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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem in einem Zylinder axial verlagerbar angeordneten Kolbe, und mit einem Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in Richtung einer Brennraummulde des Kolbens, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie weisen in der Regel mehrere Zylinder auf, in denen jeweils ein Kolben axial verlagerbar angeordnet ist, wobei der Kolben zusammen mit dem Zylinder und üblicherweise einem den Zylinder einendig verschließenden Zylinderkopf einen Brennraum bildet. In dem Brennraum wird zum Bereitstellen eines zündfähigen Gemischs Kraftstoff mittels eines Einspritzventils eingespritzt. Um den Brennvorgang zu verbessern und dadurch den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen, ist es bekannt, die dem Brennraum zugewandte Oberseite des Kolbens mit einer Brennraummulde, also einer Vertiefung in der Oberseite, zu versehen. Die Brennraummulde dient dazu, den Kraftstoff mit der in die Brennkammer einströmenden Frischluft gut zu vermischen, sodass anschließend ein optimales Brennergebnis erzielt wird.
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Beispielsweise offenbart die deutsche Offenlegungsschrift
DE 103 04 167 A1 einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, der an seiner der Brennkammer zugewandten Oberseite eine Brennraummulde aufweist, die kugelkalottenförmig mit einem flachen Boden ausgebildet ist. Aus der europäischen Patentschrift
EP 0 839 997 B1 ist darüber hinaus ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, dessen Brennraummulde eine oder zwei ineinander liegende kugelförmige Oberflächen aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vermischung von Kraftstoff und Frischluft auf kostengünstige Art und Weise weiter zu verbessern.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat den Vorteil, dass eine vorteilhafte Vermischung von Kraftstoff und Frischluft aufgrund der Brennraummulden-Form erreicht wird. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich dabei durch dadurch aus, dass die Brennraummulde eine zumindest im Wesentlichen tropfenförmige Kontur aufweist. Bevorzugt ist hierbei das Einspritzventil derart ausgebildet, dass die Kontur seines Sprays nicht mittig und kreisförmig auf die Oberseite des Kolbens trifft, sondern so, dass zumindest auch an den geöffneten Einlassventilen vorbeigespritzt wird, damit der Kraftstoff bereits eingespritzt werden kann, wenn die Einlassventile noch nicht vollständig geschlossen sind, ohne dass die Ventilteller der Ein- oder Auslassventile von hinten angespritzt werden. Durch die zumindest im Wesentlichen tropfenförmige Kontur der Brennraummulde wird gewährleistet, dass der in Richtung der Brennraummulde eingespritzte Kraftstoff auch dann optimal durch die Brennraummulde in der Brennkammer verteilt wird. Unter tropfenförmig ist im Kontext der vorliegenden Anmeldung eine Kontur zu verstehen, die auf der einen Seite rund ist und auf der anderen Seite zumindest im Wesentlichen spitz zuläuft. Dabei muss die Spitze nicht spitz enden, sondern kann ebenfalls und bevorzugt auch abgerundet sein.
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Vorzugsweise weist die Brennraummulde eine im Wesentlichen konstante Tiefe auf. Das hat zur Folge, dass die Brennraummulde nur einen schmalen Übergang von einer die Brennraummulde umfänglich begrenzenden Seitenwand zu dem Boden aufweist, sodass eine große ebene Fläche mit einem schmalen Übergang zur Oberfläche des Kolbens, der sogenannten Kolbenkrone, geboten wird. Aufgrund des schmalen Übergangs ist darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass die Kontur des Bodens der Kontur der Brennraummulde insgesamt zumindest im Wesentlichen entspricht, sodass die Brennraummulde nicht nur im Bereich der Oberfläche des Kolbens, sondern die Seitenwand insgesamt die tropfenförmige Kontur aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Boden der Brennraummulde zumindest im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsachse des Kolbens liegt. Die Brennraummulde ist somit unabhängig von der übrigen Kolbenoberfläche senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens ausgerichtet, wodurch das Erzeugen eines optimalen Gasgemischs weiter gefördert wird. Bevorzugt ist die Oberfläche des Kolbens ebenfalls im Wesentlichen eben und zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsachse des Kolbens ausgebildet beziehungsweise ausgerichtet.
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Bevorzugt weist die Brennraummulde eine sich über den gesamten Umfang erstreckende Seitenwand auf, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu dem Boden ausgerichtet ist. Wie bereits erwähnt, wird die Brennraummulde radial beziehungsweise umfangsseitig durch die Seitenwand begrenzt. Durch die zumindest im Wesentlichen senkrechte Ausrichtung der Seitenwand zum Boden wird der schmale Übergang von der Oberfläche des Kolbens zu dem Boden der Brennraummulde gewährleistet.
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Vorzugsweise weist ein erster Übergang von der Seitenwand zu dem Boden eine Krümmung auf beziehungsweise bildet diese. Unter dem ersten Übergang ist hierbei der sich über den gesamten Umfang erstreckende Übergang der Seitenwand in den Boden zu verstehen. Der gekrümmte Übergang bietet strömungstechnische Vorteile, die ein optimales Vermischen des Kraftstoffs mit der Frischluft erlauben.
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Besonders bevorzugt bildet ein zweiter Übergang von der Seitenwand zur Oberseite des Kolbens eine Krümmung beziehungsweise weist diese auf. Der zweite Übergang erstreckt sich ebenfalls bevorzugt über den gesamten Umfang der Brennraummulde, sodass die Brennraummulde insgesamt keine scharten Kanten beziehungsweise Ecken aufweist, die gegebenenfalls strömungstechnisch nachteilig wären.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberseite des Kolbens mindestens eine insbesondere halbkreisförmige Vertiefung für den Ventilteller eines Einlass- oder Auslassventils der Brennkraftmaschine aufweist. Die halbkreisförmige Bodenfläche der Vertiefung ist dabei vorzugsweise schräg zu der Bewegungsrichtung des Kolbens und parallel zur Unterseite des entsprechenden Ventiltellers ausgerichtet, sodass der Ventilteller bei geöffnetem Einlass- oder Auslassventil in die Vertiefung eindringen und dadurch eine noch größere Ventilöffnung geboten werden kann. Vorzugsweise sind auf der Oberseite des Kolbens mehrere entsprechende Vertiefungen vorgesehen, je nach Anzahl der Einlass- und Auslassventile.
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Vorzugsweise ist das Einspritzventil als Zentralinjektor ausgebildet. Der Zentralinjektor ist mittig zu der Brennkammer ausgerichtet, sodass der Kraftstoff mittig in die Brennstoffkammer eingespritzt wird, wobei der Strahl bevorzugt exzentrisch ausgerichtet ist. Der Zentralinjektor ist an entsprechender Stelle zwischen den Ein- und Auslassventilen in dem Zylinderkopf angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Mittelpunkt der Brennraummulde exzentrisch zu dem Kolben beziehungsweise dem Zylinder angeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, dass das vorzugsweise durch den Zentralinjektor asymmetrisch eingespritzte Spray die Brennraummulde optimal trifft, ohne dass ein geöffnetes Einlassventil von dem Strahl getroffen wird.
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Wie bereits erwähnt, ist die Oberseite des Kolbens bevorzugt im Wesentlichen eben ausgebildet, abgesehen von der Brennraummulde und den Vertiefungen für die Ventilteller der Einlass- und/oder Auslassventile.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 einen Kolben mit einer vorteilhaften Brennraummulde in einer perspektivischen Darstellung,
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2 den Kolben in einer Draufsicht,
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3 eine erste Querschnittsansicht des Kolbens,
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4 eine zweite Querschnittsansicht des Kolbens und
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5 ein Anwendungsbeispiel des Kolbens in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Kolben 1 für eine hier nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Bei dem vorliegenden Kolben 1 handelt es sich um einen sogenannten Kastenkolben mit einem im Wesentlichen kreiszylinderförmigen Grundkörper 2, der eine Kolbenbolzenbohrung 3 aufweist, die sich insbesondere in Richtung einer Längsachse der Brennkraftmaschine erstreckt. An seiner Mantelaußenwand weist der Grundkörper 2 oberhalb der Kolbenbolzenbohrung 3 mehrere Kolbenringnuten 4 auf, die mit der Innenmantelfläche eines den Kolben aufnehmenden Zylinders der Brennkraftmaschine zusammenwirken. Auf seiner der durch den Kolben, den Zylinder und einen Zylinderkopf gebildeten Brennkammer zugewandten Oberseite 5 weist der Kolben 1 eine Brennraummulde 6 auf, die tropfenförmig konturiert ist.
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Wie am besten aus 2 ersichtlich, die eine Draufsicht auf den Kolben 1 darstellt, ergibt sich die tropfenförmige Kontur aus einem kreissegmentförmigen Abschnitt 7, an den sich ein Abschnitt 8 mit spitz aufeinander zu laufenden, im Wesentlichen geraden Seitenkonturen folgt, die in eine abgerundete Spitze 9 übergehen. Der runde beziehungsweise kreissegmentförmige Abschnitt 7 erstreckt sich, wie ersichtlich, vorzugsweise um mehr als 180°.
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Der 3, die einen Querschnitt durch den Kolben 1 entlang der Linie A-A gemäß 2 zeigt, und der 4, die einen Querschnitt durch den Kolben 1 entlang der Linie B-B gemäß 2 zeigt, ist jeweils zu entnehmen, dass die Brennraummulde 6 eine im Wesentlichen konstante Tiefe bezüglich der Oberseite 5 aufweist. Hierzu ist der Boden 10 der Brennraummulde 6 im Wesentlichen eben ausgebildet und erstreckt sich zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens 1, die durch einen Doppelpfeil 11 angedeutet ist.
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Die die Brennraummulde 6 umfangsseitig begrenzende Seitenwand 12 ist im Wesentlichen senkrecht bezüglich des Bodens 10 beziehungsweise der Oberseite 5 beziehungsweise parallel zur Bewegungsrichtung gemäß Doppelpfeil 11 ausgerichtet und weist einen ersten Übergang 13 zum Boden 10 und einen zweiten Übergang 14 zu der Oberseite 5 des Kolbens 1 auf. Die Übergänge 13 und 14 sind dabei jeweils gekrümmt beziehungsweise bogenförmig ausgebildet, weisen also eine Krümmung 15 beziehungsweise 16 auf.
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Wie weiterhin aus 1 und 2 ersichtlich, weist die Oberseite 5 des Kolbens 1 für jedes der Einlass- und Auslassventile der Brennkraftmaschine jeweils eine halbkreisförmige Vertiefung 17 beziehungsweise 18 auf, wobei die Vertiefungen 18 den Einlassventilen der Brennkraftmaschine und die Vertiefungen 17 den Auslassventilen zugeordnet sind. In die jeweilige Vertiefung 17, 18 kann der Ventilteller des entsprechenden Ventils eindringen, während sich beispielsweise der Kolben 1 im oberen Todpunkt befindet, um eine größtmögliche Ventilöffnung oder optimale Öffnungszeiten zu gewährleisten. Zumindest erlauben die Vertiefungen 17, 18 ein Öffnen der Ventile unter Beibehaltung eines Mindestabstands zur Oberseite 5 des Kolbens 1. Im Übrigen ist die Oberseite 5 des Kolbens 1 im Wesentlichen eben ausgebildet. Der Mittelpunkt M der Brennraummulde 6, der sich nahe zu dem Mittelpunkt des kreissegmentförmigen Abschnitts 7 befindet, ist exzentrisch auf der Oberseite 5 des Kolbens 1 angeordnet.
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Mit Bezug auf 5 sollen nunmehr die Vorteile des Kolbens 1, wie oben beschrieben, erläutert werden. 5 zeigt dazu den Kolben 1 im Betrieb einer hier nur angedeuteten Brennkraftmaschine 19. Der Kolben 1 ist dabei in einem hier nicht dargestellten Zylinder geführt, der auf einer Seite durch den sogenannten Zylinderkopf verschlossen ist, welcher Einlassventile 20, hier nicht dargestellte Auslassventile sowie ein Einspritzventil 21 trägt, die alle dem Kolben 1 zugeordnet sind. 5 zeigt die Brennkraftmaschine in einer stark vereinfachten Darstellung, dem Fachmann ist jedoch die tatsächliche Ausbildung einer Brennkammer geläufig, sodass bezüglich der Ausbildung des Zylinderkopfs und des Zylinders sowie der Ventile auf den bekannten Stand der Technik verwiesen wird.
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Das Einspritzventil 21 ist als Zentralinjektor 22 ausgebildet, der zentral, also mittig bezüglich des Zylinders beziehungsweise der Oberseite 5 des Kolbens 1, angeordnet ist. Damit die Einlassventile 20 im geöffneten Zustand, wie dargestellt, nicht von hinten mit Kraftstoff benetzt beziehungsweise bespritzt werden, ist der Zentralinjektor 21 derart ausgebildet, dass er ein gerichtetes, asymmetrisches Spray erzeugt, das an den Einlassventilen 20 in deren geöffnetem Zustand vorbei den Kraftstoff in die Brennkammer einbringt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel teilt sich das Spray des Zentralinjektors 22 in mehrere Einzelsprays auf.
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Das so erzeugte Luft-Kraftstoff-Gemisch lässt sich dann mittels einer ebenfalls der Brennkammer zugeordneten Zündkerze 23 zünden. Natürlich ist aber auch die Ausbildung der Brennkraftmaschine als selbstzündende Brennkraftmaschine, beispielsweise als Dieselmotor, denkbar.
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Die Brennraummulde 6 hat nunmehr den Vorteil, dass das an den Einlassventilen 20 beziehungsweise an deren Ventiltellern 24 vorbei geführte Spray, das in Richtung der Brennraummulde 6 gerichtet ist, die Brennraummulde 6 besonders effizient trifft beziehungsweise ausfüllt, wodurch eine vorteilhafte Durchmischung der durch die Einlassventile 20 eingeströmten Frischluft und des eingespritzten Kraftstoffs gewährleistet wird. Durch die vorteilhafte Ausbildung des Kolbens 1 wird somit die Effizienz und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 19 erhöht. Zweckmäßigerweise sind alle Kolben der Brennkraftmaschine 19 entsprechend dem Kolben 1 ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Grundkörper
- 3
- Kolbenbolzenbohrung
- 4
- Kolbenringnuten
- 5
- Oberseite
- 6
- Brennraummulde
- 7
- Abschnitt
- 8
- Abschnitt
- 9
- Spitze
- 10
- Boden
- 11
- Doppelpfeil
- 12
- Seitenwand
- 13
- Übergang
- 14
- Übergang
- 15
- Krümmung
- 16
- Krümmung
- 17
- Vertiefung
- 18
- Vertiefung
- 19
- Brennkraftmaschine
- 20
- Einlassventil
- 21
- Einspritzventil
- 22
- Zentralinjektor
- 23
- Zündkerze
- 24
- Ventilteller
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10304167 A1 [0003]
- EP 0839997 B1 [0003]