DE19816743A1

DE19816743A1 - Kolben für einen Motor mit Zylindereinspritzung

Info

Publication number: DE19816743A1
Application number: DE19816743A
Authority: DE
Inventors: Katsunori Ueda; Nobuaki Murakami; Takashi Kawabe; Jun Takemura; Tetsuo Kataoka
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1998-04-15
Publication date: 1998-10-29
Anticipated expiration: 2018-04-16
Also published as: JP3030415B2; DE19816743C2; KR19980081212A; JPH10288039A; US6129065A; KR100308100B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Ottomotor mit Zylindereinspritzung, also mit Einspritzung von Kraftstoff unmittelbar in eine Verbrennungskammer.

Verbrennungsmotoren mit Kraftstoffeinspritzung in einen Zy linder werden im allgemeinen in solche mit Zylindereinsprit zung und solche mit Direkteinspritzung eingeteilt, und der artige Dieselmotoren sind in weitem Umfang bekannt. Jedoch wurden in den letzten Jahren auch Ottomotoren mit Zylinder einspritzung bekannt (da Ottomotoren im allgemeinen mit Ben zin betrieben werden, werden sie auch als "Benzinmotoren" bezeichnet).

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer Verbrennungskammer und deren Umgebung innerhalb eines typischen Motors mit Zylin dereinspritzung.

Beim in Fig. 6 dargestellten Motor ist ein Zylinderkopf 13 über eine Zylinderkopfdichtung 12 und unter Verwendung nicht dargestellter Schrauben fest an einem Zylinderblock 11 ange bracht. In einem Zylinder 14 innerhalb des Zylinderblocks 11 ist ein Kolben 15 so untergebracht, daß er in vertikaler Richtung beweglich ist. Der Zylinderblock 11, der Zylinder kopf 13 und der Kolben 15 bilden eine Verbrennungskammer 16, mit der eine Einlaßöffnung 17 und eine Auslaßöffnung 18 verbunden sind. Der untere Endabschnitt eines Einlaßventils 19 sitzt in der Einlaßöffnung 17, während der untere Endab schnitt eines Auslaßventils 20 in der Auslaßöffnung 18 sitzt. Einlaß- und Auslaßnocken, die nicht dargestellt sind, stehen in Eingriff mit den jeweiligen oberen Endab schnitten des Einlaßventils 19 und des Auslaßventils 20. Wenn die Einlaß- und Auslaßnocken angetrieben werden, wer den das Einlaßventil 19 und das Auslaßventil 20 so betrie ben, daß sie eine Fluidverbindung zwischen der Verbren nungskammer 16 und den Öffnungen 17 und 18 herstellen und wieder unterbrechen.

Auch ist ein Kraftstoff-Einspritzventil 21 zum Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 16 so am Zylinder kopf 13 angebracht, daß das untere Ende des Einspritzven tils 21 der Verbrennungskammer 16 zugewandt ist. Das Ein spritzventil 21 erhält von einer nicht dargestellten Kraft stoffpumpe unter Druck gesetzten Kraftstoff, und es inji ziert diesen unter Druck gesetzten Kraftstoff in die Ver brennungskammer 16. Ferner ist eine Zündkerze 22 so am Zy linderkopf 13 befestigt, daß ihr Vorderende der Verbren nungskammer 16 zugewandt ist. Die Zündkerze 22 zündet den vom Einspritzventil 21 in die Verbrennungskammer 16 einge spritzten Kraftstoffnebel.

Demgemäß läuft der Kolben 15, wenn sich eine nicht darge stellte Kurbelwelle dreht, innerhalb des Zylinders 14 über ein Pleuel hin und her. Indessen wird die drehende Antriebs kraft der Kurbelwelle an die nicht dargestellte Nockenwelle in solcher Weise übertragen, daß sich diese synchron mit der Drehung der Kurbelwelle dreht. So werden das Einlaßven til 19 und das Auslaßventil 20 durch den Einlaß- und den Auslaßnocken geöffnet und geschlossen. Dabei wird Luft von der Einlaßöffnung 17 in die Verbrennungskammer 16 aufgenom men, und Kraftstoff wird vom Einspritzventil 21 in sie ein gespritzt. So wird eine Verwirbelungsströmung des Kraft stoffnebels erzeugt und durch die Zündkerze 22 gezündet, so daß ein Zyklus aus einem Einlaßhub, einem Kompressionshub, einem Kraft- oder Expansionshub und einem Auslaßhub wieder holt wird.

Bei einem derartigen Motor mit Zylindereinspritzung ist in der Fläche des Kolbens 15 ein Hohlraum (eine Vertiefung) ausgebildet, damit das Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb der Verbrennungskammer 16 verwirbeln kann, um wirkungsvoll zu verbrennen, wenn es durch die Zündkerze 22 gezündet wird. Ein Kolben mit einem Hohlraum in seiner Oberseite ist z. B. in der japanischen Gebrauchsmusteranmeldungs-Veröffentli chung 5-21132 offenbart. Jedoch ist bei dem in dieser Veröf fentlichung offenbarten Kolben die Tiefe des Hohlraums auf der Seite des Auslaßventils vergrößert, und demgemäß ist nicht dafür gesorgt, daß der Kraftstoffnebel verwirbelt, weswegen er nicht zur Zündkerze geführt wird. Daher ist die Form des Hohlraums für einen Motor mit Zylindereinspritzung nicht geeignet. Um das obige Problem zu überwinden, meldete die Anmelderin eine Patentanmeldung (japanische Patentanmel dung Nr. 7-233129) auf eine Erfindung betreffend die Form eines Kolbens mit Hohlraum an.

Jede der Fig. 7A, 7B und 7C zeigt schematisch einen Kolben mit einem Hohlraum, wofür die Anmelderin eine Patentanmel dung einreichte.

Beim in Fig. 7A dargestellten Kolben 101 ist auf der Seite, auf der das Einlaßventil liegt, eine einlaßseitige, schrä ge Oberseite 102 so ausgebildet, daß sie nach oben hin schräg zum mittleren Teil des Kolbens zeigt, und auf der Seite, an der das Auslaßventil liegt, ist eine auslaßsei tige, schräge Oberseite 103 so ausgebildet, daß sie schräg nach oben zum mittleren Teil des Kolbens läuft. So verfügt die Oberseite des Kolbens 101 über eine satteldachähnliche Form. In der einlaßseitigen, schrägen Oberseite 102 ist ein Hohlraum 104 so ausgebildet, daß seine Unterseite Teil ei ner virtuellen Kugelfläche ist, die zentrisch zu einem Punkt über dem nicht dargestellten Einlaßventil liegt. Demgemäß kehrt der Hohlraum 104 des Kolbens 101 den in die Verbren nungskammer eintretenden Luftstrom zur Oberseite des Kolbens 101 um, um dafür zu sorgen, daß die Luft zur Unterseite des Zylinderkopfs strömt. So wird die Erzeugung einer Saltoströ mung (vertikale Verwirbelung) unterstützt. Der in die Ver brennungskammer eingespritzte Kraftstoff wird in den Hohl raum 104 geführt und dann durch die Saltoströmung vom Rand der Verbrennungskammer zu ihrem mittleren Teil transpor tiert.

Im in Fig. 7B dargestellten Kolben 201 ist auf der Seite, auf der das Einlaßventil angeordnet ist, eine einlaßseiti ge, schräge Oberseite 202 ausgebildet, und auf der Seite, auf der das Auslaßventil angeordnet ist, ist eine auslaß seitige, schräge Oberseite 203 ausgebildet. So verfügt die Oberseite des Kolbens 201 über eine satteldachähnliche Form. In der einlaßseitigen, schrägen Oberseite 203 ist ein Hohl raum 204 ausgebildet, der aus einem Strömungseintrittsab schnitt 205, einem ansteigenden Abschnitt 206 und einem Ver bindungsabschnitt 207 besteht. Die in die Verbrennungskammer zur Oberseite des Kolbens 201 hin eintretende Luftströmung wird umgekehrt, um dafür zu sorgen, daß die Luft zur Unter seite des Zylinderkopfs strömt. So wird die Erzeugung einer Saltoströmung (vertikale Verwirbelung) unterstützt. Der in die Verbrennungskammer eingespritzte Kraftstoff wird zum Hohlraum 204 geleitet und dann durch die Saltoströmung vom Rand der Verbrennungskammer zu deren Mitte transportiert.

Beim in Fig. 7C dargestellten Kolben 301 sind eine einlaß seitige, schräge Oberseite 302 sowie eine auslaßseitige schräge Oberseite 203 wie beim Kolben 101 von Fig. 7A ausge bildet, so daß die Oberseite desselben eine satteldachähn liche Form aufweist. In der einlaßseitigen, schrägen Ober seite 302 ist ein Hohlraum 304 ausgebildet. Der Hohlraum 304 ist durch zwei virtuelle Kugelflächen 305 und 306, die zen trisch zu Positionen über dem Einlaßventil liegen, und eine Verbindungsfläche 307 gebildet, die die virtuellen Kugelflä chen 305 und 306 verbindet. Demgemäß kehrt der Hohlraum 304 des Kolbens 301 die in die Verbrennungskammer zur Oberseite des Kolbens 301 eintretende Luftströmung um, um dafür zu sorgen, daß die Luft zur Unterseite des Zylinderkopfs strömt. So wird die Erzeugung einer Saltoströmung (vertikale Verwirbelung) unterstützt. Der in die Verbrennungskammer eingespritzte Kraftstoff wird zum Hohlraum 304 geleitet und dann durch die Saltoströmung vom Rand der Verbrennungskammer zu deren Mitte transportiert.

Ferner offenbart das Dokument US-A-5,127,379 den Aufbau ei nes Motors mit Zylindereinspritzung, bei dem eine Zündkerze im mittleren Teil der Verbrennungskammer angeordnet ist; ein Einspritzventil am Rand der Verbrennungskammer angeordnet ist; in der Oberseite des Kolbens eine Vertiefung so ausge bildet ist, daß sie sich von einem Punkt unter der Zündker ze zu einem Punkt unter dem Einspritzventil erstreckt, und eine Kraftstoff-Führungsnut, die schmaler als die Vertiefung ist, an der Innenwandfläche derselben an einem Ort unter der Zündkerze ausgebildet ist, so daß sich diese Kraft stoff-Führungsnut vom Seitenteil der Vertiefung zur Zündkerze er streckt.

Beim in der obenangegebenen japanischen Patentanmeldung Nr. 7-233129 beschriebenen Motor mit Zylindereinspritzung vari iert der Zylinderdurchmesser oder der Kolbendurchmesser ab hängig vom Hubraum des Motors und der Zylinderanzahl. Wenn ein Kolben mit einem bestimmten Durchmesser so konzipiert wird, daß er die Form des obenbeschriebenen Kolbens 101, 201 oder 301 aufweist, wird die Größe des Hohlraums 104, 204 bzw. 304 Proportional zum Durchmesser des Kolbens erhöht oder erniedrigt. Wenn jedoch die Größe des Hohlraums 104, 204 oder 304 einhergehend mit dem Durchmesser des Kolbens erhöht wird, nimmt die Krümmung des Hohlraums 104, 204 oder 304 ab, und das Volumen desselben nimmt zu. Im Ergebnis wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Nähe der Zündkerze mage rer, wodurch die Gefahr besteht, daß keine geschichtete Verbrennung auftritt.

Der im Dokument US-A-5,127,379 offenbarte Motor mit Zylin dereinspritzung ist ebenfalls auf solche Weise aufgebaut, daß in der Luft, die vom Einlaßteil in die Verbrennungs kammer strömt, eine vertikale Verwirbelungsströmung erzeugt wird. Die Erzeugung der vertikalen Verwirbelungsströmung, die bei einem Einlaßhub beginnt, endet mit Abschluß dieses Einlaßhubs, und im anschließenden Kompressionshub wird die se Verwirbelungsströmung nur durch die Trägheit derselben beibehalten. Wie es in diesem US-Patent beschrieben ist, existiert, da die in der Oberseite dieses Kolbens ausgebil dete Kraftstoff-Führungsnut schmaler als die Vertiefung ist, ein Wendepunkt (Eckabschnitt), in dem sich die Krümmung drastisch ändert, im Verbindungsabschnitt zwischen der Ver tiefung und der Kraftstoff-Führungsnut, wie von oben gese hen. Daher bewirkt die während des Einlaßhubs erzeugte ver tikale Verwirbelungsströmung eine Turbulenz am Umlenkpunkt, so daß die vertikale Verwirbelungsströmung nicht bis zur hinteren Hälfte des Kompressionshubs beibehalten werden kann. Demgemäß kann Kraftstoff nicht durch eine vertikale Verwirbelungsströmung geführt werden, und der Betriebsbe reich, in dem zuverlässige Zündung und stabile Verbrennung möglich sind, ist beschränkt, und es kann keine geschichtete Verbrennung erzielt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Motor mit Zylindereinspritzung zu schaffen, der für genaue Strömung von Kraftstoff innerhalb einer Verbrennungs kammer sorgt, um dadurch den Verbrennungs-Wirkungsgrad zu verbessern.

Diese Aufgabe ist durch den Kolben gemäß dem beigefügten An spruch 1 gelöst. Dieser Kolben sorgt dafür, daß vom Ein spritzventil in die Verbrennungskammer eingespritzter Kraft stoff durch die Luft von der Einlaßöffnung dazu veranlaßt wird, die Vertiefung in der Oberseite des Kolbens zu errei chen, und er durch die aus mehreren gekrümmten Flächen mit verschiedenen Krümmungen gebildete Vertiefungsfläche geführt wird, so daß der Kraftstoff in Form einer Verwirbelungs strömung zur Zündkerze strömt. So können zuverlässige Zün dung und Verbrennung erzielt werden. Außerdem wird, da die Vertiefung ein geeignetes Volumen aufweist, eine geschichte te Verbrennung erzielt, was zu verbessertem Verbrennungs-Wir kungsgrad führt. Ferner gewährleistet die zweite gekrümm te Fläche mit kleinerer Krümmung ein ausreichend großes Vo lumen innerhalb der Vertiefung, während die erste gekrümmte Fläche mit größerer Krümmung Kraftstoffnebel wirkungsvoll sammelt und dafür sorgt, daß der so gesammelte Kraftstoff zur Zündkerze strömt. So wird geschichtete Verbrennung er möglicht.

Beim Kolben gemäß Anspruch 2 ist durch die zweite gekrümmte Fläche für ein ausreichend großes Volumen innerhalb der Ver tiefung gesorgt, und zwischen dem Einspritzventil und dieser gekrümmten Fläche ist für einen ausreichend großen Abstand gesorgt. So strömt der aus dem Einspritzventil eingespritzte Kraftstoff ein, ohne daß er an der Wandfläche des Kolbens anhaftet. Ferner ist der Abstand zwischen der Zündkerze und der gekrümmten Fläche der Vertiefung durch die erste ge krümmte Fläche, die höher als die zweite gekrümmte Fläche liegt, verringert, und es kann dafür gesorgt werden, daß Kraftstoffnebel zuverlässig zur Zündkerze strömt, was eine stabile Verbrennung ermöglicht.

Beim Kolben gemäß Anspruch 3 ist die Stabilität der Verbren nung verbessert, da die Strömung von Kraftstoffnebel zur Zündkerze zuverlässiger erzeugt werden kann.

Mit dem Kolben gemäß Anspruch 4 kann in gut ausgewogener Weise für niedrigen Kraftstoffverbrauch und hohe Ausgangs leistung des Motors gesorgt werden, da für ein geeignetes Vertiefungsvolumen gesorgt ist.

Beim Kolben gemäß Anspruch 5 wird vom Einspritzventil in die Verbrennungskammer eingespritzter Kraftstoff durch Luft von der Einlaßöffnung so geführt, daß er vom einspritzseitigen Teil mit größerem Volumen zum zündkerzenseitigen Teil mit kleinerem Volumen strömt. So strömt der Kraftstoff wirkungs voll zur Zündkerze, so daß zuverlässige Zündung und Ver brennung erzielbar sind.

Im Fall des Kolbens gemäß Anspruch 6 wird der vom Einspritz ventil in die Verbrennungskammer eingespritzte Kraftstoff durch Luft von der Einlaßöffnung so geführt, daß er auf die Seite der Zündkerze fließt, wo die Vertiefung eingeengte Breite aufweist. So können zuverlässige Zündung und Verbren nung erzielt werden.

Beim Kolben gemäß Anspruch 7 ist dafür gesorgt, daß der vom Einspritzventil in die Verbrennungskammer eingespritzte Kraftstoff durch Luft von der Einlaßöffnung entlang der glatten Umfangskante von der Seite des Einspritzventils zur Seite der Zündkerze strömt. So können zuverlässige Zündung und Verbrennung erzielt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren ver anschaulichten Ausführungsbeispielen, die für die Erfindung nicht beschränkend sind, näher beschrieben.

Fig. 1A ist eine schematische Ansicht einer Verbrennungskam mer und deren Umgebung, und sie zeigt einen Kolben für einen Motor mit Zylindereinspritzung gemäß einem ersten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 1B ist eine Draufsicht des in Fig. 1A dargestellten Kolbens;

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht zum Beschreiben des Zu stands eines Hohlraums im Kolben gemäß dem ersten Ausfüh rungsbeispiel;

Fig. 3A ist eine schematische Ansicht einer Verbrennungskam mer und deren Umgebung, und sie zeigt einen Kolben für einen Motor mit Zylindereinspritzung gemäß einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3B ist eine Draufsicht des in Fig. 3A dargestellten Kolbens;

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht zum Beschreiben des Zu stands eines Hohlraums im Kolben gemäß dem zweiten Ausfüh rungsbeispiel;

Fig. 5A und 5B sind Kurvenbilder, die stabile Verbrennungs bereiche bei Leerlaufbetrieb zeigen;

Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht einer Verbrennungskammer und deren Umgebung bei einem typischen Motor mit Zylinder einspritzung; und

Fig. 7A-7C sind schematische Ansichten herkömmlicher Kol ben mit jeweils einem Hohlraum.

Wie es in Fig. 1A dargestellt ist, ist beim Motor mit Zylin dereinspritzung mit einem Kolben gemäß dem vorliegenden Aus führungsbeispiel ein Zylinderkopf 13 fest an einem Zylinder block 11 angebracht. In einem Zylinder 14 innerhalb des Zy linderblocks 11 ist ein Kolben 31 so angeordnet, daß er in vertikaler Richtung beweglich ist. Der Zylinderblock 11, der Zylinderkopf 13 und der Kolben 31 bilden eine Verbrennungs kammer 16, mit der eine Einlaßöffnung 17 und eine Auslaß öffnung 18 verbunden ist. Die Einlaßöffnung 17 wird durch ein Einlaßventil 19 geöffnet und geschlossen, während die Auslaßöffnung 18 durch ein Auslaßventil 20 geöffnet und geschlossen wird. Auch ist am Zylinderkopf 13 in der Nähe der Einlaßöffnung 17 ein Kraftstoff-Einspritzventil 21 zum Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 16 be festigt. Ferner ist am Zylinder 13 im Zentrum des oberen Teils der Verbrennungskammer 16 eine Zündkerze 22 zum Zünden von Kraftstoffnebel angeordnet, wie er vom Einspritzventil 21 in die Verbrennungskammer 16 eingespritzt wurde.

Beim Motor mit Zylindereinspritzung mit dem obigen Aufbau verfügt der Kolben 31 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbei spiel über einen Hohlraum 32, der in seiner Oberseite ausge bildet ist und als Vertiefung dient. Im Hohlraum 32 besteht eine gekrümmte Fläche, die eine gekrümmte Fläche des Hohl raums 32, die im wesentlichen unter der Zündkerze 22 liegt, und eine gekrümmte Fläche des Hohlraums 32 verbindet, die im wesentlichen unter dem Einspritzventil 21 liegt, aus mehre ren gekrümmten Flächen mit verschiedenen Krümmungen, um die zugehörige Länge zu minimieren.

D. h., daß, wie es in den Fig. 1A, 1B und 2 dargestellt ist, im Hohlraum 32 des Kolbens 31 eine gekrümmte Fläche 32a, die im wesentlichen unter dem Einspritzventil 21 liegt, eine Kugelfläche B₁ zentrisch zu einem Punkt O₁ mit einem Krümmungsradius ρ₁ ist. Auch ist eine gekrümmte Fläche 32b, die im wesentlichen unter der Zündkerze 22 liegt, eine Ku gelfläche B₂ zentrisch zu einem Punkt O₂ mit einem Krüm mungsradius ρ₂. Die gekrümmten Flächen 32a und 32b sind über eine gekrümmte Verbindungsfläche 32c glatt miteinander ver bunden, wobei der Abstand zwischen den gekrümmten Flächen 32a und 32b minimiert ist. Der Krümmungsradius ρ₁ der ge krümmten Fläche 32a sowie der Krümmungsradius ρ₂ der ge krümmten Fläche 32b erfüllen die Beziehung ρ₁<ρ₂, d. h., daß die Krümmung κ₁ der gekrümmten Fläche 32a und die Krüm mung κ₂ der gekrümmten Fläche 32b die Beziehung κ₁<κ₂ er füllen. Ferner erstreckt sich der durch die zusammenhängen den gekrümmten Flächen 32a, 32b und 32c erzeugte Hohlraum 32 geringfügig in Querrichtung (in der vertikalen Richtung in Fig. 1B), wie von der Oberseite dieses Hohlraums 32 her ge sehen.

Das Volumen des Hohlraums 32 beeinflußt das Funktionsvermö gen des Motors stark. Wenn z. B. das Verhältnis aus dem Vo lumen des Hohlraums 32 zum Gesamtvolumen der Verbrennungs kammer 16 übermäßig groß ist, nimmt die Fläche zu, was zu erhöhten Wärmeverlusten führt, obwohl diese Vergrößerung für geschichtete Verbrennung von Vorteil ist. Demgegenüber kann, wenn das Verhältnis aus dem Volumen des Hohlraums 32 zum Gesamtvolumen der Verbrennungskammer 16 übermäßig klein ist, die Erzeugung einer Saltoströmung (Verwirbelungsströmung) nicht ausreichend unterstützt werden, was das Erzielen ge schichteter Verbrennung unmöglich macht, wobei jedoch die Ausgangsleistung zunimmt. Um diese Mängel zu überwinden, wird beim Motor mit Zylinderverbrennung gemäß dem vorliegen den Ausführungsbeispiel das Volumen des Hohlraums 32 so ein gestellt, daß eine Saltoströmung (Verwirbelungsströmung) erzeugt wird, um dadurch geschichtete Verbrennung zu ermög lichen, während für ausreichende Ausgangsleistung gesorgt ist.

D. h., daß dann, wenn, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, das Volumen des Hohlraums 32 durch Va repräsentiert wird, das Volumen eines Raums, wie er über dem Hohlraum 32 erzeugt ist, wenn sich der Kolben 31 im oberen Totpunkt befindet, durch Vb repräsentiert wird, und das Volumen eines über dem Kolben 31 ausgebildeten Raums, außer dem Raum, wie er über dem Hohlraum 32 ausgebildet ist, wenn sich der Kolben 31 im oberen Totpunkt befindet, durch Vc repräsentiert wird, der Volumenanteil des Hohlraums 32 durch die folgende Gleichung ausgedrückt ist:

Volumenanteil des Hohlraums = (Va + Vb)/(Va + Vb + Vc).

Der optimale Wert für den Volumenanteil des Hohlraums be trägt ungefähr 0,5. Jedoch kann der Volumenanteil des Hohl raums im Bereich von 0,3-0,7 eingestellt werden. Wenn die ser Anteil so eingestellt wird, daß er in diesen Bereich fällt, werden eine Verringerung des Energieverbrauchs und die Sicherstellung der Ausgangsleistung auf gut ausgewogene Weise erzielt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann, da die Oberseite des Kolbens über satteldachähnliche Form verfügt, die vom Kolben 31 und vom Zylinderkopf 13 im oberen Totpunkt umschlossene Fläche verringert werden, so daß der Volumenanteil des Hohlraums 32 zum Gesamtvolumen der Ver brennungskammer 16 erhöht werden kann. Demgemäß kann die Ausgangsleistung durch eine Vergrößerung des Kompressions verhältnisses des Motors erhöht werden.

Wie oben beschrieben, ist beim vorliegenden Ausführungsbei spiel der Volumenanteil des Hohlraums entsprechend der oben angegebenen Gleichung eingestellt; die unter dem Einspritz ventil 21 liegende gekrümmte Fläche 32a sowie die unter der Zündkerze 22 liegende gekrümmte Fläche 32b sind über die ge krümmte Verbindungsfläche 32c gleichmäßig verbunden; außer dem sind die Krümmung κ₁ der gekrümmten Fläche 32a und die Krümmung κ₂ der gekrümmten Fläche 32b so eingestellt, daß sie der Beziehung κ₁<κ₂ genügen. Daher wird die von der Einlaßöffnung 17 in die Verbrennungskammer 16 fließende Luft durch den Hohlraum 32 dahingehend unterstützt, daß sie eine Saltoströmung (vertikale Verwirbelungsströmung) er zeugt. D. h., daß sie in die Verbrennungskammer 16 entlang der Zylinderwand angrenzend an die Einlaßöffnung 17 nach unten zur Oberseite des Kolbens 31 strömt und durch die ge krümmte Fläche 32a des Hohlraums 32 in den mittleren Teil der Verbrennungskammer 16 geleitet wird. Ferner wird die Luftströmung durch die gekrümmte Fläche 32b umgekehrt, um dafür zu sorgen, daß die Luft zur Unterseite des Zylinder kopfs 13 strömt. Wenn der Motor im unteren/mittleren Lastbe reich betrieben wird, wird Kraftstoff während der mittleren oder abschließenden Periode des Kompressionshubs vom Ein spritzventil 21 in die Verbrennungskammer 16 eingespritzt, und der Kraftstoff trifft auf die Fläche des Hohlraums 32 und strömt entlang den gekrümmten Flächen 32a und 32b des selben zur Zündkerze 22, zu der er durch eine Saltoströmung geführt wird.

D. h., daß die gekrümmte Fläche 32a mit kleinerer Krümmung, die auf der Seite liegt, auf der das Einspritzventil 21 an geordnet ist, für ein ausreichendes Hohlraumvolumen sorgt und den vom Einspritzventil 21 eingespritzten Kraftstoffne bel wirkungsvoll führt, während die gekrümmte Fläche 32b mit größerer Krümmung, die auf derjenigen Seite vorhanden ist, auf der sich die Zündkerze 22 befindet, den Kraftstoffnebel wirkungsvoll sammelt und ihn zuverlässig dazu veranlaßt, zur Zündkerze 22 zu strömen. Demgemäß können innerhalb der Verbrennungskammer 16 zuverlässige Zündung und Verbrennung erzielt werden, und durch Bereitstellen des geeigneten Hohl raumvolumens wird geschichtete Verbrennung möglich gemacht, so daß der Verbrennungs-Wirkungsgrad verbessert werden kann.

In den Fig. 3A-5B zum zweiten Ausführungsbeispiel sind Elemente mit denselben Funktionen, wie sie beim ersten Aus führungsbeispiel beschrieben sind, mit denselben Symbolen gekennzeichnet, und zugehörige Beschreibungsteile werden weggelassen.

Wie es in den Fig. 3A und 3B dargestellt ist, ist in einem Kolben 41 für einen Motor mit Zylindereinspritzung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Oberseite ein als Vertiefung dienender Hohlraum 42 ausgebildet. Im Hohlraum 42 ist, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, eine gekrümmte Fläche 32a, die im wesentlichen unter dem Einspritzventil 21 liegt, eine Kugelfläche B₁ zentrisch zu einem Punkt O₁ mit einem Krümmungsradius ρ₁. Auch ist eine gekrümmte Fläche 42b, die im wesentlichen unter der Zündkerze 22 liegt, eine Kugelflä che B₂ zentrisch zu einem Punkt O₂ und mit einem Krümmungs radius ρ₂. Die gekrümmten Flächen 42a und 42b sind über eine gekrümmte Verbindungsfläche 42c gleichmäßig so verbunden, daß der Abstand zwischen den gekrümmten Flächen 42a und 42b minimiert ist. Der Krümmungsradius ρ₁ der gekrümmten Fläche 42a sowie der Krümmungsradius ρ₂ der gekrümmten Fläche 42b erfüllen die Beziehung ρ₁<ρ₂, d. h., daß die Krümmung κ₁ der gekrümmten Fläche 42a und die Krümmung κ₂ der gekrümmten Fläche 42b die Beziehung κ₁<κ₂ erfüllen.

Darüber hinaus ist der Hohlraum 42 beim vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel so konzipiert, daß die Höhe H₁ des untersten Teils der gekrümmten Fläche 42a, der im wesentlichen unter dem Einspritzventil 21 liegt, kleiner als die Höhe H₂ des untersten Teils der gekrümmten Fläche 42b ist, die im we sentlichen unter der Zündkerze 22 liegt. D. h., daß der Bo den der gekrümmten Fläche 42b höher als der Boden der ge krümmten Fläche 42a liegt und sich die gekrümmte Verbin dungsfläche 42c schräg nach oben zur Mitte des Kolbens 41 erstreckt. Ferner erstreckt sich der durch die zusammenhän gende, gekrümmte Fläche 42a, 42b und 42c erzeugte Hohlraum 42 leicht in Querrichtung (in vertikaler Richtung in Fig. 3B), wie von der Oberseite des Hohlraums 42 her gesehen.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Volumenanteil des Hohlraums entsprechend der obenbeschriebenen Gleichung, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, eingestellt. Die unter dem Einspritzventil 21 liegende gekrümmte Fläche 42a sowie die unter der Zündkerze 22 liegende gekrümmte Fläche 42b sind über die gekrümmte Verbindungsfläche 42c gleichmäßig verbunden. Die Krümmung κ₁ der gekrümmten Fläche 42a sowie die Krümmung κ₂ der gekrümmten Fläche 42b sind so einge stellt, daß die Beziehung κ₁<κ₂ erfüllt ist. Außerdem ist die Höhe H₁ der gekrümmten Fläche 42a kleiner als die Höhe H₂ der gekrümmten Fläche 42b. Daher wird von der Einlaßöff nung 17 in die Verbrennungskammer 16 einströmende Luft durch den Hohlraum 42 so unterstützt, daß eine Saltoströmung (vertikale Verwirbelungsströmung) erzeugt wird. D. h., daß die in die Verbrennungskammer 16 strömende Luft entlang der Zylinderwand angrenzend an die Einlaßöffnung 17 nach unten zur Oberseite des Kolbens 41 läuft und durch die gekrümmte Fläche 42a des Hohlraums 42 zum mittleren Teil der Verbren nungskammer 16 geführt wird. Ferner wird die Strömung der Luft durch die gekrümmte Flasche 42b des Hohlraums 42 umge kehrt, um dafür zu sorgen, daß die Luft zur Unterseite des Zylinderkopfs 13 strömt. Wenn der Motor im Bereich niedri ger/mittlerer Last betrieben wird, wird Kraftstoff in der mittleren oder abschließenden Periode des Kompressionshubs vom Einspritzventil 21 in die Verbrennungskammer 16 einge spritzt, und der Kraftstoff trifft auf die Oberseite des Hohlraums 42 und strömt entlang den gekrümmten Flächen 42a und 42b des Hohlraums 42 zur Zündkerze 22, zu der er durch eine Saltoströmung geführt wird.

D. h., daß die gekrümmte Fläche 42a mit kleinerer Krümmung, die auf derjenigen Seite vorhanden ist, auf der das Ein spritzventil 21 liegt, für ein ausreichendes Hohlraumvolumen sorgt und vom Einspritzventil 21 eingespritzten Kraftstoff nebel wirkungsvoll führt, ohne daß Anhaftung des Kraft stoffs an der Oberseite (gekrümmte Fläche 42a) des Kolbens verursacht wird. Indessen stellt die gekrümmte Fläche 42b mit größerer Krümmung, die näher an der Zündkerze 22 liegt, den Abstand zwischen der Zündkerze 22 und der Wandfläche des Hohlraums 42 auf einen gewünschten Wert ein, so daß der Kraftstoffnebel wirkungsvoll gesammelt werden kann und dafür gesorgt werden kann, daß er zuverlässig zur Zündkerze 22 strömt. Demgemäß können innerhalb der Verbrennungskammer 16 zuverlässige Zündung und Verbrennung erzielt werden, und durch Bereitstellen eines geeigneten Hohlraumvolumens ist geschichtete Verbrennung ermöglicht, so daß der Verbren nungs-Wirkungsgrad verbessert werden kann.

Der Kolben 41 mit dem obenangegebenen Hohlraum 42 ist im Leerlaufbetrieb des Motors mit Zylindereinspritzung wirksam. D. h., daß, wie oben beschrieben, der vom Einspritzventil 21 in die Verbrennungskammer 16 eingespritzte Kraftstoffne bel zum Hohlraum 42 des Kolbens 41 geführt wird. Dabei trifft, wenn der Abstand zwischen dem Einspritzventil 21 und der gekrümmten Fläche 42a auf der Seite des Einspritzventils 21 übermäßig klein ist, der Kraftstoffnebel auf die gekrümm te Fläche 42a, an der er nach Verflüssigung anhaftet. Außer dem ist auch, da sich der Motor im Leerlaufbetrieb im Be reich niedriger Drehzahlen befindet, die Bewegungsgeschwin digkeit des Kolbens gering, so daß die im Zylinder erzeugte Saltoströmung gering ist. Jedoch befindet sich beim Kolben 41 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die gekrümmte Fläche 42a des Hohlraums 42 auf der Seite des Einspritzven tils 21 in einer vorbestimmten Entfernung vom Einspritzven til 21, und sie weist eine kleine Krümmung auf. Daher wird selbst dann, wenn keine ausreichend starke Saltoströmung er zeugt wird, der Kraftstoffnebel vom Einspritzventil 21 durch die gekrümmte Fläche 42a zur Mitte des Kolbens 41 geführt, und dann wird durch die gekrümmte Fläche 42b dafür gesorgt, daß er zur Zündkerze 22 strömt. Daher werden innerhalb der Verbrennungskammer 16 zuverlässige Zündung und Verbrennung erzielt.

Dies ist auch aus den in den Fig. 5A und 5B dargestellten Kurvenverläufen erkennbar. Die Kurvenverläufe der Fig. 5A und 5B zeigen Bereiche stabiler Verbrennung im Leerlaufbe trieb. Das Kurvenbild von Fig. 5A gilt für einen Motor mit Zylindereinspritzung unter Verwendung des Kolbens 31 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, während das Kurvenbild von Fig. 5B für einen Motor mit Zylindereinspritzung mit dem Kolben 41 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gilt. Wie es in diesen Kurvenbildern dargestellt ist, erzielt der Kolben 41 im Leerlaufbetrieb einen größeren stabilen Verbrennungs bereich als der Kolben 31. Durch die obenbeschriebene Struk tur, bei der der Boden der gekrümmten Fläche 42a auf der Seite des Einspritzventils 41 tiefer liegt als der Boden der gekrümmten Fläche 42b auf der Seite der Zündkerze 22, kann der Kraftstoffnebel vom Einspritzventil 21 zur Mitte des Kolbens 41 geführt werden, ohne daß es zu einem Anhaften an der gekrümmten Fläche 42a kommt, so daß innerhalb der Ver brennungskammer 16 zuverlässige Zündung und Verbrennung er zielt werden und die Stabilität der Verbrennung verbessert ist.

Bei den obenbeschriebenen Ausführungsbeispielen besteht der Hohlraum 42 aus den zwei gekrümmten Flächen 32a und 32b so wie der sie verbindenden gekrümmten Verbindungsfläche 32c, während der Hohlraum 42 aus den zwei gekrümmten Flächen 42a und 42b und der sie verbindenden gekrümmten Verbindungsflä che 42c besteht. Jedoch ist bei der Erfindung die Anzahl der gekrümmten Flächen nicht auf diejenige bei den Ausführungs beispielen beschränkt. Ferner ist der Typ des Motors mit Zylindereinspritzung bei der Erfindung nicht auf den obenbe schriebenen Typ beschränkt. Selbst wenn die Erfindung bei einem Motor angewandt wird, bei dem die Einlaß- und die Auslaßöffnung symmetrisch im Zylinderkopf vorhanden sind, um Verwirbelungen innerhalb der Verbrennungskammer zu erzeu gen, können Wirkungen und Effekte erzielt werden, die denen bei den obenbeschriebenen Ausführungsbeispielen entsprechen.

Wie es bei den Ausführungsbeispielen speziell beschrieben ist, ist bei einem erfindungsgemäßen Kolben für einen Motor mit Zylindereinspritzung die Zündkerze näher am mittleren Teil der Verbrennungskammer als das Einspritzventil angeord net; in der Oberseite des Kolbens ist eine Vertiefung so ausgebildet, daß sie dem Einspritzventil und der Zündkerze zugewandt ist; eine gekrümmte Fläche der Vertiefung, die eine im wesentlichen unter der Zündkerze liegende gekrümmte Fläche mit einer im wesentlichen unter dem Einspritzventil liegenden gekrümmten Fläche verbindet, weist mehrere Krüm mungen auf, um ihre Länge zu minimieren. Demgemäß ist dafür gesorgt, daß vom Einspritzventil in die Verbrennungskammer eingespritzter Kraftstoff durch Luft, die von der Einlaß öffnung in die Verbrennungskammer strömt, dazu gebracht wird, die Vertiefung in der Oberseite des Kolbens zu errei chen, und er durch die aus der gekrümmten Fläche mit mehre ren Krümmungen bestehende Vertiefungsfläche geführt wird, so daß dieser Kraftstoff in Form einer Verwirbelungsströmung zur Zündkerze strömt. So können innerhalb der Verbrennungs kammer zuverlässige Zündung und Verbrennung erzielt werden. Außerdem kommt es zu geschichteter Verbrennung, da die Ver tiefung das korrekte Volumen aufweist, was zu verbessertem Verbrennungs-Wirkungsgrad führt.

Auch ist bei der Erfindung die Krümmung auf der Seite der Zündkerze, unter den mehreren Krümmungen, größer als dieje nige auf der Seite des Einspritzventils eingestellt. Daher sorgt die gekrümmte Fläche auf der Seite des Einspritzven tils mit kleinerer Krümmung für ein ausreichend großes Volu men innerhalb der Vertiefung, während die gekrümmte Fläche auf der Seite der Zündkerze mit größerer Krümmung den Kraft stoffnebel wirkungsvoll sammelt und dafür sorgt, daß der so gesammelte Kraftstoff zuverlässig zur Zündkerze strömt. So ist geschichtete Verbrennung ermöglicht.

Ferner liegt bei der Erfindung der Boden der im wesentlichen unter der Zündkerze liegenden gekrümmten Fläche höher als der Boden der im wesentlichen unter dem Einspritzventil lie genden gekrümmten Fläche. Daher ist zwischen dem Einspritz ventil und der unter ihm liegenden gekrümmten Fläche für einen ausreichend großen Abstand gesorgt, so daß innerhalb der Vertiefung für ein ausreichend großes Volumen gesorgt ist, wodurch dafür gesorgt werden kann, daß der vom Ein spritzventil eingespritzte Kraftstoff ohne Anhaftung an der gekrümmten Fläche der Vertiefung strömt. Ferner kann, da der Abstand zwischen der Zündkerze und der gekrümmten Fläche der Vertiefung dadurch verringert ist, daß die gekrümmte Fläche auf der Seite der Zündkerze höher als die gekrümmte Fläche auf der Seite des Einspritzventils liegt, Kraftstoffnebel zuverlässig dazu veranlaßt werden, zur Zündkerze zu strö men, so daß die Verbrennungsstabilität innerhalb der Ver brennungskammer verbessert werden kann.

Darüber hinaus trifft bei der Erfindung vom Einspritzventil eingespritzter Kraftstoff an einer Position, die im wesent lichen unter der Zündkerze liegt, auf die Vertiefung des Kolbens. Daher strömt der Kraftstoffnebel zuverlässiger zur Zündkerze, so daß die Stabilität der Verbrennung verbessert ist. Demgemäß kann eine vorteilhafte Wirkung insbesondere im Bereich niedriger Motordrehzahlen, wie im Leerlaufbetrieb, erzielt werden.

Nachdem die Erfindung auf diese Weise beschrieben wurde, ist es ersichtlich, daß sie auf viele Arten variiert werden kann. Derartige Variationen sollen nicht als Abweichung vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung angesehen wer den, sondern im Schutzumfang der folgenden Ansprüche sollen alle Modifizierungen enthalten sein, wie sie für den Fach mann erkennbar sind.

Claims

1. Kolben für einen Motor mit Zylindereinspritzung mit

- einer Verbrennungskammer (16), die durch die Unterseite eines Zylinderkopfs (13), eine Zylinderwand und die Obersei te eines Kolbens (31, 41) gebildet ist;
- einem Einspritzventil (21), das in der Nähe einer Einlaß öffnung (17) des Motors angeordnet ist und so ausgebildet ist, daß es Kraftstoff in die Verbrennungskammer ein spritzt;
- einer Zündkerze (22), die näher als das Einspritzventil am mittleren Teil der Verbrennungskammer angeordnet ist; und
- einer Vertiefung (32, 42), die in der Oberseite des Kol bens so ausgebildet ist, daß sie dem Einspritzventil und der Zündkerze im wesentlichen zugewandt ist;
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Vertiefung so ausgebildet ist, daß eine erste ge krümmte, im wesentlichen unter der Zündkerze liegenden Flä che (32b, 42b) und eine zweite gekrümmte, im wesentlichen unter dem Einspritzventil liegende Fläche (32a, 42a) erste Krümmungen, die voneinander verschieden sind, aufweisen;
- wobei die Krümmung (κ₁) der ersten gekrümmten Fläche grö ßer als diejenige (κ₂) der zweiten gekrümmten Fläche ausge bildet ist; und
- wobei die erste gekrümmte Fläche und die zweite gekrümmte Fläche über einen Verbindungsteil (32c, 42c) gleichmäßig verbunden sind.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (42) auf solche Weise ausgebildet ist, daß der Boden der ersten gekrümmten, im wesentlichen unter der Zündkerze (22) liegenden Fläche (42b) höher als der Boden der zweiten gekrümmten, im wesentlichen unter dem Einspritz ventil (21) liegenden Fläche (42a) liegt.

3. Kolben nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der vom Einspritzventil (21) eingespritzte Kraftstoff an der zweiten gekrümmten Fläche (42b), die im wesentlichen unter der Zündkerze (22) liegt, auf die Vertiefung (42) des Kol bens trifft.

4. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die folgende Gleichung ausge drückte Volumenanteil des Hohlraums innerhalb des Bereichs von 0,3-0,7 liegt:
Volumenanteil des Hohlraums = (Va + Vb)/(Va + Vb + Vc),
wobei Va das Volumen der Vertiefung (32, 42) ist; Vb das Volumen eines Raums ist, wie er über der Vertiefung ausge bildet ist, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befin det; und Vc das Volumen eines über dem Kolben ausgebildeten Raums ist, ohne das Volumen des Raums, wie er über der Ver tiefung ausgebildet ist, wenn sich der Kolben im oberen Tot punkt befindet.

5. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (32, 42) so ausgebildet ist, daß das Volumen der Vertiefung auf der Seite der Zünd kerze (22) hinsichtlich des Verbindungsabschnitts kleiner als das Volumen der Vertiefung auf der Seite des Einspritz ventils (21) hinsichtlich des Verbindungsabschnitts liegt.

6. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (32, 42) auf solche Wei se ausgebildet ist, daß ihre Breite in einer Richtung rechtwinklig zu einer Linie die die Zündkerze (22) mit dem Einspritzventil (21) verbindet, von einer Position aus, die im wesentlichen unter der Zündkerze liegt, zu einer Position zunimmt, die im wesentlichen unter dem Einspritzventil liegt.

7. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsrand der Vertiefung (32, 42), der auf der der Zündkerze (22) entsprechenden Seite liegt, und der Umfangsrand der Vertiefung, der auf der dem Einspritzventil (21) entsprechenden Seite liegt, gleichmäßig miteinander verbunden sind.