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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, insbesondere die Form des Brennraumes und die Ausrichtung der Einspritzdüse in Verbrennungsmotoren.
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Thermischer Wirkungsgrad und Motorabgasemissionen eines Verbrennungsmotors werden durch viele Faktoren bestimmt, einschließlich der Brennraumform, der Kraftstoffeinspritzdüse und des Kraftstoffeinspritzdrucks, um einige zu nennen. Vieles ist bekannt und vieles wurde erforscht in Brennräumen von Dieselmotoren. Jedoch ist bezüglich unkonventioneller Motoren weniger darüber bekannt, welche Brennraumform und Einspritzcharakteristika zum gewünschten Ergebnis führen können.
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Ein solcher unkonventioneller Motor, ein Gegenkolbenmotor mit gegenüberliegenden Zylindern (OPOC-Motor), ist in 1 isometrisch dargestellt. Ein Einlasskolben 12 und ein Auslasskolben 14 bewegen sich jeweils innerhalb eines ersten Zylinders und eines zweiten Zylinders (die Zylinder sind nicht dargestellt, um die Sicht auf die Kolben zu erleichtern) hin und her. Ein Einlasskolben 12' und ein Auslasskolben 14 sind über Druckstangen 16 mit einem Lagerzapfen (nicht sichtbar) einer Kurbelwelle 20 verbunden. Ein Einlasskolben 12 und ein Auslasskolben 14' sind über Zugstangen 18 mit zwei Lagerzapfen (nicht sichtbar) der Kurbelwelle 20 verbunden. Der Motor in 1 verfügt über zwei Brennräume, die zwischen einem Kolbenboden 22 des Einlasskolbens 12 (oder 12') und einem Kolbenboden 24 des Auslasskolbens 14 (oder 14') und der Zylinderwand (nicht dargestellt) ausgeformt sind. Die Kolben in beiden Zylindern werden in einer mittleren Stellung in 1 dargestellt. Die Verbrennung wird initiiert, wenn die Kolben einander angenähert sind. Die Kolbenböden 22 und 24 in 1 sind möglicherweise nicht optimiert, um die gewünschte Leistung zu erbringen. Der Kolbenboden 24 hat einen erhöhten Bereich an dem Umfang und eine flache Mulde in der Mitte der Kammer. Um ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis zu erlangen, ist das in den Kolbenmulden enthaltene Volumen festgelegt. Kolbenboden 24 hat einen erhöhten Bereich, der dem Fachmann als Quetschbereich bekannt ist. Die Projektionsfläche des Quetschbereichs ist ein kleiner Bereich der Projektionsfläche des Kolbenbodens 24, wohingegen die Mulde ein größerer Bereich der Projektionsfläche ist. Wegen der großen, von der Mulde eingenommenen Fläche, ist die Tiefe der Mulde begrenzt. Eine solch flache Mulde bietet wenig Platz, um Kraftstoffstrahlen einer Einspritzdüse aufzunehmen, die in den Brennraum gelangen sollen, ohne dass sie dabei signifikant auf die Kolbenbodenoberflächen treffen.
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Ein Brennraum, die eine Tumbleströmung erzeugt, wird offenbart. Der Brennraum umfasst eine Zylinderwand; einen innerhalb der Zylinderwand angeordneten Einlasskolben; einen innerhalb der Zylinderwand angeordneten Auslasskolben; und eine Kraftstoffeinspritzdüse, die in einer Öffnung angeordnet ist, die die Zylinderwand durchdringt. Die Kolben sind ausgelegt, sich innerhalb der Zylinderwände hin und her zu bewegen. Wenn sich die Kolbenböden in ihrer engsten Annäherung befinden, bildet der zwischen den Kolbenböden angeordnete Brennraum einen ersten Bereich und zweiten Bereich: der erste Bereich ist im Wesentlichen ein Konus, der in der Nähe der ersten Einspritzdüse mit einer Spitze des Konus näher an der ersten Einspritzdüse angeordnet ist, eine Basis des Konus ist weiter entfernt von der ersten Einspritzdüse angeordnet, und ein zweiter Bereich, der im Wesentlichen eine Halbkugel ist, stimmt mit einer flachen Oberfläche der Halbkugel im Wesentlichen mit der Basis des Konus überein.
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In manchen Ausführungsbeispielen sind die Kolben ausgelegt, sich zwischen einer oberen und einer unteren Position hin und her zu bewegen. Der Konus kann eine Sichtlinien-Öffnung zwischen einer Spitze der ersten Einspritzdüse und der Halbkugel bilden.
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In manchen Ausführungsbeispielen zeigt ein um 90 Grad zum Schnitt durch die Einspritzdüse gedrehter Querschnitt der Kolben durch eine Mittelachse des Zylinders in Richtung der Halbkugel des Brennraumes, dass die Böden der zwei Kolben auf jeder Seite des Halbkugelbereichs des Brennraumes abgeschrägt sind, so dass ein dünnes Band, das zwischen den zwei Kolbenböden gegeben ist, wenn sich die Kolben in ihrer engsten Annäherung befinden, im Wesentlichen tangential zu einem Umfang der Halbkugel verläuft. Wenn die Kolben sich einander annähern, können zwischen den beiden Kolben befindliche Gase in den konischen und halbkugelförmigen Bereich verdrängt werden und einen Wirbel verursachen. Der Wirbel ist eine Tumbleströmung mit einer Drehachse der Tumbleströmung, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Mittelachse der Zylinderwand ist.
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Ein Querschnitt der Kolben, der mit der Basis des Konus übereinstimmt, kann zeigen, dass die Böden der zwei Kolben auf jeder Seite der Halbkugel abgeschrägt sind, so dass dünne Bänder, die zwischen den zwei Kolbenböden gegeben sind, wenn sich die Kolben in ihrer engsten Annäherung befinden, im Wesentlichen tangential zu einem Umfang der Halbkugel verlaufen.
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Manche Ausführungsbeispiele beinhalten einen zweite Kraftstoffeinspritzdüse, die in einer zweiten Öffnung angeordnet ist, die die Zylinderwand durchdringt. Die zweite Kraftstoffeinspritzdüse befindet sich in einer gegenüberliegenden Anordnung in Bezug auf die erste Einspritzdüse. Wenn sich die Böden der Kolben in ihrer engsten Annäherung befinden, bildet der Brennraum, der zwischen den Böden der Kolben angeordnet ist, zusätzlich einen dritten Bereich und einen vierten Bereich: der dritte Bereich ist im Wesentlichen ein Konus, der in der Nähe der zweiten Einspritzdüse mit einer Spitze des Konus näher an der zweiten Einspritzdüse angeordnet ist, eine Basis des Konus ist weiter entfernt von dem zweiten Einspritzer angeordnet, und der vierte Bereich ist im Wesentlichen eine Halbkugel, wobei eine flache Oberfläche der Halbkugel des vierten Bereichs mit einer Basis des Konus des dritten Bereichs übereinstimmt. In manchen Ausführungsbeispielen überlappen sich die Halbkugel des vierten Bereichs und die Halbkugel des zweiten Bereichs nicht.
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Ein Querschnitt der Kolben, der mit der Basis des Konus des ersten Bereichs übereinstimmt, kann zeigen, dass die Böden der zwei Kolben auf jeder Seite der Halbkugel des zweiten Bereichs abgeschrägt sind, so dass dünne Bänder; die zwischen den zwei Kolbenböden gegeben sind, wenn sich die Kolben in ihrer engsten Annäherung befinden, im Wesentlichen tangential zu einem Umfang der Halbkugel des zweiten Bereichs verlaufen, und ein Querschnitt der Kolben, der mit der Basis des Konus des dritten Bereichs übereinstimmt, kann zeigen, dass die Böden der zwei Kolben auf jeder Seite der Halbkugel des vierten Bereichs abgeschrägt sind, so dass dünne Bänder, die zwischen den zwei Kolbenböden existieren, wenn sich die Kolben in ihrer engsten Annäherung befinden, im Wesentlichen tangential zu einem Umfang der Halbkugel des vierten Bereichs verlaufen.
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In manchen Ausführungsbeispielen erzeugen Gase zwischen den zwei Kolben, die, wenn sich die Kolben in ihrer engsten Annäherung befinden, in den halbkugelförmigen Bereich des zweiten Bereichs gepresst werden, eine Tumbleströmung in eine erste Richtung. Wenn sich die Kolben einander annähern, können die Gase zwischen den zwei Kolben, die in den halbkugelförmigen Bereich des vierten Bereichs gepresst werden, ebenso eine Tumbleströmung im Wesentlichen in die erste Richtung erzeugen. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Gase zwischen den zwei Kolben, die in den halbkugelförmigen Bereich des vierten Bereichs gepresst werden, wenn sich die Kolben in ihrer engsten Annäherung befinden, eine Tumbleströmung in eine der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung erzeugen.
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Ein Brennraum wird offenbart mit einer Zylinderwand; mit einem innerhalb der Zylinderwand angeordneten Einlasskolben; mit einem innerhalb der Zylinderwand angeordneten Auslasskolben; und mit einer ersten und einer zweiten Kraftstoffeinspritzdüse, die in einer ersten und in einer zweiten Öffnung angeordnet sind, die die Zylinderwand durchdringen, wobei die erste und die zweite Einspritzdüse sich im Wesentlichen gegenüberstehen. Die Kolben sind ausgelegt, sich innerhalb der Zylinderwände hin und her zu bewegen. Wenn sich die Kolbenböden in ihrer engsten Annäherung befinden, definiert der Brennraum, der zwischen den Böden der Kolben angeordnet ist: einen ersten Konus, wobei eine Spitze des Konus im Wesentlichen mit einer Spitze der ersten Einspritzdüse übereinstimmt und eine Basis des Konus entfernt von der ersten Einspritzdüse angeordnet ist; einen zweiten Konus, wobei eine Spitze des zweiten Konus im Wesentlichen mit einer Spitze der zweiten Einspritzdüse übereinstimmt und eine Basis des Konus entfernt von dem zweiten Einspritzer angeordnet ist; eine erste Halbkugel, wobei eine Basis der ersten Halbkugel mit einer Basis des ersten Konus übereinstimmt; und eine zweite Halbkugel, wobei eine Basis der zweiten Halbkugel mit einer Basis des zweiten Konus übereinstimmt. Wenn die Böden der Kolben sich in ihrer engsten Annäherung befinden, können der erste und zweite Konus sowie die erste und zweite Halbkugel im Wesentlichen entlang eines Durchmessers angeordnet werden, der durch die Spitzen der ersten und zweiten Einspritzdüse definiert ist, wobei sich die erste und zweite Halbkugel nicht schneiden. In manchen Ausführungsbeispielen werden, wenn sich die Kolben einander annähern, Gase zwischen den Böden der Kolben, anders als zwischen dem ersten und zweiten Konus und der ersten und zweiten Halbkugel, in den ersten und zweiten Konus und die erste und zweite Halbkugel gepresst; und die Kolbenböden sind so ausgelegt, dass die in die erste und zweite Halbkugel gepressten Gase eine Tumbleströmung erzeugen. In manchen Ausführungsbeispielen hat der Einlasskolben einen erhöhten Bereich an einer Seite einer Ebene, die die Spitzen der ersten und der zweiten Einspritzdüsen schneidet und parallel zu einer Mittelachse des Zylinders verläuft; der Auslasskolben hat einen korrespondierenden vertieften Bereich an der einen Seite der Ebene; der Einlasskolben hat einen vertieften Bereich auf der anderen Seite der Ebene; und der Auslasskolben hat einen korrespondierenden erhöhten Bereich auf der anderen Seite der Ebene. Die Tumbleströmung in der ersten Halbkugel kann in die im Wesentlichen selbe Richtung rotieren wie die Tumbleströmung in der zweiten Halbkugel. Alternativ kann die Tumbleströmung in der ersten Halbkugel in eine der Tumbleströmung in der zweiten Halbkugel im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung rotieren.
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Der Einlasskolben kann im Wesentlichen in zwei gegenüberliegenden Quadranten des Kolbenbodens erhöht sein und grundsätzlich in den beiden anderen Quadranten des Kolbenbodens vertieft sein, und der Auslasskolben kann grundsätzlich in den den erhöhten Quadranten des Einlasskolbens entsprechenden Quadranten vertieft sein und grundsätzlich in den den vertieften Quadranten des Einlasskolbens entsprechenden Quadranten erhöht sein.
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Unter Zugrundelegung eines ersten, zweiten, dritten und vierten Quadranten der Kolbenböden, weist in manchen Ausführungsbeispielen der Einlasskolben erhöhte Bereiche in dem ersten und dritten Quadranten und vertiefte Bereiche in dem zweiten und vierten Quadranten auf und weist der Auslasskolben vertiefte Bereiche in dem ersten und dritten Quadranten und erhöhte Bereiche in dem zweiten und vierten Quadranten auf. Die erhöhten und vertieften Bereiche sind, abgesehen von den Konen und Halbkugeln, in den Kolbenböden angeordnet. Der zweite Quadrant ist zwischen dem ersten und dritten Quadrant angeordnet. Die erhöhten Bereiche der Kolbenböden greifen in die vertieften Bereiche der Kolbenböden ein, um eine Tumbleströmung in der ersten Halbkugel in eine erste Richtung und eine Tumbleströmung in der zweiten Halbkugel in eine zweite Richtung zu erzeugen, wobei die zweite Richtung in Bezug auf die erste Richtung entgegengesetzt ist.
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1 ist eine isometrische Zeichnung eines OPOC-Motors;
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2–4 sind Schnittzeichnungen eines mit einer Einzel-Einspritzdüse versehenen, Tumbleströmung erzeugenden Brennraums gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 und 6 sind Schnittzeichnungen eines mit zwei Einspritzdüsen versehenen, Tumbleströmung erzeugenden Brennraumes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in der zwei Tumbleströmungen erzeugt werden, die im Wesentlichen in dieselbe Richtung drehen;
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7 ist eine isometrische Ansicht des Bodens des Einlasskolbens der 5–6;
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8 und 9 sind Schnittzeichnungen eines mit zwei Einspritzdüsen versehenen, Tumbleströmung erzeugenden Brennraumes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Tumbleströmungen in der Halbkugel gegenläufig drehen d. h., in entgegengesetzte Richtungen drehen;
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10 ist eine isometrische Ansicht des Bodens des Einlasskolbens;
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11 ist eine isometrische Ansicht des Bodens des der 10 entsprechenden Auslasskolbens mit gegenläufig drehenden Tumbleströmungen;
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12 ist eine Darstellung eines Kraftstoffspritzstoßes und -verbrennung eines Einzel-Kraftstoffstrahls.
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13 und 14 zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel, in welchem eine Einzel-Brennmulde von der Mittelachse versetzt ist;
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15–18 sind Darstellungen, um zu beschreiben, wie man Kolbenböden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet;
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19–21 und 23 sind isometrische Zeichnungen von Kolben gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung;
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22 ist eine Querschnittszeichnung des Ausführungsbeispiels der 21;
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24 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Wie die Fachleute verstehen werden, können verschiedene Merkmale der in Bezug auf eine der Figuren dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um alternative Ausführungsbeispiele zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombination von dargestellten Merkmalen bietet repräsentative Ausführungsbeispiele für typische Anwendungen. Jedoch können verschiedenartige Kombinationen und Modifikationen von Merkmalen in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen verlangt sein. Fachleute werden ähnliche Anwendungen oder Umsetzungen erkennen können, ob explizit beschrieben, dargestellt oder nicht.
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Ein Querschnitt eines Teils eines OPOC-Motors, der einen Brennraum gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, ist in 2 gezeigt. Ein Teil eines Einlasskolbens 40 und ein Teil eines Auslasskolbens 42 sind in ihrer engsten Position zueinander dargestellt. Kolben 40 weist Nuten 44 und 45 und Kolben 42 weist Nuten 46 und 47 auf, um Kolbenringe aufzunehmen. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Kolbenringe in den Nuten weder in 2 noch in folgenden Figuren, die Kolben zeigen, dargestellt. Kolben 40 und 42 bewegen sich innerhalb einer Zylinderwand 50 hin und her. Der Brennraum ist der Raum, der zwischen den Böden der Kolben 40 und 42 und der Zylinderwand 50 eingeschlossen ist. Die Böden der Kolben sind in ihrer engsten Annäherung um mindestens 0,5 mm voneinander getrennt. Fachleute werden erkennen, dass der minimale Trennabstand variiert, abhängig von Einzelheiten des Motors, dazu gehören Größe, Toleranzen, etc. Ein solcher Bereich wird als ein Beispiel genannt und soll nicht limitierend sein.
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In 2 ist ein eine Einzel-Einspritzdüse umfassendes Ausführungsbeispiel mit einer Einspritzdüse 60 dargestellt. Die Öffnung zwischen Kolben 40 und 42 in Bereich 52 ist im Wesentlichen konisch, wobei eine Spitze des Konus benachbart zur Einspritzdüse 60 angeordnet ist. Der Querschnitt der Öffnung vergrößert sich, um sich ausdehnende Kraftstoffstrahlen aufzunehmen, die aus der Einspritzdüse 60 stammen. Distal von der Einspritzdüse 60 ist die Öffnung zwischen Kolben 40 und 42 in Bereich 54 im Wesentlichen eine Halbkugel. Kraftstoff von Einspritzdüse 60 besitzt eine Stoßkraft, um sich durch Bereich 52 und potenziell in Bereich 54 bewegen. Allerdings hat sich viel von dem Kraftstoff verflüchtigt und die Stoßkraft der Flüssigkeitstropfen wird durch Scherung mit den komprimierten Gasen in dem Brennraum reduziert. Dadurch treffen, sofern die Einspritzdüsen-Lochweite und die Einspritzdruck-Charakteristika sorgfältig gewählt werden, wenige Tröpfchen von Einspritzdüse 60 auf die entfernte Wand des Brennraumes auf.
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Ein anderer Querschnitt, der um 90 Grad zu 2 gedreht ist, ist in 3 dargestellt, wobei es sich um eine Ansicht von der Spitze der Einspritzdüse handelt. Die Halbkugelform des Bereichs 54 von 2 ist in 3 leichter zu sehen. Die Form der Böden der Kolben 40 und 42 begünstigt eine Tumbleströmung, d. h., einen Wirbel mit einer Drehachse im Wesentlichen senkrecht in Bezug auf die Mittelachse 66 der Zylinderwände 50. Ein Bereich 64 des Bodens von Kolben 42 ist aufwärts in Richtung Achse 66 geneigt und ein Bereich 62 von Kolben 40 ist abwärts in Richtung Achse 66 geneigt. Da sich Kolben 40 und 42 aufeinander zu bewegen, zwingen sie zwischen sich befindliche Gase dazu, tangential auszutreten, wie durch Pfeil 70 dargestellt. Gleichermaßen bewirken Bereich 56 des Bodens von Kolben 40 und Bereich 58 des Bodens von Kolben 42 während eines Kompressionshubs, dass das Gas tangential austritt, wie durch Pfeil 72 dargestellt. Die durch Pfeile 70 und 72 dargestellten Ströme, die mit dem halbkugelförmigen Bereich des Brennraumes interagieren, erzeugen eine Tumbleströmung, wie durch Pfeil 74 dargestellt. Solch eine Tumbleströmung fördert das Mischen des Kraftstoffs mit der Luft, um den Verbrennungsgrad zu verbessern und die Erzeugung von Dieselpartikeln zu reduzieren.
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Der Brennraum nach Ansicht in 3 zeigt, dass die Kolbenböden von links nach rechts betrachtet eine Steigung aufweisen, um das Erzeugen einer Tumbleströmung in dem Brennraum zu ermöglichen.
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In 4 treten Strahlen 68 aus der Einspritzdüse 60 in den Brennraum aus. Spitzen der Strahlen 68 haben zum in 4 dargestellten Zeitpunkt den Bereich 54 nicht erreicht. In 4 sind drei Strahlen sichtbar, wobei zusätzliche Flüssigkeitsstrahlen möglicherweise durch die sichtbaren Flüssigkeitsstrahlen verdeckt werden. Es kann jedoch jede Anzahl von Flüssigkeitsstrahlen aus dem Einspritzer 60 austreten.
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Es ist wünschenswert, eine Einspritzdüse zu haben, die Kraftstoff in den Brennraum fördert. Allerdings kann eine zweite Einspritzdüse in dem Zylinder vorgesehen sein, wenn die Strahlen 68 von der einen Einspritzdüse nicht auf die Luft im Zylinder zugreifen können, um effektiv die eingespeiste Luft zu nutzen. Ein solches Ausführungsbeispiel mit zwei Einspritzdüsen 160 in Zylinder 150 ist in 5 dargestellt. Zwei Brennraumbereiche, die kleinere Versionen der Brennräume der 2 und 3 sind, werden in 5 gezeigt. Bereiche 152 des Brennraumes, die benachbart zu den Einspritzdüsen 160 angeordnet sind, sind im Wesentlichen konisch; Bereiche 154 des Brennraumes, die distal von den Einspritzdüsen 160 angeordnet sind, bilden im Wesentlichen eine Halbkugel.
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Eine alternative Ansicht der Kolben aus 5 ist in 6 dargestellt. Die alternative Ansicht ist um 90 Grad in Bezug auf 5 gedreht, d. h., eine Ansicht wie von der Spitze eine der Einspritzdüsen 160 aus gesehen. Ein Bereich 162 der Oberfläche von Kolben 142 und ein Bereich 164 von Kolben 140 sind aufwärts nach rechts geneigt, so dass während eines Kompressionshubs Gase zwischen den Bereichen 162 und 164 heraus gepresst werden, wie durch Pfeil 170 gezeigt. Analog dazu steigen ein Bereich 158 des Kolbens 142 und ein Bereich 156 des Kolbens 140 von links nach rechts betrachtet an, so dass Gase zwischen Bereichen 156 und 158 so geleitet werden, wie durch Pfeil 172 gezeigt. Diese Strömungen, durch Pfeile 170 und 172 dargestellt, bilden eine Tumbleströmung, wie durch den kreisförmigen Pfeil 174 dargestellt.
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Der Boden des Kolbens 140 ist in 7 isometrisch gezeigt, die die Bereiche 158 und 164 darstellt, in welchen die Tumbleströmung in den beiden Mulden in dieselbe Grundrichtung rotiert.
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Eine Alternative mit gegenläufigen Tumbleströmungen ist in 8 dargestellt. Zwei Einspritzdüsen 260 sind in Zylinder 250 angeordnet und der Raum zwischen Kolben 240 und 242 bildet zwei Brennräume. Bereiche 252 des Brennraums, die in der Nähe der Einspritzdüsen 260 angeordnet sind, sind im Wesentlichen konisch; Bereiche 254 des Brennraums, die entfernt von Einspritzdüsen 260 angeordnet sind, bilden im Wesentlichen eine Halbkugel. Zurück auf das Ausführungsbeispiel in 5 verweisend, zeigt die Ansicht des Brennraums, dass die Hauptteile der Brennraumoberfläche in Einlasskolben 140 gebildet sind. 5-7 sind verschiedene Ansichten desselben Ausführungbeispiels, in welchem die Tumbleströmungen in die im Wesentlichen selbe Richtung rotieren. 8–11 sind Ansichten eines Ausführungsbeispiels, in welchem die Tumbleströmungen im Wesentlichen gegenläufig rotieren. In der in 8 dargestellten Ansicht des Brennraums rotieren die Tumbleströmungen gegenläufig. Der Teil des Brennraums, der in 9 zu sehen ist, erzeugt eine Tumbleströmung 274 aus den Gasstrahlen 270 und 272, die heraus gedrückt werden, wenn die Kolben 240 und 242 sich während eines Kompressionshubs aufeinander zu bewegen.
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Eine isometrische Ansicht des Bodens von Kolben 240 ist in 10 gezeigt. Statt des erhöhten Bereichs des Kolbens auf einer Seite des Kolbens, wie es der Fall in 7 ist, liegen die erhöhten Bereiche 280 des Kolbens 240 entgegengesetzt voneinander (gegenüber voneinander in Bezug auf die Achse 266), d. h. in Quadranten gegenüber voneinander in Bezug auf die Mittelachse 266. Vertiefte Bereiche 282 des Bodens von Kolben 240 sind ebenfalls einander gegenüberliegend angeordnet. In 11 ist eine isometrische Ansicht des Auslasskolbens 242 mit Strahlen 268 dargestellt, die in die Brennraum-Bereiche spritzen. Drei Strahlen 268 von jeder Einspritzdüse 260 sind in 11 sichtbar. Zusätzliche Strahlen können aus der Einspritzdüse 260 austreten, sind jedoch nicht in 11 sichtbar. Alternativ kann eine Einspritzdüse mit weniger oder mehr Strahlen verwendet werden. Auslasskolben 242 weist diametral zueinander entgegengesetzte erhöhte Bereiche 290 und diametral zueinander entgegengesetzt abgesenkte Bereiche 292 auf. Abgesenkte Bereiche 290 des Auslasskolbens 242 bewegen sich in Richtung der erhöhten Bereiche 280 des Einlasskolbens 240 innerhalb der Hinundherbewegung während des Betriebs. Abgesenkte Bereiche 282 des Einlasskolbens 240 bewegen sich in Richtung der erhöhten Bereiche 292 des Auslasskolbens 242. Da die abgesenkten Bereiche jedes Kolbens benachbart zu einem vertieften Bereich sind, ist die Richtung der Tumbleströmung in den zwei Brennraumbereichen entgegengesetzt oder gegenläufig.
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In 12 wird eine Darstellung der Verbrennung eines Dieselstrahls gezeigt. Der Kraftstoff strömt aus einer Öffnung 300 einer Kraftstoffeinspritzdüse (nicht dargestellt). Die Flüssigkeitstropfen bewegen sich durch einen Bereich 302, wobei es zur Verdampfung kommt. Die Kraftstoffstrahlen breiten sich in Bereich 304 aus und durch die Verdampfung des Kraftstoffs entwickelt sich eine kraftstoffreiche Zone in Bereich 304. Die Strahlen bewegen sich weiter vorwärts und eine Selbstzündung des vorgemischten Kraftstoffs und der Luft folgt, wenn Kraftstoff und Luft in einer brennbaren Mischung eine Temperatur für eine ausreichende Zeitdauer erreichen um selbst zu zünden. Nachdem der vorgemischte Kraftstoff brennt, bildet sich eine Diffusionsflamme an der Peripherie des Strahls in Bereich 306. Ruß bildet sich in Bereich 308, von dem viel verbrennt, wenn sich der Ruß mit Luft vermischt. Der Kraftstoff aus dem Strahl ist im Wesentlichen innerhalb eines konischen Bereichs 320 enthalten, der mit einem halbkugelförmigen Bereich 322 verbunden ist. Die hier beschriebenen Brennräume sind im Wesentlichen mit einer Halbkugel am Ende konisch ausgebildet, d. h., ähnlich zu der Hüllkurve, die den Kraftstoffstrahl umschließt, der in 12 dargestellt ist.
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Ein Ausführungsbeispiel, in welchem der Brennraum vorzugsweise in einem Kolben 350 definiert ist, ist in 13 und 14 dargestellt. In 13 kann man erkennen, dass der Kolben 350 eine tiefe Mulde hat, während Kolben 352 eine flachere Mulde aufweist. Ebenfalls in 13 ist eine Endansicht von Kraftstoffstrahlen 354 aus einer Einspritzdüse (nicht dargestellt) gezeigt. Das Beispiel in 13 ist eine Vier-Strahl-Einspritzdüse an einer Position, in welcher die Strahlen sich überlappt haben. 14 ist ein um 90 Grad von 13 gedrehter Querschnitt, bei der der Querschnitt durch die Einspritzdüse 356 verläuft.
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Um die Beschreibung des Brennraums zu unterstützen, wird eine Reihe von Kolbenformen verwendet, die auf das Ausführungsbeispiel in 13 und 14 hinführen. Der Einlass- und der Auslasskolben sind, abgesehen vom im Bereich des Brennraums, im Wesentlichen konisch. Kolbenrohlinge sind im Querschnitt in 15 dargestellt: Kolben 370 ist konisch (in einer positiven Art) und Kolben 372 ist negativ konisch.
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Würde der Brennraum aus dem Zentrum des Auslasskolbens herausgearbeitet werden, wie in 16 dargestellt, würde keine Tumbleströmung erzeugt werden. Die Quetschströmung auf beiden Seiten ist aufwärts gerichtet, wie durch die Pfeile angezeigt. Durch Versetzen des Brennraums zu einer Seite hin kann ein Merkmal zugefügt werden, das dafür sorgt, dass die Strömung rotiert.
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In dem in 17 dargestellten Querschnitt ist die Brennmulde auf die linke Seite nach links von der Mittelachse 358 versetzt. Auf der linken Seite der Brennmulde 360 steigen die Kolbenböden beider Kolben nach rechts an. Auf der rechten Seite des Brennraums steigt die Grenzfläche zwischen den zwei Kolben ebenso nach rechts an. Jedoch weicht diese von der rein konischen Form ab, was durch die gestrichelte Linie 361 angezeigt ist. Ein Teil des Konus, der in Auslasskolben 350 sein würde, ist entfernt, d. h., der mit Bereich 362 angezeigte Teil. Bereich 362 ist Teil des Einlasskolbens 352 (aber wäre Teil des Auslasskolbens, wenn die konischen Formen aus 15 erhalten blieben). Der Vorteil dieses durch den Bereich 362 gezeigten Merkmals ist in 18 dargestellt. Die Quetschströmung, die von der Grenzfläche zwischen Einlasskolben 352 und Auslasskolben 350 erzeugt wird, wenn diese sich auf der linken Seite der Brennmulde 360 einander annähern, bewirkt eine Aufwärtsströmung ähnlich der in 16 gezeigten. Ein Pfeil stellt diese Aufwärtsströmung in 18 dar. Auf der rechten Seite der Brennmulde 360 wird eine Abwärtsströmung erzeugt, wenn sich die Kolben einander annähern, wodurch eine Tumbleströmung in der Brennmulde 17 herbeigeführt wird, wie durch den ringförmigen Pfeil dargestellt.
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In 19 wird eine isometrische Ansicht von Kolben 350 gezeigt. Wie oben bezüglich der Schnittzeichnung von Kolben 350 in 17 erörtert, ist die Form des Kolbens auf einer Seite der Brennmulde 360 anders als auf der anderen Seite. Ein Übergangsbereich 364 ist gegenüber der Einspritzdüse 356 vorgesehen. In einer solchen Lage hat der Übergangsbereich wenig Einfluss auf das Erzeugen einer Tumbleströmung, da die erwünschte Geometrie entlang des Großteils der Bewegungsbahn des Kraftstoffstrahls gegeben ist.
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Kolben 352 ist in 20 isometrisch dargestellt und zeigt die versetzte Anordnung des Brennraumes und zeigt den Brennraum separat. Es ist in der zweidimensionalen Zeichnung in 20 schwierig zu erkennen, dass Kolben 352 konkav ist. Nichtsdestotrotz ist, da Kolben 352 konkav ist, dem Fachmann ersichtlich, dass Brennmulde 356 weniger tief ist als in den Ausführungsbeispielen in 2–11. Dies kann einen Vorteil beim Spülen des Brennmuldenbereichs bieten. Jedoch sind die Ausführungsbeispiele in den 2–11 leichter und weisen weniger Bereiche auf, an denen sich Temperaturspitzen bilden können und können daher weitere Vorteile bieten. Die Auswahl der Brennraumform kann von der endgültigen Anwendung abhängig sein.
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Wie oben erörtert, kann Kolben 352 als Bauteil betrachtet werden, das aus einem in dem Kolbenboden definierten Konus, d. h. einem negativen Konus entsteht. Jedoch ist aufgrund des Wunsches zur Erzeugung einer Tumbleströmung der Bereich 361 ausgebildet, wie in 17 dargestellt. Demzufolge ist in manchen Ausführungsbeispielen der Kolbenrohling kein negativer Konus, sondern weist zusätzliches, in Bereich 361 gebildetes Material auf. Bereich 361 weist eine ziemlich spitze Spitze auf und erstreckt sich in Richtung des Auslasskolbens 350. Dies bildet eine Kante in Kolben 352. Es ist vorteilhaft, dass die Brennmulde 360 versetzt ist, so dass die Kante in Bereich 361 zentraler positioniert ist als sie es wäre, wenn die Brennmulde 360 zentral positioniert wäre. So ist eine Beeinträchtigung der Einlassströmung durch die Kante des Bereichs 361 minimiert.
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In der obigen Erörterung wird eine Einspritzdüse mit einer oder mehr Öffnungen vorgestellt und in verschiedenen Figuren dargestellt. Alternativ kann eine Einspritzdüse mit einem nach außen geöffneten Stift verwendet werden. Eine solche Einspritzdüse sorgt für einen Strahl, der ein hohler Konus ist. Der Winkel des Konus kann variiert werden, indem die Geometrie der Düsenspitze variiert wird. In 21 ist eine isometrische Ansicht von Auslasskolben 350 gezeigt, wobei ein konischer Strahl 382 in die Brennmulde 362 gerichtet ist. Ein Querschnitt der Kolben und des konischen Strahls ist ebenfalls in 22 dargestellt. Solch ein Strahl kann das Verdampfen begünstigen, indem Luft an die innere und die äußere Oberfläche des konischen Strahls gelangt. Eine Stift-Einspritzdüse kann anstelle der Mehrlocheinspritzdüse in jedem der Ausführungsbeispiele verwendet werden.
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2–4 zeigen ein Ausführungsbeispiel mit einer einzelnen Einspritzdüse, während 5–7 ein Doppeleinspritzdüsen-Ausführungsbeispiel zeigen, das analog zu den Ausführungsbeispielen der 2–4 ist. Das heißt, die Brennmulden in den 5–7 sind proportional kleiner ausgebildet, um zwei der in den 2–4 dargestellten Mulden aufzunehmen. Das Ausführungsbeispiel des in 13–14 dargestellten Ausführungsbeispiels mit einzelner Einspritzdüse kann gleichermaßen zu einem Doppeleinspritzdüsen-Ausführungsbeispiel erweitert werden.
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In 23 ist Kolben 350 in einer isometrischen Ansicht dargestellt. Die Brennmulde besteht aus einem eingezogenen Bereich einer Kugelfläche 380 und einem konischen Bereich 382, der für einen Durchlass von einem Düsenspitzenbereich 390 (Einspritzdüse nicht dargestellt) zu dem Kugelfächenbereich 380 sorgt. Im Bereich 361 ist Material von dem Kolbenrohling entfernt. Zurück auf 18 verweisend bietet dies die Möglichkeit, unter Mitwirkung von Kolben 352 die Gase abwärts in die Brennmulde 360 zu leiten.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens ist in 24 aufgeführt. Ein Kolben wird mit Kolbenboden hergestellt, der konvex-konisch 400 ist. Dies bezieht sich auf einen vertikalen Konus zum Zwecke der Diskussion bei Betrachtung des Kolbens mit seiner Mittelachse vertikal ausgerichtet. Der Kolben kann ein einstückiger Kolben oder aus einer Mehrzahl von Elementen hergestellt sein. Der Bereich, der den Kolbenboden enthält, beinhaltet den Konus. Eine kugelförmige Brennmulde wird in dem Konus eingeformt, wobei sie von einer zentralen Position 402 versetzt ist. Der im Auslasskolben gebildete Bereich der Brennmulde ist im in 23 dargestellten Ausführungsbeispiel eingezogen. Die Kugelfläche, die im Auslasskolben definiert ist, ist eine Teilkugelfläche, da ein Teil der Brennmulde auch in dem Einlasskolben (nicht dargestellt) gebildet ist.
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Ein horizontal angelegter, konischer Durchlass ist in dem Kolbenboden 404 definiert. Die Spitze des Konus ist in der Nähe der Spitze der Einspritzdüse angeordnet, wobei die Basis des Konus mit der Kugelfläche übereinstimmt. Der Konus öffnet sich zu der Brennmulde, damit Kraftstoffstrahlen, die sich nach Austreten aus der Einspritzdüse ausweiten, in die Brennmulde gelangen können. Ein Bereich des übrigen Konus ist auf einer Seite der Brennmulde entfernt, um eine Ausnehmung zu bilden. Die Ausnehmung in dem Auslasskolben mit dem korrespondierenden, zusätzlichen Bereich an dem Einlasskolben (wie in 23 dargestellt), leitet die Strömung abwärts in die Brennmulde, um eine Tumbleströmung zu ermöglichen. Verfahrensschritte 402–204 in 24 können in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden.
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Während die beste Ausführung detailliert in Bezug auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, werden die Fachleute verschiedene alternative Anordnungen und Ausführungsbeispiele innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche erkennen. Während verschiedene Ausführungsbeispiele als vorteilhaft oder als bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsbeispielen in Bezug auf ein oder mehrere Merkmale hätten beschrieben werden können, können, wie ein Fachmann weiß, ein oder mehrere Merkmale verglichen werden, um gewünschte Systemattribute zu erlangen, was von der spezifischen Anwendung und Umsetzung abhängig ist. Diese Attribute beinhalten, aber sind nicht begrenzt auf: Kosten, Beanspruchbarkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Packaging, Verpackung, Größe, Bedienbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit des Zusammenbaus, etc. Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele, die als weniger erwünscht als andere Ausführungsbeispiele oder Umsetzungen des Stands der Technik in Bezug auf ein oder mehrere Merkmale charakterisiert werden, befinden sich nicht außerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung und können für bestimmte Anwendungen erwünscht sein.
