WO2000077358A1

WO2000077358A1 - Kolbenbrennkraftmaschine mit mitteln zur erzeugung einer sekundär-ladeluftströmung

Info

Publication number: WO2000077358A1
Application number: PCT/EP2000/004900
Authority: WO
Inventors: Ernst-Siegfried Hartmann; Thomas Schwaderlapp; Jürgen Wahnschaffe
Original assignee: Fev Motorentechnik Gmbh
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2000-12-21
Also published as: DE19926132A1; DE10081628D2; JP2003502550A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung in den im Zylinder (1) gebildeten Brennraum (2), der durch ein Brennraumdach (3) mit wenigstens einem Gasauslassventil (9) und wenigstens einem Gaseinlassventil (7) sowie durch einen Kolben (10) mit Kolbenmulde (11) und Quetschfläche (12) begrenzt wird, wobei zumindest der Gaseinlass (4) im Brennraumdach (3) so ausgebildet ist, dass die einströmende Luft im Brennraum (2) eine Tumbleströmung bildet und wobei der Kolben (10) zumindest im Bereich seiner der nach unten gerichteten Luftströmung zugeordneten Quetschfläche (12) wenigstens ein vom Kolbenaussenrand in Richtung der Kolbenmulde (11) in etwa spiralförmig verlaufendes Leitelement (16; 18) aufweist.

Description

Bezeichnung: Kolbenbrennkraftmaschine mit Mitteln zur

Erzeugung einer Sekundär-Ladeluftströmung

Beschreibung

Bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung wird zur optimalen Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs eine um die Zylinderachse geführte Drallströmung der Ladeluft in der Kolbenmulde benötigt, insbesondere gegen En- des des Kolbenhubes. Die Erzeugung dieser Drallströmung erfolgt nach dem Stand der Technik durch eine gezielte Strö- mungsumlenkung über eine entsprechende Ausgestaltung der Gaseinlaßkanäle vor den Ventilen oder unmittelbar im Bereich der Ventile.

Dies ist bekannt beispielsweise aus EP-A-0 634 571, in der eine Diesel-Kolbenbrennkraftmaschine beschrieben ist. Die Zylinder weisen jeweils zwei Lufteinlaßkanäle auf, die jeweils durch ein Einlaßventil abgeschlossen sind, wobei durch eine entsprechende geometrische Zuordnung der beiden Einlaßkanäle zueinander sowie durch eine entsprechende Winkelstellung der Einlaßkanäle zueinander die Drallströmung im Zylinderraum erzeugt werden soll.

Aus DE-A-20 17 877 und FR-A-2 151 198 sind Anordnungen bekannt, bei denen im Bereich des Ventilsitzes eine spiralförmige Führung des Einlaßkanals vorgesehen ist, so daß die einströmende Luft durch entsprechende Strömungsumlenkung eine Drallströmung im Zylinderinnenraum bewirkt.

In allen Fällen führen diese Maßnahmen zu einer Drosselung und damit zu einer Reduzierung der maximal möglichen Verbren- nungsluftmenge im Zylinder, die bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit großen Hubraumvolumen durch die Verwendung von Turbola- dern wieder ausgeglichen werden kann. Bei kleineren Kolbenbrennkraftmaschinen ist der Kostenaufwand für eine Aufladung verhältnismäßig groß, so daß auch heute Saugmotore im Bereich der Motorisierung von Personenkraftwagen realisiert werden.

Aus DE-A-198 23 004 ist für fremd- oder selbstgezündete Kol- benbrennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung ein Kolben mit einer von eine Quetschfläche begrenzten Kolbenmulde bekannt. Die Quetschfläche ist mit mehreren tangential zur Kolbenmulde ausgerichteten rinnenförmigen Knälen versehen. Die Luft wird in den Brennraum unverdrallt oder in einer nur leicht verdrallten Strömung ohne eine ausgeprägte Strömungscharakteristik eingeleitet. Erst durch eine Aufwärtsbewegung des Kolbens wird gegen Ende der Kompression über die Kanäle aus der Quetschströmung eine starke Drallströmung und somit eine im wesentlichen gerichtete Strömung erzeugt, die auf ei- nen Auftreffpunkt des Einspritzstrahles in der Kolbenmulde gerichtet ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung eine Erhöhung der Ladeluftmenge auch ohne Turbolader zu bewirken und hierbei mit Hilfe einer drosselfrei erzeugten Drallströ- mung im Zylinderinnenraum eine optimale Kraftstoffverteilung zu bewirken.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung in den im Zylinder gebildeten Brennraum, der durch ein Brennraumdach mit wenigstens einem Gasauslaßventil und wenigstens einem Gaseinlaßventil sowie durch einen Kolben mit Kolbenmulde und Quetschfläche begrenzt wird, wobei zumindest der Gaseinlaß im Brennraumdach so ausgelegt ist, daß die einströmende Luft im Brennraum eine Tum- bleströmung bildet und wobei der Kolben zumindest im Bereich seiner der nach unten gerichteten Luftströmung zugeordneten Quetschfläche wenigstens ein vom Kolbenaußenrand in Richtung der Kolbenmulde in etwa spiralförmig verlaufendes Leitelement aufweist. Eine derart ausgebildete Kolbenbrennkraftmaschine hat den Vorteil, daß die Ladeluft zunächst in einer drall- freien, sogenannten TumbleStrömung, also einer gerichteten Strömung, und im wesentlichen drosselfrei in den Brennraum eingeführt werden kann. Tumbleströmung bedeutet hierbei eine Strömung, die ausgehend vom Einlaßkanal um eine quer zur Zy- linderachse ausgerichtete Achse im Brennraum geführt ist. Bei vergleichbarer Brennraumgeometrie in bezug auf Ventile, Kolbendurchmesser und Zylindervolumen ist es hierdurch möglich, eine um etwa 25% größere Ladeluftmenge in den Zylinder einzubringen, im Vergleich zu einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Erzeugung einer Drallströmung durch Strömungsumlenkung im Einlaßbereich nach dem Stande der Technik.

Um nun die drallfrei eintretende Luftströmung so zu führen, daß eine optimale Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs in der Kolbenmulde erfolgt, weist der Kolben im Bereich seiner der nach unten gerichteten Luftströmung zugeordneten Quetschfläche ein in etwa spiralförmig verlaufendes Leitelement auf. Durch dieses Leitelement wird schon vor der Aufwärtsbewegung des Kolbens aus der im wesentlichen gegen die zugeordnete Quetschfläche am Kolbenboden gerichteten intensiven Tumbleströmung eine Teilströmung "abgeschält" und in die Kolbenmulde eingeleitet. Diese Teilströmung bildet dort eine Drallströmung, die bis in die Endphase der Kolbenbewegung weitgehend erhalten bleibt und so den eingespritzten Kraft- stoff in Drallrichtung zusätzlich verteilt. Damit ist es möglich, den Vorteil der größeren Ladeluftmenge bei einer drallfreien Einführung der Ladeluft in den Brennraum während des Ansaughubes mit der Bildung einer Drallströmung in der Kolbenmulde während des Kompressionshubes zu kombinieren und da- mit eine optimale Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs und so eine Leistungssteigerung durch eine größere Ladeluftmenge ohne zusätzliche Einrichtungen zur Aufladung zu bewirken. Das Leitelement kann stegförmig oder rinnenförmig ausgebildet sein. Insbesondere bei einer rinnenförmigen Ausbildung erstreckt sich das Leitelement bis in die Kolbenmulde. In der Endphase der Kolbenbewegung unmittelbar vor dem Einspritzen des Kraftstoffs erfolgt eine Überlagerung der Drallströmung durch die Tumbleströmung und damit eine nicht mehr eindeutig gerichtete Strömung des Hauptteilers der Ladeluft im Brennraum. Dies hat den großen Vorteil, daß durch die Dis- sipation infolge der Kolbenbewegung eine starke Mikroturbu- lenz auftritt, die zu einer deutlichen Verbesserung der Gemischbildung und Homogenisierung mit hohem Turbulenzgrad zum Zündzeitpunkt führt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Quetschfläche des Kolbens parallel zum Brennraumdach verlaufend ausgebildet ist. Hierdurch wird der Vorgang des "Abschä- lens" des Drallanteils aus der Tumbleströmung noch verbes- sert. Das Brennraumdach und damit auch die Quetschfläche kann ebenflächig oder dachförmig abgewinkelt ausgeführt sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auf dem der nach unten gerichteten Bereich der Tumbleströmung zugeordneten Bereich der Quetschfläche zwei Leitelemente angeordnet sind. Diese Anordnung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn dem Brennraum zwei Gaseinlaßventile zugeordnet sind. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß die beiden Leitelemente bei rinnenför iger Ausbildung im Übergangsbe- reich zum Boden der Kolbenmulde ineinander übergehen, so daß die jeweils aus den beiden in den Brennraum durch die beiden Einlaßöffnungen eintretenden Luftstränge abgeschälten Teilströme in der Kolbenmulde zu einem Drallstrang zusammenströmen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auch auf dem dem aufsteigenden Bereich der Tumbleströmung zugeordneten Bereich der Quetschfläche wenigstens ein Leitelement angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird in der End- phase der Aufwärtsbewegung des Kolbens aus dem Bereich der

Quetschfläche Luft über das Leitelement in die Kolbenmulde eingepreßt und so in der Endphase des Verdichtungsvorgangs kurz vor der Kraftstoffeinspritzung der Drallströmung in der Kolbenmulde ein erneuter Bewegungsimpuls aufgeprägt.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Aus- führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Brennraum einer Kolbenbrennkraftmaschine mit dachförmig ausgebildetem Brennraumdach,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch einen Brennraum mit ebenem Brennraumdach,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer ersten Aus- führungsform für einen Kolben,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform für einen Kolben,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Aus- führunsgform für einen Kolben,

Fig. 6 perspektivisch die Ausbildung der Strömung im

Brennraum mit einem Kolben gem. Fig. 2 zum Ende des Ansaughubes,

Fig. 7 die Veränderung der Strömung im Brennraum gem. Fig. 5 zu Beginn des Kompressionshubes,

Fig. 8 die Form der Strömung gem. Fig. 6 zum Ende des

Kompressionshubes .

Fig. 1 zeigt schematisch im Vertikalschnitt einen Zylinder 1 einer Kolbenbrennkraftmaschine, der einen Brennraum 2 um- schließt. Der Brennraum 2 ist durch ein abgewinkeltes Brennraumdach 3 abgeschlossen, wobei in der einen Dachfläche 3.1 ein Lufteinlaßkanal 4 einmündet und in der anderen Dachfläche 3.2 ein Luftauslaßkanal 5 ausmündet. Im Mündungsbereich ist dem Einlaßkanal 4 ein Ventilsitzring 6 für ein Gaseinlaßventil 7 zugeordnet. Dem Gasauslaßkanal 5 ist im Mündungsbereich ein Ventilsitzring 8 für ein Gasauslaßventil 9 zugeordnet.

Der Brennraum 2 ist ferner durch einen Kolben 10 begrenzt, dessen Kolbenboden mit einer Mulde 11 versehen ist, die seitlich durch eine umlaufende Quetschfläche 12 begrenzt ist. Die Quetschfläche 12 ist hierbei parallel zum Brennraumdach 3 ab- gewinkelt ausgebildet.

Bei vorzugsweise spät geöffnetem Gaseinlaßventil 7 und bereits abwärts bewegtem Kolben 10 strömt infolge des verstärkten Unterdrucks Luft über den Einlaßkanal 4 in Richtung des Pfeiles 13 auf der Gasauslaßseite nach unten in den Brennraum 2 ein. Diese Ausrichtung der definierten Luftströmung wird durch die geneigte Ausrichtung des Einlaßkanals 4 und/oder entsprechende Leitmittel im Einlaßkanal 4 in Form einer quer zur Zylinderachse 15 ausgerichteten Leitlamelle und/oder ent- sprechenden seitlichen Ausnehmungen am Ventilsitzring 6 bewirkt, so daß die Luft praktisch ungedrosselt und gerichtet in den Brennraum 2 einströmen kann und so eine optimale Luftmenge mit hoher Geschwwindigkeit in den Brennraum 2 gelangt und schon in diesem Zeitbereich über den Kolbenboden nach oben in Richtung des Pfeiles 14 umgelenkt wird, so daß sich im Brennraum 2 eine Tumbleströmung ausbildet, deren Bewegung um eine senkrecht zur Zylinderachse 15 ausgerichtete Querachse erfolgt.

In Fig. 2 ist schematisch im Vertikalschnitt ein Zylinder 1 dargestellt, dessen Brennraum 2 durch ein im wesentlichen ebenes Brennraumdach 3 abgeschlossen ist. Der mit einer Mulde 11 versehene Kolbenboden des Kolbens 10 ist entsprechend ausgebildet.

Bei dieser Ausführungsform mündet der Einlaßkanal 4 im wesentlichen senkrecht zum Brennraumdach 3 aus, so daß nach dem Öffnen des Gaseinlaßventils 7 die Luft in Richtung des Pfeiles 13.1 unmittelbar nach unten strömt und nach Umlenkung über den Kolbenboden auf der Gasauslaßseite in Richtung des Pfeiles 14.1 nach oben strömt. Auch hier bildet sich die vor- beschriebene Tumbleströmung aus.

In Fig. 3 ist für einen Brennraumgestaltung gem. Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht eine erste Ausführungsform für einen Kolben 10 dargestellt. Dieser weist in seinem dem Gas- auslaßventil zugeordneten Bereich 12.1 der Quetschfläche 12 zwei vom Kolbenaußenrand zum Rand der Kolbenmulde 11 in etwa spiralförmig verlaufende rinnenförmige Leitelemente 16.1 und 16.2 auf. Das Leitelement 16.1 beginnt in etwa im Bereich des Firstes 17 der Quetschfläche 12. und erstreckt sich spiral- förmig bis zum Boden der Kolbenmulde 11. Das zweite Leitelement 16.2 beginnt in etwa um 90° versetzt zum First 17 der Quetschfläche 12. und ist mit der Leitelement 16.1 im Bereich ihrer Einmündung am Kolbenboden mit dieser zusammengeführt.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 3.

Bei dieser Ausführungsform ist ein rinnenförmiges erstes Leitelement 16.1 im auslaßseitigen Bereich 12.1 der Quetschfläche 12 angeordnet und ein entsprechendes Leitelement 16.3 im einlaßseitigen Bereich 12.2 der Quetschfläche 12 angeordnet.

Die Ausführungsform gem. Fig. 5 zeigt einen Kolben, bei dem im Einlaßbereich 12.1 der Quetschfläche 12 ein vom First 17 ausgehendes stegförmiges Leitelement 18 angeordnet ist, das sich spiralförmig über die Quetschfläche 12.1 erstreckt, so daß sich gegenüber dem Kolbenaußenrand ein vertiefter Bereich auf der Quetschfläche 12.1 ergibt, der mit der Kolbenmulde 11 in Verbindung steht, so daß, wie nachstehend noch näher beschrieben wird, über das stegförmige Leitelement 18 aus der anhand von Fig. 1 beschriebenen Tumbleströmung eine Teilströ- mung in die Kolbenmulde 11 umgelenkt wird. In der schematischen perspektivischen Darstellung in Fig. 6 sind für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit einem Brennraumdach entsprechend Fig. 1 und mit zwei Einlaßventilen 7 und zwei Auslaßventilen 9 je Zylinder das Brennraumdach jeweils nur durch die einlaßseitigen Ventilsitzringe 6 und die aus- laßseitigen Ventilsitzringe 8 dargestellt. Die Zeichnung läßt erkennen, daß die Einlaßventile 7 geöffnet sind und die Auslaßventile 9 geschlossen sind. Der entsprechend Fig. 3 ausgestaltete Kolben 10 befindet sich hierbei zum Ende der Ab- wärtsbewegung im unteren Totpunkt kurz vor dem Schließen der Einlaßventile 7. Durch die Einlaßöffnungen treten zwei parallele, hier schematisch als Bänder dargestellte und an ihren einander benachbarten Rändern ineinanderfließende Luftströme 19 ein. Diese Luftströme 19 werden in ihrer Abwärtsbewegung weitgehend an der Zylinderwandung unterhalb der Gasauslaßven- tile 9 geführt und über dem Kolbenboden auf den gegenüberliegenden Bereich der Zylinderwandung in Richtung des Pfeiles 14 umgelenkt.

Sobald nun, wie in Fig. 7 dargestellt, nach dem Schließen der

Gaseinlaßventile 7 der Kolben im Kompressionshub sich nach oben bewegt, sind die Luftströme 19 bereits nach oben umgelenkt und in Richtung des Pfeiles 14 an der den Gaseinlaßventilen zugeordneten Zylinderwandung nach oben geführt. In Fig. 7 ist die Position des Kolbens etwa 40° Kurbelwinkel nach dem unteren Totpunkt dargestellt. In dieser Kolbenstellung sind aus den beiden Luftströmungen 19 durch die rinnen- förmigen Leitelemente 16.1 und 16.2, wie in Fig. 7 dargestellt, Teilströmungen 20 "abgeschält" und in die Kolbenmulde 11 umgeleitet, in der sie eine um die vertikale Zylinderachse

15 rotierende Drallströmung bilden. In Fig. 7 ist ein Teil der vorderen Luftströmung 19 "weggeschnitten", um die Drallströmung in der Kolbenmulde 11 durch den Teilstrom 20 sichtbar zu machen.

Fig. 8 zeigt dann bei geschlossenen Gaswechselventilen (das vordere Gasauslaßventil 9 ist zur Verdeutlichung der Darstel- lung weggelassen), den Kolben 10 im Kompressionshub etwa 15° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt. In dieser Darstellung sind auch die dem vorderen Gaseinlaßventil 7 zugeordnete Teilströmungen 19 zur Vereinfachung und zur Verdeutlichung der Darstellung weggelassen.

Wie Fig. 8 erkennen läßt, wird die Tumbleströmung mit zunehmender Aufwärtsbewegung des Kolbens 10 deformiert bzw. in Mi- krowirbel auflöst. Infolge der Verdrängung wird zwischen Quetschfläche 12 und Brennraumdach 3 über die Leitelemente 16 ein weiterer Teil der Luft in die Kolbenmulde 11 abgedrängt, so daß in der Kolbenmulde 11 eine intensive Drallströmung aufrechterhalten bleibt, in die dann über eine Kraftstoffein- spritzdüse 21 (Fig. 1) der Kraftstoff eingespritzt und der Verbrennungsvorgang je nach Motorkonzeption durch Selbstzündung oder über eine Zündeinrichtung, beispielsweise eine Zündkerze, eingeleitet werden kann.

Für eine Brennraumgestaltung gem. Fig. 2 gelten die vorste- henden Beschreibungen der Strömungsvorgänge unter Berücksichtigung der anderen Strömungsrichtungen des Tumble entsprechend.

Claims

Ansprüche

1. Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung in den im Zylinder (1) gebildeten Brennraum (2), der durch ein Brennraumdach (3) mit wenigstens einem Gasauslaßventil (9) und wenigstens einem Gaseinlaßventil (7) sowie durch einen Kolben (10) mit Kolbenmulde (11) und Quetschfläche (12) begrenzt wird, wobei zumindest der Gaseinlaß (4) im Brennraumdach (3) so ausgebildet ist, daß die einströmende Luft im Brennraum (2) eine Tumbleströmung bildet und wobei der Kolben (10) zumindest im Bereich seiner der nach unten gerichteten Luftströmung zugeordneten Quetschfläche (12) wenigstens ein vom Kolbenaußenrand in Richtung der Kolbenmulde (11) in etwa spiralförmig verlaufendes Leitelement (16; 18) aufweist.

2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quetschfläche (12) des Kolbens (10) parallel zum Brennraumdach (3) verlaufend ausgebildet ist.

3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (16) rinnenförmig ausgebildet ist.

4. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (18) stegförmig ausgebildet ist.

5. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem der nach unten gerichte- ten Luftströmung zugeordneten Bereich (12.1) der Quetschfläche (12) zwei Leitelemente (16.1, 16.2) angeordnet sind.

6. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem dem aufsteigenden Bereich der Luftströmung zugeordneten Bereich (12.2) der Quetschfläche (12) wenigstens ein Leitelement (16.3) angeordnet ist.