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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen eines Verbrennungsmotors
mit Direkteinspritzung in den Zylinder und Fremdzündung, der
mit einem Kolbentyp mit offener Brennkammer ausgestattet ist, bei
welchem Kraftstoff direkt in die Motorzylinder eingespritzt wird
und durch einen elektrischen Funken entzündet wird, und insbesondere
Techniken zur wirksamen Erzeugung eines starken und stabilen Wirbelstroms
für eine
stabile Verbrennung (insbesondere eine stabile Schichtladungsverbrennung),
und welcher eine Verbesserung des Abgasausstoßes ermöglicht.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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In
den letzten Jahren wurden verschiedene Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung
und Fremdzündung
vorgeschlagen und entwickelt, bei denen Kraftstoff direkt in die
Motorzylinder eingespritzt wird. Im Allgemeinen kann bei solchen
Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung und Fremdzündung ein
Verbrennungsmodus wechseln zwischen einem homogenen Verbrennungsmodus (ein
Verbrennungsmodus mit früher
Einspritzung), bei dem die Kraftstoffeinspritzung früh im Ansaughub ein
homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch
erzeugt, und einem Schichtladungs-Verbrennungsmodus (einem Verbrennungsmodus
mit später
Einspritzung), bei dem die späte
Kraftstoffeinspritzung den Vorgang verzögert bis fast zum Ende des
Kompressionshubs, um ein geschichtetes Luft-Kraftstoff-Gemisch zu
erzeugen. Eine solche Schichtladung oder ein Schichtladungs-Verbrennungsmodus
ist wirksam bei einer Betriebsbedingung mit geringer Motorlast, bei
welcher die Menge des eingespritzten Kraftstoffs vergleichsweise
gering ist. Im Gegensatz zum Obigen gibt es während eines Betriebs mit hoher
Motorlast, bei welchem die Menge des ausgespritzten Kraftstoffs
vergleichsweise groß ist
aufgrund von Anforderungen an mehr Motorleistung oder ein höheres Ausgangsdrehmoment
des Motors, eine geringere Notwendigkeit für Schichtladung, und an Stelle
dessen ist es nötig,
einheitlichere Luft-Kraftstoff-Gemischschichten zu bilden, insbesondere
um zu verhindern, dass der Motor klopft. Ein derartiger Verbrennungsmotor
mit Direkteinspritzung und Fernzündung
wurde in der provisorischen japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 9-317479 offenbart.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Der
in der provisorischen japanischen Patentveröffentlichung Nr. 9-317479 offenbarte
Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung und Fremdzündung umfasst
eine Zündkerze,
die zentral an einer Mitte der Brennkammer angeordnet ist, ein Kraftstoffeinspritzventil,
das an einem Seitenwandbereich der Brennkammer und nahe eines in
einem Einlassdurchgang angeordneten Einlassventils liegt, und einen
Kolben mit einer Kolbenmulden-Hohlraumbrennkammer
in einem Kolbenboden. Der in der provisorischen japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 9-317479 offenbarte Verbrennungsmotor ist in einem Schichtladungs-Verbrennungsmodus
betreibbar, bei dem die Kraftstoffeinspritzung bei einem Kompressionshub
ausgeführt
wird, während
ein umgekehrter Wirbelstrom auf eine eingeleitete Luft aufgebracht wird,
die durch den Einlassdurchgang in die Brennkammer angesaugt wurde.
Solch ein Kolbenmuldenhohlraum dient dazu, einen starken Wirbelstrom
zu erzeugen. Der obige umgekehrte Wirbelstrom ist eine Vertikalwirbelströmung, die
vom Einlassventil nach unten gerichtet ist, über einen Bereich in der Nähe des Kraftstoffeinspritzventils
in Richtung zum Kolbenboden strömt,
dann entlang des Kolbenmuldenhohlraums zurückkehrt und somit in Richtung
zur Zündkerze
gerichtet ist. Außerdem
ist der Kolbenmuldenhohlraum so bemessen, dass der Winkel zwischen
gegenüberliegenden
Seitenkantenbereichen des Kolbenmuldenhohlraums, der in einer Richtung entlang
einer Linie von der Einlassventilseite zur Mitte des Kolbenbodens
(oder in einer Richtung entlang der Strömungslinien des Wirbelstroms
entlang des Muldenhohlraums) allmählich zunimmt, im Wesentlichen
gleich einem Kraftstoffeinspritzwinkel ist. Der Winkel zwischen
gegenüberliegenden
Seitenkantenbereichen des Kolbenmuldenhohlraums wird nachfolgend
als „verjüngter Winkel
der gegenüberliegenden
Seitenkanten des Muldenhohlraums" bezeichnet.
Aufgrund eines solchen umgekehrten Wirbelstroms besteht eine Möglichkeit
einer Kraftstoffnebel-/Wandauswirkung zwischen Kraftstoffnebel und Wandoberfläche des
Kolbenmuldenhohlraums. Aufgrund einer solchen Auswirkung des Kraftstoffnebels auf
den Kolbenmuldenhohlraum besteht eine vergrößerte Neigung des einströmenden Kraftstoffs,
an der Brennkammerwand des Kolbenmuldenhohlraums in der Form eines
Kraftstofffilms anzuhaften und eine schnelle Karbonisierung könnte auftreten,
wodurch eine Abgasausstoß-Regulierungsleistung
durch die erhöhte
Menge an Abgasen wie Rauch oder Schwebstoffen (PM) und durch Bildung
nicht verbrannter Kohlenwasserstoffe (HC) verschlechtert wird. Der
am Muldenhohlraum anhaftende Kraftstofffilm führt zu unerwünschten
Ablagerungen im Verbrennungsmotor, was zu einem Leistungsverlust
des Motors und verringerter Lebensdauer des Kolbens führt. Aufgrund
des vorher diskutierten verjüngten
Winkels der gegenüberliegenden
Seitenkanten des Muldenhohlraums, der so bemessen ist, dass er im
Wesentlichen gleich dem Einspritzwinkel ist, weist der Motor zusätzlich ein
Problem damit auf, dass der Kraftstoffnebel an einem gewünschten
Punkt konzentriert wird, während
der Kraftstoff durch den Kolbenbodenhohlraum mit den oben erwähnten strukturellen
Abmessungen und der Geometrie geführt und auf dem umgekehrten
Wirbelstrom getragen wird. Mit anderen Worten gibt es eine Möglichkeit
einer unerwünschten Kraftstoffnebelverteilung
während
des Schichtverbrennungsmodus. Das bedeutet, dass der Kraftstoffnebel,
der vom Einspritzventil beim Kompressionshub während des Schichtladungs-Verbrennungsmodus
eingespritzt wird, nicht sicher auf dem umgekehrten Wirbelstrom
getragen werden kann und in die Nähe der Spitze der Zündkerze
geliefert werden kann. Zusätzlich
ist das Ende des Kolbenmuldenhohlraums, das der Abgasventilseite
zugewandt ist, geringfügig
angehoben, und somit besteht eine verstärkte Neigung, dass der eingespritzte
Kraftstoffnebel mit dem geringfügig
angehobenen Bereich des Kolbenbodens kollidiert oder auf diesen
einwirkt. Dies verschlechtert den Kraftstoffverbrauch und verringert
die Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors.
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Dementsprechend
ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung
in den Zylinder und Fremdzündung
bereitzustellen, welcher die vorgenannten Nachteile des Standes
der Technik vermeidet.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungsmotor
mit Direkteinspritzung in den Zylinder und Fremdzündung mit
festgelegten Kolbenmuldenhohlraum-Abmessungen und – geometrie
bereitzustellen, der in der Lage ist, eine unerwünschte Kraftstoffnebel-/Wandauswirkung
durch einen normalen Wirbelstrom entgegengesetzt zur Drehung des
oben diskutierten umgekehrten Wirbelstroms zu verhindern, und sicher
und zuverlässig
den Kraftstoffnebel auf dem normalen Wirbelstrom zu tragen und in
die Nähe
einer Spitze einer Zündkerze
zu liefern, um eine fettere Luft-Kraftstoff-Gemischschicht um die
Zündkerze
zu erzeugen, indem ein Luftstrom (der normale Wirbelstrom) an einem
gewünschten
Punkt so stark wie möglich
konzentriert wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungsmotor
mit Direkteinspritzung in den Zylinder und Fremdzündung mit
festgelegten Kolbenmuldenhohlraum-Abmessungen und – geometrie
bereitzustellen, der in der Lage ist, eine gute Regulierungsleistung
des normalen Wirbelstroms und eine gute Lieferung einer kleinen,
sehr fetten Schicht des Luft-Kraftstoff-Gemisches
in Richtung zur Umgebung einer Zündkerze
sicherzustellen und eine Stabilität einer Schichtladungsverbrennung durch
einen optimal gesteuerten Ausgabevorgang während eines Schichtverbrennungsmodus
zu erhöhen.
Der optimal gesteuerte Ausgabevorgang wird durch vollständiges Zusammenwirken
eines starken normalen Wirbelstroms im Zylinder, der sich auf einen
gewünschten
Punkt konzentriert, und einem relativ weiten Winkel zwischen den
gegenüberliegenden
Seitenkantenbereichen des Kolbenmuldenhohlraums, der sich allmählich in
einer Richtung entlang einer Linie von der Einlassventilseite zur
Mitte des Kolbenbodens erweitert oder allmählich in einer Richtung entlang
der Strömungslinie
des normalen Wirbelstroms am Muldenhohlraum verringert, verglichen
zu einem Einspritzwinkel, erhalten.
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Um
die vorliegenden und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung
zu erfüllen,
ist ein Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung und Fremdzündung in
zumindest einem Schichtladungs-Verbrennungsmodus
betreibbar, bei dem die Kraftstoffeinspritzung bei einem Kompressionshub
ausgeführt wird,
während
eine Vertikalwirbelströmung
auf eine eingeleitete Luft aufgebracht wird, die über einen
Einlassdurchgang in eine Brennkammer angesaugt wird, er umfasst
einen Zylinderblock mit einem Zylinder, einen Kolben, der durch
einen Hub im Zylinder beweglich ist und eine Kolbenmulden-Hohlraumbrennkammer
in einem Kolbenboden aufweist, einen Zylinderkopf, der am Zylinderblock
befestigt ist, eine Zündkerze,
die zentral an einer Mitte der Brennkammer angeordnet ist, und ein
Kraftstoffeinspritzventil, das an einem Seitenwandbereich der Brennkammer und
nahe eines in dem Einlassdurchgang angeordneten Einlassventils vorgesehen
ist, um Kraftstoff direkt in die Brennkammer einzuspritzen. Die
Kolbenmulden-Hohlraumbrennkammer ist in dem Kolbenboden ausgebildet,
um einen normalen Wirbelstrom herzustellen, der in Richtung einer
Nähe des
Kraftstoffeinspritzventils ausgerichtet ist und dann in Richtung
einer Nähe
der Zündkerze
ausgerichtet ist, während
er von der Kolbenmulden-Hohlraumbrennkammer
geführt
wird. Die Breite der Kolbenmulden-Hohlraumbrennkammer ist an einer Abgasventilseite
relativ breit und an einer Einlassventilseite relativ eng. Eine
Tiefe der Kolbenmulden-Hohlraumbrennkammer ist an der Abgasventilseite
relativ flach und an der Einlassventilseite relativ tief.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
eines Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung in den Zylinder
und Fremdzündung
mit einem Kolben, der mit einem muldenförmigen Kolbenhohlraum ausgebildet
ist.
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2 ist
eine Draufsicht auf den Kolben des Verbrennungsmotors des Ausführungsbeispiels
mit der verbesserten Mulde-in-Kolben-Verbrennungskammerstruktur.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht des Kolbenbodenbereichs des Verbrennungsmotors
des Ausführungsbei
spiels.
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4 ist
eine Kurve zur Erläuterung
des Verhältnisses
zwischen einem Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis (A/F) und einer Änderungsrate
beim angezeigten mittleren Arbeitsdruck und zeigt den Unterschied
einer mageren Fehlzündungsgrenze
zwischen dem Motor des Standes der Technik und dem verbesserten
Motor.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Bezug
nehmend auf die Zeichnungen, insbesondere 1, wird
der Verbrennungsmotor der Erfindung mit Direkteinspritzung in den
Zylinder und Fremdzündung
beispielhaft als ein Vierventil-Benzin-Verbrennungsmotor
mit Fremdzündung
mit einer Pultdach-Brennkammer
dargestellt. Wie in 1 gezeigt, ist die Zündkerze 9 beim
Verbrennungsmotor des Ausführungsbeispiels
mit Direkteinspritzung und Fremdzündung im Wesentlichen in der
Mitte der Brennkammer 4 angeordnet. Der Zylinderkopf 2 ist auf
einem Zylinderblock 1 mit einem Motorzylinder montiert.
Ein Kolben 3 ist im Zylinder so vorgesehen, dass er durch
einen Hub im Zylinder beweglich ist. Die Brennkammer 4 wird
durch die Zylinderwand des Zylinderblocks 1, die Bodenfläche des
Zylinderkopfs 2 und die Oberfläche (oder den Kolbenboden oder den
Kolbenkopf) des Kolbens 3 definiert. Der Motor ist mit
zwei Einlassdurchgängen
(7, 7) ausgestattet, die versetzt von der mittleren
Axiallinie des Zylinders in den Zylinderblock 1 gebohrt
sind. Wie deutlich in 2 zu sehen ist, ist der Zylinderkopf 2 mit
zwei Einlassventildurchgängen
(7, 7), die versetzt von der mittleren Axiallinie
des Zylinders in einem Zylinderblock 1 ausgebildet sind,
und zwei Abgasventildurchgängen
(8, 8), versetzt von der mittleren Axiallinie des
Zylinders in der entgegengesetzten Richtung zu den Positionen der
Einlassdurchgänge,
ausgestattet. Wie aus 1 ersichtlicht, weist der Motor
einen so genannten Querstrom-Durchgangsaufbau
auf. Zwei Einlassventile (5, 5) sind in den jeweiligen
Einlassdurchgängen
(7, 7) angeordnet, um diese zu öffnen und
zu schließen,
während
zwei Abgasventile (6, 6) in den jeweiligen Abgasdurchgängen (8, 8)
angeordnet sind, um diese zu öffnen
und zu schließen.
Ein Kraftstoffeinspritzventil 10 ist in einem Seitenwandbereich
der Brennkammer 4 und in der Nähe des im Wesentlichen mittleren
Bereichs der zwei stromabwärts öffnenden
Enden der Einlassdurchgänge
(7, 7) vorgesehen, um so Kraftstoff direkt in
die Brennkammer 4 einzu spritzen oder zu sprühen. Jeder
der Einlassdurchgänge
(7, 7) ist so geformt, dass er einfach eine ausreichende
Verwirbelung, d. h. einen starken normalen Wirbelstrom (in 1 mit
a bezeichnet) am Luft-Kraftstoff-Gemisch bewirken kann, in der Form einer
vertikalen (normaler Wirbelstrom im Zylinder) Verwirbelung innerhalb
der Brennkammer 4. Der durch den Pfeil a in 1 angezeigte
starke normale Wirbelstrom ist eine Vertikalwirbelströmung, die
nach oben vom Einlassventil gerichtet ist, durch einen Bereich in
der Nähe
des Kraftstoffeinspritzventils 10 in Richtung zum Kolbenboden
strömt
und dann entlang einer muldenförmigen
Kolbenmulden-Hohlraumbrennkammer 11 (wird nachfolgend genauer
beschrieben) zurückkehrt
und somit in Richtung zur Nähe
der Spitze der Zündkerze 9 gerichtet
ist. Wie in 1, 2 und 3 gezeigt,
ist die muldenförmige
Kolbenhohlraum-Brennkammer (einfach ein Kolbenmuldenhohlraum) 11 in
dem Kolbenboden des Kolbens 3 ausgebildet. Der Kolbenmuldenhohlraum 11 funktioniert
wie eine Wirbelstrom-Führungsnut. Deshalb
wird der normale Wirbelstrom a durch den Kolbenmuldenhohlraum 11 des
Kolbens 3 geführt und
somit in die Nähe
der Spitze der Zündkerze 9 gerichtet.
Einzelheiten des Aufbaus des Kolbenmuldenhohlraums 11 sind
nachfolgend beschrieben.
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Wie
aus der Seitenansicht in 1 zu sehen ist, ist der Kolbenmuldenhohlraum 11 in
einer kreisbogenförmigen
Form in einer Richtung entlang der Strömungslinien des normalen Wirbelstroms
a der Ansaugluft ausgebildet. Wie aus dem in 1 gezeigten
Querschnitt des Kolbens 3 erkennbar ist, ist eine im Wesentlichen
rechte Hälfte
des Kolbenmuldenhohlraums, die näher
am Abgasventil 6 als am Einlassventil liegt, als ein leicht
geneigter oder gebogener, vergleichsweise flacher Hohlraumbereich
ausgebildet, während
eine im Wesentlichen linke Hälfte des
Kolbenmuldenhohlraums 11, die näher am Einlassventil 5 als
am Abgasventil liegt, als ein steil geneigter oder gebogener, vergleichsweise
tiefer Hohlraumbereich ausgebildet ist. Der tiefste Bereich α des Kolbenmuldenhohlraums 11 ist
geringfügig versetzt
von der Mitte des Kolbenbodens (der Achse des Kolbens 3)
in Richtung zur Einlassventilseite. Die Verlagerung zwischen dem
tiefsten Bereich α und
der Mitte des Kolbenbodens, d. h. der Abstand des tiefsten Bereichs α von der
Achse des Kolbens 3, ist so bemessen, dass das Verhältnis der
Verlagerung zur Zylinderbohrung innerhalb eines bestimmten Bereichs
von 5 bis 20 % liegt. Die Tiefe des tiefsten Bereichs α, gemessen
von der obersten Fläche
des Kolbenbodens des Kolbens 3, ist so bemessen, dass das
Verhältnis
der Tiefe des tiefsten Bereichs a zur Zylinderbohrung innerhalb
eines bestimmten Bereichs von 5 bis 20 % liegt. Dies ist der Fall,
da ein übermäßig flacher
Kolbenmuldenaufbau eine vergleichsweise schwache Verwirbelungswirkung
erzeugt, und im Gegensatz dazu führt
ein übermäßig tiefer
Kolbenmuldenaufbau zu einem Anstieg der Dicke des Kolbenbodens,
d. h. zu einem erhöhten
Kolbenkopfgewicht. Wie in 1 gezeigt,
leitet die schwach gekrümmte
Linie R1 im schwach geneigten oder gebogenen, relativ flachen Hohlraumbereich (siehe
die im Wesentlichen rechte Hälfte
des in 1 gezeigten Kolbenmuldenhohlraums 11) über zu einer steil
gekrümmten
Line R2 im steil geneigten oder gebogenen, vergleichsweise tiefen
Hohlraumbereich (siehe die im Wesentlichen linke Hälfte des
in 1 gezeigten Kolbenmuldenhohlraums 11),
auf der gleichen Tangentiallinie am tiefsten Bereich α.
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Der
radiale Abstand β jedes
der diametral gegenüberliegenden
Hohlraumenden des Kolbenmuldenhohlraums 11 in der Richtung
entlang einer im Wesentlichen zentralen Strömungslinie des Wirbelstroms
auf dem Kolbenmuldenhohlraum 11 zum Kantenbereich des Umfangs
des Kolbenbodens des Kolbens 3 ist so bemessen, dass das
Verhältnis
des radialen Abstands β zur
Zylinderbohrung innerhalb eines bestimmten Bereichs von 5 bis 15
% liegt. Die untere Grenze (wie 5 %) des Verhältnisses des radialen Abstands β zur Zylinderbohrung
wird in Abhängigkeit
von einer mechanischen Festigkeit des Kolbens 3 festgelegt.
Andererseits wird die obere Grenze (wie 15 %) des Verhältnisses
des radia len Abstands β zur
Zylinderbohrung festgelegt, indem ein optimal gesteuerter Ausgabevorgang
des Luft-Kraftstoff-Gemisches, verursacht durch den normalen Wirbelstrom
a, berücksichtigt
wird. Ein übermäßig großer radialer
Abstand β (auf
der Seite des Abgasventils) ist ein Problem im Hinblick auf den
Eintritt des Wirbelstroms (der entlang der Pultdachseite der Brennkammer
umgedreht ist) in den Kolbenmuldenhohlraum 11. Wenn umgekehrt
der radiale Abstand β(auf
der Seite des Einlassventils) übermäßig groß ist, kann
der Kraftstoffnebel, der vom Kraftstoffeinspritzventil 10 beim
Kompressionshub während
des Schichtladungs-Verbrennungsmodus eingespritzt wird, nicht wirksam
auf dem normalen Wirbelstrom a getragen und zur Nähe der Spitze
der Zündkerze 9 geliefert
werden. Aus den oben dargelegten Gründen ist im verbesserten Kolbenaufbau
des Ausführungsbeispiels
der radiale Abstand β so
bemessen, dass das Verhältnis
des radialen Abstands β zur
Zylinderbohrung innerhalb des bestimmten Bereichs von 5 bis 15 %
liegt. Zusätzlich
ist, wie aus der Draufsicht der 2 erkennbar,
im Hinblick auf eine Hohlraumbreite des Kolbenmuldenhohlraums 11,
gemessen in einer Richtung senkrecht zu der Richtung entlang einer
im Wesentlichen zentralen Strömungslinie
des normalen Wirbelstroms, dessen zentrale Strömungslinie durch die Achse
des Kolbens verläuft
und sich von der Abgasventilseite zur Einlassventilseite erstreckt,
der schwach geneigte oder gebogene, vergleichsweise flache Hohlraumbereich
des Kolbenmuldenhohlraums 11 (der flache Hohlraumbereich auf
der Abgasventilseite) relativ breit, während der steil geneigte oder
gebogene, vergleichsweise tiefe Hohlraumbereich des Kolbenmuldenhohlraums 11 (der
tiefe Hohlraumbereich auf der Einlassventilseite) relativ eng ist.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die zentrale Hohlraumbreite γ (definiert
als ein Liniensegment zwischen und einschließlich zwei diametral gegenüberliegender
Punkte, angeordnet auf der Umfangskante des Kolbenmuldenhohlraums 11 und durch
die Achse des Kolbens 3 in der Richtung senkrecht zur Richtung
entlang der im Wesentlichen zentralen Strömungslinie des Wirbelstroms
auf dem Kolbenmuldenhohlraum verlaufend) so bemessen, dass das Verhältnis der
zentralen Hohlraumbreite γ zur
Zylinderbohrung innerhalb eines bestimmten Bereichs von 50 bis 70
% liegt. Bezüglich
eines Querschnittsbereichs eines Querschnitts des Kolbenmuldenhohlraums 11,
geschnitten in einer willkürlichen
Ebene senkrecht zur Richtung entlang der im Wesentlichen zentralen
Strömungslinie
des Wirbelstroms auf dem Muldenhohlraum, ist eine Krümmung des
Kolbenmuldenhohlraums 11 bei jedem Querschnitt, geschnitten in
der willkürlichen
Ebene, so bemessen, dass der Querschnittsbereich im Wesentlichen
gleich ist über einem
bestimmten Bereich, der vom obigen Liniensegment (durch die Achse
des Kolbens 3 verlaufend) um eine vorbestimmte Entfernung
s (oder eine vorbestimmte Verlagerung s) in zwei entgegengesetzten Richtungen
entlang der im Wesentlichen zentralen Strömungslinie des Wirbelstroms
auf dem Muldenhohlraum 11 versetzt ist. Im Kolbenmuldenaufbau des
Ausführungsbeispiels,
wie aus der Draufsicht in 2 zu sehen,
ist die nach rechts gerichtete Verlagerung s (oder die nach links
gerichtete Verlagerung s) so bemessen, dass das Verhältnis der
Verlagerung s zur Zylinderbohrung innerhalb eines bestimmten Bereichs
von 5 bis 20 liegt. Wie vorher diskutiert, ist die Hohlraumbreite
des flachen Hohlraumbereichs auf der Abgasventilseite des Kolbenmuldenhohlraums 11 relativ
breit, während
die Hohlraumbreite des tiefen Hohlraumbereichs auf der Einlassventilseite
des Kolbenmuldenhohlraums 11 relativ eng ist. Der Kantenbereich
des Umfangs der Kolbenmulden-Hohlraumbrennkammer 11, die
im Kolbenboden des Kolbens 3 ausgebildet ist, ist so bemessen,
dass der Winkel δ zwischen
gegenüberliegenden
Seitenkantenbereichen des Kolbenmuldenhohlraums, der sich allmählich von
der Einlassventilseite zur Abgasventilseite verbreitert oder sich
allmählich
in der Richtung entlang der im Wesentlichen zentralen Strömungslinie
des Wirbelstroms auf dem Muldenhohlraum 11 verengt, größer als
ein Kraftstoffeinspritzwinkel θ des
Kraftstoffnebels ist, der vom Kraftstoffeinspritzventil beim Kompressionshub
während
des Schichtladungs-Verbrennungsmodus eingespritzt wird. Zum Beispiel
sei angenommen, dass der Einspritzwinkel θ 50 Grad ist, dann ist es bevorzugt,
den „verjüngten Winkel
der gegenüberliegenden
Seitenkanten des Muldenhohlraums" δ auf 60 Grad
festzulegen.
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Bei
der oben diskutierten Anordnung, während eines Schichtladungs-Verbrennungsmodus
(ein Verbrennungsmodus mit später
Einspritzung), bei dem die späte
Kraftstoffeinspritzung den Vorgang bis nahe zum Ende des Kompressionshubs
verzögert, um
ein geschichtetes Luft-Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen, und die Flamme
in einer kleinen, sehr fetten Luft-Kraftstoff-Gemischschicht um die Spitze der Zündkerze 9 beginnt
und sich nach der Zündung
auf das magerere Gemisch, das den Rest der Brennkammer 4 füllt, ausbreitet,
erzeugt der Motor des Ausführungsbeispiels
mit dem verbesserten Kolbenmuldenhohlraum-Aufbau einen vertikalen normalen Wirbelstrom
im Zylinder a innerhalb der Brennkammer 4, so dass der
vom Kraftstoffeinspritzventil 10 eingespritzte Kraftstoffnebel
zur Nähe
der Spitze der Zündkerze 9 gerichtet
oder geliefert wird. Der normale Wirbelstrom a ist nützlich,
um eine Kraftstoffnebel/Wandauswirkung zwischen dem Kraftstoffnebel
und der Wandoberfläche
des Kolbenmuldenhohlraums 11 zu verhindern. Außerdem ist
beim Motor des Ausführungsbeispiels
die Breite des Kolbenmuldenhohlraums 11, der als eine Führungsnut
für den
normalen Wirbelstrom a dient, relativ breit an der Abgasventilseite
und relativ eng an der Einlassventilseite. Auch die Tiefe des Kolbenmuldenhohlraums 11 ist
relativ flach an der Abgasventilseite und relativ tief an der Einlassventilseite.
Deshalb kann, wie in 3 gezeigt, der Aufbau des Kolbenmuldenhohlraums
des Ausführungsbeispiels
problemlos und zuverlässig den
normalen Wirbelstrom a tragen oder führen, wobei er von der Abgasventilseite
in den Kolbenmuldenhohlraum 11 in Richtung zur Einlassventilseite
(der Unterseite des Kraftstoffeinspritzven tils 10) eintritt, ohne
den Wirbelstrom aus dem Muldenhohlraum 11 zu überschreiten.
Weiterhin erlaubt es der Aufbau des Kolbenmuldenhohlraums des Ausführungsbeispiels,
dass Strömungslinien
des Wirbelstroms auf dem Kolbenmuldenhohlraum 11 allmählich in
Richtung in die im Wesentlichen zentrale Strömungslinie des Wirbelstroms
gebündelt
werden, dessen zentrale Strömungslinie
durch die Mitte des Kolbenbodens des Kolbens 3 verläuft. Dies
erzeugt einen starken normalen Wirbelstrom, der auf einen gewünschten Punkt
gerichtet ist. Aufgrund der gebündelten
Strömungslinien
des Wirbelstroms, die von der vernünftig gekrümmten, vertieften Innenumfangswandoberfläche des
Kolbenmuldenhohlraums 11 mit einzigartiger Form, Abmessung
und Geometrie richtig geführt
und gebündelt
werden, kann der Motor des Ausführungsbeispiels
einen wirksamen Ausgabevorgang bereitstellen, gemäß dem Kraftstoffnebel,
der vom Einspritzventil 10 beim Kompressionshub während des Schichtladungs-Verbrennungsmodus
eingespritzt wird, nach oben geschleudert und zuverlässig in Richtung
zur Spitze der Zündkerze 9 geführt wird. Somit
kann der Kraftstoffnebel dank des gesteuerten starken normalen Wirbelstroms
wirksam in die Nähe der
Spitze der Zündkerze 9 getragen
werden, um sicher die fettere Luft-Kraftstoff-Gemischschicht um die Spitze
der Zündkerze 9 während des
Schichtverbrennungsmodus zu erzeugen. Dies garantiert eine saubere,
stabile Verbrennung während
des Schichtladungs-Verbrennungsmodus.
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Bezug
nehmend auf 4 wird nun das Ergebnis eines
Vergleichs zwischen einer Änderungsrate
im angezeigten mittleren Arbeitsdruck, erhalten durch den verbesserten
Aufbau des Kolbenmuldenhohlraums der vorliegenden Erfindung, und
einer Änderungsrate
im angezeigten mittleren Arbeitsdruck, erhalten durch den herkömmlichen
Aufbau des Kolbenmuldenhohlraums, gezeigt. Der verbesserte Aufbau
des Kolbenmuldenhohlraums der Erfindung kann die Änderungsrate
im angezeigten mittleren Arbeitsdruck bei einem niedrigen Niveau
verringern, sogar bei einem sehr mageren Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis AFR.
Das bedeutet, die Verbrennungsstabilität, insbesondere die Stabilität der Schichtverbrennung,
kann deutlich verbessert werden und somit wird die Grenze der mageren
Fehlzündung
wirksam erweitert. Außerdem
trägt der
gesteuerte starke normale Wirbelstrom a zu einer guten Zufuhr des
Kraftstoffnebels auf dem Wirbelstrom zur Nähe der Spitze der Zündkerze 9 bei.
Mit der Hilfe des gesteuerten starken normalen Wirbelstroms a besteht
auch weniger Möglichkeit,
dass der Kraftstofffilm an der Innenwand des Muldenhohlraums 11 anhaftet.
Dies verhindert, dass eine unerwünschte Karbonisierung
aufgrund des Kraftstofffilms auftritt und verringert außerdem die
Abgasemission (nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe und Schwebstoffe) und
Ablagerungen im Motor, wodurch der Kraftstoffverbrauch verbessert
und somit die Regelungsleistung der Abgasemission verbessert wird.
Außerdem ist,
wie oben diskutiert, eine Krümmung
des Kolbenmuldenhohlraums 11 an jedem Querschnitt so bemessen,
dass der Querschnittsbereich eines Querschnitts des Muldenhohlraums 11,
willkürlich
geschnitten in einer Ebene senkrecht zu der Richtung entlang der
im Wesentlichen zentralen Strömungslinie
des Wirbelstroms auf dem Muldenhohlraum, im Wesentlichen gleich
ist über
einen bestimmten Bereich, der von dem obigen Liniensegment um eine vorbestimmte
Verlagerung s in zwei entgegengesetzten Richtungen entlang der im
Wesentlichen zentralen Strömungslinie
des Wirbelstroms auf dem Muldenhohlraum 11 versetzt ist.
Somit ist es möglich,
sicherer und zuverlässiger
zu verhindern, dass der Wirbelstrom aus dem Muldenhohlraum 11 überströmt. Das
heißt,
der einzigartige Aufbau des Kolbenmuldenhohlraums der Erfindung
dient als eine ausgezeichnete Wirbelstromführung.
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Zusätzlich ist
der Kantenbereich des Umfangs des Kolbenbodens des Kolbens 3 so
bemessen, dass der Winkel δ zwischen
gegenüberliegenden
Seitenkantenbereichen des Kolbenmuldenhohlraums, der sich allmählich in
einer Richtung entlang einer Linie von der Einlassventilseite zur
Mitte des Kolbenbodens vergrößert oder
sich allmählich
in der Richtung entlang der im Wesentlichen zentralen Strömungslinie
des Wirbelstroms auf dem Muldenhohlraum 11 verengt, größer als
ein Kraftstoffeinspritzwinkel θ ist.
Solch ein relativ weiter Winkel δ zwischen
gegenüberliegenden
Seitenkantenbereichen des Kolbenmuldenhohlraums 11 ist
wirksam, um den Kraftstoffnebel sicher auf dem Wirbelstrom zu tragen, ohne
eine Kraftstoffnebel-/Wandauswirkung zwischen dem Kraftstoffnebel
und der Wandoberfläche des
Kolbenbodens (der Kolbenoberfläche).
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Während das
Obige eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele, die die Erfindung ausführen, ist,
ist klar, dass die Erfindung nicht auf die hier gezeigten und beschriebenen
besonderen Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist, sondern dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen durchgeführt
werden können.