DE102005002389A1

DE102005002389A1 - Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine mit angepasster Mulde

Info

Publication number: DE102005002389A1
Application number: DE102005002389A
Authority: DE
Inventors: Markus Umierski; Bertold Hüchtebrock
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2025-01-20
Also published as: US7681564B2; CN100549381C; WO2006077019A1; DE102005002389B4; US20080276900A1; CN101128657A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine 10 mit zumindest einem Zylinder, mit einem Kolben 1 im Zylinder, der eine Mulde 2 aufweist, und mit einem Zylinderkopf, der zu einer dachförmigen Geometrie des Kolbens 1 eine entgegengesetzte Dachform mit einer ersten und einer zweiten Seite aufweist, die giebelförmig zusammenlaufen. Der Kolben 1 und der Zylinderkopf definieren eine Ober- und eine Unterseite einer Brennkammer, wobei eine Zündeinrichtung vorgesehen ist, die zumindest annähernd mittig in der Dachform angeordnet ist. Zwei Einlassventile 5 sind in der ersten Seite 6 angeordnet und zwei Auslassventile 4 sind in der zweiten Seite 7 angeordnet. Die Mulde 2 erstreckt sich über beide Seiten, wobei die Mulde 2 seitlich annähernd senkrecht abfallende Seiten und einen zumindest annähernd ebenen Boden umfasst und der Kolben mindestens zwei, vorzugsweise vier, Quetschflächen aufweist, die Öffnungsbereiche zwischen den Ventilen voneinander trennen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, mit einem Kolben im Zylinder, der eine Mulde aufweist.

Aus der US 6,129,066 ist es beispielsweise bekannt, bei einer Verbrennungskraftmaschine einen Kolben für eine Vier-Ventil-Anordnung mit einer Mulde zu versehen, die in etwa mittig zu der Anordnung einer Zylinderkerze im Zylinderkopf ist. Weiterhin weist die Mulde im Kolben eine flache Geometrie auf und ist insbesondere kreisrund. Eine derartige Kolbengeometrie soll in der Lage sein, einerseits die Tendenz zum Klopfen zu reduzieren, andererseits einen verbesserten Magerbetrieb bei reduzierter HC-Emission zu ermöglichen. Insbesondere soll ein derartiges System für Selbstzündungs-Verbrennungskraftmaschinen einsetzbar sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine mit einem verbesserten, insbesondere an einen Magerbetrieb angepassten Verbrennungsverlauf auszugestalten.

Diese Aufgabe wird mit einer Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie mit einem Verbrennungsverfahren einer Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 18 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäße Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine, im Folgenden mit Brennkraftmaschine abgekürzt, weist zumindest einen Zylinder auf, wobei im Zylinder ein Kolben angeordnet ist, der eine Mulde aufweist. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine einen Zylinderkopf auf, der zu einer dachförmigen Geometrie des Kolbens eine entgegengesetzte Dachform mit einer ersten und einer zweiten Seite aufweist, die giebelförmig zusammenlaufen, wobei der Kolben und der Zylinderkopf eine Ober- und eine Unterseite einer Brennkammer definieren. Die Brennkraftmaschine hat eine Zündeinrichtung, die zumindest annähernd mittig in der Dachform angeordnet ist. Weiterhin weist der Zylinder vorzugsweise zwei Einlassventile auf, die in der ersten Seite angeordnet sind, sowie vorzugsweise zwei Auslassventile, die in der zweiten Seite angeordnet sind. Die Mulde erstreckt sich über beide Seiten, wobei die Mulde seitlich annähernd senkrecht abfallende Seiten und einen Boden umfasst. Weiterhin weist der Kolbe mindestens zwei, vorzugs weise vier Quetschflächen auf, die durch Ventiltaschen für Ventile zumindest teilweise voneinander getrennt sind.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Ventiltasche zwei Quetschflächen vollständig voneinander trennt. Vorzugsweise weist eine Ventiltasche eine Tiefe von zumindest 5 Millimeter in einer Kolbenoberfläche auf. Diese Tiefe liegt gemäß einer Weiterbildung direkt an einem Rand der Ventiltasche vor. Sie kann entlang der Ventiltasche konstant sein wie auch sich ändern. Beispielsweise kann die Ventiltasche eine Ebene mit abnehmender und/oder ansteigender Fläche umfassen. Auch kann die Ventiltasche in zumindest einem Bereich einen Rand aufweisen und in einem zweiten Bereich keinen Rand. Beispielsweise kann ein Rand in einem sich nach außen zu einem Kolbenmantel erstreckendem Bereich angeordnet sein. Ein fehlender Rand bzw. ein nur geringer Rand ist beispielsweise in einem Bereich vorgesehen, der an die Mulde angrenzt.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Tiefe der Ventiltasche in einem Bereich zwischen 5 Millimeter und 15 Millimeter angeordnet ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Anteil der Quetschflächen an einer Gesamtoberfläche des Kolbens in einer Aufsicht von oben zwischen 20% bis 40% beträgt. Der Anteil kann jedoch auch darunter liegen, beispielsweise bis zu 15 %.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Ventiltasche zumindest in einem Anströmungsbereich scharfkantig ausgebildet ist. Die Kante weist vorzugsweise keine Abrundung auf. Vielmehr kann der Rand zusätzlich noch turbulenzerzeugende Geometrien aufweisen, beispielsweise Scharten, zusätzliche Vorsprünge oder ähnliche, eine Störung in einer Strömung verursachende Formen. Die die Kante bildenden Flächen stoßen vorzugsweise in einem spitzen Winkel zwischen 70° und 90° oder in einem stumpfen Winkel zwischen 90° und 110° aufeinander. Bevorzugt ist ein zumindest annähernd rechter Winkel.

Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest neben einer Ventiltasche eine Einbuchtung im Kolbenboden angeordnet ist, die sich von der Mulde nach außen vorzugsweise bis annähernd zum Kolbenmantel hin erstreckt und zumindest eine Kante aufweist, an der eine Strömung aufbricht. Diese Kante kann so wie die oben beschriebene Kante der Ventiltasche ausgeführt sein. Vorzugsweise ist die Einbuchtung zwischen einer ersten und einer zweiten Ventiltasche angeordnet und geht in eine Quetschfläche über.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zumindest neben einer Quetschfläche eine Einbuchtung im Kolbenboden angeordnet ist, die sich von der Mulde nach außen hin zum Kolbenmantel erstreckt und zumindest eine Kante aufweist, an der eine Strömung aufbricht. Die Einbuchtung ist vorzugsweise kanalförmig zumindest teilweise zwischen einer ersten und einer zweiten Quetschfläche angeordnet und geht vorzugsweise zumindest in eine der Quetschflächen über. Insbesondere kann die Einbuchtung auch zum Kolbenmantel hin ansteigen, zu den Seiten aber jeweils scharfe Kanten aufweisen. Auch kann die Einbuchtung vollständig mit scharfen Kanten versehen sein.

Mit einer wie oben beschriebenen Brennkraftmaschine gelingt es, insbesondere bei Kraftstoffen, die eine ROZ zwischen 95 bis 98 aufweisen, beste Wirkungsgrade von über 38 % zu erzielen. Insbesondere hat die vorgeschlagene Brennkraftmaschine in einer Teillast einen Wirkungsgrad, der weit oberhalb dessen liegt, der bisher mit derartigen Brennkraftmaschinen erzielbar gewesen ist. Dieses ist durch die Geometrie des Brennraumes bewirkt, da dieser eine hohe Brenngeschwindigkeit ermöglicht. Insbesondere ist die Brennkraftmaschine bei sehr magerer Betriebsweise von beispielsweise Lambda = 1,4 bis 1,5 einsetzbar. Ergänzt kann die Brennkraftmaschine eine Aufladung aufweisen. Ein Absenken von HC-Emissionen ist durch besseres Ausbrennverhalten erzielbar.

Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine im Zylinderkopf einen Dachwinkel auf, der zwischen 15 bis 25° liegt. Die Ventile und Kanäle im Zylinderkopf sind derart gestaltet, dass eine Tumble-Bewegung in der Brennkammer erzeugt wird. Insbesondere kann hierzu in den jeweiligen Kanälen eine Schaltvorrichtung vorgesehen sein. Auch können die Kanäle eine Unterteilung hierfür aufweisen. Aufgrund der Geometrie des Kolbens und dessen Ausrichtung hinsichtlich der Ventile und Kanäle wird bei einem Verfahren von UT nach OT eine erzeugte Tumble-Bewegung in eine Turbulenz umgesetzt. Dadurch ergibt sich eine Flammenkernbildung. Ein Schwerpunkt der Flammenkernbildung liegt vorzugsweise mittig in der Mulde in unmittelbarer Nähe zur Zündeinrichtung.

Zur Erzeugung der Turbulenz aus der Tumble-Bewegung sind vorzugsweise die Muldenkanten wie oben teilweise schon ausgeführt speziell geformt. Dabei bilden die Kanten Strömungshindernisse, die ein Aufbrechen der Tumbleströmung bewirken, die zumindest annähernd parallel zur Kurbelwellenachse verläuft. Beispielsweise können die Kanten auch unterbrochen sein oder rampenartige Abschnitte bilden. Der Kolbenboden ist daher gemäß einer Ausgestaltung besonders stark profiliert. Dadurch gelingt ein Aufbrechen der Tumbleströmung beispielsweise bei einem Durchströmen der Tumbleströmung durch die Kolbenmulde. Des Weiteren wird ein Ventilfreigang durch Taschen vorgesehen, die in den Kolben integriert sind. Die Kanten der Taschen sind ebenfalls vorzugsweise so gestaltet, dass sie eine Turbulenzbildung aus einer Tumble-Bewegung zumindest unterstützen. Vorzugsweise weist der Ventilfreigang eine Einsenkung auf, die um zumindest um den Faktor 2 tiefer ist als ein minimal notwendiger Freigang. Vorzugsweise beträgt der Faktor zwischen 2 und 5. Beispielsweise weist eine Ventiltasche eine Einsenkung auf, die mindestens 5 mm beträgt.

Vorzugsweise ist ein Ventilwinkel so gewählt, dass zusammen mit den Einlasskanälen eine Tumble-Strömung bei offenen Einlassventilen induziert wird. Dieses wird durch die Brennraumform unterstützt, bei der die Mulde tief in den dachförmig konstruierten Kolben hineinragt. Die Mulde sollte gemäß einer Ausgestaltung eine Tiefe von mindestens 10% des Zylinderdurchmessers aufweisen, vorzugsweise von mindestens 15%. Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Tiefe mindestens 18% des Zylinderdurchmessers aufweist, vorzugsweise zumindest 20%. So hat die Mulde beispielsweise eine Tiefe von 20 mm bei einem Zylinderdurchmesser von 80 mm. Vorzugsweise ist die Mulde annähernd mittig im Kolben angeordnet. Dadurch gelingt es, dass in einer Aufwärtsbewegung des Kolbens die Mulde eine Turbulenzaufbereitung aus der vorhandenen Tumble-Bewegung unterstützen kann.

Durch eine Mittigkeit der Mulde wird weiterhin gewährleistet, dass der in OT gebildete Brennraum sich um die mittig im Zylinderkopf angeordnete Zündkerze herum konzentriert. Auf diese Weise werden die Flammenwege im Brennraum kurz gehalten. Dieses wird dadurch unterstützt, dass die Kolbenkontur zusammen mit dem Zylinderkopf in OT Quetschflächen bildet. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass durch einen notwendigen Ventilfreigang bei OT mit einer ausgeprägten Ventilüberschneidung die sich ergebende Quetschfläche zumindest in zwei Teilflächen, vorzugsweise jedoch in vier Teilflächen unterteilt wird. Bei einer Unterteilung in zwei Teilflächen werden insbesondere die Einlass- von den Auslassventilen getrennt. Bei einer Unterteilung der Quetschfläche in vier Teilflächen werden die Bereiche aller vier Ventile voneinander getrennt. Vorzugsweise kann eine Größe der Quetschfläche von 5 % bis 40 % bezogen auf eine projizierte Kolbenfläche variieren. Die projizierte Kolbenfläche ist dabei die Kreisfläche einer Zylinderbohrung. Insbesondere kann die Quetschfläche dahingehend ausgelegt werden, dass sie mit einem zu erzielenden Tumble-Niveau korreliert. Hierbei hat sich herausgestellt, dass bei einem Tumble-Niveau von 4 eine Quetschfläche in einem Bereich von 25% bis 35%, insbesondere von 30%, sich als vorteilhaft erwiesen hat.

Das Tumble-Niveau ergibt sich als das Ergebnis einer Berechnung der Tumble-Zahl. Die Tumble-Zahl c_T/c_A ergibt sich als Geschwindigkeit einer Tangentialgeschwindigkeit einer Zylinderladung im Verhätnis zu einer Axialgeschwindigkeit. Diese wird durch eine Quantifizierung einer einlassseitig generierten Tumble-Bewegung in einem stationären Strömungsversuch über eine Drehzahl eines zentral in einem Modellzylinders beaufschlagten Flügelrades ermittelt. Der Versuchsaufbau hierfür wie auch die Berechnungsgrößen für die Tumble-Zahl und damit des Tumble-Niveaus sind bekannt (Thien, G: Entwicklungsarbeiten an Ventilkanälen von Vierfakt-Dieselmotoren, Österreichische Ingenieurzeitschrift 8/65, pp. 291). Im Rahmen dieser Offenbarung wird vollumfänglich bezüglich der Ermittlung der Tumble-Zahl auf dieses Dokument verwiesen.

Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Quetschhöhe in OT niedriger als 1 mm ist, vorzugsweise zwischen 0,5 mm bis 0,7 mm beträgt. Ein Freischnitt für die vorhandenen Ventile beträgt dabei mindestens 5 mm. Auf diese Weise gelingt es, dass einer Flamme auch in OT ein Einbrennen ermöglicht wird. Insbesondere ist der Freischnitt derart ausgelegt, dass gemäß einer Ausgestaltung zu allen Betriebszeitpunkten die Flamme in den gebildeten Spalt eindringen kann, das dortige Gas verbrennt und dadurch Selbstzündvorgänge vermieden werden.

Gemäß einer Weiterbildung wird zur Unterstützung vorgesehen, dass ein Übergang zu einer Quetschfläche annähernd winklig, möglichst ohne eine Abrundung der aufeinandertreffenden Ebenen erfolgt. Auf diese Weise gelingt es, einen sogenannten Squish- und einen Reverse-Squish-Effekt nutzen zu können. Wenn der Kolben gegen OT sehr nahe an den Zylinderkopf verfährt, wird das Gas in der Brennkammer in die Mulde im Kolbenboden verdrängt. Dadurch entstehen hohe Gasgeschwindigkeiten und entsprechende Mischungseffekte in der Mulde. Beim Reverse-Squish wird ausgenutzt, dass bei der Bewegungsumkehr des Kolbens und damit einhergehender Abwärtsbewegung von OT nach UT das Gas in den Spalt hineingesaugt wird. Durch diesen Sog wird insbesondere ein schnelles Erreichen der Quetschzone durch eine Flamme erzielt. Durch diese Art der Geometrie und insbesondere der Ausgestaltung der Quetschfläche gelingt es, dass der dortige Flammenweg kurz gehalten werden kann.

Bevorzugt ist zum einen vorgesehen, wenn zwischen 23° und 10° vor OT eine Ausströmung aus dem Spalt zwischen der Quetschfläche und dem Kolbendach ihre Maximalgeschwindigkeit erreicht. Zum anderen ist bevorzugt vorgesehen, wenn zwischen 10° und 23° nach OT eine Einströmung in den Spalt zwischen der Quetschfläche und dem Kolbendach ihre Maximalgeschwindigkeit erreicht.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine durch ein Auslassventil verlaufende Achse außerhalb der Mulde auf den Kolben auftrifft, während eine durch ein Einlassventil verlaufende Achse zumindest auf einen Rand der Mulde auftrifft. Dieses wird in OT festgestellt. Weiterhin wird eine Tumble-Erzeugung und damit eine spätere vorteilhafte Verbrennung dadurch unterstützt, dass zumindest den Einlassventilen Einlasskanäle zugeordnet sind, die parallel zueinander verlaufend in die Brennkammer münden. Auch können zumindest den Auslassventile Auslasskanäle zugeordnet sind, die ebenfalls parallel zueinander verlaufend in die Brennkammer münden. Dieses ermöglicht die Erzeugung einer Tumble-Bewegung, die in vereinfachter Weise in allgemeine Turbulenz aufgebrochen werden kann.

Für ein zügiges Umsetzen des Brennstoffes in der Brennkammer ist beispielsweise vorgesehen, dass eine Brennstoffeinström-Einrichtung in der Dachform in einer Giebelnähe auslassventilseitig angeordnet ist, durch die eine Achse einer Brennstoffeinströmung derart geneigt verläuft, dass die Achse einer Zündeinrichtungsachse im Bereich der Dachform im Zylinderkopf gekreuzt wird. Dadurch wird ein Schwerpunkt der Verbrennung nahe zur Zündeinrichtung und insbesondere sehr kompakt im Bereich der Mulde ermöglicht. Dieses wird insbesondere dadurch unterstützt, dass die Achse der Brennstoffeinströmung in Richtung der Einlassventile geneigt ist. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, einen Durchstoßpunkt einer Brennstoffeinströmung, insbesondere einer Brennstoffdüse, in den Brennraum anders anzuordnen, beispielsweise näher zum Einlassventil oder zum Auslassventil hin. Die Brennstoffeinström-Richtung kann im übrigen mit einer Achse einer Brennstoffdüse zusammenfallen. Sie kann jedoch auch davon abweichen. Auch Mischformen mit verschiedenen Richtungsanteilen bei einer Einspritzung des Brennstoffes sind möglich. Der zugeführte, insbesondere eingespritzte flüssige bzw. eingeströmte gasförmige Brennstoff kann auch in getakteter Weise zugeführt werden, wobei eine Steuerung und/oder Regelung der Brennstoffzufuhr beispielweise eine sich im Brennraum ergebende, lastabhängige Verwirbelung berücksichtigt.

Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine Bestandteil eines Gas-Motors ist. Der Gas-Motor kann beispielsweise auch im Magerbetrieb gefahren werden, wobei hierbei ein Spitzendruck von etwa p_max = 150 bar in der Volllast erreichbar ist. Der Spitzendruck kann jedoch auch niedriger liegen. Vorzugsweise wird hierbei eine Unterstützung über einen Lader, beispielsweise einen mechanischen Lader oder einen Abgasturbolader, bewirkt. Insbesondere ist im Zusammenspiel zwischen dem Kolben, dem Zylinderkopf und dem so gebildeten Verbrennungsraum ein hohes Verdichtungsverhältnis vorzugsweise zwischen 11 und 16 möglich. Bei einem Gas-Motor, insbesondere bei einem mit Erdgas angetriebenem Gas-Motor liegt ein bevorzugter Wert bei etwa 14. Bei Benzinbetrieb beträgt das bevorzugte Verdichtungsverhältnis etwa 13. Neben Erdgas können auch andere, als gasförmiges Fluid in die Brennkammer einbringbare Brennstoffe eingesetzt werden.

Die vorgeschlagene Brennkraftmaschine ist neben der Ausgestaltung als Direkteinspritzer auch mit einer Brennstoffbringung im Saugrohr kombinierbar.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein Verbrennungsverfahren einer Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine wie oben vorgeschlagen nach einem Vier-Takt-Prinzip zur Lösung der Aufgabe herangezogen, wobei eine Tumble-Bewegung einer Strömung in einem Brennraum während eines Verdichtungstaktes unter Nutzung von durch eine Mulde in einem Kolbenboden gebildete Kanten zumindest teilweise in Turbulenz aufgebrochen wird. Eine derartig erzielte turbulente Strömung wird in einen sich verengenden Spalt zwischen dem Kolbendach und Quetschflächen im Kolbenboden geführt, wo sie vor Erreichen des OT wieder herausgeführt wird. Eingeströmter Brennstoff strömt in den Spalt mit ein und zurück und wird dadurch bei einer anschließenden Verbrenunng mitumfaßt, bei der in OT ein Verdichtungsverhältnis zwischen 11 und 16 im Brennraum eingestellt wird.

Quetschflächen am Kolben unterteilen vorzugsweise den Brennraum, wobei sich eine Konzentration der Verbrennung unterhalb um die annähernd mittig angeordnete Zündeinrichtung vollzieht.

Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass Kanten der Mulde in einem Ansaugtakt durch einströmende Luft bzw. Gemisch gekühlt werden. Insbesondere durch eine Auflösung einer gerichteten Strömung in Form beispielsweise eines Wirbels kann eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden. Dieses erlaubt einen verbesserten Wärmeaustausch beispielsweise zwischen den Kanten und einströmendem kalten Frischgas. Weiterhin wird gemäß einer Ausgestaltung vorgesehen, dass in der Teillast eine Schichtladung im Brennraum eingestellt wird. Auf diese Weise kann ein verbessertes Verbrennungsverfahren insbesondere im Zusammenspiel mit der Muldengeometrie ermöglicht werden. Eine weitere Unterstützung wird durch das Hinzuführen von aufgeladener Luft in die Brennkammer erzielt. Insbesondere ein Magerbetrieb lässt sich auf diese Weise vorteilhaft durchführen.

Des weiteren kann eine Zündverstellung vorgesehen sein. Beispielsweise wird ein Zündzeitpunkt in Vollast nach „spät" verlegt, das heißt in einem Bereich zwischen 15° bis zu 20° KW. Auf diese Weise lässt sich bei entsprechender Gemischbildung eine kurze Verbrennung mit geringer NOx-Emission erzielen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Die in den jeweiligen Ausgestaltungen dargestellten und beschriebenen Merkmale sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Vielmehr können diese mit anderen Ausgestaltungen, insbesondere mit den oben beschriebenen Merkmalen zu Weiterbildungen kombiniert werden. Es zeigen:
1 In schematischer Aufsicht einen Kolben mit vorgelagerten Ventilkanälen,
2 eine Aufsicht auf einen schematischen Kolben gemäß 1,
3 eine schematische Ansicht einer Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine, dessen zumindest einer Zylinder mit Kolben in einer Aufwärtsbewegung von UT nach OT dargestellt ist,
4 den weiter aufwärts bewegten Kolben aus 3,
5 den in OT angekommenen Kolben aus 3,
6 eine schematische Ansicht einer Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine nebst zugehöriger Aggregate,
7 eine schematische Ansicht eines ersten Spaltes,
8 eine schematische Ansicht eines zweiten Spaltes,
9 eine schematische Ansicht eines dritten Spaltes,
10 eine schematische Ansicht von oben auf einen Kolbenboden mit einer ersten (Einbuchtung und
11 eine schematische Ansicht von oben auf einen weiteren Kolbenboden mit mehreren verschiedenen Einbuchtungen.
1 zeigt eine schematische Ansicht von oben auf einen Kolben 1, der mittig eine Mulde 2 angeordnet aufweist. Der Kolben 1 hat eine dachförmige Geometrie mit einer Giebelkante 3. Diese verläuft etwa mittig entlang des Kolbens 1 und trennt dadurch Auslassventile 4 von Einlassventilen 5. Die Einlassventile 4 sind dabei auf einer ersten Seite 6 und die Auslassventile auf einer zweiten Seite 7 einer hier nicht dargestellten Dachform eines Zylinderkopfes einer Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine angeordnet. Die Einlassventile 5 und Auslassventile 4 weisen jeweils Kanäle 8 auf, die parallel jeweils zueinander verlaufen. Insbesondere können die Kanäle der Einlassventile 5 parallel auch zu den Kanälen 8 der Auslassventile 4 verlaufen. Weiterhin sind zwischen den Ventilen Quetschflächen 15 schematisch angedeutet.
2 zeigt den Kolben 1 nochmals in schematischer Aufsicht. Die Mulde 2 weist für die Ventile Freischnitte 9 auf. Die Freischnitte 9 für die Einlassventile können dabei die gleiche Tiefe aufweisen wie die Freischnitte für die Auslassventile. Diese können jedoch auch unterschiedlich sein. Beispielsweise können die Freischnitte für die Auslassventile weniger tief sein als die Freischnitte für die Einlassventile. Dieses kann auch umgekehrt der Fall sein. Die Dimensionierung der Freischnitte 9 kann insbesondere davon abhängen, wie stark beispielsweise eine Ventilüberschneidung und damit eine Öffnung von Ventilen insbesondere in OT angestrebt wird. Die Freischnitte 9 können insbesondere scharfkantig in die Kolbengeometrie eingelassen sein. Auf diese Weise sind sie in der Lage, bei Auftreffen einer Tumble-Strömung diese in eine allgemeine, mit Turbulenz behaftete ungerichtete Strömung zerstreuen zu können. Beispielsweise weist ein Freischnitt eine Ventiltasche 9.1 auf, an die sich eine Ausmuldung 9.2 anschließt. Die Ausmuldung 9.2 erstreckt sich nach außen zum Kolbenmantel hin und wird seitlich von Quetschflächen umgeben. Die Ausmuldung 9.2 ist dabei scharfkantig in den Kolbenboden eingelassen. An diesen Kanten bricht der Tumble-Wirbel auf und erhöht dadurch einen Turbulenzgrad.
3 bis 5 zeigen einen Fortgang einer Tumbleerzeugung. Die Tumbleerzeugung wird beispielsweise mittels der Kanal- und Ventilgeometrie generiert. Zwischen einem Kanal und einem Ventil ist ein Winkel α definiert, der derart ausgelegt ist, dass das einströmende Gas tangential in den Brennraum einströmt, an einer gegenüberliegenden Brennraumwand abgelenkt wird und dadurch die Tumblebewegung entsteht. Mit fortschreitender Bewegung des Kolbens in Richtung OT wird ein globaler Tumble-Wirbel aufgrund einer Kantenwirkung in viele kleinere Einzelströmungen zerlegt. Dadurch löst sich der Tumble-Wirbel weitestgehend vor Erreichen des OT auf und der Turbulenzgrad im Brennraum ist angestiegen.
6 zeigt in schematischer Ansicht eine Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine 10. Beispielsweise wird über einen Tank 11 flüssiges oder gasförmiges Verbrennungsfluid zur Brennkraftmaschine 10 zugeführt. Beispielsweise kann in den nicht näher dargestellten Zylinder auch direkt Gas einströmen. Zusätzlich wird über einen Lader 12 Luft unter erhöhtem Druck der Brennkraftmaschine 10 zugeführt. Der Lader 12 kann beispielsweise mit einer Abgasturbine 13 gekoppelt sein, dem wiederum eine Abgasnachbehandlungsstation 14 nachfolgt. Die Abgasnachbehandlungsstation 14 kann beispielsweise ein Katalysator und/oder ein Partikelfilter sein.
7 zeigt in schematischer Ansicht eine mögliche Wirkung von spitz zulaufenden Flächen von beispielsweise Einbuchtungen oder Ventiltaschen im Kolbenboden, die eine Kante bilden, an der der Tumble gebrochen wird. Der Tumble ist durch die auf die Kanten auftreffenden Pfeile angedeutet. Die entstandene Turbulenz wird durch die von der Kante wegströmenden Pfeile angedeutet.
8 zeigt in schematischer Ansicht eine sogenannte „Squish"-Strömung: vor Erreichen von OT strömt das zwischen Kolbendach und Quetschfläche befindliche Fluid heraus in Richtung einer Mulde.
In 9 ist ein Zustand nach OT in schematischer Ansicht dargestellt. Hierbei strömt das Fluid als „Reverse-Squish" wieder in den Spalt zurück. In 9 ist ebenfalls dargestellt, dass die Kante auch durch spitz zulaufende Flächen gebildet werden kann.
In 10 ist beispielhaft eine weitere Möglichkeit angegeben, wie eine Einbuchtung neben einer Quetschfläche im Kolbenboden angeordnet vorliegen kann. Die Einbuchtung weist zumindest in einem Bereich eine Kantengeometrie, wie sie oben beschrieben ist. Die Quetschfläche ist schraffiert angedeutet. Die Einbuchtung verläuft von der Mulde bis zum Kolbenmantel hindurch. Dadurch ist über diese gesamte kanalförmige Länge der Einbuchtung für die Strömung aus dem Spalt die Möglichkeit gegeben, ein- bzw. ausströmen zu können. Zusätzlich wird durch die Kantenbildung ein Aufbrechen möglicher Wirbel erzeugt.
In 11 ist eine weitere mögliche Ausgestaltung schematisch dargestellt. Hierbei ragt eine Einbuchtung von der Mulde nach außen, ohne aber bis zum Kolbenmantel zu rei chen. Vielmehr wird die Einbuchtung durch eine Quetschfläche vom Kolbenmantel getrennt. Die Einbuchtung wiederum trennt zwei Ventiltaschen teilweise voneinander.

Claims

Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) mit zumindest einem Zylinder, mit einem Kolben (1) im Zylinder, der eine Mulde (2) aufweist, und mit einem Zylinderkopf, der zu einer dachförmigen Geometrie des Kolbens (1) eine entgegengesetzte Dachform mit einer ersten und einer zweiten Seite aufweist, die giebelförmig zusammenlaufen, wobei der Kolben (1) und der Zylinderkopf eine Ober- und eine Unterseite einer Brennkammer definieren, mit einer Zündeinrichtung, die zumindest annähernd mittig in der Dachform angeordnet ist, und mit vorzugsweise zwei Einlassventilen (5), die in der ersten Seite (6) angeordnet sind, und mit vorzugsweise zwei Auslassventilen (4), die in der zweiten Seite (7) angeordnet sind, wobei sich die Mulde (2) über beide Seiten erstreckt, wobei die Mulde (2) seitlich annähernd senkrecht abfallende Seiten und einen Boden umfasst, und der Kolben mindestens zwei, vorzugsweise vier Quetschflächen aufweist, die durch Ventiltaschen für Ventile zumindest teilweise voneinander getrennt sind.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Ventiltasche zwei Quetschflächen vollständig trennt.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventiltasche eine Tiefe von mindestens 5 Millimeter aufweist.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil der Quetschflächen an einer Gesamtoberfläche des Kolbens bei Aufsicht auf den Kolben zwischen 20% bis 40% beträgt.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventiltasche zumindest in einem Anströmungsbereich scharfkantig ausgebildet ist.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest neben einer Ventiltasche eine Einbuchtung im Kolbenboden angeordnet ist, die sich von der Mulde nach außen hin erstreckt und zumindest eine Kante aufweist, an der eine Strömung aufbricht.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtung zwischen einer ersten und einer zweiten Ventiltasche angeordnet ist und in eine Quetschfläche übergeht.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest neben einer Quetschfläche eine Einbuchtung im Kolbenboden angeordnet ist, die sich von der Mulde nach außen hin erstreckt und zumindest eine Kante aufweist, an der eine Strömung aufbricht.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtung kanalfömig zwischen einer ersten und einer zweiten Quetschfläche angeordnet ist und zumindest in eine der Quetschflächen übergeht.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (2) annähernd mittig im Kolben (1) angeordnet ist.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest den Einlassventilen (5) Einlasskanäle (8) zugeordnet sind, die parallel zueinander verlaufend in die Brennkammer münden.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest den Auslassventilen (4) Auslasskanäle (8) zugeordnet sind, die parallel zueinander verlaufend in die Brennkammer münden.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoffeinströmeinrichtung in der Dachform in einer Giebelnähe auslassventilseitig angeordnet ist, durch die eine Achse einer Brennstoffeinströmung derart geneigt verläuft, dass die Achse eine Zündeinrichtungsachse im Bereich der Dachform im Zylinderkopf kreuzt.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse der Brennstoffeinströmung in Richtung der Einlassventile (5) geneigt ist.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quetschflächen voneinander getrennt sind.
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Gasmotor ist.
Verwendung einer Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, als Magermotor in einem Fahrzeug ohne NOx-Katalysatnr.
Verbrennungsverfahren einer Kolben-Brennkraftmaschine (10) mit den Merkmalen des Anspruches 1 nach einem 4-Takt-Prinzip, wobei eine globale Tumble-Bewegung einer Strömung in einem Brennraum während eines Verdichtungstaktes unter Nutzung von zumindest durch eine Mulde (2) in einem Kolbenboden gebildete Kanten zumindest teilweise in Turbulenz aufgebrochen wird, wobei eine derartig erzielte turbulente Strömung in einen sich verengenden Spalt zwischen einem Kolbendach und Quetschflächen im Kolbenboden strömt und vor Erreichen einer OT-Stellung des Kolbens wieder zurückströmt, wobei eingeströmter Brennstoff in den Spalt mitein- und zurückströmt und bei einer anschließenden Verbrennung mitumfasst wird, bei der in OT ein Verdichtungsverhältnis zwischen 11 und 16 im Brennraum eingestellt wird.
Verbrennungsverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Konzentration der Verbrennung unterhalb um die annähernd mittig angeordnete Zündeinrichtung vollzieht.
Verbrennungsverfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 23° und 10° vor OT eine Ausströmung aus dem Spalt zwischen der Quetschfläche und dem Brennraumdach ihre Maximalgeschwindigkeit erreicht.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 10° und 23° nach OT eine Einströmung in den Spalt zwischen der Quetschfläche und dem Brennraumdach ihre Maximalgeschwindigkeit erreicht.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass Kanten der Mulde in einem Ansaugtakt durch einströmende Luft gekühlt werden.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Teillast eine Schichtladung im Brennraum eingestellt wird.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass aufgeladene Luft in den Brennraum zugeführt wird.