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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor mit Benzin-Direkteinspritzung, der mit einem Kolben arbeitet, welcher an seiner Oberseite vertieft ist.
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Die
JP 2000-34925 A beschreibt einen Motor mit Benzin-Direkteinspritzung, der mit einem Kolben arbeitet, dessen Oberseite vertieft ist. Im Gegensatz zu einem Benzin-Einspritzmotor der konventionelleren Bauart, bei dem der Kraftstoff in eine zur Verbrennungskammer führende Ansaugleitung gespritzt wird, erfolgt die Kraftstoffeinspritzung bei einem Direkt-Einspritzmotor direkt in die Verbrennungskammer. Bei dem Direkt-Einspritzmotor gemäß diesem früheren. Vorschlag ist zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses des Motors um die in der Kolbenoberseite ausgebildete Vertiefung herum eine erhöhte Fläche gebildet, und das Dach des Brennraums und die erhöhte Fläche bilden einander gegenüberliegende parallele Flächen.
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Bei der Konstruktion gemäß diesem früheren Vorschlag kommt es gegen Ende des Verdichtungshubes zu einer dichten Annäherung zwischen der erhöhten Fläche des Kolbens und der Dachfläche des Brennraums, so dass sich der Spalt zwischen diesen beiden Flächen rasch verkleinert und deshalb die Wirbelströmung der Ansaugluft direkt in die Vertiefung gedrängt wird. Die Folge ist, dass das stöchiometrisch oder anderweitig bestimmte, um die Zündkerze herum gebildete Luft/Kraftstoffgemisch abgeblasen wird und dadurch die Stabilität in der Zündung des Gemisches beeinträchtigt wird.
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Aus der
AT 003 751 U1 ist ein Motor mit Benzindirekteinspritzung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt. Dort ist die Vertiefung in der Kolbenoberseite von einer Rippe umgeben, welche so ausgestaltet ist, dass die Wirbelströmung in die Vertiefung hinein leitet.
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Ähnlich verhält es sich bei der
EP 0 990 779 A1 , wo die Vertiefung an der Kolbenoberseite in Bezug auf die Einspritzdüse so angeordnet und ausgebildet ist, dass die Wirbelströmung direkt in die Vertiefung hinein geleitet wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Motor mit Benzin-Direkteinspritzung zu schaffen, der ein direktes Einströmen der Hochgeschwindigkeits-Wirbelströmung der Ansaugluft in die Vertiefung verhindert, um eine stabile Zündung des Gemisches insbesondere im Magerverbrennungsbetrieb zu gewährleisten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Motor mit Benzin-Direkteinspritzung gemäß Anspruch 1 angegeben.
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Erfindungsgemäß ist zwischen der Vertiefung und der erhöhten Fläche eine die Vertiefung im wesentlichen umgebende Wirbel-Absperrwand vorgesehen. Diese Wand trägt dazu bei zu verhindern, dass die Hochgeschwindigkeits-Wirbelströmung der Ansaugluft direkt in die Vertiefung einströmt.
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Die zwischen der schräg abfallenden Fläche des Kolbens und der gegenüberliegenden Dachfläche gefangene Ansaugluft langsam aus dem Spalt zwischen diesen Flächen verdrängt und durch die Wirbel-Absperrwand daran gehindert, mit hoher Geschwindigkeit direkt in die Vertiefung zu strömen. Folglich kann insbesondere im Zustand geringer Last, in dem nur eine relativ geringe Kraftstoffmenge eingespritzt wird, verhindert werden, dass das Gemisch durch eine Hochgeschwindigkeits-Wirbelströmung der in die Vertiefung einströmenden Ansaugluft abgeblasen wird, so dass das Luft/Kraftstoffverhältnis in der Nähe der Zündkerzenelektrode auf einem geeigneten Niveau gehalten werden kann und eine stabile Zündung sichergestellt wird. Dies ermöglicht insbesondere, dass der Motor über einen weiten Betriebsbereich im Modus der Schichtladung mit magerer Verbrennung arbeiten kann.
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Bevorzugt liegt die schräg abfallende Fläche liegt einer Auslaßseite der Dachfläche gegenüber, wobei die schräg abfallende Fläche relativ zu der zur Längsachse des Zylinders senkrechten Ebene einen flacheren Winkel bildet als die Dachfläche.
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Damit die Wirbel-Absperrwand und die Zündkerze einander nicht stören, kann in diesem Fall in der Wirbel-Absperrwand eine Kerbe vorgesehen sein.
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Vorzugsweise ist der Sprühwinkel des Kraftstoffeinspritzventils derart gewählt, dass der durch die Kraftstoffeinspritzdüse eingespritzte Kraftstoff zumindest in dem Modus mit Schichtladung und magerer Verbrennung vollständig in die Vertiefung aufgegeben wird, wodurch ein vorteilhaftes Luft/ Kraftstoffverhältnis für das Gemisch in der Vertiefung sichergestellt wird und eine Benetzung der Zylinderfläche mit Kraftstoff verhindert wird.
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Figurenkurzbeschreibung
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Nachstehend folgt die Beschreibung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen. Darin zeigt:
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1 eine vertikale Schnittansicht des Brennraums eines Motors mit Direkteinspritzung, an dem die Erfindung verwirklicht ist, wobei sich der Kolben an seinem oberen Totpunkt befindet;
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2 eine graphische Darstellung der Relation zwischen dem Volumenverhältnis der Vertiefung und der Kraftstoffverbrauchsrate;
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3 eine Draufsicht auf die Kolbenoberseite;
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4 eine fragmentarische vertikale Schnittansicht zur Darstellung des Verhältnisses zwischen Brennraum und Kolbenoberseite;
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5 eine Vorderansicht des Kolbens, zum Teil in einem Schnitt entlang der Linie V-V von 4;
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6 eine graphische Darstellung der Relation zwischen Brems-PS (Motorlast) und Kraftstoffverbrauchsrate;
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7 eine Ansicht ähnlich wie 1, an einem bestimmten Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung; und
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8 eine Ansicht ähnlich wie 1, mit dem Kolben an seinem unteren Totpunkt.
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Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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1 zeigt einen dachförmig ausgebildeten Brennraum 1 eines Motors mit Benzin-Direkteinspritzung, an welchem die vorliegende Erfindung verwirklicht ist. Ein Zylinderblock CB enthält einen Zylinder 4, und ein Zylinderkopf CH ist an einem axialen Ende des Zylinderblocks CB befestigt. Der Brennraum 1 ist durch den Zylinderkopf CH und einen in dem Zylinder 4 verschiebbar aufgenommenen Kolben 5 definiert, und eine Düse 2 eines Kraftstoffeinspritzventils ist zentral in dem Dach des durch den Zylinderkopf CH abgegrenzten Brennraums 1 angeordnet. Die Elektrode 3 einer Zündkerze ragt in einen Teil des Brennraums 1 hinein, der sich zwischen einem Paar Auslassöffnungen (in den Zeichnungen nicht. dargestellt) befindet. Die Auslassöffnungen sind mit Auslassventilen versehen, die die Auslassöffnungen in fachbekannter Weise selektiv schliessen. Die Achsmittellinie der Düse 2 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Zylinders, ist jedoch in Richtung auf die Elektrode 3 der Zündkerze geringfügig versetzt.
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Die Oberseite des Kolbens 5 liegt im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Zylinders und ist mit einer im Wesentlichen kreisförmigen Vertiefung 6 versehen, die eine gerundete Bodenfläche hat. Das Volumen dieser Vertiefung 6 ist derart bestimmt, dass es 20% bis 30% des Gesamtvolumens des Brennraums 1 beträgt, wenn sich der Kolben 5 an seinem oberen Totpunkt befindet. Die Entwicklung dieses Motors zielt auf eine supermagere Verbrennung (mit Schichtladung) und darauf, dass das Luft/ Kraftstoffverhältnis des Gemisches in der Vertiefung 6 am Zündpunkt derart geregelt wird, dass es im Wesentlichen dem idealen Mischungsverhältnis (14, 7) entspricht, so dass die stabile Zündung des Gemisches durch die Elektrode 3 der Zündkerze erfolgen kann, die dem Innenraum der Vertiefung 6 in einer Position zugewandt ist, die von der Mitte des Brennraums 1 in Richtung auf die Auslassventile versetzt ist. Da das Volumen der in dem Brennraum ausserhalb der Vertiefung anwesenden Luft zwei- bis viermal so groß ist wie das Volumen der Vertiefung, lässt sich eine supermagere Verbrennung mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis von 45 bis 70 erreichen.
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Die Vertiefung 6 ist von der Mitte des Brennraums in Richtung auf die Auslassventile oder die Elektrode 3 der Zündkerze ebenfalls geringfügig versetzt, und die Elektrode 3 liegt ziemlich nahe zur Mitte der Vertiefung 6. Die Lage und die Größe der Vertiefung 6 sind derart gewählt, dass sich das Luft/Kraftstoffverhältnis in dem zentralen Teil der Vertiefung 6 nicht wesentlich von jenem im Randbereich der Vertiefung 6 unterscheidet und dass eine stabile Zündung und Verbrennung erreicht werden.
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Bei einer Verkleinerung des Volumens der Vertiefung 6 wird im hohen Lastzustand des Motors eine für das gegebene Volumen der Vertiefung 6 relativ große Kraftstoffmenge in die Vertiefung eingespritzt, so dass das Luft/Kraftstoffverhältnis in der Vertiefung 6 fetter wird. Umgekehrt wird bei einer Vergrößerung des Volumens der Vertiefung 6 im Zustand geringer Motorlast eine für das gegebene Volumen der Vertiefung 6 relativ kleinere Kraftstoffmenge in die Vertiefung eingespritzt, so dass das Luft/Kraftstoffverhältnis in der Vertiefung magerer wird. Mit anderen Worten: Weil das Volumenverhältnis der Vertiefung 6, das die Kraftstoffverbrauchsrate optimieren würde, von der Motorlast abhängt, wie in 2 gezeigt, kann die Kilometerleistung des mit diesem Motor ausgestatteten Fahrzeugs dadurch optimiert werden, dass man für die Vertiefung 6 ein Volumenverhältnis wählt, das eine Optimierung dahingehend erlaubt, dass der Kraftstoffverbrauch unter Last dem Kraftstoffverbrauch im Normalbetrieb des Fahrzeugs entspricht. Zu dem Beispiel in 2 kann man sagen, dass ein optimales Ergebnis erreicht wird, indem man für die Vertiefung 6 ein Volumen wählt, das 25% des Gesamtvolumens des Brennraums 1 beträgt.
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Zur Steuerung/Regelung des Verdichtungsverhältnisses ist die Oberseite des Kolbens 5 auch mit einem Paar ebenes erhöhter Flächen 7 auf beiden Seiten der Vertiefung b versehen, wie das in den 3 und 4 dargestellt ist. In dieser Ausführungsform liegen die erhöhten Flächen 7 im wesentlichen parallel zur Referenz-Oberfläche T des Kolbens 5. Eben abfallende Flächen 8a oder 8b sorgen für einen sanften Übergang bzw. die Verbindung des den Auslassventilen zugewandten Endes jeder erhöhten Fläche 7 zur Oberseite (Referenzfläche) T des Kolbens 5. Der Winkel γ, den die eben abfallenden Flächen 8a und 8b relativ zur Oberseite T des Kolbens 5 oder der zur Längsachse des Zylinders senkrechten Ebene bilden, ist kleiner als der Winkel β der Dachfläche 9 des Brennraums 1 relativ zur Kolbenoberseite T (β > γ), wie in 5 gezeigt.
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Der oben beschriebe Kolbenaufbau ist aus dem Stand dem Technik bekannt
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Eine Wirbel-Absperrwand 10 ist im Wesentlichen über den gesamten Umfang der Vertiefung 6 ausgebildet. Diese Wirbel-Absperrwand 10 ist höher als die erhöhten Flächen 7, die sich 3 bis 5 mm weit außerhalb der Wirbel-Absperrwand 10 befinden, und sie hat eine Breite im Bereich von 3 bis 8 mm. Die Wirbel-Absperrwand 10 ist mit einer Kerbe 11 versehen, damit die Wand 10 und die Elektrode 3 der Zündkerze einander nicht stören, wenn der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat. Die Zündkerze befindet sich zwischen den beiden Auslassöffnungen.
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Angenommen der Winkel γ der Schrägflächen 8a und 8b, die sich von dem auf der Seite der Auslassöffnung gelegenen Ende der erhöhten Flächen 7 relativ zu der Oberseite des Kolbens 5 erstrecken, ist gleich groß wie der Winkel β der Dachfläche 9: Weil der Spalt zwischen den schräg abfallenden Flächen 8a und 8b und der Dachfläche 9 gegen Ende des Verdichtungshubes rasch kleiner wird, trifft die Wirbelströmung der Ansaugluft (durch den Pfeil S in 3 angegeben) in dem Brennraum 1 auf einen beachtlichen Widerstand, während sie durch diesen Spalt hindurchströmt. Folglich gelangt die Wirbelströmung über die in der Wirbel-Absperrwand 10 gebildete Kerbe 11 mit hoher Geschwindigkeit direkt in die Vertiefung 6 und bläst das Gemisch in der Nähe der Zündelektrode 3 weg und verhindert somit die Zündung und die zuverlässige Verbrennung des Gemisches.
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Weil bei vorliegender Erfindung aber die schräg abfallenden Flächen 8a und 8b, die sich relativ zur Kerbe 11 der Wirbel-Absperrwand 10 stromaufwärts bzw. stromabwärts der Wirbelströmung befinden, einen kleineren Winkel als die gegenüberliegende Dachfläche 9 des Brennraums 1 bilden, wird die zwischen den schräg abfallenden Flächen des Kolbens 5 und der gegenüberliegenden Dachfläche 9 gefangene Ansaugluft langsam aus dem Spalt zwischen diesen Flächen verdrängt und daran gehindert, dass sie mit hoher Geschwindigkeit direkt in die Vertiefung 6 strömt. Das Ergebnis ist, dass im Zustand geringer Last, in dem nur eine relativ geringe Kraftstoffmenge eingespritzt wird, das Luft/Kraftstoffverhältnis in der Nähe der Zündkerzenelektrode auf einem geeigneten Niveau gehalten werden kann und dass damit eine stabile Zündung sichergestellt ist.
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Im Zustand hoher Last, in dem eine relativ große Kraftstoffmenge eingespritzt wird, wird ein geeignetes Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches in der Vertiefung 6 beibehalten, und der aus der Vertiefung 6 überströmende Kraftstoffnebel wird aufgrund der Wirbelströmung in geeigneter Weise mit der umgebenden Luft vermischt, wodurch verhindert wird, dass das Gemisch in der Nähe der Zündkerzenelektrode 3 zu fett wird. Auf diese Weise lässt sich stets eine stabile Verbrennung erreichen. Besonders vorteilhaft ist die Vermeidung von Problemen wie beispielsweise Rauchbildung, die die Folge eines Gemisches wäre, das sich zu stark angereichert hat.
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Die vorhandene Wirbel-Absperrwand 10 sorgt für eine stabile Verbrennung unter jeglichen Bedingungen und für eine Minimierung des Kraftstoffverbrauchs, wie in 6 gezeigt. Würde diese Absperrwand 10 fehlen, wäre es unmöglich, die Verbrennung stabil zu halten, speziell im niedrigen Lastzustand des Motors.
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In charakteristischer Weise ist die Düse 2 eines Kraftstoffeinspritzventils derart gestaltet, dass der in einen Brennraum geleitete Kraftstoffstrahl die Form eines divergierenden Kegels hat. Ist der Spitzenwinkel dieses Kegels oder der Sprühwinkel zu groß, gelangt im Modus der Schichtladung und mageren Verbrennung ein Teil des Kraftstoffstrahls nicht in die Vertiefung 6, so dass der sich daraus ergebende magere Zustand der Ladung in der Vertiefung 6 eine instabile Verbrennung zur Folge haben kann. Bei einem noch größeren Sprühwinkel legt sich der Kraftstoff an der Innenfläche des Zylinders an und benetzt die Zylinderfläche. Dies beeinträchtigt nicht nur die Emissionseigenschaften, sondern verdünnt auch das Schmieröl mit Kraftstoff.
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Wenn der Winkel, der von der Mittellinie der Düse und von der Linie gebildet wird, die sich von der oberen Mitte der Düse 2 zu dem der Düse am nächsten gelegenen Teil der inneren Peripherie der Vertiefung 6 erstreckt (der sich auf der von den Auslassöffnungen entfernten Seite der Vertiefung 6 befindet), bei Beginn der Kraftstoffeinspritzung α ist, sollte der Sprühwinkel 2 oder kleiner sein, zumindest im Modus der Schichtladung und mageren Verbrennung (siehe 7). Durch eine derartige Verengung des Sprühwinkels auf 2α oder weniger wird der eingespritzte Kraftstoff im wesentlichen vollständig in die Vertiefung 6 geladen, so dass die günstigen Emissionseigenschaften erhalten bleiben und eine Anlagerung von Kraftstoff an der Zylinderinnenwand unter sämtlichen Betriebsbedingungen vermieden wird.
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Wenn bezugnehmend auf 8 der Winkel, der von der Mittellinie der Düse und von der Linie gebildet wird, die sich von der oberen Mitte der Düse 2 zu dem der Düse am nächsten gelegenen Teil der inneren Peripherie der Vertiefung 6 erstreckt (der sich auf der von den Auslassöffnungen entfernten Seite der Vertiefung 6 befindet), δ ist, wenn sich der Kolben in seiner unteren Totlage befindet, sollte der Sprühwinkel 2δ oder kleiner sein, zumindest im Modus der Schichtladung und mageren Verbrennung, weil die Kraftstoffeinspritzung im normalen Schichtladungsmodus/magere Verbrennung an einem Punkt beginnt, an dem sich der Kolben aus seiner unteren Totlage ein kurzes Stück nach oben bewegt hat. Dadurch kann der Kraftstoff im Wesentlichen vollständig in die Vertiefung 6 geladen werden, so dass sich die günstigen Emissionseigenschaften beibehalten lassen und das Anhaften von Kraftstoff an der Innenwand des Zylinders unter sämtlichen Betriebsbedingungen verhindert wird.
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Wenngleich die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der in den Ansprüchen wiedergegeben ist.
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Kurz zusammengefasst betrifft die Erfindung einen Motor mit Benzin-Direkteinspritzung, bei dem, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, die an der Oberseite des Kolbens ausgebildete schräg abfallende Fläche und die gegenüberliegende Dachfläche des Zylinderkopfs relativ zu einer zur Zylinderlängsachse senkrechten Ebene voneinander verschieden sind, so dass die zwischen den schräg abfallenden Flächen des Kolbens und der gegenüberliegenden Dachfläche gefangene Ansaugluft langsam aus dem Spalt zwischen diesen Flächen herausgepresst wird und daran gehindert wird, mit hoher Geschwindigkeit direkt in die Vertiefung zu strömen. Das Ergebnis ist, dass ein günstiges Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches in der Vertiefung beibehalten wird und dass der Motor dadurch die Fähigkeit erhält, über einen weiten Betriebsbereich in einem Modus mit Schichtladung und magerer Verbrennung zu arbeiten.
