DE19802636C1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit den Merk­ malen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

In einem derartigen, auch als Kolbenmotor zu bezeichnenden Verbrennungsmotor ist in einem Zylinder eine Brennkammer aus­ gebildet, in der sich ein Kolben unter Veränderung des Brenn­ kammervolumens bewegt. Ein Teil der bei der Verbrennung von Kraftstoff im Brennraum entstehenden Wärme wird auf die brennraumseitigen Oberflächen, insbesondere an den Kolben, an den Zylinder und an die Ventile übertragen. Ein solcher Wär­ meübergang hat zum einen eine hohe thermische Belastung die­ ser brennraumseitigen Oberflächen zur Folge. Zum anderen geht mit einer dadurch stattfindenden Temperaturabnahme in den Verbrennungsgasen eine Druckabnahme in denselben einher, was zu einer verminderten Motorleistung, insbesondere zu einem reduzierten Motorwirkungsgrad führt.

Aus diesen Gründen gibt es Bestrebungen, den thermischen Wir­ kungsgrad eines Verbrennungsmotors zu verbessern, indem die Wärmeverluste der Verbrennungsgase an diese Oberflächen wäh­ rend der Kompressions- und Leistungsabgabezyklen vermindert werden.

Es sind Verbrennungsmotoren bekannt, bei denen zur Reduzie­ rung der Wärmeverluste die Oberflächen des Brennraumes mit einem thermisch isolierenden Überzug, beispielsweise aus Ke­ ramik, versehen werden.

Aus der DE 31 33 223 A1 ist eine Oberflächenbeschichtung des Brennraumes mit einem thermisch stabilen geschlossenzelligen Harzschaum bekannt.

Die DE-OS 20 12 500 zeigt einen Leichtmetallkolben für ther­ misch hoch beanspruchte Brennkraftmaschinen, der bei geringem Gewicht eine hohe Steifigkeit und eine gute Wärmeaufnahme aufweist. Diese Eigenschaften werden dadurch erreicht, daß zumindest die den Brennraum begrenzende Oberseite des Kolben­ bodens mit waffelartigen Vertiefungen versehen ist, die von geradlinig verlaufenden und sich kreuzenden Stegen von etwa dachförmiger Grundform gebildet werden. Diese Maßnahmen be­ wirken, daß der Kolben eine große Formsteifigkeit auch bei dünner Bodenwandung besitzt und somit für schnell laufende Brennkraftmaschinen geeignet ist. Durch die waffelartige Oberseite vergrößert sich die Oberfläche des Kolbenbodens, so daß eine gute Wärmeaufnahme erzielt wird, wodurch die Kolben­ temperatur wesentlich niedriger gehalten werden kann. Durch den etwa dachförmigen Querschnitt der Stege wird die Wärme über die Stege dem Kolbenboden zugeführt, wodurch eine gute und gleichmäßige Wärmeverteilung über den gesamten Kolbenbo­ den erzielt werden kann, so daß hitzebeständige Kolbenwerk­ stoffe weitgehend entbehrlich sind. Ein derartig aufgebauter Verbrennungsmotor weist somit für diesen Anwendungsfall beab­ sichtigte relativ hohe Wärmeverluste über die Oberflächen des Brennraumes, insbesondere des Kolbens auf, so daß insoweit eine Temperatur- und Druckabnahme in den Verbrennungsgasen stattfindet, wodurch sich der Motorwirkungsgrad reduziert.

Die EP 0 147 149 B1 zeigt einen Kolben für einen Verbren­ nungsmotor, der in einem Zylinder beweglich geführt ist und darin einen Brennraum einseitig begrenzt. Eine dem Brennraum zugewandte Oberfläche dieses Kolbens ist zumindest bereichs­ weise mit einer dreidimensionalen Strukturierung ausgestat­ tet. Diese am Kolbenboden angeordneten Hindernisse dienen zur Ausbildung einer turbulenten Strömung im Brennraum, um auf diese Weise eine starke Durchmischung der noch unverbrannten Brenngase zu erzielen. Diese Maßnahmen unterstützen eine mög­ lichst vollständige Verbrennung des Kraftstoffes sowie einen schnell ablaufenden Verbrennungsvorgang, wodurch sich die Emissionswerte des Motors verbessern lassen.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe für einen Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art eine andere Möglichkeit zur Verringerung der thermischen Verluste im Brennraum anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verbrennungs­ motor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mit Hilfe der im Brennraum herrschenden Strömungsverhältnisse die Wär­ meübertragung von den Gasen im Brennraum auf die Oberfläche des Brennraumes zu reduzieren. Zu diesem Zweck wird vorge­ schlagen, die Strömung dieser Gase im Bereich ihrer Grenz­ schicht mit Hilfe einer geeigneten, vorbestimmten, dreidimen­ sionalen Strukturierung zumindest von Bereichen der dem Brennraum zugewandten Oberfläche in Richtung einer vergrößer­ ten Dicke oder Mächtigkeit der Strömungsgrenzschicht zu be­ einflussen. Durch diese Maßnahme wird die Wärmeübertragung der Gase durch diese Grenzschicht an die Oberfläche des Brennraumes reduziert.

Beim erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor wird durch die ge­ wählte Oberflächenstrukturierung die Grenzschicht zur Redu­ zierung der Wärmeübertragung dahingehend beeinflußt, daß ihre Dicke zunimmt. Je dicker die Strömungsgrenzschicht an der Oberfläche, desto dicker ist auch die Temperaturgrenzschicht an dieser Oberfläche, wodurch sich die Wärmeübertragung an die Oberfläche durch diese Grenzschicht reduziert.

Während bei den bekannten Verbrennungsmotoren die Oberfläche des Brennraumes selbst hitzebeständig und/oder isolierend ausgebildet werden, um die Wärmeverluste im Brennraum zu ver­ ringern, wird beim erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor durch eine spezielle Strukturierung der Brennraumoberfläche eine strömungstechnische Eigenschaft der Gasströmung, insbesondere der Grenzschichtströmung, im Brennraum für diese Zwecke aus­ genutzt. Dabei wird jedoch nicht ausgeschlossen, daß die Brennraumoberflächen zusätzlich in bekannter Weise isolierend und/oder hitzebeständig ausgebildet werden.

Mit Hilfe einer in diesem Sinne wirkenden Grenzschichtbeein­ flussung kann ein wesentlicher Anteil des Wärmeüberganges stark behindert werden. Auf diese Weise verbleibt mehr Wärme­ energie und somit mehr Enthalpie im Brenngas, was zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors führt. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene, vorbestimmte dreidimen­ sionale Strukturierung der brennraumseitigen Oberfläche un­ terscheidet sich von zufälligen Ausgestaltungsformen der Oberfläche, die sich aufgrund der Herstellung dieser Oberflä­ chen zwangsläufig ausbilden, z. B. Rauigkeit, Drehrillen, und zwar insbesondere hinsichtlich der Plazierung an der Oberflä­ che und/oder der dreidimensionalen Dimensionen.

Beispielsweise kann die brennraumseitige Oberfläche in den betreffenden Bereichen gezielt mit regelmäßigen oder unregel­ mäßigen Unebenheiten versehen sein, wodurch sich die vorteil­ hafte Aufdickung der Grenzschicht ausbildet. Die genannten Unebenheiten der Oberflächenstrukturierung sind dabei so ge­ wählt und dimensioniert, daß sich die gewünschte Grenz­ schichtverdickung einstellt. Jedoch sind diese Unebenheiten auch so gewählt und dimensioniert, daß die für die Wärmeüber­ tragung zur Verfügung stehende Oberfläche nicht oder nur ge­ ringfügig vergrößert wird.

Vorzugsweise kann die Strukturierung der brennraumseitigen Oberfläche in Form eines sägezahnförmigen oder schuppenarti­ gen Profils ausgestaltet sein. Eine derartige Strukturierung kann aufgrund der regelmäßig beabstandeten scharfkantigen Konturen Mikroturbulenzen in der Grenzschichtströmung erzeu­ gen, wodurch sich die Grenzschichtverdickung verstärkt.

Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die Strukturierung der brennraumseitigen Oberfläche, insbe­ sondere des Zylinders und/oder des Kolbens, in Form von Stör­ konturen ausgebildet sein. Derartige Störkonturen können vor­ zugsweise durch von der Oberfläche abstehende Erhebungen ge­ bildet sein. Auch hier ist darauf zu achten, daß die Erhebun­ gen zwar insbesondere eine Verdickung der Grenzschicht verur­ sachen, jedoch keine oder nur eine vernachlässigbare Vergrö­ ßerung der einer Wärmeübertragung ausgesetzten Brennraumober­ fläche bewirken. Die Erhebungen sind dabei vorzugsweise mit einer Höhe von weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 0,2 mm, ausgebildet.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn die vorgenannten Erhebungen gleichmäßig voneinander beabstan­ det sind. Durch diese Maßnahme kann wirkungsvoll die Dicke der Grenzschicht beeinflußt werden. Bei parallel zueinander verlaufenden Erhebungen wird ein Abstand von weniger als 1 mm bevorzugt.

Entsprechend einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver­ brennungsmotors können die vorgenannten Erhebungen stegartig und geradlinig ausgebildet sein. Dabei sind die so gebildeten Stege vorzugsweise quer zu der in diesem Oberflächenbereich herrschenden Strömungsrichtung der Grenzschicht angeordnet. Die Stege können außerdem relativ scharfe Kanten aufweisen, die beispielsweise Mikroturbulenzen erzeugen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform können die stegartigen Erhebungen mit einer gleichmäßigen Struktur, insbesondere wa­ benförmig oder sternförmig, an der Oberfläche angeordnet sein. Diese gleichmäßige Strukturierung ermöglicht eine An­ passung an die jeweils in diesem Oberflächenbereich herr­ schenden Strömungsbedingungen, um auf diese Weise die sich dort ausbildende Strömungsgrenzschicht im Sinne einer redu­ zierten Wärmeübertragung zu beeinflussen. Dabei kann es vor­ teilhaft sein, die Oberflächenstrukturierung zur Beeinflus­ sung der Grenzschicht in verschiedenen Bereichen der brenn­ raumseitigen Oberfläche unterschiedlich auszugestalten.

Die zur Verdickung der Strömungs- und Temperaturgrenzschicht beispielhaft vorgeschlagenen Maßnahmen, wie z. B. an der Ober­ fläche quer zur Grenzschichtströmung verlaufende, stegartige, insbesondere gradlinige Erhebungen sind dabei derart auf die jeweils herrschenden Strömungsbedingungen abgestimmt, insbe­ sondere bemessen bzw. dimensioniert, daß sich eine möglichst große Grenzschichtdicke einstellt, ohne daß sich dabei die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche des Brennraumes wesentlich vergrößert.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch mit Hil­ fe eine Kolbens mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Zeichnungen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines Aus­ führungsbeispieles anhand der Zeichnungen. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine mit stegartigen Erhebun­ gen versehene Oberfläche,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine mit einem sägezahnartigen Profil versehene Oberfläche,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine mit relativ unregelmäßi­ gen Erhebungen und Vertiefungen versehene Oberfläche,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Kolben mit einer brenn­ raumseitigen Oberfläche, die mit Mitteln zur Grenz­ schichtbeeinflussung ausgestattet ist,

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Kolben aus Fig. 4 entsprechend dem Pfeil V in Fig. 4,

Fig. 6 eine Detailansicht auf einen mit A gekennzeichneten Bereich der Oberfläche des Kolbens in den Fig. 4 und 5 und

Fig. 7 eine Detailansicht auf einen mit B gekennzeichneten Bereich der Oberfläche des Kolbens der Fig. 4 und 5.

In Fig. 1 ist ein Bereich einer brennraumseitigen Oberfläche 1 wiedergegeben, die mit in Richtung eines Brennraumes 3 ab­ stehenden Erhebungen 2 versehen ist. Diese Erhebungen 2 sind dabei gleichmäßig voneinander beabstandet und bilden dadurch eine dreidimensionale Strukturierung mit sich periodisch wie­ derholender Störkontur an der Oberfläche 1 aus. Der darge­ stellte Oberflächenbereich kann dabei an einer Zylinderwand, einem Kolben, einem Ventil, einem Abgaskrümmer etc. ausgebil­ det sein. Dabei kann die ganze brennraumseitige Oberfläche oder nur bevorzugte Bereiche derselben mit der vorgeschlage­ nen Strukturierung versehen sein.

Die mit 4 bezeichnete Teilung dieser periodischen Störung als Strukturierung der Oberfläche 1 soll vorzugsweise weniger als 1 mm betragen. Die mit 5 bezeichnete Höhe oder Erhabenheit der Erhebungen 2 bezüglich der Oberfläche 1 soll vorzugsweise weniger als 1 mm und insbesondere weniger als 0,2 mm betra­ gen.

Die Erhebungen 2 können stegartig und gradlinig ausgebildet sein und insbesondere parallel zueinander verlaufen. In der Darstellung entsprechend Fig. 1 ist die Oberfläche 1 quer zur Längsrichtung der gradlinigen, stegartigen Erhebungen 2 ge­ schnitten, so daß die Erhebungen 2 nur in ihrem Profil er­ kennbar sind. Die Erhebungen 2 weisen im dargestellten Aus­ führungsbeispiel zwei dem Brennraum 3 zugewandte, relativ scharf ausgebildete Kanten 6 auf, mit denen sich Mikroturbu­ lenzen in einer an die Oberfläche 1 angrenzenden, die Erhe­ bungen 2 im wesentlichen quer überstreichenden Strömung er­ zeugen lassen.

In Fig. 1 ist in einer Grafik die Abhängigkeit der mit 7 ge­ kennzeichneten Strömungsgeschwindigkeit vom Wandabstand im Bereich nach einer Erhebung 2 wiedergegeben. Mit Hilfe eines mit 8 gekennzeichneten Pfeiles wird die Dicke der sich an der Oberfläche 1 ausbildenden Grenzschicht veranschaulicht. Die Dicke 8 der Grenzschicht ist dabei ein Maß, das mit der Redu­ zierung des Wärmeaustausches zwischen dem im Brennraum 3 ent­ haltenen Gas und der Oberfläche 1 korreliert.

Mit Hilfe der als vorzugsweise quer zur Strömungsrichtung der Grenzschichtströmung verlaufende Störungen bzw. Erhebungen 2 ausgebildeten Strukturierung wird die Strömungsgrenzschicht und somit die Temperaturgrenzschicht in der Nähe der Oberflä­ che 1 gestört, wodurch diese gestörte Strömung erst bei einem größeren Wandabstand dieselbe Strömungsgeschwindigkeit 7 er­ reichen kann, als eine ungestörte Strömung. Das bedeutet, daß die Grenzschichtdicke 8 der gestörten Strömung größer als bei einer entsprechenden ungestörten Strömung ist. Die vergrößer­ te Grenzschichtdicke 8 hat zur Folge, daß der Wärmeübergang stärker behindert ist als bei einer ungestörten Strömung mit entsprechend geringerer Grenzschichtdicke 8.

Fig. 2 zeigt eine andere Strukturierung der Oberfläche 1, mit deren Hilfe die Grenzschichtströmung hinsichtlich einer bes­ seren Isolationswirkung beeinflußt werden kann. Die Struktu­ rierung der Oberfläche 1 ist entsprechend Fig. 2 dazu als sä­ gezahnartiges oder schuppenförmiges Profil 9 ausgestaltet. Ein derartiges Profil 9 kann eine von der Oberfläche 1 wegge­ richtete Geschwindigkeitskomponente erzeugen. Außerdem er­ zeugt die angeströmte, am Profil 9 ausgebildete scharfe Kante 10 Mikroturbulenzen. Sowohl diese Mikroturbulenzen als auch die von der Oberfläche 1 weggerichtete Strömungskomponente bewirken eine Verdickung der Grenzschicht in der Gasströmung an der Oberfläche 1. Auch das Sägezahnprofil 9 wiederholt sich in periodischen Abständen 4, wobei auch hier dieser Ab­ stand oder diese Teilung 4 vorzugsweise weniger als 1 mm be­ trägt.

Entsprechend Fig. 3 können die Störkonturen an der Oberfläche 1 bzw. kann die Strukturierung der Oberfläche 1 auch unregel­ mäßig ausgebildet sein. Dabei können sich von der Oberfläche 1 abstehende Erhebungen 11 und sich in die Oberfläche 1 ein­ schneidende Vertiefungen 12 abwechseln. Auch derartige Stö­ rungen vermögen die Dicke oder Mächtigkeit der Grenzschicht zu erhöhen, jedoch ist insbesondere bei unregelmäßig angeord­ neten Störkonturen darauf zu achten, daß diese derart bemes­ sen sind, daß möglichst keine Zunahme der Oberfläche erfolgt, an der ein Wärmeübergang stattfinden kann.

Um eine solche unregelmäßig ausgebildete Oberfläche herzu­ stellen, stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, von denen die folgenden beispielhaft aufgeführt sind: Furchen, Quetschen, Ätzen, Prägen, Bearbeiten mit Laser, Einbringen der Störung in eine Gießform, Plasmaspritzen, Hämmern.

Fig. 4 stellt den prinzipiellen Aufbau eines Kolbens 14 ins­ besondere eines Dieselmotors im Querschnitt dar. Eine dem Brennraum 3 zugewandte Stirnseite 13 des Kolbens 14 bildet dabei die brennraumseitige Oberfläche 1. Die Stirnseite 13 des Kolbens 14 weist dabei einen mit A gekennzeichneten, ringscheibenförmigen ersten Oberflächenbereich auf. In der Stirnseite 13 ist außerdem mittig eine Vertiefung 15 ausge­ bildet, in der sich ein mit B gekennzeichneter zweiter Ober­ flächenbereich befindet. Die Stirnseite 13 mit den Oberflä­ chenbereichen A und B ist in Fig. 5 zur Verdeutlichung in der Draufsicht dargestellt.

Im Oberflächenbereich A findet während des Kolbenhubes in der Grenzschicht der Brenngasströmung eine Änderung der Strö­ mungsrichtung statt. Die in diesem Bereich A gewählte Struk­ turierung der Oberfläche 1 ist an diese Strömungsbedingungen angepaßt, indem beispielsweise die gemäß Fig. 1 stegartig ausgebildeter Erhebungen 2 entsprechend Fig. 6 in einem wa­ benförmigen Muster angeordnet sind. Somit ergibt sich für je­ de beliebige Strömungsrichtung entlang der Oberfläche 1 eine im wesentlichen gleichartige Störung der Grenzschicht mit der oben beschriebenen isolierenden Wirkung.

Im Unterschied dazu verläuft im Oberflächenbereich B der Ver­ tiefung 15 in der Stirnseite 13 des Kolbens 14 die Gasströ­ mung im wesentlichen in der gleichen Richtung, nämlich rota­ torisch hinsichtlich der Längsmittelachse des Kolbens 14 bzw. des vorzugsweise zylindrischen Brennraumes 3. Um für diese besonderen Strömungsverhältnisse geeignete Oberflächenstruk­ turierung zur Beeinflussung der Grenzschichtströmung zu er­ zielen, wird z. B. vorgeschlagen, die gemäß Fig. 1 stegartig ausgebildeten Erhebungen 2 entsprechend Fig. 7 strahlenförmig bzw. radial bezüglich der Mittellängsachse des Kolbens 14 bzw. des Brennraumes 3 verlaufend anzuordnen. Wie aus Fig. 7 zu entnehmen ist, können die strahlenförmig angeordneten Ste­ ge bzw. Erhebungen 2 dabei unterschiedliche Längen aufweisen. Auf diese Weise wird verhindert, daß z. B. im radial innenlie­ genden Bereich die Abstände benachbarter Erhebungen 2 nicht zu klein werden, was für die beabsichtigte Grenzschichtbeein­ flussung nachteilig sein könnte.

Claims (10)

1. Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Kolben, der in ei­ nem Zylinder beweglich geführt ist und darin einen Brennraum einseitig begrenzt, wobei eine brennraumseitige Oberfläche zu­ mindest bereichsweise mit einer dreidimensionalen Strukturie­ rung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung (2, 9, 11, 12) derart geformt ist, daß sich die Dicke (8) einer sich an dieser Oberfläche (1) ausbil­ denden Strömungsgrenzschicht vergrößert.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung der brennraumseitigen Oberfläche (1) als schuppenförmiges oder sägezahnartiges Profil (9) ausgestaltet ist.

3. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung der brennraumseitigen Oberfläche (1) in Form von Störkonturen (2) ausgebildet ist, die im wesentlichen quer zu einer im jeweiligen Oberflächenbereich vorherrschenden Strömungsrichtung der Grenzschichtströmung verlaufend angeord­ net sind.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung bzw. die Störkonturen durch von der Oberfläche (1) abstehende Erhebungen (2) gebildet sind.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (2) gleichmäßig voneinander beabstandet sind.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (2) stegartig, gradlinig ausgebildet sind.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die stegartigen Erhebungen (2) mit einem gleichmäßigen Mu­ ster, vorzugsweise wabenförmig oder sternförmig, an der Ober­ fläche (1) angeordnet sind.

8. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf im Bereich der dem Kolben (14) gegenüber­ liegenden Oberfläche (1) mit der Strukturierung (2, 9, 11, 12) versehen ist.

9. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung (2, 9, 11, 12) der Oberfläche (1) in verschiedenen Bereichen (A, B) der brennraumseitigen Oberfläche (1) unterschiedlich ausgestaltet ist.

10. Kolben für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, wobei eine einem Brennraum zugewandte Ober­ fläche zumindest bereichsweise mit einer dreidimensionalen Strukturierung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung (2, 9, 11, 12) derart geformt ist, daß sich die Dicke (8) einer sich an dieser Oberfläche (1) ausbil­ denden Strömungsgrenzschicht vergrößert.