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Gebiet der Technik
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Diese Patentoffenbarung betrifft im Allgemeinen Verbrennungsmotoren und, insbesondere, Merkmale von Verbrennungsräumen für Motoren mit Direkteinspritzung.
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Stand der Technik
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Die meisten modernen Motoren sind Motoren mit Direkteinspritzung, das bedeutet, jeder Verbrennungszylinder des Motors beinhaltet eine eigene Kraftstoffeinspritzdüse, die so konfiguriert ist, dass sie Kraftstoff direkt in einen Verbrennungsraum einspritzt. Während Motoren mit Direkteinspritzung eine Verbesserung bei der Motortechnologie gegenüber früheren Designs, in Form erhöhter Motoreffizienz und verringerter Emissionen, darstellen, ist die Verbesserung des Designs irgendeines bestimmten Motors immer wünschenswert, insbesondere angesichts steigender Kraftstoffkosten und noch strengerer Vorschriften zu Motoremissionen. In einem herkömmlichen Motor mit Direkteinspritzung interagieren ein oder mehr Kraftstoffstrahlen, die in einen Verbrennungsraum eingespritzt werden, mit verschiedenen Verbrennungsraumstrukturen, was dazu führen kann, dass Kraftstoff im Verbrennungsraum dispergiert wird. Insbesondere treffen der/die Kraftstoffstrahl(en), der/die in die Verbrennungsraum gelangt/gelangen, auf verschiedene Flächen des Verbrennungsraums, wie etwa eine Kolbenmulde, die Flammdeckfläche des Zylinderkopfes, die Zylinderlaufbuchse oder bohrung und andere Flächen, auf, bevor sie sich in alle Richtungen verteilen. Der Aufprall der Kraftstoffstrahlen auf diese Strukturen kann eine Vielzahl von Effekten, einschließlich erhöhte Emissionen, haben, da lokale Bereiche mit höheren Kraftstoffkonzentrationen fett verbrennen können, während andere Bereiche im Verbrennungsraum mager verbrennen können. Nach der Interaktion mit den verschiedenen Innenflächen des Verbrennungsraums können die Kraftstoffstrahlen und resultierenden Flammen außerdem mit angrenzenden Kraftstoffstrahlen oder Flammen interagieren. Diese Interaktionen können außerdem zu höheren Temperaturen, verringerter Kraftstoffnutzung, erhöhter Wärmeabführung und erhöhten Komponententemperaturen und dergleichen führen.
In der Vergangenheit wurden verschiedene Lösungen zur Verbesserung der Effizienz eines Motors und zur Verringerung seiner Emissionen vorgeschlagen. Ein Beispiel einer früher vorgeschlagenen Lösung ist in
US-Patent Nr. 8,646,428 („Eismark“) zu sehen, das am 11. Februar 2014 gewährt wurde. Eismark beschreibt einen Kolben mit einer Krone, in der Vorsprünge mit einer glatten Form für das Sparen kinetischer Energie in einer ersten Flammenfahne angepasst sind. Der Kolben ist für die Verwendung in einem Motor gestaltet, in dem dem Motorzylinder ruhende Luft bereitgestellt wird. Die Kraftstoffeinspritzdüse stellt Kraftstoffstrahlen oder Flammen im Zylinder bereit, die auf Merkmalen aufprallen, die im der Kolbenmulde ausgebildet sind, um Teile der Flammen nach oben, in Richtung einer Zylinderkopffläche, und die restlichen Teile der Flammen in eine tangentiale Richtung, innerhalb der Mulde, umzuleiten, um ein besseres Mischen der Verbrennungsgase zu erreichen und Stagnationszonen in einem Verbrennungsraum zu verringern oder zu beseitigen. Während die Flussumleitung von Eismark bei der Verbesserung der Verbrennung von Kraftstoff in einem Motorzylinder teilweise effektiv sein kann, ist sie so konfiguriert, dass sie mit einem ruhenden Zylinder betrieben wird, was nur schwer für alle Zylinder konsistent zu erreichen ist. In einem typischen Motor besitzt die Dynamik der Ansaugluft in einen Motorzylinder zumindest etwas Wirbel, was nach der Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder Flammen verursacht, die sich entwickeln, um durch die wirbelnde Luft zu einer Seite und im Allgemeinen in Richtung Zylinderwand getragen zu werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Offenbarung beschreibt, in einem Aspekt, einen Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor beinhaltet einen Motorblock mit einer Zylinderbohrung, einen Zylinderkopf mit einer Flammdeckfläche, der an einem Ende der Zylinderbohrung angeordnet ist, und ein Lufteinlassventil, das dem Zylinderkopf zugeordnet und so konfiguriert ist, dass es sich öffnet und einen Fluss der Ansaugladung in die Zylinderbohrung ermöglicht. Ein Kolben ist mit einer drehbaren Kurbelwelle verbunden und so konfiguriert, dass er sich in der Zylinderbohrung hin- und herbewegt. Der Kolben hat einen Kronenabschnitt, der zur Flammdeckfläche zeigt, sodass der Verbrennungsraum in der Zylinderbohrung und zwischen einer oberen Fläche des Kronenabschnitts und der Flammdeckfläche definiert wird. Der Kronenabschnitt beinhaltet eine Kolbenmulde mit einer im Allgemeinen konkaven Form, die sich im Kronenabschnitt erstreckt, und eine Wand, die sich peripher um den Kolben erstreckt. Eine Kraftstoffeinspritzdüse hat eine Düsenspitze, die in Fluidverbindung mit dem Verbrennungsraum angeordnet ist. Die Düsenspitze hat eine Vielzahl von Düsenöffnungen, die so konfiguriert sind, dass sie eine Vielzahl von Kraftstoffstrahlen in den Verbrennungsraum einspritzen, wobei jeder der Vielzahl von Kraftstoffstrahlen entlang einer jeweiligen Kraftstoffstrahl-Mittellinie bereitgestellt wird.
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In einer Ausführungsform ist eine Vielzahl von Vorsprüngen in der Kolbenmulde neben der Wand bereitgestellt. Jeder der Vielzahl von Vorsprüngen beinhaltet eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche. Mindestens ein vorspringender Rand erstreckt sich zumindest teilweise durch eine Innenfläche und zu einer Außenfläche der Wand. Der mindestens eine vorspringende Rand erstreckt sich in einer Tiefe, die geringer ist als eine Tiefe der Kolbenmulde.
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In einem anderen Aspekt beschreibt die Offenbarung einen Kolben für einen Verbrennungsmotor. Der Kolben beinhaltet einen Kolbenkörper, einen Kronenabschnitt, der sich unter einer oberen Fläche des Kolbenkörpers erstreckt, wobei der Kronenabschnitt eine Mulde mit einer im Allgemeinen konkaven Form, die sich in den Kronenabschnitt erstreckt, und eine Wand beinhaltet, wobei sich die Wand peripher um den Kolbenkörper erstreckt, eine Vielzahl von Vorsprüngen, die in der Kolbenmulde neben der Wand angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Vorsprüngen eine erste Seitenfläche und eine zweite Seitenfläche beinhalten, und mindestens einen vorspringenden Rand, der sich zumindest teilweise durch eine Innenfläche und zu einer Außenfläche der Wand erstreckt, wobei der mindestens eine vorspringende Rand sich in einer Tiefe erstreckt, die geringer ist als eine Tiefe der Kolbenmulde.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Schnittansicht eines Motorverbrennungsraums gemäß der Offenbarung.
- 2 ist eine Draufsicht im Querschnitt eines Motorkolbens gemäß einer ersten Ausführungsform der Offenbarung.
- 3 ist ein vergrößerter Teilschnitt durch eine Seitenwand des Motorkolbens von 2.
- 4 ist eine zweite alternative Ausführungsform für einen Vorsprung gemäß der Offenbarung.
- 5 ist eine dritte alternative Ausführungsform für einen Vorsprung gemäß der Offenbarung.
- 6 ist eine vierte alternative Ausführungsform für einen Vorsprung gemäß der Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Diese Offenbarung betrifft Verbrennungsmotoren und, insbesondere, Merkmale, die in mindestens einem Verbrennungsraum des Motors enthalten sind, um Kraftstoffstrahlen, die durch getrennte Kraftstoffeinspritzdüsenöffnungen zu einem mittleren Abschnitt des Verbrennungsraums, zum Beispiel zu einer Kraftstoffeinspritzdüse, bereitgestellt werden, umzuleiten, selbst für Zylinder, in denen ankommende Luft oder Ansaugladung, wobei die Ansaugladung eine Mischung aus Luft, Kraftstoff und/oder rückgeführtes Abgas beinhalten kann, Wirbel beinhalten kann. In der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Strahlen“ oder „Kraftstoffstrahlen“ reagierende (d. h. verbrennende) oder nicht reagierende Ströme von Kraftstoff, allein oder in Mischung mit Luft, die in einem Motorzylinder bereitgestellt werden. Diese Kraftstoffstrahlen können daher Kraftstofftröpfchen umfassen, die in Luft dispergiert werden, oder eine Flamme, sobald der Kraftstoff mit der umgebenden Luft zu oxidieren beginnt. Gemäß der Offenbarung werden die Kraftstoffstrahlen umgeleitet und außerdem während eines Großteils der Injektionszeit und/oder Verbrennungszeit getrennt, um eine bessere Sauerstoffnutzung im Verbrennungsraum gegenüber früher vorgeschlagenen oder bekannten Verbrennungssystemen zu fördern.
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Die verschiedenen, hierin beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen beinhalten Strukturen und Merkmale, die beim Umleiten von Kraftstoffstrahlen radial in Bezug auf die Zylinderbohrung eines Motors eingesetzt werden oder dazu führen, um dadurch die Interaktion zwischen angrenzenden Kraftstoffstrahlen, die in den Verbrennungsraum gelangen, zu minimieren oder zumindest zu verzögern. Die Art des Kraftstoffes, der dem Zylinder bereitgestellt wird, kann ein Sprühnebel aus flüssigem Kraftstoff wie etwa Diesel oder Benzin oder ein Strahl aus gasförmigem Kraftstoff wie etwa Erdgas oder Erdölgas sein. Das Design ist so konfiguriert, dass es einen asymmetrischen Effekt auf eine bewegliche Masse von kombinierten Luft- und Kraftstofffluiden vermittelt, die anfangs einen wirbelnden, aggregierten Geschwindigkeitsvektor hat und die umgeleitet wird, um einen aggregierten, radialen Geschwindigkeitsvektor zu einer Mitte der Kolbenbohrung zu haben.
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Anders gesagt, Luft oder Ansaugladung, die Luft in Mischung mit rückgeführtem Abgas und/oder Kraftstoff beinhaltet, die in den Zylinder gelangt, kann einen Wirbel aufweisen, d. h. radiale und hauptsächlich tangentiale Geschwindigkeitskomponenten jedes Luftpartikels. Wenn Kraftstoff in die Kammer eingespritzt wird, wird er mit Luft gemischt. Die Kraftstoffpartikel oder -tröpfchen haben im Allgemeinen eine radiale Geschwindigkeitskomponente, sodass, wenn die Kraftstofftröpfchen sich in der wirbelnden Luft mischen und verdampfen, die tangentiale Geschwindigkeitskomponente der resultierenden Mischungen verringert, aber nicht beseitigt wird. Der restlichen tangentialen Geschwindigkeitskomponente wird durch unebene oder asymmetrische Flächen entgegengewirkt, die auf Vorsprüngen am Kolben vorhanden sind, die eine tangentiale Gegenwirbel-Geschwindigkeitskomponente zur Kraftstoff/Luft-Mischung vermitteln, das auf den Vorsprungflächen auftrifft oder davon beeinflusst wird. Die tangentiale Gegenwirbel-Geschwindigkeitskomponente der Kraftstoff/Luft-Mischung hebt die ursprüngliche tangentiale Geschwindigkeit der wirbelnden Luftmasse auf oder beseitigt diese, sodass die resultierende Kraftstoff/Luft-Mischung eine Geschwindigkeitskomponente radial nach innen besitzt. Auf diese Weise wird eine verbrennende Luft/Kraftstoff-Mischung in Bezug auf den Kolben nach innen geleitet, wo zusätzlicher Kraftstoff zur Unterstützung des verbrennenden Kraftstoffs verfügbar ist. Die offenbarten Ausführungsformen können individuell angepasst werden, um vielen verschiedenen besonderen Wirbelmustern entgegenzuwirken, die in Motorzylindern vorhanden sein können, und wandeln im Grunde ein wirbelndes Verbrennungssystem in ein ruhendes Verbrennungssystem um. Einige der Vorteile eines solchen Verbrennungssystems beinhalten verringerte Wärmeabführung, dadurch dass die Flamme zur Mitte des Zylinders und von den Metallstrukturen des Motors, die den Zylinder umgeben und definieren, weg geleitet wird, was wiederum zu niedrigeren Komponententemperaturen, erhöhter Kraftstoffnutzung und einer einheitlicheren Kraftstoff/Luft-Mischung führt, was außerdem zu geringeren Motoremissionen führt.
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Ein Querschnitt eines Verbrennungsraums 100 eines Motors 101 gemäß der Offenbarung ist in 1 dargestellt. Der Verbrennungsraum 100 hat eine im Allgemeinen zylindrische Form, die in einer Zylinderbohrung 102 definiert ist, die in einem Kurbelgehäuse oder Motorblock 104 des Motors ausgebildet ist. Der Verbrennungsraum 100 ist ferner an einem Ende durch eine Flammdeckfläche 106 eines Zylinderkopfes 108 und an einem andere Ende durch eine Kolbenkrone 110 eines Kolbens 112 definiert, der in der Zylinderbohrung 102 reziprok angeordnet ist. Eine Kraftstoffeinspritzdüse 114 ist im Zylinderkopf 108 montiert. Die Kraftstoffeinspritzdüse 114 hat eine Spitze 116, die im Verbrennungsraum 100 durch die Flammdeckfläche 106 hervorsteht, sodass die Kraftstoff direkt in den Verbrennungsraum 100 einspritzen kann.
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Während des Betriebs des Motors 101 wird Luft oder eine Ansaugladung in den Verbrennungsraum 100 über einen Lufteinlasskanal 115 zugelassen, wenn ein oder mehr Einlassventile 117 (eines dargestellt) während eines Motortakts, zum Beispiel mindestens eines Teils eines Ansaugtakts, Verdichtungstakts und/oder Auslasstakts, offen sind. Wie bei den meisten Motoren der Fall, ist ein ankommender Luftstrom in den Verbrennungsraum 100 durch die ein oder mehr Einlassventile 117 äußerst turbulent und besitzt wirbelnde Abschnitte rund um ein oder mehr Achsen, die in den Luftstrom durch die verschiedenen Biegungen und Ecken im Lufteinlasskanal 115 und andere Strukturen wie Luft, die über und um das Einlassventil 117 geht, vermittelt werden. In einer bekannten Konfiguration darf Kraftstoff mit hohem Druck durch eine Vielzahl von Düsenöffnungen in der Spitze 116 fließen. Jede Düsenöffnung sorgt für einen Kraftstoffstrahl 118, der im Allgemeinen dispergiert wird, um eine Kraftstoff/Luft-Mischung zu schaffen, die sich in einem Selbstzündungsmotor selbst entzündet und verbrennt. Die Kraftstoffstrahlen 118 können durch die Einspritzdüse in einem eingeschlossenen Winkel, β, von zwischen 110 und 150 Grad bereitgestellt werden, es können aber auch andere Winkel verwendet werden. Die Kraftstoffstrahlen 118 gelangen in den Verbrennungsraum 100 im Allgemeinen in einer Richtung radial nach außen, wenn der Kraftstoff durch die Einspritzdüsenöffnungen geht. Nach der Verbrennung wird Abgas aus dem Verbrennungsraum durch eine Abgasleitung 120 ausgestoßen, wenn ein oder mehr Auslassventile 122 (eines dargestellt) während eines Auslasstakts und/oder Ansaugtakts offen sind.
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Die Einheitlichkeit und das Ausmaß der Kraftstoff/Luft-Mischung im Verbrennungszylinder sind für die Verbrennungseffizienz sowie für die Menge und Art der Verbrennungsnebenprodukte, die gebildet werden, und die Verbrennungsrate im Verbrennungsraum relevant. Kraftstoffreiche Mischungen, die lokal im Verbrennungsraum 100 während eines Verbrennungsereignisses aufgrund unzureichender Mischung oder unzureichender Luft, die lokal um diese Bereiche verfügbar ist, vorhanden sein können, können zu mehr Ruß-, Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen und geringerer Verbrennungseffizienz führen. In den veranschaulichten Ausführungsformen wird verbesserte Kraftstoff/Luft-Verbrennung für jeden Kraftstoffstrahl durch Ausbildung einer Vielzahl von Vorsprüngen erreicht, die Flammen, die entstehen, wenn Ströme aus Luft und Kraftstoff im Zylinder verbrennen, asymmetrisch kanalisieren oder führen. Diese Flammenführung ist außerdem bei der Erreichung einer vollständigeren Verbrennung im Zylinder hilfreich, die Ruß und andere Emissionen des Motors verringern kann. Die Richtung der Flammenausbreitung, nachdem die Flammen durch Interaktion mit Merkmalen der Kolbenmulde umgeleitet wurden, ist so, dass zumindest ein Teil der Flammen so geleitet wird, das einem Wirbel, der im Zylinder vorhanden ist, entgegengewirkt wird. Der Nettoeffekt der geleiteten Flammen und wirbelnden Luft ist eine Richtung der Flammen zur Mitte des Kolbens, wo Luft verfügbar ist, um die Luft/Kraftstoff-Mischung zu verbrennen und Ruß zu oxidieren. Jeder Vorsprung hat zwei Seiten, eine erste Seite, die im Allgemeinen eine konkave Form und einen Normalenvektor hat, der zu oder gegen eine Wirbelrichtung zeigt, und eine zweite Seite, die eine im Allgemeinen flache und/oder konvexe Form und einen Normalenvektor hat, der zu oder in dieselbe Richtung wie die Wirbelrichtung der Luft im Verbrennungsraum 100 zeigt. Auf diese Weise dienen beide Seiten jedes Vorsprungs dazu, einen Teil jeder der zwei angrenzenden Kraftstoffstrahlen, die von der Vielzahl von Düsenöffnungen in der Kraftstoffeinspritzdüse stammen, aufzunehmen, umzuleiten und zu trennen und diese zur Mitte des Verbrennungsraums 100 umzuleiten.
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Eine erste exemplarische Ausführungsform des Kolbens 112 ist in 2 dargestellt. In der Veranschaulichung von 2 ist nur eine obere Fläche 200 der Kolbenkrone 110 des Kolbens 112 im Querschnitt von oben gesehen zur Veranschaulichung dargestellt. Der Kolben 112 beinhaltet eine Mulde 124, die in der Kolbenkrone 110 ausgebildet ist, die einen mittleren, erhabenen konischen Vorsprung 126 in der Mitte einer konischen, konvexen Fläche 128 beinhaltet. Die Mulde 124 hat einen im Allgemeinen kreisförmigen Umfang und ist in einer kreisförmigen Kronenwand 130 definiert. In der oberen Fläche 200 ist eine Vielzahl von Vorsprüngen 202 beinhaltet, die in der Mulde 124 und entlang einer Peripherie der Mulde 124 neben der Wand 130 angeordnet sind. Sechs Vorsprünge 202 sind hierin dargestellt, es sollte aber offensichtlich sein, dass jedwede Anzahl von Vorsprüngen je nach Anzahl der Düsenöffnungen in der Spitze 116 der Einspritzdüse verwendet werden kann. Die Vorsprünge in der oberen Fläche 200 sind in regelmäßigen Intervallen entlang gleichmäßig verteilten radialen Achsen 204 angeordnet. Jede Achse 204 ist genau im selben Winkel zwischen den Sprühnebelrichtungen angrenzender Düsenspitzenöffnungen der Kraftstoffeinspritzdüse 114 angeordnet, sodass ein Kraftstoffstrahl 118 von der Spitze 116 in eine radiale Richtung zwischen zwei angrenzenden Achsen 204 ausgeht, wie dargestellt.
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In der in 2 dargestellten schematischen Ausführungsform ist die Entwicklung der zwei angrenzenden Kraftstoffstrahlen 118 zu verschiedenen Zeitpunkten dargestellt. Der untere, nicht vollständig entwickelte Strahl rechts in der Figur ist zu einem Zeitpunkt dargestellt, wenn der Kraftstoffstrahl 118 von der Spitze 116 ausgegangen ist, die Wand 130 jedoch noch nicht erreicht hat. Während dieser Anfangszeit einer Injektion kann die Luft im Zylinder und, somit, in und über der Mulde 124 eine im Allgemeinen kreisförmige oder spiralförmige Dynamik in eine Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn haben, die durch die schwarzen Pfeile „S“ angegeben ist. Während der Kraftstoffstrahl 118 durch einen Bewegungsbereich der Luft geht, wird die Geschwindigkeit der Luft, die wegen einer wirbelnden Dynamik einen tangentialen Geschwindigkeitsvektor beinhalten kann, möglicherweise die radiale Bewegungsrichtung des Kraftstoffstrahls 118 zumindest anfangs nicht beeinflussen. Zu einem späteren Zeitpunkt jedoch, wie durch den Kraftstoffstrahl 118 dargestellt, der im Uhrzeigersinn und links vom ursprünglichen Strahl, oben in der Figur, dargestellt ist, kann der Kraftstoffstrahl oder die Flamme 118 an der Wand 130 aufprallen und sich in zwei tangentiale Strahlen trennen, wobei jeder tangentiale Strahl zur den zwei angrenzenden Vorsprüngen 202 geht, die den Aufprallort flankieren.
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Wie in 2 zu sehen, beinhaltet ein Segment der Wand 130 zwischen angrenzenden Vorsprüngen ein vertieftes oder abgestuftes Lippenmerkmal oder einen vorspringenden Rand 132, der sich zumindest teilweise durch eine Innenfläche 134 der Wand 130 zur Außenfläche 136 der Wand 130 erstreckt. Mindestens ein Abschnitt des vorspringenden Rands 132 aus einer seitlichen Perspektive ist in dem vergrößerten, detaillierten Querschnitt von 3 dargestellt. Der vorspringende Rand 132 in der veranschaulichten Ausführungsform erstreckt sich nicht peripher entlang dem gesamten Innenumfang der Wand 130, sondern ist eher in Segmenten ausgebildet, wobei jedes Segment sich einen Sehnenabstand entlang dem Innenumfang der Wand 130 zwischen angrenzenden Vorsprüngen 202 erstreckt. Jeder vorspringende Rand 132 ist gekrümmt, um der Kontur der Wand 130 zu folgen, und hat eine periphere Breite entlang einer radialen Richtung, die kleiner ist als eine Dicke der Wand 130 in der Richtung. Jeder vorspringende Rand hat ferner eine Tiefe, D, in der axialen Richtung, die einer Entfernung entspricht, die durch den Kolben in der Bohrung für eine bestimmte Drehung der Kurbelwelle des Motors zurückgelegt wird. Eine äußere Kante 138 des vorspringenden Rands 132 kann als eine scharfe Ecke, wie in 3 dargestellt, oder als eine abgeschrägte Verbundfläche verkörpert sein, die einen Boden 140 des vorspringenden Rands mit einer Außenwand 142 des vorspringenden Rands glatt verbindet.
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Während des Motorbetriebs kann der Zeitpunkt für die Bereitstellung von ein oder mehreren Einspritzereignisses für die Kraftstoffstrahlen 118 so ausgewählt werden, dass die Kraftstoffstrahlen 118 zumindest teilweise in den vorspringenden Ränder 132 aufprallen, wenn sich der Kolben 112 während eines Verdichtungstakts nach oben und/oder während eines Ausdehnungstakts nach unten in die Bohrung bewegt. Die Rücksprünge, die von den vorspringenden Rändern 132 bereitgestellt werden, können es ermöglichen, dass zumindest etwas Kraftstoff radial nach außen in Bezug auf den Kolben weitergeht und in die so genannte „Squish-Region“ gelangt, die ein oberes und radial nach außen gerichtetes hohlzylinderförmiges Volumen in der Kolbenbohrung beschreibt, das zwischen der Flammdeckfläche und einer oberen, ringförmigen Fläche der Wand 130 und außerdem, in dieser Ausführungsform, einem zusammengefassten Volumen der vorspringenden Ränder 132 angeordnet ist. Wenn der Kolben nach oben weitergeht, überlappen dieselben oder nachfolgende Kraftstoffstrahlen die vorspringenden Ränder nicht mehr und prallen darunter auf der Innenfläche 134 der Wand 130 auf, um zu einem inneren Abschnitt des Verbrennungsraums umgeleitet zu werden. In einer anderen Ausführungsform können durch einen verzögerten Zeitpunkt der Kraftstoffstrahlen 118 und die während eines Ausdehnungstakts dadurch erzeugten Flammen, d. h. wenn sich der Kolben im Zylinder nach unten bewegt, die Kraftstoffstrahlen 118 nach innen in Bezug auf den Verbrennungszylinder geleitet werden und dann, zumindest vorübergehend, die vorspringenden Ränder 132 überlappen, wenn der Kolben 112 abfällt, und zumindest einen Teil der Kraftstoffstrahlen 118 nach oben zur Flammdeckfläche umleiten.
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Unter jetziger Bezugnahme auf die Vorsprünge 202 sind diese Merkmale so konfiguriert, dass sie die Kraftstoffstrahlen 118 im Zylinder zur Mitte des Verbrennungsraums umleiten. Die Vorsprünge 202 stellen unterschiedliche Profile oder Formen dar, um die tangentialen Strahlen, die darauf aufprallen, asymmetrisch zu leiten und die Interaktion von Strahl zu Strahl für verbessertes Mischen und Oxidation im Verbrennungsraum zu verzögern. Zu Veranschaulichung, jeder Vorsprung 202 beinhaltet eine erste Seitenfläche 206, die in eine Richtung gegen den Wirbel S zeigt, und eine zweite Seitenfläche 208, die in eine Richtung mit dem Wirbel S zeigt. In der hierin verwendeten Nomenklatur bedeutet eine Richtung, in die jede Seitenfläche des Vorsprungs „zeigt“ die Richtung, in die ein Normalenvektor im Allgemeinen rechtwinklig zur jeweiligen Seitenfläche ist und von der Fläche in eine Richtung nach außen in Bezug darauf zeigt, in die der Vorsprung zeigt. Zwei solche Vektoren, V1 und V2, sind an einem der Vorsprünge 202 auf der linken Seite der Figur zur Veranschaulichung dargestellt.
In verschiedenen Ausführungsformen können sich die ersten und zweiten Seitenflächen der Vorsprünge von einem Kolben zu einem anderen unterscheiden, sie haben aber alle einen ähnlichen Trend gemeinsam, nämlich, dass die erste Seitenfläche 206 jedes Vorsprungs 202, d. h. an der Seite, die zur Wirbelrichtung S zeigt, im Allgemeinen konkav ist, sodass ein größerer Dreheffekt für Fluide bereitgestellt wird, die aufprallen und durch die erste Seitenfläche 206 umgeleitet werden, um dem Wirbel entgegenzuwirken, der in der Wirbelrichtung S vorhanden ist; derselbe Trend beinhaltet außerdem, dass die zweite Seitenfläche 208 jedes Vorsprungs 202, d. h. an der Seite, die von der Wirbelrichtung S weg zeigt, im Allgemeinen flach oder konvex ist, sodass ein geringerer Dreheffekt für Fluide bereitgestellt wird, die aufprallen und durch die zweite Seitenfläche 208 umgeleitet werden, da diese Fluide sich bereits in die entgegengesetzte Richtung wie die Wirbelrichtung S drehen.
Wie aus 2 zu sehen, wird, wenn der Kraftstoffstrahl 118 auf die Wand 130 aufprallt, dieser in viele Teilströme getrennt, die zwei tangentiale Ströme beinhalten, die der Krümmung der Wand 130 folgen, bis sie auf die Vorsprünge 202 treffen, die den Bereich flankieren, auf dem der bestimmte Kraftstoffstrahl 118 entlang der Wand 130 aufprallt. Diese zwei tangentialen Ströme können als der Teilstrahl im Uhrzeigersinn (CW), d. h. der Teilstrahl, der sich an einem Ort dreht, der sich in einer Richtung im Uhrzeigersinn in Bezug auf den bestimmten Kraftstoffstrahl 118 befindet, und als der Teilstrahl entgegen dem Uhrzeigersinn (CCW), d. h. der Teilstrahl, der sich an einem Ort dreht, der sich in eine Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn in Bezug auf den bestimmten Kraftstoffstrahl 118 befindet, bezeichnet werden. Für einen vollständigere Verbrennung im Verbrennungsraum 100 ist es wünschenswert, dass sowohl die CW- als auch den CCW-Kraftstoffteilstrahlen in eine radiale Richtung zur Mitte des Verbrennungsraums vorrücken. Die verschiedenen Formen der ersten und zweiten Seitenflächen 206 und 208 können dies unter Berücksichtigung des Wirbels S im Zylinder erreichen. Somit vollzieht der CW-Teilstrahl in der dargestellten Ausführungsform eine flache Drehung von der zweiten Seitenfläche 208, da er entlang dem Wirbel S getragen wird, wenn er zur Spitze 116 vorrückt.
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Aus demselben Grund vollzieht der CCW-Teilstrahl eine schärfere Drehung von der ersten Seitenfläche 206, weil sein Kurs ebenfalls angepasst wird, wenn er zum Wirbel S vorrückt. Eine alternative oder zweite exemplarische Ausführungsform für den Vorsprung 202 ist in 4 dargestellt, wobei ein teilweises Fragment des Kolbens 112 im Querschnitt dargestellt wird. In dieser Ausführungsform beinhaltet der Vorsprung 202 eine im Allgemeinen flache Innenfläche 402, die radial nach innen zur Mitte des Kolbens in Bezug auf die restlichen Flächen des Vorsprungs 202 vorspringt. Die Breite der flachen Innenfläche 402 in eine periphere Richtung wird zwischen zwei scharfen Kanten 404 definiert. Die scharfen Kanten 404 sind entlang einer Grenzfläche zwischen der flachen Innenfläche 402 und einer radial inneren Seite der sich im Allgemeinen radial erstreckenden Wände 406 angeordnet, die an einer Seite des Vorsprungs 202 angeordnet sind. Die sich radial erstreckenden Wände 406 treffen auf die ersten und zweiten Seitenflächen 206 und 208 des Vorsprungs 202, während sie sich in eine Richtung radial nach außen erstrecken. Es ist zu beachten, dass die ersten und zweiten Seitenflächen 206 und 208 unterschiedliche Krümmungen oder gleiche Krümmungen haben können. Es ist außerdem zu beachten, dass die Wände 406 sich in einem Winkel relativ zu einem entsprechenden Radius des Kolbens erstrecken können, um zum Beispiel eine relativ trapezförmige Form des Abschnitts des Vorsprungs bereitzustellen, der zwischen der flachen Innenfläche 402 und den zwei Wänden 406 definiert wird.
Eine dritte exemplarische Ausführungsform für den Vorsprung 202 ist in 5 dargestellt. In dieser Ausführungsform beinhaltet der Vorsprung 202 eine im Allgemeinen flache Innenfläche 502, die radial nach innen zur Mitte des Kolbens in Bezug auf die restlichen Flächen des Vorsprungs 202 zeigt. Die Breite der flachen Innenfläche 502 in eine periphere Richtung wird zwischen zwei scharfen Kanten 504 definiert. In dieser und den restlichen Ausführungsformen bezeichnet der Begriff „scharf“ in Bezug auf die Kanten an einer Seite der flachen Fläche Flächenübergänge, an denen ein Fluss von Material, das auf der flachen Fläche aufprallt, sich dreht und über die „scharfe“ Kante geht, während er sich davon trennt, ohne der Krümmung der Fläche über die Kante hinaus zu folgen. Anders gesagt, die „scharfen“ Kanten haben einen ausreichend scharfen Radius, um die Flussumleitung aufgrund von Coanda-Effekten zu vermeiden. Die scharfen Kanten 504 sind entlang einer Grenzfläche zwischen der flachen Innenfläche 502 und den ersten und zweiten Seitenflächen 206 und 208 des Vorsprungs 202 angeordnet.
Eine vierte exemplarische Ausführungsform für den Vorsprung 202 ist in 6 dargestellt. In dieser Ausführungsform beinhaltet der Vorsprung 202 eine im Allgemeinen flache Innenfläche 602, die radial nach innen zur Mitte des Kolbens in Bezug auf die restlichen Flächen des Vorsprungs 202 zeigt. Die Breite, W, der flachen Innenfläche 502 ist größer als eine minimale Wanddicke, T, des Vorsprungs in eine periphere Richtung, wie in 6 dargestellt. Wie in der Ausführungsform von 5 wird die Breite W in der peripheren Richtung zwischen zwei scharfen Kanten 604 definiert. Die scharfen Kanten 604 in dieser Ausführungsform sind entlang einer Grenzfläche zwischen der flachen Innenfläche 602 und den ersten und zweiten Seitenflächen 206 und 208 des Vorsprungs 202 angeordnet, wobei die ersten und zweiten Seitenflächen 206 und 208 in dieser Ausführungsform beide konkav sind, aber mit einem tieferen oder flacheren Radius.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung ist nicht nur auf Verbrennungsmotoren mit sich hin- und herbewegenden Kolben anwendbar, wie in Bezug auf die hierin veranschaulichten Ausführungsformen beschrieben, sondern auch auf andere Arten von Anwendungen, wie Gasturbinen, Industriebrenner und dergleichen. Im Allgemeinen können die verschiedenen asymmetrischen Vorsprünge in einer Struktur ausgebildet sein, auf die der Kraftstoffstrahl durch eine Einspritzdüse in einem Verbrennungsraum aufprallt. Die bogenförmigen Vertiefungen der Vorsprünge und die Umleitung und Trennung der Kraftstoffstrahlen und -fahnen, die sie bereitstellen, sind bei der Förderung schnellerer Verbrennung und Umleitung der sich entwickelnden Flammen zu sauerstoffreicheren Bereichen in der Mitte des Zylinders wirksam. Neben den wünschenswerten Effekten, die durch die Umleitung der Flammen und/oder Kraftstoffstrahlen, die die Flammen produzieren, radial und/oder tangential in Bezug auf den Kolben und die Bohrung bereitgestellt werden, können die Mischeffekte, die verbesserte und vollständigere Verbrennung bereitstellen durch die vorspringenden Ränder verbessert werden, die zwischen den Vorsprüngen entlang der inneren Peripherie der zylindrischen Außenwand des Kolbens ausgebildet sind. Wie oben beschrieben, können die vorspringenden Ränder, zumindest vorübergehend, die Flammen axial entlang der sich hin- und herbewegenden Bewegungsrichtung des Kolbens sowie radial nach außen umleiten, sodass die Luft, die in der Squish-Region des Verbrennungszylinders vorhanden ist, genutzt werden kann, um Kraftstoff, Ruß und andere Verbindungen während der Verbrennung zu oxidieren.
Um die Trennung der Kraftstoffstrahlen oder Flammen, zumindest anfänglich, aufrechtzuerhalten und ein kräftigeres Mischen des Kraftstoffs mit den Oxidationsmitteln im Verbrennungsraum zu fördern, können die Vorsprünge ferner scharfe Kanten entlang ihren Abschnitten radial nach innen beinhalten, d. h. wo die tangential umgeleiteten Flammen sich drehen, um zur Mitte des Verbrennungszylinders vorzurücken. In den oben beschriebenen Ausführungsformen und in anderen, ähnlichen Ausführungsformen sind die scharfen Kanten an beiden Seiten der flachen, nach innen zeigenden Flächen der Vorsprünge angeordnet. Diese scharfen Kanten schaffen Kanteneffekte beim Vorrücken der Flammen, um das Mischen zu fördern und zu verbessern.
Es ist offensichtlich, dass die vorhergehende Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der Technik bereitstellt. Es ist jedoch denkbar, dass andere Implementierungen der Offenbarung im Detail von den vorhergehenden Beispielen abweichen können. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder auf Beispiele davon sollen auf das jeweils an dieser Stelle beschriebene Beispiel Bezug nehmen und sollen keine Begrenzung des allgemeinen Umfangs der Offenbarung implizieren. Jeglicher Ausdruck von Unterscheidung und Herabsetzung in Bezug auf bestimmte Merkmale soll auf keine Bevorzugung dieser Merkmale hinweisen, diese jedoch nicht vollständig vom Umfang der Offenbarung ausschließen, soweit dies nicht anderweitig angegeben ist.
Die Angabe von Wertebereichen soll, sofern hierin nicht anderweitig angegeben, lediglich als eine Kurzschreibweise für die Bezugnahme auf jeden einzelnen Wert, der in den Bereich fällt, dienen, zudem ist jeder einzelne Wert in die Beschreibung aufgenommen, als ob er einzeln aufgeführt wäre. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, sofern nichts anderes angegeben ist oder der Zusammenhang nicht eindeutig etwas Anderes besagt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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