-
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine selbstzündende Brennkraftmaschine
mit Direkteinspritzung.
-
Bei den direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen
mit Selbstzündung
entstehen während
der Verbrennung prinzipbedingt örtlich
kraftstoffreiche Zonen, die zu einer verstärkten Rußbildung führen. Weiterhin nehmen an einer
kalten Zylinderwand angelagerte Kraftstoffanteile an der Verbrennung
nicht teil, so dass diese dann mit den Abgasen unverbrannt aus dem
Brennraum ausgeschoben werden. Zur Optimierung eines Verbrennungsvorgangs
bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung werden
oftmals Brennraumkonfigurationen bevorzugt, bei denen die Kraftstoffeinspritzung
im Brennraum mittels einer Kolbenmulde gezielt geführt wird.
-
Da bei den oben genannten Brennkraftmaschinen
hohe Zünddrücke und
somit hohe Verbrennungstemperaturen herrschen, werden oftmals am Kolben
besondere Maßnahmen
getroffen, um die Festigkeit des verwendeten Kolbens während einer langen
Betriebsdauer aufgrund der hohen mechanischen und thermischen Belastungen
zu gewährleisten.
-
Aus der
DE 19952868 A1 ist eine
Brennkraftmaschine mit Selbstzündung
bekannt, bei der ein Kolben mit einer Kolbenmulde mit einer flachen
kreisförmigen
Form verwendet wird. Um die durch die auftretenden Belastungsspitzen
verursachten Rissbildungen zu vermeiden, weist der Muldenbereich
alternierend verrundete und unverrundete Bereiche auf, wobei die
verrundeten Bereiche stetige Übergänge zum
Kolbenboden und zu den Hinterschneidungen besitzen und die unverrundeten
Bereiche im wesentlichen unstetig in den Kolbenboden und in die
Hinterschneidungen übergehen.
-
Es hat sich insbesondere bei modernen selbstzündenden
Brennkraftmaschinen mit einer kombinierten homogen/heterogenen Betriebsweise gezeigt,
dass bei der oben vorgeschlagenen Muldenform Kraftstoffanteile an
die Brennraumwände
gelangen. Diese nehmen teils nicht an der Verbrennung teil oder
verbrennen teils unvollständig
und führen
zu erhöhten
HC- und CO- Emissionen sowie zu verstärkten Verbrennungsrückständen im
Brennraum.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit einer Brennraumkonfiguration
zu schaffen, bei der eine Kraftstoffanlagerung an den Brennraumwänden bzw.
eine Zylinderwandbenetzung mit Kraftstoff vermieden bzw. minimiert
ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet
sich dadurch aus, dass die Mulde zur Aufnahme des Kraftstoffes aus
einem ersten Teil und einem zweiten Teil derart ausgebildet ist,
dass eine Muldenoberfläche
des ersten Teils eine brennraumseitige Zylinderkopfoberfläche und/oder
eine Innenoberfläche
eines Brennraummuldenrings und eine Muldenoberfläche des zweiten Teils eine
Kolbenbodenoberfläche
umfasst. Dadurch findet im wesentlichen keine Kraftstoffanlagerung
an der Zylinderwand statt. Dies ermöglicht eine verbesserte Gemisch bildung
und somit eine optimale Verbrennung. Es findet somit keine Kraftstoffverbrennung
an der Zylinderwand statt, sie wird zumindest auf ein Minimum reduziert,
wodurch geringe Wärmeverluste
entstehen. Weiterhin bilden sich keine kraftstoffreiche Zonen nahe
der Zylinderwand, in denen eine eventuelle Rußbildung stattfindet. Somit
wird ein Rußeintrag
in die Schmierölschicht
an der Zylinderwand verhindert und eine Ölverschmutzung verringert.
Der Kraftstoffinjektor ist vorzugsweise mittig im Brennraum angeordnet,
so dass der eingespritzte Kraftstoff gleichmäßig von der Mulde aufgenommen
wird.
-
In Ausgestaltung de Erfindung umfasst
der erste Teil der Mulde eine Muldenumlenkwand sowie eine Muldenwand
und der zweite Teil der Mulde einen Muldenboden. Die vorgeschlagene
Brennraumkonfiguration ermöglicht
die Verwendung von einfachen beliebigen Kolben, wodurch Kosten gespart werden
können.
Des Weiteren kann auf eine aufwendige Kolbenkühlung verzichtet werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
umfasst der erste Teil der Mulde eine Muldenwand und der zweite Teil
der Mulde eine Muldenumlenkwand und einen Muldenboden. Erfindungsgemäß wird eine
freie Brennraumgestaltung ermöglicht,
da beide Teile der Mulde dem verwendeten Brennverfahren leicht angepasst
werden können.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung weist die Kolbenbodenoberfläche einen annähernd mittig
liegenden Kompressionsvorsprung auf, der dem Injektor gegenüberliegt.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
sind der erste Teil der Mulde und der zweite Teil der Mulde bei
Einspritzung des Kraftstoffs in einem Bereich um einen oberen Totpunkt
des Kolbens zueinander geführt. Somit
findet die Verbrennung des Kraftstoffes derart statt, dass Verbrennungsrückstände von
der Zylinderwand entfernt sind. Solche Rückstände führen an der Zylinderwand zu
erhöhtem Ölverbrauch
und verstärken
den Zylinderverschleiß.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung wird der Kraftstoff mittels des Injektors lastabhängig in
den Brennraum getaktet eingebacht wird, wobei der Injektor eine
Mehrlochdüse
aufweist. Dadurch eignet sich die erfindungsgemäße Brennraumkonfiguration insbesondere
für selbstzündende Brennkraftmaschinen,
bei denen eine lastabhängige kombinierte
homogen/heterogene Betriebsweise vorgesehen ist. Somit kann mit
einer Einspritzstrategie sowohl eine frühe homogene Gemischbildung
im Kompressionshub als auch eine darauffolgende heterogene Gemischbildung
um den oberen Totpunkt des Kolbens ermöglicht werden. Vorzugsweise
erfolgt die Kraftstoffeinspritzung bei der homogenen Gemischbildung
mit einem geringeren Einspritzdruck als bei der heterogenen Gemischbildung,
um ein Auftragen von Kraftstoff während der homogenen Gemischbildung
auf die kalten Zylinderwände
zu vermeiden.
-
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen
ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1a einen
Querschnitt durch einen Brennraum einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
mit zwei Einlass- und zwei Auslassventilen entlang der Linie B-B
in 1b,
-
1b eine
Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine entlang
der Linie A-A in 1a,
-
2 eine
Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
analog der Darstellung in 1b,
-
3 eine
Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
analog der Darstellung in 1b,
und
-
4 eine
Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
analog der Darstellung in 1b.
-
In 1a ist
ein Brennraum 1 einer direkteinspritzenden selbstgezündeten Brennkraftmaschine 2 im
Querschnitt dargestellt. Die Brennkraftmaschine umfasst mindestens
einen Zylinder 3 mit einem Brennraum, pro Brennraum zwei
Einlassventile 4 und zwei Auslassventile 5, welche
in einem Zylinderkopf angeordnet sind. Die Anzahl der Einlass- und
Auslassventile ist beispielhaft und kann bei Bedarf variiert werden.
-
Im Zylinderkopf 6 sind ein
Injektor 7 und vier nicht näher bezeichnete Ein- und Auslasskanäle angeordnet.
Der Zylinderkopf 6 ist auf einem Zylinderblock angeordnet,
der mindestens einen Zylinder 3 aufweist. Der Brennraum 1 der
Brennkraftmaschine 2 wird vom Zylinderkopf 6 nach
oben hin abgeschlossen. Im Zylinder 3 ist ein Kolben 9 geführt, der
den Brennraum 1 nach unten hin begrenzt. Bei der in 1b dargestellten direkteinspritzenden
Brennkraftmaschine 2 ist im Zylinderkopf 6 ein
Kraftstoffinjektor 7 mittig angeordnet, bei dem mittels
einer Mehrlochdüse 10 Kraftstoff
in den Brennraum 1 in Form von mehreren Strahlen 11 eingespritzt
wird. Die einzuspritzende Kraftstoffmenge wird lastabhängig mittels
einer nicht dargestellten Steuereinrichtung festgelegt.
-
Die Brennkraftmaschine 2 arbeitet
nach dem Viertakt-Prinzip. Im ersten Takt eines Arbeitspiels wird
dem Brennraum 1 über
die Einlasskanäle
Verbrennungsluft zugeführt,
wobei der Kolben 9 sich in einer Abwärtsbewegung bis zu einem unteren
Totpunkt bewegt. In einem weiteren Kompressionstakt bewegt sich
der Kolben 9 in einer Aufwärtsbewegung vom unteren Totpunkt bis
zu einem oberen Totpunkt. Im Bereich des oberen Totpunkts wird der
Kraftstoff eingespritzt, wobei mittels der Kompression das gebildete
Kraftstoff/Luft-Gemisch gezündet
wird. Danach expandiert der Kolben 9 in einer Abwärtsbewegung
bis zu einem unteren Totpunkt. In einem letzten Takt fährt der
Kolben 9 in einer Aufwärtsbewegung bis
zu einem oberen Totpunkt und schiebt die Abgase aus dem Brennraum 1 über die
Auslasskanäle
aus. Die Mehrlochdüse 10 spritzt
den Kraftstoff so in den Brennraum 1 ein, dass die gebildeten
Kraftstoffstrahlen 11 auf eine Mulde 12 gerichtet
sind, bei der eine Muldenwand sowie eine Muldenumlenkwand als ein Teilabschnitt
des Zylinderkopfes 6 ausgebildet sind.
-
Der Kolben 9 weist einen
Kolbenboden 13 mit einem Vorsprung 14 auf. Im
Bereich des oberen Totpunkts dient ein Teil des Kolbenbodens 13 als
ein Muldenboden. Die Brennraummulde 12 besteht aus einem
ersten Teil und einem zweiten Teil, wobei der erste Teil als ein
Abschnitt 6a des Zylinderkopfes 6 ausgebildet
ist. Dieser Abschnitt 6a des Zylinderkopfes 6 ragt
in die Bohrung 8 des Zylinders 3 hinein. Der zweite
Teil der Mulde ist als ein Abschnitt 13a des Kolbenbodens 13 ausgebildet.
Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt in Richtung einer Muldenwand 12a und/oder
einer Muldenumlenkwand 12b derart, dass die Kraftstofftröpfchen innerhalb
einer Muldenumlenkwand ins Muldeninnere umgelenkt und zerstäubt werden.
Die gestrichelte Linie 15 veranschaulicht die Lage des
Kolbenbodens 13 im oberen Totpunkt, wenn der Kolben 9 nahe
dem unteren Muldenabschnitt 16 angekommen ist.
-
In 2 ist
eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
dargestellt, bei der ähnlich
wie bei der ersten Ausführungsform der
Kolben 9 einen Kolbenboden 13 mit einem Vorsprung 14 aufweist,
wobei zu dem Zeitpunkt, in dem sich der Kolben 9 im Bereich
des oberen Totpunkts befindet, ein Abschnitt 13a des Kolbenbodens
als ein Muldenboden verwendet wird. Gemäß der zweiten Ausführungsform
besteht die Brennraummulde 12 aus einem ersten Teil und
einem zweiten Teil, wobei der erste Teil als ein Brennraummuldenring 17 ausgebildet
ist, der unterhalb des Zylinderkopfes 6 angeordnet ist.
Der zweite Teil der Mulde ist als derjenige Abschnitt des Kolbenbodens 13 ausgebildet,
der die Mulde nach unten abschließt, wenn sich der Kolben am
oberen Totpunkt befindet. Es ist denkbar, dass sich der erste Teil
der Mulde 12 aus einem Abschnitt des Zylinderkopfes 6 und
einem Abschnitt des Brennraummuldenrings 17 zusammensetzt.
In diesem Falle ragt der Abschnitt des Zylinderkopfes in die Bohrung 8 des
Zylinders 3 hinein und liegt am Brennraummuldenring an.
-
Gemäß 3 ist eine dritte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dargestellt,
bei der ähnlich
wie bei der ersten Ausführungsform
eine Brennraummulde 12 aus einem ersten Teil und einem
zweiten Teil besteht, wobei der erste Teil als ein Abschnitt 6a des
Zylinderkopfes 6 ausgebildet ist. Der zweite Teil der Mulde
ist als ein Abschnitt 13a des Kolbenbodens 13 ausgebildet.
Der Kolben 9 weist einen mittig angeordneten Vorsprung 14 auf,
wobei im äußeren Bereich
des Kolbenbodens eine in Richtung des Zylinderkopfes 6 ringförmig ausgebildete
Ausbuchtung 18 des Kolbenbodens 13 ausgebildet
ist. Diese Ausbuchtung 18 dient beim Erreichen des oberen
Totpunkts als eine Muldenumlenkwand, wobei der von der Ausbuchtung 18 eingegrenzte
Bereich des Kolbenbodens 13 als ein Muldenboden verwendet
wird. Gemäß der dritten
Ausführungsform
besteht die Brennraummulde 12 aus einem ersten Teil und
einem zweiten Teil, wobei der erste Teil als ein in die Zylinderbohrung 8 einragender Abschnitt
des Zylinderkopfes 6 ausgebildet ist. Dabei weist der als
ein Teil des Kolbenbodens 13 ausgebildete zweite Teil der
Mulde 12 die Umlenkwand sowie den Muldenboden aus.
-
Gemäß der vierten Ausführungsform
in 4 ist der erste Teil
der Mulde 12 aus einem Brennraummuldenring 17 ausgebildet,
der unterhalb des Zylinderkopfes 6 angeordnet ist. Dabei
ist der zweite Teil der Mulde als ein Abschnitt des Kolbenbodens
ausgebildet, der wie bei der dritten Ausführungsform einen mittig angeordneten
Vorsprung 14 und im Randbereich des Kolbenbodens eine in
Richtung des Zylinderkopfes 6 ausgebildete Ausbuchtung 18 des
Kolbenbodens aufweist. Diese Ausbuchtung 18 dient ebenso
beim Erreichen des oberen Totpunkts als eine Muldenumlenkwand. Es
ist weiterhin denkbar, dass sich der erste Teil der Mulde 12 aus
einem Abschnitt des Zylinderkopfes 6 und einem Abschnitt
des Brennraummuldenrings 17 zusammensetzt. In diesem Falle
ragt der Abschnitt des Zylinderkopfes 6 in die Bohrung 8 des
Zylinders 3 hinein und grenzt am Brennraummuldenring 17 an.
-
Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt
bei allen Ausführungsbeispielen
in Richtung der Muldenwand und der Muldenumlenkwand derart, dass
die Kraftstofftröpfchen
ins Muldeninnere umgelenkt und zerstäubt werden. Ein Teil der eingespritzten
Kraftstoffstrahlen kann ebenso auf den Muldenboden gerichtet sein.
Weiterhin veranschaulicht die gestrichelte Linie 15 bei
allen Ausführungsbeispielen
die Lage des Kolbenbodens 13 im oberen Totpunkt, wenn der Kolben 9 nahe
der Mulde 12 angekommen ist. Dabei bleibt ein Sicherheitsabstand
von üblicherweise
weniger als 0,5 mm zwischen einer Kolbenbodenkontur und einem Kantenabschnitt 16 der
Mulde. Es ist denkbar, den Sicherheitsabstand zwischen 0,5 und 1 mm
zu gestalten. Die Mulde 12 dient dazu , die Strömungsverhältnisse
im Brennraum derart zu gestalten, dass nach dem Einspritzen des
Kraftstoffs keine Kraftstofftröpfchen
an den Kraftstoffaustrittsöffnungen
anhaften und der Kraftstoff schnell zerstäubt und verbrannt wird. Des
Weiteren soll durch die Erfindungsgemäße Muldenausbildung verhindert
werden, dass die einge spritzten Kraftstoffstrahlen 11 bis
an die Zylinderwand 8 gelangen.
-
Es ist bei allen Ausführungsbeispielen
denkbar, das ein Teil der einzuspritzenden Kraftstoffmenge im Ansaug-
und/oder Kompressionstakt als eine getaktete Voreinspritzung in
mehreren Teilmengen erfolgt, wobei der restliche Kraftstoff als
eine Haupteinspritzung zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise
im Bereich des oberen Totpunkts eingespritzt wird. Dabei kann der
Kraftstoff während
der Haupteinspritzung in den Brennraum wahlweise mit einem höheren Druck
als während
der Voreinspritzung eingespritzt werden.
-
Die Taktung der Voreinspritzung kann
derart gestaltet werden, dass die Reichweite der Kraftstoffstrahlen
bei jeder eingespritzten Teilmenge im Brennraum 1 begrenzt
wird. Die Reichweite ist vorzugsweise kleiner als eine Entfernung
bis zur Zylinderwand B. Durch die im Kompressionstakt erzielte Gemischbildung
der voreingespritzten Kraftstoffmenge wird bei der Verbrennung bei
einem hohen Luftüberschuss
eine nennenswerte thermische NO-Bildung, sowie eine Rußbildung
vermieden, da der Kraftstoff fein und weiträumig im gesamten Brennraum 1 verteilt
wird. Bei der angepassten und spät
erfolgten Haupteinspritzung wird für eine heterogene Verbrennungsphase
die thermische NO-Bildung deutlich vermindert, da die Sauerstoffkonzentration durch
den vorangegangenen homogenen Verbrennungsanteil schon deutlich
reduziert ist. Die Anzahl der Einspritzteilmengen sowie die Einspritzzeitpunkte
der Teilmengen können
lastabhängig
variiert werden.