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Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und direkter Kraftstoffeinspritzung oder äusserer Gemischbildung, mit einem hin-und hergehenden Kolben pro Zylinder und einer dachförmig ausgebildeten Brennraumdeckfl che, sowie mit im Brennraum eine Tumbleströmung erzeugenden Einlasskanälen.
Ständig steigende Anforderungen an den Kraftstoffverbrauch und die Reduktion der Abgasemissionen, insbesondere der Kohlenwasserstoffe und der Stickoxide, erfordern den Einsatz neuer Technologien im Bereich der Verbrennungskraftmaschinen.
Ein wesentlicher Grund für den gegenüber z. B. Dieselmotoren höheren spezifischen Kraftstoffverbrauch einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine liegt in der Betriebsweise mit vorgemischtem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch. Dies bedingt eine Regelung der Motorlast mit Hilfe eines Drosselorganes zur Begrenzung der insgesamt angesaugten Gemischmenge (Qualitätsregelung).
Diese Drosselung der Ansaugströmung führt zu einem thermodynamischen Verlust, der den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine erhöht. Das Potential zur Verbrauchsreduzierung der Verbrennungskraftmaschine bei Umgehung dieser Drosselung kann auf etwa 25% geschätzt werden. Ein Teil dieses Verbesserungspotentials kann genutzt werden, wenn im Teillastbereich eine Verringerung der Drosselung möglich wird.
Bei gegebener Kraftstoffmenge ist dies jedoch nur durch eine Abmagerung des Gemisches oder durch Rückführung von Abgas (AGR) möglich. Es sind also Massnahmen erforderlich, die Abmagerungsfähigkeit bzw. AGR-Verträglichkeit des Motors bei gleichzeitiger Einhaltung oder besser Verringerung der Emissionswerte zu erhöhen.
Eine Massnahme zur Verbesserung der Abmagerungsfähigkeit oder AGR-Verträglichkeit besteht in einer Beschleunigung der Verbrennung durch erhöhte Turbulenz zum Zeitpunkt der Verbrennung bei homogenem Gemisch.
Ein weiterer Schritt besteht in der Erzeugung einer Ladungsschichtung durch Einspritzung des Kraftstoffes nur in einen Teil der Ansaugluftströmung und geeignete Strömungsiüh- rung im Zylinderraum zur Stabilisierung dieser Ladungsschichtung.
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Eine vollständige Nutzung des Potentials zur Verbrauchsreduktion wird durch direkte Kraftstoffeinspritzung und weitgehend ungedrosselten Betrieb des Motors möglich, was die extremste Form der Ladungsschichtung darstellt.
Eine derartige im Saugrohr oder durch direkte Kraftstofferinspritzung generierte Gemischschichtung muss durch die Hauptströmungsstrukturen im Zylinderraum der Brennkraftmaschine stabilisert werden, um selbst in Anwesenheit der typischerweise sehr hohen Turbulenzgrade der Motorinnenströmung den Kompressionsvorgang zwischen dem Schliessen der Einlassventile und der Zündung überdauern zu können. Als Hauptströmungsformen kommen hier die Wirbelbewegungen Drall und Tumble in Betracht. Bei einer Drallströmung rotiert die Zylinderladung aufgrund der Einlasskanalgestaltung um die Zylinderachse, während bei einer Tumbleströmung eine Rotation um eine zur Kurbelwelle parallele Achse zu beobachten ist.
Grundsätzlich bietet die Drallströmung die besseren Voraussetzungen zur Erhaltung während der Kompression, da sich der Zylinderquerschnitt senkrecht zur Zylinderachse während der Kompression nicht ändert.
Ein einlassgenerierter Tumblewirbel (Rotation um eine zur Kurbelwelle parallele Achse) zeigt einerseits eine Beschleunigung der Rotation durch die Verkleinerung der Querschnittfläche während der Kompression. Andererseits ist der Tumblewirbel im Vergleich zu einer um die Zylinderachse rotierenden Drallströmung etwas instabiler und neigt zum Zerfall in komplexere Sekundärwirbel. In der Endphase der Kompression ist bei genügend flachem Ventilwinkel (eines typischen Vierventil-Brennraums) ein starker Zerfall des Tumblewirbels in kleinere stochastisch verteilte Wirbel zu beobachten. Eine Tumbleströmung lässt sich im Zylinderraum eines modernen mehrventiligen Ottomotors mit 2 oder 3 Einlassventilen sinnvoll erzeugen ohne deutliche Verringerungen des Durchflusskoeffizienten der Einlasskanäle in Kauf nehmen zu müssen.
Die Tumbleströmung stellt daher heute ein häufig angewandtes Strömungskonzept für Ottomotoren dar, bei welchen mit Hilfe erhöhter Ladungsbewegung die Verbrennungscharakteristiken verbessert werden sollen.
In ausgeführten Schichtungskonzepten auf Tumblebasis werden in der DE 42 33 640 AI, EP 0 558 081 AI und EP 0 558 073 Al Verfahren vorgestellt, die eine Aufteilung des
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Einlassstromes in Teilströme anstreben. Dies wird entweder durch Verwendung von Einlassventilen mit getrennten Kanälen oder durch Einsatz von Trennwänden im gemeinsamen Einlasskanal erreicht. Durch Einbringung des Kraftstoffes nur in einen Teilstrom wird eine lokale Anfettung des Gemisches erzielt.
Ein wesentliches Problem bei der Aufrechterhaltung einer solchen Schichtung während der Kompressionsphase besteht in der Tatsache, dass eine Tumblebewegung während der Kompression teilweise in zwei nebeneinander gegensinnig rotierende Wirbel übergeht, deren Drehachse senkrecht zu Kurbelwellen- und Zylinderachse steht. Bei Einbringung des kraftstoffreichen Gemisches nur in den mittleren Teil des Einlassstromes tragen diese auch als Omega-Tumble bezeichneten Wirbelbewegungen stark zu einer Vermischung einer solchen Schichtung bei. Eine durch zwei Teilströme erzeugte asymmetrische Tumbleschichtung konnte dagegen auch experimentell bereits nachgewiesen werden (SAE 941993).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Zylinderinnenströmung und der sich ergebenden Gemischverteilung.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Kolben zumindest eine von der Kolbenstirnfläche vorragende Leitrippenanordnung mit zumindest einer Längsrippe aufweist, deren Längsmittelebene zumindest in einem Punkt etwa normal zur Kurbelwellenachse liegt. Die Leitrippenanordnung gestattet eine gezielte - je nach den Erfordernissen-Beschleunigung oder Verlangsamung einzelner Phasen des Gesamtumsatzes, oder einen verringerten Übergang der Tumblebewegung in komplexere Sekundärströmungen.
Weiters wird der Brennraum bei Annäherung des Kolbens an den Zylinderkopf im oberen Totpunkt in zwei oder mehr Teilbereiche geteilt, wodurch eine Konzentration des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem der Teilbereiche erzielt werden kann. Die dem Zylinderkopf zugewandte Kolbenstirnfläche kann dabei auch zumindest teilweise auf der der Kurbelwelle zugewandten Seite einer durch die Kolbenkante aufgespannten Ebene liegen.
In einer sehr einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgehen, dass die Leitrippenanordnung zwei parallele, voneinander beabstandete Längsrippen aufweist, deren Längsmittelebenen zumindest in einem Punkt normal auf die Kur-
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belwellenachse ausgebildet sind. Durch die zwei parallelen Längsrippen wird die Ausbildung von Querkomponenten der Tumbleströmung bei deren Umlenkung am Kolben verhindert.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Leitrippenanordnung zumindest eine Querrippe aufweist, deren Längsmittelebene zumindest in einem Punkt parallel zur Motorlängsebene steht. Die zusätzliche, mit den Längsrippen kombinierte Querrippe verstärkt die Aufrichtung der Strömung nach der Umlenkung am Kolben und trägt damit zur weiteren Verringerung der Ausbildung von Sekundärströmungen und zur Intensivierung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Tumblewirbels nahe dem oberen Totpunkt bei.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Leitrippenanordnung symmetrisch zu einer durch die Zylinderachse verlaufenden Normalebene auf die Kurbelwellenachse ausgebildet ist. Besonders günstig ist es dabei, wenn die Querrippe auf der Einlassseite angeordnet ist.
Andererseits kann auch vorgesehen sein, dass die Leitrippenanordnung symmetrisch zur Motorlängsebene angeordnet ist. Wenn die Querrippe im Bereich der Motorlängsebene angeordnet ist, trägt diese bei Annäherung an den oberen Totpunkt zur Transformation der Tumblebewegung in turbulente Fluktuationen bei.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitrippenanordnung im Grundriss gesehen die Form eines nun aufweist, wobei vorzugsweise die U-förmige Leitrippenanordnung nach der Einlassseite hin geöffnet ist. Bei direkter Einspritzung des Kraftstoffes durch ein zwischen den Einlassventilen angeordnetes Einspritzorgan kann dabei die in Zylindermitte entstehende Gemischwolke in Zündkerzennähe konzentriert und stabilisiert werden.
Schliesslich kann es auch vorteilhaft sein, die Leitrippenanordnung asymmetrisch auszubilden. Dadurch kann bei asymmetrischer Kraftstoffeinbringung die entstehende Gemischschichtung stabilisiert und bei direkter Kraftstoffeinspritzung der Kraftstoffstrahl in Richtung zur Zündkerze umgelenkt werden.
Um unerwünschte Strömungsablösungen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Längsrippe stetig in die vorzugsweise gekrümmte Querrippe übergeht. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Querrippe aus gekrümmten Teilbereichen besteht.
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Die Erfindung wird anhand von in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Brennraum eines Zylinders gemäss der Linie I-I in Fig. 3a, Fig. 2 einen Längsschitt durch einen Zylinder gemäss der Linie II-II in Fig. 3a, Fig. 3a bis Fig. 3h verschiedene Ausführungsvarianten der erfindungsgemässen Leitrippenanordnung in jeweils einer schematischen Draufsicht auf den Kolben.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In einem Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine ist ein hin-und hergehender Kolben 2 längsverschieblich angeordnet.
Durch die dachförmige Brennraumdecke 3 des Zylinderkopfes 4 und die Kolbenstirnfläche 5 des Kolbens 2 wird ein Brennraum 6 gebildet, in welchen beispielsweise zwei in Fig. 1 strichliert eingezeichnete Einlasskanäle 7 und zwei Auslasskanäle 8 einmünden. Mit 9 und 10 sind schrägliegende Einlassventile und Auslassventile durch strichlierte Linien angedeutet. Bezugszeichen 11 bezeichnet eine mittig angeordnete Zündkerze.
An der Kolbenstirnfläche 5 weist der Kolben 2 eine Leitrippenanordnung 12 auf, welche die mit 13 angedeutete, als Tumble ausgebildete Zylinderinnenströmung beeinflusst, um einen optimalen Verbrennungsablauf zu erreichen. Einerseits wird diese Beeinflussung durch eine Parallelisierung der Tumbleströmung 13 bei ihrer Umlenkung an der Kolbenstirnfläche 5, andererseits durch eine Umlenkung bzw. Konzentration des Kraftstoffes bzw. des Kraftstoff-Luftgemisches in einem Teilbereich des Brennraumes 6 bewirkt. wie in Fig. 3a ersichtlich ist, kann die Leitrippenanordnung 12 aus zwei einzelnen Längsrippen 14 bestehen, deren Längsmittelebenen 14a etwa normal zur Kurbelwellenachse 15 und symmetrisch zu einer Normalebene 16 auf die Kurbelwellenachse 15 sowie zu einer durch die Kurbelwellenachse 15 und die Zylinderachse 15a aufgespannte Motorlängsebene 17.
Durch die Längsrippen 14 wird die Ausbildung von Querkomponenten der Tumbleströmung bei deren Umlenkung am Kolben 2 verhindert.
Zusätzlich zu den beiden Längsrippen 14 kann eine Querrippe 18 vorgesehen sein, deren Längsmittelebene 18a parallel zur Motorlängsebene 17 liegt. Die mit den Längsrippen 14 kombinierte Querrippe 18 verstärkt zusätzlich die Aufrichtung
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der Tumbleströmung 12 nach der Umlenkung am Kolben 2 und trägt damit zur weiteren Verringerung der Ausbildung von Sekundärstrukturen und zur Intensivierung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Tumblewirbels 13 nahe dem oberen Totpunkt bei. Die Querrippe 18 kann dabei die Längsrippen 14 kreuzen (Fig. 3b, 3d) oder ausschliesslich zwischen den Längsrippen 14 ausgebildet sein (Fig. 3c, 3e).
Bei Anordnung der Querrippe 18 nahe der Motorlängsebene 17 trägt die Querrippe 18 bei Annäherung des Kolbens 2 an den oberen Totpunkt zur Transformation der Tumblebewegung in turbulente Fluktuationen bei (Fig. 3d und Fig. 3e).
Wie in Fig. 3f gezeigt ist, kann in einer anderen Ausführung die Leitrippenanordnung 12 im Grundriss U-förmig geformt sein, wobei die Öffnung des"U"auf der Einlassseite liegt. Die Querrippe 18 ist dabei als Bogen ausgebildet und geht stetig in die Längsrippen 14 über. Dadurch kann bei direkter Einspritzung des Kraftstoffes durch ein zwischen den Einlassventilen 9 angeordnetes, nicht weiter eingezeichnetes Einspritzorgan die in Zylindermitte entstehende Gemischwolke in der Nähe der Zündkerze 11 konzentriert und stabilisiert werden.
Fig. 3g zeigt eine Ausführungsform mit einer Leitrippenanordnung 12, bei der nur eine Längsrippe 14 vorgesehen ist. Bei asymmetrischer Kraftstoffeinbringung kann dadurch die entstehende Gemischschichtung stabilisiert und bei direkter Kraftstoffeinspritzung der Kraftstoffstrahl in Richtung zur Zündkerze 11 umgelenkt werden. Die Querrippe 18 kann, wie in Fig. 3h gezeigt, auch aus gekrümmten Teilbereichen 18'und 18" bestehen, wobei vorzugsweise die Längsrippen 14 stetig in die Teilbereiche 18', 18" übergehen.
Die ungefähre Lage der Einlassventile 9 und Auslassventile 8 sowie der Zündeinrichtung 11 ist in den Fig. 3a bis 3h jeweils durch strichlierte Linien angedeutet.
Schutzansprüche :