DE102012103212A1 - Kolben einer Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem eine Mittelachse M aufweisenden Kolbenmantel und einen den Kolbenmantel nach oben begrenzenden Kolbenboden mit einem Durchmesser D, wobei der Kolbenboden gebildet ist aus einem Kolbenbodenrand sowie einer Kolbenbodenmulde mit einer eine Höhe H aufweisenden Kolbenmuldenwand, wobei im Kolbenbodenrand mindestens eine Ventiltasche eingelassen ist, die mit Bezug zum Kolbenbodenrand eine Tiefe T aufweist.
- Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Motorblock einer Brennkraftmaschine, wie einen Otto-Motor mit externer Gemischbildung mit einem darin geführten Kolben und mit mindestens einem darin geführten, eine Mittelachse aufweisenden Gaswechselventil, wobei der Kolben einen eine Mittelachse M aufweisenden Kolbenmantel und einen den Kolbenmantel nach oben begrenzenden Kolbenboden mit einem Durchmesser D, wobei der Kolbenboden gebildet ist aus einem Kolbenbodenrand sowie einer Kolbenbodenmulde mit einer eine Höhe H aufweisenden Kolbenmuldenwand, wobei im Kolbenbodenrand mindestens eine Ventiltasche eingelassen ist, die einen Mindestabstand a zum Gaswechselventil aufweist, der einen sicheren Freigang des geöffneten Gaswechselventils gewährleistet. Der Mindestabstand a zwischen der Ventiltasche bzw. einem Ventiltaschenboden und dem entsprechenden Gaswechselventil ist dabei von der Größe des Motors und von dessen Brennraumarchitektur abhängig und beträgt erfahrungsgemäß zumindest im Betriebszustand zwischen 0,5 mm und 3 mm. Im kalten Zustand bzw. im Stillstand kann der Abstand a auch etwas größer sein.
- Aus der
DE 10 2010 018 930 A1 ist ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, der innerhalb des Kolbenbodens vier Ventiltaschen aufweist, die einen Freigang der Aus- und Einlassventile gewährleistet. - Beim Otto-Gasmotor werden Kolben mit verschiedenen Kolbenmuldenformen eingesetzt. In der Regel wird zwischen den folgenden, üblichen Varianten unterschieden:
- • Kolben mit dachförmigem Kolbenboden. Der Kolbenboden ist für Brennverfahren mit gasgespülter Vorkammer so gestaltet, dass die Fackelstrahlen möglichst spät auf die Brennraumwände treffen.
- • Kolben mit wannenförmigem Kolbenboden. Der Kolbenboden ist so gestaltet, dass eine einlassseitig generierte Tumbleströmung erhalten bleibt.
- • Kolben mit Omega-Kolbenbodenmulde. Der Kolbenboden ist für den Dieselbetrieb für optimale Direkteinspritzung ausgelegt und wird aus Kostengründen und der Einfachheit halber unverändert auch beim Gas-Ottomotor eingesetzt. Letzteres ungeachtet eines möglicherweise schlechteren Verbrennungsergebnisses.
- • Kolben mit Topf-Kolbenbodenmulde. Der Kolbenboden ist so gestaltet, dass zwischen Kolbenrand und Zylinderkopf eine Quetschströmung (Squish-Strömung) in radialer Richtung entsteht. Außerdem wird die Drallströmung in der Topf-Kolbenbodenmulde verstärkt.
- Für Motoren mit Drall-Einlasskanälen und Kammerkerzen sind Kolben mit Topf-Kolbenbodenmulden sehr gut geeignet. Während des Kompressionstaktes wird das Gemisch über dem Kolbenbodenrand (Squish-Rand) des Kolbens in die Topf-Kolbenbodenmulde verdrängt. Während des Expansionstaktes wird das Gemisch wieder aus der Topf-Kolbenbodenmulde gesaugt. Dieser Vorgang führt, insbesondere in der Nähe des oberen Totpunkts zu starken Quetsch-Strömungen.
- Ergänzend zu der Quetsch-Strömung führt die Topf-Kolbenbodenmulde auch zu einer Beschleunigung der einlassseitig generierten Drallströmung. Aufgrund der Drehimpulserhaltung erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit der Drallströmung, wenn das Gemisch nach innen in die Topf-Kolbenbodenmulde verdrängt wird.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben einer Brennkraftmaschine derart auszubilden und anzuordnen, dass eine verbesserte Verbrennung gewährleistet ist.
- Die Erzeugung der Quetsch-Strömung und die Verstärkung der Drallströmung wirken sich positiv auf die Verbrennung aus. Noch positiver wäre es allerdings, wenn diese gerichteten Strömungen gezielt in Turbulenz umgewandelt werden könnten, da dies die Verbrennung noch weiter verbessern würde.
- Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Tiefe T in Bezug auf die Höhe H zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand folgende Bedingung erfüllt: 0,05 H <= T <= 0,5 H oder 0,05 H <= T <= 0,2 H oder 0,1 H <= T <= 0,2 H. Der Bereich der Kolbenmuldenwand, also der kolbenmuldenwandnahe Bereich der Ventiltasche ist in radialer Richtung zur Mittelachse M auf der Höhe der Kolbenmuldenwand angeordnet.
- Zudem wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens eine Ventiltasche, zumindest teilweise, wesentlich tiefer ausgebildet ist als für den Freigang des geöffneten Gaswechselventils notwendig, wobei der Mindestabstand a zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand auf einen Abstand A vergrößert ist, mit A >= a + 2 mm, A >= a + 3 mm oder A >= a + 4 mm oder A >= a + 5 mm.
- Der damit erreichte Mindestabstand A beträgt im kalten Zustand dann absolut mindestens 4 mm bis 15 mm oder 6 mm bis 15 mm oder 7 mm bis 15 mm. Letzteres zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand.
- Durch Vertiefung der Ventiltasche wird die im Bereich der Kolbenmuldenwand vorherrschende Drallströmung aufgebrochen, sodass auch ein turbulenter Strömungsanteil begründet wird, der die Verbrennung verbessert. Die Ventiltaschen werden deutlich tiefer ausgebildet als es eigentlich für den Freigang der Ventile erforderlich wäre. Diese Ausführungen erzeugen eine starke Brechung der Drallströmung bei gleichzeitig geringem Fertigungsaufwand.
- Die vorstehend beschriebene Maßnahme erhöht die Turbulenz im Brennraum. Die erhöhte Turbulenz führt zu einer beschleunigten Verbrennung und zu einem schnelleren und besseren Ausbrand im Zylinder. Dadurch erhöhen sich der Wirkungsgrad und der Klopfabstand des Motors.
- Sollte für den eigentlichen Betrieb eines Kolbens keine Ventiltaschen notwendig sein, so kann der erfindungsgemäße Effekt selbstverständlich auch durch Anbringung von Ventiltaschen erreicht werden. Eine solche Ausführungsform ist zumindest im Äquivalenzbereich des Anspruchs enthalten anzusehen.
- Da der Mindestabstand a zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand auf den Abstand A vergrößert sein muss, damit der gewünschte Turbulenzeintrag erreicht wird, muss keine Ventiltasche vorgesehen werden, deren Durchmesser dem Ventilkörper entspricht. Eine Aussparung im Kolbenbodenrand im Grenzbereich zur Kolbenmuldenwand ist ausreichend.
- Das Verhältnis H/D von der Tiefe H der Kolbenbodenmulde zu dem Durchmesser des Kolbenbodens bzw. des Kolbendurchmessers D beträgt zwischen: 0,15–0,35.
- Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Ventiltasche einen Ventiltaschenboden mit einer Flächennormalen N aufweist, wobei die Flächennormale N zumindest einer Ventiltasche um einen Winkel β geneigt zur Mittelachse M angeordnet ist, mit 1° <= β <= 25° oder 5° <= β <= 20° oder 5° <= β <= 10°, wobei die Tiefe T zur Kolbenbodenmulde hin anwächst.
- Somit ist die Ventiltasche, wie vorstehend schon erläutert, insbesondere im Bereich der Kolbenmuldenwand etwas tiefer ausgebildet. Damit einher geht ein verstärkter Einfluss auf die in der Kolbenbodenmulde vorherrschende Drallströmung. Zudem wird aufgrund der verminderten Tiefe T im Randbereich des Kolbens die Festigkeit des Kolbens bzw. seine Architektur nicht übermäßig nachteilig beeinflusst. Außerdem bleibt die Quetschströmung im zylinderwandnahen Bereich besser erhalten.
- Vorteilhaft kann es bei der Ausbildung der Ventiltasche ferner sein, wenn der Abstand A folgende Bedingung erfüllt: 0,05 H <= A <= 0,5 H oder 0,05 H <= A <= 0,2 H oder 0,1 H <= A <= 0,2 H oder a + 1 mm <= A <= 20 mm. Eine weiterführende Vertiefung der ganzen Ventiltasche würde in der Regel die Festigkeit des Kolbens zu sehr beeinflussen oder zu einer Kollision mit Kühlkanälen des Kolbens führen. Wenn der Boden der Ventiltasche, wie nachstehend ausgeführt, angestellt ist, ist zumindest im Bereich der Kolbenbodenmulde eine weiterführende Vertiefung möglich. Somit wird der Turbulenzeintrag erhöht.
- Dabei kann es von Vorteil sein, wenn die Ventiltasche einen Ventiltaschenboden mit einer Flächennormale N aufweist, wobei die Flächennormale N zumindest einer Ventiltasche um einen Winkel β geneigt zur Mittelachse M oder zur Mittelachse des entsprechenden Gaswechselventils angeordnet ist, mit 1° <= β <= 25° oder 5°<= β <= 20° oder 5° <= β <= 10°, wobei ein Abstand A zur Kolbenbodenmulde hin anwächst.
- Somit kann die Ventiltasche, wie vorstehend schon erläutert, zumindest bereichsweise, also insbesondere im Bereich der Kolbenbodenmuldenwand etwas tiefer ausgebildet werden. Der Ventiltaschenboden kann flach, konkav, konvex ausgebildet sein oder eine Mischform der vorstehenden Grundformen aufweisen. Die Flächennormale repräsentiert zumindest eine Zone oder nur einen Punkt auf dem Ventiltaschenboden.
- In der Regel sind bei Großmotoren die Ventile bzw. deren Schaftachsen parallel zur Kolbenachse ausgerichtet. Sollte in diesem Fall eine Ventiltasche zwecks Freigangs des Ventils notwendig sein, so ist deren Ventiltaschenboden rechtwinklig zur Schaftachse ausgerichtet. Für eine Anstellung des Ventiltaschenbodens gibt es ja keinen Grund.
- Mit Anwendung eines angestellten bzw. nach innen abfallenden Ventiltaschenbodens variiert bei einem solchen Großmotor der Abstand zwischen dem Ventil und dem Ventiltaschenboden. Letzteres allein um einen erhöhten Turbulenzeintrag zu gewährleisten. Der kritische Abstand zum Ventil wird nur im radial außenliegenden Bereich der Ventiltasche erreicht.
- Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Ventiltasche zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand eine Tiefe T aufweist, wobei die Tiefe T in Bezug auf die Höhe H folgende Bedingung erfüllt: 0,05 H <= T <= 0,5 H oder 0,05 H <= T <= 0,2 H oder 0,1 H <= T <= 0,2 H.
- Der Bereich der Kolbenmuldenwand befindet sich mit Bezug zur Mittelachse M in radialer Richtung auf Höhe der Kolbenmuldenwand. Mit einer im Bereich der Kolbenmuldenwand maximal vertieften Ventiltasche geht zum einen ein verstärkter Turbulenzeinfluss auf die in der Kolbenbodenmulde vorherrschende Drallströmung einher. Zum anderen wird durch diese Ausbildung die Festigkeit des Kolbens bzw. seine Architektur nicht übermäßig nachteilig beeinflusst.
- Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Diesel-Motor oder Otto-Motor oder Otto-Gasmotor mit einem darin geführten Kolben oder Motorblock der vorgehend beschriebenen Art. Bei dem Otto-Motor bzw. dem Otto-Gasmotor kann es sich um einen Motor mit externer oder interner Gemischbildung handeln.
- Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht des Kolbens; -
2 eine Schnittdarstellung des Kolbens; -
3 eine Prinzipskizze eines Motors. - Ein in
1 dargestellter Kolben1 weist einen Kolbenmantel1.1 und einen den Kolbenmantel1.1 nach oben begrenzenden Kolbenboden2 auf. Der Kolbenboden2 ist gebildet aus einem Kolbenbodenrand2.1 sowie einer koaxial zu einer Mittelachse M verlaufenden Kolbenbodenmulde2.2 . Die Kolbenbodenmulde2.2 weist einen die Kolbenbodenmulde2.2 nach unten begrenzenden Kolbenmuldenboden4 sowie eine an den Kolbenmuldenboden4 anschließende Kolbenmuldenwand3 auf. Innerhalb des Kolbenmuldenrandes2.1 sind vier über den Umfang verteilt angeordnete Ventiltaschen5.1 bis5.4 vorgesehen. - Wie in
2 dargestellt, weist die jeweilige Ventiltasche5.1 bis5.4 einen mit Bezug zur Mittelachse M einerseits sowie mit Bezug zu einer Ventilachse6.3 ,6.4 andererseits, angestellten Ventiltaschenboden5a –5d auf. Eine auf dem jeweiligen Ventiltaschenboden5a –5d gebildete Flächennormale N, schließt mit der Mittelachse M bzw. mit der jeweiligen Achse des Gaswechselventils6.3 ,6.4 einen Winkel β von etwa 7 Grad ein. Ausgehend von einem Abstand a, den das jeweilige Gaswechselventil6.1 ,6.2 zum Kolbenboden2.1 bzw. zum Ventiltaschenboden5a –5d aufweist, erhöht sich dieser Abstand a gemäß2 , rechte Seite, auf einen Abstand A kontinuierlich und ist im Bereich der Kolbenmuldenwand3 bzw. in radialer Richtung zur Mittelachse M auf der Höhe der Kolbenmuldenwand3 maximal. - In entsprechender Weise ist eine Tiefe T der jeweiligen Ventiltasche
5.1 im Randbereich des Kolbens1 mit T' wesentlich geringer als eine Tiefe T im Bereich der Kolbenmuldenwand3 . - Die Tiefe T beträgt etwa 15% der Höhe H der Kolbenbodenmulde
2.2 . Das Verhältnis der Höhe H der Kolbenbodenmulde2.2 zu dem Durchmesser D des Kolbenbodens2 bzw. des Kolbendurchmessers D beträgt etwa 0,2. Das Verhältnis des Muldendurchmessers d zum Durchmesser D des Kolbenbodens2 beträgt etwa 0,5. - Gemäß
2 weist der Kolben 1 zudem einen Kühlkanal7 auf, der sich im Bereich unterhalb des Kolbenbodenrandes2.1 befindet. - Der Kolben
1 nach2 ist Teil eines Motors bzw. Motorblocks6 . - Gemäß
3 sind sechs der vorstehend beschriebenen Kolben1 ,1' innerhalb des Motors6 bzw. eines nicht weiter dargestellten Zylinderblocks mit entsprechenden Gaswechselventilen6.1' ,6.2 angeordnet. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kolben
- 1'
- Kolben
- 1.1
- Kolbenmantel
- 2
- Kolbenboden
- 2.1
- Kolbenbodenrand
- 2.2
- Kolbenbodenmulde
- 3
- Kolbenmuldenwand
- 4
- Kolbenmuldenboden
- 5.1
- Ventiltasche
- 5.2
- Ventiltasche
- 5.3
- Ventiltasche
- 5.4
- Ventiltasche
- 5a
- Ventiltaschenboden
- 5b
- Ventiltaschenboden
- 5c
- Ventiltaschenboden
- 5d
- Ventiltaschenboden
- 6
- Motor, Motorblock
- 6.1
- Gaswechselventil
- 6.1'
- Gaswechselventil
- 6.2
- Gaswechselventil
- 6.3
- Mittelachse des
6.1 - 6.4
- Mittelachse des
6.2 - 7
- Kühlkanal
- a
- Mindestabstand, Abstand
- A
- Abstand
- d
- Durchmesser von
2.2 , Muldendurchmesser - D
- Durchmesser von
2 , Kolbendurchmesser - H
- Höhe von
2.2 ,3 - M
- Mittelachse von
2 - N
- Flächennormale von
5a - T
- Tiefe von
5.1 - T'
- Tiefe von
5.1 - β
- Winkel
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010018930 A1 [0003]
Claims (8)
- Kolben (
1 ) einer Brennkraftmaschine mit einem eine Mittelachse M aufweisenden Kolbenmantel (1.1 ) und einen den Kolbenmantel (1.1 ) nach oben begrenzenden Kolbenboden (2 ) mit einem Durchmesser D, wobei der Kolbenboden (2 ) gebildet ist aus einem Kolbenbodenrand (2.1 ) sowie einer Kolbenbodenmulde (2.2 ) mit einer eine Höhe H aufweisenden Kolbenmuldenwand (3 ), wobei im Kolbenbodenrand (2.1 ) mindestens eine Ventiltasche (5.1 –5.4 ) eingelassen ist, die mit Bezug zum Kolbenbodenrand (2.1 ) eine Tiefe T aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe T in Bezug auf die Höhe H zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand (3 ) folgende Bedingung erfüllt: 0,05 H <= T <= 0,5 H. - Kolben (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventiltasche (5.1 –5.4 ) einen Ventiltaschenboden (5a –5d ) mit einer Flächennormalen N aufweist, wobei die Flächennormale N zumindest einer Ventiltasche (5.1 –5.4 ) um einen Winkel β geneigt zur Mittelachse M angeordnet ist, mit 1° <= β <= 25°, wobei die Tiefe T zur Kolbenbodenmulde (2.2 ) hin anwächst. - Motorblock (
6 ) einer Brennkraftmaschine mit einem darin geführten Kolben (1 ) und mit mindestens einem darin geführten, eine Mittelachse (6.3 ,6.4 ) aufweisenden Gaswechselventil (6.1 ,6.2 ), wobei der Kolben (1 ) einen eine Mittelachse M aufweisenden Kolbenmantel (1.1 ) und einen den Kolbenmantel (1.1 ) nach oben begrenzenden Kolbenboden (2 ) mit einem Durchmesser D, wobei der Kolbenboden (2 ) gebildet ist aus einem Kolbenbodenrand (2.1 ) sowie einer Kolbenbodenmulde (2.2 ) mit einer eine Höhe H aufweisenden Kolbenmuldenwand (3 ), wobei im Kolbenbodenrand (2.1 ) mindestens eine Ventiltasche (5.1 ) eingelassen ist, die einen Mindestabstand a zum Gaswechselventil (6.1 ) aufweist, der einen sicheren Freigang des geöffneten Gaswechselventils (6.1 ) gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ventiltasche (5.1 –5.4 ), zumindest teilweise, wesentlich tiefer ausgebildet ist als für den Freigang des geöffneten Gaswechselventils (6.1 ,6 ,2 ) notwendig ist, wobei der Abstand a zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand (3 ) auf einen Abstand A vergrößert ist, mit A >= a + 2 mm. - Motorblock (
6 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand A folgende Bedingung erfüllt: 0,05 H <= A <= 0,5 H. - Motorblock (
6 ) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventiltasche (5.1 –5.4 ) einen Ventiltaschenboden (5a –5d ) mit einer Flächennormalen N aufweist, wobei die Flächennormale N zumindest einer Ventiltasche (5.1 –5.4 ) um einen Winkel β geneigt zur Mittelachse M oder zur Mittelachse (6.3 ,6.4 ) des Gaswechselventils (6.1 ,6.2 ) angeordnet ist, mit 1° <= β <= 25°, wobei ein Abstand A zur Kolbenbodenmulde (2.2 ) hin anwächst. - Motorblock (
6 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventiltasche (5.1 –5.4 ) zumindest im Bereich der Kolbenmuldenwand (3 ) eine Tiefe T aufweist, wobei die Tiefe T in Bezug auf die Höhe H folgende Bedingung erfüllt: 0,05 H <= T <= 0,5 H. - Diesel-Motor (
6 ) oder Otto-Motor (6 ) oder Otto-Gasmotor (6 ) mit einem darin geführten Kolben (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2. - Diesel-Motor (
6 ) oder Otto-Motor (6 ) oder Otto-Gasmotor (6 ) mit einem Motorblock nach einem der Ansprüche 3 bis 6.
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