DE19952868B4

DE19952868B4 - Kolben und Kolbenanordnung

Info

Publication number: DE19952868B4
Application number: DE19952868A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Wellmann
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 1999-11-03
Filing date: 1999-11-03
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2019-11-04
Also published as: DE19952868A1

Abstract

Kolben mit einer in Kolbenlängsrichtung Hinterschneidungen (18) aufweisenden Brennraummulde (16), wobei der die Hinterschneidungen (18) mit dem Kolbenboden (14) verbindende Muldenrandbereich (20) zumindest abschnittsweise konvex verrundet ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich (20) alternierend verrundete Bereiche (24) und unverrundete Bereiche (26) aufweist, wobei die verrundeten Bereiche (24) stetige Übergänge zum Kolbenboden (14) und zu den Hinterschneidungen (18) besitzen und die unverrundeten Bereiche (26) im wesentlichen unstetig in den Kolbenboden (14) und/oder in die Hinterschneidungen (18) übergehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben mit einer in Kolbenlängsrichtung Hinterschneidungen aufweisenden Brennraummulde, wobei der die Hinterschneidungen mit dem Kolbenboden verbindende Muldenrandbereich zumindest abschnittsweise konvex verrundet ausgebildet ist. Derartige Kolben sind bekannt und finden insbesondere bei Dieselmotoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung Verwendung. Problematisch bei derartigen Kolben ist, daß die Kolben insbesondere parallel zur Bolzenachse beim Betrieb verformt werden, wobei ebenfalls eine Verformung senkrecht zur Bolzenachse auftritt. Bei hohen Brenngeschwindigkeiten und Temperaturanstieg am Muldenrandbereich kann es bei hoher Kolbenbelastung zu Rißbildungen kommen, die einen totalen Ausfall des Motors zur Folge haben. Dieser Gefahr der Rißbildungen wird durch die verrundete Ausbildung des Muldenrandbereichs Rechnung getragen.
Allerdings führen die verrundeten Übergänge des Muldenrandes nicht zu einer guten Kraftstoffzerstäubung in Verbindung mit der Drehbewegung der Einlaßluft.
So ist es beispielsweise aus DE 197 05 464 A1 bekannt, dass in den Kolbenboden eingearbeitete Ventilnischen sich im Übergang vom Rand der Ventilnischen in den Muldenrand spannungserhöhend auswirken und die Übergänge deshalb teilweise aufwendig von Hand verrundet werden müssen.
Des weiteren zeigt und beschreibt DE 36 09 752 C2 einen scharfkantig ausgebildeten Übergang von der Brennraumseitenwand zum Kolbenboden.
Aus US 5, 337, 714 A ist es bekannt, verrundete Bereiche beim Übergang von der Brennraummulde zum Kolbenboden vorzusehen, wobei hier verschiedene Radien bezeichnet sind, die ineinander übergehen können.
Schließlich zeigt US 5,660,156 A verschiedene Ausführungen der Gestaltung eines Übergangs einer Brennraummulde in den Kolbenboden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kolben sowie eine Kolbenanordnung bereitzustellen, die eine gute Kraftstoffzerstäubung ermöglicht bei gleichzeitiger Verhinderung einer Rißbildung im Kolben bei hoher Kolbenbelastung.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Kolben, bei dem der Muldenrandbereich alternierend verrundete Bereich und unverrundete Bereiche aufweist, wobei die verrundeten Bereiche stetige Übergänge zum Kolbenboden und zu den Hinterschneidungen besitzen und die unverrundeten Bereiche im wesentlichen unstetig in den Kolbenboden und/oder die Hinterschneidungen übergehen.
Durch die alternierende Anordnung von verrundeten und unverrundeten Bereichen kann erreicht werden, daß an den Stellen, an denen Belastungsspitzen bei der Verformung des Kolbens auftreten und an denen daher der Kolben zu Rißbildungen neigt, verrundete Bereiche vorgesehen sind, wobei gleichzeitig an den Stellen, auf die der Kraftstoff, der aus der Einspritzdüse austritt, auftrifft, unverrundete Bereiche vorgesehen sind, mit scharfkantigen, also unstetigen Übergängen zur Hinterschneidung bzw. zum Kolbenboden, so daß eine gute Gemischaufbereitung erzielt wird. Durch die Vorsehung der verrundeten Muldenrandübergänge, insbesondere in den Bereichen höchster Zug- und Druckspannungen, kann die Gestaltfestigkeit des Kolbens parallel und senkrecht zur Bolzenachse erhöht werden.
Nach einem ersten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, daß der Muldenrandbereich im verrundeten Bereich einen Radius von wenigstens 1,5 mm aufweist, insbesondere kann der Muldenrandbereich in seinen verrundeten Abschnitten einen Radius von R = 1,5 mm bis 5 mm aufweisen, wobei der Radius maximal 8% des Kolbendurchmessers beträgt. Durch die Wahl dieses Radiuses können die entstehenden Spannungsspitzen optimal ausgeglichen werden. Die Übergänge in den Kolbenboden bzw. die Hinterschneidungen sind dabei stetig.
In den unverrundeten Bereichen können die Übergänge des Muldenrandbereichs zum Kolbenboden bzw. zur Hinterschneidung einen Radius von höchstens 0,8 mm aufweisen, wobei auch ein radienloser Übergang vorgesehen sein kann. Der Bereich zwischen den Übergängen des Muldenrandbereichs zum Kolbenboden bzw. zur Hinterschneidung, also der Muldenrandbereich selbst, kann im unverrundeten Bereich in Kolbenlängsrichtung plan verlaufen. D. h., der Muldenrandbereich besitzt in diesem Abschnitt eine zylindermantelförmige Ausgestaltung. Möglich ist jedoch auch eine konkave Krümmung des Muldenrandbereiches in Kolbenlängsrichtung, also entgegen der konkaven Krümmung in den verrundeten Bereichen.
Dabei kann vorgesehen sein, daß die verrundeten Bereiche, insbesondere wenigstens zwei davon, so angeordnet sind, daß sie in einem Winkel von 0°, 90°, 180° und/oder 270° zur Kolbenbolzenachse liegen bzw. diesen überdecken. In diesen Winkelbereichen treten die höchsten Zug- und Druckspannungen bei Betrieb des Motors am Kolben auf. Besonders günstig ist es, wenn nicht lediglich zwei, sondern wenigstens drei oder sogar alle angeführten Winkelbereiche mit einem verrundeten Bereich zusammenfallen. Insbesondere sollen zunächst die Winkel 0° und 180° mit einem unverrundeten Bereich zusammenfallen.
Dies ist besonders einfach zu verwirklichen, wenn der Muldenrandbereich vier äquidistant beabstandete verrundete Bereiche aufweist. Es können jedoch auch fünf äquidistant beabstandete verrundete Bereiche vorgesehen sein. Die Zahl der unverrundeten Bereiche kann dabei mit der Zahl der Einspritzöffnungen für den Kraftstoff korrelieren. Je nach Wahl der Einspritzdüse ist es jedoch auch denkbar, daß die Einspritzung nur in bestimmten Bereichen erfolgen soll, so daß der Muldenrandbereich mit unterschiedlich beabstandeten verrundeten und unverrundeten Bereichen ausgestattet sein kann. Insbesondere sollen die verrundeten Bereiche parallel und/oder senkrecht zur Kolbenachse vorgesehen sein, wobei in den Zwischenbereichen, die unverrundet sind, beliebig viele Kraftstoffstrahlen auftreffen können.
Um die Gefahr der Rißbildung möglichst weit herabzusetzen, kann es vorgesehen sein, daß die verrundeten Bereiche einen größeren Anteil des Muldenrandbereiches einnehmen als die unverrundeten Bereiche. Die unverrundeten Bereiche können dabei jeweils nur schmale Kreissegmentstücke sein, die gerade eine solche Breite aufweisen, daß der Kraftstoffstrahl lediglich in diese auftrifft. Allerdings können die unverrundeten Bereiche auch einen größeren Anteil des Muldenrandbereichs einnehmen als die verrundeten.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Kolbenanordnung, insbesondere für einen Dieselmotor, umfassend einen Kolben gemäß den vorstehenden Ausführungen und eine Kraftstoffeinspritzdüse, wobei die Kraftstoffeinspritzdüse eine Mehrlochdüse mit mehreren Einspritzöffnungen ist, wobei wenigstens einige der Einspritzöffnungen einem unverrundeten Bereich zugeordnet und so angeordnet sind, daß der aus der Einspritzöffnung austretende Kraftstoffstrahl auf einen der unverrundeten Muldenrandbereiche auftrifft. Insbesondere kann vorgesehen sein, daß jeder Einspritzöffnung ein unverrundeter Muldenrandbereich zugeordnet ist.
Um die Gefahr der Rißbildungen möglichst weit einzuschränken, ist es günstig, eine Mehrlochdüse mit vier Einspritzöffnungen zu verwenden (es können jedoch auch weniger oder mehr sein), die so angeordnet sind, daß die Einspritzung nicht in einem Winkelbereich von 0°, 90°, 180° und 270° zur Bolzenachse erfolgt, sondern in den Kreissegmenten dazwischen, insbesondere im Bereich der Winkelhalbierenden.
Sofern eine übliche Mehrlochdüse mit fünf oder mehr Einspritzöffnungen verwendet wird, kann vorgesehen sein, daß die Muldenrandbereiche, die unverrundet ausgebildet sind, so angeordnet sind, daß eine möglichst große Anzahl hiervon. im Bereich der Hauptzug- und Druckspannungen liegt. D. h., daß möglichst gut die genannten kritischen Bereiche überdeckt werden. Hierzu kann sich auch insbesondere die Vorsehung einer nicht äquidistanten Anordnung der Bereiche anbieten. Insbesondere können auch vier verrundete Bereiche bei 0°, 90°, 180° und 270° zur Bolzenachse vorgesehen sein, wobei die Einspritzöffnungen nicht äquidistant angeordnet sind, sondern so, daß alle (fünf oder mehr) Kraftstoffstrahlen in den Sektoren dazwischen auftreffen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den sonstigen Anmeldungsunterlagen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Kolbenanordnung im Schnitt;
2 eine schematisierte Draufsicht auf eine Kolbenanordnung gemäß 1 und
3 eine weitere Anordnung in einer schematisierten Draufsicht.
1 zeigt dabei einen Kolben 10, der in einem Zylinder 12 geführt ist. Der Kolben 10 umfaßt einen Kolbenboden 14 sowie eine Brennraummulde 16, die eine flache kreisförmige Form aufweist. Die Brennraummulde 16 weist hierbei gegenüber dem Kolbenboden 14 Hinterschneidungen 18 auf. Der Übergang von den Hinterschneidungen 18 in den Kolbenboden 14 wird durch den Muldenrandbereich 20 gebildet. Im Betrieb wird Kraftstoff (nicht dargestellt) über eine Einspritzdüse 22, die als Mehrlochdüse ausgebildet ist, in die Brennraummulde 16 derart eingespritzt, daß der Kraftstoff auf den Muldenrandbereich 20 auftrifft, dort zerstäubt wird und sich mit der Einlaßluft mischt. Um eine möglichst gute Zerstäubung sicherzustellen, ist der Muldenrandbereich 20 abwechselnd verrundet und nichtverrundet ausgebildet. Die verrundeten Bereiche 24 weisen hierbei einen Radius von R > 1,5 mm auf. Die unverrundeten Bereiche 26 weisen im Gegensatz zu den verrundeten Bereichen 24, die einen stetigen Übergang von der Hinterschneidung 18 in den Kolbenboden 14 gewährleisten, unstetige Übergänge 32 und 34 sowohl zum Kolbenboden 14 als auch zur Hinterschneidung 18 auf.
Die unverrundeten Bereiche 26 besitzen eine zylindermantelförmige Gestaltung, d. h. die Fläche 30 zwischen den unstetigen Übergängen 32 und 34 verläuft im wesentlichen senkrecht zum Kolbenboden 14, also parallel zur Kolbenlängsachse. In Richtung der Kolbenlängsachse ist der Abschnitt 30 damit im wesentlichen plan. Die unstetigen Übergänge besitzen einen Radius kleiner 0,8 mm.
Trifft nun der Kraftstoff auf die unverrundeten Bereiche 26, auf die er vorzugsweise gespritzt wird, so erfolgt eine besonders gute Zerstäubung des Kraftstoffs und damit eine besonders gleichmäßige Gemischaufbereitung.
Da die unverrundeten Bereiche 26 jedoch zu Spannungsspitzen führen, wie sie stets an scharfen Kanten auftreten, sind die übrigen Bereiche, insbesondere im Bereich von hohen Zug- und Druckspannungen verrundet ausgebildet.
2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung gemäß 1 in einer schematisierten Draufsicht, wobei der Kolben 10 ohne Zylinder 12 dargestellt ist.
In 2 kann gut ersehen werden, daß die verrundeten Bereiche 24 und die unverrundeten Bereiche 25 alternierend, also abwechselnd angeordnet sind, wobei im Bereich der unverrundeten Bereiche 26 die Kraftstoffstrahlen 32 auf den Muldenrandbereich 20 auftreffen und zerstäubt werden. Bei der hier verwendeten Einspritzdüse 22 handelt es sich um eine herkömmliche Fünflochdüse.
Die höchsten Zug- und Druckspannungen in einem Kolben 10 treten parallel zur Bolzenachse B auf. Darüber hinaus werden erhebliche Belastungen senkrecht zur Bolzenachse B gemessen. Um eine Rißbildung zu verhindern, ist es daher, wie dargestellt, erstrebenswert, wenn die verrundeten Bereiche 24 im Bereich von 0°, 90°, 180° und 270° zur Bolzenachse B angeordnet sind bzw. wenn möglichst viele der kritischen Winkel mit einem verrundeten Bereich 24 zusammenfallen und diesen Winkel überdecken.
Dies läßt sich bei Verwendung einer Vierlochdüse, wie sie in 3 dargestellt ist, besonders gut gewährleisten. Bei der Anordnung gemäß 3 treffen die Kraftstoffstrahlen 32 jeweils in der Mitte der vier Quadranten I–IV auf. Hierdurch werden durch die verrundeten Bereiche 24 die kritischen Winkel sowie die angrenzenden Bereiche und damit die Bereiche hoher Spannungsbelastungen abgedeckt. Eine Rißbildung kann damit weitestgehend auch bei hoher Belastungen vermieden werden, bei gleichzeitiger guter Zerstäubung des Kraftstoffs und damit einer guten Gemischbildung.
Auf diese Weise können die Prioritäten Gestaltsfestigkeit parallel wie auch senkrecht zur Bolzenachse B und gleichzeitig gute Gemischaufbereitung optimal verwirklicht werden.

Claims

Kolben mit einer in Kolbenlängsrichtung Hinterschneidungen (18) aufweisenden Brennraummulde (16), wobei der die Hinterschneidungen (18) mit dem Kolbenboden (14) verbindende Muldenrandbereich (20) zumindest abschnittsweise konvex verrundet ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich (20) alternierend verrundete Bereiche (24) und unverrundete Bereiche (26) aufweist, wobei die verrundeten Bereiche (24) stetige Übergänge zum Kolbenboden (14) und zu den Hinterschneidungen (18) besitzen und die unverrundeten Bereiche (26) im wesentlichen unstetig in den Kolbenboden (14) und/oder in die Hinterschneidungen (18) übergehen.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich (20) im verrundeten Bereich (24) einen Radius von wenigstens 1,5 mm aufweist.
Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich (20) im verrundeten Bereich (24) einen Radius von 1,5 bis 5 mm besitzt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich (20) im verrundeten Bereich (24) einen Radius von höchstens R = 8 % des Kolbendurchmessers aufweist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge des Muldenrandbereichs (20) zum Kolbenboden (14) bzw. zur Hinterschneidung (18) im unverrundeten Bereich (26) einen Radius von höchstens 0,8 mm aufweisen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich (20) im unverrundeten Bereich (26) zwischen den unstetigen Übergängen (32, 34) im wesentlichen. zylindermantelförmig ausgebildet ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der verrundeten Bereiche (24) mit einem Winkel von 0°, 90°, 180° oder 270° zur Bolzenachse B, insbesondere mit 0° und 180° zusammenfallen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei der verrundeten Bereiche (24) mit einem Winkel von 0°, 90°, 180° oder 270° zur Bolzenachse (B) zusammenfallen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel von 0°, 90°, 180° oder 270° zur Bolzenachse (B) mit je einem verrundeten Bereich (24) zusammenfallen.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich (20) vier verrundete äquidistant beabstandete Bereiche (24) aufweist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Muldenrandbereich (20) fünf verrundete äquidistant beabstandete Bereiche (24) aufweist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die verrundeten Bereiche (24) einen größeren Anteil des Muldenrandbereiches (20) einnehmen als die unverrundeten Bereiche (26).
Kolbenanordnung, insbesondere für einen Dieselmotor, umfassend einen Kolben gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 und eine Kraftstoffeinspritzdüse (22), dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzdüse (22) eine Mehrlochdüse mit mehreren Einspritzöffnungen ist, wobei wenigstens einige der Einspritzöffnungen einem unverrundeten Bereich (26) zugeordnet und so angeordnet sind, daß der aus der Einspritzöffnung austretende Kraftstoffstrahl (32) auf einen der unverrundeten Muldenrandbereiche (26) auftrifft.
Kolbenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einspritzöffnung einem unverrundeten Bereich (26) zugeordnet ist, so daß jeder aus der Einspritzöffnung austretende Kraftstoffstrahl (32) auf einen der unverrundeten Muldenrandbereiche (26') auftrifft.
Kolbenanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzdüse (22) vier Einspritzöffnungen aufweist.
Kolbenanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzdüse (22) fünf oder mehr Einspritzöffnungen aufweist.