DE112021003903T5

DE112021003903T5 - Verfahren zum Betreiben eines Motors und Kolben mit nicht-einspringenderVerbrennungsmulde und Anti-Russbildungsrampe

Info

Publication number: DE112021003903T5
Application number: DE112021003903.2T
Authority: DE
Inventors: Eric Lee Schroeder; Jonathan Kevin Tooker; Adam Joseph Clute
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2023-05-11
Also published as: US11047293B1; WO2022066392A1; CN116324136A

Abstract

Der Betrieb eines Verbrennungsmotors beinhaltet das Befördern von Kraftstoff aus Sprühabgasfahnen von direkt eingespritztem Kraftstoff aus einer Verwirbelungstasche in einer Verbrennungsmulde in einem Kolben und das Auftreffen des Kraftstoffs auf eine Anti-Rußbildungsrampe, die zwischen einer radial inneren Regaloberfläche der Verbrennungsmulde und einer radial äußeren Quetschwirbeloberfläche des Kolbens übergeht. Die Regaloberfläche ist in einem axialen (FA) Abstand von einer durch die Quetschwirbeloberfläche definierten Ebene angeordnet, der 1 % bis 2 % der Abmessung (OD) des Außendurchmessers des Kolbens beträgt. Das Auftreffen des Kraftstoffs auf die Anti-Rußbildungsrampe richtet den Kraftstoff von der Quetschwirbeloberfläche nach oben, um die Wandbenetzung in dem Verbrennungszylinder zu begrenzen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf die Motorbetriebsmethodik und die Kolbengeometrie für die reduzierte Produktion oder Rauch- oder Rußerzeugung und insbesondere auf einen Kolben mit einer Anti-Rußbildungsrampe für die Umlenkung des eingespritzten Kraftstoffs, der aus einer Verbrennungsmulde austritt, um die Wandbenetzung zu begrenzen.
Stand der Technik
Verbrennungsmotoren werden in verschiedenen Branchen routinemäßig zum Antrieb von Maschinen und Geräten verwendet. Beispiele für Branchen, die solche Maschinen und Geräte verwenden, beinhalten die Schifffahrt, die Erdbewegung, das Bauwesen, den Bergbau, die Lokomotiv- und Landwirtschaftsbranche, um nur einige Beispiele zu nennen. Verbrennungsmotoren mit einer höheren Leistungsdichte werden in verschiedenen Anwendungen zunehmend benötigt. Solche Motoren haben manchmal sowohl mit starken Rußals auch mit hohen Ventiltemperaturen oder anderen hohen Zylinderkopfbauteiltemperaturen zu kämpfen, die sich in dem Nennzustand des Motors entwickeln. Strategien, die Verbesserungen bei einem Leistungsparameter ermöglichen, wie die reduzierte Rußproduktion, haben oft negative oder unvorhersehbare Auswirkungen auf andere Leistungsparameter, wie die Produktion von Stickstoffoxiden oder „NOx“, sodass die Ingenieure manchmal konkurrierende Überlegungen abwägen müssen.
Die Forschung und Entwicklung ist seit Jahrzehnten in Bezug auf die Art und Weise vorangekommen, in der Faktoren wie Kraftstoffzufuhr, Abgasrückführung oder AGR, Turbolader, variable Ventilbetätigung, Turbinen mit variabler Geometrie, Verwendung von Wastegates und eine Vielzahl anderer variiert werden können, um unterschiedliche Ergebnisse zu erzielen. Zusätzlich zum Variieren dieser und anderer Betriebsparameter konzentrierte sich ein großer Forschungs- und Leistungstestaufwand auf verschiedene Arten, wie Motorbauteile, in den letzten Jahren insbesondere Kolben, geformt und proportioniert werden können, um einen Bereich von gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Wie vorstehend angedeutet, ist eine Motivation, die die Fortschritte in der Verbrennungswissenschaft antreibt, der Wunsch, die relativen Mengen bestimmter Emissionen in den Motorabgasen zu reduzieren und/oder auszugleichen. Die Verbesserung oder Optimierung der Kraftstoffeffizienz von Motoren und das Verwalten von Komponentenverschleiß und/oder -ermüdung bleiben ebenfalls wichtige Ziele. Die gestiegenen Anforderungen an die Leistungsdichte haben einige dieser Herausforderungen und die Unvorhersehbarkeit von Sekundäreffekten, die sich aus dem Versuch ergeben, einen einzelnen Leistungsparameter zu manipulieren, hervorgehoben. Aus diesen Gründen können sich Gestaltungen und Strategien, die speziell für eine Anwendung entwickelt wurden, als weniger geeignet für andere erweisen.
Die US-Patentanmeldung, Veröffentlichungsnr. 2016/0169152 an Burger et al. schlägt einen Kolben vor, der eine obere Stegoberfläche mit einer Höhenabmessung aufweist. Der Kolben weist einen nominalen Außendurchmesser auf, sodass ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Höhe und dem Innendurchmesser der Motorbohrung erreicht wird, offensichtlich zum Zweck der Verbesserung des Motorbetriebs durch Erhöhung der Leistungsabgabe, Senkung des Kraftstoffverbrauchs und Verringerung der Emissionen.
Kurzdarstellung der Erfindung
In einem Aspekt beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors das Hin- und Herbewegen eines Kolbens, der eine Abmessung eines Kolbenaußendurchmessers (OD) definiert, in einem Verbrennungszylinder des Motors. Das Verfahren beinhaltet ferner das direkte Einspritzen eines flüssigen Kraftstoffs aus einer Mehrzahl von Sprühöffnungen in einer Kraftstoffeinspritzdüse, die eine Längsachse definiert, in den Verbrennungszylinder in dem Motor und das Vorschieben von Sprühabgasfahnen des eingespritzten flüssigen Kraftstoffs nach außen und nach unten aus der Mehrzahl von Sprühöffnungen durch eine Verbrennungsmulde des Kolbens mit einem nicht-einspringenden Profil. Das Verfahren beinhaltet ferner das Fördern von Kraftstoff aus den Sprühabgasfahnen aus einer Verwirbelungstasche einer Verbrennungsschale in ein Regalvolumen einer Verbrennungsmulde, die zwischen einer Ebene, die durch eine radial äußere Quetschwirbeloberfläche definiert ist, und einer radial inneren Regaloberfläche ausgebildet wird, die in einem axialen (FA) Abstand von der Ebene beabstandet ist, die 1 % bis 2 % der OD-Abmessung beträgt. Das Verfahren beinhaltet ferner das Auftreffen des Kraftstoffs der Sprühabgasfahnen, die aus dem Regalvolumen der Verbrennungsmulde austreten, auf eine Anti-Rußbildungsrampe, die zwischen der radial inneren Regaloberfläche und der radial äußeren Quetschwirbeloberfläche übergeht. Das Verfahren beinhaltet ferner das Richten des Kraftstoffs der Sprühabgasfahnen, die aus dem Regalvolumen der Verbrennungsmulde austreten, von der Quetschwirbeloberfläche nach oben, auf Grundlage des Aufpralls des Kraftstoffs auf die Anti-Rußbildungsrampe, um die Wandbenetzung in dem Verbrennungszylinder zu begrenzen.
In einem anderen Aspekt beinhaltet ein Kolben, der dazu konfiguriert ist, sich in einem Verbrennungszylinder in einem Verbrennungsmotor hin- und herzubewegen, einen ringförmigen Körper, der einen Kolbenbodenabschnitt beinhaltet, der eine Längsachse definiert und einen radial äußeren Lippenabschnitt aufweist, der eine Ebene definiert, die normal zu der Längsachse ausgerichtet ist. Der Kolbenbodenabschnitt beinhaltet ferner eine Verbrennungsmulde mit einem radial inneren Regalabschnitt, der in einem ersten axialen (FA) Abstand von der Ebene beabstandet ist, und einer Bodenoberfläche, die in einem zweiten axialen (SA) Abstand von der Ebene angeordnet ist. Der Kolben beinhaltet ferner eine Außenoberfläche, die eine Außendurchmesser (OD) Abmessung des Kolbens definiert, und ein Verhältnis zwischen dem FA-Abstand und dem OD-Abstand beträgt 1 % bis 2 %, und ein Verhältnis zwischen dem FA-Abstand und dem SA-Abstand beträgt von 7 % bis 11 %. Die Verbrennungsmulde bildet ein nicht-einspringendes Profil aus, und der Kolbenbodenabschnitt beinhaltet ferner eine Anti-Rußbildungsrampe, die zwischen dem radial inneren Regalabschnitt und dem radial äußeren Lippenabschnitt übergeht, um einen Fluss von eingespritztem Kraftstoff, der aus der Verbrennungsmulde austritt, von dem radial äußeren Lippenabschnitt nach oben umzulenken, sodass die Wandbenetzung in dem Verbrennungszylinder begrenzt wird.
In einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Kolben für einen Verbrennungsmotor einen ringförmigen Kolbenbodenkörper, der eine Längsachse definiert und einen radial äußeren Lippenabschnitt aufweist, der eine Ebene definiert, die senkrecht zu der Längsachse ausgerichtet ist. Der ringförmige Kolbenbodenkörper beinhaltet ferner eine Verbrennungsmulde mit einem radial inneren Regalabschnitt, der in einem ersten axialen (FA) Abstand von der Ebene beabstandet ist, einer konkaven Bodenoberfläche, die in einem zweiten axialen (SA) Abstand von der Ebene beabstandet ist, und einer äußeren Muldenoberfläche, die eine Tangente definiert, die einen spitzen eingeschlossenen Winkel mit der sich in einer radialen Richtung nach innen öffnenden Ebene ausbildet. Der Kolben beinhaltet ferner ein Kolbenhemd, das an dem ringförmigen Kolbenbodenkörper befestigt ist und eine Abmessung des Kolbenaußendurchmessers (OD) definiert, die 169 Millimeter bis 170 Millimeter beträgt, und der FA-Abstand beträgt 1,9 Millimeter bis 2,5 Millimeter. Der radial äußere Lippenabschnitt beinhaltet eine ebene Quetschwirbeloberfläche und der radial innere Regalabschnitt beinhaltet eine ebene Regaloberfläche, und eine Anti-Rußbildungsrampe geht zwischen der ebenen Regaloberfläche und der ebenen Quetschwirbeloberfläche über und weist ein konkav krummliniges Profil auf.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine geschnittene Seitenansicht des Verbrennungsmotors von 1, die einen Kolben gemäß einer Ausführungsform zeigt;
3 ist eine vergrößerte Seitenansicht des Kolbens von 2;
4 ist eine weitere geschnittene Seitenansicht eines Kolbens wie in 3;
5 ist ein CFD- (rechnergestützte Strömungsdynamik) Diagramm, das zeigt, wie Flüssigkeiten, die aus einer Verbrennungsmulde in einem Kolben austreten, von einer Verbrennungszylinderwand weggeleitet werden, gemäß einer Ausführungsform;
6 ist ein CFD-basiertes Balkendiagramm, das eine Verbesserung der Abgasventiltemperatur gemäß einer Ausführungsform zeigt;
7 ist ein CFD-basiertes Balkendiagramm, das eine Verbesserung der Kopfdecktemperatur gemäß einer Ausführungsform zeigt; und
8 ist ein CFD-basiertes Balkendiagramm, das eine Verbesserung der Rauch- oder Rußproduktion gemäß einer Ausführungsform zeigt.

Ausführliche Beschreibung
Verschiedene Ausführungsformen eines Kolbens, der in einem Verbrennungsmotor verwendet werden kann, und eines Kolbenbodenabschnitts oder eines Kolbenbodens mit einer Kolbenmuldengeometrie gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin offenbart. Wie aus der folgenden Beschreibung weiter hervorgeht, wird erwartet, dass Kolben gemäß der vorliegenden Offenbarung eine höhere Leistungsdichte, reduzierte Rauch- oder Rußemissionen und reduzierte Temperaturen der Zylinderkopfbauteile bereitstellen, wenn ein zugeordneter Verbrennungsmotor mit seiner Nennlast betrieben wird.
Unter Bezugnahme nun auf 1 ist ein Verbrennungsmotor 100 gezeigt, der verschiedene Ausführungsformen der Betriebsmethodik und der Kolbengeometrie gemäß den hierin dargelegten Grundsätzen einsetzen kann. Der Motor 100 kann einen Motorblock 102, in dem sich der Kolben (in 1 nicht gezeigt) hin- und herbewegt, und einen Zylinderkopf 104 beinhalten, der verschiedene Motorbauteile für die Einleitung von Flüssigkeiten in die Bohrung/den Verbrennungszylinder enthalten kann, die sich in dem Motorblock 102 befindet.
Der Motor 100 könnte eine beliebige Anzahl von Verbrennungszylindern und Kolben in beliebiger Anordnung, wie einem V-Muster oder einem In-Reihe-Muster, beinhalten.
Unter Bezugnahme ebenso auf 2 ist ein Abschnitt des Motors 100 geschnitten gezeigt, einschließlich einer Brennkammer oder eines Zylinders 106, die/der eine allgemein zylindrische Form aufweisen kann, die innerhalb einer Zylinderbohrung 108 definiert ist, die in dem Kurbelgehäuse oder Motorblock 102 des Motors 100 ausgebildet ist. Der Verbrennungszylinder 106 wird ferner an einem Ende durch eine Flammendeckoberfläche 110 des Zylinderkopfs 104 und an dem anderen Ende durch einen Kolbenbodenabschnitt oder Kolbenboden 402 eines Kolbens 400 definiert, der dazu konfiguriert ist, sich in der Bohrung 108 hin- und herzubewegen, und mit einer Pleuelstange 124 verbunden ist, die mit einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) gekoppelt ist. Eine Kraftstoffeinspritzdüse 112 ist in dem Zylinderkopf 104 montiert. Die Einspritzdüse 112 weist eine Spitze 114 auf, die durch die Flammendeckoberfläche 110 innerhalb des Verbrennungszylinders 106 vorsteht, sodass sie Kraftstoff direkt in den Verbrennungszylinder 106 einspritzen kann. Der Motor 100 kann ein Selbstzündungsmotor sein, sodass sich der Kolben 400 hin- und herbewegt, um ein Gemisch, das direkt eingespritzten Flüssigkraftstoff, wie Diesel-Destillatkraftstoff, enthält, bis zu einer Selbstzündungsschwelle zu verdichten, und zwar nach einem herkömmlichen Viertaktmuster.
Während des Betriebs des Motors 100 werden Luft und möglicherweise Luft und andere Ansauggase, wie rückgeführte Abgase, über einen Lufteinlasskanal 115 in den Verbrennungszylinder 106 eingelassen, wenn ein oder mehrere Einlassventile 117 (eines wird gezeigt) während eines Ansaugtakts geöffnet sind. In einer bekannten Konfiguration kann Kraftstoff unter hohem Druck, wie Diesel-Destillatkraftstoff, durch die Düsenöffnungen/- anschlüsse in der Spitze 114 strömen, um Kraftstoffstrahlen oder Kraftstoffsprühabgasfahnen auszubilden, die in den Verbrennungszylinder 106 eintreten. Jede Düsenöffnung bildet einen Kraftstoffabgasfahne 118, die sich im Allgemeinen ausbreitet, um ein vorbestimmtes Kraftstoff/Luft-Gemisch zu bilden, das in einem Selbstzündermotor selbstzündet und verbrennt. Die Kraftstoffsprühabgasfahnen 118 können von der Einspritzdüse 112 in einem eingeschlossenen Winkel β von beispielsweise 110° bis 150° bereitgestellt werden, es können aber auch andere Winkel verwendet werden. Nach der Verbrennung wird das Abgas aus dem Brennzylinder 106 durch eine Abgasleitung 120 ausgestoßen, wenn ein oder mehrere Abgasventile 122 während eines Ausstoßtakts geöffnet sind.
Unter Bezugnahme nun auf 3 ist der Kolben 400 gezeigt, der weitere Einzelheiten veranschaulicht. Der Kolben 400 kann aus Stahl, einer gegossenen Aluminiumlegierung, einer geschmiedeten Aluminiumlegierung oder einem anderen geeigneten Material hergestellt werden, das langlebig und korrosionsbeständig usw. ist. Die Geometrie des Kolbenbodenabschnitts kann während des Gieß- oder Schmiedevorgangs ausgebildet werden und kann dann, falls erforderlich, grob bearbeitet und/oder fertig bearbeitet werden. Geeignete Bearbeitungsvorgänge können Fräsen, Drehen, Funkenerosion oder noch andere beinhalten.
Der Kolben 400 kann einen ringförmigen Körper 404 beinhalten, der einen Kolbenbodenabschnitt 402 beinhaltet und eine Längsachse 406, eine radiale Richtung 408 senkrecht zu der Längsachse 406 und eine Ebene (z. B. die in 3 gezeigte Schnittebene) definiert, die die Längsachse 406 und die radiale Richtung 408 enthält. Der Kolbenbodenabschnitt 402 kann ebenso eine konturierte Verbrennungsmulde 410 beinhalten. Der Kolbenbodenabschnitt 402 beinhaltet ebenso einen radial äußeren Lippenabschnitt 412, und die konturierte Verbrennungsmulde 410 beinhaltet einen radial inneren Regalabschnitt 414, der axial von dem radial äußeren Lippenabschnitt 412 beabstandet ist, und eine dadurch als einen ersten axialen (FA) Abstand 416 definierte Ebene, wie ferner hierin erörtert.
Eine Verwirbelungstasche 418 erstreckt sich radial nach innen (z. B. direkt oder indirekt) von dem radial inneren Regalabschnitt 414 und definiert ein unteres axiales Ende 420, das axial von dem radial äußeren Lippenabschnitt 412 weg beabstandet ist, und eine dadurch als einen zweiten axialen (SA) Abstand 422 definierte Ebene, der größer ist als der FA-Abstand 416. Die Verbrennungsmulde 410 weist ein nicht-einspringendes Profil auf, und die Verwirbelungstasche 418 kann eine Tangente 424 definieren, die sich in der radialen Richtung nach außen erstreckt und mit dem radial äußeren Lippenabschnitt 412 einen spitzen Winkel 426 ausbildet, der in der Ebene, die die Längsachse 406 und die radiale Richtung 408 enthält, im Bereich von 70° bis 80° (z. B. 75,0°) liegt. Der Winkel 426 kann durch eine äußere Muldenoberfläche 434 definiert sein und öffnet sich in einer radial nach innen gerichteten Richtung. Eine Spitze 448 kann sich (z. B. tangential) von der Oberfläche 438 aus erstrecken. Die Spitze 448 kann auf der Längsachse 406 zentriert sein und kann axial von der Quetschwirbeloberfläche 429 um einen axialen Versatzabstand 450 beabstandet sein, der auf die Ebene projiziert wird, die die Längsachse 406 und die radiale Richtung 408 enthält und im Bereich von 3,5 Millimeter bis 6 Millimeter (z. B. 5,5 Millimeter) liegt.
Der Kolbenbodenabschnitt 402 kann allein dadurch definiert werden, dass die Geometrie des radial äußeren Lippenabschnitts 412 und der konturierten Verbrennungsmulde 410 in der Ebene, die die Längsachse 406 und die radiale Richtung 408 enthält, um die Längsachse 406 um 360° gedreht wird. Folglich ist die Querschnittsgeometrie des Kolbenbodenabschnitts 402 in jeder Ebene, die die Längsachse 406 und die radiale Richtung 408 enthält, gleich. Unter Bezugnahme ebenso auf 4 wird ersichtlich, dass der radial äußere Lippenabschnitt 412 eine ebene Quetschwirbeloberfläche 428 beinhaltet (die z. B. senkrecht zu der Längsachse 406 verlaufen kann und so genannt wird, weil diese Oberfläche die Flüssigkeit in der Bohrung quetscht oder drückt, wenn sich der Kolben 400 dem Zylinderkopf nähert), und dass der radial innere Regalabschnitt 414 eine ebene Regaloberfläche 430 aufweisen kann (die z. B. parallel zu der ebenen Quetschwirbeloberfläche verlaufen kann), die axial von dem FA-Abstand 416 der ebenen Quetschwirbeloberfläche 428 beabstandet ist. Die Quetschwirbeloberfläche 428 definiert, wie vorstehend erwähnt, eine Ebene 458, und in einer axialen Richtung zwischen der Ebene 458 und der Regaloberfläche 430 ist ein Regalvolumen definiert.
Die Verwirbelungstasche 418 kann eine konkave, bogenförmige Bodenoberfläche oder Muldenbodenoberfläche 432 beinhalten, die das untere axiale Ende 420 der Verwirbelungstasche 418 definiert, das axial von der ebenen Quetschwirbeloberfläche 428 und dem SA-Abstand 422 der Ebene 458 beabstandet ist. Wie hierin verwendet, beinhaltet „bogenförmig“ jede Form, die nicht gerade oder flach ist, einschließlich eines Radius, einer Ellipse, eines Polynoms, einer Spline usw. Die Verwirbelungstasche 418 kann ferner eine Außenoberfläche 434 beinhalten, die sich radial und axial (z. B. direkt oder indirekt) von der ebenen Regaloberfläche 430 aus erstreckt und eine Tangente 424 definiert, die einen spitzen Winkel 426 mit der Ebene 458 ausbildet, wobei sich der Winkel 426 in einer radial nach innen gerichteten Richtung öffnet.
Eine erste Übergangsmischung 436 verbindet die Außenoberfläche 434 mit der Regaloberfläche 430. Die erste Übergangsmischung 436 kann einen Krümmungsradius definieren, der im Bereich von 1 Millimeter bis 10 Millimeter, z. B. 2 Millimeter, liegt. Wie hierin verwendet, kann der Begriff „Mischung“ jede geeignete Geometrie, einschließlich eines Radius oder eines anderen bogenförmigen Kurvensegements/anderer bogenförmiger Kurvensegmente beinhalten. Die Verwirbelungstasche 418 kann ebenso eine zweite Oberfläche 438 beinhalten, die konisch ist und sich von der Bodenoberfläche 432 in Richtung der Längsachse 406 erstreckt und einen äußeren stumpfen Winkel 440 mit der Längsachse 438 ausbildet, der im Bereich von 110° bis 130° liegt, projiziert auf die Ebene, die die Längsachse 438 und die radiale Richtung 408 enthält. Der Winkel 440 kann ungefähr 124,0° (+/_10,0°) betragen.
Der Kolben 400 und die Verbrennungsmulde 410 können ferner eine Anti-Rußbildungsrampe 442 beinhalten, die sich tangential von der Regaloberfläche 430 axial nach oben in Richtung der Quetschwirbeloberfläche 428 erstreckt. Die Anti-Rußbildungsrampe 442 geht zwischen der Regaloberfläche 430 und der Quetschwirbeloberfläche 429 über und kann in der Ebene, die die Längsachse 406 und die radiale Richtung 408 enthält, einen konkaven Rampenkrümmungsradius im Bereich von 5 Millimetern bis 10 Millimetern (z. B. 7 Millimeter) definieren. Die Anti-Rußbildungsrampe 442 verbindet sich mit der Quetschwirbeloberfläche 428 an einer Spitze 444 (d. h. keine Tangente). Die Anti-Rußbildungsrampe 442 leitet den Strom des eingespritzten Kraftstoffs, der aus der Verbrennungsmulde 418 austritt, von dem radial äußeren Lippenabschnitt 412 nach oben um, sodass die Wandbenetzung in einem zugeordneten Verbrennungszylinder begrenzt wird, wie hierin weiter erläutert.
Unter Bezugnahme nun ebenso auf 4, kann der Kolbenbodenabschnitt 402 einen ringförmigen Kolbenbodenkörper beinhalten, und wie in 4 gezeigt, beinhaltet der Kolbenbodenabschnitt 402 die Verbrennungsmulde 410, und der radial innere Regalabschnitt 414 ist Teil der Verbrennungsmulde 418. Ein Kolbenhemd 405 ist an dem Kolbenbodenabschnitt 402 befestigt und beinhaltet eine Kolbenaußenoberfläche 466. Der Regalabschnitt 414 beinhaltet eine Regaloberfläche 430 und erstreckt sich in Umfangsrichtung um die Längsachse 406. Der Kolbenbodenabschnitt 402 beinhaltet ebenso einen radial äußeren Lippenabschnitt 412, der eine Quetschwirbeloberfläche 428 beinhaltet und sich in Umfangsrichtung um die Längsachse 406 erstreckt. Der radial äußere Lippenabschnitt 412, insbesondere die Quetschwirbeloberfläche 428, definiert eine Ebene 458, die senkrecht zu der Längsachse 406 ausgerichtet ist und sich im Allgemeinen an einem axial obersten Ende des Kolbenbodenabschnitts 402 und des Kolbens 400 selbst befindet.
Der Kolbenbodenabschnitt 402 beinhaltet ebenso einen obersten Steg 464, einen oder mehrere zusätzliche Stege (nicht nummeriert) und eine obere Ringnut 468, die für die Aufnahme eines Kolbenrings strukturiert ist und zwischen dem obersten Steg 464 und einem zweiten der zusätzlichen Stege ausgebildet wird. Der Kolben 400 weist eine Abmessung 454 eines Außendurchmessers (OD) auf, der der breiteste Punkt des Kolbens 400 sein kann. In einer Ausführungsform definiert die Außenoberfläche 466 des Kolbenschafts 405 die OD-Abmessung 454. Die OD-Abmessung 454 kann sich, wie beschrieben, in dem Kolbenhemd 405 befinden/von diesem definiert werden, obwohl die vorliegende Offenbarung dadurch nicht eingeschränkt wird. Die OD-Abmessung 454 kann von 169 bis 170 Millimeter betragen und kann in einer Verfeinerung von 169,5 bis 169,9 Millimeter betragen. Bestimmte geometrische, dimensionale und proportionale Eigenschaften des Kolbens 400 können dazu beitragen, die Ziele eines reduzierten oder begrenzten Anstiegs der Motorventiltemperatur, einer begrenzten Wandbenetzung und damit der Rußproduktion und einer erhöhten Leistungsdichte zu erreichen, wie hierin weiter erörtert.
Der Regalabschnitt 414, nämlich die Regaloberfläche 430, ist in einem FA-Abstand 416 von der Ebene 458 beabstandet und die Bodenoberfläche 432 ist in einem SA-Abstand von 422 von der Ebene 458 beabstandet. Ein Verhältnis zwischen dem FA-Abstand 416 und dem SA-Abstand 422 kann von 7 % bis 11 % betragen und bei einer Verfeinerung von 7,6 % bis 10,8 % betragen. Der FA-Abstand 416 kann von 1,9 Millimeter bis 2,5 Millimeter betragen, bei einer Verfeinerung kann er 2,5 Millimeter betragen. Das Verhältnis zwischen dem FA-Abstand 416 und der OD-Abmessung 454 kann von 1 % bis 2 % betragen und bei einer Verfeinerung von 1,1 % bis 1,5 % betragen. Ein Verhältnis zwischen dem SA-Abstand 422 und der OD-Abmessung 454 kann von 13 % bis 15 % betragen und bei einer Verfeinerung von 13,6 % bis 14,8 % betragen. Der SA-Abstand 422 kann von 23 bis 25 Millimetern betragen, bei einer Verfeinerung auch 25 Millimeter.
Die Anti-Rußbildungsrampe 442 verbindet sich mit dem Lippenabschnitt 412 an der Spitze 444, und die Spitze 444 definiert eine Abmessung 456 des Innendurchmessers (ID) der Verbrennungsmulde. Die ID-Abmessung 456 kann von 155 bis 157 Millimeter betragen und kann in einer Verfeinerung 156,5 Millimeter betragen. Ein Verhältnis von FA-Abstand 416 zu ID-Abmessung 456 kann von 1,2 % bis 1,6 % betragen, und ein Verhältnis von SA-Abstand 422 zu ID-Abmessung 456 kann von 14,7 % bis 16,1 % betragen. Die Bodenoberflächeoberfläche 432 definiert einen Bodenkrümmungsradius, und ein Verhältnis zwischen dem unteren Krümmungsradius und dem Außendurchmesser 454 kann von 8 bis 15 % betragen. Der Bodenkrümmungsradius kann von 15 Millimeter bis 25 Millimeter betragen, bei einer Verfeinerung kann er 22 Millimeter betragen. Ein Verhältnis zwischen dem Krümmungsradius der Rampe 242 und der OD-Abmessung 454 kann 3 % bis 6 % betragen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Im Allgemeinen kann der Betrieb des Motors 100 die Hin- und Herbewegung eines Kolbens beinhalten, wie hierin beschrieben, einschließlich des Beispielkolbens 400 der 3 und 4. Der Kraftstoff kann direkt in den Verbrennungszylinder 106 eingespritzt werden, sodass sich die Sprühabgasfahnen des eingespritzten Kraftstoffs aus einer Mehrzahl von Sprühöffnungen durch die Verbrennungsmulde 418 nach außen und nach unten voran bewegen. Unter besonderer Bezugnahme auf 5 wird eine Darstellung der rechnergestützten Strömungsdynamik (CFD) von Kraftstoffsprühabgasfahnen und Kraftstoffströmungsmustern während eines Expansionstakts in einem beispielhaften Motorzyklus ersichtlich, wobei direkt eingespritzte Sprühabgasfahnen 460 in der Verbrennungsmulde 410 wie beschrieben nach außen und unten vorgedrungen sind. Es sei daran erinnert, dass die Verbrennungsmulde 410 ein nicht einspringendes Profil aufweisen kann.
Das nicht einspringende Profil der Verbrennungsmulde 410 kann dazu führen, dass ein Teil des Kraftstoffs der Sprühabgasfahnen von der Verwirbelungstasche 418 nach außen in das zwischen der Ebene 458 und der Regaloberfläche 430 ausgebildete Regalvolumen der Verbrennungsmulde 410 befördert wird oder dort überläuft. Ein Teil des Kraftstoffs, der einem mit dem Bezugszeichen 462 gezeigten beispielhaften Kraftstoffweg folgt, bewegt sich in das Regalvolumen und bewegt sich dann weiter nach außen, sodass der aus dem Regalvolumen austretende Kraftstoff auf die Anti-Rußbildungsrampe 442 auftrifft. Der Kraftstoff der Sprühabgasfahnen kann aus dem Regalvolumen austreten und umgelenkt werden, um von der Quetschwirbeloberfläche 428 auf Grundlage des Auftreffens auf der Anti-Rußbildungsrampe 442 nach oben zu strömen und somit das Erreichen und Befeuchten einer Wand 470 in dem Verbrennungszylinder zu verhindern. In manchen Fällen kann das Auftreffen des Kraftstoffs auf die Anti-Rußbildungsrampe 242 vor einer Kurbelwinkelstelle in dem Motor beginnen , der 20° nach einem oberen Totpunkt des Kolbens in dem Expansionstakts liegt.
Bemühungen für die Erhöhung der Leistungsdichte in Verbrennungsmotoren können erfordern, dass in einem bestimmten Motorzyklus relativ mehr Kraftstoff verbrannt wird, damit der Motor bei einer bestimmten Motorkonfiguration und Gehäusegröße mehr Leistung erzeugen kann. Die Verbrennung relativ großer Kraftstoffmengen kann jedoch dazu führen, dass die Verbrennungsgase die Motorventile und/oder das Feuerdeck auf Temperaturen erhitzen, die letztlich zu Ermüdung oder Leistungseinbußen führen können. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Verwendung einer nicht-einspringenden Verbrennungsmulde es ermöglichen, dass ein Teil des unverbrannten und noch verbrennenden Kraftstoffs aus der Verbrennungsmulde in einer radial nach außen und axial nach oben gerichteten Richtung ausläuft und austritt und die extremen Temperaturen, die durch die Motorventile und das Feuerdeck erfahren werden, begrenzt.
Die so genannte „Wandbenetzung“ ist ein Phänomen, bei dem Kraftstoffspray in einem flüssigen Zustand mit einer relativ kühlen Wand eines Verbrennungszylinders in Berührung kommen, die in der Regel durch eine Zylinderauskleidung ausgebildet wird, wobei es zu einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs kommt und Rauch oder Ruß produziert wird. Kraftstoff, der aus einer Verbrennungsmulde austritt, kann daher Wandbenetzungsphänomene verursachen oder verschlimmern, wenn sie nicht gemildert werden. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann das Bereitstellen einer Anti-Rußbildungsrampe dazu beitragen, Kraftstoff und andere Flüssigkeiten, die aus dem Verbrennungsmuldenregalvolumen austreten, von der Wand des Verbrennungszylinders wegzuleiten, um die Wandbenetzung zu begrenzen. Die vorliegende Offenbarung kann somit als das Bereitstellen von Kolbengeometrielösungen verstanden werden, die übermäßige Temperaturen der Motorventile und des Feuerdecks begrenzen, um eine höhere Leistungsdichte zu ermöglichen und gleichzeitig ein erhöhtes Auftreten von Wandbenetzung und daraus resultierender Rußproduktion, die als ein Ergebnis dieser Kolbengeometrielösungen auftreten könnten, zu mildern. In einigen Fällen können Kolben gemäß der vorliegenden Offenbarung auch ein relativ spätes Ende der Einspritzung für verschiedene Zwecke ermöglichen oder ermöglichen, dass ein relativ spätes Ende der Einspritzung ohne andere Kompensation aufrechterhalten wird, was bei der Verwendung anderer Kolben, wie eines nicht einspringenden Kolbens ohne Anti-Rußbildungsrampe, möglich wäre. Kraftstoff, der nahe des Endes einer Einspritzung eingespritzt wird, bewegt sich möglicherweise weniger wahrscheinlich über die Oberseite des Kolbens und benetzt die Wand unter Verwendung eines Kolbens, wie hierin offenbart, als ein Kolben, bei dem keine Regaloberfläche/-volumen oder eine Anti-Rußbildungsrampe eingesetzt wird.
Die derzeit offenbarten Verhältnisbereiche und Beispielabmessungen und - abmessungsbereiche spiegeln ein Gleichgewicht zwischen Gestaltungs- und Leistungsüberlegungen wider, wobei die vorstehend genannten Ziele dennoch erreicht werden. Die Verhältnisbereiche von FA-Abstand zu SA-Abstand stellen beispielsweise ein Regalvolumen und eine Regaloberoberflächenstelle bereit, die eine ausreichende Menge an eingespritztem Kraftstoff aufnimmt, der aus der Verbrennungsmulde austritt, um übermäßige Motorventil- und/oder Feuerdecktemperaturen zu mildern, wenn der Motor unter Nennbedingungen betrieben wird. Das Verhältnis von FA-Abstand zu SA-Abstand ist jedoch nicht so groß, dass Größe und Form der Verbrennungsmulde so stark beeinflusst werden, dass sich beispielsweise das Verdichtungsverhältnis oder andere strukturelle Eigenschaften ändern oder schwierig beizubehalten sind. Mit anderen Worten: Wenn der FA-Abstand im Verhältnis zu dem SA-Abstand zu klein ist, kann die Anti-Rußbildungsfunktion des Kolbens negativ beeinflusst oder aufgehoben werden. Wenn der FA-Abstand im Verhältnis zu dem SA-Abstand zu groß ist, können der Verbrennungsgas- und/oder Kraftstoffsprühstrom, die Größe oder Form der Verbrennungsmulde oder andere dimensionale, proportionale oder funktionale Eigenschaften des Kolbens negativ oder auf unvorhersehbare Weise beeinträchtigt werden. Das Verhältnis des FA-Abstands, des SA-Abstands, des Muldenbodenradius und des Rampenradius zu der OD-Abmessung und/oder zu der ID-Abmessung und andere offenbarte Attribute des Kolbens 400, wie die Größe des Einspringwinkels stellen ebenso ein Verbrennungsmuldenprofil bereit, das vorteilhaft in einem Motor mit relativ großer Bohrung und großem Kolben mit dem beschriebenen OD-Abmessungsbereich angewendet wird, obwohl die vorliegende Offenbarung als solche nicht streng begrenzt ist. Die hierin angegebenen Verhältnisse können als die spezifizierte Größe innerhalb des Messfehlers verstanden werden. „Abmessungen“ können als die spezifizierte Größe innerhalb einer Toleranz von plus/minus 0,1 Millimeter verstanden werden. So beträgt eine 5-Millimeter-Spezifikation von 4,9 Millimeter bis 5,1 Millimeter, und eine 2,5-Millimeter-Spezifikation beträgt von 2,4 Millimeter und 2,6 Millimeter.
6 zeigt, dass selbst bei einer erhöhten Anzahl von Löchern in einer Kraftstoffeinspritzdüse bei Verwendung eines Kolbens wie in der vorliegenden Offenbarung die Temperatur des Abgasventils sinkt. 7 veranschaulicht, dass die Kopfdecktemperatur mit zunehmender Anzahl der Einspritzlöcher bei Verwendung eines Kolbens wie in der vorliegenden Offenbarung unerwartet sinkt. 8 zeigt, dass die Rußproduktion mit zunehmender Anzahl der Einspritzlöcher bei Verwendung eines Kolbens wie in der vorliegenden Offenbarung sinkt.
Die vorliegende Beschreibung dient nur für die Veranschaulichung und sollte nicht derart ausgelegt werden, dass sie die Breite der vorliegenden Offenbarung auf eine beliebige Weise einschränkt. Daher werden Fachleute es zu schätzen wissen, dass verschiedene Modifikationen an den vorliegend offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von dem vollen und fairen Umfang und dem Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden bei einer Prüfung der beigefügten Zeichnungen und der beigefügten Ansprüche deutlich. Wie hierin verwendet, sollen die Artikel „ein, eine“ einen oder mehrere Gegenstände beinhalten und können mit „ein, eine oder mehrere“ austauschbar verwendet werden. Wenn nur ein Gegenstand beabsichtigt ist, wird der Begriff „ein, eine“ oder eine ähnliche Redeweise verwendet. Ebenso sind die hierin verwendeten Begriffe „aufweist“, „aufweisen“, „aufweisend“ oder dergleichen als erweiterbare Begriffe gedacht. Ferner soll der Ausdruck „auf Grundlage“ „wenigstens teilweise auf Grundlage“ bedeuten, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016/0169152 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (100), umfassend: Hin- und Herbewegen eines Kolbens (400), der eine Abmessung des Kolbenaußendurchmessers (OD) definiert, in einem Verbrennungszylinder (106) in dem Motor (100); direktes Einspritzen eines flüssigen Kraftstoffs aus einer Mehrzahl von Sprühöffnungen in einer Kraftstoffeinspritzdüse (112), die eine Längsachse definiert, in den Verbrennungszylinder (106) in dem Motor (100); Vorschieben von Sprühabgasfahnen des eingespritzten flüssigen Kraftstoffs nach außen und nach unten aus der Mehrzahl von Sprühöffnungen durch eine Verbrennungsmulde (410) des Kolbens (400), die ein nicht-einspringendes Profil aufweist; Befördern von Kraftstoff der Sprühabgasfahnen aus einer Verwirbelungstasche (418) der Verbrennungsmulde (410) in ein Regalvolumen der Verbrennungsmulde (410), das zwischen einer Ebene, die durch eine radial äußere Quetschwirbeloberfläche (428) definiert ist, und einer radial inneren Regaloberfläche (430) ausgebildet ist, die in einem axialen (FA) Abstand von der Ebene beabstandet ist, der von 1 % bis 2 % der OD-Abmessung beträgt; Auftreffen des Kraftstoffs der Sprühabgasfahnen, die aus dem Regalvolumen der Verbrennungsmulde (410) austreten, auf eine Anti-Rußbildungsrampe (442), die zwischen der radial inneren Regaloberfläche (430) und der radial äußeren Quetschwirbeloberfläche (428) übergeht; und Richten des Kraftstoffs der Sprühabgasfahnen, die aus dem Regalvolumen der Verbrennungsmulde austreten, von der Quetschwirbeloberfläche nach oben, auf Grundlage des Aufpralls des Kraftstoffs auf die Anti-Rußbildungsrampe (442), um die Wandbenetzung in dem Verbrennungszylinder (106) zu begrenzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Auftreffen des Kraftstoffs der Sprühabgasfahnen das Beginnen des Auftreffens des Kraftstoffs vor einer Kurbelwinkelstelle in dem Motor (100) beinhaltet, die 20° nach einer oberen Totpunktposition des Kolbens (400) liegt; das Befördern des Kraftstoffs der Sprühabgasfahnen aus der Verwirbelungstasche (418) das Richtung des Kraftstoffs entlang einer Außenoberfläche (434) der Verbrennungsmulde (410) beinhaltet, die einen spitzen Winkel mit der Ebene definiert, die sich in einer radial nach innen gerichteten Richtung öffnet, der von 70° bis 80° beträgt; und das Vorschieben der Sprühabgasfahnen das Vorschieben der Sprühabgasfahnen entlang einer Bodenoberfläche (432) der Verbrennungsmulde (410) beinhaltet, die einen konkaven Krümmungsradius definiert, der von 8 % bis 15 % der OD-Abmessung beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: die Bodenoberfläche (432) um einen zweiten axialen (SA) Abstand von der Ebene beabstandet ist und ein Verhältnis des FA-Abstands zu dem SA-Abstand von 7 % bis 11 % beträgt; die radial äußere Quetschwirbeloberfläche (428) und die radial innere Regaloberfläche (430) jeweils eben sind, und das Aufprallen des Kraftstoffs ferner das Aufprallen des Kraftstoffs auf eine Anti-Rußbildungsrampe (442) mit einem krummlinigen Profil beinhaltet, das konkav zu der radial äußeren Quetschwirbeloberfläche (428) und der radial inneren Regaloberfläche (430) ist; und die OD-Abmessung von 169 bis 170 Millimeter beträgt.
Kolben (400), der dazu konfiguriert ist, sich in einem Verbrennungszylinder (106) in einem Verbrennungsmotor (100) hin- und herzubewegen, umfassend: einen ringförmigen Körper (404), der einen Kolbenbodenabschnitt (402) beinhaltet, der eine Längsachse definiert und einen radial äußeren Lippenabschnitt (412) aufweist, der eine senkrecht zu der Längsachse ausgerichtete Ebene definiert, wobei der Kolbenbodenabschnitt (402) ferner eine Verbrennungsmulde (410) mit einem radial inneren Regalabschnitt (414), der in einem ersten axialen (FA) Abstand von der Ebene beabstandet ist, und einer Bodenoberfläche (432) beinhaltet, die in einem zweiten axialen (SA) Abstand von der Ebene angeordnet ist; wobei der ringförmige Körper (404) ferner eine Außenoberfläche (434) beinhaltet, die eine Abmessung des Außendurchmessers (OD) des Kolbens definiert, und ein Verhältnis zwischen dem FA-Abstand und dem OD-Abstand 1 % bis 2 % beträgt, und ein Verhältnis zwischen dem FA-Abstand und dem SA-Abstand von 7 % bis 11 % beträgt; und die Verbrennungsmulde (410) ein nicht-einspringendes Profil ausbildet, und der Kolbenbodenabschnitt (402) ferner eine Anti-Rußbildungsrampe (442) beinhaltet, die zwischen dem radial inneren Regalabschnitt (414) und dem radial äußeren Lippenabschnitt (412) übergeht, um einen Fluss von eingespritztem Kraftstoff, der aus der Verbrennungsmulde (410) austritt, von dem radial äußeren Lippenabschnitt (412) nach oben umzulenken, sodass die Wandbenetzung in dem Verbrennungszylinder (106) begrenzt wird.
Kolben (400) nach Anspruch 4, wobei: der radial innere Regalabschnitt (414) eine ebene Regaloberfläche (430) beinhaltet, und der radial äußere Lippenabschnitt (412) eine ebene Quetschwirbeloberfläche (428) beinhaltet, und die Anti-Rußbildungsrampe (442) ein krummliniges Profil aufweist und konkav zu der ebenen Regaloberfläche (430) und der ebenen Quetschwirbeloberfläche (428) ist; das Verhältnis des FA-Abstands zu der OD-Abmessung von 1,1 % bis 1,5 % beträgt, das Verhältnis des SA-Abstands zu der OD-Abmessung von 13,6 % bis 14,8 % beträgt und das Verhältnis der FA-Abmessung zu der SA-Abmessung von 7,6 % bis 10,8 % beträgt; die Verbrennungsmulde (410) eine Außenoberfläche (434) beinhaltet, die eine Tangente definiert, die einen spitzen Winkel mit der Ebene ausbildet, die sich in einer radial nach innen gerichteten Richtung öffnet, die von 70° bis 80° beträgt; die Bodenoberfläche (432) einen Bodenkrümmungsradius definiert und ein Verhältnis des Bodenkrümmungsradius zu der OD-Abmessung von 8 % bis 15 % beträgt; und die Anti-Rußbildungsrampe (442) einen Rampenkrümmungsradius definiert und ein Verhältnis des Rampenkrümmungsradius zu der OD-Abmessung von 3 % bis 6 % beträgt.
Kolben (400) nach Anspruch 4 oder 5, wobei: sich die Anti-Rußbildungsrampe (442) mit dem radial äußeren Lippenabschnitt (412) an einer Spitze (444) verbindet, der eine Abmessung des Innendurchmessers (ID) der Verbrennungsmulde definiert, ein Verhältnis des FA-Abstands zu der ID-Abmessung von 1,2 % bis 1,6 % beträgt und ein Verhältnis der SA-Abmessung zu der ID-Abmessung von 14,7 % bis 16,1 % beträgt.
Kolben (400) nach Anspruch 5, wobei: die OD-Abmessung von 169 bis 170 Millimeter beträgt; die ID-Abmessung von 155 bis 157 Millimeter beträgt; der FA-Abstand von 1,9 bis 2,5 Millimeter beträgt; der SA-Abstand von 23 bis 25 Millimeter beträgt; und der Rampenkrümmungsradius von 5 bis 10 Millimeter beträgt.
Kolben (400) für einen Verbrennungsmotor (100), umfassend: einen ringförmigen Kolbenbodenkörper (404), der eine Längsachse definiert und einen radial äußeren Lippenabschnitt (412) aufweist, der eine senkrecht zu der Längsachse ausgerichtete Ebene definiert, der ringförmige Kolbenbodenkörper (404) ferner eine Verbrennungsmulde (410) mit einem radial inneren Regalabschnitt (414), der in einem ersten axialen (FA) Abstand von der Ebene beabstandet ist, einer Bodenoberfläche (432), die in einem zweiten axialen (SA) Abstand von der Ebene beabstandet ist, und einer Außenoberfläche (434) beinhaltet, die eine Tangente definiert, die einen spitzen Winkel mit der sich in einer radial nach innen gerichteten Richtung öffnenden Ebene ausbildet; ein Kolbenhemd (405), das an dem ringförmigen Kolbenbodenkörper (404) befestigt ist, der eine Abmessung des Kolbenaußendurchmessers (OD) definiert, die 169 Millimeter bis 170 Millimeter beträgt, und der FA-Abstand beträgt 1,9 Millimeter bis 2,5 Millimeter; und der radial äußere Lippenabschnitt (412) eine ebene Quetschwirbeloberfläche (428) beinhaltet und der radial innere Regalabschnitt (414) eine ebene Regaloberfläche (430) beinhaltet, und eine Anti-Rußbildungsrampe (442) zwischen der ebenen Regaloberfläche (430) und der ebenen Quetschwirbeloberfläche (428) übergeht und ein konkav krummliniges Profil aufweist.
Kolben (400) nach Anspruch 7, wobei: die OD-Abmessung von 169,5 bis 169,9 Millimeter beträgt; sich die Anti-Rußbildungsrampe (442) mit dem radial äußeren Lippenabschnitt (412) an einer Spitze (444) verbindet, der eine Abmessung des Innendurchmessers (ID) der Verbrennungsmulde definiert, die von 155,5 Millimeter bis 156,5 Millimeter beträgt;
Kolben (400) nach Anspruch 7 und 8, wobei: der SA-Abstand von 23 bis 25 Millimeter beträgt; die Anti-Rußbildungsrampe (442) einen Rampenkrümmungsradius von 5 Millimetern bis 10 Millimetern definiert, und die Bodenoberfläche (432) einen Krümmungsradius von 15 Millimetern bis 25 Millimetern definiert.