DE69903324T2 - Kolben und brennkammer mit aktiver gasführung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kolben, der einen Boden mit einer zum Sicherstellen einer Aktivführung geeigneten Geometrie hat, für einen Verbrennungsmotor, insbesondere mit gesteuerter Zündung und Treibstoff-Direkteinspritzung.
• Die Erfindung betrifft auch eine einem Kolben gemäß der Erfindung zugeordnete Verbrennungskammer für einen Verbrennungsmotor mit gesteuerter Zündung und mit Direkteinspritzung von Treibstoff in die Verbrennungskammer.
• Vor allem begrenzt der Kolben nach der Erfindung eine zugeordnete Verbrennungskammer mit einem Zylinder, in dem sich der Kolben axial verschiebt, sowie mit einer dem Boden des Kolbens gegenüberliegenden Vertiefung in einem an jedem Zylinder des Motors angebauten Zylinderkopf, wobei der Boden des Kolbens eine Endfläche hat, die zur Verbrennungskammer hin gewandt ist und die innerhalb einer ebenen Umfangskrone, die senkrecht zur Achse des Kolbens ist, einerseits eine schalenartige, mit einer Konkavität zur Verbrennungskammer hin offene und auf einer Seite der Achse des Kolbens exzentrisch gelegene Aussparung und andererseits einen zur Verbrennungskammer in bezug auf die Umfangskrone vorstehenden und auf der anderen Seite der Achse des Kolbens exzentrisch gelegenen Höcker aufweist, wobei die Aussparung und der Höcker symmetrisch in bezug auf eine Durchmesserrichtung des Kolbenbodens sind, wie durch FR 2 757 211 bekannt ist.
• Es ist bekannt, daß zahlreiche verschiedene Geometrien vor kurzem für die Endflächen der Kolbenböden von Verbrennungsmotoren und folglich auch für die zugeordneten Verbrennungskammern vorgeschlagen wurden, um den Aufbereitungsprozeß des Luft/Treibstoff-Gemisches zu verbessern, damit zugleich der Treibstoffverbrauch dieser Motoren und die Schadstoffemission, die sie durch ihre Verbrennungsabgase erzeugen, reduziert werden.
• Zu diesem Zweck ist vorgeschlagen worden, den Betrieb des Motors zu steuern und zwar, insbesondere wenn er bei schwacher Last benutzt wird, mit einem sogenannten mageren Luft/Treibstoff-Gemisch (dessen Luftanteil höher als beim stöchiometrischen Verhältnis ist), das homogen oder geschichtet sein kann, insbesondere wenn es außerhalb der Entzündungsgrenzen des homogenen Gemisches ist, sowie bei mittlerer oder starker Last des Motors, wenn dieser letztere mit einem verbrennbaren Gemisch in stöchiometrischem Verhältnis gespeist wird, wobei das Gemisch nur unter gewissen besonderen Betriebsbedingungen des Motors fett ist, insbesondere bei Übergangsbedingungen oder beim Kaltstart.
• Was die Fettheit des einen Motor speisenden, verbrennbaren Gemisches angeht, so hängen die Eigenschaften der Verbrennung dieses Gemisches in einer Verbrennungskammer von zahlreichen Faktoren ab, darunter den geometrischen Faktoren, die mit der Form der Verbrennungskammer und folglich mit der Geometrie der Endfläche des entsprechenden Kolbenbodens (und folglich der Form der Aussparung und des Höckers des Bodens eines Kolbens, wie vorher dargelegt wurde) in Zusammenhang stehen, den aerodynamischen Faktoren und insbesondere der Geschwindigkeit und Durchwirbelung des flüssigen Treibstoffstrahls, der in den Zylinder angesaugten Luft und der inneren Gasströmung in der Verbrennungskammer, sowie den Abmessungs- und geometrischen Faktoren der Einspritzdüse, wie z. B. der Anzahl, der Form und den Abmessungen der Einspritzöffnungen, dem inneren Aufbau und dem Treibstoff-Speisedruck der Einspritzdüse.
• Es ist verständlich, daß die Optimierung der inneren Aerodynamik einer Verbrennungskammer, insbesondere zu den Zeitpunkten des Lufteinlasses, der Treibstoffeinspritzung und der Zündung des verbrennbaren Gemisches bei der Auslegung eines Motors mit gesteuerter Zündung und Direkteinspritzung wesentlich ist, insbesondere um zu einer möglichst guten Aufbereitung des stöchiometrischen oder mageren Gemisches in einer Zone der Verbrennungskammer beizutragen, die für eine gute Verbrennung günstig ist (gute Entzündbarkeit und kontrollierte Ausbreitung der Flammenfront bei der Verbrennung des Gemisches).
• Die Geometrie der Verbrennungskammer wird definiert, um gewisse Aspekte des Gemischbildungsprozesses zu fördern, insbesondere die Gesamtstrukturen, wie z. B. die mit "Swirl" bezeichnete Strömung, die eine Makrostruktur einer Rotation um die Verbrennungskammerachse beschreibt, und die mit "Tumble" bezeichnete Strömung, die die axiale Bewegung beschreibt, die es erlaubt, die Ablenkung des Treibstoffstrahls oder der Treibstoffstrahlen durch die Hauptströmung zu charakterisieren und folglich die Verteilung des Treibstoffs und seiner Verdampfung in der Verbrennungskammer besser einzuschätzen. Die Geometrie soll auch am Kompressionsphasenende ein Durchwirbelungsniveau bei der Brennstoff-Füllung begünstigen, um lokal die Massenaustauschparameter in der Nachbarschaft der Flammenfront zu kontrollieren und somit die Verbrennungsgeschwindigkeit zu bestimmen.
• Zum Verbessern der Verteilung und der Verdampfung des Treibstoffes in der Verbrennungskammer sowie des Luft/Treibstoff- Gemisches, damit die Verbrennung verbessert wird, sind vor kurzem verschiedene besondere Verbrennungskammergeometrien vorgeschlagen worden, die eine oder mehrere Aussparungen in Form einer konkaven Schale aufweisen, die in der Endfläche des Kolbenbodens vorgesehen ist und zur Verbrennungskammer hin offen ist, wobei die Einspritzdüse den Treibstoffstrahl in eine dieser konkaven Schalen richtet, damit dieser Strahl durch diese letztere zum Zentrum der Verbrennungskammer, gegenüberliegend zur Zündkerze, hin abgelenkt wird, wobei er gleichzeitig in feine Treibstofftröpfchen zerstäubt wird und/oder mit angesaugter Luft in der Verbrennungskammer durch die Strömung und die Durchwirbelungen verdampft und gemischt wird, die in dieser letzteren durch das Vorhandensein der konkaven schalenartigen Aussparung oder Aussparungen verändert werden.
• Beispielsweise beschreibt DE 197 13 030 einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit gesteuerter Zündung und Direkteinspritzung, bei dem die Endfläche eines eine Verbrennungskammer begrenzenden Kolbenbodens eine Anordnung von Führungsrippen aufweist, die im wesentlichen die Form eines H haben, das zur Verbrennungskammer vorsteht und zwei Längsrippen enthält, die einen Abstand voneinander haben und parallel zueinander sind und die senkrecht zur Längsebene des Motors sind, die durch die Achsen der Zylinder dieses letzteren verläuft, und die miteinander durch eine Querrippe verbunden sind, die parallel zur Längsebene des Motors ist und im wesentlichen senkrecht zu den Längsrippen verläuft. Diese Rippen, die das lokale Durchwirbelungsniveau in der Kompressionsendphase optimieren und die aerodynamische "Tumble"-Bewegung des in den Zylinder eingelassenen Gases verbessern sollen, um die Verbrennung insbesondere durch Einwirkung auf die Geschwindigkeiten und die Verteilung des Treibstoffes und der Verbrennungsluft zu verbessern, begrenzen zwischen sich und mit der ebenen Umfangskrone des Kolbenbodens vier Aussparungen in Form konkaver Schalen, die zur Kammer hin offen sind. Die eine der beiden zentralen Aussparungen (zwischen den Rippen der H-Strukaur) empfängt den Treibstoffstrahl einer Einspritzdüse, die seitlich in den Zylinderkopf eingebaut ist, in dem die die Verbrennungskammer begrenzende Vertiefung eine Vertiefung in Form eines Daches mit zwei geneigten Dachschrägen ist, wobei die Einspritzdüse in die Basis der einen der beiden geneigten Dachschrägen zwischen zwei Einlaßventilen mündet, die mit den Einlaßkanälen in dieser geneigten Dachschräge zusammenwirken, wobei die Achse der Einspritzdüse gegenüber der Kolben- und Verbrennungskammer-Achse geneigt ist, die in einer radialen Ebene enthalten ist, die durch diese Achse verläuft, mit der die Zündkerze fluchtet, die in den Zylinderkopf am Scheitel der Verbrennungskammer eingesetzt ist.
• In DE 197 13 029 weist der Kolbenboden auf seiner zur Verbrennungskammer hin gewandten Endfläche eine T-förmige Rippenstrukaur auf, die zur Verbrennungskammer hin vorsteht und die somit in dieser Endfläche und mit der ebenen Umfangskrone des Kolbenbodens drei Aussparungen in Form konkaver Schalen begrenzt, die zur Verbrennungskammer hin offen sind und von denen eine den Treibstoffstrahl empfängt, der von der Einspritzdüse herkommt, deren Achse gegenüber der Achse des Kolbens und der Zündkerze geneigt ist und zu dieser Achse hin gerichtet ist, jedoch am Scheitel der Verbrennungskammer am einen Verbindungsende zwischen den beiden geneigten Dachschrägen eingebaut ist, die die im Zylinderkopf vorgesehene Dachvertiefung begrenzen, um den entsprechenden Teil der Verbrennungskammer zu bilden.
• In US-5,727,520 weist die Endfläche des Kolbenbodens eine Führungsrippe in Form eines sehr offenen und zur Verbrennungskammer hin vorstehenden U auf, um zwei offene konkave Aussparungen zur Verbrennungskammer hin zu begrenzen, wobei das, was innerhalb des U gelegen ist, den Treibstoffstrahl einer Einspritzdüse empfängt, die zentral am Scheitel der dachförmig mit zwei geneigten Dachschrägen ausgebildeten Verbrennungskammer eingebaut ist, wobei die Einspritzdüse schwach gegenüber der Achse des Kolbens und der Verbrennungskammer geneigt ist, wogegen die Zündkerze mehr gegen diese Achse geneigt ist und seitlich in einer der geneigten Dachschrägen der Dachvertiefung des Zylinderkopfes auf der Einlaßseite eingebaut ist, wobei das durch die Rippe des Kolbenbodens gebildete U zum Auslaß hin offen ist.
• Bei diesen verschiedenen Ausführungen sind die die konkaven Aussparungen am Kolbenboden begrenzenden Rippen im wesentlichen dazu ausgelegt, die Strömung im Sinne einer Verstärkung der "Tumble"-Bewegung zu verändern, indem sie die lokale Durchwirbelung begünstigen, um die Qualität des Luft/Treibstoff-Gemisches, seine Entzündbarkeit und seine Verbrennungsgeschwindigkeit zu steigern, um zum Reduzieren des Verbrauches und des Schadstoffausstoßes die Verbrennung im Großen und Ganzen zu verbessern.
• Die der Erfindung zu Grunde liegende Absicht ist es, das Leistungsvermögen hinsichtlich Verbrauch und Schadstoffausstoß im Vergleich zu Ausführungen der vorher erwähnten Patente noch zu verbessern, indem das lokale Durchwirbelungsniveau in der Kompressionsendphase sowie die Verteilung und die Verdampfung des Treibstoffes in der Verbrennungskammer durch ein gemischt es Konzept aus aerometrischer Führung und Festwandführung verbessert werden, das eine Optimierung der Geometrie der Verbrennungskammer für eine gute Aufbereitung insbesondere des mageren geschichteten Direkteinspritzung-Gemisches ergibt, um eine gute Verbrennung in Abhängigkeit von der Position der Zündkerze zu gewährleisten sowie um ein Luft/Treibstoff-Gemisch bei den stöchiometrischen Verhältnissen im zentralen Raum der Verbrennungskammer, gegenüberliegend zur Zündkerze, schaffen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die vorher erwähnten Verbesserungen zu erreichen, indem ein Kolbenboden der durch FR 2 757 211 bekannten Art weitergebildet wird, dessen die Verbrennungskammer begrenzende Endfläche innerhalb einer ebenen, zur Achse des Kolbens senkrechten Umfangskrone zum einen eine schalenartige Aussparung, die einen konkaven, zur Verbrennungskammer hin offenen Boden hat und exzentrisch auf einer Seite der Achse des Kolbens liegt, und zum anderen einen Höcker aufweist, der zur Verbrennungskammer hin in bezug auf die Umfangskrone vorsteht und exzentrisch auf der anderen Seite der Achse des Kolbens liegt, wobei die Aussparung und der Höcker symmetrisch bezüglich einer Durchmesserrichtung des Kolbenbodens sind.
• Zu diesem Zweck ist der Kolben mit Aktivführungsboden der vorher erwähnten und aus FR 2 757 211 bekannten Art gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Höcker im Grundriß parallel zur Achse des Kolbens eine Form im wesentlichen eines Hufeisens aufweist, das teilweise die Aussparung umgibt, die außerdem durch einen Bogen der ebenen Umfangskrone umgeben ist, und daß der Höcker eine überstehende Kante oberhalb der Verbindung der Aussparung mit dem Höcker zumindest im Bereich der Basis des im wesentlichen hufeisenförmigen Höckers sowie Flügelteile des hufeisenförmigen Höckers aufweist, die an die genannte Basis angrenzen.
• Die Form der Verbrennungskammer und ganz besonders die Form der Aussparung und des Höckers des Kolbens ist somit so beschaffen, daß sie die für die Ausbildung eines guten Luft/Treibstoff-Gemisches günstige Durchwirbelung schafft, indem sie das Umlenken zum Zentrum der Verbrennungskammer ermöglicht, wobei der Treibstoffstrahl von der Einspritzdüse herkommt und ihr Treibstoff somit besser zerstäubt und verdampft wird.
• Die überstehende Kante weist darüber hinaus in vorteilhafter Weise keine scharfe Kante auf, sondern ist im Gegensatz dazu eine Kante mit rundem Querschnitt, und außerdem schwächt sich oder vermindert sich die Amplitude des Überstands der Kante, betrachtet in einer zur Achse des Kolbens senkrechten Ebene, fortschreitend von der Mitte der Basis des hufeisenförmigen Höckers zum Ende jedes der beiden Flügel des Höckers hin ab, wobei in Höhe der Enden derselben der Überstand im wesentlichen verschwunden ist.
• Diese technische Messung ermöglicht es, Vorrichtungen zu reduzieren, ja sogar zu eliminieren, die sonst strömungsoberhalb im Luftspeisekreis erforderlich wären, um eine "Swirl"- Bewegung des Gases in der Verbrennungskammer zu erzeugen, wobei diese strömungsoberhalb liegenden Vorrichtungen komplex und kostenaufwendig sind.
• Überdies ist die Tiefe der Aussparung, parallel zur Achse des Kolbens betrachtet, veränderlich und in einem Teil der Aussparung, der nicht an die Basis des hufeisenförmigen Höckers angrenzt, erheblicher, wobei diese maximale Tiefe sowie allgemeiner das Profil des Bodens der Aussparung vorzugsweise eine Funktion insbesondere des Durchmessers des Kolbens sowie der Winkelposition der Einspritzdüse in bezug auf die Achse des Kolbens und der Verbrennungskammer ist.
• Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der hufeisenförmige Höcker eine konvexe Fläche aufweist, die zur Verbrennungskammer hin gewandt ist und eine radiale Breite in bezug auf die Achse des Kolbens hat, die in der genannten Symmetriedurchmesserrichtung der Aussparung und des Höckers des Kolbenbodens maximal ist und fortschreitend beiderseits dieser Richtung in den Flügeln des hufeisenförmigen Höckers abnimmt. Dieses vorteilhafte Merkmal ermöglicht das Verringern des Verbrennungskammer-Innenraumes, der durch ein Gasgemisch belegt wird, das schlechte Zündfähigkeits- und Verbrennungsbedingungen hat.
• Zugleich weist die ebene Umfangskrone eine veränderliche radiale Breite auf, die über die genannte Symmetriedurchmesserrichtung der Aussparung und des Höckers und auf der in bezug auf die Aussparung hinter dem Höcker gelegenen Seite minimal ist, wobei die radiale Breite der Umfangskrone beiderseits ihres Abschnitts minimaler Breite bis an die Seiten der Flügel des hufeisenförmigen Höckers fortschreitend zunimmt, so daß diese Form des Höckers, die dieser Verbreiterung der ebenen Umfangskrone zugeordnet ist, eine seitliche Spülung der unverbrannten Gase, insbesondere zur zentralen Verbrennungszone hin, erleichtert.
• Gegenstand der Erfindung ist auch eine Verbrennungskammer für einen Verbrennungsmotor mit gesteuerter Zündung und Direkteinspritzung, die zwischen einem Boden eines Kolbens, der in einem Zylinder des Motors axial verschieblich ist, und dem Zylinder sowie einer Vertiefung abgegrenzt ist, die gegenüberliegend zum Kolbenboden in einem am genannten Zylinder angebauten Zylinderkopf angeordnet ist, wobei im Zylinderkopf im wesentlichen koaxial zum Kolben eine Zündkerze eingesetzt ist, und auch eine Treibstoff-Einspritzdüse im Zylinderkopf eingesetzt ist, um direkt in die Verbrennungskammer wenigstens einen Treibstoffstrahl zu liefern, der entsprechend einer Achse ausgerichtet ist, die gegenüber der Achse des Kolbens geneigt ist, und die Verbrennungskammer der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben ein Kolben gemäß der Erfindung ist und so beschaffen ist, wie vorher definiert wurde, wobei die geneigte Achse des genannten Treibstoffstrahls in einer im wesentlichen radialen Ebene ist, die durch die Achse des Kolbens und durch die genannte Symmetriedurchmesserrichtung der Aussparung und des Höckers des Kolbenbodens verläuft, wobei der genannte Treibstoffstrahl in die Aussparung und zur genannten überstehenden Kante der Basis des hufeisenförmigen Höckers hin gerichtet ist, um eine ausgezeichnete Aktivführung zu erreichen.
• Die Verbrennungskammer ist außerdem vorteilhaft von bekannter Hochleistungsart, bei der die entsprechende Vertiefung des Zylinderkopfes eine Vertiefung ist, die im wesentlichen die Form eines Daches mit zwei geneigten Dachschrägen hat, wobei in eine davon die Einspritzdüse und wenigstens ein Lufteinlaßkanal, der durch wenigstens ein Einlaßventil selektiv geschlossen und geöffnet wird, zur Aussparung des Kolbenbodens im wesentlichen gegenüberliegend einmünden, wogegen wenigstens ein Auslaßkanal, der durch zumindest ein Auslaßventil selektiv geschlossen und geöffnet wird, in die andere der genannten geneigten Dachschrägen im wesentlichen gegenüberliegend zum Höcker des Kolbenbodens einmündet.
• Bei einer solchen Verbrennungskammer sind ausgezeichnete Leistungen mit einer gegenüber der Achse des Kolbens so geneigten Einspritzdüse erreicht worden, daß die Achse des genannten Treibstoffstrahls zur Achse des Kolbens einen Winkel bildet, der zwischen etwa 80º und etwa 45º liegt.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgend in nicht einschränkender Weise abgegebenen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen beschrieben ist, in denen:
• - Fig. 1 eine teilweise schematische Schnittansicht eines Verbrennungsmotors ist, der einen Kolben und eine Verbrennungskammer gemäß der Erfindung enthält,
• - Fig. 2 eine Grundrißansicht des Bodens des Kolbens der Fig. 1 und eine Schnittansicht des entsprechenden Zylinders ist.
• Fig. 1 stellt auf schematische Weise und im Querschnitt einen Viertakt-Verbrennungsmotor 1 mit gesteuerter Zündung und mit Direkteinspritzung dar.
• Wie es bekannt ist, ist in jedem im Block des Motors 1 angeordneten Zylinder 2 ein Kolben 3 angebracht, der axial hin- und hergehend verschieblich und mit einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) durch eine Stange 4 verbunden ist.
• Eine Verbrennungskammer 5 ist am oberen Ende des Kolbens 3 zwischen einer Vertiefung 6, die gegenüberliegend zum Kolben 3 in einem auf dem Block des Motors 1 aufgesetzten Zylinderkopf 7 vorgesehen ist, und der Endfläche 9 des Bodens 8 dieses Kolbens 3 begrenzt.
• Die Vertiefung 6 dieses Zylinderkopfes 7 ist eine sogenannte "Dach"-Vertiefung, die im wesentlichen durch zwei geneigte Dachschrägen begrenzt ist, die aufeinanderzu konvergieren und sich am Scheitel der Verbrennungskammer 5 verbinden.
• Eine Zündkerze 10 ist in den Zylinderkopf 7 koaxial zur Achse X-X des Kolbens 3 und der Verbrennungskammer 5 so eingesetzt, daß ihre Elektroden 11 in den Scheitel der Verbrennungskammer 5 einmünden.
• Eine Treibstoff-Einspritzdüse 12 ist auch in den Zylinderkopf 7 eingesetzt, so daß sie direkt in die Verbrennungskammer 5 einen Treibstoffstrahl 13 liefert, der auf eine Achse Y-Y zentriert ist, die bequemlichkeitshalber so dargestellt ist, als sei sie die Achse der Einspritzdüse 12, wobei diese Achse Y-Y zur. Achse X-X um einem Winkel geneigt ist, der in diesem Beispiel 73º beträgt und in der radialen Ebene enthalten ist, die durch die Achse X-X und durch die Mitte (senkrecht zur Ebene der Fig. 1) einer 6a der beiden die Vertiefung 6 begrenzenden, geneigten Dachschrägen 6a und 6b an der Basis dieser Dachschräge 6a in Nähe des oberen Endes des Zylinders 2 und im wesentlichen zwischen zwei Einlaßkanälen 14 am strömungsunteren Ende von Lufteinlaßrohrleitungen verläuft, wie z. B. 15, die selektiv durch Einlaßventile 16 geschlossen und geöffnet werden, während ein Auslaßkanal 17, der in der anderen geneigten Dachfläche 6b der Vertiefung 6 vorgesehen ist, selektiv durch ein Auslaßventil 18 am strömungsoberen Ende einer Auslaßrohrleitung 19 geschlossen und geöffnet wird, wobei die Einlaßrohrleitung 15 und Auslaßrohrleitung 19 im Zylinderkopf 7 angeordnet sind.
• Luft wird in die Verbrennungskammer 5 durch die Einlaßkanäle 14 auf der gleichen Seite wie die Einspritzdüse 12 eingelassen, während die sich aus der Verbrennung des Luft/Treibstoff-Gemisches in der Verbrennungskammer 5 ergebenden Verbrennungsgase auf der anderen Seite der Verbrennungskammer 5 durch den Auslaßkanal 17 und das entsprechende Leitungsrohr 19 abgeführt werden.
• Als Variante kann der Motor ein oder mehr als zwei Einlaßventile 16 und/oder ein oder mehrere Auslaßventile 18 enthalten.
• Die Endfläche 9 des Kolbenbodens 8 ist in Fig. 1 als Schnitt durch die radiale Ebene, die durch die Achse X-X und die Achse Y-Y bestimmt ist, in einer Zwischenposition zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt dargestellt, wogegen Fig. 2 diese Endfläche 9 des Kolbenbodens 8 in Grundrißansicht in der Richtung der Achse X-X darstellt.
• Diese Endfläche 9 stellt eine Umfangskrone 20 dar, die eben ist und senkrecht zur Achse X-X und innerhalb derselben die Endfläche 9 eine Aussparung 21 aufweist, die im wesentlichen die Form einer konkaven Schale mit einer zur Verbrennungskammer 5 hin gewandten Konkavität hat und exzentrisch auf einer Seite der Achse X-X und am besten auf der zur Einspritzdüse 12 gewandten Seite liegt, obwohl sich die Aussparung 21 auch zum Teil auf der anderen Seite dieser Achse X-X erstreckt, d. h. auf der Auslaßseite.
• Innerhalb der ebenen Umfangskrone 20 weist die Endfläche 9 auch einen Höcker 22 auf, der zur Verbrennungskammer 5 in bezug auf die Umfangskrone 20 vorsteht und exzentrisch auf der Seite der Achse X-X, gegenüberliegend zum Auslaß, liegt. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist allerdings die Grundrißform des Höckers 22 diejenige eines Hufeisens oder eines Halbmondes, dessen breiteste Basis 22a in radialer Richtung effektiv auf die Seite der Achse X-X verschoben ist, die zum Auslaß hin liegt (gegenüberliegend zu dem oder den Ventilen 18), aber diese Basis 22a setzt sich um zwei seitliche Flügel 22b von fortschreitend abnehmender radialer Breite zwischen der Aussparung 21 und der Krone 20 fort.
• Die Aussparung 21 ist somit über den größten Teil ihres Umfanges durch den hufeisenartigen Höcker 22 und über den Rest dieses Umfanges durch einen Bogen 20a der Umfangskrone 20 umgeben, wobei dieser Bogen 20a eine symmetrisch veränderliche winkelmäßige Dicke beiderseits der nachfolgend dargelegten Durchmesserrichtung Z-Z haben kann.
• Die Aussparung 21 und der Höcker 22 sind jeweils symmetrisch in bezug auf eine Durchmesserrichtung Z-Z, die senkrecht zur Achse X-X ist, und in der die Achse Y-Y der Einspritzdüse 12 enthaltenden radialen Ebene 12.
• Der Höcker 22 weist eine überstehende Kante 23 oberhalb der Verbindung zwischen der Aussparung 21 und dem Höcker 22 auf und die Amplitude dieser überstehenden Kante 23, betrachtet senkrecht zur Achse X-X, ist in der Durchmesserrichtung Z-Z maximal und verringert sich fortschreitend beiderseits dieser Durchmesserrichtung Z-Z in der Basis 22a des Höckers 22 und den Teilen der Flügel 22b, die an die Basis 22a angrenzen, um sich bis zum Verschwinden an den Enden der Flügel 22b des Höckers 22 zu vermindern, und zwar wie in Fig. 2 dargestellt ist, zwischen dem durchgehenden Linienzug, der die Kante 23 kennzeichnet, und dem gestrichelten Linienzug, der den Boden des Überstandes kennzeichnet.
• Die überstehende Kante 23 ist außerdem nicht durch eine scharfe Kante begrenzt, sondern weist einen runden Querschnitt auf, der eine konkave Oberfläche in der Verlängerung von derjenigen der Aussparung 21 und eine obere Fläche 24 des Höckers 22 aufweist, die zur Verbrennungskammer 5 hin konvex ist.
• Wie in Fig. 1 in gestricheltem Linienzug dargestellt ist und als Variante kann der Höcker 22 an seiner Basis 22a eine obere Oberfläche 24 mit einer Konvexität aufweisen, die weniger ausgeprägt ist, aber sich über eine größere radiale Breite (senkrecht zur Achse X-X) erstreckt, so daß die Umfangskrone 20 hinter der Basis 22a des Höckers 22 eine minimale Breite von geringem Wert in ihrem Querschnitt 20b über die Durchmesserrichtung Z-Z (siehe Fig. 2) aufweist und ihre Breite fortschreitend auf jeder Seite dieses minimalen Querschnitts 20b zunimmt, bis sie eine maximale Breite in ihren Teilen 20c an den Seiten der Flügel 22b des Höckers 22 annimmt.
• Die Tiefe der Aussparung 21, betrachtet parallel zur Achse X-X, nimmt außerdem wesentlich vom Teil der Aussparung 21, der an die Basis 22a des Höckers 22 angrenzt, zum Teil der Aussparung 21 zu, der direkt an die Umfangskrone 20 angrenzt, d. h. der gegenüberliegend zum Einlaßventil oder zu den Einlaßventilen 16 und unter der Einspritzdüse 12 gelegen ist.
• Wenn der Kolben 3 auf den oberen Totpunkt zusteuert, ist der von der Einspritzdüse 12 herausgeschleuderte Treibstoffstrahl 13 bei einer Späteinspritzung in die Aussparung 21, zur überstehenden Kante 23 in Höhe der Basis 22a des Höckers 22 hin und unter diese überstehende Kante 23 gerichtet und auf Grund dieser besonderen Geometrie der Endfläche 9 des Kolbenbodens 8 und seiner besonderen Anordnung in bezug auf die geneigte Einspritzdüse 12 und auf die axiale Zündkerze 10 wird eine gemischte Führung erreicht, nämlich einerseits aerometrisch der leichten Teile (Dampf und Tröpfchen mit kleinem Durchmesser) und andererseits festwandig der schweren Teile (Tröpfchen mit größerem Durchmesser), die eine ausgezeichnete Aufbereitung des Luft/Treibstoff-Gemisches mit einer Treibstoffstrahl-Ablenkung zur Zündkerze 10 hin und eine gute Verdampfung des Treibstoffes sowie ein hohes Maß an lokaler Durchwirbelung im Treibstoff/Sauerstoffträger-Gemisch in der zentralen Zone der Aussparung 21 sicherstellt, so daß bei Magergemischbetrieb eine gute Schichtung dieses Gemisches, gegenüberliegend zur Zündkerze 10, für eine gute Verbrennung dieses Gemisches erreicht wird.
• Bei homogener Luft- und Treibstoffspeisung in stöchiometrischen Verhältnissen ermöglicht es die Geometrie unter Benutzung einer Ansaugphaseneinspritzung auch, eine stöchiometrische Gemischzone zu schaffen, die wirkungsvoll im Zentrum der Verbrennungskammer 5 in unmittelbarer Nähe der Elektroden 11 der Zündkerze 10 erhalten wird.
• Während der Verdichtung und der Verbrennungsphase wird der Transport der nicht verbrannten Gase in der Randzone der Kammer 5 unter das oder die Auslaßventile 18 auf Grund der Vorrichtung zum Spülen dieser Gase verbessert, die durch die konvexe Form der oberen Fläche 24 des Höckers 22, die an seiner Basis 22a radial am längsten sowie an seinen Flügeln 22b radial dünner wird, sowie auf Grund der fortschreitenden Zunahme der radialen Breite der Umfangskrone 20, ihrer Zone kleinsten Querschnittes 20b in der Durchmesserrichtung Z-Z hinter der Basis 22a des Höckers 22 bis zu ihren breitesten seitlichen Teilen 20c hinter den Flügeln 22b des Höckers 22 in bezug auf die Achse X-X, erhalten wird.
• Diese konvexe Form des Höckers 22 zwischen seiner überstehenden Kante 23 und der Umfangskrone 20 ermöglicht somit eine Verringerung des Raumes, der in der Verbrennungskammer 5 durch ein Gemisch belegt wird, das keine guten Verbrennungseigenschaften aufweist.
• Der runde und nicht scharfkantige Querschnitt der überstehenden Kante 23 ermöglicht es, in der Kammer 5 "Swirl"-Bewegungen des Gases zu erzeugen, die sonst zumindest teilweise durch besondere Mittel gebildet werden müßten, die strömungsoberhalb im Luftspeisekreis vorgesehen sind.
• Die veränderliche Tiefe der Aussparung 21 kann in Abhängigkeit insbesondere des Durchmessers des Kolbens 3 sowie der Neigung der Achse Y-Y der Einspritzdüse 12 zur Achse X-X des Kolbens 3 und der Kammer 5 selbstverständlich optimiert werden, wobei diese Neigung vorzugsweise zwischen etwa 80º und etwa 45º ist.

Claims (9)

1. Kolben mit Aktivführungsboden für einen Verbrennungsmotor (1), insbesondere vom Typ mit gesteuerter Zündung und Treibstoffdirekteinspritzung, wobei der Kolben (3) einen Boden (8) hat, dessen eine Endfläche (9) eine Verbrennungskammer (5) mit einem Motor-Zylinder (2), in dem der Kolben (3) axial Verschieblich angebracht ist, und mit einer Vertiefung (6) abgrenzt, die gegenüberliegend zum Boden (8) des Kolbens (3) in einem am Motor-Zylinder (2) angebauten Zylinderkopf (7) angeordnet ist, wobei die Endfläche (9) innerhalb einer ebenen Umfangskrone (20), die senkrecht zur Achse (X-X) des Kolbens (3) ist, einerseits eine schalenartige, zur Verbrennungskammer (5) hin offene und auf einer Seite der Achse (X-X) des Kolbens (3) exzentrisch gelegene Aussparung (21) mit konkavem Boden und andererseits einen zur Verbrennungskammer (5) in bezug auf die Umfangskrone (20) vorstehenden und auf der anderen Seite der Achse (X-X) des Kolbens (3) exzentrisch gelegenen Höcker (22) aufweist, wobei die Aussparung (21) und der Höcker (22) symmetrisch in bezug auf eine Durchmesserrichtung (Z-Z) des Kolbenbodens (8) sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Höcker (22) im Grundriß parallel zur Achse (X-X) des Kolbens (3) eine Form im wesentlichen eines Hufeisens aufweist, das teilweise die Aussparung (21) umgibt, die außerdem durch einen Bogen (20a) der ebenen Umfangskrone (20) umgeben ist, und daß der Höcker (22) eine überstehende Kante (23) oberhalb der Verbindung der Aussparung (21) mit dem Höcker (22) im Bereich der Basis (22a) des im wesentlichen hufeisenförmigen Höckers (22) sowie Flügel (22b) des hufeisenförmigen Höckers (22) aufweist, die an die genannte Basis (22a) angrenzen, und daß sich die Amplitude des Überstands der Kante (23), betrachtet in einer zur Achse (X-X) des Kolbens (3) senkrechten Ebene, fortschreitend von der Mitte der Basis (22a) des hufeisenförmigen Höckers (22) zum Ende jedes der beiden Flügel (22b) des Höckers (22) hin abschwächt, wobei in Höhe der Enden derselben der Überstand im wesentlichen verschwunden ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die überstehende Kante (23) eine im Querschnitt runde Kante ist.

3. Kolben nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Aussparung (21) parallel zur Achse (X-X) des Kolbens (3) veränderlich und in einem Teil der Aussparung (21), der nicht an die Basis (22a) des hufeisenförmigen Höckers (22) angrenzt, erheblicher ist.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hufeisenförmige Höcker (22) eine konvexe Fläche (24) aufweist, die zur Verbrennungskammer (5) hin gewandt ist und eine radiale Breite in bezug auf die Achse (X-X) des Kolbens (3) hat, die in der genannten Symmetriedurchmesserrichtung (Z-Z) der Aussparung (21) und des Höckers (22) des Kolbenbodens (8) maximal ist und fortschreitend beiderseits dieser Richtung (Z-Z) in den Flügeln (22b) des hufeisenförmigen Höckers (22) abnimmt.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Umfangskrone (20) eine veränderliche radiale Breite aufweist, die über die genannte Durchmesserrichtung (Z-Z) und auf der in bezug auf die Aussparung (21) hinter dem Höcker (22) gelegenen Seite minimal ist, wobei die radiale Breite der Umfangskrone (20) beiderseits ihres Abschnitts (20b) minimaler Breite bis an die Seiten der Flügel (22b) des hufeisenförmigen Höckers (22) fortschreitend zunimmt.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Bogen (20a) der Umfangskrone (20) eine beiderseits der genannten Durchmesserrichtung (Z-Z) symmetrisch veränderliche winkelmäßige Dicke hat.

7. Verbrennungskammer (5) für einen Verbrennungsmotor (1) mit gesteuerter Zündung und Direkteinspritzung, die zwischen einem Boden (8) eines Kolbens (3), der in einem Zylinder (2) des Motors (1) axial verschieblich ist, und dem Zylinder (2) sowie einer Vertiefung (6) abgegrenzt ist, die gegenüberliegend zum Kolbenboden (8) in einem am genannten Zylinder (2) angebauten Zylinderkopf (7) angeordnet ist, wobei im Zylinderkopf (7) im wesentlichen koaxial zum Kolben (3) eine Zündkerze (10) eingesetzt ist, und auch eine Treibstoff-Einspritzdüse (12) im Zylinderkopf (7) eingesetzt ist, um direkt in die Verbrennungskammer (5) wenigstens einen Treibstoffstrahl (13) zu liefern, der entsprechend einer Achse (Y-Y) ausgerichtet ist, die gegenüber der Achse (X-X) des Kolbens (3) geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) ein Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist und daß die geneigte Achse (Y-Y) des genannten Treibstoffstrahls (13) in einer im wesentlichen radialen Ebene ist, die durch die Achse (X-X) des Kolbens (3) und durch die genannte Symmetriedurchmesserrichtung (Z-Z) der Aussparung (21) und des Höckers (22) des Kolbenbodens (8) verläuft, wobei der genannte Treibstoffstrahl (13) in die Aussparung (21) und zur genannten überstehenden Kante (23) der Basis (22a) des hufeisenförmigen Höckers (22) hin gerichtet ist.

8. Verbrennungskammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechende Vertiefung (6) des Zylinderkopfes (7) eine Vertiefung ist, die im wesentlichen die Form eines Daches mit zwei geneigten Dachschrägen (6a, 6b) hat, wobei in eine (6a) davon die Einspritzdüse (12) und wenigstens ein Lufteinlaßkanal (15), der durch wenigstens ein Einlaßventil (16) selektiv geschlossen und geöffnet wird, zur Aussparung (21) des Kolbenbodens (8) im wesentlichen gegenüberliegend münden, wogegen wenigstens ein Auslaßkanal (19), der durch zumindest ein Auslaßventil (18) selektiv geschlossen und geöffnet wird, in die andere (6b) der genannten geneigten Dachschrägen im wesentlichen gegenüberliegend zum Höcker (22) des Kolbenbodens (8) mündet.

9. Verbrennungskammer nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (12) gegenüber der Achse (X-X) des Kolbens (3) so geneigt ist, daß die Achse (Y-Y) des genannten Treibstoffstrahls (13) zur Achse (X-X) des Kolbens (3) einen Winkel bildet, der zwischen etwa 80º und etwa 45º liegt.