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Dokumentenidentifikation DE102005049443A1 26.04.2007
Titel Kolben für eine Brennkraftmaschine
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Zöller, Herbert, Dipl.-Ing., 70186 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 15.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005049443
Offenlegungstag 26.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.2007
IPC-Hauptklasse F02F 3/00(2006.01)A, F, I, 20051015, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung offenbart einen Kolben (10) für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, der mit einer Kolbenmulde (14) in der einem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) versehen ist, wobei die Kolbenmulde (14) einen inneren ersten Muldenabschnitt (18) und einen äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) aufweist und der innere erste Muldenabschnitt (18) in radialer Richtung nach außen in den äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) übergeht (22), wobei eine Tiefe (T2) des äußeren zweiten Muldenabschnitts (20) von der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) kleiner als eine Tiefe (T1) des inneren ersten Muldenabschnitts (18) von der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) ist. Zur Vergrößerung des Kolbenmuldendurchmessers und Reduzierung des Rußeintrags in das Motoröl ist der äußere zweite Muldenabschnitt (20) im Querschnitt durch eine Ellipsenform oder eine Tropfenform definiert oder der Übergang (22) zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt (18) und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) weist eine geringere Tiefe (T3) von der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) auf als der äußere zweite Muldenabschnitt (20).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, und insbesondere einen Kolben mit einer Kolbenmulde in der einem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens.

Untersuchungen haben gezeigt, dass sich eine spezielle Kolbenmuldengeometrie günstig auf die Gemischbildung im Brennraum, die Reduzierung des Rußeintrags in das Motoröl und die Reduzierung von Rußemissionen auswirkt. Diese spezielle Kolbenmuldengeometrie umfasst einen inneren ersten Muldenabschnitt und einen radial daran angrenzenden äußeren zweiten Muldenabschnitt, wobei eine Tiefe des äußeren zweiten Muldenabschnitts von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens kleiner als eine Tiefe des inneren ersten Muldenabschnitts von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens ist, sodass eine umlaufende Muldenstufe gebildet ist.

So offenbart zum Beispiel die DE 196 49 052 A1 einen derartigen Kolben mit einer Kolbenmulde, bei welcher der äußere zweite Muldenabschnitt im Querschnitt durch eine radial nach außen ansteigende, geradlinige Schräge oder ganz allgemein durch einen stetigen Anstieg mit positiver Steigung gebildet ist.

In der DE 102 61 333 A1 ist ein Kolben der obigen Art mit einer Kolbenmulde beschrieben, bei welcher der äußere zweite Muldenabschnitt durch einen an den inneren ersten Muldenabschnitt angrenzenden horizontalen Abschnitt gebildet ist, der über eine im Querschnitt Kreisform zu der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens vertikal ausläuft.

Eine ähnliche Kolbenmuldenstufe ist aus der JP-A-2004-190573 bekannt, wobei in diesem Fall der innere erste Muldenabschnitt durch zwei Muldenabschnitte mit unterschiedlichen Tiefen von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens gebildet ist.

Die JP-A-2001-082150 beschreibt einen Kolben mit einer Kolbenmulde, bei welcher der radial äußere Rand der Kolbenmulde in Richtung zu der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens in zwei Abschnitten radial nach innen eingezogen ist. Eine Kolbenmuldenstufe im obigen Sinne liegt hier nicht vor.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben mit einer eingangs beschriebenen Kolbenmulde vorzusehen, der eine weitere Reduzierung des Rußeintrags in das Motoröl und eine weitere Verbesserung der Gemischbildung im Brennraum bewirkt.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Kolben für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung weist eine Kolbenmulde in der einem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens auf, wobei die Kolbenmulde einen inneren ersten Muldenabschnitt und einen äußeren zweiten Muldenabschnitt aufweist und der innere erste Muldenabschnitt in radialer Richtung nach außen in den äußeren zweiten Muldenabschnitt übergeht, wobei eine Tiefe des äußeren zweiten Muldenabschnitts von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens kleiner als eine Tiefe des inneren ersten Muldenabschnitts von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens ist, sodass eine umlaufende Kolbenmuldenstufe gebildet ist. Der äußere zweite Muldenabschnitt ist dabei im Querschnitt speziell durch eine Ellipsenform definiert.

Vorzugsweise ist der Übergang zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt dabei als Radienübergang ausgebildet, und ein Verhältnis zwischen den beiden Radien der Ellipsenform des äußeren zweiten Muldenabschnitts liegt im Bereich von etwa 1,2 bis etwa 3, bevorzugter von etwa 1,25 bis etwa 2,7.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.

Der Kolben für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung weist eine Kolbenmulde in der einem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens auf, wobei die Kolbenmulde einen inneren ersten Muldenabschnitt und einen äußeren zweiten Muldenabschnitt aufweist und der innere erste Muldenabschnitt in radialer Richtung nach außen in den äußeren zweiten Muldenabschnitt übergeht, wobei eine Tiefe des äußeren zweiten Muldenabschnitts von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens kleiner als eine Tiefe des inneren ersten Muldenabschnitts von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens ist, sodass eine umlaufende Kolbenmuldenstufe gebildet ist. Der äußere zweite Muldenabschnitt ist dabei im Querschnitt speziell durch eine Tropfenform definiert.

Vorzugsweise ist in diesem Fall der Übergang zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt als Radienübergang ausgebildet, und eine Mittelachse der Tropfenform des äußeren zweiten Muldenabschnitts ist gegenüber der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens radial nach außen um einen Winkel im Bereich von etwa 1° bis etwa 5°, bevorzugter von etwa 1° bis etwa 3° nach unten geneigt.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Der Kolben für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung weist eine Kolbenmulde in der einem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens auf, wobei die Kolbenmulde einen inneren ersten Muldenabschnitt und einen äußeren zweiten Muldenabschnitt aufweist und der innere erste Muldenabschnitt in radialer Richtung nach außen in den äußeren zweiten Muldenabschnitt übergeht, wobei eine Tiefe des äußeren zweiten Muldenabschnitts von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens kleiner als eine Tiefe des inneren ersten Muldenabschnitts von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens ist, sodass eine umlaufende Kolbenmuldenstufe gebildet ist. Der Übergang zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt weist dabei eine geringere Tiefe von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens auf als der äußere zweite Muldenabschnitt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der äußere zweite Muldenabschnitt in diesem Fall im Querschnitt angrenzend an den Übergang zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt eine radial nach außen abwärts geneigte Schräge auf. Diese Schräge des äußeren zweiten Muldenabschnitts ist zum Beispiel gegenüber der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens radial nach außen um einen Winkel im Bereich von etwa 2° bis etwa 15°, vorzugsweise von etwa 3° bis etwa 12° nach unten geneigt.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Übergang zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt im Querschnitt als eine aufgesetzte Kreisform ausgebildet, und ein Verhältnis zwischen einem Durchmesser der Kreisform des Übergangs und einer Tiefe des äußeren zweiten Muldenabschnitts von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens liegt beispielsweise im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 1,85, vorzugsweise von etwa 0,6 bis etwa 1,7.

Der erfindungsgemäße Kolben mit den Kolbenmuldengeometrien der drei oben erläuterten Aspekte ermöglicht im Vergleich zu den eingangs genannten herkömmlichen Kolben mit Kolbenmulde jeweils einen größeren Kolbenmuldendurchmesser, wodurch die freie Strahllänge des Kraftstoffeinspritzstrahls verlängert werden kann, was sich positiv auf die Gemischbildung im Brennraum auswirkt. Das Verdichtungsverhältnis muss dabei auch nicht verkleinert werden, was sonst zu einem schlechteren Kaltstartverhalten und zu Weißrauchbildung führen würde. Außerdem kann aufgrund der Geometrie des äußeren zweiten Muldenabschnitts der Rußeintrag in das Motoröl weiter vermindert werden. Schließlich wird auch jeweils eine Motorölauswaschung aus den Hohnriefen der Zylinderwand reduziert, welches sonst an der Verbrennung teilnehmen und zu einer erhöhten Rußemission führen würde.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein maximaler Durchmesser des inneren ersten Muldenabschnitts größer ausgebildet als ein Durchmesser der radialen Innenkante des Übergangs zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt, sodass ein Hinterschnitt gebildet ist. Der Durchmesser der radialen Innenkante des Übergangs zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt ist in diesem Fall beispielsweise um bis zu etwa 10%, vorzugsweise bis zu etwa 7% kleiner als der maximale Durchmesser des inneren ersten Muldenabschnitts ausgebildet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung geht der äußere zweite Muldenabschnitt in radialer Richtung nach außen in die dem Brennraum zugewandte Stirnseite des Kolbens über. Vorzugsweise ist dieser Übergang ebenfalls als ein Radienübergang ausgebildet.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der innere erste Muldenabschnitt im Wesentlichen torusförmig ausgebildet.

In einer Ausführungsvariante ist der innere erste Muldenabschnitt im Querschnitt durch eine Tropfenform definiert. In diesem Fall ist zum Beispiel eine Mittelachse dieser Tropfenform gegenüber der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens radial nach außen um einen Winkel im Bereich von etwa 10° bis etwa 25°, vorzugsweise von etwa 12° bis etwa 20° nach unten geneigt. Außerdem schließt in diesem Fall zum Beispiel eine Tangente an die Unterseite dieser Tropfenform zu einer Längsmittelachse des Kolbens einen Winkel im Bereich von etwa 60° bis etwa 85°, vorzugsweise von etwa 65° bis etwa 80° ein.

In einer anderen Ausführungsvariante ist der innere erste Muldenabschnitt im Querschnitt durch eine Ellipsenform definiert. In diesem Fall kann eine große Achse dieser Ellipsenform gegenüber der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens radial nach außen um einen Winkel im Bereich von etwa 10° bis etwa 25°, vorzugsweise von etwa 12° bis etwa 20° nach unten geneigt sein. Außerdem kann in diesem Fall ein Verhältnis zwischen den beiden Radien dieser Ellipsenform im Bereich von etwa 2 bis etwa 10, vorzugsweise von etwa 2,5 bis etwa 7,5 liegen.

In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt eine Tiefe des inneren ersten Muldenabschnitts von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens im Bereich von etwa 10 mm bis etwa 20 mm, vorzugsweise von etwa 11,5 mm bis etwa 15 mm. Eine Tiefe des äußeren zweiten Muldenabschnitts von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Kolbens liegt dagegen zum Beispiel im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 7 mm, vorzugsweise von etwa 3 mm bis etwa 5 mm.

Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:

1 eine schematische Teilquerschnittsansicht eines Kolbens mit einer Kolbenmulde gemäß der vorliegenden Erfindung;

2 eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht der Einzelheit X von 1 eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kolbenmuldengeometrie gemäß der vorliegenden Erfindung;

3 eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht der Einzelheit X von 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Kolbenmuldengeometrie gemäß der vorliegenden Erfindung;

4 eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht der Einzelheit X von 1 einer Variante des zweiten Ausführungsbeispiels von 3;

5 eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht der Einzelheit X von 1 eines dritten Ausführungsbeispiels einer Kolbenmuldengeometrie gemäß der vorliegenden Erfindung;

6 eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht der Einzelheit X von 1 eines vierten Ausführungsbeispiels einer Kolbenmuldengeometrie gemäß der vorliegenden Erfindung; und

7 eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht der Einzelheit X von 1 zur Erläuterung einer Modifikation der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.

Anhand von 1 wird zunächst der Grundaufbau eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung näher erläutert, bei dem die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise eingesetzt wird.

Der sich in einem Zylinder hin und her bewegende Kolben 10 definiert zusammen mit der Zylinderwand (nicht dargestellt) einen Brennraum 12. In der dem Brennraum 12 zugewandten Stirnseite 16 des Kolbens 10 ist eine Kolbenmulde 14 mit einer speziellen Kolbenmuldengeometrie ausgebildet. Eine Einspritzdüse (nicht dargestellt) ist in üblicher Weise im Wesentlichen auf der Längsmittelachse 15 des Kolbens 10 oberhalb desselben angeordnet.

Die Kolbenmulde 14 weist insbesondere einen inneren ersten Muldenabschnitt 18 und einen äußeren zweiten Muldenabschnitt 20 auf, die in radialer Richtung ineinander übergehen (22). Der äußere zweite Muldenabschnitt 20 geht wiederum in die Stirnseite 16 über (24).

Die (maximale) Tiefe T1 des inneren ersten Muldenabschnitts 18 von der dem Brennraum 12 zugewandten Stirnseite 16 des Kolbens 10 ist größer bemessen als die (maximale) Tiefe T2 des äußeren zweiten Muldenabschnitts 20 von der dem Brennraum 12 zugewandten Stirnseite 16 des Kolbens 10. Der Durchmesser der Kolbenmulde 14 ist mit D1 bezeichnet, und der (maximale) Durchmesser des inneren ersten Muldenabschnitts 18 ist mit D2 bezeichnet. Typische Werte für den Durchmesser D1 der Kolbenmulde 14 liegen im Bereich von etwa 80 mm bis etwa 90 mm, und für den Durchmesser D2 des inneren ersten Muldenabschnitts 18 im bereich von etwa 70 mm bis etwa 80 mm. Die Tiefe T1 des inneren ersten Muldenabschnitts 18 beträgt von etwa 10 mm bis etwa 20 mm, bevorzugter von etwa 11,5 mm bis etwa 15 mm, und die Tiefe T2 des äußeren zweiten Muldenabschnitts 20 beträgt von etwa 2 mm bis etwa 7 mm, bevorzugter von etwa 3 mm bis etwa 5 mm.

Unter Bezugnahme auf 2 bis 7 werden nachfolgend verschiedene Ausführungsbeispiele der Kolbenmuldenstufe entsprechend der vergrößerten Einzelheit X von 1 näher beschrieben.

Im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 2 veranschaulicht ist, ist der äußere zweite Muldenabschnitt 20 durch eine Ellipsenform definiert. Der kleinere Radius der Ellipsenform beträgt zum Beispiel etwa 3 bis 4 mm, und der größere Radius der Ellipsenform beträgt zum Beispiel etwa 5 bis 8 mm, sodass sich ein Radienverhältnis dieser Ellipsenform für den äußeren zweiten Muldenabschnitt 20 von etwa 1,2 bis etwa 3, bevorzugter von etwa 1,25 bis etwa 2,7 ergibt.

Während in dem Ausführungsbeispiel von 2 der äußere zweite Muldenabschnitt 20 durch eine liegende Ellipsenform definiert wird, ist es ebenso möglich, diesen durch eine stehende, d.h. um 90° gedrehte Ellipsenform zu bilden.

Sowohl der Übergang 22 zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt 18 und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt 20 als auch der Übergang 24 zwischen dem äußeren zweiten Muldenabschnitt 20 und der dem Brennraum 12 zugewandten Stirnseite 16 des Kolbens 10 sind nicht durch Tangenten gebildet, sondern als Radienübergänge ausgeformt. Dabei liegt der Radius R1 des Übergangs 22 zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt 18 und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt 20 beispielsweise im Bereich von etwa 2 mm, und der Radius R2 des Übergangs 24 zwischen dem äußeren zweiten Muldenabschnitt 20 und der dem Brennraum 12 zugewandten Stirnseite 16 des Kolbens 10 liegt beispielsweise im Bereich von etwa 1,5 bis 2 mm.

Der innere erste Muldenabschnitt 18 der Kolbenmulde 14 kann im ersten Ausführungsbeispiel allgemein torusförmig ausgebildet sein oder kann im Querschnitt durch eine Tropfenform oder eine Ellipsenform definiert sein, wie dies weiter unten in Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel näher erläutert wird.

Es werden nun Bezug nehmend auf 3 und 4 zwei Varianten eines zweiten Ausführungsbeispiels der Kolbenmuldenstufe gemäß der Erfindung näher beschrieben.

In den Ausführungsbeispielen von 3 und 4 ist der äußere zweite Muldenabschnitt 20 jeweils durch eine Tropfenform definiert, wie durch die gestrichelte Kurve in 3 angedeutet. Der Übergang 22 zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt 18 und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt 20 ist beispielsweise in Form eines Radienübergangs ausgebildet, wie im ersten Ausführungsbeispiel.

Eine Mittelachse 29 dieser Tropfenform des äußeren zweiten Muldenabschnitts 20 ist gegenüber der dem Brennraum 12 zugewandten Stirnseite 16 des Kolbens 10, die im Wesentlichen horizontal verläuft, um einen Winkel &agr; in der Richtung radial nach außen abwärts geneigt. Dieser Winkel &agr; liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1° bis etwa 5°, bevorzugter von etwa 1° bis etwa 3°.

Die beiden Varianten der Kolbenmuldengeometrie von 3 und 4 stimmen in der Ausbildung des äußeren zweiten Muldenabschnitts 20 überein, unterscheiden sich aber hinsichtlich des inneren ersten Muldenabschnitts 18. In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist der innere erste Muldenabschnitt 18 im Querschnitt ebenfalls durch eine Tropfenform definiert. Die Mittelachse 30 dieser Tropfenform des inneren ersten Muldenabschnitts 18 ist gegenüber der dem Brennraum 12 zugewandten Stirnseite 16 des Kolbens 10 um einen Winkel &bgr; in der Richtung radial nach außen abwärts geneigt. Dieser Winkel &bgr; liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 10° bis etwa 25°, bevorzugter von etwa 12° bis etwa 20°.

Der Kreisradius R3 an der Spitze dieser Tropfenform beträgt zum Beispiel etwa 6 bis 8 mm. Ferner schließt eine Tangente an die Unterseite der Tropfenform des inneren ersten Muldenabschnitts 18 mit der Längsmittelachse 15 des Kolbens 10 einen Winkel &ggr; ein, der vorzugsweise im Bereich von etwa 60° bis etwa 85°, bevorzugter im Bereich von etwa 65° bis etwa 80° liegt.

In der in 4 gezeigten Variante dieses zweiten Ausführungsbeispiels ist der innere erste Muldenabschnitt 18 dagegen durch eine Ellipsenform definiert. Diese Ellipsenform ist zum Beispiel durch zwei Radien R4 und R5 definiert, wie in 4 dargestellt, die zum Beispiel in den Bereichen von etwa 5 bis 8 mm für R4 und etwa 20 bis 35 mm für R5 liegen. Damit ergibt sich für das Radienverhältnis der Ellipsenform ein Bereich von etwa 2 bis etwa 10, bevorzugter von etwa 2,5 bis etwa 7,5.

Die Neigung &bgr; der Mittelachse 30 dieser Ellipsenform gegenüber der Stirnseite 16 des Kolbens 10 entspricht jener von 3. Ferner gelten die Angaben zu den Tiefen T1 und T2 der beiden Muldenabschnitte 18 und 20 aus dem ersten Ausführungsbeispiel von 2 auch für das zweite Ausführungsbeispiel von 3 und 4. Wie bereits erwähnt, sind anders herum die beiden Varianten des inneren ersten Muldenabschnitts 18, die unter Bezugnahme auf 3 und 4 erläutert wurden, analog auf das erste Ausführungsbeispiel von 1 anwendbar.

In dem obigen Ausführungsbeispiel von 3 und 4 ist die Tropfenform des ersten bzw. zweiten Muldenabschnitts 18, 20 jeweils so gebildet, dass die Spitze bzw. der Anfang der Tropfenform auf der Längsmittelachse 15 des Kolbens 10 in Höhe der Stirnwand 16 liegt. Es ist aber ebenso möglich, diese Spitze der Tropfenform in der Höhe des Ausgangs der Einspritzdüse (nicht dargestellt) im Brennraum 12 zu positionieren. Außerdem können die Tropfenformen insbesondere auch einen Einspritzstrahl aus der Einspritzdüse nachbilden.

Bezug nehmend auf 5 und 6 werden anschließend ein drittes bzw. ein viertes Ausführungsbeispiel der Kolbenmulde 14 gemäß der Erfindung näher erläutert.

Dem dritten und dem vierten Ausführungsbeispiel gemeinsam ist, dass der Übergang 22 zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt 18 und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt 20 eine (minimale) Tiefe T3 von der dem Brennraum 12 zugewandten Stirnseite 16 des Kolbens 10 aufweist, die kleiner ist als die (maximale) Tiefe T2 des äußeren zweiten Muldenabschnitts 20 von der dem Brennraum 12 zugewandten Stirnseite 16 des Kolbens 10. Mit anderen Worten ist der Übergang 22 zwischen den beiden Muldenabschnitten 18 und 20 gegenüber dem äußeren zweiten Muldenabschnitt 20 erhöht.

In dem Ausführungsbeispiel von 5 ist der äußere zweite Muldenabschnitt 20 mit einer (im Wesentlichen geradlinigen) Schräge 26 ausgebildet, die an den Übergang 22 angrenzt und die in radialer Richtung nach außen abfällt. Die Schräge 26 ist dabei um einen Winkel &dgr; gegenüber der dem Brennraum 12 zugewandten Stirnseite 16 des Kolbens geneigt, der beispielsweise in einem Bereich von etwa 2° bis etwa 15°, bevorzugter von etwa 3° bis etwa 12° liegt. Die Schräge 26 sollte nicht stärker geneigt sein, damit das Gemisch in der Kolbenmuldenstufe nicht zu fett wird.

Die Dimensionen für die Muldentiefen T1, T2 und die Durchmesser D1, D2 liegen auch in dieser Ausführungsform in den oben angegebenen Bereichen.

6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Übergang 22 zwischen den beiden Muldenabschnitten 18 und 20 im Querschnitt durch eine aufgesetzte Kreisform ausgebildet ist.

Während die Tiefe T2 des äußeren zweiten Muldenabschnitts 20 von der Stirnseite 16 zum Beispiel etwa 3 bis 5 mm beträgt, liegt der Durchmesser D3 der aufgesetzten Kreisform des Übergangs im Bereich von etwa 3 mm bis etwa 5 mm. Auf diese Weise ergibt sich für das Verhältnis zwischen dem Durchmesser D3 der Kreisform des Übergangs 22 und der Tiefe T2 des äußeren zweiten Muldenabschnitts 20 ein Wert zwischen etwa 0,5 und 1,85, bevorzugter zwischen etwa 0,6 und 1,7.

In 7 ist nun eine Modifikation der Kolbenmuldengeometrie veranschaulicht, die auf alle oben erläuterten Ausführungsbeispiele der Erfindung anwendbar ist.

Wie in 7 dargestellt, ist der (maximale) Durchmesser D2 des inneren ersten Muldenabschnitts 18 größer ausgebildet als ein Durchmesser D4 der radialen Innenkante des Übergangs 22 zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt 18 und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt 20, sodass im Bereich dieses Übergangs 22 ein Hinterschnitt 28 geformt ist.

Die radiale Größe des Hinterschnitts 28 ist zwischen 0 und maximal etwa 5 mm gewählt. Je nach dem Durchmesser D2 des inneren ersten Muldenabschnitts 18 ist der Durchmesser D4 der radialen Innenkante des Übergangs 22 somit um bis zu etwa 10%, vorzugsweise bis zu etwa 7% kleiner als der maximale Durchmesser D2 des inneren ersten Muldenabschnitts 18.

Allen oben beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass die spezielle Kolbenmuldengeometrie zu einer weiteren Minderung des Rußeintrags in das Motoröl und zu einer Vergrößerung des erzielbaren Muldendurchmessers führt, was aufgrund der längeren freien Strahllänge des Einspritzstrahls in einer günstigeren Gemischbildung resultiert.


Anspruch[de]
Kolben (10) für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, mit einer Kolbenmulde (14) in der einem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10), wobei die Kolbenmulde (14) einen inneren ersten Muldenabschnitt (18) und einen äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) aufweist und der innere erste Muldenabschnitt (18) in radialer Richtung nach außen in den äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) übergeht (22), wobei eine Tiefe (T2) des äußeren zweiten Muldenabschnitts (20) von der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) kleiner als eine Tiefe (T1) des inneren ersten Muldenabschnitts (18) von der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere zweite Muldenabschnitt (20) im Querschnitt durch eine Ellipsenform definiert ist. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (22) zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt (18) und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) als Radienübergang ausgebildet ist. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen den beiden Radien der Ellipsenform des äußeren zweiten Muldenabschnitts (20) im Bereich von etwa 1,2 bis etwa 3, vorzugsweise von etwa 1,25 bis etwa 2,7 liegt. Kolben (10) für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, mit einer Kolbenmulde (14) in der einem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10), wobei die Kolbenmulde (14) einen inneren ersten Muldenabschnitt (18) und einen äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) aufweist und der innere erste Muldenabschnitt (18) in radialer Richtung nach außen in den äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) übergeht (22), wobei eine Tiefe (T2) des äußeren zweiten Muldenabschnitts (20) von der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) kleiner als eine Tiefe (T1) des inneren ersten Muldenabschnitts (18) von der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere zweite Muldenabschnitt (20) im Querschnitt durch eine Tropfenform definiert ist. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (22) zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt (18) und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) als Radienübergang ausgebildet ist. Kolben nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittelachse (29) der Tropfenform des äußeren zweiten Muldenabschnitts (20) gegenüber der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) radial nach außen um einen Winkel (&agr;) im Bereich von etwa 1° bis etwa 5°, vorzugsweise von etwa 1° bis etwa 3° nach unten geneigt ist. Kolben (10) für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, mit einer Kolbenmulde (14) in der einem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10), wobei die Kolbenmulde (14) einen inneren ersten Muldenabschnitt (18) und einen äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) aufweist und der innere erste Muldenabschnitt (18) in radialer Richtung nach außen in den äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) übergeht (22), wobei eine Tiefe (T2) des äußeren zweiten Muldenabschnitts (20) von der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) kleiner als eine Tiefe (T1) des inneren ersten Muldenabschnitts (18) von der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (22) zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt (18) und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) eine geringere Tiefe (T3) von der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) aufweist als der äußere zweite Muldenabschnitt (20). Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere zweite Muldenabschnitt (20) im Querschnitt angrenzend an den Übergang (22) zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt (18) und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) eine radial nach außen abwärts geneigte Schräge (26) aufweist. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schräge (26) des äußeren zweiten Muldenabschnitts (20) gegenüber der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) radial nach außen um einen Winkel (&dgr;) im Bereich von etwa 2° bis etwa 15°, vorzugsweise von etwa 3° bis etwa 12° nach unten geneigt ist. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (22) zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt (18) und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) im Querschnitt als eine aufgesetzte Kreisform ausgebildet ist. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen einem Durchmesser (D3) der Kreisform des Übergangs (22) und einer Tiefe (T2) des äußeren zweiten Muldenabschnitts (20) von der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 1,85, vorzugsweise von etwa 0,6 bis etwa 1,7 liegt. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Durchmesser (D2) des inneren ersten Muldenabschnitts (18) größer ist als ein Durchmesser (D4) der radialen Innenkante des Übergangs (22) zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt (18) und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt (20), sodass ein Hinterschnitt (28) gebildet ist. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D4) der radialen Innenkante des Übergangs (22) zwischen dem inneren ersten Muldenabschnitt (18) und dem äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) um bis zu etwa 10%, vorzugsweise bis zu etwa 7% kleiner ist als der maximale Durchmesser (D2) des inneren ersten Muldenabschnitts (18). Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass der äußere zweite Muldenabschnitt (20) in radialer Richtung nach außen in die dem Brennraum (12) zugewandte Stirnseite (16) des Kolbens (10) übergeht (24). Kolben nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (24) zwischen dem äußeren zweiten Muldenabschnitt (20) und der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) als Radienübergang ausgebildet ist. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der innere erste Muldenabschnitt (18) im Wesentlichen torusförmig ausgebildet ist. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der innere erste Muldenabschnitt (18) im Querschnitt durch eine Tropfenform definiert ist. Kolben nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittelachse der Tropfenform des inneren ersten Muldenabschnitts (18) gegenüber der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) radial nach außen um einen Winkel (&bgr;) im Bereich von etwa 10° bis etwa 25°, vorzugsweise von etwa 12° bis etwa 20° nach unten geneigt ist. Kolben nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tangente an die Unterseite der Tropfenform des inneren ersten Muldenabschnitts (18) zu einer Längsmittelachse (15) des Kolbens (10) einen Winkel (&ggr;) im Bereich von etwa 60° bis etwa 85°, vorzugsweise von etwa 65° bis etwa 80° einschließt. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der innere erste Muldenabschnitt (18) im Querschnitt durch eine Ellipsenform definiert ist. Kolben nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine große Achse der Ellipsenform des inneren ersten Muldenabschnitts (18) gegenüber der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) radial nach außen um einen Winkel (&bgr;) im Bereich von etwa 10° bis etwa 25°, vorzugsweise von etwa 12° bis etwa 20° nach unten geneigt ist. Kolben nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen den beiden Radien der Ellipsenform des inneren ersten Muldenabschnitts (18) im Bereich von etwa 2 bis etwa 10, vorzugsweise von etwa 2,5 bis etwa 7,5 liegt. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe (T1) des inneren ersten Muldenabschnitts (18) von der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) im Bereich von etwa 10 mm bis etwa 20 mm, vorzugsweise von etwa 11,5 mm bis etwa 15 mm liegt. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe (T2) des äußeren zweiten Muldenabschnitts (20) von der dem Brennraum (12) zugewandten Stirnseite (16) des Kolbens (10) im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 7 mm, vorzugsweise von etwa 3 mm bis etwa 5 mm liegt.






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