DE10010180A1

DE10010180A1 - Motor mit direkter Zylindereinspritzung

Info

Publication number: DE10010180A1
Application number: DE10010180A
Authority: DE
Inventors: Keiji Tanaka
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2000-09-14
Also published as: JP2000248945A; US6325040B1

Abstract

Bei einem Motor mit direkter Zylindereinspritzung, der für eine stabile Verbrennung gestaltet ist, liegt die Größendifferenz zwischen dem Kolbenhub und der Zylinderbohrung im Bereich von 0% bis 4%, und ist der Kolbenhub größer als die Zylinderbohrung, wenn die Differenz ungleich 0% ist. Der Motor mit direkter Zylindereinspritzung kann auch einen Kolbenhub von 50 mm bis 80 mm, eine Zylinderbohrung von 50 mm bis 92 mm und ein Verhältnis von Hub zu Bohrung von 0,8 bis 1,4 aufweisen oder eine Zylinderbohrung, die kleiner als 85 mm im Hinblick auf den Kegelwinkel von 15 DEG bis 90 DEG des in einem kegeligen Strahlmuster von dem Injektor aus eingespritzten Kraftstoffs ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor mit direkter Zylindereinspritzung und insbesondere einen Motor mit direkter Zylindereinspritzung, der in Hinblick auf eine stabile Verbrennung gestaltet ist.

Einige in einem Fahrzeug angeordnete Motoren sind solche eines Typs, der als Motor mit direkter Zylindereinspritzung bezeichnet wird. Dieser Typ eines Motors weist eine Zündkerze auf, die in dem Zylinderkopf an dem im wesentlichen zentralen Bereich der Verbrennungskammer vorgesehen ist. Die Verbrennungs kammer ist zwischen der Unterseite des Zylinderkopfs und der oberen Fläche des Kolbens ausgebildet. Des weiteren sind Einlass- und Auslassventile in dem Zylinderkopf angeordnet. Das Einlassventil ist an einer Seite des Zylinderkopfs angeordnet, während das Auslassventil jedoch an der anderen Seite desselben angeordnet ist. Ferner ist ein Injektor in dem Zylinderkopf an einer Seite des selben angeordnet. Der Injektor spritzt Kraftstoff in der Form eines konischen Strahls auf die Oberfläche des Zylinders.

Ein solches Beispiel eines Motors mit direkter Zylindereinspritzung ist offenbart in der veröffentlichten offengelegten japanischen Patentanmeldung 7-217 478. Ein Kraftstoff-Einspritzregler zur Verwendung bei einem Motor mit Funken zündung der Gattung mit Zylindereinspritzung, wie in dieser Veröffentlichung offenbart, regelt das Klopfen, ohne den Wirkungsgrad des Kraftstoffs abzu setzen, wenn ein Klopfen auftritt.

Ein weiteres Beispiel ist offenbart in der offengelegten japanischen Patent anmeldung 19-144 543. Ein Verbrennungsmotor mit direkter Einspritzung und Funkenzündung wie in dieser Veröffentlichung offenbart weist eine Zündkerze auf, die an dem im wesentlichen zentralen Bereich der Verbrennungskammer angeordnet ist. Zusätzlich ist ein Einlassanschluss gegenüber der Achse des Zylinders versetzt. Ferner ist ein Kraftstoff-Einspritzventil unter einem Depres sionswinkel (Θ = 30° ± 10°) an dem Einlassanschluss in der Nähe einer Öffnung der Verbrennungskammer derart vorgesehen, dass der Kegelwinkel α des Kraftstoffstrahls auf 70° ± 20° eingestellt ist. Diese Bauweise sorgt für eine verbesserte Motorleistung.

Ein weiteres Beispiel ist offenbart in der veröffentlichten, offengelegten japa nischen Patentanmeldung 10-288 127. In der Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors wie in dieser Veröffentlichung offenbart ist ein konkaver Bereich an der Wandfläche des Zylinderkopfs an der Seite der Zündkerze in der Nähe der Düsenöffnung eines Kraftstoff-Einspritzventils vorgesehen. Wenn ein Kraftstoff-Einspritzventil Kraftstoff von dort unter atmosphärischen Druck bedingungen außerhalb der Verbrennungskammer abgibt, dann ist ein erster Winkel Θ1 zwischen der durch den Kraftstoffstrahl definierten zentralen Achse und der Umfangsfläche des Kraftstoffstrahls gebildet. In diesem Zustand ist ein zweiter Winkel Θ, der zwischen einer geneigten Wandfläche an dem konkaven Bereich und der kegeligen Fläche des Kraftstoffstrahls gebildet ist, größer als der erste Winkel Θ1 eingestellt. Die kegelige Fläche des Kraftstoffstrahls bildet den ersten Winkel Θ1 in Hinblick auf die zentrale Achse des Kraftstoffstrahls von dem Kraftstoff-Einspritzventil aus, nachdem dieses an der Verbrennungskammer angebracht ist. Diese Bauweise schränkt das Auftreten einer Anziehungskraft ein oder minimiert dieses, die ansonsten zerstäubten Kraftstoff zu der Wandfläche des Zylinderkopfs hin anziehen würde. Ferner wird der Kraftstoff in einer stabilen Weise verbrannt, was zu einer verringerten Menge an Ruß fühlt.

Ein weiteres Beispiel ist offenbart in der veröffentlichten, offengelegten japa nischen Patentanmeldung 10-339 145. Der Motor mit Funkenzündung der des Typs mit direkter Zylindereinspritzung wie in dieser Veröffentlichung offenbart weist ein Wirbel-Regelungsventil auf, um der Einlassluft, die in einen Zylinder durch einen Einlassanschluss hindurch eintritt, einen Wirbel um zu verleihen. Ferner ist ein Muster von zerstäubten Kraftstoff, der von einem Injektor aus ausgetrieben wird, so eingestellt bzw. gewählt, dass es ein hohle, kegelige Gestalt besitzt, d. h. in dem Zustand der anfänglichen Zerstäubung. Zusätzlich ist der Kappenbereich des Kolbens mit einem Hohlraum ausgebildet, der so ausgespart bzw. vertieft ist, dass er den zerstäubten Kraftstoff aufnimmt. Diese Struktur sorgt für eine Verbrennungskammer, die für diese Art eines Motors geeignet ist.

Einen Motor mit direkter Zylindereinspritzung, der bisher verwendet worden ist, ist in Hinblick darauf gestaltet, Kraftstoff direkt in eine Verbrennungskammer von einem Injektor aus während des Kompressionshubs einzuspritzen, wodurch eine geschichtete Mischung aus Luft und Kraftstoff gebildet wird. Aus diesem Grund ist eine große Anzahl von Verbesserungen bei einem Kolbenmuster gemacht worden.

Jedoch beeinflussen die zeitliche Gestaltung der Einspritzung des Injektors sowie die Phase des Kolbens die Bildung der geschichteten Mischung. Ferner ist die zeitliche Gestaltung der Einspritzung auf einen engen Bereich beschränkt.

Fig. 26 zeigt einen Motor mit direkter Zylindereinspritzung (nachfolgend einfach bezeichnet als "Motor") 102. Der Motor 102 besitzt eine Zylinderbohrung mit 75 mm und einen Kolbenhub mit 90 mm. Fig. 27 ist eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors 102 bei einem Kurbelwinkel (KW) von 30° vOT. Fig. 28 ist eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors 102 bei einem Kurbelwinkel (KW) von 45° vOT. Fig. 29 ist eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors 102 bei einem Kurbelwinkel (KW) von 60° vOT.

Der Motor 102 besitzt einen Kolben 108, der in einem Zylinderblock 104 angeordnet ist, zur dortigen hin und der gehenden Bewegung. Zusätzlich ist ein konkaver Bereich 132 an der oberen Fläche 108a des Kolbens 108 ausgebildet.

Der Kolben 108 ist mit einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) über eine Pleuel stange (nicht dargestellt) verbunden. Eine Verbrennungskammer 116 ist zwischen der Unterseite des Zylinderkopfs 106 und der oberen Fläche 108a ausgebildet. Der Zylinderkopf 106 ist an der oberen Fläche des Zylinderblocks 104 angeordnet. Eine Zündkerze 118 ist in dem Zylinderkopf 106 an dem im wesentlichen zentralen Bereich der Verbrennungskammer 116 angeordnet. Ein Injektor 120 ist in dem Zylinderkopf 106 an der Einlassseite des Zylinderkopfs 106 angeordnet. Der Injektor 120 gestattet das Ausstoßen von Kraftstoff von dort aus in der Form eines kegeligen Strahls direkt in die Verbrennungskammer 116 hinein.

Der Injektor 120 spritzt Kraftstoff von dort aus in den konkaven Bereich 132 während der zweiten Hälfte des Kompressionshubs ein. Zu dieser Zeit wird zerstäubter Kraftstoff "F" (Fig. 27) an dem konkaven Bereich 132 eingefangen und dann in der Nähe der Zündkerze 118 gesammelt. Dieser gesammelte Kraftstoff "F" bildet eine geschichtete Mischung in Zusammenarbeit mit einer mageren Mischung, die die geschichtete Mischung umgibt.

Eine bestimmte Zeitspanne muss für den Kraftstoff, der zu zerstäuben ist, zwischen der Kraftstoffeinspritzung und der Kraftstoffzündung aufrechterhalten werden. Diese Zeitspanne ist mit den Erfordernissen verbunden, dass sie sich in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Motorlast verändert (d. h. zwischen Einspritzung und Zündung verstreicht für niedrige Lasten und Drehzahlen eine längere Zeitspanne, und zwischen Einspritzung und Zündung verstreicht für höhere Lasten und Drehzahlen eine kürzere Zeitspanne). Typischerweise deckt der zeitliche Verlauf der Zündung einen Bereich zwischen einem Kurbelwinkel (KW) von 30° und 60° vOT ab.

Bei dem offenbarten Motor 102 führt jedoch der Kurbelwinkel (KW) von 60° vOT, wie in Fig. 29 dargestellt ist, zu einer unsachgemäßen Lagebeziehung zwischen dem konkaven Bereich 132 und dem zerstäubten Kraftstoff "F". Dies bewirkt die Nachteile eines nicht-ausreichenden Einfangens von Kraftstoff, einer unbefrie digenden Schichtung und einer instabilen Verbrennung, die alle in Hinblick auf die praktische Verwendung nachteilig sind.

Fig. 30 offenbart einen Motor 202 mit einer im Durchmesser verkleinerten Zylinderbohrung. Bei dem Motor 202 ist ein größerer Bereich von zerstäubtem Kraftstoff "F" als an der Zylinderwand des Zylinderblocks 244 anhaftend dar gestellt. Dieser unerwünschte Zustand führt zu einem Reiben bzw. Scheuern, das durch einen Ölfilm bewirkt wird, der sich an der Wandfläche des Zylinder blocks 204 niedergeschlagen hat, was in Hinblick auf die praktische Verwendung nachteilig ist.

Fig. 31 zeigt einen weiteren bisher verwendeten Motor 302 mit direkter Ein spritzung. Bei diesem Motor 302 wird Kraftstoff von einem Injektor 320 aus während des Kompressionshubs eingespritzt und dann einer Stelle in der Nähe der Zündkerze 318 im Wege einer Taumelströmung (oder einer Wirbelströmung) zugeführt, wodurch eine geschichtete Mischung gebildet wird.

Hierbei wird, wenn der Kolbenhub klein oder kurz ist, die Taumelströmung (oder Wirbelströmung) in ihrer Stärke verringert mit der damit einher gehenden Verschlechterung der Kraftstoffzuführung. Dies bringt noch die weiteren Nach teile einer erfolglosen geschichteten Mischung und somit einer instabilen Verbrennung mit sich.

Weiter tritt, wenn die Zylinderbohrung (im Durchmesser) zu groß ist, bei jedem der oben beschriebenen Motoren mit Ausnahme des Motors mit der verklei nerten Zylinderbohrung von Fig. 30 ein noch weiterer Nachteil auf. Insbesondere wird, wie in Fig. 32 dargestellt ist, eine fettere Mischung, die in der Nähe der Zündkerze 418 des Motors 402 gesammelt wird, und eine magerere Mischung, wie die fettere Mischung umgibt, unvollständig verteilt, was zu einer instabilen Verbrennung führt.

Bei dem oben angegebenen Motor 402 tritt, wenn das Verhältnis von Hub zu Bohrung extrem groß oder klein ist (Fig. 33), ein noch weiterer Nachteil dadurch auf, dass sich die Flamme in einer ungleichmäßigen Weise während der Ver brennung mit der Folge einer instabilen Verbrennung ausbreitet.

Fig. 34 zeigt einen Motor 502 mit direkter Zylindereinspritzung mit einem Kegel winkel von 30°, mit einer Zylinderbohrung des Zylinderblocks 504 von 82 mm und mit einem Injektor-Einbauwinkel des Injektors 520 von 45°.

Bei dem gemäß den vorstehenden Angaben gestalteten Motor 502 breitet sich der zerstäubte Kraftstoff "F", der von dem Injektor 520 während des Einlasshubs eingespritzt wird, in der Verbrennungskammer infolge verschiedener Faktoren wie beispielsweise der Energie während des Einspritzens von Kraftstoff, der Ablenkung bzw. Reflexion von Kraftstoff an der oberen Fläche des Kolbens, der Ablenkung bzw. Reflexion von Kraftstoff an der Zylinderwand, der Strömung von Luft und der Verdampfung von Kraftstoff infolge der Aufnahme von Wärme aus. Weil jedoch der Durchmesser der Zylinderbohrung in Hinblick auf den Kegel winkel übermäßig groß ist, breitet sich der zerstäubte Kraftstoff "F" in der Verbrennungskammer ungenügend aus, dies sogar dann, wenn die Zündkerze zündet. Diese ungenügende Ausbreitung bzw. Verteilung des Kraftstoffs führt zu noch weiteren Nachteilen, dass die Mischung aus Luft und Kraftstoff in einer ungleichmäßigen Weise verteilt wird, was die instabile Verbrennung begünstigt.

Nur zu Zwecken der Bezugnahme sind verschiedene Konfigurationen oder Muster des konkaven Bereichs 132, der an der oberen Fläche 108a des Kolbens 108 ausgebildet ist, in Figur von 35-38 dargestellt.

Ein Kolben 108-1 besitzt, wie in Fig. 30(a)-35(c) dargestellt ist, einen rechteckig gestalteten konkaven Bereich 132-1, der an der oberen Fläche 108a-1 des selben ausgebildet ist. Der konkave Bereich 132-1 erstreckt sich von der Einlassseite aus zu der Auslassseite hin.

Ein Kolben 108-2 weist, wie in Fig. 36(a)-36(c) dargestellt ist, einen rechteckig gestalteten konkaven Bereich 132-2 auf, der an der oberen Fläche 108a-2 desselben ausgebildet ist. Der erste konkave Bereich 132-2 erstreckt sich von der Einlassseite aus zu der Auslassseite hin. Zusätzlich sind vorstehende Wandbereiche W1, W2 an den beiden Enden des konkaven Bereichs 132-2 in der Richtung zwischen der Einlassseite und der Auslassseite ausgebildet. Die vorstehenden Wandbereiche W1, W2 stehen in Richtung nach oben von dem Kolben 108-2 aus vor und bilden bzw. begrenzen hierdurch die Tiefe des konkaven Bereichs 132-2.

Ein Kolben 108-3 weist, wie in Fig. 37(a)-37(c) dargestellt ist, einen rechteckig gestalteten ersten konkaven Bereich 132-3 auf, der an seiner oberen Fläche 108a-3 ausgebildet ist. Der erste konkave Bereich 132-3 erstreckt sich von der Einlassseite aus zu der Auslassseite hin. Zusätzlich sind vorstehende Wand bereiche W1, W2 an den beiden Enden des ersten konkaven Bereichs 132-3 in der Richtung zwischen der Einlassseite und der Auslassseite ausgebildet. Die vorstehenden Wandbereiche W1, W2 stehen nach oben von dem Kolben 108-3 aus vor und bilden bzw. begrenzen hierdurch die Tiefe des ersten konkaven Bereichs 132-3. Weiter ist ein rechteckig gestalteter zweiter konkaver Bereich 133-3 an dem zentralen Bereich des ersten konkaven Bereichs 132-3 aus gebildet. Der zweite konkave Bereich 133-3 erstreckt sich von der Einlassseite aus zu der Auslassseite hin.

Ein Kolben 108-4 weist, wie in Fig. 38(a)-38(c) dargestellt ist, einen rechteckig gestalteten ersten konkaven Bereich 132-4 auf, der an seiner oberen Fläche 108a-4 ausgebildet ist. Der erste konkave Bereich 132-4 erstreckt sich von der Einlassseite aus zu der Auslassseite hin. Zusätzlich sind vorstehende Wand bereiche W1, W2 an den beiden Enden des ersten konkaven Bereichs 132-4 in der Richtung zwischen der Einlassseite und der Auslassseite ausgebildet. Die vorstehenden Wandbereiche W1, W2 stehen nach oben von dem Kolben 108-4 aus vor und bilden bzw. begrenzen hierdurch die Tiefe des ersten konkaven Bereichs 132-4. Weiter ist ein rechteckig gestalteter zweiter konkaver Bereich 133-4 an dem zentralen Bereich des ersten konkaven Bereichs 132-4 in der Nachbarschaft zu der Auslassseite ausgebildet. Der zweite konkave Bereich 133-4 erstreckt sich von der Einlassseite aus zu der Auslassseite hin.

Um die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden oder mindestens zu minimieren sieht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung vor einen Motor mit direkter Zylindereinspritzung, der eine Zündkerze, die in dem Zylinderkopf an dem im wesentlichen zentralen Bereich der Verbrennungskammer angeordnet ist, wobei die Verbrennungskammer zwischen der Unterseite des Zylinderkopfs und der oberen Fläche des Kolbens ausgebildet ist, Einlass- und Auslassventile, die in dem Zylinderkopf an gegenüberliegenden Seiten desselben angeordnet sind, und einen Injektor, der in dem Zylinderkopf an einer Seite des Zylin derkopfs vorgesehen ist, zum Einspritzen von Kraftstoff in der Form eines kegeligen Strahls auf die obere Fläche des Kolbens aufweist, wobei die Größen differenz zwischen dem Kolbenhub und dem Durchmesser der Zylinderbohrung im Bereich von etwa 0% bis etwa 4% liegt und der Kolbenhub größer als die Zylinderbohrung ist, wenn die Differenz ungleich 0% ist.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor einen Motor mit direkter Zylindereinspritzung, der eine Zündkerze, die in dem Zylinderkopf an dem im wesentlichen zentralen Bereich der Verbrennungskammer angeordnet ist, wobei die Verbrennungskammer zwischen der Unterseite des Zylinderkopfs und der oberen Fläche des Kolbens ausgebildet ist, Einlass- und Auslassventile, die in dem Zylinderkopf an einander gegenüberliegenden Seiten desselben an geordnet sind, und einen Injektor, der in dem Zylinderkopf an einer Seite des Zylinderkopfs vorgesehen ist, zum Einspritzen von Kraftstoff in der Form eines kegeligen Strahls auf die Oberfläche des Kolbens aufweist, wobei die Ver besserung darin besteht, dass der Motor einen Kolbenhub von etwa 50 mm bis etwa 80 mm, einen Durchmesser der Zylinderbohrung von etwa 50 mm bis etwa 92 mm und ein Verhältnis von Hub zu Bohrung von etwa 0,8 bis etwa 1,4 aufweist.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor einen Motor mit direkter Zylindereinspritzung, der eine Zündkerze, die in dem Zylinderkopf an dem im wesentlichen zentralen Bereich der Verbrennungskammer angeordnet ist, wobei die Verbrennungskammer zwischen der Unterseite des Zylinderkopfs und der oberen Fläche des Kolbens ausgebildet ist, Einlass- und Auslassventile, die in dem Zylinderkopf an einander gegenüberliegenden Seiten desselben an geordnet sind, und einen Injektor, der in dem Zylinderkopf an einer Seite des Zylinderkopfs vorgesehen ist, zum Einspritzen von Kraftstoff in der Form eines kegeligen Strahls auf die Oberfläche des Kolbens aufweist, wobei der Durch messer der Zylinderbohrung kleiner als etwa 85 mm mit Bezug auf einen Kegelwinkel von etwa 15° bis etwa 90° des in einem kegeligen Strömungsmuster von dem Injektor aus eingespritzten Kraftstoffs ausgewählt bzw. eingestellt ist.

Wie oben erörtert worden ist, ist der Motor mit direkter Zylindereinspritzung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung in einer solchen Weise gestaltet, dass die Größendifferenz zwischen dem Kolbenhub und dem Durch messer der Zylinderbohrung im Bereich von etwa 0% bis etwa 4% liegt und der Kolbenhub größer als die Zylinderbohrung ist, wenn die Differenz ungleich 0% ist. Diese Bauweise sorgt für eine verringerte Größe der Verschiebung des Kolbens in Hinblick auf den Drehwinkel der Kurbelwelle und somit für einige ideale geschichtete Mischung während der Kompressionshub-Einspritzung in einem weiteren Bereich. Als eine Folge wird der Kraftstoff in einer stabilen Weise verbrannt.

Zusätzlich ist der Motor mit direkter Zylindereinspritzung gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung so gestaltet, dass er einen Kolbenhub von 50 bis 80 mm, eine Zylinderbohrung von 50 bis 92 mm und ein Verhältnis von Hub zu Bohrung von 0,8 bis 1,4 aufweist. Mit dieser Bauweise ist es möglich, ein Reiben bzw. Scheuern zu verhindern und somit für eine stabile Verbrennung zu sorgen.

Ferner ist der Motor mit direkter Zylindereinspritzung gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung so gestaltet, dass die Zylinder bohrung kleiner als 85 mm in Hinblick auf den Kegelwinkel von 15° bis 90° des in der Form eines kegeligen Strahls von dem Injektor aus ausgespritzten Kraftstoffs ausgewählt bzw. eingestellt ist.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Ventilbereichs eines Motors mit direkter Zylindereinspritzung quadratischer Gattung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors von Fig. 1;

Fig. 3(a) eine Draufsicht mit der Darstellung eines Kolbens;

Fig. 3(b) eine Vorderansicht des Kolbens von Fig. 3(a);

Fig. 3(c) eine Längs-Schnittansicht des Kolbens von Fig. 3(a);

Fig. 4 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors quadratischer Gattung bei einem Kurbelwinkel (KW) von 30° vOT;

Fig. 5 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors quadratischer Gattung bei einem Kurbelwinkel (KW) von 45° vOT;

Fig. 6 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors quadratischer Gattung bei einem Kurbelwinkel (KW) von 60° vOT;

Fig. 7 ein Diagramm mit der Darstellung der Beziehung zwischen der Zylinderbohrung, dem Kolbenhub und der Stabilität der Ver brennung;

Fig. 8 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Ventilbereichs eines Motors mit direkter Zylindereinspritzung der Gattung mit kurzem Hub;

Fig. 9 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors von Fig. 8;

Fig. 10 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors der Gattung mit kurzem Hub bei einem Kurbelwinkel (KW) von 30° vOT;

Fig. 11 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors der Gattung mit kurzem Hub bei einem Kurbelwinkel (KW) von 45° vOT;

Fig. 12 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors der Gattung mit kurzem Hub bei einem Kurbelwinkel (KW) von 60° vOT;

Fig. 13 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs eines Motors mit direkter Zylindereinspritzung gemäß einer zweiten Ausführungsform, in der eine Taumelströmung oder Wirbel strömung dargestellt ist;

Fig. 14 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors, in der eine geschichtete Mischung dargestellt ist;

Fig. 15 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors, in der die Flammenausbreitung dargestellt ist;

Fig. 16 ein Diagramm mit der Darstellung der Beziehung zwischen dem Kolbenhub und der Veränderungsgröße des durchschnittlichen effektiven Drucks;

Fig. 17 eine Illustration mit der Darstellung der Beziehung zwischen der Zylinderbohrung und dem Reiben bzw. Scheuern;

Fig. 18 ein Diagramm mit der Darstellung der Beziehung zwischen dem Kolbenhub und der Veränderungsgröße des durchschnittlichen effektiven Drucks;

Fig. 19 ein Diagramm mit der Darstellung der Beziehung zwischen dem Kolbenhub und der Veränderungsgröße des durchschnittlichen effektiven Drucks;

Fig. 20 ein Diagramm mit der Darstellung der Beziehung zwischen dem Kolbenhub und der Veränderungsgröße des durchschnittlichen effektiven Drucks;

Fig. 21 ein Diagramm mit der Darstellung der Beziehung zwischen dem Kolbenhub und der Zylinderbohrung;

Fig. 22 ein Diagramm mit der Darstellung der Beziehung zwischen dem Kolbenhub und der Zylinderbohrung bei existenten Motoren;

Fig. 23 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs eines Motors mit direkter Zylindereinspritzung mit einem Kegel winkel von 30°, mit einer Zylinderbohrung von 70 mm und mit einem Injektor-Einbauwinkel von 45°;

Fig. 24(a) eine Draufsicht mit der Darstellung eines Kolbens;

Fig. 24(b) eine Vorderansicht auf den Kolben von Fig. 24(a);

Fig. 25 ein Diagramm mit der Darstellung der Beziehung zwischen dem Kegelwinkel, der Zylinderbohrung und der Stabilität der Ver brennung;

Fig. 26 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs eines Motors mit direkter Zylindereinspritzung mit einer Zylinder bohrung von 75 mm und mit einem Kolbenhub von 90 mm;

Fig. 27 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors bei einem Kurbelwinkel (KW) von 30° vOT gemäß einer ersten bekannten Bauweise;

Fig. 28 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors bei einem Kurbelwinkel (KW) von 45° vOT;

Fig. 29 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors bei einem Kurbelwinkel (KW) von 60° vOT;

Fig. 30 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs eines Motors mit direkter Zylindereinspritzung gemäß einer zweiten bekannten Bauweise, in der die Einspritzzeit des Kraftstoffs von dem Injektor aus dargestellt ist;

Fig. 31 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors mit direkter Zylindereinspritzung, in der eine Taumel strömung oder Wirbelströmung dargestellt ist;

Fig. 32 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs eines Motors mit direkter Zylindereinspritzung, in der eine geschichtete Mischung dargestellt ist;

Fig. 33 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs des Motors, in der die Flammenausbreitung dargestellt ist;

Fig. 34 eine Schnittansicht mit der Darstellung des Zündkerzenbereichs eines Motors mit direkter Zylindereinspritzung mit einem Kegel winkel von 30°, mit einer Zylinderbohrung von 82 mm und mit einem Injektor-Einbauwinkel von 45° gemäß einer dritten be kannten Bauweise;

Fig. 35(a) eine Draufsicht mit der Darstellung eines ersten Beispiels eines Kolbens;

Fig. 35(b) eine Draufsicht auf den Kolben von Fig. 35(a);

Fig. 35(c) eine Ansicht von rechts zu Fig. 35(a) mit dem Beispiel des Kolbens;

Fig. 36(a) eine Draufsicht mit der Darstellung eines zweiten Beispiels eines Kolbens;

Fig. 36(b) eine Vorderansicht auf den Kolben von Fig. 36(a);

Fig. 36(c) eine Ansicht von rechts auf den Kolben von Fig. 36(a);

Fig. 37(a) eine Draufsicht mit der Darstellung eines dritten Beispiels eines Kolbens;

Fig. 37(b) eine Vorderansicht auf den Kolben von Fig. 37(a);

Fig. 37(c) eine Ansicht von rechts auf den Kolben von Fig. 37(a);

Fig. 38(a) eine Draufsicht mit der Darstellung eines dritten Beispiels eines Kolbens;

Fig. 38(b) eine Vorderansicht des Kolbens von Fig. 38(a); und

Fig. 38(c) eine Ansicht von rechts auf den Kolben von Fig. 38(a).

Fig. 1-2 zeigen eine erste Ausführungsform. In Fig. 1 und 2 sind bezeichnet mit 2 ein Motor mit direkter Zylindereinspritzung (nachfolgend einfach bezeichnet als "Motor"); mit 4 ein Zylinderblock und mit 6 ein Zylinderkopf. Der Motor 2 weist den Zylinderblock 4 und den Zylinderkopf 6 in Anordnung an der oberen Fläche des Zylinderblocks 4 auf. In dem Zylinderblock 4 ist ein Kolben 8 zur hin und her gehenden Bewegung innerhalb einer Zylinderbohrung 4A aufgenommen. Der Kolben 8 ist mit einer Kurbelwelle 12 über eine Pleuelstange 10 verbunden. Zusätzlich ist ein Einlassanschluss 14 durch einen oberen Bereich des Zylinder kopfs 6 hindurch vorgesehen.

Ferner ist eine Verbrennungskammer 16 zwischen der Unterseite des Zylinder kopfs 6 und der oberen Fläche 8a (Fig. 3(a)-3(c)) des Kolbens 8 ausgebildet. Eine Zündkerze 18 ist in dem Zylinderkopf 6 an dem im wesentlichen zentralen Bereich der Verbrennungskammer 16 vorgesehen. Ein Injektor 20 ist in dem Zylinderkopf 6 an der Einlassseite desselben zum Einspritzen von Kraftstoff in der Form eines kegeligen Strahls direkt in die Verbrennungskammer 16 hinein angeordnet.

Der Zylinderkopf 6 weist auch ein Einlassventil 22 und ein Auslassventil 24 auf. Das Einlassventil 22 ist an einer Seite des Zylinderkopfs 6 angeordnet, und das Auslassventil 24 ist an der anderen Seite desselben angeordnet. In dieser Hinsicht bezeichnet 26 einen Auslassanschluss; 28 einen Einlassnocken zum Antrieb des Einlassventils 22; und 30 einen Auslassnocken zum Antrieb des Auslassventils 24.

Ein im wesentlichen halbkugel-förmiger konkaver Bereich 32 ist in dem oberen Teil des Kolbens 8 (Fig. 3(a)-3(c)) ausgebildet. Der konkave Bereich 32 ist in der Schlagrichtung ausgerichtet, die das Einlassventil und das Auslassventil 22 bzw. 24 miteinander verbindet. Wie in Fig. 3(a)-3(c) dargestellt ist, ist zur. Ausbildung des konkaven Bereichs 32 die obere Fläche 8a in Richtung zu der Auslassseite hin von der Einlassseite aus versetzt, und ist dann der konkave Bereich an dieser versetzten oberen Fläche 8a ausgebildet.

Ferner liegt bei dem Motor 2 die Unterschiedlichkeit der Größe zwischen dem Kolbenhub (d. h. der Länge) und dem Durchmesser der Zylinderbohrung zwischen 0% und 4%, und ist der Kolbenhub größer als der Durchmesser der Zylinderbohrung, wenn die Unterschiedlichkeit ungleich 0% ist.

Im Besonderen ist der Motor 2 so konfiguriert, dass er einen Bereich von dem quadratischen Typ, bei dem der Kolbenhub in seiner Größe gleich dem Durch messer der Zylinderbohrung ist, bis zu einem Typ abdeckt, bei dem der Kolben hub um eine Größe von 4% oder weniger größer als der Durchmesser der Zylinderbohrung ist. Daher kann der Motor 2 beispielsweise ein solcher quadra tischer Gattung mit einer Zylinderbohrung von 75 mm und mit einem Kolbenhub von 75 mm sein.

Zur Erläuterung schafft der Strahlwinkel des Injektors 20 innerhalb des Bereichs von 10° bis 80° Versuchsergebnisse, die die Beziehung zwischen der Zylinder bohrung, dem Kolbenhub und der Stabilität der Verbrennung zeigen, wie in Fig. 7 dargestellt ist. Als Folge sind eine ideale geschichtete Mischung und somit eine stabile Verbrennung erreichbar, wenn die nachfolgend angegebenen Beziehungen zwischen der Zylinderbohrung und dem Kolbenhub realisiert werden:

1. für eine Zylinderbohrung mit 85 mm oder kleiner misst der Kolbenhub höchstens 87 mm;
2. für eine Zylinderbohrung mit 80 mm oder kleiner misst der Kolbenhub höchstens 83 mm;
3. für eine Zylinderbohrung mit 75 mm oder kleiner misst der Kolbenhub 77 mm oder weniger;
4. für eine Zylinderbohrung mit 70 mm oder kleiner misst der Kolbenhub 71 mm oder weniger; und
5. für eine Zylinderbohrung mit 65 mm misst der Kolbenhub höchstens 65 mm.

Weiter ist in Hinblick auf die oben angegebenen Versuchsergebnisse ein Motor 2S der Gattung mit kurzem Hub, wie in Fig. 8-12 dargestellt ist, ebenso erreich bar. Der Motor 2S ist ein solcher der nicht-quadratischen Gattung, bei der der Kolbenhub in der Größe kleiner als die Zylinderbohrung ist.

Um eine verbesserte Leistung zu erreichen, ist der Motor 2S der Gattung mit kurzem Hub so gestaltet, dass er einen Kolbenhub von 60 mm aufweist, wenn die Zylinderbohrung 68 mm mißt.

Als nächstes wird die Arbeitsweise der obigen Ausführungsform beschrieben.

Bei einem Motor 2 der quadratischen Gattung mit einer Zylinderbohrung von 75 mm und mit einem Kolbenhub von 75 mm ist der Kolben 8 an dem oberen Totpunktzentrum angeordnet, wie in Fig. 2 dargestellt ist, und wird dieser dann zu einem Kurbelwinkel (KW) von 30° vOT bewegt, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Der Kolben 8 wird ferner zu einem Kurbelwinkel (KW) von 45° vOT verbracht, wie in Fig. 5 dargestellt ist, gefolgt von einem Kurbelwinkel (KW) von 60° vOT, wie in Fig. 6 dargestellt ist.

Dann gibt der Injektor 20 Kraftstoff in den konkaven Bereich 32 des Kolbens 8 während eines Kompressionshubs ab.

Zu dieser Zeit wird der zerstäubte Kraftstoff "F", der von dem Injektor 20 aus abgegeben wird, an dem konkaven Bereich 32 eingefangen. Der eingefangene Kraftstoff "F" wird dann in der Nähe der Zündkerze 18 gesammelt, während zur selben Zeit der Kolben 8 nach oben bewegt wird. Als eine Folge erzeugt dieser gesammelte Kraftstoff "F" eine geschichtete Kraftstoffmischung in Zusammen arbeit mit einer mageren Mischung, die die geschichtete Mischung umgibt.

Wie in Fig. 8-12 dargestellt ist, schafft der Motor 2S der Gattung mit kurzem Hub eine verkürzte Größe der Verschiebung des Kolbens 8 s in Hinblick auf den Drehwinkel der Kurbelwelle, und besteht ferner eine kleine Abweichung der Phase zwischen dem Kolben 8S und dem zerstäubten Kraftstoff "FS" von dem Injektor 20S aus. Als eine Folge schafft der Motor 2S der Gattung mit kurzem Hub eine ideale geschichtete Mischung innerhalb des Bereichs des Kurbel winkels (KW) von 30° vOT, wie in Fig. 10 dargestellt ist, bis zu einem Kurbel winkel (KW) von 60° vOT, wie in Fig. 12 dargestellt ist, über einen Kurbelwinkel (KW) von 45° vOT hinaus, wie in Fig. 11 dargestellt ist.

Demzufolge liegt bei dem Motor 2 die Größendifferenz zwischen dem Kolbenhub und dem Durchmesser der Zylinderbohrung zwischen 0% und 4%, und ist der Kolbenhub größer als die Zylinderbohrung, wenn die Differenz ungleich 0% ist. Im Besonderen ist der Motor 2 so gestaltet, dass er einen Bereich von der oben angegebenen quadratischen Gattung zu einer anderen Gattung abdeckt, bei der der Kolbenhub um eine Größe von mindestens 4% größer als die Zylinder bohrung gemacht ist. Somit kann der Motor 2 beispielsweise ein solcher quadra tischer Gattung mit einer Zylinderbohrung von 75 mm und mit einem Kolbenhub von 75 mm sein. Eine solche Gestaltung schafft seine verkleinerte Größe der Verschiebung des Kolbens 8 in Hinblick auf den Drehwinkel der Kurbelwelle, und somit ist eine ideale geschichtete Kraftstoffmischung während des Kom pressionshubs erreicht. Als eine Folge kann der Kraftstoff in einer stabilen Weise verbrannt werden.

Zusätzlich kann diese stabile Verbrennung eine Vielfalt von Wirkungen mit sich bringen, beispielsweise eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Kraftstoffs und jeweilige Verkleinerungen der Drehmomentänderungen, der Vibration, der Abgabevolumina an Drehmoment-Kohlenwasserstoff (THC) und an CO, des Schwelens bzw. des Gimmens rund um den Injektor 20 und die Zündkerze 18 herum, der Erzeugung von Ruß und der Verunreinigung des Motoröls.

Ferner schafft der Motor 2S der Gattung mit kurzem Hub eine verkleinerte Größe der Verschiebung des Kolbens 8S in Hinblick auf den Drehwinkel der Kurbel welle und dann eine verkleinerte Abweichung der Phase zwischen dem zer stäubten Kraftstoff "FS" und dem Kolben 8S. Als eine Folge ist es bei dem Motor 2S möglich, eine ideale geschichtete Mischung innerhalb des Bereichs des Kurbelwinkels (KW) von 30° vOT, wie in Fig. 10 dargestellt ist, bis zu dem Kurbelwinkel (KW) von 60° vOT, wie in Fig. 12 dargestellt ist, über den Kurbel winkel (KW) von 45° vOT hinaus, wie in Fig. 11 dargestellt ist, zu erreichen. Dies ist in Hinblick auf die praktische Verwendung vorteilhaft. Weiter sorgt der Motor 2S für ein vergrößertes Ausmaß der Toleranz des zeitlichen Ablaufs bzw. der Zeit der Einspritzung für die Schichtung des Kraftstoffs.

Fig. 13-22 zeigen eine zweite Ausführungsform. Nachfolgend werden die gleichen Bezugszeichen für Merkmale verwendet, die hinsichtlich ihrer Funktion identisch zu solchen sind, die bei der ersten Ausführungsform beschrieben sind.

Die zweite Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Motor 2 mit direkter Zylindereinspritzung einen Kolbenhub von etwa 50 mm bis etwa 80 mm, eine Zylinderbohrung 4b mit einem Durchmesser von etwa 50 mm bis etwa 92 mm und ein Verhältnis zwischen Kolbenhub und Durchmesser der Zylinder bohrung von etwa 0,8 bis etwa 1,4 besitzt.

Insbesondere ist der Motor 2 so gestaltet, dass er einen Kolbenhub des Kolbens 8 aufweist, der innerhalb des Bereichs von 50 mm bis 80 mm zu wählen ist, und einen Durchmesser der Zylinderbohrung des Zylinderblocks 4 aufweist, der innerhalb des Bereichs von 50 mm bis 92 mm zu wählen ist. Ferner ist das Verhältnis von Hub zu Bohrung so zu wählen, dass es innerhalb des Bereichs von 0,8 bis 1,4 liegt. Diese Einstellungen bzw. Auswahl verhindern eine über mäßig vergrößerte Länge des Kolbenhubs.

Mit weiterer Bezugnahme auf die oben angegebenen numerischen Bereiche wird die Verbrennung als stabil angesehen, wenn die Größe der Veränderung des durchschnittlichen effektiven Drucks gleich 5% oder kleiner ist.

Wie Fig. 16 dargestellt ist, kann, wenn der Kolbenhub höchstens 80 mm misst, die Größe der Veränderung gleich 5% oder kleiner sein. Somit muß die Ober grenze des Kolbenhubs auf 80 mm gewählt bzw. eingestellt sein.

Fig. 17 zeigt die Beziehung zwischen der Zylinderbohrung und dem Reiben bzw. Scheuern. Wie aus den Versuchsergebnissen in Fig. 17 erkennbar ist, tritt ein Reiben bzw. Scheuern bei einem Durchmesser der Zylinderbohrung von 45 mm oder kleiner auf, während kein Reiben bzw. Scheuern bei einem Durchmesser der Zylinderbohrung von 50 mm oder größer auftritt. Folglich muss die untere Grenze des Durchmessers der Zylinderbohrung auf 50 mm gewählt bzw. eingestellt sein.

Wie in Fig. 13 dargestellt ist, wird eine Taumelströmung (oder "Wirbelströmung"), die in der Verbrennungskammer 16 entwickelt wird, mittels eines Kolbenhubs von 50 mm oder größer zu einem ausreichenden Level, der Kraftstoff fördert bzw. transportiert, erzeugt. Als eine Folge ist eine zufriedenstellend geschichtete Mischung erreichbar. Wie in Fig. 18 dargestellt ist, kann, wenn der Kolbenhub mindestens 50 mm misst, dann die Größe der Veränderung des durch schnittlichen effektiven Drucks gleich 5% oder kleiner sein. Entsprechend muß die untere Grenze des Kolbenhubs zu 50 mm gewählt bzw. eingestellt sein.

Weiter kann, wie in Fig. 19 dargestellt ist, wenn die Zylinderbohrung höchstes 92 mm misst, dann die Größe der Veränderung des durchschnittlichen effektiven. Drucks gleich 5% oder kleiner sein. Als eine Folge wird eine magere Mischung ordnungsgemäß in der Verbrennungskammer 16, wie Fig. 14 dargestellt ist, verteilt. Entsprechend muss die Obergrenze des Durchmessers der Zylinder bohrung auf 92 mm gewählt bzw. eingestellt sein.

Weiter kann, wie in Fig. 20 dargestellt ist, wenn das Verhältnis von Hub zu Bohrung in dem Bereich von 0,8 bis 1,4 liegt, dann die Größe der Veränderung des durchschnittlichen effektiven Drucks gleich 5% oder kleiner sein. Als eine Folge breitet sich, wie in Fig. 15 dargestellt ist, die Flamme in einer im wesent lichen gleichmäßigen Weise in der Verbrennungskammer 16 aus mit der Folge einer stabilen Verbrennung. Somit muß das Verhältnis von Hub zu Bohrung innerhalb des Bereichs von 0,8 bis 1,4 gewählt bzw. eingestellt sein.

Fig. 21 zeigt einen durch die oben beschriebenen numerischen Einstellungen definierten schraffierten Bereich, bei dem eine stabile Verbrennung ohne Reiben und Scheuern geschaffen ist.

Zur Erläuterung wird auf Fig. 22 Bezug genommen, wo schwarze rechteckige Markierungsbereiche dargestellt sind, die existente Motoren bezeichnen. Wie aus Fig. 22 ersichtlich ist, fallen diese Motoren mit einem kleinen Abgabe volumen nicht unter den schraffierten Bereich.

Demzufolge wird der Kolbenhub so eingestellt, dass er in dem Bereich von 50 mm bis 80 mm liegt, wird der Durchmesser der Zylinderbohrung so eingestellt, dass der innerhalb des Bereichs von 50 mm bis 92 mm liegt, und wird das Verhältnis von Hub zu Bohrung so eingestellt, dass es innerhalb des Bereichs von 0,8 bis 1,4 mm liegt. Dann ist es möglich, dass der so gestaltete Motor 2 ein Reiben bzw. Scheuern verhindert und somit die Verbrennung stabilisiert.

Wenn der Kolbenhub auf höchstes 80 mm eingestellt ist, ist dann die Größe der Veränderung des durchschnittlichen effektiven Drucks gleich 5% oder geringer. Als eine Folge ist eine zufriedenstellend geschichtete Kraftstoffmischung erreichbar. Zusätzlich kann, wenn der Kolbenhub auf mindestens 50 mm eingestellt ist, dann die Größe der Veränderung gleich 5% oder geringer sein. Zur selben Zeit kann die Taumelströmung in einem ausreichenden Level, der Kraftstoff zuführt, erzeugt werden. Als eine Folge kann eine zufriedenstellend geschichtete Mischung realisiert werden, und kann somit die Verbrennung stabilisiert werden.

Wenn der Durchmesser der Zylinderbohrung auf mindestens 50 mm eingestellt ist, ist es möglich, ein Reiben bzw. Scheuern zuverlässig zu verhindern, das ansonsten als eine Folge des Anhaftens von Kraftstoff an der Wandfläche eines Zylinders auftreten würde. Zusätzlich kann, wenn der Durchmesser der Zylinder bohrung auf 92 mm eingestellt ist, dann die Größe der Veränderung des durch schnittlichen effektiven Drucks gleich 5% oder geringer eingestellt sein. Als eine Folge kann eine magere Mischung in der Verbrennungskammer 16 in ordnungs gemäßer Weise dort verteilt werden, und wird somit eine stabile Verbrennung geschaffen.

Weiter kann, wenn das Verhältnis von Hub zu Bohrung so eingestellt ist, dass es innerhalb des Bereichs von 0,8 bis 1,4 liegt, dann die oben angegebene Größe der Veränderung gleich 5% oder geringer sein. Ferner kann sich die Flamme in einer im wesentlichen gleichmäßigen Weise in der Verbrennungskammer 16 ausbreiten, was zu einer stabilen Verbrennung fühlt.

Fig. 23-25 zeigen eine dritte Ausführungsform.

Die dritte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder bohrung 4C einen Durchmesser, der kleiner als etwa 85 mm ist, bei einem Kegelwinkel in dem Bereich von etwa 15° bis etwa 90° des Kraftstoffs aufweist, der in der Form eines kegeligen Stroms von einem Injektor 20 aus eingespritzt wird, der an dem Motor 2 angebracht ist.

Insbesondere ist, wenn der Kegelwinkel innerhalb des Bereichs von 15° < Θ ≦ 30° liegt, kann die Zylinderbohrung kleiner als 75 mm. Wenn der Kegelwinkel innerhalb der Bereiche von 30° < Θ ≦ 45° und 45° < Θ ≦ 60° liegt, ist dann die Zylinderbohrung größer als 80 mm. Wenn der Kegelwinkel innerhalb der Be reiche von 60° < Θ ≦ 75° und 75° < Θ ≦ 90° liegt, ist dann die Zylinderbohrung kleiner als 85 mm.

Wie bei der zweiten Ausführungsform offenbart ist, stehen der Kolbenhub und die Zylinderbohrung in einem Verhältnis von 50 mm bis 80 mm für den Kolben hub bei einer Zylinderbohrung von 50 mm bis 92 mm.

Bei den Motor 2 wird, wie in Fig. 23 dargestellt ist, Kraftstoff in der Form eines kegeligen Strahls von dem Injektor 20 aus bei einem Kegelwinkel von 30° eingespritzt, besitzt der Zylinderblock 4 eine Zylinderbohrung von 70 mm, und ist der Injektor 20 unter einem Winkel von 45° eingebaut.

Wie in Fig. 23 dargestellt ist, gestattet, wenn der zerstäubte Kraftstoff "F" von dem Injektor 20 aus ausgespritzt wird, dann die ordnungsgemäße Auswahl bzw. Einstellung der Zylinderbohrung mit Bezug auf den Kegelwinkel, dass sich der Kraftstoff "F" zufriedenstellend in der Verbrennungskammer 16 ausbreitet. Wenn die Zündkerze 18 zündet, wird dann eine gleichmäßige Mischung in der Verbrennungskammer 16 gebildet, wodurch eine stabile Verbrennung ge schaffen wird.

Beispielsweise ist, wie in Fig. 24(a) und 24(b) dargestellt ist, ein konkaver Bereich 42 an der oberen Fläche 8A des Kolbens 8 ausgebildet. Der konkave Bereich 42 weist einen größer bemessenen ersten konkaven Bereich 42-1 und einen kleiner bemessenen zweiten und dritten konkaven Bereich 42-2 und 42-3 auf. Der erste konkave Bereich 42-1 ist an der Einlassseite angeordnet, während die Bereiche 42-2 und 42-3 an der Auslassseite angeordnet sind. Der erste konkave Bereich 42-1 weist eine Bodenfläche 42a-1 auf, die im allgemeinen horizontal ausgerichtet ist.

Demzufolge ist, wenn der Kegelwinkel innerhalb des Bereichs von 15° bis 30° liegt, dann der Durchmesser der Zylinderbohrung kleiner als 85 mm ausgewählt bzw. eingestellt, wodurch es ermöglicht wird, dass der Kraftstoff in einer stabilen Weise verbrannt wird. Diese stabile Verbrennung kann eine Vielfalt von Wir kungen realisieren, beispielsweise eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Kraftstoffs und jeweilige Verkleinerungen der Drehmomentveränderungen, der Vibration, der Abgabevolumina an Drehmoment-Kohlenwasserstoff (THC), an CO und an CO₂, des Gümmens rund um den Injektor 20 und die Zündkerze 18 herum, der Rußbildung und der Verunreinigung des Motoröls.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die erste, die zweite und die dritte Aus führungsform, die oben beschrieben sind, beschränkt, sondern für zahlreiche Anwendungen und Veränderungen oder Modifikationen geeignet.

Beispielsweise wird der Motor mit einem Einlassanschluss der Gattung mit oberem Eintritt bei der dritten Ausführungsform verwendet; alternativ kann aber auch ein Motor mit einem Einlassanschluss der seitlichen Gattung verwendet werden.

Obwohl Kolbenkonfigurationen im Detail bei der dritten Ausführungsform beschrieben worden sind, können Kolben anderer Typen verwendet werden, die sich von den offenbarten Kolbenmustern unterscheiden.

Ferner ist der Motor gemäß den oben angegebenen Ausführungsformen so gestaltet, dass er eine Beziehung zwischen der Zylinderbohrung und dem Kolbenhub etabliert, eine andere Beziehung zwischen der Zylinderbohrung, dem Kolbenhub und dem Verhältnis von Hub zu Bohrung etabliert und eine weitere Beziehung zwischen dem Kegelwinkel und der Zylinderbohrung etabliert. Alternativ kann der Motor insbesondere so gestaltet sein, dass er die nach folgend angegebenen Beziehungen besitzt:

1. eine Beziehung zwischen dem Kolbenhub und dem Kegelwinkel; und
2. eine weitere Beziehung zwischen der Zylinderbohrung, dem Kolbenhub und dem Kegelwinkel.

Somit ist eine große Vielzahl von Veränderungen erreichbar. Des weiteren kann der Motor, der diese Veränderungen realisiert, leicht hergestellt werden. Dies ist in Hinblick auf die praktische Verwendung vorteilhaft.

Weiter kann der Motor insbesondere durch den Schritt der Durchführung der obigen verschiedenen Einstellungen bzw. Auswahlen in Hinblick auf das Nach folgende gestaltet sein: den Grad, zu dem der Kegelwinkel in Reaktion auf eine Veränderung des Einbauwinkels des Injektors oder in Reaktion auf eine Ver änderung der Einspritzkraft erweitert wird bzw. ist; und den zeitlichen Verlauf bzw. die Zeit der Zündung der Zündkerze.

Als eine Folge machen feine Auswahlen bzw. Einstellungen es möglich, eine ideale geschichtete Mischung mit der Folge einer stabilen Verbrennung zu schaffen. Dies ist in Hinblick auf die praktische Verwendung vorteilhaft.

Obwohl der Motor mit direkter Zylindereinspritzung, der einen einzigen Injektor aufweist, der dort für jeden Zylinder angeordnet ist, bei den obigen Aus führungsformen offenbart ist, existiert ferner ein alternativer Motor mit zwei Injektoren je Zylinder. In diesem Fall können die oben angegebenen verschie denen bzw. zahlreichen Auswahlen bzw. Einstellungen bei einem solchen alternativen Motor reflektiert bzw. vorgesehen werden.

Wie in der obigen Beschreibung verdeutlicht ist, schafft ein Aspekt der vorlie genden Erfindung einen Motor mit direkter Zylindereinspritzung, der eine Zündkerze, die in dem Zylinderkopf an dem im wesentlichen zentralen Bereich der Verbrennungskammer angeordnet ist, wobei die Verbrennungskammer zwischen der Unterseite des Zylinderkopfs und der oberen Fläche des Kolbens angeordnet ist, Einlass- und Auslassventile, die in dem Zylinderkopf an jeweils entgegengesetzten Seiten des Zylinderkopfs angeordnet sind, und einen Injektor, der in dem Zylinderkopf an der einen Seite des Zylinderkopfs an geordnet ist, zum Einspritzen von Kraftstoff in der Form eines kegeligen Strahls auf die Oberfläche des Kolbens aufweist, wobei die Verbesserung darin besteht, dass die Größendifferenz zwischen dem Kolbenhub und der Zylinderbohrung in dem Bereich von 0% bis 4% liegt und der Kolbenhub größer als die Zylinder bohrung ist, wenn die Differenz ungleich 0% ist. Diese Bauweise schafft eine verkleinerte Größe der Verschiebung des Kolbens in Hinblick auf den Drehwinkel der Kurbelwelle und eine ideale geschichtete Kraftstoffmischung während der Kompressionshub-Einspritzung in einem weiten Bereich. Als eine Folge kann der Kraftstoff in einer stabilen Weise verbrannt werden. Zusätzlich kann diese stabile Verbrennung eine Vielfalt von Wirkungen mit sich bringen, beispielsweise eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Kraftstoffs und jeweilige Verringerungen der Drehmomentveränderungen, der Vibration, der Abgabevolumina an Drehmoment-Kohlenwasserstoff (THC) und an CO, des talimmens bzw. Glühens rund um den Injektor 20 und die Zündkerze 18 herum, der Rußbildung und der Verunreinigung des Motoröls.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft einen Motor mit direkter Zylindereinspritzung, der eine Zündkerze, die in einem in dem Zylinderkopf an dem im wesentlichen zentralen Bereich der Verbrennungskammer angeordnet ist, wobei die Verbrennungskammer zwischen der Unterseite des Zylinderkopfs und der oberen Fläche des Kolbens ausgebildet ist, Einlass- und Auslassventile, die in dem Zylinderkopf an jeweils entgegengesetzten Seiten desselben an geordnet sind, und einen Injektor, der in dem Zylinderkopf an einer Seite des Zylinderkopfs angeordnet ist, zum Einspritzen von Kraftstoff in der Form eines kegeligen Strahls auf die Oberfläche des Kolbens aufweist, wobei die Ver besserung darin besteht, dass der Motor einen Kolbenhub von 50 mm bis 80 mm, eine Zylinderbohrung 50 mm bis 92 mm und ein Verhältnis von Hub zu Bohrung von 0,8 bis 1,4 aufweist. Dann ist es bei dem so gestalteten Motor möglich, ein Reiben bzw. Scheuern zu verhindern und somit die Verbrennung zu stabilisieren. Weiter bewirkt der Kolbenhub mit 80 mm oder kleiner eine Größe der Veränderung des durchschnittlichen effektiven Drucks gleich 5% oder niedriger. Als eine Folge ist eine zufriedenstellend geschichtete Mischung erreichbar. Zusätzlich macht der Kolbenhub mit 50 mm oder größer es möglich, dass die genannte Größe der Veränderung gleich 5% oder kleiner ist, und gestattet er es, dass eine Taumelströmung oder Wirbelströmung in einem ausreichenden Level zum Transport des Kraftstoffs erzeugt wird. Als eine Folge werden eine zufriedenstellend geschichtete Mischung und somit eine stabile Verbrennung geschaffen. Des weiteren macht es die Zylinderbohrung mit 50 mm oder größer möglich, zuverlässig eine Reiben bzw. Scheuern zu verhindern, das ansonsten als Folge des Anhaftens von Kraftstoff an der Wandfläche eines Zylinders auftreten würde. Weiter gestattet es die Zylinderbohrung mit 92 mm oder kleiner, dass die genannte Größe der Änderung gleich 5% oder kleiner ist. Als eine Folge kann eine magere Mischung in der Verbrennungskammer 16 in ordnungsgemäßer Weise dort verteilt werden, was zu einer stabilen Ver brennung führt. Weiter gestattet das Verhältnis von Hub zu Bohrung mit 0,8 bis 1,4, dass die Größe der Veränderung gleich 5% oder kleiner ist und dass sich die Flamme in einer im wesentlichen gleichmäßigen Weise in der Verbren nungskammer 16 ausbreitet. Als eine Folge ist eine stabile Verbrennung er reichbar.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft einen Motor mit direkter Zylindereinspritzung, der eine Zündkerze, die in dem Zylinderkopf an dem im wesentlichen zentralen Bereich der Verbrennungskammer angeordnet ist, wobei die Verbrennungskammer zwischen der Unterseite des Zylinderkopfs und der oberen Fläche des Kolbens angeordnet ist, Einlass- und Auslassventile, die in dem Zylinderkopf an jeweils entgegengesetzten Seiten desselben angeordnet sind, und einen Injektor, der in dem Zylinderkopf an einer Seite des Zylinder kopfs vorgesehen ist, zum Einspritzen von Kraftstoff in der Form eines kegeligen Strahls auf die obere Fläche des Kolbens aufweist, wobei die Verbesserung darin besteht, dass die Zylinderbohrung kleiner als 85 mm in Hinblick auf den Kegelwinkel vom 15° bis 90° des in der Form des kegeligen Strahls von dem Injektor aus ausgespritzten Kraftstoffs gewählt bzw. eingestellt ist. Diese Gestaltung macht es möglich, dass der Kraftstoff in einer stabilen Weise ver brannt wird. Diese stabile Verbrennung kann eine Vielzahl bzw. Vielfalt von Wirkungen realisieren, beispielsweise eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Kraftstoffes und jeweilige Verringerungen der Drehmoment-Veränderungen, der Vibration, der Abgabevolumina an Drehmoment-Kohlenwasserstoff (THC), an CO und an CO₂, des Glimmens bzw. Glühens rund um den Injektor 20 und die Zündkerze 18 herum, der Rußbildung und der Verunreinigung des Motoröls.

Obwohl eine besondere Ausführungsform der Erfindung zu Erläuterungs zwecken im Detail beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, Änderungen und Modifikationen der offenbarten Erfindung einschließlich einer anderweitigen Anordnung von Teilen unter den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

1. Motor mit direkter Zylindereinspritzung, der eine Zündkerze (18), die in dem Zylinderkopf (6) an dem im wesentlichen zentralen Bereich der Verbrennungs kammer (16) angeordnet ist, wobei die Verbrennungskammer (16) zwischen der Unterseite des Zylinderkopfs (6) und der oberen Fläche eines Kolbens (8) ausgebildet ist, Einlass- und Auslassventile (22, 24), die in dem Zylinderkopf (6) an jeweils entgegengesetzten Seiten desselben angeordnet sind, und einen Injektor (20), der in dem Zylinderkopf (6) an einer Seite des Zylinderkopfs (6) angeordnet ist, zum Einspritzen von Kraftstoff in der Form eines kegeligen Strahls auf die Oberfläche des Kolbens (8) aufweist, wobei die Größendifferenz zwischen der Länge des Kolbenhubs und dem Durchmesser der Zylinder bohrung im Bereich von etwa 0% des etwa 4% liegt und die Länge des Kolben hubs größer als der Durchmesser der Zylinderbohrung ist, wenn die Differenz ungleich 0% ist.

2. Motor mit direkter Zylindereinspritzung nach Anspruch 1, wobei der Motor (2) so konfiguriert ist, dass er einen Bereich von einer Gattung aus, bei der die Länge des Kolbenhubs gleich dem Durchmesser der Zylinderbohrung ist, zu einer anderen Gattung hin abdeckt, bei der die Länge des Kolbenhubs um eine Größe von 4% oder weniger größer als der Durchmesser der Zylinderbohrung ist.

3. Motor mit direkter Zylindereinspritzung nach Anspruch 1, wobei der Motor (2) eine solcher quadratischer Gattung, bei der die Länge des Kolbenhubs gleich dem Durchmesser der Zylinderbohrung ist, und ein solcher einer Gattung mit kurzem Hub ist, bei der die Länge des Kolbenhubs kleiner als der Durchmesser der Zylinderbohrung ist.

4. Motor mit direkter Zylindereinspritzung, der eine Zündkerze (18), die in dem Zylinderkopf (6) an dem im wesentlichen zentralen Bereich der Verbrennungs kammer (16) angeordnet ist, wobei die Verbrennungskammer (16) zwischen der Unterseite des Zylinderkopfs (6) und der oberen Fläche eines Kolbens (8) ausgebildet ist, Einlass- und Auslassventile (22, 24), die in dem Zylinderkopf (6) an jeweils entgegengesetzten Seiten desselben angeordnet sind, und einen Injektor (20), der in dem Zylinderkopf (6) an einer Seite des Zylinderkopfs (6) angeordnet ist, zum Einspritzen von Kraftstoff in der Form eines kegeligen Strahls auf die Oberfläche des Kolbens (8) aufweist, wobei der Motor (2) einen Kolbenhub mit einer Länge von etwa 50 mm bis etwa 80 mm, eine Zylinder bohrung mit einem Durchmesser von etwa 50 mm bis etwa 92 mm und ein Verhältnis von Hub zu Bohrung von etwa 0,8 bis etwa 1, 4 aufweist.

5. Motor mit direkter Zylindereinspritzung der eine Zündkerze (18), die in dem Zylinderkopf (6) an dem im wesentlichen zentralen Bereich der Verbrennungs kammer (16) angeordnet ist, wobei die Verbrennungskammer (16) zwischen der Unterseite des Zylinderkopfs (6) und der oberen Fläche eines Kolbens (8) ausgebildet ist, Einlass- und Auslassventile (22, 24), die in dem Zylinderkopf (6) an jeweils entgegengesetzten Seiten desselben angeordnet sind, und einen Injektor (20), der in dem Zylinderkopf (6) an einer Seite des Zylinderkopfs (6) angeordnet ist, zum Einspritzen von Kraftstoff in der Form eines kegeligen Strahls auf die Oberfläche des Kolbens (8) aufweist, wobei der Durchmesser der Zylinderbohrung kleiner als etwa 85 mm in Hinblick auf einen Kegelwinkel von etwa 15° bis etwa 90° des in der Form eines kegeligen Strahls von dem Injektor (20) aus eingespritzten Kraftstoffs ausgewählt bzw. eingestellt ist.

6. Motor mit direkter Zylindereinspritzung nach irgendeinem der Ansprüche 5, wobei, wenn der Kegelwinkel innerhalb eines Bereichs von 15° < Θ ≦ 30° liegt, dann der Durchmesser der Zylinderbohrung kleiner als etwa 75 mm ist.

7. Motor mit direkter Zylindereinspritzung nach irgendeinem der Ansprüche 5, wobei, wenn der Kegelwinkel innerhalb von Bereichen von 30° < Θ ≦ 45° und 45° < Θ ≦ 60° liegt, dann der Durchmesser der Zylinderbohrung kleiner als etwa 80 mm ist.

8. Motor mit direkter Zylindereinspritzung nach irgendeinem der Ansprüche 5, wobei, wenn der Kegelwinkel innerhalb von Bereichen von 60° < Θ ≦ 75° und 75° < Θ ≦ 90° liegt, dann der Durchmesser der Zylinderbohrung kleiner als etwa 85 mm ist.