DE19807489A1

DE19807489A1 - Reciprocating piston of an internal combustion engine

Info

Publication number: DE19807489A1
Application number: DE1998107489
Authority: DE
Inventors: Laurent Beneteux; Raimund Siegert; Klaus Hagemann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1998-02-21
Filing date: 1998-02-21
Publication date: 1999-08-26
Also published as: ITRM990113A1; FR2775317A1; IT1306547B1; EP0937890A2; FR2775317B1; EP0937890A3

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolben, welcher längsbeweg lich in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und mit einem Kolbenboden einen Brennraum begrenzt. In dem Brennraum wird in bekannter Weise ein Kraftstoff/Luft- Gemisch in einem bestimmten Takt während des Arbeitsspiels des Kolbens verbrannt, wobei die mit der Verbrennung ein hergehende Gasexpansion den Kolben treibt. Ab dem Zeitpunkt der Entzündung des Kraftstoffs breiten sich im Brennraum Schallwellen aus, welche insbesondere im Resonanzbereich zu einem unangenehmen Verbrennungsgeräusch sowie darüber hin aus zu hohen Temperatur- und Druckgradienten im Brennraum führen. Die Bereiche mit hohen Temperaturen bzw. hohen Drücken erhöhen den Schadstoffausstoß und beeinflussen den Verbrennungsablauf, wobei weitere Resonanzfrequenzen ver schiedener Ordnung angeregt werden. In Extremfällen, wie z. B. beim Klopfen im Otto-Motor bzw. beim Diesel-Klopfen bilden sich sehr heiße Bereiche auf der Oberfläche des Brennraums, insbesondere auf dem Kolbenboden, wodurch die Lebensdauer der Brennkraftmaschine verringert wird.The invention relates to a reciprocating piston which moves longitudinally Lich arranged in a cylinder of an internal combustion engine and delimits a combustion chamber with a piston crown. In the combustion chamber is a fuel / air in a known manner Mix in a certain cycle during the work cycle of the piston burned, the one with the combustion consequent gas expansion drives the piston. From the time the ignition of the fuel spread in the combustion chamber Sound waves from, which in particular in the resonance range an uncomfortable combustion noise and beyond too high temperature and pressure gradients in the combustion chamber to lead. The areas with high temperatures or high Pressures increase pollutant emissions and influence them Combustion process, with further resonance frequencies ver of different orders. In extreme cases like e.g. B. when knocking in the Otto engine or diesel knocking very hot areas form on the surface of the Combustion chamber, especially on the piston crown, which the Life of the internal combustion engine is reduced.

Es ist bekannt, daß eine im Kolbenboden ausgebildete Kol benmulde die Temperatur des Kolbenbodens und den Druck gradienten im Brennraum beeinflußt und somit auf den Ver brennungsablauf im Brennraum einwirkt; es treten jedoch Interferenzen zwischen den akustischen Resonanzen im zy lindrischen Teil des Brennraums und der Kolbenmulde auf, welche die Brennraumresonanzen ständig ändern und sogar verstärken, was generell zu Unruhen beim Verbrennungsablauf und zu einem Anheben des Verbrennungsgeräusches führt.It is known that a Kol formed in the piston crown depress the temperature of the piston crown and the pressure Gradients in the combustion chamber affected and thus on the Ver acts on the combustion process in the combustion chamber; it does occur however Interferences between the acoustic resonances in the zy on the cylindrical part of the combustion chamber and the piston bowl, which constantly change the combustion chamber resonances and even amplify, which generally leads to unrest in the combustion process and leads to an increase in the combustion noise.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maß nahmen an einem Hubkolben der gattungsgemäßen Art vorzuse hen, welche den Verbrennungslauf im Brennraum beruhigen und die Geräuschentwicklung vermindern.The object of the present invention is to measure took on a reciprocating piston of the generic type hen which calm the combustion process in the combustion chamber and reduce the noise.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 6.This problem is solved with the characteristic ones Features of claim 1 or claim 6.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Kolbenbodens schafft geometrische Asymmetrien im Brennraum, welche die Ausbil dung der akustischen Resonanzfrequenzen stören. Die Ampli tuden der Kolbenmuldenresonanzen werden durch den geneigten Kolbenmuldenboden sehr stark gedämpft, wobei auch die Interferenzen zwischen den Resonanzen im zylindrischen Teil des Brennraums und der Kolbenmulde eingeschränkt werden.The design of the piston crown according to the invention creates geometrical asymmetries in the combustion chamber, which disturb the acoustic resonance frequencies. The ampli Piston cavity resonances are caused by the inclined Piston bowl bottom very strongly damped, whereby also the Interferences between the resonances in the cylindrical part of the combustion chamber and the piston bowl.

Weitere erfinderische Merkmale und förderliche Weiterbil dungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar und ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:Other inventive features and beneficial further education The invention can be found in the subclaims and result from the following description of Exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch den Zylinder einer Brennkraftmaschine, Fig. 1 shows a schematic representation of a longitudinal section through the cylinder of an internal combustion engine,

Fig. 2 eine Draufsicht eines Hubkolbens mit zwei Muldenbodensegmenten, Fig. 2 is a plan view of a reciprocating piston with two recess bottom segments,

Fig. 3 eine Draufsicht eines Hubkolbens mit drei Muldenbodensegmenten, Fig. 3 is a plan view of a reciprocating piston with three bowl floor segments,

Fig. 4 eine Draufsicht eines Hubkolbens mit einer im Querschnitt gestauchten Kol benmulde im Kolbenboden. Fig. 4 is a plan view of a reciprocating piston with a cross-sectional piston benmulde in the piston crown.

Eine nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine arbeitet mit innerer Verbrennung, wobei in jedem Zylinder 5 ein Hub kolben 1 längsbeweglich angeordnet ist und mit seinem Kol benboden 2 einen Brennraum 6 begrenzt, wie Fig. 1 zeigt. Ein Ventiltrieb steuert in bekannter Weise die Zufuhr des Arbeitsmediums 12 für die zyklische Verbrennung und die Ab fuhr der Abgase 13 aus dem Brennraum 6 während der Arbeits spiele des Kolbens 1.An internal combustion engine, not shown, works with internal combustion, with a stroke piston 1 being arranged in a longitudinally movable manner in each cylinder 5 and with a piston benboden 2 limiting a combustion chamber 6 , as shown in FIG. 1. A valve train controls in a known manner the supply of the working medium 12 for the cyclic combustion and the exhaust gases 13 drove out of the combustion chamber 6 during the working games of the piston 1st

Beim Verbrennungsvorgang erhöht sich durch die Gasexpansion im Brennraum stark der Druck und es kommt zu Schallent wicklung. Die Schallwellen schwingen in Phase bzw. in Ge genphase mit der akustischen Quelle, das heißt prinzipiell dem Zündort des Gemisches im Brennraum 6. Die Entzündung des Gemisches im Brennraum 6 regt Resonanzmodi unterschied licher Frequenzen an, welche den Verbrennungsvorgang in Wechselwirkung beeinflussen. Die Interferenz zwischen akustischen Resonanzen und der Verbrennung erzeugt dabei große Temperatur- und Druckgradienten im Brennraum. Im Kolbenboden 2 ist eine Kolbenmulde 3 ausgebildet, welche eine starke Aufheizung der Kolbenoberfläche und der Ober fläche des Zylinders 5 durch eine Erweiterung des Brenn raumvolumens verhindert.During the combustion process, the gas expansion in the combustion chamber increases the pressure and there is sound development. The sound waves oscillate in phase or in opposite phase with the acoustic source, that is to say in principle the ignition point of the mixture in combustion chamber 6 . The ignition of the mixture in the combustion chamber 6 stimulates resonance modes of different frequencies, which interact with the combustion process. The interference between acoustic resonances and the combustion creates large temperature and pressure gradients in the combustion chamber. In the piston crown 2 , a piston bowl 3 is formed, which prevents excessive heating of the piston surface and the upper surface of the cylinder 5 by an expansion of the combustion chamber volume.

Der Boden 4 der Kolbenmulde 3 ist erfindungsgemäß in gegen über der Ebene des Kolbenbodens 2 geneigte Muldenbodenseg mente geteilt. Die Bodenneigungen der Muldenbodensegmente sind unterschiedlich gerichtet und schaffen eine asymmetrische Brennraumkonfiguration. Durch diese geo metrische Asymmetrie im Brennraum 6 wird die Ausbildung der akustischen Resonanzfrequenzen in der Kolbenmulde gedämpft und darüber hinaus die Wechselwirkung zwischen den formab hängigen Resonanzmodi der Kolbenmulde 3 und denen des zy lindrischen Teils des Brennraums 6 gestört.The bottom 4 of the piston bowl 3 is divided according to the invention in inclined against the plane of the piston head 2 Muldenbodenenseg elements. The floor slopes of the bowl floor segments are directed differently and create an asymmetrical combustion chamber configuration. This geo metric asymmetry in the combustion chamber 6 , the formation of the acoustic resonance frequencies in the piston bowl is damped and, moreover, the interaction between the form-dependent resonance modes of the piston bowl 3 and those of the cylindrical part of the combustion chamber 6 is disturbed.

Im Ausführungsbeispiel weist die Kolbenmulde 3 gemäß Fig. 2 einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die erfindungsgemäße Gestaltung ist jedoch ohne weiteres auch bei anderen Quer schnittsformen der Kolbenmulde unabhängig von der Zahl der Ventile des Zylinders anwendbar, da die Dämpfung der Brenn raumresonanzen von der Neigung des Kolbenmuldenbodens 4 bzw. der Neigung der Muldenbodensegmente bewirkt wird.In the exemplary embodiment, the piston recess 3 according to FIG. 2 has a circular cross section. However, the design according to the invention can also be used with other cross-sectional shapes of the piston bowl regardless of the number of valves of the cylinder, since the damping of the combustion chamber resonances is caused by the inclination of the piston bowl bottom 4 or the inclination of the bowl bottom segments.

Die Druckschwingungen infolge akustischer Resonanzen im Brennraum können weiter reduziert werden, wenn die Mulden bodensegmente drehsymmetrisch zum Querschnittszentrum 11 der Kolbenmulde 3 liegen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kolbenmuldenboden gleichmäßig in zwei Muldenboden segmente 4/1, 4/2 geteilt. Durch das bereichsweise unter schiedliche Neigungsgefälle im Kolbenboden ist zwischen den Muldenbodensegmenten 4/1, 4/2 durch den Niveauunterschied eine Kante 7 ausgebildet. Das jeweilige Gefälle der Boden neigung jedes Muldenbodensegmentes 4/1, 4/2 ist in Pfeil richtung 8 parallel zu der Kante 7 gerichtet.The pressure vibrations as a result of acoustic resonances in the combustion chamber can be further reduced if the trough base segments are rotationally symmetrical to the cross-sectional center 11 of the piston trough 3 . In the embodiment shown the piston bowl bottom is uniform in the two recess bottom segments 4/1, 4/2 divided. By partially under schiedliche inclination gradient in the piston crown an edge 7 is formed between the recess bottom segments 4/1, a 4/2 by the level difference. The respective gradient of the ground inclination of each trough bottom segment 4/1, 4/2 in the direction of arrow 8 directed parallel to the edge. 7

Der Muldenboden der Kolbenmulde des in Fig. 3 dargestellten Hubkolbens 1 ist drehsymmetrisch in drei Muldenbodenseg mente 4/1, 4/2, 4/3 geteilt. Für die gleichmäßige Unter teilung des Kolbenmuldenbodens sind auch höhere Anzahlen von Muldensegmenten möglich. Durch höhere Anzahlen der Muldensegmente werden höhere Resonanzmodi der Schallwellen effektiv gestört. Für die Anzahl der Muldensegmente sind Primzahlen zu bevorzugen, welche sicherstellen, daß eine genau der gewählten Teilungszahl des Kolbenmuldenbodens entsprechende Anzahl höherer Resonanzmodi durch die zonen weise unterschiedlich geneigte Formgebung der Kolbenmulde gestört sind. Die Wahl einer ganzzahlig teilbaren Anzahl von Muldensegmenten ist möglich, jedoch kann in diesem Fall die Existenz solcher Resonanzmodi nicht ausgeschlossen wer den, deren niedere Ordnung dem ganzzahligen Teiler der ge wählten Segmentanzahl entspricht.Of the trough bottom of the piston recess of the reciprocating piston 1 shown in Fig. 3 is rotationally symmetrical elements in three Muldenbodenseg 4/1, 4/2 4/3 divided. For the even subdivision of the piston bowl bottom, higher numbers of bowl segments are also possible. Higher resonance modes of the sound waves are effectively disturbed by higher numbers of trough segments. For the number of trough segments, prime numbers are to be preferred, which ensure that a number of higher resonance modes corresponding to the selected division number of the piston bowl bottom is disturbed by the shape of the piston bowl which is inclined differently. The choice of an integer divisible number of trough segments is possible, but in this case the existence of such resonance modes cannot be excluded, the lower order of which corresponds to the integer divisor of the selected number of segments.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform eines Hubkol bens 1 mit dreigeteiltem Muldenboden erstreckt sich jedes Muldenbodensegment 4/1, 4/2, 4/3 über einen Bogenwinkel von 270°, wobei die jeweilige Gefällerichtung 8 der Boden neigung der Muldenbodensegmente bei drehsymmetrischer Aus gestaltung der Kolbenmulde 3 zum Querschnittszentrum 11 einen Abfall des Bodenniveaus eines Muldenbodensegmentes in Umfangsrichtung schafft. Der an der Kante 7 zwischen in Um fangsrichtung der Kolbenmulde 3 benachbart liegenden Mul denbodensegmenten vergrößert ohne Generierung zusätzlicher Resonanzmodi den von der Kolbenmulde 3 ausgebildeten Brenn raumabschnitt und verringert so die Klopfneigung der Brenn kraftmaschine. Es ist dadurch möglich, sowohl Otto- als auch Diesel-Brennkraftmaschinen im Kennfeld nahe der Klopf linie zu betreiben und den Schadstoffausstoß zu reduzieren. Der Neigungswinkel der Bodenneigung ist bei jedem Mulden bodensegment 4/1, 4/2, 4/3 gleich ausgebildet.In the embodiment shown in Fig. 3 embodiment of a Hubkol bens 1 with three times parted recess bottom extends of each trough bottom segment 4/1, 4/2, 4/3 over an arc angle of 270 °, wherein the respective direction of the slope 8 of the bottom inclination of the trough bottom segments in a rotationally symmetrical From design of the piston bowl 3 to the cross-sectional center 11 creates a drop in the floor level of a bowl floor segment in the circumferential direction. The at the edge 7 between in the circumferential direction of the piston bowl 3 adjacent Mul denbodenensegmenten enlarged without generating additional resonance modes, the combustion chamber section formed by the piston bowl 3 and thus reduces the tendency to knock the internal combustion engine. This makes it possible to operate both petrol and diesel engines in the map near the knock line and to reduce pollutant emissions. The inclination angle of inclination of the bottom is ground segment at each troughs 4/1, 4/2, 4/3 identical.

Fig. 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Hubkolbens 1, wobei die Kolbenmulde 3 mit geneigtem Kolbenmuldenboden 4 exzentrisch im Kolbenboden 2 liegt. Die verbrennungsgeräuschmindernde Asymmetrie der Brennraum geometrie durch die Formgebung der Kolbenmulde wird dadurch geschaffen, daß die Kolbenmulde 3 im Querschnitt gestaucht ist. Der Querschnitt der Kolbenmulde 3 ist dabei in Richtung einer Querschnittsachse 20 gestaucht, welche ange stellt zur Gefällerichtung 8 des Kolbenmuldenbodens 4 liegt. Die Querschnittsachse 20 liegt außerdem angestellt zu einer Durchmesserachse des Kolbenbodens durch den axial projizierten Zündort im Brennraum. Der Exzentrizitätsfaktor ε der Querschnittsachsen 20, 21 des Muldenquerschnittes wird im bestimmten Einsatzfall des Kolbens in Abstimmung mit dem zylindrischen Brennraumanteil im Zylinder der Brennkraftmaschine abgestimmt. Die um ε exzentrische Lage der Kolbenmulde 3 vom Querschnittszentrum 11 des Kolbenbo dens 2 ermöglicht die Entkopplung der von der Kolbenmulde 3 generierten Resonanzfrequenzen von denen des zylindrischen Teils des Brennraums. FIG. 4 shows a further embodiment of a reciprocating piston 1 according to the invention, the piston recess 3 with the inclined piston recess base 4 being located eccentrically in the piston base 2 . The combustion noise reducing asymmetry of the combustion chamber geometry by the shape of the piston bowl is created in that the piston bowl 3 is compressed in cross section. The cross section of the piston bowl 3 is compressed in the direction of a cross-sectional axis 20 , which is to the slope direction 8 of the piston bowl bottom 4 . The cross-sectional axis 20 also lies in relation to a diameter axis of the piston crown due to the axially projected ignition location in the combustion chamber. The eccentricity factor ε of the cross-sectional axes 20 , 21 of the trough cross-section is coordinated with the cylindrical combustion chamber portion in the cylinder of the internal combustion engine in the specific application of the piston. The ε eccentric position of the piston bowl 3 from the cross-sectional center 11 of the Kolbenbo dens 2 enables the decoupling of the resonance frequencies generated by the piston bowl 3 from those of the cylindrical part of the combustion chamber.

Die erfindungsgemäße Gestaltung des Kolbenbodens mit einer wie oben beschriebenen Konfiguration der Kolbenmulde ist als passive Maßnahme zur Dämpfung der Druckschwingungen im Brennraum infolge von Brennraumresonanzen beim Verbren nungsvorgang bei verschiedenen Ausführungsformen der Brenn räume und auch bei hinsichtlich der Arbeitsweise unter schiedlichen Hubkolbenbrennkraftmaschinen anwendbar.The inventive design of the piston head with a the configuration of the piston bowl is as described above as a passive measure to dampen the pressure fluctuations in the Combustion chamber due to combustion chamber resonances when burning process in various embodiments of the focal rooms and also with regard to the way of working different reciprocating piston internal combustion engines applicable.

Claims

1. reciprocating piston of an internal combustion engine, which is längsbeweg arranged Lich in a cylinder (5) and limited by a piston head (2) a combustion chamber (6), wherein in the piston crown (2) a piston bowl (3) is formed, characterized in that a bottom (4) of the piston trough (3) in multiple relative to the plane of the Kolbenbo dens (2) inclined trough bottom segments (4/1, 4/2, 4/3) is shared with each differently directed ground slope.

2. reciprocating piston as claimed in claim 1, characterized in that the trough bottom segments (4/1, 4/2, 4/3) rotationally symmetrical to the cross-sectional center (11) of the piston recess (3).

3. reciprocating piston according to claim 2, characterized in that the respective slope of the ground slope is (/ 4/1, 4/2, 4 3) directed a trough bottom segment parallel to an edge (7), each of which weils with the circumferential direction of the piston recess (3) the depression base segment lying adjacent (4/1, 4/2, 4/3) is formed by level difference.

4. reciprocating piston as claimed in claim 2 or 3, characterized in that the angle of inclination (α) (/ 3 4/1, 4/2, 4) is the ground slope at each trough bottom segment same.

5. reciprocating piston as claimed in any one of the preceding claims, that the number of segments bowl floor (4/1, 4/2, 4/3) is a prime number.

6. reciprocating piston of an internal combustion engine, which is längsbeweg arranged Lich in a cylinder (5) and limited by a piston head (2) a combustion chamber (6) being formed a piston recess (3) in the piston head (2), characterized in that a bottom ( 4 ) of the piston bowl ( 3 ) with respect to the plane of the piston head ( 2 ) tends ge and the cross section of the piston bowl ( 3 ) is compressed.

7. Reciprocating piston according to claim 6, characterized in that the trough cross section is compressed in the direction of a cross-sectional axis ( 20 , 21 ), which is inclined to the downward direction ( 8 ) of the Kol benmuldenboden ( 4 ).

8. Reciprocating piston according to one of the preceding claims, characterized in that the piston recess ( 3 ) is located ex-centrically in the piston crown ( 2 ).