DE102004031289A1

DE102004031289A1 - Variable Brennkammergeometrie

Info

Publication number: DE102004031289A1
Application number: DE102004031289A
Authority: DE
Inventors: Knut Dr. Habermann
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-01-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) sowie ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem Zylinder (2) und einem darin hin- und herbewegbaren Kolben (3), wobei der Kolben (3) eine von der Einlaßseite (12) bis zur Auslaßseite (11) einer Brennkammer (14) zumindest annähernd durchgängige Rinne (13) mit einer zumindest in einem Abschnitt kanalförmigen Gestalt (17) aufweist, die jeweils seitlich in einer Erhebung (10) ausläuft, die die Rinne (13) begrenzen. Insbesondere wird eine Tumble-Strömung erzielt. Zusätzlich kann das Verdichtungsverhältnis variabel sein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder mit einem Kolben sowie ein Verfahren zum Betrieb der Kolbenbrennkraftmaschine.

Es ist bekannt, daß die Verbrennung maßgeblich mitbeeinflußt wird durch die verwendete Kolbengeometrie. Die Kolbengeometrie bestimmt die Strömungsverhältnisse bei einer Kolbenbrennkraftmaschine, die nach dem 2-Takt- bzw. 4-Taktverfahren arbeitet. So sind unterschiedliche Kolbenformen aus dem Stand der Technik zu entnehmen. Beispielsweise geht aus der DE 199 39 559 A1 eine unterbrochene Mulde hervor, in die Brennstoff eingespritzt wird. Die unterbrochene und dadurch zweigeteilte Mulde soll einen zweifachen Tumble-Wirbel durch Umlenkung in der Mulde erzeugen, über den eine Vermischung erzielt werden soll. Aus der WO 00/08 318 geht eine Kolbengeometrie hervor, mittels der ein Zuführen der Strömung zur Zündkerze mittels Bildung einer Rampe in der Mulde erzielt werden soll. Dazu weist die Mulde auf einer Seite einen flacheren Abschnitt auf, der gegenüberliegend zu einem steiler verlaufenen Abschnitt angeordnet ist. Beide Abschnitte bilden den Übergang von der Mulde zum Kolbenboden. Ein ähnliches System ist beispielsweise auch aus der WO 99/452 49 und aus der DE 198 56 016 A1 bekannt. Eine ähnliche Rampengeometrie geht weiterhin aus der DE 101 06 887 A1 hervor. Weiterhin geht aus der DE 199 622 93 A1 hervor, daß mittels einer Muldengeometrie im Kolbenboden durch einen rampenartigen Anstieg eine gewünschte Wirbelbildung erfolgen soll. Beispielsweise kann dazu der Brennkammer eine dachähnliche Gestalt aufweisen, zu der die Brennkammer begrenzende Fläche des Kolbens entsprechend angepaßt gestaltet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst flexible Grundgestalt einer Kolbenbrennkraftmaschine für verschiedene Verbrennungsverfahren vorsehen zu können, die an die unterschiedlichen Anforderungen anpaßbar ist.

Dieses wird mit einer Kolbenbrennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder und einem darin hin und her bewegbaren Kolben mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie mit einem Verfahren zur Führung einer Strömung mit den Merkmalen des Anspruches 19 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Eine flexible Grundgestaltung einer Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder mit einem darin hin und her bewegbaren Kolben, dessen Kolbenboden mit einer Zylinderdecke eine Brennkammer begrenzt, weist zumindest einen Gaseinlasskanal und zumindest einen Gasauslasskanal auf, die gegenüberliegend in die Brennkammer münden, wobei der Kolben eine sich von einer Einlassseite zu einer Auslassseite der Brennkammer erstreckende Rinne kanalförmiger Gestalt aufweist, die jeweils randseitig in eine Erhebung ausläuft, die die Rinne begrenzen.

Durch die Verwendung einer Rinne sind vielfältige Möglichkeiten der Wirbelgestaltung gegeben. Insbesondere kann durch die Rinne eine bevorzugte Durchströmungsrichtung innerhalb der Brennkammer erzeugt werden. Die kanalförmige Gestalt der Rinne erlaubt beispielsweise ein Durchströmen von der Einlassseite zur Auslassseite hin, ohne dass sich die Strömung wie bei einer Mulde in dieser vollständig seitlich abgeschirmt niederlassen kann. Dieses vermeidet ungewollte Ablagerungen wie auch eine Verschlechterung der Verbrennungsreaktion.

Eine Weiterbildung sieht vor, daß der Kolben eine von annähernd der Einlaßseite bis zur Auslaßseite einer Brennkammer durchgängige Rinne mit einer zumindest in einem Abschnitt kanalförmigen Gestalt aufweist, die jeweils seitlich in einer Erhebung ausläuft, die die Rinne begrenzen. Der Vorteil dieser Weiterbildung besteht darin, dass unmittelbar im Bereich der Auslaß- beziehungsweise der Einlassseite die Strömung schon durch die Rinne geführt werden kann.

Durch diese Kolbengeometrie, die die brennkammerseitige Kolbenfläche bestimmt, wird eine kompakter Brennkammer geschaffen, mittels der kurze Flammwege wie auch geringe Quenchvolumina erreichbar sind. Insbesondere können die kurzen Flammwege sowohl bei niedriger Last und hoher Verdichtung als auch bei hoher Last und niedriger Verdichtung erzielt werden.

Vorteilhafterweise dienen die Erhebungen zur Verdrängung von Restgasnestern im Brennraum. Die Erhebungen sind insbesondere dafür an die Zylindergeometrie wie auch an die Brennraumdachgeometrie angepasst, um in dort vorhandenen Gastaschen Restgase zu verdrängen

Gemäß einer Weiterbildung ist die kanalförmige Gestalt der Rinne im Kolben zylinderähnlich. Beispielsweise weist die Rinne von einer Erhebung zur anderen Erhebung eine Form auf, die im wesentlichen einem Radius folgt. Vorzugsweise bleibt der Rinnenboden vom Einlaß bis zum Auslaß in etwa auf einem Niveau. Insbesondere sind ein einlaßseitig angeordneter Bereich und ein auslaßseitig angeordneter Bereich einander gegenüber angeordnet, ohne daß sie durch eine zusätzliche, im Rinnenboden angeordnete, Vertiefung unterbrochen werden.

Gemäß einer Weiterbildung ist der Rinnenboden im Einlaß- und/oder im Auslassbereich leicht angehoben. Dadurch wird eine Reduzierung des Brennraumvolumens erzielt. Vorzugsweise weist eine tiefste Stelle des Rinnenbodens einen Höhenunterschied zu einem Einlaß- und/oder Auslassbereich des Rinnenbodens von nicht mehr als 3 mm auf, insbesondere von nicht mehr als 2 mm, vorzugsweise von weniger als 1,5 mm und gemäß einer Ausgestaltung von weniger als 1 mm. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung verläuft der Rinnenboden ohne Absenkung und damit insbesondere ohne Höhenunterschied vom Einlaß- zum Auslassbereich.

Es hat sich herausgestellt, daß ein Tumble-Wirbel durch eine derartige Kolbengeometrie bevorzugt erzeugt wird bei entsprechender Anordnung von ein oder mehreren Einlaß- bzw. Auslaßventilen sowie der Kraftstoffzuführung. Auf diese Weise gelingt es, das mittels der Tumble-Bewegung größtmögliche Volumina im Brennkammer bewegt bzw. mitgerissen werden und als verbrennungsfähiges Gemisch einerseits der Zündkerze zu- und andererseits als verbranntes Gemisch auslaßseitig abgeführt werden können.

Gemäß einer Ausgestaltung wird der Tumble-Wirbel über die kanalförmige Gestalt derart erzeugt, daß zumindest in einem Zeitabschnitt der Tumble-Wirbel sich von der Einlaßseite hin zur Auslaßseite bewegt. Bevorzugt weist der Tumble-Wirbel in einem derartigen Zeitabschnitt eine schraubenähnliche Gestalt auf. Dieses kann spiralförmige Strömungsbewegungen mitenthalten.

Vorzugsweise wird die Tumble-Verwirbelung mittels einer Mehrventil-Brennkraftmaschine erzeugt. Durch die Rinnengeometrie und insbesondere im Zusammenspiel mit einer variablen Brennraumgeometrie gelingt es, ein Zerfallen einer Tumblebewegung in Mikrowirbel zu steuern. Vorzugsweise wird eine Verzögerung des Zerfalls in Mikrowirbel bewirkt, insbesondere bis zumindest kurz vor einer Zündung im Brennraum. Diese Verzögerung vermeidet, dass eine ungenügende Ladungsbewegung zum Zeitpunkt der Zündung vorliegt. Die Variabilität der Brennraumgeometrie wird so gesteuert, dass die Ladungsbewegung eine optimierte Verbrennung gestattet.

Insbesondere durch die Ausgestaltung der Brennraumgeometrie mit Abstimmung der Erhebungen auf die Zylinder- und die Brennraumdachgeometrie wird eine vorliegende Tumbleströmung derart unterstützt, dass diese als globale Ladungsbewegung auch bei minimalem Brennraumvolumen, d.h. maximaler Verdichtung, bis in späte Phasen der Verdichtung erhalten wird und somit Gemischbildung und Verbrennung optimal unterstützen kann. Neben einer Tumbleströmung kann auf gleiche Weise auch eine Drallströmung unterstützt werden.

Gemäß einer Ausgestaltung sind die Gaseinlaßventile schräg in einer Brennkammerdecke angeordnet. Gleiches gilt für die Gasauslaßventile. Dadurch gelingt es, daß einerseits ein Tumble-Wirbel in der Rinne erzeugt wird. Andererseits kann dadurch eine Bewegung des Tumbles von der Einlaßseite hin zur Auslaßseite erzeugt werden. Insbesondere lässt sich durch eine derartige Anordnung auch ein angestrebtes Minimieren des Brennraumvolumens erzielen. Vorzugsweise sind die Ein- und die Auslassventile in einem Bereich einer Winkelneigung zwischen 20° und 50° angeordnet, insbesondere nach einem symmetrischen Konzept.

Eine Kraftstoffzuführung erfolgt beispielsweise durch äußere Gemischbildung wie beispielweise bei einem Kanaleinspritzmotor oder auch in Form einer inneren Gemischbildung wie beispielweise bei einem Direkteinspritzmotor. Ein Injektor für die Kraftstoffzuführung wird beispielsweise benachbart zu einem der Gaseinlaßventile bzw. zwischen zwei Gaseinlaßventilen angeordnet. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, daß ein Injektor zwischen zwei Gasauslaßventilen angeordnet ist. Eine dritte Ausgestaltung sieht vor, daß ein Injektor seitlich zu Gaseinlaß- und Gasauslaßventilen angeordnet ist. Vorzugsweise weist der Injektor eine Neigung auf in Bezug zu einer Zylinderachse. Dadurch erhält der zugeführte Kraftstoff einen Drall, der die Tumble-Bewegung ergänzen kann. Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß ein Injektor in der Brennkammerdecke, insbesondere benachbart zu einer Zündkerze, angeordnet ist. Die Kolbenbrennkraftmaschine kann mit und ohne Fremdzündung ausgestaltet sein. Bevorzugt wird der Kolben für Kolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, insbesondere mit zumindest einer Zündkerze, verwendet. Die Ein- und Auslaßventile können als 2-, 3-, 4- oder 5-Ventiler erfolgen.

Bevorzugt ist es, wenn der Rinnenboden sich von der Einlaßseite zur Auslaßseite hin erstreckt. Vorzugsweise ist der Rinnenboden zumindest annähernd in zumindest einem Bereich auf einer Ebene liegend, die durch den Kolbenboden verläuft. Insbesondere ist der Rinnenboden derart, daß er nur ein sanftes Abfallen und/oder Ansteigen aufweist, sich vorzugsweise jedoch annähernd gradlinig von der Einlaßseite zur Auslaßseite erstreckt.

Gemäß einer Weiterbildung ist der Rinnenboden vom Kolbenboden erhöht angeordnet. Dieses stellt insbesondere sicher, daß die Strömung hauptsächlich durch die Geometrie der Rinne beeinflußt wird. Eine Beeinflussung durch den Kolbenboden selbst, der von der Rinne getrennt ist, läßt sich auf diese Weise weitestgehend vermeiden. Als Kolbenboden ist dabei insbesondere diejenige Fläche zu verstehen, die nicht zur Rinne gehört. Das kann beispielsweise eine Ventiltasche wie auch ein Übergang, insbesondere ein stufenförmiger Übergang von einer Kolbenoberfläche in die Rinne sein.

Vorzugsweise sind die Erhebungen derart ausgebildet, daß sie eine zur Einlaßseite bzw. Auslaßseite jeweils seitlich angeordnete Begrenzung der Brennkammer bilden. Die Geometrie der Erhebung ist vorzugsweise so, daß die Bildung von Quenchvolumina vermieden wird. Dadurch läßt sich beispielsweise eine Kolbengeometrie erzielen, bei der der Kolbenboden fast vollständig mit einer Rinne bedeckt ist. Vorzugsweise ist der Rinnenboden im Bereich der Einlaßseite und der Auslaßseite zumindest annähernd auf gleichem Niveau. Auf diese Weise läßt sich eine Vergleichmäßigung des Tumbles insbesondere in seiner Bewegung von der Einlaßseite zur Auslaßseite und eventuell zurück ohne zusätzlich störende Turbulenzbewegungen erzielen. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß die Rinnenoberfläche vollständig ohne Unterbrechung durchgehend ist. Dieses bedeutet insbesondere, daß keine störenden Kantengeometrien in der Rinnenoberfläche vorhanden sind, die eine Querströmung bzw. Richtungsänderung des entlang der Rinnenoberfläche strömenden Fluids bewirken. Vielmehr bewirkt die durchgehend unterbrechungslose Rinnenoberfläche, insbesondere in Verbindung mit einer entsprechenden Brennkammerdeckengeometrie, einen ausgeprägten Tumble-Wirbel.

Um einen Ladungswechsel möglichst ohne störende Turbulenzen und damit Strömungsverlusten ausführen zu können, wird gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, daß der Kolben ein oder mehrere Ventiltaschen aufweist. Die Ventiltaschen sollen einen Freigang zwischen dem Kolben und einem oder mehreren Ventilen gewährleisten. Bevorzugt ist, daß die Anordnung der Ventiltasche nicht zu einer Zerklüftung der Brennkammer führt. Vorzugsweise ist eine Ventiltasche unterhalb des Rinnenbodens angeordnet, beispielsweise in Form von einer stufenförmigen Gestalt, die zum Rinnenboden führt. Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß eine Ventiltasche von der Rinne getrennt ist und eine Stufe zur Rinne bildet. Vorzugsweise wird die Stufe durch eine Abflachung des Kolbenbo dens gebildet. Auf diese Weise läßt sich insbesondere eine Quetschfläche vermeiden, da über eine derartige Gestaltung dort vorhandenes Gas verdrängt, über beispielsweise einen Tumble-Wirbel mitgerissen und umgesetzt werden kann.

Neben der annähernd durchgängigen Rinne mit kanalförmiger Gestalt, insbesondere zylinderähnlicher Gestalt, wird vorzugsweise vorgesehen, daß zumindest eine der beiden Erhebungen, insbesondere beide Erhebungen, in einem Bereich eine Außenseite des Kolbens bilden, die in ihrem Flächenverlauf dem Verlauf einer gegenüberliegenden Zylinderinnenfläche entsprechen, insbesondere nur mit einem Minimalabstand reibungsfrei abschließen. Dadurch gelingt es, daß die Erhebung bei der Bewegung des Kolbens in der Zylinderbohrung keine Gasen insbesondere in seitlichen Bereichen von der eigentlichen Hauptströmung trennt. Die Erhebung in ihrer Geometrie führt vielmehr das an den Zylinderinnenflächen befindliche Gas wieder in Richtung der Rinne.

Bevorzugt ist es, wenn die Erhebung in ihrer Spitze eine Scheitelfläche aufweist, deren Verlauf an eine Brennkammerdecke des Zylinders angepasst ist. Dadurch kann die Brennkammer strömungstechnisch so ausgenutzt werden, dass ein Quenschvolumen verringert wird.

Vorzugsweise weist die Brennkammer eine Brennkammergeometrie auf, die durch eine giebelähnliche Brennkammerdecke gekennzeichnet ist, zu der die Kolbengeometrie passend geformt ist. Vorzugsweise weist eine Erhebung des Kolbens eine Spitze auf, die abgeflacht ist und insbesondere an eine Brennkammerdecke des Zylinders derart angepaßt ist, daß sie in einem oberen Totpunkt des Kolbens, der Kolben-OT-Stellung, mit möglichst minimalen Abstand mit der Brennkammerdecke abschließt. Dadurch wird vermieden, daß sich zwischen der Brennkammerdecke und der Erhebung Flächen bilden, die von der Hauptströmung abgeschnitten werden. Durch eine entsprechende Neigung der Erhebung wird insbesondere ein Überströmen von Gas über die Erhebung zur Hauptströmung erreicht, welches ansonsten zwischen Brennkammerdecke, Erhebung und Zylinderinnenwand von der Hauptbrennkammer annähernd abgeschlossen sein würde. Vorzugsweise ist die Erhebung derart ausgestaltet, daß sie sich zur Vermeidung einer Quenchfläche entlang der Zylinderinnenfläche erstreckt. Weiterhin ist die Kolbengeometrie derart, daß eine Symmetrieachse vorhanden ist. Der Erhebung auf einer Seite des Kolbens ist dadurch eine gleiche Erhebung auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet.

Eine verbesserte Tumble-Bewegung ergibt sich dadurch, daß eine Spitze der Erhebung zur Auslaßseite verschoben ist. Auf diese Weise läßt sich das Verbrennungsgas besonders verlustfrei aus der Brennkammer herausschieben.

Zur Vermeidung unnötiger Turbulenzen und damit von Strömungsverlusten ist vorgesehen, daß zwei aufeinander zulaufende, ansteigende Flächen des Kolbens beim Aufeinandertreffen eine Verbindungsfläche aufweisen, die mit jeder Fläche eine Kante bildet. Vorzugsweise ist die Verbindungsfläche ein wenig gewölbt. Auf diese Weise kann eine Verwirbelung entlang der Flächen vermieden werden. Insbesondere hat sich dieses im Bereich der Erhebungen als vorteilhaft erwiesen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der obere Totpunkt des Kolbens, der Kolben-OT, in Bezug auf die Brennkammerdecke des Zylinders variabel ist. Dieses erlaubt, daß je nach Lastpunkt und gewünschter Verdichtung der Kolben-OT variabel einstellbar ist.

Insbesondere ist beabsichtigt, auf diese Weise eine variable Verdichtung ausführen zu können, die insbesondere mit der oben angesprochenen Kolbengeometrie bevorzugte kurze Flammenwege ermöglicht. Variable Verdichtungsverhältnisse sind auf verschiedene Weise für die Erfindung durchführbar. Beispielsweise kann dazu der Zylinder oder der Zylinderkopf verschoben werden. Auch besteht die Möglichkeit, einen Kolben mit variabler Kompressionshöhe auszuführen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, einen exzentrischen Hubzapfen oder auch ein Pleuel variabler Länge einzusetzen. Auch gibt es die Möglichkeit einer variablen Verdichtung mittels eines zweigeteilten Pleuels und eines weiteren Anlenkpleuels. Ein anderes Prinzip sieht vor, die Kurbelwelle in exzentrischen Lagern zu führen und durch entsprechende Änderung den Hub und damit das Verdichtungsverhältnis zu ändern. Diese Maßnahmen, einzeln wie auch mehrere zusammen, sowie andere geeignete Mittel zur Änderung des Kolben-OT's in Bezug auf die Brennkammerdecke des Zylinders, sind im Sinne dieser Erfindung anwendbar.

Vorzugsweise ist angestrebt, daß ein maximales Verdichtungsverhältnis in OT zwischen 14 und 18 liegt, insbesondere um 16, und ein minimales Verdichtungsverhältnis in OT zwischen 6 und 10 liegt, insbesondere um 8.

Weiterhin ist vorgesehen, daß ein Ventilhub in Abhängigkeit vom Kolben-OT veränderbar ist. Beispielsweise kann eine Nockenwellenverstellung vorgesehen sein, die in Abhängig keit von einer Einstellung des Kolben-OT's angepaßt wird. Dadurch wird insbesondere vermieden, daß ein Ventil auf den Kolben aufschlagen kann, wenn beispielsweise eine Verstellung erfolgt. Vorzugsweise ist vorgesehen, daß der Kolben zumindest eine Ventiltasche aufweist, die von der Rinne getrennt ist und eine Stufe zur Rinne bildet. Beispielsweise kann die Ventiltasche in einem Betriebspunkt der Kolbenbrennkraftmaschine genutzt werden, in einem anderen Betriebspunkt jedoch nicht.

Weiterhin läßt sich der Ventilhub beispielsweise über elektromagnetische, hydraulisch verstellbare oder auch mechanisch verstellbare Ventile in Abhängigkeit vom Kolben-OT anpassen. Auch kann vorgesehen sein, daß die Ventile unterschiedlich lang sind. Dieses ist beispielsweise bei V-Motoren mit einer zentralen Lage der Nockenwelle vorteilhaft.

Die Kanäle der Ventile sind insbesondere so gestaltet, daß eine gewünschte Tumble-Bewegung der Gassäule in der Brennkammer erzeugt wird. Beispielsweise können dafür ein oder mehrere Tumble-Klappen vorgesehen sein, über die die Einströmrichtung von einem oder mehreren Einlaßventilen in die Brennkammer derart beeinflußt wird, daß die gewünschte Tumble-Bildung erfolgt. Weiterhin kann vorgesehen sein, daß eine Füllungssteigerung mittels Aufladung, insbesondere Turboaufladung, mechanischer Aufladung, beispielsweise über einen Comprex-Lader, wie auch Saugrohraufladung möglich ist. Auch können mehrere Maßnahmen zur Füllungssteigerung miteinander kombiniert werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit einer Abgasrückführung, die beispielsweise über die Einlaßventile ermöglicht wird.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein Verfahren zur Führung einer Strömung in einem Zylinder einer Kolbenbrennkraftmaschine zur Verfügung gestellt, wobei die Strömungsführung entlang einer kanalförmigen Gestalt einer Rinne eine Tumble-Bewegung ausführt, die durch eine Veränderung eines oberen Totpunkts des Kolbens, dem Kolben-OT, verändert wird.

Die gezielte Steuerung von Kolben-OT und damit einer variablen Verdichtung in Verbindung mit dem Hervorrufen einer Tumble-Bewegung erlaubt zu unterschiedlichen Betriebspunkten der Kolbenbrennkraftmaschine optimale Verbrennungseigenschaften einstellen zu können. Insbesondere können auf die Veränderung des Kolben-OT's Parameter Einfluß haben, wie beispielsweise eine Laufstabilität der Kolbenbrennkraftmaschine, ein Emissionsverhalten, insbesondere bezüglich einzelner oder mehrerer Emissionsparame ter, ein Wirkungsgrad der Kolbenbrennkraftmaschine sowie weitere, aus dem Betrieb der Kolbenbrennkraftmaschine bzw. eines Fahrzeuges gewonnene Parameter.

Gemäß einer Ausgestaltung wird ein die Strömung beeinflussendes Fluid in der Brennkammer und entlang der Rinne geführt, wobei es zuerst in die Rinne eintritt, bevor es zu einer Zündvorrichtung geführt wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird ein die Strömung beeinflussendes Fluid in den Brennkammer geführt und entlang der Rinne geführt, wobei das Fluid zuerst zu einer Zündvorrichtung geführt wird, bevor es in die Rinne eintritt. Eine Weiterbildung sieht vor, daß eine Hauptströmung in der Brennkammer tumbleförmig von der Einlaßseite bis zur Auslaßseite entlang eines Bereichs der Rinne geführt wird.

Die Kolbenbrennkraftmaschine läßt sich im Homogenbetrieb und/oder Schichtladebetrieb betreiben. Vorzugsweise wird unter hoher Last ein Homogenbetrieb ausgeführt, bei dem der Kraftstoff während des Einströmens der Verbrennungsluft in die Brennkammer eingespritzt wird. Wird die Kolbenbrennkraftmaschine in Teillast oder auch im Leerlauf betrieben, kann auf einen Schichtladebetrieb umgestellt werden, bei dem eine Kraftstoffzuführung, insbesondere eine Einspritzung erst nach Schließen des Gaseinlaßventils erfolgt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Kanaleinspritzung vorhanden ist. Eine weitere Ausgestaltung sieht eine Anordnung einer Turbulenzklappe vor.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß über einen breiten Betriebsbereich der Kolbenbrennkraftmaschine ein Homogenbetrieb bzw. eine Tumble-Bewegung in der Brennkammer ausgeführt wird. Beispielsweise wird vorzugsweise aufgrund eines Einmündens der Gaseinlaßkanäle unter einem flachen Winkel in den Brennkammer ein Tumble-Wirbel während des Ansaughubes erzielt, die zunächst entlang der Zylinderdecke in den Brennkammer einströmt und dann durch die Rinne gegen die Zündeinrichtung, insbesondere die Zündkerze geführt wird. Auch ist ein derartiges Verfahren über einen breiten Betriebsbereich im Schichtladebetrieb durchführbar.

Weiterhin kann eine Tumble-Initierung mittels einer mechanischen Stellvorrichtung im Ansaugtrakt benachbart zum Einlassventil unterstützt werden. Eine Position der Stellvorrichtung wird vorzugsweise über eine Motorsteuerung und damit in Abhängigkeit vom Betriebszustand bzw. einer Lastanforderung eingestellt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein vollvariabler Ventiltrieb zusammen mit einem Zylinderabschaltbetrieb eingesetzt wird. Dabei können in der Startphase des Motors wie auch im Betrieb, beispielsweise im Leerlauf oder im Schubbetrieb, ein oder mehrere Zylinder abgeschaltet sein bzw. abgeschaltet werden. Auch können bei Motoren mit Zylinderbänken, wie beispielsweise bei V-Motoren, eine Bank ab- wie auch zugeschaltet werden. Die in Betrieb befindlichen Zylinder erhalten dabei mittels des voll variablen Ventiltriebs eine Befüllung und Entleerung des jeweiligen Brennraumes in Abhängigkeit unter anderem von entstehenden Abgasanteilen. Als vollvariabler Ventiltrieb sind insbesondere elektromechanische Ventiltriebe wie beispielsweise elektromagnetische Ventiltriebe einsetzbar.

Weiterhin kann die Kolbenbrennkraftmaschine eine kontrollierte Selbstzündung aufweisen, wie sie beispielsweise als CAI-Verfahren (Controllable Auto Injection) bekannt ist. Vorzugsweise wird dieses bei einer nach dem Otto-Verfahren konzipierten Brennkraftmaschine eingesetzt.

Auch kann eine Otto-Brennkraftmaschine eingesetzt werden, bei der eine Kraftstoffeinspritzung zusammen mit einer Ausnutzung eines hohen Restgasgehaltes genutzt wird. Beispielsweise wird mittels einer Abgasrückführung und/oder einer entsprechenden Ventiltriebsteuerung in zumindest einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ein hoher Restgasgehalt im Brennraum erzielt. Durch die hohen Restgasgehalte im Brennraum kann die dabei vorhandene Radikalenbildung zur Selbstzündung genutzt werden. Vorzugsweise wird dieses zumindest im Leerlastbereich, vorzugsweise bis zu einem mittleren Lastbereich der Brennkraftmaschine eingesetzt. Dadurch lässt sich insbesondere bei einer Direkteinspritzung ein niedriger NO_x-Gehalt erreichen.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, eine nach dem Dieselprinzip arbeitende Brennkraftmaschine einzusetzen. Vorzugsweise arbeitet diese Brennkraftmaschine mit dem HCCI-Verfahren zur Einspritzung. Bei nach dem Otto- bzw. nach dem Dieselprinzip arbeitenden Brennkraftmaschinen wird eine hohe Verdichtung bei einer Stabilisierung des Einspritzverfahrens über einen großen Betriebsbereich mittels der variablen VCR-Steuerung bzw. Regelung erreicht. Ein Beispiel einer möglichen VCR-Verstellung geht beispielsweise aus der EP 1 318 286 A2 und aus der DE 10151420 A1 hervor, auf deren diesbezüglicher Inhalt, insbesondere die Art der dort beschriebenen Verstellungen und der Verstellungssteuerungen sowie auch der Abgasrückführung, im Rahmen dieser Offenbarung verwiesen wird.

Weiterhin kann ein variables Verdichtungsverhältnis über einen bewegbaren Zylinderblock, über eine Änderung der Brenndachgeometrie beispielsweise mittels eines zusätzlichen Kolbens, über einen eine exzentrische Lagerung, mittels einer Variabilität der Pleuellänge oder mittels Kombinationen dieser Maßnahmen erzielt werden.

Eine Unterstützung einer angestrebten Betriebsweise der Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoffeinspritzung kann in Form eines gefächerten wie auch in Form eines engeren Kraftstoffeinspritzstrahls erfolgen. Ein Injektor kann dabei mehrere Öffnungen aufweisen, die kontrollierbar die Kraftstoffzuführung erlauben. Die Öffnungen können unterschiedliche Größen aufweisen und entlang des Injektors auf unterschiedlichen Höhen angeordnet sein.

Das Variieren des Verdichtungsverhältnisses erlaubt, gezielt auf die unterschiedlichen Ladungsbewegungen eingehen zu können. Insbesondere besteht die Möglichkeit, eine hohe Verdichtung insbesondere in Teillastbereichen der Kolbenbrennkraftmaschine einstellen zu können, wobei durch die Kolbengeometrie mit einer homogenen Ladung im Zylinder gearbeitet werden kann. Insbesondere aufgrund der Begrenzung des Verdichtungsverhältnisses unter Vollast aufgrund auftretender klopfender Verbrennung besteht dann die Möglichkeit, sofern ein Klopfen festgestellt wird, daß die Verdichtung heruntergesetzt wird, wobei ein Heruntersetzen des Verdichtungsverhältnisses einerseits vom Auftreten von Klopfen abhängig gemacht werden, andererseits in Abhängigkeit gesetzt werden kann zu einem Wirkungsgrad in dem jeweiligen Betriebspunkt. Vorzugsweise erfolgt eine Variierung des Verdichtungsverhältnisses in einem Bereich einer Verdichtung zwischen 8 und 16.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen zeigen die nachfolgende Zeichnung. Die dort dargestellten Ausführungen sind jedoch nicht beschränkend auszulegen. Vielmehr sind die dort dargestellten Merkmale und Weiterbildung untereinander verbindbar, insbesondere auch im Zusammenhang mit oben beschriebenen Merkmalen. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Ausschnittes eines Zylinders einer Kolbenbrennkraftmaschine,
2 eine Aufsicht auf eine Kolbengeometrie des Kolbens aus 1,
3 eine Ansicht des Kolbens aus 1 von schräg oben,
4 eine Ansicht des Kolbens im Zylinder aus 1 um 180° um die Längsachse gedreht,
5 einen Schnitt durch den Kolben aus 2 entlang der Schnittebene V-V,
6 eine Schnittansicht des Kolbens aus 5 entlang der Schnittebene VI-VI,
7 eine Detailansicht in Vergrößerung aus 6,
8 eine schematische Ansicht des Zylinders aus 4, bei dem der Kolben-OT variiert worden ist,
9 eine erste Ausgestaltung einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Vorkammer und Hauptbrennkammer,
10 eine Ausgestaltung einer direkteinspritzenden Kolbenbrennkraftmaschine,
11 eine Ausgestaltung einer Abgasrückführung,
12 eine Ausbildung eines spiralförmigen Tumble-Wirbels durch Überlagerung einer anderen Strömung zu einer sogenannten Swirlströmung entlang der Rinne,
13 eine Ausbildung eines Tumble-Wirbels durch Überlagerung einer anderen Strömung zu einer Swirlströmung entlang der Rinne in schraubenförmiger Art,
14 eine Zusammenstellung von Betriebsparametern bei einem beispielhaftem Otto-Motor mit variabler Verdichtung und
15 ein Diagramm mit einem Betriebsfeld des Otto-Motors.
1 zeigt in schematischer Ansicht einen Ausschnitt einer Kolbenbrennkraftmaschine 1, wobei ein Zylinder 2 der Kolbenbrennkraftmaschine 1 dargestellt ist. Der Zylinder weist einen Kolben 3 auf, der in einer Zylinderbohrung 4 angeordnet ist. Der Kolben weist eine Kolben-Bolzenbohrung 5 auf, die außermittig zur Kolbenmittelachse 6 verläuft. Der Kolben 3 ist in seinem Inneren teilweise hohl. Dieses ist durch den Ausschnitt erkennbar. Der Zylinder 2 weist eine Brennkammerdecke 7 auf, die vorzugsweise in ihrer Geometrie an eine Oberflächengeometrie des Kolbens 3 angepaßt ist. Beispielsweise weist die Brennkammerdecke 7 einen dachförmig ausgebildeten Bereich 8 auf, an den sich ein abgeflachter Bereich 10 anschließt. Auf diese Weise gelingt es, nur äußerst geringe Quetschvolumina vorsehen zu müssen, wenn der Kolben 3 im Kolben-OT steht. Eine ungenügende Verbrennung aufgrund zu langer Verbrennungswege lässt sich dadurch minimieren. Der dachförmig ausgebildete Bereich 8 findet eine Entsprechung am Kolben 3. Der Kolben 3 weist beispielsweise einen ersten Winkel γ und einen zweiten Winkel β auf. Erster Winkel γ und zweiter Winkel β können gleich oder unterschiedlich sein. Durch sie wird insbesondere ein Winkelverhältnis bezüglich der Kolbengeometrie und dort insbesondere bezüglich der Erhebungen des Kolbens 3 definiert. Weiterhin bilden der erste Winkel γ und der zweite Winkel β einen Anhaltspunkt zur Ausgestaltung des dachförmig ausgebildeten Bereichs 8, insbesondere der dort vorhandenen Anordnung der dachähnlichen Schrägen. Weiterhin geht aus 1 hervor, daß eine Erhebung 10 ihren höchsten Punkt außermittig von der Kolbenmittelachse 6 aufweist. Vorzugsweise ist dieser höchste Punkt in Richtung einer nicht näher eingezeichneten Auslaßseite 1 hin verschoben. Einer Einlaßseite 12 hingegen ist der abgeflachte Bereich 9 zugeordnet.
2 zeigt eine Aufsicht auf den Kolben 3 aus 1. Der Kolben 3 weist seitliche Erhebungen 10 auf, die vorzugsweise achsensymmetrisch sind. Zwischen den seitlichen Erhebungen 10 ist eine Rinne 13 angeordnet. Die Rinne 13 bildet im Kolben-OT, so wie in 1 dargestellt, im wesentlichen die Brennkammer 14. Die Rinne 13 ist mit ihrem Rinnenboden 15 oberhalb des Kolbenbodens 16 angeordnet. Der Rinnenboden 15 im Übergang zu den seitlichen Erhebungen 10 bildet eine kanalförmige Gestalt 17 der Rinne 13. Die kanalförmige Gestalt 17 erstreckt sich dabei vorteilhafter Weise von der Einlaßseite 12 hin zur Auslaßseite 11. Die Erhebungen 10 erstrecken sich am Rande des Kolbens ebenfalls von der Einlaßseite 12 hin zur Auslaßseite 11. Die Erhebungen bilden dabei insbesondere eine Außenseite 18 des Kolbens 3, der einer Zylinderinnenfläche 19 zugewandt ist. Da der Zylinder einen dachförmig ausgebildeten Bereich aufweist, weist der Kolben daran angepaßte Spitzen 20 der Erhebungen 10 auf. Die Spitzen 20 sind abgeflacht und ermöglichen dadurch das Überströmen von Gas, welches zwischen der Erhebung 10 und der Zylinderinnenfläche 19 vor Kolben-OT sich angesammelt hat. Vorzugsweise werden Übergänge zwischen Flächen mit einer Verbindungsfläche 21 versehen. Die Verbindungsfläche 21 bildet Kanten 22 zu denjenigen Flächen aus, die über die Ver- bindungsfläche 21 aneinanderstoßen. Die Verbindungsfläche 21 kann eine leichte Wölbung aufweisen wie auch plan sein. Die Kanten können insbesondere leichte Abrundungen aufweisen wie auch zumindest teilweise scharfkantig sein. Insbesondere können auf diese Weise auch Ventiltaschen gebildet werden, die in die Erhebungen integriert sind.
Bei dem in 2 dargestellten Kolben handelt es sich beispielsweise um einen an fünf Ventile angepassten Kolben. Der Kolben kann jedoch auch für eine kleinere oder größere Anzahl Ventile ausgelegt und mit Ventiltaschen bestückt sein. Auf der Einlaßseite 12 weist der dargestellte Kolben eine erste Ventiltasche 23 auf. Die erste Ventiltasche 23 dient als Stufe, wobei diese Stufe abgeschrägt ist. An den Seiten läuft diese Abschrägung in abgerundeter Weise in den Kolbenboden 16 hinein. Die erste Ventiltasche 23 dient einerseits zur Aufnahme eines Ventiltellerabschnittes, andererseits dient die erste Ventiltasche 23 in ihrer Ausführung zur gezielten Zuleitung von Gas über die Stufe hin zur Rinne 13. Dadurch, daß die Rinne 13 mit ihrem Rinnenboden 15 über dem Kolbenboden 16 mittels einer Erhöhung 24 absteht, kann von der ersten Ventiltasche 23 Gas über die Erhöhung 24, die insbesondere im Öffnungsbereich der Rinne 13 eine Schräge aufweist, in die Rinne 13 gelangen. Weiterhin weist der Kolben 3 ein Plateau 25 auf. Das Plateau 25 ist an der Auslaßseite 11 angeordnet. Es wird durch den Kolbenboden 16 und eine entsprechende Formung der Erhebung 24 gebildet. Die Erhebung 24 weist in diesem Bereich eine Einbuchtung auf. Bei einer möglichen Nutzung des Plateaus 25 als Ventiltasche ermöglicht diese Einbuchtung, daß ein Ventilteller sehr nahe zum Kolben 3 gelangen kann. Dadurch, daß die Erhöhung 24 auch im Bereich des Plateaus 25 eine Abschrägung aufweist, gelingt es, Gas von der Brennkammer hin zur Auslaßseite 11 strömen zu lassen. Insbesondere weist die kanalförmige Gestalt 17 zur Einlaßseite 12 hin eine besonders große Öffnung, die sich zur Auslaßseite 11 hin wieder durch die Geometrie der kanalförmigen Gestalt 17 hin verengt. Vorzugsweise ist eine Einlassfläche der kanalförmigen Gestalt 17 größer als eine Auslassfläche der kanalförmigen Gestalt 17. Dieses wirkt sich insbesondere vorteilhaft im Zusammenspiel mit einer entsprechenden Brennkammerdecke aus. Dieses ermöglicht, daß bevorzugte Strömungsrichtungen bei unterschiedlichen Betriebsstellungen der Ventile erzielt werden können und insbesondere im Einlaß- wie auch im Auslaßhub mittels eines Tumble-Wirbels eine Durchströmung der Brennkammer ohne Quetschflächen ermöglicht wird.
Weiterhin ist in 2 die Lage von vier Ventiltellern angedeutet, wie sie beispielsweise bei einem Vier-Ventiler vorliegen könnten. Schraffiert eingezeichnet ist die mögliche Lage von entsprechenden Ventiltaschen, die jeweils in die Erhebungen 10 integriert sind. Die Erhebungen 10 sind vorzugsweise derart dimensioniert, dass jede Flanke der Erhebungen 10 eine weitgehende Abdeckung durch jeweils einen Ventilteller erfährt. Dadurch können die in der Brennkammer enthaltenen Gase, die sich insbesondere im Bereich der Brennkammerdecke und den Erhebungen angesammelt haben, ohne Quetschung verdrängt und aus der Brennkammer herausgeschoben werden.
Die Ventilteller können im übrigen zum Brennraum hin eine flache Tellerform aufweisen und/oder konkav geformt sein.
3 zeigt den Kolben 3 aus 1 in einer Ansicht von schräg oben. Diese Ansicht verdeutlicht, daß die Erhebungen 10 eine Außenseite des Kolbens 18 bilden. Dadurch werden die Quetschflächen vermieden. Weiterhin verdeutlicht diese Ansicht, daß ein Öffnungsbereich auf der Einlaßseite 12 sich zur Auslaßseite 11 dadurch verkleinert, daß im abfallenden Bereich der Erhebung 10 hin zur Auslaßseite 11 die Erhebungen mit ihren Verbindungsflächen 21 nach innen schwingen. Auf diese Weise erhält die kanalförmige Gestalt 17 auch eine trichterähnliche Gestalt, die insbesondere durch die Brennkammerdeckengestaltung verstärkt werden kann.
4 zeigt eine Ansicht des Zylinders 2 aus 1 von der Einlaßseite 12 her betrachtet. Die Brennkammerdecke 7 weist eine Zündvorrichtung 26 auf. Die Zündvorrichtung 26 ist beispielsweise eine Zündkerze, kann jedoch auch eine andersartige Zündvorrichtung sein. Der Kolben 3 des Zylinders 2 befindet sich im Kolben-OT. Die Erhebungen 10 schließen dabei mit ihren Außenseiten 18 mit der Zylinderinnenfläche 19 wie auch mit der Brennkammerdecke 7 ab. Die Erhebung 10 ist insbesondere derart an ihrer Spitze 20 abgeflacht, daß sie damit jeweils der gegenüberliegenden Brennkammerdeckengeometrie folgt. Weiterhin ist aus 4 zu entnehmen, daß die Einlaßseite wie auch die Auslaßseite auf einem Niveau sich befinden. Der Rinnenboden 15 ist zu Beginn der Rinne 13 auf der Einlaßseite 12 auf demselben Niveau, wie am Ende der Rinne 13 auf der Auslaßseite 11. Vorzugsweise sind die Erhebungen 10 symmetrisch aufgebaut, wodurch insbesondere bei gleichförmig angeordneten Ventilen sich eine gleichförmige Durchströmung der Brennkammer 14 ergibt.
5 zeigt den Kolben 3 in einer Schnittansicht entlang der Schnittebene V-V. Der Kolben 3 weist einen Durchgang 27 für einen Kolbenbolzen auf. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, daß unter Zuhilfenahme des Durchganges 27 eine Variabilität des Verdichtungsverhältnisses einstellbar ist. Beispielsweise kann der Durchgang 27 exzentrisch sein. Durch eine Verstellung des Kolbenbolzens kann die Positionierung des Kolbens 3 und damit der Hub verändert werden. Weitere Verstellmöglichkeiten zur Erreichung einer Variabilität des Verdichtungsverhältnisses sind schon weiter oben angegeben worden. Aus 5 ist weiterhin zu entnehmen, daß der Rinnenboden 15 auf einem Niveau verbleibt. Die kanalförmige Gestalt 17 wird vorzugsweise dadurch geschaffen, daß eine Rinnenoberfläche 28 entsprechend eines Kreisradius R geformt ist. Beispielsweise weist der Kreisradius R zwischen 42mm und 52mm auf, insbesondere zwischen 45mm und 48mm, vorzugsweise um 46mm. Der Kreisradius R wird dabei in einem Abstand A von einer Durchgangsmittelachse 29 abgetragen, der vorzugsweise zwischen 70mm und 84mm, insbesondere zwischen 75mm und 80mm, vorzugsweise etwa 77mm beträgt. Der Rinnenboden 15 ist von der Durchgangsmittelachse 29 vorzugsweise um die Größe A beabstandet, wobei die Größe H zwischen 27mm und 34mm beträgt, insbesondere zwischen 30mm und 32mm, vorzugsweise 31 mm.
6 zeigt den Kolben 3 aus 5 in einer Aufsicht entlang der Schnittebene VI-VI. Aus 6 geht hervor, daß der Kolben 3 einstöckig ist. Er kann jedoch auch mehrteilig sein, wobei vorzugsweise die Rinne 13 mit ihren Erhebungen 10 als ein Bauteil auf den Kolbenboden 16 aufsetzbar ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß der Kolben 3 in unterschiedlichen Regionen unterschiedliche Materialien aufweist. Eine Materialauswahl folgt insbesondere unter Berücksichtigung von Verschleiß, Wärmeleitung wie auch Wärmeausdehnung und Temperaturbeständigkeit. Der erste Winkel Y wie auch der zweite Winkel β sind vorzugsweise unterschiedlich. Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist der erste Winkel Y größer als der zweite Winkel β. Beispielsweise weist der erste Winkel Y eine um mindestens ein Grad größere Steigung auf als der Winkel β. Beispielsweise wird der erste Winkel Y aus einem Bereich zwischen 18° und 23° gewählt, während der zweite Winkel β aus einem Bereich zwischen 17° und 22° gewählt wird. Die Spitze 20 der Erhebung ist vorzugsweise abgeflacht, insbesondere gerundet, ausgeführt. Beispielsweise wird dafür ein Rundungsradius ausgewählt, der zwischen 4 mm und 6 mm beträgt. Der Rinnenboden 15 erhebt sich vorzugsweise vom Kolbenboden 16 um einen Betrag B zwischen 0,75 mm bis 2,2 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 1,5 mm, insbesondere etwa 1,3 mm. Die Erhöhung 24 zum Rinnenboden 15 hin weist vorzugsweise einen Radius auf, der zwischen 8 mm und 12 mm, insbesondere 10 mm, beträgt. Die Spitze 20 der Erhebung 10 weist vorzugsweise einen Abstand L vom Kolbenboden 16 auf, der in einem Bereich zwischen 18 mm und 25 mm liegt, vorzugsweise zwischen 21 mm und 22 mm, insbesondere 21,4 mm. Die Kolbenbolzenbohrung 5 weist vorzugsweise einen Abstand K zum Kolbenboden 16 auf, der vorzugsweise zwischen 27 mm und 33 mm beträgt, insbesondere zwi schen 28,5 mm und 31 mm, vorzugsweise 29,85 mm. Eine Kolbenhöhe W von einem Kolbenunterrand 30 bis zum Kolbenboden 16 beträgt vorzugsweise zwischen 50 mm und 58 mm, insbesondere zwischen 53 mm und 56 mm, vorzugsweise 54,3 mm. Die Kolbenbolzenbohrung 5 ist vorzugsweise zur Kolbenmittelachse 6 um eine Länge D verschoben, wobei die Länge D vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,5 mm und 3 mm liegt, insbesondere zwischen 1 mm und 1,8 mm, vorzugsweise 1,2 mm beträgt. Die hier genannten Maße für den Kolben 3 sind exemplarisch angegeben, ohne jedoch beschränkend zu sein. Es könne auch andere Kolbengeometrien mit anderen Abmaßen Verwendung finden.
7 zeigt einen Ausschnitt aus 6. Der Ausschnitt zeigt die erste Ventiltasche 23 in einer Schnittansicht. Die erste Ventiltasche 23 weist eine Schräge auf, die beispielsweise über den Winkel α definiert ist. Der Winkel α beträgt beispielsweise zwischen 12° bis 18°, vorzugsweise 13,5° bis 16°, insbesondere 14,5°. Die erste Ventiltasche weist dabei an ihrem tiefsten Punkt eine Tiefe T zum Kolbenboden 16 auf, die zwischen 1 mm und 2,5 mm beträgt, vorzugsweise zwischen 1,4 mm und 1,8 mm, insbesondere 1,65.
8 zeigt den Zylinder 2 aus 4 in einer zweiten Kolben-OT-Stellung. Der Kolben 3 ist nun in einer Position, die sich aufgrund einer Variabilität des Verdichtungsverhältnisses ergeben kann, wenn der Hub verändert wird. Der Kolben 3 fährt dann nicht bis zur Brennkammerdecke 7. Vielmehr liegt die Kolben-OT-Stellung davor. Beispielsweise wird dieses bei hoher Last und niedrigen Drehzahlen durchgeführt, wenn die Verdichtung herabgesetzt wird, um ein Klopfen in der Brennkammer 14 zu vermeiden. Vorzugsweise wird eine derartige Hubveränderung eingestellt, wenn der Motor in einem Lastbereich zwischen 60% und Vollast betrieben wird, wobei sich die Drehzahlen in etwa in einem Bereich zwischen 1000 und 3000 u/min befinden. Vorzugsweise sind die Erhebungen 10 derart, daß seitliche Quetschflächen zwischen den Erhebungen 10 und der Zylinderinnenfläche 19 auch in dieser Kolben-OT-Stellung minimiert sind.
9 zeigt in schematischer Ansicht eine zweite Kolbenbrennkraftmaschine 31 mit einem Ausschnitt des Zylinders 2. Der Zylinder 2 weist eine Vorkammer 32 auf, in die ein zündfähiges Gasgemisch über die Zuführung 33 eingebracht wird. Weiterhin ist der Vorkammer 32 eine Vorzündung 34 in Form einer Zündkerze angeordnet. In der Brennkammer 14 ist in der Brennkammerdecke 7 mittig die Zündvorrichtung 26 zusätzlich vorhanden. Der Vorkammer 32 gegenüber angeordnet befindet sich ein Auslaßventil 35. Über die Vorkammer 32 wird das zündfähige Gemisch in die Brennkammer 14 weitergeleitet, wobei die Vorkammer 32 derart gestaltet ist, daß das in die Brennkammer 14 eintretende Gemisch eine Tumble-Bewegung von der Einlaßseite 12 hin zur Auslaßseite 11 durchführt. Diese Tumble-Bewegung ist als gestrichelter Pfeil in der Brennkammer 14 dargestellt. In der Vorkammer 32 und/oder in der Zuführung 33 kann eine, die Tumble-Bewegung unterstützende, Stelleinrichtung 36 angeordnet sein. Diese ist vorzugsweise verstellbar. Sie dient vorzugsweise dazu, eine Strömung so zu führen, daß sich eine Tumble-Bewegung ergibt. Im übrigen kann die Vorkammer 32 von der Brennkammer 14 durch ein Einlaßventil verschlossen werden, welches jedoch in dieser Darstellung nicht gezeichnet ist. Vorzugsweise sind das Einlaßventil wie auch das Auslaßventil 35 in ihrer Hublänge variabel. Dieses ist beispielsweise über eine elektromagnetische Ventilstellung wie auch über eine Nockenverstellung erzielbar. Der Kolben 3 ist in 9 mit Abstand zu der Zylinderinnenfläche 19 dargestellt. Dieses ist jedoch eine übertriebene Darstellung. In Realität liegen der Kolben 3 und die Zylinderinnenfläche 19 eng aneinander, wobei die Kolbenringe den Kontakt zur Zylinderinnenfläche aufweisen. Die in die Brennkammer 14 einströmende Tumble-Bewegung kann beispielsweise so ausgeführt sein, daß zuerst der Kolbenboden angeströmt wird, bevor die Zündvorrichtung 26 erreicht wird. Auch können sich ein oder mehrere Tumble-Bewegungen einander überlagern.
10 zeigt einen Ausschnitt einer dritten Kolbenbrennkraftmaschine 37. Die dritte Kolbenbrennkraftmaschine 37 weist eine zentral angeordnete Zündvorrichtung 26. Weiterhin ist eine Direkteinspritzung 38 vorgesehen. Beispielsweise mittels einer Mehrlochdüse, über die ein Brennstoff direkt auf den Kolbenboden und/oder entlang der seitlichen Erhebungen 10 und/oder direkt auf die Zündvorrichtung 26 strömen kann. Vorzugsweise können die einzelnen Strömungsrichtungen zeitlich getaktet, insbesondere unterschiedlich zeitlich getaktet vorliegen. Eine Brennstoffzuführung kann dabei durch eine Tumble-Bewegung in der Brennkammer 14 überlagert werden, so daß der Brennstoff durch die Tumble-Strömung mitgerissen wird. Die Direkteinspritzung 38 kann beispielsweise zentral neben der Zündvorrichtung 26 angeordnet sein oder so wie dargestellt seitlich davon, insbesondere mit einem Neigungswinkel in Bezug zur Kolbenmittelachse 6. Insbesondere kann die Direkteinspritzung 28 zwischen einem Einlaßventil und einem Auslaßventil angeordnet sein. Auch kann die Direkteinspritzung einlassseitig erfolgen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, eine äußere Kanaleinspritzung vorzusehen. Vorzugsweise erfolgt die Richtung der Einspritzung so, dass sich ein luftgeführtes Verfahren ergibt. Beispielsweise wird ein Einspritzwinkel an einem Einlasskanal und an dessen Geometrie ausgerichtet. Gemäß einer Ausgestaltung weist ein Einspritzwinkel eine Ausrichtung auf, die eine Neigung von zwischen 20° bis 25° zu Horizontalen aufweist. Insbesondere für homogene Verfahren kann der Winkel auch steiler angestellt sein. Zur Vermeidung eines Anspritzens eines Auslassventils wird vorzugsweise ein Injektor mit einem Breitwinkel und/oder Knickwinkel vorgesehen.
11 zeigt eine vierte Kolbenbrennkraftmaschine 39 in einem Ausschnitt. Dargestellt sind ein Einlaßventil 40 sowie das Auslaßventil 35. Über das Auslaßventil 35 besteht beispielsweise die Möglichkeit, daß eine Abgasrückführung erfolgt. Beispielsweise ist ein Abgasrückführungskanal 41 im Abgasstrang 42 angeordnet. Über den Abgasrückführungskanal 41 besteht die Möglichkeit, Abgas bei geöffnetem Auslaßventil 35 über die Auslaßventilöffnung 43 und den Ventilteller 44 in die Brennkammer 14 zu führen. Das rückgeführte Abgas 45 vollführt dabei vorzugsweise eine Tumble-Bewegung. Weiterhin kann im Abgasstrang 42 ein Stellglied 46 angeordnet sein, über das die Strömungsrichtung des rückgeführten Abgases 45 und damit die Tumble-Bewegung beeinflußt werden kann. Weiterhin kann das Stellglied 46 auch zu einem Verschließen des Abgasrückführungskanals 41 genutzt werden. Gemäß einer Weiterbildung ist der Abgasrückführungskanal 41 nicht im Abgasstrang 42 angeordnet sondern im Eintrittskanal 47. Dort kann ebenfalls das Stellglied 46 angeordnet sein. Das Einlaßventil 40 weist dann ebenfalls einen Ventilteller 44, der eine Tumble-Bewegung des rückgeführten Abgases 45 unterstützt.
12 und 13 zeigen zwei unterschiedliche Tumble-Bewegungen, die in Hauptbewegungsrichtung von der Einlaßseite 12 hin zur Auslaßseite 11 führen. Die eigentliche Tumble-Bewegung wird dabei von einer anderen Strömung überlagert, so dass sich eine sogenannte Swirl-Strömung bildet. In 12 beginnt die Tumble-Bewegung damit, daß die Strömung zuerst über den Rinnenboden 15 geführt wird, bevor sie in Richtung der nicht dargestellten Brennkammerdecke geführt wird. In 13 erfolgt die Führung umgekehrt. Die Strömung wird zuerst entlang der hier nicht dargestellten Brennkammerdecke geführt, bevor sie entlang des Rinnenbodens 15 strömt. Die Strömung kann dabei schraubenförmig sein, worunter im Sinne dieser Offenbarung auch spiralförmig zu verstehen ist. Die Strömung ist auf diese Weise beispielsweise während eines gewissen Zeittaktes des Hubes des Kolbens 3 ausgestaltet. Auch kann eine Überlagerung verschiedener Strömungen vorliegen. Beispielsweise kann eine Tumble-Bewegung derart ausgeführt sein, daß sie der trichterförmigen Gestalt, bedingt durch die kanalförmige Gestalt 17 des Kolbens sowie der Brennkammerdecke, eine Verengung von den seitlichen Erhebungen 10 hin zum Rinnenboden 15 erfährt. Beispielsweise können seitliche Strömungen hin zur Mitte des Rinnenbodens 15 abgedrängt werden. Vorzugweise übernimmt die Rinne eine Trichterfunktion. Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß in einem Abschnitt des Hubes auch eine gradlinige Strömung von der Einlaßseite 12 hin zur Auslaßseite 11 auftritt. Dieses kann beispielsweise bei geöffnetem Einlaß- und Auslaßventilen auftreten.
14 zeigt eine Zusammenstellung von Betriebs- und Meßparametern, die an einem 4-Takter, 1,8l-Motor mit 4 Zylindern mit Saugrohreinspritzung mit variabler Verdichtung aufgenommen worden sind. Auf der X-Achse ist hierzu das Verdichtungsverhältnis aufgetragen. Das oberste Diagramm A gibt ein Oberflächen-Volumenverhältnis des Brennraumes in OT an. Darunter im Diagramm B folgt die Abgastemperatur gemessen im Krümmer hinter einem Auslaßventil. Der darunter dargestellte spezifische Abgaswärmestrom im Diagramm C ist aus dem Verhältnis von Abgastemperatur zu Abgasmassenstrom bezogen auf eine Normtemperatur von 25° ermittelt. Die zuunterst dargestellte spezifische HC-Emission im Diagramm D ist auf den Hubraum des Motors in Litern bezogen. Wie aus der Zusammenstellung hervorgeht, kann über das Zusammenspiel der Brennraumgeometrie, definiert durch das Brennraumdach und die angepasste Kolbengeometrie, und einer Verstellung des Verdichtungsverhältnisses auf die verschiedenen Parameter Einfluß genommen werden. Insbesondere kann durch entsprechende Steuerung bzw. Regelung erreicht werden, dass beispielsweise die HC-Emissionen minimiert oder maximiert werden.
15 zeigt ein Betriebsfeld zu dem aus der 14 zugehörigen Betriebsparameter und Brennkraftmaschine. Auf der Y-Achse ist der effektive mittlere Zylinderdruck (BMEP = Brake Mean Effective Pressure) und auf der X-Achse die Umdrehungsgeschwindigkeit der Kurbelwelle angegeben. Eingezeichnet ist zum einen ein Punkt konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit (140 km/h), der auf der Widerstandskurve eingezeichnet ist. Zum anderen ist ein nach dem Neuen Europäischen Fahrtzyklus (NEDC = New European Driving Cycle) ausgelegter Betriebsbereich schraffiert dargestellt. Weiterhin sind die unterschiedlichen Verdichtungsverhältnisse von 8 bis 15 als Kurven eingezeichnet. Ein derartiges Betriebsfeld wird beispielsweise genutzt, um daraus ein Kennfeld zu generieren, um ein wirkungsgradoptimales Verdichtungsverhältnis zu erhalten.
16 zeigt eine Kolbenform, deren kanalförmige Gestalt eine wannenförmige Kontur aufweist. 16 ist dabei an 5 angelehnt, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale die gleichen Bezugszeichen aufweisen. Während ein mittlerer Bereich der wannenförmigen Kontur vorzugsweise flach verläuft, insbesondere eben ist, folgt ein Übergang in die Erhebungen vorzugsweise einer abgerundeten Geometrie nach. Diese kann beispielsweise ein Radius sein. Eine Aufteilung eines Querschnitts der kanalförmigen Gestalt zwischen einem Anteil der Übergänge und einem Anteil des mittleren Bereichs beträgt vorzugsweise zwischen 1:2 und 1:4, insbesondere etwa 1:3. Gemäß einer Weiterbildung ändert sich diese Aufteilung über die Länge der kanalförmigen Gestalt. Vorzugsweise ist an einem Eintritt das Verhältnis in einem Bereich, der zwischen 1:1 und 1:2 beträgt. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass an einem Austritt das Verhältnis kleiner ist als an einem Eintritt.
Vorteilhaft wirkt die vorliegende Erfindung insbesondere bei einem Ladungswechsel in OT, wobei ein Ausschieben eines Restgases durch die aufeinander abgestimmten Geometrien von Kolben und Brennraum unterstützt wird. Insbesondere eine Restgasspülung ist mittels der kanalähnlichen Geometrie als Rinne möglich. Weiterhin kann ein derartiger Kolben in vorteilhafter Weise bei einer Ventilüberschneidung von Ein- und Auslassventil einen positiven Ladungswechsel bewirken. Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Ventile derart angeordnet sind, dass sie jeweils einen Ventilwinkel zwischen 20° und 45° mit einer durch die Kolbenachse parallel verlaufende Ebene aufweisen. Dieses unterstützt eine Ladungsbewegung in der Brennkammer.
Eine beispielhafte primäre Lösung der vorliegenden Erfindung ist es, eine Erhaltung einer möglichst kompakten Brennraumform mit insbesondere kurzen Flammenwegen und wenig Quetschvolumen sowohl bei maximalem als auch bei minimalem Verdichtungsverhältnis zu gewährleisten. Eine beispielhafte sekundäre Lösung der vorliegenden Erfindung ist es, eine Unterstützung des Erhalts einer Tumble-Strömung bis zu späten Phasen der Verdichtung zu gewährleisten, um eine fördernde Wirkung bei der Gemischbildung und Verbrennung optimierend ausnutzen zu können.

Claims

Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) mit zumindest einem Zylinder (2) und einem darin hin und her bewegbaren Kolben (3), dessen Kolbenboden mit einer Zylinderdecke eine Brennkammer (14) begrenzt, und mit wenigstens einem Gaseinlasskanal und einem Gasauslaßkanal, die gegenüberliegend in die Brennkammer münden, wobei der Kolben (3) eine sich von einer Einlassseite (12) zu einer Auslassseite (11) der Brennkammer (14) erstreckende Rinne (13) kanalförmiger Gestalt (17) aufweist, die jeweils randseitig in eine Erhebung (10) ausläuft, die die Rinne (13) begrenzen.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmige Gestalt (17) zylinderförmig ist.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmige Gestalt (17) wannenförmig ist.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rinnenboden (15) zumindest annähernd in zumindest einem Bereich auf einer Ebene liegt, die durch den Kolbenboden (16) verläuft.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rinnenboden (15) vom Kolbenboden (16) erhöht ist.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rinnenboden (15) im Bereich der Einlassseite (12) und im Bereich der Auslassseite (11) zumindest annähernd auf gleichem Niveau liegt.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinnenoberfläche (28) vollständig ohne Unterbrechung durchgehend ist.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die randseitige Erhebung (10) in einem Bereich eine Außenseite des Kolbens (3) bildet, die in ihrem Flächenverlauf dem Verlauf einer gegenüberliegenden Zylinderinnenfläche (19) entspricht.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (10) in ihrer Spitze (20) eine Scheitelfläche aufweist, deren Verlauf an eine Brennraumdecke (7) des Zylinders (2) angepasst ist.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze der Erhebung (10) zur Auslassseite (11) verschoben ist.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumdecke (7) dachförmig gestaltet ist, wobei ein Dachgiebel näher zur Auslasseite (11) hin angeordnet ist.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die seitliche Erhebung (10) zumindest in einem Abschnitt einer randseitigen Brennraumkontur entspricht.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Erhebung (10) und der Zylinderinnenfläche (19) und/oder der Brennraumdecke (7) ein Minimalabstand vorhanden ist.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Totpunkt des Kolbens (3), der Kolben-OT, in Bezug auf die Brennraumdecke (7) des Zylinders (2) variabel ist.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximales Verdichtungsverhältnis in OT zwischen 14 und 18 und ein minimales Verdichtungsverhältnis in OT zwischen 6 und 10 liegt.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) zumindest eine Ventiltasche (22) aufweist, die von der Rinne (13) getrennt ist und eine Stufe zur Rinne (13) bildet.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilhub in Abhängigkeit vom variablen Kolben-OT veränderbar ist.
Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Injektor im Bereich eines Auslassventils (35) oder einlassseitig angeordnet ist.
Verfahren zur Führung einer Strömung in einem Zylinder einer Kolbenbrennkraftmaschine (1; 31; 37; 39), wobei die Strömungsführung entlang einer kanalförmigen Gestalt (17) einer Rinne (13) eine Tumble-Bewegung bewirkt, die durch eine Veränderung eines oberen Totpunkts des Kolbens verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Strömung beeinflussendes Fluid in den Brennraum und entlang der Rinne (13) geführt wird, wobei es zuerst in die Rinne (13) eintritt, bevor es zu einer Zündvorrichtung (26) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Strömung beeinflussendes Fluid in den Brennraum und entlang der Rinne (13) geführt wird, wobei es zuerst zu einer Zündvorrichtung (26) geführt wird, bevor es in die Rinne (13) eintritt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hauptströmung in der Brennkammer schraubenförmig von der Einlassseite (12) bis zur Auslassseite (11) entlang eines Bereichs der Rinne (13) geführt wird.