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Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder und einer in einem Kurbelgehäuse drehbar gelagerten Kurbelwelle, bei der
- – jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist.
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Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder, d. h. der Brennräume, miteinander verbunden werden. Der Zylinderblock dient regelmäßig als obere Kurbelgehäusehälfte zur Lagerung der Kurbelwelle und zur Aufnahme des Kolbens bzw. des Zylinderrohres jedes Zylinders. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme der für den Ladungswechsel erforderlichen Ventiltriebe.
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Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem über die mindestens eine Auslassöffnung und das Zuführen der Verbrennungsluft via Ansaugsystem über die mindestens eine Einlassöffnung des Zylinders. Nach dem Stand der Technik werden bei Viertaktmotoren zur Steuerung des Ladungswechsels nahezu ausschließlich Hubventile verwendet. Der Betätigungsmechanismus einschließlich des zugehörigen Ventils wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf und transformiert die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle. Die durch den Zylinderblock gebildete obere Kurbelgehäusehälfte wird regelmäßig ergänzt durch die an den Zylinderblock montierbare und als untere Kurbelgehäusehälfte dienende Ölwanne. Die Ölwanne dient dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls und ist häufig Teil des Ölkreislaufs. Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen.
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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und die Schadstoffemissionen zu reduzieren.
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Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors. Der traditionelle Ottomotor arbeitet mit einer äußeren Gemischbildung und einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch, wobei die Einstellung der gewünschten Leistung durch Veränderung der Füllung des Brennraums erfolgt, d. h. mittels einer Quantitätsregelung. Durch Verstellen einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich die Quantitätsregelung gerade im Teillastbetrieb als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.
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Einen Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens bietet die Direkteinspritzung des Kraftstoffes. Die Einspritzung des Kraftstoffes direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren. Die Entdrosselung der Brennkraftmaschine wird dadurch realisiert, dass in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung zur Anwendung kommt.
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Mit der direkten Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum lässt sich insbesondere eine geschichtete Brennraumladung realisieren, die wesentlich zur Entdrosselung des ottomotorisches Arbeitsverfahren beitragen kann, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs weit abgemagert werden kann, was insbesondere im Teillastbetrieb, d. h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen sind, thermodynamische Vorteile bietet. Die Schichtladung ist durch eine sehr inhomogene Brennraumladung gekennzeichnet, wobei im Bereich der Zündeinrichtung ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch mit vergleichsweise hoher Kraftstoffkonzentration vorliegt.
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Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung des Kraftstoffes im Rahmen von Vorreaktionen einschließlich der Verdampfung, sowie die Zündung des aufbereiteten Gemisches steht vergleichsweise wenig Zeit zur Verfügung.
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Die daraus resultierenden Anforderungen an die Gemischbildung betreffen nicht nur den direkteinspritzenden Ottomotor, sondern grundsätzlich jede direkteinspritzende Brennkraftmaschine und damit auch direkteinspritzende Dieselmotoren. Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist ganz allgemein eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine.
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Da bei der Direkteinspritzung nur wenig Zeit für die Gemischbildung zur Verfügung steht, ist unter anderem eine Brennraumgeometrie erforderlich, mit der die Gemischbildung unterstützt und beschleunigt wird, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch vor der Zündung weitestgehend zu homogenisieren; zumindest solange kein Schichtladebetrieb angestrebt wird. Besondere Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang dem Kolben zu, dessen Kolbenboden zusammen mit dem Zylinderrohr und dem Zylinderkopf den Brennraum mit ausbildet.
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Im Wesentlichen wird die Gemischbildung dadurch unterstützt und beschleunigt, dass eine erzwungene Ladungsbewegung im Brennraum für eine gute Durchmischung der angesaugten Luft mit dem eingespritzten Kraftstoff sorgt, beispielsweise ein Tumble oder ein Drall. Der Kraftstoff kann auch in der Art in den Brennraum eingespritzt werden, dass der Einspritzstrahl gezielt auf eine den Brennraum begrenzende Wand gerichtet ist, vorzugsweise in eine am Kolbenboden vorgesehene Mulde. Der Kraftstoffstrahl soll durch den Aufprall in mehrere Teilstrahlen aufgespalten und umgelenkt werden, so dass ein möglichst großer Bereich des Brennraums von den Kraftstoffstrahlen erfasst wird. Der Transport und die Verteilung des Kraftstoffes werden zudem durch den Impuls des Einspritzstrahls unterstützt.
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Bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen, die mit einem Luftüberschuss betrieben werden, also beispielsweise direkteinspritzende Dieselmotoren, aber auch direkteinspritzende Ottomotoren, können die im Abgas befindlichen Stickoxide prinzipbedingt, d. h. aufgrund der fehlenden Reduktionsmittel im Abgas, beispielsweise Kohlenmonoxid bzw. unverbrannte Kohlenwasserstoffe, nicht reduziert werden. Zudem stellen aufgrund des mehr oder weniger inhomogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches Rußemissionen ein Problem dar.
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Bei der Verringerung der Stickoxidemissionen einer Brennkraftmaschine sind zwei grundsätzlich verschiedene Lösungsansätze voneinander zu unterscheiden.
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Gemäß einem ersten Lösungsansatz wird versucht, den Verbrennungsprozess in der Weise zu beeinflussen, dass schon bei der Verbrennung des Kraftstoffes möglichst wenige Stickoxide entstehen, d. h. gebildet werden.
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Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, sind unter anderem Verbrennungsprozesse mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen, sogenannte LTC-Verfahren, bei der Verringerung der Stickoxidrohemissionen zielführend.
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Niedrige Verbrennungstemperaturen können dadurch realisiert werden, dass der Zündverzug vergrößert und die Brenngeschwindigkeit verringert wird. Beides lässt sich durch die Beimischung von Verbrennungsgasen zur Zylinderfrischladung bzw. die Erhöhung des Abgasbestandteils an der Zylinderfrischladung erreichen, weshalb die Abgasrückführung als eine geeignete Maßnahme zur Absenkung der Verbrennungstemperatur anzusehen ist und zwar sowohl die externe Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Abgasseite auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine, als auch die interne Abgasrückführung, d. h. das Zurückbehalten von Abgasen im Zylinder während des Ladungswechsels. Mit zunehmender Abgasrückführrate können die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden.
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Um eine ausreichende bzw. spürbare Reduzierung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 60% bis 70% liegen können. Daher wird das heiße Abgas im Rahmen der Rückführung vorzugsweise gekühlt. Die Kühlung des rückgeführten Abgases erleichtert bzw. ermöglicht die Realisierung hoher Rückführraten. Die Absenkung der Temperatur des Abgases im Rahmen der Kühlung führt zu einer Zunahme der Dichte und einem geringeren Abgasvolumen bei gleicher Abgasmasse. Zudem unterstützt die Kühlung des rückgeführten Abgases die Absenkung der Verbrennungstemperatur, da hierdurch auch die Temperatur der gesamten Zylinderfrischladung abgesenkt wird.
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Infolge der vorstehend beschriebenen Maßnahmen sinken nicht nur die Stickoxidrohemissionen, sondern auch die Rußrohemissionen.
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Auch wenn das Niedertemperatur-Verfahren, d. h. das LTC-Verfahren, hinsichtlich der Schadstoffemissionen deutliche Verbesserungen mit sich bringt, sind dieser Vorgehensweise Grenzen gesetzt. Bei hohen Lasten können nämlich regelmäßig keine hohen Rückführraten realisiert werden, wobei gerade bei hohen Lasten die höchsten Prozesstemperaturen auftreten, die zur Reduzierung der Stickoxidrohemission abgesenkt werden müssten.
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Der zweite Lösungsansatz zur Verringerung der Stickoxidemissionen besteht in einer Nachbehandlung des während der Verbrennung entstandenen Abgases und der darin enthaltenen Schadstoffe. Nach dem Stand der Technik können Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffemissionen mit verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet werden.
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Der Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen ist ebenfalls mit Nachteilen verbunden. Zum einen ist die Nachbehandlung von Abgasen kostenintensiv, insbesondere aufgrund der erforderlichen Beschichtung der Katalysatoren mit Edelmetallen. Zum anderen muss berücksichtigt werden, dass für die verschiedenen Schadstoffe unterschiedliche Nachbehandlungssysteme eingesetzt werden, d. h. eine Vielzahl von Systemen erforderlich ist, die Systeme eine begrenzte Lebendauer aufweisen und gegebenenfalls aufgrund von Schäden sogar vorzeitig ersetzt werden müssen. Der Einbau der Abgasnachbehandlungssysteme kann auch zu Packaging-Problemen führen.
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Des Weiteren ist der Betrieb der Abgasnachbehandlungssysteme mit Nachteilen verbunden, beispielsweise dem Einsatz von Kraftstoff zur Regeneration bzw. Aufrechterhaltung der Funktionstüchtigkeit der Abgasnachbehandlungssysteme und einer damit verbundenen Ölverdünnung. Die Abgasnachbehandlung kann zudem den Betrieb der Brennkraftmaschine limitieren.
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Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass es grundsätzlich vorteilhaft ist, die Rohemissionen möglichst niedrig zu halten, um auf diese Weise den Aufwand im Rahmen einer Abgasnachbehandlung möglichst gering zu halten. Insofern sind neben dem LTC-Verfahren bzw. abseits der Abgasrückführung weitere Maßnahmen erforderlich, um die Rohemissionen einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine zu verringern.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der das im Brennraum befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch vor der Zündung besser homogenisiert wird und die Rohemissionen niedriger sind.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder und einer in einem Kurbelgehäuse drehbar gelagerten Kurbelwelle, bei der
- – jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf mit ausgebildet ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – der Kolben zumindest bereichsweise mit einer Oberflächenstruktur versehen ist.
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Der Kolben der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weist an seiner Oberfläche, d. h. an der den Kolben außen begrenzenden Außenseite, zumindest bereichsweise eine Struktur auf. Dies hat mehrere positive Effekte.
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Zum einen vergrößert die Struktur die Oberfläche des Kolbens und damit auch die wärmeübertragende Fläche zwischen dem Brennraum und dem Kolben bzw. zwischen dem Kolben und der Umgebung.
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Die bei der Verbrennung durch die exotherme, chemische Umwandlung des Kraftstoffes im Brennraum freigesetzte Wärme wird teilweise über die den Brennraum begrenzenden Wandungen des Zylinderkopfes, des Zylinderblocks und des Kolbens und teilweise über den Abgasstrom abgeführt. Die Ausstattung des Kolbens mit einer Oberflächenstruktur und die damit verbundene Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche führt zu einer Erhöhung der via Kolben aus dem Brennraum abgeführten Wärmemenge und damit zu einer Absenkung der Zylinderinnentemperatur bzw. der Prozesstemperaturen. Dabei ist sowohl die dem Brennraum zugewandte Seite des Kolbens als auch die dem Kurbelgehäuse zugewandte Seite des Kolbens, d. h. die Kolbenunterseite, von Relevanz.
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Wie bereits in Zusammenhang mit dem LTC-Verfahren bzw. der Abgasrückführung erläutert, führen niedrigere Prozesstemperaturen zu geringeren Stickoxid- sowie Rußrohemissionen.
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Das erfindungsgemäße Konzept hat insbesondere Vorteile bei hohen Lasten, bei denen regelmäßig keine hohen Rückführraten realisiert werden können. Denn die vergrößerte wärmeübertragende Fläche des Kolbens wirkt auch bei hohen Lasten und sorgt zusammen mit den dann hohen Prozesstemperaturen für eine erhöhte Wärmeabfuhr aus dem Brennraum, d. h. eine besonders starke Absenkung der Prozesstemperatur und damit der Rohemissionen.
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Zum anderen sorgt die Oberflächenstruktur des Kolbens für zusätzliche Mikroturbulenzen nahe der Oberfläche des Kolbens und damit für eine stärkere Ladungsbewegung im Brennraum. Die Oberflächenstruktur unterstützt und beschleunigt die Gemischbildung, d. h. die Durchmischung der im Zylinder befindlichen Luft mit dem eingespritzten Kraftstoff. Insbesondere wird einer Benetzung des Kolbenbodens mit flüssigem Kraftstoff entgegen gewirkt, wodurch die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen verringert werden können.
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Die Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird durch die zusätzliche Ladungsbewegung im Brennraum vorangetrieben, wodurch auch eine bessere Ausnutzung der im Kraftstoff gebundenen Energie erfolgt, d. h. eine Wirkungsgradverbesserung erzielt werden kann.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, bei der das im Brennraum befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch vor der Zündung besser homogenisiert wird und die Rohemissionen niedriger sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kolbenboden des Kolbens zu mehr als 50% mit einer Oberflächenstruktur versehen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kolbenboden des Kolbens zu mehr als 70% mit einer Oberflächenstruktur versehen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kolbenboden des Kolbens zu mehr als 80% mit einer Oberflächenstruktur versehen ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kolbenboden des Kolbens vollständig mit einer Oberflächenstruktur versehen ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Kurbelwelle mit dem Kolben jedes Zylinders gelenkig verbunden ist, so dass der Kolben bei um eine Drehachse umlaufender Kurbelwelle entlang einer Kolbenlängsachse oszilliert, wobei die Kolbenlängsachse senkrecht auf der Drehachse steht.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mit einer Einspritzeinrichtung ausgestattet ist, die im Zylinderkopf auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders angeordnet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen der Verbrennungsluft via Ansaugsystem und mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem aufweist.
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Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen des Zylinders rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Brennraumes mit Verbrennungsluft bzw. ein effektives Abführen der Abgase zu gewährleisten. Daher werden Zylinder vorzugsweise mit zwei oder mehr Einlassöffnungen bzw. Auslassöffnungen ausgestattet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kolbenboden jedes Kolbens eine Mulde aufweist, die einen Muldenboden und umfänglich den Muldenboden seitlich begrenzende Wandungen umfasst.
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Die Geometrie des Kolbenbodens, insbesondere eine im Kolbenboden vorgesehene Kolbenmulde hat maßgeblich Einfluss auf die Ladungsbewegung und damit auf die Gemischbildung im Brennraum. Regelmäßig werden bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen zur Kolbenlängsachse rotationssymmetrische Mulden verwendet, insbesondere omegaförmige Mulden.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Mulde des Kolbens mit einer Oberflächenstruktur versehen ist. Vorteilhaft ist dies insbesondere bei Ausführungsformen, bei denen der mindestens eine Einspritzstrahl in die Mulde hinein gerichtet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kolben zur Ausbildung der Oberflächenstruktur mehrere hervorstehende Elemente aufweist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kolben zur Ausbildung der Oberflächenstruktur mehrere konvexe Elemente aufweist, d. h. nach außen gewölbte Elemente. Es können ballige Elemente, aber auch kegelförmige bzw. kegelstumpfförmige Elemente verwendet werden. Der Querschnitt der Elemente kann rund, kreisförmig, ellipsenförmig, eckig, polygonal oder dergleichen sein und sich auch ändern.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kolben zur Ausbildung einer blumenkohlähnlichen Oberflächenstruktur mehrere noppenförmige Elemente aufweist. Die Elemente können auch ineinander übergehen und siamesische Schnittmengen bilden, d. h. sich Bereiche des Kolbens teilen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kolben zur Ausbildung der Oberflächenstruktur mehrere rippenförmige Elemente aufweist.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kolben zur Ausbildung der Oberflächenstruktur mehrere Vertiefungen aufweist. Die Vertiefungen sind das Gegenstück, d. h. der Gegenentwurf, zu den hervorstehenden Elementen und zwar im Sinne von Ausnehmungen bzw. Aushöhlungen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kolben zur Ausbildung der Oberflächenstruktur mehrere konkave Vertiefungen aufweist, d. h. nach innen gewölbte Vertiefungen.
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Die Vertiefungen können wie die hervorstehenden Elemente auch ineinander übergehen und sich Bereiche des Kolbens teilen. Die zur Ausbildung der Oberflächenstruktur vorgesehenen Vertiefungen bzw. Elemente können aber auch zueinander beabstandet angeordnet sein.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Oberflächenstruktur eine Höhe von weniger als 5 Millimeter aufweist, wobei die Höhe die senkrecht auf der Oberfläche des Kolbens stehende räumliche Erstreckung der Struktur angibt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Oberflächenstruktur eine Höhe von weniger als 3 Millimeter aufweist, wobei die Höhe die senkrecht auf der Oberfläche des Kolbens stehende räumliche Erstreckung der Struktur angibt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kolben auf einer dem Brennraum zugewandten Seite zumindest bereichsweise mit einer Oberflächenstruktur versehen ist.
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Vorliegend kommen beide durch die Oberflächenstruktur bedingten Effekte zum Tragen. Zum einen wird die wärmeübertragende Fläche zwischen dem Brennraum und dem Kolben vergrößert und damit der Wärmeübergang bzw. die Wärmeabfuhr aus dem Brennraum via Kolben. Zum anderen sorgt die Oberflächenstruktur des Kolbens für eine verstärkte Ladungsbewegung im Brennraum.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kolben auf einer dem Kurbelgehäuse zugewandten Seite zumindest bereichsweise mit einer Oberflächenstruktur versehen ist. Die Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche an der Unterseite des Kolbens erhöht den Wärmeübergang zwischen Kolben und Umgebung, insbesondere wenn eine Spritzölkühlung eingesetzt wird, um die Unterseite des Kolbens zu kühlen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung vorgesehen ist, vorzugsweise eine Abgasturboaufladung.
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Dabei wird für die Aufladung vorzugsweise mindestens ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
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Die Vorteile des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader bestehen darin, daß keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Aufladung mit mindestens einem mechanischen Lader, beispielsweise einem Kompressor, realisiert wird, gegebenenfalls auch in Kombination mit einer Abgasturboaufladung.
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Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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Die bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine größere je Arbeitsspiel eingespritzte Kraftstoffmenge stellt besonders hohe Anforderungen an die Gemischbildung, um eine ausreichende Durchmischung der im Zylinder befindlichen Luft mit dem eingespritzten Kraftstoff zu gewährleisten, d. h. das Kraftstoff-Luft-Gemisch ausreichend zu homogenisieren.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung einer Brennkraftmaschine unterstützt folglich die Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflusst werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab.
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Zur Herstellung eines Kolbens einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine einer vorstehend genannten Art wird der Kolben zumindest bereichsweise mit einer Oberflächenstruktur versehen.
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Vorteilhaft ist es, den Kolben als Rohling in einem Gießverfahren herzustellen und eine Nachbearbeitung des Rohlings durchzuführen, in deren Rahmen die Oberflächenstruktur ausgebildet wird. Das Gießen des Kolbens eignet sich für die Serienfertigung besonders.
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Dabei wird die Oberflächenstruktur vorzugsweise mittels Beschichten ausgebildet. Vorteilhaft kann es aber auch sein, die Oberflächenstruktur beim Gießen zusammen mit dem Kolbenrohling auszubilden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 schematisch den Kolben eines Zylinders einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine zur Veranschaulichung des Prinzips der Oberflächenstruktur.
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1 zeigt schematisch den Kolben 1 eines Zylinders einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine zur Veranschaulichung des Prinzips der Oberflächenstruktur 6 in einem Querschnitt durch die Kolbenlängsachse 1b und senkrecht zur Kurbelwelle. Die Drehachse der Kurbelwelle steht senkrecht auf der Zeichenebene. Eine auf der Kurbelwelle drehbar gelagerte Pleuelstange ist im Kolbenbolzenauge 5 mittels Bolzen beweglich mit dem Kolben 1 verbunden (nicht dargestellt).
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Das seitlich angeordnete Kolbenhemd 7 dient der Führung des Kolbens 1 im Zylinderrohr und der Aufnahme von Kolbenringen zur Abdichtung des Brennraums 8 gegenüber dem Kurbelgehäuse 9 und umgekehrt.
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Der Kolbenboden 2 des Kolbens 1 verfügt über eine omegaförmige Kolbenmulde 3, deren Muldenboden 3a umfänglich und seitlich von Wandungen 3b begrenzt wird.
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Der Kolben 1 ist beispielhaft und bereichsweise mit einer Oberflächenstruktur 6 versehen und zwar sowohl auf der dem Brennraum 8 zugewandten Seite, d. h. am Kolbenboden 2, als auch auf der dem Kurbelgehäuse 9 zugewandten Seite, d. h. an der Unterseite 4 des Kolbens 1.
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Dabei weist der Kolben 1 zur Ausbildung einer blumenkohlähnlichen Oberflächenstruktur 6 mehrere hervorstehende Elemente 6a auf, die ballig geformt und nach außen gewölbt sind.
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Durch die Oberflächenstruktur 6 wird die wärmeübertragende Fläche zwischen dem Brennraum 9 und dem Kolben 1 sowie die wärmeübertragende Fläche an der Unterseite 4 des Kolbens 1 vergrößert. Die erhöhte Wärmeabfuhr aus dem Brennraum 8 via Kolben 1 sorgt für eine Absenkung der Prozesstemperaturen und für niedrigere Rohemissionen. Zudem sorgt die Oberflächenstruktur 6 des Kolbenbodens 2 für eine zusätzliche Ladungsbewegung im Brennraum 8 und damit für eine verbesserte Homogensierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 1b
- Kolbenlängsachse
- 2
- Kolbenboden, dem Brennraum zugewandte Seite des Kolbens
- 3
- Kolbenmulde
- 3a
- Muldenboden
- 3b
- eine den Muldenboden seitlich begrenzende Wandung
- 4
- Unterseite des Kolbens, dem Kurbelgehäuse zugewandte Seite des Kolbens
- 5
- Kolbenbolzenauge
- 6
- Oberflächenstruktur
- 6a
- Elemente
- 7
- Kolbenhemd
- 8
- Brennraum
- 9
- Kurbelgehäuse
