DE19909112A1 - Kolben für eine Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Fremd- oder Selbstzündung, deren Zylinder mit steuerbaren Gaswechselventilen versehene Gasauslässe und Gaseinlässe aufweisen, wobei jeweils die Gaseinlässe dem in den jeweiligen Zylinder einströmenden Gas eine Strömungsrichtung geben, die zumindest teilweise einen um die Zylinderachse ausgerichteten Drall aufweist, mit einem Kolbenbogen, der eine muldenförmige Vertiefung aufweist, die randseitig von einer Quetschfläche begrenzt ist und die wenigstens zwei zumindest über Teilbereiche im wesentlichen radial ausgerichtete, vertiefte Unterbrechungen aufweist.

Description

Die Hauptanforderung an Kolbenbrennkraftmaschinen, und zwar sowohl Kolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, als auch mit Selbstzündung des Kraftstoffgemisches, sind hohe spezifi­ sche Leistungen, niedrige Schadstoffemissionen und niedrige Kraftstoffverbräuche. Um den Kraftstoffverbrauch im Teillast­ bereich zu senken, bietet sich beispielsweise bei Kolben­ brennkraftmaschinen die Betriebspunktverschiebung hin zu hö­ heren Lasten bei gleichzeitiger Verringerung des Hubvolumens (sogenanntes Downsizing) an.

Um beispielsweise bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzün­ dung trotz eines geringeren Hubraums gegenüber einer konven­ tionell gestalteten Kolbenbrennkraftmaschine gleiche Drehmo­ ment- und Leistungswerte zu erzielen, werden derartige im Hubraum verringerte Kolbenbrennkraftmaschinen zumeist mit ei­ ner Aufladeeinrichtung, vorzugsweise einem Abgasturbolader, ausgeführt. Mit zunehmendem Aufladegrad und dadurch steigen­ den Kompressionsenddrücken und Endtemperaturen wächst bei ei­ ner derartigen Kolbenbrennkraftmaschine die Klopfneigung. Aus diesem Grund werden aufgeladene Motoren üblicherweise mit ei­ nem geringeren Verdichtungsverhältnis betrieben als ver­ gleichbare Saugmotoren. Ein niedriges Verdichtungsverhältnis ist jedoch für den Wirkungsgrad des thermodynamischen Prozes­ ses ungünstig.

Um dieses Problem zu lösen sind derartige Kolbenbrennkraftma­ schinen auch so ausgeführt worden, daß durch eine einstellba­ re Verlagerung der Kurbelwelle ein variables Verdichtungsver­ hältnis eingestellt werden kann. Dies ermöglichst es, den Teillastbereich mit hohem Verdichtungsverhältnis und magerem Gemisch und den Vollastbereich mit stöchiometrischem Gemisch und niedrigem Verdichtungsverhältnis zu betreiben.

Um übliche Katalysatoren bei derartigen Kolbenbrennkraftma­ schinen verwenden zu können, muß bei magerem Betrieb die Zündzeitpunkt/Luftverhältnis-Kalibrierung so gewählt werden, daß die Stickoxidemission gering ist. Dies setzt aber ein Brennverfahren mit sehr guter Magerlauffähigkeit voraus.

Unter thermodynamischen Gesichtspunkten ist eine magere Be­ triebsweise und ein hohes Verdichtungsverhältnis auch für den Vollastbetrieb vorteilhaft. Dazu muß die Kolbenbrennkraftma­ schine so konzipiert sein, daß sie eine genügende Magerlauf­ fähigkeit besitzt, um einerseits die Stickoxidrohemission zu begrenzen und andererseits einen aussetzerfreien Betrieb mit genügendem Abstand von der Magerlaufgrenze zu gewährleisten. Darüber hinaus muß für Kolbenbrennkraftmaschinen mit Fremd­ zündung die Klopfneigung üblicher Konzepte verringert werden.

Die hierzu erforderlichen bekannten Brennraumkonzepte für derartige Magermotoren sind entweder von 4-Ventil-Kolben­ brennkraftmaschinen entlehnt, wie sie für Personenkraftwagen verwendet werden, die mit sogenannten Tumble-Einlaßkanälen versehen sind, so daß zum Zeitpunkt der Verbrennung die ge­ wünschte Turbulenz vorhanden ist, oder es sind 2-Ventil-Kol­ benbrennkraftmaschinen, die mit einem sogenannten Einlaßdrall arbeiten. In allen Fällen gilt es, den die Form des Brenn­ raums wesentlich bestimmenden Kolbenboden der eingesetzten Kolben möglichst "glatt", d. h. ohne Zerklüftungen auszubil­ den, da derartige Zerklüftungen für den Verbrennungsablauf im Brennraum als ungünstig beurteilt werden.

Bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit Selbstzündung, beispiels­ weise direkteinspritzenden Dieselmotoren, ist eine hohe Tur­ bulenz wünschenswert, um die Rußemission zu senken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für eine Kolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, der bei Fremdzün­ dungssystemen eine erheblich verringerte Klopfneigung, eine erhöhte Magerlauffähigkeit und eine geringere HC-Emission, und bei Selbstzündungssystemen, insbesondere bei Dieselkraft­ stoffen, eine Verminderung der Rußemission bewirkt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kolben für eine Kolben­ brennkraftmaschine mit Fremd- oder Selbstzündung, deren Zy­ linder mit steuerbaren Gaswechselventilen versehene Gasaus­ lässe und Gaseinlässe aufweisen, wobei jeweils die Gaseinläs­ se dem in den jeweiligen Zylinder einströmenden Gas eine Strömungsrichtung geben, die zumindest teilweise einen um die Zylinderachse ausgerichteten Drall aufweist, mit einem Kol­ benboden, der eine muldenförmige Vertiefung aufweist, die randseitig von einer Quetschfläche begrenzt ist und die we­ nigstens zwei zumindest über Teilbereiche im wesentlichen ra­ dial ausgerichtete, vertiefte Unterbrechungen aufweist. Mit einem derart ausgebildeten Kolben ist es möglich, den Drall um die Zylinderachse des in den Zylinder einströmenden Gases, der als mehr oder weniger starker Restdrall bei einer Tum­ bleströmung vorhanden ist, insbesondere die bei einem soge­ nannten Dralleinlaß entstehende ursprünglich gerichtete, durch den hohen Einlaßdrall vorgegebene Zylinderinnenströmung mit zunehmender Aufwärtsbewegung des Kolbens über die ver­ tieften Unterbrechungen in hohe Turbulenzen, also nicht ge­ richtete Zylinderinnenströmungen umzusetzen. Selbst bei einer Führung des in den Zylinder einströmenden Gases in Form eines Tumbel, ist vielfach noch ein Restdrall vorhanden, der mit der erfindungsgemäßen Gestaltung wirksam in Turbulenzen auf­ gelöst werden kann, so daß auch hierbei mit dem Einsetzen der Verbrennung ein schneller Flammenfortschritt ermöglicht wird. Damit werden auch die klopfgefährdeten, zündkerzenfernen Brennraumbereiche zügig von der Flammenfront erreicht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Quetschflächen in Zy­ linderwandnähe reduziert und damit auch die HC-Emission ver­ mindert wird. Die Erhöhung der Turbulenz im Wandbereich der muldenförmigen Vertiefung führt bei Dieselmotoren zu einer verbesserten Gemischbildung und damit zu einer geringeren Ru­ ßemission.

Zweckmäßig ist es, wenn die Unterbrechungen der Quetschfläche höchstens eine Tiefe aufweisen, die der Tiefe der muldenför­ migen Vertiefung entspricht. Hierbei können je nach Gesamtge­ staltung des Brennraums die Übergänge zwischen den Quetsch­ flächen und den vertieften Unterbrechungen scharfkantig und/oder abgerundet ausgebildet sein. Dies kann beispielswei­ se dadurch bewirkt werden, daß die vertieften Unterbrechungen als Nuten mit Rechteck-Querschnitt oder im Verlauf wellenför­ mig ausgeführt werden.

Zweckmäßig ist es ferner, wenn wenigstens zwei vorzugsweise diametral gegenüberliegende Unterbrechungen vorgesehen sind, die im wesentlichen quer zum Gaseinlaß ausgerichtet sind. Hierdurch ist gewährleistet, daß sowohl im einlaßnahen Be­ reich der Drallströmung als auch im einlaßfernen Bereich der Drallströmung in der Aufwärtsbewegung die gerichtete Zylinde­ rinnenströmung turbulent verwirbelt wird, so daß nicht nur im Bereich der Zündkerze sondern auch in den Randbereichen der verbleibenden Quetschflächen sich eine entsprechende Turbu­ lenz ausbilden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die muldenförmige Vertiefung und/oder die Unterbrechungen ge­ genüber der Kolbenachse exzentrisch im Kolbenboden angeordnet sind. Durch eine derartige unsymmetrische Anordnung wird die Turbulenzbildung noch unterstützt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Tiefe der Unterbrechungen etwa 3 bis 20% des Kolbendurch­ messers beträgt. Zweckmäßig ist ferner, wenn die Breite der Unterbrechungen und der Durchmesser der muldenförmigen Ver­ tiefung so bemessen sind, daß die Quetschfläche insgesamt et­ wa 15 bis 40% des Kolbendurchmessers beträgt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Unterbrechungen den Gaswechselventilen zugeordnet sind und so bemessen sind, daß sie für den Bereich ihrer Tiefe als Ven­ tilfreigang wirken. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für Kolbenbrennkraftmaschinen vorteilhaft, deren Gaswechselventi­ le mit frei ansteuerbaren Stellantrieben, beispielsweise in Form von hydraulischen, pneumatischen und/oder elektromagne­ tischen Aktuatoren versehen sind. Durch frei ansteuerbare Stellantriebe kann eine Betätigung der Gaswechselventile in hohem Maße auf eine Optimierung des Motorbetriebes und/oder des Verbrennungsablaufs abgestellt werden. Durch die erfin­ dungsgemäße Zuordnung der Unterbrechungen in der Quetschflä­ che zu den Gaswechselventilen ist es bei reduziertem Brennraum im Zylinder möglich, zumindest eine Teilöffnung der Gaswech­ selventile schon zu bewirken, wenn sich der Kolben noch in der oberen Totpunktstellung befindet.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Kolbenboden,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Aufsicht entsprechend Fig. 1 mit modifizierten Unterbrechungen der Quetschfläche in der Zuordnung für zwei Gaswechselventile

Fig. 4 einen Vertikalschnitt gem. der Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 eine Aufsicht auf einen Kolbenboden mit modifizier­ ter Quetschfläche in der Zuordnung für vier Gas­ wechselventile.

Fig. 1 zeigt die Aufsicht auf einen im wesentlichen ebenflä­ chigen Kolbenboden, der mit einer muldenförmigen Vertiefung 1 versehen ist. Die Vertiefung 1 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kreiszylindrisch, mit kreisförmiger Rand­ kontur ausgebildet, wobei die Achse 2 der Vertiefung 1 gegen­ über der Kolbenachse 3 in Richtung auf die hier angedeutete Zündkerze 4 verschoben ist. Die Randkontur kann aber auch ei­ nen anderen Verlauf aufweisen.

Die Vertiefung 1 wird randseitig durch eine Quetschfläche 5 begrenzt, die radial ausgerichtete, vertiefte und Störkanten 6 bildende Unterbrechungen 7 aufweist. Die Störkanten 6 kön­ nen scharfkantig oder auch abgerundet ausgebildet sein. Die Unterbrechungen 7 weisen hier nicht nur unterschiedliche Breiten auf, sondern sind auch in bezug auf die Kolbenachse 3 unsymmetrisch auf dem Kolbenboden angeordnet. Bei dem darge­ stellten Beispiel sind die in bezug auf die Zylinderachse 3 verschobenen Unterbrechungen 7.1 schmaler ausgeführt als die quer hierzu verlaufenden Vertiefungen 7.2.

Wie die Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 zeigt, ist die Tiefe T der Unterbrechungen 7 geringer als die Tiefe der muldenför­ migen Vertiefung 1 und so bemessen, daß sie etwa 3 bis 20% des Kolbendurchmessers beträgt. Die Breite der Unterbrechun­ gen 7 ist ferner so bemessen, daß die Größe der hier in vier Teilflächen unterteilten Quetschfläche 5 je nach Einsatzfall zwischen 15 und 40% der Kolbenfläche beträgt.

In Fig. 1 ist schematisch die Zuordnung eines Dralls zum Ga­ seinlaß 8 des zugehörigen Zylinders angedeutet. In der An­ saugphase, d. h. bei der Abwärtsbewegung des Kolbens und noch zu Beginn seiner Aufwärtsbewegung ergibt sich im Zylinderin­ nenraum eine Drallströmung, wie sie durch den Pfeil 9 ange­ deutet ist. Hierbei kann es sich um eine durch die Ausrich­ tung der Gaseinlässe gezielt erzeugte Drallströmung oder um den Restdrall der anders geführten Gasströmung im Zylinder, beispielsweise einer Tumbleströmung handeln. Mit zunehmender Aufwärtsbewegung des Kolbens wird jedoch diese Drallströmung 9 oder der Restdrall durch den immer stärker werdenden Ein­ fluß der Störkanten 6 der Unterbrechungen 7 in ihrer freien Drallbewegung behindert und in der Weise verwirbelt, daß sich eine über den gesamten Brennraum verteilende, nicht gerichte­ te turbulente Strömung im Verbrennungsraum ausbildet. Durch die von den Störkanten 6 begrenzten Seitenflächen der Unter­ brechungen 7 wird von der ursprünglichen Drallströmung in im­ mer stärkerem Maße ein Teil zur Brennraummitte umgelenkt und hier durch das Aufeinandertreffen von mehreren dieser umge­ lenkten Teilströmungen verwirbelt und wieder in Richtung auf die Zylinderwandung umgelenkt, so daß sich bei Zündung des turbulenten Kraftstoff-Luft-Gemisches die Flammenfront auch zügig in die zündkerzenfernen Bereiche ausbreiten kann und so die Klopfgefährdung verringert werden kann.

In den Fig. 3 und 4 ist eine modifizierte Ausführungsform des anhand von Fig. 1 beschriebenen Kolbenbodens für eine Kolben­ brennkraftmaschine mit zwei Gaswechselventilen dargestellt. In diesen Darstellungen sind die Positionen des Gaseinlaßven­ tils 10 und des Gasauslaßventils 11 gezeigt.

Die in bezug auf die Zylinderachse 3 verschobenen Unterbre­ chungen 7.1 sind hierbei in ihrer Breite so dimensioniert, daß der Beginn der Öffnungsbewegung der Gaswechselventile schon in einen Zeitpunkt verlegt werden kann, zu dem sich der Kolben noch im Bereich der oberen Totpunktstellung befindet. Bei dieser Bemessung wirken die Unterbrechungen 7 für den Be­ reich ihrer Tiefe T als Ventilfreigang.

Diese Konzeption läßt sich auch auf Kolbenbrennkraftmaschinen mit vier Gaswechselventilen je Zylinder, d. h. zwei Gasein­ laßventilen 10 und zwei Gasauslaßventilen 11 verwirklichen, wie dies in Fig. 5 angedeutet ist. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist die muldenförmige Vertiefung 1 koaxial zur Zylinderachse 3 ausgerichtet. Eine Zündeinrichtung 4, beispielsweise eine Zündkerze, eine Zündstrahleinrichtung bei einem Gasmotor oder eine Kraftstoffeinspritzdüse bei einem Selbstzündungsmotor, münden im Bereich der Zylinderachse 3 in den Brennraum ein. Die Vertiefungen 7.1 bzw. 7.2 können wie­ derum, wie in Fig. 5 dargestellt, als Ausfräsungen der Quetschfläche 5 hergestellt werden. Durch eine entsprechende andere Führung des Werkzeuges läßt sich jedoch die Geometrie der Störkanten 6 so verändern, daß, wie dargestellt, die Störkanten 6 der Unterbrechungen zumindest über einen Teil ihrer Länge im wesentlichen radial ausgerichtet sind, im Be­ reich des Freigangs aber auch teilweise koaxial zu den Gas­ wechselventilen verlaufen.

Statt der dargestellten Rechteckkontur der Folge von Vertie­ fungen 7 und Quetschflächen 5 kann die Anordnung auch einen wellenartigen Konturverlauf aufweisen. Beispielsweise kann ein ellenartiger Konturverlauf schon dadurch bewirkt werden, daß die Störkanten 6 mehr oder weniger abgerundet ausgeführt sind und ihre Übergänge jeweils zur Bodenfläche der Vertie­ fungen ebenfalls abgerundet ausgeführt sind. Dies kann bis hin zu einer "echten" Wellenform abgewandelt werden.

Statt einer Rechteck- oder Wellenkontur kann auch eine säge­ zahnartige oder eine Folge von Trapezen gebildete Kontur der Folge der Vertiefungen 7 vorgesehen werden. Auch ein Wechsel von scharfkantigen und abgerundeten Störkanten 6 kann zweck­ mäßig sein.

Claims (10)

1. Kolben für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Fremd- oder Selbstzündung, deren Zylinder mit steuerbaren Gaswechselven­ tilen (10, 11) versehene Gasauslässe und Gaseinlässe aufwei­ sen, wobei jeweils die Gaseinlässe (8) dem in den jeweiligen Zylinder einströmenden Gas eine Strömungsrichtung geben, die zumindest teilweise einen um die Zylinderachse (3) ausgerich­ teten Drall aufweist, mit einem Kolbenboden, der eine mulden­ förmige Vertiefung aufweist, die randseitig von einer Quetschfläche (5) begrenzt ist und die wenigstens zwei zumin­ dest über Teilbereiche im wesentlichen radial ausgerichtete, vertiefte Unterbrechungen (7) aufweist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungen (7) der Quetschfläche (5) höchstens eine Tie­ fe aufweisen, die der Tiefe der muldenförmige Vertiefung (1) entspricht.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungen (7) radial ausgerichtete Störkanten (6) aufweisen.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest die Störkanten (6) scharfkantig aus­ gebildet sind.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest die Störkanten (6) abgerundet ausge­ bildet.

6. Kolben nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Unterbrechungen (7.1) vorgesehen sind.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die muldenförmige Vertiefung (1) und/oder die Unterbrechungen (7) gegenüber der Kolbenachse (3) exzentrisch im Kolbenboden angeordnet sind.

8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Tiefe T der Unterbrechungen (7) jeweils et­ wa 3 bis 20% des Kolbendurchmessers beträgt.

9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Form der Unterbrechungen (7) und der der muldenförmigen Vertiefung (1) so bemessen sind, daß die Summe der Quetschflächen (5) insgesamt etwa 15 bis 40% der Kolben­ fläche beträgt.

10. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Unterbrechungen (7) den Gaswechselventilen zugeordnet sind und so bemessen sind, daß sie für den Bereich ihrer Tiefe (T) als Ventilfreigang wirken.