DE102010044514A1

DE102010044514A1 - Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102010044514A1
Application number: DE102010044514A
Authority: DE
Inventors: Arnold Dipl.-Ing. Kaden; Clemens Dr. Bauer; Christian M. Eng. Stolz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2011-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (10') für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für eine Hubkolbenmaschine, eines Kraftwagens mit einer im Wesentlichen Omega-förmigen Kolbenmulde (14) mit einem Muldenboden (16), welcher ausgehend von einer Muldenmitte (18) in radialer Richtung (20) des Kolbens (10') nach außen hin zunächst von einer oberseitigen Muldenöffnung (24) weg verläuft und anschließend in einem äußeren Bereich (26) unter Ausbildung eines Hinterschnitts (28) zunächst im Wesentlichen in Richtung der Muldenmitte (18) und anschließend im Wesentlichen in axialer Richtung (22) des Kolbens (10') unter Ausbildung eines Muldenhalses (30) zur Muldenöffnung (24) hin ansteigt, wobei der Kolben (10') wenigstens ein Kühlkanal (50) aufweist, wobei zwischen dem Muldenhals (30) und einem äußeren Randbereich (34) des Kolbens (10') ein Zwischenbereich (35) vorgesehen ist, welcher vom Muldenhals (30) in Richtung des äußeren Randbereichs (34) ansteigend ausgebildet ist, wobei der Kühlkanal (50) zumindest bereichsweise in axialer Richtung des Kolbens unterhalb des Zwischenbereichs (35) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Derartige Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für Hubkolbenmaschinen, sind aus dem Serienmotorenbau bekannt. Ein derartiger Kolben ist in der 1 beispielhaft dargestellt.
Die 1 zeigt in einer schematischen Längsschnittansicht die rechte Symmetriehälfte eines Kolbens 10 für eine Verbrennungskraftmaschine. Spiegelt man die in der 1 gezeigte rechte Symmetriehälfte an der Kolbenmittelachse 12, so erhält man die komplette Längsschnittansicht des Kolbens 10.
Der Kolben 10 weist eine im Wesentlichen Omega-förmige Kolbenmulde 14 mit einem Muldenboden 16 auf, welcher ausgehend von einer Muldenmitte 18 bzw. von der Kolbenmittelachse 12 in radialer Richtung des Kolbens nach außen hin gemäß einem Richtungspfeil 20 zunächst von einer in axialer Richtung des Kolbens 10 gemäß einem Richtungspfeil 22 oberseitigen Muldenöffnung 24 weg verläuft und anschließend in einem äußeren Bereich 26 unter Ausbildung eines Hinterschnitts 28 zunächst im Wesentlichen in Richtung der Muldenmitte 18 und anschließend im Wesentlichen in axialer Richtung des Kolbens 10 gemäß dem Richtungspfeil 22 unter Ausbildung eines Muldenhalses 30 zur Muldenöffnung 24 hin ansteigt.
An den Muldenhals 30 schließt sich ein äußerer Längenbereich 32 an, der konstant auf einem Höhenniveau von dem Muldenhals 30 bis zu einem äußeren Randbereich 34 des Kolbens 10 verläuft und somit einen ringförmigen, ebenen Quetschspalt 36 mit einem Brennraumdach 39, welches durch einen Zylinderkopf dargestellt ist, bildet.
Geführt wird der Kolben 10 in einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, von welchem eine Zylinderwand 38 in der 1 angedeutet ist.
Ferner weist der Kolben 10 eine Ringnut 31 auf, in welcher ein Kolbenring aufnehmbar ist. Dabei kann der Kolben 10 eine Mehrzahl derartiger Ringnuten aufweisen, wobei die Ringnut 31 in axialer Richtung des Kolbens die Ringnut ist, welche am nächsten zum Brennraumdach 39 angeordnet ist und daher als erste Ringnut 31 bezeichnet wird.
Darüber hinaus weist der Kolben 10 einen Kühlkanal 50 auf, welcher beispielsweise von Schmieröl der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist. Der Kolben 10 ist mittels des Kühlkanals 50 kühlbar, indem das den Kühlkanal 50 durchströmende Schmieröl Wärme von dem Kolben 10 aufnehmen und von diesem abtransportieren kann.
Ein solcher Kolben 10 wird in der Regel in einer direkt einspritzenden Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in einem Dieselmotor, eingesetzt, bei welchem eine zugeordnete Einspritzdüse den zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine notwendigen Kraftstoff in den Zylinder bzw. in den Brennraum einspritzt. Eine solche Einspritzung ist durch einen Richtungspfeil 40 angedeutet und erfolgt unter einem äußerst flachen Winkel zum Brennraumdach 39. Wie der 1 zu entnehmen ist, erfolgt die Einspritzung fast in radialer Richtung des Kolbens 10 gemäß dem Richtungspfeil 20.
Der unter einem hohen Druck eingespritzte Kraftstoff teilt sich am Muldenhals 30 auf, wobei er teilweise in die Kolbenmulde 14 transportiert wird, was durch einen Richtungspfeil 42 angedeutet ist. Ein weiterer Teil wird in den Quetschspalt 36 transportiert, was durch einen Richtungspfeil 44 angedeutet ist.
Der Kolben 10 weist weiteres Verbesserungspotential auf, seine Gestaltfestigkeit zu erhöhen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben der eingangs genannten Art weiter zu entwickeln, dass er eine erhöhte Gestaltfestigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein solcher Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für eine Hubkolbenmaschine, eines Kraftwagens weist eine im Wesentlichen Omega-förmige Kolbenmulde mit einem Muldenboden auf, welche ausgehend von einer Muldemitte in radialer Richtung des Kolbens nach außen hin zunächst von einer oberseitigen Öffnung weg verläuft und anschließend in einem äußeren Bereich unter Ausbildung eines Hinterschnitts zunächst im Wesentlichen in Richtung der Muldenmitte und anschließend im Wesentlichen in axialer Richtung des Kolbens unter Ausbildung eines Muldenhalses zur Muldenöffnung hin ansteigt. Ferner umfasst der Kolben wenigstens einen Kühlkanal, mittels welchem der Kolben kühlbar ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen dem Muldenhals und einem äußeren Randbereich des Kolbens ein Zwischenbereich vorgesehen ist, welcher vom Muldenhals in Richtung des äußeren Randbereichs ansteigend ausgebildet ist. Der Kühlkanal des Kolbens verläuft zumindest bereichsweise, insbesondere komplett, in axialer Richtung des Kolbens unterhalb des Zwischenbereichs. Durch diese Ausgestaltung des Kolbens ist ein Randbereich der Kolbenmulde im Vergleich zum äußeren Randbereich abgesenkt, wodurch sich im Zusammenspiel mit der Anordnung des Kühlkanals eine besonders gute Ableitung von Wärme von dem Kolben durch den Kühlkanal ergibt. Daraus resultiert eine Reduzierung der Temperatur des Randbereichs der Kolbenmulde und damit eine Reduzierung der Temperatur der Kolbenmulde insgesamt, insbesondere während eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine, wodurch der erfindungsgemäße Kolben eine sehr hohe Gestaltfestigkeit aufweist.
Der Kolben weist somit sehr gute thermo-mechanische Eigenschaften auf infolge der geschilderten Ausgestaltung der thermisch hoch belasteten Kolbenmulde und insbesondere ihres Randbereichs sowie des Übergangs von dem Zwischenbereich zu dem Kühlkanal. Dadurch sind maximal auftretende Temperaturen des Kolbens während des gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine reduziert, was mit einer erhöhten Lebensdauer und Gestaltfestigkeit einhergeht.
Des Weiteren erlaubt diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kolbens eine verbesserte Vermischung eines in einen zu dem Kolben korrespondierenden Zylinder eingespritzten Kraftstoffs mit einer Verbrennungsluft, was einerseits zu einer Vermeidung von unerwünschten Rußemissionen führt. Zum anderen ist dadurch eine verbesserte Leistungsausbeute der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht, woraus ein effizienterer Betrieb derselbigen resultiert. Dies bedeutet, dass bei gleicher Leistung der Verbrennungskraftmaschine weniger Kraftstoff eingespritzt werden muss, um diese Leistung zu erreichen, was mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch sowie geringeren CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine einhergeht. Des Weiteren ist generell durch den erfindungsgemäßen Kolben eine Verbesserung des Emissionsverhaltens der Verbrennungskraftmaschine aufgrund der besseren Vermischung des Kraftstoffs mit der Verbrennungsluft realisierbar.
Umgekehrt kann zur Erreichung einer noch höheren Leistung der Verbrennungskraftmaschine eine höhere Kraftstoffmasse in den entsprechenden Zylinder eingespritzt werden, ohne dass dies zu erhöhten Rußemissionen oder zu einer Verschlechterung des generellen Emissionsverhaltens der Verbrennungskraftmaschine führt, da die Durchmischung des Kraftstoffs mit der Verbrennungsluft verbessert ist.
Das genannte Höhenniveau, von dem aus der Zwischenbereich ansteigt, ist beispielsweise in axialer Richtung des Kolbens von dem äußeren Randbereich, auf den der Zwischenbereich ansteigt, beabstandet, wobei dieser Abstand vorteilhafterweise größer als 1 Millimeter ist. Dadurch ist eine besonders gute Durchmischung des Kraftstoffs mit der Verbrennungsluft ermöglicht, was die Vorteile einer geringen Rußemission und einer erhöhten Leistungsausbeute besonders zutage treten lässt.
Gleichzeitig ermöglicht der erfindungsgemäße Kolben ein Brennverfahren für moderne Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, die eine hohe Ladungsbewegung, also einen hohen Drall, aufweisen. Um ein derartiges Brennverfahren mit einem hohen Drall weiterhin zu verbessern, ermöglicht der erfindungsgemäße Kolben eine Verkleinerung von Ventiltaschen im Kolben, die sich negativ auf die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches sowie auf einen Drallaufbau auswirken.
Ein derartiges Brennverfahren ist weiterhin bei Einsatz des erfindungsgemäßen Kolbens nicht so stark von Bauteiltoleranzen abhängig, wie das bei dem Stand der Technik der Fall ist, da sich derartige Bauteiltoleranzen besonders negativ und stark auf aus dem Stand der Technik bekannte, kleine Quetschspalthöhen auswirken. Dieser Einfluss der Bauteiltoleranzen ist somit durch den erfindungsgemäßen Kolben drastisch reduziert, was mit einer weiteren Verbesserung des Brennverfahrens einhergeht.
Der erfindungsgemäße Kolben ist dabei beispielsweise für eine Zylinderbohrung der Verbrennungskraftmaschine ausgelegt, die einen Durchmesser aufweist, welcher in einem Bereich von einschließlich 70 Millimeter bis einschließlich 85 Millimeter liegt.
Typische Drallwerte für Brennverfahren, bei denen der erfindungsgemäße Kolben einsetzbar ist, liegen bei ca. einschließlich 1,5 bis einschließlich 3,0. Darüber hinaus ist der Kolben bzw. dessen Kolbenmulde unabhängig von einer Lochzahl einer Einspritzdüse bzw. eines Injektors oder dergleichen einsetzbar.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine Längsschnittansicht eines Kolbens für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer im Wesentlichen Omega-förmigen Kolbenmulde gemäß dem Stand der Technik, und
2 eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform eines Kolbens für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer im Wesentlichen Omega-förmigen Kolbenmulde, welche ein verbessertes Brennverfahren ermöglicht und eine verbesserte Gestaltungsfestigkeit aufweist.
Die 2 zeigt einen Kolben 10 für eine Verbrennungskraftmaschine mit der im Wesentlichen Omega-förmigen Kolbenmulde 14, die den Muldenboden 16 sowie die oberseitige Muldenöffnung 24 aufweist.
Auch von dem Kolben 10' in 2 ist eine rechte Symmetriehälfte dargestellt. Die vollständige Längsschnittansicht erhält man, wenn man die in der 2 dargestellte rechte Symmetriehälfte an der Kolbenmittelachse 12 spiegelt.
Der Muldenboden 16 der Kolbenmulde 14 des Kolbens 10' verläuft ausgehend von der Muldenmitte 18 bzw. der Kolbenmittelachse 12 in radialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 20 nach außen hin von der Muldenöffnung 24 weg, um anschließend in einem äußeren Bereich 26 unter Ausbildung des Hinterschnitts 28 zunächst im Wesentlichen in Richtung der Muldenmitte 18 und anschließend im Wesentlichen in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 22 unter Ausbildung des Muldenhalses 30 zur Muldenöffnung 24 hin anzusteigen.
Im Vergleich zum Kolben 10 ist der Muldenhals 30 in axialer Richtung des Kolbens 10' nun allerdings wesentlich weiter von dem Brennraumdach 39 beabstandet und nicht mehr auf einer Höhe des äußeren Randbereichs 34 und der Muldenöffnung 24 sondern darunter angeordnet.
An den Muldenhals 30 schließt sich ein Zwischenbereich 35 an, der zwischen dem Muldenhals 30 und dem äußeren Randbereich 34 liegt und vom Muldenhals 30 in Richtung des Randbereichs rampenförmig ansteigend ausgebildet ist. An den Zwischenbereich 35 schließt sich wiederum ein Längenbereich 32' an, der im Wesentlichen parallel zur radialen Richtung gemäß dem Richtungspfeil 20 des Kolbens 10' konstant auf einem Höhenniveau des äußeren Randbereichs 34 verläuft.
Der Kolben 10' weist somit einen Quetschspalt 36' mit einer veränderlichen Höhe auf. Im Zusammenhang mit der durch die Richtungspfeile 40, 42 und 44 angedeuteten Einspritzung und Verteilung des Kraftstoffs in einem dem Kolben 10' zugeordneten Zylinder bzw. Brennraum ermöglicht der Quetschspalt 36', der also einen Bereich mit veränderlicher Höhe 46 sowie einen Bereich 48 mit konstanter Höhe aufweist, eine verbesserte Durchmischung eines in den Zylinder eingespritzten Kraftstoffs mit der Verbrennungsluft, woraus eine verbesserte Leistungsausbeute der Verbrennungskraftmaschine sowie verringerte Rußemissionen resultieren. Überhaupt ist das Emissionsverhalten der Verbrennungskraftmaschine mit dem Kolben 10' deutlich verbessert.
Gleichzeitig ermöglicht der Kolben 10' durch seine Omega-förmige Kolbenmulde 14 ein Brennverfahren mit hohen Drallwerten, was eine verbesserte Lufterfassung des unter hohen Druck eingespritzten Kraftstoffes ermöglicht und damit die erreichbare Leistung insbesondere bei Volllast und das Emissionsverhalten insbesondere bei Teillast verbessert.
Wie der 2 zu entnehmen ist, weist der Kolben 10' einen Kühlkanal 50 auf, welcher von Schmieröl durchströmbar ist. Der Kühlkanal 50 ist dabei in axialer Richtung des Kolbens 10' gemäß des Richtungspfeil 22 derart angeordnet, dass er komplett unterhalb des Zwischenbereichs 35 und damit in einem Bereich verläuft, in welchem ein Randbereich der Kolbenmulde 14 in axialer Richtung in Richtung des Muldenbodens 16 abgesenkt ist. Dadruch kann eine besonders effiziente Wärmeableitung von dem Kolben 10' erfolgen, was zu einer Reduzierung der Temperatur insbesondere in diesem Randbereich der Kolbenmulde 14 einhergeht. Daraus resultiert eine sehr hohe Lebensdauer und Gestaltfestigkeit des Kolbens 10'

Claims

Kolben (10') für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für eine Hubkolbenmaschine, eines Kraftwagens mit einer im Wesentlichen Omega-förmigen Kolbenmulde (14) mit einem Muldenboden (16), welcher ausgehend von einer Muldenmitte (18) in radialer Richtung (20) des Kolbens (10') nach außen hin zunächst von einer oberseitigen Muldenöffnung (24) weg verläuft und anschließend in einem äußeren Bereich (26) unter Ausbildung eines Hinterschnitts (28) zunächst im Wesentlichen in Richtung der Muldenmitte (18) und anschließend im Wesentlichen in axialer Richtung (22) des Kolbens (10') unter Ausbildung eines Muldenhalses (30) zur Muldenöffnung (24) hin ansteigt, wobei der Kolben (10') wenigstens ein Kühlkanal (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Muldenhals (30) und einem äußeren Randbereich (34) des Kolbens (10') ein Zwischenbereich (35) vorgesehen ist, welcher vom Muldenhals (30) in Richtung des äußeren Randbereichs (34) ansteigend ausgebildet ist, wobei der Kühlkanal (50) zumindest bereichsweise in axialer Richtung des Kolbens unterhalb des Zwischenbereichs (35) verläuft.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (50) überwiegend, insbesondere komplett, unterhalb des Zwischenbereichs (35) verläuft.
Kolben (10') nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenbereich (35) von einem Höhenniveau aus ansteigt, welches in axialer Richtung (22) des Kolbens (10') mehr als 1 Millimeter von dem äußeren Randbereich (34) des Kolbens (10') beabstandet ist.
Kolben (10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenbereich (35) im Wesentlichen rampenförmig ansteigend ausgebildet ist.
Kolben (10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenbereich (35) an den Muldenhals (30) anschließt.
Kolben (10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Zwischenbereich (35) auf Höhe des äußeren Randbereichs (34) des Kolbens (10') ein weiterer Längenbereich (32') des Kolbens (10') anschließt, welcher im Wesentlichen in radialer Richtung (20) des Kolbens (10') nach außen hin verläuft.
Kolben (10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von dem Muldenhals (30) zu dem Zwischenbereich (35) abgerundet ist.
Kolben (10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10') für eine Zylinderbohrung, welche einen Durchmesser im Bereich von einschließlich 70 Millimeter bis einschließlich 85 Millimeter aufweist, der Verbrennungskraftmaschine ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass