DE102005030988A1 - Directly injectable internal combustion engine comprises a piston with a depression shaped so that the distance between the center of the spark path and the lowest point of the depression is specified - Google Patents

Directly injectable internal combustion engine comprises a piston with a depression shaped so that the distance between the center of the spark path and the lowest point of the depression is specified Download PDF

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Abstract

The directly injectable Otto internal combustion engine (1) comprises a piston (6) with a depression (8) which faces the sparking plug (7), and is shaped so that the distance between the center of the spark path (9) and the lowest point (8a) depression is at least 8 mm.

Description

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine mit wenigstens einem einen Brennraum aufweisenden Zylinder nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The The invention relates to a direct injection gasoline engine with at least one Cylinder having combustion chamber according to the preamble of claim 1 closer defined type.

Derartige in Großserien hergestellte Brennkraftmaschinen sind meist sehr weit entwickelt und es werden moderne Technologien mit teilweise komplexen Verfahren zum Betreiben derselben eingesetzt. Zu den neueren Entwicklungen zählen unter anderem der variable Ventiltrieb, die Entdrosselung durch Abgasrückführung sowie die Ladungsschichtung. Durch verschiedene Maßnahmen wurde des weiteren auch eine Erhöhung der Verdichtung erreicht. Allerdings stößt die Entwicklung insbesondere bei der mechanischen und der thermodynamischen Auslegung der Brennkraftmaschinen an Grenzen, die neuer Lösungsansätze bedürfen.such in large series Manufactured internal combustion engines are usually very well developed and there are modern technologies with sometimes complex procedures used to operate the same. To the newer developments counting including the variable valve train, the Entdrosselung by Exhaust gas recirculation as well the charge stratification. By various measures was further also an increase reached the compression. However, the development is particularly noticeable the mechanical and thermodynamic design of internal combustion engines on borders that require new solutions.

In thermodynamischer Hinsicht gilt dies insbesondere für die Gemischentflammung innerhalb des Brennraums, für welche die folgenden Zündbedingungen gelten: Das Gemisch muss zündfähig sein, es muss an irgendeiner Stelle in dem zündfähigen Gemisch die Zündtemperatur des Gemisches überschritten sein und darüber hinaus muss die Zufuhr von Wärme aus der frei werdenden Verbrennungswärme schneller erfolgen als die Abführung von Wärme.In From a thermodynamic point of view, this applies in particular to mixture ignition inside the combustion chamber, for which the following ignition conditions apply: the mixture must be flammable, at any point in the ignitable mixture, the ignition temperature must be of the mixture exceeded be and above In addition, the supply of heat from the released heat of combustion take place faster than the discharge of Warmth.

Aufgrund des teilweise hohen Restgasgehalts, erhöhter Ladungsbewegungen oder einer geschichteten Ladung können sich die Entflammungsbedingungen soweit verschlechtern, dass es nicht nur zu einer verschleppten Verbrennung, sondern teilweise auch zu Aussetzern der Entflammung kommen kann. Der Entflammungsprozess wird des weiteren durch eine hohe Verdichtung, eine große Ventilüberschneidung sowie eine aus Gründen des Bauraums außermittig angeordnete Zündkerze beeinflusst.by virtue of the partially high residual gas content, increased charge movements or a layered charge can the flammability conditions worsen so much that it not only to a delayed combustion, but partly can also come to dropouts of the inflammation. The ignition process is further characterized by a high compression, a large valve overlap as well as one for reasons of the installation space off-center arranged spark plug affected.

Wenn durch eine Erhöhung der Verdichtung und der Ventilüberschneidung der Kolben mit sehr tiefen Ventiltaschen und einem Dach zum Ausgleich der Verdichtung ausgeführt werden muss, kann es insbesondere bei späten Zündzeitpunkten in der frühen Phase der Entflammung zu einer erhöhten Wärmeabfuhr aus dem Flammkern kommen, wenn dieser den Kolben berührt. Dies kann zu den oben erwähnten Aussetzern der Entflammung führen.If by an increase the compression and the valve overlap the piston with very deep valve pockets and a roof to compensate for Compaction performed It may be, especially at late firing points in the early phase the inflame to an increased heat dissipation come out of the flame core when it touches the piston. This can to the above mentioned Loss of ignition lead.

Wenn die Zündkerze außermittig angeordnet ist, steigert dies noch die genannten Probleme, da die Entflammung nicht nur durch eine erhöhte Ladungsbewegung und hohe Restgasanteile, sondern auch durch die zeitliche Zuordnung der Gemischeinspritzung und des Zündzeitpunkts erschwert werden kann.If the spark plug eccentrically is arranged, this still increases the problems mentioned, since the Inflammation not only by increased charge movement and high Residual gas shares, but also by the temporal allocation of the mixture injection and the ignition timing can be difficult.

Gattungsgemäße Brennkraftmaschinen gehen aus der EP 0 889 225 A1 und der EP 1 362 996 A1 hervor. Allerdings sind die dort beschriebenen Kolben nicht in der Lage, die oben genannten, sehr vielschichtigen Probleme zu lösen.Generic internal combustion engines go out of the EP 0 889 225 A1 and the EP 1 362 996 A1 out. However, the pistons described there are not able to solve the above-mentioned very complex problems.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welcher in jedem Zustand, in dem die Brennkraftmaschine betrieben wird, eine sichere Entflammung des eingespritzten Kraftstoffs gewährleistet ist.It is therefore an object of the present invention, a direct injection Otto internal combustion engine to create, in which in each state, in which the internal combustion engine is operated, a safe ignition of the injected fuel is ensured.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.According to the invention this Problem solved by the features mentioned in claim 1.

Durch die erfindungsgemäße Mulde, die im oberen Totpunkt des Kolbens einen Abstand zu der Mitte der Funkenstrecke der Zündkerze von mindestens 8 mm herstellt, ist ein ausreichender Mindestabstand zwischen dem Ort der Entstehung des Zündfunkens und dem Kolbenboden an dem der Zündkerze gegenüberliegenden Bereich des Kolbens gewährleistet. Dadurch wird das Entflammungsverhalten des durch die Zündkerze entzündeten Kraftstoff-Luft-Gemisches derart beeinflusst, dass sichergestellt ist, dass die Abführung von Wärme aus der Verbrennung langsamer erfolgt als die Zufuhr der Wärme, so dass eine sichere Entflammung und ein schnelles Ausbreiten der Flammenfront sichergestellt ist.By the trough according to the invention, at the top dead center of the piston at a distance to the center of Spark gap of the spark plug of at least 8 mm, is a sufficient minimum distance between the place where the spark originated and the piston crown on the spark plug opposite Ensured area of the piston. This will ignite the flaming behavior of the spark plug inflamed Fuel-air mixture influenced in such a way that ensured is that exhaustion of heat from the combustion takes place slower than the supply of heat, so that a safe ignition and a quick spread of the flame front is ensured.

Eine konstruktiv sehr einfache und zugleich wirkungsvolle Lösung zur Herstellung des erfindungsgemäßen Mindestabstandes zwischen dem tiefsten Punkt des Bodens der Mulde und der Mitte der Funkenstrecke der Zündkerze ergibt sich, wenn die Mulde eine Tiefe von 1–6 mm aufweist.A structurally very simple and at the same time effective solution to Production of the minimum distance according to the invention between the lowest point of the bottom of the trough and the middle of the trough Spark gap of the spark plug results when the trough has a depth of 1-6 mm.

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Mulde innerhalb einer flächenmäßig größeren Mulde angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine auch andere Verfahren ausführen, zu denen entsprechende Kolbengeometrien erforderlich sind.Of Furthermore, it can be provided that the trough within a larger area trough is arranged. In this way, with the internal combustion engine according to the invention also perform other procedures to which appropriate piston geometries are required.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.Further yield advantageous embodiments and refinements of the invention from the remaining subclaims. Below are exemplary embodiments of the invention shown in principle with reference to the drawing.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine erste Ausführungsform des Kolbens der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine; 1 a first embodiment of the piston of the internal combustion engine according to the invention;

2 eine zweite Ausführungsform des Kolbens der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine; und 2 a second embodiment of the piston of the internal combustion engine according to the invention; and

3 eine dritte Ausführungsform des Kolbens der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. 3 a third embodiment of the piston of the internal combustion engine according to the invention.

1 zeigt einen Teil einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine 1, welche ein Kurbelgehäuse 2 und einen mit dem Kurbelgehäuse 2 auf nicht dargestellte Art und Weise verbundenen Zylinderkopf 3 aufweist. Die Brennkraftmaschine 1 weist mehrere Zylinder auf, von denen in den 1 bis 3 jeweils einer dargestellt und mit dem Bezugszeichen 4 versehen ist. Prinzipiell kann die Brennkraftmaschine 1 jede beliebige Anzahl an Zylindern 4 aufweisen. 1 shows a part of a direct injection Otto internal combustion engine 1 which is a crankcase 2 and one with the crankcase 2 connected in a manner not shown cylinder head 3 having. The internal combustion engine 1 has several cylinders, of which in the 1 to 3 one each shown and with the reference numeral 4 is provided. In principle, the internal combustion engine 1 any number of cylinders 4 exhibit.

In an sich bekannter Weise weist der Zylinder 4 einen Brennraum 5 sowie einen Kolben 6 auf, der zum Ausführen einer Oszillationsbewegung zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt verschieblich innerhalb des Zylinders 4 angeordnet ist. In sämtlichen Figuren ist der Kolben 6 jeweils in seinem oberen Totpunkt dargestellt. In den Brennraum 5 ragt des Weiteren eine in dem Zylinderkopf 3 befestigte Zündkerze 7, welche zum Entzünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Brennraum 5 dient. Hierzu wird der Kraftstoff mittels eines nicht dargestellten Einspritzventils direkt in den Brennraum 5 eingespritzt und entsprechend dem Verfahren, mit dem die Brennkraftmaschine 1 betrieben wird, zu einem geeigneten Zeitpunkt entzündet. Auf den Zündzeitpunkt und die mit der Brennkraftmaschine 1 durchführbaren Verfahren wird im Folgenden jedoch nicht näher eingegangen.In known manner, the cylinder 4 a combustion chamber 5 and a piston 6 displaceable within the cylinder for performing an oscillatory motion between a top dead center and a bottom dead center 4 is arranged. In all figures, the piston 6 each shown in its top dead center. In the combustion chamber 5 further protrudes one in the cylinder head 3 attached spark plug 7 which is used to ignite a fuel-air mixture in the combustion chamber 5 serves. For this purpose, the fuel by means of an injection valve, not shown, directly into the combustion chamber 5 injected and according to the procedure by which the internal combustion engine 1 operated, ignited at a suitable time. On the ignition and with the internal combustion engine 1 However, feasible procedures will not be discussed in more detail below.

Um eine sichere Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und ein schnelles Ausbreiten der entstehenden Flammenfront zu gewährleisten, wozu die Zufuhr von Wärme aus der frei werdenden Verbrennungswärme schneller erfolgen muss als die Abführung von Wärme, weist der Kolbenboden 6a des Kolbens 6 in dem der Zündkerze 7 gegenüberliegenden Bereich eine Mulde 8 auf, wel che derart ausgebildet ist, dass der mit "h" bezeichnete Abstand zwischen dem tiefsten Punkt des Bodens 8a der Mulde 8 und der Mitte der Funkenstrecke 9 der Zündkerze 7 im oberen Totpunkt des Kolbens 6 mindestens 8 mm beträgt. Im vorliegenden Fall weist die Mulde 8 eine Tiefe t von 1–6 mm auf, d.h. der Höhenunterschied von dem Punkt, in dem der Kolbenboden 6a in die Mulde 8 übergeht, bis zu dem tiefsten Punkt des Bodens 8a der Mulde 8 beträgt 1–6 mm. Mit dem der Zündkerze 7 gegenüberliegenden Bereich des Kolbenbodens 6a ist in diesem Fall der Bereich um eine gedachte Senkrechte von der Funkenstrecke 9 der Zündkerze 7 auf den Kolbenboden 6a gemeint. Die Funkenstrecke 9 bezeichnet den Entladungsraum zwischen den zwei Elektroden der Zündkerze 7.In order to ensure a safe ignition of the fuel-air mixture and a rapid spreading of the resulting flame front, to which the supply of heat from the heat of combustion to be released must be faster than the removal of heat, has the piston crown 6a of the piston 6 in the spark plug 7 opposite area a trough 8th on, wel che is formed such that the distance designated by "h" between the lowest point of the soil 8a the hollow 8th and the middle of the spark gap 9 the spark plug 7 at the top dead center of the piston 6 at least 8 mm. In the present case, the trough points 8th a depth t of 1-6 mm, ie the height difference from the point where the piston crown 6a into the hollow 8th goes over, to the lowest point of the soil 8a the hollow 8th is 1-6 mm. With the spark plug 7 opposite region of the piston crown 6a is in this case the area around an imaginary perpendicular from the spark gap 9 the spark plug 7 on the piston crown 6a meant. The spark gap 9 denotes the discharge space between the two electrodes of the spark plug 7 ,

In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist der Kolbenboden 6a des Kolbens 6 neben der Mulde 8 noch eine Vertiefung 10 auf, welche für einen ausreichenden Freigang der nicht dargestellten Gaswechselventile der Brennkraftmaschine 1 sorgt. Die Vertiefung 10 erstreckt sich von einem Kolbendach 11 des Kolbens 6 nach außen, wobei das Kolbendach 11 für eine höhere Verdichtung des Zylinders 4 sorgt. Bei der Vertiefung 10 kann es sich um eine umlaufende oder auch um einzelne Vertiefungen handeln.In the embodiment according to 1 points the piston crown 6a of the piston 6 next to the hollow 8th one more recess 10 on, which for a sufficient clearance of the gas exchange valves of the internal combustion engine, not shown 1 provides. The depression 10 extends from a piston roof 11 of the piston 6 to the outside, with the piston roof 11 for a higher compression of the cylinder 4 provides. At the recess 10 it can be a circumferential or even individual wells.

Bei dem in 1 dargestellten Kolben 6 sind die Zündkerze 7 und die Mulde 8 im Bereich einer Mittelachse 6b des Kolbens 6 angeordnet und eine Mittelachse 7a der Zündkerze 7 ist wenigstens annähernd parallel zu der Mittelachse 6b des Kolbens 6 ausgerichtet. Im vorliegenden Fall sind die Mittelachse 7a der Zündkerze 7 und die Mittelachse 6b des Kolbens 6 sogar deckungsgleich.At the in 1 illustrated piston 6 are the spark plug 7 and the hollow 8th in the area of a central axis 6b of the piston 6 arranged and a central axis 7a the spark plug 7 is at least approximately parallel to the central axis 6b of the piston 6 aligned. In the present case, the central axis 7a the spark plug 7 and the central axis 6b of the piston 6 even congruent.

Bei den in den 2 und 3 dargestellten Brennkraftmaschinen 1 sind jeweils die Zündkerze 7 sowie die der Zündkerze 7 gegenüberliegende Mulde 8 des Kolbens 6 außerhalb der Mittelachse 6b des Kolbens 6 bzw. von derselben entfernt angeordnet. Des Weiteren ist die Mittelachse 7a der Zündkerze 7 gegenüber der Mittelachse 6b des Kolbens 6 um einen bestimmten Winkel geneigt. Dennoch befindet sich in dem Kolbenboden 6a des Kolbens 6 auch bei diesen Ausführungsformen die Mulde 8, wobei der tiefste Punkt des Bodens 8a derselben von der Mitte der Funkenstrecke 9 der Zündkerze 7 im oberen Totpunkt des Kolbens 6 einen Abstand von mindestens 8 mm aufweist. Wiederum beträgt die Tiefe t der Mulde 8 1–6 mm. Gerade bei solchen außermittig und unter einem Winkel eingebauten Zündkerzen 7 kam es bislang mitunter zu Schwierigkeiten was die Entflammung anbelangte.In the in the 2 and 3 shown internal combustion engines 1 are each the spark plug 7 as well as the spark plug 7 opposite trough 8th of the piston 6 outside the central axis 6b of the piston 6 or arranged away from the same. Furthermore, the central axis 7a the spark plug 7 opposite the central axis 6b of the piston 6 inclined by a certain angle. Nevertheless, it is located in the piston crown 6a of the piston 6 also in these embodiments, the trough 8th , being the lowest point of the soil 8a same from the middle of the spark gap 9 the spark plug 7 at the top dead center of the piston 6 a distance of at least 8 mm. Again, the depth t is the trough 8th 1-6 mm. Especially with such eccentric and installed at an angle spark plugs 7 So far, there have sometimes been difficulties in the flames.

Während bei dem Kolben 6 gemäß 2 der Kolbenboden 6a mit Ausnahme der Mulde 8 vollständig eben ausgebildet ist, weist der Kolbenboden 6a des Kolbens 6 gemäß 3 eine weitere, flächenmäßig größere Mulde 12 auf, in welcher die kleinere Mulde 8 angeordnet ist. Hierbei wird die Tiefe t der Mulde 8 vom Boden der größeren Mulde 12 aus gemessen und beträgt wiederum 1–6 mm.While with the piston 6 according to 2 the piston bottom 6a except the trough 8th is completely flat, has the piston crown 6a of the piston 6 according to 3 another, larger in area trough 12 on, in which the smaller hollow 8th is arranged. This is the depth t of the trough 8th from the bottom of the larger hollow 12 measured from and is again 1-6 mm.

Die Größe der Mulde 8 ist stets auf einem engen Bereich auf der der Zündkerze 7 gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens 6a beschränkt, um dort die Wärmeabfuhr aus dem Flammenkern des entzündeten Kraftstoff-Luft-Gemisches zu verringern und dennoch keinen zu großen negativen Einfluss auf die Verdichtung zu erzeugen. Vorzugsweise beträgt die Fläche der Mulde 8 bezogen auf die gesamte Fläche des Kolbenbodens 6a 2–30%, insbesondere 3–8%. Die Form der Mulde 8 ist nahezu beliebig, d.h. die Mulde 8 kann rund, oval, eckig oder auch mit einer anderen geeigneten Form ausgeführt sein.The size of the trough 8th is always on a narrow area on the spark plug 7 opposite side of the piston crown 6a limited to there to reduce the heat dissipation from the flame kernel of the ignited fuel-air mixture and yet to produce too large negative impact on the compression. Preferably, the area of the trough is 8th based on the entire surface of the piston crown 6a 2-30%, especially 3-8%. The shape of the hollow 8th is almost arbitrary, ie the trough 8th can be round, oval, square or with another suitable shape.

Claims (8)

Direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine mit wenigstens einem einen Brennraum aufweisenden Zylinder, in dem ein Kolben zum Ausführen einer Oszillationsbewegung zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt verschieblich angeordnet ist, wobei in den Brennraum wenigstens eine Zündkerze ragt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6) in dem der Zündkerze (7) gegenüberliegenden Bereich eine Mulde (8) aufweist, welche derart ausgebildet ist, dass der Abstand zwischen dem tiefsten Punkt des Bodens (8a) der Mulde (8) und der Mitte der Funkenstrecke (9) der Zündkerze (7) im oberen Totpunkt des Kolbens (6) mindestens 8 mm beträgt.Direct-injection Otto internal combustion engine with at least one cylinder having a combustion chamber in which a piston is displaceably arranged for carrying out an oscillating movement between a bottom dead center and a top dead center, wherein at least one spark plug protrudes into the combustion chamber, characterized in that the piston ( 6 ) in which the spark plug ( 7 ) opposite area a trough ( 8th ), which is formed such that the distance between the lowest point of the soil ( 8a ) of the trough ( 8th ) and the middle of the spark gap ( 9 ) of the spark plug ( 7 ) at top dead center of the piston ( 6 ) is at least 8 mm. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (8) eine Tiefe (t) von 1–6 mm aufweist.Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the trough ( 8th ) has a depth (t) of 1-6 mm. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (8) innerhalb einer flächenmäßig größeren Mulde (12) angeordnet ist.Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the trough ( 8th ) within a larger area ( 12 ) is arranged. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (7) und die Mulde (8) im Bereich der Mittelachse (6b) des Kolbens (6) angeordnet sind.Internal combustion engine according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the spark plug ( 7 ) and the trough ( 8th ) in the region of the central axis ( 6b ) of the piston ( 6 ) are arranged. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (7a) der Zündkerze (7) wenigstens annähernd parallel zu der Mittelachse (6b) des Kolbens (6) ausgerichtet ist.Internal combustion engine according to claim 4, characterized in that the central axis ( 7a ) of the spark plug ( 7 ) at least approximately parallel to the central axis ( 6b ) of the piston ( 6 ) is aligned. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (7) und die Mulde (8) außerhalb der Mittelachse (6b) des Kolbens (6) angeordnet sind.Internal combustion engine according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the spark plug ( 7 ) and the trough ( 8th ) outside the central axis ( 6b ) of the piston ( 6 ) are arranged. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (7a) der Zündkerze (7) gegenüber der Mittelachse (6b) des Kolbens (6) geneigt ist.Internal combustion engine according to claim 6, characterized in that the central axis ( 7a ) of the spark plug ( 7 ) with respect to the central axis ( 6b ) of the piston ( 6 ) is inclined. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Mulde (8) bezogen auf die gesamte Fläche des Kolbenbodens (6a) 2–30%, insbesondere 3–8%, beträgt.Internal combustion engine according to one of claims 1 to 7, characterized in that the surface of the trough ( 8th ) based on the entire surface of the piston crown ( 6a ) Is 2-30%, especially 3-8%.
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