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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine
mit zumindest einem Zylinder, mit einem Kolben im Zylinder, der
eine Mulde aufweist.
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Aus
der
EP 08 51 102 B1 geht
eine Verbrennungskraftmaschine hervor, die einen Kolben aufweist,
der eine flache Vertiefung besitzt. Ein- und Auslassventile sind
derart angeordnet, dass sich im Zylinderraum ein Swirl-Wirbel um
die mittig im Zylinderdach des Zylinderkopfes angeordnete Zündkerze entwickeln
kann. Die Randgeometrie des Zylinderkopfes wie auch des Kolbens
sind derart aufeinander abgestimmt, dass bei Annäherung des Kolbens an ein oberes
Ende des Brennraums ein immer enger werdender Spalt zu allen Seiten
entlang eines Umfanges des Kolbenbodens gleichmäßig abnimmt und das im Spalt
verbleibende Luft-/Treibstoffgemisch schließlich in das Innere um die
Zündkerze
herum verdrängt
wird. Die sich dabei ergebenden einzelnen Teilströme werden
gegeneinander geführt
und ergeben dabei eine Erhöhung
einer Turbulenz. Die vorgeschlagene technische Lehre sieht einen
Ausschnitt im Kolbenbereich gegenüberliegend zu einem Einlassventil
vor. Dieser Ausschnitt soll ein Aufbrechen des Swirl-Wirbels bei
Verengung des Spalts zwischen Kolbenoberfläche und Dachoberfläche bewirken
und damit die Turbulenzerhöhung
unterstützen. Ein
derartig vorgeschlagener Aufbau soll in der Lage sein, ein Klopfen
bei der Verbrennung vermeiden zu können.
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Aus
der
US 2003/0145823
A1 geht ein direkteinspritzender Motor hervor, der in der
Verbrennungskammer eine Zündeinrichtung
aufweist, die zentralisiert an der Oberseite der Verbrennungskammer
angeordnet ist, deren Elektroden zur Zündung außerhalb von Einspritzstrahlen
einer Einspritzvorrichtung angeordnet sind. Eine Luftzuführung über das
zumindest eine Einlassventil wird bevorzugt so geführt, dass
sich ein Swirl-Wirbel in der Verbrennungskammer einstellt. Aufgrund
des die Elektroden freilassenden, trotzdem gerichteten Treibstoffstrahls bei
der Einspritzung weist der Kolben eine Oberflächengeometrie auf, die eine
abgerundete Erhebung vom ansonsten geraden Kolbenboden besitzt.
In diese kreisförmige
Erhebung ist eine Mulde eingebracht, in die der Einspritzkegel eintreten
kann, um dort entsprechend des Swirl-Wirbels mit der Frischluft
gemischt zu werden. Die Kolbenbodengeometrie soll hierbei aufgrund
ihres Muldenbodens in der Lage sein, einen abprallenden Einspritzstrom
so abzulenken, dass er in das zentrale Mischvolumen wieder eintritt.
Die Mulde im Kolbenboden ist daher so breit, dass das Mischungsvolumen
vollständig
dort aufgenommen werden kann. Zur Ermöglichung eines variablen Ventiltriebs
ist vorgesehen, dass in den ebenen Bereich des Kolbenbodens eingerückte Ventiltaschen
vorgesehen sind, so das die Ventilsteuerzeiten bei sich dem Zylinderkopf
nä hernden
Kolben trotzdem geändert
werden können.
Mittels einer derartigen Verbrennungskraftmaschine soll eine längere Haltbarkeit
einer Einspritzvorrichtung wie auch einer Zündkerze ermöglicht werden.
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Aus
der
JP 2002-089266 AA eine
Verbrennungskraftmaschine hervor, die in der Lage sein soll, ein
Klopfen bei der Verbrennung unterdrücken zu können. Hierzu ist ein Zylinderkopfdach
wie auch ein Kolben zur Bildung einer Brennkammer vorgesehen, wobei
der Kolbenboden zum überwiegenden
Teil eine Muldengeometrie aufweist. Die Mulde weist eine sanfte
Neigung zum Inneren auf und endet dort in einem flach und eben verlaufenden
Boden. Diesem gegenüberliegend
angeordnet ist eine Zündeinrichtung. Der
Kolben wie auch der Dachbereich des Zylinderkopfes ergeben einen
in etwa dreieckigen Verbrennungsraum, wenn der Kolben in seine obere
Totposition verfahren ist. Die Brennraummulde im Kolbenboden nimmt
hierbei annähernd
die gesamte Oberfläche
des Kolbens in Beschlag, wodurch der Kolben und damit ein unterer
Schenkel des dreieckigen Verbrennungsraums insgesamt flach ist.
Um trotzdem so nah wie möglich
an das Dach der Verbrennungskammer hochfahren zu können, weist
der Kolben eine Umrandung der Kolbenmulde auf, in die Ventiltaschen
für die
Ein- bzw. Auslassventile eingelassen sind.
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Aus
der
US 61 29 066 A ist
es beispielsweise bekannt, bei einer Verbrennungskraftmaschine einen Kolben
für eine
Vier-Ventil-Anordnung mit einer Mulde zu versehen, die in etwa mittig
zu der Anordnung einer Zylinderkerze im Zylinderkopf ist. Weiterhin weist
die Mulde im Kolben eine flache Geometrie auf und ist insbesondere
kreisrund. Eine derartige Kolbengeometrie soll in der Lage sein,
einerseits die Tendenz zum Klopfen zu reduzieren, andererseits einen
verbesserten Magerbetrieb bei reduzierter HC-Emission zu ermöglichen.
Insbesondere soll ein derartiges System für Selbstzündungs-Verbrennungskraftmaschinen einsetzbar
sein.
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Aus
der
EP 1 471 227 A2 ist
eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, die eine Direkteinspritzung
aufweist. Die Einspritzeinrichtung ist etwa mittig in einem Brennraumdach
angeordnet. Neben der Einspritzvorrichtung ist eine Zündkerze
im Brennraum angeordnet. In einem Kolbenboden ist eine Vertiefung
vorhanden, wobei eine Kolbenoberfläche an das Brennraumdach angepasst
ist. Wird eine Brennstoffstrahl aus der Einspritzvorrichtung ausgestoßen, kann
dieser direkt über
die Zündkerze
gezündet
werden. Dieses erfolgt beispielsweise in einem Startmodus. Durch
Auftreffen der Einspritzstrahlen in die Vertiefung erfolgt deren
Richtungsumkehr, wobei sich eine Wirbelbildung einstellen kann.
Dieses erlaubt in einem anderen Betriebsmodus eine Schichtung des eingespritzten Brennstoffs
und erlaubt die Möglichkeit,
verschiedene Ladeverfahren bei unterschiedlichen Umdrehungsgeschwindigkeiten
der Kurbelwelle vorsehen zu können.
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Aus
der
DE 103 04 167
A1 ist eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Benzin-Direkteinspritzung
bekannt. Der Kolbenboden weist eine Kugelkalottenform auf. Des Weiteren
sind in den Kolben für die
Ventile Ausnehmungen eingelassen. Da die Kugelkalottenform außermittig
im Kolbenboden angeordnet ist, sind die Ausnehmungen teilweise ineinander übergehend
bzw. durch erhabene Bereiche voneinander getrennt. Der Kolbenbolden
soll für
eine Drall- wie auch für
eine Tumble-Strömung
nutzbar sein.
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Aus
der
US 45 43 929 ist
eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der verschiedene Brennraumgestaltungen
zum Einsatz kommen können.
Aus den
26 und
27 ist
eine Brennraumform hervorgehend, die eine Mulde im Kolbenboden und
benachbarte Hilfsvertiefungen vorsieht. Die Kolbenoberfläche ist
dachförmig
gestaltet.
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Aus
der
EP 1 589 201 A1 geht
eine Brennraumform aus den
2 bis
5 hervor,
die zum einen neben einer Mulde im Kolbenboden auch Ventiltaschen
in der Kolbenoberfläche
vorsieht, zum anderen eine spezielle Dachform im Zylinderkopf aufweist.
Der Kolbenboden ist hierzu kegelstumpfförmig.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine
mit einem verbesserten, insbesondere an einen Magerbetrieb angepassten
Verbrennungsverlauf auszugestalten.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine mit den
Merkmalen des Anspruches 1 sowie mit einem Verbrennungsverfahren einer
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine
mit den Merkmalen des Anspruches 18 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Eine
erfindungsgemäße Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine,
im Folgenden mit Brennkraftmaschine abgekürzt, weist zumindest einen
Zylinder auf, wobei im Zylinder ein Kolben angeordnet ist, der eine
Mulde aufweist. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine einen Zylinderkopf
auf, der zu einer dachförmigen
Geometrie des Kolbens eine entgegengesetzte Dachform mit einer ersten
und einer zweiten Seite aufweist, die giebelförmig zusammenlaufen, wobei
der Kolben und der Zylinderkopf eine Ober- und eine Unterseite einer
Brennkammer definieren. Die Brennkraftmaschine hat eine Zündeinrichtung,
die zumindest annähernd
mittig in der Dachform angeordnet ist. Weiterhin weist der Zylinder vorzugsweise
zwei Einlassventile auf, die in der ersten Seite angeordnet sind,
sowie vorzugsweise zwei Auslassventile, die in der zweiten Seite
angeordnet sind. Die Mulde erstreckt sich über beide Seiten, wobei die
Mulde seitlich annähernd
senkrecht abfallende Seiten und einen Boden umfasst. Weiterhin weist der
Kolbe mindestens zwei, vorzugsweise vier Quetschflächen auf,
die durch Ventiltaschen für
Ventile zumindest teilweise voneinander getrennt sind.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Ventiltasche zwei
Quetschflächen vollständig voneinander
trennt. Vorzugsweise weist eine Ventiltasche eine Tiefe von zumindest
5 Millimeter in einer Kolbenoberfläche auf. Diese Tiefe liegt gemäß einer
Weiterbildung direkt an einem Rand der Ventiltasche vor. Sie kann
entlang der Ventiltasche konstant sein wie auch sich ändern. Beispielsweise kann
die Ventiltasche eine Ebene mit abnehmender und/oder ansteigender
Fläche
umfassen. Auch kann die Ventiltasche in zumindest einem Bereich
einen Rand aufweisen und in einem zweiten Bereich keinen Rand. Beispielsweise
kann ein Rand in einem sich nach außen zu einem Kolbenmantel erstreckendem Bereich
angeordnet sein. Ein fehlender Rand bzw. ein nur geringer Rand ist
beispielsweise in einem Bereich vorgesehen, der an die Mulde angrenzt.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die Tiefe der Ventiltasche in einem Bereich
zwischen 5 Millimeter und 15 Millimeter angeordnet ist. Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass ein Anteil der Quetschflächen an einer Gesamtoberfläche des
Kolbens in einer Aufsicht von oben zwischen 20% bis 40% beträgt. Der
Anteil kann jedoch auch darunter liegen, beispielsweise bis zu 15%.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Ventiltasche zumindest
in einem Anströmungsbereich
scharfkantig ausgebildet ist. Die Kante weist vorzugsweise keine
Abrundung auf. Vielmehr kann der Rand zusätzlich noch turbulenzerzeugende
Geometrien aufweisen, beispielsweise Scharten, zusätzliche
Vorsprünge
oder ähnliche,
eine Störung
in einer Strömung
verursachende Formen. Die die Kante bildenden Flächen stoßen vorzugsweise in einem spitzen
Winkel zwischen 70° und
90° oder
in einem stumpfen Winkel zwischen 90° und 110° aufeinander. Bevorzugt ist
ein zumindest annähernd
rechter Winkel.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest neben einer Ventiltasche
eine Einbuchtung im Kolbenboden angeordnet ist, die sich von der
Mulde nach außen
vorzugsweise bis annähernd
zum Kolbenmantel hin erstreckt und zumindest eine Kante aufweist,
an der eine Strömung
aufbricht. Diese Kante kann so wie die oben beschriebene Kante der
Ventiltasche ausgeführt
sein. Vorzugsweise ist die Einbuchtung zwischen einer ersten und
einer zweiten Ventiltasche angeordnet und geht in eine Quetschfläche über.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zumindest neben einer
Quetschfläche eine
Einbuchtung im Kolbenboden angeordnet ist, die sich von der Mulde
nach außen
hin zum Kolbenmantel erstreckt und zumindest eine Kante aufweist, an
der eine Strömung
aufbricht. Die Einbuchtung ist vorzugsweise kanalförmig zumindest
teilweise zwischen einer ersten und einer zweiten Quetschfläche angeordnet
und geht vorzugsweise zumindest in eine der Quetschflächen über. Insbesondere
kann die Einbuchtung auch zum Kolbenmantel hin ansteigen, zu den
Seiten aber jeweils scharfe Kanten aufweisen. Auch kann die Einbuchtung
vollständig
mit scharfen Kanten versehen sein.
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Mit
einer wie oben beschriebenen Brennkraftmaschine gelingt es, insbesondere
bei Kraftstoffen, die eine ROZ zwischen 95 bis 98 aufweisen, beste
Wirkungsgrade von über
38% zu erzielen. Insbesondere hat die vorgeschlagene Brennkraftmaschine in
einer Teillast einen Wirkungsgrad, der weit oberhalb dessen liegt,
der bisher mit derartigen Brennkraftmaschinen erzielbar gewesen
ist. Dieses ist durch die Geometrie des Brennraumes bewirkt, da dieser
eine hohe Brenngeschwindigkeit ermöglicht. Insbesondere ist die
Brennkraftmaschine bei sehr magerer Betriebsweise von beispielsweise
Lambda = 1,4 bis 1,5 einsetzbar. Ergänzt kann die Brennkraftmaschine
eine Aufladung aufweisen. Ein Absenken von HC-Emissionen ist durch
besseres Ausbrennverhalten erzielbar.
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Vorzugsweise
weist die Brennkraftmaschine im Zylinderkopf einen Dachwinkel auf,
der zwischen 15 bis 25° liegt.
Die Ventile und Kanäle
im Zylinderkopf sind derart gestaltet, dass eine Tumble-Bewegung
in der Brennkammer erzeugt wird. Insbesondere kann hierzu in den
jeweiligen Kanälen
eine Schaltvorrichtung vorgesehen sein. Auch können die Kanäle eine
Unterteilung hierfür
aufweisen. Aufgrund der Geometrie des Kolbens und dessen Ausrichtung
hinsichtlich der Ventile und Kanäle
wird bei einem Verfahren von UT nach OT eine erzeugte Tumble-Bewegung
in eine Turbulenz umgesetzt. Dadurch ergibt sich eine Flammenkernbildung.
Ein Schwerpunkt der Flammenkernbildung liegt vorzugsweise mittig
in der Mulde in unmittelbarer Nähe
zur Zündeinrichtung.
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Zur
Erzeugung der Turbulenz aus der Tumble-Bewegung sind vorzugsweise
die Muldenkanten wie oben teilweise schon ausgeführt speziell geformt. Dabei
bilden die Kanten Strömungshindernisse,
die ein Aufbrechen der Tumbleströmung bewirken,
die zumindest annähernd
parallel zur Kurbelwellenachse verläuft. Beispielsweise können die Kanten
auch unterbrochen sein oder rampenartige Abschnitte bilden. Der
Kolbenboden ist daher gemäß einer
Ausgestaltung besonders stark profiliert. Dadurch gelingt ein Aufbrechen
der Tumbleströmung beispielsweise
bei einem Durchströmen
der Tumbleströmung
durch die Kolbenmulde. Des Weiteren wird ein Ventilfreigang durch
Taschen vorgesehen, die in den Kolben integriert sind. Die Kanten
der Taschen sind ebenfalls vorzugsweise so gestaltet, dass sie eine
Turbulenzbildung aus einer Tumble-Bewegung zumindest unterstützen. Vorzugsweise
weist der Ventilfreigang eine Einsenkung auf, die um zumindest um
den Faktor 2 tiefer ist als ein minimal notwendiger Freigang. Vorzugsweise
beträgt
der Faktor zwischen 2 und 5. Beispielsweise weist eine Ventiltasche
eine Einsenkung auf, die mindestens 5 mm beträgt.
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Vorzugsweise
ist ein Ventilwinkel so gewählt, dass
zusammen mit den Einlasskanälen
eine Tumble-Strömung
bei offenen Einlassventilen induziert wird. Dieses wird durch die
Brennraumform unterstützt,
bei der die Mulde tief in den dachförmig konstruierten Kolben hineinragt.
Die Mulde sollte gemäß einer
Ausgestaltung eine Tiefe von mindestens 10% des Zylinderdurchmessers
aufweisen, vorzugsweise von mindestens 15%. Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen,
dass die Tiefe mindestens 18% des Zylinderdurchmessers aufweist,
vorzugsweise zumindest 20%. So hat die Mulde beispielsweise eine
Tiefe von 20 mm bei einem Zylinderdurchmesser von 80 mm. Vorzugsweise
ist die Mulde annähernd
mittig im Kolben angeordnet. Dadurch gelingt es, dass in einer Aufwärtsbewegung
des Kolbens die Mulde eine Turbulenzaufbereitung aus der vorhandenen Tumble-Bewegung unterstützen kann.
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Durch
eine Mittigkeit der Mulde wird weiterhin gewährleistet, dass der in OT gebildete
Brennraum sich um die mittig im Zylinderkopf angeordnete Zündkerze
herum konzentriert. Auf diese Weise werden die Flammenwege im Brennraum
kurz gehalten. Dieses wird dadurch unterstützt, dass die Kolbenkontur
zusammen mit dem Zylinderkopf in OT Quetschflächen bildet. Vorzugsweise ist
vorgesehen, dass durch einen notwendigen Ventilfreigang bei OT mit einer
ausgeprägten
Ventilüberschneidung
die sich ergebende Quetschfläche
zumindest in zwei Teilflächen,
vorzugsweise jedoch in vier Teilflächen unterteilt wird. Bei einer
Unterteilung in zwei Teilflächen werden
insbesondere die Einlass- von
den Auslassventilen getrennt. Bei einer Unterteilung der Quetschfläche in vier
Teilflächen
werden die Bereiche aller vier Ventile voneinander getrennt. Vorzugsweise kann
eine Größe der Quetschfläche von
5% bis 40% bezogen auf eine projizierte Kolbenfläche variieren. Die projizierte
Kolbenfläche
ist dabei die Kreisfläche einer
Zylinderbohrung. Insbesondere kann die Quetschfläche dahingehend ausgelegt werden,
dass sie mit einem zu erzielenden Tumble-Niveau korreliert. Hierbei
hat sich herausgestellt, dass bei einem Tumble-Niveau von 4 eine
Quetschfläche
in einem Bereich von 25% bis 35%, insbesondere von 30%, sich als
vorteilhaft erwiesen hat.
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Das
Tumble-Niveau ergibt sich als das Ergebnis einer Berechnung der
Tumble-Zahl. Die Tumble-Zahl CT/CA ergibt sich als Geschwindigkeit einer
Tangentialgeschwindigkeit einer Zylinderladung im Verhätnis zu
einer Axialgeschwindigkeit. Diese wird durch eine Quantifizierung
einer einlassseitig generierten Tumble-Bewegung in einem stationären Strömungsversuch über eine
Drehzahl eines zentral in einem Modellzylinders beaufschlagten Flügelrades ermittelt.
Der Versuchsaufbau hierfür
wie auch die Berechnungsgrößen für die Tumble-Zahl
und damit des Tumble-Niveaus sind bekannt (Thien, G: Entwicklungsarbeiten
an Ventilkanälen
von Viertakt-Dieselmotoren, Österreichische
Ingenieurzeitschrift 8/65, pp. 291). Im Rahmen dieser Offenbarung
wird vollumfänglich
bezüglich
der Ermittlung der Tumble-Zahl auf dieses Dokument verwiesen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Quetschhöhe in OT niedriger als 1 mm
ist, vorzugsweise zwischen 0,5 mm bis 0,7 mm beträgt. Ein
Freischnitt für
die vorhandenen Ventile beträgt dabei
mindestens 5 mm. Auf diese Weise gelingt es, dass einer Flamme auch
in OT ein Einbrennen ermöglicht
wird. Insbesondere ist der Freischnitt derart ausgelegt, dass gemäß einer
Ausgestaltung zu allen Betriebszeitpunkten die Flamme in den gebildeten Spalt
eindringen kann, das dortige Gas verbrennt und dadurch Selbstzündvorgänge vermieden
werden.
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Gemäß einer
Weiterbildung wird zur Unterstützung
vorgesehen, dass ein Übergang
zu einer Quetschfläche
annähernd
winklig, möglichst
ohne eine Abrundung der aufeinandertreffenden Ebenen erfolgt. Auf
diese Weise gelingt es, einen sogenannten Squish- und einen Reverse-Squish-Effekt
nutzen zu können.
Wenn der Kolben gegen OT sehr nahe an den Zylinderkopf verfährt, wird
das Gas in der Brennkammer in die Mulde im Kolbenboden verdrängt. Dadurch
entstehen hohe Gasgeschwindigkeiten und entsprechende Mischungseffekte
in der Mulde. Beim Reverse-Squish wird ausgenutzt, dass bei der
Bewegungsumkehr des Kolbens und damit einhergehender Abwärtsbewegung
von OT nach UT das Gas in den Spalt hineingesaugt wird. Durch diesen
Sog wird insbesondere ein schnelles Erreichen der Quetschzone durch
eine Flamme erzielt. Durch diese Art der Geometrie und insbesondere
der Ausgestaltung der Quetschfläche
gelingt es, dass der dortige Flammenweg kurz gehalten werden kann.
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Bevorzugt
ist zum einen vorgesehen, wenn zwischen 23° und 10° vor OT eine Ausströmung aus dem
Spalt zwischen der Quetschfläche
und dem Kolbendach ihre Maximalge schwindigkeit erreicht. Zum anderen
ist bevorzugt vorgesehen, wenn zwischen 10° und 23° nach OT eine Einströmung in
den Spalt zwischen der Quetschfläche
und dem Kolbendach ihre Maximalgeschwindigkeit erreicht.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine durch ein Auslassventil
verlaufende Achse außerhalb
der Mulde auf den Kolben auftrifft, während eine durch ein Einlassventil
verlaufende Achse zumindest auf einen Rand der Mulde auftrifft.
Dieses wird in OT festgestellt. Weiterhin wird eine Tumble-Erzeugung
und damit eine spätere
vorteilhafte Verbrennung dadurch unterstützt, dass zumindest den Einlassventilen
Einlasskanäle
zugeordnet sind, die parallel zueinander verlaufend in die Brennkammer
münden.
Auch können
zumindest den Auslassventile Auslasskanäle zugeordnet sind, die ebenfalls parallel
zueinander verlaufend in die Brennkammer münden. Dieses ermöglicht die
Erzeugung einer Tumble-Bewegung, die in vereinfachter Weise in allgemeine
Turbulenz aufgebrochen werden kann.
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Für ein zügiges Umsetzen
des Brennstoffes in der Brennkammer ist beispielsweise vorgesehen, dass
eine Brennstoffeinström-Einrichtung
in der Dachform in einer Giebelnähe
auslassventilseitig angeordnet ist, durch die eine Achse einer Brennstoffeinströmung derart
geneigt verläuft,
dass die Achse einer Zündeinrichtungsachse
im Bereich der Dachform im Zylinderkopf gekreuzt wird. Dadurch wird
ein Schwerpunkt der Verbrennung nahe zur Zündeinrichtung und insbesondere
sehr kompakt im Bereich der Mulde ermöglicht. Dieses wird insbesondere
dadurch unterstützt,
dass die Achse der Brennstoffeinströmung in Richtung der Einlassventile
geneigt ist. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, einen Durchstoßpunkt einer
Brennstoffeinströmung,
insbesondere einer Brennstoffdüse,
in den Brennraum anders anzuordnen, beispielsweise näher zum
Einlassventil oder zum Auslassventil hin. Die Brennstoffeinström-Richtung
kann im übrigen
mit einer Achse einer Brennstoffdüse zusammenfallen. Sie kann
jedoch auch davon abweichen. Auch Mischformen mit verschiedenen
Richtungsanteilen bei einer Einspritzung des Brennstoffes sind möglich. Der
zugeführte,
insbesondere eingespritzte flüssige
bzw. eingeströmte
gasförmige
Brennstoff kann auch in getakteter Weise zugeführt werden, wobei eine Steuerung
und/oder Regelung der Brennstoffzufuhr beispielweise eine sich im Brennraum
ergebende, lastabhängige
Verwirbelung berücksichtigt.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine Bestandteil
eines Gas-Motors ist. Der Gas-Motor kann beispielsweise auch im
Magerbetrieb gefahren werden, wobei hierbei ein Spitzendruck von
etwa pmax = 150 bar in der Volllast erreichbar
ist. Der Spitzendruck kann jedoch auch niedriger liegen. Vorzugsweise
wird hierbei eine Unterstützung über einen
Lader, beispielsweise einen mechanischen Lader oder einen Abgasturbolader,
bewirkt. Insbesondere ist im Zusammenspiel zwischen dem Kolben,
dem Zylinderkopf und dem so gebildeten Verbrennungsraum ein hohes
Verdichtungsverhältnis
vorzugsweise zwischen 11 und 16 möglich. Bei einem Gas-Motor,
insbesondere bei einem mit Erdgas angetriebenem Gas-Motor liegt
ein bevorzugter Wert bei etwa 14. Bei Benzinbetrieb beträgt das bevorzugte
Verdichtungsverhältnis
etwa 13. Neben Erdgas können
auch andere, als gasförmiges Fluid
in die Brennkammer einbringbare Brennstoffe eingesetzt werden.
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Die
vorgeschlagene Brennkraftmaschine ist neben der Ausgestaltung als
Direkteinspritzer auch mit einer Brennstoffbringung im Saugrohr
kombinierbar.
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Gemäß einem
weiteren Gedanken der Erfindung wird ein Verbrennungsverfahren einer
Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine wie oben vorgeschlagen nach einem
Vier-Takt-Prinzip
zur Lösung der
Aufgabe herangezogen, wobei eine Tumble-Bewegung einer Strömung in
einem Brennraum während
eines Verdichtungstaktes unter Nutzung von durch eine Mulde in einem
Kolbenboden gebildete Kanten zumindest teilweise in Turbulenz aufgebrochen
wird. Eine derartig erzielte turbulente Strömung wird in einen sich verengenden
Spalt zwischen dem Kolbendach und Quetschflächen im Kolbenboden geführt, wo
sie vor Erreichen des OT wieder herausgeführt wird. Eingeströmter Brennstoff
strömt
in den Spalt mit ein und zurück
und wird dadurch bei einer anschließenden Verbrenunng mitumfaßt, bei
der in OT ein Verdichtungsverhältnis
zwischen 11 und 16 im Brennraum eingestellt wird.
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Quetschflächen am
Kolben unterteilen vorzugsweise den Brennraum, wobei sich eine Konzentration
der Verbrennung unterhalb um die annähernd mittig angeordnete Zündeinrichtung
vollzieht.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist vorgesehen, dass Kanten der Mulde in einem Ansaugtakt
durch einströmende
Luft bzw. Gemisch gekühlt
werden. Insbesondere durch eine Auflösung einer gerichteten Strömung in
Form beispielsweise eines Wirbels kann eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
erreicht werden. Dieses erlaubt einen verbesserten Wärmeaustausch
beispielsweise zwischen den Kanten und einströmendem kalten Frischgas. Weiterhin
wird gemäß einer
Ausgestaltung vorgesehen, dass in der Teillast eine Schichtladung
im Brennraum eingestellt wird. Auf diese Weise kann ein verbessertes
Verbrennungsverfahren insbesondere im Zusammenspiel mit der Muldengeometrie
ermöglicht
werden. Eine weitere Unterstützung
wird durch das Hinzuführen
von aufgeladener Luft in die Brennkammer erzielt. Insbesondere ein
Magerbetrieb lässt
sich auf diese Weise vorteilhaft durchführen.
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Des
weiteren kann eine Zündverstellung
vorgesehen sein. Beispielsweise wird ein Zündzeitpunkt in Vollast nach „spät" verlegt, das heißt in einem
Bereich zwischen 15° bis
zu 20° KW.
Auf diese Weise lässt
sich bei entsprechender Gemischbildung eine kurze Verbrennung mit
geringer NOx-Emission erzielen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in der nachfolgenden
Zeichnung näher
erläutert.
Die in den jeweiligen Ausgestaltungen dargestellten und beschriebenen
Merkmale sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Vielmehr können diese
mit anderen Ausgestaltungen, insbesondere mit den oben beschriebenen
Merkmalen zu Weiterbildungen kombiniert werden. Es zeigen:
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1 In
schematischer Aufsicht einen Kolben mit vorgelagerten Ventilkanälen,
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2 eine
Aufsicht auf einen schematischen Kolben gemäß 1,
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3 eine
schematische Ansicht einer Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine, dessen
zumindest einer Zylinder mit Kolben in einer Aufwärtsbewegung
von UT nach OT dargestellt ist,
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4 den
weiter aufwärts
bewegten Kolben aus 3,
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5 den
in OT angekommenen Kolben aus 3,
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6 eine
schematische Ansicht einer Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine nebst
zugehöriger Aggregate,
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7 eine
schematische Ansicht eines ersten Spaltes,
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8 eine
schematische Ansicht eines zweiten Spaltes,
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9 eine
schematische Ansicht eines dritten Spaltes,
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10 eine
schematische Ansicht von oben auf einen Kolbenboden mit einer ersten
Einbuchtung und
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11 eine
schematische Ansicht von oben auf einen weiteren Kolbenboden mit
mehreren verschiedenen Einbuchtungen.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht von oben auf einen Kolben 1,
der mittig eine Mulde 2 angeordnet aufweist. Der Kolben 1 hat
eine dachförmige
Geometrie mit einer Giebelkante 3. Diese verläuft etwa
mittig entlang des Kolbens 1 und trennt dadurch Auslassventile 5 von
Einlassventilen 4. Die Einlassventile 4 sind dabei
auf einer ersten Seite 6 und die Auslassventile auf einer
zweiten Seite 7 einer hier nicht dargestellten Dachform
eines Zylinderkopfes einer Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine angeordnet.
Die Einlassventile 4 und Auslassventile 5 weisen jeweils
Kanäle 8 auf,
die parallel jeweils zueinander verlaufen. Insbesondere können die
Kanäle
der Einlassventile 4 parallel auch zu den Kanälen 8 der
Auslassventile 5 verlaufen. Weiterhin sind zwischen den Ventilen
Quetschflächen 15 schematisch
angedeutet.
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2 zeigt
den Kolben 1 nochmals in schematischer Aufsicht. Die Mulde 2 weist
für die
Ventile Freischnitte 9 auf. Die Freischnitte 9 für die Einlassventile
können
dabei die gleiche Tiefe aufweisen wie die Freischnitte für die Auslassventile.
Diese können jedoch
auch unterschiedlich sein. Beispielsweise können die Freischnitte für die Auslassventile
weniger tief sein als die Freischnitte für die Einlassventile. Dieses
kann auch umgekehrt der Fall sein. Die Dimensionierung der Freischnitte 9 kann
insbesondere davon abhängen,
wie stark beispielsweise eine Ventilüberschneidung und damit eine Öffnung von
Ventilen insbesondere in OT angestrebt wird. Die Freischnitte 9 können insbesondere
scharfkantig in die Kolbengeometrie eingelassen sein. Auf diese
Weise sind sie in der Lage, bei Auftreffen einer Tumble-Strömung diese
in eine allgemeine, mit Turbulenz behaftete ungerichtete Strömung zerstreuen
zu können. Beispielsweise
weist ein Freischnitt eine Ventiltasche 9.1 auf, an die
sich eine Ausmuldung 9.2 anschließt. Die Ausmuldung 9.2 erstreckt
sich nach außen
zum Kolbenmantel hin und wird seitlich von Quetschflächen umgeben.
Die Ausmuldung 9.2 ist dabei scharfkantig in den Kolbenboden
eingelassen. An diesen Kanten bricht der Tumble-Wirbel auf und erhöht dadurch
einen Turbulenzgrad.
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3 bis 5 zeigen
einen Fortgang einer Tumbleerzeugung. Die Tumbleerzeugung wird beispielsweise
mittels der Kanal- und Ventilgeometrie generiert. Zwischen einem
Kanal und einem Ventil ist ein Winkel α definiert, der derart ausgelegt
ist, dass das einströmende
Gas tangential in den Brennraum einströmt, an einer gegenüberliegenden
Brennraumwand abgelenkt wird und dadurch die Tumblebewegung entsteht.
Mit fortschreitender Bewegung des Kolbens in Richtung OT wird ein
globaler Tumble-Wirbel aufgrund einer Kantenwirkung in viele kleinere
Einzelströmungen
zerlegt. Dadurch löst
sich der Tumble-Wirbel weitestgehend vor Erreichen des OT auf und
der Turbulenzgrad im Brennraum ist angestiegen.
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6 zeigt
in schematischer Ansicht eine Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine 10.
Beispielsweise wird über
einen Tank 11 flüssiges
oder gasförmiges
Verbrennungsfluid zur Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine 10 zugeführt. Beispielsweise
kann in den nicht näher
dargestellten Zylinder auch direkt Gas einströmen. Zusätzlich wird über einen
Lader 12 Luft unter erhöhtem
Druck der Fahrzeug-Kolben-Brennkraftmaschine 10 zugeführt. Der Lader 12 kann
beispielsweise mit einer Abgasturbine 13 gekoppelt sein,
dem wiederum eine Abgasnachbehandlungsstation 14 nachfolgt.
Die Abgasnachbehandlungsstation 14 kann beispielsweise
ein Katalysator und/oder ein Partikelfilter sein.
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7 zeigt
in schematischer Ansicht eine mögliche
Wirkung von spitz zulaufenden Flächen
von beispielsweise Einbuchtungen oder Ventiltaschen im Kolbenboden,
die eine Kante bilden, an der der Tumble gebrochen wird. Der Tumble
ist durch die auf die Kanten auftreffenden Pfeile angedeutet. Die
entstandene Turbulenz wird durch die von der Kante wegströmenden Pfeile
angedeutet.
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8 zeigt
in schematischer Ansicht eine sogenannte „Squish"-Strömung:
vor Erreichen von OT strömt
das zwischen Kolbendach und Quetschfläche befindliche Fluid heraus
in Richtung einer Mulde.
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In 9 ist
ein Zustand nach OT in schematischer Ansicht dargestellt. Hierbei
strömt
das Fluid als „Reverse-Squish" wieder in den Spalt
zurück.
In 9 ist ebenfalls dargestellt, dass die Kante auch durch
spitz zulaufende Flächen
gebildet werden kann.
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In 10 ist
beispielhaft eine weitere Möglichkeit
angegeben, wie eine Einbuchtung neben einer Quetschfläche im Kolbenboden
angeordnet vorliegen kann. Die Einbuchtung weist zumindest in einem
Bereich eine Kantengeometrie, wie sie oben beschrieben ist. Die
Quetschfläche
ist schraffiert angedeutet. Die Einbuchtung verläuft von der Mulde bis zum Kolbenmantel
hindurch. Dadurch ist über
diese gesamte kanalförmige
Länge der
Einbuchtung für
die Strömung
aus dem Spalt die Möglichkeit
gegeben, ein- bzw. ausströmen
zu können.
Zusätzlich
wird durch die Kantenbildung ein Aufbrechen möglicher Wirbel erzeugt.
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In 11 ist
eine weitere mögliche
Ausgestaltung schematisch dargestellt. Hierbei ragt eine Einbuchtung
von der Mulde nach außen,
ohne aber bis zum Kolbenmantel zu reichen. Vielmehr wird die Einbuchtung
durch eine Quetschfläche
vom Kolbenmantel getrennt. Die Einbuchtung wiederum trennt zwei
Ventiltaschen teilweise voneinander.