DE19926132A1 - Selbstzündende Kolbenbrennkraftmaschine mit Mitteln zur Erzeugung einer Sekundär-Ladeluftströmung - Google Patents

Selbstzündende Kolbenbrennkraftmaschine mit Mitteln zur Erzeugung einer Sekundär-Ladeluftströmung

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine selbstzündende Kolbenbrennkraftmaschine mti Kraftstoffeinspritzung in den im Zylinder (1) gebildeten Brennraum (2), der durch ein Abwinkeln des Brennraumdaches (3) mit wenigstens einem Gasauslaßventil (9) in einer Dachfläche (3.2) und wenigstens einem Gaseinlaßventil (7) in der anderen Dachfläche (3.1) sowie durch einen Kolben (10) mit Kolbenmulde (11) und Quetschfläche (12) begrenzt wird, wobei zumindest das Gaseinlaßventil (7) im Brennraumdach (3) gegenüber der Zylinderachse (15) geneigt angeordnet ist, so daß die einströmende Luft im Brennraum (2) infolge der Kolbenbewegung eine Tumbleströmung bildet und wobei der Kolben (10) zumindest in seinem dem Gasauslaßventil (9) zugeordneten Bereich (12, 1) der Quetschfläche (12) wenigstens ein vom Kolbenaußenrand in Richtung der Kolbenmulde (11) in etwa spiralförmig verlaufendes Leitelement (16; 18) aufweist.

Description

Bei selbstzündenden Kolbenbrennkraftmaschinen mit Kraftstoff­ direkteinspritzung wird zur optimalen Verteilung des einge­ spritzten Kraftstoffs eine um die Zylinderachse geführte Drallströmung der Ladeluft in der Kolbenmulde benötigt, ins­ besondere gegen Endes des Kolbenhubes. Die Erzeugung dieser Drallströmung erfolgt nach dem Stand der Technik durch eine gezielte Strömungsumlenkung über eine entsprechende Ausge­ staltung der Gaseinlaßkanäle vor den Ventilen oder unmittel­ bar im Bereich der Ventile.
Dies ist bekannt beispielsweise aus EP-A-0 634 571, in der eine Diesel-Kolbenbrennkraftmaschine beschrieben ist. Die Zy­ linder weisen jeweils zwei Lufteinlaßkanäle auf, die jeweils durch ein Einlaßventil abgeschlossen sind, wobei durch eine entsprechende geometrische Zuordnung der beiden Einlaßkanäle zueinander sowie durch eine entsprechende Winkelstellung der Einlaßkanäle zueinander die Drallströmung im Zylinderraum er­ zeugt werden soll.
Aus DE-A-20 17 877 und FR-A-2 151 198 sind Anordnungen be­ kannt, bei denen im Bereich des Ventilsitzes eine spiralför­ mige Führung des Einlaßkanals vorgesehen ist, so daß die ein­ strömende Luft durch entsprechende Strömungsumlenkung eine Drallströmung im Zylinderinnenraum bewirkt.
In allen Fällen führen diese Maßnahmen zu einer Drosselung und damit zu einer Reduzierung der maximal möglichen Verbren­ nungsluftmenge im Zylinder, die bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit großen Hubraumvolumen durch die Verwendung von Turbola­ dern wieder ausgeglichen werden kann. Bei kleineren Kolben­ brennkraftmaschinen ist der Kostenaufwand für eine Aufladung verhältnismäßig groß, so daß auch heute Saugmotore im Bereich der Motorisierung von Personenkraftwagen realisiert werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für eine selbstzündende Kolbenbrennkraftmaschine eine Erhöhung der Ladeluftmenge auch ohne Turbolader zu bewirken und hierbei mit Hilfe einer drosselfrei erzeugten Drallströmung die für das selbstzündende Brennverfahren erforderliche optimale Kraftstoffverteilung zu bewirken.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer selbstzündenden Kolben­ brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung in den im Zy­ linder gebildeten Brennraum, der durch ein abgewinkeltes Brennraumdach mit wenigstens einem Gasauslaßventil in einer Dachfläche und wenigstens einem Gaseinlaßventil in der ande­ ren Dachfläche sowie durch einen Kolben mit Kolbenmulde und Quetschfläche begrenzt wird, wobei zumindest das Gaseinlaß­ ventil im Brennraumdach gegenüber der Zylinderachse geneigt angeordnet ist, so daß die einströmende Luft im Brennraum in­ folge der Kolbenbewegung eine Tumbleströmung bildet und wobei der Kolben zumindest im Bereich seiner dem Gasauslaßventil zugeordneten Quetschfläche wenigstens eine vom Kolbenaußen­ rand in Richtung der Kolbenmulde in etwa spiralförmig verlau­ fendes Leitelement aufweist. Eine derart ausgebildete Kolben­ brennkraftmaschine hat den Vorteil, daß die Ladeluft zunächst in einer drallfreien, sogenannten Tumbleströmung in den Brennraum eingeführt wird. Tumbleströmung bedeutet hierbei eine Strömung, die um eine quer zur Zylinderachse ausgerich­ tete Achse im Brennraum geführt ist. Bei vergleichbarer Brennraumgeometrie in bezug auf Ventile, Kolbendurchmesser und Zylindervolumen ist es möglich, gegenüber einer Kolben­ brennkraftmaschine mit Erzeugung einer Drallströmung durch Strömungsumlenkung nach dem Stande der Technik eine um etwa 25% größere Ladeluftmenge in den Zylinder einzubringen. Um nun die draller eintretende Luftströmung so zu führen, daß eine optimale Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs in der Kolbenmulde erfolgt, weist der Kolben im Bereich seiner dem Gasauslaßventil zugeordneten Quetschfläche ein in etwa spiralförmig verlaufendes Leitelement auf. Durch dieses Leit­ element wird bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens aus der Tumbleströmung eine Teilströmung "abgeschält" und in die Kol­ benmulde eingeleitet, die dort eine Drallströmung bildet, die den eingespritzten Kraftstoff in Drallrichtung zusätzlich verteilt. Damit ist es möglich, den Vorteil der größeren Ladeluftmenge bei einer drallfreien Einführung der Ladeluft in den Brennraum während des Ansaughubes mit der Bildung ei­ ner Drallströmung in der Kolbenmulde und der damit bewirkten optimalen Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs zu kombi­ nieren und so eine Leistungssteigerung durch eine größere Ladeluftmenge ohne zusätzliche Einrichtungen zur Aufladung zu bewirken. Das Leitelement kann stegförmig oder rinnenförmig ausgebildet sein. Insbesondere bei einer rinnenförmigen Aus­ bildung erstreckt sich das Leitelement bis in die Kolbenmul­ de.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Quetschfläche des Kolbens parallel zum Brennraumdach abgewin­ kelt ausgebildet ist. Hierdurch wird der Vorgang des "Abschälens" des Drallanteils aus der Tumbleströmung noch verbessert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auf dem dem Gasauslaßventil zugeordneten Bereich der Quetschfläche zwei Leitelemente angeordnet sind. Diese Anord­ nung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn dem Brennraum zwei Gaseinlaßventile zugeordnet sind. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß die beiden Leitelemente bei rinnen­ förmiger Ausbildung im Übergangsbereich zum Boden der Kolben­ mulde ineinander übergehen, so daß die jeweils aus den beiden in den Brennraum durch die beiden Einlaßöffnungen eintreten­ den Luftstränge abgeschälten Teilströme in der Kolbenmulde zu einem Drallstrang zusammenströmen.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auch auf dem dem Gaseinlaßventil zugeordneten Bereich der Quetschfläche wenigstens ein Leitelement angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird in der Endphase der Aufwärtsbewe­ gung des Kolbens aus dem Bereich der Quetschfläche Luft über das Leitelement in die Kolbenmulde eingepreßt und so in der Endphase des Verdichtungsvorgangs kurz vor der Kraftstoffein­ spritzung der Drallströmung in der Kolbenmulde ein erneuter Bewegungsimpuls aufgeprägt.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Brennraum einer Kolbenbrennkraftmaschine,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer ersten Aus­ führungsform für einen Kolben,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Aus­ führungsform für einen Kolben,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Aus­ führungsform für einen Kolben,
Fig. 5 perspektivisch die Ausbildung der Strömung im Brennraum mit einem Kolben gem. Fig. 2 zum Ende des Ansaughubes,
Fig. 6 die Veränderung der Strömung im Brennraum gem. Fig. 5 zu Beginn des Kompressionshubes,
Fig. 7 die Form der Strömung gem. Fig. 6 zum Ende des Kompressionshubes.
Fig. 1 zeigt schematisch im Vertikalschnitt einen Zylinder 1 einer Kolbenbrennkraftmaschine, der einen Brennraum 2 um­ schließt. Der Brennraum 2 ist durch ein abgewinkeltes Brenn­ raumdach 3 abgeschlossen, wobei in der einen Dachfläche 3.1 ein Lufteinlaßkanal 4 einmündet und in der anderen Dachfläche 3.2 ein Luftauslaßkanal 5 ausmündet. Im Mündungsbereich ist dem Einlaßkanal 4 ein Ventilsitzring 6 für ein Gaseinlaßven­ til 7 zugeordnet. Dem Gasauslaßkanal 5 ist im Mündungsbereich ein Ventilsitzring 8 für ein Gasauslaßventil 9 zugeordnet.
Der Brennraum 2 ist ferner durch einen Kolben 10 begrenzt, dessen Kolbenboden mit einer Mulde 11 versehen ist, die seit­ lich durch eine umlaufende Quetschfläche 12 begrenzt ist. Die Quetschfläche 12 ist hierbei parallel zum Brennraumdach 3 ab­ gewinkelt ausgebildet.
Bei geöffnetem Gaseinlaßventil 7 und sich abwärts bewegendem Kolben 10 strömt Luft über den Einlaßkanal 4 in Richtung des Pfeiles 13 in den Brennraum 2 ein. Wenn sich der Kolben 10 nach dem unteren Totpunkt wieder nach oben bewegt, dann strömt die umgelenkte Luft in der Aufwärtsbewegung des Kol­ bens in Richtung des Pfeiles 14 nach oben, so daß sich im Brennraum 2 eine Tumbleströmung ausbildet, deren Bewegung um eine senkrecht zur Zylinderachse 15 ausgerichtete Querachse erfolgt.
In Fig. 2 ist in einer perspektivischen Ansicht eine erste Ausführungsform für einen Kolben 10 dargestellt. Dieser weist in seinem dem Gasauslaßventil zugeordneten Bereich 12.1 der Quetschfläche 12 zwei vom Kolbenaußenrand zum Rand der Kol­ benmulde 11 in etwa spiralförmig verlaufende rinnenförmige Leitelemente 16.1 und 16.2 auf. Das Leitelement 16.1 beginnt in etwa im Bereich des Firstes 17 der Quetschfläche 12. und erstreckt sich spiralförmig bis zum Boden der Kolbenmulde 11. Das zweite Leitelement 16.2 beginnt in etwa um 90° versetzt zum First 17 der Quetschfläche 12. und ist mit der Leitele­ ment 16.1 im Bereich ihrer Einmündung am Kolbenboden mit die­ ser zusammengeführt.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 1. Bei dieser Ausführungsform ist ein rinnenförmiges erstes Leit­ element 16.1 im auslaßseitigen Bereich 12.1 der Quetschflä­ che 12 angeordnet und ein entsprechendes Leitelement 16.3 im einlaßseitigen Bereich 12.2 der Quetschfläche 12 angeordnet.
Die Ausführungsform gem. Fig. 4 zeigt einen Kolben, bei dem im Einlaßbereich 12.1 der Quetschfläche 12 ein vom First 17 ausgehendes stegförmiges Leitelement 18 angeordnet ist, das sich spiralförmig über die Quetschfläche 12.1 erstreckt, so daß sich gegenüber dem Kolbenaußenrand ein vertiefter Bereich auf der Quetschfläche 12.1 ergibt, der mit der Kolbenmulde 11 in Verbindung steht, so daß, wie nachstehend noch näher be­ schrieben wird, über das stegförmige Leitelement 18 aus der anhand von Fig. 1 beschriebenen Tumbleströmung eine Teilströ­ mung in die Kolbenmulde 11 umgelenkt wird.
In der schematischen perspektivischen Darstellung in Fig. 5 sind für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit zwei Einlaßventi­ len 7 und zwei Auslaßventilen 9 je Zylinder das Brennraumdach jeweils nur durch die einlaßseitigen Ventilsitzringe 6 und die auslaßseitigen Ventilsitzringe 8 dargestellt. Die Zeich­ nung läßt erkennen, daß die Einlaßventile 7 geöffnet sind und die Auslaßventile 9 geschlossen sind. Der entsprechend Fig. 2 ausgestaltete Kolben 10 befindet sich hierbei zum Ende der Abwärtsbewegung im unteren Totpunkt kurz vor dem Schließen der Einlaßventile 7. Durch die Einlaßöffnungen treten zwei parallele, hier schematisch als Bänder dargestellte und an ihren einander benachbarten Rändern ineinanderfließende Luft­ ströme 19 ein. Diese Luftströme 19 werden in der Abwärtsbewe­ gung weitgehend an der Zylinderwandung unterhalb der Gasaus­ laßventile 9 geführt.
Sobald nun, wie in Fig. 6 dargestellt, die Gaseinlaßventile 7 schließen und der Kolben im Kompressionshub sich nach oben bewegt, werden auch die Luftströme 19 nach oben gelenkt und in Richtung des Pfeiles 14 an der den Gaseinlaßventilen zuge­ ordneten Zylinderwandung nach oben geführt. In Fig. 6 ist die Position des Kolbens etwa 40° Kurbelwinkel nach dem unteren Totpunkt dargestellt. Bei dieser Umlenkung werden aus den beiden Luftströmungen 19 durch die rinnenförmigen Leitelemen­ te 16.1 und 16.2, wie in Fig. 6 dargestellt, Teilströmungen 20 "abgeschält" und in die Kolbenmulde 11 umgeleitet, in der sie dann um die vertikale Zylinderachse 15 rotierend durch die Kolbenmulde 11 als Drallströmung geführt werden. In Fig. 6 ist ein Teil der vorderen Luftströmung 19 "weggeschnitten", um die Ausbildung der Drallströmung durch den Teilstrom 20 sichtbar zu machen.
Fig. 7 zeigt dann bei geschlossenen Gaswechselventilen (das vordere Gasauslaßventil 9 ist zur Verdeutlichung der Darstel­ lung weggelassen), den Kolben 10 im Kompressionshub etwa 15° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt. In dieser Darstellung sind auch die dem vorderen Gaseinlaßventil 7 zugeordnete Teilströmungen 19 zur Vereinfachung und zur Verdeutlichung der Darstellung weggelassen.
Wie Fig. 7 erkennen läßt, wird die Tumbleströmung mit zuneh­ mender Aufwärtsbewegung des Kolbens 10 deformiert bzw. in Mikrowirbel auflöst. Infolge der Verdrängung wird zwischen Quetschfläche 12 und Brennraumdach 3 über die Leitelemente 16 ein Teil der Luft in die Kolbenmulde 11 abgedrängt, so daß in der Kolbenmulde 11 eine intensive Drallströmung aufrechter­ halten bleibt, in die dann über eine Kraftstoffeinspritzdüse 21 (Fig. 1) der Kraftstoff eingespritzt und der Verbrennungs­ vorgang eingeleitet werden kann.

Claims (6)

1. Selbstzündende Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffein­ spritzung in den im Zylinder (1) gebildeten Brennraum (2), der durch ein Abwinkeln des Brennraumdaches (3) mit wenig­ stens einem Gasauslaßventil (9) in einer Dachfläche (3.2) und wenigstens einem Gaseinlaßventil (7) in der anderen Dachflä­ che (3.1) sowie durch einen Kolben (10) mit Kolbenmulde (11) und Quetschfläche (12) begrenzt wird, wobei zumindest das Gas­ einlaßventil (7) im Brennraumdach (3) gegenüber der Zylin­ derachse (15) geneigt angeordnet ist, so daß die einströmende Luft im Brennraum (2) infolge der Kolbenbewegung eine Tum­ bleströmung bildet und wobei der Kolben (10) zumindest in seinem dem Gasauslaßventil (9) zugeordneten Bereich (12, 1) der Quetschfläche (12) wenigstens ein vom Kolbenaußenrand in Richtung der Kolbenmulde (11) in etwa spiralförmig verlaufen­ des Leitelement (16; 18) aufweist.
2. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Quetschfläche (12) des Kolbens (10) paral­ lel zum Brennraumdach (3) abgewinkelt ausgebildet ist.
3. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (16) rinnenförmig ausge­ bildet ist.
4. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitelement (18) stegförmig ausgebil­ det ist.
5. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem dem Gasauslaßventil (9) zugeordneten Bereich (12.1) der Quetschfläche (12) zwei Leit­ elemente (16.1, 16.2) angeordnet sind.
6. Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem dem Gaseinlaßventil (7) zugeordneten Bereich (12.2) der Quetschfläche (12) wenigstens ein Leitelement (16.3) angeordnet ist.
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