DE60030926T2 - Direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine, wobei Kraftstoff direkt in einen Brennraum eingespritzt wird, um eine geschichtete Verbrennung auszuführen oder zu realisieren und insbesondere auf eine Anwendungsart einer Tumble-Strömung in einem Brennraum gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine solche Brennkraftmaschine ist aus JP 11 200 865 A bekannt.
  • Ein Beispiel einer direkteingespritzten fremdgezündeten Brennkraftmaschine des Standes der Technik ist in der vorläufigen japanischen Patentanmeldung Nr. 4-112931 offenbart. Die direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine des Standes der Technik ist mit einem Kolben ausgestattet, der eine Vertiefung auf seiner Oberseite aufweist, und so gestaltet ist, dass eine Einlassöffnung eine Tumble-Strömung erzeugt, die bewirkt, dass der in den Brennraum eingespritzte Kraftstoff zu einer Stelle in der Nähe einer Zündkerze befördert wird, die gezündet wird, während verhindert wird, dass dieser sich fein verteilt. Dies ermöglicht es, eine Schichtladung und dadurch einen verbesserten Kraftstoffverbrauch zu erzielen, indem ein Motor bei einem äußerst mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch arbeitet.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine des Standes der Technik weist ein Problem auf, dass sich, obwohl sie bei Teillast oder mittlerem oder hohem Drehzahlbetrieb des Motors eine starke Tumble-Strömung erzeugen kann, um den Kraftstoff zur Zündkerze zu leiten, die Tumble-Strömung bei niedrigem Drehzahlbetrieb, wie z. B. im Leerlauf, abschwächt, was es schwierig macht, den Kraftstoff zur Zündkerze zu befördern.
  • Es ist dementsprechend Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine bereitzustellen, die das oben genannte Problem lösen kann, indem die Form oder Anordnung einer Vertiefung, die auf der Oberseite des Kolbens ausgebildet ist, verbessert wird.
  • Um die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung eine direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 bereit.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist eine Querschnittsansicht einer direkteingespritzten fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine Draufsicht eines Brennraums des Motors von 1;
  • 3 ist eine obere Draufsicht eines Kolbens des Motors von 1, wobei der Kolben eine Vertiefung auf dessen Oberseite aufweist;
  • 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV von 3;
  • 5A und 5B sind Ansichten zur Veranschaulichung von Formen eines eingespritzten Kraftstoffsprays bei einem geschichteten Verbrennungsmodus des Motorbetriebs, wobei 5A die Form eines eingespritzten Kraftstoffs bei einem Teillastbetrieb des Motors veranschaulicht und 5B die Form eines eingespritzten Kraftstoffsprays beim Leerlauf veranschaulicht;
  • 6 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung einer unteren Grenze eines Radius R;
  • 7A und 7B sind Ansichten zur Veranschaulichung der Ablenkung eines Kraftstoffsprays durch die Wirkung des Radius R;
  • 8 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung der oberen Grenze des Radius R;
  • 9A und 9B sind Ansichten zur Veranschaulichung eines Einflusses des Radius R auf eine Tumble-Strömung;
  • 10 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung der Position eines Einlassseiten-Endes der Vertiefung von 3, die auf die Tiefe der Vertiefung bezogen ist;
  • 11A und 11B sind Ansichten zur Veranschaulichung eines Einflusses eines Einlassseiten-Endes der Vertiefung von 3 auf ein eingespritztes Kraftstoffspray;
  • 12 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einem herausragenden Bereich des Kolbens und einem Pultdach-Brennraumtyp des Motors von 1;
  • 13A und 13B sind Ansichten zur Veranschaulichung eines Einflusses der Beziehung von 12 auf eine Quetsch-Strömung;
  • 14 ist eine Ansicht ähnlich 12, die aber eine weitere Ausführungsform zeigt, die eine unterschiedliche Beziehung zwischen dem herausragenden Kolbenbereich und dem Pultdach-Brennraumtyp aufweist;
  • 15 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen dem herausragenden Bereich der Oberseite des Kolbens und der inneren Wand des Zylinderkopfs;
  • 16A bis 16D sind Ansichten zur Veranschaulichung des Einflusses des herausragenden Bereichs der Oberseite des Kolbens von 15 auf eine Quetsch-Strömung;
  • 17 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung der Breite der Vertiefung des Kolbens von 3;
  • 18 ist eine Schnittansicht des Kolbens von 17;
  • 19 ist eine Draufsicht eines Kolbens mit einer Vertiefung mit gerundeten Ecken;
  • 20A, 20B und 20C sind Schnittansichten entlang den Linien XXA-XXA, XXB-XXB und XXC-XXC von 19;
  • 21 ist eine perspektivische Ansicht des Kolbens von 19;
  • 22 ist eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen einem Winkel α und der Verbrennungsstabilität beim Leerlauf;
  • 23 ist eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen den Winkeln β, γ und einer Verbrennungsstabilität bei Teillast;
  • 24 ist eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen einer Länge Lint und einer Verbrennungsstabilität beim Leerlauf; und
  • 25 ist eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen einem Abstand C und einer Verbrennungsstabilität bei einem geschichteten Verbrennungsmodus des Motorbetriebs.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Mit Bezug auf 1 bis 4 wird zuerst eine direkteingespritzte fremdgezündete Brennstoffkraftmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Wie in 1 gezeigt, weist ein Zylinderkopf 11 eine innere Wand auf und ein Kolben 1 weist eine Vertiefung 2 auf dessen Oberseite auf. Die innere Wand des Zylinderkopfs 11 und die Oberseite des Kolbens 1 definieren dazwischen einen Pultdach-Brennraumtyp. Die Vertiefung 2 bildet einen flachen, schalenförmigen Brennkammer-Abschnitt.
  • Wie in 2 gezeigt, ist jeder Zylinder des Motors mit einem Paar von Einlassventilen 4 und einem Paar von Auslassventilen 5 versehen. Dementsprechend ist jeder Zylinder mit einem Paar von Einlasskanälen 3 und einem Paar von Tumble-Steuerungs-/Regelungsventilen versehen. Ein Kraftstoff-Injektor 3 ist unter und zwischen dem Paar von Einlasskanälen 3 liegend angeordnet, um Kraftstoff bezüglich dem Pultdach-Brennraumtyp 8 schräg nach unten und direkt in diesen einzuspritzen. Auslasskanäle 13, die von Auslassventilen 5 geöffnet und geschlossen werden, sind auf der Hälfte des Weges miteinander verbunden, um einen einzigen Durchgang zu bilden. In einer Draufsicht des Brennraums 8 betrachtet, ist eine Zündkerze 7 fast am Mittelpunkt des Brennraums 8 angeordnet. Jeder Einlasskanal 3 ist mit einer Trennwand 12 und einem Tumble-Steuerungs-/Regelungsventil 9 versehen, die zusammenwirken, um eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Gasbewegung, wie z. B. einer Tumble-Strömung, im Innern des Brennraums 8 zu bilden. Die Trennwand 12 unterteilt jeden Einlasskanal 3 in obere und untere Durchgänge. Das Tumble-Steuerungs-/Regelungsventil 9 steuert/regelt das Öffnen und Schließen der oberen und unteren Durchgänge jedes Einlasskanals 3, um dadurch die im Brennraum 8 erzeugte Tumble-Strömung zu verstärken.
  • Wie in 3 und 4 gezeigt, weist die auf der Oberseite des Kolbens 1 ausgebildete Vertiefung 2, in einer Draufsicht des Kolbens 1 betrachtet, eine nahezu rechteckige Form auf. Die Oberseite des Kolbens 1 weist um die Vertiefung 2 einen nach außen herausragenden Bereich 14 auf. Der nach außen herausragende Bereich 14 umfasst einen geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt 21 und einen geneigten Auslassseiten-Oberflächenabschnitt 22, die ebene Flächen sind, einen horizontalen Oberflächenabschnitt 23, der zwischen den geneigten Oberflächenabschnitten 21 und 22 angeordnet ist, und einen konischen Oberflächenabschnitt 24, der die Oberflächenabschnitte 21, 22 und 23 umgibt. Um den konischen Oberflächenabschnitt 24 ist ein kreisförmiger, horizontaler Oberflächenabschnitt 25 der Breite vorgesehen, die einem Bodenbereich eines Kolbenringes (nicht gezeigt) entspricht.
  • Die Vertiefung 2 umfasst eine nahezu zylindrische Bodenfläche 28 mit einem solchen Querschnitt, der durch eine vertikale Ebene M gebildet wird, die sich durch die Mittelachse O des Kolbens 1 und zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite des Motors, der in etwa einem Kreisbogen eines Radius R entspricht, und einem zur vertikalen Ebene M nahezu parallelen Paar von Seitenflächen 29 erstreckt. Die nahezu rechteckige Vertiefung 2 weist längere Seiten auf, die sich parallel zur vertikalen Ebene M erstrecken. Der Mittelpunkt des Radius R befindet sich auf der Mittelachse O des Kolbens 1 und dementsprechend ist ein tiefster Bereich 28a der Bodenfläche 28 am und in der Nähe des Mittelpunkts des Kolbens 1 positioniert.
  • 5A und 5B veranschaulichen die durch den zuvor beschriebenen Aufbau bewirkten Grundfunktionen. 5A zeigt einen geschichteten Verbrennungszustand, der bei einem mittleren oder hohen Drehzahlbetrieb des Motors, z. B. einem Teillastbetrieb, erreicht wird, bei dem eine ausreichend starke Tumble-Strömung erzielt wird. In diesem Zustand wird das Spray des eingespritzten Kraftstoffs durch die Gasbewegung der Tumble-Strömung G in der Nähe der Zündkerze 7 gesammelt. Daneben bezeichnet 31 einen oberen Endbereich eines Kraftstoffsprays und 32 kennzeichnet einen unteren Endbereich eines Kraftstoffsprays. Der Spraywinkel und die Einspritzrichtung durch den Kraftstoff-Injektor 6 werden in Anbetracht der Tumble-Strömung G ermittelt, wobei das Kraftstoffspray in der Nähe der Zündkerze 7 gesammelt werden kann, um einen stabilen Motorbetrieb sicher zu ermöglichen.
  • In einem geschichteten Verbrennungsmodus bei einem niedrigen Drehzahlbetrieb, wie z. B. im Leerlauf, wird die durch die Einlasskanäle gebildete Tumble-Strömung G andererseits abgeschwächt oder reduziert, wodurch es für den oberen Endbereich 31 des Kraftstoffsprays schwierig ist, eine Stelle in der Nähe der Zündkerze 7, derart wie in 5B gezeigt, zu erreichen. Jedoch wird bei einem niedrigen Drehzahlbetrieb des Motors, wie z. B. im Leerlauf, der Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt auf eine verzögerte Seite gesteuert/geregelt, um dadurch zu bewirken, das der untere Endbereich 32 des Kraftstoffsprays gegen die Bodenfläche 28 der Vertiefung 2 auftrifft oder aufschlägt und nach oben und in Richtung des Brennraums 8 abgelenkt wird, wo sich die Zündkerze 7 befindet. Aus diesem Grund wird das Kraftstoffspray in der Nähe der Zündkerze 7 gesammelt, um, selbst wenn die Gasbewegung schwach ist, einen stabilen Motorbetrieb bei geschichteter Verbrennung zu ermöglichen.
  • Dementsprechend wird es möglich, eine stabile geschichtete Verbrennung über einen weiten Bereich des Motorbetriebs von niedriger Drehzahl, wie z. B. dem Leerlauf, bis zu mittleren und hohen Drehzahlen zu erreichen, wodurch ermöglicht wird, den Kraftstoffverbrauch und den Abgaseffizienz zu verbessern.
  • Die Vertiefung 2, die einen flachen, schalenförmigen Brennraumabschnitt bildet, wird bezüglich ihrer spezifischen Anordnungen und Wirkungen näher beschrieben.
  • 6 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung der unteren Grenze des Radius R. Ein Neigungswinkel bezüglich einer horizontalen Ebene wird mit α gekennzeichnet, die eine tangentiale Ebene zur Bodenfläche 28 ist, und die den Auftreffpunkt 33 berührt, bei dem der untere periphere Endbereich f eines Kraftstoffsprays gegen die Bodenfläche 28 trifft, wenn der Kolben 1 dabei in einer angenommenen Position ist, wenn ein unterer peripherer Endbereich f eines an einem Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt (z. B. einem verzögerten Zeitpunkt) bei einem niedrigen Drehzahlbetrieb des Motors (z. B. im Leerlauf) eingespritzten Kraftstoffsprays die Bodenfläche 28 erreicht, wird der Neigungswinkel α auf kleiner oder gleich θ/2 festgelegt, wobei θ ein Winkel zwischen einer Linie ist, die den unteren Spray-Endbereich f definiert, und einer horizontalen Ebene ist. Wenn nämlich X den Abstand zwischen dem Auftreffpunkt 33 und der Kolben-Mittelachse O kennzeichnet, wird der Radius auf gleich oder größer als X × sin(θ/2) festgelegt. Bei einem hohen Drehzahlbetrieb des Motors wird daneben der Zündzeitpunkt so vorgestellt, dass das Kraftstoffspray, wie im unteren Teil von 6 gezeigt, gegen die Bodenfläche 28 des Kolbens 1 trifft, der sich auf einer dazu relativ niedrigeren Position befindet. Jedoch ist in diesem Fall der Neigungswinkel α2 der tangentialen Ebene zum Auftreffpunkt kleiner als der oben beschriebene Winkel α.
  • 7A und 7B sind Ansichten zur Veranschaulichung eines Betriebs, der durch Bestimmung der unteren Grenze des Radius R erreicht wird. Wenn der Radius R auf die oben beschriebene Art und Weise festgelegt oder bestimmt wird, wird der untere periphere Endbereich f des Kraftstoffsprays zwangsläufig nach oben, d. h. zu einer höheren Position als eine horizontale Ebene, abgelenkt.
  • Wenn der Radius R im Gegensatz dazu übermäßig klein ist, wird der untere periphere Endbereich f des Kraftstoffsprays nach unten abgelenkt, d. h., wie in 7B gezeigt, zu einer niedrigeren Position als eine horizontale Ebene, wodurch der Sammelvorgang des Kraftstoffsprays in der Nähe der Zündkerze 7 abgeschwächt wird.
  • 8 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung einer oberen Grenze des Radius R. Der Radius R ist so bestimmt, dass β ≥ θint und γ ≥ θexh ist, wobei β ein Neigungswinkel einer Ebene ist, die eine Verbindung zwischen dem tiefsten Bereich 28a der Bodenfläche 28 und dem Einlassseiten-Ende 28b der Vertiefung 2 zu einer horizontalen Ebene herstellt, θint ein Neigungswinkel bezüglich einer horizontalen Ebene des geneigten Einlassseiten-Abschnitts 37 der inneren Wand des Zylinderkopfs 11 ist, γ ein Neigungswinkel einer Ebene ist, die eine Verbindung zwischen dem tiefsten Bereich 28a der Bodenfläche 28 und dem Auslassseiten-Ende 28c der Vertiefung 2 zu einer horizontalen Ebene herstellt, und θexh ein Neigungswinkel bezüglich einer horizontalen Ebene des geneigten Auslassseiten-Abschnitts 38 der inneren Wand des Zylinderkopfs 11 ist.
  • Durch Festlegung des Radius R in der oben beschriebenen Art und Weise ist die Vertiefung 2 nicht übermäßig flach oder die Bodenfläche 28 ist, wie in 9A gezeigt, nicht übermäßig nahe an einer flachen Oberfläche, wodurch kein Hindernis für die Tumble-Strömung G verursacht wird. Falls im Gegensatz dazu der Radius R übermäßig groß ist, wird die Bodenfläche 28 so flach oder nahezu zu einer flachen Oberfläche, um die Tumble-Strömung G, wie in 9B gezeigt, zu behindern.
  • Mit Bezug auf 10 wird die Tiefe der Vertiefung 2 beschrieben. Die Tiefe der Vertiefung 2 wird so festgelegt, das Lint < A ist, wobei Lint der Abstand vom äußeren peripheren Rand 1a des Kolbens 1 zum Einlassseiten-Ende 28b der Vertiefung 2 ist, und A der Abstand vom äußeren peripheren Rand 1a des Kolbens 1 bis zum Auftreffpunkt 33 ist, an dem der untere periphere Endbereich f des Kraftstoffsprays gegen die Bodenfläche 28 trifft, wenn der Kolben 1 dabei in einer angenommenen Position ist, wenn der untere periphere Endbereich f des eingespritzten Kraftstoffsprays an einem Einspritzzeitpunkt beim Motorbetrieb mit niedriger Drehzahl (z. B. beim Leerlauf) die Bodenfläche 28 erreicht.
  • Durch Festlegung des Radius R in der oben beschriebenen Art und Weise wird es dem Kraftstoffspray, selbst bei einem verzögerten Einspritzzeitpunkt im Leerlauf, ermöglicht, in die Vertiefung 2 einzutreten, ohne gegen den herausragenden Bereich 14 zu treffen. Wenn im Gegensatz dazu die Tiefe der Vertiefung 2 so flach ist und folglich der oben beschriebene Abstand Lint so groß wird, wird bewirkt, dass das Kraftstoffspray, wie in 11B gezeigt, gegen den geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt 21 trifft.
  • 12 veranschaulicht eine Beziehung zwischen den Kolben 1 und dem Pultdach-Brennraumtyp 8.
  • Wie in 12 gezeigt, kennzeichnet Lexh den Abstand vom äußeren peripheren Rand 1b des Kolbens 1 zum Auslassseiten-Ende 28c der Vertiefung 2, wobei der Abstand Lexh nahezu gleichgroß wie der oben beschriebene Abstand Lint vom äußeren peripheren Rand 1a des Kolbens 1 zum Einlassseiten-Ende 28b der Vertiefung 2 festgelegt ist. Der geneigte Einlassseiten-Oberflächenabschnitt 21 und der geneigte Auslassseiten-Oberflächenabschnitt 22 des um die Vertiefung 2 herausragenden Bereichs 14 sind so ausgebildet, um nahezu parallel zum geneigten Einlassseiten-Abschnitt 37 und zum geneigten Auslassseiten-Abschnitt 38 der inneren Wand des Zylinderkopfs 11 zu sein. Und zwar sind der Neigungswinkel Pint des geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitts 21 der Oberseite des Kolbens 1 und der Neigungswinkel θint und des geneigten Einlassseiten-Abschnitts 37 der inneren Wand des Zylinderkopfs 11 gleichgroß zueinander und der Neigungswinkel Pexh des geneigten Auslassseiten-Oberflächenabschnitts 22 der Oberseite des Kolbens 1 und der Neigungswinkel θexh des geneigten Einlassseiten-Abschnitts 38 der inneren Wand des Zylinderkopfs 11 nahezu gleichgroß zueinander. Wenn sich ferner der Kolben 1 am oberen Totpunkt (TDC) befindet, sind der Abstand Bint zwischen dem geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt 21 der Oberseite des Kolbens und dem geneigten Einlassseiten- Abschnitt 37 der inneren Wand des Zylinderkopfs 11 und der Abstand Bexh zwischen dem geneigten Auslassseiten-Oberflächenabschnitt 22 der Oberseite des Kolbens 11 und der geneigte Auslassseiten-Abschnitt 38 der inneren Wand des Zylinderkopfs 11 nahezu gleichgroß zueinander.
  • Dadurch wird bewirkt, dass bei einem geschichteten Verbrennungsmodus bei einem mittleren bis hohen Drehzahlbetrieb des Motors, wie z. B. bei Teillast, wie in 13A gezeigt, die Intensität der vom Einlassseiten-Quetschbereich ausgebildeten Quetsch-Strömung S1 und der vom Auslassseiten-Quetschbereich ausgebildeten Quetsch-Strömung S2 nahezu gleichgroß zueinander werden. Dementsprechend wird die Gasbewegung von der starken Quetsch-Strömungsseite zur schwachen Quetsch-Strömungsseite, die durch den Unterschied bei der Intensität zwischen beiden Quetsch-Strömungen erzeugt wird, so klein, dass dadurch der am Einlasskanal 3 erzeugten Tumble-Strömung ermöglicht wird, unverändert aufrechterhalten zu bleiben und es möglich ist, eine Schwankung des Zyklus der Gasbewegung zu verhindern, um dadurch einen Motorbetrieb bei einer stabilen geschichteten Verbrennung zu erzielen. Falls im Gegensatz dazu, wie in 13B gezeigt, z. B. die Auslassseiten-Quetsch-Strömung S2 stark ist, wird die Tumble-Strömung unterdrückt oder eingeschränkt, wodurch es für das eingespritzte Kraftstoffspray schwierig wird, den Punkt in der Nähe der Zündkerze 7 zu erreichen.
  • 14 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der eine Beziehung zwischen dem Kolben 1 und dem Pultdach-Brennraumtyp 8, verglichen mit der der vorausgegangenen Ausführungsform, ein wenig modifiziert wurde.
  • Bei dieser Ausführungsform sind der geneigte Einlassseiten-Oberflächenabschnitt 21 und der geneigte Auslassseiten- Oberflächenabschnitt 22 des um die Vertiefung 2 herausragenden Bereichs 14 so angeordnet, dass sie fast parallel zum geneigten Einlassseiten-Abschnitt 37 bzw. zum geneigten Auslassseiten-Abschnitt 38 der inneren Wand des Zylinderkopfs 11 sind. Der Neigungswinkel Pint des geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitts 21 auf der Oberseite des Kolbens 1 und der Neigungswinkel θint des geneigten Einlassseiten-Abschnitts 37 der inneren Wand des Zylinderkopfs 11 sind zueinander nämlich nahezu gleichgroß und der Neigungswinkel Pexh des geneigten Auslassseiten-Oberflächenabschnitts 22 der Oberseite des Kolbens 1 und der Neigungswinkel θexh des geneigten Auslassseiten-Abschnitts 38 der inneren Wand des Zylinderkopfs 11 sind zueinander nämlich nahezu gleichgroß. Andererseits unterscheidet sich der Abstand Lexh vom auslassseitigen äußeren peripheren Rand 1b des Kolbens 1 bis zum Auslassseiten-Ende 28c der Vertiefung 2 leicht vom Abstand Lint vom einlassseitigen äußeren peripheren Rand 1a des Kolbens 1 bis zum Einlassseiten-Ende 28b der Vertiefung 2. Ferner unterscheiden sich der Abstand Bint zwischen dem geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt 21 der Oberseite des Kolbens 1 und dem geneigten Einlassseiten-Abschnitt 37 der inneren Wand des Zylinderkopfs 11 und der Abstand Bexh zwischen dem geneigten Auslassseiten-Oberflächenabschnitt 22 der Oberseite des Kolbens 1 und dem geneigten Auslassseiten-Abschnitt 38 der inneren Wand des Zylinderkopfs 11 leicht voneinander, wenn sich der Kolben 1 am oberen Totpunkt (TDC) befindet. Das Verhältnis (Lint/Lexh) der oben beschriebenen Längen und das Verhältnis (Bint/Bexh) der oben beschriebenen Abstände auf den Einlass- und Auslassseiten sind zueinander nahezu gleichgroß festgelegt.
  • Durch einen solchen Aufbau haben die Quetsch-Strömung auf der Einlassseite und die Quetsch-Strömung auf der Auslassseite, ähnlich wie die der 12 und 13A, die gleiche Intensität, wodurch es möglich ist, die gleiche Wirkung zu erzielen.
  • 15 veranschaulicht den herausragenden Bereich 14. Wie in 15 gezeigt, umfasst der herausragende Bereich 14 einen horizontalen Oberflächenbereich 23 zwischen dem geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt 21 und dem geneigten Auslassseiten-Oberflächenabschnitts 22. Wenn sich der Kolben 1 am oberen Totpunkt befindet, ist der Abstand C zwischen dem horizontalen Oberflächenabschnitt 23 und einem inneren Oberseitenabschnitt (Gratbereich) 8a des Zylinderkopfs 11 größer als die Abstände Bint und Bexh der oben beschriebenen geneigten Einlassseiten- und Auslassseiten-Oberflächenabschnitte festgelegt. Darüber hinaus ist der Abstand C kleiner als ein Abstand Dp vom Oberseitenabschnitt (Gratbereich) 8a der inneren Wand des Zylinderkopfs 11 bis zu einem herausragenden Ende der Mittelelektrode 40 der Zündkerze 7 festgelegt.
  • Wie in 16A bis 16C gezeigt, wird dadurch bewirkt, dass die durch den Einlassseiten-Quetschbereich erzeugte Quetsch-Strömung S1 und die durch den Auslassseiten-Quetschbereich erzeugte Quetsch-Strömung S2 sich zum Raum über der horizontalen Oberfläche 23 bewegen, sodass die Gasmenge, die in Querrichtung der Seitenflächen 29 und in die Vertiefung 2 strömt, klein ist. Folglich wird beim geschichteten Verbrennungsmodus bei einem mittleren bis hohen Drehzahlbetrieb des Motors, wie z. B. einem Teillast-Betrieb, die vom Einlasskanal 3 erzeugte Tumble-Strömung unverändert gehalten, wodurch es möglich ist, eine gute geschichtete Verbrennung zu erzielen. Wenn im Gegensatz dazu der Raum über der horizontalen Oberfläche 28 klein ist, wird bewirkt, dass die Quetsch-Strömung sich, wie in 16B und 16D gezeigt, quer über die Seitenflächen 29 und in die Vertiefung 2 bewegt.
  • Es wird nämlich eine solche Strömung erzeugt, die senkrecht zur Umkehrebene der Tumble-Strömung ist, um dadurch die Tumble-Strömung zu hindern, eine Schwankung des Zyklus größer werden zu lassen, wobei die gesamte Eindringkraft des Kraftstoffsprays sinkt und die geschichtete Verbrennung instabil wird.
  • Da darüber hinaus der Abstand C, der den Raum vorsieht, kleiner als der Abstand Dp bis zu der Position ist, bei der das Kraftstoffspray gezündet wird, befindet sich das Ende der Mittelelektrode 40 der Zündkerze 7 im Innern der Vertiefung 2, wenn sich der Kolben 1 am oberen Totpunkt befindet, wodurch es möglich ist, einen geschichteten Kraftstoff sicher zu zünden.
  • 17 und 18 veranschaulichen eine Beziehung zwischen der Größe der Vertiefung 2, die einen flachen, schalenförmigen Brennraum-Abschnitt bildet, und dem Spraywinkel.
  • Wie in 17 und 18 gezeigt, wird der Kraftstoff vom Kraftstoff-Injektor 6 mit einem vorgegebenen Spraywinkel Φ versprüht. Die Breite der Vertiefung 2 in der Form einer fast rechteckigen Vertiefung ist so festgelegt, dass der von einem konischen Kraftstoffspray bei einem geschichteten Verbrennungsmodus des Motorbetriebs ausgebildete Winkel innerhalb der Breite aufgenommen wird. Das heißt, wenn Φ den Spraywinkel bei einem geschichteten Verbrennungsmodus des Motorbetriebs kennzeichnet, E 1/2 mal der Breite der Vertiefung 2 gekennzeichnet und F den Abstand zwischen der Zündkerze 7 und dem Düsenöffnungspunkt des Kraftstoff-Injektors 6 kennzeichnet, so ist die halbe Breite E des Brennraumabschnitts 2 fast gleich F × tan(Φ/2).
  • Dadurch kann bei einem geschichteten Verbrennungsmodus des Motorbetriebs verhindert werden, dass sich das Kraftstoffspray in der seitlichen Richtung verteilt, sondern sich am Punkt um oder in der Nähe der Zündkerze sammelt, wodurch es möglich ist, eine stabile Verbrennung zu erzielen.
  • 19, 20A bis 20C und 21 zeigen eine Modifikation, wobei die Vertiefung 2 gerundete Ecken aufweist.
  • Wie bei dieser Ausführungsform gezeigt, sind die Ecken 41 zwischen der Bodenfläche 28 und der Seitenflächen 29 gerundet, um so eine gerundete Form mit einem geeigneten Radius aufzuweisen.
  • Bei einem geschichteten Verbrennungsmodus bei langsamem Drehzahlbetrieb des Motors, wie z. B. im Leerlauf, trifft das Kraftstoffspray, wie oben erwähnt, gegen die Bodenfläche 28 der Vertiefung 2. In Verbindung mit dieser Modifikation wird der untere periphere Endbereich des Kraftstoffsprays durch die gerundeten Ecken 41 in Richtung des Brennraums 8 abgelenkt, wo die Zündkerze 7 angeordnet ist und selbst sein Anteil, der sich seitlich zur Vertiefung bewegt, wird dadurch abgelenkt. Dementsprechend kann bei einem langsamen Drehzahlbetrieb des Motors, bei dem die Gasbewegung schwach ist, das Kraftstoffspray besser an einem Ort in der Nähe der Zündkerze 7 gesammelt werden. Ferner können die Ecken 41 als einstellbarer Bereich zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses verwendet werden.
  • Die 22 bis 25 sind grafische Darstellungen, um den Einfluss der oben beschriebenen Parameter auf die Stabilität des Motorbetriebs bei geschichteter Verbrennung zu zeigen. In jeder der grafischen Darstellungen ist der Bereich des Parameters, der die oben beschriebenen Anforderungen erfüllt, mit „erforderlicher Bereich" bezeichnet.
  • 22 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem bezüglich 6 beschriebenen Winkel α und der Verbrennungsstabilität.
  • 23 zeigt die Beziehung zwischen den bezüglich 8 beschriebenen Winkeln β, γ und der Verbrennungsstabilität bei einem Teillastbetrieb des Motors. 24 zeigt die Beziehung zwischen dem bezüglich 10 beschriebenen Abstand Lint und der Verbrennungsstabilität beim Leerlauf. Zudem zeigt 25 die Beziehung zwischen dem bezüglich 15 beschriebenen Abstand C und der Verbrennungsstabilität bei einem Motorbetrieb mit geschichteter Verbrennung.
  • Die gesamten Inhalte der japanischen Patentanmeldung P 11-242484 (vom 30. August 1999) sind hierin durch Bezugnahme mit einbezogen.
  • Obwohl die Erfindung zuvor mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung auf die oben beschriebenen Ausführungsformen nicht beschränkt. Modifikationen und Variationen der oben beschriebenen Ausführungsformen werden dem Durchschnittsfachmann angesichts der obigen Lehre einleuchten. Der Schutzumfang der Erfindung ist mit Bezug auf die nachfolgenden Ansprüche definiert.

Claims (7)

  1. Direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine: mit einem Zylinderkopf (11), der eine innere Wand aufweist; mit einem Kolben (1) mit einer Vertiefung (2) auf einer Oberseite davon, wobei die innere Wand des Zylinderkopfs (11) und die Oberseite des Kolbens (1) dazwischen einen Pultdach-Brennraumtyp (8) definieren; mit einem Kraftstoffinjektor (6), der unter einer Einlassöffnung (3) des Motors angeordnet ist, um Kraftstoff direkt hinein und bezüglich des Brennraums (8) schräg nach unten einzuspritzen; mit einer Zündkerze (3), die fast in der Mitte des Brennraums (8) angeordnet ist; und mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Tumble-Strömung im Inneren des Brennraums (8); wobei die Vertiefung (2) eine nahezu zylindrische Bodenfläche (28), die einen solchen Querschnitt aufweist, der durch eine vertikale Ebene ausgebildet ist, die sich durch die Mittelachse des Kolbens (1) und zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite des Motors erstreckt, die in etwa einem Kreisbogen eines Radius R mit einem Mittelpunkt entspricht, der auf oder neben der Mittelachse des Kolbens (1) angeordnet ist, und ein Paar von Seitenflächen (29) nahezu parallel zur vertikalen Ebene umfasst, wobei die Vertiefung (2) nahezu rechtwinklig ist, wenn sie in einer Draufsicht des Kolbens (1) betrachtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius R so festgelegt ist, dass wenn der Kolben (1) dabei in einer angenommenen Position ist, wenn ein eingespritztes Kraftstoffspray bei einem Einspritzzeitpunkt bei einem langsamen Drehzahlbetrieb des Motors die Bodenfläche (28) der Vertiefung (2) erreicht, ein Neigungswinkel α, der bezüglich einer horizontalen Ebene einer Ebenentangente zur Bodenfläche (28) der Vertiefung (2) und eines Auftreffpunkts (33), an dem ein unterer peripherer Endbereich des Kraftstoffsprays gegen die Bodenfläche (28) der Vertiefung (2) trifft, auf kleiner oder gleich θ/2 festgelegt ist, wobei θ ein Neigungswinkel einer Linie ist, die das untere periphere Ende des Kraftstoffsprays zu einer horizontalen Ebene definiert, wobei der Radius R zudem so festgelegt ist, dass β ≥ θint und γ ≥ θexh ist, wobei β ein Neigungswinkel einer Ebene ist, die eine Verbindung zwischen einem tiefsten Bereich (28a) der Bodenfläche (28) der Vertiefung (2) und einem Einlassseitenende (28b) der Vertiefung (2) zu einer horizontalen Ebene herstellt, θint ein Neigungswinkel bezüglich einer horizontalen Ebene eines geneigten Einlassseiten-Abschnitts der inneren Wand des Zylinderkopfs (11) ist, γ ein Neigungswinkel einer Ebene ist, die eine Verbindung zwischen dem tiefsten Bereich (28a) der Bodenfläche (28) der Vertiefung (2) und einem Auslassseiten-Ende (28c) der Vertiefung (2) zu einer horizontalen Ebene herstellt und θexh ein Neigungswinkel bezüglich einer horizontalen Ebene eines geneigten Auslassseiten-Abschnitts der inneren Wand des Zylinderkopfs (11) ist, und die Tiefe des tiefsten Bereichs (28a) der Vertiefung (2) so festgelegt ist, dass Lint < A ist, wobei Lint der Abstand von einer äußeren peripheren Kante (1a) des Kolbens (1) zum Einlassseiten-Ende (28a) der Vertiefung (2) ist und A ein Abstand von einer äußeren peripheren Kante (1a) des Kolbens (1) zum Auftreffpunkt (33) ist.
  2. Direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei ein Abstand Lexh von einer äußeren peripheren Kante (1a) des Kolbens (1) zu einem Auslassseiten-Ende (28c) der Vertiefung (2) nahezu gleich zum Abstand Lint ist, die Oberseite des Kolbens (1) einen nach außen herausragenden Bereich (14) um die Vertiefung (2) aufweist, der nach außen herausragende Bereich (14) der Oberseite des Kolbens (1) einen geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt (21) und einen geneigten Auslassseiten-Oberflächenabschnitt (22) umfasst, die nahezu parallel zum geneigten Einlassseiten-Abschnitt bzw. dem geneigten Auslassseiten-Abschnitt der inneren Wand des Zylinderkopfs (11) sind, einen Abstand Bint zwischen dem geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt (21) der Oberseite des Kolbens (1) und dem geneigten Einlassseiten-Abschnitt der inneren Wand des Zylinderkopfs (11) und einen Abstand Bexh zwischen dem geneigten Auslassseiten-Oberflächenabschnitt (22) der Oberseite des Kolbens (1) und dem geneigten Auslassseiten-Abschnitt der inneren Wand des Zylinderkopfs (11) umfasst, die zueinander fast gleich sind, wenn der Kolben (1) am oberen Totpunkt ist.
  3. Direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Oberseite des Kolbens (1) einen nach außen herausragenden Bereich (14) um die Vertiefung (2) aufweist, der nach außen herausragende Bereich (14) der Oberseite des Kolbens (1) einen geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt (21) und einen geneigten Auslassseiten-Oberflächenabschnitt (22) umfasst, die nahezu parallel zum geneigten Einlassseiten-Abschnitt bzw. dem geneigten Auslassseiten-Abschnitt der inneren Wand des Zylinderkopfs (11) sind, wobei ein Verhältnis des Abstandes Lint zu einem Abstand Lexh von einer äußeren peripheren Kante (1a) des Kolbens (1) zu einem Auslassseiten-Ende (28c) der Vertiefung (2) nahezu gleich einem Verhältnis eines Abstandes Bint zwischen dem geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt (21) der Oberseite des Kolbens (1) und dem geneigten Einlassseiten-Abschnitt der inneren Wand des Zylinderkopfs (11) zu einem Abstand Bexh zwischen dem geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt (21) der Oberseite des Kolbens (1) und dem geneigten Auslassseiten-Abschnitt der inneren Wand des Zylinderkopfs (11) ist, wenn der Kolben (1) am oberen Totpunkt ist.
  4. Direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Oberseite des Kolbens (1) einen nach außen herausragenden Bereich (14) um die Vertiefung (2) aufweist, der nach außen herausragende Bereich (14) der Oberseite des Kolbens (1) einen geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt (21) und einen geneigten Auslassseiten-Oberflächenabschnitt (22) umfasst, die nahezu parallel zum geneigten Einlassseiten-Abschnitt bzw. dem geneigten Auslassseiten-Abschnitt der inneren Wand des Zylinderkopfs (11) sind, und einen horizontalen Oberflächenabschnitt (23) zwischen dem geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt (21) und dem geneigten Auslassseiten-Oberflächenabschnitt (22) der Oberseite des Kolbens (1) umfasst, einen Abstand C zwischen dem horizontalen Oberflächenabschnitt (23) der Oberseite des Kolbens (1) und einem oberen Abschnitt der inneren Wand des Zylinderkopfs (11) umfasst, wenn der Kolben (1) am oberen Totpunkt ist, der größer als ein Abstand Bint und ein Abstand Bexh ist, während er kleiner als ein Abstand Dp ist, wobei der Abstand Bint ein Abstand zwischen dem geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt (21) der Oberseite des Kolbens (1) und dem geneigten Einlassseiten-Abschnitt der inneren Wand des Zylinderkopfs (11) ist, wobei der Abstand Bexh ein Abstand zwischen dem geneigten Einlassseiten-Oberflächenabschnitt (21) der Oberseite des Kolbens (1) und dem geneigten Auslassseiten-Abschnitt der inneren Wand des Zylinderkopfs (11) ist und der Abstand Dp ein Abstand zwischen einem Ende einer Mittelelektrode (40) der Zündkerze (3) und dem oberen Abschnitt der inneren Wand des Zylinderkopfs (11) ist.
  5. Direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Breite der sich in senkrechter Richtung zur vertikalen Ebene erstreckenden Vertiefung (2) so festgelegt ist, dass sie einem durch ein konisches Kraftstoffspray ausgebildeten Winkel bei einem geschichteten Verbrennungsmodus eines Motorbetriebs ermöglicht, innerhalb der Breite der Vertiefung (2) zu liegen.
  6. Direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5, wobei E eine Hälfte der Breite kennzeichnet, Φ einen Spraywinkel bei einem geschichteten Verbrennungsmodus eines Motorbetriebs kennzeichnet und F einen Abstand zwischen einem Düsen- Öffnungspunkt des Kraftstoffinjektors (6) und der Zünderkerze (2) kennzeichnet, wobei die halbe Breite E ungefähr gleich F × tan(Φ/2) ist.
  7. Direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Vertiefung (2) eine abgerundete Ecke (41) zwischen der Bodenfläche (28) und einer deren Seitenflächen (29) aufweist.
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