AT514021B1 - Brennraum für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennraum (1) für eine Brennkraftmaschine mit einer durch einen Zylinderkopf (3) gebildeten dachförmigen Brennraumdecke (2) und einem durch einen Kolben (6) gebildeten Brennraumboden (4), mit einer im Wesentlichen zentral in der Brennraumdecke (2) angeordneten Zündquelle (9) und einer in der Brennraumdecke (2) - vorzugsweise seitlich - angeordneten Einspritzeinrichtung (13), wobei der Brennraumboden (4) teilweise durch eine im Kolben (6) angeordnete Kolbenmulde (11) gebildet ist. Um eine optimale Flammenausbreitung und Erhaltung der Ladungsbewegung im Brennraum (1) zu ermöglichen ist vorgesehen, dass der Abstand (a) zwischen der Brennraumdecke (2) und dem Brennraumboden (4) - ausgehend von einem maximalen Abstand (amax) im Bereich der Zündquelle (9) - in zumindest der Kolbenbolzenrichtung und/oder 90° zur Kolbenbolzenrichtung, vorzugsweise in jeder radialen Richtung zum Kolbenrand (12) hin kontinuierlich abnimmt, wobei vorzugsweise der Abstand (a) in Richtung 90° zu einer gedachten mittigen Bezugsfläche zwischen Brennraumdecke (2) und Kolben (6) gemessen wird.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Brennraum für eine Brennkraftmaschine mit einer durcheinen Zylinderkopf gebildeten dachförmigen Brennraumdecke und einem durch einen Kolbengebildeten Brennraumboden, mit einer im Wesentlichen zentral in der Brennraumdecke ange¬ordneten Zündquelle und einer in der Brennraumdecke angeordneten - vorzugsweise seitlichen- Einspritzeinrichtung, wobei der Brennraumboden teilweise durch eine im Kolben angeordneteKolbenmulde gebildet ist, wobei der Abstand zwischen der Brennraumdecke und dem Brenn¬raumboden - ausgehend von einem maximalen Abstand im Bereich der Zündquelle - in zumin¬dest der Kolbenbolzenrichtung und/oder 90° zur Kolbenbolzenrichtung, vorzugsweise in jederradialen Richtung, zum Kolbenrand hin kontinuierlich abnimmt, wobei vorzugsweise der Ab¬stand in Richtung 90° zu einer gedachten mittigen Bezugsfläche zwischen Brennraumdeckeund Kolben gemessen wird.

[0002] Aus der EP 1 362 996 B1 ist ein Kolben für eine direkteinspritzende fremdgezündeteBrennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit einer im Zylinder zentral angeordneten Zündein¬richtung und einem seitlich angeordneten Injektor zur direkten Kraftstoffeinspritzung bekannt,wobei der Kolben eine zentrale Kolbenmulde aufweist und die brennraumseitige KolbenflächeAusnehmungen für den Freigang von Einlassventilen und Auslassventilen aufweist. Die Kol¬benmulde weist einen im Wesentlichen tropfenförmigen Grundriss auf, wobei die Seitenflächender Kolbenmulde im Wesentlichen einem vom Einspritzbereich ausgehenden Einspritzstrahlnachgebildet sind.

[0003] Auch aus der DE 10 2011 106 803 A1 ist eine Brennraummulde für einen Kolben miteinem im wesentlichen tropfenförmigen Grundriss bekannt.

[0004] Die Kolbenmulde dieser bekannten Kolben richten sich nach den Gegebenheiten desEinspritzstrahles, aber nicht nach den Gegebenheiten der Flammenausbreitung und der La¬dungsbewegung im Brennraum.

[0005] Die DE 10 2011 077 342 A1 beschreibt ein Verbrennungssystem mit einem eine kugel¬förmige Kuppel mit einer in der Kuppel definierten kugelförmigen konkave Mulde aufweisendenKolben, wobei sich die Mulde auf einer Seite des Kolbens nahe den Einlassventilen befindet.Auch diese Ausgestaltung richtet sich nicht nach den Bedürfnissen der Flammenausbreitung.Der hohe Kolbenaufbau tritt vielmehr der Flammenausbreitung behindernd entgegen.

[0006] Die DE 10 2004 051 825 A1 beschreibt einen Brennkammeraufbau in einem Verbren¬nungsmotor, in welchem bei einem Umfangsabschnitt der Brennkammer ein Spalt zwischeneiner Zylinderkopfunterseite und einer Oberseite eines Kolbens in Einlass/Einlass- und Aus-lass/Auslasszonen klein ist und allmählich zu einer Einlass/Auslass-Zone hin zunimmt. DerAbstand zwischen der Brennraumdecke und dem Brennraumboden nimmt - ausgehend voneinem maximalen Abstand im Bereich einer Zündquelle - in zumindest einer radialen Richtungzum Kolbenrand hin kontinuierlich ab.

[0007] Die Veröffentlichungen JP 2008-202 577 A, JP 2010-180 821 A und JP 2008-057 479 Azeigen ähnliche Brennraumformen.

[0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brennraum zu entwickeln, welcher dieErfordernisse für eine optimale Tumble-Bewegung und eine optimale Flammenausbreitungerfüllt. Weiters sollen Einspritzstrahlen während der Kraftstoffeinspritzung innerhalb der Kol¬benmulden gehalten werden.

[0009] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Brennraumboden in einem an dieHinterwand außerhalb der Kolbenmulde anschließenden Bereich zur Kolbenmulde hin abfallendausgebildet ist.

[0010] Die Muldenform sollte generell so gewählt werden, dass sich zusammen mit dem Brenn¬raumdach ein harmonischer Querschnittsverlauf von der Zündquelle weg zum Rand des Brenn¬raumes ergibt (kontinuierlich abnehmender Querschnitt).

[0011] Der minimale Abstand im Bereich des Kolbenrandes sollte mindestens 3mm betragen.

[0012] Eine optimale Flammenausbreitung gelingt, wenn der Brennraumboden im Bereich derZündquelle so gestaltet ist, dass im oberen Totpunkt des Kolbens eine eingeschriebene fiktiveKugel anordbar ist, deren Durchmesser dem maximalen Abstand zwischen Brennraumdeckeund Brennraumboden entspricht. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass das Verhältnis desmaximalen Abstandes zwischen Brennraumdecke und Brennraumboden zum Zylinderradiusetwa 0,3 bis 0,55, vorzugsweise 0,35 bis 0,5mm beträgt. Die fiktive Kugel, welche im oberenTotpunkt des Kolbens im Restbrennraum unterhalb der Zündquelle Platz findet, sollte möglichstgroß sein.

[0013] Um den Tumble während der Kompression nicht frühzeitig zu zerstören, ist es von Vor¬teil, wenn eine Tangente des abfallenden Bereiches mit einer Normalebene auf die Zylinder¬achse einen Winkel zwischen 5° und 15° einschließt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass einvon einer Tangente einer der Einspritzeinrichtung zugewandten Hinterwand der Kolbenmuldeund der Zylinderachse aufgespannter Winkel zwischen 0° und 30°, vorzugsweise 5° und 30°beträgt. Weiters ist es von Vorteil, wenn zumindest eine Tangente auf eine Seitenwand derKolbenmulde, welche an die Hinterwand seitlich anschließt, mit einer Normaleben die Zylinder¬achse einen Winkel >30°, vorzugsweise >45° einschließt. Dadurch wird erreicht, dass Einspritz¬strahlen, die in die Kolbenmulde treffen, so reflektiert werden, dass sie nicht auf die Zylinder¬wand treffen. Dadurch wird Ölverdünnung vermieden.

[0014] Der Brennraumboden sollte völlig frei von Hinterschnitten oder Stufen ausgebildet sein.

[0015] Um das benötigte Verdichtungsverhältnis zu realisieren, die erwünschte Kolbenmulden¬form darzustellen und trotzdem Ventiltaschen für den Freigang der Ein- oder Auslassventile zuermöglichen, ist es von Vorteil wenn der Brennraumboden im Bereich der Einlassventile und/oder Auslassventile, Ventiltaschen aufweist, wobei vorzugsweise zwischen zumindest einerVentiltasche und einer Seitenwand der Kolbenmulde eine Anfasung ausgebildet ist. Dadurchwird erreicht, dass in einem Kurbelwinkelbereich von etwa 50° vor dem oberen Totpunkt alleStrahlen in der Kolbenmulde gehalten werden, da sämtliche Auftreffpunkte der Strahlen in derKolbenmulde liegen.

[0016] Um eine einfache Herstellung des Kolbens zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn derKolbenmuldenboden in einem zentralen, im Wesentlichen kreisförmigen Bereich von mind.10mm Durchmesser eben ausgebildet ist. Der Kolbenmuldenboden ist somit so geformt, dasssich ein Steiger unterbringen lässt. Die Kolbenmulde ist vom Einlass weg fallend und verlaufendzum Kolbenmuldenboden hin ausgebildet, sodass sich bei der Verschneidung mit der Steiger¬bearbeitung vorzugsweise keine Stufe ergibt.

[0017] Um Spannungen oberhalb der Kolbenbolzens zu minimieren, sind Radien der Kolben¬mulde möglichst groß dimensioniert. Für die Tumbleführung ist es von Vorteil, wenn die Seiten¬wände der Kolbenmulde in einem möglichst weiten Bereich unter einem Winkel <30° bezogenauf eine Kolbensymmetrieebene ausgeführt sind.

[0018] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

[0019] Es zeigen: [0020] Fig. 1 bis 3 einen erfindungsgemäßen Brennraum in einem Schnitt gemäß der Linie l-l in Fig. 4 oder Fig. 5, [0021] Fig. 4 den Brennraum im Schnitt gemäß der Linie IV-IV in den Fig. 1 bis Fig. 3 oder Fig. 5, [0022] Fig. 5 einen Kolben des erfindungsgemäßen Brennraumes aus den Fig. 1 bis

Fig. 4 in einer Schrägansicht, [0023] Fig. 6 das Detail VI aus Fig. 5, [0024] Fig. 7 den Kolben samt Einspritzeinrichtung in einer weiteren Schrägansicht, [0025] Fig. 8 einen Kolben in einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante und [0026] Fig. 9 diesen Kolben in einem Schnitt gemäß der Linie IX-IX in Fig. 8.

[0027] Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichenversehen.

[0028] Der Brennraum 1 wird aufgespannt von einer im wesentlichen dachförmigen Brenn¬raumdecke 2, welche vom Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine gebildet wird, und demBrennraumboden 4, welcher durch den im Zylinder 5 hin- und hergehenden Kolben 6 gebildetwird. In den Brennraum 1 münden zwei Einlassventile und zwei Auslassventile, wobei - wie inFig. 1 dargestellt ist - die Achsen 7 der Auslassventile zu den Achsen 8 der Einlassventile einenWinkel α zwischen 25° und 45°, vorzugsweise zwischen 30° und 35°, aufspannen.

[0029] Mit Bezugszeichen 9 ist eine annähernd zentral in den Brennraum 1 mündende Zünd¬quelle bezeichnet, welche nahe der Zylinderachse 10 in der Brennraumdecke 2 angeordnet ist.Der Brennraumboden 4 wird teilweise durch den Muldeboden 11a einer in den Kolben 6 einge¬formten Kolbenmulde 11 gebildet. Die Kolbenoberfläche ist so geformt, dass im oberen Tot¬punkt des Kolbens 6 der in Richtung 90° zu einer gedachten mittigen Bezugsfläche 22 derZylinderachse 10 gemessene Abstand a zwischen der Brennraumdecke 2 und dem Brenn¬raumboden 4 - beginnend von einem maximalen Abstand amax im Bereich der Zündquelle 9 - inzumindest der Kolbenbolzenrichtung x und/oder in einer 90° zur Kolbenbolzenrichtung (x) ge¬neigten normalen Richtung y, zum Kolbenrand 12 hin kontinuierlich bis zu einem minimalenAbstand amin abnimmt. Der Brennraumboden 4 ist dabei völlig ohne Hinterschnitte oder Stufenausgebildet. Der minimale Abstand amin im Bereich des Kolbenrandes 12 auf der der Einspritz¬einrichtung 13 abgewandten Seite des Kolbens 6 beträgt dabei mind. 3 mm. Die Einspritzein¬richtung 13 ist im Ausführungsbeispiel in einem seitlichen Bereich der Brennraumdecke 2 an¬geordnet, wie in Fig. 1 oder 7 ersichtlich ist.

[0030] Im Bereich der Zündquelle 9 weist der Brennraum 1 das größte Restvolumen auf. DieBrennraumdecke 2 und der Brennraumboden 4 sind so gestaltet, dass im Bereich des max.Abstandes amax dem Brennraum 1 eine fiktive Kugel K anordbar ist, deren Durchmesser demmaximalen Abstand amax zwischen Brennraumdecke 2 und Brennraumboden 4 entspricht.

[0031] Das Verhältnis des maximalen Abstandes amax zwischen Brennraumdecke 2 und Brenn¬raumboden 4 zum Zylinderradius R beträgt etwa 0,3 bis 0,55, vorzugsweise zwischen 0,35 und0,5. Die Brennraummulde 11 weist in einem der Einspritzrichtung 13 entfernten, gegenüberlie¬genden Bereich eine Hintenwand 14 auf. Eine Tangente ti4auf diese Hintenwand 14 schließt mitder Zylinderachse 10 eine Winkel ß zwischen 0° und 30°, insbesondere zwischen 5° und 30°ein, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Hinterwand 14 geht außerhalb der Kolbenmulde in einen Be¬reich 15 des Kolbenbodens 4 über, welcher abfallend in Richtung der Brennraummulde 11 hinausgebildet ist. Eine Tangente ti5 auf diesen abfallenden Bereich 15 des Brennraumbodens 4schließt mit einer Normalebene 16 auf die Zylinderachse 10 einen Winkel γ von etwa 5° bis 15°ein, wie aus Fig. 2 hervorgeht.

[0032] Der Brennraumboden 4 ist symmetrisch bezüglich einer durch die Zylinderachse 10verlaufenden Symmetrieebene γ auf die Zündquelle 9 und die Einspritzeinrichtung 13 ausgebil¬det. Die Seitenwände 17 der Kolbenmulde beidseits der Symmetrieebene ε sind verlaufen zumKolbenmuldenboden 11a hin ausgebildet.

[0033] Die Tangentialebenen t17 auf die Seitenwände 17 im Bereich des Muldenrandes 18schließen mit der Normalebene 16 einen Winkel δ >30° vorzugsweise >45° ein, wie aus Fig. 4zu entnehmen ist.

[0034] Wie Fig. 3 zeigt, geht die Hinterwand 14 verlaufend in den Kolbenmuldenboden 11aüber, wobei zwischen Hinterwand 14 und Kolbenmuldenboden 11a ein Krümmungsradius nzwischen 5 bis 12mm ausgebildet ist, Zwischen der Hinterwand 14 und dem abfallenden Be¬reich 15 ist ein Krümmungsradius r2 zwischen 1 bis 1,5 mm ausgebildet.

[0035] Aus Fig. 5 ist erkennbar, dass der Brennraumboden 4 im Bereich der Auslassventile

Auslassventiltaschen 19 und im Bereich der Einlassventile Einlassventiltaschen 20 aufweist. ImÜbergang zwischen dem Einlassventiltaschen 20 und den Seitenwänden 17 der Kolbenmulde11 sind schräge Flächen ausbildende Anfasungen 21 vorgesehen, welche helfen, auf denBrennraumboden 4 auftreffende Einspritzstrahlen E vom Zylinder 5 weg in die Kolbenmulde 11zu lenken. In Fig. 7 sind mit E die Kraftstoffeinspritzstrahlen der Einspritzeinrichtung 9 angedeu¬tet.

[0036] Um eine gute Tumbleführung zu erreichen, sind die Seitenwände 17 in einem möglichstweiten Bereich in Richtung einer durch die Verschneidung durch die Symmetrieebene ε mit derNormalebene 16 gebildeten Querachse 22 geführt, sodass die Seitenwände 17 mit der Quer¬achse 22 einen Winkel p <30° aufspannen.

[0037] Um eine einfache Herstellung des Kolbens 6 zu ermöglichen, ist der Kolbenmuldenbo-den 11a in einem zentralen, annähernd kreisrunden Bereich 23 von mindestens 10 mm ebenund als von der Einlassseite her fallender Boden ausgeführt, sodass sich ein Steiger bei derGießfertigung des Kolbens 6 unterbringen lässt. Die Höhe h der Verschneidung bei der Steiger¬bearbeitung, bei der sich keine positive Stufe ergibt, beträgt maximal 2 mm wie in Fig. 9 ange¬deutet ist.

[0038] Die Form der Kolbenmulde 11 wird so gewählt, dass sich zusammen mit der Dachformder Brennraumdecke 2 ein harmonischer Querschnittsverlauf von der Zündquelle 9 zum Randdes Brennraumsdaches 2 ergibt, wobei der Mindestabstand zwischen dem Brennraumboden 4im Bereich des Kolbenrandes 12 und dem Brennraumdach 2 an keiner Stelle des Kolbens 63 mm unterschreitet.

[0039] Durch die beschriebene Form des Brennraumes 1 wird eine optimale Flammenausbrei¬tung gewährleistet, wobei die Erhaltung der Resttumblebewegung T im Brennraum 1 gefördertwird.

Claims (10)

1. Patentansprüche 1. Brennraum (1) für eine Brennkraftmaschine mit einer durch einen Zylinderkopf (3) gebilde¬ten dachförmigen Brennraumdecke (2) und einem durch einen Kolben (6) gebildetenBrennraumboden (4), mit einer im Wesentlichen zentral in der Brennraumdecke (2) ange¬ordneten Zündquelle (9) und einer in der Brennraumdecke (2) angeordneten - vorzugswei¬se seitlichen - Einspritzeinrichtung (13), wobei der Brennraumboden (4) teilweise durch ei¬ne im Kolben (6) angeordnete Kolbenmulde (11) gebildet ist, wobei der Abstand (a) zwi¬schen der Brennraumdecke (2) und dem Brennraumboden (4) - ausgehend von einem ma¬ximalen Abstand (amax) im Bereich der Zündquelle (9) - in zumindest der Kolbenbolzenrich¬tung (x) und/oder 90° zur Kolbenbolzenrichtung (x), vorzugsweise in jeder radialen Rich¬tung, zum Kolbenrand (12) hin kontinuierlich abnimmt, wobei vorzugsweise der Abstand (a)in Richtung 90° zu einer gedachten mittigen Bezugsfläche (22) zwischen Brennraumdecke (2) und Kolben (6) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraumboden(4) in einem an die Hinterwand (14) außerhalb der Kolbenmulde (11) anschließenden Be¬reich (15) zur Kolbenmulde (11) hin abfallend ausgebildet ist.
2. 2. Brennraum (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraumboden (4)im Bereich der Zündquelle (9) so gestaltet ist, dass im oberen Totpunkt des Kolbens (6) ei¬ne eingeschriebene fiktive Kugel (K) anordbar ist, deren Durchmesser dem maximalen Ab¬stand (amax) zwischen Brennraumdecke (2) und Brennraumboden (4) entspricht.
3. 3. Brennraum (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der minimaleAbstand (amin) im Bereich des Kolbenrandes (12) des Kolbens (6) mindestens 3 mm be¬trägt.
4. 4. Brennraum (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dasVerhältnis des maximalen Abstandes (amax) zwischen Brennraumdecke (2) und Brenn¬raumboden (4) zum Zylinderradius (R) etwa 0,3 bis 0,55, vorzugsweise 0,35 bis 0,5mm be¬trägt.
5. 5. Brennraum (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein voneiner Tangente (tM) einer der Einspritzeinrichtung im oberen Totpunkt gegenüber liegendenHinterwand (14) der Kolbenmulde (11) und der Zylinderachse (10) aufgespannter Winkel(ß) zwischen 0° und 30°, vorzugsweise zwischen 5° und 30° beträgt.
6. 6. Brennraum (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eineTangente (ti5) des abfallenden Bereiches (15) mit einer Normalebene (16) auf die Zylinder¬achse (10) einen Winkel (γ) zwischen 5° und 15°einschließt.
7. 7. Brennraum (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass derBrennraumboden (4) frei von Hinterschnitten oder Stufen ausgeführt ist.
8. 8. Brennraum (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumin¬dest eine Tangente (h7) auf eine Seitenwand (17) der Kolbenmulde (11), welche an dieHinterwand (14) seitlich anschließt, mit einer Normaleben (16) auf die Zylinderachse (10)einen Winkel (δ) >30°, vorzugsweise >45° einschließt.
9. 9. Brennraum (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass derKolbenmuldenboden (4) in einem zentralen, im Wesentlichen kreisförmigen Bereich (23)von mindestens 10 mm Durchmesser eben ausgebildet ist.
10. 10. Brennraum (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass derBrennraumboden (4) im Bereich der Einlassventile und/oder Auslassventile Ventiltaschen(19, 20) aufweist, wobei vorzugsweise zwischen zumindest einer Ventiltasche (20) und ei¬ner Seitenwand (17) der Kolbenmulde (11) eine Anfassung (21) ausgebildet ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen