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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft allgemein eine Verbrennungskammer für einen Verbrennungsmotor.
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HINTERGRUND
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Moderne Motorbaugruppen, einschließlich Dieselmotoren, ohne auf diese beschränkt zu sein, können ein Kraftstoffsystem zur Direkteinspritzung aufweisen, das eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung aufweist, die eine Strömung eines Kraftstoffs, d. h. einen Kraftstoffsprühstrahl, direkt in eine Verbrennungskammer der Motorbaugruppe einspritzt. Der Kraftstoffsprühstrahl vermischt sich in der Verbrennungskammer vor der Verbrennung mit Luft. Der Grad der Mischung, die zwischen den Kraftstoffsprühstrahl und der Luft in der Verbrennungskammer erreicht wird, beeinflusst die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und die Kohlenwasserstoffemissionen des Verbrennungsmotors.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist ein Verbrennungsmotor vorgesehen. Der Verbrennungsmotor weist eine Motorbaugruppe auf, die eine Bohrung definiert, die sich entlang einer zentralen Bohrungsachse erstreckt. Ein Kolben ist in der Bohrung angeordnet. Der Kolben ist in der Bohrung entlang der zentralen Bohrungsachse in einer Hubbewegung bewegbar. Der Kolben und die Motorbaugruppe wirken zusammen, um eine Verbrennungskammer zu definieren. Der Verbrennungsmotor weist ferner ein Einspritzungssystem zur Direkteinspritzung auf, das eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung aufweist, um einen Kraftstoffsprühstrahl in die Verbrennungskammer einzuspritzen. Der Kraftstoffsprühstrahl wird entlang eines Pfades in die Verbrennungskammer eingespritzt. Die Verbrennungskammer weist eine strukturierte Oberfläche auf, die mehrere Ablenkungsfolien definiert. Die strukturierte Oberfläche nimmt den Pfad des Kraftstoffsprühstrahls auf und verteilt diesen auf mehrere Anteile um, wobei jeder Anteil des Kraftstoffsprühstrahls in Richtung einer der mehreren Ablenkungsfolien gerichtet ist. Jede der mehreren Ablenkungsfolien lenkt ihren jeweiligen Anteil des Kraftstoffsprühstrahls in einen kombinierten radialen Pfad um, der um das Zentrum der Verbrennungskammer herumwirbelt.
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Es ist ebenso eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Die Verbrennungskammer weist eine strukturierte Oberfläche auf, die mehrere Ablenkungsfolien definiert. Die strukturierte Oberfläche ist derart geformt, dass sie einen eingespritzten Kraftstoffsprühstrahl aufnimmt und diesen in mehrere Anteile aufteilt. Jeder Anteil des Kraftstoffsprühstrahls ist in Richtung einer der mehreren Ablenkungsfolien gerichtet. Jede der mehreren Ablenkungsfolien lenkt ihren jeweiligen Anteil des Kraftstoffsprühstrahls in einen kombinierten radialen Pfad um, der um ein Zentrum der Verbrennungskammer herumwirbelt. Jede der mehreren Ablenkungsfolien weist eine Folienachse, die sich von dem Zentrum der Verbrennungskammer durch ein Zentrum jeder Ablenkungsfolie radial nach außen erstreckt, und einen Strömungspfad auf. Der Strömungspfad umfasst ein Eintrittssegment, ein Austrittssegment und ein Übergangssegment. Das Eintrittssegment bildet einen Eintrittswinkel mit der jeweiligen Folienachse der Ablenkungsfolie. Das Austrittssegment bildet einen Austrittswinkel mit der jeweiligen Folienachse der Ablenkungsfolie. Das Übergangssegment bildet einen Übergang zwischen dem Eintrittssegment und dem Austrittssegment. Der Eintrittswinkel liegt zwischen 7° und 20°, und der Austrittswinkel liegt zwischen 30° und 60°. Der Austrittswinkel ist größer als der Eintrittswinkel. Das Eintrittssegment des Strömungspfades jeder Ablenkungsfolie lenkt den jeweiligen Anteil des Kraftstoffsprühstrahls in radialer Richtung von dem Zentrum der Verbrennungskammer weg, und das Austrittssegment des Strömungspfades jeder Ablenkungsfolie richtet den jeweiligen Anteil des Kraftstoffsprühstrahls bezogen auf den kombinierten radialen Pfad der umgelenkten Anteile des Kraftstoffsprühstrahls im Wesentlichen tangential aus.
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Dementsprechend sind die Ablenkungsfolien um die zentrale Bohrungsachse bezüglich des Winkels beabstandet, wobei jede der Ablenkungsfolien einen Anteil des Kraftstoffsprühstrahls in den kombinierten radialen Pfad der umgelenkten Anteile des Kraftstoffsprühstrahls hinein umlenkt. Die Trennung des Kraftstoffsprühstrahls in Anteile und die nachfolgende Umlenkung jedes Anteils sowie das erneute Kombinieren der einzelnen Anteile in einen einzigen, kombinierten radialen Pfad, der um das Zentrum der Verbrennungskammer herumwirbelt, verbessert die Mischung zwischen dem Kraftstoffsprühstrahl und der Luft in der Verbrennungskammer, wodurch die Kraftstoffeffizienz und auch die Kohlenwasserstoff-, Ruß- und Kohlenmonoxidemissionen verbessert werden.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der besten Weisen zum Ausführen der Erfindung offensichtlich, wenn die Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Querschnittsansicht einer Motorbaugruppe.
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2 ist eine Draufsicht eines Kolbens der Motorbaugruppe, die eine erste Ausführungsform einer strukturierten Oberfläche rechtwinklig zu einer zentralen Bohrungsachse zeigt.
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3 ist eine Querschnittsansicht des Kolbens parallel zu der zentralen Bohrungsachse und zeigt die erste Ausführungsform der strukturierten Oberfläche.
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4 ist eine fragmentarische, schematische Draufsicht des Kolbens, die eine zweite Ausführungsform der strukturierten Oberfläche rechtwinklig zu der zentralen Bohrungsachse zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Fachleute werden erkennen, dass Ausdrücke wie etwa ”oberhalb”, ”unterhalb”, ”aufwärts”, ”abwärts”, ”an der Oberseite”, ”an der Unterseite” usw. zur Beschreibung der Figuren verwendet werden und keine Einschränkungen für den Umfang der Erfindung darstellen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Darüber hinaus kann die Erfindung hierin anhand funktionaler und/oder logischer Blockkomponenten und/oder verschiedener Verfahrensschritte beschrieben werden. Es sollte erkannt werden, dass solche Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmware-Komponenten realisiert werden können, die ausgebildet sind, um die speziellen Funktionen auszuführen.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten gleiche Teile angeben, ist ein Verbrennungsmotor allgemein bei 20 in 1 dargestellt. Der Verbrennungsmotor 20 kann einen Benzinmotor oder einen Dieselmotor umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein.
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Unter Bezugnahme auf 1 weist der Verbrennungsmotor 20 eine Motorbaugruppe 22 auf. Die Motorbaugruppe 22 umfasst einen Motorblock 24 und einen Zylinderkopf 26, ohne auf diese beschränkt zu sein. Der Motorblock 24 definiert eine Bohrung 28, die sich entlang einer zentralen Bohrungsachse 30 erstreckt. Der Zylinderkopf 26 ist an dem Motorblock 24 oberhalb der Bohrung 28 und benachbart zu dieser befestigt. Ein Kolben 32 ist in der Bohrung 28 angeordnet und in einer Hubbewegung in der Bohrung 28 entlang der zentralen Bohrungsachse 30 bewegbar, um eine Drehung einer Kurbelwelle 34 anzutreiben. Der Kolben 32 weist ein radiales Zentrum 36 auf, das mit der zentralen Bohrungsachse 30 ausgerichtet und zu dieser koaxial ist. Der Kolben 32 und die Motorbaugruppe 22 sowie insbesondere der Kolben 32, der Motorblock 24 und der Zylinderkopf 26 wirken zusammen, um eine Verbrennungskammer 38 zwischen diesen zu definieren.
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Der Verbrennungsmotor 20 weist ferner ein Kraftstoffsystem 40 zur Direkteinspritzung auf. Das Kraftstoffsystem 40 zur Direkteinspritzung umfasst eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 42 in Fluidverbindung mit der Verbrennungskammer 38. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 42 spritzt eine Strömung von Kraftstoff, d. h. einen Kraftstoffsprühstrahl 44, in die Verbrennungskammer 38 ein. Der Kraftstoffsprühstrahl 44 wird entlang eines linearen Pfades 46 in die Verbrennungskammer 38 eingespritzt. Obgleich einzusehen ist, dass der eingespritzte Kraftstoffsprühstrahl 44 über eine Distanz auffächern kann, um eine Strahlform des eingespritzten Kraftstoffsprühstrahls 44 zu definieren, erstreckt sich eine Zentrallinie der Strahlform entlang des geraden, nicht gekrümmten und linearen Pfades 46. Sobald er in die Verbrennungskammer 38 eingespritzt ist, kann sich der Kraftstoffsprühstrahl 44 mit der Verbrennungsluft vermischen, um ein Kraftstoff/Luft-Gemisch zu bilden. Das Kraftstoffsystem 40 zur Direkteinspritzung umfasst ferner eine Kraftstoffpumpe 48. Die Kraftstoffpumpe 48 versorgt die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 42 mit unter Druck stehendem Kraftstoff. Beispielsweise kann die Kraftstoffpumpe 48 den Kraftstoff bei einem Druck von zumindest 120 MPa und bevorzugter größer als 200 MPa an die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 42 liefern.
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Wie es in 1 bis 4 gezeigt ist, ist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 42 derart relativ zu der Bohrung 28 und zu dem Kolben 32 zur Einspritzung des Kraftstoffsprühstrahls 44 in die Verbrennungskammer 38 positioniert, dass der lineare Pfad 46 näherungsweise parallel zu der zentralen Bohrungsachse 30 verläuft. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 42 ist derart positioniert, dass die Zentrallinie des Kraftstoffsprühstrahls 44 näherungsweise koaxial mit der zentralen Bohrungsachse 30 an einem Zentrum der Verbrennungskammer 38 positioniert ist. Somit ist die Zentrallinie des linearen Pfades 46 des Kraftstoffsprühstrahls 44 an dem radialen Zentrum 36 des Kolbens 32 zentriert.
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Die Verbrennungskammer 38 weist eine strukturierte Oberfläche 50 auf. Vorzugsweise und wie es gezeigt ist, ist die strukturierte Oberfläche 50 durch eine axiale Stirnfläche 52 des Kolbens 32 definiert, die dem Zylinderkopf 26 zugewandt ist. Es ist jedoch einzusehen, dass die strukturierte Oberfläche 50 beispielsweise durch eine untere vertikale Oberfläche 54 des Zylinderkopfs 26 definiert sein kann, die direkt oberhalb der Bohrung 28 angeordnet und der axialen Stirnfläche 52 des Kolbens 32 zugewandt ist.
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Unter Bezugnahme auf 2 definiert die strukturierte Oberfläche 50 mehrere Ablenkungsfolien 56. Wie es in 2 und 4 gezeigt ist, definiert die strukturierte Oberfläche 50 sechs Ablenkungsfolien 56. Es ist jedoch einzusehen, dass die Anzahl der Ablenkungsfolien 56 größer als oder kleiner die sechs Ablenkungsfolien 56 sein kann, die in der beispielhaften Ausführungsform gezeigt sind. Jede Ablenkungsfolie 56 weist eine Folienachse 58 auf, die sich von dem Zentrum der Verbrennungskammer 38, d. h. von der zentralen Bohrungsachse 30, nach außen durch ein Zentrum 60 der Ablenkungsfolie 56 und in Richtung eines radialen Randes 62 des Kolbens 32 erstreckt. Die Ablenkungsfolien 56 und ihre jeweiligen Folienachsen 58 sind voneinander unter einem gleichen Winkel um die zentrale Bohrungsachse 30 herum beabstandet. Dementsprechend sind die Ablenkungsfolien 56 und ihre jeweiligen Folienachsen 58 voneinander bezüglich des Winkels um die zentrale Bohrungsachse 30 und das Zentrum der Verbrennungskammer 38 herum äquidistant beabstandet.
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Unter Bezugnahme auf 2 und 3 ist die strukturierte Oberfläche 50 der Verbrennungskammer 38 derart geformt und/oder gebildet, dass der Kraftstoffsprühstrahl 44 von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 42 in mehrere ungefähr gleiche Anteile aufgeteilt wird, die allgemein durch das Bezugszeichen 64 bezeichnet sind. Jeder Anteil 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 ist in Richtung einer der Ablenkungsfolien 56 ausgerichtet. Jede der Ablenkungsfolien 56 definiert einen Strömungspfad 66, um den Anteil 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44, der auf diese gerichtet ist, aufzunehmen und umzulenken. Der Strömungspfad 66 jeder der Ablenkungsfolien 56 lenkt seinen jeweiligen Anteil 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 in einen kombinierten radialen Pfad 68 hinein um, der um ein Zentrum der Verbrennungskammer 38, d. h. um die zentrale Bohrungsachse 30, herumwirbelt. Dementsprechend verläuft der kombinierte radiale Pfad 68 der umgelenkten Anteile 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 näherungsweise konzentrisch zu dem radialen Zentrum 36 des Kolbens 32.
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Jede der Ablenkungsfolien 56 lenkt ihren jeweiligen Anteil 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 in eine gemeinsame Drehrichtung um die zentrale Bohrungsachse 30 um. Wie es gezeigt ist, lenkt jede der Ablenkungsfolien 56 ihren jeweiligen Anteil 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 in eine Drehrichtung im Uhrzeigersinn bezogen auf die zentrale Bohrungsachse 30 um, so dass der kombinierte radiale Pfad 68 im Uhrzeigersinn um die zentrale Bohrungsachse 30 zirkuliert. Es ist einzusehen, dass die Ablenkungsfolien 56 derart umgekehrt werden können, dass alle Ablenkungsfolien 56 ihren jeweiligen Anteil 64 des Sprühstrahls 44 in eine Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn bezogen auf die zentrale Bohrungsachse 30 umlenken, so dass der kombinierte radiale Pfad 68 in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn um die zentrale Bohrungsachse 30 zirkuliert.
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Unter Bezugnahme auf 3 bewegt sich der Kraftstoffsprühstrahl 44 dementsprechend dann, wenn der Kraftstoffsprühstrahl 44 in die Verbrennungskammer 38 eingespritzt wird, entlang des linearen Pfades 46 orthogonal in Richtung des Kolbens 32, bis der Kraftstoffsprühstrahl 44 die strukturierte Oberfläche 50 berührt. Unter Bezugnahme auf 2 lenkt die strukturierte Oberfläche 50, sobald der Kraftstoffsprühstrahl 44 anfänglich die strukturierte Oberfläche 50 berührt, die Strömung des Kraftstoffsprühstrahls 44 in die Anteile 64, die bezogen auf die zentrale Bohrungsachse 30 radial nach außen in Richtung einer der Ablenkungsfolien 56 gelenkt werden. Jede der Ablenkungsfolien 56 lenkt die Strömung des Kraftstoffsprühstrahls 44, die darin aufgenommen wird, weiter in den kombinierten radialen Pfad 68 um, der um die zentrale Bohrungsachse 30 wirbelt oder zirkuliert. Das Aufteilen des eingespritzten Kraftstoffsprühstrahls 44 in die Anteile 64, das Umlenken der Anteile 64 und das erneute Verbinden der einzelnen Anteile 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 in den kombinierten radialen Pfad 68 hinein verbessern die Kraftstoff/Luft-Mischung, um ein einheitlicheres und vollständiger vermischtes Kraftstoff/Luft-Gemisch zu schaffen.
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Unter Bezugnahme auf 2 umfasst der Strömungspfad 66 jedes Anteils 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 ein Eintrittssegment 70, ein Austrittssegment 72 und ein Übergangssegment 74. Das Eintrittssegment 70 jedes Anteils 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 ist von dem linearen Pfad 46 der Einspritzung radial nach außen in Richtung des radialen Randes 62 des Kolbens 32 und von dem radialen Zentrum 36 des Kolbens 32 weg gerichtet. Das Austrittssegment 72 jedes Anteils 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 ist nach innen in die Verbrennungskammer 38 hinein entlang eines im Wesentlichen tangentialen Pfades bezogen auf den kombinierten radialen Pfad 68 der umgelenkten Anteile 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 gerichtet. Das Übergangssegment 74 bildet eine Überleitung für die Richtung der Strömung des Anteils 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 zwischen dem Eintrittssegment 70 und dem Austrittssegment 72.
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Unter Bezugnahme auf 2 bilden das Eintrittssegment 70 des Strömungspfades 66 und die Folienachse 58 jeder Ablenkungsfolie 56 einen Eintrittswinkel 76 zwischen diesen, der einen Scheitelpunkt aufweist, der näherungsweise bei dem radialen Zentrum 36 des Kolbens 32 angeordnet ist. Das Austrittssegment 72 des Strömungspfades 66 und die Folienachse 58 jeder Ablenkungsfolie 56 bilden einen Austrittswinkel 78 zwischen diesen, der einen Scheitelpunkt aufweist, der näherungsweise bei einem äußeren radialen Rand 80 der Verbrennungskammer 38 angeordnet ist. Dementsprechend öffnen der Eintrittswinkel 76 und der Austrittswinkel 78 in entgegengesetzte Richtungen. Der Austrittswinkel 78 ist größer als der Eintrittswinkel 76. Vorzugsweise liegt der Eintrittswinkel 76 in dem Bereich zwischen 7° und 20°, und der Austrittswinkel 78 liegt in dem Bereich zwischen 30° und 60°. Die Summe des Eintrittswinkels 76 und des Austrittswinkels 78 ist kleiner als neunzig Grad (90°).
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Unter Bezugnahme auf 3 weist jede Ablenkungsfolie 56 eine Begrenzungswand 82 auf. Die Begrenzungswand 82 jeder Ablenkungsfolie 56 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu der zentralen Bohrungsachse 30. Unter Bezugnahme auf 2 und 4 umfasst die Begrenzungswand 82 einen ersten Wandabschnitt 84, einen zweiten Wandabschnitt 86 und einen Eintrittsabschnitt 87. Der erste Wandabschnitt 84 lenkt den Anteil 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 aus dem Eintrittssegment 70 des Strömungspfades 66 zu dem Austrittssegment 72 des Strömungspfades 66 um. Der zweite Wandabschnitt 86 lenkt den Anteil 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 entlang des Austrittssegments 72 des Strömungspfades 66 in die Richtung des kombinierten radialen Pfades 68 der umgelenkten Anteile 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 und in diesen hinein um.
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Der erste Wandabschnitt 84 der Begrenzungswand 82 kann einen gekrümmten Querschnitt rechtwinklig zu der zentralen Bohrungsachse 30 oder einen linearen Querschnitt rechtwinklig zu der zentralen Bohrungsachse 30 aufweisen. Der zweite Wandabschnitt 86 der Begrenzungswand 82 kann einen gekrümmten Querschnitt rechtwinklig zu der zentralen Bohrungsachse 30 oder einen linearen Querschnitt rechtwinklig zu der zentralen Bohrungsachse 30 aufweisen. 2 zeigt die Begrenzungswand 82 jeder Ablenkungsfolie 56 derart, dass diese einen gekrümmten ersten Wandabschnitt 84 und einen linearen zweiten Wandabschnitt 86 aufweist. 4 zeigt die Begrenzungswand 82 jeder Ablenkungsfolie 56 derart, dass diese einen linearen ersten Wandabschnitt 84 und einen gekrümmten zweiten Wandabschnitt 86 aufweist. Es ist einzusehen, dass die Begrenzungswand 82 auf eine andere Weise als diejenige ausgebildet sein kann, die hierin gezeigt und beschrieben ist, welche in der Lage ist, den Anteil 64 der Kraftstoffströmung von dem Eintrittssegment 70 zu dem Austrittssegment 72 des Strömungspfades 66 und in Richtung des kombinierten radialen Pfades 68 zu lenken.
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Der Eintrittswinkel 76 kann derart ausgewählt werden, dass das Eintrittssegment 70 jedes Anteils 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 in den ersten Wandabschnitt 84 der Ablenkungsfolie 56 eintritt, wobei der gesamte Sprühstrahl zwischen dem Zentrum 60 der Ablenkungsfolie 56 und dem Eintrittsabschnitt 87 der Begrenzungswand 82 angeordnet ist. Der Eintrittswinkel 76 kann experimentell oder analytisch bezogen auf die Breite des Kraftstoffsprühstrahls 44, der in die Ablenkungsfolie 56 eintritt, und bezogen auf ein beliebiges bereits existierendes Niveau eines Wirbels oder einer Luftbewegung, die in der Verbrennungskammer 38 existieren kann, eingestellt werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Eintrittsabschnitt 70 jedes Anteils 64 des Kraftstoffsprühstrahls 44 in Richtung des Eintrittssegments 87 der Begrenzungswand 82 der Ablenkungsfolie 56 geneigt.
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Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren sollen die Erfindung stützen und beschreiben, der Umfang der Erfindung ist jedoch ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Obgleich einige der besten Weisen und andere Ausführungsformen zum Ausführen der beanspruchten Erfindung im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zum Ausüben der Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
