DE10303721A1 - Motor mit Fremdzündung mit flacher Kolbenmuldengeometrie - Google Patents

Motor mit Fremdzündung mit flacher Kolbenmuldengeometrie

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Abstract

Ein Kolben zur Verwendung mit einem Direkteinspritzmotor mit Fremdzündung umfasst einen Kolbenkörper mit einer oberen Seite mit einem Kolbenrand und einer flachen Mulde. Weiterhin weist die flache Mulde eine maximale Tiefe auf, die in dem Bereich von eins bis fünf Millimeter unter dem Kolbenrand liegt.

Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen Kolben zur Verwendung mit einem Direkteinspritzmotor mit Fremdzündung.
  • 2. Stand der Technik
  • Ein Direkteinspritzmotor ist normalerweise so ausgelegt, dass die Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei niedrigen Motorlasten durch Vorsehen von Schichtladungen in einem Brennraum des Motors verbessert wird. Bei einer Schichtladung wird nahe einer Zündkerze ein naher stöchiometrischer oder kraftstoffreicher Luft-/Kraftstoffbereich in einem im Allgemeinen überstöchiometrischen Luft-/Kraftstoffgemisch ausgebildet.
  • Normalerweise wird eine Schichtung durch Vorsehen einer tiefen Aussparung oder Mulde in einem Kolben des Motors sowie durch Vorsehen einer Tumble- und/oder Drallluftströmung in den Brennraum erreicht. Wenn Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, trifft der Kraftstoff auf den Boden oder die Seite der Mulde und wirkt mit der Bewegung der Luft in dem Brennraum zusammen, so dass die Schichtladung erzeugt wird.
  • Zwar trägt die tiefe Mulde zur Bildung der Schichtladung bei, doch kann die Schichtladung nicht optimal zur Zündkerze angeordnet werden. Dadurch kann die Verbrennung instabil und unvollständig sein. Weiterhin vergrößert die tiefe Mulde die Fläche des Kolbens, was über den Kolben während des Expansionstakts zu einem erhöhten Wärmeverlust zum Motorkühlmittel führt. Der erhöhte Wärmeverlust bewirkt einen erhöhten Kraftstoffverbrauch und ein verringertes Ausgangsdrehmoment.
  • ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung geht die Nachteile des Stands der Technik durch Vorsehen einer verbesserten Kolbenkonfiguration an, welche bei gleichzeitiger Minimierung eines unerwünschten Wärmeaustausches effektiv Schichtladungen bildet und anordnet.
  • Im Rahmen der Erfindung wird ein Kolben zur Verwendung mit einem Direkteinspritzmotor mit Fremdzündung vorgesehen. In einer Ausführung der Erfindung umfasst der Kolben einen Kolbenkörper mit einer oberen Seite mit einem Kolbenrand und einer flachen Mulde. Ferner weist die flache Mulde eine maximale Tiefe auf, die in dem Bereich von ein bis fünf Millimeter unter dem Kolbenrand liegt.
  • In einer anderen Ausführung der Erfindung umfasst der Kolben einen Kolbenkörper mit einem Radius und einer oberen Seite. Die obere Seite umfasst eine flache Mulde und bildet eine Fläche aus, die nicht größer als 1,15 mal π (pi) mal der Radius2 ist.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine Seitenansicht, teils im Schnitt, eines Motors mit einem Zylinder, einem über dem Zylinder angeordneten Zylinderkopf und einem in dem Zylinder angeordneten und am oberen Totpunkt positionierten erfindungsgemäßen Kolben;
  • Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittansicht des Kolbens;
  • Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Kolbenhälfte;
  • Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Kolben und
  • Fig. 5 ist eine Querschnittansicht des Kolbens entlang der Linie 5-5 von Fig. 4.
    • EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
  • Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Direkteinspritzmotor 10 mit Fremdzündung. Der Motor 10 umfasst einen Zylinderblock 12 mit einem darin ausgebildeten Zylinder 14. In dem Zylinder 14 ist ein Kolben 15 gleitend angeordnet. Ein Zylinderkopf 16 ist an dem Zylinderblock 12 angebracht und bedeckt das obere Ende 18 des Zylinders 14, um den Brennraum 20 zu bilden. Der Zylinderkopf 16 kann zum Beispiel ein Paar Einlasskanäle 22 sowie ein Paar Auslasskanäle 24 umfassen. Jeder Einlasskanal 22 steht mit dem Brennraum 20 durch ein jeweiliges Einlassventil 26 in Verbindung und jeder Auslasskanal steht mit dem Brennraum 20 durch ein jeweiliges Auslassventil 28 in Verbindung. Der Motor 10 umfasst weiterhin ein Kraftstoffeinspritzventil 30 in Fluidverbindung mit dem Zylinder 14 für das Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Brennraum 20 sowie eine Zündquelle wie zum Beispiel eine Zündkerze 32 in Verbindung mit dem Zylinder 14 für das Zünden von Kraftstoff in dem Brennraum 20. Weiterhin versteht sich, dass der Motor 10 mehrere Zylinder und mehrere Kolben umfassen kann, wobei in jedem Zylinder ein Kolben angeordnet ist.
  • Unter Bezug auf die Fig. 1 bis 4 werden nun weitere Einzelheiten bezüglich des Kolbens 15 beschrieben. Der Kolben 15 umfasst einen Kolbenkörper 33 mit einer oberen Seite 34. Die obere Seite 34 umfasst eine umlaufende einlassventilseitige horizontale Fläche bzw. Kolbenrand 36 sowie eine umlaufende ablassventilseitige horizontale Fläche 37. In der in den Figuren gezeigten Ausführung ist jede der Flächen 36 und 37 im Allgemeinen sichelförmig. Gie obere Seite 34 umfasst weiterhin eine flache Mulde 38 angrenzend an dem Kolbenrand 36 und ein Kolbenhubteil bzw. ein Kolbenboden 40 ist angrenzend an der Mulde 38 angeordnet.
  • Die Mulde 38 weist eine maximale Tiefe d auf, die in dem Bereich von 1 bis 5 Millimeter unter dem Kolbenrand 36 liegt. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung liegt die maximale Tiefe d der Mulde 38 in dem Bereich von 2 bis 4 Millimeter unter dem Kolbenrand 36. Die Erfinder haben festgestellt, dass diese Anordnung unter Teilmotorlastbedingungen sowie bei voller Last optimale Leistung bietet, wie nachstehend eingehend beschrieben wird.
  • In der in den Figuren gezeigten Ausführung ist die Mulde 38 durch eine einzige, glatte Fläche 39, welche keine von dem Boden 40 beabstandete ausgebildeten Kanten aufweist, gebildet. Eine derartige Anordnung verbessert die Luftströmung in der Mulde 38.
  • Der Boden 40 ist vorzugsweise durch eine einzige, glatte Fläche 42 ausgebildet, die keine von der Mulde 38 beabstandete ausgebildete Kanten aufweist. Eine derartige Anordnung minimiert die Fläche der oberen Seite 34 und verbessert die Luftströmung in die Mulde 38. Der Boden 40 kann auch mit gebogenen Verlängerungen 44 versehen sein, die sich in die Mulde 38 erstrecken, um Luft in die Mulde 38 zu leiten, wie durch die Strömlinien 46 in Fig. 4 angedeutet. Ferner kann der Boden 40 Aussparungen 47 umfassen, um zu den Einlassventilen 26 Abstand zu bieten.
  • Die Konfiguration des Bodens 40 kann vom Durchmesser des Zylinders 14 und dem Winkel der Ablassventile 28 abhängen. Bei einem Zylinderdurchmesser in dem Bereich von 90 bis 100 Millimeter und einem Ablassventilwinkel α in dem Bereich von 18 bis 20 Grad (gemessen vom Ventilschaft zu einer vertikalen Achse des Zylinders 14) zum Beispiel kann der Boden 40 eine Höhe h in dem Bereich von 9 bis 12 Millimeter bezüglich des Kolbenrands 36 aufweisen. In einer Ausführung der Erfindung, bei der der Zylinder 14 einen Durchmesser von etwa 90 Millimeter aufweist und der Ablassventilwinkel α etwa 19 Grad beträgt, beträgt die Höhe h des Bodens 40 etwa 11 Millimeter.
  • Bezüglich Fig. 2 weist der Kolbenkörper 33 eine Achse 48 und einen Radius r auf, welcher auch der Radius der oberen Seite 34 ist. Weiterhin bildet die obere Seite 34 eine Fläche aus, die vorzugsweise in dem Bereich von 1,05 (π) r2 bis 1,15 (π) r2 liegt, und bevorzugter in dem Bereich von 1,10 (π) r2 bis 1,13 (π) r2 liegt. In der in den Figuren gezeigten Ausführung besitzt die obere Seite 34 eine Fläche von 1,114 (π) r2. Diese Fläche ist erheblich kleiner als die Flächen der Kolbenoberseiten des Stands der Technik, die 1,24 (π) r2 (Kolbenradius)2 oder mehr betragen können. Bei einer solchen Konfiguration kann der Wärmeverlust von den Abgasen zum Kolben 15 während der Arbeitstakte des Kolbens 15 minimiert werden. Ferner kann die Wärmeübertragung von dem Kolben 15 zu den nicht verbrannten Luft-/Kraftstoffgemischen während der Ansaugtakte minimiert werden, wodurch die Neigung zu Motorklopfen verringert wird.
  • Der Kolben 15 kann jedes geeignete Material umfassen und kann in geeigneter Weise hergestellt werden. Der Kolben 15 kann zum Beispiel aus einem Aluminiumguss oder einer Silizium und Aluminium enthaltenden Legierung hergestellt werden und der Kolben 15 kann so bearbeitet werden, dass er eine gewünschte Endform erhält.
  • Unter Bezug auf die Fig. 1-5 wird nun die Arbeitsweise des Motors 10 beschrieben. Eine homogene Ladungsverbrennung wird unter Hoch- oder Volllastbedingungen ausgeführt. Wenn sich der Kolben 15 in dem Zylinder 14 während eines Kompressionstakts nach oben bewegt, wird Luft entlang der geneigten Abschnitte 50 des Bodens 40 und dann in die Mulde 38 gepresst. Dadurch wird ein gegenläufig drehendes Wirbelströmmuster erzeugt, wie durch die Strömlinien 46 in Fig. 4 angedeutet. Dieses Strömungsmuster trägt zur Luftbewegung in der Mulde 38 bei und verbessert daher das Luft-/Kraftstoffmischen in der Mulde 38.
  • Aufgrund der glatten Konfiguration des Bodens 40 kann die Luftströmung verglichen mit Kolben des Stands der Technik verbessert werden. Dadurch kann die Notwendigkeit einer einlassstrominduzierten Tumble- und/oder Drallströmung verringert werden.
  • Bei bestimmten Teillastbedingungen des Motors 10 wird eine Schichtladungsverbrennung ausgeführt. Da die Mulde 38 eiine relativ geringe Tiefe d aufweist, können Schichtladungen bezüglich der Zündkerze 32 verglichen mit Motoren des Stands der Technik höher angeordnet werden, wenn sich der Kolben 15 an oder nahe am oberen Totpunkt befindet. Dadurch kann die Verbrennungsstabilität verbessert werden.
  • Zwar wurde eingehend die beste Art der Durchführung der Erfindung beschrieben, doch wird der mit der Technik dieser Erfindung vertraute Fachmann verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungen für das Ausüben der Erfindung, wie sie durch die folgenden Patentansprüche festgelegt wird, erkennen.

Claims (28)

1. Kolben zur Verwendung mit einem Direkteinspritzmotor mit Fremdzündung, wobei der Kolben umfasst: einen Kolbenkörper mit einer oberen Seite mit einem Kolbenrand und einer flachen Mulde, wobei die flache Mulde eine maximale Tiefe aufweist, die in dem Bereich von ein bis fünf Millimeter unter dem Kolbenrand liegt.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Tiefe der flachen Mulde in dem Bereich von zwei bis vier Millimeter unter dem Kolbenrand liegt.
3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Seite weiterhin einen angrenzend an der flachen Mulde angeordneten Kolbenboden umfasst, wobei der Boden eine glatte Oberfläche ahne weg von der flachen Mulde angeordnete ausgebildete Kanten aufweist.
4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkörper weiterhin einen Radius aufweist und die obere Seite eine Fläche ausbildet, die nicht größer als 1,15 mal π mal Radius2 ist.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die obere Seite ausgebildete Fläche nicht kleiner als 1,05 mal π mal Radius2 ist.
6. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkörper weiterhin einen Radius aufweist und die obere Seite eine Fläche ausbildet, die nicht größer als 1,13 mal π mal Radius2 ist.
7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die obere Seite ausgebildete Fläche nicht kleiner als 1,10 mal π mal Radius2 ist.
8. Kolben zur Verwendung mit einem Direkteinspritzmotor mit Fremdzündung, wobei der Kolben umfasst: seinen Kolbenkörper mit einem Radius und einer oberen Seite, wobei die obere Seite eine flache Mulde beinhaltet und eine Fläche ausbildet, die nicht größer als 1,15 mal π mal Radius2 ist.
9. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die obere Seite ausgebildete Fläche nicht kleiner als 1,05 mal π mal Radius2 ist.
10. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die obere Seite ausgebildete Fläche nicht größer als 1,13 mal π mal Radius2 ist.
11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die obere Seite ausgebildete Fläche nicht kleiner als 1,10 mal π mal Radius2 ist.
12. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Seite weiterhin einen angrenzend an der flachen Mulde angeordneten Kolbenboden umfasst, wobei der Boden eine glatte Oberfläche ohne weg von der flachen Mulde angeordnete ausgebildete Kanten aufweist.
13. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Seite weiterhin einen angrenzend an die flache Mulde angeordneten Kolbenrand umfasst und die flache Mulde eine maximale Tiefe aufweist, die in dem Bereich von ein bis fünf Millimeter unter dem Kolbenrand liegt.
14. Kolben nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Tiefe der flachen Mulde in dem Bereich von zwei bis vier Millimeter unter dem Kolbenrand liegt.
15. Direkteinspritzmotor mit Fremdzündung, welcher umfasst:
einen Zylinder;
ein Kraftstoffeinspritzventil in Fluidverbindung mit dem Zylinder für das Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Zylinder;
eine Zündquelle in Verbindung mit dem Zylinder für das Entzünden von Kraftstoff in dem Zylinder; und
einen in dem Zylinder angeordneten Kolben, wobei der Kolben eine obere Seite aufweist, welche einen Kolbenrand sowie eine flache Mulde umfasst, die flache Mulde eine maximale Tiefe aufweist, die in dem Bereich von eins bis fünf Millimeter unter dem Kolbenrand liegt.
16. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Tiefe der flachen Mulde in dem Bereich von zwei bis vier Millimeter unter dem Kolbenrand liegt.
17. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Seite weiterhin einen angrenzend an die flache Mulde angeordneten Kolbenboden umfasst, wobei der Boden eine glatte Oberfläche ohne weg von der flachen Mulde angeordnete ausgebildete Kanten aufweist.
18. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben einen Radius aufweist und die obere Seite eine Fläche ausbildet, die nicht größer als 1,15 mal π mal Radius2 ist.
19. Motor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die obere Seite ausgebildete Fläche nicht kleiner als 1,05 mal π mal Radius2 ist.
20. Motor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben einen Radius aufweist und die obere Seite eine Fläche ausbildet, die nicht größer als 1,13 mal π mal Radius2 ist.
21. Motor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die obere Seite ausgebildete Fläche nicht kleiner als 1,10 mal π mal Radius2 ist.
22. Direkteinspritzmotor mit Fremdzündung, welcher umfasst:
einen Zylinder;
ein Kraftstoffeinspritzventil in Fluidverbindung mit dem Zylinder für das Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Zylinder;
Feine Zündquelle in Verbindung mit dem Zylinder für das Entzünden von Kraftstoff in dem Zylinder; und
einen in dem Zylinder angeordneten Kolben, wobei der Kolben einen Radius und eine obere Seite aufweist, die obere Seite eine flache Mulde umfasst und eine Fläche ausbildet, die nicht größer als 1,15 π mal Radius2 ist.
23. Motor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die obere Seite ausgebildete Fläche nicht kleiner als 1,05 mal π mal Radius2 ist.
24. Motor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die obere Seite ausgebildete Fläche nicht größer als 1,13 mal π mal Radius2 ist.
25. Motor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die obere Seite ausgebildete Fläche nicht kleiner als 1, 10 mal π mal Radius2 ist.
26. Motor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Seite weiterhin einen angrenzend an die flache Mulde angeordneten Kolbenboden umfasst, wobei der Boden eine glatte Oberfläche ohne weg von der flachen Mulde angeordnete ausgebildete Kanten aufweist.
27. Motor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Seite weiterhin eine angrenzend an die flache Mulde angeordneten Kolbenrand umfasst und die flache Mulde eine maximale Tiefe aufweist, die in dem Bereich von ein bis fünf Millimeter unter dem Kolbenrand liegt.
28. Motor nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Tiefe der flachen Mulde in dem Bereich von zwei bis vier Milllimeter unter dem Kolbenrand liegt.
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