DE19730399A1

DE19730399A1 - Kolben einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE19730399A1
Application number: DE19730399A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dipl Ing Betsch; Arnold Dipl Ing Kaden; Georg Dipl Ing Stumpp
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 1998-09-03

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben entsprechend dem Ober begriff des Anspruchs 1 für eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, und zwar sowohl für eine Diesel- als auch für eine Otto-Brennkraftmaschine.

Insbesondere bei Diesel-Brennkraftmaschinen wird in zunehmen dem Maße die Kraftstoff-Direkteinspritzung angewandt, bei der der Kraftstoff fein verteilt und elektronisch dosiert in den Brennraum eingespritzt wird. In der OT-Stellung des Kolbens wird der Brennraum hauptsächlich von der Kolbenmulde gebil det. Die Qualität der Verbrennung hängt bei diesem Verfahren von vielen Faktoren ab. Wichtige Parameter sind u. a. das Einspritzgesetz (Zeitpunkt der Einspritzung, Einspritzmenge über der Zeit), die Geometrie der Einspritzdüse, der Strahl winkel, die Geometrie der Kolbenmulde und die Einlaßgeometrie (z. B. Drallkanal).

Die Bewertung des Brennverfahrens erfolgt anhand des Wir kungsgrades, der Abgasemissionen und der Geräuschentwicklung. Alle vorgenannten Parameter haben einen wesentlichen Einfluß auf die Bewertungskriterien. Grund dafür ist die Rückwirkung dieser Parameter auf die Strömumgs-Vermischungs-, Verdamp fungs- und Gemischbildungsvorgänge während der Kompression, während der Verbrennung und während der Expansion.

Bei dem üblichen Direkteinspritzverfahren wird die kinetische Energie der in den Brennraum eingeführten Luft zur Vermi schung mit dem Kraftstoff und zur Homogenisierung dieses Gemisches verwendet. Dabei wird die Frischgasladung während der Kompression nach und nach fast vollständig in die Kolbenmulde gedrängt, so daß dort die kinetische Energie vor der Kraftstoffeinspritzung konzentriert ist. Während die Verbrennung abläuft und das Gas expandiert, wird das Gas wieder aus der Kolbenmulde in den Brennraum gedrückt. Dies erfolgt bei kleinen Geschwindigkeiten unter Dissipation der kinetischen Energie, was eine schlechte Homogenisierung zur Folge hat, die hohe lokale Temperaturspitzen, eine fette rußbildende Verbrennung und dadurch auch Probleme bei einer Abgasrückführung hervorruft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit dein eine schnellere und homogenere Gemischbildung bei reduzierten Verbrennungsspit zentemperaturen und damit eine Verringerung der HC-Emis sionen, der Rußbildung und der Bildung von NOx erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Kolben eine Mehrzahl von Kanälen vorgesehen ist, die sich von der Kolbenmulde zum Kolbenboden erstrecken.

Bei der Erfindung wird bereits während der Kompression über die Kanäle eine Sekundärströmung aus der Kolbenmulde in den Brennraum induziert. Diese Sekundärströmung bewirkt nach der Kraftstoffeinspritzung eine verbesserte Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Mit einsetzender Verbrennung wird diese Sekundärströmung noch verstärkt, so daß das Gemisch ähnlich wie bei Vorkammer-Dieselbrennkraftmaschinen nun mit hoher Geschwindigkeit über die Kanäle in den Brennraum übertritt. Dabei wird infolge der hohen Strömungsgeschwin digkeiten das noch unverbrannte Gemisch optimal aufbereitet und die Turbulenz gesteigert, was höhere Verbrennungsge schwindigkeiten zur Folge hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben. So sind die Kanäle vorzugsweise gleich mäßig über den Umfang der Kolbenmulde verteilt und sie können vom Boden der Kolbenmulde ausgehen und vom Umfang der Kolben mulde schräg nach außen, geradlinig oder entlang einer Kurve und/oder, in Draufsicht auf den Kolbenboden gesehen, etwa tangential zur Kolbenmulde verlaufen. Bei einer Brennkraft maschine mit einem Einlaßkanal, der in der Kolbenmulde einen Drall erzeugt, verlaufen die Kanäle vorzugsweise in der Drallrichtung von der Umfangswand der Kolbenmulde schräg zum Kolbenboden hin. Der Querschnittsverlauf der Kanäle kann düsen- oder diffusorartig ausgebildet sein. Durch Variation des Flächenverhältnisses der Kanalöffnungen zur Mulden öffnung, der Schrägstellung und der Länge der Kanäle und durch die Formgebung des Überganges zwischen der Kolbenmulde und den Kanälen können an den Einzelfall optimal angepaßte Verhältnisse geschaffen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht eines Kolbens, und

Fig. 2 einen Schnitt entlang Linie 2-2 in Fig. 1.

In den Zeichnungen ist ein Kolben 1 einer Diesel- oder Otto-Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung dargestellt, der einen Kolbenboden 2 aufweist, in dem zentrisch eine Kolben mulde 3 angeordnet ist, deren Umfangswand mit 4 und deren Boden mit 5 bezeichnet ist.

Von der Umfangswand 4 der Kolbenmulde 3 gehen nahe dem Boden 5 Kanäle 6 aus, die sich bis zum Kolbenboden 2 erstrecken. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind diese Kanäle 6 gleichmäßig über den Umfang der Kolbenmulde 3 verteilt und sie verlaufen etwa tangential zur Kolbenmulde 3. In Fig. 2 ist der ge schnittene Kanal 6 in die Zeichnungsebene gedreht gezeichnet, um seinen Verlauf besser kenntlich zu machen.

Ist die Brennkraftmaschine mit einem drallerzeugenden Einlaß kanal ausgestattet, der in der Kolbenmulde 3 einen Drall in Richtung des Pfeiles P hervorruft, so verlaufen die Kanäle 6 vorzugsweise, wie in Fig. 1 gezeigt, in der Drallrichtung P schräg nach oben zum Kolbenboden 2 hin.

Durch die Kanäle 6 erfolgt, wie vorher beschrieben, bereits während der Kompression eine Sekundärströmung der Luft aus der Kolbenmulde 3 in den über dem Kolbenboden 2 liegenden restlichen Brennraum, wie durch den Pfeil D in Fig. 2 angedeutet. Durch diese Sekundärströmung wird nach dem Einspritzen des Kraftstoffes eine sehr gute Homogenisierung des Kraftstoff-Luftgemisches erreicht. Diese Sekundärströmung wird mit einsetzender Verbrennung verstärkt, so daß das Gemisch mit hoher Strömungsgeschwindigkeit aus der Kolben mulde 3 über die Kanäle 6 in den restlichen Brennraum über tritt. Dadurch wird das noch unverbrannte Gemisch optimal aufbereitet und die Turbulenz im Brennraum gesteigert.

Claims

1. Kolben einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, dessen Kolbenboden (2) eine Kolbenmulde (3) aufweist, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Kanälen (6), die sich von der Kolbenmulde (3) zum Kolbenboden (2) erstrecken.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (6) gleichmäßig über den Umfang der Kolbenmulde (2) verteilt angeordnet sind.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (6) vom Umfang (4) der Kolbenmulde (3) schräg nach außen verlaufen.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kanäle (6) vom Boden (5) der Kolbenmulde (3) ausgehen.

5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (6) geradlinig verlaufen.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kanäle (6) entlang einer Kurve verlaufen.

7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (6), in Draufsicht auf den Kolbenboden (2) gesehen, etwa tangential zur Kolbenmulde (3) verlaufen.

8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine Brennkraftmaschine mit einem Einlaßkanal, der einen Drall in der Kolbenmulde (3) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (6) in der Drallrichtung (D) von der Umfangswand (4) der Kolbenmulde (3) schräg zum Kolbenboden (2) hin verlaufen.

9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnittsverlauf der Kanäle (6) düsen- oder diffusorartig ausgebildet ist.