WO2015154853A1 - Kolben für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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PCT/EP2015/000636
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Sebastian Wustl
Björn Schade
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MTU Friedrichshafen GmbH
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    • 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

  • a piston for an internal combustion engine in particular a
  • a diesel engine having a piston outer diameter and a piston crown having a trough forming a W-shape in an inner trough region and an outer T-shape in an inner trough region
  • Combustion which emanates from an injection nozzle of the internal combustion engine, is advantageously distributed by the inner trough region, whereby a particularly uniform combustion can be achieved even at low injection pressures.
  • a particular advantage lies in a good transient behavior, by which, in particular during abrupt fuel injections, i. with an increase in the injection pressure at a relative lack of air, soot formation can be improved.
  • a blackening to Bosch can be kept well below 1.
  • the improved combustion can reduce NOx and particulate emissions. Overall, therefore, by an embodiment of the invention a
  • a "trough” is to be understood in particular as meaning that the piston head has a surface which forms a depression with respect to the plane which is spanned by the outer diameter of the piston in which the surface has a convex curvature in an inner partial region and a concave curvature in a partial region surrounding the inner partial region.
  • a third portion in the W-shape, a third portion
  • the surface has a convex curvature and forms a transition to the outer trough region.
  • the surface of the piston crown has a smaller depth in the middle subregion than in the surrounding subregion.
  • a "torus fore” is to be understood in particular as meaning that the surface in the trough region has only a concave curvature, in which case a “convex” curvature is understood in particular to mean that the surface is in relation to the plane is spanned by the piston outer diameter, is convexly curved.
  • a concave curvature should be understood to mean, in particular, that the surface is concavely curved with respect to the plane defined by the piston outer diameter, in particular, a convex curvature has a center for defining a radius of curvature above the surface of the piston crown. In a concave curvature is correspondingly a center for determining a radius of curvature below the
  • the piston crown has a web surrounding the depression. This can further improve the combustion.
  • a "web” is to be understood here in particular as a depression region in which the surface of the piston crown lies in the plane defined by the piston diameter, in particular by a depression region of the surface in which the surface runs perpendicular to an axis of symmetry of the piston crown.
  • An "axis of symmetry” should be understood to mean, in particular, an axis which forms a central axis for the piston diameter.
  • the piston is provided for movement along the axis of symmetry.
  • the web has an inner diameter, based on the
  • Piston outer diameter has a factor between 1, 0 and 1, 4.
  • the term “between” should be understood here and below as meaning, in particular, a subarea which includes the abovementioned limits with the specified accuracy.
  • a value to which the outer diameter of the piston has the stated factor should be understood in particular to mean that Piston outer diameter is larger by the factor mentioned, as the value to which the factor relates.
  • a "factor of 1, 0" is to be understood in particular as meaning that the outer diameter of the piston corresponds to the inner diameter of the web
  • Piston outer diameter Only the outer edge of the piston crown lies in the plane which is spanned by the outer diameter.
  • the outer trough region has an outer diameter to which the outer diameter of the piston has a factor between 1, 0 and 1, 4.
  • a transition region can be provided between the outer trough region and the web, in which the surface is convexly curved in order to realize an edge-free transition between the web and the outer trough region.
  • the transition area can also be dispensed with.
  • the outer trough region has a maximum angle, which is in a vertical between 25 degrees and 35 degrees. Under an "angle in one
  • the outer trough region has a maximum depth which is between 5 mm and 10 mm.
  • a "depth” is to be understood in particular as meaning a distance between the plane spanned by the piston outer diameter and a point on the surface along a direction which is oriented parallel to the axis of symmetry
  • the plane spanned by the outer diameter has preferably a height of 0 mm.
  • the outer trough region has an inner diameter to which the outer diameter of the piston has a factor between 1, 2 and 2.
  • An "inner diameter of the outer depression region" is intended in particular to mean a
  • Diameter are understood that limits the defined by its convex curvature outer trough portion relative to the axis of symmetry radially inward.
  • the piston head has a transition angle between the inner trough portion and the outer trough portion, which is in a horizontal between 0 degrees and 10 degrees.
  • a transition angle is intended in particular Angle at a point at which the convex curvature of the outer trough portion in a concave curvature as a transition into the inner trough area passes over.
  • the inner trough region has a turning point diameter, to which the outer diameter of the piston has a factor between 3 and 6.
  • a turning point diameter is to be understood as meaning, in particular, a defined diameter through the inflection point which separates the inner subregion and the subregion of the depression region surrounding the inner subregion.
  • the inner trough region has a maximum depth which is between 10 mm and 20 mm.
  • a “maximum depth” is to be understood in particular as meaning a depth in the concavely curved partial area which surrounds the inner partial area
  • Horizontal is between 20 degrees and 30 degrees.
  • an angle which a surface tangent with the plane perpendicular to the axis of symmetry encloses in the inflection point, which encloses the inner subregion and the subregion surrounding the inner subregion, is to be understood by a "inflection point angle”.
  • the inner trough portion has a central depth which is between 4 mm and 9 mm.
  • a "central depth” should be understood to mean, in particular, a depth in a middle of the inner subarea
  • FIG. 1 shows schematically an internal combustion engine with a plurality of cylinders.
  • Fig. 2. shows a piston of the internal combustion engine in a cross section.
  • the internal combustion engine has a plurality of cylinders 7, 8, 9, 10, which in each case have a combustion chamber 11, 12, 13, 14 and a piston 1, 15, 16, 17 guided in the corresponding combustion chamber 11, 12, 13, 14 exhibit.
  • the internal combustion engine is designed as a diesel engine, i. an ignitable mixture of air and fuel present in the cylinders 7, 8, 9, 10 spontaneously ignites upon compression.
  • the respective pistons 1, 15, 16, 17 and the corresponding combustion chamber 11, 12, 13, 14 delimit a combustion chamber in which, depending on a mixture distribution, the ignition of the mixture gradually spreads. In a typical mixture distribution, the mixture burns in particular along a combustion jet, which extends starting from a cylinder head side in the direction of the piston 1, 15, 16, 17 centered within the corresponding combustion chamber 11, 12, 13, 14.
  • Fig. 2 shows the piston 1 in a cross section.
  • the remaining pistons 15, 16, 17 are formed equivalent.
  • the piston 1 has a piston head 2, which has a trough 3.
  • the piston 1 has a piston outer diameter Dj, which is defined by an outer edge 18 of the piston 1.
  • the edge 18 spans a plane on which, relative to the piston head 2, the trough 3 forms in its center.
  • the edge 18 is circular. With respect to the edge 18 is thus an axis of symmetry 19th
  • the piston head 2 is rotationally symmetrical.
  • the symmetry axis 19 extends in the vertical direction.
  • the piston 1 is displaced along the symmetry axis 19.
  • the combustion chamber 11 has a running surface 20 provided for guiding the piston 1, which is likewise rotationally symmetrical with respect to the axis of symmetry 19.
  • the trough 3 is formed by a superposition of two basic shapes.
  • the trough 3 itself has an inner trough region 4, in which the trough 3 has a W-shape, and an outer trough region 5, in which the trough 3 has a toroidal shape.
  • the piston crown 2 has a surface whose geometric configuration in the inner depression region 4 and the outer depression region 5 are each rotationally symmetrical with respect to the
  • Symmetry axis 19 is.
  • the outer trough region 5 completely surrounds the inner trough region 4.
  • the piston head 2 has a web 6 surrounding the depression 3.
  • the web 6 has a surface perpendicular to the
  • Symmetry axis 19 is oriented. In a region in which the piston head 2 has the web 6, the piston head 2 is almost flat. In this area, the piston head 2 has an average curvature which is zero.
  • the web 6 has an outer diameter which corresponds to the piston outer diameter Di. Based on the piston outer diameter Di, the web 6 has an inner diameter D 2 , to which the piston outer diameter Di has a factor between 1, 0 and 1.4. On the web 6 can therefore be dispensed basically.
  • the outer trough region 5 has a
  • Inner diameter D 2 of the web 6 about a factor of 1.03 larger than that
  • the inner diameter D 2 of the web 6 is 118 mm.
  • the outer diameter D 3 of the outer trough portion 5 is 115 mm.
  • the inner diameter D 2 of the web 6 is defined as a diameter at which the web 6 merges into the trough 3.
  • Piston bottom 2 starting from the piston outer diameter Di, for the first time a convex curvature.
  • the transition region 21 is completely convexly curved.
  • the transition region 21 has a minimum
  • Radius of curvature R 5 between 2 mm and 4 mm.
  • the outer diameter D 3 of the outer well region 5 is defined as a diameter at which the surface of the piston head 2 has a point of inflection 22.
  • the surface of the piston crown 2 is completely concave curved. Starting from the outer edge 18 of the piston crown 2, the surface is initially flat. At the planar web 6 of the transition region 21 connects, in which the surface is a convex Curvature has. The convex curvature of the transition region 21 is adjoined by the outer trough region 5, in which the surface has the concave curvature.
  • the outer trough region 5 has a maximum angle W 2 , which is in a vertical between 25 degrees and 30 degrees. In the turning point 22 is the angle that the
  • the surface again has a point of inflection 23.
  • Curvature of the surface from concave to convex defines an inner diameter D 4 , the outer trough region 5 has.
  • the outer trough region 5 has a maximum depth H 2 which is between 5 mm and 10 mm.
  • the outer trough portion 5 has a minimum radius of curvature R4 between 3 mm and 9 mm.
  • Radius of curvature R4 becomes minimal approximately in the middle between the two turning points 22, 23.
  • the piston head 2 has between the inner bowl portion 4 and the outer
  • Trough region 5 that is, at the inflection point 23, where the outer trough region 5 merges into the inner trough region 4, a transition angle W 3 , which is in a horizontal between 0 degrees and 10 degrees.
  • the surface thus runs almost parallel to the plane which is oriented perpendicular to the axis of symmetry 19.
  • the curvature of the surface is almost zero.
  • the outer trough region 5 has a
  • Inner diameter D 4 to which the piston outer diameter Di has a factor between 1, 2 and 2.
  • the inner diameter D 4 corresponds to an outer diameter of the inner trough region 4.
  • the outer trough region 5 and the inner trough region 4 are continuous into each other, ie the surface of the piston crown 2 is free from edges in a transition from the outer trough region 5 into the inner trough region 4.
  • the outer trough region 4 extends annularly around the inner trough region 4.
  • the inner trough region 4 extends over an entire area enclosed by the inner diameter D 4 of the outer trough region 5.
  • the inner trough region 4 has a total of three partial regions 26, 27, 28, which are curved in different directions.
  • the inner trough region 4 thus has a total of two inflection points 24, 25 which separate the partial regions 26, 27, 28 from each other
  • the surface In the first partial region 26, which lies radially outward with respect to the axis of symmetry 19, the surface has a convex curvature.
  • the surface has a minimum radius of curvature R 3 between 2 mm and 4 mm.
  • the surface In the second subregion 27, which lies with respect to the axis of symmetry 19 between the two other subregions 26, 28, the surface has a concave curvature.
  • the surface has in the central portion 27 a minimum radius of curvature R 2 between 3 mm and 9 mm.
  • the third portion 28 which lies with respect to the symmetry axis 19 within the two other portions 26, 27, the surface again has a convex curvature.
  • the Surface has in the inner portion 28 a minimum radius of curvature R] between 2 mm and 4 mm.
  • the radii of curvature R 1? R 3 of the surface in the first portion 26 and in the third portion 28 are thus the same size on average.
  • the second portion 27 is less curved than the other two portions 26, 28th
  • the trough 3 has its lowest point over its entire extension.
  • the inner trough region 4 in this case has a maximum depth K ⁇ , which is between 10 mm and 20 mm. Its maximum depth Hi reaches the inner trough area 4 in the central portion 27.
  • a turning point diameter D 5 based on the piston outer diameter Di has a factor between 3 and 6.
  • the inner trough portion 4 has a turning point angle W] which is in a horizontal between 20 degrees and 30 degrees.
  • the inner bowl portion 4 has a central depth H 3 , which is between 4 mm and 9 mm.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, mit einem Kolbenaußendurchmesser (DO und mit einem Kolbenboden (2), der eine Mulde (3) aufweist, die in einem inneren Muldenbereich (4) eine W-Form und in einem äußeren Muldenbereich (5) eine Torusform aufweist.

Description

MTU Friedrichshafen GmbH
BESCHREIBUNG Kolben für eine Brennkraftmaschine
Erfindungsgemäß wird ein Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen
Dieselmotor, mit einem Kolbenaußendurchmesser und mit einem Kolbenboden, der eine Mulde aufweist, die in einem inneren Muldenbereich eine W-Form und in einem äußeren
Muldenbereich eine Torusforai aufweist, vorgeschlagen. Dadurch kann ein Gemisch, welches in einen durch den Kolbenboden begrenzten Brennraum eingeleitet wird, besonders gut aufbereitet werden, wodurch insbesondere in einem Dieselmotor eine Verbrennung verbessert werden kann. Insbesondere in Verbindung mit Ladungswechseleffekten kann erreicht werden, dass die
Verbrennung, die von einer Einspritzdüse der Brennkraftmaschine ausgeht, durch den inneren Muldenbereich vorteilhaft verteilt wird, wodurch eine besonders gleichmäßige Verbrennung auch bei geringen Einspritzdrücken erreicht werden kann. Ein besonderer Vorteil liegt in einem guten Transientverhalten, durch das insbesondere bei abrupten Kraftstoffeinbringungen, d.h. bei einer Anhebung des Einspritzdrucks bei relativem Luftmangel, eine Rußbildung verbessert werden kann. Eine Schwärzung nach Bosch kann dabei deutlich unterhalb von 1 gehalten werden. Zudem können durch die verbesserte Verbrennung NOx- und Partikelemissionen gesenkt werden. Insgesamt kann somit durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eine
Brennkraftmaschine hinsichtlich ihrer Betriebsparameter optimiert werden. Unter einer„Mulde" soll dabei insbesondere verstanden werden, dass der Kolbenboden eine Oberfläche aufweist, welche in Bezug auf die Ebene, die durch den Kolbenaußendurchmesser aufgespannt wird, eine Vertiefung ausbildet. Unter einer„W-Form" soll dabei insbesondere eine Ausgestaltung des Muldenbereichs verstanden werden, bei der die Oberfläche in einem inneren Teilbereich eine konvexe Krümmung und in einem den inneren Teilbereich umgebenden Teilbereich eine konkave Krümmung aufweist. Zusätzlich kann bei der W-Form ein dritter Teilbereich
vorgesehen werden, in dem die Oberfläche eine konvexe Krümmung aufweist und der einen Übergang zu dem äußeren Muldenbereich ausbildet. Die Oberfläche des Kolbenbodens weist dabei in dem mittleren Teilbereich eine geringere Tiefe, als in dem umgebenden Teilbereich auf. Unter einer„Torusforai" soll insbesondere verstanden werden, dass die Oberfläche in dem Muldenbereich lediglich eine konkave Krümmung aufweist. Unter einer„konvexen" Krümmung soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die Oberfläche in Bezug auf die Ebene, die durch den Kolbenaußendurchmesser aufgespannt ist, konvex gekrümmt ist. Entsprechend soll unter einer„konkaven" Krümmung insbesondere verstanden werden, dass die Oberfläche in Bezug auf die Ebene, die durch den Kolbenaußendurchmesser aufgespannt ist, konkav gekrümmt ist. Insbesondere liegt bei einer konvexen Krümmung ein Mittelpunkt zur Festlegung eines Krümmungsradius oberhalb der Oberfläche des Kolbenbodens. Bei einer konkaven Krümmung liegt entsprechend ein Mittelpunkt zur Festlegung eines Krümmungsradius unterhalb der
Oberfläche des Kolbenbodens. Unter einer„Ebene, die durch den Kolbenaußendurchmesser" aufgespannt wird, soll insbesondere eine Ebene verstanden werden, welche durch einen äußeren Rand des Kolbenbodens ausgespannt wird. Unter„vorgesehen" soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der Kolbenboden einen die Mulde umgebenden Steg aufweist. Dadurch kann die Verbrennung weiter verbessert werden. Unter einem„Steg" soll dabei insbesondere ein Muldenbereich verstanden werden, in dem die Oberfläche des Kolbenbodens in der durch den Kolbendurchmesser aufgespannten Ebene liegt. Insbesondere soll darunter ein Muldenbereich der Oberfläche verstanden werden, in dem die Oberfläche senkrecht zu einer Symmetrieachse des Kolbenbodens verläuft. Unter einer„Symmetrieachse" soll dabei insbesondere eine Achse verstanden werden, die eine Mittelachse für den Kolbendurchmesser bildet. Der Kolben ist dabei für eine Bewegung entlang der Symmetrieachse vorgesehen.
Vorzugsweise weist der Steg einen Innendurchmesser auf, auf den bezogen der
Kolbenaußendurchmesser einen Faktor zwischen 1 ,0 und 1 ,4 aufweist. Unter„zwischen" soll dabei hier und im Folgenden insbesondere ein Teilbereich verstanden werden, welcher die genannten Grenzen in der angegebenen Genauigkeit mit einschließt. Unter einem Wert,„auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser den genannten Faktor" aufweist, soll insbesondere verstanden werden, dass der Kolbenaußendurchmesser um den genannten Faktor größer ist, als der Wert, auf den der Faktor bezogen ist. Unter einem„Faktor von 1 ,0" soll dabei insbesondere verstanden werden, dass der Kolbenaußendurchmesser dem Innendurchmesser des Stegs entspricht. In einer solchen Ausgestaltung ist die Mulde gleich groß, wie der
Kolbenaußendurchmesser. Lediglich der äußere Rand des Kolbenbodens liegt in der Ebene, die durch den Außendurchmesser aufgespannt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der äußere Muldenbereich einen Außendurchmesser auf, auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser einen Faktor zwischen 1 ,0 und 1 ,4 aufweist. Zwischen dem äußeren Muldenbereich und dem Steg kann dabei ein Übergangsbereich vorgesehen werden, in dem die Oberfläche konvex gekrümmt ist, um einen kantenfreien Übergang zwischen dem Steg und dem äußeren Muldenbereich zu realisieren. Alternativ kann auf den Übergangsbereich aber auch verzichtet werden.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn der äußere Muldenbereich einen Maximalwinkel aufweist, der in einer Vertikalen zwischen 25 Grad und 35 Grad beträgt. Unter einem„Winkel in einer
Vertikalen" soll dabei insbesondere ein Winkel verstanden werden, den die Symmetrieachse und eine Oberflächentangente des Kolbenbodens miteinander einschließen. Unter einem„Winkel in einer Horizontalen" soll insbesondere ein Winkel verstanden werden, den die Ebene senkrecht zur Symmetrieachse und eine Oberflächentangente des Kolbenbodens miteinander einschließen. Unter einem„Maximalwinkel" soll in diesem Fall insbesondere der Winkel in einem Punkt, an dem die Oberfläche ihre maximale Steigung aufweist, verstanden werden. Unter einer Steigung der Oberfläche in einem Punkt soll dabei insbesondere wieder der Winkel, den die Ebene senkrecht zur Symmetrieachse und die Oberflächentangente des Kolbenbodens in diesem Punkt miteinander einschließen, verstanden werden. Die Steigung entspricht damit dem Winkel der Oberfläche in der Vertikalen an diesem Punkt.
Bevorzugt weist der äußere Muldenbereich eine maximale Tiefe auf, die zwischen 5 mm und 10 mm beträgt. Unter einer„Tiefe" soll dabei insbesondere ein Abstand zwischen der durch den Kolbenaußendurchmesser aufgespannten Ebene und einem Punkt auf der Oberfläche entlang einer Richtung, die parallel zu der Symmetrieachse orientiert ist, verstanden werden. Eine Tiefe von 0 mm entspricht dabei vorzugsweise einem höchsten Punkt der Oberfläche. Die durch den Außendurchmesser aufgespannte Ebene weist dabei vorzugsweise eine Höhe von 0 mm auf.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der äußere Muldenbereich einen Innendurchmesser aufweist, auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser einen Faktor zwischen 1 ,2 und 2 aufweist. Unter einem„Innendurchmesser des äußeren Muldenbereichs" soll dabei insbesondere ein
Durchmesser verstanden werden, die den durch seine konvexe Krümmung definierten äußeren Muldenbereich bezogen auf die Symmetrieachse radial innen begrenzt.
Zudem wird vorgeschlagen, dass der Kolbenboden einen Übergangswinkel zwischen dem inneren Muldenbereich und dem äußeren Muldenbereich aufweist, der in einer Horizontalen zwischen 0 Grad und 10 Grad beträgt. Unter einem Übergangswinkel soll dabei insbesondere Winkel an einem Punkt, an die konvexe Krümmung des äußeren Muldenbereichs in eine konkave Krümmung als Übergang in den inneren Muldenbereich übergeht verstanden werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der innere Muldenbereich einen Wendepunktdurchmesser aufweist, auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser einen Faktor zwischen 3 und 6 aufweist. Unter einem Wendepunktdurchmesser soll insbesondere ein durch den Wendepunkt, der den inneren Teilbereich und den, den inneren Teilbereich umgebenden Teilbereich des Muldenbereichs voneinander trennt, definierter Durchmesser verstanden werden. Zudem ist es vorteilhaft, wenn der innere Muldenbereich eine maximale Tiefe aufweist, die zwischen 10 mm und 20 mm beträgt. Unter einer„maximalen Tiefe" soll dabei insbesondere eine Tiefe in dem konkav gekrümmten Teilbereich, welcher den inneren Teilbereich umgibt, verstanden werden. Vorzugsweise weist der innere Muldenbereich einen Wendepunktwinkel auf, der in einer
Horizontalen zwischen 20 Grad und 30 Grad beträgt. Unter einem„Wendepunktwinkel" soll dabei insbesondere ein Winkel, den eine Oberflächentangente mit der Ebene senkrecht zu der Symmetrieachse in dem Wendepunkt einschließt, der den inneren Teilbereich und den, den inneren Teilbereich umgebenden Teilbereich einschließt.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass der innere Muldenbereich eine zentrale Tiefe aufweist, die zwischen 4 mm und 9 mm beträgt. Unter einer„zentralen Tiefe" soll dabei insbesondere eine Tiefe in einer Mitte des inneren Teilbereichs verstanden werden. Ferner wird eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem erfindungsgemäßen Kolben vorgeschlagen, wodurch eine Brennkraftmaschine mit optimierten Betriebsparametern bereitgestellt werden kann.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern.
Fig. 2. zeigt einen Kolben der Brennkraftmaschine in einem Querschnitt.
Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern 7, 8, 9, 10, welche jeweils eine Brennkammer 11, 12, 13, 14 und einen in der entsprechenden Brennkammer 11, 12, 13, 14 geführten Kolben 1, 15, 16, 17 aufweisen. Die Brennkraftmaschine ist als ein Dieselmotor ausgebildet, d.h. ein in den Zylindern 7, 8, 9, 10 vorhandenes zündfähiges Gemisch aus Luft und Treibstoff entzündet sich bei Kompression von selbst. Der jeweilige Kolben 1, 15, 16, 17 und die entsprechende Brennkammer 11, 12, 13, 14 begrenzen dabei einen Brennraum, in der sich, abhängig von einer Gemischverteilung, die Zündung des Gemischs sukzessive ausbreitet. Bei einer typischen Gemischverteilung verbrennt das Gemisch dabei insbesondere entlang eines Brennstrahls, der sich ausgehend von einer Zylinderkopfseite in Richtung des Kolbens 1, 15, 16, 17 mittig innerhalb der entsprechenden Brennkammer 11, 12, 13, 14 ausbreitet. Fig. 2 zeigt den Kolben 1 in einem Querschnitt. Die restlichen Kolben 15, 16, 17 sind äquivalent ausgebildet. Zur Ablenkung dieses Brennstrahls weist der Kolben 1 einen Kolbenboden 2 auf, der eine Mulde 3 aufweist. Der Kolben 1 weist einen Kolbenaußendurchmesser Dj auf, welcher durch einen äußeren Rand 18 des Kolbens 1 definiert ist. Der Rand 18 spannt eine Ebene auf, auf die bezogen der Kolbenboden 2 in seiner Mitte die Mulde 3 ausbildet. Der Rand 18 ist dabei kreisförmig ausgebildet. In Bezug auf den Rand 18 ist damit eine Symmetrieachse 19
definierbar, welche im Folgenden eine Bezugsachse zur Beschreibung des Kolbenbodens 2 bildet. In Bezug auf die Symmetrieachse 19 ist der Kolbenboden 2 rotationsymmetrisch ausgebildet. Die Symmetrieachse 19 verläuft dabei in vertikaler Richtung. In einem Betrieb wird der Kolben 1 entlang der Symmetrieachse 19 verschoben. Die Brennkammer 11 weist dabei eine zur Führung des Kolbens 1 vorgesehene Lauffläche 20 auf, die ebenfalls rotationssymmetrisch zu der Symmetrieachse 19 ist.
Die Mulde 3 ist durch eine Überlagerung zweier Grundformen ausgebildet. Die Mulde 3 selbst weist einen inneren Muldenbereich 4 auf, in dem die Mulde 3 eine W-Form aufweist, und einen äußeren Muldenbereich 5, in dem die Mulde 3 eine Torusform aufweist. Der Kolbenboden 2 weist eine Oberfläche auf, deren geometrische Ausgestaltung in dem inneren Muldenbereich 4 und dem äußeren Muldenbereich 5 dabei jeweils rotationssymmetrisch in Bezug auf die
Symmetrieachse 19 ist. Der äußere Muldenbereich 5 umgibt den inneren Muldenbereich 4 vollständig. Zusätzlich weist der Kolbenboden 2 in dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel einen die Mulde 3 umgebenden Steg 6 auf. Der Steg 6 weist eine Oberfläche auf, die senkrecht zu der
Symmetrieachse 19 orientiert ist. In einem Bereich, in dem der Kolbenboden 2 den Steg 6 aufweist, ist der Kolbenboden 2 nahezu eben. In diesem Bereich weist der Kolbenboden 2 eine mittlere Krümmung auf, die Null beträgt.
Der Steg 6 weist einen Außendurchmesser auf, der dem Kolbenaußendurchmesser Di entspricht. Bezogen auf den Kolbenaußendurchmesser Di weist der Steg 6 einen Innendurchmesser D2 auf, zu dem der Kolbenaußendurchmesser Di einen Faktor zwischen 1 ,0 und 1,4 aufweist. Auf den Steg 6 kann demnach grundsätzlich auch verzichtet werden.
Bezogen auf den Kolbenaußendurchmesser Di weist der äußere Muldenbereich 5 einen
Außendurchmesser D3 auf, zu dem der Kolbenaußendurchmesser Di ebenfalls einen Faktor zwischen 1,0 und 1,4 aufweist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der
Innendurchmesser D2 des Stegs 6 etwa um einen Faktor von 1,03 größer, als der
Außendurchmesser D3 des äußeren Muldenbereichs 5. Zwischen dem Steg 6 und dem äußeren Muldenbereich 5 weist der Kolbenboden 2 einen Übergangsbereich 21 auf, in dem die
Oberfläche des Stegs 6 stetig, d.h. kantenfrei, in den äußeren Muldenbereich 5 übergeht. Der Innendurchmesser D2 des Stegs 6 beträgt dabei 118 mm. Der Außendurchmesser D3 des äußeren Muldenbereichs 5 beträgt 115 mm.
Der Innendurchmesser D2 des Stegs 6 ist definiert als ein Durchmesser, bei dem der Steg 6 in die Mulde 3 übergeht. Bei dem Innendurchmesser D2 des Stegs 6 weist die Oberfläche des
Kolbenbodens 2, ausgehend von dem Kolbenaußendurchmesser Di, erstmals eine konvexe Krümmung auf. Der Übergangsbereich 21 ist vollständig konvex gekrümmt. In dem
dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Übergangsbereich 21 einen minimalen
Krümmungsradius R5 zwischen 2 mm und 4 mm auf. Der Außendurchmesser D3 des äußeren Muldenbereichs 5 ist definiert als ein Durchmesser, bei dem die Oberfläche des Kolbenbodens 2 einen Wendepunkt 22 aufweist. In dem äußeren
Muldenbereich 5 selbst ist die Oberfläche des Kolbenbodens 2 vollständig konkav gekrümmt. Ausgehend von dem äußeren Rand 18 des Kolbenbodens 2 ist die Oberfläche zunächst eben. An den ebenen Steg 6 schließt der Übergangsbereich 21 an, in dem die Oberfläche eine konvexe Krümmung aufweist. An die konvexe Krümmung des Übergangsbereichs 21 schließt der äußere Muldenbereich 5 an, in dem die Oberfläche die konkave Kjümmung aufweist. An dem
Wendepunkt 22, welcher den Außendurchmesser D3 des äußeren Muldenbereichs 5 definiert, geht damit die konkave Krümmung des Übergangsbereichs 21 in die konvexe Krümmung des äußeren Muldenbereichs 5 über.
An dem Wendepunkt 22 zwischen dem Übergangsbereich 21 und dem äußeren Muldenbereich 5 weist der äußere Muldenbereich 5 einen Maximalwinkel W2 auf, der in einer Vertikalen zwischen 25 Grad und 30 Grad beträgt. In dem Wendepunkt 22 ist der Winkel, den die
Oberfläche des Kolbenbodens 2 mit der Ebene senkrecht zu der Symmetrieachse 19 einschließt, maximal. Die Oberfläche des Kolbenbodens 2 weist in dem Wendepunkt 22 ihre größte Steigung auf.
In einem Übergang zwischen dem äußeren Muldenbereich 5 und dem inneren Muldenbereich 4 weist die Oberfläche wieder einen Wendepunkt 23 auf. Der Wendepunkt 23, an dem die
Krümmung der Oberfläche von konkav zu konvex übergeht, definiert einen Innendurchmesser D4, den der äußere Muldenbereich 5 aufweist. An dem Wendepunkt 23, an dem der äußere Muldenbereich 5 in den inneren Muldenbereich 4 übergeht, weißt der äußere Muldenbereich 5 eine maximale Tiefe H2 auf, die zwischen 5 mm und 10 mm beträgt. Der äußere Muldenbereich 5 weist einen minimalen Krümmungsradius R4 zwischen 3 mm und 9 mm auf. Der
Krümmungsradius R4 wird in etwa mittig zwischen den beiden Wendepunkten 22, 23 minimal.
Der Kolbenboden 2 weist zwischen dem inneren Muldenbereich 4 und dem äußeren
Muldenbereich 5, d.h. an dem Wendepunkt 23, an dem der äußere Muldenbereich 5 in den inneren Muldenbereich 4 übergeht, einen Übergangswinkel W3 auf, der in einer Horizontalen zwischen 0 Grad und 10 Grad beträgt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft die Oberfläche damit nahezu parallel zu der Ebene, die senkrecht zu der Symmetrieachse 19 orientiert ist. Im Bereich des Wendepunkts 23, an dem der äußere Muldenbereich 5 in den inneren Muldenbereich 4 übergeht, ist die Krümmung der Oberfläche nahezu null.
Bezogen auf den Kolbenaußendurchmesser Di weist der äußere Muldenbereich 5 einen
Innendurchmesser D4 auf, zu dem der Kolbenaußendurchmessers Di einen Faktor zwischen 1 ,2 und 2 aufweist. Der Innendurchmesser D4 entspricht dabei einem Außendurchmesser des inneren Muldenbereichs 4. Der äußere Muldenbereich 5 und der innere Muldenbereich 4 gehen stetig ineinander über, d.h. die Oberfläche des Kolbenbodens 2 ist in einem Übergang von dem äußeren Muldenbereich 5 in den inneren Muldenbereich 4 frei von Kanten.
Der äußere Muldenbereich 4 erstreckt sich ringförmig um den inneren Muldenbereich 4. Der innere Muldenbereich 4 erstreckt sich über eine gesamte von dem Innendurchmesser D4 des äußeren Muldenbereichs 5 umschlossene Fläche. Der innere Muldenbereich 4 weist insgesamt drei Teilbereiche 26, 27, 28 auf, die in unterschiedliche Richtungen gekrümmt sind. Der innere Muldenbereich 4 weist damit insgesamt zwei Wendepunkte 24, 25 auf, welche die Teilbereiche 26, 27, 28 voneinander trennen
In dem ersten Teilbereich 26, der bezogen auf die Symmetrieachse 19 radial außen liegt, weist die Oberfläche eine konvexe Krümmung auf. Die Oberfläche weist dabei einen minimalen Krümmungsradius R3 zwischen 2 mm und 4 mm auf. In dem zweiten Teilbereich 27, der bezogen auf die Symmetrieachse 19 zwischen den beiden anderen Teilbereichen 26, 28 liegt, weist die Oberfläche eine konkave Krümmung auf. Die Oberfläche weist in dem mittleren Teilbereich 27 einen minimalen Krümmungsradius R2 zwischen 3 mm und 9 mm auf. In dem dritten Teilbereich 28, der bezogen auf die Symmetrieachse 19 innerhalb der beiden anderen Teilbereiche 26, 27 liegt, weist die Oberfläche wieder eine konvexe Krümmung auf. Die
Oberfläche weist in dem inneren Teilbereich 28 einen minimalen Krümmungsradius R] zwischen 2 mm und 4 mm auf. Die Krümmungsradien R1 ? R3 der Oberfläche in dem ersten Teilbereich 26 und in dem dritten Teilbereich 28 sind damit im Mittel gleich groß. Der zweite Teilbereich 27 ist weniger stark gekrümmt, als die beiden anderen Teilbereiche 26, 28.
In dem inneren Muldenbereich 4 weist die Mulde 3 über ihre gesamte Erstreckung ihren tiefsten Punkt auf. Der innere Muldenbereich 4 weist dabei eine maximale Tiefe K\ auf, die zwischen 10 mm und 20 mm beträgt. Ihre maximale Tiefe Hi erreicht der innere Muldenbereich 4 in dem mittleren Teilbereich 27.
Bezogen auf den Kolbenaußendurchmesser D\ weist der innere Muldenbereich 4 in dem
Wendepunkt 25, in dem der zweite Teilbereich 27 in den dritten Teilbereich 28 übergeht, einen Wendepunktdurchmesser D5 auf, auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser Di einen Faktor zwischen 3 und 6 aufweist. In diesem Wendepunkt 25 weist der innere Muldenbereich 4 einen Wendepunktwinkel W] auf, der in einer Horizontalen zwischen 20 Grad und 30 Grad beträgt. Der innere Muldenbereich 4 weist eine zentrale Tiefe H3 auf, die zwischen 4 mm und 9 mm beträgt.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, mit einem Kolbenaußendurchmesser (D und mit einem Kolbenboden (2), der eine Mulde (3) aufweist, die in einem inneren Muldenbereich (4) eine W-Form und in einem äußeren Muldenbereich (5) eine Torusform aufweist.
2. Kolben (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kolbenboden (2) einen die Mulde (3) umgebenden Steg (6) aufweist.
3. Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Steg (6) einen Innendurchmesser (D2) aufweist, auf den bezogen der
Kolbenaußendurchmesser (DO einen Faktor zwischen 1,0 und 1,4 aufweist.
4. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der äußere Muldenbereich (5) einen Außendurchmesser (D3) aufweist, auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser (DO einen Faktor zwischen 1,0 und 1,4 aufweist.
5. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der äußere Muldenbereich (5) einen Maximalwinkel (W2) aufweist, der in einer Vertikalen zwischen 25 Grad und 35 Grad beträgt.
6. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der äußere Muldenbereich (5) eine maximale Tiefe (H2) aufweist, die zwischen 5 mm und 10 mm beträgt.
7. Kolben ( 1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der äußere Muldenbereich (5) einen Innendurchmesser (D4) aufweist, auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser (Di) einen Faktor zwischen 1,2 und 2 aufweist.
8. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kolbenboden (2) einen Übergangswinkel (W3) zwischen dem inneren Muldenbereich (4) und dem äußeren Muldenbereich (5) aufweist, der in einer Horizontalen zwischen 0 Grad und 10 Grad beträgt.
9. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der innere Muldenbereich (4) einen Wendepunktdurchmesser (D5) aufweist, auf den bezogen der Kolbenaußendurchmesser (Di) einen Faktor zwischen 3 und 6 aufweist.
10. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der innere Muldenbereich (4) eine maximale Tiefe (Hi) aufweist, die zwischen 10 mm und 20 mm beträgt.
11. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der innere Muldenbereich (4) einen Wendepunktwinkel (W aufweist, der in einer Horizontalen zwischen 20 Grad und 30 Grad beträgt.
12. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der innere Muldenbereich (4) eine zentrale Tiefe (H3) aufweist, die zwischen 4 mm und 9 mm beträgt.
13. Brennkraftmaschine mit zumindest einem Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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