DE102010037156B4

DE102010037156B4 - Motor mit Benzindirekteinspritzung

Info

Publication number: DE102010037156B4
Application number: DE102010037156.4A
Authority: DE
Inventors: Young Sam Gu; Hyun Soo Shim; Tae Sun Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: US20110120410A1; DE102010037156A1; CN102080604B; US8701626B2; KR101373805B1; CN102080604A; KR20110058458A

Abstract

Motor mit Benzindirekteinspritzung, der eine Einspritzdüse (300), die Kraftstoff direkt in eine Brennkammer einspritzt, eine Zündkerze (400), ein Einlassventil (101) und ein Auslassventil (201) aufweist und durch Hin- und Herbewegen eines Kolbens (550) in einem Zylinder Leistung erzeugt, wobei der Motor aufweist:eine Aushöhlung (500), die in einem Kolbenboden (540) des Kolbens (550) an einer Einlassseite davon ausgebildet ist; undeinen Kanal (520), der um die Aushöhlung (500) herum zwischen der Aushöhlung (500) und einem Außenumfang des Kolbenbodens (540) ausgebildet ist,wobei die Aushöhlung (500) an einem benachbart zu einem Rand des Kolbens (550) ausgebildeten Verbindungsabschnitt (560) mit dem Kanal (520) fluidverbunden ist, um etwas Strömung des von der Einspritzdüse (300) eingespritzten Kraftstoffs entlang dem Kanal (520) zu dem Einlassventil (101) zurückzuführen,wobei der Kanal (520) und die Aushöhlung (500) durch einen dazwischen ausgebildeten Vorsprung (510) voneinander getrennt sind, der sich von einer oberen Fläche der Aushöhlung (500) nach oben erstreckt,wobei der Vorsprung (510) an einem Abschnitt offen ist, um den Verbindungsabschnitt (560) derart zu bilden, dass der Kanal (520) und die Aushöhlung (500) über diesen miteinander fluidverbunden sind, undwobei der Gradient des Kanals (520) von dem Verbindungsabschnitt (560) derart ansteigt, dass ein am weitesten von dem Verbindungsabschnitt (560) angeordneter Abschnitt (570) des Kanals (520) höher als der Verbindungsabschnitt (560) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Struktur eines Motors, und insbesondere eine Struktur eines Motors mit Benzindirekteinspritzung, der eine verbesserte Laufleistung hat.
Im Allgemeinen wurde eine Technologie der Benzindirekteinspritzung (GDI) entwickelt, um die Kraftstoffeffizienz und die Leistung eines Verbrennungsmotors zu verbessern. Bei der Technologie eines GDI-Motors wird Kraftstoff direkt in die Brennkammer und nicht in den Ansaugkrümmer eingespritzt.
Da es möglich ist, mittels des GDI-Motors Kraftstoff direkt in die Brennkammer einzuspritzen und eine Schicht des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu erzeugen, kann durch Konzentrieren von Luft und Kraftstoff um eine Zündkerze herum ein kondensiertes Gemisch erzeugt werden. Dementsprechend kann der Motor mit einem sehr kleinen Luft/KraftstoffVerhältnis arbeiten, und die Wandbenetzung wird im Vergleich zur herkömmlichen Einspritzung des Kraftstoffes in die Ansaugöffnung reduziert, so dass es möglich ist, die Kraftstoffmenge genau zu steuern und die Kraftstoffeffizienz und die Leistung zu verbessern, und dementsprechend werden GDI-Motoren in letzter Zeit zunehmend verwendet.
Verschiedene Verfahren zum Mischen von Luft mit Kraftstoff, die ein Luft-Kraftstoff-Gemisch um die Zündkerze herum gut und maximal konzentrieren, wurden vorgeschlagen, um den Motor problemlos mit einem kleinen Luft/KraftstoffVerhältnis zu betreiben.
Ein Wirbel wird in der Achse senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Kolbens oder in Bezug auf die Achse der Bewegungsrichtung des Kolbens in dem Verbrennungsmotor erzeugt, wobei der Erstere als Strudel bezeichnet wird und der Letztere als Drall bezeichnet wird.
Da das Mischungsverhältnis und die Konzentration der Luft und des Kraftstoffs von dem Strömungsniveau des Strudels und des Dralls abhängig sind, sollte eine Gestaltung unter Berücksichtigung des Strudels und des Dralls durchgeführt werden, um die Laufleistung des GDI-Motors zu verbessern.
Der Strudel und der Drall sind insbesondere von der Form des Kolbenbodens abhängig, so dass die Gestaltung des Kolbenbodens verbessert werden sollte, um die Laufleistung des GDI-Motors zu verbessern.
Die DE 101 44 683 A1 und DE 102 54 594 A1 beschreiben jeweils einen Motor mit Benzindirekteinspritzung, der durch Hin- und Herbewegen eines Kolbens in einem Zylinder Leistung erzeugt und eine Einspritzdüse, die Kraftstoff direkt in eine Brennkammer einspritzt, eine Zündkerze, ein Einlassventil, ein Auslassventil, eine Aushöhlung, die in einem Kolbenboden des Kolbens an einer Einlassseite davon ausgebildet ist, und einen Kanal aufweist, der um die Aushöhlung herum zwischen der Aushöhlung und einem Außenumfang des Kolbenbodens ausgebildet ist.
Mit der Erfindung wird ein Motor mit Benzindirekteinspritzung geschaffen, bei dem die Laufleistung verbessert wird.
Dies wird gemäß der Erfindung durch einen Motor mit Benzindirekteinspritzung nach den Merkmalen aus dem Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Wie oben beschrieben, ist es bei einer Struktur eines Motors mit Benzindirekteinspritzung gemäß der Erfindung möglich, durch Bilden der Aushöhlung in dem Kolbenboden und Bilden des Kanals um die Aushöhlung herum unter normalen Bedingungen den von der Einspritzdüse eingespritzten Kraftstoff über die ganze Brennkammer gleichmäßig zu verteilen.
Ferner ist es möglich, die Leistung des Motors zu verbessern, indem ein starker Wirbel um den Außenumfang des Kolbens herum derart gebildet wird, dass ein Wegströmen des Gasgemisches, dessen Strömungsrate bei einem Betrieb mit hoher Drehzahl und hoher Belastung ansteigt, von der Zündkerze verhindert wird und eine vorbestimmte Menge von kondensiertem Gasgemisch immer um die Zündkerze herum verbleibt.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Motors mit Benzindirekteinspritzung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
2 eine perspektivische Ansicht eines Kolbenbodens, der bei einem Motor mit Benzindirekteinspritzung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung angewendet wird;
3 eine Draufsicht des Kolbenbodens aus 2;
4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in 3; und
5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in 3.

In den Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Mit Bezug auf die Zeichnung wird nachfolgend eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ausführlich beschrieben.
Wie in den 1 bis 5 gezeigt, weist ein Motor mit Benzindirekteinspritzung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung eine Brennkammer, zumindest eine Einlassöffnung 100, ein Einlassventil 101, das an dem Einlass der Brennkammer stromabwärts der Einlassöffnung 100 positioniert ist, einen Kolben 550, eine Aushöhlung 500, die in dem Kolben 550 an der Einlassseite ausgebildet ist, eine Einspritzdüse 300, die Kraftstoff von der Seite des Zylinders direkt in die jeweilige Brennkammer einspritzt, eine Zündkerze 400, eine elektronische Steuereinrichtung (nachfolgend als ECU bezeichnet), die eine Verbrennungssteuerung durchführt, wenigstens eine Auslassöffnung 200, und ein Auslassventil 201 auf, das an dem Auslass der Brennkammer stromaufwärts der Auslassöffnung 200 positioniert ist.
Bei dieser Konfiguration sind jeweils ein Paar Einlass- und Auslassventile 101 und 201 sowie ein Paar Einlass- und Auslassöffnungen 100 und 200 vorgesehen, jedoch ist in der Zeichnung zur Vereinfachung der Beschreibung nur jeweils eines davon gezeigt.
Ferner bedeutet die Brennkammer der Raum zwischen der Aushöhlung 500 und der Zündkerze 400.
Die Einspritzdüse 300 ist in Richtung zu der Mitte der Brennkammer ausgebildet, und die Aushöhlung 500, die in dem Boden des Kolbens 550 vertieft ist, ist in Bezug auf die Einspritzrichtung der Einspritzdüse 300 ausgebildet.
Die Einlassöffnung 100 ist mit der Einlassleitung 110 verbunden, und die Auslassöffnung 200 ist mit der Auslassleitung 210 verbunden.
Das Einlassventil 101, das die Einlassöffnung 100 öffnet und schließt, und das Auslassventil 201, das die Auslassöffnung 200 öffnet und schließt, sind über dem Zylinderkopf des Motors und an einer Oberseite der Brennkammer angeordnet.
Das Einlassventil 101 und das Auslassventil 201 werden zum Beispiel mittels eines Ventilantriebsmechanismus mit einer Funktion zur variablen Ventilsteuerung geöffnet und geschlossen.
Die Anzahl der Zündkerzen 400 und der Einspritzdüsen 300 entspricht der Anzahl der Zylinder des Motors, und wenigstens ein Paar der Zündkerzen 400 und der Einspritzdüsen 300 können in der jeweiligen Brennkammer vorgesehen sein.
Die Zündkerze 400 ist an dem Zylinderkopf derart montiert, dass sie in dem Mittelabschnitt des oberen Abschnitts der entsprechenden Brennkammer positioniert ist.
Ferner wird ein Seiteneinspritztyp verwendet, und die Einspritzdüse 300 ist an dem Zylinderkopf derart montiert, dass sie stromabwärts der sich zu der Brennkammer erstreckenden Einlassleitung 110 positioniert ist.
Das heißt, die Einspritzdüse 300 spritzt Kraftstoff von der Seite direkt in die jeweilige Brennkammer ein.
Die Aushöhlung 500 ist in dem Kolbenboden 540, d.h. an der Oberseite des Kolbens 550 ausgebildet, um die gewünschte Schicht des Gasgemisches um die Zündkerze 400 herum zu erzeugen.
Die Aushöhlung 500 hat eine im Wesentlichen elliptische Gestalt, und es ist bevorzugt, dass die Mitte in einem vorbestimmten Abstand von der Mitte der Brennkammer zu der Einlassöffnung 100 versetzt ist.
Bei dieser Konfiguration wird das von der Einlassöffnung 100 nach innen strömende Gasgemisch durch die im Wesentlichen benachbart zu der Einlassöffnung 100 ausgebildete Aushöhlung 500 zurückgeführt.
Das heißt, die Aushöhlung 500 ist zu dem Einlassventil 101 vollständig versetzt und in Strömungsrichtung des von der Einspritzdüse 300 eingespritzten und von der Einlassseite zu der Auslassseite strömenden Kraftstoffs, d.h. in Richtung senkrecht zur Längsrichtung des Kolbens 550 nach oben allmählich gewölbt.
Ferner ist die Neigung des Bodens, der Seite und der Rückseite der Aushöhlung 500 derart bestimmt, dass wenigstens etwas von dem Kraftstoff, der von der Einspritzdüse 300 eingespritzt wird, zu dem Einlassventil 101 zurückkehrt.
Durch die Strömung entlang der Form der Aushöhlung 500 kann ein geschichteter Verbrennungsvorgang durchgeführt werden.
Ferner ist ein Vorsprung 510 vorgesehen, der sich an der Vorderseite der Aushöhlung 500 erstreckt.
Der Vorsprung 510 hat eine im Wesentlichen elliptische oder kreisförmige Gestalt, und es ist bevorzugt, dass die Mitte in einem vorbestimmten Abstand von der Mitte der Brennkammer in Richtung zu der Einspritzdüse 300 versetzt ist.
Ein Kanal 520 ist entlang dem Außenumfang des Vorsprungs 510 zwischen dem Umfang des Kolbenbodens 540 und dem Außenumfang des Vorsprungs 510 benachbart zu dem Rand des Kolbenbodens 540 ausgebildet.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können der Kanal 520 und die Aushöhlung 500 an einem Verbindungsabschnitt 560 benachbart zu dem Rand des Kolbenbodens 540 ineinander übergehen.
Der Kanal 520 bildet eine im Wesentlichen kreisförmige Gestalt derart, dass der Hauptstrom des Gasgemisches von der Aushöhlung 500 geführt wird und das Gasgemisch außerhalb der Brennkammer von dem Kanal 520 erzeugt wird, und dementsprechend kann in dem gesamten Arbeitsbereich konstant ein fettes Gasgemisch um die Zündkerze 400 herum erzeugt werden. Ein Teil des Gasgemisches in dem Kanal 520 kann über den Verbindungsabschnitt 560 in die Aushöhlung 500 hineinströmen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Neigung des Kanals 520 von dem Verbindungsabschnitt 560 derart erhöht werden, dass ein am weitesten von dem Verbindungsabschnitt 560 angeordneter Abschnitt 570 des Kanals 520 höher als der Verbindungsabschnitt 560 ist. Bei dieser Konfiguration kann das Gasgemisch entlang dem Kanal 520 strömen, um zu dem Einlassventil 101 oder dem Verbindungsabschnitt 560 zurückzukehren, und dadurch kann in der Aushöhlung 500 konstant ein fettes Gasgemisch um die Zündkerze 400 herum erzeugt werden.
Daher wird der beim Kompressionshub eingespritzte Kraftstoff mit Luft vermischt, und das Gemisch wird durch die Aushöhlung 500, den Vorsprung 510 und den Kanal 520 in der Mitte der Brennkammer derart konzentriert, dass die Verbrennungseffizienz verbessert werden kann.
Bei dem Motor mit Benzindirekteinspritzung mit der obigen Konfiguration gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird bei dem geschichteten Verbrennungsvorgang Kraftstoff von der Einspritzdüse 300 direkt in die Brennkammer eingespritzt.
Ferner dreht sich der Rest des Gasgemisches durch den um die Aushöhlung 500 herum ausgebildeten Kanal 520 in zwei Richtungen und konzentriert sich wieder in der Aushöhlung 500, so dass die obige Strömung wiederholt wird.
Daher wird die Schicht des Gasgemisches in dem Motor um die Zündkerze 400 herum geschichtet, selbst wenn die Aushöhlung 500 flach ist, so dass es möglich ist, eine stabile geschichtete Verbrennung mit wenig Kraftstoff zu erzielen.
Ferner kann, da etwas von dem von der Einspritzdüse 300 eingespritzten Kraftstoff durch die Aushöhlung 500 zu dem Einlassventil 101 zurückgeführt wird, verhindert werden, dass der von der Einspritzdüse 300 eingespritzte Kraftstoff die auslassventilseitige Wand des Zylinders erreicht.
Ferner kehrt entsprechend der Einspritzdüse 300 wenigstens etwas von dem direkt in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoff durch die in dem Kolben 550 ausgebildete Aushöhlung 500 zu dem Einlassventil 101 zurück und wird mit der über das Einlassventil 101 nach innen strömenden Luft vermischt.
Daher ist es möglich, durch direktes Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer von der Einspritzdüse 300 in dem Ansaughub eine gleichmäßige Schicht des Gasgemisches in der Brennkammer zu erzeugen, selbst wenn der Motor in einem Bereich mit hoher Belastung und hoher Drehzahl arbeitet.
Ferner ist es möglich, eine gute Leistung des Motors zu erreichen und die Dicke der Aushöhlung im Vergleich zum Stand der Technik zu reduzieren, so dass eine Reduzierung des Kompressionsverhältnisses oder eine Erhöhung des Gewichtes des Kolbens vermieden werden kann.
Zur Vereinfachung der Erläuterung und genauen Definition der beigefügten Ansprüche werden die Begriffe „oben“, „unten“, „innen“ und „außen“ verwendet, um die Merkmale der beispielhaften Ausführungsformen in Bezug auf ihre Positionen in den Figuren zu beschreiben.

Claims

Motor mit Benzindirekteinspritzung, der eine Einspritzdüse (300), die Kraftstoff direkt in eine Brennkammer einspritzt, eine Zündkerze (400), ein Einlassventil (101) und ein Auslassventil (201) aufweist und durch Hin- und Herbewegen eines Kolbens (550) in einem Zylinder Leistung erzeugt, wobei der Motor aufweist: eine Aushöhlung (500), die in einem Kolbenboden (540) des Kolbens (550) an einer Einlassseite davon ausgebildet ist; und einen Kanal (520), der um die Aushöhlung (500) herum zwischen der Aushöhlung (500) und einem Außenumfang des Kolbenbodens (540) ausgebildet ist, wobei die Aushöhlung (500) an einem benachbart zu einem Rand des Kolbens (550) ausgebildeten Verbindungsabschnitt (560) mit dem Kanal (520) fluidverbunden ist, um etwas Strömung des von der Einspritzdüse (300) eingespritzten Kraftstoffs entlang dem Kanal (520) zu dem Einlassventil (101) zurückzuführen, wobei der Kanal (520) und die Aushöhlung (500) durch einen dazwischen ausgebildeten Vorsprung (510) voneinander getrennt sind, der sich von einer oberen Fläche der Aushöhlung (500) nach oben erstreckt, wobei der Vorsprung (510) an einem Abschnitt offen ist, um den Verbindungsabschnitt (560) derart zu bilden, dass der Kanal (520) und die Aushöhlung (500) über diesen miteinander fluidverbunden sind, und wobei der Gradient des Kanals (520) von dem Verbindungsabschnitt (560) derart ansteigt, dass ein am weitesten von dem Verbindungsabschnitt (560) angeordneter Abschnitt (570) des Kanals (520) höher als der Verbindungsabschnitt (560) ist.
Motor nach Anspruch 1, wobei der Vorsprung (510) in einer Kreisform oder einer elliptischen Form ausgebildet ist und eine Mitte des Vorsprungs (510) in einem vorbestimmten Abstand von der Mitte des Kolbens (550) in Richtung zu der Einspritzdüse (300) versetzt ist, wobei die Aushöhlung (500) von dem Vorsprung (510) umgeben ist, und wobei die Mitte des Kolbens (550), die Mitte des Vorsprungs (510) und die Mitte der Aushöhlung (500) der Reihe nach in Richtung zu der Einspritzdüse (300) angeordnet sind.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verbindungsabschnitt (560) benachbart zu der Einspritzdüse (300) ausgebildet ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aushöhlung (500) in einer Kreisform oder einer elliptischen Form ausgebildet ist und eine Mitte davon in einem vorbestimmten Abstand von einer Mitte des Kolbens (550) in Richtung zu der Einspritzdüse (300) versetzt ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zündkerze (400) längs einer Mittelachse des Kolbens (550) in einem Zylinderkopf angeordnet ist.