Dies ist bekannt beispielsweise aus EP-A-0 634 571, in der eine Diesel-Kolbenbrennkraftmaschine beschrieben ist. Die Zy- linder weisen jeweils zwei Lufteinlaßkanäle auf, die jeweils durch ein Einlaßventil abgeschlossen sind, wobei durch eine entsprechende geometrische Zuordnung der beiden Einlaßkanäle zueinander sowie durch eine entsprechende Winkelstellung der Einlaßkanäle zueinander die Drallströmung im Zylinderraum er- zeugt werden soll.

Aus DE-A-20 17 877 und FR-A-2 151 198 sind Anordnungen be- kannt, bei denen im Bereich des Ventilsitzes eine spiralför- mige Führung des Einlaßkanals vorgesehen ist, so daß die ein- strömende Luft durch entsprechende Strömungsumlenkung eine Drallströmung im Zylinderinnenraum bewirkt.

In allen Fällen führen diese Maßnahmen zu einer Drosselung und damit zu einer Reduzierung der maximal möglichen Verbren- nungsluftmenge im Zylinder, die bei Kolbenbrennkraftmaschinen mit großen Hubraumvolumen durch die Verwendung von Turbola- dern wieder ausgeglichen werden kann. Bei kleineren Kolben- brennkraftmaschinen ist der Kostenaufwand für eine Aufladung

verhältnismäßig groß, so daß auch heute Saugmotore im Bereich der Motorisierung von Personenkraftwagen realisiert werden.

Aus DE-A-198 23 004 ist für fremd-oder selbstgezündete Kol- benbrennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung ein Kolben mit einer von eine Quetschfläche begrenzten Kolbenmul- de bekannt. Die Quetschfläche ist mit mehreren tangential zur Kolbenmulde ausgerichteten rinnenförmigen Knälen versehen.

Die Luft wird in den Brennraum unverdrallt oder in einer nur leicht verdrallten Strömung ohne eine ausgeprägte Strömung- scharakteristik eingeleitet. Erst durch eine Aufwärtsbewegung des Kolbens wird gegen Ende der Kompression über die Kanäle aus der Quetschströmung eine starke Drallströmung und somit eine im wesentlichen gerichtete Strömung erzeugt, die auf ei- nen Auftreffpunkt des Einspritzstrahles in der Kolbenmulde gerichtet ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für eine Kol- benbrennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung eine Erhöhung der Ladeluftmenge auch ohne Turbolader zu bewirken und hierbei mit Hilfe einer drosselfrei erzeugten Drallströ- mung im Zylinderinnenraum eine optimale Kraftstoffverteilung zu bewirken.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung in den im Zylinder gebildeten Brennraum, der durch ein Brennraumdach mit wenigstens einem Gasauslaßventil und wenigstens einem Gaseinlaßventil sowie durch einen Kolben mit Kolbenmulde und Quetschfläche begrenzt wird, wobei zumindest der Gaseinlaß im Brennraumdach so aus- gelegt ist, daß die einströmende Luft im Brennraum eine Tum- bleströmung bildet und wobei der Kolben zumindest im Bereich seiner der nach unten gerichteten Luftströmung zugeordneten Quetschfläche wenigstens ein vom Kolbenaußenrand in Richtung der Kolbenmulde in etwa spiralförmig verlaufendes Leitelement aufweist. Eine derart ausgebildete Kolbenbrennkraftmaschine hat den Vorteil, daß die Ladeluft zunächst in einer drall-

freien, sogenannten Tumbleströmung, also einer gerichteten Strömung, und im wesentlichen drosselfrei in den Brennraum eingeführt werden kann. Tumbleströmung bedeutet hierbei eine Strömung, die ausgehend vom Einlaßkanal um eine quer zur Zy- linderachse ausgerichtete Achse im Brennraum geführt ist. Bei vergleichbarer Brennraumgeometrie in bezug auf Ventile, Kol- bendurchmesser und Zylindervolumen ist es hierdurch möglich, eine um etwa 25% größere Ladeluftmenge in den Zylinder einzu- bringen, im Vergleich zu einer Kolbenbrennkraftmaschine mit Erzeugung einer Drallströmung durch Strömungsumlenkung im Einlaßbereich nach dem Stande der Technik.

Um nun die drallfrei eintretende Luftströmung so zu führen, daß eine optimale Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs in der Kolbenmulde erfolgt, weist der Kolben im Bereich sei- ner der nach unten gerichteten Luftströmung zugeordneten Quetschfläche ein in etwa spiralförmig verlaufendes Leitele- ment auf. Durch dieses Leitelement wird schon vor der Auf- wärtsbewegung des Kolbens aus der im wesentlichen gegen die zugeordnete Quetschfläche am Kolbenboden gerichteten intensi- ven Tumbleströmung eine Teilströmung"abgeschält"und in die Kolbenmulde eingeleitet. Diese Teilströmung bildet dort eine Drallströmung, die bis in die Endphase der Kolbenbewegung weitgehend erhalten bleibt und so den eingespritzten Kraft- stoff in Drallrichtung zusätzlich verteilt. Damit ist es mög- lich, den Vorteil der größeren Ladeluftmenge bei einer drall- freien Einführung der Ladeluft in den Brennraum während des Ansaughubes mit der Bildung einer Drallströmung in der Kol- benmulde während des Kompressionshubes zu kombinieren und da- mit eine optimale Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs und so eine Leistungssteigerung durch eine größere Ladeluft- menge ohne zusätzliche Einrichtungen zur Aufladung zu bewir- ken. Das Leitelement kann stegförmig oder rinnenförmig ausge- bildet sein. Insbesondere bei einer rinnenförmigen Ausbildung erstreckt sich das Leitelement bis in die Kolbenmulde.

In der Endphase der Kolbenbewegung unmittelbar vor dem Ein- spritzen des Kraftstoffs erfolgt eine Überlagerung der Drall- strömung durch die Tumbleströmung und damit eine nicht mehr eindeutig gerichtete Strömung des Hauptteilers der Ladeluft im Brennraum. Dies hat den großen Vorteil, daß durch die Dis- sipation infolge der Kolbenbewegung eine starke Mikroturbu- lenz auftritt, die zu einer deutlichen Verbesserung der Ge- mischbildung und Homogenisierung mit hohem Turbulenzgrad zum Zündzeitpunkt führt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Quetschfläche des Kolbens parallel zum Brennraumdach verlau- fend ausgebildet ist. Hierdurch wird der Vorgang des"Abschä- lens"des Drallanteils aus der Tumbleströmung noch verbes- sert. Das Brennraumdach und damit auch die Quetschfläche kann ebenflächig oder dachförmig abgewinkelt ausgeführt sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auf dem der nach unten gerichteten Bereich der Tumbleströmung zugeordneten Bereich der Quetschfläche zwei Leitelemente an- geordnet sind. Diese Anordnung ist insbesondere dann von Vor- teil, wenn dem Brennraum zwei Gaseinlaßventile zugeordnet sind. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß die beiden Leitelemente bei rinnenförmiger Ausbildung im Übergangsbe- reich zum Boden der Kolbenmulde ineinander übergehen, so daß die jeweils aus den beiden in den Brennraum durch die beiden Einlaßöffnungen eintretenden Luftstränge abgeschälten Teil- ströme in der Kolbenmulde zu einem Drallstrang zusammenströ- men.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß auch auf dem dem aufsteigenden Bereich der Tumbleströmung zugeordneten Bereich der Quetschfläche wenigstens ein Leite- lement angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird in der End- phase der Aufwärtsbewegung des Kolbens aus dem Bereich der Quetschfläche Luft über das Leitelement in die Kolbenmulde eingepreßt und so in der Endphase des Verdichtungsvorgangs

kurz vor der Kraftstoffeinspritzung der Drallströmung in der Kolbenmulde ein erneuter Bewegungsimpuls aufgeprägt.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Aus- führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Brennraum einer Kolbenbrennkraftmaschine mit dachförmig aus- gebildetem Brennraumdach, Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch einen Brennraum mit ebenem Brennraumdach, Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer ersten Aus- führungsform für einen Kolben, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Aus- führungsform für einen Kolben, Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Aus- führunsgform für einen Kolben, Fig. 6 perspektivisch die Ausbildung der Strömung im Brennraum mit einem Kolben gem. Fig. 2 zum Ende des Ansaughubes, Fig. 7 die Veränderung der Strömung im Brennraum gem. Fig. 5 zu Beginn des Kompressionshubes, Fig. 8 die Form der Strömung gem. Fig. 6 zum Ende des Kompressionshubes.

Fig. 1 zeigt schematisch im Vertikalschnitt einen Zylinder 1 einer Kolbenbrennkraftmaschine, der einen Brennraum 2 um- schließt. Der Brennraum 2 ist durch ein abgewinkeltes Brenn- raumdach 3 abgeschlossen, wobei in der einen Dachfläche 3.1 ein Lufteinlaßkanal 4 einmündet und in der anderen Dachfläche

3.2 ein Luftauslaßkanal 5 ausmündet. Im Mündungsbereich ist dem Einlaßkanal 4 ein Ventilsitzring 6 für ein Gaseinlaßven- til 7 zugeordnet. Dem Gasauslaßkanal 5 ist im Mündungsbereich ein Ventilsitzring 8 für ein Gasauslaßventil 9 zugeordnet.

Der Brennraum 2 ist ferner durch einen Kolben 10 begrenzt, dessen Kolbenboden mit einer Mulde 11 versehen ist, die seit- lich durch eine umlaufende Quetschfläche 12 begrenzt ist. Die Quetschfläche 12 ist hierbei parallel zum Brennraumdach 3 ab- gewinkelt ausgebildet.

Bei vorzugsweise spät geöffnetem Gaseinlaßventil 7 und be- reits abwärts bewegtem Kolben 10 strömt infolge des verstärk- ten Unterdrucks Luft über den Einlaßkanal 4 in Richtung des Pfeiles 13 auf der Gasauslaßseite nach unten in den Brennraum 2 ein. Diese Ausrichtung der definierten Luftströmung wird durch die geneigte Ausrichtung des Einlaßkanals 4 und/oder entsprechende Leitmittel im Einlaßkanal 4 in Form einer quer zur Zylinderachse 15 ausgerichteten Leitlamelle und/oder ent- sprechenden seitlichen Ausnehmungen am Ventilsitzring 6 be- wirkt, so daß die Luft praktisch ungedrosselt und gerichtet in den Brennraum 2 einströmen kann und so eine optimale Luft- menge mit hoher Geschwwindigkeit in den Brennraum 2 gelangt und schon in diesem Zeitbereich über den Kolbenboden nach oben in Richtung des Pfeiles 14 umgelenkt wird, so daß sich im Brennraum 2 eine Tumbleströmung ausbildet, deren Bewegung um eine senkrecht zur Zylinderachse 15 ausgerichtete Querach- se erfolgt.

In Fig. 2 ist schematisch im Vertikalschnitt ein Zylinder 1 dargestellt, dessen Brennraum 2 durch ein im wesentlichen ebenes Brennraumdach 3 abgeschlossen ist. Der mit einer Mulde 11 versehene Kolbenboden des Kolbens 10 ist entsprechend aus- gebildet.

Bei dieser Ausführungsform mündet der Einlaßkanal 4 im we- sentlichen senkrecht zum Brennraumdach 3 aus, so daß nach dem

Öffnen des Gaseinlaßventils 7 die Luft in Richtung des Pfei- les 13.1 unmittelbar nach unten strömt und nach Umlenkung über den Kolbenboden auf der Gasauslaßseite in Richtung des Pfeiles 14.1 nach oben strömt. Auch hier bildet sich die vor- beschriebene Tumbleströmung aus.

In Fig. 3 ist für einen Brennraumgestaltung gem. Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht eine erste Ausführungsform für einen Kolben 10 dargestellt. Dieser weist in seinem dem Gas- auslaßventil zugeordneten Bereich 12.1 der Quetschfläche 12 zwei vom Kolbenaußenrand zum Rand der Kolbenmulde 11 in etwa spiralförmig verlaufende rinnenförmige Leitelemente 16.1 und 16.2 auf. Das Leitelement 16.1 beginnt in etwa im Bereich des Firstes 17 der Quetschfläche 12. und erstreckt sich spiral- förmig bis zum Boden der Kolbenmulde 11. Das zweite Leitele- ment 16.2 beginnt in etwa um 90° versetzt zum First 17 der Quetschfläche 12. und ist mit der Leitelement 16.1 im Bereich ihrer Einmündung am Kolbenboden mit dieser zusammengeführt.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 3.

Bei dieser Ausführungsform ist ein rinnenförmiges erstes Lei- telement 16.1 im auslaßseitigen Bereich 12.1 der Quetschflä- che 12 angeordnet und ein entsprechendes Leitelement 16.3 im einlaßseitigen Bereich 12.2 der Quetschfläche 12 angeordnet.

Die Ausführungsform gem. Fig. 5 zeigt einen Kolben, bei dem im Einlaßbereich 12.1 der Quetschfläche 12 ein vom First 17 ausgehendes stegförmiges Leitelement 18 angeordnet ist, das sich spiralförmig über die Quetschfläche 12.1 erstreckt, so daß sich gegenüber dem Kolbenaußenrand ein vertiefter Bereich auf der Quetschfläche 12.1 ergibt, der mit der Kolbenmulde 11 in Verbindung steht, so daß, wie nachstehend noch näher be- schrieben wird, über das stegförmige Leitelement 18 aus der anhand von Fig. 1 beschriebenen Tumbleströmung eine Teilströ- mung in die Kolbenmulde 11 umgelenkt wird.

In der schematischen perspektivischen Darstellung in Fig. 6 sind für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit einem Brennraum- dach entsprechend Fig. 1 und mit zwei Einlaßventilen 7 und zwei Auslaßventilen 9 je Zylinder das Brennraumdach jeweils nur durch die einlaßseitigen Ventilsitzringe 6 und die aus- laßseitigen Ventilsitzringe 8 dargestellt. Die Zeichnung läßt erkennen, daß die Einlaßventile 7 geöffnet sind und die Aus- laßventile 9 geschlossen sind. Der entsprechend Fig. 3 ausge- staltete Kolben 10 befindet sich hierbei zum Ende der Ab- wärtsbewegung im unteren Totpunkt kurz vor dem Schließen der Einlaßventile 7. Durch die Einlaßöffnungen treten zwei paral- lele, hier schematisch als Bänder dargestellte und an ihren einander benachbarten Rändern ineinanderfließende Luftströme 19 ein. Diese Luftströme 19 werden in ihrer Abwärtsbewegung weitgehend an der Zylinderwandung unterhalb der Gasauslaßven- tile 9 geführt und über dem Kolbenboden auf den gegenüberlie- genden Bereich der Zylinderwandung in Richtung des Pfeiles 14 umgelenkt.

Sobald nun, wie in Fig. 7 dargestellt, nach dem Schließen der Gaseinlaßventile 7 der Kolben im Kompressionshub sich nach oben bewegt, sind die Luftströme 19 bereits nach oben umge- lenkt und in Richtung des Pfeiles 14 an der den Gaseinlaßven- tilen zugeordneten Zylinderwandung nach oben geführt. In Fig. 7 ist die Position des Kolbens etwa 40° Kurbelwinkel nach dem unteren Totpunkt dargestellt. In dieser Kolbenstel- lung sind aus den beiden Luftströmungen 19 durch die rinnen- förmigen Leitelemente 16.1 und 16.2, wie in Fig. 7 darge- stellt, Teilströmungen 20"abgeschält"und in die Kolbenmulde 11 umgeleitet, in der sie eine um die vertikale Zylinderachse 15 rotierende Drallströmung bilden. In Fig. 7 ist ein Teil der vorderen Luftströmung 19"weggeschnitten", um die Drall- strömung in der Kolbenmulde 11 durch den Teilstrom 20 sicht- bar zu machen.

Fig. 8 zeigt dann bei geschlossenen Gaswechselventilen (das vordere Gasauslaßventil 9 ist zur Verdeutlichung der Darstel-

lung weggelassen), den Kolben 10 im Kompressionshub etwa 15° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt. In dieser Darstellung sind auch die dem vorderen Gaseinlaßventil 7 zugeordnete Teilströmungen 19 zur Vereinfachung und zur Verdeutlichung der Darstellung weggelassen.

Wie Fig. 8 erkennen läßt, wird die Tumbleströmung mit zuneh- mender Aufwärtsbewegung des Kolbens 10 deformiert bzw. in Mi- krowirbel auflöst. Infolge der Verdrängung wird zwischen Quetschfläche 12 und Brennraumdach 3 über die Leitelemente 16 ein weiterer Teil der Luft in die Kolbenmulde 11 abgedrängt, so daß in der Kolbenmulde 11 eine intensive Drallströmung aufrechterhalten bleibt, in die dann über eine Kraftstoffein- spritzdüse 21 (Fig. 1) der Kraftstoff eingespritzt und der Verbrennungsvorgang je nach Motorkonzeption durch Selbstzün- dung oder über eine Zündeinrichtung, beispielsweise eine Zündkerze, eingeleitet werden kann.

Für eine Brennraumgestaltung gem. Fig. 2 gelten die vorste- henden Beschreibungen der Strömungsvorgänge unter Berücksich- tigung der anderen Strömungsrichtungen des Tumble entspre- chend.