DE19630502A1 - Kolben für eine luftverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für eine luftver­ dichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinsprit­ zung, der eine Brennraummulde mit einer Einschnürung aufweist.

Bei derartigen Kolben wird der Kraftstoff zum Zwecke einer vollständigen Verbrennung in einen sich innerhalb der Brennraummulde drehenden Luftwirbel eingespritzt, wobei der Luftwirbel durch einen am Einlaßventil angeordneten Schirm oder durch einen spiralförmigen Einlaßkanal er­ zeugt wird. Der Luftwirbel wird mit dem eingespritzten Kraftstoff durch­ mischt, verdichtet und schließlich gezündet. Bei diesem Arbeitsablauf ist es jedoch problematisch, eine optimale, das heißt vollständige Verbren­ nung zu erzielen. Dabei hängt die Qualität der Verbrennung in entschei­ dendem Maße mit der Geometrie des Brennraumes bzw. des Kolbens zu­ sammen. Diese Zusammenhänge sind jedoch äußerst komplex.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegen­ den Erfindung, einen Kolben für eine luftverdichtende Hubkolben-Brenn­ kraftmaschine mit einer besonderen Geometrie auszustatten, welche sich durch eine vollständige Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs, gün­ stige Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxyd-Emissionen sowie geringe Partikelbildung auszeichnet. Außerdem soll dieser Kolben trotz seiner be­ sonderen Geometrie kostengünstig herstellbar sein.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, wobei die Einschnürung zur Stirnseite hin als gerader Kragen und unter­ halb des Kragens als nach außen gewölbter Abschnitt ausgebildet ist und die Brennraummulde im Bereich der Einschnürung wenigstens eine rings­ umlaufende Vertiefung aufweist. Durch so ausgestaltete Einschnürung mit ringsumlaufender Vertiefung können die feinen Kraftstofftröpfchen, die beim Erreichen des oberen Totpunkts unterhalb des Kragens in die Brennraummulde eingespritzt werden, aufgrund der Abwärtsbewegung des Kolbens sowie aufgrund des einströmenden Luftwirbels kaum noch aus der Brennraummulde herausgerissen werden wie dies beim Stand der Technik im allgemeinen der Fall ist. Somit wird vermieden, daß die Kraft­ stofftröpfchen auf die Stirnfläche des Kolbens gelangen und sich dort ab­ lagern können. Denn die Ablagerung von Kraftstofftröpfchen auf der Stirn­ fläche stört die saubere Durchmischung von Luft und Kraftstoff, so daß die Verbrennung des Gemischs unvollständig ist. Durch die vorliegende Erfindung wird nun die Ablagerung von Kraftstofftröpfchen auf der Stirn­ seite des Kolben vermieden und eine bessere Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemischs erzielt. Dadurch werden der Schadstoffausstoß und insbesondere die Anteile an Kohlenwasserstoffen sowie an Kohlenmon­ oxyden reduziert. Zudem verringert sich speziell bei Dieselmotoren auch der Partikelausstoß.

Dank der rotationssymmetrischen Ausgestaltung ist der erfindungsge­ mäße Kolben außerdem kostengünstig herstellbar, da hierzu automa­ tisierte Herstellungsverfahren eingesetzt werden können.

Bevorzugt ist die ringsumlaufende Vertiefung als Stufe zwischen dem Kragen der Einschnürung und dem gewölbten Abschnitt der Einschnürung ausgebildet. Die Stufe stellt ein wirkungsvolles Mittel zum Zurückhalten der Kraftstofftröpfchen dar, indem sie als Abrißkante für das verwirbelte Luft-Kraftstoffgemisch dient. Dadurch entstehen zusätzliche Verwirbelun­ gen, welche so orientiert sind, daß sie die Kraftstofftröpfchen am Austritt aus der Brennraummulde hindern. Dank dieser zusätzlichen Verwirbelung wird das Luft-Kraftstoffgemisch in der Brennraummulde noch besser durchmischt.

Vorteilhaft kann die Vertiefung auch im Kragen oder im gewölbten Ab­ schnitt der Einschnürung vorgesehen sein. Besonders effizient sind dabei mehrere Vertiefungen, die im gewölbten Abschnitt der Einschnürung an­ geordnet sind, da deren Rückhaltefunktion sehr ausgeprägt ist.

Selbstverständlich kann auch eine beliebige Anzahl von Vertiefungen im ganzen Bereich der Einschnürung - also am Kragen, am gewölbten Ab­ schnitt und am Übergang vom Kragen zum gewölbten Abschnitt der Ein­ schnürung des Kolbens verteilt sein.

Zweckmäßigerweise besitzt die ringsumlaufende Vertiefung ein im Quer­ schnitt rundes, rechteckiges, stufiges, sägezahnförmiges oder trapezför­ miges Profil. Dank dieser verschiedenen Profile kann durch die Wahl des geeigneten Querschnitts den jeweiligen Gegebenheiten des Einzelfalls, wie zum Beispiel der Festigkeit des verwendeten Kolbenmaterials, der thermischen Beanspruchung des Kolbens oder dem verwendeten Kraft­ stoff Rechnung getragen werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Brennraum des Kolbens einen Boden mit einer nach innen gewölbten Erhebung auf, wo­ bei sich die Erhebung bis zur Höhe der bodennächsten Vertiefung er­ streckt. Durch diese Ausgestaltung des Muldenbodens wird die Verwirbe­ lung des Luft-Kraftstoffgemisches wirkungsvoll unterstützt, was einen positiven Einfluß auf die Verbrennung hat.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungs­ figuren näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen vier verschiedene Ausführungsformen des er­ findungsgemäßen Kolbens in geschnittener vereinfachter Darstellung.

Der im wesentlichen zylindrische Kolben 1 weist eine zu seiner Stirnseite 2 hin offene Brennraummulde 3 auf. Die Brennraummulde 3 zeigt eine Einschnürung 4, welche zur Stirnseite 2 hin als gerader Kragen 5 und von der Stirnseite 2 abgewandt als gewölbter Abschnitt 6 ausgebildet ist.

An den gewölbten Abschnitt 6 der Einschnürung 4 schließt sich der Boden 7 der Brennraummulde 3 an. Dieser Boden 7 ist in der dargestellten Aus­ führungsform mit einer zentralsymmetrischen Erhebung 8 ausgestattet.

Im Bereich der Einschnürung 4, genauer gesagt am Kragen 5, sind zwei übereinander angeordnete Vertiefungen 9 in den Kolben 1 eingeformt. Diese Vertiefungen 9 sind ringsumlaufend ausgebildet und haben einen halbkreisförmigen Querschnitt.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kol­ bens 1 dargestellt, wobei die Vertiefung 9 als ringsumlaufende Stufe aus­ geformt ist, die zwischen dem Kragen 5 der Einschnürung 4 und dem ge­ wölbten Abschnitt 6 der Einschnürung 4 angeordnet ist.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des Kolbens 1 mit drei in den gewölbten Abschnitten 6 der Einschnürung 4 eingeformten Vertiefungen 9 mit jeweils rechteckigem Querschnitt.

Der Kolben 1 in Fig. 4 stellt eine weitere der vielen möglichen Ausfüh­ rungsformen dar. Dort sind nun eine Reihe von Vertiefungen 9 dargestellt, die sowohl im Kragen 5, im Bereich des Übergangs von Kragen 5 zum gewölbten Abschnitt 6 und im gewölbten Abschnitt 6 der Einschnürung 4 vorgesehen sind. Dabei sind die Einschnürungen 4 im Querschnitt trapez­ förmig, stufig und sägezahnförmig ausgebildet.

Außerdem weist der Boden 7 der Brennraummulde 3 dort eine besonders ausgeprägte Erhebung 8 auf, welche sich in Richtung zur Stirnseite 2 bis an die bodennächste Vertiefung 9 erstreckt.

Die dargestellten verschiedenen Kolben sind jeweils auf eine zum Kolben zentralsymmetrisch angeordnete Einspritzdüse abgestimmt, deren Strah­ len in der oberen Totpunktstellung des Kolbens auf die gewölbten Ab­ schnitte der Einschnürung gerichtet sind. Diese Einspritzdüse ist in den Figuren jedoch nicht dargestellt.

Claims (7)

1. Kolben für eine luftverdichtende Hubkolben-Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung, der eine Brennraummulde mit einer Einschnürung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einschnürung (4) zur Stirnseite (2) hin als gerader Kragen (5) und unterhalb des Kragens (5) als nach außen gewölbter Abschnitt (6) ausgebildet ist, und
die Brennraummulde (3) im Bereich der Einschnürung (4) wenig­ stens eine ringsumlaufende Vertiefung (9) aufweist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringsum­ laufende Vertiefung (9) als Stufe zwischen dem Kragen (5) der Ein­ schnürung (4) und dem gewölbten Abschnitt (6) der Einschnürung (4) ausgebildet ist.

3. Kolben nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net daß die ringsumlaufende Vertiefung (9) im Kragen (5) der Ein­ schnürung (4) vorgesehen ist.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringsumlaufende Vertiefung (9) im gewölbten Abschnitt (6) der Einschnürung (4) vorgesehen ist.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (9) ein im Querschnitt rundes, rechteckiges, stufi­ ges, sägezahnförmiges oder trapezförmiges Profil aufweist.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraummulde (3) einen Boden (7) mit einer nach innen gewölbten Erhebung (8) aufweist.

7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die ge­ wölbte Erhebung (8) bis zur Höhe der bodennächsten Vertiefung (9) erstreckt.