DE10238317A1 - Brennkammer eines DISI-Motors - Google Patents

Brennkammer eines DISI-Motors

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Abstract

Motor mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, aufweisend eine Brennkammer (26), die zwischen einer unteren Fläche eines Zylinderkopfes (2) und einer oberen Fläche eines Kolbens (8) ausgebildet ist, ein Einlassventil (14) und ein Auslassventil (16), die in einer Einlassöffnung (10) bzw. einer Auslassöffnung (12) angeordnet sind, die an einander gegenüberliegenden Seiten des Zylinderkopfes (2) angeordnet sind, eine Zündkerze (60), die in dem Zylinderkopf (2) angeordnet ist, und eine Kraftstoffeinspritzdüse (36) zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer (26), wobei die Brennkammer (26) zwischen der unteren Fläche des Zylinderkopfes (2) und der oberen Fläche des Kolbens (8) ausgebildet ist, wobei die untere Fläche des Zylinderkopfes (2) eine einlassventilseitige erste abgeschrägte Fläche (28) und eine auslassventilseitige erste abgeschrägte Fläche (30) aufweist, wobei die obere Fläche des Kolbens (8) eine einlassventilseitige zweite abgeschrägte Fläche (32), die der einlassventilseitigen ersten abgeschrägten Fläche (28) entspricht, und eine auslassventilseitige zweite abgeschrägte Fläche (34) aufweist, die der auslassventilseitigen ersten abgeschrägten Fläche (30) entspricht, und wobei in der oberen Fläche des Kolbens (8) eine Mulde (40) ausgebildet ist, die sich von der auslassventilseitigen zweiten abgeschrägten Fläche (34) zu der einlassventilseitigen zweiten abgeschrägten Fläche (32) erstreckt und deren Tiefe mit Annäherung an die einlassventilseitige ...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Benzinmotor mit Direkteinspritzung, und insbesondere einen Motor, bei dem der Einlassluftstrom derart verwirbelt wird, dass eine Kraftstoffeinsparung erreicht wird und die Menge an schädlichen Abgasen während des Kaltstarts verringert wird.
  • Im allgemeinen hat ein Benzinmotor mit Direkteinspritzung und Fremdzündung (nachfolgend mit DISI-Motor bezeichnet) die Vorteile eines Benzinmotors und eines Dieselmotors. Bei einem DISI-Motor wird der Kraftstoff direkt in eine Brennkammer eingespritzt.
  • Bei dem DISI-Motor ist der Einlassstrom ein sehr wichtiger Faktor zur Bestimmung der Motornutzleistung. Der Einlassstrom wird durch die Form der Einlassöffnung, der Brennkammer und des Kolbens bestimmt. Untersuchungen der Einlassstromcharakteristika wurden ständig durchgeführt, um eine Strömung der Einlassluft an der Wand zu verhindern und ein Gemisch der Einlassluft mit dem Kraftstoff in einem kurzen Zeitraum zu erzeugen.
  • Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 4-166612 und die koreanische Patentveröffentlichung Nr. 1997-703481 offenbaren DISI-Motoren.
  • Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 4-166612 offenbart, wie aus den Fig. 8A und 8B ersichtlich ist, eine Mulde 106, die in einer oberen Fläche eines Kolbens 100 ausgebildet ist. Die Mulde 106 erstreckt sich von einer Stelle unter einer Zündkerze 102 zu einer Stelle unter einer Kraftstoffeinspritzdüse 104.
  • Die Mulde 106 ist im wesentlichen sphärisch ausgebildet, und eine Kraftstoffführungsnut 108 ist unmittelbar an der Mulde 106 unter der Zündkerze 102 ausgebildet.
  • Von der Kraftstoffeinspritzdüse 104 eingespritzter Kraftstoff trifft auf eine Bodenfläche der Mulde 106 auf und bewegt sich entlang der Kraftstoffführungsnut 108. Dann konzentriert sich der eingespritzte Kraftstoff um die Zündkerze 102 herum, so dass sich die Zündfähigkeit des Kraftstoffs erhöht.
  • Die koreanische Patentveröffentlichung Nr. 1997-703481 offenbart, wie aus den Fig. 9 A und 9B ersichtlich ist, eine Mulde 204, die in einer oberen Fläche 202 eines Kolbens 200 ausgebildet ist. Eine Wirbelströmung wird erzeugt, wenn der Kraftstoff von einem unteren Abschnitt eines Zylinderkopfes zu einem oberen Abschnitt des Kolbens 200 und dann von dem oberen Abschnitt des Kolbens 200 zu dem unteren Abschnitt des Zylinderkopfes strömt.
  • Jedoch ist bei den oben genannten DISI-Motoren die Intensität der Wirbelströmung sehr gering, so dass es schwierig ist, ein gleichmäßig ausgebreitetes Kraftstoff- Luft-Gemisch zu erzeugen.
  • Ferner benötigt, da ein Großteil des eingespritzten Kraftstoffs auf die Fläche der Mulde trifft, der Kraftstoff eine lange Zeit zum Verdampfen. Daher verbrennt der spät verdampfte Kraftstoff so spät, dass er unvollständig verbrannt wird. Dann steigt die Ruß- und Kohlenwasserstoffemission. Insbesondere weil der Kolben nicht ausreichend erhitzt wird, sind die Emissionswerte sehr hoch.
  • Mit der Erfindung wird ein DISI-Motor geschaffen, bei dem die Wirbelströmung der Einlassluft hochgradig verstärkt, um die Kraftstoffeinsparung und die Abtriebsleistung des Motors zu verbessern und die Emissionswerte während des Kaltstarts zu verringern.
  • Dies wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erreicht durch einen Motor mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, aufweisend:
    eine Brennkammer, die zwischen einer unteren Fläche eines Zylinderkopfes und einer oberen Fläche eines Kolbens ausgebildet ist;
    ein Einlassventil und ein Auslassventil, die in einer Einlassöffnung bzw. einer Auslassöffnung angeordnet sind, die an einander gegenüberliegenden Seiten des Zylinderkopfes angeordnet sind;
    eine Zündkerze, die in dem Zylinderkopf angeordnet ist; und
    eine Kraftstoffeinspritzdüse zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer,
    wobei die Brennkammer zwischen der unteren Fläche des Zylinderkopfes und der oberen Fläche des Kolbens ausgebildet ist, wobei die untere Fläche des Zylinderkopfes eine einlassventilseitige erste abgeschrägte Fläche und eine auslassventilseitige erste abgeschrägte Fläche aufweist, wobei die obere Fläche des Kolbens eine einlassventilseitige zweite abgeschrägte Fläche, die der einlassventilseitigen ersten abgeschrägten Fläche entspricht, und eine auslassventilseitige zweite abgeschrägte Fläche aufweist, die der auslassventilseitigen ersten abgeschrägten Fläche entspricht, und
    wobei in der oberen Fläche des Kolbens eine Mulde ausgebildet ist, die sich von der auslassventilseitigen zweiten abgeschrägten Fläche zu der einlassventilseitigen zweiten abgeschrägten Fläche erstreckt und deren Tiefe mit Annäherung an die einlassventilseitige zweite abgeschrägte Fläche ansteigt.
  • Vorzugsweise weist der Motor ferner eine Wand, die in der Einlassöffnung angeordnet ist und die Einlassöffnung in einen oberen Durchgang und einen unteren Durchgang trennt, und ein Ventil auf, das mit einem Einlassabschnitt des unteren Durchgangs derart gekuppelt ist, dass das Ventil den unteren Durchgang wahlweise öffnet und schließt.
  • Es ist bevorzugt, dass die Mulde eine einlassventilseitige Rampe aufweist, die im wesentlichen vertikal ist, dass die Mulde eine von oben gesehen im wesentlichen trapezförmige Gestalt hat, und dass die Breite des auslassventilseitigen Abschnitts der Mulde größer als die Breite des einlassventilseitigen Abschnitts der Mulde ist.
  • Es ist auch bevorzugt, dass eine Bodenfläche der Mulde in der Nähe der Mittelposition der Mulde einen nach oben vorstehenden Teil aufweist.
  • Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • Fig. 1 einen Schnitt eines Motors nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
  • Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Kolbens des Motors aus Fig. 1;
  • Fig. 3 einen Schnitt des Kolbens aus Fig. 2;
  • Fig. 4 eine Draufsicht des Kolbens aus Fig. 2;
  • Fig. 5 einen Schnitt des Motors aus Fig. 1 während eines Verdichtungsvorgangs;
  • Fig. 6 einen Schnitt des Motors aus Fig. 1 während eines Kraftstoffeinspritzvorgangs;
  • Fig. 7 einen Schnitt des Motors aus Fig. 1 während der Strömung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches;
  • Fig. 8A einen Schnitt eines Motors nach dem Stand der Technik;
  • Fig. 8B eine Draufsicht eines Kolbens des Motors aus Fig. 8A;
  • Fig. 9A einen Schnitt eines anderen Motors nach dem Stand der Technik; und
  • Fig. 9B eine Draufsicht eines Kolbens des Motors aus Fig. 9A.
  • Mit Bezug auf die Zeichnung wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
  • Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist der Motor gemäß der Erfindung einen Zylinderblock 4 auf, der eine Zylinderbohrung 6 und einen Zylinderkopf 2 definiert. Ein Kolben 8 ist vertikal beweglich in die Zylinderbohrung 6 eingesetzt. Eine Zündkerze 60 zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist in dem Zylinderkopf 2 angeordnet.
  • Der Zylinderkopf 2 weist eine Einlassöffnung 10 und eine Auslassöffnung 12 auf, und die Anzahl der Einlaß- und Auslassöffnungen hängt von der Anzahl an Einlaß- und Auslassventilen 14 und 16 ab.
  • Eine Wand 18 ist in einem Abtriebsstrom der Einlassöffnung 10 angeordnet und trennt die Einlassöffnung in einen oberen Durchgang 20 und einen unteren Durchgang 22. Ein Ventil 24 ist in einem Eintrittsabschnitt des unteren Durchgangs 22 angeordnet, wobei das Ventil 24 wahlweise den unteren Durchgang öffnet und schließt. Das Ventil 24 wird von einem Antriebsmotor (nicht gezeigt) betrieben, der von einer Motorsteuereinrichtung (nicht gezeigt) gesteuert wird.
  • Entsprechend den Motorbetriebszuständen wird das Ventil 24 von der Motorsteuereinrichtung zum Öffnen und Schließen gesteuert. Wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch mager ist, wird das Ventil 24 zum Schließen gesteuert, so dass die Luft im Verwirbelungszustand durch den oberen Durchgang 20 hindurch in eine Brennkammer 26 geführt wird.
  • Die Brennkammer 26 ist zwischen einer unteren Wand des Zylinderkopfes 2 und einer oberen Fläche des Kolbens 8 ausgebildet.
  • Die untere Wand des Zylinderkopfes 2 weist eine abgeschrägte erste Fläche 28 und eine abgeschrägte zweite Fläche 30 auf, die beiderseits einer gedachten Ebene CK angeordnet sind, die von einer Mittelachse CB der Zylinderbohrung 6 und einer Mittelachse einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) gebildet wird. Das heißt, die untere Wand des Zylinderkopfes 2 hat eine im wesentlichen satteldachartige Form.
  • Die Einlassöffnung 10 ist in der ersten abgeschrägten Fläche 28 des Zylinderkopfes 2 ausgebildet, und die Auslassöffnung 12 ist in der zweiten abgeschrägten Fläche 30 des Zylinderkopfes 2 ausgebildet.
  • Die obere Fläche des Kolbens 8 weist auch zwei Flächen 32 und 34 auf, die den jeweiligen beiden Flächen 28 und 30 der unteren Wand des Zylinderkopfes 2 entsprechen. Die erste Fläche 32 liegt unter der Einlassöffnung 10, und die zweite Fläche 34 liegt unter der Auslassöffnung 12. Die obere Fläche des Kolbens 8 hat eine im wesentlichen satteldachartige Form. Das heißt, die obere Fläche des Kolbens 8 steht nach oben vor.
  • Die Brennkammer 26 ist zwischen der unteren Wand des Zylinderkopfes 2 und der oberen Fläche des Kolbens 8 ausgebildet.
  • Eine Kraftstoffeinspritzdüse 36 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer 26 ist in dem Zylinderkopf 2 in der Nähe der Einlassöffnung 10 angeordnet, und der Einspritzzeitpunkt und die Einspritzdauer der Kraftstoffeinspritzdüse 36 werden von der Motorsteuereinrichtung gesteuert.
  • Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, ist eine Mulde 40 in der oberen Fläche des Kolbens 8 ausgebildet. Die Mulde 40 erstreckt sich von der zweiten Fläche 34 der oberen Fläche des Kolbens 8 zu der ersten Fläche 32 der oberen Fläche des Kolbens 8. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, hat die Mulde 40 eine im wesentlichen trapezförmige Konfiguration. Die Breite der Mulde 40 ist an der zweiten Fläche 34 größer als an der ersten Fläche 32. Die Breite der Mulde 40 wird mit Annäherung an die erste Fläche 32 geringer, und die Tiefe der Mulde 40 steigt im wesentlichen mit Annäherung an die erste Fläche 32 an.
  • Die Mulde 40 ist insgesamt zu der zweiten Fläche 34 der oberen Fläche des Kolbens 8 geneigt, und die Bodenfläche 42 der Mulde 40 steht in der Nähe der gedachten Ebene CK leicht nach oben vor. Ein Rampenabschnitt 44 der Mulde 40 ist im wesentlichen vertikal.
  • Bei der oben beschriebenen Konfiguration der Mulde 40 strömt das in die Brennkammer 26 eingespritzte Kraftstoff- Luft-Gemisch von einem ersten Abschnitt 41 der Mulde 40 zu einem zweiten Abschnitt 43 der Mulde 40.
  • Da die Breite des zweiten Abschnitts 43 geringer als die Breite des ersten Abschnitts 41 ist, steigt die Strömungsgeschwindigkeit an, während das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Mulde 40 hindurchtritt. Wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch auf die vertikale Rampe 44 trifft, wird die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches stark verwirbelt und dann zu der Zündkerze 60 hin bewegt.
  • Wie aus Fig. 5 ersichtlich, wird, wenn der Kolben 8 am oberen Totpunkt liegt, eine kompakte Brennkammer 26 zwischen der unteren Wand des Zylinderkopfes 2 und der Mulde 40 gebildet.
  • Eine Mehrzahl von Taschen 48 sind in der oberen Fläche des Kolbens 8 ausgebildet, um zu verhindern, dass ein Einlassventil 14 auf die obere Fläche des Kolbens 8 trifft, wenn das Einlassventil 14 offen ist.
  • Bei dem Motor gemäß der Erfindung wird, wenn sich der Kolben 8 zum Ansaugen der Luft in die Brennkammer nach unten bewegt, die durch den oberen Durchgang 20 hindurchtretende Luft verwirbelt.
  • Wenn sich der Kolben 8 zum Verdichten der Luft nach oben bewegt, tritt der Luftstrom durch die Mulde 40 hindurch. Wenn der Luftstrom auf die Rampe 44 der Mulde 40 trifft, wird der Luftstrom viel stärker verwirbelt.
  • Wenn der Kraftstoff an diesem Punkt in die Brennkammer eingespritzt wird, wird der eingespritzte Kraftstoff mit der Wirbelströmung der Luft vermischt. Der Kraftstoff wird daher in einem kurzen Zeitraum verdampft, ohne die Fläche 42 der Mulde 40 zu kontaktieren, so dass ein Großteil des eingespritzten Kraftstoffs verbrannt wird.
  • Bei dieser Konfiguration wird, da ein starker Wirbel innerhalb der Brennkammer erzeugt wird, keine Verwirbelung des Luftstroms in der Einlassöffnung benötigt. Daher wird der Saugverlust in der Einlassöffnung verringert, und die Kraftstoffeinsparung und die Abtriebsleistung des Motors werden verbessert.
  • Wie oben erwähnt, wird bei dem DISI-Motor gemäß der Erfindung eine starke Wirbelströmung erzeugt, und der von der Kraftstoffeinspritzdüse eingespritzte Kraftstoff wird verdampft, ohne auf die Fläche der Mulde zu treffen. Daher wird der Kraftstoff verbrannt, nachdem er ausreichend verdampft ist, so dass die Menge des ausgestoßenen Rußes wesentlich verringert wird. Auch wird die Menge der ausgestoßenen Kohlenwasserstoffe wegen der Reduzierung der Wandströmung verringert. Ferner minimieren eine starke Verwirbelung und eine schnelle Verdampfung die Menge der Emission schädlicher Gase während des Kaltstarts.

Claims (13)

1. Motor mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, aufweisend:
eine Brennkammer (26), die zwischen einer unteren Fläche eines Zylinderkopfes (2) und einer oberen Fläche eines Kolbens (8) ausgebildet ist;
ein Einlassventil (14) und ein Auslassventil (16), die in einer Einlassöffnung (10) bzw. einer Auslassöffnung (12) angeordnet sind, die an einander gegenüberliegenden Seiten des Zylinderkopfes (2) angeordnet sind;
eine Zündkerze (60), die in dem Zylinderkopf (2) angeordnet ist; und
eine Kraftstoffeinspritzdüse (36) zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer (26),
wobei die Brennkammer (26) zwischen der unteren Fläche des Zylinderkopfes (2) und der oberen Fläche des Kolbens (8) ausgebildet ist, wobei die untere Fläche des Zylinderkopfes (2) eine einlassventilseitige erste abgeschrägte Fläche (28) und eine auslassventilseitige erste abgeschrägte Fläche (30) aufweist, wobei die obere Fläche des Kolbens (8) eine einlassventilseitige zweite abgeschrägte Fläche (32), die der einlassventilseitigen ersten abgeschrägten Fläche (28) entspricht, und eine auslassventilseitige zweite abgeschrägte Fläche (34) aufweist, die der auslassventilseitigen ersten abgeschrägten Fläche (30) entspricht, und
wobei in der oberen Fläche des Kolbens (8) eine Mulde (40) ausgebildet ist, die sich von der auslassventilseitigen zweiten abgeschrägten Fläche (34) zu der einlassventilseitigen zweiten abgeschrägten Fläche (32) erstreckt und deren Tiefe mit Annäherung an die einlassventilseitige zweite abgeschrägte Fläche (32) ansteigt.
2. Motor nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Wand (18), die in der Einlassöffnung (10) angeordnet ist und die Einlassöffnung (10) in einen oberen Durchgang (20) und einen unteren Durchgang (22) trennt.
3. Motor nach Anspruch 2, ferner aufweisend ein Ventil (24), das mit einem Einlassabschnitt des unteren Durchgangs (22) derart gekuppelt ist, dass das Ventil (24) den unteren Durchgang (22) wahlweise öffnet und schließt.
4. Motor nach Anspruch 1, wobei die Mulde (40) eine einlassventilseitige Rampe (44) aufweist, die im wesentlichen vertikal ist.
5. Motor nach Anspruch 1, wobei die Mulde (40) eine von oben gesehen im wesentlichen trapezförmige Gestalt hat und die Breite eines auslassventilseitigen Abschnitts der Mulde (40) größer als die Breite eines einlassventilseitigen Abschnitts der Mulde (40) ist.
6. Motor nach Anspruch 1, wobei eine Bodenfläche (42) der Mulde (40) in der Nähe der Mittelposition der Mulde (40) einen nach oben vorstehenden Teil aufweist.
7. Motor nach Anspruch 1, wobei die Zündkerze (60) an der einlassventilseitigen ersten abgeschrägten Fläche (28) des Zylinderkopfes (2) montiert ist.
8. Motor mit Direkteinspritzung und Fremdzündung, aufweisend:
einen Zylinderblock (4), der eine Zylinderbohrung (6) definiert;
einen Zylinderkopf (2), der das eine Ende der Zylinderbohrung (6) schließt, wobei eine untere Wand des Zylinderkopfes (2) eine einlassventilseitige erste abgeschrägte Fläche (28) und eine auslassventilseitige erste abgeschrägte Fläche (30) aufweist;
ein Einlassventil (14) und ein Auslassventil (16), die in einer Einlassöffnung (10) bzw. einer Auslassöffnung (12) angeordnet sind, die an einander gegenüberliegenden Seiten des Zylinderkopfes (2) angeordnet sind;
einen Kolben (8), der vertikal beweglich in die Zylinderbohrung (6) eingesetzt ist und eine obere Fläche aufweist, die eine einlassventilseitige zweite abgeschrägte Fläche (32), die der einlassventilseitigen ersten abgeschrägten Fläche (28) entspricht, und eine auslassventilseitige zweite abgeschrägte Fläche (34) aufweist, die der auslassventilseitigen ersten abgeschrägten Fläche (30) entspricht;
eine Zündkerze (60), die an dem Zylinderkopf (2) angeordnet ist; und
eine Mulde (40), die in der oberen Fläche des Kolbens (8) ausgebildet ist und sich von der auslassventilseitigen zweiten abgeschrägten Fläche (34) zu der einlassventilseitigen zweiten abgeschrägten Fläche (32) erstreckt, wobei die Mulde (40) eine von oben gesehen im wesentlichen trapezförmige Gestalt hat und die Breite eines auslassventilseitigen Abschnitts der Mulde (40) größer als die Breite eines einlassventilseitigen Abschnitts der Mulde (40) ist.
9. Motor nach Anspruch 8, ferner aufweisend eine Wand (18), die in der Einlassöffnung (10) angeordnet ist und die Einlassöffnung (10) in einen oberen Durchgang (20) und einen unteren Durchgang (22) trennt.
10. Motor nach Anspruch 9, ferner aufweisend ein Ventil (24), das mit einem Einlassabschnitt des unteren Durchgangs (22) derart gekuppelt ist, dass das Ventil (24) den unteren Durchgang (22) wahlweise öffnet und schließt.
11. Motor nach Anspruch 8, wobei die Tiefe der Mulde (40) mit Annäherung an die einlassventilseitige zweite abgeschrägte Fläche (32) ansteigt.
12. Motor nach Anspruch 8, wobei die Mulde (40) eine einlassventilseitige Rampe (44) aufweist, die im wesentlichen vertikal ist.
13. Motor nach Anspruch 8, ferner aufweisend eine zylindrische Tasche (48), die in der oberen Fläche des Kolbens (8) ausgebildet ist.
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