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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gemischbildung bei einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder und einer drehbar gelagerten Kurbelwelle, bei der
- – jeder Zylinder auf einer Einlassseite mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen der Ladeluft via Ansaugsystem und auf einer Auslassseite mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem aufweist,
- – jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den Zylinderkopf mit ausgebildet ist, und
- – die Kurbelwelle mit dem Kolben jedes Zylinders gelenkig verbunden ist, so dass der Kolben bei um eine Drehachse umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse oszilliert, wobei die Kolbenlängsachse senkrecht auf der Drehachse steht,
bei dem der Kraftstoff mittels einer Einspritzeinrichtung im Rahmen mindestens einer Einspritzung direkt in den mindestens einen Zylinder eingebracht wird, wobei die Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens angeordnet ist, in einer Mittelebene, die senkrecht auf der Drehachse der Kurbelwelle steht und in der die Kolbenlängsachse liegt.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Eine Brennkraftmaschine wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder, d. h. der Brennräume, miteinander verbunden werden, wozu im Zylinderkopf und im Zylinderblock Bohrungen vorgesehen sind. Der Zylinderblock dient als obere Kurbelgehäusehälfte der Aufnahme des Kolbens bzw. des Zylinderrohres jedes Zylinders. Der Zylinderkopf dient üblicherweise der Aufnahme des für den Ladungswechsel erforderlichen Ventiltriebs. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem über die mindestens eine Auslassöffnung und das Zuführen der Ladeluft via Ansaugsystem über die mindestens eine Einlassöffnung des Zylinders. Nach dem Stand der Technik werden bei Viertaktmotoren zur Steuerung des Ladungswechsels nahezu ausschließlich Hubventile verwendet, die entlang ihrer Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar sind und während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen, um die Einlass- und Auslassöffnungen freizugeben bzw. zu versperren.
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Der erforderliche Betätigungsmechanismus einschließlich der Ventile wird als Ventiltrieb bezeichnet. Dabei ist es die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlass- und Auslassöffnungen der Zylinder rechtzeitig freizugeben bzw. zu versperren, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Zylinders bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Ausschieben der Verbrennungsgase zu gewährleisten.
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Zur Betätigung eines Ventils wird einerseits eine Ventilfeder vorgesehen, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und andererseits, um das Ventil entgegen der Vorspannkraft dieser Ventilfeder zu öffnen, eine Ventilbetätigungseinrichtung.
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Eine im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf und transformiert die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle. Die durch den Zylinderblock gebildete obere Kurbelgehäusehälfte wird ergänzt durch die an den Zylinderblock montierbare und als untere Kurbelgehäusehälfte dienende Ölwanne. Die Ölwanne dient dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls und ist Teil des Ölkreislaufs. Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen.
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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren.
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Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors. Der traditionelle Ottomotor arbeitet mit einer äußeren Gemischbildung und einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch, wobei die Einstellung der gewünschten Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraumes erfolgt, d. h. mittels einer Quantitätsregelung. Durch Verstellen einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat aber aufgrund der Drosselverluste im Teillastbereich thermodynamische Nachteile.
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Einen Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens bietet die Direkteinspritzung des Kraftstoffes. Die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Die Entdrosselung der Brennkraftmaschine wird dadurch realisiert, dass in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung zum Einsatz kommt. Ein Verfahren zur Gemischbildung bei einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Mit der direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum lässt sich insbesondere eine geschichtete Brennraumladung realisieren, die wesentlich zur Entdrosselung des ottomotorisches Arbeitsverfahren beitragen kann, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs sehr weit abgemagert werden kann, was insbesondere im Teillastbetrieb, d. h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen sind, thermodynamische Vorteile bietet.
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Die Schichtladung ist durch eine sehr inhomogene Brennraumladung gekennzeichnet, welche nicht durch ein einheitliches Luftverhältnis charakterisierbar ist, sondern sowohl magere (λ > 1) Gemischteile als auch fette (λ < 1) Gemischteile aufweist, wobei im Bereich der Zündeinrichtung ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch mit vergleichsweise hoher Kraftstoffkonzentration vorliegt.
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Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung des Kraftstoffes im Rahmen von Vorreaktionen einschließlich der Verdampfung, sowie der Zündung des aufbereiteten Gemisches steht vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung.
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Da bei einer Direkteinspritzung nur wenig Zeit für die Gemischbildung zur Verfügung steht, sind Verfahren zur Gemischbildung erforderlich, mit denen die Gemischbildung unterstützt und beschleunigt wird, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch vor der Einleitung der Fremdzündung weitestgehend zu homogenisieren, solange – wie auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung – kein Schichtladebetrieb angestrebt wird. Von Bedeutung ist dies im Hinblick auf die Reduzierung der Schadstoffrohemissionen, insbesondere der unverbrannten Kohlenwasserstoffe, des Kohlenmonoxids und der Partikel.
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Im Wesentlichen können beim direkteinspritzenden Ottomotor drei Verfahren zur Gemischbildung unterschieden werden.
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Beim luftgeführten Verfahren wird versucht, die Gemischbildung mittels einer der Einlassströmung – beim Ansaugen der Luft in den Brennraum – aufgezwungenen Bewegung zu beeinflussen. Auf diese Weise soll eine gute Durchmischung der angesaugten Luft mit dem eingespritzten Kraftstoff erzielt werden, wobei ein direktes Auftreffen des eingespritzten Kraftstoffes auf die Innenwände des Brennraums durch die erzeugte Ladungsbewegung bzw. Strömung verhindert werden soll.
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Beispielsweise kann die Erzeugung eines sogenannten Tumbles oder einer Drallströmung die Gemischbildung beschleunigen und unterstützen. Ein Tumble ist ein Luftwirbel um eine gedachte Achse, welche parallel zur Längsachse, d. h. zur Drehachse der Kurbelwelle verläuft, im Gegensatz zu einem Drall, der einen Luftwirbel darstellt, dessen Achse parallel zur Kolben- d. h. Zylinderlängsachse verläuft.
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Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen kann ein gegen den Tumble gerichteter Einspritzstrahl zielführend sein, falls eine möglichst weiträumige Verteilung des Kraftstoffes im gesamten Brennraum angestrebt wird. Dies setzt eine entsprechende Positionierung der Einspritzdüse voraus, d. h. nach dem Stand der Technik eine seitliche Anordnung der Einspritzdüse im Brennraum.
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Die Anordnung und die Geometrie des Ansaugsystems, d. h. der Ansaugleitungen, hat maßgeblich Einfluss auf die Ladungsbewegung und damit auf die Gemischbildung, wobei die Ladungsbewegung im Zylinder durch die Brennraumgeometrie mit beeinflusst wird, insbesondere durch die Geometrie des Kolbenbodens bzw. einer gegebenenfalls im Kolbenboden vorgesehenen Kolbenmulde. Nach dem Stand der Technik werden bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen ausschließlich zur Kolbenlängsachse rotationssymmetrische Mulden verwendet, insbesondere omegaförmige Mulden. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse im Zylinderkopf ist eine Optimierung der Einlasskanäle in Hinblick auf die Gemischbildung und den Ladungswechsel gegebenenfalls nicht oder aber nicht vollumfänglich möglich.
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Beim wandgeführten Verfahren wird der Kraftstoff in der Art in den Brennraum eingespritzt, dass der Einspritzstrahl gezielt auf eine den Brennraum begrenzende Wand gerichtet wird, vorzugsweise in eine am Kolbenboden vorgesehene Mulde. Der Kraftstoffstrahl soll dabei durch den Aufprall in mehrere Teilstrahlen aufgespalten und umgelenkt werden, so dass ein möglichst großer Bereich des Brennraums von den Kraftstoffstrahlen erfasst wird. Insbesondere muss ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes in die Nähe der Zündeinrichtung gelenkt werden, um dort mit der angesaugten Luft ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch auszubilden.
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Während beim luftgeführten Verfahren ein direktes Auftreffen des eingespritzten Kraftstoffes auf die Brennrauminnenwände verhindert werden soll, wird dies beim wandgeführten Verfahren angestrebt. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die Benetzung der Brennrauminnenwände mit Kraftstoff die Ölverdünnung fördert und die Rohemissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen in nachteiliger Weise steigert.
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Beim strahlgeführten Verfahren wird der Kraftstoff gezielt in Richtung Zündeinrichtung eingespritzt, was durch eine entsprechende Ausrichtung der Einspritzstrahlen und eine entsprechend abgestimmte Anordnung von Einspritzeinrichtung und Zündeinrichtung erreicht wird, beispielsweise durch eine Anordnung sowohl der Zündeinrichtung als auch der Einspritzeinrichtung zentral im Zylinderkopf auf der dem Kolbenboden gegenüberliegenden Seite.
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Der Transport und die Verteilung des Kraftstoffes erfolgen im Wesentlichen durch den Impuls des Einspritzstrahls, so dass die Gemischbildung vergleichsweise unabhängig von der Brennraumgeometrie ist, was einen wesentlichen Vorteil gegenüber den beiden anderen Verfahren darstellt. Das strahlgeführte Verfahren eignet sich besonders für den geschichteten Betrieb der Brennkraftmaschine, weil einerseits ein zündfähiges Gemisch in einem eng begrenzten Bereich um die Zündeinrichtung herum ausgebildet werden kann und sich andererseits in weiten Bereichen des Brennraums eine geringe Kraftstoffkonzentration realisieren lässt.
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Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass bei direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen weiter Bedarf besteht an verbesserten Verfahren zur Gemischbildung.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Gemischbildung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, mit dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum vor Einleitung der Fremdzündung insbesondere besser homogenisiert wird.
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Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, eine direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch ein Verfahren zur Gemischbildung bei einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder und einer drehbar gelagerten Kurbelwelle, bei der
- – jeder Zylinder auf einer Einlassseite mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen der Ladeluft via Ansaugsystem und auf einer Auslassseite mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem aufweist,
- – jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den Zylinderkopf mit ausgebildet ist, und
- – die Kurbelwelle mit dem Kolben jedes Zylinders gelenkig verbunden ist, so dass der Kolben bei um eine Drehachse umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse oszilliert, wobei die Kolbenlängsachse senkrecht auf der Drehachse steht,
bei dem der Kraftstoff mittels einer Einspritzeinrichtung im Rahmen mindestens einer Einspritzung direkt in den mindestens einen Zylinder eingebracht wird, wobei die Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens angeordnet ist, in einer Mittelebene, die senkrecht auf der Drehachse der Kurbelwelle steht und in der die Kolbenlängsachse liegt,
und das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Ansaugsystem zum Zwecke einer Ladungsbewegung im Brennraum des mindestens einen Zylinders in der Art ausgebildet ist, dass im Rahmen eines Ladungswechsels ein Tumble im Brennraum erzeugt wird, wobei die via geöffneter Einlassöffnung in den Brennraum eintretende Ladeluft - – bei Eintritt in den Brennraum auf die Auslassseite gerichtet wird,
- – im Folgenden auslassseitig entlang des Zylinderrohres in Richtung Kolben geführt wird,
- – anschließend von der Auslassseite über den Kolbenboden in Richtung Einlassseite geleitet wird, und
- – abschließend einlassseitig entlang des Zylinderrohres in Richtung des Zylinderkopfes und damit in Richtung der mittig angeordneten Einspritzeinrichtung gelenkt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gemischbildung ist ein hybrides Gemischbildungsverfahren, welches ein Merkmal des strahlgeführten Verfahrens, nämlich die zentrale Anordnung der Einspritzeinrichtung im Zylinderkopf auf der dem Kolbenboden gegenüberliegenden Seite, und ein Merkmal des luftgeführten Verfahrens, nämlich die beim Ansaugen erzwungene Ladungsbewegung im Brennraum, miteinander kombiniert.
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Vorliegend ist die Einspritzeinrichtung in einer Mittelebene angeordnet und damit zentral wie bei einem strahlgeführten Gemischbildungsverfahren. Die Mittelebene ist erfindungsgemäß definiert als die Ebene, die senkrecht auf der Drehachse der Kurbelwelle steht und in der die Kolbenlängsachse liegt.
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Zur Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum dient aber nicht – wie beim strahlgeführten Verfahren – ausschließlich der Impuls des Einspritzstrahls bzw. der Einspritzstrahlen. Vielmehr wird die Gemischbildung, insbesondere die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, wie beim luftgeführten Verfahren durch eine Ladungsbewegung im Brennraum, vorliegend einen Tumble, beschleunigt und unterstützt.
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Erfindungsgemäß sind der Tumble und die Einspritzeinrichtung aber nicht, wie beim luftgeführten Verfahren, in der Weise aufeinander abgestimmt und zueinander angeordnet, dass die Einspritzstrahlen gegen den Tumble gerichtet sind bzw. werden. Vielmehr wird gemäß dem erfindungsgemäßen Gemischbildungsverfahren ein Tumble im Brennraum erzeugt, bei dem die in den Brennraum eintretende Ladeluft auf die Auslassseite gerichtet ist, anschließend auf der Auslassseite entlang des Zylinderrohres in Richtung Kolben geführt wird und im Bereich des Kolbens von der Auslassseite über den Kolbenboden in Richtung Einlassseite geleitet wird. Abschließend wird die kreisähnliche Strömung des Tumbles dadurch vervollständigt, dass die Ladeluft einlassseitig entlang des Zylinderrohres in Richtung des Zylinderkopfes und damit in Richtung der mittig angeordneten Einspritzeinrichtung gelenkt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gemischbildung sorgt für eine verbesserte Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum und löst damit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum vor Einleitung der Fremdzündung besser homogenisiert wird.
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Der erfindungsgemäße Tumble im Zusammenwirken mit der mittig angeordneten Einspritzeinrichtung stellt zudem sicher, dass die Innenwände des Zylinderrohres nicht bzw. möglichst wenig mit Kraftstoff benetzt werden. Erreicht wird dies durch die Ladeluftströmung des erfindungsgemäßen Tumble, die auslassseitig entlang des Zylinderrohres in Richtung Kolben geführt und einlassseitig entlang des Zylinderrohres in Richtung des Zylinderkopfes gelenkt wird. Dies wirkt sich insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen vorteilhaft aus, bei denen aufgrund der größeren Ladeluftmenge auch größere Kraftstoffmengen eingespritzt werden können bzw. einzuspritzen sind, weshalb der Gemischbildung eine besondere Bedeutung zukommt.
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Eine derartige Strömungsführung sorgt zudem für eine gute Innenkühlung des Zylinders und damit auch für eine Absenkung der Prozesstemperaturen, wobei die entlang des Zylinderrohres und des Kolbenbodens geführte Ladeluft die Brennraumwände mittels Konvektion gekühlt werden.
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Aus den vorstehend genannten Gründen sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen der mittels Einspritzeinrichtung eingespritzte Kraftstoff unter Verwendung des erzeugten Tumbles weiträumig im Brennraum verteilt wird, die Gemischbildung mittels Tumble beschleunigt wird und das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels Tumble homogenisiert wird.
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Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines Verfahrens einer vorstehend genannten Art bereitzustellen, wird gelöst durch eine direkteinspritzende fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einem Zylinder und einer drehbar gelagerten Kurbelwelle, bei der
- – jeder Zylinder auf einer Einlassseite mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen der Ladeluft via Ansaugsystem und auf einer Auslassseite mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem aufweist,
- – jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den Zylinderkopf mit ausgebildet ist,
- – die Kurbelwelle mit dem Kolben jedes Zylinders gelenkig verbunden ist, so dass der Kolben bei um eine Drehachse umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse oszilliert, wobei die Kolbenlängsachse senkrecht auf der Drehachse steht, und
- – jeder Zylinder mit einer Einspritzeinrichtung ausgestattet ist, die im Zylinderkopf auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders angeordnet ist, wobei die Einspritzeinrichtung in einer Mittelebene angeordnet ist, die senkrecht auf der Drehachse der Kurbelwelle steht und in der die Kolbenlängsachse liegt, und
die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – das Ansaugsystem zum Zwecke einer Ladungsbewegung im Brennraum des mindestens einen Zylinders in der Art ausgebildet ist, dass im Rahmen eines Ladungswechsels ein Tumble im Brennraum entsteht.
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Das bereits für das erfindungsgemäße Verfahren Gesagte gilt auch für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
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Der Ladeluftströmung wird beim Ansaugen eine Bewegung in der Art aufgezwungen, dass im Brennraum ein Tumble entsteht. Dabei trifft die via Einlassöffnung in den Brennraum eingeleitete Luftströmung auslassseitig auf das den Brennraum mit begrenzende Zylinderrohr, wird auslassseitig nach unten zum Kolben hin gelenkt, kolbenseitig über den Kolbenboden von der Auslassseite zur Einlassseite geleitet und einlassseitig in Richtung Zylinderkopf gelenkt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen
- – der Kolbenboden jedes Kolbens eine Mulde aufweist, die einen Muldenboden und umfänglich den Muldenboden seitlich begrenzende Wandungen umfasst und die keilförmig in der Art ausgebildet ist, dass eine virtuelle auf den Muldenboden aufgelegte Dachebene von der Auslassseite in Richtung Einlassseite geneigt ist, so dass die Dachebene mit einer Bezugsebene, welche die Drehachse der Kurbelwelle und die Kolbenlängsachse aufspannen, einen spitzen Winkel α < 90° bildet.
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Die vorliegende Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verbessert die Gemischbildung nochmals deutlich, wobei insbesondere der Kolben mit der asymmetrisch ausgebildeten Mulde die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beschleunigt und unterstützt und den eingespritzten Kraftstoff von den Innenwandungen des Brennraums fernhält, d. h. einer Benetzung der Innenwände entgegenwirkt.
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Die Luftströmung des Tumble strömt kolbenseitig über den Muldenboden der keilförmigen Mulde und folgt der Muldenkontur, d. h. die Ladeluft des Tumble folgt dem zur Einlassseite hin geneigten Muldenboden bis hin zu einer den Muldenboden auf der Einlassseite seitlich begrenzenden Wandung, die sich in Richtung des Brennraumdachs erstreckt und die Luftströmung des Tumble in Richtung Zylinderkopf, d. h. nach oben, lenkt, wodurch der Tumble als Ganzes erst ausgebildet wird. Dies geht mit einer abrupten Änderung der Strömungsrichtung einher und der Erzeugung starker Turbulenzen. Die Strömungsumlenkung im Muldengrund, d. h. im Übergangsbereich zwischen dem Muldenboden und der den Muldenboden auf der Einlassseite seitlich begrenzenden Wandung, ist ursächlich dafür verantwortlich, dass die Ladeluftströmung und mit dieser der eingespritzte Kraftstoff anstatt einlassseitig auf das Zylinderrohr zu treffen in Richtung Zylinderkopf gelenkt wird. Die starken Turbulenzen fördern die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
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Vorliegend ist der Muldenboden zur Einlassseite hin geneigt, wobei auf eine virtuelle auf den Muldenboden aufgelegte Dachebene Bezug genommen wird. Diese Formulierung trägt dem Umstand Rechnung, dass der Muldenboden als solcher nicht vollständig eben sein muss. D. h. Ausführungsformen des Kolbens, bei denen der Muldenboden teilweise oder vollumfänglich konkav geformt ist, können Bestandteil einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sein, d. h. diese mit ausbilden, solange eine virtuelle auf den Muldenboden aufgelegte Dachebene von der Auslassseite in Richtung Einlassseite geneigt ist, d. h. diese Dachebene mit einer Bezugsebene, welche die Drehachse der Kurbelwelle und die Kolbenlängsachse aufspannen, einen spitzen Winkel α < 90° bildet. Die virtuelle Dachebene und konkav ausgebildete Bodenbereiche weisen prinzipbedingt einen Abstand auf, beispielsweise bis zu 3 Millimeter.
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Vorteilhaft können jedoch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die virtuelle Dachebene und der Muldenboden zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollumfänglich, abstandslos aufeinanderliegen. Bei dieser Ausführungsform ist der Muldenboden teilweise oder vollumfänglich eben. Vorzugsweise ist der Muldenboden im Wesentlichen eben, d. h. mehr als die Hälfte der Muldenbodenfläche ist eben.
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Damit die Dachebene im erfindungsgemäßen und auch im üblichen Sinne als geneigt gelten und angesehen werden kann, muss gelten α ≠ 90° bzw. α < 90°. Die Geometrie des Kolbens, insbesondere die Winkel α und β zur Beschreibung des Kolbens und zur Definition der geometrischen Merkmale des Kolbens, werden im Rahmen der Figurenbeschreibung näher erläutert.
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Der einseitig geneigte Muldenboden führt auf einer Seite der dadurch keilförmig ausgebildeten Mulde zu einer vergrößerten Muldentiefe, nämlich auf der Einlassseite im Muldengrund, wobei gleichzeitig durch die Neigung das Muldenvolumen minimiert wird bzw. nicht in unvorteilhafter Weise über Gebühr vergrößert wird. In Folge dieser speziellen Gestalt der Mulde lässt sich mit dem Kolben ein hohes Kompressionsverhältnis realisieren und gleichzeitig eine verbesserte Ladungsbewegung über den Kolbenboden hinweg und damit eine verbesserte Gemischbildung.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Folgenden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Winkel α ≥ 60° ist bzw. der Winkel α ≥ 70° ist bzw. der Winkel α ≥ 75° ist. Der Winkel ist im Einzelfall der jeweiligen Anwendung, d. h. der Brennkraftmaschine anzupassen.
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Der Winkel bestimmt die Neigung des Muldenbodens und damit – wie oben bereits – dargelegt die maximale Muldentiefe im einlassseitigen Muldengrund und gleichzeitig das Muldenvolumen. Die Neigung des Muldenbodens hat wesentlichen Einfluss auf die Ladungsbewegung im Brennraum und damit auf die Gemischbildung und die Schadstoffemissionen.
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Das Muldenvolumen bestimmt das Kompressionsverhältnis mit, wobei ein kleineres Muldenvolumen ein höheres Kompressionsverhältnis bedingt. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass der Wirkungsgrad mit dem Kompressionsverhältnis mehr oder weniger korreliert, d. h. der Wirkungsgrad bei einem größeren Kompressionsverhältnis höher ist und bei einem kleineren Kompressionsverhältnis niedriger ist. Insofern ist ein höheres Kompressionsverhältnis vorteilhaft, da es den Wirkungsgrad steigert.
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Der Muldenboden sollte eine Mindestneigung aufweisen. Aus diesem Grunde sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der Winkel α ≤ 87° ist bzw. der Winkel α ≤ 85° ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Muldenboden sich von der Auslassseite in Richtung Einlassseite flächenmäßig verjüngt. Dann wird die Ladeluftströmung beim Überstreichen des Muldenbodens in Richtung Einlassseite gewissermaßen eingeschnürt und beschleunigt, wodurch der Impuls und bei Umlenkung im Muldengrund die Turbulenzen erhöht werden.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Abstand zwischen zwei sich gegenüberliegenden und den Muldenboden seitlich begrenzenden Wandungen, die sich von der Auslassseite in Richtung Einlassseite erstrecken, in Richtung Einlassseite abnimmt.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Muldenboden eine trapezförmige Grundform aufweist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine den Muldenboden auf der Einlassseite seitlich begrenzende Wandung mit der Bezugsebene, welche die Drehachse der Kurbelwelle und die Kolbenlängsachse aufspannen, einen Winkel 0° ≤ β ≤ 30° bildet.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Winkel β ≤ 20° ist bzw. der Winkel β ≤ 10° ist.
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Der Winkel β bestimmt den Grad der Umlenkung der Ladeluftströmung im Muldengrund, d. h. die Heftigkeit der Umlenkung und damit auch den Grad der erzeugten Turbulenzen. Ein weiterer geometrischer Parameter, der diesbezüglich Einfluss hat, ist der Krümmungsradius r im Muldengrund.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in einem Übergangsbereich zwischen dem Muldenboden und einer den Muldenboden auf der Einlassseite seitlich begrenzenden Wandung ein Muldengrund ausgebildet ist, der einen Krümmungsradius r aufweist mit 2mm ≤ r ≤ 10mm.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzeinrichtung eine Einspritzdüse ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzdüse eine nach innen öffnende Mehrlocheinspritzdüse ist. Die Mehrlocheinspritzdüse bietet gegenüber einer piezoelektrisch gesteuerten Einspritzdüse Kostenvorteile und sollte vorzugsweise über 4 bis 10 seitlich angeordnete Düsenöffnungen verfügen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzdüse mit einer in Richtung der Längsachse zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel ausgestattet ist, wobei die Düsennadel die Düsenöffnungen in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zur Einspritzung des Kraftstoffes freigibt. Eine Düsennadel ermöglicht die mechanische Betätigung der Einspritzdüse bzw. die Steuerung des Einspritzvorganges.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzdüse dezentral im Zylinderkopf mit einem Abstand zur Kolbenlängsachse angeordnet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzeinrichtung im Wesentlichen vertikal, vorzugsweise vertikal, d. h. parallel zur Kolbenlängsachse, im Zylinderkopf angeordnet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mit einer Zündeinrichtung ausgestattet ist, die im Zylinderkopf auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens zur Einleitung der Fremdzündung beabstandet zur Einspritzeinrichtung angeordnet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Zündeinrichtung eine Zündkerze ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Zündeinrichtung in der Mittelebene, die senkrecht auf der Drehachse der Kurbelwelle steht und in der die Kolbenlängsachse liegt, angeordnet ist.
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Bei dieser Ausführungsformen sind die Einspritzeinrichtung und die Zündeinrichtung quer zur Kurbelwelle beabstandet zueinander angeordnet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung vorgesehen ist, vorzugsweise eine Abgasturboaufladung.
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Dabei wird für die Aufladung vorzugsweise mindestens ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
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Die Vorteile des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader bestehen darin, daß keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Aufladung mit mindestens einem mechanischen Lader, beispielsweise einem Kompressor, realisiert wird, gegebenenfalls auch in Kombination mit einer Abgasturboaufladung.
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Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
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Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den Schadstoffemissionen erzielt werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ohnehin ab.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 schematisch den Brennraum eines Zylinders zur Veranschaulichung des Prinzips der Gemischbildung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, und
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2 schematisch in einem Querschnitt durch die Kolbenlängsachse und senkrecht zur Kurbelwelle den Kolbenboden eines Kolbens einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch den Brennraum eines Zylinders zur Veranschaulichung des Prinzips der Gemischbildung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die via geöffneter Einlassöffnung in den Brennraum eintretende Ladeluftströmung 11a ist infolge entsprechender Ausgestaltung des Ansaugsystems bei Eintritt in den Brennraum auf die Auslassseite 3 gerichtet, d. h. auf den auslassseitigen Zylinderrohrbereich 12 gerichtet.
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Die Ladeluftströmung 11b wird auslassseitig beim Auftreffen auf das Zylinderrohr 12 umgelenkt und entlang des Zylinderrohres 12 – auf der Auslassseite 3 – in Richtung des Kolbens 1 geführt. Bei Erreichen des Kolbens 1 wird die Ladeluftströmung 11c von der Auslassseite 3 über den Kolbenboden 1a in Richtung Einlassseite 4 geleitet.
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Die Ladeluftströmung 11c strömt kolbenseitig über den Muldenboden 2a einer keilförmigen Mulde 2 und folgt dabei der ebenen Muldenbodenfläche 2b bis hin zu einer Wandung 9, die den geneigten Muldenboden 2a auf der Einlassseite 4 seitlich begrenzt und sich in Richtung des Zylinderkopfes 13 erstreckt, so dass die Ladeluftströmung 11d bei Auftreffen auf die Wandung 9 in Richtung des Zylinderkopfes 13 nach oben gelenkt wird, d. h. eine abrupte Änderung der Strömungsrichtung erfährt, wodurch ein gegen den Uhrzeigersinn verlaufender Tumble 14 ausgebildet wird.
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Die Strömungsumlenkung im Muldengrund 10, d. h. im Übergangsbereich zwischen dem Muldenboden 2a und der den Muldenboden 2a auf der Einlassseite 4 seitlich begrenzenden Wandung 9, ist ursächlich dafür verantwortlich, dass die Ladeluftströmung 11d und mit dieser der eingespritzte Kraftstoff anstatt einlassseitig auf das Zylinderrohr 12 zu treffen in Richtung des als Brennraumdachs 13 dienenden Zylinderkopfes 13 gelenkt wird. Die infolge der Strömungsumlenkung im Muldengrund 10 hervorgerufenen starken Turbulenzen fördern die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
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Die Einspritzeinrichtung zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders ist mittig angeordnet, d. h. in einer Mittelebene, bezüglich der auf die 2 und die dazugehörige Beschreibung verwiesen wird. Im Rahmen der Einspritzung bilden die Einspritzstahlen 15a einen Einspritzkegel 15 aus.
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Der Tumble 14 im Zusammenwirken mit den zentral angeordneten Einspritzstrahlen 15a stellt sicher, dass die Innenwände des Zylinderrohres 12 nicht mit Kraftstoff benetzt und die Brennraumwände mittels Konvektion gekühlt werden.
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2 zeigt schematisch in einem Querschnitt durch die Kolbenlängsachse 1b und senkrecht zur Kurbelwelle den Kolbenboden 1a eines Kolbens 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Die Drehachse der Kurbelwelle steht senkrecht auf der Zeichenebene, wobei die Zeichenebene vorliegend die Mittelebene 5 bildet, in der die Einspritzeinrichtung angeordnet ist (nicht dargestellt).
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Der Kolbenboden 1a des Kolbens 1 verfügt über eine Kolbenmulde 2, deren Muldenboden 2a geneigt ist, so dass sich eine keilförmige Mulde 2 ausbildet. Eine virtuelle auf den Muldenboden 2a aufgelegte Dachebene 6 ist von der Auslassseite 3 in Richtung Einlassseite 4 geneigt, wobei die Dachebene 6 abstandslos auf der eben ausgebildeten Muldenbodenfläche 2b liegt.
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Die Dachebene 6 bildet mit einer Bezugsebene 7, welche die Drehachse der Kurbelwelle und die Kolbenlängsachse 1b aufspannen, einen spitzen Winkel α. Vorliegend gilt: α = 83°.
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Die Mulde 2 umfasst zudem seitliche Wandungen 8, 9, welche den Muldenboden 2a umfänglich seitlich begrenzen. Eine den Muldenboden 2a auf der Einlassseite 4 seitlich begrenzende Wandung 9 bildet mit der Bezugsebene 7, welche die Drehachse der Kurbelwelle und die Kolbenlängsachse 1b aufspannen, einen Winkel β. Vorliegend gilt: β = 17°.
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Der Muldengrund 10, der im Übergangsbereich zwischen dem Muldenboden 2a und der den Muldenboden 2a auf der Einlassseite 4 seitlich begrenzenden Wandung 9 ausgebildet wird, weist einen Krümmungsradius r auf. Vorliegend gilt: r = 2mm.
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Die keilförmige Mulde 2 bietet auf der Einlassseite 4 eine große Muldentiefe im Muldengrund 10, aber infolge der Neigung nur ein vergleichsweise kleines Muldenvolumen. In der Kombination werden dadurch sowohl ein hohes Kompressionsverhältnis als auch eine verbesserte Ladungsbewegung realisiert.
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Die Ladeluftströmung eines entgegen des Uhrzeigersinns gerichteten Tumbles folgt dem zur Einlassseite 4 hin geneigten Muldenboden 2a, trifft auf die den Muldenboden 2a einlassseitig begrenzende Wandung 9 und wird im Muldengrund 10 abrupt umgelenkt, wodurch Turbulenzen entstehen.
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Auf der Auslassseite 3 ist die auslassseitige Ventiltasche 3a eines Auslassventils zu erkennen, auf der Einlassseite 4 die auslassseitige Ventiltasche 4a eines Einlassventils.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 1a
- Kolbenboden
- 1b
- Kolbenlängsachse
- 2
- Kolbenmulde
- 2a
- Muldenboden
- 2b
- Muldenbodenfläche
- 3
- Auslassseite
- 3a
- auslassseitige Ventiltasche
- 4
- Einlassseite
- 4a
- einlassseitige Ventiltasche
- 5
- Mittelebene
- 6
- Dachebene
- 7
- von der Drehachse der Kurbelwelle und der Kolbenlängsachse aufspannte Bezugsebene
- 8
- eine den Muldenboden seitlich begrenzende Wandung
- 9
- eine den Muldenboden auf der Einlassseite seitlich begrenzende Wandung
- 10
- Muldengrund
- 11a
- via geöffneter Einlassöffnung in den Brennraum eintretende Ladeluftströmung
- 11b
- auslassseitig entlang des Zylinderrohres geführte Ladeluftströmung
- 11c
- kolbenseitig über den Kolbenboden geleitete Ladeluftströmung
- 11d
- einlassseitig entlang des Zylinderrohres gelenkte Ladeluftströmung
- 12
- Zylinderrohr
- 13
- Zylinderkopf, Brennraumdach
- 14
- Tumble
- 15
- Einspritzkegel
- 15a
- Einspritzstrahlen
- α
- Winkel zwischen der Dachebene und der Bezugsebene
- β
- Winkel zwischen einer den Muldenboden auf der Einlassseite seitlich begrenzenden Wandung und der Bezugsebene
- r
- Krümmungsradius des Muldengrundes
