DE19804161C2 - Viertakt-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und direkter Ein­ spritzung des Kraftstoffes in einen Brennraum, mit einem hin- und hergehenden Kolben pro Zy­ linder und einer dachförmig ausgebildeten Brennraumdeckfläche mit mindestens einem Auslaß­ ventil und mindestens zwei Einlaßventilen, sowie mit im Brennraum eine Tumbleströmung erzeugenden Einlaßkanälen sowie einer in den Brennraum mündenden Kraftstoffeinspritzein­ richtung und einer im Bereich der Zylinderachse in der Brennraumdeckfläche angeordneten Zündquelle.

Ständig steigende Anforderungen an eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und die Reduk­ tion der Abgasemissionen, insbesondere der Kohlenwasserstoffe und der Stickoxide, erfordern den Einsatz neuer Technologien im Bereich der Verbrennungskraftmaschinen und hier insbeson­ dere im Bereich der im PKW überwiegend eingesetzten Ottomotoren mit Fremdzündung.

Ein wesentlicher Grund für den gegenüber z. B. Dieselmotoren höheren spezifischen Kraftstoff­ verbrauch einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine liegt in der Betriebsweise mit vorge­ mischtem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch. Dies bedingt eine Regelung der Motorlast mit Hilfe eines Drosselorganes zur Begrenzung der insgesamt angesaugten Gemischmenge (Quanti­ tätsregelung).

Diese Drosselung der Ansaugströmung führt zu einem thermodynamischen Verlust, der den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine erhöht. Das Potential zur Verbrauchsreduk­ tion der Verbrennungskraftmaschine bei Umgehung dieser Drosselung kann auf etwa 25% ge­ schätzt werden.

Eine vollständige Nutzung des Potentials zur Verbrauchsreduktion wird durch direkte Kraftstoff­ einspritzung und weitgehend ungedrosselten Betrieb des Motors möglich, wodurch eine fremdge­ zündete 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 vollständigen 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 Kraftstoffeinspritzung 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 Einspritzende und der Zündung überdauern zu können. Als Hauptströmungsformen kommen hier die Wirbelbewegun­ gen Drall und Tumble in Betracht. Bei einer Drallströmung rotiert die Zylinderladung aufgrund der Einlaßkanalgestaltung um die Zylinderachse, während bei einer Tumbleströmung eine Rota­ tion 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 Tumble­ wirbel im Vergleich zum einer um die Zylinderachse rotierenden Drallströmung etwas instabiler und neigt zum Zerfall in komplexere Sekundärwirbel. In der Endphase der Kompression 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 zwei oder drei Einlaß­ ventilen sinnvoll erzeugen, ohne deutliche Verringerungen des Durchflußkoeffizienten der Ein­ laßkanäle in Kauf nehmen zu müssen. Die Tumbleströmung stellt daher heute ein häufig ange­ wandtes Strömungskonzept für Ottomotoren dar, bei welchen mit Hilfe erhöhter Ladungsbe­ wegung die Verbrennungscharakteristiken verbessert werden sollen.

Zur Einbringung des Kraftstoffes in den Brennraum unter den genannten Strömungsbedingungen ist aus dem SAE-Paper 940188 ein Einspritzventil bekannt, welches einen kegelförmigen Ein­ spritzstrahl mit hoher Zerstäubungsgüte des Kraftstoffes erzielt. Durch Änderung des Kraftstoff­ druckes und des Brennraumgegendruckes kann der Kegelwinkel des Einspritzstrahls beeinflußt werden. Eine charakteristische Eigenschaft derartiger Einspritzdüsen 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 Einspritzventiles in die Nähe der Zündkerze zu transportieren und das Gemisch innerhalb der Wolke weiter mit Brenn­ raumluft zu vermischen. Dabei sind folgende Punkte wesentlich:

• - Die Gemischwolke muß insbesondere bei niedrigen Motorlasten deutlich abgegrenzt bleiben und sich aus thermodynamischen Gründen sowie zur Reduzierung der Emissionen unver­ brannter Kohlenwasserstoffe möglichst in der Mitte des Brennraumes befinden.
• - Die Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffes und seine Vermischung mit der Brennraumluft auf ein vorzugsweise stöchiometrisches Luftverhältnis muß in der ver­ gleichsweise kurzen Zeitspanne zwischen Einspritzzeitpunkt und Zündzeitpunkt erfolgen.
• - 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 Ottomotor sind neben den Charakteristiken der Einspritzstrahlausbreitung auch die zur Verfügung stehenden Brennraumabmessungen zu berücksichtigen. Für PKW-Ottomotoren typische Hubräume des Ein­ zelzylinders 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 wer­ den. Die Gestaltung der Brennrauminnenströmung sollte daher diesen Vorgang der Wandbe­ netzung 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 Kolbenoberfläche.
• - 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 Brennraumströ­ mung erzeugt wird, die durch eine schanzenartige Ausformung der Kolbenoberfläche verstärkt wird. Diese Kolbenoberfläche dient gleichzeitig der Umlenkung des Einspritzstrahls zur Zünd­ kerze, die in Zylindermitte angeordnet ist. Einspritzstrahl und Brennraumströmung streichen so in gleicher Richtung über die Kolbenoberfläche. Der Einspritzstrahl bzw. die daraus nach der Um­ lenkung am Kolben entstehende Gemischwolke kann sich jedoch nach dem Auftreffen auf die Zylinderkopfwand nahe der Zündkerze in alle Richtungen nahezu ungehindert ausbreiten. Ein Bemühen um eine möglichst starke Konzentration der Gemischwolke nach der Umlenkung am Kolben ist daher nicht erkennbar. Ferner erzeugt die auf der Kolbenoberfläche ausgebildete Schanze unter den Auslaßventilen eine Quetschfläche. Diese erzeugt zwar während der Kompres­ sion des Motors kurz vor dem obere Totpunkt eine gewünschte zusätzliche Strömungsbewegung. Diese kehrt sich jedoch nach Durchlaufen des oberen Totpunktes um, was zu einem Auseinander­ reißen der während der Kompression aufgebauten Gemischkonzentration führt.

Aus der EP 0 694 682 A1 ist eine weitere Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit direk­ ter Einspritzung bekannt, bei welcher durch die Ausformung der Einlaßkanäle eine Drallströmung im Zylinderraum erzeugt wird. Die Kolbenoberfläche weist hier eine ausgeprägte Mulde mit um­ gebender Quetschfläche auf, wobei die Mulde derart exzentrisch angeordnet ist, daß die sich zent­ ral im Brennraum befindliche Zündkerze und das radial angeordnete Einspritzventil jeweils am Muldenrand befinden. Der Kraftstoff wird gezielt gegen den zu diesem Zweck speziell ausge­ formten Muldenrand gespritzt. Die Kolbenoberfläche hat hier also die Aufgabe, den Kraftstoff­ strahl in erster Linie umzulenken. Der Drallströmung kommt die Aufgabe zu, den von der Mul­ denkante umgelenkten Kraftstoff zur Zündkerze zu transportieren.

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

Aus Gründen Zündsicherheit und der Verbrennungsstabilität wurde in der Vergangenheit über­ wiegend eine Anordnung der Einspritzdüse möglichst nahe an der Zündkerze angestrebt. Eine Anordnung der Einspritzdüse dicht neben der Zündkerze hat zwangsläufig eine Verkleinerung der Ventildurchmesser zur Folge und wird daher zu unerwünschten Leistungseinbußen führen. Eine Anordnung der Einspritzdüse bei gleichzeitiger Beibehaltung der bei Mehrventil-Ottomotoren realisierten optimierten Ventildurchmesser ist somit nur nahe der Zylinderwand möglich.

Die Position der Einspritzdüse in einem vergleichsweise weiten Abstand von der vorzugsweise zentral im Brennraum eingesetzten Zündkerze stellt jedoch besondere Anforderungen an das Brennverfahren. Der Kraftstoffstrahl muß einen weiteren Weg von der Düse zum Zündort zu­ rücklegen 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 Gemischwolke mit ge­ ringen zyklischen Schwankungen, was zur Gewährleistung einer stabilen, wiederholgenauen Verbrennung in jedem Motorzyklus unerläßlich ist.

Die Wiederholgenauigkeit des räumlichen Ausbreitungsvorganges kann deutlich verbessert wer­ den, wenn die Zylinderinnenströmung eine geordnete und über dem Kompressionsvorgang mög­ lichst lange stabile Struktur aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Realisierung eines Brennverfahrens unter den darge­ stellten Randbedingungen unter Zugrundelegung einer einlaßgenerierten Tumbleströmung im Zylinderraum der Brennkraftmaschine. Es soll insbesonders ein stabiler Betrieb über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen erzielt werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Kolben an seiner brennraumseitigen Ober­ fläche eine im wesentlichen Y-förmige Anordnung von Strömungsleitrippen aufweist, von welchen eine bogenförmige Rippe etwa in der Mitte des Kolbens angeordnet ist und eine mulden­ förmige Ausnehmung umschließt, daß an der der Ausnehmung gegenüberliegenden Seite der bo­ genförmigen Rippe eine Längsrippe ausgebildet ist, daß die Zündquelle oberhalb der Ausneh­ mung angeordnet ist, und daß die Kraftstoffeinspritzeinrichtung im Bereich der Zylinderwand zwischen den Einlaßventilen angeordnet ist.

Hierbei ist besonders die während der Kompression auftretende Umformung des Tumblewirbels in zwei gegensinnig rotierende Wirbel wesentlich, deren Drehachsen sich während der Kompres­ sion zunehmend parallel zur Zylinderachse ausrichten, d. h. "Umklappen" des parallel zur Kur­ belwellenachse rotierenden Tumblewirbels in diese als ω-Tumble bezeichnete Strömungsform. Die erfindungsgemäße Ausformung der Kolbenoberfläche ermöglicht die Erreichung folgender Ziele:

• - Unterstützung der Ausbildung der Tumblegrundströmung während der Ansaugphase und de­ ren Umformung in die charakteristische ω-Bewegung.
• - Effiziente Umsetzung der Hauptströmung in erhöhte Turbulenz in der Spätphase der Verdich­ tung.
• - Umlenkung des Einspritzstrahls zur Zündkerze.
• - Führung der Gemischströmung zur weitestmöglichen Begrenzung der zyklischen Schwankun­ gen der Gemischverteilung.

Bei mehrventiliger Ausführung der Brennkraftmaschine mit zwei oder drei Einlaßventilen sind die zu den Einlaßventilen führenden Ansaugkanäle derart ausgeführt, daß sie während der An­ saugphase im Zylinderraum des Motors eine Tumbleströmung erzeugen. Die Zündquelle ist zur Erzielung günstiger Vollasteigenschaften im Bereich der Zylindermitte zwischen den Ein- und Auslaßventilen angeordnet. Die Einspritzdüse befindet sich seitlich nahe dem Zylinderrand zwi­ schen zwei Einlaßventilen, bei einem Motor mit zwei Einlaßventilen vorzugsweise in der ortho­ gonal zur Kurbelwelle liegenden Symmetrieebene des Zylinders in einer gegenüber der Zylinder­ achse geneigten Position.

Auf der dem Injektor zugewandten Seite weist die Oberfläche des Kolbens erfindungsgemäß eine konkav gerundete Form auf, wobei die Krümmung der Fläche radial zu Kolbenmitte hin zunimmt und diese aufwärts zum Brennraumdach gerichtet ist. Dieser Oberflächenteil kann teilweise leicht unterhalb der vom Kolbenrand aufgespannten Bezugsebene verlaufen, welche den Randbereich der Kolbenoberfläche bildet. Die Oberkante dieses konkaven Oberflächenteils nimmt in der Draufsicht in Zylinderrichtung die Form eines zur Einlaßseite hin offenen Bogens an und erreicht ihren größten Abstand von der vom Kolbenrand aufgespannten Bezugsebene im Bereich der Symmetrieebene. Dieser konkave Oberflächenteil, der die Form einer muldenförmigen Ausneh­ mung aufweist, dient der Umlenkung des Einspritzstrahls aus der zur Zylinderachse geneigten Einspritzrichtung zur Zündkerze. Hier ist die genaue Abstimmung der Kante auf die Position der Zündkerze von besonderer Bedeutung. Auf der Außenseite der bogenförmigen Kante schließt sich eine ebenfalls konkav gerundete Fläche an, die tangential in die Bezugsebene übergeht. Im Bereich der Symmetrieebene weist diese Außenfläche eine hervortretende Rippe mit einer Kante auf, die von der bogenförmigen Kante zur Kolbenaußenkante verläuft und dort ebenfalls tangen­ tial in die Bezugsfläche übergeht. Diese Rippe dient der Umformung des in der Ansaugphase ausgebildeten Tumblewirbels in die ω-Tumble-Strömung zweier gegensinnig parallel zur Zylin­ derachse rotierender Wirbel, welche in der Endphase der Verdichtung zu einer erhöhten Strö­ mungsgeschwindigkeit in dem Bereich der Kolbenoberfläche führen, die den Einspritzstrahl um­ lenkt.

Zur Erzielung eines optimalen Lenkungseffekts für die Strömung ist es weiters vorteilhaft, wenn die bogenförmige Rippe in der Draufsicht etwa halbkreisförmig ausgebildet ist, wobei der Radius des Bogens zwischen dem 0,3 fachen und dem 0,7 fachen, vorzugsweise zwischen dem 0,4 fachen und dem 0,6 fachen des Kolbenradius liegt.

Besonders günstig ist es, wenn die bogenförmige Rippe eine scharfe oder mit einem Radius von höchstens 3 mm abgerundete Oberkante aufweist, die an ihren Enden tangential in die Kolben­ oberfläche übergeht, wobei der Übergangspunkt vorzugsweise unterhalb von Ventiltellern der Einlaßventilen liegt. Bei einer Ausführung mit zwei Einlaßventilen liegt dabei jeder Übergangs­ punkt jeweils unter einem der Einlaßventile, bei einer Ausführung mit drei Einlaßventilen liegen die Übergangspunkte unter den äußeren Einlaßventilen.

Eine besonders stabile Strömung kann dadurch erreicht werden, daß die an die bogenförmige Rippe anschließende Längsrippe im wesentlichen in der Ebene angeordnet ist, die durch eine Achse der Zündquelle und durch eine Achse der Kraftstoffeinspritzeinrichtung aufgespannt ist.

In einer Ausgestaltung geht die Längsrippe vom mittleren Bereich der bogenförmigen Rippe aus und weist eine leicht abgerundete Oberkante auf, die an ihrem Ende in die Kolbenoberfläche übergeht, wobei der Übergangspunkt im Grundriß gesehen vorzugsweise zwischen den Ventil­ tellern der Auslaßventile liegt.

In einer weiteren Ausgestaltung geht die Längsrippe vom mittleren Bereich der bogenförmigen Rippe aus und weist eine leicht gerundete Gratfläche auf, deren Breite zur Zylinderwand hin ab­ nimmt und die an ihrem Ende in die Kolbenoberfläche übergeht, wobei der Übergang im Grundriß gesehen vorzugsweise zwischen Ventiltellern der Auslaßventile liegt.

Die Erfindung wird in der Folge anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Zylinder einer erfindungsgemäßen Viertakt-Brenn­ kraftmaschine nach einer Linie I-I in Fig. 2;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Kolben gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Zylinder einer weiteren Ausführungsvariante der Er­ findung nach Linie III-III in Fig. 4 und

Fig. 4, 5 und 6 weitere Ausführungsvarianten in Darstellungen entsprechend der Fig. 2.

Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In einem Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine ist ein hin- und hergehender Kolben 2 längsver­ schieblich angeordnet. Das Bezugszeichen 1b bezeichnet die Zylinderwand. Durch die dachför­ mige Brennraumdeckfläche 3 des Zylinderkopfes 4 und die Kolbenoberfläche 5 des Kolbens 2 wird ein Brennraum 6 gebildet, in welchen beispielsweise zwei strichliert eingezeichnete Einlaß­ kanäle 7 und zwei Auslaßkanäle 8 einmünden. Mit 9 und 10 sind schrägliegende Einlaßventile und Auslaßventile durch strichlierte Linien angedeutet. Die Ventilachsen sind mit 9a bzw. 10a bezeichnet. Das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine mittig angeordnete Zündkerze mit einer Achse 11a. Zwischen den Einlaßkanälen 7 ist eine Einspritzdüse 19 zur direkten Einbringung von Kraft­ stoff in den Brennraum 6 angeordnet. Die Achse 19a der Einspritzdüse 19 liegt in einer Ebene senkrecht auf die nicht dargestellte Kurbelwellenachse und schließt mit der Zylinderachse 1a ei­ nen Winkel von 30° bis 60°, vorzugsweise etwa 45° ein.

An der Kolbenoberfläche 5 weist der Kolben 2 eine Y-förmige Leitrippenanordnung 12 auf, wel­ che mit den Pfeilen 13 angedeutete Zylinderinnenströmung beeinflußt, um einen optimalen Verbrennungsablauf zu erreichen.

Wie aus den Figuren ersichtlich ist, weist die Leitrippenanordnung 12 eine bogenförmige Rippe 14 auf, die im wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet ist. Die Oberkante 14a der Rippe 14 ist scharfkantig ausgeführt oder mit einem Radius von höchstens 3 mm abgerundet. Im mittleren Bereich, der zwischen der Zylinderachse 1a und den Auslaßventilen 10 liegt, ist die Oberkante 14a der Rippe 14 am höchsten. Sie fällt stetig zu den Einlaßventilen 9 hin ab und geht unterhalb der Einlaßventile 9 in die Kolbenoberfläche 5 über. Innerhalb der Rippe 14 ist eine muldenför­ mige Ausnehmung 15 gebildet.

An die Mitte der bogenförmigen Rippe 14 schließt eine Längsrippe 18 an, die sich zwischen den Auslaßventilen 10 zum Rand des Kolbens 2 hin erstreckt. Jener Bereich der bogenförmigen Rippe 14, von welchem die Längsrippe 18 ausgeht, ist in gleicher Richtung weiter von der Zylin­ derachse 1a entfernt, als die Achse 11a der in der Brennraumdeckfläche 3 angeordneten Zünd­ kerze 11.

Unterhalb der Zündkerze 11 bildet die Rippe 14 einen ersten konkaven Bereich, und unterhalb der beiden Auslaßventile 10 sind weitere konkave Bereiche gebildet.

Die Ausführungsvariante der Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von der oben beschriebenen Ausfüh­ rungsvariante dadurch, daß die Längsrippe 18 mit einer flachen Gratfläche 18a ausgebildet ist. Die Längsrippe 14 umschließt eine muldenförmige Ausnehmung 15, die vertieft ausgebildet ist und unterhalb der von der Kolbenaußenkante aufgespannten Bezugsebene verlaufen kann.

Die Fig. 5 zeigt eine Ausführungsvariante mit drei Einlaßventilen 9, 9b und 9c. Die Einspritzdüse 19 ist zwischen den Ventilen 9 und 9b angeordnet. Die Rippe 14 fällt stetig zu den Einlaßventilen 9 und 9c hin ab und geht unterhalb von ihnen tangential in die Kolbenoberfläche 5 über. Zur Ver­ deutlichung ist in der Fig. 3 die Kraftstoffwolke 16 dargestellt, wie sie durch die Zylinderin­ nenströmung und die Kolbenform zu der Zündkerze 11 hin abgelenkt wird.

In der Fig. 6 ist eine Ausführungsvariante mit zwei Einlaßventilen 9 und einem Auslaßventil 10 dargestellt. Der Aufbau des Kolbens 2 entspricht dabei weitgehend dem der Ausführungsvariante, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, stabile Verbrennungsbedingungen auch bei sehr mage­ rem Betrieb aufrechtzuerhalten.

Claims (11)

1. Viertakt-Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und direkter Einspritzung des Kraftstoffes in einen Brennraum (6), mit einem hin- und hergehenden Kolben (2) pro Zylinder (1) und einer dachförmig ausgebildeten Brennraumdeckfläche (3) mit mindestens einem Auslaßventil (10) und mindestens zwei Einlaßventilen (9), sowie mit im Brennraum (6) eine Tumbleströmung erzeugenden Einlaßkanälen (7), sowie einer in den Brennraum (6) mündenden Kraftstoffein­ spritzeinrichtung (19) und einer im Bereich der Zylinderachse (1a) in der Brennraumdeck­ fläche (3) angeordneten Zündquelle (11), dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (2) an seiner brennraumseitigen Oberfläche (5) eine im wesentlichen Y-förmige Anordnung von Strömungsleitrippen (12) aufweist, von welchen eine bogenförmige Rippe (14) etwa in der Mitte des Kolbens (2) angeordnet ist und eine muldenförmige Ausnehmung (15) umschließt, daß an der der Ausnehmung (15) gegenüberliegenden Seite der bogenförmigen Rippe (14) eine Längsrippe (18) ausgebildet ist, daß die Zündquelle (11) oberhalb der Ausnehmung (15) angeordnet ist, und daß die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (19) im Bereich der Zylinderwand (1b) zwischen den Einlaßventilen (9) angeordnet ist.

2. Viertakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bogenför­ mige Rippe (14) in der Draufsicht etwa halbkreisförmig ausgebildet ist und daß der Radius r der Rippe (14) zwischen dem 0,3 fachen und dem 0,7 fachen, vorzugsweise zwischen dem 0,4 fachen und dem 0,6 fachen des Kolbenradius R liegt.

3. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bogenförmige Rippe (14) eine scharfe oder mit einem Radius von höchstens 3 mm abgerundete Oberkante (14a) aufweist, die an ihren Enden tangential in die Kolbenober­ fläche (5) übergeht, wobei der Übergangspunkt vorzugsweise unterhalb von Ventiltellern der Einlaßventile (9, 9c) liegt.

4. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrippe (18) im wesentlichen in der Ebene angeordnet ist, die durch eine Achse (11a) der Zündquelle (11) und durch eine Achse (19a) der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (19) aufgespannt ist.

5. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrippe (18) vom mittleren Bereich der bogenförmigen Rippe (14) ausgeht und eine leicht abgerundete Oberkante aufweist, die an ihrem Ende in die Kolbenoberfläche (5) übergeht, wobei der Übergangspunkt im Grundriß gesehen vorzugsweise zwischen Ventiltel­ lern der Auslaßventile (10) liegt.

6. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrippe (18) vom mittleren Bereich der bogenförmigen Rippe (14) ausgeht und eine leicht gerundete Gratfläche (18a) aufweist, deren Breite zur Zylinderwand hin abnimmt und die an ihrem Ende in die Kolbenoberfläche (5) übergeht, wobei der Übergang im Grundriß gesehen vorzugsweise zwischen Ventiltellern der Auslaßventile (10) liegt.

7. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (19a) der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (19) einen Winkel von 30° bis 60°, vorzugsweise etwa 45°, mit der Zylinderachse (1a) einschließt.

8. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenoberfläche drei konkave Bereiche aufweist, von denen einer innerhalb der bo­ genförmigen Rippe (14) gelegen ist und die beiden anderen seitlich der Längsrippe (18) aus­ gebildet sind.

9. Viertakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die konkaven Bereiche zumindest teilweise unterhalb der von der Kolbenaußenkante aufgespannten Be­ zugsebene verlaufen.

10. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Achsen (9a) der Einlaßventile (9) und die Achsen (10a) der Auslaßventile (10) zueinander geneigt sind.

11. Viertakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jener Bereich der bogenförmigen Rippe (14), von welchem die Längsrippe (18) ausgeht, in gleicher Richtung weiter von der Zylinderachse (1a) entfernt ist, als die Achse (11a) der in der Brennraumdeckfläche (3) angeordneten Zündkerze (11).