AT2332U1

AT2332U1 - Brennkraftmaschine mit fremdzündung

Info

Publication number: AT2332U1
Application number: AT0049997U
Authority: AT
Inventors: Walter Dr Piock; Martin Dipl Ing Dr Wirth
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1997-08-08
Publication date: 1998-08-25
Also published as: DE19838868C2; DE19838868A1

Abstract

Bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit einer mittig angeordneten Zündeinrichtung (8) und einer Kraftstoffeinbringungseinrichtung (9) pro Zylinder (1) weist die Oberfläche (3) des Kolbens (2) die Drallbewegung der Zylinderladung unterstützende asymmetrische, bogenförmige erste und zweite Leitrippen (13, 14) mit jeweils konkaver innerer (15, 16) und konvexer äußerer Strömungsleitfläche (17, 18) auf, wobei die inneren Strömungsleitflächen (15, 16) zur Zündeinrichtung (8) gerichtet sind und wobei die Anfangsbereiche (19, 20) der Leitrippen (13, 14) einen größeren Abstand zur Zündeinrichtung (9) aufweisen, als deren Endbereiche (21, 22). Die erste und die zweite Leitrippe (13, 14) sind voneinander beabstandet, wobei die zweite Leitrippe (14) zumindest teilweise um die erste Leitrippe (13), vorzugsweise um deren Endbereich (21) herumgeführt ist. Die beiden Leitrippen (13, 14) bilden dabei in einem der Kraftstoffeinbringungseinrichtung (9) gegenüberliegenden Bereich des Brennraumes (6) eine rinnenartige Verendung (23) aus. Dadurch kann eine optimale Zerstäubung und Entflammung des Kraftstoffes erreicht werden.

Description

AT 002 332 Ul

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und zumindest einem hin-und hergehenden Kolben, mit einer etwa im Bereich der Kolbenachse angeordneten Zündeinrichtung und mindestens einer Kraftstoffeinbringungseinrichtung pro Zylinder zur direkten Kraftstoffeinbringung zur Kolbenachse hin, sowie mit zumindest einem eine Drallströmung im Brennraum erzeugenden Einlaßkanal, wobei die Oberfläche des Kolbens eine die Drallbewegung der Zylinderladung unterstützende, asymmetrische, bogenförmige erste Leitrippe mit einer - in Richtung der Kolbenachse betrachtet - konkaven inneren und einer konvexen äußeren Strömungsleitfläche aufweist, deren innere Strömungsleitfläche zur Zündeinrichtung gerichtet ist, und deren Anfangsbereich einen größeren Abstand zur Zündeinrichtung aufweist als deren Endbereich.

Ständig steigende Anforderungen an den Kraftstoffverbrauch und die Reduktion der Abgasemissionen, insbesondere der Kohlenwasserstoffe, erfordern den Einsatz neuer Technologien im Bereich der Verbrennungskraftmaschinen. Durch den heute üblichen Einsatz einer externen Gemischbildung bei Otto-Motoren, wie z.B. durch die Verwendung einer Saugrohreinspritzung oder eines Vergasers, strömt ein Teil des in den Brennraum und Zylinder eingesaugten Gemisches während der Ventilüberschneidungsphase, wenn Auslaß- und Einlaßventil gleichzeitig offen sind, in den Auspufftrakt der Brennkraftmaschine. Ein nicht unerheblicher Teil der meßbaren unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Auspufftrakt stammt auch von Gemischteilen, die sich während der Verbrennung in Ringspalten oder wandnahen Bereichen, wo keine Verbrennung stattfmdet, aufhalten. Zu diesen genannten Punkten kommt die notwendige Homogenisierung der Zylinderladung bei einem annähernd stöchiometrischen Mischungsverhältnis von Kraftstoff und Luft hinzu, welches eine sichere und aussetzerfreie Verbrennung sicherstellt. Dies bedingt eine Regelung der Motorlast mit Hilfe eines Drosselorganes zur Begrenzung der insgesamt angesaugten Gemischmenge (Quantitätsregelung).

Diese Drosselung der Ansaugströmung fuhrt zu einem thermodynamischen Verlust, der den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine erhöht. Das Potential zur Verbrauchsreduzierung der Verbrennungskraftmaschine bei Umgehung dieser Drosselung kann auf etwa 20 % geschätzt werden.

Um diese Nachteile zu verhindern bzw. zu vermindern, werden schon seit langem Versuche unternommen, fremdgezündete Verbrennungskraftmaschinen ungedrosselt zu betreiben und den Kraftstoff erst nach Beendigung der Luftansaugung wie bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine innerhalb des Brennraums und Zylinders oder einer unmittelbar angeschlossenen Mischkammer einzubringen.

Dabei sind grundsätzlich drei Gemischbildungssysteme zu unterscheiden: - Flüssigkeitshochdruckeinspritzung 2 AT 002 332 Ul - Luftunterstützte Kraftstoff-Einbringung - Gemischeinblasung.

Aus SAE 780699 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Kraftstoff mittels einer Hochdruckeinspritzdüse direkt in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird. Die notwendige Zeit für die Aufbereitung des Gemisches begrenzt den zeitlichen Minimalabstand zwischen Einspritzzeitpunkt und Zündzeitpunkt. Es ist ein hohes Druckniveau für den Einspritzvorgang notwendig, um einerseits kurze Einspritzzeiten und andererseits eine gute Zerstäubung des Kraftstoffes mit entsprechend kleinem Tropfenspektrum zu erhalten. Die Aufbereitung und Dosierung des Kraftstoffes findet gleichzeitig statt. Um nur ein örtlich begrenztes Gebiet mit brennbarem Kraftstoff-Luftgemisch zu erhalten ist es andererseits notwendig, erst sehr spät im Motorzyklus den Kraftstoff einzubringen (ggf. erst während der Kompression kurz vor der Zündung), um die Zeit für die Ausbreitung und Verdünnung des Gemisches in der Brennraumluft zu begrenzen. Die Forderungen nach genügend früher Einspritzung für vollständige KraftstoffVerdampfung und möglichst später Einspritzung zur Aufrechterhaltung der Gemischschichtung stehen daher im Gegensatz zueinander. Die Entwicklungsbemühungen müssen somit darauf gerichtet sein, einerseits die charakteristische Zeit für die Gemischaufbereitung zu verkürzen und andererseits die charakteristische Zeit der Aufrechterhaltung der gewünschten Gemisch-Schichtung zu verlängern.

Aus SAE 940188 ist das Prinzip eines Einspritzventils bekannt, welches einen kegelförmigen Einspritzstrahl mit hoher Zerstäubungsgüte des Kraftstoffes erzielt. Durch Änderung des Kraftstoffdruckes und des Brennraumgegendruckes kann der Kegelwinkel des Einspritzstrahls beeinflußt werden. Eine charakteristische Eigenschaft derartiger Einspritzdüsen ist die Verbesserung der Zerstäubungsgüte mit steigendem Einspritzdruck. Diese gewünschte Abhängigkeit führt jedoch zu ebenfalls steigenden Geschwindigkeiten des Einspritzstrahls von bis zu 100 m/s und somit zu einem hohen Impuls des in den Brennraum eintretenden Kraftstoff-Sprays. Demgegenüber weist die Luftströmung im Brennraum, selbst bei starker einlaßgenerierter Drall- oder Tumblebewegung mit maximal ca. 25 - 30 m/s nur einen deutlich geringeren Impuls auf, weshalb der Einspritzstrahl in einer ersten Phase des Eintritts in den Brennraum nur unwesentlich von der Brennraumströmung beeinflußt wird.

Es stellt sich unter diesen Voraussetzungen die Aufgabe, aus dem Einspritzstrahl eine örtlich begrenzte Gemischwolke zu erzeugen, diese von der Mündung des Einspritzventiles in die Nähe der Zündkerze zu transportieren und das Gemisch innerhalb der Wolke weiter mit Brennraumluft zu vermischen. Dabei sind folgende Punkte wesentlich :

Die Gemischwolke muß insbesondere bei niedrigen Motorlasten deutlich abgegrenzt bleiben und sich aus thermodynamischen Gründen sowie zur Reduzierung der Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe möglichst in der Mitte des Brennraumes befinden. 3 AT 002 332 Ul - Die Verdünnung des eingeblasenen Gemisches auf ein vorzugsweise stöchiometrisches Luftverhältnis muß in der vergleichsweise kurzen Zeitspanne zwischen Einspritzzeit-punkt und Zündzeitpunkt erfolgen. - An der Zündkerze sollte eine geringe mittlere Strömungsgeschwindigkeit und gleichzeitig ein hohes Turbulenzniveau herrschen, um die Entflammung der Gemischwolke durch den Zündfunken zu begünstigen.

Bei der Gestaltung eines geeigneten Brennverfahrens für einen direkteinspritzenden Ottomotor sind neben den Charakteristiken der Einspritzstrahlausbreitung auch die zur Verfügung stehenden Brennraumabmessungen zu berücksichtigen. Für PKW-Ottomotoren typische Hubräume des Einzelzylinders führen zu Bohrungsdurchmessem von ca. 65 bis 100 mm, wobei sich der Kolbenhub in der gleichen Größenordnung bewegt.

Bei einer Anordnung des Einspritzventils im Zylinderkopf in einer maximal ca. 70° zur Zylinderachse geneigten Position steht dem Einspritzstrahl im Falle einer späten Einspritzung kurz vor dem Zündzeitpunkt eine freie Ausbreitungsstrecke von max. 50 - 60 mm zu Verfügung, bevor der Einspritzstrahl auf die gegenüberliegende Brennraumwand (zumeist die Kolbenoberfläche) auftrifft. In Anbetracht der genannten Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Einspritzstrahls muß daher ein Auftreffen zumindest eines Teils des Kraftstoff-Sprays auf der Kolbenoberfläche erwartet werden. Die Gestaltung der Brennrauminnenströmung sollte daher diesen Vorgang der Wandbenetzung berücksichtigen.

Zur Formung der Gemischwolke und zur Aufbereitung des Kraftstoff-Sprays können folgende Effekte genutzt werden: - Umlenkung des hohen Impulses des Einspritzstrahls zur Zündkerze mit Hilfe der Kolbenoberfläche.

Hoher Einspritzdruck zur Verbesserung der Zerstäubung und damit zur Beschleunigung der direkten Verdampfung des Kraftstoff-Sprays vor der Wandberührung.

Erzeugung eines erhöhten Turbulenzniveaus im Bereich des Einspritzstrahls durch die Brennrauminnenströmung. - Beschleunigung der Wandfxlmverdampfung durch Erzeugung einer hohen Strömungsgeschwindigkeit am benetzten Bereich der Kolbenoberfläche.

Alle durch die Brennrauminnenströmung erzielbaren Maßnahmen setzen die Generierung eines hohen Ladungsbewegungsniveaus beim Einlaßvorgang voraus. Diese hohen Strömungsgeschwindigkeiten sollten möglichst lange während der Ansaug- und Kompressionsphase erhalten bleiben oder sogar während der Kompression verstärkt werden. Diese Forderung läßt sich am sinnvollsten durch eine einlaßgenerierte Drall- oder Tumblebewegung der Brennraumluft erreichen. Eine Drallbewegung (Rotation um die Zylinderachse) stellt die stabilste Strömungsstruktur in Zylinder dar, was zur geringsten Dissipation der Bewegungsenergie während der Kompression führt. Durch Ausbildung einer gegenüber dem 4 AT 002 332 Ul

Zylinderdurchmesser kleineren Kolbenmulde läßt sich während der Kompression aufgrund der Drallerhaltung eine Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des Drallwirbels erzielen.

Ein einlaßgenerierter Tumblewirbel (Rotation um eine zur Kurbelwelle parallele Achse) zeigt einerseits eine Beschleunigung der Rotation durch die Verkleinerung der Querschnittsfläche während der Kompression. Andererseits ist der Tumblewirbel im Vergleich zum Drall instabiler und neigt zum Zerfall in komplexere Sekundärwirbel. In der Endphase der Kompression ist bei genügend flachem Ventilwinkel (eines typischen Vierventil-Brennraums) ein starker Zerfall des Tumblewirbels in kleinere stochastisch verteilte Wirbel zu beobachten.

Aus der AT 001 392 Ul ist eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und zumindest einem hin- und hergehenden Kolben mit einer Kolbenmulde bekannt, welche die einlaßgenerierte Drallströmung bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens beschleunigt. Die Kolbenmulde ist dabei asymmetrisch gestaltet und weist einen Einlaufbereich mit zunehmender Muldentiefe, einen Zentralbereich mit maximaler Muldentiefe und einen Auslaufbereich mit abnehmender Muldentiefe auf. Zwischen dem Auslaufbereich und dem Einlaufbereich ist auf der Seite einer Kraftstoffeinbringungseinrichtung eine keilförmige Einschnürung vorgesehen. Die Form der Kolbenmulde bewirkt, daß einerseits ein Auftreffen der Kraftstoffstrahlen in Richtung der mittig angeordneten Zündkerze umgelenkt wird, und andererseits die Fallströmung während der Kompression durch die Kolbenmuldenform derart umgelenkt und beschleunigt wird, so daß im Auftreffbereich der Kraftstoffstrahlen eine auf die Zündkerze gerichtete Strömung mit hoher Geschwindigkeit erreicht wird. Das Turbulenzniveau reicht allerdings nicht aus, um bei jeder Drehzahl eine sichere Entflammung des Kraftstoffes sicher zu stellen.

Aus der JP 7-102976 A ist eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit einer einzigen bogenförmigen Leitrippe bekannt, welche die Drallströmung in den Bereich der mittig angeordneten Zündkerze lenkt. Der Kraftstoff wird dabei in einen von den konkaven Leitflächen der Leitrippen begrenzten, muldenförmigen Bereich der Kolbenstimfläche durch eine am Rand des Brennraumdaches angeordnete Einspritzdüse eingespritzt. Durch die seitliche Einspritzung zur Zylinderachse hin werden die Kraftstoffteilchen allerdings über die Leitrippe hinweggeschleudert und in einen durch eine konvexe Leitfläche der Leitrippe und den Kolbenrand begrenzten Bereich abgelenkt. Die abgelenkten Kraftstoßteilchen müssen erst wieder durch die Drallströmung in den Bereich der Zündkerze geführt werden, wobei ein relativ langer, sich über einen Winkelbereich von mehr als 180° erstreckender Strömungsweg entlang des Kolbenrandes zurückgelegt werden muß. Dies bewirkt, daß die abgelenkten Kraftstoffteilchen erst zu einem relativ späten Zeitpunkt im Bereich der Zündkerze eintreffen und für die Entflammung des Gemisches nicht mehr zur Verfügung stehen. Dies wirkt sich nachteilig für die Kohlenwasserstoffemissionen und für den KraftstofiVerbrauch aus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und die Zerstäubung und Entflammung des Kraftstoffes bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu verbessern. 5 AT 002 332 Ul

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Oberfläche des Kolbens eine die Drallbewegung der Zylinderladung unterstützende, asymmetrische, bogenförmige zweite Leitrippe mit einer konkaven inneren und einer konvexen äußeren Strömungsleitfläche aufweist, deren innere Strömungsleitfläche zur Zündeinrichtung gerichtet ist, und deren Anfangsbereich einen größeren Abstand zur Zündeinrichtung aufweist als deren Endbereich, daß erste und zweite Leitrippe voneinander beabstandet sind und die zweite Leitrippe zumindest teilweise um die erste Leitrippe, vorzugsweise um deren Endbereich, herumgeführt ist, und daß die äußere Strömungsleitfläche der ersten Leitrippe und die innere Strömungsleitfläche der zweiten Leitrippe zumindest in einem der Kraftstoffeinbringungseinrichtung bezüglich der Kolbenachse gegenüberliegenden Bereich eine rinnenartige Verengung bilden. Dadurch werden über die erste Leitrippe hinaus radial nach außen abgelenkte Kraftstoffteilchen von der zweiten Leitrippe im Bereich der Verengung aufgefangen. Ein Teil der Drallströmung wird gezielt durch die rinnenartige Verbindung geführt, und reißt die vagabundierenden Kraftstoffteilchen in Richtung Zündeinrichtung mit. Durch die beschleunigte Drallströmung, welche besonders durch die zweite Leitrippe zur Zündeinrichtung geführt ist, gelangen die Kraftstoffteilchen nach sehr kurzer Zeit in den Bereich der Zündeinrichtung und können noch zur Entflammung des Kraftstoffes beitragen. Eine besonders gute Strömungsführung in dem Zündbereich wird erreicht, wenn die Krümmung zumindest einer Leitrippe zum Endbereich hin zunimmt. Vorzugsweise weist dabei der Endbereich der ersten Leitrippe einen kleineren Abstand zur Zündeinrichtung auf als der Endbereich der zweiten Leitrippe.

Zur erhöhten Beschleunigung der Drallströmung für einen schnellen Transportes des Gemisches in den Zündbereich kann weiters vorgesehen sein, daß der Anfangsbereich zumindest einer Leitrippe, vorzugsweise der zweiten Leitrippe, im Bereich des Kolbenrandes angeordnet ist.

Um gleichzeitig ein hohes Turbulenz- und Strömungsniveau zur Gemischaufbereitung und zum Gemischtransport im Zündbereich zu erhalten, ist vorgesehen, daß zumindest im Endbereich der ersten Leitrippe deren innere Strömungsleitfläche zur Kraft-stoffeinbringungseinrichtung hin gerichtet ist. Dabei liegt vorteilhafterweise die Oberfläche des Kolbens teilweise auf der der Kurbelwelle zugewandten Seite einer von der Kolbenkante aufgespannten Ebene.

Die Kolbenstimfläche kann muldenartige Vertiefungen aufweisen, wobei der Muldenboden nicht eben sein muß und auch eine leichte Bombierung in Richtung der Zündeinrichtung aufweisen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß die innere Strömungsleitfläche zumindest einer Leitrippe eine Hinterschneidung von vorzugsweise 0° bis 30°, gemessen zu einer Kolbenachsenparallelen, aufweist. Durch die Hinterschneidung werden schwere Gemischteile eingefangen und durch die hohen Tangentialgeschwindigkeiten der Drallströmung rasch abgedampft. 6 AT 002 332 Ul

Die Leitrippen selbst können äußerst schlank gehalten sein, wobei beispielsweise die Stärke s der Leitrippen so gewählt wird, daß gilt: 0,05 *D < s < 0,13 *D, wobei D der Kolbendurchmesser ist. Die geringe Stärke der Leitrippen verhindert eine übermäßige Materialanhäufung im Brennraumbereich.

Zur Erhaltung eines hohen Strömungsniveaus im Brennraum ist es weiters vorteilhaft, wenn der minimale Abstand zwischen der äußeren Strömungsleitfläche im Endbereich der ersten Leitrippe und der inneren Strömungsleitfläche der zweiten Leitrippe zwischen 0,05 *D und 0,25 *D liegt, wobei D der Kolbendurchmesser ist. Die Gemischaufbereitung nach der Kraftstoffeinbringung wird weiters begünstigt, wenn der Abstand zwischen den äußeren Strömungsleitflächen der ersten und zweiten Leitrippe - gemessen in einer durch die Kolbenachse verlaufenden Motorhochebene quer zur Längsachse der Kraftstoffeinbringungseinrichtung, in welcher vorzugsweise die Kurbelwellenachse liegt - zwischen 0,3 5 *D und 0,75 *D beträgt, wobei D der Kolbendurchmesser ist. Um eine optimale Strömungsrückführung zum Zündbereich zu erhalten kann weiters vorgesehen sein, daß der Abstand b zwischen dem Endbereich der zweiten Leitrippe und der Kolbenachse so gewählt wird, daß gilt: 0,1 *D < b < 0,32*D, wobei D der Kolbendurchmesser ist.

Um eine gute Gemischaufbereitung und eine hohe Beschleunigung der Drallströmung zu erreichen, ist es weiters von Vorteil, wenn der Anfangsbereich der ersten Leitrippe so angeordnet ist, daß folgende Winkelbeziehung gilt: 170° < a, < 90°, wobei a, der um die Kolbenachse gemessene Winkel zwischen einer durch die Kolbenachse und die Mündung der Kraftstoffeinbringungseinrichtung aufgespannten Bezugsebene einerseits und dem Anfangsbereich der ersten Leitrippe andererseits ist, und wobei die Bezugsebene vorzugsweise normal zur Kurbelwellenachse liegt. Der Endbereich der ersten Leitrippe sollte dabei in einem Winkelbereich ct2 zwischen -30° und -90° liegen, wobei a2 der um die Kolbenachse gemessene Winkel zwischen der Bezugsebene und dem Endbereich der ersten Leitrippe ist.

Versuche haben gezeigt, daß eine hohe Tangentialgeschwindigkeit der Drallströmung erreicht werden kann, wenn der Anfangsbereich der zweiten Leitrippe in einem Winkelbereich ß, zwischen 0° und 70° angeordnet ist, wobei ß, der um die Kolbenachse gemessene Winkel zwischen der Bezugsebene und dem Anfangsbereich der zweiten Leitrippe ist. Um eine rasche Rückführung der vagabundierenden Kraftstoffteilchen zum Zündbereich zu erreichen ist weiters vorgesehen, daß der Endbereich der zweiten Leitrippe so angeordnet ist, daß gilt: -90° < ß2 <-160°, wobei ß2 der um die Kolbenachse gemessene Winkel zwischen der Bezugsebene und dem Endbereich der zweiten Leitrippe ist.

Insbesondere bei Ausführungsvarianten mit mehreren Einlaßventilen hat es sich als für die Beschleunigung der Drallströmung günstig erwiesen, wenn der Anfangsbereich der ersten Leitrippe unter einem Einlaßventil angeordnet ist. Der Endbereich der zweiten Leitrippe kann sowohl bei Motoren mit einem als auch mit mehreren Einlaßventilen unter einem Einlaßventil angeordnet sein. 7 AT 002 332 Ul

Die Leitrippen werden in ihrer Höhe vorteilhafterweise der Form der Brennraumdeckfläche angepaßt, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, daß sich die Leitrippen im oberen Totpunkt der Kolbenbewegung bis auf einen Restabstand, vorzugsweise zwischen 1 und 5 mm, der vorzugsweise dachförmig ausgebildeten Brennraumdeckfläche annähem und im wesentlichen parallel zu dieser verlaufen. Dabei ist es völlig ausreichend, wenn die maximale Höhe h^ der Leitrippen so gewählt wird, daß gilt: 0,07 *D < h^c 0,25*D, wobei D der Kolbendurchmesser ist. Eine zu starke Erhöhung des Kolbens kann dadurch vermieden werden.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 die erfmdungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt durch den Kolben nach der Linie I-I in Fig. 2, Fig. 2 eine Draufsicht auf den teilweise geschnittenen Kolben gemäß der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Kolben gemäß der Linie III-III in Fig. 2, Fig. 4 eine Ausföhrungsvariante des erfindungsgemäßen Kolbens im Längsschnitt analog zu Fig. 3, Fig. 5 eine Ausföhrungsvariante der Erfindung för Brennkraftmaschinen mit drei Ventilen pro Zylinder, Fig. 6 eine Ausföhrungsvariante der Erfindung für Brennkraftmaschinen mit zwei Ventilen pro Zylinder.

Funktionsgleiche Teile sind in den Ausfuhrungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In einem Zylinder 1 ist ein hin- und hergehender Kolben 2 angeordnet. Die Oberfläche 3 des Kolbens 2 bildet zusammen mit der durch den Zylinderkopf 4 dachförmig ausgebildeten Brennraumdeckfläche 5 einen Brennraum 6 aus, in welchen im Bereich der Kolbenachse 7 eine Zündeinrichtung 8 und eine Kraftstoffeinbringungseinrichtung 9 einmündet, deren Mündung 10 sich am Rand des Brennraumes 6 befindet. Die Längsachse der Kraftstoffein-bringungseinrichtung ist mit 11 bezeichnet. Die Kraftstoffeinbringungseinrichtung 9 ist so angeordnet, daß ein eingespritzter Kraftstoffstrahl 12 zur Kolbenachse 7 gerichtet ist und der Kraftstoffstrahl 12 etwa im Bereich der Brennraummitte im oberen Totpunkt des Kolbens 2 auf dessen Oberfläche 3 auftrifft.

Die Oberfläche des Kolbens 2 weist eine erste Leitrippe 13 und eine zweite Leitrippe 14 auf, wobei beide Leitrippen 13, 14 asymmetrisch und bogenförmig gestaltet sind. Die konkaven, inneren Strömungsleitflächen 15 bzw. 16 der ersten Leitrippe 13 bzw. der zweiten Leitrippe 14 sind dabei - in Richtung der Kolbenachse 7 betrachtet - zur Zündeinrichtung 8 gerichtet. Die äußeren Strömungsleitflächen der ersten Leitrippe 13 bzw. der zweiten Leitrippe 14 sind mit 17 bzw. 18 bezeichnet. Der Anfangsbereich 19 bzw. 20 der ersten Leitrippe 13 bzw. der zweiten Leitrippe 14 liegt im Bereich des Kolbenrandes 2a. Vom Anfangsbereich 19, 20 weg nähert sich die erste Leitrippe 13 und die zweite Leitrippe 14 in stetig zunehmenden, gekrümmten Bögen der Zündeinrichtung 8, wobei der Endbereich 21 der ersten Leitrippe 13 einen geringeren Abstand zur Zündeinrichtung 8 aufweist als der Endbereich 22 der zweiten Leitrippe 14. Auf der der Mündung 10 der KraftstofFeinbringungseinrichtung 9 gegenüberliegenden Kolbenseite bildet die äußere Strömungsleitfläche 17 der ersten Leitrippe 8 AT 002 332 Ul 13 mit der inneren Strömungsleitfläche 18 der zweiten Leitrippe 14 eine rinnenförmige Verengung 23 aus, wie den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist.

Der Anfangsbereich 19 befindet sich in einem Winkel a, zwischen 90° und 170°, wobei der Winkel a, von einer die Kolbenachse 7 und die Mündung 10 aufgespannten Bezugsebene 24 weg gemessen wird. Die Bezugsebene 24 kann dabei mit der Motorquerebene 25 zusammenfallen, oder zu dieser geneigt sein (Fig. 6).

Der Endbereich 21 der ersten Leitrippe 13 ist so angeordnet, daß gilt: -30° < a2 < -90°, bezogen auf die Bezugsebene 24. Der Anfangsbereich 20 der zweiten Leitrippe 14 befindet sich in einem Winkelbereich ß, zwischen 0 und 70° von der Bezugsebene 24 entfernt. Der Endbereich 22 der zweiten Leitrippe 14 befindet sich auf der Seite der KraftstofFeinbringungseinrichtung 9, wobei die Bedingung: -90° < ß2 <-160° erfüllt ist. Der Winkel ß2 wird dabei von der Bezugsebene 24 zum Endbereich 22 der zweiten Leitrippe 14 gemessen.

Der Endbereich 22 der zweiten Leitrippe 14 weist von der Zündeinrichtung 8 einen Abstand b zwischen 0,1 mal dem Kolbendurchmesser D und 0,32 mal dem Kolbendurchmesser D auf. Die erste Leitrippe 13 und zweite Leitrippe 14 sind - gemessen in einer durch die Kolbenachse 7 verlaufenden Motorhochebene 26 quer zur Längsachse 11 der Kraftstoffeinbringungseinrichtung 9 - voneinander um einen Wert a zwischen 0,35 mal dem Kolbendurchmesser D und 0,75 mal dem Kolbendurchmesser D beabstandet. Der minimale Abstand c zwischen der äußeren Strömungsleitfläche 17 im Endbereich 21 der ersten Leitrippe 13 und der inneren Leitfläche 16 der zweiten Leitrippe 14 beträgt zwischen 0,05 mal dem Kolbendurchmesser D und 0,25 mal dem Kolbendurchmesser D.

Die erste und zweite Leitrippe 13,14 können sehr schmal ausgeführt werden, wobei die Dicke s der Leitrippen zwischen 0,05 und 0,12 mal dem Kolbendurchmesser D liegt. Dadurch wird eine übermäßige Materialanhäufung im Brennraumbereich vermieden. Die Höhe der ersten und zweiten Leitrippe 13, 14 ist so gewählt, daß sich die Leitrippen 13, 14 im oberen Totpunkt der Kolbenbewegung bis auf einen Restabstand, der zwischen 1 und 5 mm betragen kann, der dachförmigen Brennraumdeckfläche 5 annähem und im wesentlichen parallel zu dieser verlaufen. Die maximale Höhe h^ beträgt dabei zwischen 0,07 und 0,25 mal dem Kolbendurchmesser D

Die erfindungsgemäße Kolbenausbildung ist auf keine bestimmte Ventilzahl beschränkt. Sie eignet sich sowohl für Brennkraftmaschinen mit zwei Einlaßventilen 27 und zwei Auslaßventilen 28, wie in Fig. 2 dargestellt ist, aber auch für Brennkraftmaschinen mit zwei Einlaßventilen 27 und einem einzigen Auslaßventil 28 (Fig. 5), und genauso für Brennkraftmaschinen mit einem Einlaßventil 27 und einem Auslaßventil 28, wie in Fig. 6 dargestellt ist.

Die Oberfläche 3 des Kolbens 2 kann teilweise auf der der Kurbelwellenachse zugewandten Seite einer durch die Kolbenkante 2a aufgespannten Ebene 29 liegen. Dabei ist es möglich, 9 AT 002 332 Ul daß der zwischen den inneren Strömungsleitflächen 15 und 16 der ersten Leitrippe 13 und der zweiten Leitrippe 14 liegende Bereich der Oberfläche 3 als Kolbenmulde ausgebildet ist.

Ein von der Kraflstoffeinbringungseinrichtung 9 eingespritzter Kraftstoffstrahl 12 trifft etwa im Bereich der Kolbenachse 7 auf die Oberfläche 3 des Kolbens 2 auf. Durch die seitliche Einspritzung kann es Vorkommen, daß Kraftstoffteilchen von der Oberfläche zurückprallen und über die erste Leitrippe 13 hinweggeschleudert werden. Sie gelangen dabei in die Verengung 23 hinter der ersten Leitrippe 13, welche von der zweiten Leitrippe 14 begrenzt wird und werden von der in diesem Bereich beschleunigten Drallströmung mitgerissen und zwischen den beiden Leitrippen 13, 14 in den Bereich der Zündeinrichtung 8 zurückgeführt. Durch die besondere Ausbildung der ersten und zweiten Leitrippe 13, 14 müssen die Kraftstoffteilchen dabei einen nur sehr kurzen Strömungsweg zurücklegen, weshalb sie nach einer nur kurzen Verzögerung bei der Zündeinrichtung 8 eintreffen und bei der Entflammung des Kraftstoffes mitwirken können.

Wie durch die Strömungspfeile 30 und 31 in Fig. 2, 5 und 6 angedeutet ist, wird die einlaßgenerierte Drallströmung durch die Leitrippen 13, 14 unterstützt. Dabei ist sowohl die zwischen äußerer Strömungsleitfläche 17 der ersten Leitrippe 13 und der inneren Strömungsleitfläche 16 der zweiten Leitrippe 14 geführte Strömung 30 als auch die außerhalb der äußeren Strömungsleitfläche 18 der zweiten Leitrippe 14 geführte Strömung 31 in den Bereich der Zündeinrichtung 8 nahe der Kolbenachse 7 geführt.

Wie in Fig. 4 angedeutet ist, können die inneren Strömungsleitflächen 15 bzw. 16 der ersten Leitrippe 13 bzw. der zweiten Leitrippe 14 um einen Winkel δ der - bezogen auf eine Kolbenachsenparallele 7a - zwischen 0°und 30° betragen kann, hinterschnitten sein. Dies hat den Vorteil, daß schwerere Gemischteile eingefangen werden und dort durch die hohen Tangentialgeschwindigkeiten der Strömungen 30 und 31 rasch abgedampft werden.

Die besten Ergebnisse werden mit einer dachförmigen Brennraumdeckfläche 5 erzielt, wobei der durch die Einlaßventilachse 27a und die Auslaßventilachse 28a aufgespannte Ventilwinkel γ etwa 10 bis 60° beträgt. 10

Claims

AT 002 332 Ul SCHUTZANSPRÜCHE 1. Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und zumindest einem hin- und hergehenden Kolben (2), mit einer etwa im Bereich der Kolbenachse (7) angeordneten Zündeinrichtung (8) und mindestens einer Kraftstoffeinbringungseinrichtung (9) pro Zylinder (1) zur direkten Kraftstoffeinbringung zur Kolbenachse (7) hin, sowie mit zumindest einem eine Drallströmung im Brennraum (6) erzeugenden Einlaßkanal, wobei die Oberfläche (3) des Kolbens (2) eine die Drallbewegung der Zylinderladung unterstützende, asymmetrische, bogenförmige erste Leitrippe (13) mit einer - in Richtung der Kolbenachse (7) betrachtet - konkaven inneren (15) und einer konvexen äußeren Strömungsleitfläche (17) aufweist, deren innere Strömungsleitfläche (15) zur Zündeinrichtung (8) gerichtet ist, und deren Anfangsbereich (19) einen größeren Abstand zur Zündeinrichtung (8) aufweist als deren Endbereich (21), dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (3) des Kolbens (2) eine die Drallbewegung der Zylinderladung unterstützende, asymmetrische, bogenförmige zweite Leitrippe (14) mit einer konkaven inneren (16) und einer konvexen äußeren Strömungsleitfläche (18) aufweist, deren innere Strömungsleitfläche (16) zur Zündeinrichtung (8) gerichtet ist, und deren Anfangsbereich (20) einen größeren Abstand zur Zündeinrichtung (8) aufweist als deren Endbereich (22), daß erste und zweite Leitrippe (13, 14) voneinander beabstandet sind und die zweite Leitrippe (14) zumindest teilweise um die erste Leitrippe (13), vorzugsweise um deren Endbereich (21), herumgeführt ist, und daß die äußere Strömungsleitfläche (17) der ersten Leitrippe (13) und die innere Strömungslei tfläche (16) der zweiten Leitrippe (14) zumindest in einem der Kraftstoffeinbringungseinrichtung (9) bezüglich der Kolbenachse (7) gegenüberliegenden Bereich eine rinnenartige Verengung (23) bilden.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung zumindest einer Leitrippe (13, 14) zum Endbereich (21, 22) hin zunimmt.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Endbereich (21) der ersten Leitrippe (13) einen kleineren Abstand zur Zündeinrichtung (8) aufweist, als der Endbereich (22) der zweiten Leitrippe (14).
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangsbereich (19, 20) zumindest einer Leitrippe (13, 14), vorzugsweise der zweiten Leitrippe (14), im Bereich des Kolbenrandes angeordnet ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im Endbereich (21) der ersten Leitrippe (13) deren innere Strömungslei tfläche (15) zur Kraftstoffeinbringungseinrichtung (9) hin gerichtet ist. 11 AT 002 332 Ul
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (3) des Kolbens (2) teilweise auf der der Kurbelwelle zugewandten Seite einer von der Kolbenkante (2a) aufgespannten Ebene (29) liegt.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Strömungsleitfläche (15, 16) zumindest einer Leitrippe (13, 14) eine Hinterschneidung (δ) von vorzugsweise 0° bis 30°, gemessen zu einer Kolbenachsenparallelen (7a), aufweist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Höhe 1ι„ der Leitrippen (13, 14) so gewählt wird, daß gilt: 0,07*D ch^ 0,25*D, wobei D der Kolbendurchmesser ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke s der Leitrippen (13, 14) so gewählt wird, daß gilt: 0,05*D < s < 0,13*D, wobei D der Kolbendurchmesser ist.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der minimale Abstand (c) zwischen der äußeren Strömungsleitfläche (17) im Endbereich (21) der ersten Leitrippe (13) und der inneren Strömungsleitfläche (16) der zweiten Leitrippe (14) zwischen 0,05*D und 0,25*D liegt, wobei D der Kolbendurchmesser ist.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen den äußeren Strömungsleitflächen (17, 18) der ersten und zweiten Leitrippe (13, 14) - gemessen in einer durch die Kolbenachse (7) verlaufenden Motorhochebene (26) quer zur Längsachse (11) der Kraftstoffeinbringungseinrichtung (9), in welcher vorzugsweise die Kurbelwellenachse liegt - zwischen 0,35*D und 0,75 *D beträgt, wobei D der Kolbendurchmesser ist.
12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand b zwischen dem Endbereich (22) der zweiten Leitrippe (14) und der Kolbenachse (7) so gewählt wird, daß gilt: 0,1 *D < b < 0,32*D, wobei D der Kolbendurchmesser ist.
13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangsbereich (19) der ersten Leitrippe (13) so angeordnet ist, daß folgende Winkelbeziehung gilt: 170° < a, < 90°, wobei a, der um die Kolbenachse (7) gemessene Winkel zwischen einer durch die Kolbenachse (7) und die Mündung (10) der Kraftstoffeinbringungseinrichtung (9) aufgespannten Bezugsebene (24) einerseits und dem Anfangsbereich (19) der ersten Leitrippe (13) andererseits ist, und wobei die Bezugsebene (24) vorzugsweise normal zur Kurbelwellenachse liegt.
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Endbereich (21) der ersten Leitrippe (13) so angeordnet ist, daß gilt: -30° < a2 < -90°, 12 AT 002 332 Ul wobei a2 der um die Kolbenachse (7) gemessene Winkel zwischen der Bezugsebene (24) und dem Endbereich (21) der ersten Leitrippe (13) ist.
15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangsbereich (20) der zweiten Leitrippe (14) so angeordnet ist, daß gilt: 0° < ß, < 70°, wobei ß, der um die Kolbenachse (7) gemessene Winkel zwischen der Bezugsebene (24) und dem Anfangsbereich (20) der zweiten Leitrippe (14) ist.
16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Endbereich (22) der zweiten Leitrippe (14) so angeordnet ist, daß gilt: -90° < ß2 < -160°, wobei ß2 der um die Kolbenachse (7) gemessene Winkel zwischen der Bezugsebene (24) und dem Endbereich (22) der zweiten Leitrippe (14) ist.
17. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangsbereich (19) der ersten Leitrippe (13) unter einem Einlaßventil (27) angeordnet ist.
18. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Endbereich (22) der zweiten Leitrippe (14) unter einem Einlaßventil (27) angeordnet ist.
19. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leitrippen (13, 14) im oberen Totpunkt der Kolbenbewegung bis auf einen Restabstand, vorzugsweise zwischen 1 und 5 mm, der vorzugsweise dachförmig ausgebildeten Brennraumdeckfläche (5) annähem und im wesentlichen parallel zu dieser verlaufen. 13