DE102020000534A1

DE102020000534A1 - Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen

Info

Publication number: DE102020000534A1
Application number: DE102020000534.9A
Authority: DE
Inventors: Werner Holly
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-01-29
Filing date: 2020-01-29
Publication date: 2021-07-29
Anticipated expiration: 2040-01-30
Also published as: JP2023511328A; CN115003903A; DE102020000534B4; US11840955B2; JP7430806B2; US20230067522A1; WO2021151567A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Brennraum (20), in welchem sich zumindest während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine (10) eine erste tumbleförmige Strömung (22) eines Kraftstoff-Luft-Gemisches einstellt, und mit einer dem Brennraum (20) zugeordneten Vorkammerzündkerze (24), welche eine Vorkammer (28) aufweist, die mit dem Brennraum (20) über mehrere Öffnungen (30) fluidisch verbunden ist, über die zumindest ein Teil (32, 34) des Kraftstoff-Luft-Gemisches aus dem Brennraum (20) in die Vorkammer (28) einleitbar ist, wobei die Öffnungen (30) dazu ausgebildet sind, in der Vorkammer (28) eine der sich im Brennraum (20) einstellenden ersten tumbleförmigen Strömung (22) entgegengesetzte, zweite tumbleförmige Strömung (34) des über die Öffnungen (30) in die Vorkammer (28) einströmenden Teils (23, 34) des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Eine solche Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits der DE 10 2017 009 228 A1 und der DE 10 2017 009 235 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens einen Brennraum auf, in welchem sich zumindest während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine eine erste tumbleförmige Strömung eines einfach auch als Gemisch bezeichneten Kraftstoff-Luft-Gemisches einstellt. Die erste tumbleförmige Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird auch als Ladungsbewegung oder tumbleförmige Ladungsbewegung bezeichnet, da beispielsweise das Kraftstoff-Luft-Gemisch auch als Ladung bezeichnet wird. Die Verbrennungskraftmaschine weist außerdem eine dem Brennraum zugeordnete Vorkammerzündkerze auf, welche eine Vorkammer aufweist. Die Vorkammer ist über mehrere Öffnungen fluidisch mit dem Brennraum verbunden. Über die Öffnungen ist zumindest ein Teil des Kraftstoff-Luft-Gemisches aus dem Brennraum in die Vorkammer einleitbar. Des Weiteren offenbart die US 2014/0251259 A1 ein Vorkammersystem für einen Verbrennungsmotor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine vorzugsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Öffnungen dazu ausgebildet sind, in der Vorkammer einer der sich im Brennraum einstellenden ersten tumbleförmigen Strömung entgegengesetzte, zweite tumbleförmige Strömung des über die Öffnungen in die Vorkammer einströmenden Teils des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu bewirken. Mit anderen Worten ist die Verbrennungskraftmaschine dazu ausgebildet, die tumbleförmigen Strömungen gegensinnig beziehungsweise widersinnig auszubilden. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt sind die beispielsweise als Bohrungen ausgebildeten Öffnungen, über die die Vorkammer fluidisch mit dem Brennraum verbunden ist, derart ausgerichtet beziehungsweise angeordnet und/oder ausgebildet, dass die Öffnungen die zweite tumbleförmige Strömung des über die Öffnungen in die Vorkammer einströmenden Kraftstoffteils des Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirken, wobei die erste tumbleförmige Strömung beispielsweise um eine erste Drehachse in eine erste Drehrichtung und die zweite tumbleförmige Strömung um eine zweite Drehachse in eine zweite Drehrichtung erfolgt, wobei die zweite Drehrichtung der ersten Drehrichtung entgegengesetzt ist beziehungsweise umgekehrt. Dabei verlaufen beispielsweise die Drehachsen parallel zueinander, oder die Drehachsen weisen eine Winkelabweichung auf, deren mathematischer Betrag höchstens 30 Grad beträgt. Mit anderen Worten beträgt die Winkelabweichung zwischen den Drehachsen höchstens +/- 30 Grad. Der Erfindung liegen dabei die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Brennverfahren für beispielsweise als Ottomotoren ausgebildete Verbrennungskraftmaschinen mit Vorkammerzündkerzen beziehungsweise Vorkammern neigen tendenziell dazu, eine reduzierte Verbrennungsstabilität beziehungsweise erhöhte Zündaussetzer bei niedrigen Lasten zu haben, was beispielsweise zu einer schlechten Laufruhe bei Leerlauf führen kann. Diese Probleme können nun durch die Erfindung vermieden werden. Insbesondere ermöglicht die Erfindung die Realisierung der folgenden Vorteile:

- besonders vorteilhafte Spülung der Vorkammer mit der zweiten tumbleförmigen Strömung
- dadurch reduzierter Restgasgehalt in der Vorkammer
- und dadurch ein erweiterter Betriebsbereich hin zu niedrigen Lasten.

Die Verbrennungskraftmaschine ist vorzugsweise als Ottomotor und/oder als Vier-Ventil-Motor und/oder als Vier-Zylinder-Motor ausgebildet. Somit sind dem Brennraum beispielsweise wenigstens oder genau vier Gaswechselventile zugeordnet, von denen wenigstens oder genau zwei erste Gaswechselventile als Einlassventile und wenigstens oder genau zwei zweite Gaswechselventile als Auslassventile ausgebildet sind. Als weiterhin vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn bezogen auf eine solche, in axialer Richtung einer beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildeten Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine verlaufende Blickrichtung, bei welcher die Einlassventile links und die Auslassventile rechts angeordnet sind, die erste tumbleförmige Strömung im Uhrzeigersinn und die zweite tumbleförmige Strömung im Gegenuhrzeigersinn verläuft. Dabei ist es denkbar, dass die jeweilige, auch als Tumbleachse bezeichnete Drehachse parallel zur axialen Richtung beziehungsweise zur Längsachse der beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildeten Abtriebswelle verläuft.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug.
Die einzige Fig. zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Schnittansicht eine vorzugsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildete und auch als Motor oder Verbrennungsmotor bezeichnete Verbrennungskraftmaschine 10 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Verbrennungskraftmaschine 10 aufweist und mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist beispielsweise ein erstes Gehäuseelement 12 auf, welches beispielsweise als ein Kurbelgehäuse oder als ein Zylinderkurbelgehäuse ausgebildet ist. Das Gehäuseelement 12 bildet oder begrenzt wenigstens einen Zylinder 14 der Verbrennungskraftmaschine 10.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist außerdem ein zweites Gehäuseelement 16 auf, welches beispielsweise separat von dem Gehäuseelement 12 ausgebildet und mit dem Gehäuseelement 12 verbunden ist. Das Gehäuseelement 16 ist beispielsweise ein Zylinderkopf, welcher wenigstens ein Brennraumdach 18 bildet. In dem Zylinder 14 ist beispielsweise ein in der Fig. nicht erkennbarer Kolben der Verbrennungskraftmaschine 10 translatorisch bewegbar aufgenommen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist außerdem eine in der Fig. nicht erkennbare und vorliegend als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle auf, welche um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuseelement 12 drehbar an dem Gehäuseelement 12 gelagert ist. Dabei ist der Kolben über ein Pleuel gelenkig mit der Kurbelwelle verbunden, wodurch die translatorischen Bewegungen des Kolbens in dem Zylinder 14 in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle um die Drehachse relativ zu dem Gehäuseelement 12 umwandelbar sind beziehungsweise umgewandelt werden. Der Zylinder 14, das Brennraumdach 18 und der Kolben begrenzen jeweils teilweise einen Brennraum 20 der Verbrennungskraftmaschine 10, in deren Brennraum 20 während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 Verbrennungsvorgänge ablaufen.
Während des befeuerten Betriebs werden innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine 10 zumindest Luft und Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, in den Brennraum 20 eingebracht, wodurch im Brennraum 20 ein einfach auch als Gemisch oder Ladung bezeichnetes Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird. Dabei ist die Verbrennungskraftmaschine 10 dazu ausgebildet, eine erste tumbleförmige Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Brennraum 20 zu bewirken. Mit anderen Worten stellt sich während des befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels eine erste tumbleförmige Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Brennraum 20 ein, wobei diese erste tumbleförmige Strömung auch als tumbleförmige Ladungsbewegung bezeichnet wird. Die erste tumbleförmige Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Brennraum 20, das heißt die tumbleförmige Ladungsbewegung, ist in der Fig. durch einen Pfeil 22 veranschaulicht.
Des Weiteren ist dem Brennraum 20 eine Vorkammerzündkerze 24 zugeordnet. Die Vorkammerzündkerze 24, deren beispielsweise als Längsmittelachse ausgebildete Längsachse in der Fig. mit 26 bezeichnet ist, weist eine Vorkammer 28 auf, welche über beispielsweise als Bohrungen ausgebildete Öffnungen 30 fluidisch mit dem Brennraum 20 verbunden und vorzugsweise ansonsten von dem Brennraum 20 getrennt ist. Über die Öffnungen 30 ist beziehungsweise wird während des befeuerten Betriebs und innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels zumindest ein in der Fig. durch Pfeile 32 veranschaulichter Teil des Kraftstoff-Luft-Gemisches aus dem Brennraum 20 in die Vorkammer 28 einleitbar beziehungsweise eingeleitet.
Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere eine vorteilhafte Laufruhe auch bei niedrigen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine 10, realisieren zu können, sind die Öffnungen 30 dazu ausgebildet, in der Vorkammer 28 eine der sich im Brennraum 20 einstellenden ersten tumbleförmigen Strömung (Pfeil 22) entgegengesetzte, in der Fig. durch einen Pfeil 34 veranschaulichte, zweite tumbleförmige Strömung des über die Öffnungen 30 in die Vorkammer 28 einströmenden beziehungsweise eingeströmten Teils (Pfeile 32 und 34) des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu bewirken. Anhand der Pfeile 22 und 34 ist erkennbar, dass die tumbleförmigen Strömungen um jeweilige, auch als Tumbleachsen bezeichnete Drehachsen verlaufen und dabei um die jeweilige Drehachse einen jeweiligen Drehsinn aufweisen. Dabei sind die Drehsinne der tumbleförmigen Strömungen einander entgegengesetzt.
Dem Brennraum 20 sind beispielsweise genau zwei als Einlassventile ausgebildete Gaswechselventile zugeordnet, wobei von den Einlassventilen eines der Einlassventile in der Fig. erkennbar und dort mit 36 bezeichnet ist. Außerdem sind dem Brennraum 20 genau zwei als Auslassventile ausgebildete Gaswechselventile zugeordnet, wobei in der Fig. von den Auslassventilen eines der Auslassventile erkennbar und mit 38 bezeichnet ist. Die Fig. zeigt die Verbrennungskraftmaschine 10 und insbesondere den Brennraum 20 mit Blickrichtung entlang der axialen Richtung der Kurbelwelle derart, dass die Einlassventile 36 links beziehungsweise auf der linken Seite und die Auslassventile 38 rechts beziehungsweise auf der rechten Seite angeordnet sind. Bezogen auf diese Blickrichtung verläuft die erste tumbleförmige Strömung im Uhrzeigersinn, und bezogen auf die genannte Blickrichtung verläuft die zweite tumbleförmige Strömung im Gegenuhrzeigersinn. Dadurch kann ein besonders vorteilhafter Betrieb realisiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Gehäuseelement
14: Zylinder
16: Gehäuseelement
18: Brennraumdach
20: Brennraum
22: Pfeil
24: Vorkammerzündkerze
26: Längsachse
28: Vorkammer
30: Öffnung
32: Pfeil
34: Pfeil
36: Einlassventil
38: Auslassventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017009228 A1 [0002]
DE 102017009235 A1 [0002]
US 2014/0251259 A1 [0002]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Brennraum (20), in welchem sich zumindest während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine (10) eine erste tumbleförmige Strömung (22) eines Kraftstoff-Luft-Gemisches einstellt, und mit einer dem Brennraum (20) zugeordneten Vorkammerzündkerze (24), welche eine Vorkammer (28) aufweist, die mit dem Brennraum (20) über mehrere Öffnungen (30) fluidisch verbunden ist, über die zumindest ein Teil (32, 34) des Kraftstoff-Luft-Gemisches aus dem Brennraum (20) in die Vorkammer (28) einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (30) dazu ausgebildet sind, in der Vorkammer (28) eine der sich im Brennraum (20) einstellenden ersten tumbleförmigen Strömung (22) entgegengesetzte, zweite tumbleförmige Strömung (34) des über die Öffnungen (30) in die Vorkammer (28) einströmenden Teils (23, 34) des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu bewirken.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf eine solche, in axialer Richtung einer Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine (10) verlaufende Blickrichtung, bei welcher dem Brennraum (20) zugeordnete Einlassventile (36) links und dem Brennraum (20) zugeordnete Auslassventile (38) rechts angeordnet sind, die erste tumbleförmige Strömung (22) im Uhrzeigersinn und die zweite tumbleförmige Strömung (34) im Gegenuhrzeigersinn verläuft.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste tumbleförmige Strömung (22) um eine erste Drehachse und die die zweite tumbleförmige Strömung (34) um eine zweite Drehachse erfolgt.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen parallel zueinander verlaufen.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkelabweichung zwischen den Drehachsen betragsmäßig höchstens 30 Grad beträgt.