DE19713029A1 - Viertakt-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und direkter Ein­ spritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, mit einem hin- und hergehenden Kolben pro Zylinder und einer dachförmig ausgebildeten Brennraumdeckfläche mit mindestens einem Auslaßventil und mindestens zwei Einlaßventilen, sowie mit im Brennraum eine Tum­ bleströmung erzeugenden und auf einer Seite der durch die Kurbelwellenachse und die Zylinderachse aufgespannten Motorlängsebene angeordneten Einlaßkanälen sowie einer in den Brennraum mündenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung und einer im Bereich der Zylinder­ achse in der Brennraumdeckfläche angeordneten Zündquelle.

Ständig steigende Anforderungen an eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und die Re­ duktion der Abgasemissionen, insbesondere der Kohlenwasserstoffe und der Stickoxide, erfordern den Einsatz neuer Technologien im Bereich der Verbrennungskraftmaschinen und hier insbesondere im Bereich der im PKW überwiegend eingesetzten Ottomotoren mit Fremd­ zündung.

Ein wesentlicher Grund für den gegenüber z. B. Dieselmotoren höheren spezifischen Kraft­ stoffverbrauch einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine liegt in der Betriebsweise mit vorgemischtem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch. Dies bedingt eine Regelung der Motor­ last mit Hilfe eines Drosselorganes zur Begrenzung der insgesamt angesaugten Gemisch­ menge (Quantitätsregelung).

Diese Drosselung der Ansaugströmung führt zu einem thermodynamischen Verlust, der den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine erhöht. Das Potential zur Verbrauchsre­ duzierung der Verbrennungskraftmaschine bei Umgehung dieser Drosselung kann auf etwa 25% geschätzt werden.

Eine vollständige Nutzung des Potentials zur Verbrauchsreduktion wird durch direkte Kraft­ stoffeinspritzung und weitgehend ungedrosselten Betrieb des Motors möglich, wodurch eine fremdgezündete Brennkraftmaschine ähnlich dem Dieselmotor mit Qualitätsregelung, d. h. einer Regelung der Motorlast durch Veränderung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses betrieben werden kann.

Diese Betriebsweise erfordert jedoch gezielte Maßnahmen zur Sicherstellung einer vollständi­ gen und stabilen Verbrennung auch bei sehr hohem Luftüberschuß (niedrige Motorlast), bei welchem ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht mehr zündfähig ist.

Die allgemein bekannte Lösung dieser Anforderung besteht hier in der Realisierung einer stark geschichteten, also inhomogenen Gemischverteilung, die sich bei direkter Kraftstoffein­ spritzung durch Einspritzung des Kraftstoffes kurz vor der Zündung vorteilhaft erreichen läßt.

Eine derartige durch direkte Kraftstoffeinspritzung generierte Gemischschichtung muß durch die Hauptströmungsstrukturen im Zylinderraum der Brennkraftmaschine sowie durch die Geometrie des Brennraumes stabilisiert werden, um selbst in Anwesenheit der typischerweise sehr hohen Turbulenzgrade der Motorinnenströmung den Zeitraum zwischen dem Einsprit­ zende und der Zündung überdauern zu können. Als Hauptströmungsformen kommen hier die Wirbelbewegungen Drall und Tumble in Betracht. Bei einer Drallströmung rotiert die Zylin­ derladung aufgrund der Einlaßkanalgestaltung um die Zylinderachse, während bei einer Tumbleströmung eine Rotation um eine zur Kurbelwelle parallele Achse zu beobachten ist.

Ein einlaßgenerierter Tumblewirbel zeigt einerseits eine Beschleunigung der Rotation durch die Verkleinerung der Querschnittsfläche während der Kompression. Andererseits ist der Tumblewirbel im Vergleich zum einer um die Zylinderachse rotierenden Drallströmung etwas instabiler und neigt zum Zerfall in komplexere Sekundärwirbel. In der Endphase der Kom­ pression ist bei genügend flachem Ventilwinkel (eines typischen Vierventil-Brennraums) ein starker Zerfall des Tumblewirbels in kleinere stochastisch verteilte Wirbel zu beobachten. Eine Tumbleströmung läßt sich im Zylinderraum eines modernen mehrventiligen Ottomotors mit 2 oder 3 Einlaßventilen sinnvoll erzeugen ohne deutliche Verringerungen des Durchfluß­ koeffizienten der Einlaßkanäle in Kauf nehmen zu müssen. Die Tumbleströmung stellt daher heute ein häufig angewandtes Strömungskonzept für Ottomotoren dar, bei welchen mit Hilfe erhöhter Ladungsbewegung die Verbrennungscharakteristiken verbessert werden sollen.

Zur Einbringung des Kraftstoffes in den Brennraum unter den genannten Strömungsbedin­ gungen ist aus dem SAE-Paper 940188 ein Einspritzventil bekannt, welches einen kegelförmigen Einspritzstrahl mit hoher Zerstäubungsgüte des Kraftstoffes erzielt. Durch Än­ derung des Kraftstoffdruckes und des Brennraumgegendruckes kann der Kegelwinkel des Einspritzstrahls beeinflußt werden. Eine charakteristische Eigenschaft derartiger Einspritzdü­ sen ist die Verbesserung der Zerstäubungsgüte mit steigendem Einspritzdruck. Diese gewünschte Abhängigkeit führt jedoch zu steigenden Geschwindigkeiten des Einspritzstrahls von bis zu 100 m/s und somit zu einem hohen Impuls des in den Brennraum eintretenden Kraftstoff-Sprays. Demgegenüber weist die Luftströmung im Brennraum, selbst bei starker einlaßgenerierter Drall- oder Tumblebewegung mit maximal ca. 30-40 m/s, einen deutlich geringeren Impuls auf, weshalb der Einspritzstrahl in einer ersten Phase des Eintritts in den Brennraum nur unwesentlich von der Brennraumströmung beeinflußt wird.

Es stellt sich unter diesen Voraussetzungen die allgemeine Aufgabe, aus dem Einspritzstrahl eine örtlich begrenzte Gemischwolke zu erzeugen, diese von der Mündung des Einspritzven­ tiles in die Nähe der Zündkerze zu transportieren und das Gemisch innerhalb der Wolke weiter mit Brennraumluft zu vermischen. Dabei sind folgende Punkte wesentlich:

• - Die Gemischwolke muß insbesondere bei niedrigen Motorlasten deutlich abgegrenzt blei­ ben und sich aus thermodynamischen Gründen sowie zur Reduzierung der Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe möglichst in der Mitte des Brennraumes befinden.
• - Die Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffes und seine Vermischung mit der Brenn­ raumluft auf ein vorzugsweise stöchiometrisches Luftverhältnis muß in der vergleichsweise kurzen Zeitspanne zwischen Einspritzzeitpunkt und Zündzeitpunkt erfol­ gen.
• - An der Zündkerze sollte eine geringe mittlere Strömungsgeschwindigkeit und gleichzeitig ein hohes Turbulenzniveau herrschen, um die Entflammung der Gemischwolke durch den Zündfunken zu begünstigen.

Bei der Gestaltung eines geeigneten Brennverfahrens für einen direkteinspritzenden Ottomo­ tor sind neben den Charakteristiken der Einspritzstrahlausbreitung auch die zur Verfügung stehenden Brennraumabmessungen zu berücksichtigen. Für PKW-Ottomotoren typische Hub­ räume des Einzelzylinders führen zu Bohrungsdurchmessern von ca. 60 bis 100 mm, wobei sich der Kolbenhub in der gleichen Größenordnung bewegt.

In Anbetracht der genannten Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Einspritzstrahls muß daher ein Auftreffen zumindest eines Teils des Kraftstoff-Sprays auf der Kolbenoberfläche erwartet werden. Die Gestaltung der Brennrauminnenströmung sollte daher diesen Vorgang der Wand­ benetzung berücksichtigen.

Zur Formung der Gemischwolke und zur Aufbereitung des Kraftstoff-Sprays können folgende Effekte genutzt werden:

• - Umlenkung des hohen Impulses des Einspritzstrahls zur Zündkerze mit Hilfe der Kol­ benoberfläche.
• - Hoher Einspritzdruck zur Verbesserung der Zerstäubung und damit zur Beschleunigung der direkten Verdampfung des Kraftstoff-Sprays vor der Wandberührung.
• - Erzeugung eines erhöhten Turbulenzniveaus im Bereich des Einspritzstrahls durch die Brennrauminnenströmung.
• - Beschleunigung der Wandfilmverdampfung durch Erzeugung einer hohen Strömungsge­ schwindigkeit am benetzten Bereich der Kolbenoberfläche.

Aus der EP 0 558 072 A1 ist eine Ausführungsform eines Motors bekannt, in welchem durch die Form und Anordnung der Einlaßkanäle eine umgekehrte Tumble-Bewegung der Brenn­ raumströmung erzeugt wird, die durch eine schanzenartige Ausformung der Kolbenoberfläche verstärkt wird. Diese Kolbenoberfläche dient gleichzeitig der Umlenkung des Einspritzstrahls zur Zündkerze, die in Zylindermitte angeordnet ist. Einspritzstrahl und Brennraumströmung streichen so in gleicher Richtung über die Kolbenoberfläche. Der Einspritzstrahl bzw. die dar­ aus nach der Umlenkung am Kolben entstehende Gemischwolke kann sich jedoch nach dem Auftreffen auf die Zylinderkopfwand nahe der Zündkerze in alle Richtungen nahezu ungehin­ dert ausbreiten. Ein Bemühen um eine möglichst starke Konzentration der Gemischwolke nach der Umlenkung am Kolben ist daher nicht erkennbar. Ferner erzeugt die auf der Kol­ benoberfläche ausgebildete Schanze unter den Auslaßventilen eine Quetschfläche. Diese erzeugt zwar während der Kompression des Motors kurz vor dem obere Totpunkt eine ge­ wünschte zusätzliche Strömungsbewegung. Diese kehrt sich jedoch nach Durchlaufen des oberen Totpunktes um, was zu einem Auseinanderreißen der während der Kompression auf­ gebauten Gemischkonzentration führt.

Aus der EP 0 694 682 A1 ist eine weitere Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung bekannt, bei welcher durch die Ausformung der Einlaßkanäle eine Drallströmung im Zylinderraum erzeugt wird. Die Kolbenoberfläche weist hier eine ausge­ prägte Mulde mit umgebender Quetschfläche auf, wobei die Mulde derart exzentrisch angeordnet ist, daß die zentral im Brennraum befindliche Zündkerze und das radial angeord­ nete Einspritzventil sich jeweils am Muldenrand befinden. Der Kraftstoff wird gezielt gegen den zu diesem Zweck speziell ausgeformten Muldenrand gespritzt. Die Kolbenoberfläche hat hier also die Aufgabe, den Kraftstoffstrahl in erster Linie umzulenken. Der Drallströmung kommt die Aufgabe zu, den von der Muldenkante umgelenkten Kraftstoff zur Zündkerze zu transportieren.

Setzt man als Basis eines fremdgezündeten Motors mit direkter Kraftstoffeinspritzung ein Aggregat mit mindestens zwei Einlaßventilen pro Brennraum zur optimalen Zylinderfüllung voraus, so ergibt sich ein wesentliches Problem bei der Konzeption des Brennverfahrens aus der Komponentenanordnung, da neben der Zündkerze auch die Einspritzdüse im Zylinderkopf untergebracht werden muß, wobei diese in etwa mit der Zündkerze vergleichbare Dimensio­ nen aufweist.

Aus Gründen der Zündsicherheit und der Verbrennungsstabilität wurde in der Vergangenheit überwiegend eine Anordnung der Einspritzdüse möglichst nahe an der Zündkerze angestrebt. Eine Anordnung der Einspritzdüse dicht neben der Zündkerze hat zwangsläufig eine Verklei­ nerung der Ventildurchmesser zur Folge und wird daher zu unerwünschten Leistungseinbußen fuhren. Eine Anordnung der Einspritzdüse bei gleichzeitiger Beibehaltung der bei Mehrventil- Ottomotoren realisierten optimierten Ventildurchmesser ist somit nur zwischen den Ventilen nahe der Zylinderwand möglich. Hier ist insbesondere die Anordnung der Einspritzdüse in der Brennraumdachfläche seitlich zwischen einem Einlaß- und einem Auslaßventil vorteilhaft. Diese Anordnung bedingt zwar einen vergrößerten konstruktiven Aufwand bei der Integration der Einspritzdüse in die Struktur des Zylinderkopfes, andererseits bleibt bei dieser Düsenpo­ sition die Gestaltung der Einlaßkanäle unbeeinflußt von den Bedürfnissen des Düseneinbaus. Um eine möglichst große Neigung des Einspritzstrahles zur Zylindermitte auch bei be­ schränktem Neigungswinkel der Düse zu erreichen, erscheint hier auch die Verwendung von Einspritzdüsen sinnvoll, bei denen die Symmetrieachse des Einspritzstrahls gegenüber der Symmetrieachse der Düse geneigt ist.

Die Position der Einspritzdüse in einem vergleichsweise weiten Abstand von der vorzugs­ weise zentral im Brennraum eingesetzten Zündkerze stellt jedoch besondere Anforderungen an das Brennverfahren. Der Kraftstoffstrahl muß einen weiteren Weg von der Düse zum Zündort zurücklegen, was gleichzeitig auch einen größeren zeitlichen Abstand zwischen der Einspritzung und der Zündung zur Folge hat. Beide Faktoren erschweren in Anbetracht des generell hohen Turbulenzgrades im Brennraum die Aufrechterhaltung einer kompakten Ge­ mischwolke mit geringen zyklischen Schwankungen, was zur Gewährleistung einer stabilen, wiederholgenauen Verbrennung in jedem Motorzyklus unerläßlich ist.

Die Wiederholgenauigkeit des räumlichen Ausbreitungsvorganges kann deutlich verbessert werden, wenn die Zylinderinnenströmung eine geordnete und über dem Kompressionsvor­ gang möglichst lange stabile Struktur aufweist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und die Strö­ mung im Brennraum günstig zu beeinflussen, um eine optimale Verbrennung unter den dargestellten Randbedingungen unter Zugrundelegung einer einlaßgenerierten Tumbleströ­ mung im Zylinderraum der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, wobei insbesonders folgende Aufgaben erfüllt werden sollen:

• - Unterstützung der Ausbildung der Tumblegrundströmung während der Ansaugphase.
• - Effiziente Umsetzung der Tumblegrundströmung in erhöhte Turbulenz in der Spätphase der Kompression.
• - Umlenkung des Einspritzstrahls zur Zündkerze.
• - Führung der Gemischströmung zur weitestmöglichen Begrenzung der zyklischen Schwan­ kungen der Gemischverteilung.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Kolben an seiner brennraumseitigen Oberfläche eine im wesentlichen T-förmige Anordnung von Strömungsleitrippen aufweist, von welchen eine Längsrippe in Richtung quer zur Kurbelwellenachse angeordnet ist und eine von der Zylinderachse beabstandete Querrippe etwa in Richtung der Kurbelwellenachse ver­ läuft und vorzugsweise in zumindest einem Punkt etwa parallel zur Kurbelwellenachse angeordnet ist, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung im Zylinderkopf im Bereich der Mo­ torlängsebene vorgesehen ist und vorzugsweise die Kolbenoberfläche zwischen den Leitrippen und der Kolbenaußenkante eine kontinuierlich gekrümmte, konkave Form an­ nimmt und der Einspritzstrahl auf einen dieser konkav ausgebildeten Bereiche gerichtet ist.

Dabei wird besonders die während der Kompression typischerweise auftretende Umformung des Tumblewirbels in zwei gegensinnig rotierende Wirbel berücksichtigt, deren Drehachsen sich während der Kompression zunehmend parallel zur Zylinderachse ausrichten. Diese durch "Umklappen" des parallel zur Kurbelwellenachse rotierenden Tumblewirbels entstandene Strömungsform wird auch als ω-Tumble bezeichnet. Dabei bildet sich eine von der Auslaß­ zur Einlaßseite über die Kolbenoberfläche streichende Luftströmung aus, welche sich im mittleren Bereich des Zylinders durch die Querrippe aufrichtet. Diese Strömung wird insbe­ sondere noch dadurch gefördert, daß die Kolbenoberfläche teilweise auf der der Kurbelwelle zugewandten Seite einer von der Kolbenaußenkante aufgespannten Bezugsebene liegt.

Um eine Strömungsablösung des quer zu der Längsrippe zur Zylindermitte vordringenden Einspritzstrahles und der mit ihm mitgerissenen Luftströmung zu gewährleisten ist es vorteil­ haft, wenn die Längsrippe eine gerundete Oberkante aufweist, deren Rundung direkt in die anschließende konkave Kolbenoberfläche übergeht, wobei der Radius der Rundung der Längsrippe vorzugsweise zwischen 1 mm und 3 mm beträgt und besonders vorzugsweise sei­ nen kleinsten Wert im Bereich der Motorlängsebene annimmt.

In einer möglichen Ausgestaltung wird eine asymmetrische Brennraumströmung erreicht, wenn der in Richtung der Kurbelwellenachse gemessene Abstand der Längsrippe von der Zy­ linderachse im Bereich der Motorlängsebene höchstens 0,2 mal dem Kolbendurchmesser, vorzugsweise 0,1 mal dem Kolbendurchmesser beträgt. Diese Asymmetrie kann auch bei der Einlaßströmung berücksichtigt werden, indem der Tumbleströmung eine geringe Drallkom­ ponente überlagert wird, etwa durch asymmetrische Kanalanordnung oder durch leichte Drosselung eines der Ansaugkanäle.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Längsrippe im Bereich der Einlaßseite stetig verlaufend in die Querrippe übergeht. Dies ermöglicht es, während der Ansaugphase die Tumbleströ­ mung zu stabilisieren, wobei es in der oben genannten Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft ist, wenn die Längsrippe in Richtung der Zylinderachse gesehen, einen gekrümm­ ten Verlauf aufweist und vorzugsweise im Bereich der Zylinderachse den größten Abstand auf eine, die Zylinderachse beinhaltende Normalebene auf die Kurbelwellenachse aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß die Querrippe zumindest über­ wiegend im Bereich der Einlaßseite angeordnet ist und der normal zur Motorlängsebene gemessene Abstand der Querrippe von der Zylinderachse zwischen 0,1 und 0,45 mal dem Kolbendurchmesser beträgt.

Zur Erzielung eines optimalen Lenkungseffekts für die Strömung ist es weiters vorteilhaft, wenn die Längsrippe zumindest teilweise die größte mögliche Höhe aufweist. Diese wird durch die Kontur des Brennraumdaches bei Stellung des Kolbens im oberen Totpunkt und durch den nötigen Freigang der Ventile begrenzt. Da die Längsrippe sich nahe dem oberen Totpunkt bis auf wenige Millimeter der Brennraumdeckfläche nähert, wird der Brennraum für den kurzen Zeitraum um den oberen Totpunkt quasi in zwei Teilräume geteilt, wobei die Ein­ bringung des Kraftstoffes in nur einen dieser Teilräume erfolgt. Dies unterstützt die Schichtladefähigkeit dieses Brennverfahrens.

Zur Ausbildung einer optimalen Strömungsform ist es vorteilhaft, wenn die Austrittsöffnung der Einspritzeinrichtung im Bereich zwischen einem Einlaßventil und einem Auslaßventil angeordnet ist und einen radialen Abstand von mindestens 0,3 mal dem Kolbendurchmesser und maximal 0,55 mal dem Kolbendurchmesser von der Zylinderachse aufweist.

Die Symmetrieachse des von der Einspritzeinrichtung erzeugten Einspritzstrahles weist dabei im bevorzugten Fall mit einer Querebene auf die Kurbelwellenachse einen Winkel von min­ destens 30° und maximal 60°, vorzugsweise 45° auf und ist in den Bereich der Zylindermitte gerichtet. Weiters kann vorgesehen sein, daß der von der Einspritzeinrichtung erzeugte kegel­ förmige Einspritzstrahl einen Kegelwinkel β von mindestens 30° und maximal 90°, vorzugsweise 60° aufweist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Viertakt-Brennkraftmaschine in einer ersten erfindungsgemaßen Aus­ führung, Fig. 2 die Brennkraftmaschine im Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 diese Brennkraftmaschine während der Kraftstoffeinspritzung in einem Schnitt entsprechend Fig. 2, Fig. 4 diese Brennkraftmaschine während der Kraftstoffeinspritzung in einer Ansicht in Richtung der Zylinderachse, Fig. 5 eine zweite Ausführungsvariante der Erfindung für eine Brennkraftmaschine mit drei Einlaßventilen.

Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen verse­ hen.

In einem Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine ist ein hin- und hergehender Kolben 2 längs­ verschieblich angeordnet. Das Bezugszeichen 1a bezeichnet die Zylinderwand. Durch die dachförmige Brennraumdecke 3 des Zylinderkopfes 4 und die Kolbenoberfläche 5 des Kol­ bens 2 wird ein Brennraum 6 gebildet, in welchen beispielsweise zwei in Fig. 1 strichliert eingezeichnete Einlaßkanäle 7 und zwei Auslaßkanäle 8 einmünden. Mit 9 und 10 sind schrägliegende Einlaßventile und Auslaßventile durch strichlierte Linien angedeutet. Bezugs­ zeichen 11 bezeichnet eine mittig angeordnete Zündkerze. Zwischen einem Einlaßkanal 7 und einem Auslaßkanal 8 ist im Bereich der Motorlängsebene 17 eine, strichliert in Fig. 1 ange­ deutete Einspritzdüse 19 zur direkten Einbringung von Kraftstoff in den Brennraum 6 angeordnet.

An der Kolbenoberfläche 5 weist der Kolben 2 eine Leitrippenanordnung 12 auf, welche die in den Fig. 4 und 5 mit den Pfeilen 13 angedeutete, als Tumble ausgebildete Zylinderinnen­ strömung beeinflußt, um einen optimalen Verbrennungsablauf zu erreichen. Einerseits wird diese Beeinflussung durch eine Parallelisierung der Tumbleströmung 13 bei ihrer Umlenkung an der Kolbenoberfläche 5, andererseits durch eine Umlenkung bzw. Konzentration des Kraft­ stoffes bzw. des Kraftstoff-Luftgemisches in einem Teilbereich des Brennraumes 6 bewirkt.

Wie aus den Figuren ersichtlich ist, weist die Leitrippenanordnung 12 eine von der Zylinder­ achse 15a in einem Abstand 14c entfernte Längsrippe 14 auf. Die Oberkante 14a der Längsrippe weist - im Grundriß betrachtet - zumindest in einem Punkt eine zur Normalebene 16 parallele Tangente 14b auf, wie Fig. 4 zeigt. Durch die Längsrippe 14 wird die Ausbildung von Querkomponenten der Tumbleströmung bei deren Umlenkung am Kolben 2 verhindert und andererseits die Gemischwolke 20 begrenzt.

Zusätzlich zur Längsrippe 14 ist eine Querrippe 18 vorgesehen, die aus den Teilrippen 18′ und 18′′ besteht und die einen normalen Abstand 18c zur Motorlängsebene 17 aufweist. Die Oberkante 18a der Querrippe 18 weist - im Grundriß betrachtet - zumindest in einem Punkt eine zur Motorlängsebene 17 parallele Tangente 18b auf. Die mit der Längsrippe 14 kombi­ nierte Querrippe 18 verstärkt zusätzlich die Aufrichtung der Tumbleströmung 12 nach der Umlenkung am Kolben 2 und trägt damit zur weiteren Verringerung der Ausbildung von Se­ kundärstrukturen und zur Intensivierung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Tumblewirbels 13 nahe dem oberen Totpunkt bei.

Die Höhe H der Längsrippe 14 über einer von der Kolbenaußenkante 2a aufgespannten Be­ zugsebene 2b nimmt vorzugsweise das maximal mögliche Maß an, welches durch die Kontur der dachförmigen Brennraumdecke 3 bei Stellung des Kolbens 2 im oberen Totpunkt und den nötigen Freigang der Ventile 9, 10 begrenzt wird. Die Höhe h der Querrippe 18 ist geringer als die maximale Höhe H der Längsrippe 14.

Die Längsrippe 14 und die Querrippe 18 bildet - in Richtung der Zylinderachse 15a betrachtet - annähernd die Form des Buchstabens "T".

Wie in Fig. 2 ersichtlich, weist die Kolbenoberfläche 5 zwischen der Längsrippe 14 bzw. der Querrippe 18 und der Kolbenaußenkante 2a kontinuierlich gerundete und konkav ausgeführte Bereiche 5a auf und kann zumindest teilweise unterhalb der von der Kolbenaußenkante 2a aufgespannten Bezugsebene 2b liegen. Die Oberkante 18a der Querrippe 18 ist mit einem Ra­ dius r ausgeführt. Die Oberkante 14a der Längsrippe 14 weist vorzugsweise einen genügend kleinen Krümmungsradius R auf, um eine Strömungsablösung des etwa parallel zur Motor­ längsebene 17 zur Zylindermitte vordringenden Kraftstoffstrahles 19c und der mit ihm mitgerissenen Luftströmung 13a zu gewährleisten, was zu einer Aufrichtung der Strömungs­ richtung im mittleren Bereich des Zylinders 1 führt (Fig. 3). Auf der Einlaßseite bildet sich durch die Annäherung des Kolbens 2 an die Brennraumdecke 3 im oberen Totpunkt eine Quetschströmung aus, wie durch die Pfeile 13b angedeutet ist. Die Symmetrieachse 19b des Einspritzstrahles 19c schließt dabei mit der Normalebene 16 einen Winkel α zwischen 30° und 60° ein. Der Kegelwinkel β des Einspritzstahles 19c beträgt zwischen 30° und 90°, vor­ zugsweise 60°. Mit 19a ist die Austrittsöffnung der Einspritzeinrichtung 19 bezeichnet, welche zur Normalebene 16 einen Abstand 19d aufweist. Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß die Gemischwolke 20 zur Zündeinrichtung 11 gelenkt wird.

Die erfindungsgemäße Kolbenform kann auch bei Brennkraftmaschinen mit mehr als zwei Einlaßventilen 9 angewendet werden, wie in Fig. 5 gezeigt ist. In diesem Fall ist die Ein­ spritzdüse 19 in einem Abstand 19e von der Motorlängsebene 17 entfernt angeordnet.

Claims (13)

1. Viertakt-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und direkter Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum (6), mit einem hin- und hergehenden Kolben (2) pro Zylinder (1) und einer dachförmig ausgebildeten Brennraumdeckfläche (3) mit min­ destens einem Auslaßventil und mindestens zwei Einlaßventilen (9) sowie mit im Brennraum (6) eine Tumbleströmung (13) erzeugenden und auf einer Seite der durch die Kurbelwellenachse (15) und die Zylinderachse (15a) aufgespannten Motor­ längsebene (17) angeordneten Einlaßkanälen (7), sowie einer in den Brennraum (6) mündenden Kraftstoffeinspritzeinrichtung (19) und einer im Bereich der Zylinder­ achse (15a) in der Brennraumdeckfläche (3) angeordneten Zündquelle (11), dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (2) an seiner brennraumseitigen Oberfläche (5) eine im wesentlichen T-förmige Anordnung von Strömungsleitrippen (12) aufweist, von welchen eine Längsrippe (14) in Richtung quer zur Kurbelwellenachse (15) an­ geordnet ist und eine von der Zylinderachse (15a) beabstandete Querrippe (18) etwa in Richtung der Kurbelwellenachse (15) verläuft und vorzugsweise in zumindest einem Punkt etwa parallel zur Kurbelwellenachse (15) angeordnet ist, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (19) im Zylinderkopf im Bereich der Motor­ längsebene (17) vorgesehen ist und vorzugsweise die Kolbenoberfläche (5) zwischen den Leitrippen (14, 18) und der Kolbenaußenkante (2a) eine kontinuierlich ge­ krümmte, konkave Form annimmt und der Einspritzstrahl (19c) auf einen dieser konkav ausgebildeten Bereiche (5a) gerichtet ist.

2. Viertakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenoberfläche (5) teilweise auf der der Kurbelwelle zugewandten Seite einer von der Kolbenaußenkante (2a) aufgespannten Bezugsebene (2b) liegt.

3. Viertakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrippe (14) eine gerundete Oberkante (14a) aufweist, deren Rundung di­ rekt in die anschließende konkave Kolbenoberfläche (5a) übergeht, wobei der Radius (R) der Rundung der Längsrippe (14) vorzugsweise zwischen 1 mm und 3 mm beträgt und besonders vorzugsweise seinen kleinsten Wert im Bereich der Mo­ torlängsebene (17) annimmt.

4. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der in Richtung der Kurbelwellenachse (15) gemessene Abstand (14c) der Längsrippe (14) von der Zylinderachse (15a) im Bereich der Motor­ längsebene (17) höchstens 0,2 mal dem Kolbendurchmesser (D), vorzugsweise 0,1 mal dem Kolbendurchmesser (D) beträgt.

5. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Längsrippe (14) im Bereich der Einlaßseite stetig verlaufend in die Querrippe (18) übergeht.

6. Viertaktbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Längsrippe (14) in Richtung der Zylinderachse (15a) gesehen, einen gekrümmten Verlauf aufweist und vorzugsweise im Bereich der Zylinder­ achse (15a) den größten Abstand (14c) auf eine, die Zylinderachse (15a) beinhaltende Normalebene (16) auf die Kurbelwellenachse (15) aufweist.

7. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Querrippe (18) zumindest überwiegend im Bereich der Einlaßseite angeordnet ist.

8. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der normal zur Motorlängsebene (17) gemessene Abstand (18c) der Querrippe (18) von der Zylinderachse (15a) zwischen 0,1 und 0,45 mal dem Kol­ bendurchmesser (D) beträgt.

9. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Querrippe (18) auf ihrer ganzen Länge eine geringere Höhe (h) aufweist als die größte Höhe (H) der Längsrippe (14).

10. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Längsrippe (14) zumindest teilweise die größte mögliche Höhe (H) aufweist, die durch die Kontur des Brennraumdaches (3) bei Stellung des Kol­ bens (2) im oberen Totpunkt und den nötigen Freigang der Ventile (8, 9) begrenzt wird.

11. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (19a) der Einspritzeinrichtung (19) im Bereich zwischen einem Eintrittsventil (9) und einem Austrittsventil (10) angeord­ net ist und einen radialen Abstand (19d) von mindestens 0,3 mal dem Kolbendurchmesser (D) und maximal 0,55 mal dem Kolbendurchmesser (D) von der Zylinderachse (15a) aufweist.

12. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Symmetrieachse (19b) des von der Einspritzeinrichtung (19) erzeugten Einspritzstrahls (19c) mit einer Normalebene (16) auf die Kurbelwel­ lenachse (15) einen Winkel (α) von mindestens 30° und maximal 60°, vorzugsweise etwa 45° einschließt und in Zylinderachsrichtung gesehen in den Bereich der Zylin­ dermitte gerichtet ist.

13. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der von der Einspritzeinrichtung (19) erzeugte kegelförmige Einspritzstrahl (19c) einen Kegelwinkel (β) von mindestens 30° und maximal 90°, vorzugsweise etwa 60° aufweist.