DE102005030988A1

DE102005030988A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005030988A1
Application number: DE102005030988A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Altenschmidt; Andreas Dipl.-Ing. Biemelt; Stephan Dr.-Ing. Krämer; Uwe Dipl.-Ing. Schaupp
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-07-02
Filing date: 2005-07-02
Publication date: 2007-01-04

Abstract

Eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine (1) weist wenigstens einen einen Brennraum (5) aufweisenden Zylinder (4) auf, in dem ein Kolben (6) zum Ausführen einer Oszillationsbewegung zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt verschieblich angeordnet ist. In den Brennraum (5) ragt wenigstens eine Zündkerze (7). Der Kolben (6) weist in dem der Zündkerze (7) gegenüberliegenden Bereich eine Mulde (8) auf, welche derart ausgebildet ist, dass der Abstand zwischen dem tiefsten Punkt des Bodens (8a) der Mulde (8) und der Mitte der Funkenstrecke (9) der Zündkerze (7) im oberen Totpunkt des Kolbens (6) mindestens 8 mm beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine mit wenigstens einem einen Brennraum aufweisenden Zylinder nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Derartige in Großserien hergestellte Brennkraftmaschinen sind meist sehr weit entwickelt und es werden moderne Technologien mit teilweise komplexen Verfahren zum Betreiben derselben eingesetzt. Zu den neueren Entwicklungen zählen unter anderem der variable Ventiltrieb, die Entdrosselung durch Abgasrückführung sowie die Ladungsschichtung. Durch verschiedene Maßnahmen wurde des weiteren auch eine Erhöhung der Verdichtung erreicht. Allerdings stößt die Entwicklung insbesondere bei der mechanischen und der thermodynamischen Auslegung der Brennkraftmaschinen an Grenzen, die neuer Lösungsansätze bedürfen.

In thermodynamischer Hinsicht gilt dies insbesondere für die Gemischentflammung innerhalb des Brennraums, für welche die folgenden Zündbedingungen gelten: Das Gemisch muss zündfähig sein, es muss an irgendeiner Stelle in dem zündfähigen Gemisch die Zündtemperatur des Gemisches überschritten sein und darüber hinaus muss die Zufuhr von Wärme aus der frei werdenden Verbrennungswärme schneller erfolgen als die Abführung von Wärme.

Aufgrund des teilweise hohen Restgasgehalts, erhöhter Ladungsbewegungen oder einer geschichteten Ladung können sich die Entflammungsbedingungen soweit verschlechtern, dass es nicht nur zu einer verschleppten Verbrennung, sondern teilweise auch zu Aussetzern der Entflammung kommen kann. Der Entflammungsprozess wird des weiteren durch eine hohe Verdichtung, eine große Ventilüberschneidung sowie eine aus Gründen des Bauraums außermittig angeordnete Zündkerze beeinflusst.

Wenn durch eine Erhöhung der Verdichtung und der Ventilüberschneidung der Kolben mit sehr tiefen Ventiltaschen und einem Dach zum Ausgleich der Verdichtung ausgeführt werden muss, kann es insbesondere bei späten Zündzeitpunkten in der frühen Phase der Entflammung zu einer erhöhten Wärmeabfuhr aus dem Flammkern kommen, wenn dieser den Kolben berührt. Dies kann zu den oben erwähnten Aussetzern der Entflammung führen.

Wenn die Zündkerze außermittig angeordnet ist, steigert dies noch die genannten Probleme, da die Entflammung nicht nur durch eine erhöhte Ladungsbewegung und hohe Restgasanteile, sondern auch durch die zeitliche Zuordnung der Gemischeinspritzung und des Zündzeitpunkts erschwert werden kann.

Gattungsgemäße Brennkraftmaschinen gehen aus der EP 0 889 225 A1 und der EP 1 362 996 A1 hervor. Allerdings sind die dort beschriebenen Kolben nicht in der Lage, die oben genannten, sehr vielschichtigen Probleme zu lösen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welcher in jedem Zustand, in dem die Brennkraftmaschine betrieben wird, eine sichere Entflammung des eingespritzten Kraftstoffs gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Mulde, die im oberen Totpunkt des Kolbens einen Abstand zu der Mitte der Funkenstrecke der Zündkerze von mindestens 8 mm herstellt, ist ein ausreichender Mindestabstand zwischen dem Ort der Entstehung des Zündfunkens und dem Kolbenboden an dem der Zündkerze gegenüberliegenden Bereich des Kolbens gewährleistet. Dadurch wird das Entflammungsverhalten des durch die Zündkerze entzündeten Kraftstoff-Luft-Gemisches derart beeinflusst, dass sichergestellt ist, dass die Abführung von Wärme aus der Verbrennung langsamer erfolgt als die Zufuhr der Wärme, so dass eine sichere Entflammung und ein schnelles Ausbreiten der Flammenfront sichergestellt ist.

Eine konstruktiv sehr einfache und zugleich wirkungsvolle Lösung zur Herstellung des erfindungsgemäßen Mindestabstandes zwischen dem tiefsten Punkt des Bodens der Mulde und der Mitte der Funkenstrecke der Zündkerze ergibt sich, wenn die Mulde eine Tiefe von 1–6 mm aufweist.

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Mulde innerhalb einer flächenmäßig größeren Mulde angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine auch andere Verfahren ausführen, zu denen entsprechende Kolbengeometrien erforderlich sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.

Dabei zeigen:
1 eine erste Ausführungsform des Kolbens der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
2 eine zweite Ausführungsform des Kolbens der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine; und
3 eine dritte Ausführungsform des Kolbens der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
1 zeigt einen Teil einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine 1, welche ein Kurbelgehäuse 2 und einen mit dem Kurbelgehäuse 2 auf nicht dargestellte Art und Weise verbundenen Zylinderkopf 3 aufweist. Die Brennkraftmaschine 1 weist mehrere Zylinder auf, von denen in den 1 bis 3 jeweils einer dargestellt und mit dem Bezugszeichen 4 versehen ist. Prinzipiell kann die Brennkraftmaschine 1 jede beliebige Anzahl an Zylindern 4 aufweisen.
In an sich bekannter Weise weist der Zylinder 4 einen Brennraum 5 sowie einen Kolben 6 auf, der zum Ausführen einer Oszillationsbewegung zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt verschieblich innerhalb des Zylinders 4 angeordnet ist. In sämtlichen Figuren ist der Kolben 6 jeweils in seinem oberen Totpunkt dargestellt. In den Brennraum 5 ragt des Weiteren eine in dem Zylinderkopf 3 befestigte Zündkerze 7, welche zum Entzünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Brennraum 5 dient. Hierzu wird der Kraftstoff mittels eines nicht dargestellten Einspritzventils direkt in den Brennraum 5 eingespritzt und entsprechend dem Verfahren, mit dem die Brennkraftmaschine 1 betrieben wird, zu einem geeigneten Zeitpunkt entzündet. Auf den Zündzeitpunkt und die mit der Brennkraftmaschine 1 durchführbaren Verfahren wird im Folgenden jedoch nicht näher eingegangen.
Um eine sichere Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und ein schnelles Ausbreiten der entstehenden Flammenfront zu gewährleisten, wozu die Zufuhr von Wärme aus der frei werdenden Verbrennungswärme schneller erfolgen muss als die Abführung von Wärme, weist der Kolbenboden 6a des Kolbens 6 in dem der Zündkerze 7 gegenüberliegenden Bereich eine Mulde 8 auf, wel che derart ausgebildet ist, dass der mit "h" bezeichnete Abstand zwischen dem tiefsten Punkt des Bodens 8a der Mulde 8 und der Mitte der Funkenstrecke 9 der Zündkerze 7 im oberen Totpunkt des Kolbens 6 mindestens 8 mm beträgt. Im vorliegenden Fall weist die Mulde 8 eine Tiefe t von 1–6 mm auf, d.h. der Höhenunterschied von dem Punkt, in dem der Kolbenboden 6a in die Mulde 8 übergeht, bis zu dem tiefsten Punkt des Bodens 8a der Mulde 8 beträgt 1–6 mm. Mit dem der Zündkerze 7 gegenüberliegenden Bereich des Kolbenbodens 6a ist in diesem Fall der Bereich um eine gedachte Senkrechte von der Funkenstrecke 9 der Zündkerze 7 auf den Kolbenboden 6a gemeint. Die Funkenstrecke 9 bezeichnet den Entladungsraum zwischen den zwei Elektroden der Zündkerze 7.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist der Kolbenboden 6a des Kolbens 6 neben der Mulde 8 noch eine Vertiefung 10 auf, welche für einen ausreichenden Freigang der nicht dargestellten Gaswechselventile der Brennkraftmaschine 1 sorgt. Die Vertiefung 10 erstreckt sich von einem Kolbendach 11 des Kolbens 6 nach außen, wobei das Kolbendach 11 für eine höhere Verdichtung des Zylinders 4 sorgt. Bei der Vertiefung 10 kann es sich um eine umlaufende oder auch um einzelne Vertiefungen handeln.
Bei dem in 1 dargestellten Kolben 6 sind die Zündkerze 7 und die Mulde 8 im Bereich einer Mittelachse 6b des Kolbens 6 angeordnet und eine Mittelachse 7a der Zündkerze 7 ist wenigstens annähernd parallel zu der Mittelachse 6b des Kolbens 6 ausgerichtet. Im vorliegenden Fall sind die Mittelachse 7a der Zündkerze 7 und die Mittelachse 6b des Kolbens 6 sogar deckungsgleich.
Bei den in den 2 und 3 dargestellten Brennkraftmaschinen 1 sind jeweils die Zündkerze 7 sowie die der Zündkerze 7 gegenüberliegende Mulde 8 des Kolbens 6 außerhalb der Mittelachse 6b des Kolbens 6 bzw. von derselben entfernt angeordnet. Des Weiteren ist die Mittelachse 7a der Zündkerze 7 gegenüber der Mittelachse 6b des Kolbens 6 um einen bestimmten Winkel geneigt. Dennoch befindet sich in dem Kolbenboden 6a des Kolbens 6 auch bei diesen Ausführungsformen die Mulde 8, wobei der tiefste Punkt des Bodens 8a derselben von der Mitte der Funkenstrecke 9 der Zündkerze 7 im oberen Totpunkt des Kolbens 6 einen Abstand von mindestens 8 mm aufweist. Wiederum beträgt die Tiefe t der Mulde 8 1–6 mm. Gerade bei solchen außermittig und unter einem Winkel eingebauten Zündkerzen 7 kam es bislang mitunter zu Schwierigkeiten was die Entflammung anbelangte.
Während bei dem Kolben 6 gemäß 2 der Kolbenboden 6a mit Ausnahme der Mulde 8 vollständig eben ausgebildet ist, weist der Kolbenboden 6a des Kolbens 6 gemäß 3 eine weitere, flächenmäßig größere Mulde 12 auf, in welcher die kleinere Mulde 8 angeordnet ist. Hierbei wird die Tiefe t der Mulde 8 vom Boden der größeren Mulde 12 aus gemessen und beträgt wiederum 1–6 mm.
Die Größe der Mulde 8 ist stets auf einem engen Bereich auf der der Zündkerze 7 gegenüberliegenden Seite des Kolbenbodens 6a beschränkt, um dort die Wärmeabfuhr aus dem Flammenkern des entzündeten Kraftstoff-Luft-Gemisches zu verringern und dennoch keinen zu großen negativen Einfluss auf die Verdichtung zu erzeugen. Vorzugsweise beträgt die Fläche der Mulde 8 bezogen auf die gesamte Fläche des Kolbenbodens 6a 2–30%, insbesondere 3–8%. Die Form der Mulde 8 ist nahezu beliebig, d.h. die Mulde 8 kann rund, oval, eckig oder auch mit einer anderen geeigneten Form ausgeführt sein.

Claims

Direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine mit wenigstens einem einen Brennraum aufweisenden Zylinder, in dem ein Kolben zum Ausführen einer Oszillationsbewegung zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt verschieblich angeordnet ist, wobei in den Brennraum wenigstens eine Zündkerze ragt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6) in dem der Zündkerze (7) gegenüberliegenden Bereich eine Mulde (8) aufweist, welche derart ausgebildet ist, dass der Abstand zwischen dem tiefsten Punkt des Bodens (8a) der Mulde (8) und der Mitte der Funkenstrecke (9) der Zündkerze (7) im oberen Totpunkt des Kolbens (6) mindestens 8 mm beträgt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (8) eine Tiefe (t) von 1–6 mm aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (8) innerhalb einer flächenmäßig größeren Mulde (12) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (7) und die Mulde (8) im Bereich der Mittelachse (6b) des Kolbens (6) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (7a) der Zündkerze (7) wenigstens annähernd parallel zu der Mittelachse (6b) des Kolbens (6) ausgerichtet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (7) und die Mulde (8) außerhalb der Mittelachse (6b) des Kolbens (6) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (7a) der Zündkerze (7) gegenüber der Mittelachse (6b) des Kolbens (6) geneigt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Mulde (8) bezogen auf die gesamte Fläche des Kolbenbodens (6a) 2–30%, insbesondere 3–8%, beträgt.