DE102013022040A1 - Piston for a reciprocating internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kolben (10) für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit einer in Umfangsrichtung des Kolbens (10) ringförmig umlaufenden Kolbenkrone (18), mit einer in radialer Richtung innenseitig der Kolbenkrone (18) angeordneten und ringförmig umlaufenden Kolbenstufe (20), welche gegenüber der Kolbenkrone (18) in axialer Richtung vertieft ist, und mit einer sich in radialer Richtung nach innen hin an die Kolbenstufe (20) anschließenden und gegenüber der Kolbenstufe (20) in axialer Richtung vertiefte Omega-Mulde (22), in welche die Kolbenstufe (20) über eine ringförmig umlaufende Strahlteilerkontur (16) übergeht, wobei in radialer Richtung zwischen der Kolbenstufe (20) und der Kolbenkrone (18) eine gegenüber der Kolbenkrone (18) in axialer Richtung vertiefte Ausnehmung (42) angeordnet ist.The invention relates to a piston (10) for a reciprocating piston internal combustion engine, having a piston crown (18) extending annularly in the circumferential direction of the piston (10), having a piston step (20) arranged in the radial direction on the inside of the piston crown (18) and annularly surrounding, which is recessed in the axial direction with respect to the piston crown (18), and with an omega trough (22), which in the radial direction inwardly adjoins the piston step (20) and opposite the piston step (20) in the axial direction, into which the piston step (20) passes over an annular circulating beam splitter contour (16), wherein in the radial direction between the piston step (20) and the piston crown (18) relative to the piston crown (18) in the axial direction recessed recess (42) is arranged.
Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a piston for a reciprocating internal combustion engine, in particular a motor vehicle, according to the preamble of patent claim 1.
Ein solcher Kolben für eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, ist der
Darüber hinaus weist der Kolben eine sich in radialer Richtung nach innen hin an die Kolbenstufe anschließende und gegenüber der Kolbenstufe in axialer Richtung vertiefte Omega-Mulde auf. Mit anderen Worten ist die Omega-Mulde in radialer Richtung innenseitig der Kolbenstufe angeordnet. Die Kolbenstufe geht dabei in die Omega-Mulde über eine ringförmig umlaufende Strahlteilerkontur über. Bei der Omega-Mulde handelt es sich um eine Kolbenmulde des Kolbens, welche omegaförmig ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Kolbenmulde (Omega-Mulde) zumindest im Wesentlichen die Form des griechischen Kleinbuchstabens „Omega” (ω) aufweist. Mit anderen Worten ist die Omega-Mulde nach Art des griechischen Kleinbuchstabens „Omega” ausgebildet.In addition, the piston has an in the radial direction inwardly to the piston stage subsequent and opposite the piston step in the axial direction recessed omega trough. In other words, the omega trough is arranged in the radial direction on the inside of the piston stage. The piston stage passes into the omega trough via an annular circulating beam splitter contour. The Omega trough is a piston recess of the piston, which is omega-shaped. This means that the piston recess (omega trough) has at least substantially the shape of the Greek lower case letter "omega" (ω). In other words, the omega trough is formed in the manner of the Greek lowercase "omega".
Eine solche Omega-Mulde ist aus dem allgemeinen Stand der Technik hinlänglich bekannt. Eine solche Omega-Mulde weist im Bereich der Kolbenmitte eine Erhöhung auf, von der ausgehend die Kolbenmulde in radialer Richtung nach außen hin abfällt und daran anschließend zumindest im Wesentlichen bogenförmig unter Ausbildung eines Hinterschnitts wieder ansteigt. Daran schließt sich die Strahlteilerkontur an, über die die Omega-Mulde schließlich in die Kolbenstufe übergeht.Such an omega well is well known in the art. Such an omega-trough has an increase in the region of the center of the piston, from which point the piston trough drops outwards in the radial direction and subsequently rises again at least essentially arcuately to form an undercut. This is followed by the beam splitter contour, over which the omega trough finally merges into the piston stage.
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolben der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich eine besonders vorteilhafte Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt.Object of the present invention is to provide a piston of the type mentioned, by means of which a particularly advantageous combustion of a fuel-air mixture in a cylinder of the reciprocating internal combustion engine can be realized.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a piston having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.
Um einen Kolben der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, mittels welchem sich eine besonders vorteilhafte Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in radialer Richtung zwischen der Kolbenstufe und der Kolbenkrone eine gegenüber der Kolbenkrone in axialer Richtung vertiefte Ausnehmung angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Ausnehmung gegenüber der Kolbenkrone axial vertieft. Dies bedeutet, dass der Kolben in radialer Richtung zwischen der Kolbenstufe und der Kolbenkrone eine Kontur aufweist, welche gegenüber der Kolbenkrone in axialer Richtung zurückversetzt ist.In order to provide a piston of the type specified in the preamble of claim 1, by means of which a particularly advantageous combustion of a fuel-air mixture in a cylinder of the reciprocating internal combustion engine can be realized, it is inventively provided that in the radial direction between the piston stage and the piston crown is arranged opposite the piston crown in the axial direction recessed recess. In other words, the recess is axially recessed with respect to the piston crown. This means that the piston in the radial direction between the piston step and the piston crown has a contour which is set back relative to the piston crown in the axial direction.
Im fertig hergestellten Zustand der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ist der Kolben in einem Brennraum in Form eines Zylinders der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Beispielsweise während eines gefeuerten Betriebs der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine bewegt sich der Kolben translatorisch in dem Zylinder. Während des gefeuerten Betriebs werden in den Zylinder Luft und Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, eingebracht, so dass in dem Zylinder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas entsteht.In the finished state of the reciprocating internal combustion engine, the piston is arranged in a combustion chamber in the form of a cylinder of the reciprocating internal combustion engine. For example, during a fired operation of the reciprocating internal combustion engine, the piston moves translationally in the cylinder. During the fired operation, air and fuel, in particular liquid fuel, are introduced into the cylinder, so that a fuel-air mixture is produced in the cylinder. This fuel-air mixture is burned, from which exhaust gas is produced.
Der Zylinder wird durch eine Zylinderwandung begrenzt, welche üblicherweise auch als „Zylinderrohr” bezeichnet und beispielsweise durch ein Zylindergehäuse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gebildet wird.The cylinder is bounded by a cylinder wall, which is also commonly referred to as a "cylinder tube" and formed for example by a cylinder housing of the reciprocating internal combustion engine.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass es im Bereich, das heißt in der Nähe der Zylinderwandung üblicherweise zur Entstehung einer nennenswerten Rußmenge im Zylinder kommt. Es wurde gefunden, dass diese Rußmenge entsteht, da die Zylinderwandung eine geringere Temperatur aufweist, als in der Mitte des Zylinder herrscht und da Kraftstoff an die Zylinderwandung gelangt. Ferner wurde gefunden, dass die Entstehung der Rußmenge insbesondere auf einer nur unzureichenden Vermischung der Luft mit dem Kraftstoff in der Nähe der Zylinderwandung beruht.The invention is based on the finding that in the region, that is to say in the vicinity of the cylinder wall, there is usually formation of a considerable amount of soot in the cylinder. It has been found that this amount of soot arises because the cylinder wall has a lower temperature than prevails in the middle of the cylinder and since fuel reaches the cylinder wall. Furthermore, it has been found that the formation of the amount of soot is due in particular to insufficient mixing of the air with the fuel in the vicinity of the cylinder wall.
Um diese Rußmenge zu oxidieren, wäre es beispielsweise nötig, den Drall der in den Zylinder einströmenden Luft mittels einer entsprechenden Einlasskanal- und/oder Ventilsitzringformung weiter zu erhöhen, um so eine besonders vorteilhafte Durchmischung der Luft mit dem Kraftstoff zu realisieren. Dadurch könnte vermieden werden, dass eine übermäßige Menge an Kraftstoff zur relativ kalten Zylinderwandung gelangt. Diese Maßnahme würde jedoch bezogen auf ein bestehendes Brennverfahren wegen der Strömungswiderstände eine Ladedruckerhöhung erfordern, was sich negativ auf den Kraftstoffverbrauch der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine auswirken würde.To oxidize this amount of soot, for example, it would be necessary to further increase the swirl of the air flowing into the cylinder by means of a corresponding inlet channel and / or valve seat ring molding, so as to realize a particularly advantageous mixing of the air with the fuel. This could avoid that an excessive amount of fuel gets to the relatively cold cylinder wall. However, this measure would require a Boost pressure increase based on an existing combustion method because of the flow resistance, which would have a negative effect on the fuel consumption of the reciprocating internal combustion engine.
Um nun die Entstehung von Ruß auch in der Nähe der Zylinderwandung zu vermeiden oder besonders gering zu halten, ist bei dem erfindungsgemäßen Kolben die Ausnehmung vorgesehen. Mittels dieser Ausnehmung kann nämlich die Turbulenz der Luft beziehungsweise des Gemisches insgesamt lokal gesteigert werden, so dass eine besonders gute Durchmischung der Luft mit dem Kraftstoff dargestellt werden kann. Mittels der Ausnehmung kann somit verhindert werden, dass eine übermäßig hohe Kraftstoffmenge in die Nähe der Zylinderwandung gelangen kann. Somit lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Kolbens eine besonders vorteilhafte und saubere Verbrennung mit nur sehr geringen Rußmengen realisieren.In order to avoid the formation of soot in the vicinity of the cylinder wall or to keep it particularly low, the recess is provided in the piston according to the invention. By means of this recess, the turbulence of the air or of the mixture can be increased locally as a whole, so that a particularly good mixing of the air with the fuel can be represented. By means of the recess can thus be prevented that an excessively high amount of fuel can get into the vicinity of the cylinder wall. Thus, by means of the piston according to the invention can realize a particularly advantageous and clean combustion with only very small amounts of soot.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:
Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine umfasst auch eine Kurbelwelle, die an einem Kurbelgehäuse um eine Drehachse relativ zu dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert ist. Beispielsweise ist das Kurbelgehäuse durch das Zylindergehäuse gebildet. Der Kolben
Während eines gefeuerten Betriebs der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine werden Luft und Kraftstoff in den Zylinder
Durch das Einbringen von Luft und Kraftstoff in den Zylinder
Der Kolben
Ferner weist der Kolben
Aus
Durch den Kolbenkegel
Der vorzugsweise direkt in den Zylinder
Um nun eine besonders vorteilhafte Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu realisieren, weist der Kolben
In radialer Richtung nach innen hin geht die Ausnehmung
In
Zum Einbringen, insbesondere Einspritzen, des Kraftstoffs in den Zylinder
Insgesamt ist erkennbar, dass durch die umlaufende Ausnehmung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Kolbenpiston
- 1212
- Zylindercylinder
- 1414
- Zylinderwandungcylinder
- 1616
- LängsmittelachseLongitudinal central axis
- 1818
- Kolbenkronepiston crown
- 2020
- Kolbenstufepiston step
- 2222
- Omega-MuldeOmega-dump
- 2424
- Stufenwandstep wall
- 2626
- ÜbergangswandTransition wall
- 2828
- Stufenbodenstep bottom
- 3030
- StrahlteilerkonturBeamsplitter contour
- 3232
- Kolbenkegelpiston cone
- 3434
- Kegelwinkelcone angle
- 3636
- Kegelspitzeapex
- 3838
- Hinterschnittundercut
- 4040
- Richtungspfeilarrow
- 4242
- Ausnehmungrecess
- 4444
- ÜbergangsbereichTransition area
- 4646
- Richtungspfeilarrow
- AA
- QuerschnittsflächeCross sectional area
- BB
- Kreisflächecircular area
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 102012103195 A1 [0005] DE 102012103195 A1 [0005]
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