DE102019209596A1

DE102019209596A1 - Kolben-Brennraum-Struktur eines Motors

Info

Publication number: DE102019209596A1
Application number: DE102019209596.8A
Authority: DE
Inventors: Sung Oh Ra; Kyung Beom KIM; Dong Hyun Cho; Young Hoon Song; Joon Kyu Lee; Hyuckmo Kwon
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2020-06-10
Also published as: US20200182190A1; KR20200069920A

Abstract

Eine Kolben-Brennraum-Struktur eines Motors enthält zwei oder mehr unabhängige Brennräume, die in axialer Richtung und Umfangsrichtung voneinander getrennt und an einem oberen Abschnitt eines Kolbenkopfes eingedellt sind. Jeder der zwei oder mehr unabhängigen Brennräume weist eine Außenwand und eine Bodenoberfläche auf. Aneinander angrenzende unabhängige Brennräume von den zwei oder mehr unabhängigen Brennräumen sind durch eine Trennwand abgetrennt. Die Trennwand weist eine Neigungsoberfläche auf, derart dass ein in die Umfangsrichtung strömendes Quetschen erzeugt werden kann.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht Priorität an und den Nutzen der Koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2018-0157498 , angemeldet beim Koreanischen Amt für Geistiges Eigentum am 7. Dezember 2018, deren gesamte Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Brennraum eines Motors. Genauer betrifft die vorliegende Offenbarung eine Kolben-Brennraum-Struktur eines Motors, bei welcher unabhängige Brennräume in einem Kolbenkopf in einer Umfangsrichtung ausgebildet sind.
HINTERGRUND
Allgemein entzündet ein in einem Fahrzeug verwendeter Benzinmotor ein gleichmäßig gemischtes Gemisch aus Luft und Kraftstoff mit einer Zündkerze, um verbrannt zu werden, während ein Dieselmotor lediglich Luft ansaugt und sie mit einem hohen Komprimierungsverhältnis komprimiert, um durch ein Selbstzündungssystem verbrannt zu werden.
Bei dem Dieselmotor ist eine Verbesserung einer Verbrennung das Wichtigste, um die Verringerung von schädlichem Abgas und die Steigerung von Kraftstoffeffizienz zu gewährleisten, und der in dem Kolbenkopf ausgebildete Brennraum ist ausgestaltet, eine turbulente Strömung (Wirbel, Strudel bzw. Vortex oder Überschlag usw.) der Ansaugluft bereitzustellen, um das Mischen von Luft und Kraftstoff zu verbessern, und weist eine Form auf, die eine Kraftstoffzerstäubung fördern kann.
Die Kraftstoffzerstäubung verbessert die Mischleistung bzw. das Mischverhalten mit der Umgebungsluft und Kraftstoff durch Vergrößern des Oberflächenbereichs der Tröpfchen, indem der aus der Einspritzvorrichtung eingespritzte Kraftstoff in eine Tröpfchenwolke aus einer Anzahl kleiner Tröpfchen gebildet wird.
Die Zerstäubungsförderung kann durch die physische Form der Einspritzdüse oder Wechselwirkung mit der kollidierenden Umgebungsluft während des Einspritzprozesses oder Kollision mit der Wandoberfläche des Brennraums gefördert werden, und die Brennraum-Struktur des Dieselmotors ist ausgestaltet, dieses Phänomen weiter zu verbessern.
Üblicherweise ist ein Multi-Einspritzsystem in dem Dieselmotor genutzt worden, bei welchem zumindest zwei Reihen an Kraftstoffleitungen gleichzeitig in einen Brennraum eingespritzt werden. Nachdem der durch das Multi-Einspritzsystem in den Brennraum eingespritzte Kraftstoff mit der äußeren Wandoberfläche des Brennraums kollidiert, kann eine Überlagerung durch den Luftstrom innerhalb des Brennraums zwischen den angrenzenden Kraftstoffleitungen während des Prozesses des Zurückwerfens bzw. Reflektierens zurück in den Brennraum auftreten, und die Überlagerung zwischen diesen reflektierten Kraftstoffleitungen erhöht das Risiko einer unvollständigen Verbrennung, was zu einer verringerten Kraftstoffeffizienz und Ausstoß von schädlichen Emissionen führt.
Deshalb richtet sich die vorliegende Offenbarung auf das Verhindern einer unvollständigen Verbrennung, die durch Reflexionsüberlagerung von Kraftstoff verursacht wird, durch Verbessern der Struktur des Brennraums, der in dem Kolbenkopf in einem Dieselmotor, der ein Multi-Einspritzsystem unter Verwendung einer Mehrzahl an Kraftstoffleitungen einsetzt, ausgebildet ist.
Die obigen Informationen, die in diesem Hintergrundabschnitt offenbart sind, dienen lediglich zur Steigerung des Verständnisses des Hintergrunds der Offenbarung und können deshalb Information enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung ist in dem Bemühen gemacht worden, eine Kolben-Brennraum-Struktur eines Motors bereitzustellen, welche eine Mehrzahl an unabhängigen Brennräumen ausbildet, die unabhängig voneinander sind in einer Umfangsrichtung an einem Kolbenkopf in einem Dieselmotor, der ein Multi-Einspritzsystem einsetzt, das eine Mehrzahl an Kraftstoffleitungen einspritzt, wodurch ein Überlagerungsphänomen verhindert wird, bei welchem die reflektierten angrenzenden Kraftstoffleitungen durch eine Strömung von Luft innerhalb eines Brennraums gemischt werden und somit unvollständige Verbrennung, während der Kraftstoff in die Brennraumwand eingespritzt und dann reflektiert wird. Ferner bildet jeder unabhängige Brennraum eine gebogene Wand und einen schrägen Durchgang aus, um eine Wandbenetzung zu verhindern, und eine geneigte Oberfläche ist an einer Trennwand ausgebildet, die jeden unabhängigen Brennraum abtrennt, so dass ein Quetschen in einer Umfangsrichtung auftreten kann, wodurch ruhig bzw. gleichmäßig Außenluft an den Randbereich bzw. die Peripherie des eingespritzten Kraftstoffs, wo eine Verbrennung auftritt, zugeführt wird, um eine Verbrennungseffizienz zu verbessern.
Eine Kolben-Brennraum-Struktur eines Motors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann zwei oder mehr unabhängige Brennräume bzw. Brennkammern enthalten, die in axialer Richtung und Umfangsrichtung voneinander getrennt und an einem oberen Abschnitt eines Kolbenkopfes eingedellt bzw. eingebuchtet sind. Jeder der zwei oder mehr unabhängigen Brennräume kann eine Außenwand und eine Bodenoberfläche aufweisen. Aneinander angrenzende unabhängige Brennräume unter bzw. von den zwei oder mehr unabhängigen Brennräumen sind durch eine Trennwand abgetrennt bzw. unterteilt. Die Trennwand kann eine Neigungsoberfläche bzw. geneigte Oberfläche aufweisen, derart dass ein in die Umfangsrichtung strömendes Quetschen („squish“) erzeugt werden kann.
Die Außenwand und die Bodenoberfläche können aus einer gebogenen bzw. gekrümmten Oberfläche ausgebildet sein.
Die gebogene Oberfläche kann einen Querschnitt mit einer Kreisbogenform bzw. kreisförmigen Bogenform oder einer elliptischen Form aufweisen.
Ein Zackenabschnitt in der Mitte der Bodenoberfläche von jedem unabhängigen Brennraum kann in einer Höhenrichtung des Kolbenkopfes vorstehen.
Die Höhe der Bodenoberfläche kann von dem Zackenabschnitt zu einer Außenseite in einer radialen Richtung hin allmählich bzw. graduell abnehmen.
Die Höhe der Trennwand kann niedriger als eine obere Oberfläche des Kolbenkopfes sein.
Die maximale Tiefe von einer oberen Oberfläche des Kolbenkopfes zu der Bodenoberfläche kann größer als die maximale Tiefe von der oberen Oberfläche des Kolbenkopfes zu der Trennwand und geringer als dreimal die maximale Tiefe von der oberen Oberfläche des Kolbenkopfes zu der Trennwand sein.
Die maximale Breite des unabhängigen Brennraums kann kleiner als 1/2 eines Spalts zwischen den Trennwänden sein.
Die Breite der Bodenoberfläche kann gleich oder kleiner als 1/3 eines Spalts zwischen den Trennwänden sein.
Der Außendurchmesser des unabhängigen Brennraums kann größer als der Außendurchmesser der Trennwand und kleiner als 1,5 Mal der Außendurchmesser der Trennwand sein.
Die Ausdehnungsbreite bzw. Expansionsbreite des unabhängigen Brennraums, der sich radial nach außen von einem Endabschnitt der Trennwand erstreckt, kann gleich oder kleiner als 1/3 eines Spalts zwischen den Trennwänden sein.
Die Trennwand kann aus einer Spiralform ausgebildet sein.
Gemäß der Kolben-Brennraum-Struktur des Motors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, ist eine Mehrzahl an unabhängigen Brennräumen, die sich in die radiale Richtung erstrecken bzw. in der radialen Richtung verlängert sind und in der Umfangsrichtung unabhängig voneinander sind, an dem Kolbenkopf in dem Dieselmotor ausgebildet, der ein Multi-Einspritzsystem einsetzt, das eine Mehrzahl an Kraftstoffleitungen einspritzt, so dass es möglich ist, das Überlagerungsphänomen zu verhindern, dass die aneinander angrenzenden reflektierten Kraftstoffleitungen aufgrund einer Luftströmung innerhalb des Brennraums gemischt werden und somit eine unvollständige Verbrennung während Kraftstoff zu der Wand des Brennraums eingespritzt und dann von der Wand reflektiert bzw. zurückgeworfen wird.
Ferner bildet jeder unabhängige Brennraum die gebogene Wand und den schrägen Durchgang aus, um eine Wandbenetzung effektiv zu verhindern, und die schräge Oberfläche ist an einer Trennwand ausgebildet, die jeden unabhängigen Brennraum abtrennt, so dass ein Quetschen auftreten kann, wodurch gleichmäßig Außenluft an die Peripherie des eingespritzten Kraftstoffs zugeführt wird, wo eine Verbrennung auftritt, um eine Verbrennungseffizienz zu verbessern.
Figurenliste

1 ist eine Perspektivansicht einer Kolben-Brennraum-Struktur eines Motors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Draufsicht der Kolben-Brennraum-Struktur des Motors gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine Querschnittansicht, genommen entlang einer A-A-Linie von 2;
4 ist eine Querschnittansicht, genommen entlang einer B-B-Linie von 2;
5 ist eine Perspektivansicht, die einen Prozess des Einspritzens von Kraftstoff in die Kolben-Brennraum-Struktur des Motors gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
6 ist eine Perspektivansicht einer Kolben-Brennraum-Struktur eines Motors gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf begleitende Zeichnungen beschrieben werden.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 4, kann eine Kolben-Brennraum-Struktur eines Motors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Mehrzahl an unabhängigen Brennräumen 10 enthalten, die in einer axialen Richtung und einer Umfangsrichtung an einem oberen Abschnitt eines Kolbenkopfes 1, der sich vertikal hin und her bewegt, eingedellt sind.
Jeder unabhängige Brennraum 10 kann entsprechend eine gebogene Außenwand 12 aufweisen, die eine Außenwand des Brennraums ausbildet, und eine im Wesentlichen trichterförmige Bodenoberfläche 13, die den Boden des Brennraums 10 ausbildet, und ein oberer Abschnitt von jedem unabhängigen Brennraum 10 ist ausgestaltet, geöffnet zu sein.
Die gebogene Außenwand 12 kann eine Kreisbogenform oder einen Querschnitt mit einer elliptischen Form aufweisen. Die Bodenoberfläche 13 kann eine gebogene Oberfläche mit einer Kreisbogenform oder einer elliptischen Form sein.
Ein Zylinderkopf (nicht gezeigt) ist an einem Zylinderblock (nicht gezeigt) oberhalb des Kolbenkopfes 1 befestigt, so dass der obere Abschnitt von jedem unabhängigen Brennraum 10 durch den Zylinderkopf geschlossen und abgedichtet werden kann.
Ferner kann der Zylinderkopf mit einer Einlass- bzw. Ansaugöffnung zum Strömenlassen von Außenluft in den unabhängigen Brennraum 10 und einer Austrittsöffnung zum Ablassen des in dem Brennraum verbrannten Abgases ausgestattet sein.
Der Anfangsabschnitt (das Zentrum eines Kraftstoffeinspritzens) der Bodenoberflächen 13 von jedem unabhängigen Brennraum 10, das heißt ein Zackenabschnitt 14, ist in einer Form mit einer vorbestimmten Höhe ausgebildet, durch Vorstehen in der Höhenrichtung des Kolbenkopfes 1. Der Zackenabschnitt 14 kann eine Form aufweisen, die von der Bodenoberfläche 13 des unabhängigen Brennraums 10 zu der äußeren radialen Richtung hin allmählich in der Höhe abnimmt.
Das heißt, die Höhe der Bodenoberfläche 13 von jedem unabhängigen Brennraum 10 ist die höchste an dem Zackenabschnitt 14 und nimmt zu der Außenwand 12 hin allmählich ab, so dass der an die Außenwand 12 angrenzende Abschnitt der niedrigste ist.
Eine Trennwand 15 kann in die Richtung einer oberen Oberfläche 1a des Kolbenkopfes 1 vorstehen, um jeden unabhängigen Brennraum 10 abzuteilen bzw. abzutrennen.
Die Höhe der Teilung 15 kann niedriger als die obere Oberfläche 1a des Kolbenkopfes 1 sein.
Ferner kann die Teilung 15 eine Neigungsoberfläche aufweisen, so dass ein Quetschen, das in eine Umfangsrichtung strömt, erzeugt werden kann. Der Begriff „Quetschen bzw. Squish“ kann von einem Fachmann als ein Effekt in Verbrennungsmotoren verstanden werden, welcher plötzliche Turbulenzen des Kraftstoff-/Luftgemisches erzeugt, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt („top dead center“, TDC) annähert.
Jeder unabhängige Brennraum 10 kann entlang der Umfangsrichtung mit der Teilung 15 dazwischen abgetrennt werden.
Bei der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, obwohl jeder unabhängige Brennraum 10 als sechs gezeigt wird, ist es lediglich eine beispielhafte Ausführungsform, die der Anzahl an Kraftstoffeinspritzlöchern der Einspritzvorrichtung bzw. des Injektors entspricht, und kann durch zwei oder mehr Anzahlen ausgebildet sein.
Die maximale Tiefe h der Bodenoberfläche 13 von der Oberseite bzw. oberen Oberfläche des Kolbenkopfes 1 kann größer als die maximale Tiefe H der Trennwand 15 von der oberen Oberfläche des Kolbenkopfes 1 und kleiner als drei Mal die maximale Tiefe H der Trennwand 15 sein.
Das heißt, die maximale Tiefe h der Bodenoberfläche 13 kann H<h<3H sein, unter Berücksichtigung der Haltbarkeit des Kolbens.
Ferner kann die maximale Breite W des unabhängigen Brennraums 10 kleiner als 1/2 des Spalts L zwischen den Trennwänden 15 sein, unter Berücksichtigung des Einspritzwinkels der Einspritzdüse (W<0,5L).
Ferner kann die Breite der Bodenoberfläche 13 gleich oder kleiner als 1/3 des Spalts L zwischen den Trennwänden 15 sein.
Ein Außendurchmesser D1 des unabhängigen Brennraums 10 kann größer als ein Außendurchmesser D der Trennwand 15 und kleiner als 1,5 Mal der Außendurchmesser D der Trennwand 15 sein, um den Wärmeverlust des Verbrennungsgases zu minimieren (D<D1<1, 5D) .
Außerdem kann die Ausdehnungsbreite W1 des unabhängigen Brennraums 10, der sich von dem Endabschnitt der Trennwand 15 radial nach außen erstreckt, kleiner als 1/3 des Spalts L zwischen den Trennwänden 15 sein, und die Ausdehnungsbreite W1 kann unter gleichzeitiger Berücksichtigung des Kraftstoffeinspritzwinkels der Einspritzvorrichtung und einer Wärmeübertragungsminimierung bestimmt werden.
In Übereinstimmung mit der Brennraum-Struktur gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wie oben beschrieben, wie in 5 gezeigt, wird Kraftstoff 30 aus der Einspritzvorrichtung in den Raum des Brennraums eingespritzt, der in jedem unabhängigen Brennraum 10 ausgebildet ist, und der eingespritzte Kraftstoff wird in jedem unabhängigen Brennraum 10 lediglich mit Luft gemischt und verbrannt. In jeden unabhängigen Brennraum 10 eingespritzter Kraftstoff 30 wird durch die Trennwand 15 blockiert und eine Vermischung miteinander ist unwahrscheinlich, so dass die Verbrennungseffizienz verbessert werden kann und die unvollständige Verbrennung verhindert werden kann.
Als eine Folge ist es möglich, die unvollständige Verbrennung zu beseitigen, die durch die Überlagerung des Kraftstoffs verursacht wird, der nach der herkömmlichen Kraftstoffeinspritzung reflektiert wird, und die Steigerung einer Kraftstoffeffizienz zu verbessern und schädliches Abgas zu verringern.
Andererseits, unter Bezugnahme auf 6, wenn die durch die Ansaugöffnung des Zylinderkopfes in jeden unabhängigen Brennraum strömende Luft einer starken Wirbelströmung ausgesetzt wird, können die Trennwände 25 in einer Spiralform ausgebildet sein.
Während diese Offenbarung im Zusammenhang mit den derzeit als praktisch geltenden beispielhaften Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es zu verstehen, dass die Offenbarung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Im Gegensatz, es ist beabsichtigt verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb des Gedankens und Umfangs der angehängten Ansprüche enthalten sind.
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

KR 1020180157498 [0001]

Claims

Kolben-Brennraum-Struktur eines Motors, mit: zwei oder mehr unabhängigen Brennräumen, die in axialer Richtung und Umfangsrichtung voneinander getrennt und an einem oberen Abschnitt eines Kolbenkopfes eingedellt sind, wobei jeder der zwei oder mehr unabhängigen Brennräume eine Außenwand und eine Bodenoberfläche aufweist, wobei aneinander angrenzende unabhängige Brennräume von den zwei oder mehr unabhängigen Brennräumen durch eine Trennwand abgetrennt sind, und wobei die Trennwand eine Neigungsoberfläche aufweist, derart dass ein in die Umfangsrichtung strömendes Quetschen erzeugt werden kann.
Kolben-Brennraum-Struktur nach Anspruch 1, wobei jede der Außenwand und der Bodenoberfläche eine gebogene Oberfläche aufweist.
Kolben-Brennraum-Struktur nach Anspruch 2, wobei die gebogene Oberfläche einen Querschnitt mit einer Kreisbogenform oder einer elliptischen Form aufweist.
Kolben-Brennraum-Struktur nach Anspruch 1, wobei ein Zackenabschnitt in einer Mitte der Bodenoberfläche in einer Höhenrichtung des Kolbenkopfes vorsteht.
Kolben-Brennraum-Struktur nach Anspruch 4, wobei eine Höhe der Bodenoberfläche von dem Zackenabschnitt zu einer Außenseite in einer radialen Richtung hin allmählich abnimmt.
Kolben-Brennraum-Struktur nach Anspruch 1, wobei eine Höhe der Trennwand niedriger als eine obere Oberfläche des Kolbenkopfes ist.
Kolben-Brennraum-Struktur nach Anspruch 1, wobei eine maximale Tiefe von einer oberen Oberfläche des Kolbenkopfes zu der Bodenoberfläche größer als die maximale Tiefe von der oberen Oberfläche des Kolbenkopfes zu der Trennwand und geringer als dreimal eine maximale Tiefe von der oberen Oberfläche des Kolbenkopfes zu der Trennwand ist.
Kolben-Brennraum-Struktur nach Anspruch 1, wobei die Trennwand in Mehrzahl vorgesehen ist, und wobei eine maximale Breite von jedem der zwei oder mehr unabhängigen Brennräume kleiner als 1/2 eines Spalts zwischen den Trennwänden ist.
Kolben-Brennraum-Struktur nach Anspruch 1, wobei die Trennwand in Mehrzahl vorgesehen ist, und wobei eine Breite der Bodenoberfläche gleich oder kleiner als 1/3 eines Spalts zwischen den Trennwänden ist.
Kolben-Brennraum-Struktur nach Anspruch 1, wobei ein Außendurchmesser von jedem der zwei oder mehr unabhängigen Brennräume größer als ein Außendurchmesser der Trennwand und kleiner als 1,5 Mal der Außendurchmesser der Trennwand ist.
Kolben-Brennraum-Struktur nach Anspruch 1, wobei die Trennwand in Mehrzahl vorgesehen ist, und wobei eine Ausdehnungsbreite von jedem der zwei oder mehr unabhängigen Brennräume, die sich radial nach außen von einem Endabschnitt der Trennwand erstrecken, gleich oder kleiner als 1/3 eines Spalts zwischen den Trennwänden ist.
Kolben-Brennraum-Struktur nach Anspruch 1, wobei die Trennwand eine Spiralform aufweist.