AT4874U1 - Luftverdichtende, ventilgesteuerte brennkraftmaschine - Google Patents

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, vorzugsweise zylinderförmigen Abschnitt (6) übergeht, wobei der Auftreffbereich des eingespritzten Kraftstoffes (9) im oberen Totpunkt des Kolbens (2) etwa im Übergangsbereich (10) zwischen dem Abschnitt (6) und dem torusförmigen Abschnitt (4) liegt, und 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 Verbrennungsrückstände ins Motoröl zu vermindern und die Verbrennungsqualität zu erhöhen ist vorgesehen, dass an der Oberfläche des Kolbens eine vorzugsweise als Einformung ausgebildete umlaufende, vom Kolbenrand (2a) abgewandte Leitfläche (21) zwischen der Einschnürung (6) und dem Kolbenrand (2a) angeordnet ist.

Description

AT 004 874 Ul

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, vorzugsweise zylinderförmigen Abschnitt übergeht, wobei der Auftreffbereich des eingespritzten Kraftstoffes im oberen Totpunkt des Kolbens etwa im Übergangsbereich zwischen dem zylinderförmigen Abschnitt und dem torusförmigen Abschnitt liegt, und wobei ein an der Bildung des torusförmigen Abschnittes beteiligter zentrischer Mittenteil vorgesehen ist, 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 rotationsförmigen 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 Kraftstofffilmen, die von verschiedenen Einspritzstrahlen stammen.

Aus der EP 0 383 001 Bl 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 Brenn- 2 AT 004 874 Ul

Stoffes 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 schnelllaufender 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.

Bei derartigen Brennkraftmaschinen gelangt der Einspritzstrahl bzw. die Flamme bei sehr späten Spritzbeginnen und langen Spritzdauern an die Zylinderwand. Dadurch werden vermehrt Verbrennungsrückstände in das Motoröl befördert.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten so weiterzuentwickeln, dass weniger Verbrennungsrückstände in das Motoröl befördert werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass an der Oberfläche des Kolbens eine vorzugsweise als Einformung ausgebildete umlaufende, vom Kolbenrand abgewandte Leitfläche zwischen der Einschnürung und dem Kolbenrand angeordnet ist. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens wird eine vom Brennraum zur Zylinderwand gerichtete Strömung erzeugt, welche durch die als Turbulenzerzeuger wirkende Strömungsleitfläche zurück zur Zylindermitte gelenkt wird. Durch diese gegenläufige Turbulenz wird verhindert, dass der Einspritzstrahl bzw. die Flamme die Zylinderwand erreicht. Die vermindert einerseits die Verbrennungsrückstände im Motoröl und erhöht andererseits die Verbrennungsqualität, da die Verbrennung im Brennraum bzw. nahe der Zylinderachse abläuft. Vorzugsweise ist vorgesehen, das die Leitfläche durch die Außenseite einer umlaufende Nut gebildet ist.

Zur Erzielung einer effektiven Gegenturbulenz ist es vorteilhaft, wenn die Leitfläche mit einer normal auf die Zylinderachse ausgebildeten Kolbenstirnebene einen Winkel zwischen 45° und 130°, vorzugsweise zwischen 60° und 90°, einschließt. Es bildet sich somit eine scharfe Kante zwischen der Strömungsleitfläche und der Oberseite des Kolbens, wodurch die Strömung abgelöst und in Richtung der Zylinderachse geleitet wird. Um eine Strömungsablösung im Einlassbereich zu vermeiden, ist vorgesehen, dass die Nut an ihrer Innenseite einen flachen 3 ΑΧ 004 874 Ul

Einlaufbereich aufweist, dessen Einlauffläche vorzugsweise mit Kolbenstirnebene einen Winkel ß kleiner als 30°, besonders vorzugsweise kleiner als 10°, einschließt. Die Leitfläche ist vorzugsweise kreisringförmig ausgebildet und bildet einen Leitflächenring.

Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn der Durchmesser des Leitflächenringes zwischen 0,6 und 0,95 mal dem Kolbendurchmesser beträgt. Dies ermöglicht eine wesentliche Verminderung der Verbrennungsrückstände und eine Erhöhung der Verbrennungsqualität.

Um eine wirksame Turbulenzumkehr zu erreichen, ist gemäß der Erfindung weiters vorgesehen, dass die maximale Tiefe der Nut zwischen 0,015 und 0,06 mal dem Kolbendurchmesser beträgt.

In einer fertigungstechnisch einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nut zumindest abschnittsweise torusförmig ausgebildet ist.

Die Leitfiäche kann entweder konzentrisch zur Zylinderachse oder konzentrisch zum Brennraum ausgebildet sein.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt durch den Zylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante, Fig. 2 dazu eine Draufsicht auf den Kolben, Fig. 3 den Kolben im Detail in einer Kolbenstellung, Fig. 4 den Kolben im Detail in einer anderen Kolbenstellung und Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Kolben einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsvariante.

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 1' 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, so dass die obere Begrenzungsfläche 4 AT 004 874 Ul 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 1' des Kolbens 2 etwas versetzt. Der Mittenteil 7 ist dabei als symmetrischer Rotationskörper ausgebildet, er kann aber auch eine asymmetrische Form aufweisen.

Durch eine an der Kolbenoberseite 5 in den Kolben 2 eingeformte Nut 20 wird eine umlaufende Leitfläche 21 zwischen Einschnürung 6' und dem Kolbenrand 2a gebildet, welche so geformt ist, dass aus der Kolbenmulde 3 Richtung Zylinderwand la strömendes Gas bzw. Kraftstoff wieder in die Zylindermitte zurückgelenkt wird. Die Leitfläche 21 weist dabei im Bereich der Kolbenoberseite 5 mit einer normal zur Zylinderachse 1' stehenden Kolbenstirnebene 5a einen spitzen Winkel α zwischen 45° und 135°, vorzugsweise zwischen 60° und 90° auf. Dadurch entsteht eine scharfe Kante 22, durch welche die gegenläufige Turbulenzströmung abgelöst wird.

Im Bereich des Einlaufes 23 weist die Nut 20 eine Einlauffläche 24 auf, welche zur Kolbenstirnebene 5a unter einem Winkel ß kleiner als 30°, vorzugsweise kleiner als 10° geneigt ist. Der Übergang zwischen der Kolbenoberseite 5 und der Einlauffläche 24 ist dabei stetig ausgebildet, um Strömungsablösungen in diesem Bereich zu vermeiden.

Fig. 3 zeigt den Kolben 2 in der oberen Totpunktstellung, während der Kraftstoffeinspritzung. Während der Abwärtsbewegung des Kolbens 2 entsteht eine Strömung aus dem Brennraum 3 hinaus in Richtung der Zylinderwand la, wie in Fig. 4 durch die Pfeile S angedeutet ist. Durch die Leitfläche 21 wird die Strömung S in Richtung der Zylindermitte umgelenkt und so verhindert, dass die Flamme die Zylinderwand la erreicht. Auf diese Weise können die Verbrennungsrückstände in das Motoröl wirksam vermindert werden und die Verbrennungsqualität entscheidend erhöht werden.

Um eine ausreichende Gegenturbulenz erzeugen zu können, liegt die Tiefe T der Nut 20 im Bereich von 0,015 und 0,06 mal dem Kolbendurchmesser D. Die Leitfläche 21 ist ringförmig ausgebildet, wobei der Leitflächenring mit 21a bezeichnet ist. Der Durchmesser A des Leitflächenringes 21a beträgt dabei vorteilhafterweise zwischen 0,6 und 0,95 mal dem Kolbendurchmesser D. Die Nut 20 kann konzentrisch zur Zylinderachse 1' oder konzentrisch zum Brennraum 6 ausgebildet sein. 5

Claims (10)

1. AT 004 874 Ul ANSPRÜCHE 1. 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, vorzugsweise zylinderförmigen Abschnitt (6) übergeht, wobei der Auftreffbereich des eingespritzten Kraftstoffes (9) im oberen Totpunkt des Kolbens (2) etwa im Übergangsbereich (10) zwischen dem Abschnitt (6) und dem torusförmigen Abschnitt (4) liegt, und wobei ein an der Bildung des torusförmigen Abschnittes (4) beteiligter zentrischer Mittenteil (7) vorgesehen ist, der zusammen mit der Einschnürung (6') einen engen, ringförmigen Überström-querschnitt (13) vom torusförmigen Abschnitt (4) zum zylinderförmigen Abschnitt (6) des Brennraumes (3) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Kolbens eine vorzugsweise als Einformung ausgebildete umlaufende, vom Kolbenrand abgewandte Leitfläche (21) zwischen der Einschnürung (6') und dem Kolbenrand angeordnet ist.
2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfläche (21) durch die Außenseite einer umlaufenden Nut (20) gebildet ist.
3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfläche (21) mit einer normal auf die Zylinderachse (1') ausgebildeten Kolbenstirnebene (5a) einen spitzen Winkel (a) zwischen 10° und 80°, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, einschließt.
4. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (20) an ihrer Innenseite einen flachen Einlaufbereich aufweist, dessen Einlauffläche (24) vorzugsweise mit der Kolbenstirnebene (5a) einen Winkel (ß) kleiner als 30°, besonders vorzugsweise kleiner als 10°, einschließt.
5. 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfläche (21) kreisförmig ausgebildet ist und einen Leitflächenring (21a) bildet.
6. 6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (A) des Leitflächenringes (21a) zwischen 0,6 und 0,95 mal dem Kolbendurchmesser (D) beträgt.
7. 7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Tiefe (T) der Nut (20) zwischen 0,015 und 0,06 mal dem Kolbendurchmesser (D) beträgt. 6 AT 004 874 Ul
8. 8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (20) zumindest abschnittsweise torusförmig ausgebildet ist.
9. 9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfläche (21) konzentrisch zur Zylinderachse (1') angeordnet ist.
10. 10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfläche (21) konzentrisch zum Brennraum (6) angeordnet ist. 7