DE19952868A1 - Kolben und Kolbenanordnung - Google Patents
Kolben und KolbenanordnungInfo
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Abstract
Kolben mit einer in Kolbenlängsrichtung Hinterschneidungen aufweisenden Brennraummulde, wobei der die Hinterschneidungen mit dem Kolbenboden verbindende Muldenrandbereich zumindest abschnittsweise konvex verrundet ausgebildet ist und der Muldenrandbereich alternierend verrundete Bereiche und unverrundete Bereiche aufweist, wobei die verrundeten Bereiche stetige Übergänge zum Kolbenboden und zu den Hinterschneidungen besitzen und die unverrundeten Bereiche im wesentlichen unstetig in den Kolbenboden und/oder in die Hinterschneidungen übergehen.
Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben mit einer in
Kolbenlängsrichtung Hinterschneidungen aufweisenden
Brennraummulde, wobei der die Hinterschneidungen mit dem
Kolbenboden verbindende Muldenrandbereich zumindest
abschnittsweise konvex verrundet ausgebildet ist. Derartige
Kolben sind bekannt und finden insbesondere bei Dieselmotoren
mit direkter Kraftstoffeinspritzung Verwendung. Problematisch
bei derartigen Kolben ist, daß die Kolben insbesondere
parallel zur Bolzenachse beim Betrieb verformt werden, wobei
ebenfalls eine Verformung senkrecht zur Bolzenachse auftritt.
Bei hohen Brenngeschwindigkeiten und Temperaturanstieg am
Muldenrandbereich kann es bei hoher Kolbenbelastung zu
Rißbildungen kommen, die einen totalen Ausfall des Motors zur
Folge haben. Dieser Gefahr der Rißbildungen wird durch die
verrundete Ausbildung des Muldenrandbereichs Rechnung
getragen.
Allerdings führen die verrundeten Übergänge des Muldenrandes
nicht zu einer guten Kraftstoffzerstäubung in Verbindung mit
der Drehbewegung der Einlaßluft.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kolben sowie eine
Kolbenanordnung bereitzustellen, die eine gute
Kraftstoffzerstäubung ermöglicht bei gleichzeitiger
Verhinderung einer Rißbildung im Kolben bei hoher
Kolbenbelastung.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Kolben, bei dem
der Muldenrandbereich alternierend verrundete Bereich und
unverrundete Bereiche aufweist, wobei die verrundeten Bereiche
stetige Übergänge zum Kolbenboden und zu den
Hinterschneidungen besitzen und die unverrundeten Bereiche im
wesentlichen unstetig in den Kolbenboden und/oder die
Hinterschneidungen übergehen. Durch die alternierende
Anordnung von verrundeten und unverrundeten Bereichen kann
erreicht werden, daß an den Stellen, an denen
Belastungsspitzen bei der Verformung des Kolbens auftreten und
an denen daher der Kolben zu Rißbildungen neigt, verrundete
Bereiche vorgesehen sind, wobei gleichzeitig an den Stellen,
auf die der Kraftstoff, der aus der Einspritzdüse austritt,
auftrifft, unverrundete Bereiche vorgesehen sind, mit
scharfkantigen, also unstetigen Übergängen zur
Hinterschneidung bzw. zum Kolbenboden, so daß eine gute
Gemischaufbereitung erzielt wird. Durch die Vorsehung der
verrundeten Muldenrandübergänge, insbesondere in den Bereichen
höchster Zug- und Druckspannungen, kann die Gestaltfestigkeit
des Kolbens parallel und senkrecht zur Bolzenachse erhöht
werden.
Nach einem ersten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein,
daß der Muldenrandbereich im verrundeten Bereich einen Radius
von wenigstens 1,5 mm aufweist, insbesondere kann der
Muldenrandbereich in seinen verrundeten Abschnitten einen
Radius von R = 1,5 mm bis 5 mm aufweisen, wobei der Radius
maximal 8% des Kolbendurchmessers beträgt. Durch die Wahl
dieses Radiuses können die entstehenden Spannungsspitzen
optimal ausgeglichen werden. Die Übergänge in den Kolbenboden
bzw. die Hinterschneidungen sind dabei stetig.
In den unverrundeten Bereichen können die Übergänge des
Muldenrandbereichs zum Kolbenboden bzw. zur Hinterschneidung
einen Radius von höchstens 0,8 mm aufweisen, wobei auch ein
radienloser Übergang vorgesehen sein kann. Der Bereich
zwischen den Übergängen des Muldenrandbereichs zum Kolbenboden
bzw. zur Hinterschneidung, also der Muldenrandbereich selbst,
kann im unverrundeten Bereich in Kolbenlängsrichtung plan
verlaufen. D. h., der Muldenrandbereich besitzt in diesem
Abschnitt eine zylindermantelförmige Ausgestaltung. Möglich
ist jedoch auch eine konkave Krümmung des Muldenrandbereiches
in Kolbenlängsrichtung, also entgegen der konkaven Krümmung in
den verrundeten Bereichen.
Dabei kann vorgesehen sein, daß die verrundeten Bereiche,
insbesondere wenigstens zwei davon, so angeordnet sind, daß
sie in einem Winkel von 0°, 90°, 180° und/oder 270° zur
Kolbenbolzenachse liegen bzw. diesen überdecken. In diesen
Winkelbereichen treten die höchsten Zug- und Druckspannungen
bei Betrieb des Motors am Kolben auf. Besonders günstig ist
es, wenn nicht lediglich zwei, sondern wenigstens drei oder
sogar alle angeführten Winkelbereiche mit einem verrundeten
Bereich zusammenfallen. Insbesondere sollen zunächst die
Winkel 0° und 180° mit einem unverrundeten Bereich
zusammenfallen.
Dies ist besonders einfach zu verwirklichen, wenn der
Muldenrandbereich vier äquidistant beabstandete verrundete
Bereiche aufweist. Es können jedoch auch fünf äquidistant
beabstandete verrundete Bereiche vorgesehen sein. Die Zahl der
unverrundeten Bereiche kann dabei mit der Zahl der
Einspritzöffnungen für den Kraftstoff korrelieren. Je nach
Wahl der Einspritzdüse ist es jedoch auch denkbar, daß die
Einspritzung nur in bestimmten Bereichen erfolgen soll, so daß
der Muldenrandbereich mit unterschiedlich beabstandeten
verrundeten und unverrundeten Bereichen ausgestattet sein
kann. Insbesondere sollen die verrundeten Bereiche parallel
und/oder senkrecht zur Kolbenachse vorgesehen sein, wobei in
den Zwischenbereichen, die unverrundet sind, beliebig viele
Kraftstoffstrahlen auftreffen können.
Um die Gefahr der Rißbildung möglichst weit herabzusetzen,
kann es vorgesehen sein, daß die verrundeten Bereiche einen
größeren Anteil des Muldenrandbereiches einnehmen als die
unverrundeten Bereiche. Die unverrundeten Bereiche können
dabei jeweils nur schmale Kreissegmentstücke sein, die gerade
eine solche Breite aufweisen, daß der Kraftstoffstrahl
lediglich in diese auftrifft. Allerdings können die
unverrundeten Bereiche auch einen größeren Anteil des
Muldenrandbereichs einnehmen als die verrundeten.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Kolbenanordnung,
insbesondere für einen Dieselmotor, umfassend einen Kolben
gemäß den vorstehenden Ausführungen und eine
Kraftstoffeinspritzdüse, wobei die Kraftstoffeinspritzdüse
eine Mehrlochdüse mit mehreren Einspritzöffnungen ist, wobei
wenigstens einige der Einspritzöffnungen einem unverrundeten
Bereich zugeordnet und so angeordnet sind, daß der aus der
Einspritzöffnung austretende Kraftstoffstrahl auf einen der
unverrundeten Muldenrandbereiche auftrifft. Insbesondere kann
vorgesehen sein, daß jeder Einspritzöffnung ein unverrundeter
Muldenrandbereich zugeordnet ist.
Um die Gefahr der Rißbildungen möglichst weit einzuschränken,
ist es günstig, eine Mehrlochdüse mit vier Einspritzöffnungen
zu verwenden (es können jedoch auch weniger oder mehr sein),
die so angeordnet sind, daß die Einspritzung nicht in einem
Winkelbereich von 0°, 90°, 180° und 270° zur Bolzenachse
erfolgt, sondern in den Kreissegmenten dazwischen,
insbesondere im Bereich der Winkelhalbierenden.
Sofern eine übliche Mehrlochdüse mit fünf oder mehr
Einspritzöffnungen verwendet wird, kann vorgesehen sein, daß
die Muldenrandbereiche, die unverrundet ausgebildet sind, so
angeordnet sind, daß eine möglichst große Anzahl hiervon im
Bereich der Hauptzug- und Druckspannungen liegt. D. h., daß
möglichst gut die genannten kritischen Bereiche überdeckt
werden. Hierzu kann sich auch insbesondere die Vorsehung einer
nicht äquidistanten Anordnung der Bereiche anbieten.
Insbesondere können auch vier verrundete Bereiche bei 0°, 90°,
180° und 270° zur Bolzenachse vorgesehen sein, wobei die
Einspritzöffnungen nicht äquidistant angeordnet sind, sondern
so, daß alle (fünf oder mehr) Kraftstoffstrahlen in den
Sektoren dazwischen auftreffen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kolbenanordnung im
Schnitt;
Fig. 2 eine schematisierte Draufsicht auf eine
Kolbenanordnung gemäß Fig. 1 und
Fig. 3 eine weitere Anordnung in einer
schematisierten Draufsicht.
Fig. 1 zeigt dabei einen Kolben 10, der in einem Zylinder 12
geführt ist. Der Kolben 10 umfaßt einen Kolbenboden 14 sowie
eine Brennraummulde 16, die eine flache kreisförmige Form
aufweist. Die Brennraummulde 16 weist hierbei gegenüber dem
Kolbenboden 14 Hinterschneidungen 18 auf. Der Übergang von den
Hinterschneidungen 18 in den Kolbenboden 14 wird durch den
Muldenrandbereich 20 gebildet. Im Betrieb wird Kraftstoff
(nicht dargestellt) über eine Einspritzdüse 22, die als
Mehrlochdüse ausgebildet ist, in die Brennraummulde 16 derart
eingespritzt, daß der Kraftstoff auf den Muldenrandbereich 20
auftrifft, dort zerstäubt wird und sich mit der Einlaßluft
mischt. Um eine möglichst gute Zerstäubung sicherzustellen,
ist der Muldenrandbereich 20 abwechselnd verrundet und
nichtverrundet ausgebildet. Die verrundeten Bereiche 24 weisen
hierbei einen Radius von R < 1,5 mm auf. Die unverrundeten
Bereiche 26 weisen im Gegensatz zu den verrundeten Bereichen
24, die einen stetigen Übergang von der Hinterschneidung 18 in
den Kolbenboden 14 gewährleisten, unstetige Übergänge 32 und
34 sowohl zum Kolbenboden 14 als auch zur Hinterschneidung 18
auf.
Die unverrundeten Bereiche 26 besitzen eine
zylindermantelförmige Gestaltung, d. h. die Fläche 30 zwischen
den unstetigen Übergängen 32 und 34 verläuft im wesentlichen
senkrecht zum Kolbenboden 14, also parallel zur
Kolbenlängsachse. In Richtung der Kolbenlängsachse ist der
Abschnitt 30 damit im wesentlichen plan. Die unstetigen
Übergänge besitzen einen Radius kleiner 0,8 mm.
Trifft nun der Kraftstoff auf die unverrundeten Bereiche 26,
auf die er vorzugsweise gespritzt wird, so erfolgt eine
besonders gute Zerstäubung des Kraftstoffs und damit eine
besonders gleichmäßige Gemischaufbereitung.
Da die unverrundeten Bereiche 26 jedoch zu Spannungsspitzen
führen, wie sie stets an scharfen Kanten auftreten, sind die
übrigen Bereiche, insbesondere im Bereich von hohen Zug- und
Druckspannungen verrundet ausgebildet.
Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung gemäß Fig. 1 in
einer schematisierten Draufsicht, wobei der Kolben 10 ohne
Zylinder 12 dargestellt ist.
In Fig. 2 kann gut ersehen werden, daß die verrundeten
Bereiche 24 und die unverrundeten Bereiche 26 alternierend,
also abwechselnd angeordnet sind, wobei im Bereich der
unverrundeten Bereiche 26 die Kraftstoffstrahlen 32 auf den
Muldenrandbereich 20 auftreffen und zerstäubt werden. Bei der
hier verwendeten Einspritzdüse 22 handelt es sich um eine
herkömmliche Fünflochdüse.
Die höchsten Zug- und Druckspannungen in einem Kolben 10
treten parallel zur Bolzenachse B auf. Darüber hinaus werden
erhebliche Belastungen senkrecht zur Bolzenachse B gemessen.
Um eine Rißbildung zu verhindern, ist es daher, wie
dargestellt, erstrebenswert, wenn die verrundeten Bereiche 24
im Bereich von 0°, 90°, 180° und 270° zur Bolzenachse B
angeordnet sind bzw. wenn möglichst viele der kritischen
Winkel mit einem verrundeten Bereich 24 zusammenfallen und
diesen Winkel überdecken.
Dies läßt sich bei Verwendung einer Vierlochdüse, wie sie in
Fig. 3 dargestellt ist, besonders gut gewährleisten. Bei der
Anordnung gemäß Fig. 3 treffen die Kraftstoffstrahlen 32
jeweils in der Mitte der vier Quadranten I-IV auf. Hierdurch
werden durch die verrundeten Bereiche 24 die kritischen Winkel
sowie die angrenzenden Bereiche und damit die Bereiche hoher
Spannungsbelastungen abgedeckt. Eine Rißbildung kann damit
weitestgehend auch bei hohen Belastungen vermieden werden, bei
gleichzeitiger guter Zerstäubung des Kraftstoffs und damit
einer guten Gemischbildung.
Auf diese Weise können die Prioritäten Gestaltsfestigkeit
parallel wie auch senkrecht zur Bolzenachse B und gleichzeitig
gute Gemischaufbereitung optimal verwirklicht werden.
Claims (16)
1. Kolben mit einer in Kolbenlängsrichtung
Hinterschneidungen (18) aufweisenden Brennraummulde
(16), wobei der die Hinterschneidungen (18) mit dem
Kolbenbaden (14) verbindende Muldenrandbereich (20)
zumindest abschnittsweise konvex verrundet
ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Muldenrandbereich (20) alternierend verrundete
Bereiche (24) und unverrundete Bereiche (26)
aufweist, wobei die verrundeten Bereiche (24)
stetige Übergänge zum Kolbenboden (14) und zu den
Hinterschneidungen (18) besitzen und die
unverrundeten Bereiche (26) im wesentlichen unstetig
in den Kolbenboden (14) und/oder in die
Hinterschneidungen (18) übergehen.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Muldenrandbereich (20) im verrundeten Bereich
(24) einen Radius von wenigstens 1,5 mm aufweist.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Muldenrandbereich (20) im verrundeten Bereich
(24) einen Radius von 1,5 bis 5 mm besitzt.
4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich
(20) im verrundeten Bereich (24) einen Radius von
höchstens R = 8% des Kolbendurchmessers aufweist.
5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge des
Muldenrandbereichs (20) zum Kolbenboden (14) bzw.
zur Hinterschneidung (18) im unverrundeten Bereich
(26) einen Radius von höchstens 0,8 mm aufweisen.
6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich
(20) im unverrundeten Bereich (26) zwischen den
unstetigen Übergängen (32, 34) im wesentlichen
zylindermantelförmig ausgebildet ist.
7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der
verrundeten Bereiche (24) mit einem Winkel von 0°,
90°, 180° oder 270° zur Bolzenachse B, insbesondere
mit 0° und 180° zusammenfallen.
8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei der
verrundeten Bereiche (24) mit einem Winkel von 0°,
90°, 180° oder 270° zur Bolzenachse (B)
zusammenfallen.
9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel von 0°, 90°,
180° oder 270° zur Bolzenachse (B) mit je einem
verrundeten Bereich (24) zusammenfallen.
10. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich
(20) vier verrundete äquidistant beabstandete
Bereiche (24) aufweist.
11. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich
(20) fünf verrundete äquidistant beabstandete
Bereiche (24) aufweist.
12. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die verrundeten Bereiche
(24) einen größeren Anteil des Muldenrandbereiches
(20) einnehmen als die unverrundeten Bereiche (26).
13. Kolbenanordnung, insbesondere für einen Dieselmotor,
umfassend einen Kolben gemäß einem der
vorhergehenden Ansprüche und eine
Kraftstoffeinspritzdüse (22), dadurch
gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzdüse (22)
eine Mehrlochdüse mit mehreren Einspritzöffnungen
ist, wobei wenigstens einige der Einspritzöffnungen
einem unverrundeten Bereich (26) zugeordnet und so
angeordnet sind, daß der aus der Einspritzöffnung
austretende Kraftstoffstrahl (32) auf einen der
unverrundeten Muldenrandbereiche (26) auftrifft.
14. Kolbenanordnung nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß jede Einspritzöffnung einem
unverrundeten Bereich (26) zugeordnet ist, so daß
jeder aus der Einspritzöffnung austretende
Kraftstoffstrahl (32) auf einen der unverrundeten
Muldenrandbereiche (26) auftrifft.
15. Kolbenanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzdüse (22)
vier Einspritzöffnungen aufweist.
16. Kolbenanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzdüse (22)
fünf oder mehr Einspritzöffnungen aufweist.
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