DE19853357A1 - Cylinder head for internal combustion engine, has piston trough on curved wall part of which fuel stream arrives tangentially - Google Patents
Cylinder head for internal combustion engine, has piston trough on curved wall part of which fuel stream arrives tangentiallyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Ottomotor, mit mindestens einem Einlaßkanal, einem Auslaßkanal, einer dem Zylinderkopf zugeordneten Direkteinspritzvorrichtung, einem eine gewölbte Kolbenmulde bzw. ein Aufprallelement aufweisenden Kolben und einer Zündvorrichtung, wobei zumindest die Mittelachse der Direkteinspritzvorrichtung bzw. der Hauptstrom des austretenden Kraftstoffstrahls mit Bezug auf das Kolbendach geneigt verlaufend angeordnet ist.The invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine, especially for one Otto engine, with at least one inlet duct, one Exhaust port, one associated with the cylinder head Direct injection device, one an arched Piston recess or an impact element Piston and an ignition device, at least the Central axis of the direct injection device or Main stream of the emerging fuel jet with reference is arranged inclined to the piston roof.
Es ist bereits ein Zylinderkopf der eingangs aufgeführten Art bekannt (EP 0 558 072 A1), der bereits einen Kolben für eine Brennkraftmaschine zeigt, der in der Kolbenoberfläche eine konkav ausgebildete Kolbenmulde zeigt, der eine Einspritzvorrichtung und eine Zündvorrichtung zugeordnet ist. Dieser direkt einspritzende Ottomotor arbeitet nach dem sogenannten wandgeführten oder auch wandverteilenden Brennverfahren. Hierbei trifft der aus der Einspritzvorrichtung austretende Kraftstoff in einem annähernd rechten Winkel auf die im Bereich der Mittelachse des Kolbens liegende Brennraumwand auf. Die Verdampfung des Kraftstoffes wird durch die Wärmezufuhr vom Kolben unterstützt. Die Gemischwolke wird über eine gerichtete Ladungsbewegung zur Zündkerze transportiert, die konzentrisch zur Mittelachse des Kolbens angeordnet ist. Die Ladungsbewegung wird durch die nach innen gewölbte Kolbenmulde sowie die etwa zur Mittelachse des Kolbens parallel verlaufenden Ansaugkanäle beeinflußt, so daß der Luftstrom in eine Drehrichtung bewegt wird, die entgegengesetzt zur üblichen Drehrichtung der Strömungswalze verläuft. Die Ausgestaltung des Kolbenbodens und die hierdurch erforderliche Ausgestaltung der Ansaugkanäle führt zu einer relativ großen Bauhöhe des gesamten Motors.It is already a cylinder head at the beginning known type known (EP 0 558 072 A1), which already shows a piston for an internal combustion engine, which in a concave design on the piston surface Piston well shows an injector and an ignition device is assigned. This directly injecting gasoline engine works according to the so-called wall-guided or wall-distributing Combustion process. Here, the one from the Injector leaking fuel in one approximately right angles to those in the area of Combustion chamber wall lying on the central axis of the piston. The Evaporation of the fuel is caused by the supply of heat supported by the piston. The mixture cloud is over a directional charge movement transported to the spark plug, which are arranged concentrically to the central axis of the piston is. The charge movement is through the inside curved piston bowl and the approximately to the central axis of the Piston parallel suction channels affected, so that the airflow is moved in one direction, the opposite of the usual direction of rotation of the Flow roller runs. The design of the Piston plate and the required Design of the intake ducts leads to a relative large overall height of the entire engine.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den in den Brennraum eingetretenen Kraftstoffstrahl derart auszurichten und die Kolbenmulde derart auszugestalten, daß eine gute Gemischaufbereitung bzw. Verdampfung bei geringer Neigung zur Ablagerung bzw. Verkokung an der Zündkerze und an der Düsenöffnung der Einspritzvorrichtung erzielt wird.In contrast, the invention is based on the object the fuel jet entering the combustion chamber to align and the piston bowl in such a way to design that a good mixture preparation or Evaporation with a low tendency to deposit or Coking on the spark plug and on the nozzle opening of the Injector is achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kolbenmulde bzw. (das Aufprallelement) ein in Richtung der Mittelachse des Kolbens gekrümmt verlaufendes Wandteil und/oder einen Boden aufweist, auf den der Kraftstoffstrahl bzw. der Kraftstoff in etwa tangential auftrifft und/oder entlanggeführt wird und das Wandteil mit Abstand zur Mittelachse des Kolbens angeordnet ist. Durch die vorteilhafte Ausbildung der in die Kolbenoberfläche eingebrachten, nach innen gewölbten Kolbenmulde bzw. des Aufprallelements und die entsprechende Positionierung der Einspritzvorrichtung kann der aus der Einspritzvorrichtung austretende Kraftstoffstrahl bzw. der Hauptstrom der Kraftstoffwolke tangential auftreffen und an der Kolbenmulde entlang zur Zündkerze bewegt werden. Die Ladungsbewegung der tangential einströmenden Luft bewegt sich entlang dem Rand der Zylinderbohrung. Der eingespritzte Kraftstoff bildet mit der einströmenden Luft ein zündfähiges Kraftstoff- Luftgemisch.This object is achieved in that the piston bowl or (the impact element) a in Curved towards the central axis of the piston has a running wall part and / or a floor, to which the fuel jet or the fuel in strikes tangentially and / or is guided along and the wall part at a distance from the central axis of the Piston is arranged. Because of the advantageous Formation of the introduced into the piston surface, inwardly curved piston bowl or the Impact elements and the corresponding positioning the injector can from the Injector emerging fuel jet or the main stream of the fuel cloud tangential hit and along the piston recess to the spark plug be moved. The charge movement of the tangential incoming air moves along the edge of the Cylinder bore. The injected fuel forms with the inflowing air an ignitable fuel Air mixture.
Hierzu ist es vorteilhaft, daß die an den ersten nach innen gewölbten, im Bereich der Direkteinspritzvorrichtung liegenden Teilbodenabschnitt der Kolbenmulde angelegte Tangente mit der Kolbenoberfläche einen Neigungswinkel α, α1 einschließt, der in etwa gleich groß oder etwas kleiner ist als der zwischen der Mittelachse, der Zündvorrichtung und der Kolbenoberfläche gebildete Neigungswinkel β, β1. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Kolbenmulde, insbesondere des ersten Teilbodenabschnitts der Kolbenmulde, trifft der aus der Einspritzvorrichtung austretende Kraftstoffstrahl bzw. der Hauptstrom der Kraftstoffwolke tangential auf den ersten Teilbodenabschnitt bzw. das zugehörige gekrümmte Wandteil der Kolbenmulde auf und bildet in kürzester Zeit mit der ebenfalls tangential einströmenden Luft ein zündfähiges Kraftstoff-Luftgemisch. Der Neigungswinkel zwischen der Längsmittelachse der Zündeinrichtung bzw. des austretenden Kraftstoffstrahls kann entweder gleich groß oder auch etwas kleiner sein als der Neigungswinkel zwischen der Oberfläche des ersten Teilbodenabschnitts der Kolbenmulde und der Kolbenoberfläche.For this purpose, it is advantageous that the tangent applied to the first inwardly curved partial bottom section of the piston recess lying in the area of the direct injection device includes an angle of inclination α, α 1 with the piston surface which is approximately the same size or slightly smaller than that between the central axis, of the ignition device and the piston surface formed inclination angle β, β 1 . Due to the advantageous design of the piston bowl, in particular the first partial floor section of the piston bowl, the fuel jet emerging from the injection device or the main stream of the fuel cloud impinges tangentially on the first partial floor section or the associated curved wall part of the piston bowl and forms in a very short time with the likewise tangential inflowing air an ignitable fuel-air mixture. The angle of inclination between the longitudinal center axis of the ignition device or the emerging fuel jet can either be the same size or a little smaller than the angle of inclination between the surface of the first partial bottom section of the piston recess and the piston surface.
Ferner ist es vorteilhaft, daß der aus der Direkteinspritzvorrichtung austretende Kraftstoffstrahl bzw. Kraftstoff bzw. der Hauptstrom der Kraftstoffwolke in etwa tangential zumindest auf das gekrümmte Wandteil der Kolbenmulde, das dem Kolbenmantel am nächsten liegt, auftrifft und/oder an diesem entlanggeführt wird. Damit sich die Kraftstoffwolke auch tangential am Rand der Zylinderbohrung entlang bewegen kann, ist es vorteilhaft, daß das gekrümmte Wandteil bzw. der zugehörige Boden der Kolbenmulde in unmittelbarer Nähe des Kolbenmantels liegt.It is also advantageous that the from the Direct injector emerging fuel jet or fuel or the main stream of the fuel cloud roughly tangential at least to the curved wall part the piston bowl that is closest to the piston skirt lies, strikes and / or guided along this becomes. So that the fuel cloud also tangentially Edge of the cylinder bore can move, it is advantageous that the curved wall part or the associated bottom of the piston bowl in the immediate vicinity of the piston skirt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, daß die beiden gegenüberliegenden, mit Abstand zueinander angeordneten Wandteile der sichelförmig bzw. nierenförmig ausgebildeten Kolbenmulde, die sich bis zur Kolbenoberfläche erstrecken und mit dieser Kanten bilden, einen mittleren Krümmungsradius aufweisen, auf dem in etwa der Hauptstrom des aus der Direkteinspritzvorrichtung austretenden Kraftstoffs verläuft. Da der Boden der Kolbenmulde und das sich an den Boden anschließende Wandteil in etwa den gleichen Krümmungsradius aufweisen, erhält man eine optimale Formgebung der Kolbenmulde, insbesondere auch dadurch, daß ein kontinuierlicher Übergang zwischen Boden- und Wandteil realisierbar ist. Dabei ist es auch vorteilhaft, daß die Bodenabschnitte und die sich daran anschließenden Wandteile der Kolbenmulde in etwa den gleichen Krümmungsradius aufweisen.In a further embodiment of the invention, it is advantageous that the two opposite, with Distance from each other arranged wall parts of the crescent-shaped or kidney-shaped Piston recess that extends up to the piston surface extend and form with this edge, a have an average radius of curvature on which approximately the main flow of from the direct injector escaping fuel runs. Since the bottom of the Piston trough and the one adjoining the floor Wall part in approximately the same radius of curvature have, you get an optimal shape of the Piston bowl, in particular also in that a continuous transition between floor and wall part is feasible. It is also advantageous that the floor sections and the adjoining them Wall parts of the piston bowl roughly the same Have radius of curvature.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß der erste im Bereich der Direkteinspritzvorrichtung liegende Teilbodenabschnitt der Kolbenmulde mit Bezug auf die Kolbenoberfläche eine geringere Neigung aufweist als der im Bereich der Zündvorrichtung liegende zweite Teilbodenabschnitt der Kolbenmulde. Hierdurch wird ein optimaler Transport des Kraftstoff- Luft-Gemischs aus der Kolbenmulde in Richtung der Zündkerze bewirkt. According to a preferred embodiment of the Finally, the solution according to the invention is provided that the first in the area of direct injection lying partial bottom section of the piston bowl with reference less slope on the piston surface has than that in the area of the ignition device lying second partial bottom section of the piston bowl. This ensures optimal transport of the fuel Air mixture from the piston bowl towards the Spark plug causes.
Vorteilhaft ist es auch, daß der Krümmungsradius der Kolbenmulde in der Ansicht von oben in etwa konzentrisch zur vertikalen Mittelachse des Kolbens angeordnet ist und einen gleichen oder größeren Abstand A zur Mittelachse als zum Kolbenmantel aufweist.It is also advantageous that the radius of curvature Piston bowl in the view from above approximately concentric to the vertical central axis of the piston is arranged and the same or larger Distance A to the central axis than to the piston skirt having.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung des Kolbens ist es von Vorteil, daß der erste Teilbodenabschnitt der Kolbenmulde das Einlaufteil zur Aufnahme des eingespritzten Kraftstoffs und der zweite Teilbodenabschnitt der Kolbenmulde das Auslaufteil des Kraftstoffgemischs ist, wobei das Einlaufteil der Kolbenmulde zumindest teilweise unterhalb der Auslaßöffnung eines Einlaßkanals bzw. Einlaßventils liegt.In connection with the training according to the invention and arrangement of the piston, it is advantageous that the first partial bottom section of the piston bowl Inlet part for receiving the injected fuel and the second partial bottom section of the piston recess Is the outlet part of the fuel mixture, which Inlet part of the piston bowl at least partially below the outlet opening of an inlet channel or Inlet valve is.
Vorteilhaft ist es ferner, daß der Teilbodenabschnitt bzw. das Auslaufteil des Bodens der Kolbenmulde unterhalb der Zündvorrichtung liegt.It is also advantageous that the partial floor section or the outlet part of the bottom of the piston bowl is below the ignition device.
Außerdem ist es vorteilhaft, daß das gekrümmt verlaufende Aufprallelement auf dem Kolbendach bzw. zumindest teilweise im Kolbendach integriert ist, auf dessen in Richtung der Mittelachse zeigende Tangential kanäle bzw. auf ein Aufprallelement, zumindest der Hauptstrom des Kraftstoffstrahls, in etwa tangential auftrifft.It is also advantageous that this is curved running impact element on the piston roof or is at least partially integrated in the piston roof its tangential pointing in the direction of the central axis channels or on an impact element, at least the Main stream of the fuel jet, approximately tangential hits.
Zur Realisierung des Verfahrens ist es notwendig, durch die Einlaßströmung einen Drall um die Mittelachse zu erzeugen. Zur Drallerzeugung kommen Drallkanäle, Kanalabschaltung oder gedrehter Ventilstern in Betracht. Die Luft kann in oder entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des aus der Direkteinspritzung austretenden Kraftstoffs ausführt. So wird in Verbindung mit der tangential einströmenden Luft durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Einlaßkanäle ein optimales Kraftstoff-Luftgemisch erzielt, das zur Zündkerze transportiert und dort entzündet wird. Durch den Transport des Kraftstoff-Luft-Gemischs zur Zündkerze kann dort zündfähiges Gemisch bereitgestellt werden, während der Rest des Brennraums mit Luft gefüllt ist.To implement the process it is necessary to the inlet flow swirls about the central axis produce. Swirl channels are used to generate swirl, Channel shutdown or rotated valve star in Consideration. The air can be in or opposite to Direction of flow of direct injection leaking fuel executes. So in Connection with the tangentially flowing air through the advantageous embodiment of the inlet channels optimal fuel-air mixture achieved that for Spark plug transported and ignited there. By the transport of the fuel-air mixture Spark plug can be provided there ignitable mixture be filled with air during the rest of the combustion chamber is.
Ferner ist es vorteilhaft, daß sich zumindest ein Teil der Kolbenmulde oberhalb des Kolbendachs erstreckt und daß zumindest ein Teil der Kolbenmulde gekrümmt ist und ein anderer Teil eine plane Oberfläche bildet, die in das Kolbendach ausläuft und/oder auf der gleichen Ebene liegt wie das Kolbendach.It is also advantageous that at least one part the piston bowl extends above the piston roof and that at least part of the piston bowl is curved and another part forms a flat surface, which in the piston roof runs out and / or on the same level lies like the piston roof.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:Further advantages and details of the invention are in the claims and explained in the description and shown in the figures. It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Kolbendachs eines Kolbens mit nach innen gewölbter Kolbenmulde, Fig. 1 is a schematic view of the piston of a piston with a vaulted roof inwardly piston recess,
Fig. 2 einen Schnitt des oberen Teils des Kolbens mit nach innen gewölbter Kolbenmulde entlang der Linie S-S gemäß Fig. 1, Fig. 2 shows a section of the upper part of the piston with a curved inwardly piston cavity along the line SS in FIG. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht eines Zylinderkopfs mit in gestrichelten Linien dargestellter Kolbenmulde unter einem Einlaßventil, Fig. 3 is a plan view of a cylinder head with shown in dashed lines piston recess with an inlet valve,
Fig. 4 einen Schnitt des Kolbens entlang der Linie A-A gemäß Fig. 1, Fig. 4 is a sectional view of the piston taken along the line AA of Fig. 1,
Fig. 5 eine Draufsicht eines Zylinderkopfs eines weiteren Ausführungsbeispiels mit zwei Einlaßventilen und einem Auslaßventil sowie einer Einspritz- und Zündvorrichtung, Fig. 5 is a plan view of a cylinder head of another embodiment with two intake valves and one exhaust valve and a fuel injection and ignition device,
Fig. 6 eine Draufsicht des Kolbendachs mit nach innen gewölbter Mulde gemäß Fig. 7, Fig. 6 is a plan view of the piston with an arched roof inwardly trough according to Fig. 7,
Fig. 7 Eine Schnittdarstellung des oberen Teils des Kolbens entlang der Linie A-A gemäß Fig. 6, Fig. 7 is a sectional view of the upper part of the piston taken along the line AA in FIG. 6,
Fig. 13 einen Teilschnitt des oberen Teils des Kolbens mit der Kolbenmulde einer Einspritzdüse bzw. dem Injektor und einer fast aufrechtstehenden Zündkerze im Bereich der Kolbenmulde, Fig. 13 is a partial section of the upper part of the piston with the piston cavity of an injection nozzle or injector and an almost upright spark plug in the region of the piston depression,
Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer sichelförmig angeordneten Kolbenmulde in Draufsicht, Fig. 9 shows a further embodiment of a crescent-shaped arrangement of the piston recess in plan view,
Fig. 10 einen Teilschnitt der Kolbenmulde mit der Einspritzvorrichtung und der mit Bezug auf das Kolbendach geneigt verlaufenden Zündkerze entlang der Linie S-S gemäß Fig. 9, Fig. 10 is a partial section of the piston cavity with the injector and the spark plug extending inclined with respect to the piston roof taken along the line SS in FIG. 9,
Fig. 11 eine Draufsicht des Zylinderkopfs mit zwei Ein- und zwei Auslaßventilen, Fig. 11 is a plan view of the cylinder head with two intake and two exhaust valves,
Fig. 12 einen Schnitt des Kolbens entlang der Linie A-A gemäß Fig. 9, Fig. 12 is a sectional view of the piston taken along the line AA of FIG. 9,
Fig. 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer im Kolben vorgesehenen Kolbenmulde im Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig. 14, Fig. 13 shows a further embodiment of a piston provided in the piston recess in section along the line AA of FIG. 14,
Fig. 14 eine Draufsicht gemäß Fig. 13, Fig. 14 is a plan view of FIG. 13,
Fig. 15 eine Schnittdarstellung des oberen Teils des Kolbens entlang der Linie S-S gemäß Fig. 14, Fig. 15 is a sectional view of the upper part of the piston taken along the line SS in Fig. 14,
Fig. 16 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer im Kolben vorgesehenen durchgehenden, flachen Kolbenmulde im Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig. 17, Fig. 16 shows a further embodiment of a piston provided in the continuous, flat piston recess in section along the line AA of FIG. 17,
Fig. 17 eine Draufsicht gemäß Fig. 16, Fig. 17 is a plan view of FIG. 16,
Fig. 18 eine Schnittdarstellung des oberen Teils des Kolbens entlang der Linie S-S gemäß Fig. 17. FIG. 18 shows a sectional illustration of the upper part of the piston along the line SS according to FIG. 17.
In der Zeichnung ist in Fig. 3 ein Zylinderkopf 1 eines Ottomotors schematisch dargestellt, der mit einem Einlaßventil 2 und einem Auslaßventil 3 ausgestattet ist. Unterhalb des Einlaßventils 2 befindet sich eine in gestrichelten Linien angedeutete Kolbenmulde 6, die in den Fig. 1, 2 und 4 näher veranschaulicht ist. Das Einlaßventil 2 sowie eine Auslaßöffnung des zugehörigen Einlaßkanals, der in der Zeichnung der Einfachheit halber nicht dargestellt ist, befindet sich oberhalb der Kolbenmulde 6. Die Querschnittsfläche des Einlaßventils deckt einen großen Bereich der Kolbenmulde 6 ab. Der in den Zeichnungen nicht dargestellte Einlaßkanal bzw. die zugehörige Auslaßöffnung 24 mit dem Einlaßventil 2 kann so angeordnet sein, daß der größte Teil der Fläche der Kolbenmulde 6 gemäß Fig. 3 durch die Auslaßöffnung bzw. das Einlaßventil 2 abgedeckt wird. Zu beachten ist, daß der Drall während des Aussaughubs des Kolbens erzeugt wird. Durch entsprechende Ausbildung der Einlaßkanäle strömt die Luft tangential in den Zylinderraum. Anstelle einer Ladungsbewegung, deren Achse senkrecht zur Zylinderachse steht, (Tumble) kann die Ladungsbewegung auch mit einer Achse in Zylinderrichtung (Drall) erzeugt werden. Mittels Kanalabschaltung ist es ferner möglich, die Gemischbildung positiv zu beeinflussen. Wie aus Fig. 1 und 2 des ersten Ausführungsbeispiels hervorgeht, besteht die Kolbenmulde 6 aus zwei mit Abstand zueinander angeordneten Wandteilen 16 und 19, die sich von einem Boden 11 der Kolbenmulde 6 bis zu einer Kolbenoberfläche bzw. einem Kolbendach 15 erstrecken und dabei Kanten 20 und 21 bilden, die auf einem mittleren Krümmungsradius 22 liegen. Der mittlere Krümmungsradius 22 ist konzentrisch mit Abstand zur vertikalen Mittelachse 23 des Zylinderkopfs 1 angeordnet, wobei der Abstand A zwischen der Mittelachse 23 und dem Krümmungsradius 22 je nach Ausführungsbeispiel kleiner, gleich groß oder größer als der Abstand B zwischen dem Krümmungsradius 22 und einem Kolbenmantel 18 sein kann.In the drawing, a cylinder head 1 of a gasoline engine is schematically shown in Fig. 3, which is equipped with an intake valve 2 and an exhaust valve 3 . Below the inlet valve 2 there is a piston recess 6 , indicated in dashed lines, which is illustrated in more detail in FIGS. 1, 2 and 4. The inlet valve 2 and an outlet opening of the associated inlet channel, which is not shown in the drawing for the sake of simplicity, is located above the piston recess 6 . The cross-sectional area of the inlet valve covers a large area of the piston bowl 6 . The inlet channel or the associated outlet opening 24 with the inlet valve 2 , which is not shown in the drawings, can be arranged such that the largest part of the surface of the piston recess 6 according to FIG. 3 is covered by the outlet opening or the inlet valve 2 . It should be noted that the swirl is generated during the piston extraction stroke. The air flows tangentially into the cylinder space through appropriate design of the inlet channels. Instead of a charge movement, the axis of which is perpendicular to the cylinder axis (tumble), the charge movement can also be generated with an axis in the cylinder direction (swirl). By switching off the channel it is also possible to positively influence the mixture formation. As is apparent from FIGS. 1 and 2 of the first embodiment, there is a piston cavity 6 of two with spaced wall portions 16 and 19 which extend from a bottom 11 of the piston recess 6 to a piston surface and a piston top 15, while edges 20 and form 21 , which lie on an average radius of curvature 22 . The average radius of curvature 22 is arranged concentrically at a distance from the vertical central axis 23 of the cylinder head 1 , the distance A between the central axis 23 and the radius of curvature 22 depending on the exemplary embodiment being smaller, the same size or greater than the distance B between the radius of curvature 22 and a piston skirt 18 can be.
Gemäß Fig. 1 verläuft die Kante 21 des Wandteils 16 in etwa parallel zum Kolbenmantel 18. Es ist jedoch auch möglich, den Krümmungsradius kleiner oder größer zu wählen.Referring to FIG. 1, the edge 21 extends the wall portion 16 in approximately parallel to the piston shell 18. However, it is also possible to choose a smaller or larger radius of curvature.
In Fig. 2 ist die Kolbenmulde 6 im Schnitt entlang der Linie S-S gemäß Fig. 1 dargestellt. Der Boden 11 weist ebenfalls einen gekrümmten Verlauf auf, wobei im Bereich einer direkten Einspritzvorrichtung 4 bzw. eines Injektors ein erster Teilbodenabschnitt 13 gebildet ist, der durch einen Radius R1 und einen zweiten Teilbodenabschnitt 14 im Bereich einer Zündvorrichtung 8 durch einen Radius R1, R1' definiert wird. Der Radius R1 ist wesentlich größer als der Radius R2, R2'. Der Teilbodenabschnitt 13 kann auch auf einer Geraden verlaufen und dabei kontinuierlich in einen Teilbodenabschnitt 14 übergehen. Eine bei R1' angelegte Tangente 12 bildet mit dem Kolbendach 15 einen Winkel α, der im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 kleiner ist als der Winkel β zwischen dem Kolbendach 15 und einer Mittelachse 10 der Direkteinspritzvorrichtung 4 bzw. eines austretenden Kraftstoffstrahls 17, so daß der aus der Düse der Direkteinspritzung austretende Kraftstoffstrahl 17 tangential auf die Kolbenmulde 6 auftrifft und in seiner Hauptströmungsrichtung gemäß Pfeil annähernd tangential am Boden 11 und/oder den Wandteilen 16, 19 der Kolbenmulde 6 entlang geführt wird und mit der Ladungsbewegung (Kraftstoffwolke) die ebenfalls tangential eingeführt werden kann, transportiert wird. Vorteilhaft ist beispielsweise, wenn die Kanäle als Drallkanäle ausgebildet sind.In Fig. 2 the piston recess 6 is shown in section along the line SS of FIG. 1. The base 11 likewise has a curved course, a first partial base section 13 being formed in the area of a direct injection device 4 or an injector, which is defined by a radius R 1 and a second partial base section 14 in the area of an ignition device 8 by a radius R 1 , R 1 'is defined. The radius R 1 is significantly larger than the radius R 2 , R 2 '. The partial floor section 13 can also run on a straight line and continuously merge into a partial floor section 14 . A tangent 12 applied at R 1 'forms with the piston roof 15 an angle α, which in the exemplary embodiment according to FIG. 2 is smaller than the angle β between the piston roof 15 and a central axis 10 of the direct injection device 4 or an emerging fuel jet 17 , so that the fuel jet 17 emerging from the nozzle of direct injection strikes the piston recess 6 tangentially and is guided approximately tangentially along the bottom 11 and / or the wall parts 16 , 19 of the piston recess 6 in its main flow direction according to the arrow and with the charge movement (fuel cloud) which is also tangential can be imported, is transported. For example, it is advantageous if the channels are designed as swirl channels.
Der wesentlich stärkere, gekrümmt verlaufende Teilbodenabschnitt 14 endet unmittelbar im Bereich und/oder unterhalb der Zündvorrichtung 8. Dieser Teilbodenabschnitt wird durch den Radius R2 bestimmt. Es ist jedoch auch möglich, die Teilbodenabschnitte 13 sowie 14 und den Boden 11 so zu gestalten, daß sie durch zahlreiche zunehmend gekrümmte Teilbodenabschnitte definiert werden.The much stronger, curved partial floor section 14 ends directly in the area and / or below the ignition device 8 . This partial floor section is determined by the radius R 2 . However, it is also possible to design the partial floor sections 13 and 14 and the floor 11 so that they are defined by numerous increasingly curved partial floor sections.
Der in das Kolbendach 15 auslaufende Teilbodenabschnitt 14 bzw. eine an die Kante 21 des Teilbodenabschnitts bei R2' angelegte Tangente 26 bildet mit dem Kolbendach 15 einen Winkel δ, der größer ist als der Winkel α bzw. α1' zwischen dem Kolbendach 15 der Tangente 12 bei R1' oder 12 bei R1. Der Winkel σ zwischen einer Mittelachse 9 der Zündvorrichtung 8 und dem Kolbendach 15 ist wesentlich größer als der Winkel δ zwischen der Tangente 26 und dem Kolbendach 15, so daß der Hauptstrom 25 der Kraftstoffwolke in Richtung der Zündkerze der Zündvorrichtung 8 transportiert wird und dort ein zündfähiges Kraftstoff-Luftgemisch bildet.The partial floor section 14 that runs into the piston roof 15 or a tangent 26 applied to the edge 21 of the partial floor section at R 2 ′ forms an angle δ with the piston roof 15 that is greater than the angle α or α 1 ′ between the piston roof 15 Tangent 12 at R 1 'or 12 at R 1 . The angle σ between a central axis 9 of the ignition device 8 and the piston roof 15 is substantially larger than the angle δ between the tangent 26 and the piston roof 15 , so that the main stream 25 of the fuel cloud is transported in the direction of the spark plug of the ignition device 8 and there is an ignitable Fuel-air mixture forms.
Im Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 5 bis 8 ist der Zylinderkopf mit einem Auslaßventil 3' und zwei Einlaßventilen 2, 2' dargestellt, wobei sich die Kolbenmulde 6 auch im wesentlichen unterhalb des Einlaßventils 2 erstrecken kann und die Direkteinspritzvorrichtung 4 im Bereich des Teilbodenabschnitts 13 und die Zündvorrichtung 8 im Bereich des Teilbodenabschnitts 14 der Kolbenmulde 6 liegt. Der Verlauf des Bodens 11 entspricht in etwa dem Verlauf des Bodens gemäß Fig. 2, wobei der letzte Abschnitt des Teilbodenabschnitts 14, der in das Kolbendach 15 übergeht, wesentlich stärker gekrümmt ist als der Teilbodenabschnitt 14 gemäß Fig. 2. Eine Tangente 26' bildet im Bereich der Kante 21 mit dem Kolbendach einen annähernd rechten Winkel δ. Hierdurch wird auf optimale Weise das Kraftstoff-Luftgemisch der Zündkerze der Zündvorrichtung 8 zugeführt.In the embodiment according to FIGS. 5 to 8 is the cylinder head with an outlet valve 3 'and two intake valves 2, 2' is shown, with the piston cavity 6 also may extend substantially below the inlet valve 2 and the direct injector 4 in the area of the sub-bottom section 13 and the ignition device 8 is located in the region of the partial floor section 14 of the piston recess 6 . The course of the floor 11 corresponds approximately to the course of the floor according to FIG. 2, the last section of the partial floor section 14 , which merges into the piston roof 15 , being curved much more than the partial floor section 14 according to FIG. 2. A tangent 26 ′ forms in the area of the edge 21 with the piston roof an approximately right angle δ. As a result, the fuel-air mixture of the spark plug is supplied to the ignition device 8 in an optimal manner.
Gemäß Fig. 6 ist die Kolbenmulde 6 ebenso wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 in der Ansicht von oben nieren- bzw. sichelförmig ausgebildet. Der Abstand A zwischen der vertikalen Mittelachse 23 eines Kolbens 5 und dem mittleren Krümmungsradius 22 ist in etwa gleich dem Abstand B zwischen dem Kolbenmantel 18 und dem mittleren Krümmungsradius 22.According to FIG. 6, as in the exemplary embodiment according to FIG. 3, the piston recess 6 is kidney-shaped or sickle-shaped in the view from above. The distance A between the vertical central axis 23 of a piston 5 and the mean radius of curvature 22 is approximately equal to the distance B between the piston skirt 18 and the mean radius of curvature 22 .
Im Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 9 bis 12 ist der Zylinderkopf 1 mit zwei Einlaßventilen 2, 2' und zwei Auslaßventilen 3, 3' versehen. In diesem Beispiel ist die Kolbenmulde 6, die in Fig. 11 in gestrichelten Linien angedeutet ist, im wesentlichen unterhalb des Einlaßventils 2 und etwas unterhalb des Auslaßventils 3 angeordnet. Gemäß Fig. 10 entspricht der Verlauf des Bodens 11 der Kolbenmulde 6 ebenfalls dem Verlauf des Bodens gemäß Fig. 2. Das Gleiche gilt auch für die Anordnung der Direkteinspritzvorrichtung 4 und der Zündvorrichtung 8. In the exemplary embodiment according to FIGS. 9 to 12, the cylinder head 1 is provided with two intake valves 2 , 2 'and two exhaust valves 3 , 3 '. In this example, the piston recess 6 , which is indicated in broken lines in FIG. 11, is arranged essentially below the inlet valve 2 and somewhat below the outlet valve 3 . According to FIG. 10, the shape of the bottom 11 of the piston recess 6 also corresponds to the shape of the bottom according to FIG. 2. The same also applies to the arrangement of the direct injection device 4 and the ignition device 8 .
In Fig. 12 ist die Kolbenmulde 6 im Schnitt A-A gemäß Fig. 9 wiedergegeben. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kolbenmulde 6 wesentlich enger ausgestaltet, wobei der Winkel µ' zwischen einer Tangente 27 und dem Kolbendach 15 zwischen 20° und 30° und der Winkel zwischen einer Tangente 28 und dem Kolbendach 15 annähernd zwischen 30° und 100,° vorzugsweise 90° groß ist. Dadurch erhält man sehr stark ansteigende Wandteile 19 bzw. 16, die jeweils in das Kolbendach 15 auslaufen. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die größte Breite der Mulde 6 größer oder gleich groß ist wie die größte Tiefe der Mulde 6.In Fig. 12, the piston recess 6 in the section AA is shown in FIG. 9 size. In this exemplary embodiment, the piston recess 6 is designed to be substantially narrower, the angle μ 'between a tangent 27 and the piston roof 15 between 20 ° and 30 ° and the angle between a tangent 28 and the piston roof 15 approximately between 30 ° and 100 ° preferably Is 90 °. This results in very steeply rising wall parts 19 and 16 , each of which runs into the piston roof 15 . It can also be advantageous if the greatest width of the depression 6 is greater than or the same size as the greatest depth of the depression 6 .
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 bis 15 kann anstelle der nach innen gewölbten Kolbenmulde 6 das Kolbendach 15 auch eine Erhebung 29 bzw. ein gekrümmt verlaufendes Aufprallelement aufweisen, dessen Wandelement 16 ebenfalls in Richtung der vertikalen Mittelachse 23 des Kolbens 5 gekrümmt ist, wobei die Wandelemente 19, 16 eine starke konkave Oberfläche aufweisen können und dadurch eine hochstehende Kolbenmulde 6 bilden. Ein Teil der Kolbenmulde ist in das Kolbendach 15 eingeformt, und ein weiterer Teil der Kolbenmulde 6 steht als Wandteil 16 auf dem Kolbendach 15 um das Maß C hervor.According to a further exemplary embodiment according to FIGS. 13 to 15, instead of the inwardly curved piston recess 6, the piston roof 15 can also have an elevation 29 or a curved impact element, the wall element 16 of which is also curved in the direction of the vertical central axis 23 of the piston 5 , whereby the wall elements 19 , 16 can have a strong concave surface and thereby form an upstanding piston recess 6 . A part of the piston bowl is molded into the piston roof 15 , and another part of the piston bowl 6 protrudes as a wall part 16 on the piston roof 15 by the dimension C.
Vorteilhaft ist es, daß bei allen Ausführungsbeispielen der aus der Direkteinspritzvorrichtung 4 austretende Kraftstoffstrahl 17 bzw. der Kraftstoff in etwa tangential auf die Kolbenmulde 6 auftrifft und mit seiner Hauptströmungsrichtung gemäß Pfeil 25 an der Oberfläche des Bodens 11 und der sich daran anschließenden gekrümmten Wandteile 16 der Kolbenmulde 6 entlang geführt wird. Dabei ist es vorteilhaft, daß die Auslaßöffnung der Direkteinspritzvorrichtung 4 oberhalb des Teilbodenabschnitts 13 der Kolbenmulde 6 bzw. des Einlaufteils der Kolbenmulde 6 liegt, während die Zündvorrichtung 8 im Bereich des zweiten Teilbodenabschnitts 14 bzw. des Auslaufteils der Kolbenmulde 6 vorgesehen ist. Durch die erforderliche Ausgestaltung der Kolbenmulde 6 in Verbindung mit der Direkteinspritzvorrichtung 4 und der Zündvorrichtung 8 wird, wie bereits erwähnt, die Längsbewegung des Kraftstoffs bzw. der Kraftstoffwolke in Verbindung mit der tangential eingeströmten Luft (Drallbewegung) in Richtung der Zündkerze so begünstigt, daß sich eine optimale Gemischaufbereitung (Verdampfung) ergibt und daraus eine niedrige Rußemission resultiert, wobei gleichzeitig auch die Neigung zur Ablagerung (Verkokung) an der Zündkerze bzw. an der Düsenöffnung auf ein Minimum reduziert werden kann. Durch die entsprechend angeordneten Einlaßkanäle bzw. Drallkanäle wird eine Rotationsbewegung der einströmenden Luft im Brennraum ermöglicht und dadurch, wie erwähnt, eine sehr gute Gemischaufbereitung erzielt. Der Drall kann gegen den Uhrzeigerdrehsinn oder im Uhrzeigerdrehsinn verlaufen.It is advantageous that in all of the exemplary embodiments the fuel jet 17 emerging from the direct injection device 4 or the fuel strikes the piston recess 6 approximately tangentially and with its main flow direction according to arrow 25 on the surface of the bottom 11 and the curved wall parts 16 adjoining it Piston recess 6 is guided along. It is advantageous that the outlet opening of the direct injection device 4 lies above the partial floor section 13 of the piston recess 6 or the inlet part of the piston recess 6 , while the ignition device 8 is provided in the region of the second partial floor section 14 or the outlet part of the piston recess 6 . Due to the required configuration of the piston recess 6 in connection with the direct injection device 4 and the ignition device 8 , the longitudinal movement of the fuel or the fuel cloud in connection with the tangentially flowing air (swirl movement) in the direction of the spark plug is favored, as already mentioned, in such a way that optimal mixture preparation (evaporation) results in low soot emissions, while at the same time the tendency for deposits (coking) on the spark plug or on the nozzle opening can be reduced to a minimum. The correspondingly arranged inlet channels or swirl channels allow the incoming air to rotate in the combustion chamber and, as mentioned, achieve a very good mixture preparation. The swirl can run counterclockwise or clockwise.
In den Fig. 16 bis 17 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer flachen Kolbenmulde 6 dargestellt, die in etwa auf der gleichen Ebene liegt wie das Kolbendach 15 des Kolbens 5. Die flache Kolbenmulde 6 weist eine zur vertikalen Mittelachse 23 des Kolbens 5 gekrümmt verlaufende Kante 21 auf, die im Bereich des Kolbenmantels 18 liegt. Ausgehend von dieser Kante 21 erstreckt sich der Boden 11 der Kolbenmulde 6 in Richtung der Mittelachse 23. In Figs. 16 to 17 a further embodiment of a flat piston recess 6 is shown lying on the same plane in such as the piston top 15 of the piston 5. The flat piston bowl 6 has an edge 21 which is curved with respect to the vertical central axis 23 of the piston 5 and which lies in the region of the piston jacket 18 . Starting from this edge 21 , the base 11 of the piston recess 6 extends in the direction of the central axis 23 .
Die Kante 21 liegt, wie im Beispiel gemäß Fig. 13 oberhalb des Kolbendachs 15. Im Bereich der Kante 21 beginnt die Kolbenmulde 6 und geht dann allmählich in eine annähernde Gerade 30 bzw. plane Oberfläche 30' des Kolbendachs 15 über. Die Oberfläche 30' kann in etwa auf der gleichen Ebene wie das Kolbendach 15 liegen.As in the example according to FIG. 13, the edge 21 lies above the piston roof 15 . The piston recess 6 begins in the region of the edge 21 and then gradually changes into an approximate straight line 30 or flat surface 30 ′ of the piston roof 15 . The surface 30 ′ can lie approximately on the same plane as the piston roof 15 .
Die Direkteinspritzvorrichtung 4 kann beispielsweise in Strömungsrichtung oder entgegengesetzt zur tangential einströmenden Luft angeordnet sein.The direct injection device 4 can be arranged, for example, in the direction of flow or opposite to the tangentially flowing air.
Die in den Fig. 6 bis 17 dargestellten Kanten 20, 21 liegen nicht auf einen Kreisbogen sondern bilden eine gekrümmt verlaufende Linie. Es ist jedoch auch möglich diese kreisbogenförmig auszubilden.The edges 20 , 21 shown in FIGS. 6 to 17 do not lie on an arc, but form a curved line. However, it is also possible to form them in the form of a circular arc.
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