DE10303721B4

DE10303721B4 - Motor mit Fremdzündung mit flacher Kolbenmuldengeometrie

Info

Publication number: DE10303721B4
Application number: DE10303721A
Authority: DE
Inventors: Jeffry Gerard Plymouth Sczepanski; Jianwen Canton Yi; Nizar Trigui; Zhiyu Plymouth Han
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: DE10303721A1; US6910455B2; GB2387638A; GB0303129D0; US20030172896A1

Abstract

Direkteinspritzmotor mit Fremdzündung, mit
– einem Zylinder (14);
– einem Kraftstoffeinspritzventil (30) zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Zylinder (14), das auf einer Einlassventilseite des Zylinders (14) angeordnet ist;
– einer Zündquelle (32) in Verbindung mit dem Zylinder (14) zum Entzünden von Kraftstoff in dem Zylinder (14); und
– einem in dem Zylinder (14) angeordneten Kolben (15), der eine zentrale Längsachse sowie eine obere Seite aufweist, welche einen Kolbenrand (36, 37) sowie eine flache Mulde (38) umfasst, die eine maximale Tiefe (d) in dem Bereich von eins bis fünf Millimeter unter dem Kolbenrand (36, 37) aufweist, wobei die Mulde (38) auf ihrer dem Kraftstoffeinspritzventil (30) zugewandten Seite an den Kolbenrandabschnitt (36) angrenzt und auf der dem Kraftstoffeinspritzventil (30) abgewandten Seite der Mulde (38) an eine Kolbenbodenfläche (42) angrenzt, deren Höhe (h) über dem Kolbenrand (36, 37) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Mulde von einem...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Direkteinspritzmotor mit Fremdzündung, mit einem Zylinder, einem Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Zylinder, das auf einer Einlassventilseite des Zylinders angeordnet ist, einer Zündquelle in Verbindung mit dem Zylinder zum Entzünden von Kraftstoff in dem Zylinder, und einem in dem Zylinder angeordneten Kolben, der eine zentrale Längsachse sowie eine obere Seite aufweist, welche einen Kolbenrand sowie eine flache Mulde umfasst, die eine maximale Tiefe in dem Bereich von 1 bis 5 mm unter dem Kolbenrand aufweist, wobei die Mulde auf ihrer dem Kraftstoffeinspritzventil zugewandten Seite an den Kolbenrand angrenzt und auf der dem Kraftstoffeinspritzventil abgewandten Seite der Mulde an diese eine Kolbenbodenfläche angrenzt, deren Höhe über dem Kolbenrand liegt.
2. Stand der Technik
Ein Direkteinspritzmotor ist normalerweise so ausgelegt, dass die Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei niedrigen Motorlasten durch Vorsehen von Schichtladungen in einem Brennraum des Motors verbessert wird. Bei einer Schichtladung wird nahe einer Zündkerze ein naher stöchiometrischer oder kraftstoffreicher Luft-/Kraftstoffbereich in einem im Allgemeinen überstöchiometrischen Luft-/Kraftstoffgemisch ausgebildet.
Normalerweise wird eine Schichtung durch Vorsehen einer tiefen Aussparung oder Mulde in einem Kolben des Motors sowie durch Vorsehen einer Tumble- und/oder Drallluftströmung in den Brennraum erreicht. Wenn Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, trifft der Kraftstoff auf den Boden oder die Seite der Mulde und wirkt mit der Bewegung der Luft in dem Brennraum zusammen, so dass die Schichtladung erzeugt wird.
Zwar trägt die tiefe Mulde zur Bildung der Schichtladung bei, doch kann die Schichtladung nicht optimal zur Zündkerze angeordnet werden. Dadurch kann die Verbrennung instabil und unvollständig sein. Weiterhin vergrößert die tiefe Mulde die Fläche des Kolbens, was über den Kolben während des Expansionstakts zu einem erhöhten Wärmeverlust zum Motorkühlmittel führt. Der erhöhte Wärmeverlust bewirkt einen erhöhten Kraftstoffverbrauch und ein verringertes Ausgangsdrehmoment.
Ein Direkteinspritzmotor der eingangs genannten Art ist aus der Schrift WO 98/55743 A1 bekannt, wobei der darin gezeigte Kolben auf seiner Oberseite eine in den Kolbenboden eingearbeitete Mulde aufweist und von der genannten Mulde abgesehen insgesamt stark reliefartig durchgliedert ist. Im Vergleich zur genannten Mulde ist ein die Mulde einfassender Kolbenrand insgesamt verhältnismäßig groß ausgebildet.
Aus der US 58 90 466 A ist weiterhin ein Verbrennungsmotor bekannt, dessen Kolben einen insgesamt V-förmigen bzw. satteldachförmigen Kolbenboden aufweist. Ein Kraftstoffventil ist hierbei auf einer Auslassventilseite des Zylinders angeordnet. Die genannte Mulde im Kolbenboden ist hierbei in einer der V-förmig geneigten Dachflächen des Kolbenbodens eingearbeitet, so dass sie sich zur zentralen Kolbenlängsachse hin verflacht.
Weiterhin ist aus der EP 0694682 A1 eine Brennkraftmaschine bekannt, deren Kolben im Kolbenboden eine wannenförmige Vertiefung aufweist, deren Rand auf der dem Einspritzventil abgewandten Muldenseite überhängend ausgebildet ist, um das eingespritzte Kraftstoffgemisch in der wannenförmigen Vertiefung zu sammeln.
ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung geht die Aufgabe einer verbesserten Kolbenkonfiguration an, welche bei gleichzeitiger Minimierung eines unerwünschten Wärmeaustausches effektiv Schichtladungen bildet und anordnet.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Direkteinspritzmotor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht, teils im Schnitt, eines Motors mit einem Zylinder, einem über dem Zylinder angeordneten Zylinderkopf und einem in dem Zylinder angeordneten und am oberen Totpunkt positionierten erfindungsgemäßen Kolben;
2 ist eine vergrößerte Querschnittansicht des Kolbens;
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Kolbenhälfte;
4 ist eine Draufsicht auf den Kolben und
5 ist eine Querschnittansicht des Kolbens entlang der Linie 5-5 von 4.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Direkteinspritzmotor 10 mit Fremdzündung. Der Motor 10 umfasst einen Zylinderblock 12 mit einem darin ausgebildeten Zylinder 14. In dem Zylinder 14 ist ein Kolben 15 gleitend angeordnet. Ein Zylinderkopf 16 ist an dem Zylinderblock 12 angebracht und bedeckt das obere Ende 18 des Zylinders 14, um den Brennraum 20 zu bilden. Der Zylinderkopf 16 kann zum Beispiel ein Paar Einlasskanäle 22 sowie ein Paar Auslasskanäle 24 umfassen. Jeder Einlasskanal 22 steht mit dem Brennraum 20 durch ein jeweiliges Einlassventil 26 in Verbindung und jeder Auslasskanal steht mit dem Brennraum 20 durch ein jeweiliges Auslassventil 28 in Verbindung. Der Motor 10 umfasst weiterhin ein Kraftstoffeinspritzventil 30 in Fluidverbindung mit dem Zylinder 14 für das Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Brennraum 20 sowie eine Zündquelle wie zum Beispiel eine Zündkerze 32 in Verbindung mit dem Zylinder 14 für das Zünden von Kraftstoff in dem Brennraum 20. Weiterhin versteht sich, dass der Motor 10 mehrere Zylinder und mehrere Kolben umfassen kann, wobei in jedem Zylinder ein Kolben angeordnet ist.
Unter Bezug auf die 1 bis 4 werden nun weitere Einzelheiten bezüglich des Kolbens 15 beschrieben. Der Kolben 15 umfasst einen Kolbenkörper 33 mit einer oberen Seite 34. Die obere Seite 34 umfasst einen umlaufenden einlassventilseitigen Kolbenrandabschnitt 36 sowie einen umlaufenden abgasventilseitigen Kolbenrandabschnitt 37. In der in den Figuren gezeigten Ausführung ist jede der Kolbenrandabschnitte 36 und 37 im Allgemeinen sichelförmig. Die obere Seite 34 umfasst weiterhin eine flache Mulde 38 angrenzend an dem Kolbenrandabschnitt 36 und ein Kolbenhubteil bzw. ein Kolbenboden 40 ist angrenzend an der Mulde 38 angeordnet.
Die Mulde 38 weist eine maximale Tiefe d auf, die in dem Bereich von 1 bis 5 Millimeter unter dem Kolbenrand 36, 37 liegt. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung liegt die maximale Tiefe d der Mulde 38 in dem Bereich von 2 bis 4 Millimeter unter dem Kolbenrand 36, 37. Die Erfinder haben festgestellt, dass diese Anordnung unter Teilmotorlastbedingungen sowie bei voller Last optimale Leistung bietet, wie nachstehend eingehend beschrieben wird.
In der in den Figuren gezeigten Ausführung ist die Mulde 38 durch eine einzige, glatte Fläche 39, welche keine von dem Boden 40 beabstandete ausgebildeten Kanten aufweist, gebildet. Eine derartige Anordnung verbessert die Luftströmung in der Mulde 38.
Der Boden 40 ist vorzugsweise durch eine einzige, glatte Kolbenbodenfläche 42 ausgebildet, die keine von der Mulde 38 beabstandete ausgebildete Kanten aufweist. Eine derartige Anordnung minimiert die Fläche der oberen Seite 34 und verbessert die Luftströmung in die Mulde 38. Der Boden 40 kann auch mit gebogenen Verlängerungen 44 versehen sein, die sich in die Mulde 38 erstrecken, um Luft in die Mulde 38 zu leiten, wie durch die Strömlinien 46 in 4 angedeutet. Ferner kann der Boden 40 Aussparungen 47 umfassen, um zu den Einlassventilen 26 Abstand zu bieten.
Die Konfiguration des Bodens 40 kann vom Durchmesser des Zylinders 14 und dem Winkel der Ablassventile 28 abhängen. Bei einem Zylinderdurchmesser in dem Bereich von 90 bis 100 Millimeter und einem Ablassventilwinkel α in dem Bereich von 18 bis 20 Grad (gemessen vom Ventilschaft zu einer vertikalen Achse des Zylinders 14) zum Beispiel kann der Boden 40 eine Höhe h in dem Bereich von 9 bis 12 Millimeter bezüglich des Kolbenrands 36, 37 aufweisen. In einer Ausführung der Erfindung, bei der der Zylinder 14 einen Durchmesser von etwa 90 Millimeter aufweist und der Ablassventilwinkel α etwa 19 Grad beträgt, beträgt die Höhe h des Bodens 40 etwa 11 Millimeter.
Bezüglich 2 weist der Kolbenkörper 33 eine Achse 48 und einen Radius r auf, welcher auch der Radius der oberen Seite 34 ist. Weiterhin bildet die obere Seite 34 eine Fläche aus, die vorzugsweise in dem Bereich von 1,05 (π) r² bis 1,15 (π) r² liegt, und bevorzugter in dem Bereich von 1,10 (π) r² bis 1,13 (π) r² liegt. In der in den Figuren gezeigten Ausführung besitzt die obere Seite 34 eine Fläche von 1,114 (π) r². Diese Fläche ist erheblich kleiner als die Flächen der Kolbenoberseiten des Stands der Technik, die 1,24 (π) r² (Kolbenradius)² oder mehr betragen können. Bei einer solchen Konfiguration kann der Wärmeverlust von den Abgasen zum Kolben 15 während der Arbeitstakte des Kolbens 15 minimiert werden. Ferner kann die Wärmeübertragung von dem Kolben 15 zu den nicht verbrannten Luft-/Kraftstoffgemischen während der Ansaugtakte minimiert werden, wodurch die Neigung zu Motorklopfen verringert wird.
Der Kolben 15 kann jedes geeignete Material umfassen und kann in geeigneter Weise hergestellt werden. Der Kolben 15 kann zum Beispiel aus einem Aluminiumguss oder einer Silizium und Aluminium enthaltenden Legierung hergestellt werden und der Kolben 15 kann so bearbeitet werden, dass er eine gewünschte Endform erhält.
Unter Bezug auf die 1–5 wird nun die Arbeitsweise des Motors 10 beschrieben. Eine homogene Ladungsverbrennung wird unter Hoch- oder Volllastbedingungen ausgeführt. Wenn sich der Kolben 15 in dem Zylinder 14 während eines Kompressionstakts nach oben bewegt, wird Luft entlang der geneigten Abschnitte 50 des Bodens 40 und dann in die Mulde 38 gepresst. Dadurch wird ein gegenläufig drehendes Wirbelströmmuster erzeugt, wie durch die Strömlinien 46 in 4 angedeutet. Dieses Strömungsmuster trägt zur Luftbewegung in der Mulde 38 bei und verbessert daher das Luft-/Kraftstoffmischen in der Mulde 38.
Aufgrund der glatten Konfiguration des Bodens 40 kann die Luftströmung verglichen mit Kolben des Stands der Technik verbessert werden. Dadurch kann die Notwendigkeit einer einlassstrominduzierten Tumble- und/oder Drallströmung verringert werden.
Bei bestimmten Teillastbedingungen des Motors 10 wird eine Schichtladungsverbrennung ausgeführt. Da die Mulde 38 eine relativ geringe Tiefe d aufweist, können Schichtladungen bezüglich der Zündkerze 32 verglichen mit Motoren des Stands der Technik höher angeordnet werden, wenn sich der Kolben 15 an oder nahe am oberen Totpunkt befindet. Dadurch kann die Verbrennungsstabilität verbessert werden.
Zwar wurde eingehend die beste Art der Durchführung der Erfindung beschrieben, doch wird der mit der Technik dieser Erfindung vertraute Fachmann verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungen für das Ausüben der Erfindung, wie sie durch die folgenden Patentansprüche festgelegt wird, erkennen.

Claims

Direkteinspritzmotor mit Fremdzündung, mit – einem Zylinder (14); – einem Kraftstoffeinspritzventil (30) zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Zylinder (14), das auf einer Einlassventilseite des Zylinders (14) angeordnet ist; – einer Zündquelle (32) in Verbindung mit dem Zylinder (14) zum Entzünden von Kraftstoff in dem Zylinder (14); und – einem in dem Zylinder (14) angeordneten Kolben (15), der eine zentrale Längsachse sowie eine obere Seite aufweist, welche einen Kolbenrand (36, 37) sowie eine flache Mulde (38) umfasst, die eine maximale Tiefe (d) in dem Bereich von eins bis fünf Millimeter unter dem Kolbenrand (36, 37) aufweist, wobei die Mulde (38) auf ihrer dem Kraftstoffeinspritzventil (30) zugewandten Seite an den Kolbenrandabschnitt (36) angrenzt und auf der dem Kraftstoffeinspritzventil (30) abgewandten Seite der Mulde (38) an eine Kolbenbodenfläche (42) angrenzt, deren Höhe (h) über dem Kolbenrand (36, 37) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Mulde von einem beliebigen Punkt am Muldenrand aus zu der zentralen Längsache hin kontinuierlich und überhangsfrei vertieft, wobei die an die Mulde angrenzende Kolbenbodenfläche (42) als eine glatte, kantenfreie Fläche ausgebildet ist und die obere Seite des Kolbens (15) eine Fläche von nichtgrößer als 1,15πr² bildet, wobei r der Kolbenradius ist.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Tiefe (d) der flachen Mulde (38) in dem Bereich von zwei bis vier Millimeter unter dem Kolbenrand (36, 37) liegt.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenbodenfläche (42) eine Höhe im Bereich von 9 bis 12 mm über dem Kolbenrand (36, 37) aufweist.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Seite des Kolbens (15) eine Fläche von nicht größer als 1,13πr² bildet, wobei r der Kolbenradius ist.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Seite des Kolbens (15) eine Fläche von nicht kleiner als 1,10πr² bildet, wobei r der Kolbenradius ist.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Seite des Kolbens (15) eine Fläche von nicht kleiner als 1,05πr² bildet, wobei r der Kolbenradius ist.
Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der an die Kolbenbodenfläche (42) angrenzende Kolbenrandabschnitt (37) und der an die Mulde (38) angrenzende Kolbenrandabschnitt (36) jeweils sichelförmig ausgebildet sind.