DE102017120215B4 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Brennkraftmaschine (16), umfassend• einen Zylinder (17);• einen Zylinderkopf (18), der an einem Ende des Zylinders (17) angebracht ist;• einen Kolben (10), der im Inneren des Zylinders (17) verschiebbar ist und einen zum Zylinderkopf (18) weisenden Kolbenboden aufweist, in dem eine Mulde (11) ausgebildet ist;• die Mulde (11) die Form eines Kugelsegments hat;• h/r<1,2 gilt;• h die Höhe des Kugelsegments ist;• r der Radius des Kugelsegments ist;• eine Zündeinrichtung (19), die im Zylinderkopf (18) angeordnet ist, wobei die Zündeinrichtung einen Zündort (20) definiert oder aufweist, der im Mittelpunkt der zu dem Kugelsegment gehörenden Kugel oder im Volumenschwerpunkt der Mulde (11) oder des Kugelsegments liegt;• der Kolbenboden eine Quetschfläche (12) aufweist, wobei die Quetschfläche (12) die Form eines Kreisringes hat und die Mulde (11) konzentrisch umgibt; dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (18) ein zum Kolben (10) weisendes Brennraumdach aufweist, das flach oder eben ausgebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
• Aus der gattungsbildenden DE 10 2009 026 574 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, einem Kolben, einem Zylinderkopf und einer Laserzündeinrichtung bekannt. Der Zylinder und der Kolben begrenzen einen Brennraum. Der Kolben weist eine Mulde im Kolbenboden auf. Die Laserzündeinrichtung umfasst einen Zündlaser mit einem Zündpunkt, der in einem Bereich des Brennraums liegt, in dem die Strömungsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt der Zündung (Zündzeitpunkt) niedrig ist. In einer ersten Ausführungsform ist das Brennraumdach eben und die Kolbenmulde wird durch eine zylindrische Wand und einen ebenen Muldenboden begrenzt. Der Zündpunkt liegt nicht in der Mitte der Kolbenmulde, sondern ist radial nach außen verschoben und gleichzeitig noch in unmittelbarer Nähe des Bodens der Kolbenmulde angeordnet. In einer zweiten Ausführungsform dieser Brennkraftmaschine ist das Brennraumdach nicht eben ausgebildet, sondern ähnlich einem Satteldach ausgebildet und die Kolbenmulde ist halbelliptisch und symmetrisch zur Längsachse des Kolbens angeordnet ist. Der Zündpunkt ist nicht in der Mitte der Kolbenmulde angeordnet, sondern in Richtung der Längsachse der Zylinderbohrung nach oben in das Satteldach verschoben angeordnet. Es wird zudem die Möglichkeit erwähnt, das Brennraumdach und den Kolbenboden in Form einer Halbkugel oder einer Kalotte auszubilden. In einer dritten Ausführungsform dieser Brennkraftmaschine ist das Brennraumdach eben und die Kolbenmulde ist halbelliptisch und symmetrisch zur Längsachse des Kolbens angeordnet ist. Der Zündpunkt liegt in unmittelbare Nähe der Kolbenmulde zum Zeitpunkt der Zündung.
• Bei diesen bekannten Brennkraftmaschinen sind die Flammenwege im Brennraum unterschiedlich lang und ist das Oberflächen-Volumen-Verhältnis ungünstig.
• Aus der DE 10 2015 202 166 A1 ist eine Brennraumstruktur für einen Verbrennungsmotor bekannt. In einer Kolbenoberfläche des Kolbens ist eine Kolbenmulde ausgebildet. Die Kolbenmulde weist eine halbkugelförmige Form auf. Im Brennraum schließt sich ein Quetschbereich an, der durch eine erste Quetschfläche am Zylinderkopf und einer gegenüberliegenden zweiten Quetschfläche am Kolben, nämlich an der Kolbenoberfläche gebildet ist. Das Brennraumdach ist hier kugelförmig ausgebildet. Die erste Quetschfläche weist eine erste Schrägstellung zu der Zylinderlängsachse L und die zweite Quetschfläche weist eine zweite Schrägstellung zu der Zylinderlängsachse L auf.
• Aus der US 3 420 216 A ist ein Kolben bekannt, wobei der Kolben eine Mulde aufweist und die Mulde hierbei im Wesentlichen den Brennraum bildet. Die Mulde ist kugelsegmentförmig. Die Höhe des Kugelsegments ist hierbei deutlich größer als der Radius des Kugelsegments. Der Kolben weist eine seitliche Aussparung am Rand des Kugelsegmentes auf, in die eine Zündeinrichtung eingreift. Die Zündeinrichtung liegt somit nicht im Mittelpunkt der zu dem Kugelsegment gehörenden Kugel oder im Volumenschwerpunkt der Mulde oder des Kugelsegments.
• Aus der DE 26 24 128 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei ein Kolbenboden eine Mulde in Form eines Kugelabschnitts aufweist.
• Aus der DD 14 388 A1 ist ein weiterer Kolben mit einer sphärischen Mulde bekannt.
• Aus der DE 37 18 083 C2 ist eine weitere Brennkraftmaschine mit einem Kolben mit einer halbkugelförmigen Mulde bekannt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die geringere Unterschiede der Flammenwege im Brennraum und ein günstigeres Oberflächen-Volumen-Verhältnis ermöglicht.
• Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Die Erfindung schlägt eine Brennkraftmaschine vor, umfassend
• • einen Zylinder;
• • einen Zylinderkopf, der an einem Ende des Zylinders angebracht ist;
• • einen Kolben, der im Inneren des Zylinders verschiebbar ist und einen zum Zylinderkopf weisenden Kolbenboden aufweist, in dem eine Mulde ausgebildet ist;
wobei
• • die Mulde die Form eines Kugelsegments hat.
• Die Erfindung ermöglicht nahezu gleich lange Flammenwege, die zudem minimiert oder im Vergleich zu den bekannten Brennkraftmaschinen kürzer sind, ein optimales oder ein im Vergleich zu den bekannten Brennkraftmaschinen verbessertes Oberflächen-Volumen-Verhältnis und eine im Vergleich zu den bekannten Brennkraftmaschinen gleichmäßigere Energieumsetzung des Kraftstoffs. Die Mulde ermöglicht eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung und kurze Brennzeiten.
• Die Brennkraftmaschine kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein und beispielsweise keinen, oder wenigstens einen, zusätzlichen Zylinder und / oder keinen, oder wenigstens einen, zusätzlichen Zylinderkopf und / oder keinen, oder wenigstens einen, zusätzlichen Kolben umfassen. Die Brennkraftmaschine kann beispielhaft ein Ottomotor oder ein Dieselmotor oder ein Diesottomotor sein. Die Brennkraftmaschine ist insbesondere Teil eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs.
• Jeder Kolben kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein, beispielsweise derart, dass er in seinem Kolbenboden keine, oder wenigstens eine, zusätzliche Mulde aufweist.
• Es ist spezifiziert, dass
• • A≤h/r≤B gilt;
• • h die Höhe des Kugelsegments ist;
• • r der Radius des Kugelsegments ist;
• • A ein vorbestimmter unterer Grenzwert ist, für den A≤0,6 oder A≤0,7 oder A≤0,8 oder A≤0,9 oderA≤1 oder A≤1,1 oder A≤1,2 gilt;
• • B ein vorbestimmter oberer Grenzwert ist, für den B≤0,6 oder B≤0,7 oder B≤0,8 oder B≤0,9 oder B≤1 oder B≤1,1 oder B≤1,2 gilt.
• Folglich entspricht der bevorzugte Wert h/r=1 einer Halbkugel, ein kleinerer Wert einem Kugelsegment, das kleiner als eine Halbkugel ist, und ein größerer Wert einem Kugelsegment, das größer als eine Halbkugel ist.
• Es ist spezifiziert, dass der Zylinderkopf ein zum Kolben weisendes Brennraumdach aufweist, das flach oder eben ausgebildet ist. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau des Zylinderkopfes.
• Bei einer Ausführungsform ist spezifiziert, dass die Mulde zentrisch zur Kolbenachse angeordnet ist oder die Symmetrieachse der Mulde koaxial zur Kolbenachse verläuft. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Kolben.
• Bei einer Ausführungsform ist spezifiziert, dass die Brennkraftmaschine genau oder wenigstens eine Zündeinrichtung umfasst, die im Zylinderkopf angeordnet ist. Dies ermöglicht es, die Brennkraftmaschine als Ottomotor auszubilden oder zu betreiben.
• Es ist spezifiziert, dass die Zündeinrichtung einen Zündort definiert oder aufweist, der zum Zündzeitpunkt im Mittelpunkt der zu dem Kugelsegment gehörenden Kugel oder im Volumenschwerpunkt der Mulde oder des Kugelsegments liegt.
• Dies ermöglicht im Vergleich zu den bekannten Brennkraftmaschinen eine gleichmäßigere Temperaturverteilung der Mulde und kürzere Brennzeiten.
• Es ist spezifiziert, dass der Kolbenboden eine Quetschfläche aufweist, die die Form eines Kreisringes hat und die Mulde konzentrisch umgibt. Die Quetschfläche erzeugt kurz vor dem Zündzeitpunkt eine starke Ladungsbewegung im Brennraum, auch ohne dass auf andere, bekannte Weise eine Drall- oder Tumbleströmung erzeugt werden muss.
• Die Quetschfläche kann nach Bedarf auf beliebige Art und Weise ausgebildet sein, beispielsweise derart, dass sie eben ist und mit ihrem inneren Rand an den Rand der Mulde anschließt.
• Bei einer Ausführungsform ist spezifiziert, dass
• • C≤i/a≤D gilt;
• • i der Innenradius des Kreisrings ist;
• • a der Radius des Basiskreises des Kreissegments ist;
• • C ein vorbestimmter unterer Grenzwert ist, für den C≤1 oder C≤1,01 oder C≤1,02 oder C≤1,03 oder C≤1,04 oder C≤1,05 gilt;
• • D ein vorbestimmter oberer Grenzwert ist, für den C≤1 oder C≤1,01 oder C≤1,02 oder C≤1,03 oder C≤1,04 oder C≤1,05 gilt.
• Die Bei einer Ausführungsform ist spezifiziert, dass die Quetschfläche (12) mindestens 30 Prozent der Kolbenquerschnittsfläche bildet, wobei
• • E≤(j²-i²)/j²≤F gilt;
• • j der Außenradius des Kreisrings ist;
• • E ein vorbestimmter unterer Grenzwert ist, für den E≤0,3 oder E≤0,35 oder E≤0,4 oder E≤0,45 oder E≤0,5 gilt;
• • F ein vorbestimmter oberer Grenzwert ist, für den F≤0,35 oder F≤0,4 oder F≤0,45 oder F≤0,5 gilt.
• Bei einer Ausführungsform ist spezifiziert, dass der Außenradius des Kreisrings dem Radius des Kolbens gleicht. Somit schließt die Quetschfläche mit ihrem äußeren Rand an die Mantelfläche des Kolbens an.
• Vorzugsweise ist der Übergangsradius von dem inneren Rand der Quetschfläche zum Rand der Mulde klein. Der ist Übergangsradius vorzugsweise gleich oder kleiner als 5 mm oder gleich oder kleiner als 2 mm oder gleich oder kleiner als 1 mm oder gleich oder kleiner als 0,5 mm oder gleich oder kleiner als 0,2 mm.
• Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in vorteilhafter Art und Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden darf eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:
• 1 in einem Längsschnitt eine bevorzugte Ausführungsform eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine oder in einer Brennkraftmaschine;
• 2 in einem Längsschnitt eine bevorzugte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine, die den Kolben der 1 umfasst, der sich am oberen Totpunkt nach dem Zündzeitpunkt befindet.
• In 1 und 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Kolbens 10 und eine bevorzugte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 16, die den Kolben 10 umfasst und beispielhaft als ein Ottomotor ausgebildet ist, schematisch dargestellt. Die Brennkraftmaschine 16 umfasst einen Zylinder 17, einen Zylinderkopf 18 und eine Zündeinrichtung 19, die im Zylinderkopf 18 angeordnet ist und beispielhaft als eine Zündkerze 19 ausgebildet ist.
• Der Zylinderkopf 18 ist an dem in 2 oberen Ende des Zylinders 17 angebracht und weist ein zum Kolben 10 weisendes Brennraumdach auf, das eben ausgebildet ist.
• Der Kolben 10 ist im Inneren des Zylinders 17 verschiebbar gelagert und weist einen zum Zylinderkopf 18 weisenden Kolbenboden auf, in dem eine Mulde 11 ausgebildet ist. Die Mulde 11 hat die Form eines Kugelsegments, für dessen Höhe die folgende Gleichung gilt: $$\text{h}=\mathrm{0,75}\cdot \text{r}$$

  

  worin r der Radius der zu dem Kugelsegment gehörenden Kugel ist. Somit gilt die folgende Beziehung: $$\text{A}\le \text{h/r}\le \text{B}$$

  

  worin A ein vorbestimmter unterer Grenzwert ist, für den A ≤ 0,7 gilt, und B ein vorbestimmter oberer Grenzwert ist, für den B ≤ 0,8 gilt.
• Die Mulde 11 ist zentrisch zu der in 1 und 2 senkrechten Längsachse des Kolbens 10 angeordnet, oder, mit anderen Worten ausgedrückt, die in 1 und 2 senkrechte Symmetrieachse der Mulde 11 verläuft koaxial zu dieser Kolbenachse.
• Die Zündeinrichtung 19 definiert oder hat einen Zündort 20, der zum Zündzeitpunkt im Mittelpunkt der zu dem Kugelsegment gehörenden Kugel und somit in einem oberen Randbereich der Mulde 11 liegt. Da 2 den Kolben 10 in einer Stellung zeigt, in der er sich am oberen Totpunkt nach dem Zündzeitpunkt befindet, liegt der Zündort 20 nicht mehr, wie noch zum Zündzeitpunkt, am oberen Randbereich der Mulde 11, sondern nun weiter innerhalb der Mulde 11 und näher zum gekrümmten Muldenboden 13.
• Der Kolbenboden weist eine ebene Quetschfläche 12 auf, die die Form eines Kreisringes hat und die Mulde 11 konzentrisch umgibt. Der Außenradius des Kreisrings gleicht dem Radius des Kolbens 10. Folglich schließt die Quetschfläche 12 mit ihrem äußeren Rand direkt an die Umfangsfläche oder Mantelfläche 14 des Kolbens 10 an.
• Für den Innenradius des Kreisrings gilt die folgende Gleichung: $$\text{i}=\mathrm{1,01}\cdot \text{a}$$

  

  worin a der Radius des Basiskreises des Kreissegments und folglich auch der Radius des Randes der Mulde 11 ist. Somit gilt die folgende Beziehung: $$\text{C}\le \text{i/a}\le \text{D}$$

  

  worin C ein vorbestimmter unterer Grenzwert ist, für den C ≤ 1 gilt, und D ein vorbestimmter oberer Grenzwert ist, für den B ≤ 1,02 gilt. Folglich schließt die Quetschfläche 12 mit ihrem inneren Rand indirekt, nämlich über einen konzentrischen ringförmigen Übergangsbereich 15, an den Rand der Mulde 11 an. Der Übergangsbereich 15 ist radial einwärts und in 1 und 2 nach unten - also vom Brennraumdach weg - gekrümmt. Der Krümmungsradius oder Übergangsradius des abgerundeten Übergangsbereichs 15 beträgt vorzugsweise weniger als 2 mm.
• Für die Breite des Kreisrings ist so zu wählen, dass die Quetschfläche insbesondere mehr als 30 Prozent der Querschnittsfläche beträgt, somit ist $$\mathrm{0,3}{\text{j}}^2\le \left({\text{j}}^2-{\text{i}}^2\right)$$

  

  worin j der Außenradius des Kreisrings und i der Innenradius des Kreisrings ist.
• Bezugszeichenliste

10

Kolben von 16

11

Mulde von 10

12

Quetschfläche

13

Muldenboden von 11

14

Umfangsfläche oder Mantelfläche von 10

15

Übergangsbereich zwischen 12 und 13

16

Brennkraftmaschine

17

Zylinder von 16

18

Zylinderkopf von 16

19

Zündeinrichtung, Zündkerze

20

Zündort

Claims (4)

1. Brennkraftmaschine (16), umfassend • einen Zylinder (17); • einen Zylinderkopf (18), der an einem Ende des Zylinders (17) angebracht ist; • einen Kolben (10), der im Inneren des Zylinders (17) verschiebbar ist und einen zum Zylinderkopf (18) weisenden Kolbenboden aufweist, in dem eine Mulde (11) ausgebildet ist; • die Mulde (11) die Form eines Kugelsegments hat; • h/r<1,2 gilt; • h die Höhe des Kugelsegments ist; • r der Radius des Kugelsegments ist; • eine Zündeinrichtung (19), die im Zylinderkopf (18) angeordnet ist, wobei die Zündeinrichtung einen Zündort (20) definiert oder aufweist, der im Mittelpunkt der zu dem Kugelsegment gehörenden Kugel oder im Volumenschwerpunkt der Mulde (11) oder des Kugelsegments liegt; • der Kolbenboden eine Quetschfläche (12) aufweist, wobei die Quetschfläche (12) die Form eines Kreisringes hat und die Mulde (11) konzentrisch umgibt; dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (18) ein zum Kolben (10) weisendes Brennraumdach aufweist, das flach oder eben ausgebildet ist.
2. Brennkraftmaschine (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (11) zentrisch zur Kolbenachse angeordnet ist.
3. Brennkraftmaschine (16) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsbereich (15) zwischen der Quetschfläche (12) und dem Muldenboden (13) einen Übergangsradius aufweist, wobei der Übergangsradius kleiner als 5 mm ist.
4. Brennkraftmaschine (16) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quetschfläche (12) mindestens 30 Prozent der Kolbenquerschnittsfläche bildet.

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