EP4680849A1 - Kolben und verbrennungsmotor - Google Patents

Kolben und verbrennungsmotor

Info

Publication number
EP4680849A1
EP4680849A1 EP24710684.2A EP24710684A EP4680849A1 EP 4680849 A1 EP4680849 A1 EP 4680849A1 EP 24710684 A EP24710684 A EP 24710684A EP 4680849 A1 EP4680849 A1 EP 4680849A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
combustion chamber
volume
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24710684.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Lormes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KS Kolbenschmidt GmbH
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KS Kolbenschmidt GmbH filed Critical KS Kolbenschmidt GmbH
Publication of EP4680849A1 publication Critical patent/EP4680849A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/26—Pistons  having combustion chamber in piston head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines

Definitions

  • the present invention relates to a piston for a hydrogen-powered internal combustion engine and a hydrogen-powered internal combustion engine with such a piston.
  • one object of the present invention is to provide an improved piston for a hydrogen-powered internal combustion engine.
  • a piston for a hydrogen-powered internal combustion engine comprises a piston head, a piston skirt connected to the piston head, and a combustion chamber recess provided on the piston head, wherein the piston has a piston diameter measurable on the piston skirt, wherein the combustion chamber recess has a minimum combustion chamber recess volume, the amount of which is 2.9674 times the amount of the piston diameter minus 220.68, and wherein the combustion chamber recess a maximum combustion chamber volume of 4.1893 times the piston diameter minus 311.55.
  • combustion chamber volume of the combustion chamber bowl between the aforementioned minimum value and the aforementioned maximum value of the combustion chamber bowl volume, it has surprisingly been shown that knocking combustion can be prevented. This significantly increases the service life of a hydrogen-powered combustion engine with such a piston, or the service life of the piston itself. It also results in an increase in efficiency in the combustion of hydrogen.
  • the hydrogen-powered internal combustion engine can be a gasoline engine.
  • the hydrogen-powered internal combustion engine can comprise an engine block and several pistons accommodated in piston bores of the engine block.
  • the piston can in particular be referred to as a hydrogen-powered piston or as a hydrogen piston. This means in particular that the terms “piston” and “hydrogen piston” can be interchanged as desired.
  • the piston can be assigned a symmetry or central axis, to which the piston can be constructed essentially rotationally symmetrically.
  • This aforementioned central axis can in particular be formed by a central axis of a cylinder which envelops surfaces of the piston shaft of the piston and has a minimal diameter, the central axis of this cylinder being arranged perpendicular to a pin bore of the piston, in particular to a central axis of the pin bore.
  • the piston can also be assigned a coordinate system with a width direction or x-direction, a height direction or y-direction and a depth direction or z- direction.
  • the y-direction can also be referred to as the axial direction.
  • the terms "y-direction” and "axial direction” can therefore be used interchangeably.
  • the directions are oriented perpendicular to each other.
  • the central axis coincides with the y-direction or is oriented parallel to the y direction.
  • the piston is also assigned a radial direction.
  • the radial direction is oriented perpendicular to the central axis and points away from it.
  • the piston head and the piston shaft can be two separate components that are joined together to form the piston.
  • the piston head and the piston shaft can be joined together in a material-locking manner.
  • Material-locking connections are non-detachable connections that can only be separated again by destroying the connecting means and/or the connecting partners.
  • Material-locking connections can be made, for example, by welding.
  • the piston head and the piston shaft are welded together.
  • the piston is preferably made of a metallic material.
  • the piston can be made of a light metal alloy, in particular an aluminum alloy.
  • the piston can also be made of a steel alloy.
  • the piston can also be made of cast iron.
  • combustion chamber recess is "provided" on the piston head means in particular that the combustion chamber recess is incorporated into the piston head or is arranged on the piston head.
  • the combustion chamber recess is a depression incorporated into the piston head.
  • the piston preferably has a piston head which encloses the combustion chamber recess.
  • the combustion chamber recess is set back with respect to a piston head section of the piston head which runs annularly around the central axis. This means in particular that that the combustion chamber recess is set back or recessed in relation to the piston crown section when viewed along the central axis or along the y-direction.
  • the combustion chamber recess is open facing away from the piston skirt.
  • the combustion chamber recess can be limited, facing away from the piston skirt, in particular by a plane in which the piston crown section lies. This plane is oriented perpendicular to the central axis.
  • the term “amount” can be understood as the numerical value of any quantity, especially detached from any unit of the quantity.
  • the quantity can be a length or a diameter, as well as an area or a volume.
  • the piston diameter is defined in particular as a diameter of the smallest possible cylinder that encloses a piston skirt of the piston, i.e. skirt sections of the piston.
  • This cylinder is oriented perpendicular to the center axis of the piston pin bore.
  • a first skirt section and a second skirt section are provided.
  • the skirt sections together form the so-called piston skirt of the piston.
  • the skirt sections can be connected to one another by means of wall sections.
  • the piston diameter is preferably specified in millimeters (mm).
  • the combustion chamber bowl volume is defined as a volume enclosed or enclosed by a combustion chamber bowl surface of the combustion chamber bowl and the previously mentioned plane.
  • the combustion chamber bowl volume can be determined or calculated, for example, using a CAD model (EnglJ Computer Aided Design) of the combustion chamber bowl or the piston.
  • CAD model EdJ Computer Aided Design
  • the combustion chamber bowl can be filled with water up to the previously mentioned plane or up to the piston crown section and the water absorbed in the combustion chamber bowl can be poured into a measuring cup in order to to determine the combustion chamber volume based on the volume of water read from the measuring cup.
  • the combustion chamber bowl has the minimum combustion chamber volume, which is 2.9674 times the piston diameter minus a value of 220.68. At the same time, the combustion chamber bowl has the maximum combustion chamber volume, which is 4.1893 times the piston diameter minus a value of 311.55.
  • the combustion chamber bowl volume is given in cubic millimeters (mm 3 ).
  • a piston for a hydrogen-powered internal combustion engine comprises a piston head, a piston skirt which is connected to the piston head, and a combustion chamber recess provided on the piston head, wherein the piston has a piston diameter which can be measured on the piston skirt, wherein the combustion chamber recess has a combustion chamber recess volume which is limited by a minimum combustion chamber recess volume and a maximum combustion chamber recess volume, the amounts of which are each dependent on the piston diameter.
  • - minimum combustion chamber volume 2.9674 mm 2 * piston diameter ⁇ 220.68 mm 3
  • maximum combustion chamber volume 4.1893 mm 2 * piston diameter - 311.55 mm 3 .
  • a piston for a hydrogen-powered internal combustion engine comprises a piston head, a piston skirt connected to the piston head, and a combustion chamber recess provided on the piston head, wherein the piston has a piston diameter measurable on the piston skirt, wherein the combustion chamber recess has a minimum combustion chamber recess volume that is 2.9674 times the piston diameter minus 220.68, and wherein the combustion chamber recess has a maximum combustion chamber recess volume that is 4.1893 times the piston diameter minus 311.55.
  • the piston head has at least one valve pocket with a valve pocket volume, wherein the valve pocket volume is both part of the minimum combustion chamber volume and part of the maximum combustion chamber volume.
  • valve pockets can be provided. Valve tappets are inserted into the valve pockets when the internal combustion engine is operating.
  • the valve pockets can be evenly distributed around the central axis. However, this is not mandatory.
  • the number of valve pockets preferably corresponds to the number of valves per piston. For example, four valve pockets are provided on the piston.
  • Each valve pocket has in particular a valve pocket volume, wherein the valve pocket volumes of all valve pockets are both part of the minimum combustion chamber volume and part of the maximum combustion chamber volume. Accordingly, the combustion chamber has a minimum combustion chamber volume which is 2.9674 times the piston diameter minus a value of 220.68. However, the The valve pocket volume of the valve pockets is part of the minimum combustion chamber bowl volume.
  • the combustion chamber bowl has a maximum combustion chamber bowl volume that is 4.1893 times the piston diameter minus a value of 311.55.
  • the valve pocket volume of the valve pockets is part of the maximum combustion chamber bowl volume.
  • the combustion chamber bowl volume is also given in cubic millimeters (mm 3 ).
  • the at least one valve pocket is provided on a top land of the piston head.
  • the top land preferably runs around the combustion chamber bowl.
  • the combustion chamber bowl can be arranged partially within the top land.
  • the piston has an annular field.
  • the annular field forms in particular a substantially cylindrical outer surface of the piston head, which can be constructed rotationally symmetrically to the central axis.
  • the annular field can have several annular grooves arranged one above the other when viewed along the y-direction.
  • the annular grooves are suitable for receiving piston rings. For example, two or three such annular grooves are provided.
  • the top land adjoins the piston crown and is part of the annular field. However, the top land does not have an annular groove for receiving a piston ring as mentioned above. When viewed along the y-direction, the top land ends at the piston crown section or at the plane that closes off the combustion chamber bowl at the top.
  • the at least one valve pocket penetrates the top land when viewed along a radial direction of the piston.
  • valve pocket interrupts the top land or the valve pockets interrupt the top land.
  • combustion is thus opened towards the surroundings of the piston through the valve pocket or the valve pockets.
  • the at least one valve pocket is ring-segment-shaped.
  • a “ring segment” is understood here to mean a section of a ring.
  • several valve pockets are provided, which can be arranged at a distance from one another when viewed along a circumferential direction of the top land.
  • the piston has a ratio of a compression height of the piston to the piston diameter of 0.4 to 0.65.
  • the compression height is defined as a distance between the center axis of the pin bore and an upper edge of the piston, namely the plane that closes the combustion chamber bowl or the piston crown section.
  • the ratio of the compression height to the piston diameter is in particular 0.2 to 0.85, preferably 0.3 to 0.75, more preferably 0.4 to 0.65.
  • the compression height is preferably specified in millimeters (mm).
  • the piston head has a cooling channel which runs completely around a central axis of the piston.
  • the cooling channel is preferably designed to be rotationally symmetrical to the central axis.
  • the cooling channel can in particular be toroidal.
  • a cooling oil in particular engine oil, can be passed through the cooling channel in order to dissipate heat introduced into the piston during operation.
  • the cooling oil can be injected into the cooling channel using an injection nozzle arranged below the piston.
  • the cooling channel can, for example, be filled with cooling oil using an injection nozzle arranged below the piston. flushable salt core can be introduced into the piston during manufacture.
  • the cooling channel can also be introduced into the piston when sub-components of the piston are connected to one another.
  • the cooling channel can be in fluid communication with an interior of the piston.
  • several holes are provided.
  • cooling oil can be injected into the interior using the previously mentioned injection nozzle. At least part of the cooling oil passes through the holes into the cooling channel and out of it again. The cooling oil is then used to remove heat from the piston.
  • the combustion chamber bowl extends along the central axis into the piston head at least up to the level of the cooling channel.
  • cooling channel and the combustion chamber bowl can be arranged at least partially at the same height when viewed along the y-direction.
  • the combustion chamber bowl covers the cooling channel at least in sections when viewed along the radial direction.
  • the combustion chamber bowl has an edge-free combustion chamber bowl surface.
  • the combustion chamber surface is preferably constructed rotationally symmetrically to the central axis.
  • the combustion chamber surface can have a substantially W-shaped geometry in cross section.
  • the W-shaped geometry can have a central section, a first wall section running diagonally downwards from the central section against the y-direction and a second wall section adjoining the first wall section and running diagonally upwards along the y-direction.
  • the second wall section ends at the plane that closes the combustion chamber.
  • the combustion chamber bowl surface expands continuously starting from the central section along the y-direction. This means in particular that a diameter of the combustion chamber bowl becomes larger and larger starting from the central section along the y-direction towards the plane.
  • the combustion chamber bowl is therefore edge-free or edgeless.
  • "Edge-free” or “edgeless” can in particular mean that the combustion chamber bowl surface has no edges.
  • the central section and the wall sections of the combustion chamber bowl surface merge into one another with roundings.
  • the roundings have a radius of greater than 1 mm, preferably greater than 2 mm, more preferably greater than 3 mm, more preferably greater than 4 mm, more preferably greater than 5 mm.
  • the edge-free combustion chamber bowl surface avoids sharp edges in the area of the combustion chamber bowl. Otherwise, sharp edges could create local hot spots where the hydrogen/air mixture could ignite uncontrollably. However, this is reliably prevented by the edge-free combustion chamber surface.
  • the hydrogen-powered internal combustion engine can be a gasoline engine.
  • the hydrogen-powered internal combustion engine can comprise an engine block and several pistons accommodated in piston bores of the engine block.
  • the hydrogen-powered internal combustion engine can have three, four, five, six or more than six pistons.
  • the hydrogen-powered internal combustion engine can also be referred to as a hydrogen internal combustion engine.
  • the terms "hydrogen-powered internal combustion engine” and “hydrogen internal combustion engine” can therefore be used interchangeably.
  • “Hydrogen-powered” in this case means that the hydrogen-powered combustion engine burns gaseous hydrogen with the addition of atmospheric oxygen. Through the combustion of hydrogen, chemical energy is converted into mechanical work in the hydrogen-powered combustion engine.
  • piston and/or the hydrogen-powered internal combustion engine also include combinations of features or embodiments described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned.
  • the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the piston and/or the hydrogen-powered internal combustion engine.
  • piston and/or the hydrogen-powered internal combustion engine are the subject of the subclaims and the embodiments of the piston and/or the hydrogen-powered internal combustion engine described below.
  • the piston and/or the hydrogen-powered internal combustion engine are described below on the basis of preferred embodiments are explained in more detail with reference to the accompanying figures.
  • Fig. 1 shows a schematic side view of an embodiment of a vehicle!
  • Fig. 2 shows a schematic perspective view of an embodiment of a piston for an internal combustion engine of the vehicle according to Fig. 1;
  • Fig. 3 shows a schematic sectional view of the piston according to Fig. 2;
  • Fig. 4 shows a further schematic sectional view of the piston according to Fig. 2;
  • Fig. 5 shows a schematic perspective view of another embodiment of a piston for an internal combustion engine of the vehicle according to Fig. 1;
  • Fig. 6 shows a schematic sectional view of the piston according to Fig. 5;
  • Fig. 7 shows a further schematic sectional view of the piston according to Fig. 5.
  • the vehicle 1 comprises a body 2 which encloses a passenger compartment or vehicle interior 3 of the vehicle 1. A driver and passengers can be present in the vehicle interior 3.
  • the body 2 separates an environment 4 of the vehicle 1 from the vehicle interior 3.
  • the vehicle interior 3 is accessible from the environment 4 by means of doors.
  • the vehicle 1 comprises a chassis with several wheels 5, 6.
  • the number of wheels 5, 6 is basically arbitrary.
  • the vehicle 1 has four wheels 5, 6.
  • the vehicle 1 can have six wheels 5, 6, for example.
  • the wheels 5, 6 are part of a chassis of the vehicle 1. Only two wheels 5, 6 can be driven. However, all wheels 5, 6 can also be driven. In this case, the vehicle 1 is an all-wheel drive vehicle.
  • the vehicle 1 comprises an internal combustion engine or an internal combustion engine 7.
  • the internal combustion engine 7 can be a gasoline engine.
  • the vehicle 1 can be powered purely by the internal combustion engine 7.
  • the vehicle 1 can also be a hybrid vehicle.
  • the vehicle 1 has at least one electric motor in addition to the internal combustion engine 7.
  • the internal combustion engine 7 comprises an engine block and a plurality of pistons accommodated in piston bores of the engine block.
  • the internal combustion engine 7 can have three, four, five, six or more than six pistons.
  • the internal combustion engine 7 is a hydrogen-powered internal combustion engine and can therefore also be referred to as such.
  • the terms "Internal combustion engine” and “hydrogen-powered internal combustion engine” can therefore be exchanged for one another at will.
  • “Hydrogen-powered” in this case means that the internal combustion engine 7 burns gaseous hydrogen with the addition of atmospheric oxygen. The combustion of the hydrogen converts chemical energy into mechanical work of the internal combustion engine 7.
  • Fig. 2 shows a schematic perspective view of an embodiment of a piston 8A for the internal combustion engine 7.
  • Fig. 3 shows a schematic sectional view of the piston 8A.
  • Fig. 4 shows a further schematic sectional view of the piston 8A. In the following, reference is made simultaneously to Figs. 2 to 4.
  • the piston 8A is made of a metallic material.
  • the piston 8A can be made of a light metal alloy, in particular an aluminum alloy.
  • the piston 8A can also be made of a steel alloy.
  • the piston 8A can also be made of cast iron.
  • the piston 8A can be composed of several sub-components that are bonded together. In bonded connections, the connecting partners are held together by atomic or molecular forces. Bonded connections are non-detachable connections. connections that can only be separated from one another by destroying the connecting means and/or the connecting partners. Material-to-material connections can be made, for example, by gluing, soldering or welding. For example, the previously mentioned sub-components of the piston 8A are welded together, in particular friction-welded.
  • the piston 8A can comprise a symmetry or central axis 9, to which the piston 8A can be constructed essentially rotationally symmetrically.
  • the piston 8A is assigned a coordinate system with a width direction or x-direction x, a height direction or y-direction y and a depth direction or z-direction z.
  • the y-direction y can also be referred to as the axial direction.
  • the terms "y-direction" and "axial direction” can therefore be used interchangeably.
  • the directions x, y, z are oriented perpendicular to one another.
  • the central axis 9 in particular coincides with the y-direction y or is oriented parallel to it.
  • the piston 8A is also assigned a radial direction R.
  • the radial direction R is oriented perpendicular to the central axis 9 and points away from it.
  • the piston 8A has a piston base or piston shaft 10 and a piston head 11. Viewed along the central axis 9, the piston shaft 10 is arranged below the piston head 11.
  • the piston shaft 10 has a piston hub with a pin bore 12 in which a pin (not shown) can be received for coupling the piston 8A to a connecting rod (not shown) of the internal combustion engine 7.
  • a symmetry or central axis 13 of the pin bore 12 intersects the central axis 9 or is arranged offset from it.
  • the central axis 13 is oriented perpendicular to the central axis 9.
  • the central axis 13 coincides with the z-direction z or is oriented parallel to it.
  • Shaft section 14, 15 is provided.
  • a first shaft section 14 and a second shaft section 15 is provided.
  • the shaft sections 14, 15 can be cylindrical in sections. In other words, the shaft sections 14, 15 can form part of a cylinder that is rotationally symmetrical to the central axis 9.
  • the shaft sections 14, 15 together form a so-called piston skirt of the piston 8A.
  • the shaft sections 14, 15 can be rotationally symmetrical to the central axis 9 in sections. In this case, the shaft sections 14, 15 in particular do not form a complete cylinder.
  • One of the shaft sections 14, 15 forms a pressure side of the piston 8A, with the other of the shaft sections 14, 15 forming a counter-pressure side of the piston 8A.
  • the shaft sections 14, 15 are connected to one another by means of wall sections 16, 17.
  • a first wall section 16 and a second wall section 17 are provided.
  • the radial direction R points away from the central axis 9 in the direction of the shaft sections 14, 15 outwards.
  • the bolt bore 12 breaks through the wall sections 16, 17.
  • the shaft sections 14, 15 and the wall sections 16, 17 enclose an interior space 18 of the piston shaft 10.
  • the interior space 18 is open towards the bottom in the orientation of Fig. 2 to 4.
  • the previously mentioned bolt for coupling the piston 8A to the connecting rod runs along the central axis 13 through the interior space 18.
  • the piston 8A has a cooling channel 19 which runs completely around the central axis 9 and is preferably constructed rotationally symmetrically to it.
  • the cooling channel 19 is in particular toroidal.
  • a cooling oil in particular engine oil, can be passed through the cooling channel 19 in order to dissipate heat Q introduced into the piston 8A during operation.
  • the cooling oil can be injected into the cooling channel 19 using an injection nozzle arranged below the piston 8A in the orientation of Fig. 2 to 4.
  • the cooling channel 19 can be introduced into the piston 8A during manufacture, for example, using a rinseable salt core.
  • the cooling channel 19 can also when connecting the previously mentioned sub-components of the
  • Piston 8A must be inserted into it.
  • the cooling channel 19 can be in fluid communication with the interior 18.
  • the number of holes is basically arbitrary.
  • several holes are provided, which can be evenly distributed around the central axis 9.
  • the holes can also be unevenly distributed around the central axis 9.
  • cooling oil can be injected into the interior 18 from below using the previously mentioned injection nozzle. At least part of the cooling oil passes through the holes into the cooling channel 19 and out of it again. Heat Q is then dissipated from the piston 8A with the cooling oil.
  • the piston head 11 has a piston crown 20, which faces a cylinder head of the internal combustion engine 7. A large part of the heat Q is also introduced into the piston crown 20.
  • the piston crown 20 faces in particular a combustion chamber 21 of the internal combustion engine 7.
  • the piston crown 20 comprises an annular piston crown section 22, which spans a plane 23 oriented perpendicular to the central axis 9.
  • the piston crown 20 has a combustion chamber recess 24 which is set back with respect to the piston crown section 22. Viewed along the central axis 9 or along the y-direction y, the combustion chamber recess 24 is thus offset or recessed with respect to the piston crown section 22. In the orientation of Fig. 3 and 4, the combustion chamber recess 24 is limited at the top by the plane 23. Viewed along the central axis 9, the combustion chamber recess 24 extends at least to the level of the cooling channel 19.
  • the combustion chamber bowl 24 has a combustion chamber bowl surface 25, which can have any geometry.
  • the combustion chamber bowl surface 25 is constructed rotationally symmetrically to the central axis 9.
  • the combustion chamber bowl surface 25 has a substantially W-shaped geometry with a central section 26, a first wall section 27 extending obliquely downwards from the central section 26 against the y-direction y, and a second wall section 28 adjoining the first wall section 27 and extending obliquely upwards along the y-direction y.
  • the second wall section 28 ends at the plane 23.
  • the combustion chamber bowl surface 25 widens continuously starting from the central section 26 along the y-direction y. This means in particular that a diameter of the combustion chamber bowl 24 becomes larger starting from the central section 26 along the y-direction y towards the plane 23. There are therefore no cross-sectional constrictions, undercuts, steps or the like on the combustion chamber bowl surface 25.
  • the combustion chamber bowl surface 25 is thus edge-free or edgeless. In particular, the central section 26 and the wall sections 27, 28 merge into one another with roundings.
  • the combustion chamber bowl 24 is open at the top in the orientation of Fig. 2 to 4.
  • the combustion chamber bowl 24 has a combustion chamber bowl volume 29.
  • the combustion chamber bowl volume 29 is defined as a volume enclosed or enclosed by the combustion chamber bowl surface 25 and the plane 23.
  • the combustion chamber bowl volume 29 can be determined or calculated, for example, using a CAD model (English Computer Aided Design) of the combustion chamber bowl 24.
  • the combustion chamber bowl 24 can be extended to the plane 23 or to the piston.
  • the combustion chamber bottom section 22 is filled with water and the water collected in the combustion chamber bowl 24 is poured into a measuring cup in order to determine the combustion chamber bowl volume 29 based on the volume of water read from the measuring cup.
  • a wall 30 separates the combustion chamber bowl 24 from the interior 18.
  • the wall 30 forms part of the combustion chamber bowl surface 25 on the front side.
  • the inner shape 31 can be conical or tapered.
  • the piston 8A has a piston diameter of 32.
  • the piston diameter 32 is defined as a diameter of the smallest possible cylinder that includes the piston skirt, i.e. the skirt sections 14, 15. This cylinder is oriented perpendicular to the center axis 13.
  • the combustion chamber bowl 24 preferably has a minimum combustion chamber bowl volume 29 that is 2.9674 times the piston diameter 32 minus a value of 220.68. At the same time, the combustion chamber bowl 24 has a maximum combustion chamber bowl volume 29 that is 4.1893 times the piston diameter 32 minus a value of 311.55.
  • the combustion chamber bowl volume 29 is given in cubic millimeters (mm 3 ).
  • the piston 8A has a compression height 33.
  • the compression height 33 is defined as a distance between the central axis 13 and an upper edge of the piston 8A, namely the plane 23 or the piston bottom section 22.
  • a ratio of the compression height 33 to the piston diameter 32 is in particular 0.2 to 0.85, preferably 0.3 to 0.75, more preferably 0.4 to 0.65.
  • a ring section or ring field 34 is provided on the piston head 11.
  • the ring field 34 forms in particular a substantially cylindrical outer surface of the piston head 11, which can be constructed rotationally symmetrically to the central axis 9.
  • the ring field 34 has several ring grooves 35 arranged one above the other as viewed along the y-direction y, of which only one is provided with a reference number in Fig. 4.
  • the ring grooves 35 are suitable for receiving piston rings. For example, two or three such ring grooves 35 are provided.
  • the ring field 34 can also have a ring carrier 36.
  • the ring carrier 36 runs completely around the central axis 9.
  • the ring carrier 36 can be U-shaped.
  • the ring carrier 36 can accommodate or carry a piston ring as mentioned above.
  • the ring carrier 36 can be made of a different material than the piston head 11 or the piston 8A.
  • the ring carrier 36 can be made of a steel alloy, whereas the piston 8A can be made of an aluminum alloy.
  • the ring carrier 36 can be an insert part to which the piston 8A is cast in a casting process.
  • a top land 37 adjoining the piston crown section 22 is part of the ring field 34. However, the top land 37 does not have an annular groove 35 as mentioned above for receiving a piston ring.
  • the top land 37 ends at the piston crown section 22 or at the plane 23 when viewed along the y-direction y.
  • Fig. 5 shows a schematic perspective view of a further embodiment of a piston 8B for the internal combustion engine 7.
  • Fig. 6 shows a schematic sectional view of the piston 8B.
  • Fig. 7 shows a further schematic sectional view of the piston 8B.
  • the piston 8B is essentially the same in terms of its structure as the piston 8A. Therefore, only the differences between the piston 8B and the piston 8A will be discussed below. All statements regarding the piston 8A are applicable to the piston 8B and vice versa.
  • valve pockets 38 In contrast to the piston 8A, the piston 8B has several valve pockets 38, of which only one is provided with a reference number in Figs. 5 to 7. Valve tappets penetrate into the valve pockets 38 when the internal combustion engine 7 is in operation.
  • the valve pockets 38 can be evenly distributed around the central axis 9. However, this is not absolutely necessary.
  • the number of valve pockets 38 preferably corresponds to the number of valves per piston 8B. For example, four valve pockets 38 are provided.
  • the valve pockets 38 are preferably provided on the top land 37.
  • the valve pockets 38 penetrate the top land 37 when viewed along the radial direction R of the piston 8B.
  • the valve pockets 38 are preferably ring-segment-shaped.
  • Each valve pocket 38 has a valve pocket volume, wherein the valve pocket volumes of the valve pockets 38 are both part of the minimum combustion chamber volume 29 and part of the maximum combustion chamber volume 29. Accordingly, for the piston 8B, the combustion chamber recess 24 also has a minimum combustion chamber volume 29 which is 2.9674 times the piston diameter 32 minus a value of 220.68. However, the valve pocket volumes of the valve pockets 38 are part of the minimum combustion chamber volume 29.
  • the combustion chamber bowl 24 has a maximum combustion chamber bowl volume 29 which is 4.1893 times the Kob diameter 32 minus a value of 311.55.
  • the valve pocket volumes of the valve pockets 38 are part of the maximum combustion chamber bowl volume 29.
  • the combustion chamber bowl volume 29 is given in cubic millimeters (mm 3 ).
  • a common valve pocket volume of all valve pockets 38 can be defined here as a volume difference between a piston blank whose structure, apart from the valve pockets 38, does not differ from the piston 8B and does not yet have valve pockets 38, and the piston 8B itself, which already has the valve pockets 38.
  • the valve pockets 38 can be milled into the piston blank or formed onto a mold that can be used to produce the piston blank.

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Abstract

Kolben (8A, 8B) für einen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor (7), mit einem Kolbenkopf (11), einem Kolbenschaft (10), der mit dem Kolbenkopf (11) verbunden ist, und einer an dem Kolbenkopf (11) vorgesehenen Brennraummulde (24), wobei der Kolben (8A, 8B) einen an dem Kolbenschaft (10) messbaren Kolbendurchmesser (32) aufweist, wobei die Brennraummulde (24) ein minimales Brennraummuldenvolumen (29), dessen Betrag ein 2,9674-faches des Betrags des Kolbendurchmessers (32) - 220,68 beträgt, aufweist, und wobei die Brenn- raummulde (24) ein maximales Brennraummuldenvolumen (29), dessen Betrag ein 4,1893-faches des Betrags des Kolbendurchmessers (32) - 311,55 beträgt, aufweist.

Description

KS Kolbenschmidt GmbH 1
KOLBEN UND VERBRENNUNGSMOTOR
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor und einen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor mit einem derartigen Kolben.
Um die Emission von Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen bei Verbrennungsmotoren zu verhindern, gibt es Ansätze, Verbrennungsmotoren mit gasförmigem Wasserstoff zu betreiben. Hierbei verbrennt der Verbrennungsmotor ein Wasser- stoff/Luft-Gemisch. Gemäß betriebsinternen Erkenntnissen kann sich dabei jedoch das Problem ergeben, dass es aufgrund der leichten Entzündbarkeit von Wasserstoff/Luft- Gemischen zu einer unerwünschten klopfenden Verbrennung kommt. Diese resultiert daraus, dass sich das Wasserstoff/Luft -Gemisch an lokalen heißen Stellen, beispielsweise an scharfen Kanten eines Kolbenbodens eines Kolbens des Verbrennungsmotors, entzünden kann. Diese klopfende Verbrennung kann negative Auswirkungen auf die Lebensdauer des Verbrennungsmotors beziehungsweise von Bauteilen des Verbrennungsmotors, wie beispielsweise dem zuvor erwähnten Kolben, haben. Dies gilt es zu verbessern.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Kolben für einen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen.
Demgemäß wird ein Kolben für einen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor vor geschlagen. Der Kolben umfasst einen Kolbenkopf, einen Kolbenschaft, der mit dem Kolbenkopf verbunden ist, und eine an dem Kolbenkopf vorgesehene Brennraummulde, wobei der Kolben einen an dem Kolbenschaft messbaren Kolbendurchmesser aufweist, wobei die Brennraummulde ein minimales Brennraummuldenvolumen, dessen Betrag ein 2,9674-faches des Betrags des Kolbendurchmessers minus 220,68 beträgt, aufweist, und wobei die Brennraummulde ein maximales Brennraummuldenvolumen, dessen Betrag ein 4,1893-faches des Betrags des Kolbendurchmessers minus 311,55 beträgt, aufweist.
Dadurch, dass das Brennraumuldenvolumen der Brennraummulde zwischen dem zuvor erwähnten Minimalwert und dem zuvor erwähnten Maximalwert des Brennraummuldenvolumens gewählt wird, hat sich überraschenderweise gezeigt, dass eine klopfende Verbrennung verhindert werden kann. Hierdurch wird die Lebensdauer eines wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotors mit einem derartigen Kolben beziehungsweise die Lebensdauer des Kolbens selbst signifikant erhöht. Es ergibt sich ferner eine Effizienzsteigerung bei der Verbrennung von Wasserstoff.
Der wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotor kann ein Ottomotor sein. Der wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotor kann einen Motorblock sowie mehrere in Kolbenbohrungen des Motorblocks aufgenommene Kolben umfassen. Der Kolben kann insbesondere als wasserstoffbetriebener Kolben oder als Wasserstoff- Kolben bezeichnet werden. Das heißt insbesondere, dass vorliegend die Begriffe "Kolben" und "Wasserstoff- Kolben" beliebig gegeneinander getauscht werden können.
Dem Kolben kann insbesondere eine Symmetrie- oder Mittelachse zugeordnet sein, zu welcher der Kolben im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut sein kann. Diese vorgenannte Mittelachse kann insbesondere von einer Mittelachse eines Zylinders gebildet werden, der Flächen des Kolbenschafts des Kolbens umhüllt und dabei einen minimalen Durchmesser aufweist, wobei die Mittelachse dieses Zylinders senkrecht zu einer Bolzenbohrung des Kolbens, insbesondere zu einer Mittelachse der Bolzenbohrung, angeordnet ist.
Dem Kolben kann ferner ein Koordinatensystem mit einer Breitenrichtung oder x-Richtung, einer Hochrichtung oder y-Richtung und einer Tiefenrichtung oder z- Richtung zugeordnet sein. Die y-Richtung kann auch als Axialrichtung bezeichnet werden. Die Begriffe "y-Richtung" und "Axialrichtung" sind daher beliebig gegeneinander tauschbar. Die Richtungen sind senkrecht zueinander orientiert. Die Mittelachse stimmt mit der y-Richtung überein oder ist parallel zu der y Richtung orientiert. Dem Kolben ist ferner eine Radialrichtung zugeordnet. Die Radialrichtung ist senkrecht zu der Mittelachse orientiert und weist von dieser weg.
Der Kolbenkopf und der Kolbenschaft können zwei voneinander getrennte Bauteile sein, welche zum Bilden des Kolbens zusammengefügt werden. Beispielsweise können der Kolbenkopf und der Kolbenschaft stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Stoffschlüssige Verbindungen sind nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel und/oder der Verbindungspartner wieder voneinander trennen lassen. Stoffschlüssig kann beispielsweise durch Schweißen verbunden werden. Beispielsweise sind der Kolbenkopf und der Kolbenschaft miteinander verschweißt.
Der Kolben ist bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Beispielsweise kann der Kolben aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung, gefertigt sein. Der Kolben kann jedoch auch aus einer Stahllegierung hergestellt sein. Ferner kann der Kolben auch aus Gusseisen gefertigt sein.
Dass die Brennraummulde an dem Kolbenkopf "vorgesehen" ist, bedeutet vorliegend insbesondere, dass die Brennraummulde in den Kolbenkopf eingearbeitet oder an dem Kolbenkopf angeordnet ist. Insbesondere ist die Brennraummulde eine in den Kolbenkopf eingearbeitete Vertiefung. Bevorzugt weist der Kolben einen Kolbenboden auf, welcher die Brennraummulde umfasst. Dabei ist die Brennraummulde bezüglich eines ringförmig um die Mittelachse umlaufenden Kolbenbodenabschnitts des Kolbenbodens zurückgesetzt. Das heißt insbesondere, dass die Brennraummulde entlang der Mittelachse beziehungsweise entlang der y-Richtung betrachtet bezüglich des Kolbenbodenabschnitts zurückgesetzt oder vertieft angeordnet ist. Dem Kolbenschaft abgewandt ist die Brennraummulde offen. Die Brennraummulde kann dem Kolbenschaft abgewandt insbesondere durch eine Ebene begrenzt sein, in welcher der Kolbenbodenabschnitt hegt. Diese Ebene ist senkrecht zu der Mittelachse orientiert.
In diesem Zusammenhang kann unter dem Begriff "Betrag" der Zahlenwert einer beliebigen Größe verstanden werden, insbesondere losgelöst von einer etwaigen Einheit der beliebigen Größe. Hierbei kann die Größe sowohl eine Länge beziehungsweise ein Durchmesser sein, als auch eine Fläche oder ein Volumen.
Der Kolbendurchmesser ist insbesondere definiert als ein Durchmesser eines kleinstmöglichen Zylinders, der ein Kolbenhemd des Kolbens, also Schaftabschnitte des Kolbens, einschließt. Dieser Zylinder ist senkrecht zu der Mittelachse der Bolzenbohrung des Kolbens orientiert. Es sind insbesondere ein erster Schaftabschnitt und ein zweiter Schaft ab schnitt vorgesehen. Die Schaftabschnitte bilden zusammen das sogenannte Kolbenhemd des Kolbens. Die Schaftabschnitte können mit Hilfe von Wandabschnitten miteinander verbunden sein. Der Kolbendurchmesser wird vorzugsweise in Millimetern (mm) angegeben.
Das Brennraummuldenvolumen ist definiert als ein von einer Brennraummuldenoberfläche der Brennraummulde und der zuvor erwähnten Ebene umschlossenes oder eingeschlossenes Volumen. Das Brennraummuldenvolumen lässt sich beispielsweise anhand eines CAD -Modells (EnglJ Computer Aided Design) der Brennraummulde beziehungsweise des Kolbens bestimmen oder berechnen. Im einfachsten Fall kann zum Bestimmen des Brennraummuldenvolumens die Brennraummulde bis zu der zuvor erwähnten Ebene beziehungsweise bis zu dem Kolbenbodenabschnitt mit Wasser gefüllt werden und das in der Brennraummulde aufgenommene Wasser in einen Messbecher gegossen werden, um anhand des von dem Messbecher abgelesenen Volumens des Wassers das Brennraummuldenvolumen zu bestimmen.
Die Brennraummulde weist das minimale Brennraummuldenvolumen, das ein 2,9674-faches des Kolbendurchmessers abzüglich eines Werts von 220,68 beträgt, auf. Gleichzeitig weist die Brennraummulde das maximale Brennraummuldenvolumen, das ein 4,1893-faches des Kolbendurchmessers abzüglich eines Werts von 311,55 beträgt, auf. Das Brennraummuldenvolumen wird dabei in Kubikmillimeter (mm3) angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Brennraummulde ein Brennraummuldenvolumen auf, welches durch ein minimales Brennraummuldenvolumen und ein maximales Brennraummuldenvolumen begrenzt ist, deren Beträge jeweils in Abhängigkeit des Kolbendurchmessers stehen, wobei gilt- minimales Brennraummuldenvolumen = 2,9674 mm2 * Kolbendurchmesser - 220,68 mm3, und maximales Brennraummuldenvolumen = 4,1893 mm2 * Kolbendurchmesser - 311,55 mm3.
Hierbei werden der Wert des Kolbendurchmessers in mm und die Werte des minimalen Brennraummuldenvolumen und des maximalen Brennraummuldenvolumen in mm3 angegeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Kolben für einen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor vor geschlagen. Der Kolben umfasst einen Kolbenkopf, einen Kolbenschaft, der mit dem Kolbenkopf verbunden ist, und eine an dem Kolbenkopf vorgesehene Brennraummulde, wobei der Kolben einen an dem Kolbenschaft messbaren Kolbendurchmesser aufweist, wobei die Brennraummulde ein Brennraummuldenvolumen aufweist, welches durch ein minimales Brennraummuldenvolumen und ein maximales Brennraummuldenvolumen begrenzt ist, deren Beträge jeweils in Abhängigkeit des Kolbendurchmessers ste- hen, wobei gilt- minimales Brennraummuldenvolumen = 2,9674 mm2 * Kolbendurchmesser ■ 220,68 mm3, und maximales Brennraummuldenvolumen = 4,1893 mm2 * Kolbendurchmesser - 311,55 mm3.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Kolben für einen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor vor geschlagen. Der Kolben umfasst einen Kolbenkopf, einen Kolbenschaft, der mit dem Kolbenkopf verbunden ist, und eine an dem Kolbenkopf vorgesehene Brennraummulde, wobei der Kolben einen an dem Kolbenschaft messbaren Kolbendurchmesser aufweist, wobei die Brennraummulde ein minimales Brennraummuldenvolumen, das ein 2,9674-faches des Kolbendurchmessers minus 220,68 beträgt, aufweist, und wobei die Brennraummulde ein maximales Brennraummuldenvolumen, das ein 4,1893-faches des Kolbendurchmessers minus 311,55 beträgt, aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Kolbenkopf zumindest eine Ventiltasche mit einem Ventiltaschenvolumen auf, wobei das Ventiltaschenvolumen sowohl Teil des minimalen Brennraumvolumens als auch Teil des maximalen Brennraumvolumens ist.
Es können mehrere Ventiltaschen vorgesehen sein. In die Ventiltaschen tauchen im Betrieb des Verbrennungsmotors Ventilstößel ein. Die Ventiltaschen können gleichmäßig um die Mittelachse herum verteilt angeordnet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Anzahl der Ventiltaschen entspricht vorzugsweise der Anzahl der Ventile pro Kolben. Beispielsweise sind vier Ventiltaschen an dem Kolben vorgesehen. Jede Ventiltasche weist insbesondere ein Ventiltaschenvolumen auf, wobei die Ventiltaschenvolumen aller Ventiltaschen sowohl Teil des minimalen Brennraummuldenvolumens als auch Teil des maximalen Brennraummuldenvolumens sind. Dementsprechend weist die Brennraummulde ein minimales Brennraummuldenvolumen auf, das ein 2,9674-faches des Kolbendurchmessers abzüglich eines Werts von 220,68 beträgt. Dabei sind jedoch die Ventiltaschenvolumen der Ventiltaschen Teil des minimalen Brennraummulden- volumens. Gleichzeitig weist die Brennraummulde ein maximales Brennraummuldenvolumen auf, das ein 4,1893-faches des Kolbendurchmessers abzüglich eines Werts von 311,55 beträgt. Dabei sind jedoch die Ventiltaschenvolumen der Ventiltaschen Teil des maximalen Brennraummuldenvolumens. Das Brennraummuldenvolumen wird dabei auch in diesem Fall in Kubikmillimeter (mm3) angegeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zumindest eine Ventiltasche an einem Feuersteg des Kolbenkopfs vorgesehen.
Der Feuersteg läuft vorzugsweise um die Brennraummulde um. Die Brennraummulde kann teilweise innerhalb des Feuerstegs angeordnet sein. Insbesondere weist der Kolben ein Ringfeld auf. Das Ringfeld bildet insbesondere eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenfläche des Kolbenkopfs, welche rotationssymmetrisch zu der Mittelachse aufgebaut sein kann. Das Ringfeld kann mehrere entlang der y-Richtung betrachtet übereinander angeordnete Ringnuten aufweisen. Die Ringnuten sind zur Aufnahme von Kolbenringen geeignet. Beispielsweise sind zwei oder drei derartige Ringnuten vorgesehen. Der Feuersteg schließt sich an den Kolbenboden an und ist Teil des Ringfelds. Der Feuersteg weist jedoch keine wie zuvor erwähnte Ringnut zum Aufnehmen eines Kolbenrings auf. Der Feuersteg endet entlang der y-Richtung betrachtet an dem Kolbenbodenabschnitt beziehungsweise an der die Brennraummulde nach oben abschließenden Ebene.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform durchbricht die zumindest eine Ventiltasche den Feuersteg entlang einer Radialrichtung des Kolbens betrachtet.
Somit unterbricht die Ventiltasche den Feuersteg oder die Ventiltaschen unterbrechen den Feuersteg. Entlang der Radialrichtung betrachtet ist die Brenn- raummulde somit zu einer Umgebung des Kolbens hin durch die Ventiltasche oder die Ventiltaschen geöffnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zumindest eine Ventiltasche ringsegmentförmig.
Unter einem "Ringsegment" ist vorhegend ein Abschnitt eines Rings zu verstehen. Vorzugsweise sind, wie zuvor erwähnt, mehrere Ventiltaschen vorgesehen, welche entlang einer Umfangsrichtung des Feuerstegs betrachtet voneinander beabstandet angeordnet sein können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Kolben ein Verhältnis einer Kompressionshöhe des Kolbens zu dem Kolbendurchmesser von 0,4 bis 0,65 auf.
Die Kompressionshöhe ist definiert als ein Abstand zwischen der Mittelachse der Bolzenbohrung und einer Oberkante des Kolbens, nämlich der die Brennraummulde abschließenden Ebene, beziehungsweise dem Kolbenbodenabschnitt. Das Verhältnis der Kompressionshöhe zu dem Kolbendurchmesser beträgt insbesondere 0,2 bis 0,85, bevorzugt 0,3 bis 0,75, weiter bevorzugt 0,4 bis 0,65. Die Kompressionshöhe wird vorzugsweise in Millimetern (mm) angegeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Kolbenkopf einen Kühlkanal auf, der vollständig um eine Mittelachse des Kolbens herumläuft.
Der Kühlkanal ist vorzugsweise rotationssymmetrisch zu der Mittelachse aufgebaut. Der Kühlkanal kann insbesondere torusförmig sein. Durch den Kühlkanal kann ein Kühlöl, insbesondere Motoröl, geleitet werden, um im Betrieb des Kolbens in diesen eingebrachte Wärme abzuführen. Hierzu kann das Kühlöl mit Hilfe einer unterhalb des Kolbens angeordneten Einspritzdüse in den Kühlkanal eingespritzt werden. Der Kühlkanal kann beispielsweise mit Hilfe eines aus- spülbaren Salzkerns bei der Herstellung des Kolbens in diesen eingebracht werden. Alternativ kann der Kühlkanal auch bei einem miteinander Verbinden von Unterbauteilen des Kolbens in diesen eingebracht werden. Mit Hilfe mehrerer Bohrungen kann der Kühlkanal mit einem Innenraum des Kolbens in Fluidverbindung sein. Vorzugsweise sind mehrere Bohrungen vorgesehen. Beispielsweise kann im Betrieb des Kolbens mit Hilfe der zuvor erwähnten Einspritzdüse Kühlöl in den Innenraum eingespritzt werden. Zumindest ein Teil des Kühlöls gelangt durch die Bohrungen in den Kühlkanal und wieder aus diesem heraus. Mit dem Kühlöl wird dann Wärme von dem Kolben abgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Brennraummulde entlang der Mittelachse betrachtet zumindest bis auf Höhe des Kühlkanals in den Kolbenkopf hinein.
Das heißt insbesondere, dass der Kühlkanal und die Brennraummulde entlang der y-Richtung betrachtet zumindest teilweise auf derselben Höhe angeordnet sein können. Mit anderen Worten deckt die Brennraummulde entlang der Radialrichtung betrachtet den Kühlkanal zumindest abschnittsweise ab.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Brennraummulde eine kantenfreie Brennraummuldenoberfläche auf.
Die Brennraummuldenoberfläche ist vorzugsweise rotationssymmetrisch zu der Mittelachse aufgebaut. Die Brennraummuldenoberfläche kann im Querschnitt eine im Wesentlichen W-förmige Geometrie aufweisen. Die W-förmige Geometrie kann einen Mittelabschnitt, einen ausgehend von dem Mittelabschnitt entgegen der y-Richtung schräg nach unten verlaufenden ersten Wandabschnitt und einen sich an den ersten Wandabschnitt anschließenden und entlang der y-Richtung schräg nach oben verlaufenden zweiten Wandabschnitt aufweisen. Der zweite Wandabschnitt endet an der die Brennraummulde abschließenden Ebene. Insbe- sondere weitet sich die Brennraummuldenoberfläche ausgehend von dem Mittelabschnitt entlang der y-Richtung betrachtet kontinuierlich auf. Das heißt insbesondere, dass ein Durchmesser der Brennraummulde ausgehend von dem Mittelabschnitt entlang der y-Richtung zu der Ebene hin immer größer wird. Es sind somit keine Querschnittseinengungen, Hinterschnitte, Absätze oder dergleichen an der Brennraummuldenoberfläche vorgesehen. Die Brennraummulde ist somit kantenfrei oder kantenlos. "Kantenfrei" oder "kantenlos" kann insbesondere bedeuten, dass die Brennraummuldenoberfläche keine Kanten aufweist. Insbesondere gehen der Mittelabschnitt und die Wandabschnitte der Brennraummuldenoberfläche mit Verrundungen ineinander über. Insbesondere weisen die Verrun- düngen einen Radius von größer als 1 mm, bevorzugt von größer als 2 mm, weiter bevorzugt von größer als 3 mm, weiter bevorzugt von größer als 4 mm, weiter bevorzugt von größer als 5 mm, auf. Durch die kantenfreie Brennraummuldenoberfläche werden scharfe Kanten im Bereich der Brennraummulde vermieden. An scharfen Kanten könnten sonst lokal heiße Stellen entstehen, an denen sich das Wasserstoff/Luft- Gemisch unkontrolliert entzünden könnte. Dies wird durch die kantenfreie Brennraummuldenoberfläche jedoch zuverlässig verhindert.
Ferner wird ein wasserstofibetriebener Verbrennungsmotor mit zumindest einem derartigen Kolben vor geschlagen.
Der wasserstofibetriebene Verbrennungsmotor kann ein Ottomotor sein. Der wasserstofibetriebene Verbrennungsmotor kann einen Motorblock sowie mehrere in Kolbenbohrungen des Motorblocks aufgenommene Kolben umfassen. Beispielsweise kann der wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotor drei, vier, fünf, sechs oder mehr als sechs Kolben aufweisen. Der wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotor kann auch als Wasserstoff- Verbrennungsmotor bezeichnet werden. Die Begriffe " wasserstoffbetriebener Verbrennungsmotor" und "Wasserstoff- Verbrennungsmotor" können daher beliebig gegeneinander getauscht werden. "Wasserstoffbetrieben" heißt vorliegend, dass der wasserstofibetriebene Ver- brennungsmotor gasförmigen Wasserstoff unter Zufuhr von Luftsauerstoff verbrennt. Dabei wird durch die Verbrennung des Wasserstoffs chemische Energie in mechanische Arbeit des wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotors umgewandelt.
Die für den vorgeschlagenen Kolben beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für den vorgeschlagenen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor entsprechend und umgekehrt.
"Ein" ist vorliegend nicht zwingend als beschränkend auf genau ein Element zu verstehen. Vielmehr können auch mehrere Elemente, wie beispielsweise zwei, drei oder mehr, vorgesehen sein. Auch jedes andere hier verwendete Zählwort ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Beschränkung auf genau die genannte Anzahl an Elementen gegeben ist. Vielmehr sind zahlenmäßige Abweichungen nach oben und nach unten möglich, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Weitere mögliche Implementierungen des Kolbens und/oder des wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotors umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform des Kolbens und/oder des wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotors hinzufügen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte des Kolbens und/oder des wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotors sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele des Kolbens und/oder des wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotors. Im Weiteren werden der Kolben und/oder der wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotor anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines F ahrzeugs!
Fig. 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs gemäß Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht des Kolbens gemäß Fig. 2;
Fig. 4 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht des Kolbens gemäß Fig. 2;
Fig. 5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor des F ahrzeugs gemäß Fig. 1;
Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht des Kolbens gemäß Fig. 5; und
Fig. 7 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht des Kolbens gemäß Fig. 5.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Fahrzeugs 1. Das Fahrzeug 1 ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen. Das Fahrzeug 1 kann auch ein Nutzfahrzeug, beispielsweise ein Lastkraftwagen, eine Erntemaschine oder eine Baumaschine, sein. Ferner kann das Fahrzeug 1 auch ein militärisches Fahrzeug sein. Darüber hinaus kann das Fahrzeug auch ein Luftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug sein. Nachfolgend wird jedoch davon ausgegangen, dass das Fahrzeug 1 ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, ist.
Das Fahrzeug 1 umfasst eine Karosserie 2, welche einen Fahrgastraum oder Fahrzeuginnenraum 3 des Fahrzeugs 1 umschließt. In dem Fahrzeuginnenraum 3 können sich ein F ahrer und F ahrgäste aufhalten. Die Karosserie 2 grenzt eine Umgebung 4 des Fahrzeugs 1 von dem Fahrzeuginnenraum 3 ab. Der Fahrzeuginnenraum 3 ist mit Hilfe von Türen von der Umgebung 4 her zugänglich.
Das Fahrzeug 1 umfasst ein Fahrwerk mit mehreren Rädern 5, 6. Die Anzahl der Räder 5, 6 ist grundsätzlich beliebig. Vorzugsweise weist das Fahrzeug 1 vier Räder 5, 6 auf. Das Fahrzeug 1 kann jedoch beispielsweise sechs Räder 5, 6 aufweisen. Die Räder 5, 6 sind Teil eines Fahrwerks des Fahrzeugs 1. Es können lediglich zwei Räder 5, 6 angetrieben sein. Es können jedoch auch alle Räder 5, 6 angetrieben sein. In diesem Fall ist das Fahrzeug 1 ein Allradfahrzeug.
Das Fahrzeug 1 umfasst eine Brennkraftmaschine oder einen Verbrennungsmotor 7. Der Verbrennungsmotor 7 kann ein Ottomotor sein. Das Fahrzeug 1 kann rein von dem Verbrennungsmotor 7 angetrieben sein. Das Fahrzeug 1 kann jedoch auch ein Hybridfahrzeug sein. In diesem Fall weist das Fahrzeug 1 neben dem Verbrennungsmotor 7 zumindest einen Elektromotor auf. Der Verbrennungsmotor 7 umfasst einen Motorblock sowie mehrere in Kolbenbohrungen des Motorblocks aufgenommene Kolben. Beispielsweise kann der Verbrennungsmotor 7 drei, vier, fünf, sechs oder mehr als sechs Kolben aufweisen.
Der Verbrennungsmotor 7 ist vorliegend ein wasserstoffbetriebener Verbrennungsmotor und kann daher auch als solcher bezeichnet werden. Die Begriffe "Verbrennungsmotor" und "wasserstoffbetriebener Verbrennungsmotor" können daher beliebig gegeneinander getauscht werden. "Wasserstoffbetrieben" heißt vorliegend, dass der Verbrennungsmotor 7 gasförmigen Wasserstoff unter Zufuhr von Luftsauerstoff verbrennt. Dabei wird durch die Verbrennung des Wasserstoffs chemische Energie in mechanische Arbeit des Verbrennungsmotors 7 um- gewandelt.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Kolbens 8A für den Verbrennungsmotor 7. Die Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht des Kolbens 8A. Die Fig. 4 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht des Kolbens 8A. Nachfolgend wird auf die Fig. 2 bis 4 gleichzeitig Bezug genommen.
Der Kolben 8A kann Teil eines wie zuvor erläuterten Fahrzeugs 1, insbesondere des Verbrennungsmotors 7, sein. Besonders bevorzugt ist der Kolben 8A jedoch Teil eines Nutzfahrzeugs. In diesem Fall ist das Fahrzeug 1 ein Nutzfahrzeug. Der Verbrennungsmotor 7 und damit der Kolben 8A kann in beliebigen Fahrzeugen 1, Schiffen, Maschinen oder dergleichen eingesetzt werden. Ferner ist der Verbrennungsmotor 7 beziehungsweise der Kolben 8A auch für stationäre Anwendungen, wie beispielsweise für Generatoren, Kraft, Wärme oder dergleichen, einsetzbar.
Der Kolben 8A ist aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Beispielsweise kann der Kolben 8A aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung, gefertigt sein. Der Kolben 8A kann jedoch auch aus einer Stahllegierung hergestellt sein. Ferner kann der Kolben 8A auch aus Gusseisen gefertigt sein. Der Kolben 8A kann aus mehreren Unterbauteilen zusammengesetzt sein, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Bei stoffschlüssigen Verbindungen werden die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten. Stoffschlüssige Verbindungen sind nicht lösbare Ver- bindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel und/oder der Verbindungspartner wieder voneinander trennen lassen. Stoffschlüssig kann beispielsweise durch Kleben, Löten oder Schweißen verbunden werden. Beispielsweise sind die zuvor erwähnten Unterbauteile des Kolbens 8A miteinander verschweißt, insbesondere reibverschweißt.
Der Kolben 8A kann eine Symmetrie- oder Mittelachse 9 umfassen, zu welcher der Kolben 8A im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut sein kann. Dem Kolben 8A ist ein Koordinatensystem mit einer Breitenrichtung oder x-Richtung x, einer Hochrichtung oder y-Richtung y und einer Tiefenrichtung oder z- Richtung z zugeordnet. Die y-Richtung y kann auch als Axialrichtung bezeichnet werden. Die Begriffe "y-Richtung" und "Axialrichtung" sind daher beliebig gegeneinander tauschbar. Die Richtungen x, y, z sind senkrecht zueinander orientiert. Die Mittelachse 9 stimmt insbesondere mit der y-Richtung y überein oder ist parallel zu dieser orientiert. Dem Kolben 8A ist ferner eine Radialrichtung R zugeordnet. Die Radialrichtung R ist senkrecht zu der Mittelachse 9 orientiert und weist von dieser weg.
Der Kolben 8A weist einen Kolbenfuß oder Kolbenschaft 10 und einen Kolbenkopf 11 auf. Entlang der Mittelachse 9 betrachtet ist der Kolbenschaft 10 unterhalb des Kolbenkopfs 11 angeordnet. Der Kolbenschaft 10 weist eine Kolbennabe mit einer Bolzenbohrung 12 auf, in der ein nicht gezeigter Bolzen zum Koppeln des Kolbens 8A an ein nicht gezeigtes Pleuel des Verbrennungsmotors 7 aufnehmbar ist. Eine Symmetrie- oder Mittelachse 13 der Bolzenbohrung 12 schneidet die Mittelachse 9 oder ist versetzt zu dieser angeordnet. Ferner ist die Mittelachse 13 senkrecht zu der Mittelachse 9 orientiert. Die Mittelachse 13 stimmt mit der z-Richtung z überein oder ist parallel zu dieser orientiert.
In der Orientierung der Fig. 3 beidseits der Bolzenbohrung 12 ist jeweils ein
Schaftabschnitt 14, 15 vorgesehen. Es sind ein erster Schaftabschnitt 14 und ein zweiter Sch aft ab schnitt 15 vorgesehen. Die Schaftab schnitte 14, 15 können abschnittsweise zylinderförmig ausgebildet sein. Mit anderen Worten können die Schaftabschnitte 14, 15 Teil eines Zylinders bilden, der rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 9 aufgebaut ist. Die Schaftabschnitte 14, 15 bilden zusammen ein sogenanntes Kolbenhemd des Kolbens 8A. Die Schaftabschnitte 14, 15 können abschnittsweise rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 9 aufgebaut sein. Dabei bilden die Schaftabschnitte 14, 15 insbesondere jedoch keinen vollständigen Zylinder. Einer der Schaftabschnitte 14, 15 bildet eine Druckseite des Kolbens 8A, wobei der andere der Schaftabschnitte 14, 15 eine Gegendruckseite des Kolbens 8A bildet.
Die Schaftabschnitte 14, 15 sind mit Hilfe von Wandabschnitten 16, 17 miteinander verbunden. Es sind ein erster Wandabschnitt 16 und ein zweiter Wandabschnitt 17 vorgesehen. Die Radialrichtung R weist von der Mittelachse 9 weg in Richtung der Schaftabschnitte 14, 15 nach außen. Die Bolzenbohrung 12 durchbricht die Wandabschnitte 16, 17. Die Schaftabschnitte 14, 15 und die Wandabschnitte 16, 17 umschließen einen Innenraum 18 des Kolbenschafts 10. Der Innenraum 18 ist in der Orientierung der Fig. 2 bis 4 nach unten hin offen. Der zuvor erwähnte Bolzen zum Koppeln des Kolbens 8A an das Pleuel läuft entlang der Mittelachse 13 durch den Innenraum 18 hindurch.
Der Kolben 8A weist einen Kühlkanal 19 auf, der vollständig um die Mittelachse 9 umläuft und vorzugsweise rotationssymmetrisch zu dieser aufgebaut ist. Der Kühlkanal 19 ist insbesondere torusförmig. Durch den Kühlkanal 19 kann ein Kühlöl, insbesondere Motoröl, geleitet werden, um im Betrieb des Kolbens 8A in diesen eingebrachte Wärme Q abzuführen. Hierzu kann das Kühlöl mit Hilfe einer in der Orientierung der Fig. 2 bis 4 unterhalb des Kolbens 8A angeordneten Einspritzdüse in den Kühlkanal 19 eingespritzt werden. Der Kühlkanal 19 kann beispielsweise mit Hilfe eines ausspülbaren Salzkerns bei der Herstellung des Kolbens 8A in diesen eingebracht werden. Alternativ kann der Kühlkanal 19 auch bei dem miteinander Verbinden der zuvor erwähnten Unterbauteile des
Kolbens 8A in diesen eingebracht werden.
Mit Hilfe mehrerer Bohrungen (nicht gezeigt) kann der Kühlkanal 19 mit dem Innenraum 18 in Fluidverbindung sein. Die Anzahl der Bohrungen ist grundsätzlich beliebig. Vorzugsweise sind mehrere Bohrungen vorgesehen, die gleichmäßig um die Mittelachse 9 herum verteilt angeordnet sein können. Die Bohrungen können auch ungleichmäßig um die Mittelachse 9 herum verteilt angeordnet sein. Beispielsweise kann im Betrieb des Kolbens 8A in der Orientierung der Fig. 2 bis 4 mit Hilfe der zuvor erwähnten Einspritzdüse von unten Kühlöl in den Innenraum 18 eingespritzt werden. Zumindest ein Teil des Kühlöls gelangt durch die Bohrungen in den Kühlkanal 19 und wieder aus diesem heraus. Mit dem Kühlöl wird dann Wärme Q von dem Kolben 8A abgeführt.
Der Kolbenkopf 11 weist einen Kolbenboden 20 auf, welcher einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 7 zugewandt ist. In den Kolbenboden 20 wird auch ein Großteil der Wärme Q eingebracht. Der Kolbenboden 20 ist insbesondere einem Brennraum 21 des Verbrennungsmotors 7 zugewandt. Der Kolbenboden 20 umfasst einen ringförmigen Kolbenbodenabschnitt 22, der eine senkrecht zu der Mittelachse 9 orientierte Ebene 23 aufspannt.
Ferner weist der Kolbenboden 20 eine Brennraummulde 24 auf, welche bezüglich des Kolbenbodenabschnitts 22 zurückgesetzt ist. Entlang der Mittelachse 9 beziehungsweise entlang der y-Richtung y betrachtet, ist die Brennraummulde 24 somit bezüglich des Kolbenbodenabschnitts 22 versetzt oder vertieft angeordnet. In der Orientierung der Fig. 3 und 4 ist die Brennraummulde 24 nach oben hin durch die Ebene 23 begrenzt. Entlang der Mittelachse 9 betrachtet, erstreckt sich die Brennraummulde 24 zumindest bis auf Höhe des Kühlkanals 19. Die Brennraummulde 24 weist eine Brennraummuldenoberfläche 25 auf, die eine beliebige Geometrie aufweisen kann. Die Brennraummuldenoberfläche 25 ist rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 9 aufgebaut. Im Querschnitt weist die Brennraummuldenoberfläche 25 im Wesentlichen eine W-förmige Geometrie mit einem Mittelabschnitt 26, einem ausgehend von dem Mittelabschnitt 26 entgegen der y-Richtung y schräg nach unten verlaufenden ersten Wandabschnitt 27 und einem sich an den ersten Wandabschnitt 27 anschließenden und entlang der y Richtung y schräg nach oben verlaufenden zweiten Wandabschnitt 28 auf. Der zweite Wandabschnitt 28 endet an der Ebene 23.
Die Brennraummuldenoberfläche 25 weitet sich ausgehend von dem Mittelabschnitt 26 entlang der y-Richtung y betrachtet kontinuierlich auf. Das heißt insbesondere, dass ein Durchmesser der Brennraummulde 24 ausgehend von dem Mittelabschnitt 26 entlang der y-Richtung y zu der Ebene 23 hin immer größer wird. Es sind somit keine Querschnittseinengungen, Hinter schnitte, Absätze oder dergleichen an der Brennraummuldenoberfläche 25 vorgesehen. Die Brennraummuldenoberfläche 25 ist somit kantenfrei oder kantenlos. Insbesondere gehen der Mittelabschnitt 26 und die Wandabschnitte 27, 28 mit Verrun düngen ineinander über.
Die Brennraummulde 24 ist in der Orientierung der Fig. 2 bis 4 nach oben hin offen. Die Brennraummulde 24 weist ein Brennraummuldenvolumen 29 auf. Das Brennraummuldenvolumen 29 ist definiert als ein von der Brennraummuldenoberfläche 25 und der Ebene 23 umschlossenes oder eingeschlossenes Volumen. Das Brennraummuldenvolumen 29 lässt sich beispielsweise anhand eines CAD- Modells (EnglJ Computer Aided Design) der Brennraummulde 24 bestimmen oder berechnen.
Im einfachsten Fall kann zum Bestimmen des Brennraummuldenvolumens 29 die Brennraummulde 24 bis zu der Ebene 23 beziehungsweise bis zu dem Kol- benbodenabschnitt 22 mit Wasser gefüllt werden und das in der Brennraummulde 24 aufgenommene Wasser in einen Messbecher gegossen werden, um anhand des von dem Messbecher abgelesenen Volumens des Wassers das Brennraummuldenvolumen 29 zu bestimmen.
Eine Wandung 30 trennt die Brennraummulde 24 von dem Innenraum 18 ab. Die Wandung 30 bildet vorderseitig einen Teil der Brennraummuldenoberfläche 25 aus. Rückseitig, das heißt dem Innenraum 18 zugewandt, bildet die Wandung 30 eine sogenannte Innenform 31 des Kolbens 8A aus. Die Innenform 31 kann kegelförmig oder konusförmig sein.
Der Kolben 8A weist einen Kolbendurchmesser 32 auf. Der Kolbendurchmesser 32 ist definiert als ein Durchmesser eines kleinstmöglichen Zylinders, der das Kolbenhemd, also die Schaftabschnitte 14, 15, einschließt. Dieser Zylinder ist senkrecht zu der Mittelachse 13 orientiert. Die Brennraummulde 24 weist bevorzugt ein minimales Brennraummuldenvolumen 29, das ein 2,9674-faches des Kolbendurchmessers 32 abzüglich eines Werts von 220,68 beträgt, auf. Gleichzeitig weist die Brennraummulde 24 ein maximales Brennraummuldenvolumen 29, das ein 4,1893-faches des Kolbendurchmessers 32 abzüglich eines Werts von 311,55 beträgt, auf. Das Brennraummuldenvolumen 29 wird dabei in Kubikmillimeter (mm3) angegeben.
Ferner weist der Kolben 8A eine Kompressionshöhe 33 auf. Die Kompressionshöhe 33 ist definiert als ein Abstand zwischen der Mittelachse 13 und einer Oberkante des Kolbens 8A, nämlich der Ebene 23 beziehungsweise dem Kolbenbodenabschnitt 22. Ein Verhältnis der Kompressionshöhe 33 zu dem Kolbendurchmesser 32 beträgt insbesondere 0,2 bis 0,85, bevorzugt 0,3 bis 0,75, weiter bevorzugt 0,4 bis 0,65. An dem Kolbenkopf 11 ist eine Ringpartie oder ein Ringfeld 34 vorgesehen. Das Ringfeld 34 bildet insbesondere eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenfläche des Kolbenkopfs 11, welche rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 9 aufgebaut sein kann. Das Ringfeld 34 weist mehrere entlang der y-Richtung y betrachtet übereinander angeordnete Ringnuten 35 auf, von denen in der Fig. 4 nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Ringnuten 35 sind zur Aufnahme von Kolbenringen geeignet. Beispielsweise sind zwei oder drei derartige Ringnuten 35 vorgesehen.
Ferner kann das Ringfeld 34 auch einen Ringträger 36 aufweisen. Der Ringträger 36 läuft vollständig um die Mittelachse 9 um. Im Querschnitt kann der Ringträger 36 U-förmig sein. Der Ringträger 36 kann einen wie zuvor erwähnten Kolbenring aufnehmen oder tragen. Der Ringträger 36 kann aus einem anderen Material als der Kolbenkopf 11 beziehungsweise als der Kolben 8A gefertigt sein. Beispielsweise kann der Ringträger 36 aus einer Stahllegierung gefertigt sein, wohingegen der Kolben 8A aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sein kann. In diesem F all kann der Ringträger 36 ein Einlegeteil sein, an das der Kolben 8A in einem Gussverfahren angegossen wird.
Ein sich an den Kolbenbodenabschnitt 22 anschließender Feuersteg 37 ist Teil des Ringfelds 34. Der Feuersteg 37 weist jedoch keine wie zuvor erwähnte Ringnut 35 zum Aufnehmen eines Kolbenrings auf. Der Feuersteg 37 endet entlang der y-Richtung y betrachtet an dem Kolbenbodenabschnitt 22 beziehungsweise an der Ebene 23.
Die Fig. 5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kolbens 8B für den Verbrennungsmotor 7. Die Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht des Kolbens 8B. Die Fig. 7 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht des Kolbens 8B. Nachfolgend wird auf die Fig. 5 bis 7 gleichzeitig Bezug genommen. Der Kolben 8B entspricht von seinem Aufbau her im Wesentlichen dem des Kolbens 8A. Daher wird nachfolgend nur auf Unterschiede des Kolbens 8B im Vergleich zu dem Kolben 8A eingegangen. Alle Ausführungen betreffend den Kolben 8A sind auf den Kolben 8B und umgekehrt anwendbar.
Im Unterschied zu dem Kolben 8A weist der Kolben 8B mehrere Ventiltaschen 38 auf, von denen in den Fig. 5 bis 7 jeweils nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. In die Ventiltaschen 38 tauchen im Betrieb des Verbrennungsmotors 7 Ventilstößel ein. Die Ventiltaschen 38 können gleichmäßig um die Mittelachse 9 herum verteilt angeordnet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Anzahl der Ventiltaschen 38 entspricht vorzugsweise der Anzahl der Ventile pro Kolben 8B. Beispielsweise sind vier Ventiltaschen 38 vorgesehen.
Die Ventiltaschen 38 sind bevorzugt an dem Feuersteg 37 vorgesehen. Dabei durchbrechen die Ventiltaschen 38 den Feuersteg 37 entlang der Radialrichtung R des Kolbens 8B betrachtet. Die Ventiltaschen 38 sind bevorzugt ringseg- mentförmig.
Jede Ventiltasche 38 weist ein Ventiltaschenvolumen auf, wobei die Ventiltaschenvolumen der Ventiltaschen 38 sowohl Teil des minimalen Brennraummuldenvolumens 29 als auch Teil des maximalen Brennraummuldenvolumens 29 sind. Dementsprechend gilt auch für den Kolben 8B, dass die Brennraummulde 24 ein minimales Brennraummuldenvolumen 29 aufweist, das ein 2,9674-faches des Kolbendurchmessers 32 abzüglich eines Werts von 220,68 beträgt. Dabei sind jedoch die Ventiltaschenvolumen der Ventiltaschen 38 Teil des minimalen Brennraummuldenvolumens 29.
Gleichzeitig gilt auch für den Kolben 8B, dass die Brennraummulde 24 ein maximales Brennraummuldenvolumen 29 aufweist, das ein 4,1893-faches des Kob bendurchmessers 32 abzüglich eines Werts von 311,55 beträgt. Dabei sind jedoch die Ventiltaschenvolumen der Ventiltaschen 38 Teil des maximalen Brennraummuldenvolumens 29. Das Brennraummuldenvolumen 29 wird dabei in Kubikmillimeter (mm3) angegeben.
Ein gemeinsames Ventiltaschenvolumen sämtlicher Ventiltaschen 38 kann vorhegend als eine Volumendifferenz zwischen einem sich in seinem Aufbau bis auf die Ventiltaschen 38 von dem Kolben 8B nicht unterscheidenden Kolbenrohling, der noch keine Ventiltaschen 38 aufweist, und dem Kolben 8B selbst, der die Ventiltaschen 38 bereits aufweist, definiert werden. Die Ventiltaschen 38 können in den Kolbenrohling eingefräst sein oder an eine Gussform angeformt sein, die zum Herstellen des Kolbenrohlings verwendet werden kann.
Obwohl die vorhegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrie- ben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
BEZUGSZEICHENLISTE
F ahrzeug
Karosserie
F ahrzeuginnenraum
Umgebung
Rad
Rad
Verbrennungsmotor A Kolben B Kolben
Mittelachse 0 Kolbenschaft 1 Kolbenkopf 2 Bolzenbohrung 3 Mittelachse 4 Schaftabschnitt 5 Schaftabschnitt 6 Wandabschnitt 7 Wandabschnitt 8 Innenraum 9 Kühlkanal 0 Kolbenboden 1 Brennraum 2 Kolb enb o denab schnitt 3 Ebene 4 Brennraummulde 5 Brennraummuldenoberfläche 6 Mittelabschnitt 7 Wandabschnitt 28 Wandabschnitt
29 Brennraummuldenvolumen
30 Wandung
31 Innenform 32 Kolbendurchmesser
33 Kompressionshöhe
34 Ringfeld
35 Ringnut
36 Ringträger 37 Feuersteg
38 Ventiltasche
Q Wärme
R Radialrichtung x x-Richtung y y-Richtung z z-Richtung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kolben (8 A, 8B) für einen wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor (7), mit einem Kolbenkopf (11), einem Kolbenschaft (10), der mit dem Kolbenkopf (11) verbunden ist, und einer an dem Kolbenkopf (11) vorgesehenen Brennraummulde (24), wobei der Kolben (8A, 8B) einen an dem Kolbenschaft (10) messbaren Kolbendurchmesser (32) aufweist, wobei die Brennraummulde (24) ein minimales Brennraummuldenvolumen (29), dessen Betrag ein 2,9674-faches des Betrags des Kolbendurchmessers (32) - 220,68 beträgt, aufweist, und wobei die Brennraummulde (24) ein maximales Brennraummuldenvolumen (29), dessen Betrag ein 4,1893-faches des Betrags des Kolbendurchmessers (32) - 311,55 beträgt, aufweist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkopf (11) zumindest eine Ventiltasche (38) mit einem Ventiltaschenvolumen aufweist, wobei das Ventiltaschenvolumen sowohl Teil des minimalen Brennraummuldenvolumens (29) als auch Teil des maximalen Brennraummuldenvolumens (29) ist.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ventiltasche (38) an einem Feuersteg (37) des Kolbenkopfs (11) vorgesehen ist.
4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ventiltasche (38) den Feuersteg (37) entlang einer Radialrichtung (R) des Kolbens (8A, 8B) betrachtet durchbricht.
5. Kolben nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ventiltasche (38) ringsegmentförmig ist.
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (8A, 8B) ein Verhältnis einer Kompressionshöhe (33) des Kolbens (8A, 8B) ZU dem Kolbendurchmesser (32) von 0,4 bis 0,65 aufweist.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkopf (11) einen Kühlkanal (19) aufweist, der vollständig um eine Mittelachse (9) des Kolbens (8A, 8B) herumläuft.
8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Brennraummulde (24) entlang der Mittelachse (9) betrachtet zumindest bis auf Höhe des Kühlkanals (19) in den Kolbenkopf (11) hineinerstreckt.
9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraummulde (24) eine kantenfreie Brennraummuldenoberfläche (25) aufweist.
10. Wasserstoffbetriebener Verbrennungsmotor (7) mit zumindest einem Kolben (8A, 8B) nach einem der Ansprüche 1 - 9.
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