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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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Um
die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, stellt
die vorliegende Erfindung eine direkteingespritzte fremdgezündete Brennkraftmaschine
gemäß Anspruch
1 bereit.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer direkteingespritzten fremdgezündeten Brennkraftmaschine
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Draufsicht eines Brennraums des Motors von 1;
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3 ist
eine obere Draufsicht eines Kolbens des Motors von 1,
wobei der Kolben eine Vertiefung auf dessen Oberseite aufweist;
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4 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV von 3;
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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;
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6 ist
eine Ansicht zur Veranschaulichung einer unteren Grenze eines Radius
R;
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7A und 7B sind
Ansichten zur Veranschaulichung der Ablenkung eines Kraftstoffsprays
durch die Wirkung des Radius R;
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8 ist
eine Ansicht zur Veranschaulichung der oberen Grenze des Radius
R;
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9A und 9B sind
Ansichten zur Veranschaulichung eines Einflusses des Radius R auf eine
Tumble-Strömung;
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10 ist
eine Ansicht zur Veranschaulichung der Position eines Einlassseiten-Endes
der Vertiefung von 3, die auf die Tiefe der Vertiefung bezogen
ist;
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11A und 11B sind
Ansichten zur Veranschaulichung eines Einflusses eines Einlassseiten-Endes
der Vertiefung von 3 auf ein eingespritztes Kraftstoffspray;
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12 ist
eine Ansicht zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einem
herausragenden Bereich des Kolbens und einem Pultdach-Brennraumtyp
des Motors von 1;
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13A und 13B sind
Ansichten zur Veranschaulichung eines Einflusses der Beziehung von 12 auf
eine Quetsch-Strömung;
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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;
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15 ist
eine Ansicht zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen dem
herausragenden Bereich der Oberseite des Kolbens und der inneren
Wand des Zylinderkopfs;
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16A bis 16D sind
Ansichten zur Veranschaulichung des Einflusses des herausragenden
Bereichs der Oberseite des Kolbens von 15 auf
eine Quetsch-Strömung;
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17 ist
eine Ansicht zur Veranschaulichung der Breite der Vertiefung des
Kolbens von 3;
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18 ist
eine Schnittansicht des Kolbens von 17;
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19 ist
eine Draufsicht eines Kolbens mit einer Vertiefung mit gerundeten
Ecken;
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20A, 20B und 20C sind Schnittansichten entlang den Linien XXA-XXA,
XXB-XXB und XXC-XXC von 19;
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21 ist
eine perspektivische Ansicht des Kolbens von 19;
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22 ist
eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen einem Winkel α und der
Verbrennungsstabilität
beim Leerlauf;
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23 ist
eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen den Winkeln β, γ und einer
Verbrennungsstabilität
bei Teillast;
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24 ist
eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen einer Länge Lint
und einer Verbrennungsstabilität
beim Leerlauf; und
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25 ist
eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen einem Abstand
C und einer Verbrennungsstabilität
bei einem geschichteten Verbrennungsmodus des Motorbetriebs.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit
Bezug auf 1 bis 4 wird zuerst eine
direkteingespritzte fremdgezündete
Brennstoffkraftmaschine gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Vertiefung 2, die einen flachen, schalenförmigen Brennraumabschnitt
bildet, wird bezüglich ihrer
spezifischen Anordnungen und Wirkungen näher beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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12 veranschaulicht
eine Beziehung zwischen den Kolben 1 und dem Pultdach-Brennraumtyp 8.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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17 und 18 veranschaulichen
eine Beziehung zwischen der Größe der Vertiefung 2,
die einen flachen, schalenförmigen
Brennraum-Abschnitt bildet, und dem Spraywinkel.
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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).
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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.
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19, 20A bis 20C und 21 zeigen
eine Modifikation, wobei die Vertiefung 2 gerundete Ecken
aufweist.
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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.
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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.
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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.
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22 veranschaulicht
die Beziehung zwischen dem bezüglich 6 beschriebenen
Winkel α und
der Verbrennungsstabilität.
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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.
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Die
gesamten Inhalte der japanischen Patentanmeldung P 11-242484 (vom 30. August
1999) sind hierin durch Bezugnahme mit einbezogen.
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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.