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DE102015004357A1 - Kolbenkrone für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Kolbenkrone für Brennkraftmaschinen Download PDF

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DE102015004357A1
DE102015004357A1 DE102015004357.9A DE102015004357A DE102015004357A1 DE 102015004357 A1 DE102015004357 A1 DE 102015004357A1 DE 102015004357 A DE102015004357 A DE 102015004357A DE 102015004357 A1 DE102015004357 A1 DE 102015004357A1
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DE
Germany
Prior art keywords
piston
piston crown
central axis
lateral surface
crown
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102015004357.9A
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English (en)
Inventor
Sascha Burkhard
Dirk Mooser
Eike Joachim Sixel
Michael Sturm
Marius WOLFGRAMM
Kai Ruschmeyer
Ingo LANGSCHWAGER
Hendrik Johannes LANGE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Caterpillar Motoren GmbH and Co KG
Original Assignee
Caterpillar Motoren GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Caterpillar Motoren GmbH and Co KG filed Critical Caterpillar Motoren GmbH and Co KG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Kolbenkrone (110) für Brennkraftmaschinen. Die offenbarte Kolbenkrone (110) weist einen eine Mittelachse (112) aufweisenden Kolbenmantel (114), einen den Kolbenmantel (114) begrenzenden Kolbenboden (116), der aus einem Kolbenbodenrand (118) und einer Kolbenbodenmulde (120) gebildet ist, und zumindest zwei im Kolbenbodenrand (118) eingelassene Ventiltaschen (132, 134) auf, die jeweils eine durchgehend gekrümmte Mantelfläche (133, 135) aufweist, die in einer zur Mittelachse (112) senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse (112) nach außen gekrümmt ist. Die erste Mantelfläche (133) geht in die zweite Mantelfläche (135) mittels einer durchgehend gekrümmten Übergangsmantelfläche (137) über, die in der zur Mittelachse (112) senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse (112) nach innen gekrümmt ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenkrone und einen Kolben für Brennkraftmaschinen.
  • Hintergrund
  • Kolben für Brennkraftmaschinen können ein Kolbenhemd aufweisen, das mit einer Kolbenkrone und einem Pleuel verbunden wird. Die Kolbenkrone begrenzt zusammen mit einem Zylinder bzw. einer Zylinderlaufbuchse, in der sich der Kolben hin und her bewegt, und dem Zylinderkopf eine Verbrennungskammer.
  • Die Kolbenkrone weist eine äußere Mantelfläche auf, die nach oben hin von einem Kolbenboden begrenzt wird, der durch einen Kolbenbodenrand und einer Kolbenbodenmulde gebildet wird. Die Kolbenbodenmulde bildet hierbei einen Teil der Verbrennungskammer.
  • Beispielsweise werden bei einem Otto-Gasmotor Kolben mit verschiedenen Kolbenmuldenformen eingesetzt. So sind Kolben mit dachförmigem Kolbenboden bekannt, der für Brennverfahren mit gasgespülter Vorkammer derart gestaltet ist, dass die Fackelstrahlen möglichst spät auf die Brennraumwände treffen. Zudem sind Kolben mit wannenförmigem Kolbenboden bekannt, der so gestaltet ist, dass eine einlassseitig generierte Tumbleströmung erhalten bleibt. Ferner gibt es Kolben mit Omega-Kolbenbodenmulde, bei denen der Kolbenboden für den Dieselbetrieb für optimale Direkteinspritzung ausgelegt ist und aus Kostengründen und der Einfachheit halber unverändert auch beim Gas-Ottomotor eingesetzt wird. Letzteres ungeachtet eines möglicherweise schlechteren Verbrennungsergebnisses. Außerdem sind Kolben mit einer Topf-Kolbenbodenmulden bekannt, bei denen der Kolbenboden derart gestaltet sein kann, dass zwischen Kolbenrand und Zylinderkopf eine Quetschströmung (Squish-Strömung) in radialer Richtung entsteht. Außerdem kann die Drallströmung in der Topf-Kolbenbodenmulde verstärkt werden.
  • 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.
  • 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 gewährleisten.
  • Aus der DE 10 2012 103 212 A1 ist ein Kolben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem die Höhe der Kolbenbodenmulde mit der Tiefe der Ventiltaschen in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen.
  • Die vorliegende Offenbarung ist wenigstens teilweise darauf gerichtet, einen oder mehrere Aspekte bekannter Systeme zu verbessern.
  • Zusammenfassung der Offenbarung
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Kolbenkrone für Brennkraftmaschinen offenbart, die mit einem Kolbenhemd zum Bilden eines Kolbens verbindbar ist. Die offenbarte Kolbenkrone weist einen eine Mittelachse aufweisenden Kolbenmantel, einen den Kolbenmantel begrenzenden Kolbenboden, der aus einem Kolbenbodenrand und einer Kolbenbodenmulde gebildet ist, eine im Kolbenbodenrand eingelassene erste Ventiltasche und eine im Kolbenbodenrand eingelassene zweite Ventiltasche auf. Die erste Ventiltasche hat eine durchgehend gekrümmte erste Mantelfläche, die in einer zur Mittelachse senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse nach außen gekrümmt ist. Die zweite Ventiltasche hat durchgehend gekrümmte zweite Mantelfläche, die in der zur Mittelachse senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse nach außen gekrümmt ist. Die erste Mantelfläche geht in die zweite Mantelfläche mittels einer durchgehend gekrümmten Übergangsmantelfläche über, die in der zur Mittelachse senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse nach innen gekrümmt ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen offenbart, der ein Kolbenhemd und eine am Kolbenhemd angebrachte Kolbenkrone gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist.
  • Weitere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden durch die folgende Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Kolbenboden eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, der eine beispielhaft offenbarte Kolbenkrone aufweist,
  • 2 zeigt eine Schnittansicht durch den Kolben der 1 entlang der Linie II-II, und
  • 3 zeigt eine weitere Schnittansicht durch einen Kolben, der eine weitere Ausgestaltung der Ventiltaschen zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die folgende Beschreibung ist eine detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die beispielhaften Ausführungsformen, die hierin beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt sind, sind dazu bedacht, die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu lehren, es dem Fachmann zu ermöglichen, diese umzusetzen und die vorliegende Offenbarung in verschiedenen Umgebungen und für verschiedene Anwendungen zu verwenden. Deshalb sind die beispielhaften Ausführungsformen nicht dazu bedacht, und sollten auch nicht dazu angesehen werden, eine beschränkende Beschreibung des Schutzbereichs zu sein. Vielmehr wird der Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung durch die beigefügten Ansprüche definiert.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bedeutet eine in einer zu einer Referenzachse senkrecht stehenden Referenzebene bezüglich der Referenzachse nach außen gekrümmte Fläche, dass diese Fläche von der Referenzachse aus betrachtet in der Referenzebene im Wesentlichen konvex ist. Demgegenüber bedeutet im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine in der Referenzebene bezüglich der Referenzachse nach innen gekrümmte Fläche, dass diese Fläche von der Referenzachse aus betrachtet in der Referenzebene im Wesentlichen konkav ist.
  • Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt eine Tasche eine in einem Körper geformte Ausnehmung, die eine Mantelfläche und eine an die Mantelfläche anschließende Bodenfläche aufweist. Die Bodenfläche der Tasche kann in jeglicher Form vorgesehen werden. Beispielsweise kann die Bodenfläche teilweise eben, teilweise gekrümmt, gegenüber der Mantelfläche geneigt oder in sonstiger Weise vorgesehen sein.
  • Der vorliegenden Offenbarung liegt wenigstens teilweise der Gedanke zugrunde, dass die im Kolbenboden eingelassenen Ventiltaschen derart ineinander übergehen, dass nahezu keinerlei scharfen Kanten an der Kolbenkrone vorhanden sind. Zudem liegt der vorliegenden Offenbarung wenigstens teilweise der Gedanke zugrunde, dass nahezu alle brennraumseitig miteinander verbundenen Flächen der Kolbenkrone durch Verrundungen mit vorbestimmten Radien oder durch Fasen vorgesehen sind, so dass der durch die Kolbenbodenmulde teilweise definierte Brennraum nur geringfügig zerklüftet ist. Der dadurch bereitgestellte Brennraum weist eine Geometrie auf, die die in das Verbrennungsgemisch eingebrachten Turbulenzen verringern und somit ein homogeneres Verbrennungsgemisch innerhalb des Brennraums bereitstellen kann. Dies kann zu geringeren Emissionen und einer höheren Effizienz der Verbrennung führen.
  • Ferner liegt der vorliegenden Offenbarung der Gedanke zu Grunde dass durch das Bereitstellen von Ventiltaschen, die mit Verrundungen verbunden und gleichzeitig mit Verrundungen in die Kolbenbodenmulde übergehen, ein Brennraum geschaffen werden kann, in dem eine gleichmäßige Verbrennung stattfinden kann. Zudem kann verhindert werden, dass sich an etwaigen konkaven Bereichen bzw. Kanten lokale Temperaturspitzen (sogenannte Hot-Spots) bilden.
  • Der beispielhaft in den 1 und 2 dargestellte Kolben 100 weist eine Kolbenkrone 110 und ein Kolbenhemd 140 auf. Die Kolbenkrone 110 ist mittels mindestens einer Schraube 102 mit dem Kolbenhemd 140 lösbar verbunden. Der Kolben 100 ist dazu ausgebildet, von einem Zylinder oder einer Zylinderlaufbuchse einer Brennkraftmaschine geführt zu werden. Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise ein Otto-Gasmotor, ein Dieselmotor, ein Zweikraftstoffmotor, der mit Flüssig- als auch mit Gaskraftstoff betrieben werden kann, oder ein Trikraftstoffmotor, der beispielsweise mit Schweröl, Dieselkraftstoff oder Gaskraftstoff betrieben werden kann.
  • Die Kolbenkrone 110 weist einen sich um eine Mittelachse 112 erstreckenden Kolbenmantel 114 und einen den Kolbenmantel 114 nach oben begrenzenden Kolbenboden 116 auf. Der Kolbenboden 116 ist aus einem Kolbenbodenrand 118 sowie einer sich koaxial zur Mittelachse 112 erstreckenden Kolbenbodenmulde 120 gebildet. Die Kolbenbodenmulde 120 weist einen die Kolbenbodenmulde 120 nach unten begrenzenden Kolbenmuldenboden 122 sowie eine an den Kolbenmuldenboden 122 anschließende Kolbenmuldenwand 124 auf.
  • In der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform ist der beispielhaft gezeigte Kolben 100 dazu ausgebildet, in einer Brennkraftmaschine verwendet zu werden, die pro Zylinder jeweils zwei Einlasstellerventile 12, 14 (gestrichelt dargestellt) und zwei Auslasstellerventile 16, 18 (gestrichelt dargestellt) aufweist. Somit weist die in den Zeichnungen beispielhaft dargestellte Kolbenkrone 110 insgesamt vier Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 auf, die derart im Kolbenbodenrand 118 vorgesehen sind, dass diese den Positionen des jeweils zugeordneten Einlass- bzw. Auslasstellerventils 12, 14, 16, 18 entsprechen. Vorzugsweise sind die Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 symmetrisch um die Mittelachse 112 angeordnet sind. Gemäß der 1 bilden die vier Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 in Draufsicht eine Kleeblattform.
  • Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Ventiltaschen nicht auf vier begrenzt ist. Wenn die Brennkraftmaschine beispielsweise pro Zylinder nur ein Einlasstellerventil und nur ein Auslasstellerventil aufweist, sind demzufolge auch nur zwei Ventiltaschen im Kolbenbodenrand vorgesehen.
  • Wie in der 1 gezeigt, weist die Ventiltasche 132 eine durchgehend gekrümmte Mantelfläche 133 auf, die in einer zur Mittelachse 112 senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse 112 im Wesentlichen nach außen gekrümmt ist. Somit hat die Ventiltasche 132 in der zur Mittelachse senkrecht stehenden Ebene eine im Wesentlichen konvexe Form. In dem in den Zeichnungen dargestellten Beispiel weist die Mantelfläche 133 einen ersten Radius R1 auf. Der erste Radius R1 ist zumindest teilweise größer als der Radius des zugeordneten Einlasstellerventils 12, so dass dieses problemlos zumindest teilweise in der Ventiltasche 132 aufgenommen werden kann, wenn sich der Kolben 100 im oberen Totpunkt befindet.
  • Ferner weist die Ventiltasche 134 eine durchgehend gekrümmte Mantelfläche 135 auf, die in einer zur Mittelachse 112 senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse 112 im Wesentlichen nach außen gekrümmt ist. Somit hat die Ventiltasche 134 in der zur Mittelachse 112 senkrecht stehenden Ebene eine im Wesentlichen konvexe Form. In dem in den Zeichnungen dargestellten Beispiel weist die Mantelfläche 135 einen zweiten Radius R2 auf. Der zweite Radius R2 ist zumindest teilweise größer als der Radius des zugeordneten Einlasstellerventils 14, so dass dieses problemlos zumindest teilweise in der Ventiltasche 134 aufgenommen werden kann, wenn sich der Kolben 100 im oberen Totpunkt befindet.
  • In ähnlicher Weise umfassen die Ventiltaschen 136, 138 jeweils durchgehend gekrümmte Mantelflächen, die in einer zur Mittelachse 112 senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse 112 jeweils im Wesentlichen nach außen gekrümmt sind und in der zur Mittelachse 112 senkrecht stehenden Ebene eine im Wesentlichen konvexe Form haben. Wie beispielsweise gezeigt, weisen die Ventiltaschen 136, 138 ebenfalls vorbestimmte Radien auf, die jedoch der Einfachheit halber nicht in den Zeichnungen eingetragen sind. Die Radien der Ventiltaschen 136, 138 sind zumindest teilweise größer als der jeweilige Radius des zugeordneten Auslasstellerventils 16, 18, so dass diese problemlos in der zugeordneten Ventiltasche 136, 138 aufgenommen werden können, wenn sich der Kolben 100 im oberen Totpunkt befindet.
  • In der 1 ist gezeigt, dass sämtliche Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 in Durchmesserrichtung nicht über den Kolbenbodenrand 118 hinausgehen und somit eine Außenkontur aufweisen, die zumindest teilweise kleeblattförmig ist. In weiteren Ausgestaltungen kann es jedoch bevorzugt sein, dass die Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 in Durchmesserrichtung über den Kolbenbodenrand 118 hinausgehen und somit eine unstetige Außenkontur aufweisen.
  • Beispielsweise sind in der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform die Radien sämtlicher Mantelflächen der Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 gleich groß.
  • Die Mantelfläche 133 und die Mantelfläche 135 sind mittels einer durchgehend gekrümmten Übergangsmantelfläche 137 miteinander verbunden, d. h. dass die Mantelfläche 133 in die Mantelfläche 135 mittels der durchgehend gekrümmten Übergangsmantelfläche 137 übergeht. Hierzu befindet sich im Kolbenbodenrand 118 eine Übergangstasche, die die Ventiltasche 132 mit der Ventiltasche 134 verbindet und die durchgehend gekrümmte Übergangsmantelfläche 137 aufweist. In der 1 sind die gekrümmte Mantelfläche 133, die gekrümmte Übergangsmantelfläche 137 und die gekrümmte Mantelfläche 135 grafisch durch Querstriche voneinander unterschieden.
  • Die Übergangsmantelfläche 137 ist in einer zur Mittelachse senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse 112 im Wesentlichen nach innen gekrümmt. Somit weist die Übergangstasche, die die Übergangsmantelfläche 137 aufweist, in der zur Mittelachse 112 senkrecht stehenden Ebene eine im Wesentlichen konkave Form auf. In dem in den Zeichnungen gezeigten Beispiel weist die Übergangsmantelfläche 137 einen dritten Radius R3 auf, der zumindest teilweise größer als der erste Radius R1 und/oder als der zweite Radius R2 ist.
  • Jede der Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 weist eine Tiefe T (siehe 2) auf, wobei in dem in den Zeichnungen dargestellten Beispiel jede Ventiltasche 132, 134, 136, 138 eine identisch Tiefe T hat. Auch die Übergangstasche, die die gekrümmte Übergangsmantelfläche 137 aufweist, hat eine Tiefe, die der Tiefe der Ventiltaschen 132, 134 entspricht. In weiteren Ausgestaltungen können z. B. die den Einlasstellerventilen zugeordneten Ventiltaschen eine erste Tiefe aufweisen und die den Auslasstellerventilen zugeordneten Ventiltaschen eine zweite Tiefe aufweisen, die zur ersten Tiefe unterschiedlich ist. In einer solchen Ausgestaltung gleicht die Übergangstasche den Niveauunterschied stufenlos aus.
  • Die Tiefen der Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 sind jeweils derart ausgewählt, dass ein vorbestimmter Abstand zu dem zugeordneten Einlass- bzw. Auslasstellerventil 12, 14, 16, 18 eingehalten werden kann.
  • In der 2 ist ferner gezeigt, dass die brennraumzugewandte, obere Kante der Mantelfläche 133 der Ventiltasche 132 mit einem vierten Radius R4 verrundet ist und die brennraumabgewandte, untere Kante der Mantelfläche 133 der Ventiltasche 132 mit einem fünften Radius R5 verrundet ist. Der vierte Radius R4 und der fünfte Radius R5 weisen jeweils einen Wert auf, die beispielsweise zwischen ungefähr 5 mm und ungefähr 15 mm liegt.
  • In ähnlicher Weise können die brennraumzugewandten, oberen und die brennraumabgewandten, unteren Kanten der Mantelflächen der Ventiltaschen 134, 136, 138 ebenfalls mit Radien verrundet sein.
  • Anstelle der Radien R4 und R5 können in alternativen Ausgestaltungen sämtliche brennraumzugewandte, obere und brennraumabgewandte, untere Kanten der Mantelflächen der Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 mit Fasen vorgesehen sein, die dazu beitragen, den durch die Kolbenbodenmulde 120 und den Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 gebildeten Teil der Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine derart bereitzustellen, dass dieser nur geringfügig zerklüftet ist.
  • In der 2 ist ferner gezeigt, dass die brennraumzugewandte, obere und die brennraumabgewandte, untere Kante der Kolbenmuldenwand 124 der Kolbenbodenmulde 120 ebenfalls mit Radien R6 bzw. R7 verrundet sind. Anstelle der Radien R6 und R7 können alternativ Fasen vorgesehen sein.
  • Die Kolbenbodenmulde 120 weist eine Höhe h auf, die ungefähr 5 mm bis ungefähr 40 mm beträgt. Die Tiefe T der Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 beträgt ungefähr 10% bis ungefähr 80% der Höhe h der Kolbenbodenmulde 120. Das Verhältnis der Höhe h der Kolbenbodenmulde 120 zu dem Durchmesser D des Kolbenbodens 116 bzw. des Kolbendurchmessers D beträgt ungefähr 0,03 bis ungefähr 0,2, wobei der Durchmesser D zwischen ungefähr 180 mm bis ungefähr 500 mm liegt. Das Verhältnis des Muldendurchmessers d zum Durchmesser D des Kolbenbodens 116 beträgt ungefähr 0,3 bis ungefähr 0,8.
  • Der Radius R1 beträgt ungefähr 10% bis 40% des Durchmessers D des Kolbenbodens 116 und der Radius R2 beträgt ungefähr 10% bis ungefähr 40% des Durchmessers D des Kolbenbodens 116.
  • In einer in der 3 gezeigten weiteren Ausführung können die Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 einen Ventiltaschenboden mit einer Flächennormalen aufweisen, wobei die Flächennormale zumindest einer der Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 um einen Winkel α geneigt zur Mittelachse 112 angeordnet ist. Der Winkel α kann beispielsweise ungefähr 1° bis ungefähr 25° betragen, wobei die Tiefe T zur Kolbenbodenmulde 120 hin anwächst. Anstelle einer ebenen und bezüglich der Mittelachse 112 geneigten Fläche können die Ventiltaschenböden auch verrundet sein. Die Verrundungen können dabei vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass der durch die Ventiltaschen 132, 134, 136, 138 und der Kolbenbodenmulde 120 gebildeten Teil des Brennraums konvex ist. Das heißt, dass die Verrundungen bezüglich der Mittelachse 112 nach außen gekrümmt sind.
  • Somit können die Ventiltaschen 132, 134, 136, 138, wie vorstehend schon erläutert, zumindest bereichsweise, also insbesondere im Bereich der Kolbenbodenmuldenwand 124, etwas tiefer ausgebildet werden. Die Ventiltaschenböden können 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 2 ist ferner gezeigt, dass die Kolbenkrone 110 zumindest einen Teil eines äußeren Kühlkanals 142 des Kolbens 100 und zumindest einen Teil einer inneren Kühlkammer 144 des Kolbens 100 aufweist, die mit dem äußeren Kühlkanal 142 über Querbohrungen 146 verbunden ist. Der Teil des äußeren Kühlkanals 142 ist zumindest teilweise unterhalb des Kolbenbodenrands 118 und zumindest teilweise unterhalb der Ventiltaschenböden vorgesehen und dazu ausgebildet, den Kolbenbodenrand 118 und die Ventiltaschenböden zumindest teilweise zu kühlen. Die innere Kühlkammer 144 ist unterhalb des Kolbenmuldenbodens 122 angeordnet und dazu ausgebildet, den Kolbenmuldenboden 122 zu kühlen. Der äußere Kühlkanal 142 wird als äußerer Shakerraum bezeichnet und die innere Kühlkammer 144 wird als innerer Shakerraum bezeichnet.
  • In weiteren Ausgestaltungen kann der äußere Kühlkanal 142 mit Kühlbohrungen ausgestattet sein, was zu einem Bohrungsgekühlten Kolben führt.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Durch die Bereitstellung der Ventiltaschen 132, 134, 136, 138, die miteinander jeweils mit den gekrümmten Übergangsmantelflächen 137 verbunden sind und deren oberen und unteren Kanten jeweils mit Radien R4, R5 bzw. Fasen vorgesehen sind, wird von der Kolbenkrone 110 ein Teil des Verbrennungsraums dargestellt, der gering zerklüftet ist und wenig konkave Bereiche aufweist. Dies kann dazu beitragen, dass das durch die Einlasstellerventile 12, 14 eingelassene Gaskraftstoff-Luftgemisch nur geringfügig in der optimalen Verwirbelung beeinflusst wird und seinen überwiegend laminaren Strömungsanteil beibehält. Dies kann zu einer optimalen und nahezu vollständigen Verbrennung führe, wobei die Emissionen bei einer höheren Effizienz gering gehalten werden können.
  • Durch die erfindungsgemäße Kolbenkrone 110 kann ein erhöhtes Verdichtungsverhältnis erzielt werden, das beispielsweise einen Wert von bis zu 20 annehmen kann. Durch die Bereitstellung der Radien R3 bis R7 bzw. durch entsprechende Fasen können lokale Glühpunkte vermieden und die Gefahr des Klopfens reduziert werden, was zu einer effizienteren und vollständigeren Verbrennung führen kann.
  • Durch das Vorsehen der Radien R3 bis R7 wird das Gaskraftstoff-Luftgemisch nur geringfügig in der optimalen Verwirbelung beeinflusst und hält seinen überwiegend laminaren Strömungsanteil bei. Dies wiederum kann die Verbrennung weitere optimieren und vervollständigen. Dabei können die Emissionen weiter reduziert und die Effizienz der Verbrennung erhöht werden.
  • Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung hierin beschrieben worden sind, können Verbesserungen und Modifikationen hierin eingearbeitet sein, ohne vom Schutzbereich der folgenden Ansprüche abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010018930 A1 [0007]
    • DE 102012103212 A1 [0008]

Claims (12)

  1. Kolbenkrone (110) für Brennkraftmaschinen, die mit einem Kolbenhemd (140) zum Bilden eines Kolbens (100) verbindbar ist, wobei die Kolbenkrone (110) aufweist: einen eine Mittelachse (112) aufweisenden Kolbenmantel (114), einen den Kolbenmantel (114) begrenzenden Kolbenboden (116), der aus einem Kolbenbodenrand (118) und einer Kolbenbodenmulde (120) gebildet ist, eine im Kolbenbodenrand (118) eingelassene erste Ventiltasche (132), die eine durchgehend gekrümmte erste Mantelfläche (133) aufweist, die in einer zur Mittelachse (112) senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse (112) nach außen gekrümmt ist, und eine im Kolbenbodenrand (118) eingelassene zweite Ventiltasche (134), die eine durchgehend gekrümmte zweite Mantelfläche (135) aufweist, die in der zur Mittelachse (112) senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse (112) nach außen gekrümmt ist, wobei die erste Mantelfläche (133) in die zweite Mantelfläche (135) mittels einer durchgehend gekrümmten Übergangsmantelfläche (137) übergeht, die in der zur Mittelachse (112) senkrecht stehenden Ebene bezüglich der Mittelachse (112) nach innen gekrümmt ist.
  2. Kolbenkrone (110) nach Anspruch 1, wobei im Kolbenbodenrand (118) insgesamt vier Ventiltaschen (132, 134, 136, 138) eingelassen sind, die symmetrisch um die Mittelachse (112) angeordnet sind.
  3. Kolbenkrone (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventiltaschen (132, 134) eine Tiefe (T) aufweisen, die gleich der Tiefe (T) im Bereich der Übergangsmantelfläche (137) ist.
  4. Kolbenkrone (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Mantelfläche (133) mit einem ersten Radius (R1) gekrümmt ist, die zweite Mantelfläche (135) mit einem zweiten Radius (R2) gekrümmt ist und die Übergangsmantelfläche (137) mit einem dritten Radius (R3) gekrümmt ist, der größer oder gleich dem ersten Radius (R1) und/oder größer oder gleich dem zweiten Radius (R2) ist.
  5. Kolbenkrone (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Mantelfläche (133), die zweite Mantelfläche (135) und/oder die Übergangsmantelfläche (137) an der brennraumzugewandten Kante eine Verrundung mit einem vierten Radius (R4) aufweisen und/oder an der brennraumabgewandten Kante eine Verrundung mit einem fünften Radius (R5) aufweisen.
  6. Kolbenkrone (110) nach Anspruch 5, wobei der erste Radius (R1) und/oder der zweite Radius (R2) ungefähr 10% bis 40% des Durchmessers (D) des Kolbenbodens (116) betragen.
  7. Kolbenkrone (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Ventiltaschen (132, 134, 136, 138) einen Ventiltaschenboden mit einer Flächennormalen aufweist, die um einen Winkel (α) geneigt zur Mittelachse (112) angeordnet ist, wobei die Tiefe (T) der Ventiltaschen (132, 134, 136, 138) zur Kolbenbodenmulde (120) hin anwachst.
  8. Kolbenkrone (110) nach Anspruch 7, wobei der Winkel (α) ungefähr 1° bis ungefähr 25° beträgt.
  9. Kolbenkrone (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit zumindest einem Teil eines äußeren Kühlkanals (142) des Kolbens (100) und zumindest einem Teil einer inneren Kühlkammer (144) des Kolbens (100), die mit dem äußeren Kühlkanal (142) über Querbohrungen (146) verbunden ist.
  10. Kolbenkrone (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kolbenbodendurchmesser ungefär 180 mm bis ungefähr 500 mm beträgt.
  11. Kolben (100) für Brennkraftmaschinen, mit: einem Kolbenhemd (140) und einer am Kolbenhemd (140) angebrachten Kolbenkrone (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  12. Kolben nach Anspruch 11, wobei das Kolbenhemd (140) mit der Kolbenkrone (110) mittels zumindest einer Schraube (102) verbunden ist.
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