DE102009025404A1

DE102009025404A1 - Kolben für ventilgesteuerte Hubkolben-Dieselbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102009025404A1
Application number: DE102009025404A
Authority: DE
Inventors: Carsten Dr.-Ing. Baumgarten; Christof Dr.-Ing. Gietzelt; Jörg Dr.-Ing. Heiermann
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2029-06-17
Also published as: DE102009025404B4

Abstract

Ein Kolben (1) für ventilgesteuerte Hubkolben-Dieselbrennkraftmaschinen (4) ist mit einer über eine Böschung (28) in den Kolbenboden (15) auslaufenden Ringstufe (26) ausgebildet, die randseitig umschließend zu einer Kolbenmulde (17) vorgesehen ist, welchen einen eine abgeflachte Scheitelfläche (20) aufweisenden Dom (19) aufnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für ventilgesteuerte Hubkolben-Dieselbrennkraftmaschinen, sowie mit solchen Kolben arbeitende Dieselbrennkraftmaschinen.
Kolben der vorgenannten Art sind beispielsweise aus der DE 202 21 786 U1 sowie auch aus der AT 007 204 U1 bekannt. Diese Kolben weisen randseitig zu ihrer gegen den ebenen Kolbenboden offenen Kolbenmulde eine Ringstufe auf, deren vom Muldenrand ausgehende Ringfläche radial außen in eine gegen den Kolbenboden gerichtete Ringwand übergeht. Die Kolbenmulde ist zentral mit einem von ihrem Boden aufragenden Dom versehen, dessen kegelförmiger Mantel über eine Verrundung in die im Muldenrand auslaufende Ringwand der Kolbenmulde übergeht.
Im Falle der DE 202 21 786 U1 ist der Scheitel des Domes verrundet, im Falle der AT 007 204 U1 wird der Scheitel des Domes durch die in der Kegelspitze zusammenlaufende Mantelfläche des Domes gebildet, wobei der Dom in beiden Fällen die Grundform eines flachen Kegels aufweist.
Aus der JP 2000 145461 A ist eine ventilgesteuerte Dieselbrennkraftmaschine bekannt, deren Hubkolben eine gegen den ebenen Kolbenboden offene und randseitig in diesen übergehende Kolbenmulde aufweist, die kolbenbodenseitig einen aufragenden kegelförmigen Dom aufnimmt, der beabstandet zur Kolbenbodenfläche in einer zu dieser parallelen Scheitelfläche ausläuft.
Kolben der genannten Art beeinflussen durch ihre Geometrie die Gemischbildung und den Verbrennungsablauf, somit auch die Emission von Partikeln und Stickoxiden sowie den Verbrauch in hohem Maße, bedingen wegen der komplexen Verhältnisse einen hohen Entwicklungsaufwand und können trotzdem insbesondere in Berücksichtigung der diesbezüglich ständig steigenden Anforderungen in den bislang bekannten Ausgestaltungen nur bedingt befriedigen.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Kolben der eingangs genannten Art insbesondere im Hinblick auf die genannten Kriterien in ihrer Gestaltung zu verbessern, wobei schon die Auslegung der Kolben – auch in Beziehung zu einer jeweiligen Brennkraftmaschine – unter Rückgriff auf Vorgaben für solche Kriterien erleichtert werden, insbesondere deren konstruktive Ausbildung auch mit verringertem Aufwand durchführbar sein soll. Des Weiteren betrifft die Erfindung Kolben als solche und auch Brennkraftmaschinen, die mit erfindungsgemäßen Kolben ausgerüstet sind.
Für einen Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist hierzu zunächst vorgesehen, im Übergang von der Ringwand zum Kolbenboden eine die Ringwand randseitig umschließende, gegen den Kolbenboden auslaufende Böschung vorzusehen. Diese hat, insbesondere in der Expansionsphase, die Ausbildung eines gegen den Kolbenboden gerichteten und in Richtung auf die Kolbenmulde zurückströmenden Wirbels in Form einer Ringwalze zur Folge. Dies trägt zu einer gleichmäßigen Gemischbildung bei und begünstigt die Konzentration der Verbrennung im zentralen Bereich des vom Kolben abgegrenzten Brennraumes. Gleichzeitig wird durch diese Wirbelbildung der Wandanlagerung von Kraftstofftröpfchen an der den Brennraum umgrenzten Zylinderwandung entgegengewirkt. Ferner wirkt sich die Konzentration der Verbrennung auf den zentralen Bereich günstig auf den Wirkungsgrad aus, da die Wärmeübertragung insbesondere über die Zylinderwand auf das Kühlsystem reduziert wird.
Insbesondere in Verbindung mit einer derartigen, über die Böschung erreichten Wirbelbildung erweist es sich als zweckmäßig, den Dom mit einer abgeflachten, zumindest in Annäherung zur Ringfläche der Ringstufe parallelen Scheitelfläche zu versehen und in der Dimensionierung so auszulegen, dass der Dom, begrenzt durch die Scheitelfläche, etwa an die die Ringfläche enthaltende radiale Ebene heranreicht. Der Dom kann bei dieser Ausgestaltung für Anteile des in Richtung auf die Kolbenmulde eingespritzten Kraftstoffes eine Prall- und/oder Verdampfungsfläche bilden. Über die Umgrenzung durch die Mulde sowie auch durch die Rückströmung des Gemisches auf die Mulde bleibt im Wesentlichen sichergestellt, dass sich im Wesentlichen kein Kraftstoff an der zum Brennraum umgrenzenden Zylinderwand niederschlägt.
Für die Kolbenmulde erweist sich insbesondere in Verbindung mit solchen Ausgestaltungen eine Ausbildung mit zum Muldenrand sich verringernder Querschnittsfläche, insbesondere mit im Bereich des Muldenrandes leichter Einschnürung als zweckmäßig.
Durch die Kolbenausgestaltung optimierte Gemischbildungsverhältnisse sind insbesondere dadurch zu erreichen, dass der Abstand H2 der Scheitelfläche des Domes vom Kolbenboden zum Durchmesser D1 des Kolbens ein Verhältnis von 0,05 < H2/D1 < 0,10 aufweist.
Weiter auch dadurch, dass der Durchmesser D6 der Scheitelfläche des Domes zum Durchmesser D1 des Kolbens, zum Durchmesser D4 der Kolbenmulde, zum Durchmesser D5 des Randes der Kolbenmulde und/oder zum Durchmesser D2 des Übergangs der Böschung in den Kolbenboden jeweils in einem vorgegebenen Verhältnis ausgebildet wird und durch diese Verhältnisse sowohl einzeln als insbesondere auch in ihrer Kombination eine vorteilhafte Sprayausbildung und Sprayverteilung zu erreichen ist und durch diese Verhältnisse insbesondere in ihrer Gesamtheit unmittelbar die Gemischaufbereitung zu beeinflussen ist.
Weitere zweckmäßige, vorgegebene Verhältniszahlen betreffen den Durchmesser D3 der Ringwand der Ringstufe zum Durchmesser D2 des Übergangs der Böschung in den Kolbenboden sowie den Abstand H3 der Ringfläche der Ringstufe zum Abstand H2 der Scheitelfläche des Domes zum Kolbenboden. Diese Durchmesserverhältnisse stehen teilweise wiederum in besonderer Beziehung zueinander.
In Berücksichtigung der durch die Verhältniszahlen für die jeweiligen Geometrieverhältnisse vorgegebenen Bereiche sind auch einzelfallbezogen Schwerpunkte zu setzen. So ist über das Verhältnis des Abstandes H3 des Kolbenbodens zur Ringfläche der Ringstufe zum Abstand H1 des Kolbenbodens zum Kolbenbodengrund insbesondere auf die NOX-Emissionen und die Schwärzung Einfluss zu nehmen, wobei ausgehend vom Verhältnis 0,25 < H3/H1 < 0,30 bei Überschreiten des dimensionslosen Wertes 0,3 ein überproportionaler Anstieg der NOX-Emissionen zu erwarten ist und bei Unterschreiten des dimensionslosen Wertes 0,25 ein überproportionaler Anstieg der Schwärzung.
Dies korreliert mit einer Festlegung des Verhältnisses für den Durchmesser D5 des Muldenrandes zum Durchmesser D1 des Kolbens gemäß der Beziehung 0,5 < D5/D1 < 0,6. Hier lässt sich bei Überschreiten des dimensionslosen Wertes 0,6 ein überproportionaler Anstieg der Schwärzung erwarten, und bei Unterschreiten des dimensionslosen Wertes 0,5 ein überproportionaler Anstieg der NOX-Emissionen.
Weiter erweisen sich bezüglich der Geometrie des Kolbens insbesondere ergänzend auch Winkelvorgaben als zweckmäßig, um zu angestrebten, im Hinblick auf Partikelemissionen, Stickoxidemissionen und Verbrauch günstigen Werten zu kommen. So ist es zweckmäßig, wenn für den Mantel des kegelförmigen Domes ein zum Kolbenumfang offener Winkel W1 gegenüber dem Kolbenboden in der Größenordnung von 25 bis 35° vorgesehen wird, entsprechend einem Kegelwinkel zwischen etwa 130 und 110°. Für die Böschung erweist sich eine Neigung zum Kolbenboden unter einem zum Kolbenumfang offenen Winkel W2 von 10° bis 25°, insbesondere von 15 bis 20°, als zweckmäßig.
Die Ausbildung des Hubkolbens entsprechend vorstehenden Vorgaben macht diesen insbesondere für den Einsatz in Brennkraftmaschinen mit Ventilanordnungen geeignet, bei denen die Ventile symmetrisch zur Kolbenachse gruppiert sind und bei denen seitens des Kolbens in dessen Bodenbereich vertieft liegende Ventiltaschen ausgebildet werden.
In Anbetracht der seitens des Kolbens gegebenen Geometrieverhältnisse mit einem Kolbenboden, dessen Bodenebene durch einen verhältnismäßig schmalen, zur Böschung umschließenden Rand bestimmt ist, ergeben sich durch die Ventiltaschen im Wesentlichen nur innerhalb dieses Randbereiches taschenförmige, in der Draufsicht halbmondförmige, sich gegen die Kolbenmulde aufweitende Vertiefungen. Bezogen auf die angesprochenen Geometrieverhältnisse des Kolbens erweist sich eine Auslegung der Ventiltaschen, und eine entsprechende Anordnung der Ventile, als zweckmäßig, bei der für die Tiefe T_VT der Ventiltaschen zum Durchmesser D6 der Scheitelfläche des Domes das Verhältnis 0,05 < T_VT/D6 < 1,0 gilt und hierzu entsprechend für den Durchmesser D_VT der Ventiltaschen zum Durchmesser D1 des Kolbens das Verhältnis 0,2 < D_VT/D1 < 0,5. In Berücksichtigung dieser Verhältnisse, einzeln, insbesondere aber in Kombination, führen auch die Ventiltaschen zumindest zu keiner wesentlichen Beeinträchtigung der für die Gemischbildung angestrebten Strömungsverhältnisse, sondern können diese sogar begünstigen, insbesondere bei auch gegen den Kolbenrand offener Ausbildung.
Kolben in vorbeschriebener Ausgestaltung sind insbesondere zum Einsatz in Dieselbrennkraftmaschinen vorgesehen, die eine zentrale, und damit über der Kolbenmulde stehende Einspritzdüse aufweisen, welche als Sieben-Loch-Einspritzdüse ausgestaltet ist. Diese weist zweckmäßigerweise einen Spritzkegelwinkel von 150° auf, so dass der Spritzkegelwinkel betragsmäßig etwa dem Kegelwinkel eines Kegels entspricht, in dessen Mantelfläche die im Übergang von der Kolbenmulde zum Kolbenboden liegende Böschung verläuft. Eine solche Brennkraftmaschine ist im Hinblick auf die Verbesserung der Emissionsverhältnisse insbesondere für einen Betrieb mit Abgasrückführung ausgerüstet und arbeitet in den mit Abgasrückführung betriebenen Phasen bevorzugt mit Abgasrückführraten von 15 bis 45%.
Bezogen auf den Einsatz des erfindungsgemäßen Kolbens in einer Brennkraftmaschine, bei der der Kraftstoff über eine zentrale Sieben-Loch-Einspritzdüse in Richtung auf die Kolbenmulde des erfindungsgemäßen Kolbens eingespritzt wird, ergeben sich für einige der angesprochenen Geometrieverhältnisse einander entsprechende Verhältniszahlen, in deren Berücksichtigung sich in Bezug auf die angesprochene Aufgabe optimierte Proportionen für den Kolben erreichen lassen. Dies insbesondere ergänzend und in Berücksichtigung der bereits angesprochenen Winkelverhältnisse.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Zeichnungen und deren Beschreibung. Die Zeichnungen zeigen:
1 stark schematisiert eine Schnittdarstellung durch den Kopfteil eines erfindungsgemäßen Hubkolbens in einem Schnitt gemäß I-I in 3,
2 eine der 1 weitgehend entsprechende Darstellung, in der ergänzend zu 1 die Anordnung des Kolbens im Zylinder einer Brennkraftmaschine veranschaulicht ist,
3 den Kolben gemäß 1 und 2 in einer Draufsicht entsprechend Pfeil III in 1, und
4 einen Ausschnitt aus dem Kolben im Bereich einer kolbenbodenseitig vorgesehenen Ventiltasche entsprechend einer Schnittführung IV-IV in 3.
Der in den Figuren teilweise und schematisiert dargestellte sowie für ventilgesteuerte Hubkolben-Dieselbrennkraftmaschinen konzipierte Kolben ist mit 1 bezeichnet.
Wie aus 1 und 2 ersichtlich, ist der Kolben 1 über einen Kolbenbolzen 2 und eine Pleuelstange 3 hubbeweglich auf der nicht gezeigten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abgestützt, die mit 4 bezeichnet in 2 durch einen Zylinder 5 symbolisiert ist, der eine den Kolben 1 aufnehmende Zylinderbohrung 6 aufweist. In der Zylinderbohrung 6 grenzt der Kolben 1 einen in Abhängigkeit von der Hubstellung des Kolbens 1 volumenveränderlichen Brennraum 7 ab, der zum Kolben 1 gegenüberliegend über einen Kopfteil 8 des Zylinders 5 geschlossen ist. Im Kopfteil 8 sind, wie schematisiert veranschaulicht, die Führungen 9 für nicht dargestellte Ventile angeordnet, wobei im Ausführungsbeispiel diese Führungen 9 achsparallel zur Achse 10 der Zylinderbohrung 6 verlaufen, die den Kolben 1, über im Kolben 1 angeordnete Ventilringe 11 dichtend geführt, aufnimmt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind, wie aus 3 ersichtlich, vier über ihre Führungen 9 symbolisierte Ventile vorgesehen, denen seitens des Kolbens 1 im Boden 12 eingearbeitete Ventiltaschen 13 zugeordnet sind.
Auf den zentralen Bereich des durch die Zylinderbohrung 6, das Kopfteil 8 und den Kolben 1 umgrenzten Brennraumes 7 mündet eine Einspritzdüse 14 aus, die insbesondere koaxial zur Achse 10 und der Zylinderbohrung 6 liegt und die, bezogen auf das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel als Mehrloch-, bevorzugt insbesondere als Sieben-Loch-Düse ausgebildet ist.
Der den Brennraum 7 gegenüberliegend zum Kopfteil 8 begrenzende Kolben 1 weist dem Kopfteil 8 zugewandt einen flachen Kolbenboden 15 auf, der sich insbesondere in einer zur Achse 10 senkrechten Ebene erstreckt, bei bevorzugt zumindest in Annäherung ebenenparallel verlaufender, dem Brennraum 7 zugewandter Wandung 16 des Kopfteiles 8.
Der Kolben 1 ist ausgehend vom Kolbenboden 15 zentral, bevorzugt zentrisch zur Achse 10 mit einer Kolbenmulde 17 versehen, die symmetrisch zur Achse 10 ausgebildet ist und in der gegen den Kolbenboden 15 aufragend, vom Muldengrund 18 ausgehend, zentral ein kegelförmiger Dom 19 liegt. Der Dom 19 ist gegen seine Spitze auslaufend abgeflacht und weist eine Scheitelfläche 20 auf. Diese Kreisquerschnitt aufweisende Scheitelfläche 20 erstreckt sich bevorzugt zumindest nahezu in einer zur Achse 10 senkrechten, und damit zum Kolbenboden 15 parallelen Ebene.
Randseitig geht die Scheitelfläche 20 in die ringförmige Mantelfläche 21 des Domes 19 über, die sich gegen den Muldengrund 18 erstreckt und bevorzugt tangential in einem kreisringförmigen Wandungsteil 22 der Kolbenmulde 17 einläuft, dessen Radius R bevorzugt etwa den zehnten Teil des Durchmessers des Randes der Kolbenmulde 17 entspricht. Dieser kreisringförmige Wandungsteil 22 läuft tangential in die Umfangswand 23 der Kolbenmulde 17 ein, welche bei gegen den Kolbenboden 15 sich im Querschnitt verjüngender Kolbenmulde 17 in Richtung auf die Achse 10 geneigt verläuft. Die Umfangswand 23 stellt sich damit als Abschnitt eines gedachten Kegels 24 – siehe 2 – dar und läuft auf die radiale Ringfläche 25 einer Ringstufe 26 aus, die umfangsseitig über eine Ringwand 27 begrenzt ist.
Die Ringwand 27 bildet bevorzugt einen die Achse 10 umschließenden Zylinderabschnitt, der beabstandet zum Kolbenboden 15 endet und über eine Böschung 28 auf den Kolbenboden 15 ausläuft. Die Böschung 28 läuft beabstandet zum Außenumfang des Kolbens 1 in den Kolbenboden 15 ein, so dass zwischen der Böschung 28 und dem Außenumfang des Kolbens 1 eine Ringzone 29 verbleibt. Für den Übergang von der Umfangswand 23 in die Ringfläche 25 ist eine Verrundung vorgesehen, und auch der Übergang von der Ringwand 27 in die Ringzone 29 ist im Sinne einer gebrochenen Kante verlaufend gestaltet.
Entsprechend der vorgeschilderten Gestaltung des zum Brennraum 7 begrenzenden Teiles des Kolbens 1 ergeben sich – zumindest teilweise auch überlagert zur Gestaltung der Gaswechselsteuerung und des Einspritzsystems, insbesondere der Einspritzdüse – vielfältige Einflussmöglichkeiten im Hinblick auf das mit der Erfindung verfolgte Ziel, durch eine optimierte Gemischbildung ein Minimum an Partikel- und Stickoxid-Emissionen bei bestmöglichem Verbrauch zu erreichen. Insbesondere seitens der Geometrie und/oder der Geometrieverhältnisse in und um den Kolbenmuldenbereich sind zumindest teilweise Wechselbeziehungen gegeben, die die entsprechenden Ergebnisse in besonderer Weise beeinflussen. Für die Beschreibung dieser Geometrieverhältnisse wird auf die nachfolgenden, in den 1 bis 4 eingetragenen Kurzbezeichnungen zurückgegriffen. Diese sind nachstehend aufgelistet:

D1: Durchmesser des Kolbens 1
D2: Durchmesser des Überganges zwischen der Böschung 28 und der Ringzone 29 des Kolbenbodens 15
D3: Durchmesser der Ringwand 27
D4: Durchmesser der Umfangswand 23 der Kolbenmulde 17
D5: Durchmesser des Randes der Kolbenmulde 17 im Übergang zur Ringfläche 25
D6: Durchmesser der Scheitelfläche 20
DVT: Durchmesser einer Ventiltasche 13
TVT: Tiefe einer Ventiltasche 13
H1: Abstand des Kolbenbodens 15 zum Muldengrund 18
H2: Abstand des Kolbenbodens 15 zur Scheitelfläche 20
H3: Abstand des Kolbenbodens 15 zur Ringfläche 25
W1: Neigung der Mantelfläche 21 zum Kolbenboden 15
W2: Neigung der Böschung 28 zum Kolbenboden 15
W3: Neigung der Umfangwand 23 zum Mantel eines zum Kolben 1 koaxialen Zylinders
W4: Kegelwinkel eines Kegels 24 mit mit der Mantelfläche 21 des Domes 19 zusammenfallender Mantelfläche
W5: Kegelwinkel eines Kegels mit mit der Böschung 28 zusammenfallender Mantelfläche
W6: Kegelwinkel eines Kegels mit mit der Umfangswand 23 der Kolbenmulde 17 zusammenfallender Mantelfläche

Im Sinne der genannten Zielsetzung erweisen sich, insbesondere auch in Kombination, die nachgenannten Geometrieverhältnisse und/oder Geometrien als zweckmäßig, wobei auch einzelnen der Geometrieverhältnisse und/oder Geometrien eine bestimmende Bedeutung zukommen kann.
In Berücksichtigung dessen sind erfindungsgemäß insbesondere folgende Geometrieverhältnisse und/oder Geometrien von Bedeutung: 0,05 < H2/D1 < 0,10, wobei insbesondere ein mittlerer Wert um 0,07 von Vorteil ist und sich insbesondere im Hinblick auf die Verteilung des Volumens von Ringfläche und Mulde als vorteilhaft erweist.
Ferner 0,02 < D6/D1 < 0,10, wobei der untere Verhältnisbereich um 0,04 besonders vorteilhaft ist, und/oder 0,06 < D6/D4 < 0,08 und/oder 0,06 < D6/D5 < 0,08, wobei jeweils ein Verhältnis von 0,07 besonders vorteilhaft ist,
und/oder 0,03 < D6/D2 < 0,06, wobei ein Verhältniswert von 0,05 sich insbesondere vorteilhaft auswirkt und durch diese Verhältniswerte einzeln, insbesondere aber auch in ihrer Kombination eine günstige Gemischaufbereitung mit vorteilhafter Sprayausbildung und/oder Sprayverteilung erreicht werden kann. 0,5 < H3/H2 < 1,0, wobei ein mittlerer Verhältniswert von 0,70 sich besonders im Hinblick auf das Rückströmverhalten des ringwalzenförmigen Wirbels von der Böschung zur Ringfläche bzw. Ringstufe besonders günstig auswirkt. 0,75 < D3/D2 < 0,9, wobei auch dieser Verhältniswert insbesondere die Ausbildung des ringwalzenförmigen Wirbels vorteilhaft beeinflusst. 0,25 < H3/H1 < 0,30; bei Verlassen dieses Bereiches nach oben ergibt sich ein überproportionaler Anstieg der NOX-Emissionen, wird der Bereich nach unten verlassen, so resultiert hieraus ein überproportionaler Anstieg der Schwärzung. 0,5 < D5/D1 < 0,6; wird dieser Bereich nach oben verlassen, so folgt daraus ein überproportionaler Anstieg der Schwärzung, bei Verlassen nach unten, ein überproportionaler Anstieg der NOX-Emissionen. 25° < W1 < 35°, und korrespondierend hierzu 130 > W4 > 110°; über die Größe von W1 bzw. W4 lässt sich insbesondere die Schwärzung beeinflussen, mit größer werdenden W1 bzw. kleiner werdenden W4 ergibt sich tendenziell eine Zunahme der Schwärzung. 10° < W2 < 25°, und korrespondierend hierzu 160 > W5 > 140°; die Neigung der Böschung beeinflusst inbesondere die Bildung der Ringwalze und die Anlagerung von Kraftstoff an der Zylinderwand. 5° < W3 < 25°, und korrespondierend hierzu 10° < W6 < 50°; insbesondere im mittleren Bereich liegende Werte für W3 bzw. W6 sind im Hinblick auf eine günstige Sprayaufteilung anzustreben, wobei mit größeren Winkelwerten und zunehmender Einschnürung eine Abnahme des unteren Muldenvolumens einhergeht, die tendenziell erhöhte NOX-Emissionen bedingt, was in Berücksichtigung eines zu realisierenden Gesamtkonzepts gegebenenfalls hinzunehmen ist. 0,05 < T_VT/D6 < 1,0; über die Ventiltaschentiefe lässt sich insbesondere die Ringwalze beeinflussen und Werte um 0,3 sind diesbezüglich besonders vorteilhaft.
Die erfindungsgemäß angegebenen Geometrieverhältnisse bzw. Geometrien sind insbesondere in Verbindung mit der Ausbildung der Einspritzdüse 14 als Sieben-Loch-Düse, insbesondere in Verbindung mit einem Spritzkegelwinkel von 150° von Vorteil. Ferner haben sich die angegebenen erfindungsgemäßen Parameter für Kolben im Durchmesserbereich von 100 bis 150 mm als besonders vorteilhaft erwiesen. Die angegebenen Verhältniswerte geben insbesondere schon bei der Auslegung neuer Kolben so weitgehende Optimierungsmöglichkeiten, dass der Auslegungsaufwand und die danach durchzuführende weitere, insbesondere versuchstechnische Optimierung und Abstimmung auf die jeweilige Brennkraftmaschine mit wesentlich geringerem Aufwand durchführbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 20221786 U1 [0002, 0003]
- AT 007204 U1 [0002, 0003]
- JP 2000145461 A [0004]

Claims

Kolben (1) für ventilgesteuerte Hubkolben-Dieselbrennkraftmaschinen (4), mit einer Kolbenmulde (17), mit in der Kolbenmulde (17) liegendem, vom Grund (18) der Kolbenmulde (17) aufragenden, kegelförmigen Dom (19) und mit einer randseitig umfassend zur Kolbenmulde (17) im Übergang zum Kolbenboden (15) liegenden Ringstufe (26), deren radiale Ringfläche (25) in eine gegen den Kolbenboden (15) gerichtete Ringwand (27) übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergang von der Ringwand (27) zum Kolbenboden (15) eine die Ringwand (27) randseitig umschließende, gegen den Kolbenboden (15) auslaufende Böschung (28) vorgesehen ist.
Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dom (19) zumindest nahezu bis auf die die Ringfläche (25) enthaltende Radialebene aufragt und in einer sich in Richtung dieser Ebene erstreckenden Scheitelfläche (20) ausläuft.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (17) sich gegen den Muldenrand verjüngend ausgebildet ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (17) zur Kolbenachse (10) symmetrisch ausgebildet ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abstand (H2) der Scheitelfläche (20) des Domes (19) vom Kolbenboden (15) zum Durchmesser (D1) des Kolbens (1) das Verhältnis gilt: 0,05 < H2/D1 < 0,10.
Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchmesser (D6) der Scheitelfläche (20) des Domes (19) zum Durchmesser (D1) des Kolbens (1) das Verhältnis gilt: 0,02 < D6/D1 < 0,10.
Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchmesser (D6) der Scheitelfläche (20) des Domes (19) zum Durchmesser (D4) der Kolbenmulde (17) das Verhältnis gilt: 0,06 < D6/D4 < 0,08.
Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchmesser (D6) der Scheitelfläche (20) des Domes (19) zum Durchmesser (D5) des Randes der Kolbenmulde (17) das Verhältnis gilt: 0,06 < D6/D5 < 0,08.
Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchmesser (D6) der Scheitelfläche (20) des Domes zum Durchmesser (D2) des Übergangs der Böschung (28) in den Kolbenboden (15) das Verhältnis gilt: 0,03 < D6/D2 < 0,06.
Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abstand (H3) der Ringfläche (25) zum Abstand (H2) der Scheitelfläche (20) des Domes (19) zum Kolbenboden (15) das Verhältnis gilt: 0,5 < H3/H2 < 1,0.
Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchmesser (D3) der Ringwand (27) der Ringstufe (26) zum Durchmesser (D2) des Übergangs der Böschung (28) in den Kolbenboden (15) das Verhältnis gilt: 0,75 < D3/D2 < 0,90.
Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (21) des kegelförmigen Domes (19) zum Kolbenboden (15) unter einem zum Umfang des Kolbens (1) offenen Winkel (W1) von 25° bis 35° verläuft.
Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Böschung (28) zum Kolbenboden (15) unter einem zum Umfang des Kolbens (1) offenen Winkel (W2) von 10° bis 25° verläuft.
Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangswand (23) der sich gegen ihren Rand verjüngenden Kolbenmulde (17) unter einem Winkel (W3) von 5° bis 25° zum Mantel eines zum Kolben (1) koaxialen Zylinders verläuft.
Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abstand (H3) des Kolbenbodens (15) zur Ringfläche (25) der Ringstufe (26) zum Abstand (H1) des Kolbenbodens (15) zum Muldengrund (18) der Kolbenmulde (17) das Verhältnis gilt: 0,25 < H3/H1 < 0,30.
Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchmesser (D5) des Randes der Kolbenmulde (17) zum Durchmesser (D1) des Kolbens (1) das Verhältnis gilt: 0,5 < D5/D1 < 0,6.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) seitens seines Kolbenbodens (15) mit symmetrisch zur Kolbenachse (10) vertieft im Kolbenboden (15) liegenden Ventiltaschen (13) ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventiltaschen (13) ebenenparallel zum Kolbenboden (15) liegen.
Kolben nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass für die Tiefe (T_VT) der Ventiltaschen (13) zum Durchmesser (D6) der Scheitelfläche (20) des Domes (19) das Verhältnis gilt: 0,05 < T_VT/D6 < 1,0.
Kolben nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchmesser (D_VT) der Ventiltaschen (13) zum Durchmesser (D1) des Kolbens (1) das Verhältnis gilt: 0,2 < D_VT/D1 < 0,5.
Hubkolben-Dieselbrennkraftmaschine mit Ventilsteuerung und über eine Einspritzdüse (14) auf eine Kolbenmulde (17) eines Kolbens (1) erfolgender Kraftstoffeinspritzung, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 20 ausgebildet ist und dass als Einspritzdüse (14) eine 7-Loch-Einspritzdüse vorgesehen ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass, bezogen auf einen Kolben (1), – das Verhältnis des Abstandes (H2) der Scheitelfläche (20) des Domes (19) vom Kolbenboden (15) zum Durchmesser (D1) des Kolbens (1), und/oder – das Verhältnis des Durchmessers (D6) der Scheitelfläche (20) des Domes (19) zum Durchmesser (D4) der Kolbenmulde (17) und/oder – das Verhältnis des Abstandes (1–13) der die Ringfläche (25) enthaltenden Radialebene zum Abstand (1–12) der Scheitelfläche (20) des Domes (19) vom Kolbenboden (15) und/oder – das Verhältnis des Durchmessers (D6) der Scheitelfläche (20) des Domes (19) zum Durchmesser (D5) des Randes der Kolbenmulde (17) dem Produkt aus der Lochzahl der Einspritzdüse und einer Zehnerpotenz (10n) als Faktor entspricht.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass – das Verhältnis des Abstandes (H2) der Scheitelfläche (20) des Domes (19) vom Kolbenboden (15) zum Durchmesser (D1) des Kolbens (1), und/oder – das Verhältnis des Durchmessers (D6) der Scheitelfläche (20) des Domes (15) zum Durchmesser (D4) der Kolbenmulde (17) und/oder – das Verhältnis des Durchmessers (D6) der Scheitelfläche (20) des Domes (19) zum Durchmessers (D5) des Randes der Kolbenmulde (17) dem Produkt der Lochzahl der Einspritzdüse und der 10²-Potenz als Faktor entspricht.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass – das Verhältnis des Durchmessers (D6) der Scheitelfläche (20) des Domes (19) zum Durchmesser (D5) des Randes der Kolbenmulde (17) dem Produkt aus der Lochzahl der Einspritzdüse und der 10¹-Potenz als Faktor entspricht.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzkegelwinkel der koaxial zur Kolbenmulde (17) liegenden Einspritzdüse (14) bei 150° liegt, insbesondere 150° beträgt.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerung der Brennkraftmaschine vier Ventile je Zylinder (5) aufweist, die symmetrisch um die Einspritzdüse (14) gruppiert sind.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile achsparallel zur jeweiligen Zylinderachse (10) liegen.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass für die mit Abgasrückführung arbeitende Brennkraftmaschine (4) eine Abgasrückführrate im Bereich von 15 bis 45° vorgesehen ist.