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HINTERGRUND
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für einen Ottomotor bzw. einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder und betrifft insbesondere einen Kolben mit verbessertem Zündverhalten und verbesserter Verbrennungsstabilität in Bezug auf ein Luft-Kraftstoff-Gemisch.
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2. Einschlägiger Stand der Technik
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Beispielsweise sind bei einem Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder (einem Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung), der als Antriebsenergiequelle für ein Fahrzeug verwendet wird, Verbesserungen bei den Zündeigenschaften und der Verbrennungsstabilität eines Luft-Kraftstoff-Gemisches erforderlich. Zum Erzielen dieser Verbesserungen ist das Bilden einer Region mit einem "fetten" Luft-Kraftstoff-Gemisch in einer Peripherie einer Zündkerze zum Zeitpunkt der Zündung erforderlich, wobei dies eine wünschenswerte geschichtete Ladungsverbrennung ermöglicht.
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Im einschlägigen Stand der Technik sind zum Bilden einer solchen Region (Schichtung) mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Diese Verfahren beinhalten das Ausstatten einer Kronenoberfläche eines Kolbens mit einer ungleichmäßigen Formgebung, die das Hochwirbeln von Kraftstoff-Sprühnebeln, die von einem Injektor in Richtung auf die Kronenoberfläche eingespritzt werden, sowie das Führen der verwirbelten Kraftstoff-Sprühnebel in Richtung auf die Zündkerze ermöglicht.
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Zum gleichzeitigen Erzielen sowohl einer geschichteten Ladungsverbrennung als auch einer homogenen Ladungsverbrennung beschreibt z.B. die ungeprüfte japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung
JP 10-317 973 A einen Kolben, der an einer dachförmigen Brennkammer mit jeweils zwei Einlassventilen und Auslassventilen angebracht ist. Der Kolben besitzt ein Paar von Einlassventil-Aussparungen sowie eine Brennkammer mit einem Hohlraum in Form eines im Wesentlichen exakten Kreises, der in einem zentralen Bereich des Paares der Einlassventil-Aussparungen gebildet ist.
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Zum Erweitern eines Betriebsbereichs, der eine geschichtete Ladungsverbrennung zulässt, beschreibt die
JP 2000-130 171 A das Bilden einer Schale, die sich entlang einer orthogonal zu einer Kraftstoff-Sprühnebel-Achse verlaufenden Durchmesserlinie eines Kolbens erstreckt, in einem zentralen Bereich einer Kronenoberfläche des Kolbens sowie das Bilden einer Aussparung bzw. Mulde, die von einer Schalenoberfläche weiter vertieft ausgebildet ist und sich von einer Injektor-Seite zu der Schale erstreckt.
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Zum Erhöhen einer Zeitdauer, die eine Zündung zum Zeitpunkt einer geschichteten Ladungsverbrennung ermöglicht, beschreibt die
JP 2002-295 261 A das Bilden einer Mulde in einem zentralen Bereich einer Kronenoberfläche eines Kolbens sowie das Bilden eines Absatzes mit einer geringeren Tiefe in einem Bereich der Mulde gegenüber einem Injektor.
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Zum Verbessern der Zündeigenschaften in einem Bereich mit geringer Last beschreibt die
JP 2006-257 943 A das Bilden einer Mulde mit einer bei Betrachtung in Richtung einer Zylinderachse im Wesentlichen eiförmigen Formgebung an einer Kronenoberfläche eines Kolbens.
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Zum Erzielen von Verbrennungsstabilität zum Zeitpunkt einer Zündverzögerung ohne Bereitstellung eines tiefen Hohlraums an einem Kolben beschreibt die
JP 2008-151 020 A das Bereitstellen einer ersten Stufe, die auf einer Einlassseite niedriger ist und auf einer Auslassseite höher ist, an einer Kronenoberfläche sowie das Bereitstellen einer neben der ersten Stufe vorgesehenen zweiten Stufe, die auf einer Außenumfangsseite eines Zylinders unter einer Zündkerze höher ist.
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Die
JP 2010-096 088 A beschreibt das Bilden einer nutartigen Aussparung, die sich von einem zentralen Bereich einer Kronenoberfläche zu einer Außenumfangsfläche eines Kolbens in der Nähe eines Injektors erstreckt. Die Aussparung weist eine Tiefe auf, die in Richtung zu einem zentralen Bereich des Kolbens hin zunimmt.
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Die
JP 2013-113 119 A beschreibt das Bilden eines trapezförmigen Hohlraums mit einer Breite, die von einer Injektor-Seite in Richtung auf einen zentralen Bereich eines Kolbens allmählich abnimmt.
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Die
JP 2013-113 120 A beschreibt das Bilden eines trapezförmigen Hohlraums mit einer Breite, die von einer Injektor-Seite in Richtung auf einen zentralen Bereich des Kolbens allmählich zunimmt.
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Bei den vorstehend genannten Verbrennungsmotoren mit Zylinder-Kraftstoffeinspritzung, bei denen die Zündkerze in der Nähe des axialen Zentrums des Zylinders angeordnet ist und der Injektor in einer von der Zündkerze versetzten Position angeordnet ist, um den Kraftstoff in Richtung auf die Kronenoberfläche des Kolbens einzuspritzen, sollen verbesserte Zündeigenschaften sowie eine verbesserte Verbrennungsstabilität in Bezug auf das Luft-Kraftstoff-Gemisch dadurch erzielt werden, dass ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der Peripherie der Zündkerze fetter bzw. reicher an Kraftstoff ausgebildet wird und eine Region mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer ausgebildet wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist wünschenswert, einen Kolben anzugeben, mit dem sich die Zündeigenschaften sowie die Verbrennungsstabilität in Bezug auf ein Luft-Kraftstoff-Gemisch verbessern lassen.
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Die vorliegende Erfindung löst die vorstehend geschilderten Probleme in der nachfolgend beschriebenen Weise.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung befasst sich mit einem Kolben, der für einen Verbrennungsmotor verwendet wird, der Folgendes aufweist: eine Zündkerze, die in der Nähe einer Mittelachse eines Zylinders angeordnet ist, eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung, die an Stellen angeordnet sind, an denen die Zündkerze zwischen diesen angeordnet ist, sowie einen Injektor, der an einer von der Zündkerze in Richtung auf die Einlassöffnung versetzten Position angeordnet ist, um eine Vielzahl von Kraftstoff-Sprühnebeln in Richtung auf eine Kronenoberfläche des Kolbens einzuspritzen.
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Der Kolben weist Folgendes auf: eine Mulde, die durch Vertiefen der Kronenoberfläche des Kolbens gegenüber anderen Bereichen der Kronenoberfläche gebildet ist, wobei die Mulde eine Stufe gegenüber den anderen Bereichen der Kronenoberfläche an einem äußeren peripheren Rand über ihren gesamten Umfang aufweist sowie ein Paar von lateralen Seiten aufweist, die gerade ausgebildet sind, so dass sie sich im Wesentlichen parallel zu einer geraden Linie erstrecken, die den Injektor und die Zündkerze bei Betrachtung in Richtung der Zylinderachse miteinander verbindet.
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Bei dem Injektor kann es sich um einen Injektor mit mehreren Öffnungen handeln, der eine Vielzahl von Kraftstoff-Sprühnebeln bildet, und der äußere periphere Rand der Mulde kann in einer Position in der Nähe von Auftreffflächen angeordnet sein, die zumindest durch den letzten Kraftstoffeinspritzvorgang der Vielzahl von Kraftstoff-Sprühnebeln auf der Innenfläche der Mulde gebildet werden.
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In der vorliegenden Beschreibung sowie den Ansprüchen ist unter dem "letzten Kraftstoffeinspritzvorgang" ein Einspritzvorgang zu verstehen, der bei einer Reihe von Einspritzvorgängen als letzter ausgeführt wird, wenn eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzvorgängen in einem Verbrennungszyklus ausgeführt wird. Wenn nur ein einmaliger Kraftstoffeinspritzvorgang pro Verbrennungszyklus ausgeführt wird, so ist darunter der entsprechende Einspritzvorgang zu verstehen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Perspektivansicht zur Erläuterung des Erscheinungsbilds eines Kolbens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Darstellung einer Kronenoberfläche des Kolbens der 1 bei Betrachtung in Richtung einer Zylinderachse;
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3 eine Schnittdarstellung in einer Richtung, die in 2 durch Pfeile III-III veranschaulicht ist;
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4 eine Schnittdarstellung in einer Richtung, die in 2 durch Pfeile IV-IV veranschaulicht ist;
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5 eine Schnittdarstellung in einer Richtung, die in 2 durch Pfeile V-V veranschaulicht ist;
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6A bis 6C chronologische Darstellungen von Resultaten einer Verhaltenssimulation eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor, der mit einem Kolben gemäß einem Vergleichsbeispiel zu der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist; und
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7A bis 7C chronologische Darstellungen von Resultaten einer Verhaltenssimulation eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor, der mit einem Kolben gemäß dem Beispiel ausgestattet ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung erzielt die Konfiguration eines Kolbens mit verbesserten Zündeigenschaften und verbesserter Verbrennungsstabilität in Bezug auf ein Luft-Kraftstoff-Gemisch durch Bilden einer Mulde an einer Kronenoberfläche des Kolbens, wobei die Mulde eine Längsachse parallel zu einer Richtung einer Linie, die einen Injektor und eine Zündkerze bei Betrachtung in Richtung einer Zylinderachse miteinander verbindet, gerade ausgebildete laterale Seiten sowie an einem äußeren peripheren Rand derselben eine Stufe in Bezug auf eine periphere Fläche über ihren gesamten Umfang aufweist.
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Beispiel
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Im Folgenden wird ein Beispiel eines Kolbens als Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Der Kolben gemäß dem Beispiel kann für einen Benzinmotor mit Zylinder-Kraftstoffeinspritzung (Direkteinspritzung) eingesetzt werden, der für Fahrzeuge, wie z.B. Pkws, als Antriebsenergiequelle verwendet wird.
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Der Motor besitzt eine dachförmige Brennkammer 200 (siehe 7A bis 7C) mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen pro Zylinder, die in einem vorbestimmten eingeschlossenen Ventilwinkel angeordnet sind.
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Die Brennkammer 200 besitzt eine Zündkerze (Glühkerze) 210 in einem zentralen Bereich (in der Nähe eines axialen Zentrums einer Zylinderbohrung).
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Die Brennkammer 200 besitzt einen Injektor 220 mit mehreren Öffnungen. Eine Düse des Injektors 220 ist aus einem Abstand eines Paares der Einlassöffnungen in die Brennkammer 200 eingesetzt.
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Der Injektor 220 spritzt eine Vielzahl von Kraftstoff-Sprühnebeln (Sprühstrahlen) in Richtung auf eine Kronenoberfläche 100 eines Kolbens 1 in einem späten Stadium eines Verdichtungstakts ein.
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1 zeigt eine Perspektivansicht zur Erläuterung eines Erscheinungsbilds des Kolbens gemäß dem vorliegenden Beispiel.
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2 veranschaulicht die Kronenoberfläche des Kolbens der 1 bei Betrachtung in Richtung einer Zylinderachse.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung in einer Richtung, die in 2 durch Pfeile III-III veranschaulicht ist.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung in einer Richtung, die in 2 durch Pfeile IV-IV veranschaulicht ist.
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5 zeigt eine Schnittdarstellung in einer Richtung, die in 2 durch Pfeile V-V veranschaulicht ist.
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Der Kolben 1 wird z.B. durch Gießen oder Schmieden einer Legierung auf Aluminiumbasis in eine grobe Formgebung sowie anschließendes Ausführen eines mechanischen Prozesses und einer Oberflächenbehandlung gebildet, wie diese vorab festgelegt werden.
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Der Kolben 1 weist eine Außenumfangsfläche 10 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Außenfläche sowie die Kronenoberfläche 100 auf, bei der es sich um eine Endfläche bzw. Stirnfläche auf der Seite eines Zylinderkopfes handelt.
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Die Außenumfangsfläche 10 ist derart angeordnet, dass sie einer Innenumfangsfläche des Zylinders zugewandt gegenüberliegt und sich in Gleitberührung mit dieser bewegt, wobei die Außenumfangsfläche 10 eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut aufweist. In die Nut sind ein Kolbenring, ein Ölring und dergleichen eingepasst, wobei diese in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
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Bei der Kronenoberfläche 100 handelt es sich um eine scheibenförmige Oberfläche, die in Zusammenwirkung mit dem nicht dargestellten Zylinderkopf und dergleichen einen Bestandteil einer Brennkammer des Motors bildet.
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Die Kronenoberfläche 100 weist in integraler Weise einlassseitige Abschrägungen 110, auslassseitige Abschrägungen 120, eine einlassseitige Quetschfläche (squish area) 130, eine auslassseitige Quetschfläche (squish area) 140, eine ebene Fläche 150 sowie eine Mulde 160 auf.
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Die einlassseitigen Abschrägungen 110 und die auslassseitigen Abschrägungen 120 weisen eine im Wesentlichen ebene Oberfläche auf und sind derart angeordnet, dass sie schirmförmigen Ventilelementen der Einlassventile und der Auslassventile, die nicht dargestellt sind, zugewandt gegenüberliegen. Die einlassseitigen Abschrägungen 110 und die auslassseitigen Abschrägungen 120 erstrecken sich im Wesentlichen entlang einer Richtung einer Kurbelwelle.
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Die einlassseitigen Abschrägungen 110 und die auslassseitigen Abschrägungen 120 sind derart angeordnet, dass sie an die Form der dachförmigen Brennkammer 200 angepasst sind und in Bezug auf eine ebene Oberfläche geneigt sind, die orthogonal zu einer Mittelachse einer Bohrung ist, so dass sie auf der zentralen Seite der Bohrung in Richtung auf den Zylinderkopf vorstehen.
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Die einlassseitigen Abschrägungen 110 weisen jeweils eine Einlassventil-Aussparung 111 an einem den auslassseitigen Abschrägungen 120 entgegengesetzten Ende auf.
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Die auslassseitigen Abschrägungen 120 weisen jeweils eine Auslassventil-Aussparung 121 an einem den einlassseitigen Abschrägungen 110 entgegengesetzten Ende auf.
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Bei den Einlassventil-Aussparungen 111 und den Auslassventil-Aussparungen 121 handelt es sich um Aussparungen, die eine störende Einwirkung der Einlassventile und der Auslassventile in Bezug auf die Kronenoberfläche 100 vermeiden und an zwei Stellen angeordnet sind, die den Positionen der Ventile entlang der Richtung der Kurbelwelle entsprechen.
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Die einlassseitige Quetschfläche 130 und die auslassseitige Quetschfläche 140 sind den Oberflächen auf der Seite des Zylinderkopfes mit einer minimalen Beabstandung dazwischen gegenüberliegend angeordnet, wenn der Kolben 1 eine Position in der Nähe eines oberen Totpunkts einnimmt.
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Die Quetschflächen 130 und 140 bilden eine Quetschströmung, die in Richtung auf die zentrale Seite der Brennkammer 200 herausgedrückt wird, wenn sich der Kolben 1 einem oberen Totpunkt der Verdichtung nähert, um dadurch eine Gasströmung zu aktivieren.
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Die einlassseitige Quetschfläche 130 ist aus Flächenbereichen gebildet, die sich benachbart den Einlassventil-Aussparungen 111 zu einem äußeren peripheren Rand der Kronenoberfläche 100 erstrecken.
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Die auslassseitige Quetschfläche 140 ist aus Flächenbereichen gebildet, die sich benachbart den Auslassventil-Aussparungen 121 zu dem äußeren peripheren Rand der Kronenoberfläche 100 erstrecken.
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Die einlassseitige Quetschfläche 130 und die auslassseitige Quetschfläche 140 weisen eine ebene Form auf, die im Wesentlichen orthogonal zu einer Axiallinie der Zylinderbohrung ist.
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Eine ebene Fläche 150 ist in einem zentralen Bereich der Kronenoberfläche 100 vorgesehen, und ein Hauptbereich der ebenen Fläche 150 erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer Ebene, die im Wesentlichen orthogonal zu der Axiallinie der Zylinderbohrung ist.
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Die ebene Fläche 150 ist durch Vertiefen eines zentralen Bereichs der Dachform gebildet, die durch die einlassseitigen Abschrägungen 110 und die auslassseitigen Abschrägungen 120 gebildet wird.
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Wie in 2 und weiteren Figuren dargestellt, ist die ebene Fläche 150 ellipsenförmig ausgebildet, wobei sie in der Draufsicht bei Betrachtung in der Richtung der Axiallinie der Zylinderbohrung eine Längsachse im Wesentlichen entlang der Kurbelwellenrichtung aufweist.
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Die ebene Fläche 150 ist auf einer Kurbelwellenseite in Bezug auf die einlassseitige Quetschfläche 130 und die auslassseitige Quetschfläche 140 geringfügig zurückgesetzt ausgebildet.
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Ein äußerer peripherer Rand der ebenen Fläche 150 ist mit anderen Oberflächen über eine sanft vertiefte gekrümmte Oberfläche gekoppelt.
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Die Mulde 160 erstreckt sich von dem zentralen Bereich der Kronenoberfläche 100 zu der einlassseitigen Quetschfläche 130, und zwar vertieft in Bezug auf die anderen Oberflächen.
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Wie in 2 und weiteren Figuren dargestellt, weist die Mulde 160 eine ovale Form auf, die entlang einer Richtung länglich ausgebildet ist, die die im Wesentlichen im Zentrum der Zylinderbohrung angeordnete Zündkerze und den Injektor bei Betrachtung in Richtung der Axiallinie der Zylinderbohrung miteinander verbindet.
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Die Mulde 160 weist eine Bodenfläche 161, eine zentrumseitige Stufe 162, eine außendurchmesserseitige Stufe 163 sowie gerade Führungsstufen 164 auf.
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Bei der Bodenfläche 161 handelt es sich um eine im Wesentlichen ebene Oberfläche, die an dem tiefsten Bereich der Mulde 160 gebildet ist.
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Die Bodenfläche 161 weist eine ebene Formgebung auf, die im Wesentlichen parallel zu einer Ebene ist, die zu der Axiallinie der Zylinderbohrung orthogonal ist.
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Die Bodenfläche 161 ist in Richtung auf die Kurbelwelle um eine vorbestimmte Abmessung in Bezug auf den Hauptbereich der ebenen Fläche 150 an der Peripherie der Mulde 160 vertieft ausgebildet.
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Die zentrumseitige Stufe 162, die außendurchmesserseitige Stufe 163 sowie die geraden Führungsstufen 164 sind Stufenbereiche, die entlang des äußeren peripheren Rands der Mulde 160 über den gesamten Umfang kontinuierlich ausgebildet sind.
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Die zentrumseitige Stufe 162, die außendurchmesserseitige Stufe 163 und die geraden Führungsstufen 164 steigen von der Bodenfläche 161 in Richtung auf den Zylinderkopf an, und Kopplungsbereiche mit der Bodenfläche 161 weisen eine vertiefte gekrümmte Formgebung auf.
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Dagegen sind Enden der zentrumseitigen Stufe 162, der außendurchmesserseitigen Stufe 163 und der geraden Führungsstufen 164 auf der Seite des Zylinderkopfes mit anderen Flächen derart gekoppelt, dass spitze bzw. scharfe Kanten gebildet sind.
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Die zentrumseitige Stufe 162 bildet ein Ende der Mulde 160 auf der zentralen Seite der Bohrung (der Seite der Zündkerze 210).
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Die zentrumseitige Stufe 162 ist in einem zentralen Bereich der ebenen Fläche 150 angeordnet und weist in der Draufsicht eine bogenförmige Formgebung auf, die im Wesentlichen derart angeordnet ist, dass sie auf der Austrittsseite mit einem Mittelpunktswinkel von 180° bei Betrachtung in Richtung der Axiallinie der Zylinderbohrung hervorsteht.
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Die zentrumseitige Stufe 162 ist derart angeordnet, dass sie die Zündkerze 210 bei Betrachtung in Richtung der Axiallinie der Zylinderbohrung auf einer Innendurchmesserseite derselben beinhaltet.
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Die außendurchmesserseitige Stufe 163 bildet einen Teil eines Endes der Mulde 160 auf der Außendurchmesserseite der Bohrung (der Seite des Injektors 220).
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Die außendurchmesserseitige Stufe 163 erstreckt sich entlang der einlassseitigen Abschrägungen 110 sowie der einlassseitigen Quetschfläche 130 und weist eine bogenförmige Formgebung mit einem Mittelpunktswinkel von 180° auf, wobei sie im Wesentlichen derart angeordnet ist, dass sie in der Draufsicht bei Betrachtung in der Richtung der Axiallinie der Zylinderbohrung auf der Einlassseite hervorsteht.
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Bei den geraden Führungsstufen 164 handelt es sich um ein Paar von lateralen Seiten (externe gemeinsame Tangenten für diese Bogenflächen), die parallel zueinander derart vorgesehen sind, dass sie die beiden Enden der zentrumseitigen Stufe 162 sowie die beiden Enden der außendurchmesserseitigen Stufe 163 jeweils miteinander verbinden.
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Die geraden Führungsstufen 164 sind im Wesentlichen parallel zu einer geraden Linie angeordnet, die die Zündkerze 210 und den Injektor 220 bei Betrachtung in Richtung der Axiallinie der Zylinderbohrung miteinander verbindet.
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2 zeigt Auftreffbereiche P, die der Injektor 220 an der Kronenoberfläche 100 durch die Kraftstoff-Sprühnebel bildet, in Form von in gestrichelten Linien dargestellten Kreisen.
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Hierbei stellen die Auftreffbereiche P Auftreffbereiche dar, die durch einen zuletzt in einer späten Stufe des Verdichtungstakts (dem letzten Kraftstoffeinspritzvorgang) ausgeführten Einspritzvorgang gebildet werden, wenn eine Vielzahl von Kraftstoffeinspritzvorgängen pro einzelnem Verbrennungszyklus ausgeführt wird.
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In einem Fall, in dem eine geschichtete Ladungsverbrennung oder eine schwache geschichtete Ladungsverbrennung (in einem Zwischenstadium zwischen der geschichteten Ladungsverbrennung und der homogenen Verbrennung) durch einen einzigen Kraftstoffeinspritzvorgang pro Verbrennungszyklus ausgeführt wird, werden die gleichen Auftreffbereiche gebildet.
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Wie in 2 dargestellt, handelt es sich bei dem Injektor 220 beispielsweise um einen Injektor mit mehreren Öffnungen, der sechs strahlenförmige Kraftstoff-Sprühnebel bildet, wobei fünf Auftreffbereiche P von sechs Auftreffbereichen innerhalb der Mulde 160 vorgegeben sind.
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Vier Auftreffbereiche P dieser fünf Kraftstoff-Sprühnebel werden 2 mal 2 in Bereichen benachbart den jeweiligen geraden Führungsstufen 164 gebildet, und der verbleibende eine Auftreffbereich P wird in einem Bereich benachbart dem Ende der außendurchmesserseitigen Stufe 163 auf der Außendurchmesserseite der Bohrung gebildet.
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Ein Auftreffbereich P eines weiteren Kraftstoff-Sprühnebels wird in einem austrittseitigen Bereich der ebenen Fläche 150 gebildet.
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Auf diese Weise werden die in die Mulde 160 eingespritzten Kraftstoff-Sprühnebel die Innenfläche der Mulde 160 in Richtung auf die zentrale Seite der Zylinderbohrung entlanggeführt, durch die vertiefte, gekrümmte Oberfläche der zentrumseitigen Stufe 162 in Richtung zu dem Zylinderkopf nach oben gewirbelt, um hierdurch unmittelbar vor einem Zündzeitpunkt einen Bereich mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Peripherie der Zündkerze 210 zu bilden.
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Im Folgenden wird ein Effekt des vorstehend beschriebenen Beispiels im Vergleich zu einem nachfolgend beschriebenen Vergleichsbeispiel zu der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Anstatt der ovalen Formgebung des Beispiels ist bei einem Kolben gemäß dem Vergleichsbeispiel die Mulde 160 mit einer im Wesentlichen ellipsenförmigen Formgebung (ohne gerade Führungsstufen 164) ausgebildet, wenn man die Mulde 160 in Richtung einer Zylinderachse betrachtet.
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Die 6A bis 6C veranschaulichen in chronologischer Folge Resultate einer Verhaltenssimulation eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor, der mit dem Kolben gemäß dem Vergleichsbeispiel ausgestattet ist.
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Die 6A, 6B und 6C zeigen einen Querschnitt des Bohrungszentrums orthogonal zu einer Rotationsachse der Kurbelwelle bei Kurbelwinkeln A° vor dem oberen Totpunkt bei der Verdichtung, B° vor dem oberen Totpunkt bei der Verdichtung und C° nach dem oberen Totpunkt bei der Verdichtung (wobei A° > B° > C° ist und C° ein Wert zum Zeitpunkt der Zündung ist), wobei in den Zeichnungen der dunklere Bereich ein fetteres Luft-Kraftstoff-Gemisch darstellt (Gleiches gilt für die 7A bis 7C).
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Bei dem Vergleichsbeispiel kann das Bilden des Bereichs mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem gewissen Ausmaß in der Peripherie der Zündkerze 210 erzielt werden, indem die Kraftstoff-Sprühnebel in Richtung auf das Zentrum der Zylinderbohrung geführt werden, indem eine Vielzahl von Kraftstoff-Sprühnebeln in die Mulde 160 eingespritzt wird und diese in Richtung auf die Zündkerze 210 nach oben gewirbelt werden.
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Jedoch wird bei dem Vergleichsbeispiel eine relativ größere Menge des Luft-Kraftstoff-Gemisches auf der Einlassseite diffundiert, so dass immer noch ein fetterer Bereich in der Peripherie der Zündkerze 210 erwünscht ist.
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Die 7A bis 7C veranschaulichen in chronologischer Weise Resultate der Verhaltenssimulation des Luft-Kraftstoff-Gemisches bei dem Verbrennungsmotor, der mit dem Kolben gemäß dem Beispiel der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
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Bei dem Beispiel, bei dem die geraden Führungsstufen 164 vorhanden sind, werden die Kraftstoff-Sprühnebel in effizienter Weise in Richtung auf das Zentrum der Zylinderbohrung geführt, während Leckage von der Einlassseite der Mulde 160 vermindert ist, so dass die Kraftstoff-Sprühnebel an der zentrumseitigen Stufe 162 in Richtung auf den Zylinderkopf nach oben gewirbelt werden können.
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Infolgedessen kann, wie in 7C dargestellt, der Bereich mit dem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel in kontinuierlicher Weise von der Peripherie der Zündkerze 210 bis zu der Einlassseite gebildet werden, so dass die Zündeigenschaften und die Verbrennungsstabilität verbessert werden können.
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Wie vorstehend beschrieben, werden gemäß dem Beispiel die folgenden vorteilhaften Wirkungen erzielt.
- (1) Die von dem Injektor 220 eingespritzten Kraftstoff-Sprühnebel (Kraftstoff wird im Verlauf der Zeit in Gas umgewandelt, um eine Luft-Kraftstoff-Gemisch-Schicht mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis bilden) treffen auf die Kronenoberfläche 100 des Kolbens 1 auf, werden dann durch die Mulde 160 mit den geraden Führungsstufen 164 linear in Richtung auf die Zündkerze 210 geführt, dann entlang der gekrümmten Oberfläche der zentrumseitigen Stufe 162 nach oben gewirbelt und in Richtung auf den Zylinderkopf umgelenkt, so dass sie sich in effizienter Weise an der Peripherie der Zündkerze 210 sammeln.
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Mit der zentrumseitigen Stufe 162, der außendurchmesserseitigen Stufe 163 sowie den geraden Führungsstufen 164, die eine Stufe aufweisen und entlang des gesamten Umfangs des äußeren peripheren Rands der Mulde 160 ausgebildet sind, wird die Wahrscheinlichkeit einer Leckage der Kraftstoff-Sprühnebel von der Mulde 160 in einer anderen Richtung als in Richtung auf die Zündkerze 210 hin vermindert.
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Mit Hilfe dieser vorteilhaften Wirkungen kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Peripherie der Zündkerze 210 fetter gemacht werden, und die Zündeigenschaften lassen sich verbessern. Außerdem kann der Bereich mit dem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Peripherie der Zündkerze 310 erweitert werden und damit die Verbrennungsstabilität verbessert werden.
- (2) Mittels der Vorgabe, dass eine Vielzahl von Strahlen aus den Kraftstoff-Sprühnebeln, die von dem Injektor 220 bei dem letzten Kraftstoffeinspritzvorgang eingespritzt werden, an Stellen in der Mulde 160 benachbart dem äußeren peripheren Rand auftrifft, werden die Kraftstoff-Sprühnebel in zuverlässiger Weise entlang der Stufen 162, 163 und 164, die an dem äußeren peripheren Rand der Mulde 160 gebildet sind, in Richtung auf die Zündkerze 210 geführt, so dass die vorstehend beschriebenen vorteilhaften Wirkungen sichergestellt werden.
- (3) Indem die Bodenfläche 161 der Mulde 160 mit einem Wert von 2,5 mm oder mehr tiefer vorgegeben ist als die ebene Fläche 150, lassen sich die in die Mulde 160 eingespritzten Kraftstoff-Sprühnebel in wünschenswerter Weise in Richtung auf den Zylinderkopf an dem äußeren peripheren Rand der Mulde 160 nach oben wirbeln, so dass die vorstehend beschriebenen vorteilhaften Wirkungen noch weiter gesteigert werden.
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Modifikationen
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das vorstehende Beispiel beschränkt, und es sind verschiedene Modifikationen und Änderungen möglich. Diese Modifikationen und Änderungen liegen ebenfalls im technischen Umfang der Erfindung. Beispielsweise sind die Formgebung, die Abmessungen sowie die Anordnung der jeweiligen Bereiche der Kronenoberfläche des Kolbens nicht auf eine Konfiguration gemäß dem vorstehend beschriebenen Beispiel beschränkt, sondern können nach Bedarf modifiziert werden.
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Der Kolben gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist nicht auf einen Benzinmotor beschränkt, sondern kann auch bei andere Kraftstoffe verwendenden Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, wie z.B. solchen, die ein Luft-Kraftstoff-Gemisch durch Einspritzen von flüssigem Kraftstoff in eine Brennkammer bilden und eine Funkenzündung ausführen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 10
- Außenumfangsfläche
- 100
- Kronenoberfläche
- 110
- einlassseitige Abschrägungen
- 111
- Einlassventil-Aussparungen
- 120
- auslassseitige Abschrägungen
- 121
- Auslassventil-Aussparungen
- 130
- einlassseitige Quetschfläche
- 140
- auslassseitige Quetschfläche
- 150
- ebene Fläche
- 160
- Mulde
- 161
- Bodenfläche
- 162
- zentrumseitige Stufe
- 163
- außendurchmesserseitige Stufe
- 164
- gerade Führungsstufe
- 200
- Brennkammer
- 210
- Zündkerze
- 220
- Injektor
- P
- Auftreffbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 10-317973 A [0004]
- JP 2000-130171 A [0005]
- JP 2002-295261 A [0006]
- JP 2006-257943 A [0007]
- JP 2008-151020 A [0008]
- JP 2010-096088 A [0009]
- JP 2013-113119 A [0010]
- JP 2013-113120 A [0011]
