AT3016U1

AT3016U1 - Luftverdichtende, ventilgesteuerte brennkraftmaschine mit direkter kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: AT3016U1
Application number: AT0053698U
Authority: AT
Inventors: Michael Dipl Ing Egert; Gernot Dipl Ing Athenstaedt; Franz Dipl Ing Schweinzer
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 1998-08-13
Filing date: 1998-08-13
Publication date: 1999-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende, ventilgesteuerte Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit einem im Kolben (2) angeordneten Brennraum (3), welcher einen torusförmigen Abschnitt (4) aufweist, welcher in Richtung zur Kolbenoberseite (5) in einen eine Einschnürung (6) bildenden zylinderförmigen Abschnitt (6) übergeht, wobei ein an der Bildung des torusförmigen Abschnittes (4) beteiligter zentrischer Mittenteil (7) vorgesehen ist, der zusammen mit der Einschnürung (6) einen engen, ringförmigen Überströmquerschnitt (13) vom torusförmigen Abschnitt (4) zum zylinderförmigen Abschnitt (6) des Brennraumes (3) bildet.Um die Abgasemissionen und den Verbrauch zu verbessern, ist vorgesehen, daß der torusförmige Abschnitt (4) im Auftreffbereich (91) oder stromabwärts des Auftreffbereiches (91) des eingespritzten Kraftstoffes (9) mindestens einen vorzugsweise umlaufenden Ablösebereich (50, 50a, 50b) mit einer vorzugsweise umlaufenden Ablösekante (52, 52a, 52b) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende, ventilgesteuerte Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung, mit einem im Kolben angeordneten Brennraum, welcher einen torusförmigen Abschnitt aufweist, welcher in Richtung zur Kolbenoberseite in einen eine Einschnürung bildenden zylinderförmigen Abschnitt übergeht, wobei der Auftreffbereich des eingespritzten Treibstoffes im oberen Totpunkt des Kolbens etwa im Übergangsbereich zwi-
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der zusammen mit der Einschnürung einen engen, ringförmigen Überströmquerschnitt vom torusförmigen Abschnitt zum zylinderförmigen Abschnitt des Brennraumes bildet.

Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art ist aus der EP 0 271 478 A2 bekannt. Der Brennraum dieser Brennkraftmaschine ist vom zentralen Bereich her durch einen rotati- onsfönnigen Mittenteil begrenzt, dessen Oberteil mit der vom zylinderförmigen Abschnitt gebildeten Einschnürung einen engen, kreisringförmigen Überströmquerschnitt bildet. Die Kraftstoffstrahlen der Einspritzdüse sind auf den Übergangsbereich zwischen torusförmigen und zylinderförmigen Abschnitt des Brennraumes gerichtet. Der Mittenteil im Zentrum des Brennraumes der Brennkraftmaschine und die grosse verfügbare Oberfläche des Brennraumes verhindern ein für die Verbrennung nachteiliges Ineinanderlaufen von Kraftstoffilmen, die von verschiedenen Einspritzstrahlen stammen.

Aus der EP 0 383 001 B l ist eine ähnliche Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Mittenteil exzentrisch zum torusförmigen Abschnitt des Brennraumes angeordnet ist.

Weiters ist eine Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung und einem torusförmigen Brennraum in der im Jahr 1935 veröffentlichten CH 175 433 B beschrieben. Die Konstruktion dieser Brennkraftmaschine ging von dem Gedanken aus, dass es erforderlich ist, die Ladeluft zu allen Brennstoffteilchen gelangen zu lassen, und dass sich keine Tropfen des Brennstoffes an den Wandungen des Verbrennungsraumes ansetzen sollen, da sonst eine Verzögerung der Verbrennung und eine unvollständige Verbrennung stattfindet, die sich durch Russbildung im Auspuff anzeigt. Dementsprechend wurde dem torusförmigen Verbrennungsraum eine mehrstrahlige Einspritzdüse so zugeordnet, dass die Brennstoffstrahlen den Ringwirbel der Luft einmal beim Durchritt der Luft durch die Drosselöffnung im inneren Teil der Torusform und ein zweites Mal im äusseren Teil derselben durchsetzen.

Dadurch sollte eine vollkommene Verteilung des Brennstoffes in der Ladeluft erzielt werden, die sich in einer russfreien Verbrennung des Brennstoffes und einer beträchtlichen Leistungssteigerung der Maschine zeigen sollte.

Weiters ist aus der DE 974 449 C ein schnellaufender Dieselmotor mit im Kolben liegenden, rotationsförmigem Verbrennungsraum bekannt, bei der im Bereich einer umlaufenden Einschnürung eine umlaufende Kante vorgesehen ist, um eine Ablösung der auftreffenden Brennstoffteilchen des auf die Kolbenwand gespritzten Kraftstoffes zu erreichen. Dadurch

sollen Rückstände bzw. Ablagerungen an der Brennraumwandung verhindert werden, welche zu einer Änderung des Temperaturfeldes der Wandung führen würde. Durch die Vermeidung von vorzeitigem chemischen Zerfall des Kraftstoffes soll weiters ein geräuscharmer Gang der Maschine bei kleinstmöglichem Kraftstoffverbrauch unter Ausschaltung jeder Art von Dieselklopfen gewährleistet werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art die Abgasemissionen und den Verbrauch weiter zu verbessern.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der torusförmige Abschnitt im Auftreffbereich oder stromabwärts des Auftreffbereiches des eingespritzten Kraftstoffes mindestens einen vorzugsweise umlaufenden Ablösebereich mit einer vorzugsweise umlaufenden Ablösekante aufweist. Durch die Ablösung des auf die Kolbenwand gespritzten Kraftstoffes kann die Verbrennung beschleunigt, sowie der Anteil an Kohlenwasserstoffen und Russ im Abgas reduziert werden. Durch die Kante stromabwärts der Auftreffstellen der Kraftstoffstrahlen wird der Kraftstoff von der Kolbenwand abgelöst und mit Luft vermischt. Dadurch wird die langsame, zweidimensionale Gemischbildung und Verbrennung an der Wand in eine raschere dreidimensionale Verbrennung übergeführt.

Für eine minimale Ablösefunktion ist es zwar ausreichend, wenn die Ablösebereiche nur in den Winkelbereichen vorgesehen sind, in welchen die Kraftstoffstrahlen auftreffen. Es ist allerdings für die Herstellung einfacher und für den Verbrennungsablauf günstiger, wenn der Ablösebereich umlaufend ausgebildet ist und sich über den gesamten Umfang des Brennraumes erstreckt.

Besonders vorteilhaft für die Ablösung des Kraftstoffilmes ist es, wenn der Ablösebereich unmittelbar stromaufwärts der Ablösekante rampenartig geformt ist. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Ablösebereich stromabwärts der Ablösekante eine Ablösestufe aufweist, welche vorzugsweise durch eine eingedrehte Nut gebildet ist. Durch die Ablöserampe und die Ablösestufe entsteht ein Ablösewirbel, welcher den Kraftstoffilm im Bereich der Ablösekante von der Muldenwand abhebt und in die Luftströmung im Inneren des torusförmigen Abschnittes schleudert.

Zur Erzielung einer rascheren Verbrennung ist es besonders günstig, wenn mindestens ein Ablöseabschnitt im Bereich der Wand des torusfomigen Abschnittes, vorzugsweise im oder unmittelbar nach dem Auftreffbereich des Kraftstoffstrahles, angeordnet ist.

Durch die Massenträgheit insbesondere von grösseren Kraftstofftropfen kann es nach dem ersten Ablösen zu einer sekundären und tertiären Kraftstoffbeaufschlagung der Wand des torusförmigen Abschnittes kommen. Auch dieser Kraftstoff kann sich nachteilig auf den Verbrennungsablauf und die Abgasemissionen auswirken. Um dies zu vermeiden, ist es günstig, wenn mehrere Ablöseabschnitte in Strömungsrichtung des Kraftstoffes kaskadenartig hintereinander angeordnet sind. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass mindestens ein Ablöseabschnitt im Bodenbereich des torusförmigen Abschnittes angeordnet ist.

Um ein sicheres Ablösen des Kraftstoffilmes zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Ablösekante einen Keilspitzwinkel kleiner oder gleich 900 aufweist.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt durch den Zylinder einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine in einer Ausführungsvariante, Fig. 2 dazu eine Draufsicht auf den Kolben, Fig. 3 einen Axialschnitt durch den Zylinder einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsvariante, Fig. 4 ein Detail des Kolbens aus Fig. 1 oder Fig. 3 im Längsschnitt, Fig. 5 ein Detail eines Kolbens analog zu Fig. 4 einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung.

Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Der im Zylinder 1 mit dem Durchmesser D axial bewegliche Kolben 2 weist einen durch eine Kolbenmulde gebildeten Brennraum 3 auf, welcher aus einem torusförmigen Abschnitt 4 besteht, dessen Mittenpunktskreisradius mit R bezeichnet ist und dessen erzeugender Kreis einen Radius r besitzt. Es ist natürlich möglich, von der Kreisfläche abweichende erzeugende Flächen für den torusförmigen Abschnitt 4 zu verwenden, insbesondere solche, bei welchen der torusförmige Abschnitt 4 aus zwei stetig ineinander übergehenden Teilen mit jeweils unterschiedlichem R und r zusammengesetzt ist. Der Brennraum 3 weist ferner eine zur Zylinderachse l'parallele Achse 4'und einen zur Kolbenoberseite 5 hin offenen, zylinderförmigen Abschnitt 6 auf, der gegenüber dem torusförmigen Abschnitt 4 des Brennraumes 3 eine Einschnürung 6'bildet.

Der Brennraum 3 weist einen Mittenteil 7 auf, der an seinem unteren Teil 7'an der Bildung des torusförmigen Abschnittes 4 des Brennraumes 3 beteiligt ist und mit seinem Oberteil 7" im oberen Totpunkt des Kolbens 2 bis knapp unterhalb der von der Einspritzdüse 8 ausgehenden Kraftstoffstrahlen 9 bleibt, sodass die obere Begrenzungsfläche des Mittenteiles 7 von den Einspritzstrahlen nicht oder nur geringfügig benetzt wird. Die Kuppe 12 der Einspritzdüse 8 ist etwa im Bereich der Achse 4'angeordnet. Die Kraftstoffstrahlen 9 sind gegen den Übergangsbereich 10 des torusförmigen Abschnittes 4 zum zylindrischen Abschnitt 6 des Brennraumes gerichtet. Der ringförmige Überströmquerschnitt 13 weist die Breite b auf.

Im vorliegenden Falle ist die Achse 4'des torusförmigen Abschnittes 4 samt Mittenteil 7 aus konstruktiven Gründen - Unterbringung der nicht weiter dargestellten Ventile und der Einspritzdüse 8 - gegenüber der Achse l'des Kolbens 2 etwas versetzt. Der Mittenteil 7 ist dabei in Fig. 1 als symmetrischer Rotationskörper ausgebildet.

In der in Fig. 2 gezeigten Ausführung ist der obere Teil 7" des zentrischen Mittelteiles 7 asymmetrisch, beispielsweise als schiefer Kegel oder Kegelstumpf ausgebildet, wobei die Achse 16 dieses Kegels mit der Achse des über die Mittenachse aller Einspritzstrahlen gemeinsamen Kegels zusammenfallen kann. Der ringförmige Überströmquerschnitt 13 zwischen dem torusförmigen Abschnitt 4 und dem zylinderförmigen Abschnitt 6 variiert dadurch in seiner Breite b.

Durch die asymmetrische Ausführung des oberen Teiles 7" wird erreicht, dass dieser auch bei exzentrischer Anordnung der Einspritzdüse 8 im oberen Totpunkt des Kolbens 2 einen minimalen Abstand zu den Einspritzstrahlen 9 aufweist.

Wie insbesondere in den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, ist im Bereich der Wand 41 des torusförmigen Abschnittes 4 stromabwärts des Auftreffbereiches 91 der Kraftstoffstrahlen 9 ein Ablösebereich 50 vorgesehen, welcher eine Ablöserampe 51 und eine Ablösekante 52 aufweist und eine umlaufende Ablösestufe 53 bildet. Die Ablösestufe 53 kann durch Eindrehen einer umlaufenden Nut 54 in die Wand 41 des torusförrnigen Abschnittes 4 hergestellt werden. Die Ablösekante 52 weist einen das Ablösen begünstigenden Keilspitzwinkel a kleiner oder gleich 90 auf.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, können in Strömungsrichtung des Kraftstoffes zusätzlich zum ersten Ablösebereich 50 weitere Ablösebereiche 50a, 50b kaskadenartig hintereinander angeordnet sein, welche Ablösebereiche 50a, 50b ebenfalls jeweils umlaufende Ablöserampen 51 a, 51 b, Ablösekanten 52a, 52b und Ablösestufen 53a, 53b aufweisen, welche beispielsweise durch eingedrehte Nuten 54a, 54b gebildet sein können.

Durch den Ablösebereich 50, der unmittelbar an den Auftreffbereich 91 der Kraftstoffstrahlen 9 anschliesst, wird der entlang der Wand 41 in Richtung des Bodens 42 des torusförmigen Abschnittes 4 und zum Mittenteil 7 fliessende Kraftstoff abgelöst und in die Luftströmung im Inneren des torusförmigen Abschnittes 4 geschleudert, wie durch Bezugszeichen 92 angedeutet ist, wo er sich überwiegend mit der Luft vermischt. Dadurch wird eine raschere dreidimensionale Verbrennung erreicht.

Infolge der Massenträgheit kann es vorkommen, dass insbesondere grössere Kraftstoffteilchen ein zweites und drittes Mal an der Wand 41 des torusförmigen Abschnittes 4 auftreffen. Durch einen zweiten und dritten Ablösebereich 50a, 50b gemäss Fig. 5, wird auch dieser sekundäre und tertiäre Wandauftrag des Kraftstoffes wieder abgelöst und in die Luftströmung in der Mitte des torusförmigen Abschnittes 4 eingebracht, wo er sich vollständig mit Luft vermischt.

Durch die kaskadenartig hintereinander angeordneten Ablösebereiche 50,50a und 50b werden weiters auch vagabundierende Kraftstoffteilchen, die unterhalb des Auftreffbereiches 91 auf die Wand 41 des torusförmigen Abschnittes 4 auftreffen, zuverlässig von der Wand des torusförmigen Abschnittes 4 abgelöst und in die Luftströmung eingebracht. Der am ersten, zweiten und dritten Ablösebereich 50,50a, 50b abgelöste Kraftstoffilm ist in Fig. 5 mit Bezugszeichen 92,92a und 92b angedeutet.

Durch die Ablösebereiche kann die Verbrennung wesentlich beschleunigt und Ablagerungen, Kohlenwasserstoffe und Russ im Abgas bedeutend verbessert werden. Weiters kann eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauches erzielt werden.

Claims

ANSPRÜCHE l. Luftverdichtende, ventilgesteuerte Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinsprit- zung, mit einem im Kolben (2) angeordneten Brennraum (3), welcher einen torusförmi- gen Abschnitt (4) aufweist, welcher in Richtung zur Kolbenoberseite (5) in einen eine Einschnürung (6') bildenden zylinderformigen Abschnitt (6) übergeht, wobei der Auf- treffbereich (91) des eingespritzten Kraftstoffes (9) im oberen Totpunkt des Kolbens (2) etwa im Übergangsbereich (10) zwischen dem zylinderförmigen Abschnitt (6) und dem torusförmigen Abschnitt (4) liegt, und wobei ein an der Bildung des torusförmigen Ab- schnittes (4) beteiligter zentrischer Mittenteil (7) vorgesehen ist, der zusammen mit der Einschnürung (6') einen engen, ringförmigen Überströmquerschnitt (13) vom torus- förmigen Abschnitt (4)

zum zylinderförmigen Abschnitt (6) des Brennraumes (3) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der torusförmige Abschnitt (4) im Auftreffbereich (91) oder stromabwärts des Auftreffbereiches (91) des eingespritzten Kraftstoffes (9) minde- stens einen vorzugsweise umlaufenden Ablösebereich (50,50a, 50b) mit einer vor- zugsweise umlaufenden Ablösekante (52,52a, 52b) aufweist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablösebereich (50,50a, 50b) unmittelbar stromaufwärts der Ablösekante (52,52a, 52b) rampenartig geformt ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablö- sebereich (50,50a, 50b) stromabwärts der Ablösekante (52,52a, 52b) eine Ablösestufe (53,53a, 53b) aufweist, welche vorzugsweise durch eine eingedrehte Nut (54,54a, 54b) gebildet ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ablöseabschnitt (50,50a) im Bereich der Wand (41) des torusförmigen Abschnittes (4), vorzugsweise im oder unmittelbar nach dem Auftreffbereich (91) des Kraftstoffstrahles (9), angeordnet ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ablöseabschnitte (50,50a, 50b) in Strömungsrichtung des Kraftstoffes kaska- denartig nacheinander angeordnet sind.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ablösebereich (50b) im Bereich des Bodens (42) des torusförmigen Ab- schnittes (4) angeordnet ist.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablösekante (52,52a, 52b) einen Keilspitzwinkel (a) kleiner oder gleich 90 auf- weist.