WO2013030115A2 - Gestaltoptimierte brennraummulde eines kolbens - Google Patents

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WO2013030115A2
WO2013030115A2 PCT/EP2012/066514 EP2012066514W WO2013030115A2 WO 2013030115 A2 WO2013030115 A2 WO 2013030115A2 EP 2012066514 W EP2012066514 W EP 2012066514W WO 2013030115 A2 WO2013030115 A2 WO 2013030115A2
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combustion
contour
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Ralf Meske
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Federal-Mogul Nürnberg GmbH
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    • 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
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0672—Omega-piston bowl, i.e. the combustion space having a central projection pointing towards the cylinder head and the surrounding wall being inclined towards the cylinder center axis
    • 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 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine, wherein the piston has a cooling channel system and a combustion bowl, and a method for
  • DE 10 2008 004 828 A1 is directed to optimizing the configuration of the combustion bowl to provide improved mixing of
  • Burner trough usually designed for good combustion. Another optimized for combustion
  • the combustion bowl is specified in DE 10 2004 045 634 A1, which has a conical compression projection.
  • DE 10 2009 025 063 A1 describes an aluminum piston with an omega-shaped combustion bowl, which is enclosed by a recess spaced radially from the edge of the bowl. This is intended to realize a better thermal fatigue strength in the edge area of the combustion chamber recess.
  • Another measure for improving the operational stability of the piston is achieved by providing a cooling channel system with one or more cooling channels and inflows and outflows for a coolant and lubricant in the piston.
  • DE 10 2009 027 148 describes a system of cooling channels with at least two annular channels which are connected to each other
  • the cooling channels are also provided in the region of the combustion bowl in order to dissipate the high temperatures prevailing there and thereby increase the operational stability and service life of the piston.
  • An object of the invention is to provide a piston and a method for configuring the combustion bowl of a piston with an improved durability «
  • the piston which is preferably designed as a diesel engine disc, for example made of aluminum or an aluminum alloy, has a piston crown, into which a combustion bowl is introduced.
  • the combustion bowl has an upper edge from which the combustion bowl extends into the piston.
  • the piston is cylindrical, whereby a
  • Piston axis is defined.
  • the term “cylindrical” refers primarily to the piston head and less to the piston shaft with the bolt holes, which may have inwardly offset, curved or rectilinear walls, or otherwise shaped
  • the cooling channel extends annularly, which not only a circular cooling channel is to be understood, but also wavy, oval, elliptical, stepped or other preferably closed geometries are included.
  • the cross section has a side closest to the combustion bowl, by which a first direction is defined as follows: If the side closest to the combustion bowl is substantially straight, the first direction is uniquely defined by its extension. However, the side closest to the combustion bowl does not have to be completely straight. In the case where this side is slightly curved, the first direction becomes through any tangent.
  • this side or preferably determined by the tangent at which the curvature is minimal or whose distance from the
  • Combustion chamber is minimal.
  • the cross section of the cooling channel is elongated, whose extension substantially coincides with the first direction.
  • the first direction has a vertical component with respect to the piston crown and is preferably inclined to the piston crown.
  • the contour of the combustion chamber is according to the invention with the extension direction of the cooling channel cross section as follows in the context: In the region of the minimum distance of the contour of the combustion bowl to the cooling channel, the contour has a locally increased radius of curvature, through which a first
  • Flattening is defined.
  • the extent of the flattening defines a second direction, namely by a suitable tangent at a point of flattening or, preferably, by the tangent at which the radius of curvature has a local maximum.
  • the first flattening is completely flat and has no curvature over a certain extension path, whereby the interaction between the combustion chamber trough and
  • Cooling channel with respect to the operational stability of the piston is further improved.
  • another localized area of increased radius of curvature is provided, starting from the upper one
  • the second flattening defines a third direction, namely by a suitable tangent at a point of the second flattening or preferably by the tangent at which the flattening
  • Curvature radius has a local maximum at the second flat.
  • the third direction is preferably approximately perpendicular to the first direction and thus approximately
  • the second flattening is completely flat and has no curvature, whereby the interaction between the combustion chamber trough and the cooling channel with respect to
  • the combustion bowl in the center i. on the piston axis on a compression projection
  • the compression projection is advantageous in terms of improving combustion in the combustion chamber and reducing soot particle formation.
  • Combustion chamber is continuously, i.e., gradually into one another, so that a soft contour of the trough cross-section, without bending jumps, i. with continuous tangent and continuous curvature.
  • the Brennraummul.de rotationally symmetrical to the axis of the piston, whereby the production of the piston is simplified.
  • the edge of the trough is retracted, ie displaced so towards the piston axis, that the radius of the piston edge is smaller than the largest radius of the combustion chamber trough.
  • the start geometry serves as a starting point for optimizing the geometry of the
  • Burner trough geometry can be found, which contains the basic features of the launch design,. however, it offers a significant improvement in the operational stability of the piston.
  • Shape optimization also the compression ratio remains constant, whereby the effects on the combustion remain low.
  • one or more radius pieces are defined at the start geometry whose tangents at the
  • Shape Optimization may be kept constant to substantially maintain the combustion-relevant or other desired properties of the launch design.
  • FIG. 1 is a three-dimensional cutaway view of a piston
  • FIG. 2 is a sectional view of a piston head showing the contour of the combustion bowl
  • Piston head 11 a piston head 13 with an omega-shaped combustion bowl 12, a plurality of annular grooves 14 and two
  • annular cooling channel 18 is provided, which is closed except for in the figure 1, not shown inlets and outlets for the coolant ⁇ an inlet or outlet 18 'for the
  • Combustion bowl 12 has a cone-shaped
  • combustion chamber trough 12 is rotationally symmetrical with respect to the piston axis, which in FIG. 1 is A
  • FIG. 2 is an enlarged sectional view of the piston 10, wherein the sectional plane contains the piston axis A and is perpendicular to the piston crown 13.
  • the combustion bowl 12 has on
  • the extension direction of the cooling channel 18 in cross-section of Figure 2 is denoted by Rl.
  • Rl The extension direction of the cooling channel 18 in cross-section of Figure 2 is denoted by Rl.
  • Rl The extension direction of the cooling channel 18 in cross-section of Figure 2 is denoted by Rl.
  • Rl is taken as the relevant feature for determining the first Eckeckriehtung that side of the cooling channel 18, which is the combustion chamber trough 12 closest, ie the left in the illustration of Figure 2 side of the cooling channel cross-section. Since there is a completely straight-line section in the present case, the direction Rl is uniquely determined by the rectilinear section.
  • a suitable tangent is placed on the side of the cooling channel cross section, which is closest to the combustion chamber trough 12.
  • a suitable tangent is placed on the side of the cooling channel cross section, which is closest to the combustion chamber trough 12.
  • the combustion chamber trough 12 nearest tangent or the tangent at the local maximum curvature of the serves
  • a first flattening AI was formed in the range of the minimum distance of the combustion bowl 12 to the cooling duct 18, whose only stretching substantially with the direction R
  • the first flattening AI becomes a
  • the first flattening AI is a region of locally increased radius of curvature of the contour K2.
  • Radius of curvature preferably at the point of the maximum radius of curvature or the minimum distance to the cooling channel 18, the direction R2 is clearly defined. In the case where R1 and R2 are approximately parallel, one becomes special
  • a further improvement results in combination with a second flattening A2, which extends from the upper edge 22 in the course of the contour behind the first
  • Flattening AI is located and in the figure 2 is approximately at the lowest point of the combustion chamber trough 12.
  • the second flattening A2 defines a third direction, which is denoted by R3 in FIG.
  • R3 is set by the tangent at the point of the local maximum curvature radius there.
  • R3 is perpendicular to Rl and R2, whereby a further improvement of the operational stability of the piston 10 is achieved.
  • the improved contour K2 continues to have basic features of the starting contour K1.

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Abstract

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben (10) eine in einen Kolbenboden (13) des Kolbens (10) eingebrachte Brennraummulde (12) und zumindest einen Kühlkanal (18) aufweist, dessen Querschnitt senkrecht zu seiner Erstreckung eine der Brennraummulde (12) nächstliegende Seite aufweist, die sich entlang einer ersten Richtung (R1) erstreckt, und die Kontur der Brennraummulde (12) in einem Querschnitt, der die Kolbenachse (A) enthält, eine veränderliche Krümmung aufweist, wobei die Kontur der Brennraummulde (12) im Bereich des minimalen Abstands zum Kühlkanal (18) einen lokal vergrößerten Krümmungsradius aufweist, durch den eine erste Abflachung (A1) definiert wird, deren Erstreckung ungefähr parallel zur ersten Richtung (R1) ist.

Description

Gestaltoptimierte BrennraumiEulde eines Kolbens
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben ein Kühlkanalsystem und eine Brennraummulde aufweist, und ein Verfahren zur
Konfiguration einer Brennraummulde.
STAND DER TECHNIK
Kolben mit einer in den Kolbenboden eingebrachten
Brennraummulde sind bekannt . Die DE 10 2008 004 828 Äl ist auf eine Optimieru g der Konfiguration der Brennraummulde gerichtet, um eine verbesserte Vermischung von
Verbrennungsprodukten mit der im Zylinder vorhandenen überschüssigen Luft und gleichzeitig eine Verminderung von Ruß und NOK-Emi, ssionen zu erzielen.
Wie in der DE 10 2008 004 828 AI ist die Geometrie der
Brennraummulde üblicherweise für eine gute Verbrennung ausgelegt . Eine weitere für die Verbrennung optimierte
Brennraummulde ist in der DE 10 2004 045 634 Äl angegeben, die einen kegelförmigen Kompressionsvorsprung aufweist.
Neben der Optimierung der Brennraummuldengeometrie im
Hinblick auf die Verbrennung ist die Betriebsfestigkeit d s Kolbens eine weitere, wenn auch oft nachgelagerte Größe . Dazu beschreibt die DE 10 2009 025 063 Äl einen Aluminiumkolben mit einer Omega-förmigen Brennraummulde, die von einer zum Muldenrand radial beabstandeten Äusnehmung umschlossen ist. Damit soll eine bessere thermische Ermüdungsfestigkeit im Randbereich der Brennraummulde realisiert werden . Eine andere Maßnahme zur Verbesserung der Betriebsfestigkeit des Kolbens wird dadurch erzielt, dass ein Kühlkanalsystem mit einem oder mehreren Kühlkanälen und Zu- und Abflüssen für ein Kühl- und Schmiermittel im Kolben vorgesehen ist . Die DE 10 2009 027 148 beschreibt ein System aus Kühlkanälen mit zumindest zwei ringförmigen Kanälen, die miteinander
verbunden sind. Die Kühlkanäle sind auch im Bereich der Brennraummulde vorgesehen, um die dort vorherrschenden hohen Temperaturen abzuführen und dadurch die Betriebsfestigkeit und Lebensdauer des Kolbens zu erhöhen.
Zur Optimierung der Geometrie der Brennraummulde werden im Stand der Technik einfache Variantenberechnungen
durchgeführt, bei denen einzelne Kolbendesigns mit
unterschiedlichen Muldenentwürfen berechnet und verglichen werden . Dies erfordert eine aufwendige Parannetrisierung de Muidengeometrie, welche dann volumenneutral unter Einhaltung tangentialer Radienstücke modifiziert werden kann. Jeder Designentwurf ist mit einer eigenständigen Finite-Elemente- Berechnung zu überprüfen, was einen Aufwand von ein bis zwei Tagen pro Entwurf bedeutet .
Eine verbesserte Optimierung der Geometrie der Brennraummulde insbesondere an eine bestehende Kühlarchitektur für eine weitere Verbesserung der Betriebsfestigkeit des Kolbens findet im Stand der Technik bisher nicht ode nur
unzureichend statt.
KÜRZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kolben und ein Verfahren zur Konfiguration der Brennraummulde eines Kolbens mit verbesser er Betriebsfestigkeit anzugeben«
Die Aufgabe wird mit einem Kolben, der die Merkmal des
Anspruchs 1 aufweist , und einem Verfahren mit den Me kmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen folgen aus den Unteransprüchen.
Der vorzugsweise als Dieselmotorkoiben, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung , ausgelegte Kolben weist einen Kolbenboden auf, in den eine Brennraummulde eingebracht ist. Die Brennraummulde hat einen oberen Rand, von dem aus sich die Brennraummulde in den Kolben erstreckt. Der Kolben ist zylindrisch ausgebildet, wodurch eine
Kolbenachse definiert wird. Das Merkmal „zylindrisch" bezieht sich in erster Linie auf den Kolbenkopf und weniger auf den Kolbenschaft mit den Bolzbohrungen, der nach innen versetzte, geschwungene oder geradlinige Wände aufweisen kann oder andersartig geformt ist. Es sei eine Schnittebene so
festgelegt, dass sie die Kolbenachse enthält und somit senkrecht auf dem Kolbenboden steht, sofern der Kolbenboden flach und nicht etwa kegelförmig oder anders ausgebildet ist . In der Nähe der Brennraummulde ist ein Kühlkanal mit
vorzugsweise konstantem Querschnitt senkrecht zu seiner
Erstreckungsrichtung vorgesehen. Vorzugsweise erstreckt sich der Kühlkanal ringförmig, wobei darunter nicht nur ein kreisförmiger Kühlkanal zu verstehen ist , sondern außerdem wellenförmige, ovale, elliptische, abgestufte oder andere vorzugsweise geschlossene Geometrien enthalten sind . Der Querschnitt weist eine der Brennraummulde nächstliegende Seite auf, durch die eine erste Richtung wie folgt definiert wird: Ist die der Brennraummulde nächstliegende Seite im Wesentlichen gerade, so wird die erste Richtung eindeutig durch ihre Erstreckung definiert. Allerdings muss die der Brennraummulde nächstliegende Seite nicht vollständig gerade sein. In dem Fall, in dem diese Seite schwach gekrümmt ist, wird die erste Richtung durch eine beliebige Tangente an.
dieser Seite oder vorzugsweise durch die Tangente bestimmt, an der die Krümmung minimal ist oder deren Abstand zur
Brennraummulde minimal ist. Vorzugweise ist der Querschnitt des Kühlkanals länglich ausgebildet, deren Erstreckung im Wesentlichen mit der ersten Richtung übereinstimmt . Im Falle eines flachen Kolbenbodens weist die erste Richtung eine senkrechte Komponente bezüglich des Kolbenbodens auf und ist vorzugsweise zum Kolbenboden geneigt.
Die Kontur der Brennraummulde steht erfindungsgemäß mit der Erstreckungsrichtung des Kühlkanalquerschnitts wie folgt im Zusammenhang: Im Bereich des minimalen Abstands der Kontur der Brennraummulde zum Kühlkanal weist die Kontur einen lokal vergrößerten Krümmungsradius auf, durch den eine erste
Abflachung definiert wird. Die Erstreckung der Abflachung definiert eine zweite Richtung, nämlich durch eine geeignete Tangente an einem Punkt der Abflachung oder vorzugsweise durch die Tangente, an welcher der Krümmungsradius ein lokales Maximum aufweist.
Erfindungsgemäß sind die erste Richtung und die zweite
Richtung ungefähr parallel, wodurch ein besonders guter
Kraftfluss vom Kolbenboden zur Bolzenbohrung bewerkstelligt und die lokale Kerbwirkung des Krümmungsradius minimiert wird . Auf diese Weise wird durch eine Anpassung der Geometrie der Brennraummulde an das bestehende Kühlkanalsystem die Betriebsfestigkeit und die Lebensdauer des Kolbens deutlich verbessert .
Vorzugsweise ist die erste Abflachung gänzlich flach und weist über einen gewissen Erstreckungsweg keine Krümmung auf, wodurch das Zusammenspiel zwischen Brennraummulde und
Kühlkanal im Hinblick auf die Betriebsfestigkeit des Kolbens weiter verbessert wird .
Vorzugsweise ist ein weiterer lokaler Bereich vergrößerten Krümmungsradius vorgesehen, und zwar ausgehend vom oberen
Rand der Brennraummulde hinter der ersten Äbflachung. Folgt man ausgehend vom oberen Rand der Brennraummulde dem Verlauf der Kontur, durchläuft man zunächst im Bereich des minimalen Abstands zum Kühlkanal ein erstes lokales Maximum des
Krümmungsradius und anschließend ein weiteres lokales Maximum des Krümmungsradius. Analog zur ersten Abflachung definiert die zweite Abf.lachung eine dritte Richtung, nämlich durch eine geeignete Tangente an einem Punkt der zweiten Abflachung oder vorzugsweise durch die Tangente, an welcher der
Krümmungsradius an der zweiten Abflachung ein lokales Maximum aufweist . Die dritte Richtung steht vorzugsweise ungefähr senkrecht auf der ersten Richtung und somit ungefähr
senkrecht auf der zweiten Richtung, Wie Simulationen gezeigt haben, wird durch diese Maßnahme eine weitere Verbesserung der Betriebssicherheit des Kolbens erzielt.
Vorzugsweise ist die zweite Abflachung gänzlich flach und weist keine Krümmung auf, wodurch das Zusammenspiel zwischen Brennraummulde und Kühlkanal im Hinblick auf die
Betriebs festigkeit des Kolbens weiter ve bessert wird .
Vorzugsweise weist die Brennraummulde im Zentrum, d.h. auf der Kolbenachse einen Kompressionsvorsprung auf, der
vorzugsweise in der Form einer kegelförmigen Erhebung ausgebildet ist. Der Kompressionsvorsprung ist im Hinblick auf eine Verbesserung der Verbrennung im Brennraum und eine Verringerung von Rußpartikelbildung vorteilhaft.
Vorzugsweise gehen die Krümmungsradien der Kontur der
Brennraummulde kontinuierlich, d.h., allmählich ineinander über, damit eine weiche Kontur des Muldenquerschnitts, ohne Krümmungssprünge, d.h. mit stetiger Tangente und stetiger Krümmung, erzielt wird .
Vorzugsweise ist die Brennraummul.de zur Achse des Kolbens rotationssymmetrisch, wodurch die Herstellung des Kolbens vereinfacht wird.
Vorzugsweise ist der Rand der Mulde eingezogen, d.h. so zur Kolbenachse hin verlagert, dass der Radius des Kolbenrands kleiner als der größte Radius der Brennraummulde ist. Diese Maßnahme wirkt sich positiv sowohl auf die Verbrennung als auch auf die Betriebsstabilität aus.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Konfiguration einer Brennraummulde eines Kolbens wird zunächst eine
Startgeometrie der Brennraummulde mit einem bestimmten
Brennraumvolumen festgelegt. Die Startgeomet ie dient als Ausgangspunkt für die Optimierung der Geometrie der
Brennraummulde. Danach wird ei e automatisierte
Gestaltoptimierung der Brennraummulde auf der Basis
iterativer Finite-Elemente-Berechnungen durchgeführt , wobei nach jedem Iterationsschritt eine
Betriebsfestigkeitsuntersuchung durchgeführt wird.
Vorzugsweise hat das Ergebnis der
Betriebsfestigkeitsuntersuchung einen Einfluss auf die
Bestimmung der nachfolgenden Iterationsschritte. Während der GestaltOptimierung wird das Brennraumvolumen in jedem
Iterationsschritt konstant gehalten . Durch die automatisierte
Gestaltoptimierung kann eine verbesserte
Brennraummuldengeometrie gefunden werden, die Grundzüge des Startentwurfs beinhaltet ,. jedoch eine deut liehe Verbesserung der Betriebsfestigkeit des Kolbens bietet . Durch die Vorgabe des konstanten Brennraumvolumens während der
Gestaltoptimierung bleibt auch das KompressionsVerhältnis konstant , wodurch die Einwirkungen auf die Verbrennung gering bleiben .
Vorzugsweise werden an der Startgeometrie ein oder mehrere Radienstücke festgelegt, deren Tangenten bei der
GestaltOptimierung konstant gehalten werden , um die für die Verbrennung relevanten oder andere gewünschte Eigenschaften des Startentwurfs im Wesentlichen beizubehalte .
KÜRZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Figur 1 ist eine dreidimensionale aufgeschnittene Darstellung ei es Kolbens; Figur 2 ist eine Schnittdarstellung eines Kolbenkopfes, welche den Konturverlauf der Brennraummulde darstellt,
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Der Kolben 10 in der Figur 1, der vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, weist am
Kolbenkopf 11 einen Kolbenboden 13 mit einer Omega-förmigen Brennraummulde 12, mehrere Ringnuten 14 und zwei
Bolzenbohrungen 16 auf. Im Kolbenkopf 11 ist ein ringförmiger Kühlkanal 18 vorgesehen, der bis auf in der Figur 1 nicht dargestellte Einlasse und Auslässe für das Kühlmittel geschlossen ist {ein Einlass oder Äuslass 18' für das
Kühlmittel ist in der Figur 2 gezeigt) , In der
aufgeschnittenen Version der Figur 1 sind lediglich zwei längliche Öffnungen zu sehen, die den Austrittsquerschnitt des Kühlkanals 18 aus der Schnittebene zeigen. Die
Brennraummulde 12 weist einen kegelförmigen
Kompressionsvorsprung 21 und einen eingezogenen oberen Rand 22 auf . Die Brennraummulde 12 ist rotationssymmet risch bezüglich de Kolbenachse, die in der Figur 1 mit A
bezeichnet ist .
Die Figur 2 ist eine vergrößerte Schnittdarsteilung des Kolbens 10, wobei die Schnittebene die Kolbenachse A enthält und senkrecht auf dem Kolbenboden 13 steht . In der Figur sind zwei alternative Konturverläufe der Brennraummulde 12
gezeigt, die mit Kl und K2 bezeichnet sind . Hierbei
bezeichnet die gestrichelt dargestellte Kl eine Start kontur und K2 eine im Hinblick auf die Betriebsfestigkeit
verbesserte Kontur . Die Brennraummulde 12 weist am
Kolbenboden 13 einen eingezogenen Rand 22 auf, von dem aus sich die Brennraummulde 12 in das Innere des Kolbenkopfes 11 erstreckt . Die Erstreckungsrichtung des Kühl kanals 18 im Querschnitt der Figur 2 ist mit Rl bezeichnet. Hierbei wird als maßgebliches Merkmal zur Bestimmung der Erst eckungsriehtung diejenige Seite des Kühlkanals 18 genommen, die der Brennraummulde 12 am nächsten liegt, d.h. die in der Darstellung der Figur 2 linke Seite des Kühl kanalquerschnitts . Da im vorliegenden Fall ein vollständig geradliniger Abschnitt vorliegt, ist die Richtung Rl eindeutig durch den geradlinigen Abschnitt bestimmt .
Allerdings lässt sich die Bestimmung einer Richtung Rl auch bei ovalen, elliptischen oder andersartigen
Kühl kanalquerschnitten bestimmen . Dazu wird eine geeignete Tangente an die Seite des Kühlkanalquerschnitts gelegt, die der Brennraummulde 12 am nächsten liegt . Vorzugsweise dient entweder die der Brennraummulde 12 nächstliegende Tangente oder die Tangente am lokalem Krümmungsmaximum der
entsprechenden Seite als Bezugsrichtung Rl .
Mittels einer computerbasierten, automatisierten
GestaltOptimierung des Kolbens 10 auf der Basis einer
iterativen Finite-Elemente-Berechnung mit anschließender Betriebs festigkeitsuntersuchung wurde ausgehend von der Startkontur Kl die verbesserte Kontur K2 gef nden, die weiterhin Grundzüge des Startentwurfs beinhaltet, jedoch eine deutliche Verbesserung der Betriebsfestigkeit des Kolbens 10 erzielt . Um die Einwirkungen auf die Verbrennung gering zu halten, wurde die Berechnung volumenneutral , d.h. mit
konstantem Brennraumvolumen, durchgeführt, wodurch auch das Kompressions erhältnis konstant blieb . Durch Definit ion einer RotationsSymmetrie während der Gestaltoptimie ung kann die Brennraummulde 12 weiterhin durch Drehen gefertigt werden. Die neue Muldengeometrie ist somit in de Fertigung
kostenneutral .
Bei der Gestaltoptimierung der Brennrauminulde 12 hat sich als besonde s vorteilhaft im Hinblick auf die Betriebsfestigkeit herausgestellt, 'wenn ausgehend von der Start kontur Kl im Bereich des größten Radius der Brennraummulde 12, d.h. im Bereich des minimalen Abstands der Brennraummulde 12 zum Kühikanal 18 , eine erste Abflachung AI gebildet wurde, deren Erst reckung im Wesentlichen mit der Richtung Rl
übereinstimmt . Dazu wird der ersten Abflachung AI eine
Erstreckungsrichtung Rl zugeordnet. Die erste Abflachung AI ist ein Bereich lokal vergrößerten Krümmungsradius der Kontur K2. Durch die Tangente an einen Punkt des vergrößerten
Krümmungsradius, vorzugsweise an dem Punkt des maximalen Krümmungsradius oder des minimalen Abstands zum Kühlkanal 18 , ist die Richtung R2 eindeutig definiert. In dem Fall, in dem Rl und R2 ungefähr parallel sind, ird ein besonders
effektiver Kraftfluss vom Kolbenboden zur Bolzenbohrung erzielt, der sich positiv auf die Betriebsfestigkeit und Lebensdauer des Kolbens 10 auswirkt.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich in Kombination mit einer zweiten Abflachung A2 , die sich ausgehend von dem oberen Rand 22 im Verlauf der Kontur hinter der ersten
Abflachung AI befindet und sich in der Figur 2 ungefähr am tiefsten Punkt der Brennraummulde 12 befindet. Analog zur ersten Äbflachung AI definiert die zweite Abflachung A2 eine dritte Richtung, die in Figur 2 mit R3 bezeichnet ist . In dem Fall , in dem die zweite Abflachung A2 nicht vollständig gerade ist, sondern eine schwache Krümmung aufweist, wird R3 durch die Tangente am Punkt des dortigen lokal maximalen Krümmungsradius festgelegt . In der Aus führungsform der Figur 2 steht R3 senkrecht auf Rl und R2, wodurch eine weitere Verbesserung der Betriebsfestigkeit des Kolbens 10 erzielt wird .
Die obige optimierte Kontur K2 ergab sich aus der Startkontur Kl durch Ausführung einer automatisierten Gestaltoptimierung der Bren aummulde auf der Basis iterativer Finite-Elemente- Berechnungen . Nach jedem Iterationsschritt wurde eine
Betriebsfestigkeitsuntersuchung durchgeführt, was zu den besonderen geometrischen Merkmalen der verbesserten Kontur K2 führte. Während der Gestaltoptimierung wurde das
Brennraumvolunien in jedem Iterationsschritt konstant
gehalten. Wie es aus einem Vergleich der Konturen Kl und K2 in Fig. 2 hervorgeht, weist die verbesserte Kontur K2 weiterhin Grundzüge der Startkontur Kl auf .

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kolben (10} für einen erbrennungsmotor, wobei der
Kolben (10) eine in einen Kolbenboden (13) des Kolbens (10) eingebrachte Brennraummulde (12) und zumindest einen
Kühlkanal (18) aufweist, dessen Querschnitt senkrecht zu seiner Erstreckung eine der Brennraummulde (12)
nächstliegende Seite aufweist, die sich entlang einer ersten Richtung (Rl ) erstreckt, und die Kontur der Brennraummulde (12) in einem Querschnitt, der die Kolbenachse (A) enthält, eine veränderliche Krümmung aufweist, wobei
die Kontur der Brennraummulde (12) im Bereich des minimalen Abstands zum Kühlkanal (18) einen lokal
vergrößerten Krümmungsradius aufweist, durch den eine erste Abflachung (AI) definiert wird, deren Erstreckung ungefähr parallel zur ersten Richtung (Rl) ist, und
der Querschnitt des Kühlkanals länglich ausgebildet ist, dessen Längserstreckung im Wesentlichen mit der ersten
Richtung übereinstimmt.
2. Kolben (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abflachung (AI) gänzlich flach ist und keine Krümmung aufweist.
3. Kolben (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kontur der Brennraummulde (12) ausgehend vom Kolbenboden (13) nach der ersten Abflachung (AI) eine zweite Abflachung (A2 ) mit lokal vergrößertem
Krümmungsradius aufweist , deren Erstreckung ungefähr
senkrecht auf der ersten Richtung (Rl ) steht .
4. Kolben ( 10 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , da ss die zweite Äbflachung (A2 ) gänzlich flach ist und keine
Krümmung aufweist.
5. Kolben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsradien der Kontur der Brennraummulde (12) kontinuierlich ineinander übergehen.
6. Verfahren zur Konfiguration einer Brennraummulde eines Kolbens, mit den Schritten: a) Festlegen einer Startgeometrie der Brennrauinmulde mit einem bestimmten Brennraumvolumen; b) Durchführen einer automatisierten Gestaltoptimierung der Brennraummulde auf der Basis iterativer Finite-Elemente- Berechnungen mit anschließender
Betriebsfestigkeitsuntersuchung, wobei das Brennraumvolumen bei der Gestaltoptimierung konstant gehalten wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) ein oder mehrere Radienstücke der
Startgeometrie festgelegt werden, deren Tangenten bei der Gestaltoptimierung konstant gehalten werden.
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