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Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit einem Motorblock, mindestens einem Zylinder, der im Motorblock ausgebildet ist, einem Zylinderkopf, der einen durch den Zylinder gebildeten Zylinderraum verschließt, einem Kolben pro Zylinder, der im Zylinderraum zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt axial auf- und abbewegbar ist, mindestens einem Brennstoffeinspritzventil pro Zylinder, mindestens einem Einlasskanal pro Zylinder, der fluidisch mit dem Zylinderraum verbindbar ist und mindestens einem Auslasskanal je Zylinder, der mit dem Zylinderraum über ein Auslassventil fluidisch verbindbar ist, wobei das zumindest eine Brennstoffeinspritzventil in einer den Zylinder seitlich begrenzenden Wand angeordnet ist.
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Hubkolbenverbrennungskraftmaschinen werden vor allem zum Antrieb von Fahrzeugen verwendet. Üblicherweise sind die Brennstoffeinspritzkanäle und die Brenngaseinlasskanäle im Zylinderkopf angeordnet, wobei die Einlassachsen für das Verbrennungsgas und den eingespritzten Brennstoff üblicherweise lediglich geringfügig zur Zylinderachse abgewinkelt angeordnet sind.
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Zur Verbesserung der Homogenität des Gemisches aus Verbrennungsgas und Brennstoff ist es bekannt, die Einlasskanäle im Zylinderkopf so auszurichten, dass im Zylinderraum ein Drall erzeugt wird, durch den die Vermischung deutlich verbessert wird. Dieser Drall wird beispielsweise durch unterteilte Verbrennungsgaseinlasskanäle erzeugt, von denen der eine in Abhängigkeit der Lage einer Drallklappe geöffnet oder geschlossen wird.
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Dennoch ist häufig eine unerwünschte Schichtbildung des Brennstoffs im Zylinderraum zu beobachten, was zu einer Verbrennung mit verringertem Wirkungsgrad führt. Auch wird bei zentraler Einspritzung vom Zylinderkopfdeckel aus der Kolbenboden benetzt, was ebenfalls einen geringeren Wirkungsgrad aufgrund schlechter Verdampfung und Homogenisierung zur Folge hat.
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Aus diesem Grund wird zur Verbesserung der Verbrennung und zur Erzielung einer besseren Durchmischung und Verdampfung im Zylinderraum in der
EP 0 651 151 A1 vorgeschlagen, zwei Brennstoffeinspritzventile axial und gegebenenfalls über den Umfang um 180° versetzt zueinander in einer Seitenwand des Zylinderkopfes anzuordnen, um den Brennstoffverbrauch zu verringern. Die Verbrennungsgaszufuhr erfolgt dabei über im Gehäuse ausgebildete Schlitze im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens, wobei ein Drall erzeugt wird. Durch diese Anordnung werden Ablagerungen an den Ventilen und dem Kolben des Verbrennungsmotors reduziert.
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Nachteilig an einer solchen Ausführung ist jedoch, dass die Drallbewegung des Verbrennungsgases nicht vollständig beim Einspritzvorgang genutzt wird, wodurch eine vollständige Homogenisierung des Verbrennungsgases mit dem Brennstoff nicht erreicht wird. Des Weiteren sind die vorhandenen Brennstoffeinspritzventile einer hohen Wärmebelastung ausgesetzt.
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Somit stellt sich die Aufgabe, eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine bereitzustellen, bei der die Anforderungen an die Brennstoffeinspritzventile verringert werden können und mit der gleichzeitig ein höherer Wirkungsgrad durch möglichst optimierte Vermischung und Verdampfung des Brennstoffs im Verbrennungsgas erreichbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass das mindestens eine Brennstoffeinspritzventil am Zylinder zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt des Kolbens angeordnet ist, befindet sich das Ventil bei der Zündung der Verbrennung außerhalb des Brennraums. Hierdurch wird sowohl die thermische Belastung der Einspritzventile als auch deren Belastung durch Ablagerungen gesenkt. Des Weiteren wird die Verbrennung verbessert, da die Benetzung des Kolbenbodens und der Zylinderwände weitestgehend vermieden wird.
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Vorzugsweise mündet der mindestens eine Einlasskanal zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt des Kolbens in den Zylinderraum, wodurch bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens die Strömung des Verbrennungsgases mit nach oben gefördert wird und so zum Brennstoffstrahl geleitet wird, so dass dieser besser zerstäubt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mündet der zumindest eine Einlasskanal derart in den Zylinderraum, dass eine Drallbewegung des Gases im Zylinderraum erzeugt wird. Diese Drallbewegung erfolgt zunächst von außen nach radial innen und von innen im Weiteren wieder nach außen. So ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung des Verbrennungsgases im Zylinder und ein Transport und eine Vermischung und Verdampfung des Brennstoffs von unten nach oben und zur Zylindermitte. Dies führt zu einer homogenen Verteilung des Brennstoffs über den gesamten Zylinderraum.
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Besonders einfach lässt sich die Drallbewegung erzeugen, indem der mindestens eine Einlasskanal im Wesentlichen tangential zum Zylinder ausgerichtet ist.
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Vorzugsweise ist der mindestens eine Einlasskanal über eine Trennwand in zwei Einlasskanäle aufgeteilt, deren Durchströmungsquerschnitte unabhängig voneinander über jeweils ein Einlassventil regelbar sind. Auf diese Weise kann die Drallbewegung über die Stellung der beiden Ventile im Teillast- oder im Volllastbereich an die Luftverhältnisse angepasst werden, so dass unabhängig von der angesaugten Verbrennungsgasmenge und eingespritzten Brennstoffmenge jeweils eine optimale Vermischung und Verbrennung erreicht wird.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der mindestens eine Einlasskanal bezüglich der Zylinderachse näher zum unteren Totpunkt angeordnet als das mindestens eine Brennstoffeinspritzventil, d.h. das Brennstoffeinspritzventil ist (zum Zylinderkopf) oberhalb des Einlasskanals. Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens wird entsprechend der Brennstoffstrahl vom frisch angesaugten Verbrennungsgas mit nach oben gefördert und verdampft, ohne dass zu viel Brennstoff an den Kolbenboden gelangt.
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Dadurch, dass das mindestens eine Brennstoffeinspritzventil in Umfangsrichtung betrachtet stromaufwärts zum Einlasskanal angeordnet ist, ist der Brennstoffstrahl nicht unmittelbar im wirbelbehafteten Eintrittsbereich des Verbrennungsgases, sondern nach Ausbildung der Drallströmung dem Verbrennungsgas ausgesetzt, wodurch die Vermischung und Homogenisierung positiv beeinflusst wird.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein resultierender Brennstoffeinspritzstrahl in Richtung zum Zylinderkopf geneigt ausgerichtet. So wird eine Benetzung des Kolbenbodens bei der Aufwärtsbewegung zusätzlich minimiert und damit die Verbrennung verbessert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein resultierender Brennstoffeinspritzstrahl in Richtung zur Zylindermittelachse ausgerichtet. Dies vermindert ein Benetzen der Zylinderwandflächen mit Brennstoff.
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In einer hierzu alternativen Ausbildung ist ein resultierender Brennstoffeinspritzstrahl in einem Winkel von kleiner 90° zur das Brennstoffeinspritzventil umgebenden Zylinderwand in Richtung zum in Umfangsrichtung stromabwärtigen Einlasskanal ausgerichtet. So kann dem Brennstoffstrahl bereits ein der Luftbewegung entsprechender Drall mitgegeben werden, der eine langsamere Ausbreitung des Brennstoffs zur Zylindermitte erzeugt, was wiederum die Verteilung verbessert. Eine Benetzung der Zylinderwand wird durch den stromabwärtigen Einlass des Verbrennungsgases verhindert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Brennstoffeinspritzventile um 180° versetzt zueinander am Zylinder angeordnet. So wird es möglich, in Abhängigkeit von der Lastsituation oder auch dem verwendeten Brennstoff die Ventile anzusteuern.
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Vorzugsweise münden zwei Einlasskanäle um 180° versetzt zueinander in den Zylinderraum, wodurch die Drallströmung verbessert werden kann oder bei der Verwendung zweier Brennstoffeinspritzventile für beide Einspritzventile eine die Vermischung optimierende Strömung erzeugt werden kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Brennstoffeinspritzventile bezüglich der Zylinderachse versetzt zueinander angeordnet. Auch so ist es möglich, verschiedenen Lastsituationen, beispielsweise durch die Wahl unterschiedlicher Einspritzzeitpunkte, gerecht zu werden.
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In einer anderen Ausführung sind der Auslasskanal und ein zusätzliches Brennstoffeinspritzventil im Zylinderkopf angeordnet. Eine Einspritzung durch dieses Ventil würde nach dem Schließen des Auslassventils stattfinden. Je nach Lastzustand und Auslegung des Motors sowie Anordnung des ersten und gegebenenfalls zweiten Einspritzventils kann eine solche zusätzliche Einspritzung erforderlich werden, um eine möglichst vollständige Verbrennung zu erzeugen.
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Es wird somit eine Hubkolbenverbrennungskraftmaschine zur Verfügung gestellt, mit der die thermische Belastung sowie die Belastung durch Verschmutzung der Einspritzventile reduziert werden und eine deutlich verbesserte und vollständige Verbrennung durch verbesserte Homogenisierung des Brennstoffs im Verbrennungsgas erreicht wird, wodurch weniger Schadstoffemissionen erzeugt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Zylinders einer erfindungsgemäßen Hubkolbenverbrennungskraftmaschine in geschnittener Darstellung.
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2 zeigt schematisch eine Kopfansicht in den Zylinder der 1.
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3 zeigt eine alternative Kopfansicht in den Zylinder.
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In 1 ist ein Ausschnitt eines Hubkolbenverbrennungsmotors dargestellt, der einen Motorblock 10 mit mehreren im Motorblock 10 ausgebildeten Zylindern 12 aufweist, die durch einen Zylinderkopf 14 verschlossen werden. Der dargestellte Ausschnitt umfasst dabei einen einzelnen Zylinder 12, anhand dessen die Erfindung erklärt wird. Selbstverständlich sind alle Zylinder 12 des Verbrennungsmotors in gleicher Weise auszuführen.
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In einem Zylinderraum 16 ist ein Kolben 18 gleitend angeordnet, der zum Antrieb des Motors in bekannter Weise mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist. Zur Abdichtung des Verbrennungsraumes sind am Umfang des Kolbens 18 zwei axial übereinander angeordnete Kolbenringe 44 angeordnet.
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In 1 befindet sich der axial auf- und abbewegbare Kolben 18 in seinem unteren Totpunkt. Unmittelbar oberhalb eines Kolbenbodens 42 mündet in den Zylinder 12 ein erster Einlasskanal 22, durch den Verbrennungsgas, welches üblicherweise aus frisch angesaugter Luft und rückgeführtem Abgas besteht, in den Zylinderraum 16 gelangt.
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Dieser Einlasskanal 22 ist, wie in den 2 und 3 zu erkennen ist, durch eine Trennwand 30 in zwei Einlasskanäle 32, 34 unterteilt, in denen jeweils ein Einlassventil 36 angeordnet ist, welches als Klappe ausgebildet ist, wobei jedes der Einlassventile einzeln betätigt werden kann. Der Einlasskanal 22 beziehungsweise die Einlasskanäle 32, 34 münden tangential in den Zylinderraum 16, so dass ein in Pfeilrichtung verlaufender Drall entsteht.
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Unmittelbar oberhalb des Einlasskanals 22 sowie erfindungsgemäß deutlich unterhalb eines oberen Totpunktes des Kolbens 18 im Zylinder 12 ist in einer den Zylinder 12 seitlich begrenzenden Wand 28 ein Brennstoffeinspritzventil 20 angeordnet. Dieses ist in Umfangsrichtung betrachtet, wie wiederum aus den 2 und 3 zu entnehmen ist, in Umfangsströmungsrichtung des Verbrennungsgases betrachtet, vor dem Einlasskanal 22 angeordnet.
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Um jeweils 180° versetzt zum Einlasskanal 22 und zum Brennstoffeinspritzventil 20 ist ein weiterer Einlasskanal 22 mit einem in Umfangsrichtung vorgeschalteten Brennstoffeinspritzventil 20 angeordnet, welches axial etwas oberhalb versetzt sein kann.
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Die beiden Brennstoffeinspritzventile 20 sind bei der Ausführung gemäß der 2 so angeordnet, dass ein aus der Vielzahl der sich über einen Winkel verteilenden Brennstoffeinspritzstrahlen 38 resultierender Brennstoffeinspritzstrahl 40 zur Mittelachse 13 des Zylinders weist, jedoch leicht in Richtung zum Zylinderkopf 14 geneigt ist. Im Gegensatz hierzu sind die beiden Brennstoffeinspritzventile 20 bei der Ausführung gemäß der 3 leicht von der Mittelachse weg in Umfangsrichtung zum Einlasskanal 22 geneigt.
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Der Zylinderraum 16 wird durch den Zylinderkopf 14 begrenzt, in dem ein Auslasskanal 24 ausgebildet ist, in dem ein Auslassventil angeordnet ist. Je nach Ausführung ist es auch möglich, zentral im Zylinderkopf ein weiteres Brennstoffeinspritzventil anzuordnen.
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Arbeitet der beschriebene Hubkolbenmotor im Zweitaktverfahren, ergeben sich die nachfolgend beschriebenen Bewegungen und Strömungen im Zylinder ausgehend vom unteren Totpunkt des Kolbens 18.
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Bei geschlossenem Auslassventil 26 und somit geschlossenem Auslasskanal 24 findet die Verbrennung mit der damit verbundenen Expansion des Mischgases statt, die dazu führt, dass der Kolben 18 nach unten bewegt wird. Während der Abwärtsbewegung des Kolbens 18 kann eine erste Einspritzung gegen Ende der Expansion des verbrannten Gases über das höhere der beiden Einspritzventile 20 zur besseren Verdampfung des Kraftstoffes durchgeführt werden.
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Im Folgenden gleitet der Kolben 18 an den Einlasskanälen 22 entlang und gibt diese frei, wodurch ein Verbrennungsgas in den Zylinder gefüllt wird, dessen Größe von der Stellung der Einlassventile 36 abhängt. Während dieser Füllungsphase findet eine Einspritzung über beide Brennstoffeinspritzventile 20 bei geöffnetem Auslassventil 26 statt. Dadurch, dass die Brennstoffeinspritzventile 20 in Richtung zum Zylinderkopf 14 geneigt ausgebildet sind, wird dabei eine Vernetzung des Kolbenbodens 42 verhindert. Der eintretende Verbrennungsgasstrom besitzt durch den tangentialen Einlass in den Zylinderraum 16 einen starken Drall, so dass sich der Strom zunächst entlang der Zylinderwand 28 fortsetzt.
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Bei geöffnetem Auslassventil erreicht der Kolben 18 den unteren Totpunkt seiner Bewegung, die sich daraufhin von der Kurbelwelle getrieben nach oben fortsetzt. Zu diesem Zeitpunkt findet über die beiden Brennstoffeinspritzventile 20 die Haupteinspritzung in den Zylinderraum 16 statt. Die Strömung des Verbrennungsgases ändert entsprechend der Bewegung des Kolbens 18 axial ihre Richtung und bewegt sich entsprechend weiterhin drallbehaftet in Richtung zum Einspritzstrahl 38, der oberhalb des zugeordneten Einlasskanals 22 erzeugt wird. Die Strömung des Verbrennungsgases verläuft im Weiteren spiralförmig, sich zunächst verkleinernd, mit einer Komponente nach axial oben, ins Innere des Zylinderraumes und nimmt auf ihrem Weg den eingespritzten Brennstoff mit, der sich innerhalb dieses Verbrennungsgasstromes gleichmäßig im gesamten Zylinderraum 16 verteilt, so dass ein homogenes Gemisch entsteht. Durch die Luftschicht unterhalb der Brennstoffeinspritzventile 20 und die nach innen gerichtete Strömung wird dabei eine Benetzung der Seitenwände 28 und des Kolbenbodens 42 deutlich verringert. Durch die Anordnung der Brennstoffeinspritzventile in unmittelbarer Nähe zu den Einlasskanälen wird der Einspritzstrahl durch die stärkste drallbehaftete Strömung mitgerissen, was die Vermischung optimal fördert.
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Bei der folgenden weiteren Aufwärtsbewegung des Kolbens und dem Überdruck des frischen Verbrennungsgases wird das durch die vorhergehende Verbrennung entstandene Abgas ausgeschoben, welches im Wesentlichen schichtförmig oberhalb des frisch angesaugten Verbrennungsgases angeordnet ist. Nach dem Verschluss der Einlasskanäle 22 wird das Auslassventil 26 geschlossen, so dass im Folgenden die Kompressionsphase beginnt. Dabei bewegt sich das Verbrennungsgas-Brennstoff-Gemisch weiterhin sich spiralförmig erweiternd und verkleinernd im Zylinderraum 16, wobei die Drallstärke mit fortschreitender Kolbenbewegung nach oben abnimmt. Während dieses Zeitraumes besteht ausreichend Zeit für das Fortschreiten der Zwischenreaktionskinetik im Zylinderraum 16, und für die Harmonisierung des Gemisches aus Verbrennungsgas, Brennstoff und Abgas.
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Gegebenenfalls wird nach dem Schließen des Auslassventils und somit deutlich vor Zündung des Gemisches noch einmal über das im Zylinderkopf angeordnete Ventil Brennstoff eingespritzt. Unabhängig davon wird im Folgenden das Gemisch gezündet, wobei eine im Vergleich zu bekannten Ausführungen sehr vollständige Verbrennung mit geringen Abgasemissionen und damit ein erhöhter Wirkungsgrad erreicht wird, da eine besonders homogene Gemischbildung und gute Verdampfung durch die beschriebene Anordnung erreicht wird.
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Neben der sehr homogenen Gemischbildung zeichnet sich dieser Hubkolbenverbrennungsmotor dadurch aus, dass sich die Brennstoffeinspritzventile zum Zündzeitpunkt nicht im Verbrennungsraum befinden. Dies senkt die thermische Belastung erheblich. Auch die Belastung der Einspritzventile durch den Zylinderinnendruck und durch Verbrennungsrückstände sinkt, so dass die Anforderungen an diese Einspritzventile deutlich geringer sind als bei üblichen Anordnungen.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der Hauptansprüche nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. So müssen nicht unbedingt zwei Einspritzventile und Einlasskanäle verwendet werden, sondern die Anordnung der bis zu drei Einspritzventile ist jeweils abhängig von den Motorkennfeldern. Auch kann ein derartiger Aufbau auch bei Viertaktmotoren verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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