DE10254594A1 - Profiled top surface of piston for internal combustion engine with direct fuel injection has double depression under injector and has raised rim with peak surrounding outer depression - Google Patents

Profiled top surface of piston for internal combustion engine with direct fuel injection has double depression under injector and has raised rim with peak surrounding outer depression Download PDF

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Abstract

The piston is for an Otto engine with spark ignition and direct fuel injection and has a depression (10) under the fuel injector. An inner depression (18) is formed in the floor of the outer depression (20) to receive the fuel spray and has a sharp rim (16). The depressions are teardrop- shaped with a pointed end. A rim separates the outer depression from a depression (12) in which air is compressed and has a central high point (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, insbesondere Ottomotor, mit Fremdzündung, direkter Einspritzung eines Kraftstoffes und einem Kolben, welcher einen Kolbenboden aufweist, wobei der Kolbenboden eine Kraftstoffmulde und eine Strömungs- bzw. Luftmulde aufweist, die von einer Erhebung des Kolbenbodens voneinander getrennt sind, welche einen höchsten Punkt des Kolbenbodens ausbildet, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.The invention relates to a reciprocating piston internal combustion engine, in particular a motor vehicle, in particular a gasoline engine, with Ignition, direct injection of a fuel and a piston, which has a piston crown, the piston crown a fuel trough and a flow or Has air trough, from one elevation of the piston head from each other are separated, which are the highest Point of the piston head forms, according to the preamble of the claim 1. The invention further relates to a method for operating such Reciprocating internal combustion engine according to the preamble of claim 3.

Um einen Ottomotor mit Direkteinspritzung stabil in einem verbrauchsgünstigen, sogenannten Schichtbetrieb stabil betreiben zu können, ist eine besondere Kolbenbodenform erforderlich, damit eine gute Gemischbildung und anschließend sichere Entflammung sichergestellt ist. Diese Kolbenbodenform sorgt dabei für eine entsprechende Führung des eingespritzten Kraftstoffes und der eingeleiteten Verbrennungsluft. So ist aus der DE 199 62 293 A1 eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung über einen einlaßseitigen Injektor bekannt, bei dem eine sogenannte Kraftstoffmulde und eine sogenannte Luftmulde vorgesehen sind. Die Kraftstoffmulde lenkt zusammen mit einer speziell mittels der Luftmulde erzeugten Luftströmung den eingespritzten Kraftstoff zur Zündkerze. Die bisherigen Kolbendesigns dieser Art stellen einen Kompromiß für einen gesamten, sogenannten Schichtbereich des Motors dar, d.h. für denjenigen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine, in dem diese im Schichtbetrieb betrieben wird. Bei kleinen Lasten werden nur geringe Kraftstoffmengen bei der Einspritzung abgesetzt und bei größeren dementsprechend mehr. Die Kraftstoffmulde muß diesen verschiedenen Kraftstoffmengen gerecht werden, wobei die Kraftstoffmulde für eine stabile Entflammung bei kleinen Kraftstoffmengen eigentlich sehr kompakt ausgebildet sein sollte und bei großen Kraftstoffmengen dagegen sehr groß bemessen sein sollte, um eine lokale Überfettung und einen damit einhergehenden erhöhten Kraftstoffverbrauch zu vermeiden.In order to be able to operate a gasoline engine with direct injection stably in a fuel-efficient, so-called stratified operation, a special piston crown shape is required so that a good mixture formation and subsequent safe ignition is ensured. This piston crown shape ensures that the injected fuel and the introduced combustion air are guided appropriately. So is from the DE 199 62 293 A1 a reciprocating internal combustion engine with direct fuel injection via an inlet-side injector is known, in which a so-called fuel well and a so-called air well are provided. The fuel well, together with an air flow specially created by the air well, directs the injected fuel to the spark plug. The previous piston designs of this type represent a compromise for an entire, so-called shift area of the engine, ie for the operating area of the internal combustion engine in which it is operated in shift operation. For small loads, only small amounts of fuel are sold during injection and, accordingly, more for larger ones. The fuel trough must do justice to these different amounts of fuel, the fuel trough should be very compact for a stable ignition with small amounts of fuel and should be very large with large amounts of fuel, in order to avoid local over-greasing and the associated increased fuel consumption.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenbrennkraftmaschine der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, welche im Schichtbetrieb sowohl für kleine als auch große Lasten hinsichtlich Betriebssicherheit, Verbrennungsstabilität, Schadstoftemission und Verbrauch optimiert ist.The invention has for its object a Reciprocating internal combustion engine of the type mentioned above are available too which in shift operation for both small and large loads with regard to operational safety, combustion stability, pollutant emissions and consumption is optimized.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 3 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a Reciprocating piston internal combustion engine of the above Kind with those characterized in claim 1 Characteristics and by a process of the above Kind with the in claim 3 marked features solved. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Dazu ist es bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß in einer Wandung der Kraftstoffmulde wenigstens eine Stufenkante ausgebildet ist, an der eine Steigung der Wandung einen Sprung aufweist, wobei diese Stufenkante einen großen Kraftstoffmuldenteil von einem kleinen Kraftstoffmuldenteil derart abtrennt, daß der kleine Kraftstoffmuldenteil vollständig innerhalb des großen Kraftstoffmuldenteils angeordnet ist.It is for a reciprocating piston internal combustion engine the above Art provided according to the invention that in a Wall of the fuel trough formed at least one step edge is on which a slope of the wall has a jump, this Step edge a big one Fuel trough part from a small fuel trough part like this separates that the small fuel compartment part completely within the large fuel compartment part is arranged.

Bei einem Verfahren der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß für jede Stufenkante eine Lastgrenze in einem Last-Drehzahl-Kennfeld bestimmt wird, wobei in einem Schichtbetrieb die Einspritzung von Kraftstoff bzgl. Menge und Zeitpunkt derart durchgeführt wird, daß unterhalb einer jeweiligen Lastgrenze im wesentlichen nur diejenigen Muldenteile durchströmt werden, welche innerhalb der dieser Lastgrenze zugeordneten Stufenkante ausgebildet sind und oberhalb dieser Lastgrenze zusätzlich der jeweils an diese Stufenkante angrenzende große Muldenteil durchströmt wird.In a procedure of the above kind it is provided according to the invention that one for each step edge Load limit is determined in a load-speed map, where in a shift operation the injection of fuel in terms of quantity and time carried out in this way will that below a respective load limit essentially only those trough parts flows through which are within the step edge assigned to this load limit are trained and above this load limit in addition is flowed through in each case adjacent to this step edge large trough part.

Dies hat den Vorteil, daß wenigstens zwei separate Kraftstoffmulden ineinander geschachtelt sind, wobei durch diese besondere Formgebung des Kolbenbodens im Bereich der Kraftstoffmulde eine Verbrennungsstabilität der Brennkraftmaschine im sogenannten Schichtbetrieb bei besserem Verbrauchswert und geringeren Emissionen über einen größeren Lastbereich erhöht wird. Es steht praktisch ein Kolben zur Verfügung, der sowohl für kleine Lasten als auch für große Lasten im Schichtbetrieb optimiert ist.This has the advantage that at least two separate fuel wells are nested one inside the other, whereby due to this special shape of the piston crown in the area of Fuel well a combustion stability of the internal combustion engine in the so-called Shift operation with better consumption value and lower emissions over a larger load range elevated becomes. There is practically a plunger available, which is suitable for both small Loads as well for size Loads in shift operation is optimized.

Beispielsweise ist die Stufenkante als offene Linie oder als geschlossene Linie an der Wandung umlaufend ausgebildet.For example, the step edge as an open line or as a closed line all around the wall educated.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen inOther features, advantages and advantageous configurations the invention result from the dependent claims, as well from the following description of the invention with reference to the accompanying drawings. These show in

1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Kolbens für eine erfindungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschinen in perspektivischer Ansicht, 1 1 shows a preferred embodiment of a piston for a reciprocating piston internal combustion engine according to the invention in a perspective view,

2 den Kolben gemäß 1 in Aufsicht, 2 according to the piston 1 under supervision,

3 den Kolben gemäß 1 in einer Schnittansicht entlang Linie A-A von 2, 3 according to the piston 1 in a sectional view along line AA of 2 .

4 den Kolben gemäß 1 in einer Schnittansicht entlang Linie B-B von 2 und 4 according to the piston 1 in a sectional view along line BB of 2 and

5 den Kolben gemäß 1 in einer Schnittansicht entlang Linie C-C von 2 Der in den 1 bis 5 dargestellte Kolben weist auf einer einem nicht dargestellten Brennraum zugewandten Seite in Form eines Kolbenbodens eine Kraftstoffmulde 10 und eine Luftmulde 12 auf. Diese sind durch eine Erhebung 14 voneinander getrennt. Die Erhebung 14 bildet den höchsten Punkt des Kolbenbodens aus. Die Kraftstoffmulde 10 ist von einer Stufenkante 16 in einen kleinen Kraftstoffmuldenteil 18 und einen großen Kraftstoffmuldenteil 20 getrennt. Die Stufenkante 16 bildet dabei einen Sprung in einer Steigung einer Wandung der Kraftstoffmulde 12. Der kleine Kraftstoffmuldenteil 18 ist vollständig innerhalb des großen Kraftstoffmuldenteils 20 angeordnet. Mit anderen Worten sind der kleine Kraftstoffmuldenteil 18 und der große Kraftstoffmuldenteil 20 ineinander geschachtelt. 5 according to the piston 1 in a sectional view along line CC of 2 The in the 1 to 5 Piston shown has a fuel trough on a side facing a combustion chamber, not shown, in the form of a piston crown 10 and an air well 12 on. These are through a survey 14 separated from each other. The assessment 14 forms the highest point of the piston crown. The fuel tank 10 is from a step edge 16 into a small fuel compartment 18 and a large fuel tank section 20 Cut. The step edge 16 forms a jump in a slope of a wall of the fuel well 12 , The little fuel tank part 18 is completely within the large fuel tank part 20 arranged. In other words, the little fuel trough part 18 and the big fuel tank part 20 nested inside each other.

Durch die unterschiedliche Größe der Kraftstoffmulde einerseits beschränkt auf den kleinen Kraftstoffmuldenteil 18 und andererseits in Kombination von kleinem und großem Kraftstoffmuldenteil 18, 20 ist eine optimale Anpassung sowohl an kleine als auch große Lasten im Schichtbetrieb gegeben. Durch entsprechende Wahl des Einspritzzeitpunktes und der einzuspritzenden Kraftstoffmenge wird bei kleinen Lasten nur der kleine Kraftstoffmuldenteil 18 genutzt und werden damit sehr kleine Kraftstoffmengen kompakt in der Nähe der Zündkerze gehalten. Bei größeren Lasten kann zusätzlich das größere Volumen, d.h. eine Kombination von kleinem und großem Kraftstoffmuldenteil 18, 20 genutzt werden, wobei ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht, um eine vollständige Verbrennung mit geringem HC- und CO-Emissionen sowie einem günstigen Verbrauch zu gewährleisten.Due to the different size of the fuel trough, limited to the small fuel trough part 18 and on the other hand in combination of a small and a large fuel tank part 18 . 20 there is an optimal adaptation to both small and large loads in shift operation. By appropriate selection of the injection timing and the amount of fuel to be injected, only the small fuel trough part becomes available for small loads 18 used and so very small amounts of fuel are kept compact near the spark plug. For larger loads, the larger volume, ie a combination of a small and a large fuel tank part, can also be used 18 . 20 be used, with sufficient oxygen available to ensure complete combustion with low HC and CO emissions and low consumption.

Beispielsweise wird hierzu in einem Last-Drehzahl-Kennfeld eine Lastschwelle definiert, unterhalb derer ausschließlich der kleine Kraftstoftmuldenteil 18 genutzt wird, um der Anforderung einer möglichst kompakten Kraftstoffmulde 10 zu entsprechen. Oberhalb dieser Lastschwelle wird zusätzlich das Volumen des größeren Kraftstoffmuldenteils 20 mit genutzt, um den Anforderungen einer insgesamt größeren Kraftstoffmulde 10 zu entsprechen.For example, a load threshold is defined in a load-speed map below which only the small fuel tank part is defined 18 is used to meet the requirement for a compact fuel trough 10 correspond to. Above this load threshold, the volume of the larger fuel tank part is also 20 also used to meet the requirements of an overall larger fuel tank 10 correspond to.

Die Erfindung wurde lediglich beispielhaft anhand einer zweistufigen Kraftstoffmulde erläutert. Erfindungsgemäß können auch zwei oder mehr Stufenkanten 16 vorgesehen sein, die die Kraftstoffmulde 10 in immer kleiner werdende drei oder mehr Kraftstoffmuldenteile unterteilen. Hierbei ist dann im Last-Drehzahl-Kennfeld für jede Stufenkante eine entsprechende Lastschwelle definiert. Unterhalb der untersten Lastschwelle wird nur der kleinste, innerste Kraftstoffmuldenteil genutzt. Bei jedem Überschreiten einer Lastschwelle in Richtung größere Last wird dann zusätzlich das Volumen des entsprechenden nächst größeren Kraftstoffmuldenteils genutzt, der außen an die dieser Lastschwelle zugeordnete Stufenkante angrenzt. Auf diese Weise ist eine beliebige Feinabstufung der Kraftstoffmulde möglich, wobei die effektive Größe der Kraftstoffmulde somit lastabhängig optimiert gewählt wird.The invention was only explained by way of example using a two-stage fuel trough. According to the invention, two or more step edges can also be used 16 be provided, the fuel trough 10 divide into increasingly smaller three or more fuel trough parts. A corresponding load threshold is then defined for each step edge in the load-speed map. Below the lowest load threshold, only the smallest, innermost fuel trough part is used. Each time a load threshold is exceeded in the direction of a larger load, the volume of the corresponding next larger fuel tank part is used, which adjoins the step edge assigned to this load threshold on the outside. In this way, an arbitrary fine gradation of the fuel bowl is possible, the effective size of the fuel bowl being thus selected to be optimized as a function of the load.

Claims (3)

Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, insbesondere Ottomotor, mit Fremdzündung, direkter Einspritzung eines Kraftstoffes und einem Kolben, welcher einen Kolbenboden aufweist, wobei der Kolbenboden eine Kraftstoffmulde (10) und eine Strömungs- bzw. Luftmulde (12) aufweist, die von einer Erhebung (14) des Kolbenbodens voneinander getrennt sind, welche einen höchsten Punkt des Kolbenbodens ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Wandung der Kraftstoffmulde (10) wenigstens eine Stufenkante (16) ausgebildet ist, an der eine Steigung der Wandung einen Sprung aufweist, wobei diese Stufenkante (16) einen großen Kraftstoffmuldenteil (20) von einem kleinen Kraftstoffmuldenteil (18) derart abtrennt, daß der kleine Kraftstoffmuldenteil (18) vollständig innerhalb des großen Kraftstoffmuldenteils (20) angeordnet ist.Reciprocating piston internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, in particular a gasoline engine, with spark ignition, direct injection of a fuel and a piston which has a piston crown, the piston crown having a fuel trough ( 10 ) and a flow or air trough ( 12 ) which is based on a survey ( 14 ) of the piston crown are separated from each other, which forms a highest point of the piston crown, characterized in that in a wall of the fuel trough ( 10 ) at least one step edge ( 16 ) is formed, on which a slope of the wall has a jump, this step edge ( 16 ) a large fuel tank section ( 20 ) from a small fuel tank part ( 18 ) so that the small fuel compartment part ( 18 ) completely within the large fuel tank section ( 20 ) is arranged. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenkante (16) als offene Linie oder als geschlossene Linie an der Wandung umlaufend ausgebildet ist.Reciprocating piston internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the step edge ( 16 ) is designed as an open line or as a closed line all around the wall. Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, welche gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Stufenkante eine Lastgrenze in einem Last-Drehzahl-Kennfeld bestimmt wird, wobei in einem Schichtbetrieb die Einspritzung von Kraftstoff bzgl. Menge und Zeitpunkt derart durchgeführt wird, daß unterhalb einer jeweiligen Lastgrenze im wesentlichen nur diejenigen Muldenteile durchströmt werden, welche innerhalb der dieser Lastgrenze zugeordneten Stufenkante ausgebildet sind und oberhalb dieser Lastgrenze zusätzlich der jeweils an diese Stufenkante angrenzende große Muldenteil durchströmt wird.Method for operating a reciprocating piston internal combustion engine, which according to at least any of the preceding claims is formed, characterized in that a load limit for each step edge is determined in a load-speed map, in a shift operation the injection of fuel in terms of quantity and timing carried out will that below a respective load limit essentially only those trough parts flows through which are within the step edge assigned to this load limit are trained and above this load limit in addition is flowed through in each case adjacent to this step edge large trough part.
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