DE102009018485A1

DE102009018485A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102009018485A1
Application number: DE102009018485A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. Zöller
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2010-10-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem in einem durch einen Zylinderkopf (12) verschlossenen Zylinder geführten Kolben (10), welcher eine Kolbenmulde (26) und zumindest eine Kolbenringnut (14, 18) aufweist, und mit zumindest einem zu dem jeweiligen Zylinder korrespondierenden und in den Zylinder einspritzenden Kraftstoffeinspritzventil, wobei eine in Einbaulage des Kolbens (10) am nächsten zum Zylinderkopf orientierte Kante der Kolbenringnut (14, 18) wenigstens 15 Millimeter von einer in Einbaulage am nächsten zum Zylinderkopf (12) orientierten Kante (16) des Kolbens (10) beabstandet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Derartige Verbrennungskraftmaschinen sind bereits bekannt. Solche Verbrennungskraftmaschinen mit zumindest einem in einem Zylinder geführten Kolben weisen häufig den Nachteil auf, dass ein Kolbenring des Kolbens eine enorm große Fläche einer Zylinderwand des Zylinders, welche mit einem Kraftstoff der Verbrennungskraftmaschine infolge eines Einspritzvorgangs benetzt ist, überstreicht, wodurch es zu einem erhöhten Kraftstoffeintrag in ein Schmieröl der Verbrennungskraftmaschine kommt. Dies führt zu einer Verdünnung des Schmieröls, wodurch Schmiereigenschaften des Schmieröls stark negativ beeinflusst werden. Dies kann zu starken Beschädigungen bis hin zu einer Totalzerstörung der Verbrennungskraftmaschine und damit zu einer äußerst kostenintensiven Reparatur bzw. einem äußerst kostenintensiven Austausch der Verbrennungskraftmaschine führen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein reduzierter Kraftstoffeintrag in ein Schmieröl der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst.
Eine solche Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem in einem durch einen Zylinderkopf verschlossenen Zylinder geführten Kolben, welcher eine Kolbenmulde und zumindest eine Kolbenringnut aufweist, und mit zumindest einem zu dem jeweiligen Zylinder korrespondierenden und in den Zylinder einspritzenden Kraftstoffeinspritzventil, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass eine in Einbaulage des Kolbens am nächsten zum Zylinderkopf orientierte Kante der Kolbenringnut wenigstens 15 Millimeter von einer in Einbaulage am nächsten zum Zylinderkopf orientierten Kante des Kolbens beabstandet ist. Daraus resultiert eine deutliche Herabsetzung einer Zylinderwandfläche des Zylinders, welche von einem in der Kolbenringnut zumindest bereichsweise aufgenommenen Kolbenring des Kolbens überstrichen wird während einer Bewegung des Kolbens im Zylinder zur Durchführung eines Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine.
Dies hat wiederum zur Folge, dass dadurch ein geringerer Kraftstoffeintrag in ein Schmieröl der Verbrennungskraftmaschine realisiert ist, da eine geringere oder gar keine Menge an Kraftstoff, durch welchen die erwähnte Zylinderwand beispielsweise infolge einer Nacheinspritzung benetzt ist, von der Zylinderwand mittels des Kolbenrings abgestriffen und in das Schmieröl eingetragen wird. Dadurch ist also eine Schmierölverdünnung deutlich reduziert, wodurch Schmiereigenschaften des Schmieröls erhalten bleiben zur effizienten Schmierung der Verbrennungskraftmaschine und damit zur Vermeidung einer Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung oder gar einer Zerstörung derselbigen. Kostenintensive Reparaturen der Verbrennungskraftmaschine sind dadurch ebenso vermieden.
Dieser Vorteil tritt insbesondere dann zutage, wenn bei der Verbrennungskraftmaschine beispielsweise ein Oxidationskatalysator in einem Abgasnachbehandlungssystem der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist, und diesem Oxidationskatalysator unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) zur Verfügung zu stellen sind, um eine Temperatur eines Abgases der Verbrennungskraftmaschine zu steigern zur Erreichung einer Betriebstemperatur des Abgasnachbehandlungssystems und beispielsweise zur Regeneration eines Partikelfilters, wobei das zur Verfügungstellen der Kohlenwasserstoffe beispielsweise durch eine HC-Dosiereinrichtung oder durch eine späte Nacheinspritzung in den Zylinder der Verbrennungskraftmaschine in etwa in einem Bereich von 70° Kurbelwinkel bis 160° Kurbelwinkel nach oberem Totpunkt des Kolbens durchführbar ist.
Ein Nachteil besteht darin, dass ein Einspritzstrahl aufgrund einer schon stark abgesunkenen Dichte und Temperatur im Zylinder und dadurch, dass der Kolben schon aus einem Bereich des Einspritzstrahls in Richtung unterem Totpunkt gewandert ist, an der Zylinderwand auftrifft und diese mit Kraftstoff benetzt. Streicht der Kolbenring des Kolbens über diesen mit Kraftstoff benetzten Wandbereich, so gelangt zumindest ein Teil des flüssigen Kraftstoffs in eine Motorölwanne und führt zur beschriebenen unzulässigen Verdünnung des Schmieröls und damit zu verkürzten Wartungsintervallen und gar zu einem Ausfall der Verbrennungskraftmaschine. Diese Problematik ist durch die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine vermieden oder zumindest reduziert.
Alternativ kann bei einer Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem in einem durch einen Zylinderkopf verschlossenen Zylinder geführten Kolben, welcher eine Kolbenmulde und zumindest eine Kolbenringnut aufweist, und mit zumindest einem zu dem jeweiligen Zylinder korrespondierenden und in den Zylinder einspritzenden Kraftstoffeinspritzventil erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass eine in Einbaulage des Kolbens am nächsten zum Zylinderkopf orientierte Kante der Kolbenringnut etwa auf Höhe einer tiefsten Stelle der Kolbenmulde angeordnet ist. Auch dadurch ist eine Reduzierung einer Zylinderwandfläche erreicht, welche auf die beschriebene Art und Weise mit flüssigem Kraftstoff benetzt ist und welche von einem Kolbenring überstrichen wird. Dadurch sind alle in diesem Zusammenhang bereits beschriebenen Vorteile einer reduzierten Schmierölverdünnung erreichbar.
Weist der Kolben zumindest zwei Kolbenringnuten auf, und ist eine in Einbaulage des Kolbens am nächsten zum Zylinderkopf orientierte Kante der in Einbaulage des Kolbens am nächsten zum Zylinderkopf orientierten Kolbenringnut wenigstens 15 Millimeter von einer Einbaulage am nächsten zum Zylinderkopf orientierten Kante des Kolbens beabstandet, so bedeutet dies eine weitere Reduzierung der vom Kolbenring überstrichenen Zylinderwandfläche des Zylinders zur weiteren Reduzierung des Kraftstoffeintrags in das Schmieröl. Mit anderen Worten bedeutet diese Ausführungsform also, dass beispielsweise bei einer Verbrennungskraftmaschine in Reihenbauweise in Einbaulage der Verbrennungskraftmaschine die oberste Kolbenringnut der Verbrennungskraftmaschine wenigstens 15 Millimeter von der obersten Kante des Kolbens beabstandet ist. Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine ist aber ebenso auf andere Bauformen wie beispielsweise eine V-Bauform oder eine Boxer-Bauform übertragbar.
Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung des Kraftstoffeintrags in das Schmieröl zur Erreichung der beschriebenen Vorteile besteht darin, dass ein von dem Kraftstoffeinspritzventil erzeugbarer Kraftstoffeinspritzstrahl einen Strahlkegel in einem Bereich von 150° bis 164° aufweist. Auch diese Ausführungsform ergibt eine Reduzierung der von dem Kolbenring überstrichenen Zylinderwandfläche des Zylinders, woraus sich ein reduzierter Kraftstoffeintrag und damit eine reduzierte Schmierölverdünnung ergibt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der von dem Kraftstoffeinspritzventil erzeugbare Kraftstoffeinspritzstrahl einen Strahlkegelwinkel von 150° aufweist. Dies bedeutet eine Erreichung der oben beschriebenen Vorteile bei gleichzeitiger Vermeidung eines Auftreffens von Kraftstoff auf den Zylinderkopf.
Weist der von dem Kraftstoffeinspritzventil erzeugbare Kraftstoffeinspritzstrahl einen Strahlkegelwinkel von 158° auf, so birgt dies den Vorteil, dass eine weitere Reduzierung der Schmierölverdünnung erreicht ist.
Der Vorteil der Reduzierung der Schmierölverdünnung ist weiterhin dadurch positiv beeinflussbar, wenn bei einer alternativen Ausführungsform der von dem Kraftstoffeinspritzventil erzeugbare Kraftstoffeinspritzstrahl einen Strahlkegelwinkel von 164° aufweist zur Erreichung der in diesem Zusammenhang bereits beschriebenen Vorteile eines großen Strahlkegelwinkels.
Durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform oder eine Kombination der erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist es somit ermöglicht, eine Reduzierung des Kraftstoffeintrags in das Schmieröl von über 50% zu erreichen. Dies ist insbesondere bei Dieselmotoren insofern vorteilbehaftet, als dass hier eine gute Schmierfähigkeit des Schmieröls besonders wichtig ist bei gleichzeitiger emissionsarmer Verbrennung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. abschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines in einem von einem Zylinderkopf verschlossenen Zylinder geführten Kolbens, wobei unterschiedliche Anordnungen einer Kolbenringnut und unterschiedliche Strahlkegelwinkel eines Kraftstoffeinspritzstrahls eines in den Zylinder einspritzenden Kraftstoffeinspritzventils vorgesehen sind.
Die Fig. zeigt einen in einem Zylinder geführten Kolben 10, wobei in der Fig. lediglich eine rechte Hälfte des Kolbens 10 dargestellt ist. Nach oben hin ist der Zylinder durch einen Zylinderkopf 12 verschlossen. Ein derartiger Kolben 10 mit einem derartigen Zylinderkopf 12 ist bei einer Verbrennungskraftmaschine in Form eines Dieselmotors einsetzbar. Somit handelt es sich um eine in den Zylinder direkt einspritzende Verbrennungskraftmaschine, bei welcher mittels eines Kraftstoffeinspritzventils ein Kraftstoffeinspritzstrahl mit einem gewissen Strahlkegelwinkel in den Zylinder eingespritzt wird.
Der Kolben 10 ist dabei in einer Stellung 32° Kurbelwinkel vor ZOT (Oberer-Zünd-Totpunkt) dargestellt und weist eine Kolbenringnut 14 auf, welche den Zweck erfüllt, einen oberen Kolbenring zumindest bereichsweise aufzunehmen. Die Anordnung der Kolbenringnut 14 repräsentiert dabei den Stand der Technik. Sie ist lediglich so gering von einer oberen Kante 16 des Kolbens 10 beabstandet, dass eine Zylinderwandfläche des Zylinders, welche von dem Kolbenring und damit der Kolbenringnut 14 überstrichen wird und welche mit flüssigem Kraftstoff benetzt ist, relativ groß ist, was zu einem erhöhten Kraftstoffeintrag in ein Motoröl der Verbrennungskraftmaschine führt.
Zur Vermeidung dieses Kraftstoffeintrags in das Motoröl ist vorgesehen, dass die Kolbenringnut 14 weiter von der oberen Kante 16 des Kolbens 10 beabstandet ist, was mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet ist. Die Kolbenringnut gemäß dem Bezugszeichen 18 ist dabei um 6 Millimeter weiter von der oberen Kante 16 des Kolbens 10 beabstandet als die Kolbenringnut 14. Insgesamt ist damit die Kolbenringnut bezüglich ihrer oberen Kante 15 Millimeter von der oberen Kante 16 des Kolbens 10 beabstandet.
Zur weiteren Reduzierung des Kraftstoffeintrags in das Motorenöl sind in der Fig. drei sehr große alternative Strahlkegelwinkel des beschriebenen Kraftstoffeinspritzstrahls dargestellt. Die Bezugszeichen 20, 22 und 24 bezeichnen dabei theoretische Mittelachsen der Kraftstoffeinspritzstrahlen, wobei die Mittelachse 24 einen Kraftstoffeinspritzstrahl mit einem Strahlkegelwinkel von 150° repräsentiert. Die Mittelachse gemäß dem Bezugszeichen 22 repräsentiert einen Kraftstoffeinspritzstrahl mit einem Strahlkegelwinkel von 158° und das Bezugszeichen 20 eine Mittelachse eines Kraftstoffeinspritzstrahls mit einem Strahlkegelwinkel von 164°.
Wie in der Fig. zu sehen ist, wird die von der oberen Kolbenringnut 18 bzw. vom oberen Kolbenring überstrichene Zylinderwandfläche des Zylinders, welche mit Dieselkraftstoff benetzt ist, mit zunehmendem Strahlkegelwinkel geringer, wodurch also auch der Kraftstoffeintrag in das Motoröl verringert ist. Der Strahlkegelwinkel darf jedoch nicht beliebig groß gewählt werden, da ab einem bestimmten Winkel der sich ausbreitende Kraftstoffeinspritzstrahl den Zylinderkopf 12 berührt, was in erhöhten Rußemissionen infolge von entstehenden, kraftstoffreichen Zonen resultieren würde.
Durch die Maßnahmen einer größeren Beabstandung der oberen Kolbenringnut 18 von der oberen Kante 16 des Kolbens 10 und eines sehr hohen Strahlkegelwinkels des Kraftstoffeinspritzstrahls verbunden mit einer darauf abgestimmten Geometrie einer Kolbenmulde 26 des Kolbens 10 ergibt sich eine deutliche Minimierung eines Kraftstoffeintrags in das Motoröl bei gleichzeitiger Beibehaltung geringer Emissionswerte.

10: Kolben
12: Zylinderkopf
14: Kolbenringnut
16: Kante
18: Kolbenringnut
20: Mittelachse
22: Mittelachse
24: Mittelachse
26: Kolbenmulde

Claims

Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem in einem durch einen Zylinderkopf (12) verschlossenen Zylinder geführten Kolben (10), welcher eine Kolbenmulde (26) und zumindest eine Kolbenringnut (14, 18) aufweist, und mit zumindest einem zu dem jeweiligen Zylinder korrespondierenden und in den Zylinder einspritzenden Kraftstoffeinspritzventil, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Einbaulage des Kolbens (10) am nächsten zum Zylinderkopf orientierte Kante der Kolbenringnut (14, 18) wenigstens 15 Millimeter von einer in Einbaulage am nächsten zum Zylinderkopf (12) orientierten Kante (16) des Kolbens (10) beabstandet ist.
Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einem in einem durch einen Zylinderkopf (12) verschlossenen Zylinder geführten Kolben (10), welcher eine Kolbenmulde (26) und zumindest eine Kolbenringnut (14, 18) aufweist, und mit zumindest einem zu dem jeweiligen Zylinder korrespondierenden und in den Zylinder einspritzenden Kraftstoffeinspritzventil, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Einbaulage des Kolbens (10) am nächsten zum Zylinderkopf (12) orientierte Kante der Kolbenringnut (14, 18) etwa auf Höhe einer tiefsten Stelle der Kolbenmulde (26) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) zumindest zwei Kolbenringnuten (14, 18) aufweist, und dass eine in Einbaulage des Kolbens am nächsten zum Zylinderkopf (12) orientierte Kante der in Einbaulage des Kolbens (10) am nächsten zum Zylinderkopf (12) orientierten Kolbenringnut (14, 18) wenigstens 15 Millimeter von einer in Einbaulage am nächsten zum Zylinderkopf (12) orientierten Kante (16) des Kolbens (10) beabstandet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) zumindest zwei Kolbenringnuten (14, 18) aufweist, und dass eine in Einbaulage des Kolbens (10) am nächsten zum Zylinderkopf (12) orientierte Kante der in Einbaulage des Kolbens (10) am nächsten zum Zylinderkopf (12) orientierten Kolbenringnut (14, 18) etwa auf Höhe einer tiefsten Stelle der Kolbenmulde (26) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem Kraftstoffeinspritzventil erzeugbarer Kraftstoffeinspritzstrahl einen Strahlkegelwinkel in einem Bereich von 150° bis 164° aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Kraftstoffeinspritzventil erzeugbare Kraftstoffeinspritzstrahl einen Strahlkegelwinkel von 150° aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Kraftstoffeinspritzventil erzeugbare Kraftstoffeinspritzstrahl einen Strahlkegelwinkel von 158° aufweist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Kraftstoffeinspritzventil erzeugbare Kraftstoffeinspritzstrahl einen Strahlkegelwinkel von 164° aufweist.