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Die Erfindung betrifft einen Muldenkolben für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige Muldenkolben werden bei Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise bei Dieselmotoren, eingesetzt, um beispielsweise bei sogenannten wandverteilenden Einspritzverfahren über einen Injektor in eine Brennkammer eingespritzten Kraftstoff an einer Kolbenmuldenoberfläche einer Kolbenmulde des Muldenkolbens entlangzuführen. Da die Kolbenmuldenoberfläche beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine heiß wird, kommt es zu einer Verdampfung des Kraftstoffs an der Kolbenmuldenoberfläche, wodurch eine Durchmischung des Kraftstoffs mit Luft begünstigt und infolge dessen eine tendenziell rußärmere Verbrennung ermöglicht wird.
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Aus der
DE 10 2011 017 479 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, der einen Brennraum umschließt und in dem ein Kolbenhub verstellbar angeordnet ist, bekannt. Der Kolben weist an einer dem Brennraum zugewandten Seite eine Kolbenmulde auf, die eine Muldenkontur besitzt, welche eine Ablenkgeometrie aufweist. Mittels der Ablenkgeometrie können anhand eines Injektors eingespritzte Einspritzstrahlen in Richtung anderer, durch den Injektor eingespritzter Einspritzstrahlen abgelenkt werden. Hierdurch kann eine homogene Ausbreitung von Kraftstoff und eine Verbrennungsreaktion im Brennraum unterstützt werden.
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Die
DE 10 2006 020 642 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei welcher Strahlachsen jeweiliger, von einem Injektor erzeugter Einspritzstrahlen zumindest in einem Teil eines Zeitraums einer Einspritzung auf einen Stufenraum eines Kolbens gerichtet sind. Die Einspritzstrahlen werden derart zum Stufenraum hingeführt und dort umgelenkt, dass eine erste Teilmenge von Kraftstoff in einer Axialrichtung und einer Radialrichtung in eine Kolbenmulde des Kolbens umgelenkt wird. Eine zweite Teilmenge von Kraftstoff wird in der Axialrichtung und der Radialrichtung über einen Kolbenboden in einen Brennraum umgelenkt, während eine dritte Teilmenge von Kraftstoff in eine Umfangsrichtung umgelenkt wird, wobei jeweilige dritte Teilmengen benachbarter Einspritzstrahlen in der Umfangsrichtung aufeinandertreffen und anschließend in der Radialrichtung nach innen umgelenkt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Muldenkolben der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welchen eine verbesserte Durchmischung von Kraftstoff und Luft in einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine erzielt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Muldenkolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht von einem Muldenkolben für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Kolbenboden, welcher einen Randbereich und eine in Radialerstreckungsrichtung des Muldenkolbens an dem Randbereich angrenzende und von dem Randbereich bereichsweise umgrenzte Kolbenmulde umfasst, aus. Die Kolbenmulde weist eine Kolbenmuldenoberfläche mit einem, sich in Radialerstreckungsrichtung und in Axialerstreckungsrichtung des Muldenkolbens von dem Randbereich wegerstreckenden Oberflächenbereich auf. Der Oberflächenbereich ist zum Umlenken wenigstens eines ersten Kraftstoffstromanteils eines in Radialerstreckungsrichtung des Muldenkolbens nach außen und in die Kolbenmulde eingespritzten Kraftstoffstroms in Richtung einer Längsmittelachse des Muldenkolbens ausgebildet.
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Unter dem Ausdruck „umgrenzt“ kann im Rahmen der Offenbarung der Erfindung auch „umgebend“ verstanden werden. Mit anderen Worten umgibt der Randbereich die Kolbenmulde zumindest bereichsweise. Der Randbereich kann in Radialerstreckungsrichtung des Muldenkolbens einerseits unmittelbar an einen Feuersteg des Muldenkolbens und andererseits unmittelbar an die Kolbenmulde angrenzen. Von dem Ausdruck, dass der Kraftstoffstrom in Radialerstreckungsrichtung des Muldenkolbens eingespritzt wird, ist im Rahmen der Offenbarung der Erfindung zu verstehen, dass der Kraftstoffstrom zumindest im Wesentlichen, also zumindest überwiegend, in Radialerstreckungsrichtung des Muldenkolbens eingespritzt wird. Die Einspritzung des Kraftstoffstroms kann dabei sowohl in Radialerstreckungsrichtung als auch in Axialerstreckungsrichtung des Muldenkolbens erfolgen, wobei jedoch eine Strahlmittelachse des eingespritzten Kraftstoffstroms einen kleineren Winkel mit der Radialerstreckungsrichtung einschließen kann, als mit der Axialerstreckungsrichtung. Um wenigstens den ersten Kraftstoffstromanteil des in Radialerstreckungsrichtung nach außen und in die Kolbenmulde eingespritzten Kraftstoffstroms in Richtung der Längsmittelachse des Muldenkolbens umzulenken, kann sich der Oberflächenbereich bereichsweise von der Längsmittelachse in Radialerstreckungsrichtung weg erstrecken. Hierzu kann der Oberflächenbereich eine Wölbung aufweisen, welche sich zumindest bereichsweise von der Längsmittelachse in Radialerstreckungsrichtung weg erstrecken kann. Mit anderen Worten kann der Oberflächenbereich zumindest bereichsweise in Radialerstreckungsrichtung des Muldenkolbens von der Längsmittelachse weg gewölbt sein. Die Längsmittelachse des Muldenkolbens kann allgemein auch als Kolbenmittelachse bezeichnet werden.
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Um einen Muldenkolben zu schaffen, durch welchen eine verbesserte Durchmischung von Kraftstoff und Luft in einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ermöglicht ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kolbenmuldenoberfläche einen an einem Übergangsbereich des Muldenkolbens an den Oberflächenbereich angrenzenden Muldenkegeloberflächenbereich aufweist, und der Übergangsbereich eine Strömungsablösungskontur umfasst, welche dazu ausgebildet ist, eine wenigstens bereichsweise Strömungsablösung zumindest des ersten Kraftstoffstromanteils von der Kolbenmuldenoberfläche zu bewirken. Dies ist von Vorteil, da durch die Strömungsablösungskontur somit eine gezielte Verwirbelung von Kraftstoff beziehungsweise des ersten Kraftstoffstromanteils bewirkt und dadurch eine besonders gleichmäßige, homogene Vermischung zumindest des ersten Kraftstoffstromanteils mit Luft erfolgen kann.
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Die Strömungsablösungskontur kann zusammen mit dem Muldenkegeloberflächenbereich eine mischungsverstärkende Kegelform bilden, welche auch als mischungsverstärkende Kegelkontur bezeichnet werden kann. Diese mischungsverstärkende Kegelgeometrie kann bevorzugt für ein Dieselbrennverfahren eingesetzt werden, also bei einem Einsatz des Muldenkolbens in einer als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Strömungsablösung eine zumindest bereichsweise, verbesserte Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise in der Kolbenmulde des Muldenkolbens erzielt werden kann, wobei im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Ablenkgeometrien auf eine ununterbrochene Führung des ersten Kraftstoffstromanteils verzichtet und stattdessen die gezielte Strömungsablösung herbeigeführt wird. Durch die Strömungsablösung kann also gezielt bewirkt werden, dass eine Strömung des ersten Kraftstoffstromanteils bei Überströmen der Strömungsablösungskontur von der Kolbenmuldenoberfläche abgelöst wird, also mit anderen Worten der Kolbenmuldenoberfläche zumindest bereichsweise nicht mehr folgt. Stromabwärts der Strömungsablösungskontur, welche auch als Ablösestelle bezeichnet werden kann, kann sich zwischen einer laminaren Hauptströmung des ersten Kraftstoffstromanteils und der Kolbenmuldenoberfläche dementsprechend ein verwirbelter Bereich bilden, in welchem entsprechende Verwirbelungen des ersten Kraftstoffstromanteils auftreten.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt die einzige Figur eine Schnittdarstellung eines Teilbereichs einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Muldenkolben, welcher entlang einer Zylinderwand eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine geführt ist und welcher zusammen mit der Zylinderwand und einem Brennraumdach einen Brennraum begrenzt, in welchen mittels einer Einspritzdüse im Bereich eines oberen Totpunkts des Muldenkolbens ein Kraftstoffstrom eingespritzt wird.
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Die Figur zeigt in einer Schnittdarstellung einen Teilbereich einer als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine, welche einen Zylinder umfasst, in dessen Zylinderinnenraum ein Muldenkolben 10 aufgenommen ist. Der Muldenkolben 10 ist dabei an einer Zylinderwand 12 des Zylinders abgestützt und entlang der Zylinderwand 12 translatorisch zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt des Muldenkolbens 10 verschiebbar. Die Zylinderwand 12 begrenzt zusammen mit einem Kolbenboden 20 des Muldenkolbens 10 und einem, durch einen Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine gebildeten Brennraumdach 14 einen Brennraum 18. Zudem weist die Verbrennungskraftmaschine jeweilige Ladungswechselorgane auf, wobei jedoch vorliegend aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Darstellung der Ladungswechselorgane, welche als Einlassventile und Auslassventile ausgebildet sein können verzichtet wurde. Der Muldenkolben 10 weist einen Feuersteg 16 auf, welcher sich in Axialerstreckungsrichtung A des Muldenkolbens 10 von einem Randbereich 30 des Kolbenbodens 20 bis zu einer, hier nicht weiter gezeigten, Nut zur Aufnahme eines (nicht gezeigten) Kolbenrings erstreckt.
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Der Kolbenboden 20 umfasst neben dem Randbereich 30 eine in Radialerstreckungsrichtung R des Muldenkolbens 10 an den Randbereich 30 angrenzende und von dem Randbereich 30 umfangsseitig umgrenzte Kolbenmulde 40. Die Kolbenmulde 40 weist einen Oberflächenbereich 60 auf, welcher sich in Radialerstreckungsrichtung R und in Axialerstreckungsrichtung A des Muldenkolbens 10 von dem Randbereich 30 wegerstreckt. Der Oberflächenbereich 60 ist in der Fig. zu dessen besserer Erkennbarkeit durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
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Beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine wird mittels einer, am Brennraumdach 14 angeordneten und zumindest bereichsweise in den Brennraum 18 ragenden Einspritzdüse 110 ein Kraftstoffstrom 100 in den Brennraum 18 eingespritzt. Der Kraftstoffstrom 100 schließt dabei mit dem im vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel zur Radialerstreckungsrichtung R orientierten Randbereich 30 einen spitzen Winkel α ein, welcher kleiner als 45 Grad ist. Der Winkel α kann beispielsweise einem Wert zwischen 15 Grad und 20 Grad, also beispielsweise 18 Grad, entsprechen, um nur ein Beispiel zu nennen. Der Kraftstoffstrom 100 wird somit zumindest im Wesentlichen in Radialerstreckungsrichtung R, also überwiegend in Radialerstreckungsrichtung R, in den Brennraum 18 eingespritzt, wenn sich der Muldenkolben 10 im Bereich seines oberen Totpunktes befindet, wie in der vorliegenden Fig. gezeigt. Durch das Einspritzen des Kraftstoffstroms 100 kann eine Verdichtungsselbstzündung eines aus dem Kraftstoffstrom 100 und in dem Brennraum 18 enthaltener Luft gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt werden. Infolge der Verdichtungsselbstzündung kann eine Verlagerung des Muldenkolbens 10 von dessen Position am oberen Totpunkt in Richtung des (nicht gezeigten) unteren Totpunkts bewirkt und dadurch eine Kraftübertragung an eine hier nicht dargestellte Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine erzielt werden.
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Der Oberflächenbereich 60 ist zum Umlenken eines ersten Kraftstoffstromanteils 102 des zumindest im Wesentlichen in Radialerstreckungsrichtung R nach außen und in die Kolbenmulde 40 eingespritzten Kraftstoffstroms 100 in Richtung einer Längsmittelachse M des Muldenkolbens 10 ausgebildet. Die Längsmittelachse M kann auch als Kolbenmittelachse M bezeichnet werden. Zumindest die Kolbenmulde 40 kann symmetrisch in Bezug auf die Längsmittelachse M ausgebildet sein. Somit kann die Kolbenmulde 40 rotationssymmetrisch in Bezug auf die Längsmittelachse M ausgebildet sein.
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Die Axialerstreckungsrichtung A verläuft vorliegend entlang der Längsmittelachse M, welche vorliegend auch einer Einspritzdüsen-Mittelachse der Einspritzdüse 110 entspricht. Die Einspritzdüse 110 ist also mittig zum Muldenkolben 10 angeordnet, wodurch eine besonders gleichmäßige Verteilung beziehungsweise Einspritzung von Kraftstoff über mehrere Einspritzbohrungen der Einspritzdüse 110 erfolgen kann, wenngleich vorliegend aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich die Einspritzung des Kraftstoffstroms 100 über eine einzelne Einspritzbohrung gezeigt ist.
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Um eine besonders günstige Durchmischung des ersten Kraftstoffstromanteils 102 und der in dem Brennraum 18 enthaltenen Luft zu bewirken, also ein zumindest bereichsweise homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch wenigstens aus dem ersten Kraftstoffstromanteil 102 und der Luft im Brennraum 18 beziehungsweise in der Kolbenmulde 40 zu bilden, weist die Kolbenmuldenoberfläche 50 einen an einen Übergangsbereich 70 des Muldenkolbens 10 an den Oberflächenbereich 60 angrenzenden Muldenkegeloberflächenbereich 80 auf, und der Übergangsbereich 70 umfasst eine Strömungsablösungskontur 72, welche dazu ausgebildet ist, eine wenigstens bereichsweise Strömungsablösung 74 zumindest des ersten Kraftstoffstromanteils 102 von der Kolbenmuldenoberfläche 50 zu bewirken.
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Die Strömungsablösungskontur 72 weist zudem wenigstens eine Unstetigkeit 76 auf, welche zur zuverlässigen Reproduzierbarkeit der Strömungsablösung 74 beiträgt. Die Unstetigkeit 76 kann beispielsweise als Kante ausgebildet sein.
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Die Strömungsablösungskontur 72 kann bevorzugt auch zumindest bereichsweise senkrecht zu dem Muldenkegeloberflächenbereich 80 verlaufen, wodurch eine besonders zuverlässige Reproduzierbarkeit der Strömungsablösung 74 erzielt werden kann. Unter dem Ausdruck „Reproduzierbarkeit“ ist im Rahmen der Offenbarung der Erfindung zu verstehen, dass auch bei nacheinander folgenden Einspritzungen jeweiliger Kraftstoffströme 100 nach jeweils mehreren, vollständigen Kurbelwellenumdrehungen jeweils eine zuverlässige Strömungsablösung 74 bewirkt werden kann.
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Der Oberflächenbereich 60 kann zumindest an einem Oberflächenbereichsabschnitt 62 eine in Radialerstreckungsrichtung R zur Längsmittelachse M hin gewölbte Strahlteilungskontur 64 aufweisen, mittels welcher der in die Kolbenmulde 40 eingespritzte Kraftstoffstrom 100 in den anhand des Oberflächenbereichs 60 in Richtung des Übergangsbereichs 70 geführten ersten Kraftstoffstromanteil 102 und in einen anhand des Oberflächenbereichs 60 in Richtung des Randbereichs 30 geführten, zweiten Kraftstoffstromanteil 104 aufteilbar ist. Die Aufteilung des Kraftstoffstroms 100 in den ersten Kraftstoffstromanteil 102 und in den zweiten Kraftstoffstromanteil 104 trägt in vorteilhafter Weise zur verbesserten Durchmischung des Kraftstoffstroms 100 mit der im Brennraum 18 enthaltenen Luft bei.
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Beim Auftreffen des Kraftstoffstroms 100 auf die Strahlteilungskontur 64 und damit auf den Oberflächenbereich 60 breitet sich der Kraftstoffstrom 100 dampfförmig, insbesondere bei betriebswarmer Verbrennungskraftmaschine, also bei dementsprechend heißem Oberflächenbereich 60, in Form des zweiten Kraftstoffstromanteils 104 in Richtung des Brennraumdachs 14 beziehungsweise des Randbereichs 30 und in Form des ersten Kraftstoffstromanteils 102 in Richtung der Strömungsablösungskontur 72 aus. Bis zum Erreichen der Strömungsablösungskontur 72 wird der erste Kraftstoffstromanteil 102 an dem Oberflächenbereich 60 entlang geführt und infolgedessen erwärmt, was zur Verdampfung des Kraftstoffstromanteils 102 und damit zur verbesserten Durchmischung mit der im Brennraum 18 enthaltenen Luft beiträgt.
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Der Oberflächenbereich 60 weist bevorzugt einen die Strahlteilungskontur 64 mit dem Randbereich 30 verbindenden Flächenabschnitt 66 auf, welcher eine zumindest bereichsweise parallel zur Längsmittelachse M (Kolbenmittelachse) orientierte Flächenabschnittskontur 68 aufweist. Dadurch kann der zweite Kraftstoffstromanteil 104 in vorteilhafter Weise auch mit Luft im Bereich des Randbereichs 30 vermischt werden, wodurch insgesamt eine besonders günstige Durchmischung des Kraftstoffstroms 100 mit der im Brennraum 18 enthaltenen Luft erzielt werden kann.
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Durch den Muldenkolben 10 kann insgesamt eine verbesserte Vermischung von Kraftstoff und Luft im Brennraum 18 während und nach der Einspritzung des Kraftstoffstroms 100 erzielt und dadurch ein Anteil an fetten Gemischzonen im Brennraum 18 verringert werden. Dies ist von Vorteil, da in derartigen, fetten Gemischzonen eine sogenannte unterstöchiometrische Verbrennung, also eine Verbrennung von Kraftstoff bei Luftmangel, unter Bildung großer Mengen an Ruß erfolgt, deren Auftreten jedoch mithilfe des Muldenkolbens 10 zumindest weitgehend vermieden werden kann. Dementsprechend kann durch den Einsatz des Muldenkolbens 10 in der Verbrennungskraftmaschine eine Verringerung von Rußrohemissionen bewirkt werden.
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Durch das Vorsehen der Strömungsablösungskontur 72 wird der Muldenkegeloberflächenbereich 80, welcher auch als Kegelform der Kolbenmulde 40 bezeichnet werden kann, derart modifiziert, dass der über den Übergangsbereich 70 und damit an einer Unterseite der Kolbenmulde 40 in Richtung der Längsmittelachse M zurückströmende, verdampfte erste Kraftstoffstromanteil 102 durch die Strömungsablösung 74 zusätzliche Verwirbelungen mit der im Brennraum 18 enthaltenen Luft bildet. Die Verwirbelungen unterstützen die Vermischung des ersten Kraftstoffstromanteils 102 mit dem umgebenden Gas, also mit der im Brennraum 18 enthaltenen Luft.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Muldenkolben
- 12
- Zylinderwand
- 14
- Brennraumdach
- 16
- Feuersteg
- 18
- Brennraum
- 20
- Kolbenboden
- 30
- Randbereich
- 40
- Kolbenmulde
- 50
- Kolbenmuldenoberfläche
- 60
- Oberflächenbereich
- 62
- Oberflächenbereichsabschnitt
- 64
- Strahlteilungskontur
- 66
- Flächenabschnitt
- 68
- Flächenabschnittskontur
- 70
- Übergangsbereich
- 72
- Strömungsablösungskontur
- 74
- Strömungsablösung
- 76
- Unstetigkeit
- 80
- Muldenkegeloberflächenbereich
- 100
- Kraftstoffstrom
- 102
- erster Kraftstoffstromanteil
- 104
- zweiter Kraftstoffstromanteil
- 110
- Einspritzdüse
- □
- Winkel
- A
- Axialerstreckungsrichtung
- M
- Längsmittelachse
- R
- Radialerstreckungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011017479 A1 [0003]
- DE 102006020642 A1 [0004]
