DE3805009A1 - Kolben fuer dieselmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Dieselmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Kolben dieser Bauart konnten bisher nur bei Nutzfahrzeugen wie Trak­ toren oder Lastkraftwagen vorgesehen werden, weil sie ziemlich stark klopften oder "nagelten" und ein solches "Nageln" für den Betrieb von Personenkraftwagen zu hart war, d.h. den Benutzern nicht zugemutet werden konnte, bzw. von diesen abgelehnt wurde. Statt dessen hat man Dieselmotoren für Personenkraftwagen mit einer relativ aufwendigen und umständlichen Anordnung von Vorkammern in den Zylinderköpfen versehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß bei Beibe­ haltung der einfachen Anordnung der Vorkammern in den Kol­ ben beim Betrieb eines solchen Motors das sogenannte "Nageln" oder "Klopfen" zumindest soweit reduziert wird, daß es beim Fahrbetrieb eines damit ausgerüsteten Personen­ kraftwagens nicht stört.

Die Lösung dieser Aufgabe wird, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruches 1, zunächst in den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 gesehen. Bewegt sich der Kolben im Betrieb nach oben zum Zylinderkopf hin, wobei sich der Raum zwischen der Kolbenstirnseite und der Gegenfläche des Zylinderkopfes verkleinert, so wird die dazwischen befindliche Luft in Richtung zur Vorkammer gedrückt. Dabei bewirkt jede Ver­ tiefung, daß in ihr ein Luftstrahl strömt, der in die Vor­ kammer mündet und in dieser eine Luftwirbelung hervorruft. Diese Luftwirbelung bewirkt ein möglichst gleichmäßiges Vermischen des eingespritzten Brennstoffes mit der Luft, wodurch die Verbrennung entsprechend begüngstigt wird. Nach der Verbrennung expandieren die Gase in umgekehrter Richtung zur vorgenannten Luftströmungsrichtung in die Vertiefungen und damit in den Spalt zwischen den Randteil der Kolbenstirn­ seite und der Gegenfläche des Zylinderkopfes hinein. Damit wirkt sich der Verbrennungsdruck nicht nur im Bereich der Vorkammer, sondern auch im Bereich des Randteiles der Kol­ benstirnseite aus. Hiermit wird insgesamt ein "weicherer" Expansionsvorgang der Gase und damit eine entsprechende Reduzierung des "Nagelns" erreicht.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist Gegenstand des Anspruches 2. Damit strömt der Luftstrahl aus allen Ver­ tiefungen in einem Winkel zur Radialen in die Vorkammer, wobei es wesentlich ist, daß diese Strömungsrichtungen in derselben Umfangsrichtung von der Radialen abweichen, so daß die einströmenden Luftstrahlen aller Vertiefungen zusam­ menwirken, um eine spiral- oder kreisförmige Wirbelung des Luft- Brennstoffgemisches innerhalb der Vorkammer zu erreichen. Die oben bereits erwähnte, mit der Erfindung erzielte Wirbel­ verbrennung wird dadurch weiter begünstigt.

Die Merkmale des Anspruches 3 tragen weiter zur Wirbelung des Luft-Brennstoffgemisches in der Vorkammer bei; und zwar insbesondere in Verbindung mit den Merkmalen des An­ spruches 2.

Es empfiehlt sich ferner in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die Vertiefungen gemäß den Merkmalen des Anspruches 4 auszubilden, um somit den ge­ samten Inhalt entsprechend verwirbeln zu können. Dem dient weiter die Anordnung gemäß Anspruch 5.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung von erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Kolben nach der Erfindung, wobei der zu­ gehörige Zylinder nicht mit darge­ stellt ist,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1, der gemäß der in Fig. 1 eingezeichneten strich­ punktierten Schnittlinie nicht gerade sondern etwa gewellt verläuft, wo­ bei Zylinder und Zylinderkopf mit dar­ gestellt sind,

Fig. 3 in einem Schnitt gemäß Fig. 2 nur den oberen Teil des Kolbens mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Der Kolben 1 eines Dieselmotors für Direkteinspritzung des Kraftstoffes läuft in einem Zylinder 2, der oberseitig mit einem Zylinderkopf 3 abgeschlossen ist. Die Bohrung 4 dient in üblicher Weise zur Anbringung der Pleuelstange (siehe Fig. 2).

Der Verbrennungs- oder Explosionsraum befindet sich an der in der Zeichnung oben gelegenen Stirnseite des Kolbens 1 und wird von einer Vorkammer 5 und einem Spalt 6 gebildet, der in der obersten Lage des Kolbens 1 einerseits von der Unterfläche 7 des Zylinderkopfes 3 und andererseits von einem noch näher zu erläuternden ringförmigen Randteil 8 der oberen Stirnseite 9 des Kolbens 1 begrenzt ist.

Die Vorkammer 5 des Kolbens befindet sich in der Mitte der Kolbenstirnseite 9 und wird von dem erläuterten ringförmigen Randteil 8 umgeben. Die zugehörige Mittellängsachse des Kol­ bens ist mit 11 beziffert.

Im ringförmigen Randteil 8 der oberen Stirnseite des Kolbens 1 sind mehrere, in diesem Ausführungsbeispiel vier, lang­ gestreckte Vertiefungen 12, bzw. 12′ vorgesehen. Diese Vertie­ fungen sind zur Oberfläche des Randteiles 8 und damit zum Spalt 6 sowie der Unterfläche 7 des Zylinderkopfes 3 hin offen. Sie münden mit einem ihrer Enden 13, bzw. 13′ in der zylindri­ schen Wandung 14 der Vorkammer 5. Ihr jeweils anderes Ende 15, bzw. 15′ befindet sich in einem relativ geringen Abstand von der außenseitigen Mantelfläche 16 des zylindrischen Kolbens 1, so daß keine Verbrennungsgase aus den Vertiefungen 12 in den ringzylindrischen Spalt 17 zwischen Kolben 1 und Zylinder 2 austreten können.

Bewegt sich der Kolben 1 nach oben in die in Fig. 2 darge­ stellte Zünd- oder Verbrennungsstellung, so wird bei diesem Aufwärtsbewegen die zwischen der Kolbenstirnseite 9 und der Zylinderkopfunterfläche 7 befindliche Luft zum größten Teil nach innen in die zentrisch gelegene Vorkammer 5 gedrückt. Dabei wird ein wesentlicher Teil der Luft mittels der Ver­ tiefungen 12, bzw. 12′ in die Vorkammer 5 geleitet, und zwar in Form von sich in diesen Vertiefungen sammelnden Luftströmen, die etwa in Richtung der Pfeile 18 (siehe Fig. 1) austreten. Damit wird die in der Vorkammer befindliche Luft, sowie nach der Direkteinspritzung des Dieselkraftstof­ fes das Luft-Kraftstoffgemisch herumgewirbelt. Gemäß der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden die Einströmrichtungen 18 der aus den Vertiefungen 12 in die Vorkammer strömende Luft mit der Radialen r einen Winkel α. Dies bedeutet, daß die Luftströmungen 18 nicht nur eine Komponente in radialer Richtung zur Mittellängsachse 11 (umgekehrt zum Pfeil r) sondern auch jeweils eine tangen­ tiale Bewegungskomponente u, und zwar in der gleichen Umfangs­ richtung (siehe Fig. 2) haben. Hiermit entsteht in der Vor­ kammer 5 eine etwa spiral- oder kreisförmige Wirbelung, welche eine besonders homogene Mischung aus Luft und Kraft­ stoff zur Folge hat. Dieser Wirbeleffekt wird noch verstärkt, wenn die Vertiefungen 12 (bzw. 12′) gemäß Fig. 1 bogen- oder spiralförmig verlaufen.

Nach erfolgter Verbrennung oder Explosion ergibt sich der bereits eingangs erläuterte weitere Vorteil, wonach ein Teil der sich expandierenden, verbrennenden Gase aus der Vorkammer 5 über die Vertiefungen 12 in den Spalt 6 gelangt und auch dort eine Druckkraft auf den Kolben nach unten ausübt. Die Druckkraft der Verbrennung ist also nicht auf die Vorkammer 5 beschränkt. Das nachteilige "Nageln" wird hierdurch sehr reduziert.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 erstrecken sich die Enden, bzw. Mündungen 13 der Vertiefungen 12 in die Vorkammer 5 nur über einen Teil der Höhe der Vorkammer. Sie können aber, wie das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 zeigt, auch sich über einen größeren Teil, hier die gesamte Höhe der Innenwandung 14 der Vorkammer 5 bis zu deren Boden 5′ hin erstrecken, wodurch eine noch stärkere Verwirbelung des gesamten Inhaltes der Vorkammer 5 erfolgt. Es versteht sich, daß beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 im übrigen die Vertiefungen 12′ so ausgebildet sein können, wie es anhand der Fig. 1, 2 dargestellt und beschrieben ist.

Claims (5)

1. Kolben für Dieselmotoren mit Direkteinspritzung des Kraftstoffes, wobei die dem Verbrennungsraum und dem Zylinderkopf zugewandte Stirnseite des Kolbens in ihrer Mitte eine sich von der Ebene der Stirnseite in das Kolbeninnere hinein erstreckende Vorkammer aufweist, die von einem kreisringförmigen Randteil der Stirnseite umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Randteil (8) der Stirnseite langgestreckte und zur Oberfläche des Randteiles offene Vertiefungen (12, 12′) vorgesehen sind, die mit einem ihrer Enden (13, 13′) in die Vor­ kammer (5) münden und mit ihren anderen Enden (15, 15′) zumindest in einer geringen Entfernung vom Mantel (15) des Kolbens (1) enden.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Mündungsstellen (13, 13′) der Vertiefungen (12, 12′) in die Vorkammer (5) die Längsrichtungen (18) aller Ver­ tiefungen etwa um den gleichen Winkelbetrag (α) von der Radialrichtung (r) abweichen, wobei diese Abweichun­ gen sämtlich in der gleichen Umfangsrichtung (u) er­ folgen.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (12, 12′) spiral- oder bogenförmig verlaufen.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vertiefungen (12, 12′) in der zylindrischen Mantelfläche (14) der Vorkammer (5) nach unten in Richtung zum Boden (5′) der Vorkammer geführt sind.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (13′) völlig bis zum Boden (5′) der Vorkammer (5) geführt sind.