DE10150721B4

DE10150721B4 - Dieselbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10150721B4
Application number: DE10150721A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Betz Thomas; Dipl.-Ing. Engel Ulrich; Dr.-Ing. Heel Bernhard; Dipl.-Ing. Lindemann Bernd
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-10-13
Filing date: 2001-10-13
Publication date: 2012-02-09
Anticipated expiration: 2021-10-14
Also published as: DE10150721A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dieselbrennkraftmaschine (1) mit pro Zylinder (2) einem Injektor (6), zwei Einlassventilen (8) und zwei Auslassventilen (9) sowie einem Hubkolben (3), welcher eine Kolbenmulde (10) mit symmetrisch gewölbtem Muldenboden (21) und eingezogenem Muldenrand (11) aufweist. Um sowohl im Vollast- als auch im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine bestmögliche Betriebsbedingungen und Abgaswerte zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Größenverhältnis des Durchmessers des eingezogenen Randes (11) der Kolbenmulde (10) zum Muldendurchmesser des gewölbten Muldenbodens zwischen 0,8 mm und 0,95 mm beträgt und ein Größenverhältnis zwischen dem Muldendurchmesser und dem Durchmesser des Zylinders mehr als 0,5 beträgt. Die Gaswechselventile sind mit ihren Ventilachsen (17) geneigt zur Zylinderachse (7) angeordnet, wobei in den Kolbenboden (13) Ventiltaschen zur Aufnahme der Ventilteller der Gaswechselventile (8, 9) vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Dieselbrennkraftmaschine mit zwei Auslassventilen und zwei Einlassventilen und einem Kolben, der eine Kolbenmulde mit eingezogenem Muldenrand aufweist, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Durch die Gestaltung der Kolbenmulde ist beim direkteinspritzenden Dieselmotor das Betriebs- und Abgasverhalten maßgeblich beeinflussbar. Bei der Auslegung der Kolbenmulde ist dabei ein möglichst optimaler Kompromiss zwischen den unterschiedlichen Anforderungen der Teillast- und Vollastbedingungen anzustreben. Hierbei hat sich die sogenannte Omega-Muldenform als besonders geeignet herausgestellt, wobei die Kolbenmulde mit symmetrisch gewölbter Gestalt und eingezogenem Muldenrand im Kolbenboden ausgebildet ist. Eine Dieselbrennkraftmaschine mit solcher Kolbenmulde ist in der DE 196 21 635 A1 beschrieben. Bei der bekannten Anordnung soll durch Ausbildung des einen Einlasskanals als Drallkanal zusammen mit der Muldengestaltung in Omega-Form eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden. Um den Dralleffekt zu erreichen, sollen die Einlasskanäle und Auslasskanäle bzw. die darin jeweils angeordneten Gaswechselventile parallel zur Zylinderachse des Zylinders angeordnet werden bzw. sind mit möglichst geringem Anstellwinkel gegenüber der Zylinderachse anzuordnen. Zur Gestaltung der Kolbenmulde ist dieser Druckschrift entnehmbar, dass ein Verhältnis des Durchmessers der Brennraummulde zum Durchmesser des Kolbens einen Wert von etwa 0,48 bis 0,53 nicht überschreiten darf, um die Wirkungsweise der Omega-Kolbenmulde nicht zu beeinträchtigen.
Die bekannte Konfiguration einer Dieselbrennkraftmaschine will das Geräuschniveau senken und den Kraftstoffverbrauch verringern, jedoch können sowohl im Teillastbetrieb als auch im Vollastbetrieb der Dieselbrennkraftmaschine keine zufriedenstellenden Abgasemissionen erreicht werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dieselbrennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, dass im Vollastbetrieb als auch im Teillastbetrieb die Betriebsbedingungen verbessert und Abgasemissionswerte reduziert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Dieselbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Einlass- und Auslassventile angestellt zur Zylinderachse anzuordnen, wobei in dem Kolbenboden Ventiltaschen zur Aufnahme der Einlass- und Auslassventilteller vorgesehen sind. Durch größere Anstellwinkel der Ventilachsen sind diese Taschen relativ klein und damit die Störung des für die Verbrennung wichtigen oberen Muldenrandes gering. Hieraus ergeben sich auch günstigere Abgaswerte im Teillastbereich. Die angestellte Lage der Ventilachsen ist gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine derartige Konfiguration der Kolbenmulde möglich, bei der ein Verhältnis des Durchmessers des eingezogenen Randes der Kolbenmulde zum Muldendurchmesser des gewölbten Muldenbodens zwischen 0,8 und 0,95 beträgt und ein Verhältnis zwischen dem Muldendurchmesser und dem Zylinderdurchmesser mehr als etwa 0,5 beträgt. Überraschend hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Durchmesserverhältnisse auch einen solchen Muldendurchmesser ergeben, welcher zu verbessertem Drehmoment und Leistung der Brennkraftmaschine im Vollastbereich führen. Bei der erfindungsgemäßen Konfiguration der Dieselbrennkraftmaschine liegen die Ventilachsen in einem Ansstellwinkel von mehr als 5° zur Zylinderachse, wobei ein Anstellwinkel von 6° als besonders vorteilhaft angesehen wird.
Weitere Verbesserungen der Abgasemissionswerte durch die erfindungsgemäße Auslegung der Kolbenmulde werden erreicht, wenn das Verhältnis des Muldendurchmessers zum Zylinderdurchmesser 0,58 bis 0,61 beträgt. Das Verhältnis des Durchmessers des eingezogenen Muldenrandes zum Muldendurchmesser beträgt besonders vorteilhaft 0,86 bis 0,89.
Die mechanischen Belastungen infolge Temperaturen und Spannungen am Muldenrand werden wirkungsvoll reduziert, wenn der eingezogene Muldenrand eine axiale Höhe von 3 mm bis 5 mm, vorzugsweise 3,6 bis 4,2 mm aufweist. Dabei können nachteilige Wirkungen bezüglich der Abgasemission vermieden werden, wenn die axialen Abschnitte des Muldenrandes gerundet ausgebildet sind. Vorteilhaft ist dabei der obere, dem Kolbenboden zugewandt liegende axiale Endabschnitt des Muldenrandes mit einem geringeren Radius gerundet als der untere, dem Kolbenboden abgewandt liegende axiale Endabschnitt des Muldenrandes. Der obere, dem Kolbenboden zugewandt liegende Endabschnitt des Muldenrandes ist zweckmäßig mit einem Radius von 1 mm bis 1,8 mm gerundet. Der untere, dem Kolbenboden abgewandt liegende Endabschnitt des Muldenrandes wird vorteilhaft mit einem Radius von 1,7 mm bis 2,5 mm gerundet.
Bei den großen Anstellwinkeln der Ventilachsen im Vergleich zu den durchweg kleinen Anstellwinkeln bei Anordnungen nach dem Stand der Technik werden die Ventiltaschen im Kolbenboden der Neigung der Ventilachsen entsprechend sichelförmig ausgebildet. Dadurch entstehen nur kleine Verschneidungen der Ventiltaschen mit dem Muldenrand. Im Bereich der Verschneidungen muss der Muldenrand aus mechanischen Gründen (Rissgefahr) zurückgesetzt werden. Dies hat für die Verbrennung Nachteile, da die Ladungsbewegung (Quetschströmung) gestört wird. Im Gegensatz zu sehr kleinen Ventilwinkeln, bei denen der gesamte Muldenrand zurückgesetzt werden muss, müssen bei den vorgeschlagenen Ventilwinkeln nur Teile zurückgesetzt werden. Dies hat Vorteile für die Verbrennung und die Teillast- und Volllast-Betriebswerte. Die vorteilhafte partielle Zurücksetzung des Muldenrandes in den Bogenabschnitten zwischen den Einlass- und Auslassventilen wird durch die erfindungsgemäß großen Anstellwinkel von über 5° möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt einer Dieselbrennkraftmaschine,
2 einen Längsschnitt des Hubkolbens der Brennkraftmaschine nach 1,
3 eine Draufsicht des Hubkolbens.
1 zeigt eine Dieselbrennkraftmaschine 1, in deren Zylinder 2 ein Brennraum 4 von einem längsbeweglichen Kolben 3 begrenzt ist, welcher über einen schematisch dargestellten Kurbeltrieb 5 eine Kurbelwelle rotierend antreibt. Der Brennraum 4 wird von der Innenseite eines auf den Zylinder 2 aufliegenden Zylinderkopfes 12 abgeschlossen. Im Zylinderkopf 12 ist ein Injektor 6 zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum 4 angeordnet, welcher auf einer Zylinderachse 7 zentral im Brennraum liegt. Der eingespritzte Kraftstoff wird mit Verbrennungsluft vermischt, die über Einlasskanäle 18 im Zylinderkopf 2 separat zugeführt wird. Zur Abführung der Verbrennungsabgase sind Auslasskanäle 19 vorgesehen. Die Einlasskanäle 18 und die Auslasskanäle 19 werden in an sich bekannter Weise von Gaswechselventilen 8, 9 während des Arbeitsspieles zeitweise geöffnet. Die Dieselbrennkraftmaschine 1 ist als Vierventilmotor ausgelegt und weist pro Zylinder 2 zwei Einlassventile 8 und zwei Auslassventile 9 auf. Die Gaswechselventile 8, 9 sind als Stößelventile ausgebildet und werden durch Längsbewegung in Richtung ihrer Ventilachsen 17 gestellt, wobei durch Abheben der Ventilteller von Ventilsitzen in den Endabschnitten der Einlass- bzw. Auslasskanäle 18, 19 die Gaswechselkanäle freigegeben werden. Die Gaswechselventile 8, 9 sind erfindungsgemäß winkelig angestellt zur Zylinderachse 7 im Zylinderkopf 12 angeordnet. Der Anstellwinkel α, ε der Ventilachsen 17 beträgt mehr als 5°, wobei der Anstellwinkel ε der Ventilachse 17 der Einlassventile 8 und der Ansstellwinkel α der Ventilachse 17 der Auslassventile 9 voneinander abweichen können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Einlassventile 8 und die Auslassventile 9 mit den besonders vorteilhaften Anstellwinkel ε bzw. α von 6° angeordnet. Der Kolben 3 ist mit einer Kolbenmulde 10 versehen, welche mit einer Omega-Muldenform gestaltet ist und entsprechend eine zentralsymmetrisch gewölbte Muldenbodenform und einen eingezogenen Muldenrand 11 im Kolbenboden 13 aufweist. Die Kolbenmulde 10 ist zentral auf der Zylinderachse 7 im Kolbenboden 13 ausgebildet und liegt somit dem Injektor 6 im Brennraum 4 gegenüber.
Die erfindungsgemäße Konfiguration der Kolbenmulde 10 ist nachstehend anhand der vergrößerten Darstellung des Hubkolbens 3 in 2 erläutert. Die Kolbenmulde 10 ist zentralsymmetrisch mit einem gewölbten Muldenboden 21 um einen zentral auf der Zylinderachse 7 liegenden Mittenkegel 14 ausgebildet.
Geringe Abgasemissionen im Betrieb der Brennkraftmaschine mit dem erfindungsgemäß gestalteten Kolben ergeben sich durch die Ausbildung der Omega-Kolbenmulde 10 mit den erfindungsgemäßen Größenverhältnissen des Durchmessers D_R des eingezogenen Randes 11 der Kolbenmulde zum Muldendurchmesser D_M des gewölbten Muldenbodens 21 sowie des Muldendurchmessers D_M zum Durchmesser D des Zylinders bzw. des Kolbens 3. Die verbesserte Wirkung der Omega-Kolbenmulde 10 ergibt sich bei einer Konfiguration mit Verhältnissen D_R/D_M zwischen 0,8 und 0,95 und D_M/D 0,5, wobei ein Verhältnis D_R/D_M von 0,86 bis 0,89 und ein Verhältnis D_M/D von 0,58 bis 0,61 als besonders vorteilhaft angesehen wird. Der eingezogene Rand 11 ist mit einer axialen Höhe H_R von 3,6 bis 4,2 mm ausgebildet und ist an seinen axialen Endabschnitten abgerundet gestaltet. Der obere, auf Höhe des Kolbenbodens 13 liegende Endabschnitt des eingezogenen Randes 11 ist mit einem Radius R_O von 1 mm bis 1,8 mm gerundet. Der untere axiale Endabschnitt des eingezogenen Randes 11 wird mit einem Radius R_U abgerundet, der größer als der Radius R_O des oberen Endabschnittes ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der untere Endabschnitt des Muldenrandes mit einem Radius R_U von 1,7 mm bis 2,5 mm gerundet. An die erfindungsgemäßen Größenverhältnisse der Durchmesser und der axialen Tiefe H_R des eingezogenen Randes 11 wird im Hinblick auf das angestrebte Verdichtungsverhältnis die Tiefe H_M der Kolbenmulde 10 angepasst.
3 zeigt eine Draufsicht auf den Hubkolben 3 mit der zentral liegenden Omega-Kolbenmulde 10 mit eingezogenem Muldenrand 11. In dem Kolbenboden 13 sind entsprechend der Lage der Gaswechselventile im Zylinderkopf Ventiltaschen 15E, 15A ausgespart, in denen die in geöffnetem Zustand der Gaswechselventile in den Brennraum einragenden Ventilteller Aufnahme finden können, wenn sich der Kolben 3 nahe der oberen Totpunktstellung während des Arbeitsspieles befindet. Die Ventiltaschen 15E für die Einlassventile und die Ventiltaschen 15A für die Auslassventile sind jeweils entsprechend der angestellten Lage der Ventilachsen der Gaswechselventile (vgl. 1) sichelförmig ausgestaltet. Die Sichelflächen der Ventiltaschen für die Einlassventile und die Auslassventile können entsprechend der unterschiedlichen Steuerzeiten der jeweiligen Gaswechselventile voneinander abweichen. Um die mechanische und thermische Belastung des Muldenrandes 11 zu reduzieren, ist in den Bogenabschnitten des Muldenrandes zwischen den Ventiltaschen 15E der Einlassventile und den Ventiltaschen 15A der Auslassventile eine partielle Erweiterung 16 vorgesehen, in denen der Muldenrand 11 in einen dem Kolbenboden 13 zugewandten Abschnitt radial erweitert ausgebildet ist.

Claims

Dieselbrennkraftmaschine mit einem Injektor (6) zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (4), welcher im Zylinder (2) von einem längsbeweglichen Kolben (3) mit Kolbenmulde (10) begrenzt ist und mit zwei Einlassventilen (8) und zwei Auslassventilen (9) pro Zylinder (2), wobei die Kolbenmulde (10) einen symmetrisch gewölbten Muldenboden (21) und einen eingezogenen Muldenrand (11) im Kolbenboden (13) des Kolbens (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventile (8) und die Auslassventile (9) mit in einem Anstellwinkel (α, ε) zu einer Zylinderachse (7) angestellt verlaufenden Ventilachsen (17) angeordnet sind, wobei in dem Kolbenboden (13) Ventiltaschen (15E, 15A) zur Aufnahme der Ventilteller der Einlass- und Auslassventile (8, 9) vorgesehen sind und dass ein Größenverhältnis des Durchmessers (D_R) des eingezogenen Randes (11) der Kolbenmulde (10) zum Muldendurchmesser (D_M) des gewölbten Muldenbodens (21) zwischen 0,8 und 0,95 beträgt und ein Größenverhältnis zwischen dem Muldendurchmesser (D_M) und dem Durchmesser (D) des Zylinders (2) mehr als 0,5 beträgt und der Muldenrand (11) jeweils in den Bogenabschnitten zwischen den Ventiltaschen (15E) der Einlassventile (8) und den Ventiltaschen 15A) der Auslassventile (9) in einem dem Kolbenboden (13) zugewandten Abschnitt radial erweitert ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel (α, ε) der Ventilachsen (17) mehr als 5°, vorzugsweise 6° beträgt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Größenverhältnis des Muldendurchmessers (D_M) zum Zylinderdurchmesser (D) 0,58 bis 0,61 beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Größenverhältnis des Randdurchmessers (D_R) zum Muldendurchmesser (D_M) 0,86 bis 0,89 beträgt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eingezogene Muldenrand (11) eine axiale Höhe (H_R) von 3 mm bis 5 mm, vorzugsweise 3,6 mm bis 4,2 mm aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Endabschnitte des Muldenrandes (11) gerundet ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der obere, dem Kolbenboden (13) zugewandt liegende axiale Endabschnitt des Muldenrandes (11) mit einem geringeren Radius (R_O) gerundet ist als der untere, dem Kolbenboden (13) abgewandt liegende axiale Endabschnitt des Muldenrandes (11).
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der obere, den Kolbenboden (13) zugewandt liegende axiale Endabschnitt des Muldenrandes (11) mit einem Radius (R_O) von 1 mm bis 1,8 mm gerundet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der untere, dem Kolbenboden (13) abgewandt liegende axiale Endabschnitt des Muldenrandes (11) mit einem Radius (R_U) von 1,7 mm bis 2,5 mm gerundet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (6) und die Kolbenmulde (10) auf der Zylinderachse (7) liegend angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmulde (10) einen zentralen Mittenkegel (14) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventiltaschen (15E, 15A) der Neigung der Ventilachsen (17) entsprechend sichelförmig ausgebildet sind.