AT512518A4

AT512518A4 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT512518A4
Application number: ATA50039/2012A
Authority: AT
Inventors: Paul Dr Kapus
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2013-09-15
Also published as: AT512518B1; DE102013101357A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum (12) pro Zylinder (1), welcher durch eine dachförmige Brennraumdeckfläche (13) und einenKolbenboden (14) des Kolbens (2) gebildet ist, wobei im Kolbenboden (14) zwischen zumindest einer einlassseitigen Quetschfläche (15) und zumindest einerauslassseitigen Quetschfläche (16) eine Kolbenmulde (17) eingeformt ist, wobei die Quetschflächen (15, 16) des Kolbens (2) im wesentlichen der Brennraumdeckfläche (13) nachgeformt sind und jede Quetschfläche (15, 16) des Kolbens (2) einen an die Kolbenmulde (17) grenzenden Kolbenmuldenrandbereich (15a, 16a) und einen an einen Kolbenmantel (2a) grenzenden Kolbenmantelbereich (15b, 15b) aufweist, und wobei bei der auslassseitigen Quetschfläche (16) der Kolbenmuldenrandbereich (16b) weiter von einer durch die Kolbenbolzenachse (21a) gelegten fiktiven Normalebene (22) auf die Zylinderachse (9) entfernt ist, als der Kolbenmantelbereich (16b), wobei in den Brennraum (12) auf einer Einlassseite (E) zumindest ein eine Tumbleströmung (T) im Brennraum (12) initiierender Einlasskanal (5) einmündet und auf einer Auslassseite (A) vom Brennraum (12) zumindest ein Auslasskanal (7) ausgeht. Um Verbrennungsaussetzer zu vermeiden ist vorgesehen, dass bei der einlassseitigen Quetschfläche (15) der Kolbenmantelbereich (15b) weiter von der Normalebene (22) entfernt ist, als der Kolbenmuldenrandbereich (15a).

Description

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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, mit einem Brennraum pro Zylinder, welcher durch eine dachförmige Brennraumdeckfläche und einen Kolbenboden des Kolbens gebildet ist, wobei im Kolbenboden zwischen zumindest einer einlassseitigen Quetschfläche und zumindest einer auslassseitigen Quetschfläche eine Kolbenmulde eingeformt ist, wobei die Quetschflächen im wesentlichen der Brennraumdeckfläche nachgeformt sind und jede Quetschfläche einen an den Kolbenmantel grenzenden Kolbenmantelbereich und einen an die Kolbenmulde grenzenden Kolbenmuldenrandbereich aufweist, und wobei bei der auslassseitigen Quetschfläche der Kolbenmuldenrandbereich weiter von einer durch die Kolbenbolzenachse gelegten fiktiven Normalebene auf die Zylinderachse entfernt ist, als der Kolbenmantelbereich, wobei in den Brennraum auf einer Einlassseite zumindest ein eine Tumbleströmung im Brennraum initiierender Einlasskanal einmündet und auf einer Auslassseite vom Brennraum zumindest ein Auslasskanal ausgeht.

Die WO 2009/022218 A2 offenbart einen Kolben für ein Brennkraftmaschine mit einer Kolbenmulde, wobei der Muldenboden einen durch eine Absenkung oder Erhebung gebildeten, die Tumbleströmung abschwächenden Bereich aufweist.

Die EP 1362996 Bl beschreibt einen Kolben für eine direkteinspritzende, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit einer im Zylinder zentral angeordneten Zündeinrichtung und einem seitlich angeordneten Injektor zur direkten Kraftstoffeinspritzung. Der Kolben weist eine Kolbenmulde mit einem im wesentlichen tropfenförmigen Grundriss auf. In die Kolbenoberfläche sind Ventiltaschen für die Ein- und Auslassventile eingeformt.

Es ist bekannt, Quetschflächen in Kolben zur gezielten Erzeugung von Tumbleströmungen einzusetzen. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit hoher Drehzahl und sehr hoher Ladungsdichte kommt es durch die Resttumbleströmung zu recht hohen Strömungsgeschwindigkeiten an der Zündkerze, insbesondere bei geringen Elektrodenvorständen, welches sich nachteilig auf die Verbrennung auswirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und die Strömungsgeschwindigkeiten an der Zündkerze zu verringern. ΒΒ—ΒΗΒ Hl ·Η 2

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass bei der einlassseitigen Quetschfläche der Kolben mantelbereich weiter von der Normalebene entfernt ist, als der Kolbenmuldenrandbereich.

Vorzugsweise weist die Brennraumdeckfläche eine im Bereich des oberen Totpunktes mit der einlassseitigen Quetschfläche des Kolbens korrespondierende einlassseitigen Quetschfläche auf, wobei die einlassseitige Quetschfläche der Brenn raumdeckfläche einen inneren Randbereich und einen äußeren Randbereich aufweist, wobei der äußere Randbereich von der Zylinderachse weiter beabstandet ist, als der innere Randbereich, und wobei der äußere Randbereich von einer normal auf der Zylinderachse ausgebildeten Zylinderkopfdichtebene weiter entfernt ist, als der innere Randbereich. Die einlassseitige Quetschfläche der Brennraumdeckfläche kann dabei zumindest annähernd parallel zur einlassseitigen Quetschfläche des Kolbens ausgebildet sein, um starke Quetschströmungen zu initiieren.

Die Brennraumdeckfläche kann weiters eine im Bereich des oberen Totpunktes mit der auslassseitigen Quetschfläche des Kolbens korrespondierende auslassseitige Quetschfläche aufweisen, wobei die auslassseitige Quetschfläche der Brennraumdeckfläche einen inneren Randbereich und einen äußeren Randbereich aufweist, und wobei der äußere Randbereich von der Zylinderachse weiter beabstandet ist, als der innere Randbereich und der innere Randbereich von einer normal auf der Zylinderachse ausgebildeten Zylinderkopfdichtebene weiter entfernt ist, als der äußere Randbereich. Auch die auslassseitige Quetschfläche der Brennraumdeckfläche kann zur Erzeilung hoher Quetscheffekte etwa parallel zur auslassseitigen Quetschfläche des Kolbens ausgebildet sein.

Durch die tumbleerzeugend geformten Einlasskanäle wird im Brennraum während des Einlasstaktes eine Tumbleströmung generiert, die bis zum Zündzeitpunkt erhalten bleibt. Im Bereich des oberen Totpunktes der Zündung würde die restliche Tumbleströmung - insbesondere bei hoher Motordrehzahl und hoher Ladungsdichte - hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Zündkerze initiieren, was zu Verbrennungsaussetzem führen könnte. Durch die ein- und auslassseitigen Quetschflächen im Kolben und in der Brennraumdeckfläche werden Quetschströmungen erzeugt, welche entgegen der Richtung der Tumbleströmung ausgeblldet sind und somit die Tumbleströmung abbremsen bzw. in Turbulenz umwandeln. 3

In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in die einlassseitige Quetschfläche des Kolbens zumindest eine Einlassventiltasche eingeformt ist, und dass in die auslassseitige Quetschfläche des Kolbens zumindest eine Auslassventiltasche eingeformt ist. Die Einlassventiltaschen bzw. Auslassventiltaschen sind zumindest teilweise den Einlassventiltellern bzw. Auslassventiltellern nachgeformt. Dabei kann die brennraumseitige Tellerfiäche zumindest eines Auslassventils mit der entsprechenden korrespondierenden Auslassventiltasche im Kolben erweiterte Quetschflächen ausbilden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die einlassseitige Quetschfläche der Brennraumdeckfläche durch eine eine Einspritzeinrichtung aufnehmende Bohrung unterbrochen ist. Für die Bildung derTumbleströmung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Kolbenmulde auf der Einlassseite in Richtung der einlassseitigen Quetschfläche zu einem zwischen den Einlassventiltaschen liegenden seitlichen Einspritzbereich ausläuft, wobei die Kolbenmulde einen im wesentlichen tropfenförmigen oder dreieckigen Grundriss aufweist, und wobei vorzugsweise die Seitenflächen der Kolbenmulde im wesentlichen einem vom Einspritzbereich ausgehenden Einspritzstrahl nachgebildet sind.

Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass die Kolbenmulde zumindest annähernd punktsymmetrisch, vorzugsweise rotationssymmetrisch, in Bezug zu einem im Bereich der Zylinderachse angeordneten Einspritzbereich ausgebildet ist

Um die Verbrennung günstig zu beeinflussen ist es vorteilhaft, wenn zwischen auslassseitiger Quetschfläche des Kolbens und einer Seitenwand der Kolbenmulde eine einen definierten ersten Radius aufweisende Muldenkante ausgebildet ist, wobei vorzugsweise zwischen der Seitenwand der Kolbenmulde und dem Boden der Kolbenmulde eine definierter zweiter Radius ausgebildet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt durch einen Zylinder, Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Kolben der Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante, Fig. 3 diesen Kolben im Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2, Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Kolben der 4

Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante und Fig. 5 diesen Kolben im Schnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 4.

Fig. 1 zeigt einen Zylinder 1 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, wobei im Zylinder 1 ein hin- und hergehende Kolben 2 angeordnet ist. Mit Bezugszeichen 3 ist der Zylinderblock, mit Bezugszeichen 4 der Zylinderkopf bezeichnet. In Zylinderkopf 4 sind im Ausführungsbeispiel zwei Einlasskanäle 5 angeordnet, von denen zumindest einer tumbleerzeugend ausgebildet ist. Die Einlassströmung der auf der Einlassseite E angeordneten Einlasskanäle 5 wird über Einlassventile 6 gesteuert.. Weiters sind auf der Auslassseite A zwei Auslasskanäle 7 im Zylinderkopf 4 vorgesehen, welche über Auslassventile 8 gesteuert werden. Im Bereich einer Zylinderachse 9 ist eine zentrale Zündkerze 10 angeordnet. Seitlich zwischen den beiden Einlassventilen 6 mündet eine Einspritzeinrichtung 11 zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum 12 ein.

Der Brennraum 12 wird durch die durch den Zylinderkopf 2 geformte Brennraumdeckfiäche 13 und den Kolbenboden 14 gebildet. Der Kolben 2 weist zwischen einlassseitigen Quetschflächen 15 und auslassseitigen Quetschflächen 16 des Kolbens 2 eine Kolbenmulde 17 auf. In die Quetschflächen 15,16 sind Einlassventiltaschen 21 und Auslassventiltaschen 22 für Einlassventile 6 bzw. Auslassventile 8 eingeformt. Die Brennraumdeckfiäche 13 des Zyiinderkopfes 4 weist mit den Quetschflächen 15,16 des Kolbens 2 korrespondierende einlassseitige Quetschflächen 19 und auslassseitige Quetschflächen 20 auf.

Die Brennraumdeckfiäche 13 ist im wesentlichen dachförmig geformt. Die auslassseitige Quetschfläche 16 des Kolbens 2 ist dabei im gleichen Sinne wie die darüber liegende Brennraumdeckfiäche 13 geneigt. Die auslassseitigen Quetschflächen 16 und 20 des Kolbens 2 bzw. des Zylinderkopfes 4 sind dabei im wesentlichen etwa parallel zueinander gestaltet. Ebenfalls parallel zueinander sind die einlassseitigen Quetschflächen 15 und 19 des Kolbens 2 bzw. des Zylinderkopfes 4.

Die auslassseitige Quetschfläche 16 des Kolbens 2 weist im auslassseitigen Kolbenmuldenrandbereich 16a einen größeren Abstand von einer durch die Kolbenbolzenachse 21a des Kolbenbolzens 21 gelegte Normalebene 22 auf die Zylinderachse 9 auf, als in einem dem Kolbenmantel 2a benachbarten —μ m ——» 5 kolbenmantelseitigen Bereich 16b. Die einlassseitige Quetschfläche 15 ist entgegen der Dachform geneigt, so dass die einlassseitige Quetschfläche 15 des Kolbens 2 im kolbenmuldenseitigen Bereich 15a eine kleineren Abstand von der Normalebene 22 aufweist, als im kolbenmantelseitigen Bereich 15b.

Analog dazu ist der innere Randereich 19a der einlassseitigen Quetschfläche 19 der Brenn raum deckfläche 13 von einer Zylinderkopfdichtebene 23 weniger weit beabstandet, als der von der Zylinderachse 9 entferntere äußere Randbereich 19b.

Wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich Ist, weist im Ausführungsbeispiel die Kolbenmulde 17 eine im wesentlichen tropfenförmige Grundriss auf, wobei die Seitenwände 17a, 17b der Kolbenmulde 17 Im wesentlichen einem vom Einspritzbereich 11b ausgehenden Einspritzstrahl einer seitlich einmündenden Einspritzeinrichtung 11 nachgebildet sind. Im Bereich der auslassseitigen Seitenwand 17c der Kolbenmulde 17 ist zwischen der auslassseitigen Quetschfläche 16 und der auslassseitigen Seitenwand 17c eine Muldenkante I7e mit einem ersten Krümmungsradius Rlf und zwischen der Seitenwand 17c und dem Boden 17d der Kolbenmulde 17 ein zweiter Krümmungsradius R2 ausgebildet. Der Boden 17d der Kolbenmulde 17 ist zwischen der einlassseitigen Quetschfläche 15 und der auslassseitigen Quetschfläche 16 des Kolbens 2 abfallend gestaltet, sodass die Kolbenmulde 17 im Bereich der auslassseitigen Quetschfläche 16 eine größere Tiefe aufweist, als im Bereich der einlassseitigen Quetschfläche 15.

Die In den Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsvariante unterscheidet sich von der in den Fig. 2 und 3 gezeigten dadurch, dass der Einspritzbereich llb der Einspritzeinrichtung 11 zentral, insbesondere Im Bereich der Zylinderachse 9 angeordnet ist. Die Kolbenmulde ist dabei punktsymmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch hinsichtlich des Elnspritzbereiches llb ausgebildet., wobei vorteilhafterweise im Einspritzbereich llb eine zentrale Erhebung 17f im Boden 17d der Kolbenmulde 17 angeordnet Ist.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, kommt es während der Kolbenbewegung zu einer Tumbleströmung, welche im Bereich der Brenn raumdeckfläche 13 von der Einspritzeinrichtung 11 zur Zündeinrichtung 10 und weiter zur Kolbenmulde 17 verläuft. Insbesondere im Bereich von hohen Drehzahlen käme es zu sehr hohen Strömungsgeschwindigkeit an der Zündkerze 10, was sich nachteilig auf die Verbrennung auswirken würde. Die einlassseitigen Quetschflächen 15,19 und 6 auslassseitigen Quetschflächen 16, 20 erzeugen bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 eine Gegenströmung S1 und S2, welche der Tumbleströmung T entgegenwirken und somit die Strömungsgeschwindigkeit des Tumbles T bremsen oder in eine Turbulenz umwandeln.

Dabei können zusätzlich zu den auslassseitigen Quetschflächen 16, 20 im Kolben 2 und im Zylinderkopf 4 auch die brennraumseitigen Tellerflächen 18 der Auslassventile 8 bzw. die Auslassventiltaschen 22 im Kolbenboden 14 als erweiterte Quetschflächen wirken.

Claims

7 PATENTANSPRÜCH E 1. Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder (1) hin- und hergehenden Kolben (2), mit einem Brennraum (3.2) pro Zylinder (1), welcher durch eine dachförmige Brennraumdeckfläche (13) und einen Kolbenboden (14) des Kolbens (2) gebildet ist, wobei im Kolbenboden (14) zwischen zumindest einer einlassseitigen Quetschfläche (15) und zumindest einer auslassseitigen Quetschfläche (16) eine Kolbenmulde (17) eingeformt ist, wobei die Quetschflächen (15, 16) des Kolbens (2) im wesentlichen der Brennraumdeckfläche (13) nachgeformt sind und jede Quetschfläche (15, 16) des Kolbens (2) einen an die Kolbenmulde (17) grenzenden Kolbenmuldenrandbereich (15a, 16a) und einen an einen Kolbenmantel (2a) grenzenden Kolbenmantelbereich (15b, 15b) aufweist, und wobei bei der auslassseitigen Quetschfläche (16) der Kolbenmuldenrandbereich (16b) weiter von einer durch die Kolbenbolzenachse (21a) gelegten fiktiven Normalebene (22) auf die Zylinderachse (9) entfernt ist, als der Kolbenmantelbereich (16b), wobei in den Brennraum (12) auf einer Einlassseite (E) zumindest ein eine Tumbleströmung (T) im Brennraum (12) initiierender Einlasskanal (5) einmündet und auf einer Auslassseite (A) vom Brennraum (12) zumindest ein Auslasskanal (7) ausgeht, dadurch gekennzeichnet, dass bei der einlassseitigen Quetschfläche (15) der Kolbenmantelbereich (15b) weiter von der Normalebene (22) entfernt ist, als der Kolbenmuldenrandbereich (15a).
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumdeckfläche (13) eine im Bereich des oberen Totpunktes mit der einlassseitigen Quetschfläche (15) des Kolbens (2) korrespondierende einlassseitigen Quetschffäche (19) aufweist, wobei die einlassseitige Quetschfläche (19) der Brennraumdeckfläche(13) einen inneren Randbereich (19a) und einen äußeren Randbereich (19b) aufweist, und wobei der äußere Randbereich (19b) von der Zylinderachse (9) weiter beabstandet ist, als der innere Randbereich (19a), und wobei der äußere Randbereich (19b) von einer normal auf der Zylinderachse (9) ausgebildeten Zylinderkopfdichtebene (23) weiter entfernt ist, als der innere Randbereich (19a).
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumdeckfläche (13) eine im Bereich des oberen Totpunktes mit 8 der auslassseitigen Quetschfläche (16) des Kolbens (2) korrespondierende auslassseitige Quetschfläche (20) aufweist, wobei die auslassseitige Quetschfläche (20) der Brennraumdeckfläche (13) einen inneren Randbereich (20a) und einen äußeren Randbereich (20b) aufweist, und wobei der äußere Randbereich (20b) von der Zylinderachse (9) weiter beabstandet ist, als der innere Randbereich (20a) und der innere Randbereich (20a) von einer normal auf der Zylinderachse (9) ausgebildeten Zylinderkopfdichtebene (23) weiter entfernt ist, als der äußere Randbereich (20b).
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die einlassseitige Quetschfläche (15) des Kolbens (2) zumindest eine Einlassventiltasche (21) eingeformt ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche l bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die auslassseitige Quetschfläche (16) des Kolbens (2) zumindest eine Auslassventiltasche (22) eingeformt ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die brennraumseitige Tellerfläche (18) zumindest eines Auslassventils (8) mit der entsprechenden korrespondierenden Auslassventiltasche (22) im Kolben (2) erweiterte Quetschflächen ausbilden.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einlassseitige Quetschfläche (19) der Brennraumdeckfläche (13) parallel zur einlassseitigen Quetschfläche (15) des Kolbens (2) ausgebildet ist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die auslassseitige Quetschfläche (20) der Brennraumdeckfläche (13) parallel zur auslassseitigen Quetschfläche (16) des Kolbens (2) ausgebildet ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einlassseitige Quetschfläche (19) der Brennraumdeckfläche (13) durch eine eine von der Zylinderachse (9) beabstandete Einspritzeinrichtung (11) aufnehmende Bohrung (11a) unterbrochen ist. 9
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (17) auf der Einlassseite (E) in Richtung der einlassseitigen Quetschfläche (15) zu einem zwischen den Einlassventiltaschen liegenden seitlichen Einspritzbereich (11b), ausläuft, wobei die Kolbenmulde (17) einen im wesentlichen tropfenförmigen oder dreieckigen Grundriss aufweist, und wobei vorzugsweise die Seitenflächen (17a, 17b) der Kolbenmulde (17) im wesentlichen einem vom Einspritzbereich (11b) ausgehenden Einspritzstrahl nachgebildet sind.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (17d) der Kolbenmulde (17) zwischen der einlassseitigen Quetschfläche (15) und der auslassseitigen Quetschfläche (16) des Kolbens (2) geneigt in Bezug auf die Normalebene (22) ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der Boden (17d) im Bereich der Einlassseite (E) von der Normalebene (22) weiter beabstandet ist, als im Bereich der Auslassseite (A).
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (17) zumindest annähernd punktsymmetrisch, vorzugsweise rotationssymmetrisch, in Bezug zu einem vorzugsweise im Bereich der Zylinderachse (9) angeordneten zentralen Einspritzbereich (11b) ausgebildet ist.
13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (I7d) der Kolbenmulde (17) eine zentrale Erhebung (17f) im Einspritzbereich (11b) aufweist.
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der auslassseitigen Quetschfläche (16) des Kolbens (2) und einer dieser benachbarten auslassseitigen Seitenwand (17c) der Kolbenmulde (17) eine einen definierten ersten Radius (Ri) aufweisende Muldenkante (I7e) ausgebildet ist.
15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Seitenwand (17c) der Kolbenmulde (17) und dem Boden (17d) der Kolbenmulde (17) eine definierter zweiter Radius (R2) ausgebildet ist. 2012 02 23; Fu/Bt