DE2729262A1 - Kolben fuer eine luftverdichtende hubkolben-brennkraftmaschine - Google Patents

Kolben fuer eine luftverdichtende hubkolben-brennkraftmaschine

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DE2729262A1 DE19772729262 DE2729262A DE2729262A1 DE 2729262 A1 DE2729262 A1 DE 2729262A1 DE 19772729262 DE19772729262 DE 19772729262 DE 2729262 A DE2729262 A DE 2729262A DE 2729262 A1 DE2729262 A1 DE 2729262A1
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Description

AUDI NSU AUTO UNION AKTIENGESELLSCHAFT, Neckarsulm/Württ.
Kolben für eine luftverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine luftverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoff-Einspritzung, der einen rotationssymetrischen Brennraum aufweist.
Bei Kolben für Hubkolben-Brennkraftmaschinen der beschriebenen Art wird der Kraftstoff bekanntlich zum Zwecke einer vollständigen Verbrennung in einen innerhalb des Brennraumes sich drehenden Luftwirbel eingespritzt, wobei der Luftwirbel beispielsweise durch einen am Einlaßventil der Brennkraftmaschine angeordneten Schirm oder durch einen spiralförmig ausgebildeten Einlaßkanal erzeugt wird. Nun hat sich aber gezeigt, daß der auf solche Weise erzeugte Luftwirbel insbesondere bei schnellaufenden Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung zu einem Füllungsverlust führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine intensive Verwirbelung der Luft im Brennraum bewirkt, wobei aber Füllungsverluste weitgehend vermieden werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennraumwand in einem Abschnitt, der sich zwischen dem Kolbenboden und einer Stelle vor dem Boden des Brennraumes erstreckt, mindestens eine schraubenlinienförmige Vertiefung aufweist. Durch diese Ausführung
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kann die Luft, die bei zunehmender Verdichtung in den Brennraum gedrückt und dabei an der schraubenlinienförmigen Vertiefung in der Brennraumwand vorbeigeführt wird, einen derart starken Luftwirbel erhalten, daß eine intensive Mischung mit dem in den Brennraum gespritzten Kraftstoff erreicht werden kann. Dadurch kann im Gegensatz zu den bekannten Ausführungen auf ein die Füllung hemmendes Schirmventil oder auf einen spiralförmigen Einlaßkanal verzichtet werden, was den Vorteil hat, daß einerseits die Luft weitgehend ohne Strömungswiderstand in den Brennraum gelangt und auch bei hohen Drehzahlen ein hoher Füllungsgrad erreicht werden kann, und andererseits ein einfacherer und kostengünstigerer Aufbau der Brennkraftmaschine möglich ist, da lediglich der Brennraum des Kolbens zur Erzeugung des Luftwirbels auf besondere, erfindungsgemäße Weise ausgebildet ist.
Um den in der schraubenlinienförmigen Vertiefung erzeugten intensiven Luftwirbel ungestört im Brennraum aufrecht zu erhalten, kann die Brennraumwand in dem Abschnitt, der sich an den mit der schraubenlinienförmigen Vertiefung versehenen Abschnitt anschließt, bis zum Boden des Brennraumes glatt ausgebildet sein, wobei der Durchmesser des Abschnittes mit der glatten Brennraumwand an der Übergangsstelle zum Abschnitt mit der schraubenlinienförmigen Vertiefung dem Außendurchmesser der schraubenlinienförmigen Vertiefung an der Übergangsstelle entspricht. Durch diese Ausbildung ist außerdem ein strömungsgünstigef und reibungsloser Eintritt des Luftwirbels vom.oberen in den unteren Abschnitt des Brennraumes möglich.
Der Brennraum kann einen im wesentlichen zylindrischen Querschnitt aufweisen, wobei bei einem verhältnismäßig engen Durchmesser des Brennraumes eine hohe Umfangsgeschwindigkeit der in den Brennraum gedrückten Luft und somit ein entsprechend stärkerer Luftwirbel erzeugt werden kann, wogegen bei einem verhältnismäßig weiten Durchmesser ein geringere Luftverwirbelung eintritt.
Es ist aber auch möglich, daß der Brennraum einen im wesentlichen kegelstumpfförmigen Querschnitt aufweist, wobei sich die Kegelform
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in Richtung auf den Boden des Brennraumes zu erweitern oder verengen kann, so daß je nach den Erfordernissen eine sich in den unteren Abschnitt des Brennraumes hinein beschleunigende oder verlangsamende Luftverwirbelung ergibt.
Dadurch, daß die schraubenlinienförmige Vertiefung mindestens eine Gewindesteigung aufweist, kann je nach Anzahl der Steigungen ein mehr oder weniger schnelles Eindringen des Luftwirbels in den Brennraum erreicht werden. Dabei kann die schraubenlinienförmige Vertiefung ein auf bekannte Weise rechteckiges, rundes, sägezahnförmiges, spitzgewindeförmiges oder trapezförmiges Profil aufweisen. Die Höhe des Profils kann für eine wirksame Erfassung der vorbeigedrückten Luft entsprechend tief ausgebildet werden. Da der Abschnitt des Brennraumes mit der gewindeförmigen Vertiefung eine größere Oberfläche aufweist als der übrige Bereich des Brennraumes, kann in diesem Bereich auch eine stärkere Wärmeaufnahme erfolgen, welche eine bessere Kraftstoff-Abdampfung von der Wandung des Brennraumes ermöglicht. Die Kanten des Gewindeprofils haben den Vorteil, daß eventuell anhaftender Kraftstoff von der vorbeigedrückten Luft schnell abgerissen werden kann.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines in einem Zylinder angeordneten Kolbens mit erfindungsgemäßen Brennraum,
Fig. 2 bis 6 Längsschnitte durch die Hälfte des Brennraumes mit verschiedenen Ausführungsformen der Brennraumwände,
Fig. 7 bis 9 Längsschnitte durch das Teilstück eines Kolbens mit verschiedenen Ausführungsformen des Brennraumes in schematischer Darstellung, und
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Fig. 10 bis 12 Längsschnitte durch eine luftverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit verschiedenen Hubstellungen des Kolbens in schematischer Darstellung.
Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der das Teilstück des Kolbens 1 einer luftverdichtenden Hubkolben-Brennkraftmaschine dargestellt ist, der in einem Zylinder 2 eine Hubbewegung ausführt. Der Zylinder 2 ist nach oben durch einen Zylinderkopf 3 abgeschlossen, in dem unter anderem eine Kraftstoff-Einspritzdüse 4 angeordnet ist. Der Kolben 1 enthält einen rotationssymetrischen Brennraum 5» der zwischen dem Kolbenboden 6 und dem Boden 7 des Brennraumes 5 aus zwei Abschnitten A und B besteht. Die Brennraumwand des Abschnittes A, der sich vom Kolbenboden 6 aus erstreckt, weist eine schraubenlinienförmige Vertiefung 8 mit einem beispielsweise spitzgewindeförmigen Profil auf. Bei zunehmender Verdichtung wird der an der Vertiefung 8 im Abschnitt A vorbeigeführten Luft ein derartiger Luftwirbel erteilt, welcher im Abschnitt B mit der glatten Brennraumwand sowohl seinen höchsten Wert erreicht als auch weitgehend erhalten bleibt und somit eine intensive Vermischung mit dem durch die Einspritzdüse 4 in den Brennraum 5 eingespritzten Kraftstoff gewährleistet. Die schraubenlinienförmige Vertiefung 8 bildet außerdem eine größere 0*· berfläche, so daß eine größere Wärmeaufnahme und eine wesentlich schnellere Kraftstoffabdampfung von der Brennraumwand erfolgt. Durch die kreisende Luftbewegung wird der Kraftstoff aber auch leicht von der Brennraumwand bzw. von den Kanten des Gewindeprofils abgerissen und anschließend vollständig verbrannt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, kann die schraubenlinienförmige Vertiefung 8a in der Brennraumwand des Brennraumes 5 ein rechteckiges Profil aufweisen.
In Fig. 3 und 4 ist die Vertiefung 8b bzw. 8c sägezahnförmig ausgebildet, wobei die schräge Flanke des Profils in Richtung auf den Boden 7 des Brennraumes 5 entweder schräg nach innen oder schräg nach außen verläuft.
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Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die schraubenlinienförmige Vertiefung 8d aus einem runden Profil. Das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine schraubenlinienförmige Vertiefung 8e mit einem trapezförmigen Profil.
Die vorgenannten, im Abschnitt A des Brennraumes 5 angeordneten schraubenlinienförmigen Vertiefung^o bis 8e haben bei gleicher Steigungszahl eine unterschiedlich große Oberfläche und unterschiedliche Wirksamkeit hinsichtlich der Erfassung der vorbeigeführten Luft. Selbstverständlich können auch mehr als eine Gewindesteigung vorgesehen werden, wodurch der im Abschnitt A erzeugte Luftwirbel wesentlich schneller in den Abschnitt B des Brennraumes 5 gedrückt werden kann.
Der in Fig. 7 schematisch gezeigte Brennraum 5a weist einen im wesentlichen zylindrischen Querschnitt auf, wobei die Größe des Durch-, messers einen bedeutenden Einfluß auf die Höhe der Umfangsgeschwindigkeit und Stärke des Luftwirbels hat.
Fig. 8 stellt einen Brennraum 5b mit einem im wesentlichen kegelstumpf förmigen Querschnitt dar, der sich in Richtung auf den Boden 7b des Brennraumes 5b erweitert. Bei dieser Ausführung tritt zwar eine verlangsamte, aber immer noch ausreichende Luftverwirbelung im Abschnitt B ein. Für den Verbrennungsablauf ist diese Gestaltung aber besonders günstig.
Bei dem in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Brennraum 5c kegelstumpfförmig ausgebildet, weist aber in Richtung auf den Boden 7c des Brennraumes 5c einen verengenden Querschnitt auf. Durch diese Form ergibt sich eine in dem unteren Abschnitt B beschleunigende Euftverwirbelung, die eine intensivere Vermischung mit dem Kraftstoff sicherstellt.
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Der Abschnitt A mit der schraubenlinienigenförmigen Vertiefung, der in den Fig. 7 bis 9 gestrichelt dargestellt ist, kann eines der in Fig. 1 bis 6 gezeigten Profile haben, wobei die jeweilige Kombination aufeinander abgestimmt werden kann.
Fig. 10 zeigt eine Hubkolben-Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung, wobei für gleiche und gleichartige Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet worden sind. Abweichend von der Ausführung gemäß Fig. 1 sind im Zylinderkopf 3 ein üblicher Lufteinlaßkanal 10 mit einem Einlaßventil 11 und ein Auslaßkanal 12 mit einem Auslaßventil 13 angeordnet. In der dargestellten Arbeitsphase ist das Einlaßventil 11 geöffnet, so daß bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 1 Frischluft in den Arbeitsraum 14 gesaugt wird.
In Fig. 11 ist ersichtlich, wie die angesaugte Frischluft bei geschlossenen Ventilen 11 und 13 verdichtet und dadurch aus dem Arbeitsraum 14 zunehmend in den Brennraum 5 gedruckt wird, wodurch die Luft auf die bereits erwähnte Weise im Brennraur.i 5 zunehmend in Rotation versetzt wird.
Bei der in Fig. 12 gezeigten Stellung, in welcher der Kolben 1 den oberen Totpunkt, einnimmt, wurde die Frischluft fast vollständig in den Brennraum 5 gedrückt und dieser von der gestrichelt angegebenen schraubenlinienformigen Vertiefung 8 ein sehr starker Drall erteilt, in welchem aus der Einspritzdüse 4 der pfeilförmige angedeutete Kraftstoffstrahl trifft und somit die Gemischbildung sehr günstig beeinflußt.
Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Anstelle einer Einloch-Einspritzdüse kann beispielsweise auch eine Mehrloch-Einspritzdüse verwendet werden.
- Patentansprüche -
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Leerseite

Claims (1)

  1. -JT-
    Patentansprüche
    Λ Kolben für eine luftverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoff-Einspritzung, der einen rotationssymetrischen Brennraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumwand in einem Abschnitt (A), der sich zwischen dem Kolbenboden (6) und einer Stelle vor dem Boden (7) des Brennraumes (5) erstreckt, mindestens eine schraubenlinienförmlge Vertiefung (8, 8a, 8b, 8c, 8d, 8e) aufweist.
    2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumwand in dem Abschnitt (B), der sich an den mit der schraubenlinienförmigen Vertiefung (8, 8a, 8b, 8c, 8d, 8e) versehenen Abschnitt (A) anschließt, bis zum Boden (7) des Brennraumes (5) glatt ausgebildet ist, wobei der Durchmesser des Abschnittes (b) mit der glatten Brennraumwand an der Übergangsstelle (D) zum Abschnitt (A) mit der schraubenlinienflörmigen Vertiefung (8, 8a, 8b, 8c, 8d, 8e) dem Außendurchmesser der echraubenlinienförmigen Vertiefung an der Übergangsstelle (D) entspricht.
    3. Kolben nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (5* 5a) einen im wesentlichen zylindrischen Querschnitt aufweist.
    4. Kolben nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (5b) einen im wesentlichen kegelstumpfförmlgen, in Richtung auf den Boden (7b) des Brennraumes (5b) sich erweiternden Querschnitt aufweist.
    und Z
    5. Kolben nach Anspruch 1/, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum
    (5c) einen im wesentlichen kegelstumpfförmigen, in Richtung auf den Boden (7c) des Brennraumes (5c) sich verengenden Querschnitt aufweist.
    6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß die schraubenlinienförmige Vertiefung (8, 8a, 8b, 8c, 8d, 8e) mindestens eine Gewindesteigung aufweist.
    •0III1/04I2
    OfUQlNAL INSPECTED
    7· Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die schraubenlinienförmige Vertiefung ein rechteckiges (8a), rundes (8d), sägezahnförmiges (8b, 8c), spitzgewindeförmiges (8) oder trapezförmiges (8e) Profil aufweist.
    27. Juni 1977
    Co/tk, N/RLP
    809881/0482
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JP7811878A JPS5417407A (en) 1977-06-29 1978-06-29 Piston for air compression reciprocating piston internal combustion engine

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