DE102013101357A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum (12) pro Zylinder (1), welcher durch eine dachförmige Brennraumdeckfläche (13) und einen Kolbenboden (14) des Kolbens (2) gebildet ist, wobei im Kolbenboden (14) zwischen zumindest einer einlassseitigen Quetschfläche (15) und zumindest einer auslassseitigen Quetschfläche (16) eine Kolbenmulde (17) eingeformt ist, wobei die Quetschflächen (15, 16) des Kolbens (2) im Wesentlichen der Brennraumdeckfläche (13) nachgeformt sind und jede Quetschfläche (15, 16) des Kolbens (2) einen an die Kolbenmulde (17) grenzenden Kolbenmuldenrandbereich (15a, 16a) und einen an einen Kolbenmantel (2a) grenzenden Kolbenmantelbereich (15b, 15b) aufweist, und wobei bei der auslassseitigen Quetschfläche (16) der Kolbenmuldenrandbereich (16b) weiter von einer durch die Kolbenbolzenachse (21a) gelegten fiktiven Normalebene (22) auf die Zylinderachse (9) entfernt ist, als der Kolbenmantelbereich (16b), wobei in den Brennraum (12) auf einer Einlassseite (E) zumindest ein eine Tumbleströmung (T) im Brennraum (12) initiierender Einlasskanal (5) einmündet und auf einer Auslassseite (A) vom Brennraum (12) zumindest ein Auslasskanal (7) ausgeht. Um Verbrennungsaussetzer zu vermeiden ist vorgesehen, dass bei der einlassseitigen Quetschfläche (15) der Kolbenmantelbereich (15b) weiter von der Normalebene (22) entfernt ist, als der Kolbenmuldenrandbereich (15a), und dass zwischen der auslassseitigen Quetschfläche (16) des Kolbens (2) und einer dieser benachbarten auslassseitigen Seitenwand (17c) der Kolbenmulde (17) eine einen definierten ersten Radius (R1) aufweisende Muldenkante (17e) ausgebildet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, mit einem Brennraum pro Zylinder, welcher durch eine dachförmige Brennraumdeckfläche und einen Kolbenboden des Kolbens gebildet ist, wobei im Kolbenboden zwischen zumindest einer einlassseitigen Quetschfläche und zumindest einer auslassseitigen Quetschfläche eine Kolbenmulde eingeformt ist, wobei die Quetschflächen im Wesentlichen der Brennraumdeckfläche nachgeformt sind und jede Quetschfläche einen an den Kolbenmantel grenzenden Kolbenmantelbereich und einen an die Kolbenmulde grenzenden Kolbenmuldenrandbereich aufweist, und wobei bei der auslassseitigen Quetschfläche der Kolbenmuldenrandbereich weiter von einer durch die Kolbenbolzenachse gelegten fiktiven Normalebene auf die Zylinderachse entfernt ist, als der Kolbenmantelbereich, wobei in den Brennraum auf einer Einlassseite zumindest ein eine Tumbleströmung im Brennraum initiierender Einlasskanal einmündet und auf einer Auslassseite vom Brennraum zumindest ein Auslasskanal ausgeht.
- Die
WO 2009/022218 A2 - Die
EP 1362996 B1 beschreibt einen Kolben für eine direkteinspritzende, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit einer im Zylinder zentral angeordneten Zündeinrichtung und einem seitlich angeordneten Injektor zur direkten Kraftstoffeinspritzung. Der Kolben weist eine Kolbenmulde mit einem im Wesentlichen tropfenförmigen Grundriss auf. In die Kolbenoberfläche sind Ventiltaschen für die Ein- und Auslassventile eingeformt. - Die
JP 62-058 013 A - Aus der
WO 2009/022 218 A2 - Es ist bekannt, Quetschflächen in Kolben zur gezielten Erzeugung von Tumbleströmungen einzusetzen. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit hoher Drehzahl und sehr hoher Ladungsdichte kommt es durch die Resttumbleströmung zu recht hohen Strömungsgeschwindigkeiten an der Zündkerze, insbesondere bei geringen Elektrodenvorständen, welches sich nachteilig auf die Verbrennung auswirken.
- Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und die Strömungsgeschwindigkeiten an der Zündkerze zu verringern.
- Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass bei der einlassseitigen Quetschfläche der Kolbenmantelbereich weiter von der Normalebene entfernt ist, als der Kolbenmuldenrandbereich, und dass zwischen der auslassseitigen Quetschfläche des Kolbens und einer dieser benachbarten auslassseitigen Seitenwand der Kolbenmulde eine einen definierten ersten Radius aufweisende Muldenkante ausgebildet ist.
- Vorzugsweise weist die Brennraumdeckfläche eine im Bereich des oberen Totpunktes mit der einlassseitigen Quetschfläche des Kolbens korrespondierende einlassseitigen Quetschfläche auf, wobei die einlassseitige Quetschfläche der Brennraumdeckfläche einen inneren Randbereich und einen äußeren Randbereich aufweist, wobei der äußere Randbereich von der Zylinderachse weiter beabstandet ist, als der innere Randbereich, und wobei der äußere Randbereich von einer normal auf der Zylinderachse ausgebildeten Zylinderkopfdichtebene weiter entfernt ist, als der innere Randbereich. Die einlassseitige Quetschfläche der Brennraumdeckfläche kann dabei zumindest annähernd parallel zur einlassseitigen Quetschfläche des Kolbens ausgebildet sein, um starke Quetschströmungen zu initiieren.
- Die Brennraumdeckfläche kann weiters eine im Bereich des oberen Totpunktes mit der auslassseitigen Quetschfläche des Kolbens korrespondierende auslassseitige Quetschfläche aufweisen, wobei die auslassseitige Quetschfläche der Brennraumdeckfläche einen inneren Randbereich und einen äußeren Randbereich aufweist, und wobei der äußere Randbereich von der Zylinderachse weiter beabstandet ist, als der innere Randbereich und der innere Randbereich von einer normal auf der Zylinderachse ausgebildeten Zylinderkopfdichtebene weiter entfernt ist, als der äußere Randbereich. Auch die auslassseitige Quetschfläche der Brennraumdeckfläche kann zur Erzeilung hoher Quetscheffekte etwa parallel zur auslassseitigen Quetschfläche des Kolbens ausgebildet sein.
- Durch die tumbleerzeugend geformten Einlasskanäle wird im Brennraum während des Einlasstaktes eine Tumbleströmung generiert, die bis zum Zündzeitpunkt erhalten bleibt. Im Bereich des oberen Totpunktes der Zündung würde die restliche Tumbleströmung – insbesondere bei hoher Motordrehzahl und hoher Ladungsdichte – hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Zündkerze initiieren, was zu Verbrennungsaussetzern führen könnte. Durch die ein- und auslassseitigen Quetschflächen im Kolben und in der Brennraumdeckfläche werden Quetschströmungen erzeugt, welche entgegen der Richtung der Tumbleströmung ausgebildet sind und somit die Tumbleströmung abbremsen bzw. in Turbulenz umwandeln.
- In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in die einlassseitige Quetschfläche des Kolbens zumindest eine Einlassventiltasche eingeformt ist, und dass in die auslassseitige Quetschfläche des Kolbens zumindest eine Auslassventiltasche eingeformt ist. Die Einlassventiltaschen bzw. Auslassventiltaschen sind zumindest teilweise den Einlassventiltellern bzw. Auslassventiltellern nachgeformt. Dabei kann die brennraumseitige Tellerfläche zumindest eines Auslassventils mit der entsprechenden korrespondierenden Auslassventiltasche im Kolben erweiterte Quetschflächen ausbilden.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn die einlassseitige Quetschfläche der Brennraumdeckfläche durch eine eine Einspritzeinrichtung aufnehmende Bohrung unterbrochen ist.
- Für die Bildung der Tumbleströmung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Kolbenmulde auf der Einlassseite in Richtung der einlassseitigen Quetschfläche zu einem zwischen den Einlassventiltaschen liegenden seitlichen Einspritzbereich ausläuft, wobei die Kolbenmulde einen im Wesentlichen tropfenförmigen oder dreieckigen Grundriss aufweist, und wobei vorzugsweise die Seitenflächen der Kolbenmulde im Wesentlichen einem vom Einspritzbereich ausgehenden Einspritzstrahl nachgebildet sind.
- Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass die Kolbenmulde zumindest annähernd punktsymmetrisch, vorzugsweise rotationssymmetrisch, in Bezug zu einem im Bereich der Zylinderachse angeordneten Einspritzbereich ausgebildet ist.
- Um die Verbrennung günstig zu beeinflussen ist es vorteilhaft, wenn zwischen der Seitenwand der Kolbenmulde und dem Boden der Kolbenmulde ein definierter zweiter Radius ausgebildet ist.
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt durch einen Zylinder; -
2 eine Draufsicht auf einen Kolben der Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante; -
3 diesen Kolben im Schnitt gemäß der Linie III-III in2 ; -
4 eine Draufsicht auf einen Kolben der Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante; und -
5 diesen Kolben im Schnitt gemäß der Linie V-V in4 . -
1 zeigt einen Zylinder1 einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, wobei im Zylinder1 ein hin- und hergehende Kolben2 angeordnet ist. Mit Bezugszeichen3 ist der Zylinderblock, mit Bezugszeichen4 der Zylinderkopf bezeichnet. In Zylinderkopf4 sind im Ausführungsbeispiel zwei Einlasskanäle5 angeordnet, von denen zumindest einer tumbleerzeugend ausgebildet ist. Die Einlassströmung der auf der Einlassseite E angeordneten Einlasskanäle5 wird über Einlassventile6 gesteuert. Weiters sind auf der Auslassseite A zwei Auslasskanäle7 im Zylinderkopf4 vorgesehen, welche über Auslassventile8 gesteuert werden. Im Bereich einer Zylinderachse9 ist eine zentrale Zündkerze10 angeordnet. Seitlich zwischen den beiden Einlassventilen6 mündet eine Einspritzeinrichtung11 zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum12 ein. - Der Brennraum
12 wird durch die durch den Zylinderkopf2 geformte Brennraumdeckfläche13 und den Kolbenboden14 gebildet. Der Kolben2 weist zwischen einlassseitigen Quetschflächen15 und auslassseitigen Quetschflächen16 des Kolbens2 eine Kolbenmulde17 auf. In die Quetschflächen15 ,16 sind Einlassventiltaschen21 und Auslassventiltaschen22 für Einlassventile6 bzw. Auslassventile8 eingeformt. Die Brennraumdeckfläche13 des Zylinderkopfes4 weist mit den Quetschflächen15 ,16 des Kolbens2 korrespondierende einlassseitige Quetschflächen19 und auslassseitige Quetschflächen20 auf. - Die Brennraumdeckfläche
13 ist im Wesentlichen dachförmig geformt. Die auslassseitige Quetschfläche16 des Kolbens2 ist dabei im gleichen Sinne wie die darüber liegende Brennraumdeckfläche13 geneigt. Die auslassseitigen Quetschflächen16 und20 des Kolbens2 bzw. des Zylinderkopfes4 sind dabei im Wesentlichen etwa parallel zueinander gestaltet. Ebenfalls parallel zueinander sind die einlassseitigen Quetschflächen15 und19 des Kolbens2 bzw. des Zylinderkopfes4 . - Die auslassseitige Quetschfläche
16 des Kolbens2 weist im auslassseitigen Kolbenmuldenrandbereich16a einen größeren Abstand von einer durch die Kolbenbolzenachse21a des Kolbenbolzens21 gelegte Normalebene22 auf die Zylinderachse9 auf, als in einem dem Kolbenmantel2a benachbarten kolbenmantelseitigen Bereich16b . Die einlassseitige Quetschfläche15 ist entgegen der Dachform geneigt, so dass die einlassseitige Quetschfläche15 des Kolbens2 im kolbenmuldenseitigen Bereich15a eine kleineren Abstand von der Normalebene22 aufweist, als im kolbenmantelseitigen Bereich15b . - Analog dazu ist der innere Randereich
19a der einlassseitigen Quetschfläche19 der Brennraumdeckfläche13 von einer Zylinderkopfdichtebene23 weniger weit beabstandet, als der von der Zylinderachse9 entferntere äußere Randbereich19b . - Wie aus
2 und3 ersichtlich ist, weist im Ausführungsbeispiel die Kolbenmulde17 eine im Wesentlichen tropfenförmige Grundriss auf, wobei die Seitenwände17a ,17b der Kolbenmulde17 im Wesentlichen einem vom Einspritzbereich11b ausgehenden Einspritzstrahl einer seitlich einmündenden Einspritzeinrichtung11 nachgebildet sind. Im Bereich der auslassseitigen Seitenwand17c der Kolbenmulde17 ist zwischen der auslassseitigen Quetschfläche16 und der auslassseitigen Seitenwand17c eine Muldenkante17e mit einem ersten Krümmungsradius R1, und zwischen der Seitenwand17c und dem Boden17d der Kolbenmulde17 ein zweiter Krümmungsradius R2ausgebildet. Der Boden17d der Kolbenmulde17 ist zwischen der einlassseitigen Quetschfläche15 und der auslassseitigen Quetschfläche16 des Kolbens2 abfallend gestaltet, so dass die Kolbenmulde17 im Bereich der auslassseitigen Quetschfläche16 eine größere Tiefe aufweist, als im Bereich der einlassseitigen Quetschfläche15 . - Die in den
4 und5 dargestellte Ausführungsvariante unterscheidet sich von der in den2 und3 gezeigten dadurch, dass der Einspritzbereich11b der Einspritzeinrichtung11 zentral, insbesondere im Bereich der Zylinderachse9 angeordnet ist. Die Kolbenmulde ist dabei punktsymmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch hinsichtlich des Einspritzbereiches11b ausgebildet, wobei vorteilhafterweise im Einspritzbereich11b eine zentrale Erhebung17f im Boden17d der Kolbenmulde17 angeordnet ist. - Wie in
1 dargestellt ist, kommt es während der Kolbenbewegung zu einer Tumbleströmung, welche im Bereich der Brennraumdeckfläche13 von der Einspritzeinrichtung11 zur Zündeinrichtung10 und weiter zur Kolbenmulde17 verläuft. Insbesondere im Bereich von hohen Drehzahlen käme es zu sehr hohen Strömungsgeschwindigkeit an der Zündkerze10 , was sich nachteilig auf die Verbrennung auswirken würde. Die einlassseitigen Quetschflächen15 ,19 und auslassseitigen Quetschflächen16 ,20 erzeugen bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens2 eine Gegenströmung S1 und S2, welche der Tumbleströmung T entgegenwirken und somit die Strömungsgeschwindigkeit des Tumbles T bremsen oder in eine Turbulenz umwandeln. - Dabei können zusätzlich zu den auslassseitigen Quetschflächen
16 ,20 im Kolben2 und im Zylinderkopf4 auch die brennraumseitigen Tellerflächen18 der Auslassventile8 bzw. die Auslassventiltaschen22 im Kolbenboden14 als erweiterte Quetschflächen wirken. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/022218 A2 [0002, 0005]
- EP 1362996 B1 [0003]
- JP 62-058013 A [0004]
Claims (14)
- Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder (
1 ) hin- und hergehenden Kolben (2 ), mit einem Brennraum (12 ) pro Zylinder (1 ), welcher durch eine dachförmige Brennraumdeckfläche (13 ) und einen Kolbenboden (14 ) des Kolbens (2 ) gebildet ist, wobei im Kolbenboden (14 ) zwischen zumindest einer einlassseitigen Quetschfläche (15 ) und zumindest einer auslassseitigen Quetschfläche (16 ) eine Kolbenmulde (17 ) eingeformt ist, wobei die Quetschflächen (15 ,16 ) des Kolbens (2 ) im Wesentlichen der Brennraumdeckfläche (13 ) nachgeformt sind und jede Quetschfläche (15 ,16 ) des Kolbens (2 ) einen an die Kolbenmulde (17 ) grenzenden Kolbenmuldenrandbereich (15a ,16a ) und einen an einen Kolbenmantel (2a ) grenzenden Kolbenmantelbereich (15b ,16b ) aufweist, und wobei bei der auslassseitigen Quetschfläche (16 ) der Kolbenmuldenrandbereich (16b ) weiter von einer durch die Kolbenbolzenachse (21a ) gelegten fiktiven Normalebene (22 ) auf die Zylinderachse (9 ) entfernt ist, als der Kolbenmantelbereich (16a ), wobei in den Brennraum (12 ) auf einer Einlassseite (E) zumindest ein eine Tumbleströmung (T) im Brennraum (12 ) initiierender Einlasskanal (5 ) einmündet und auf einer Auslassseite (A) vom Brennraum (12 ) zumindest ein Auslasskanal (7 ) ausgeht, dadurch gekennzeichnet, dass bei der einlassseitigen Quetschfläche (15 ) der Kolbenmantelbereich (15b ) weiter von der Normalebene (22 ) entfernt ist, als der Kolbenmuldenrandbereich (15a ), und dass zwischen der auslassseitigen Quetschfläche (16 ) des Kolbens (2 ) und einer dieser benachbarten auslassseitigen Seitenwand (17c ) der Kolbenmulde (17 ) eine einen definierten ersten Radius (R1) aufweisende Muldenkante (17e ) ausgebildet ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumdeckfläche (
13 ) eine im Bereich des oberen Totpunktes mit der einlassseitigen Quetschfläche (15 ) des Kolbens (2 ) korrespondierende einlassseitigen Quetschfläche (19 ) aufweist, wobei die einlassseitige Quetschfläche (19 ) der Brennraumdeckfläche(13 ) einen inneren Randbereich (19a ) und einen äußeren Randbereich (19b ) aufweist, und wobei der äußere Randbereich (19b ) von der Zylinderachse (9 ) weiter beabstandet ist, als der innere Randbereich (19a ), und wobei der äußere Randbereich (19b ) von einer normal auf der Zylinderachse (9 ) ausgebildeten Zylinderkopfdichtebene (23 ) weiter entfernt ist, als der innere Randbereich (19a ). - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumdeckfläche (
13 ) eine im Bereich des oberen Totpunktes mit der auslassseitigen Quetschfläche (16 ) des Kolbens (2 ) korrespondierende auslassseitige Quetschfläche (20 ) aufweist, wobei die auslassseitige Quetschfläche (20 ) der Brennraumdeckfläche (13 ) einen inneren Randbereich (20a ) und einen äußeren Randbereich (20b ) aufweist, und wobei der äußere Randbereich (20b ) von der Zylinderachse (9 ) weiter beabstandet ist, als der innere Randbereich (20a ) und der innere Randbereich (20a ) von einer normal auf der Zylinderachse (9 ) ausgebildeten Zylinderkopfdichtebene (23 ) weiter entfernt ist, als der äußere Randbereich (20b ). - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die einlassseitige Quetschfläche (
15 ) des Kolbens (2 ) zumindest eine Einlassventiltasche (21 ) eingeformt ist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die auslassseitige Quetschfläche (
16 ) des Kolbens (2 ) zumindest eine Auslassventiltasche (22 ) eingeformt ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die brennraumseitige Tellerfläche (
18 ) zumindest eines Auslassventils (8 ) mit der entsprechenden korrespondierenden Auslassventiltasche (22 ) im Kolben (2 ) erweiterte Quetschflächen ausbilden. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einlassseitige Quetschfläche (
19 ) der Brennraumdeckfläche (13 ) parallel zur einlassseitigen Quetschfläche (15 ) des Kolbens (2 ) ausgebildet ist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die auslassseitige Quetschfläche (
20 ) der Brennraumdeckfläche (13 ) parallel zur auslassseitigen Quetschfläche (16 ) des Kolbens (2 ) ausgebildet ist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einlassseitige Quetschfläche (
19 ) der Brennraumdeckfläche (13 ) durch eine von der Zylinderachse (9 ) beabstandete Einspritzeinrichtung (11 ) aufnehmende Bohrung (11a ) unterbrochen ist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (
17 ) auf der Einlassseite (E) in Richtung der einlassseitigen Quetschfläche (15 ) zu einem zwischen den Einlassventiltaschen liegenden seitlichen Einspritzbereich (11b ), ausläuft, wobei die Kolbenmulde (17 ) einen im Wesentlichen tropfenförmigen oder dreieckigen Grundriss aufweist, und wobei vorzugsweise die Seitenflächen (17a ,17b ) der Kolbenmulde (17 ) im Wesentlichen einem vom Einspritzbereich (11b ) ausgehenden Einspritzstrahl nachgebildet sind. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (
17d ) der Kolbenmulde (17 ) zwischen der einlassseitigen Quetschfläche (15 ) und der auslassseitigen Quetschfläche (16 ) des Kolbens (2 ) geneigt in Bezug auf die Normalebene (22 ) ausgebildet ist, wobei vorzugsweise der Boden (17d ) im Bereich der Einlassseite (E) von der Normalebene (22 ) weiter beabstandet ist, als im Bereich der Auslassseite (A). - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (
17 ) zumindest annähernd punktsymmetrisch, vorzugsweise rotationssymmetrisch, in Bezug zu einem vorzugsweise im Bereich der Zylinderachse (9 ) angeordneten zentralen Einspritzbereich (11b ) ausgebildet ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (
17d ) der Kolbenmulde (17 ) eine zentrale Erhebung (17f ) im Einspritzbereich (11b ) aufweist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Seitenwand (
17c ) der Kolbenmulde (17 ) und dem Boden (17d ) der Kolbenmulde (17 ) ein definierter zweiter Radius (R2) ausgebildet ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |