AT524480A1 - Verbrennungssystem und Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungssystem (1), aufweisend einen Brennraum (104), der von einem Zylinder (2), einem Kolben (3) und einem Zylinderkopf (102) einer Brennkraftmaschine (100) begrenzt wird; und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (5), die sich in den Brennraum (104) hinein erstreckt und dazu eingerichtet ist, Kraftstoff mit einem Sprühwinkel (α) unmittelbar in den Brennraum (104) einzuspritzen, wobei im Kolben (3) auf seiner dem Brennraum (104) zugewandten Seite eine hinsichtlich einer Mittelachse (3a) des Kolbens (3) rotationssymmetrische Kolbenmulde (35) ausgebildet ist, die eine Erhöhung (36) mit einem zentralen Scheitel (37) und eine daran in einer hinsichtlich der Mittelachse (3a) radialen Richtung außen anschließende, im Wesentlichen konische Basis (38) aufweist, wobei die Erhöhung (36) einen Kegelwinkel (β) definiert. Erfindungsgemäß ist der Kegelwinkel (β) größer gewählt als der Sprühwinkel (α). Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine (100) mit zumindest einem derartigen Verbrennungssystem (1) und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine (100).

Description

Verbrennungssystem und Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungssystem, aufweisend einen Brennraum, der von einem Zylinder, einem Kolben und einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine begrenzt wird; und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die sich in den Brennraum hinein erstreckt und dazu eingerichtet ist, Kraftstoff mit einem Sprühwinkel unmittelbar in den Brennraum einzuspritzen, wobei im Kolben auf seiner dem Brennraum zugewandten Seite eine hinsichtlich einer Mittelachse des Kolbens rotationssymmetrische Kolbenmulde ausgebildet ist, die eine Erhöhung mit einem zentralen Scheitel und eine daran in einer hinsichtlich der Mittelachse radialen Richtung außen anschließende, im Wesentlichen konische

Basis aufweist, wobei die Erhöhung einen Kegelwinkel definiert.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschinen mit zumindest

einem derartigen Verbrennungssystem.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen

Brennkraftmaschine.

Die Reduzierung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitiger Erzielung von hohen Leistungsdichten nimmt gegenwärtig bei Entwicklung und

Betrieb von Brennkraftmaschinen einen hohen Stellenwert ein.

Insbesondere bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen, die durch Einspritzung von Kraftstoff in komprimierte Luft mit einer vorbestimmten Temperatur oder darüber den Kraftstoff zünden und verbrennen, wird an der Verbesserung der Verbrennung gearbeitet, um schädliches Abgas zu reduzieren und eine Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz zu verhindern.

Dabei ist die Optimierung des Brennraums von entscheidender Bedeutung, der durch Zylinder, Kolben und Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine definiert wird. Mit geeigneter Ausbildung der Kolbenmulde, also der dem Brennraum zugewandten Oberseite des Kolbens, wird eine Strömung gebildet, die die Vermischung von Luft und Kraftstoff verbessert und eine Kraftstoffatomisierung

fördert. Auf diese Weise soll eine möglichst vollständige Verbrennung des

Kraftstoffs erreicht und Ruß- und Emissionsbildung verhindert oder zumindest

reduziert werden.

Die DE 10 2017 116 711 A1 beschreibt einen Kolben mit einer eine Zentralkammer umgebenden Krone. Um eine Mittelachse in der Zentralkammer ist eine zentrale Erhöhung ausgebildet, die über eine Schale in die Krone übergeht. In der Krone sind schlitzartige Durchgänge ausgeführt, die dem Übertritt von Kraftstoff von der Zentralkammer zum äußeren Umfang der Krone dienen. Die DE 10 2015 100 361 A1 beschreibt ein Verbrennungssystem mit Kolbenboden und Kraftstoffinjektor. Durch die geeignete Wahl der Geometrie der Kolbenbodenschüssel und einer Düse des Kraftstoffinjektors kann der

Brennvorgang positiv beeinflusst werden.

Allen bekannten Lösungen ist gemeinsam, dass Emissionsverhalten und Kraftstoffverbrauch den aktuellen Anforderungen nicht mehr optimal entsprechen.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verbrennungssystem, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem derartigen Verbrennungssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine bereit zu stellen, das bzw. die eine möglichst vollständige und emissionsarme Verbrennung

von Kraftstoff ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch das eingangs genannte Verbrennungssystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kegelwinkel größer gewählt ist als der

Sprühwinkel.

Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der eingespritzte Kraftstoff bestmöglich durch die Kolbenmulde geleitet und vollständig der Verbrennung zugeführt wird. Im Wesentlichen erfolgt die Einspritzung tangential die Basis der Erhöhung. Auf diese Weise wird der Strahl nicht in der Kolbenmulde gefangen, sondern kann in weiterer Folge nach oben in Richtung des Brennraums geleitet und einer vollständigen, möglichst rückstandsfreien Verbrennung zugeführt

werden.

In einer Variante der Erfindung beträgt der Sprühwinkel zwischen 125° und 150°, vorzugsweise zwischen 130° und 140°, und/oder der Kegelwinkel beträgt zwischen 140° und 160°. Dabei sind Sprühwinkel und Kegelwinkel innerhalb der Bereiche jeweils so zu wählen, dass der Kegelwinkel größer ist als der Sprühwinkel.

Mit der Wahl von Sprühwinkel und Kegelwinkel in den angegebenen Bereichen wird erreicht, dass sich der beschriebene Umlenkungseffekt für einen sehr weiten

Variationsbereich des Einspritzzeitpunktes geometrisch umsetzen lässt.

Eine gezielte Einspritzung mit hoher Eindringtiefe lässt sich erreichen, wenn die Kraftstoffeinspritzvorrichtung dazu eingerichtet ist, Kraftstoffstrahlen mit einem

Strahlaufbruchswinkel von weniger als 20°, vorzugsweise von 15°, auszubringen.

Dadurch ergibt sich eine tiefe Auftreffhöhe in der Kolbenmulde und der schmale Strahlmittelpunktskegel vermeidet erhöhten Wärmeeintrag am schlecht gekühlten, und daher kritischen Kolbenmuldeneinlauf - auf diese Weise kann die Gefahr der Risseinleitung am relativ scharfen Radius des Muldeneinlaufs gebannt werden. Durch den kompakten Strahlaufbau der Kraftstoffstrahlen kann der Kraftstoff länger, also über einen längeren Kurbelwinkelbereich, in der Kolbenmulde gehalten werden, was zusammen mit einer verkürzten

Einspritzdauer ein besonders robustes Brennverfahren ermöglicht.

Robustheit bedeutet hier, dass die Gefahr der Risseinleitung am Kolbenmuldeneinlauf reduziert wird, da der Einspritzstrahl nicht auf die Einlaufkante bzw. den Einlaufradius trifft. Dies ermöglicht - zusammen mit den oben beschriebenen Winkelbereichen - einen weiten Variationsbereich des

Einspritzzeitpunktes.

In einer Variante der Erfindung ist auf einer dem Brennraum zugewandten Seite des Kolbens an der hinsichtlich der Mittelachse des Kolbens radialen Außenseite des Kolbens zwischen einem inneren Umfang und einem äußeren Umfang eine Kolbenkrone mit einer oberen Oberfläche ausgebildet und die Erhöhung ist über einen an die Basis anschließenden Kolbenmuldenboden und einen Übergangsabschnitt mit der Kolbenkrone verbunden.

Gegebenenfalls ist der Übergangsabschnitt hinsichtlich der Mittelachse des Kolbens einspringend mit einem Einspringwinkel oder hinsichtlich der Mittelachse des Kolbens gerade oder hinsichtlich der Mittelachse des Kolbens offen mit einem Öffnungswinkel ausgeführt. Der Einspringwinkel bezeichnet dabei den Muldeneinzug. Mit anderen Worten ist bei der Variante mit der offenen Ausführung der Kolben mit einer zum Brennraum leicht geöffneten Kolbenmulde

ausgeführt.

Auf diese Weise können die bei der Verbrennung entstehenden Flammfackeln in Richtung des Zylinderkopfes und dessen Feuerdecks gerichtet werden, wo bei passender Auslegung der Kühlung, insbesondere durch Anwendung eines TopDown-Kühlungskonzepts, eine besonders effiziente Wärmeabfuhr sichergestellt werden kann. Eine besonders gute Ablenkung zum Feuerdeck lässt sich durch die einspringende Ausführung des Übergangsabschnitts erzielen, gleichzeitig erfolgt eine Umlenkung der Flammenfackeln in Richtung der Mittelachse des Kolbens, wo viel Luft bzw. Sauerstoff zur Unterstützung des Brennvorgangs zur Verfügung steht. Je nach Anwendung kann aber auch die gerade oder offene Ausführung gewählt werden. Durch die Auslegung der Kolbenmulde und des Übergangsabschnitts kann also eine Anpassung an die Anforderungen der

Brennkraftmaschine erreicht werden.

Um die Zylinderinnenseite vor Treibstoff, Ruß und Hitze zu schützen und eine Lenkwirkung der Verbrennung zu ermöglichen ist in einer Variante der Erfindung in der oberen Oberfläche der Kolbenkrone eine ringförmige Ablenkvertiefung ausgeführt. Diese Ablenkvertiefung verhindert Kraftstoffeintrag in die Zylinderinnenwand bzw. die Innenwand einer etwaigen Laufbuchse. Dadurch kommt es nicht zu einem Abwaschen des Schmieröls durch den flüssigen Kraftstoff und Reibungsprobleme und erhöhter Verschleiß können verhindert werden. Gleichzeitig werden Flammenfackeln von der Zylinderinnenwand ferngehalten, so dass es zu keinem erhöhten Wärmeeintrag kommt. Auch wird verhindert, dass etwaige fette Verbrennungszonen nahe der Zylinderinnenwand auftreten, wo sich der resultierende Ruß mit dem Öl mischen und für einen

erhöhten Verschleiß sorgen könnte.

Eine optimale Verbrennung mit geringstmöglichen Emissionen und kontrolliertem Kraftstoffverbrauch lässt sich erzielen, wenn das Verbrennungssystem dazu eingerichtet ist, mit einer Einspritzdauer der Kraftstoffeinspritzvorrichtung von weniger als 30° Kurbelwinkel, vorzugsweise von weniger als 25° Kurbelwinkel,

besonders vorzugsweise von 20° Kurbelwinkel betrieben zu werden.

Im Stand der Technik sind Einspritzdauern gebräuchlich, die sich über 30° Kurbelwinkel oder länger erstrecken. Daraus resultiert eine Brenndauer von 100° Kurbelwinkel, was eine langsame Verbrennung und einen verlängerten Ausbrand führt, und in Verwirbelungen, Stagnationszonen und erhöhter Rußbildung

resultieren kann.

Die Erfinder haben festgestellt, dass sich überraschenderweise bei einer Einspritzdauer von weniger als 30° die Brenndauer deutlich reduzieren und die

Qualität des Brennvorgangs nachhaltig verbessern lassen.

Üblicherweise wäre zu erwarten, dass es bei einer Reduktion der Einspritzdauer zu einer Zündverzugserhöhung und kürzerer Verbrennung mit Anstieg der NOxEmissionen kommt, wobei sich gleichzeitig eine Reduktion des Kraftstoffverbrauches und der Rußemissionen ergeben würde. Im Extremfall könnte ein ausgeprägter Vormischanteil der Verbrennung mit hohen Zylinderdruckanstiegsgradienten entstehen.

Überraschenderweise führt die erfindungsgemäße Lösung der oben angeführten geometrischen Randbedingungen - insbesondere Ausführung der Kraftstoffstrahlen und der Kolbenmulde - zusammen mit den sehr kurzen Einspritzdauer von kleiner als 25° Kurbelwinkel wegen der nun weitgehend wandgeführten Verbrennung dazu, das dieser Vormischanteil reduziert ist, die Verbrennung aber dennoch kompakt wird, wobei gleichzeitig die Erhöhung der

NOx-Emissionen abgemildert wird.

Dadurch ergibt sich eine schnellere Umsetzung mit dem Effekt, dass während der Verbrennung die Bildung lokal eingeschränkter, aber sehr heißer Zonen reduziert wird. In Summe wird weniger Kraftstoff benötigt und es ergeben sich nur geringfügig erhöhte Stickoxidemissionen.

Gleichzeitig folgt daraus ein verkürzter Ausbrand, bei dem die Luft oberhalb und in Richtung der Kolbenmitte genutzt werden kann. Dieser Effekt kann durch entsprechende Anpassung der Düse der Kraftstoffeinspritzvorrichtung unterstützt und weiter verbessert werden, indem die Anzahl der Spritzlöcher der Düse, anstatt der im Stand der Technik üblichen sieben oder acht auf neun oder zehn erhöht wird. Auf diese Weise kann der bei der Verbrennung in Fettzonen entstehende Ruß besser verbrannt werden, die dadurch drohende

Partikelbelastung bzw. Verschmutzung von Schmieröl werden verhindert.

Die durch die kurze Brenndauer bedingten höheren NOx-Werte können durch die effizienten Abgasnachbehandlungssysteme moderner Brennkraftmaschinen wirksam eliminiert werden, so dass ein etwaiger Emissionsnachteil des Brennvorgangs nicht ins Gewicht fällt und der reduzierte Kraftstoffverbrauch als Vorteil verbleibt.

Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch eine eingangs genannte Brennkraftmaschine mit zumindest einem Verbrennungssystem der oben

beschriebenen Art gelöst.

Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch ein eingangs genanntes Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Einspritzvorgang einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung über einen Zeitraum von weniger als 30° Kurbelwinkel, vorzugsweise von weniger als 25° Kurbelwinkel, besonders vorzugsweise von 20° durchgeführt

wird,

Durch den verkürzten Einspritzvorgang kann gegenüber dem Stand der Technik eine kürzere Brenndauer und ein verkürzter Ausbrand erzielt werden. Eine etwaige thermische Belastung z.B. des Zylinderkopfes bzw. dessen Feuerdeck

kann über eine entsprechend ausgelegte Kühlung abgefangen werden.

In einer Variante der Erfindung wird der Einspritzvorgang so durchgeführt, dass sich eine Schwerpunktslage der Verbrennung zwischen 10° und 25° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt ergibt. In diesem Zeitraum befindet sich der Kolben

in einer Position, wo im Brennraum vorhandene Luft bzw. vorhandener

Sauerstoff bestmöglich der Verbrennung zugeführt werden können, so dass sich

ein vollständiger und emissionsoptimierter Brennvorgang ergibt.

Ein vorteilhaftes Brennverhalten lässt sich erzielen, wenn der Einspritzvorgang vor dem oberen Totpunkt begonnen wird. Auf diese Weise lässt sich in Kombination mit der verkürzten Einspritzung ein optimaler Brennvorgang

sicherstellen.

In der Folge wird die Erfindung anhand eines nicht einschränkenden

Ausführungsbeispiels, das in den Figuren dargestellt ist, näher erläutert. Darin

zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem Zylinder;

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Verbrennungssystems;

Fig. 3a eine Teilansicht einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Verbrennungssystems;

Fig. 3b eine Teilansicht einer dritten Variante eines erfindungsgemäßen Verbrennungssystems;

Fig. 4 eine Teilansicht einer vierten Variante eines erfindungsgemäßen Verbrennungssystems;

Fig. 5a-5d Schnittansichten eines erfindungsgemäßen Verbrennungssystems mit einem Sprühwinkel von 130° bei vier verschiedenen

Kurbelwinkeln; und

Fig. 6a-6d Schnittansichten eines erfindungsgemäßen Verbrennungssystems mit einem Sprühwinkel von 140° bei vier verschiedenen

Kurbelwinkeln.

Gleiche Elemente sind in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils

mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt in schematischer Ansicht eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 100 mit einem Zylinderblock 101 und einem darauf aufgesetzten, lösbar damit verbundenen Zylinderkopf 102. Die dem Zylinderblock 101 zugewandte Seite des Zylinderkopfes 102 bildet die Zylinderkopfdichtebene bzw. wird auch als Zylinderkopfdichtfläche bezeichnet. Im Zylinderblock 101 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Zylinder 2 ausgebildet, in dem ein Kolben 3 entlang der Zylinderachsen 2a hin- und herbewegbar angeordnet ist. Der Kolben 3 bewegt sich dabei zwischen einer OTStellung im oberen Totpunkt und einer unteren Totpunkt- oder UT-Stellung. Insbesondere bewegt sich der Kolben 3 zwischen der OT-Stellung und der UTStellung während eines Einlasshubs, eines Verdichtungshubs, eines Expansionshubs und eines Auslasshubs der Brennkraftmaschine 100.

In der OT-Stellung befindet sich der Kolben 3 nahe dem Zylinderkopf 102, in der UT-Stellung ist er am weitesten vom Zylinderkopf 102 entfernt. Über eine

Pleuelstange 4 ist der Kolben 3 mit einer Kurbelwelle 103 verbunden und bewegt sich im Wesentlichen in einer Richtung normal zu einer Kurbelwellenachse 103a.

Im Zylinderkopf 102 sind eine oder mehrere Komponenten und/oder Systeme (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 100 untergebracht, etwa ein Ventilsystem, eine Ventiltriebeinrichtung, eine Einlasssammelleitung, eine

Abgassammelleitung oder Sensoren.

Zusätzlich kann die Brennkraftmaschine verschiedene weitere Komponenten und/oder Systeme (nicht dargestellt) umfassen, etwa ein Kurbelgehäuse, ein Kraftstoffsystem, ein Luftsystem, ein Kühlsystem, einen Turbolader, ein Abgasrückführungssystem, ein Abgasnachbehandlungssystem bzw. weitere Peripheriegeräte. Ein Abgasnachbehandlungssystem ist beispielsweise in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine 100 verortet und kann unterschiedliche Komponenten enthalten, beispielsweise einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) und/oder einen Rußpartikelfilter (DOF). Zusätzlich oder alternativ können eine oder mehrere Emissionsüberwachungsvorrichtungen enthalten sein. Solche Emissionsüberwachungsvorrichtungen können einen selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Katalysator und/oder einen Dreiwegekatalysator, einen NOxAbscheider oder unterschiedliche andere Vorrichtungen oder Systeme enthalten.

Zylinder 2 und Kolben 3 definieren einen Brennraum 104, der nach oben durch den Zylinderkopf 102 abgeschlossen wird. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 mit Düse erstreckt sich aus dem Zylinderkopf 102 in einen zentralen Abschnitt des Brennraums 104 und ist dazu eingerichtet, Kraftstoff, z.B. Diesel, in Form eines Sprühnebels mit einem Sprühwinkel a (siehe z.B. Fig. 2) unmittelbar in den Brennraum 104 einzuspritzen, insbesondere nahe einem oberen Totpunkt bzw. einer OT-Stellung des Kolbens 3 innerhalb des Zylinders 2. Der Sprühwinkel a kann in einem Bereich zwischen 120° und 160° liegen, jedoch je nach Anforderungen der Anwendung variieren. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 ist Teil eines entsprechenden Kraftstoffzufuhrsystems, das dem Zylinder 2 Kraftstoff zuführt, vorzugsweise als Teil eines Common-Rail-Kraftstoffzufuhrsystems, das Kraftstoff unter Druck zuführt.

Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 kann im Prinzip eine beliebige, im Stand der Technik bekannte Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 sein. Je nach Ausführung weist die Düse der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 eine Anzahl von Spritzlöchern auf, z.B. sieben oder acht oder in einer erfindungsgemäßen Ausführung neun oder zehn. Auf diese Weise kann in der erfindungsgemäßen Ausführung der Düsenströmungsquerschnitt erhöht werden, so dass sich bei konstantem Einspritzdruck, konstanter Einspritzgeschwindigkeit und gleichbleibender Eindringtiefe eine kürzere Einspritzdauer von weniger als 30° Kurbelwinkel bei gleichbleibender Kraftstoffmenge umsetzen lässt. Während Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 100 - insbesondere eines Großmotors - mit einem Zylinder 2 zeigt ist die Erfindung auch auf Brennkraftmaschinen 100 mit mehr Zylindern 2 anwendbar, wobei die Zylinder 2 in beliebiger Konfiguration angeordnet sein können, etwa in Reihen-, Radial- oder V-Konfiguration. Die Brennkraftmaschine 100 kann für beliebige Anwendungen zum Einsatz kommen, wie z.B. Leistungserzeugung, Transport, Bau, Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Bergbau, Schifffahrt, Abfallwirtschaft oder

militärische Applikationen.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Kolbens 3 und einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 entlang der Zylinderachse 2a, insbesondere in Form eines Meridianschnitts des Kolbens 3. Unter einem Meridianschnitt des

Kolbens 3 wird in der vorliegenden Offenbarung ein Schnitt entlang einer

Mittelachse 3a des Kolbens 3 verstanden, der normal zu einer oberen Oberfläche 32 einer Kolbenkrone 31 des Kolbens 3 bzw. einer Kolbenmulde 35 verläuft. Der Meridianschnitt ergibt damit eine Meridianebene, die normal zur Kolbenmulde 35 steht und parallel zur bzw. zusammenfallend mit der Mittelachse 3a ist.

Die Mittelachse 3a des Kolbens 3 fällt im montierten Zustand des Kolbens 3 mit der Zylinderachse 2a zusammen. Beabstandet vom Kolben 3 ist in Fig. 2 eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 dargestellt. Der Abstand zwischen Kolben 3 und Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 in Fig. 2 dient vorwiegend einer übersichtlichen Darstellung und hat keine technische bzw. funktionale Bedeutung.

Der Kolben 3 umfasst eine Kolbenkrone 31 mit einer oberen Oberfläche 32, die dem Zylinderkopf 102 bzw. dem Brennraum 104 zugewandt ist. Die Kolbenkrone 31 ist um die Mittelachse 3a herum angeordnet, die obere Oberfläche 32 ist als ringförmige, im Wesentlichen ebener Bereich ausgeführt, der sich in einer Normalebene zur Mittelachse 3a erstreckt. Die Kolbenkrone 31 umfasst einen äußeren Umfang 33 und einen inneren Umfang 34. Die Erstreckung der oberen Oberfläche 32 in radialer Richtung hinsichtlich der Mittelachse 3a wird damit zwischen dem äußeren Umfang 33 und dem inneren Umfang 34 definiert. Der äußere Umfang 33 kann eine innere Wand des Zylinders 2 berühren, wobei zwischen dem äußeren Umfang 33 und der inneren Wand des Zylinders 2 überwiegend ein Schmierölfilm zur Reduzierung der

Reibung ausgebildet ist.

Der Kolben 3 umfasst eine Kolbenmulde 35, die sich ausgehend von der oberen Oberfläche 32 in vom Brennraum 104 abgewandter Richtung innerhalb des Kolbens 3 erstreckt. Mit anderen Worten ist die Kolbenmulde 35 in Bezug auf die obere Oberfläche 32 entlang der Mittelachse 3a eingetieft, die obere

Oberfläche 32 ist um einen Außenumfang der Kolbenmulde 35 ausgebildet. Die Kolbenmulde 35 weist damit eine im Wesentlichen hohle Konfiguration auf und ist im dargestellten Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisch hinsichtlich der Mittelachse 3a ausgeführt. Die Kolbenmulde 35 ist im Kolben 3 und - im

montierten Zustand des Kolbens 3 in einer Brennkraftmaschine 100 - im

Zylinder 2 entlang der Mittelachse 3a des Kolbens 3 und der Zylinderachse 2a

zentriert.

Die Kolbenmulde 35 ist dazu eingerichtet, einen Strom des über die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 zugeführten Kraftstoffs und dem Zylinder 2 zugeführter Luft bzw. Frischluft zur Verbrennung aufzunehmen. In der Kolbenmulde 35 ist eine zentrale Erhöhung 36 ausgeführt, die entlang der Mittelachse 3a zentriert ist und einen zentralen Scheitel 37 und eine Basis 38 aufweist. Der zentrale Scheitel 37 weist eine konvexe sphärische Form auf und kann sich vollständig innerhalb des Kolbens 3 befinden, ragt aber jedenfalls nicht über die obere Oberfläche 32 in den Brennraum 104 hinein. Die Basis 38 ist im Wesentlichen konisch und in Form einer Kegelfläche ausgebildet. Mit anderen Worten ist die Basis 38 rotationssymmetrisch hinsichtlich der Mittelachse 3a. Die zentrale Erhöhung 36 definiert damit einen Kegelwinkel ß, der in einem Bereich zwischen 120° und 160° liegt und je nach Anforderungen der Anwendung variieren kann. Insbesondere ist der Kegelwinkel ßB größer gewählt als der Sprühwinkel a.

Die Erhöhung 36 ist dazu eingerichtet, den Fluss von eingespritztem Kraftstoff innerhalb der Kolbenmulde 35 von der Mittelachse 3a weg zu dem inneren Umfang 34 der Kolbenkrone 31 zu leiten.

An die Basis 38 schließt hinsichtlich der Mittelachse 3a in radialer Richtung außen ein Kolbenmuldenboden 39 an, die mit einer gekrümmten Konfiguration ausgeführt ist. Mit anderen Worten ist der Kolbenmuldenboden 39 zumindest teilweise kreistorusförmig ausgestaltet.

Von der Mittelachse 3a in radialer Richtung nach außen weist die Kolbenmulde 35 also eine Erhöhung 36 mit zentralem Scheitel 37 und einer Basis 38, daran anschließend einen Kolbenmuldenboden 39 und abschließend der Kolbenkrone 31 auf. Insbesondere erstreckt sich der Kolbenmuldenboden 39 von der Basis 38 der Erhöhung 36 zum inneren Umfang 34 der Kolbenkrone 31.

Ein Übergangsabschnitt 40 zwischen Kolbenmuldenboden 39 und Kolbenkrone 31 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel einspringend bzw. eingezogen

ausgeführt. Das bedeutet, dass der Übergangsabschnitt 40 radial nach innen in Richtung der Mittelachse 3a weist. Zwischen einer konzentrisch zur

Mittelachse 3a verlaufenden Zylinderfläche und dem Übergangsabschnitt 40 erstreckt sich also ein Einspringwinkel y, der vorzugsweise zwischen 10° und 15° gewählt ist. Der einspringende Übergangsabschnitt 40 ist insbesondere dazu eingerichtet, den Fluss des Kraftstoffs in Richtung des Brennraums 104 und des Zylinderkopfes 102, insbesondere dessen Feuerdecks, zurück in Richtung der

Mittelachse 3a und zum Teil in die Kolbenmulde 35 zu lenken.

Mit strichlierten Pfeilen ist in Fig. 2 dargestellt, wie der über die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 5 eingebrachte Kraftstoff von der Mittelachse 3a durch die Kolbenmulde 35 radial nach außen bewegt wird und mittels Übergangsabschnitt 40 nach oben in Richtung des Zylinderkopfes 102 und zurück in die Mitte der Kolbenmulde 35 geleitet wird.

In einer in Fig. 3a dargestellten Variante, die den Kolben 3 nahe dem oberen Totpunkt OT zeigt, ist der Übergangsabschnitt 40 gerade ausgeführt, verläuft also im Wesentlichen in der konzentrisch zur Mittelachse 3a verlaufenden

Zylinderfläche bzw. tangential dazu.

In Fig. 3a sind auch beispielhaft Bemaßungen des Kolbens 3 angegeben, wie anhand eines Koordinatensystems zu erkennen ist. Auf der Abszisse ist der Abstand zur Mittelachse 3a des Kolbens 3 in Millimeter aufgetragen, die Ordinate zeigt den Abstand zum Zylinderkopf 102, ebenfalls in Millimeter. Gemäß den Darstellungen in Fig. 3a beträgt der Radius der Kolbenmulde 35, also der Abstand von der Mittelachse 3a des Kolbens 3, etwa 64mm. Der Radius zum äußeren Umfang 33 der Kolbenkrone 31 beträgt etwa 85mm, der Radius zum inneren Umfang 34 beträgt etwa 64mm. Demnach ist die Dicke der

Kolbenkrone 31, also die Erstreckung der oberen Oberfläche 32 in radialer Richtung hinsichtlich der Mittelachse 3a, etwa 21mm. Die Kolbenmulde 35 nimmt 60 Prozent der dem Brennraum 104 zugewandten Oberseite des Kolbens 3 ein. Der Abstand zwischen der oberen Oberfläche 32 und dem tiefsten Punkt des Kolbenmuldenbodens 39 beträgt etwa 20mm.

Fig. 3b zeigt eine Ausführungsform, bei der der Übergangsabschnitt 40 offen ausgeführt ist, also eine in Richtung des Brennraums 104 konisch öffnende Konfiguration aufweist. Mit anderen Worten ist in der Ausführung in Fig. 3b der Übergangsabschnitt 40 als Kegelfläche ausgeführt, die sich in vom Kolbenmuldenboden 39 wegführender Richtung erweitert. Der Öffnungswinkel 5 zwischen einer konzentrisch zur Mittelachse 3a verlaufenden Zylinderfläche und dem Übergangsabschnitt 40 beträgt zwischen 10° und 30°, vorzugsweise 20°.

Hier ist der von der Kolbenmulde 35 mit einem Radius von 68mm eingenommene Anteil der dem Brennraum 104 zugewandten Oberseite des Kolbens 3 entsprechend größer und beträgt 64 Prozent.

Vorzugsweise nimmt also die Kolbenmulde 35 einen Anteil von 60 bis 65 Prozent der dem Brennraum 104 zugewandten Oberseite des Kolbens 3 ein.

Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 ist konzentrisch zum Kolben 3 bzw. zum Zylinder 2 angeordnet. Eine Einspritzvorrichtungsmittelachse 5a fällt damit mit der Mittelachse 3a des Kolbens zusammen. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 ist So ausgelegt, dass der Sprühwinkel a sehr flach, insbesondere größer 130° gewählt wird. Der Sprühwinkel a bezeichnet dabei im Wesentlichen den Winkel, den die Strahlmittellinien 50a der durch die Düsenlöcher der Düse der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 austretenden Kraftstoffstrahlen 50 miteinander einschließen. Die Strahlmittellinien 50a bilden dabei eine Kegelfläche aus und der Sprühwinkel a bezeichnet den Öffnungswinkel dieses Kegels. Mit anderen Worten ist der halbe Sprühwinkel a derjenige Winkel, den die Strahlmittellinie 50a eines Kraftstoffstrahls 50 zur Mittelachse 3a des Kolbens 3 bzw. der

Einspritzvorrichtungsmittelachse 5a einnimmt.

Neben dem Sprühwinkel a im besagten Bereich ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 dazu eingerichtet, Kraftstoffstrahlen 50 mit möglichst kleinem Strahlaufbruchswinkel £ auszubringen. Der Strahlaufbruchswinkel £ wird also möglichst klein gewählt und beträgt weniger als 20°, vorzugsweise 15°, Damit kann eine große Eindringtiefe in die Kolbenmulde 35 erreicht werden.

Dadurch, dass der Kegelwinkel ß größer gewählt ist als der Sprühwinkel a kann ein störungsfreier Verlauf des eingespritzten Kraftstoffs tangential entlang der Erhöhung 36, insbesondere entlang der Basis 38 erreicht und der Kraftstoff innerhalb der Kolbenmulde 35 gehalten werden. Gleichzeitig wird durch den geringen Strahlaufbruchswinkel £ eine große Eindringtiefe erreicht und sichergestellt, dass die Kraftstoffstrahlen 50 vollständig innerhalb der Kolbenmulde 35 auf den Kolben 3 auftreffen. ES kommt also nicht zu einer Benetzung der oberen Oberfläche 32 der Kolbenkrone 31 oder der inneren Oberfläche des Zylinders 2, so dass die Verbrennung gezielt und kontrolliert erfolgen kann.

Darüber hinaus ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 dazu eingerichtet, kürzere Einspritzdauern von weniger als 30° Kurbelwinkel zu realisieren. Die Dauer bzw. der zeitliche Verlauf von Ereignissen wird hier in Kurbelwinkel angegeben, was der jeweiligen Position der Kurbelwelle 103 bei ihrem Umlauf entspricht. Der Kurbelwinkel bewegt sich daher von 0° bis zumindest 360°, wobei bei mehreren Umläufen auch über 360° hinaus weitergezählt werden kann - zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 103 würden also 720° entsprechen. Um ein Verkürzen der Einspritzdauer zu ermöglichen kann neben den beschriebenen geometrischen Adaptionen der Kolbenmulde 35 und der Winkel auch die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 entsprechend angepasst werden, insbesondere durch Erhöhung des Düsenströmungsquerschnitts, indem die Anzahl der Spritzlöcher erhöht und/oder die Spritzlochquerschnitte vergrößert oder der Strömungsquerschnitt in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 stromaufwärts der

Düse erhöht werden.

Fig. 4 zeigt in einem Ausschnitt eines Meridianschnitts des Kolbens 3 eine Ausführungsvariante, bei der in der oberen Oberfläche 32 der Kolbenkrone 31 eine ringförmige Ablenkvertiefung 41 ausgeführt ist. Diese Ablenkvertiefung 41 erstreckt sich über den gesamten Umfang des Kolbens 3 und ist im Wesentlichen mit einem dreieckigen Querschnitt ausgeführt, wobei die Basis des Dreiecks in Richtung des Brennraums 104 orientiert ist. Mit anderen Worten ist die Ablenkvertiefung 41 als ringförmige, um die Mittelachse 3a des Kolbens 3 umlaufende Dreiecksnut ausgeführt. Der hinsichtlich der Mittelachse 3a des

Kolbens 3 radial innenliegende Schenkel des Dreiecks ist mit einer geringeren

Steigung ausgeführt als der radial außenliegende Schenkel des Dreiecks. Der Übergang zwischen den Schenkeln am Grund der Dreiecksnut ist mit einem Umlenkradius ausgeführt, um Kraftspitzen und Defekte zu vermeiden.

Dadurch kann erreicht werden, dass etwaiger bei der Verbrennung entstehender Ruß von der Zylinderwand ferngehalten bzw. von dieser abgelenkt wird. So wird verhindert, dass der Ruß in das auf der Zylinderinnenseite befindliche Öl und weiter in die Ölversorgung der Brennkraftmaschine 100 gelangt, was zu einem

erhöhten Verschleiß und möglicherweise zu Defekten führen kann.

Des Weiteren wird etwaiger unverbrannter Kraftstoff von der Zylinderinnenseite ferngehalten und es kommt zu keiner Verdünnung des Öls, Zu guter Letzt werden dadurch auch Verbrennungsgase von der Zylinderinnenseite ferngehalten und der Wärmeeintrag in der und thermische Belastung der Zylinderinnenseite

wird verhindert.

In den Fign. 5a bis 5d und 6a bis 6d werden Meridianschnitte des Kolbens 3 zusammen mit einem Kraftstoffstrahl 50 einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung bei verschiedenen Kurbelwinkeln gezeigt.

Die Fign. 5a bis 5d zeigen eine Variante, bei der ein Sprühwinkel a von 130° umgesetzt wird. Fig. 5a zeigt dabei den oberen Totpunkt OT, Fig. 5b 10° Kurbelwinkel nach dem OT, Fig. 5c 15° Kurbelwinkel nach dem OT und Fig. 5d 29° Kurbelwinkel nach dem OT. Es ist zu erkennen, dass durch die Ausführung der Kolbenmulde 35, insbesondere die Auswahl des Kegelwinkels ß und Abstimmung mit dem Sprühwinkel a, und die Parameter des Kraftstoffstrahls 50 bis zu einem Kurbelwinkel von 29° nach OT der Kraftstoffstrahl 50 vollständig in der Kolbenmulde 35 auftrifft und kein Kraftstoff auf die Kolbenkrone 31 bzw. die nicht dargestellte Zylinderinnenwand auftrifft. Derartig lassen sich die Verbrennung und insbesondere die Ausbildung und Orientierung der dabei

entstehenden Flammfackeln bestmöglich umsetzen.

In Fign. 6a bis 6d ist ein Sprühwinkel avon 140° umgesetzt. Fig. 6a zeigt einen den oberen Totpunkt OT, Fig. 6b 10° Kurbelwinkel nach OT, Fig. 6c 15° Kurbelwinkel nach OT und Fig. 6d 23° Kurbelwinkel nach OT. Es ist zu erkennen,

dass der größere Sprühwinkel azu einem früheren Austreten des

Kraftstoffstrahls 50 aus der Kolbenmulde 35 führen würde.

Demnach wird bei einem erfindungsgemäßen Brennverfahren bzw. Verfahren zum Betreiben einer oben beschriebenen Brennkraftmaschine 100 mit einem erfindungsgemäßen Verbrennungssystem 1 ein Einspritzvorgang einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 5 über einen Zeitraum von weniger als 30° Kurbelwinkel, vorzugsweise von weniger als 25° Kurbelwinkel, besonders vorzugsweise von 20° durchgeführt. Dabei werden die genannten Parameter vorzugsweise so ausgelegt, dass sich eine Schwerpunktslage der Verbrennung zwischen 10° und 25° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt OT ergibt. Insbesondere ist es dabei günstig, wenn der Einspritzvorgang vor dem oberen Totpunkt OT begonnen wird.

Claims (12)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verbrennungssystem (1), aufweisend:

* Einen Brennraum (104), der von einem Zylinder (2), einem Kolben (3) und einem Zylinderkopf (102) einer Brennkraftmaschine (100) begrenzt wird; und

e* eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (5), die sich in den Brennraum (104) hinein erstreckt und dazu eingerichtet ist, Kraftstoff mit einem Sprühwinkel (a) unmittelbar in den

Brennraum (104) einzuspritzen,

wobei im Kolben (3) auf seiner dem Brennraum (104) zugewandten Seite eine hinsichtlich einer Mittelachse (3a) des Kolbens (3) rotationssymmetrische Kolbenmulde (35) ausgebildet ist, die eine Erhöhung (36) mit einem zentralen Scheitel (37) und eine daran in einer hinsichtlich der Mittelachse (3a) radialen Richtung außen anschließende, im Wesentlichen konische Basis (38) aufweist, wobei die Erhöhung (36) einen Kegelwinkel (ß) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass der

Kegelwinkel (ß) größer gewählt ist als der Sprühwinkel (a).

2. Verbrennungssystem (1) nach Anspruch 1, wobei der Sprühwinkel (a) zwischen 125° und 150° beträgt, vorzugsweise zwischen 130° und 140°.

3. Verbrennungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kegelwinkel (ß) zwischen 140° und 160° beträgt.

4. Verbrennungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung (5) dazu eingerichtet ist, Kraftstoffstrahlen (50) mit einem Strahlaufbruchswinkel (£g) von weniger

als 20°, vorzugsweise von 15°, auszubringen.

5. Verbrennungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei auf einer dem Brennraum (104) zugewandten Seite des Kolbens (3) an der hinsichtlich der Mittelachse (3a) des Kolbens (3) radialen Außenseite des Kolbens (3) zwischen einem inneren Umfang (34) und einem äußeren

Umfang (33) eine Kolbenkrone (31) mit einer oberen Oberfläche (32)

ausgebildet ist und die Erhöhung (36) über einen an die Basis (38) anschließenden Kolbenmuldenboden (39) und einen Übergangsabschnitt (40) mit der Kolbenkrone (31) verbunden ist.

6. Verbrennungssystem (1) nach Anspruch 5, wobei der Übergangsabschnitt (40) hinsichtlich der Mittelachse (3a) des Kolbens (3) einspringend mit einem Einspringwinkel (v) oder hinsichtlich der Mittelachse (3a) des Kolbens (3) gerade oder hinsichtlich der Mittelachse (3a) des Kolbens (3) offen mit einem Öffnungswinkel (5) ausgeführt ist.

7. Verbrennungssystem (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei in der oberen Oberfläche (32) der Kolbenkrone (31) eine ringförmige Ablenkvertiefung (41) ausgeführt ist.

8. Verbrennungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verbrennungssystem (1) dazu eingerichtet ist, mit einer Einspritzdauer der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (5) von weniger als 30° Kurbelwinkel, vorzugsweise von weniger als 25° Kurbelwinkel, besonders vorzugsweise

von 20° Kurbelwinkel betrieben zu werden.

9. Brennkraftmaschine (100) mit zumindest einem Verbrennungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

10. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (100) nach Anspruch 9, wobei ein Einspritzvorgang einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung (5) über einen Zeitraum von weniger als 30° Kurbelwinkel, vorzugsweise von weniger als 25° Kurbelwinkel, besonders vorzugsweise von 20°

durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Einspritzvorgang so durchgeführt wird, dass sich eine Schwerpunktslage der Verbrennung zwischen 10°

und 25° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt (OT) ergibt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Einspritzvorgang vor dem

oberen Totpunkt (OT) begonnen wird.