt wird, als eine nichtadiabate Region aufgebaut, in der keine isolierende Schicht gebildet wird. In 3(A) wird eine Region außer der Wirbelströmungskontaktregion 70 auf der oberen Fläche 62 ebenfalls als die nichtadiabate Region aufgebaut.
Zudem wird in dem System nach der vorliegenden Ausführungsform wie in 3(B) gezeigt ein Wärmeisolator 72 in den Kolben 60 eingebettet und an einer Position knapp unterhalb der oberen Fläche 62 angeordnet. Von oberhalb des Kolbens 60 gesehen wird der Wärmeisolator 72 an einer Grenze zwischen der Wirbelströmungskontaktregion 70 und der anderen Region angeordnet. In einem typischen Beispiel wird der Wärmeisolator 72 an zwei Positionen angeordnet und parallel zu der Richtung des Ansaugflusses wie in 3(B) gezeigt ausgerichtet. Der Wärmeisolator 72 ist beispielsweise wie ein rechteckiges Parallelepiped geformt. Die Form des Wärmeisolators 72 ist jedoch nicht auf ein rechteckiges Parallelepiped beschränkt. Ein keramisches oder anderes wärmeisolierendes Teil wird als der Wärmeisolator 72 verwendet.
In anderen Worten wird der in 3(B) gezeigte Wärmeisolator 72 innerhalb desKolbens 60 oberhalb des Kolbenbolzenauges 68 positioniert und senkrecht zu der axialen Richtung des Kolbenbolzenauges 68 (der axialen Richtung des Kolbenbolzens 18) und parallel zu der oberen Fläche 62 ausgerichtet.
In dem vorstehend erläuterten Aufbau nach der vorliegenden Ausführungsform weist die Wirbelströmungskontaktregion 70, die während des Ansaughubs mit einer starken Wirbelströmung in Kontakt ist, einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten auf. Aufgrund einer hohen thermischen Leitfähigkeit wird Wärme von dem Kolben 60 an das Ansauggas übertragen. Dies verringert die Temperatur der Wirbelströmungskontaktregion 70. Da eine Region außer der Wirbelströmungskontaktregion 70 in diesem Moment eine hohe Temperatur aufweist, wird Wärme an die Wirbelströmungskontaktregion 70 übertragen, in der die Temperatur verringert ist. Diese Wärmeübertragung findet statt, um ein thermisches Gleichgewicht aufrecht zu erhalten.
Der Wärmeisolator 72, der in den Kolben 60 nach der vorliegenden Ausführungsform eingefügt ist, blockiert jedoch die Wärmeübertragung. Da die Wärmeübertragung blockiert wird, kann die Temperatur der Wirbelströmungskontaktregion 70, die von einer starken Wirbelströmung berührt wird, niedrig gehalten werden, um die thermische Dosis zu verringern, die auf das Ansauggas wirkt. Dies ermöglicht es, die Temperatur des Ansauggases am Kompressionsende zu verringern und das Auftreten von Klopfen zu unterdrücken. Nach der vorliegenden Erfindung kann daher das Auftreten von Klopfen in einer Maschine 10 mit interner Verbrennung unterdrückt werden, in der eine Wirbelströmung in einem Zylinder 14 gebildet wird.
In dem vorstehend beschriebenen System nach der zweiten Ausführungsform ist der Wärmeisolator 72 an zwei Positionen angeordnet und parallel zu der Richtung des Ansaugflusses in dem Kolben 60 orientiert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Anordnung des Wärmeisolators 72 beschränkt. Beispielsweise kann der Wärmeisolator 72 so angeordnet sein, dass er den gesamten äußeren Umfang oder einen Teil der Wirbelströmungskontaktregion 70 umgibt.
Zudem ist in dem vorstehend beschriebenen System nach der zweiten Ausführungsform die obere Fläche 62 vollständig als die nichtadiabate Region aufgebaut. Eine Region außer der Wirbelströmungskontaktregion 70 kann jedoch als die adiabate Region aufgebaut sein, in welcher die isolierende Schicht gebildet wird.
In der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform entspricht der Kolben 60 dem „Kolben“ nach den dritten und vierten Aspekten der vorliegenden Erfindung; die obere Fläche 62 entspricht der „oberen Fläche des Kolbens“ nach den dritten und vierten Aspekten der vorliegenden Erfindung; der Wärmeisolator 72 entspricht dem „wärmeisolierenden Teil“ nach den dritten und vierten Aspekten der vorliegenden Erfindung; die Wirbelströmungskontaktregion 70 entspricht der „Wirbelströmungskontaktregion“ nach dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung; eine Region auf der oberen Fläche 62, welche die Wirbelströmungskontaktregion 70 umfasst, entspricht der „nichtadiabaten Region“ nach den dritten und vierten Aspekten der vorliegenden Erfindung; und das Kolbenbolzenauge 68 entspricht dem „Kolbenbolzenauge“ nach dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung.

Claims

Ein Kolben (16) für eine Maschine (10) mit interner Verbrennung, mit: einer nichtadiabaten Region (50), die einen mittleren Abschnitt (36) einer oberen Fläche (35) des Kolbens (16) umfasst, wobei die obere Fläche (35) des Kolbens (16) eine Kante aufweist, die eine Kolbenwand des Kolbens (16) berührt, wobei die nichtadiabate Region (50) wie ein Streifen geformt ist, der sich von der Kante auf einer Einlassseite zu einer Kante auf einer gegenüberliegenden Auslassseite der oberen Fläche (35) des Kolbens (16) erstreckt, wobei die nichtadiabate Region (50) keine isolierende Schicht aufweist; und einer adiabaten Region (52), die auf einem Teil der oberen Fläche (35) des Kolbens (16) außer der nichtadiabaten Region (50) angeordnet ist, wobei die adiabate Region (52) eine isolierende Schicht aufweist.
Ein Kolben (60) für eine Maschine (10) mit interner Verbrennung, in der eine Wirbelströmung (a1-a3) in einem Zylinder (14) gebildet wird, wobei der Kolben (60) Folgendes aufweist: eine nichtadiabate Region, die auf einer oberen Fläche (62) des Kolbens (60) angeordnet ist, wobei die nichtadiabate Region mindestens eine Wirbelströmungskontaktregion (70) umfasst, mit der die Wirbelströmung (a3) während eines Ansaughubs in Kontakt ist, wobei die nichtadiabate Region keine isolierende Schicht aufweist; und einen Wärmeisolator (72), der innerhalb des Kolbens entlang der Wirbelströmungskontaktregion (70) verlaufend angeordnet ist.
Ein Kolben (60) für eine Maschine (10) mit interner Verbrennung, in der eine Wirbelströmung (a1-a3) in einem Zylinder (14) gebildet wird, wobei der Kolben (60) Folgendes umfasst: eine obere Fläche (62), die eine Wirbelströmungskontaktregion (70) und eine andere Region aufweist, wobei die Wirbelströmungskontaktregion (70) keine isolierende Schicht aufweist, in der ein Ansauggas in Kontakt mit einem mittleren Abschnitt (36) der oberen Fläche (62) als die Wirbelströmung fließt, wobei die Wirbelströmungskontaktregion (70) so definiert ist, dass sich Längsseiten derselben von einer mit einer Auslassseitenwand (44) des Zylinders (14) in Kontakt stehenden Position bis zu einer Position erstrecken, die in Kontakt mit einer Einlassseitenwand (46) des Zylinders (14) ist; und ein Wärmeisolator (72), der innerhalb des Kolbens (60) an einem Abschnitt angeordnet ist, der von oberhalb des Kolbens (60) gesehen zu einer Grenze zwischen der Wirbelströmungskontaktregion (70) und der anderen Region passt.