SE533053C2 - Kolv hos en förbränningsmotor - Google Patents

Description

533 D53 SAMIVIANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett första syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en kolv med en kolv- grop som effektivt motverkar att oförbränt bränsle träñfar kolvens cylindervägg. Ett annat syfie är tillhandahålla en kolvgrop som möjliggör en mycket god blandning av lufi och bränsle innan bränslet antänds. Ett ytterligare syfte är att tillhandahålla en kolvgrop som är utformad så att väsentligen allt insprutat bränsle förångas innan det träffar kolv- gropens ytor.

Det första syftet uppnås med kolven av det inledningsvis nämnda slaget vilken känne- tecknas av de särdrag som anges i patentkravets 1 kännetecknande del. Under slutske- det av bränsleinsprutningsprocessen då kolven börjar förflytta sig nedåt friläggs cylin- derväggen. Det är härvid en risk att cylinderväggen träffas av oförbränt bränsle. Ett kantparti med omväxlande konkava och konvexa områden som är förbundna med rätlin- jiga områden uppvisar en trappstegsliknande form. En kantyta hos en kolvgrop med en sådan form förhindrar effektivt rörelser av bränsleblandningen radiellt utåt då kolven pressas nedåt i cylindern. Risken att cylinderväggen trälfas av oforbränt bränsle och sotpartiklar är därmed relativt liten. Företrädesvis innefattar kantpartiet ett område med en rätlinjig sträckning som bildar en vinkel av högst 10° men med fördel högst 5° mot den centrala axeln. Det rätlinjiga området har således en mer eller mindre väsentligen parallell sträckning med den centrala axeln. Ett sådant område bildar en väsentligen vertikal väggyta i kolvgropen vilken effektivt motverkar rörelser av bränsleblandningen radiellt utåt då kolven pressas nedåt i cylindern under en förbränningsprocess. Det rät- linjiga området reducerar därvid även bildandet av sot på cylinderns väggyta.

Enligt en föredragen utföringsforrn av föreliggande uppfinning har nämnda konvext formade områden har en krökningsradie som är högst 3 mm. Kolven är således försedd med en kolvgrop som har ett kantparti som innefattar konvext formade områden med relativt små krökningsradier. De konvext formade områdena bildar därvid relativt skar- pa utskjutande kanter på kantpartiets yta. Med sådana skarpa kanter skapas lokalt en riklig turbulens av lufien då den strömmar förbi de konvexa områdena. Denna rikliga turbulens av luften resulterar i att en mycket god blandning av luft och bränsle erhålls i anslutning till de konvexa områdena. Mängden sotpartiklar i avgaserna reduceras där- med avsevärt. Även halten av kolväten i avgaserna kan reduceras genom en sådan god blandning av luft och bränsle. 533 053 Enligt en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning har nämnda konkavt formade område även en krökningsradie som är högst 3 mm. Kolvgropens kantparti har således även försetts med åtminstone ett men företrädesvis två konkavt formade områ- den som har relativt små krökningsradier. Med sådana relativt skarpa konkava områden skapasäven en riklig lokal turbulens .av luften då den strömmar förbi de konkava områ- dena. Därmed tillhandahålls en ytterligare förbättrad blandning av luft och bränsle innan bränslet antänds. Mängden sotpartiklar i avgaserna blir därmed lägre och halten av kolväten i avgaserna reduceras ytterligare. Företrädesvis har nämnda konvexa områden och nämnda konkava område en krökningsradie som är högst 2 mm. De konvexa områ- dena och det konkava området är här ännu skarpare. Därmed erhålls en ännu rikligare turbulent strömning i anslutning till de konvexa områdena och det konkava området. Ur blandningssynpunkt bör de konvexa områdena och det konkava området ha en så liten krökningsradie som möjligt. Ornrådena utsätts dock för mycket stora påfrestningar un- der förbränningsprocesserna. Av hållfasthetsskäl bör därför inte områdenas kröknings- radier underskrida en lägsta acceptabel gräns. Andra konkava och konvexa ornråden i övriga delar av kolvgropen kan även förses med en krökningsradie som är lika med eller mindre än 2 mm för att ytterligare främja blandningen av lufl och bränsle.

Enligt en föredragen utföringsforrn av föreliggande uppfinning är det rätlinjiga området företrädesvis förbundet med den plana ytan via ett konvext format område. Därmed formar det rätlinjiga området en övre del av kolvgropen vilken är belägen i väsentligen direkt anslutning till den vertikala ytan som omger kolvgropen. I detta läge motverkar det rätlinjiga området transporten av oförbränt bränsle och sotpartiklar i avgaserna radi- ellt utåt mot cylinderns väggyta mycket effektivt. Det rätlinjiga området har med fördel en sträckning av åtminstone 3 mm.

Enligt en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning innefattar kantpartíet ett område med en rätlinjig sträckning som bildar en vinkel med den centrala axeln så att kolvgropens diameter ökar i nämnda område i riktning uppåt mot den plana ytan. Detta rätlinjiga område bildar en platåformad avsats hos det trappliknande kantpartiet. Detta område motverkar även rörelser av bränsleblandningen radiellt utåt då kolven pressas nedåt under en förbränningsprocess. Detta område kan ha en rätlinjig sträckning av åt- minstone 2 mm. 533 053 Enligt en annan foredragen utföringsform av föreliggande uppfinning har ett av kantpar- tiets konvext formade områden åtminstone en del som är belägen på ett kortare rätvink- ligt avstånd från den centrala axeln än motsvarande avstånd för en perifert ytterst belä- gen del av det ringformade partiet. Ett sådant område bildar en skarp kant som skjuter radiellt inåt i kolvgropen. En riklig turbulent strömning av luften skapas därvid i anslut- ning till området. Detta konvext formade område främjar även blandningen av luft och bränsle genom att det leder luften radiellt inåt i riktning mot insprutningsorganet och därmed mot bränslestrålarna som sprutas in i forbränningsutrymmet. Blandningen av lufi och bränsle gynnas därmed ytterligare. Nämnda del av det konvext formade områ- det är med fördel belägen på ett djup under den plan yta av 9,5 - 11,5 mm, företrädesvis på ett djup av 10,5 mm. Därmed tillhandahålls en kolvgrop med en ringformad del som är belägna på ett större djup än 10,5 mm. Därmed hinner väsentligen allt bränsle som sprutas in i den ringformade delen att förångas innan det träffar en yta i kolvgropen.

KORT BESKRIV NING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs, såsom ett exempel, en föredragen utföringsform av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka Pig. 1 visar en kolv hos en förbränningsmotor enligt föreliggande uppfinning, Fig. 2 visar kolven i Fig. 1 meri detalj och Fig. 3 visar en del av kolven i Fig. 1 ytterligare mer detaljerat.

DETALJERAD BESKRIVNING Av EN FOREDRAGEN UrFöRINGsFoRM Av UPPPINNINGEN ' Pig. 1 visar en cylinder 1 hos en förbränningsmotor i form av en dieselmotor med di- rektinsprutning av bränsle. Dieselmotorn är med fördel monterad i ett tungt fordon. i Cylinder 1 innefattar en rörligt anordnad kolv 2. Kolven 2 är försedd med en kolvgrop 4. Kolvgropen 4 bildar i ett övre dödläge tillsammans med en övre yta hos cylindern 2 ett förbränningsutrymme 3. Ett insprutningsorgan 5 är anpassat att spruta in bränsle med ett högt tryck i förbränningsutrymmet 3. Insprutningsorganet 5 är försett med ett flertal öppningar för att spruta in bränslet i form av ett stort antal tunna strålar i för- bränningsutrymmet 3. En inloppsledning 6 för lufi är förbunden med cylinderns 1 inre utrymme via åtminstone en öppning 7. Luften som leds in i cylindern 1 kan innehålla återcirkulerande avgaser. Luften är med fördel komprimerad och kyld innan den leds in 533 G53 i cylindern l. Åtminstone en inloppsventil 8 är anpassad att styra tillförseln av luft till cylindern 1. En avgasledning 9 är, via åtminstone en öppning 10, avsedd att leda ut av- gaser efter avslutade forbränningsprocesser i forbränningsutrymmet 3. Utsläppet av avgaser från forbränningsutrymmet 3 regleras via åtminstone en avgasventil 11.

Pig. 2 -visar ett radiellt snitt genom kolven 2 i F ig. 1. Det radiella snittet sträcker sig genom en central axel 12 hos kolven 2. Kolven 2 innefattar vid ett övre kantområde en väsentligen plan yta 13 som bildar en rät vinkel mot den centrala axeln 12. Den plana ytan 13 är anpassad att i det närrnaste komma i kontakt med cylinderns l ovre yta då kolven når det övre dödläget. Kolvgropen 4 innefattar en skålforrnad yta vilken är belä- gen radiellt invändigt om den plana ytan 13. Kolvgropen 4 innefattar ett centralt parti 4a som har en konvext formad yta vilken är symetriskt anordnad runt den centrala axeln 12. Kolvgropen 4 innefattar en ringformat parti 4b som sträcker sig runt det centrala partiet 4a. Det ringformade partiet 4b innefattar en konkav yta Det ringformade partiet 4b innefattar kolvgropens 4 djupast liggande yta. Bränslet som sprutas in i förbrän- ningsutrymmet är anpassat att huvudsakligen mottas i det ringformade partiet 4b. Kolv- gropen 4 innefattar slutligen ett kantparti 4c som har en trappstegsliknande form vilket förbinder det ringformade partiet 4b med den plana ytan 13. Det ringformade partiet 4b och kantpartiet 4c är även symetriskt anordnade runt den centrala axeln 12.

Pig. 3 visar kolvgropens 4 profil i det radiella planet mer i detalj. Kolvgropens 4 profil visas här från den centrala axeln 12 och radiellt utåt till den plana ytan 13. 1 detta fall visas således endast halva kolvgropens 4 profil. Då kolvgropen 4 är symetriskt anord- nad runt den centrala axeln 12 har kolvgropen 4 en motsvarande profil i alla radiella riktningar från den centrala axeln 12 och ut till den plana ytan 13. Det centrala partiets 4a har en lokal topp i form av ett centralt beläget konvext format första område al. Det forsta området al är beläget på ett djup b; av 8 mm under den plana ytan 13. Det forsta området al har en krökningsradie r1 av 5,5 mm. Det centrala partiet 4a övergår därefter i ett andra område az som har en väsentligen rätlinjig sträckning i det radiella planet.

Området a; bildar en vinkel v; av 70° mot den centrala axeln 12. Det centrala partiet 4a avslutas med ett konvext format tredje område a; som har en krokningsradie r; av 2 mm. Radiellt utvändigt om det tredje området ag är det ringformade partiet 4b anord- nat. Det ringformade partiet 4b innefattar ett konkavt format fjärde område ar som har en krökníngsradie rr av 8,5 mm. Det ringformade partiet 4b innefattar således kolvgro- pens lägst belägna yta som är belägen på ett djup bi av 23 mm under den plana ytan 13. 533 053 Radiellt utvändigt om det ringforrnade partiet 4b innefattar kolvgropen 4 det trapp- stegsliknande kantpartiet 4c. Kantpartiet 4c innefattar inledningsvis ett konkavt format femte område av som är i kontakt med det ringformade partiet 4b. Det femte området a; har en krökningsradie rv av 2 mm. Kolvgropens 4 konkava krökning i det ringforrnade partiet 4b tilltar således ytterligare i det femte området as. Det konkavt krökta femte området av övergår i ett sjätte. området at; som har en kort väsentligen rätlinjig sträck- ning i det radiella planet. De konkavt formade fjärde området ai och det femte området av har en krökning så att det anslutande sjätte området aa erhåller en lutning inåt mot den centrala axeln 12 Kolvgropens 4 diameter avtar således i det sjätte området aó i en riktning uppåt mot den plana ytan 13. Kantpartiets 4c lutning inåt bryts av ett konvext krökt sjunde område av som har en krökningsradie rv av 2 mm. Det sjunde området av innefattar ett lokalt minimalt avstånd dv till den centrala axeln 12. Det sjunde området av är belägen på ett djup bv under den plan yta 13 av 10,5 mm.

Det sjunde området av övergår i ett åttonde område ag som har en väsentligen rätlinjig sträckning i det radiella planet. Det åttonde området av lutar utåt från den centrala axeln 12 så att kolvgropens 4 diameter ökar i det åttonde området ag i riktning mot den plana ytans 13. Det åttionde området ag har en sträckning av åtminstone 2 mm. Det åttonde området ag övergår i ett nionde konkavt format område ag som även har en kröknings- radie av 2 mm. Det nionde området ag övergår i ett tionde område avo som har en vä- sentligen rätlinjig sträckning i det radiella planet. Det tionde området aw har en väsent- ligen parallell sträckning med den centrala axeln 12 och en rätvinklig sträckning i förhål- lande till den plana ytan 13. Det tionde området am har en sträckning av cirka 3 mm.

Kantpartiet 4c innefattar slutligen ett elfte konvext format området an som förbinder det tionde området am med den plana ytan 13. Det elñe området har en krökningsradie av2mm.

Under drift av förbränningsmotorn komprimeras luften i cylindern l då kolven 2 rör sig uppåt och samtidigt som ventilerna 8, ll är stängda. Då kolven når den övre dödpunk- ten definierar kolvgropen 4 tillsammans med cylinderns 1 övre yta förbränningsutrym- met 3. Kolven 2 har i detta läge komprimerat luften i kolvgropen 4 till ett högt tryck och en hög temperatur, Insprutningsorganet 5 sprutar in bränsle i form av flera fmförde- lade strålar med ett högt tryck i förbränningsutrymmet 3. Bränslet sprutas huvudsakli- gen in i kolvgropens ringforrnade parti 4b. Bränslet finfördelas då det inträder i förbrän- ningsutrymmet 3 till en mängd små bränsledroppar så att bränslet tillförs i sprayforrn till forbränningsutryrnmet 3. Bränslets initiala hastighet är av en storlek så att bränslet inte 'lO 533 053 direkt hinner reagera med luftens syre i förbränningsutrymmet 3. Bränslets hastighet bromsas emellertid snabbt upp av den komprimerade och varma lufien i förbränningsut- rymmet 3. Efter att bränslet har rört sig en viss sträcka i bränsleutrymmet 3 har det bromsats upp till en hastighet vid vilken det kan antändas av omgivande syre i lufien.

Det sjunde området av är således beläget på ett djup b7 av 10,5 mm under den plan yta 13. Därmed är den ringformade delens 4b_omrâde att och områdena aj, as belägna på ett större djup än 10,5 mm. I och med det hinner väsentligen allt bränsle som sprutas in i den ringformade delen 4b att förångas innan det trälfar en yta i kolvgropen.

Utformningen av kolvgropens centrala parti 4a och ringformade parti 4b gör att luften i förbränningsutrymmet 3 leds radiellt inåt och mot insprutningsorganet 5 under insprut- ningsprocessen, vilket leder till att bränslet och luften erhåller en god blandning innan bränslet antänds. Det tredje konvext formade området ag, som förbinder det centrala partiet 4a med det ringformade partiet 4b, bildar en relativt skarp kant där turbulent luftströmning kan skapas, vilket ytterligare gynnar blandningen av lufien med bränslet.

Det trappstegsliknande kantpartiet 4c har således även ett flertal krökta områden a5, av, ag, a1 1 som har krökningsradier av 2 mm. De krökta områdena a5, av, ag, an utgör såle- des relativt skarpa kanter i kolvgropen 4. Därmed skapas en turbulent strömning av luften i anslutning till de konvext formade områdena av, an och de konkavt formade områdena a5, a; då bränslet sprutas in i förbränningsutrymmet. I och med det tillhanda- hålls en ytterligare förbättrad blandning av bränsle och lufi i kolvgropen 4. Den mycket goda blandningen av bränsle och lufl resulterar i att en relativt mager bränsleblandning antänds i förbränningsutrymmet. Därmed bildas det en relativt liten mängd sotpartiklar i avgaserna. Förbränningsprocessen kan under gynnsamma fall ske med en delvis för- blandad flamma. Under sådana omständigheter sker förbränningen snabbt och med en relativt låg forbränningstemperatur. Därmed bildas lägre halter av kväveoxider i avga- sema.

Då kolven 2 initialt pressas nedåt i cylindern 1 från det övre dödläget bildar det tionde området am en väsentligen vertikal väggyta i kolvgropens 4 övre del vilken effektivt motverkar rörelser av bränsleblandningen radiellt utåt. Det åttonde området ag förstär- ker denna funktion hos kolvgropen 4. De rätlinjiga områdena ag, aw motverkar därmed transporten av oförbränt bränsle till cylindems l väggyta.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till den på ritningen beskrivna utföringsforrnen utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 533 053 Patentkrav

1. Kolv hos en fórbränningsmotor, varvid kolven (2) innefattar en plan yta (13) som sträcker sig runt en kolvgrop (4), som innefattar ett centralt parti (4a) med en konvext formad yta som är anordnad runt en axel (12) som sträcker sig centralt genom kolven (2), ett ringformat parti (4b) som innefattar en konkavt formad yta som innefattar kolv- gropens (4) djupaste liggande yta och ett kantparti (4c) som förbinder det ringformade partiet (4b) med den plana ytan (13), vilket kantparti (4c) innefattar, i ett plan som sträcker sig genom den centrala axeln (12) och är vinkelrät mot den plana ytan (13), ett konvext format område (av) som har åtminstone en del som är belägen på ett kortare rätvinkligt avstånd (dv) från den centrala axeln (12) än motsvarande avstånd (d4) för en perifert ytterst belägen del av det ringformade partiet (4b), kännetecknad av att kantpar- tiets (4c) konvext formade område (av) övergår, i nämnda plan, i ett område (as) med en rätlinjig sträckning som bildar en vinkel med den centrala axeln ( 12) så att kolvgropens diameter ökar i nämnda område (as) i riktning mot den plana ytan (13), att området (as) övergår, via ett konkavt format område (as), i ett område (am) med en rätlinjig sträck- ning som bildar en vinkel av högst 10° men med fördel högst 5° mot den centrala axeln (12), att nämnda rätlinjiga område (am) är förbundet med den plana ytan (13) via ett konvext format område (an) och att nämnda rätlinjiga områden (ag, am) hos kantpartiet (4c) har åtminstone en sträckning av 2 mm.

2. Kolv enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda rätlinjiga område (äro) är parallellt med den centrala axeln (12).

3. , Kolv enligt något av föregående krav, kännetecknad av att nämnda konvext formade områden (av, an) har en krökningsradie (rv, m) som är högst 3 mm,

4. Kolv enligt krav 3, kännetecknad av att nämnda konkavt formade område (as, ag) har en krökningsradie (rs, rs) som är högst 3 mm.

5. Kolv enligt krav 3 och 4, kännetecknad av att nämnda konvexa områden och nämnda konkava område (as, av, as, an) har en krökningsradie (rs, rv, rs, m) som är högst 2 mm.

6. Kolv enligt något av föregående krav, kännetecknad av att nämnda del av det kon- vext formade området (av) är belägen på ett djup (bv) under den plan yta (13) av 9,5 - 11,5 mm.