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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft eine Brennkammer für und Verfahren zum Betreiben
eines Motors mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Zur
Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von Benzinverbrennungsmotoren
ergibt eine verdünnte
Verbrennung – unter
Verwendung von entweder Luft oder rückgeführtem Abgas – bekanntlich
einen verbesserten thermischen Wirkungsgrad und geringe NOx-Emissionen.
Es gibt jedoch infolge von Fehlzündung
und Verbrennungsinstabilität
aufgrund einer langsamen Verbrennung eine Grenze, bei der der Motor
mit einem verdünnten
Gemisch betrieben werden kann. Bekannte Verfahren zum Ausdehnen
der Verdünnungsgrenze
umfassen: 1) Verbessern der Zündfähigkeit
des Gemisches durch Erweitern der Zündungs- und Kraftstoffvorbereitung;
2) Erhöhen
der Flammengeschwindigkeit durch Einleiten einer Ladungsbewegung
und -turbulenz; und 3) Betreiben des Motors mit einer gesteuerten
Selbstzündungsverbrennung.
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Der
Prozess der gesteuerten Selbstzündung wird
manchmal als homogener Kompressionszündungsprozess (Homogeneous
Charge Compression Ignition oder HCCI-Prozess) bezeichnet. Bei diesem Prozess
wird ein Gemisch aus verbrannten Gasen, Luft und Kraftstoff erzeugt,
und es wird eine Selbstzündung
gleichzeitig von vielen Zündstellen
aus innerhalb des Gemisches während
der Verdichtung eingeleitet, was zu einer sehr stabilen Ausgangsleistung
und zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad führt. Die Verbrennung ist stark
verdünnt
und gleichmäßig durch
die Ladung hindurch verteilt. Daher sind die Temperaturen des verbrannten
Gases und somit die NOx-Emissionen wesentlich niedriger als die
von herkömmlichen
Ottomotoren auf der Grundlage einer fortschreitenden Flammenfront
und von Dieselmotoren auf der Grundlage einer fixen Diffusionsflamme. Sowohl
bei Otto- oder Fremdzündungsmotoren
als auch bei Dieselmotoren sind die Temperaturen des verbrannten
Gases innerhalb des Gemisches stark heterogen mit sehr hohen lokalen
Temperaturen, wodurch starke NOx-Emissionen erzeugt werden.
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Motoren,
die mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung
arbeiten, sind in Zweitakt-Benzinmotoren unter Verwendung eines
herkömmlichen Verdichtungsverhältnisses
erfolgreich demonstriert worden. Man glaubt, dass der hohe Anteil
von unverbrannten Gasen, der von dem vorhergehenden Zyklus in der
Brennkammer des Zweitaktmotors verbleibt, d.h. der Restinhalt, dafür verantwortlich
ist, dass die hohe Gemischtemperatur bereitgestellt wird, die notwendig
ist, um eine Selbstzündung
in einem stark verdünnten
Gemisch zu fördern.
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In
Viertaktmotoren mit traditionellen Ventilmitteln ist der Restinhalt
gering und eine gesteuerte Selbstzündung bei Teillast ist schwierig
zu erreichen. Verfahren, um eine gesteuerte Selbstzündung bei niedriger
und Teillast einzuleiten, umfassen: 1) Ansauglufterwärmung, 2)
variables Verdichtungsverhältnis,
und 3) Mischen von Benzin mit Zündungsförderern,
um ein leichter zündfähiges Gemisch
als Benzin zu erzeugen. In all den obigen Verfahren ist der Bereich
von Motordrehzahlen und -lasten, in denen eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
erreicht werden kann, relativ schmal.
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Motoren,
die mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung
arbeiten, sind in Viertakt-Benzinmotoren unter Verwendung einer
variablen Ventilbetätigung
mit unkonventionellen Ventilmitteln demonstriert worden. Die folgenden
zwei Beschreibungen umfassen Ventilstrategien, bei denen ein hoher
Anteil von Verbrennungsrestprodukten von einem vorhergehenden Verbrennungszyklus
zurückbehalten
wird, um die notwendigen Bedingungen für eine Selbstzündung in
einem stark verdünnten
Gemisch zu erzeugen. Der Bereich von Motordrehzahlen und -lasten,
in denen eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
erreicht werden kann, wird unter Verwendung eines herkömmlichen
Verdichtungsverhältnisses
stark ausgedehnt.
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In
einem Fall ist berichtet worden, dass ein Viertakt-Verbrennungsmotor
für eine
Selbstzündung sorgt,
indem die Bewegung der Einlass- und Auslassventile einer Brennkammer
gesteuert wird, um sicherzustellen, dass eine Kraftstoff/Luft-Ladung
mit verbrannten Gasen gemischt wird, um Bedingungen zu erzeugen,
die für
eine Selbstzündung
geeignet sind. Der beschriebene Motor weist ein mechanisch nockenbetätigtes Auslassventil
auf, das früher
in dem Ausstoßtakt
geschlossen wird als bei normalen Viertaktmotoren, um verbrannte
Gase für
ein nachfolgendes Mischen mit einer Einlassmenge eines Kraftstoff-
und Luftgemisches einzufangen.
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Es
ist ein anderes Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Verbrennungsmotors
beschrieben worden, bei dem die Verbrennung zumindest teilweise
durch einen Selbstzündungsprozess
erreicht wird. Strömungen
einer Kraftstoff/Luft-Ladung und von verbrannten Gasen werden durch
ein hydraulisch gesteuertes Ventilmittel geregelt, um in der Brennkammer Bedingungen
zu erzeugen, die für
einen Selbstzündungsbetrieb
geeignet sind.
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Das
verwendete Ventilmittel umfasst ein Einlassventil, das die Strömung des
Kraftstoff/Luft-Gemisches aus einem Einlasskanal in die Brennkammer
steuert, und ein Auslassventil, das die Strömung von verbrannten Abgasen
aus der Brennkammer in einen Auslasskanal steuert. Das Auslassventil öffnet (EVO)
bei etwa 10 bis 15 Grad vor dem unteren Totpunkt in dem Expansionstakt
und schließt
(EVC) während
des Ausstoßtaktes
in einem Bereich von 90 bis 45 Grad vor dem oberen Totpunkt. Das
Einlassventil wird später
in dem Viertaktzyklus geöffnet (IVO)
als in einem normalen Viertaktmotor üblich in einem Bereich von
45 bis 90 Grad nach dem oberen Totpunkt während des Ansaugtaktes.
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Das
frühe Schließen des
Auslassventils und späte Öffnen des
Einlassventils liefert einen negativen Ventilüberschneidungszeitraum (EVC-IVO),
in dem beide Auslass- und Einlassventile geschlossen sind, um verbranntes
Gas einzufangen, welches später
mit der angesaugten Kraftstoff/Luft-Ladung während des Ansaugtaktes vermischt
wird und dadurch den Selbstzündungsprozess
fördert.
Das Einlassventil wird dann grob 30 Grad nach dem unteren Totpunkt
in dem Verdichtungstakt geschlossen (IVC). Dies wird allgemein als
eine Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie
bezeichnet.
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In
einem anderen Fall ist ein Verfahren zum Betreiben eines Viertakt-Benzinverbrennungsmotors mit
Direkteinspritzung beschrieben worden, bei dem die Verbrennung zumindest
teilweise durch einen Selbstzündungsprozess
erreicht wird. Strömungen einer
Kraftstoff/Luft-Ladung und verbrannter Gase werden durch hydraulisch
gesteuerte Ventilmittel geregelt, um in der Brennkammer Bedingungen
zu erzeugen, die für
einen Selbstzündungsbetrieb
geeignet sind. Die verwendeten Ventilmittel umfas sen ein Einlassventil,
das die Strömung
eines Kraftstoff/Luft-Gemisches aus einem Einlasskanal in die Brennkammer
steuert, und eine Auslassventil, das die Strömung von verbrannten Abgasen
aus der Brennkammer in einen Auslasskanal steuert.
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Das
Auslassventil wird für
zwei getrennte Zeiträume
während
des gleichen Viertaktzyklus geöffnet.
Der erste Zeitraum lässt
zu, dass verbrannte Gase aus der Brennkammer ausgestoßen werden. Der
zweite Zeitraum lässt
zu, dass verbrannte Gase, die zuvor aus der Brennkammer ausgestoßen wurden,
zurück
in die Brennkammer gesaugt werden. Das doppelte Öffnen des Auslassventils während jedes
Viertaktzyklus erzeugt die notwendigen Bedingungen für eine Selbstzündung in
der Brennkammer. Dies wird allgemein als eine Abgasrücksaug-Ventilstrategie
bezeichnet.
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In
einem nochmals anderen beschriebenen Verfahren zum Betreiben eines
Viertakt-Benzinverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung wird eine Verbrennung
zumindest teilweise durch einen Selbstzündungsprozess erreicht. Strömungen von
Luft und verbrannten Gasen werden durch ein hydraulisch gesteuertes
Ventilmittel geregelt. Der Kraftstoff wird durch eine Benzineinspritzvorrichtung
direkt in die Brennkammer abgegeben. Die Benzineinspritzvorrichtung
spritzt Kraftstoff während
des Ansaugtaktes oder des nachfolgenden Verdichtungstaktes in einem einzigen
Motorzyklus ein.
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Indem
entweder eine Abgasrückverdichtungs-
oder Abgasrücksaug-Ventilstrategie
in Verbindung mit einer Benzindirekteinspritzvorrichtung, die eine
Mehrfacheinspritzfähigkeit
während
eines einzigen Motorzyklus aufweist, verwendet wird, haben wir und
andere demonstriert, dass der Bereich von Motordrehzahlen und -lasten,
in dem eine gesteuerte Selbst zündungsverbrennung
erreicht werden kann, unter Verwendung eines herkömmlichen
Verdichtungsverhältnisses
stark ausgedehnt wird.
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Indem
das Leistungsvermögen
und die Emissionsergebnisse aus ausgiebigen Testen verglichen wurden,
wurde deutlich, dass eine weitere Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit
mit einer Hybridventilstrategie möglich ist, die Abgasrücksaug- und
Abgasrückverdichtungsstrategien
zusammen über
den Motorlastbereich hinweg kombiniert. In einem Fall ist eine Strategie
beschrieben, wobei die Verwendung entweder eines vollständig flexiblen Ventilbetätigungssystems
(FFVA system von fully flexible valve actuation system) oder ein
einfacheres mechanisches dreistufiges System mit einer Nockenphaseneinstellung
angenommen wird. Insbesondere unter einer Motorlast von etwa 200
kPa effektivem Nettomitteldruck (NMEP von net mean effective pressure)
wird eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
unter Verwendung einer Abgasrückverdichtungsstrategie
empfohlen. Über
200 kPa NMEP und unter 450 kPa NMEP wird eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
unter Verwendung einer Abgasrücksaugstrategie
empfohlen. Über
450 kPa NMEP und unter 600 kPa NMEP wird eine Fremdzündungsverbrennung
empfohlen, die eine ungedrosselte Laststeuerung über ein variables Ventilzeiteinstellungssystem
anwendet. Über
600 kPa NMEP wird eine Fremdzündungsverbrennung
mit einem traditionellen gedrosselten Betrieb empfohlen.
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Sowohl
mit der Einzelventilstrategie als auch mit der Hybridventilstrategie
ist ein Leistungsvermögen
im stationären
Zustand eines Motors mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung ziemlich
unempfindlich gegenüber
dem Typ der Einspritzvorrichtung, der Lage der Spitze der Einspritzvorrichtung
und, bis zu einem gewissen Ausmaß, der Fremd- oder Funkenzündung. Es
hat sich jedoch als schwierig erwiesen, den Motor kalt mit einer
gesteuerten Selbstzündungsverbrennung
zu starten, selbst mit der Verwendung von FFVA und Funkenzündung ohne
spezielle Aufmerksamkeit auf die Details der Brennkammerkonstruktion
einschließlich
des Kolbens zu richten.
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Es
wurde darüber
hinaus experimentell bestätigt,
dass eine Steuerung der Phaseneinstellung der Selbstzündungsverbrennung
insbesondere bei leichter Last und Leerlauf schwierig ist, da der
Selbstzündungsprozess
durch den Temperatur-Zeit-Verlauf und die chemische Kinetik des
Kraftstoff-Luft-Gemisches stark beeinflusst wird. Eine kleine Störung von entweder
der Ansaugladungstemperatur oder der Zylinderwandungstemperatur
kann dazu führen,
dass der Motor bei niedriger Motorlast Fehlzündungen vollführt. Um
einen Motorbetrieb bei leichter Last und Leerlauf ohne Fehlzündung sicherzustellen,
ist eine überaggressive
Ventilstrategie verwendet worden. Dies führt zu einem erhöhten Pumpverlust
und zu einer herabgesetzten Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei dem
Motor mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung.
Somit wird ein Verfahren bei leichter Last und Leerlauf zum Schutz
vor Fehlzündungen,
mit verbesserter Verbrennungsphasensteuerung und gleichzeitig reduziertem
Pumpverlust benötigt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Brennkammer mit einem Kolben für einen
Motor mit Benzindirekteinspritzung und gesteuerter Selbstzündung bereit.
Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen: 1) verbesserte Verbrennungsphasensteuerung
bei leichter Last und Leerlauf während
des transienten Betriebes, und 2) besseres Motorleistungsvermögen bei
leichter Last und Leerlauf ohne Fehlzündung unter Verwendung einer
weniger aggressiven Ventilstrategie jedoch niedrigerem Pumpverlust.
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Die
Konstruktion wendet eine zentral angeordnete Kraftstoffeinspritzvorrichtung,
einen strategisch angeordneten Zündkerzenspalt
und eine Kolbenschale an. Eine Benzindirekteinspritzvorrichtung mit
einer Mehrfacheinspritzfähigkeit
während
eines einzigen Motorzyklus wird in Verbindung mit den Hybridventilstrategien
verwendet. Das erste Einspritzereignis liefert 10–30 % der
gesamten während
des frühen
Teils des Ansaugtaktes in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffs,
während
das zweite Einspritzereignis den Rest des Kraftstoffs während des
späteren
Teils des Verdichtungstaktes liefert. Der Einspritzzeitpunkt jedes
Einspritzereignisses und der Anteil von Kraftstoffaufteilung werden
elektronisch gesteuert. Der Sprühstrahl
wird in Richtung der Zündkerze
gerichtet, die elektronisch für
den besten Zündzeitpunkt
gesteuert wird. Es hat sich gezeigt, dass die vorliegende Erfindung
die Verbrennungsphaseneinstellung bei leichter Last und Leerlauf
effektiv steuert und einen Kaltstart eines Motors mit gesteuerter Selbstzündung und
Benzindirekteinspritzung unter Verwendung eines herkömmlichen
Verdichtungsverhältnisses
ermöglicht.
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Da
die Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie
die bevorzugte Ventilstrategie ist, die für einen Motorbetrieb bei leichter
Last und Leerlauf gewählt wird,
fokussierte die vorliegende Erfindung ihre Anwendung unter Verwendung
einer Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie
derart, dass der Übergang
von Kaltstart zu niedriger oder Leerlauflast ohne Umwege mit einem
einfachen Nockenphasensteller und einer Änderung in der Einspritzstrategie
erfolgt.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
umfasst eine Brennkammer einen Zylinder mit einem geschlossenen
Ende, in dem eine Einlassöffnung
und eine Auslassöffnung
ausgebildet sind. Ventilelemente sind in den Öffnungen angeordnet, um die
Strömung
von Luft und Verbrennungsprodukten in und aus der Brennkammer zu
steuern. Eine Benzinkraftstoff einspritzvorrichtung mit einer Sprühspitze
und eine Funkenzündungsquelle
mit einem Funkenspalt stehen mit der Brennkammer in Verbindung.
Der Zylinder weist eine Achse auf und ist derart angeordnet, dass
er Luft und Kraftstoff aufnimmt, die von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung
direkt eingespritzt werden.
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Ein
Kolben ist für
eine Hin- und Herbewegung in dem Zylinder montiert. Der Kolben umfasst einen
im Allgemeinen flachen Rand, der eine Innenkante aufweist, die eine
vertiefte Schale umgibt, in die der Kraftstoff primär eingespritzt
wird. Die Schale weist einen Boden und eine umgebende Seite auf, die
durch eine gekrümmte
Fläche
gebildet ist, die sich tangential mit dem Boden verbindet und sich
zu der Innenkante des Randes erstreckt. Die Zündkerze weist eine Mittellinie
durch den Funkenspalt auf und ist zu einer Seite der Zylinderachse
verschoben, wobei der Funkenspalt sich in die Brennkammer in Richtung
der Achse erstreckt. Die Einspritzvorrichtung ist zu einer entgegengesetzten
Seite der Achse verschoben, wobei die Sprühspitze so gerichtet ist, dass sie
einen im Allgemeinen konischen Kraftstoffsprühstrahl in die Kolbenschale
lenkt, wobei ein Teil des Kraftstoffsprühstrahls nahe bei dem Funkenspalt
vorbeitritt. Die Mittellinie der Zündkerze ist nach innen von
der gekrümmten
Fläche
der Schalenseite mit einem minimalen Abstand im Bereich von 6 bis
10 mm beabstandet.
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung von bestimmten besonderen Ausführungsformen der Erfindung
in Verbindung genommen mit den begleitenden Zeichnungen umfassender
verstanden werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform
eines Einzylinder-Viertakt-Benzinverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung,
der ein Verbrennungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweist;
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht ähnlich wie 1,
die Beziehungen der Brennkammer für die Verbrennung zeigt;
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2A ist ähnlich wie 2 mit
der Ausnahme einer veränderten
Abmessungsauswahl;
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3 und 4 sind
schematische Darstellungen von Kolbenschale/Einspritzvorrichtungs-Anpassung
für Sprühstrahlkonuswinkel
von 90 bzw. 60 Grad;
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5 ist
ein Schaubild von Einlass- und Auslassventilhubprofilen als Funktion
des Kurbelwinkels, die beim Beschaffen der berichteten Testergebnisse
verwendet wurden;
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6 ist
eine grafische Darstellung von Kurbelwinkelbeziehungen, bei denen
die Kraftstoffladung 10 % verbrannt (Zündzeitpunkt) und 50 % verbrannt
(Verbrennungsphaseneinstellung) ist, für eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
ohne Funkenzündung
unter Ver wendung einer Mehrlocheinspritzvorrichtung mit einem Sprühwinkel
von 90 Grad;
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7 ist
eine grafische Darstellung ähnlich wie 6,
aber für
eine gesteuerte Selbstzündungsverbrennung
mit Funkenzündung;
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8 zeigt
grafische 3-D-(Perspektivansicht)- und 2-D-(Draufsicht)-Konturdarstellungen der Lage
des Spitzendruckes (LPP) über
Funken- und Einspritzzeiten mit einer Dralleinspritzvorrichtung
mit 80 Grad;
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9 zeigt
grafische 2-D-(Draufsicht)-Konturdarstellungen der Lage des Spitzendruckes
(LPP) über
Funken- und Einspritzzeiten mit Mehrlocheinspritzvorrichtungen mit
60 und 90 Grad; und
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10 zeigt
den bemessenen effektiven Mitteldruck (NMEP) über die Zykluszahl während des Kaltstarts
mit Funkenzündung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen gibt Bezugszeichen 10 im
Einzelnen allgemein eine erste Ausführungsform eines Einzylinder-Viertakt-Benzinverbrennungsmotors
mit Direkteinspritzung gemäß der Erfindung
an, obwohl festzustellen ist, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf
einen Mehrzylinder-Viertakt-Benzinverbrennungsmotor mit Direkteinspritzung
anwendbar ist.
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Nach 1 ist
ein Kolben 12 in einem Zylinder 14 mit geschlossenem
Ende beweglich und bildet mit dem Zylinder 14 eine Brennkammer 16 mit
variablem Volumen. Ein Einlasskanal oder eine Einlassöffnung 18 führt der
Brennkammer 16 Luft zu. Die Strömung von Luft in die Brennkammer 16 wird
durch ein Einlassventil 20 gesteuert. Verbrannte (Brenn-)Gase
können
aus der Brennkammer 16 über einen
Auslasskanal oder eine Auslassöffnung 22 strömen, und
die Strömung
von verbrannten Gasen durch den Auslasskanal 22 wird durch
ein Auslassventil 24 gesteuert.
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Der
Motor 10 weist einen elektrohydraulisch gesteuerten Ventiltrieb 25 auf,
der Ventile 20, 24 und einen elektronischen Controller 26 umfasst,
der programmierbar ist und das Öffnen
und Schließen
von sowohl dem Einlassventil 20 als auch dem Auslassventil 24 hydraulisch
steuert. Der elektronische Controller 26 steuert die Bewegung
des Einlassventils 20 und des Auslassventils 24 im
Hinblick auf (mit Rückkopplung
von) der Position der Einlass- und Auslassventile 20, 24,
wie sie von zwei Positionswandlern 28 und 30 gemessen
wird. Der Controller 26 berücksichtigt auch die Position
des Kolbens 12 in dem Motor, die von einem Rotationssensor 32 gemessen
wird, der mit einer Kurbelwelle 34 des Verbrennungsmotors 10 verbunden
ist.
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Die
Kurbelwelle 34 ist durch eine Pleuelstange 36 mit
dem Kolben 12 verbunden, der sich in dem Zylinder 14 hin-
und herbewegt. Eine Benzindirekteinspritzvorrichtung 38,
die von dem elektronischen Controller 26 gesteuert wird,
dient dazu, Kraftstoff direkt in die Brennkammer 16 einzuspritzen.
Eine Fremdzündquelle,
wie etwa eine Zündkerze 40,
wird ebenfalls von dem elektronischen Controller 26 gesteuert
und dazu verwendet, die Zündzeitpunktsteuerung
des Motors gemäß der vorliegenden
Erfindung zu verbessern.
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Nach 2 sind
mehrere zusätzliche
Merkmale, die mit der Motorbrennkammer in Beziehung stehen, beim
Quantifizieren der Konstruktion der hierin offenbarten beispielhaften
Ausführungsform von
Bedeutung. Der Zylinder 14 weist eine Achse 56 auf,
die sich durch die Brennkammer 16 erstreckt.
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Die
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 38 weist auch eine Sprühspitze 58 auf,
die in der Brennkammer 16 am geschlossenen Ende des Zylinders 14 angeordnet
und geringfügig
zu einer Seite 60 der Zylinderachse 56 verschoben
ist. Die Sprühspitze 58 bildet
einen im Allgemeinen konischen Kraftstoffsprühstrahl 62, der um
eine Mittellinie 63 der Einspritzvorrichtung herum zentriert
ist, die herkömmlich
durch eine Dralldüse
oder durch mehrere Mündungen
in der Spitze gebildet sein kann, welche in der Lage ist, separate
Kraftstoffströme,
die in einem konischen Muster angeordnet sind, einzuspritzen. Die
Zündkerze 40 weist
eine Mittellinie 64 auf, die sich entlang einer Mittelelektrode
erstreckt. Ein Funkenspalt 66 auf der Mittellinie 64 steht
von dem geschlossenen Zylinderende in die Brennkammer vor und ist
geringfügig von
der Zylinderachse auf eine Seite 68 entgegengesetzt zu
der Sprühspitze
der Einspritzvorrichtung verschoben.
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Der
Kolben 12 umfasst einen im Allgemeinen flachen Rand 70,
der eine Innenkante 72 aufweist, die eine vertiefte Schale 74 umgibt,
in die der Kraftstoff primär
eingespritzt wird. Die Schale weist einen Boden 76 und
eine umgebende Seite 78 auf, die primär durch eine gekrümmte oder
gebogene Fläche 80 gebildet
ist, die sich tangential mit dem Boden 76 verbindet und
bis zu der Innenkante 72 des Randes erstreckt.
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Mit
fortgesetztem Bezug auf 2 ist die Ausgestaltung der
Brennkammer derart abgewandelt, dass man einer Packung des Motors
gerecht wird, indem sowohl die Mittellinie 63 der Einspritzvorrichtung
als auch die Mittellinie der Zündkerze 64 geneigt
sein können,
wie es gezeigt ist. Mit den festgelegten Einspritzvorrichtungs-
und Zündkerzenneigungswinkeln
kann eine einzigartige Beziehung zwischen Vorsprung 42 des
Zündkerzenspalts 66 und Winkel 44 des
Sprühstrahlkonus 62 festgelegt
werden. Beispielsweise wird ein Sprühstrahlkonuswinkel von 90 Grad
den Funkenspalt 66 schneiden, wenn eine Zündkerze 40 mit
einem Vorsprung 42 von 9 mm verwendet wird (3).
Daraufhin wird der Abstand 46 (2) zwischen
der Sprühspitze 58 der
Einspritzvorrichtung und dem Funkenspalt 66 festgelegt. Ein
Sprühstrahlkonuswinkel
von 60 Grad verfehlt den gleichen Zündkerzenspalt 66 an
der unteren Seite, wie es zu erwarten ist (4). Diese
Art von Fremdzündungsprozess
wird manchmal sprühstrahlgeführte Zündung genannt.
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Eine
andere Art von Zündprozess,
der wandungsgesteuerte Zündung
genannt wird, wird bei vielen Motoren aus der Herstellung mit Benzindirekteinspritzung
mit Brennkammern ähnlich
derjenigen, die in US-Patent Nr. 6,494,178 beschrieben ist, das
der Inhaberin der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, verwendet
wird. Diese umfassen eine Kolbenschalenkonstruktion für einen
Motor mit Benzindirekteinspritzung, die eine Transportfläche aufweist,
die eine Kraftstoff-Luft-Ladung von dem Schalenvolumen in Richtung
des Zündkerzenspalts
lenkt. Verschiedene Konstruktionsmerkmale, die in
US 6,494,178 beschrieben sind, wurden
in die vorliegende Erfindung eingearbeitet. Diese umfassen den Eckenradius
48 der
Kolbenschale und den Abstand
50 zwischen Masseelektrode
der Zündkerze
und Kolbenschalenfläche.
Der Kolbenschalendurchmesser
52 und deren Tiefe
54 wurden
auf der Grundlage der Verdichtungsverhältnisanforderung festgelegt.
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In 2A ist
die Darstellung der in 2 gezeigten identischen Anordnung
geringfügig
abgewandelt. Bezugszeichen von 2, die den
Merkmalen von 2A entsprechen, sind wie folgt:
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- 58
- Einspritzvorrichtungsspitze;
- 40
- Zündkerze;
- 42
- Zündkerzenvorsprung;
- 44
- Sprühstrahlkonuswinkel;
- 46
- Abstand
Einspritzvorrichtungsspitze zu Zündkerzenspalt;
- 48
- Schaleneckenradius
(gekrümmte
Fläche);
- 50
- Abstand
von Masseelektrode zu Schale (2);
- 51
- Abstand
von Mittellinie der Zündkerze
zu Schalenseite (gebogene Fläche – 2A);
- 52
- Schalendurchmesser;
- 54
- Schalentiefe.
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Testergebnisse
haben gezeigt, dass der Betriebsbereich einer gesteuerten Selbstzündungsverbrennung
durch die Kombination von Schalendurchmesser 52 und Sprühstrahlkonuswinkel 44 beeinflusst
wird. Es ist insbesondere experimentell bestätigt worden, dass das am weitesten
nach früh
verstellte Ende des zulässigen
Einspritzzeitpunktes ungefähr
40 Grad vor OT für
die Einspritzvorrichtung mit dem Sprühstrahlkonuswinkel von 90 Grad
beträgt und
ungefähr
60 Grad vor OT für
die Einspritzvorrichtung mit dem Sprühstrahlkonuswinkel von 60 Grad beträgt. Dies
ist der Fall, weil der Sprühstrahl
bei den angegebenen Kurbelwinkelpositionen (3 und 4)
beginnt, die Kolbenschale zu verlassen. Ein weiteres Verstellen
des Einspritzzeitpunkts nach früh kann
zu erhöhten
Abgasemissionen und zu einer Abnahme der Kraftstoffwirtschaftlichkeit
führen.
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5 veranschaulicht
die Hubkurven des Einlassventils 20 und des Auslassventils 24 gemäß der vorliegenden
Erfindung für
einen Motor mit gesteuerter Selbstzündungsverbrennung während des Kaltstarts
und bei Niederlastbetrieb mit der Verwendung eines vollständig flexiblen
Ventilbetätigungssystems
(FFVA-Systems). Wie getestet, sind das Einlassventil 20 und
das Auslassventil 24 elektrohydraulisch betätigt, sie
könnten
jedoch mechanisch oder elektrisch unter Verwendung einer elektromagnetischen
Kraft betätigt
sein.
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In 5 öffnet das
Auslassventil 24 bei ungefähr 30 Grad vor dem unteren
Totpunkt in dem Expansionstakt (150 Grad nach OT in dem Diagramm) und
schließt
bei ungefähr
90 Grad vor dem oberen Totpunkt in dem Ausstoßtakt (270 Grad nach OT in dem
Diagramm). Das Einlassventil 20 wird später in dem Motorzyklus geöffnet als
bei einem normalen Ottomotor, bei ungefähr 90 Grad nach dem oberen
Totpunkt in dem Ansaugtakt (450 Grad nach OT in dem Diagramm) und
schließt
bei ungefähr
30 Grad nach dem unteren Totpunkt in dem Verdichtungstakt (570 Grad
nach OT in dem Diagramm).
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Das
frühe Schließen des
Auslassventils und späte Öffnen des
Einlassventils sorgt für
einen Zeitraum mit negativer Ventilüberschneidung von etwa 180
Grad (während
der letzten Hälfte
des Ausstoßtaktes
und der ersten Hälfte
des Ansaugtaktes), in dem beide Auslass- und Einlassventile geschlossen sind.
Dies fängt
in dem Zylinder einen großen
Teil des verbrennten Gases ein, das sich beim Öffnen des Einlassventils mit
der Kraftstoff-Luft-Ladung mischt, die während des Ansaugtaktes eingesaugt
wird. Die heißen
Gase, die sich mit der frischen Ladung mischen, erhöhen die
Ladetemperatur stark und fördern
dadurch den Selbstzündungsprozess.
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Die 6 und 7 veranschaulichen
den Einfluss einer Funkenzündung
auf die Verbrennung in dem Motor. Die Motorbetriebsbedingung entspricht einer
Motorlast von 135 kPa NMEP und einer Drehzahl von 1000 U/min unter
Verwendung einer Aufteilungskraftstoffeinspritzung mit 1 mg vor
dem Ansaugtakt (Ende der Einspritzung (EOI) 1 = 380 Grad vor OT
Verbrennungstakt) und 5 mg während
des späten Verdichtungstaktes
(EOI 2 = 50 Grad vor OT).
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6 ist
eine grafische Darstellung von 50 % Massebruchteil von verbranntem
Kraftstoff (CA50) in Relation zu 10 % Massebruchteil von verbranntem Kraftstoff
(CA 10), wie er durch eine individuelle Zykluswärmefreigabeanalyse bestimmt
wird. Für
die in 6 gezeigten Daten wurde der Motor ohne Funkenunterstützung betrieben
und ist reine HCCI. Es gibt eine Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen
den Brennstellen CA50 und CA10. Die Linie in der Figur ist ein Polynom-Fit über die
Daten hinweg. Unter dieser Betriebsbedingung gibt es eine Kurbelwinkelspreizung im
Zündzeitpunkt
von 7 Grad, was zur gleichen Spreizung in der CA50-Zeit führt. Alle Änderungen
in der Verbrennungsphaseneinstellung können auf Änderungen im Zündzeitpunkt
zurückgeführt werden.
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Für die in 7 gezeigten
Daten wurde der Motor unter der gleichen Bedingung betrieben, aber der
Zündfunken
wurde eingeschaltet. Die Daten sind in zwei unterschiedliche Gruppen
eingeteilt: eine ist aus denjenigen Zyklen zusammengesetzt, die
eine reine HCCI-Verbrennung aufwiesen, und die andere mit einer
funkenunterstützten
Selbstzündung.
Für diejenigen
Zyklen, bei denen der Funken eine Wirkung hatte, ist die CA10-Zeit im Mittel um
10 Grad gegenüber
reinen HCCI-Zyklen nach früh
verstellt. Für die
funkenunterstützte
Gruppe gibt es keine klare Beziehung zwischen den CA10- und CA50-Stellen.
Vielmehr sind die Verbrennungsphaseneinstellungen zufällig über ein
schmales Fenster von Kurbelwinkeln verteilt.
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Ein
anderes interessantes Merkmal ist, dass die CA50-Stelle für funkenunterstützte HCCI
relativ zu der nach spät
verstellt ist, die vorhanden gewesen wäre, wenn der Zyklus ein reiner
HCCI-Zyklus gewesen wäre.
Da der Zündfunken
die Zündphaseneinstellung
relativ zu der reiner HCCI nach früh verstellen kann, bedeutet
dies, dass eine weniger aggressive Rückverdichtungs-Ventilzeiteinstellung
verwendet werden kann, um die gleiche Verbrennungsphaseneinstellung
zu erhalten. Die Verringerung der Rückverdichtung führt zu einer
entsprechenden Verringerung der Pumparbeit, was zu einer verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit
führt.
Somit führt
eine funkenunterstützte
HCCI sowohl zu der Fähigkeit,
eine aktive Verbrennungsphasensteuerung, insbesondere bei niedriger
Last, zu haben, sowie zu einer verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit
aufgrund einer Verringerung in der Rückverdichtungs-Pumparbeit.
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8 zeigt
grafische 3-D-(Perspektivansicht)- und 2-D-(Draufsicht)-Konturdarstellungen
der Lage des Spitzendruckes (LPP) über Zünd- und Einspritzzeiten unter
Verwendung einer Dralleinspritzvorrichtung mit 80 Grad. Die Motorbetriebsbedingung entspricht
einer Motorlast von 135 kPa NMEP und einer Drehzahl von 1000 U/min
unter Verwendung einer Aufteilungskraftstoffeinspritzung mit 1 mg
während
eines frühen
Ansaugtak tes (EOI_1 = 359 Grad vor OT) und 5 mg während eines
späten
Verdichtungstaktes (EOI_2). Der Test wurde durchgeführt, indem
die Lage des Spitzendruckes mit Variationen des Zündzeitpunkts
(Verstellung nach früh)
(SA) bei einem festen Wert von der EOI_2-Einspritzzeit aufgezeichnet
wurde. Der LPP mit reinem HCCI-Betrieb ist ebenfalls, als mit kein
Funken angegeben, auf der SA-Achse aufgetragen.
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Diese
Ergebnisse zeigen klar die Existenz von zwei unterschiedlichen Bereichen,
in denen der LPP durch Funkenzündung
beeinflusst ist. Der Bereich, der mit sprühstrahlgeführter Zündbereich markiert ist, zeigt
eine enge Beziehung zwischen SA und EOI_2, ähnlich wie die des sprühstrahlgeführten Verbrennungssystems
für einen
Motor mit Benzindirekteinspritzung. Der Bereich, der mit wandungsgesteuerter
Zündbereich
markiert ist, zeigt eine Trennung von etwa 25–30 Kurbelwinkelgraden zwischen
SA und EOI_2 ähnlich
der des wandungsgesteuerten Verbrennungssystems für einen
Motor mit Benzindirekteinspritzung.
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Ähnliche
Tests wurden mit Mehrlocheinspritzvorrichtungen durchgeführt, wie
es in 9 gezeigt ist. Die Motorbetriebsbedingung entspricht
einer Motorlast von 135 kPa NMEP und einer Drehzahl von 1000 U/min
unter Verwendung einer Aufteilungskraftstoffeinspritzung mit 1 mg
vor dem Ansaugtakt (EOI_1 = 380 Grad vor OT Verbrennungstakt) und
5 mg während
eines späten
Verdichtungstaktes (EOI_2). Die Figur zeigt grafische 2-D-(Draufsicht)-Konturdarstellungen
der Lage des Spitzendruckes (LPP) über Funken- und Einspritzzeiten
mit den Mehrlocheinspritzvorrichtungen mit 60 und 90 Grad. Es ist
aus den in der Figur dargestellten Daten deutlich, dass die Mehrlocheinspritzvorrichtung
mit 60 Grad sowohl sprühstrahlgeführte als
auch wandungsgesteuerte Zündbereiche
erzeugt, die ähnlich sind
wie jene der Dralleinspritzvorrichtung mit 80 Grad (8).
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Der
sprühstrahlgeführte Zündbereich
ist aufgrund der geringfügigen
Fehlanpassung zwischen dem Kraftstoffsprühstrahl und dem Funkenspalt,
die in 4 gezeigt ist, weniger klar als der der Dralleinspritzvorrichtung
mit 80 Grad. Für
die Mehrlocheinspritzvorrichtung mit 90 Grad ist jedoch nur der sprühstrahlgeführte Zündbereich
sichtbar, da die gesteuerte Selbstzündungsverbrennung, wenn das Ende
des Zündzeitpunkts über 40 Grad
vor OT hinaus nach früh
verstellt wird, aufgrund des Sprühstrahls,
der die Kolbenschale verlässt
(3), merklich schlechter wird. Die in den Tests
verwendeten Mehrlocheinspritzvorrichtungen wiesen alle 8 Löcher mit
gleicher Beabstandung zwischen Löchern
auf. Es wurde experimentell bestätigt,
dass die Motorverbrennung recht unempfindlich gegenüber einer
Rotation der Einspritzvorrichtung und somit eines Zielens des Sprühstrahls
auf den Zündspalt
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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Auf
der Grundlage der in den 8 und 9 präsentierten
Ergebnisse beträgt
ein optimaler Sprühstrahlkonuswinkel
für das
Verbrennungssystem der vorliegenden Erfindung etwa 70–80 Grad
für Dralleinspritzvorrichtungen
und 60–70
für Mehrlocheinspritzvorrichtungen.
Mit der vorliegenden Erfindung ist ein Kaltstart eines Motors mit
gesteuerter Selbstzündungsverbrennung
unter Verwendung der Abgasrückverdichtungs-Ventilstrategie
demonstriert worden. Eine Kraftstoffeinspritzstrategie mit Aufteilungskraftstoffeinspritzung,
die eine 2 mg Kraftstoffeinspritzung während eines späten Ausstoßtaktes
und eine 9 mg Kraftstoffeinspritzung während eines späten Verdichtungstaktes
umfasst, ist in der Lage, den Motor bei Raumtemperatur unter Verwendung
eines herkömmlichen
Verdichtungsverhältnisses
zu starten. Der Motor wurde mit nicht erwärmtem Kühlmittel und Öl betrieben.
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10 zeigt
die Ausdrucke des gemessenen NMEP (effektiver Nettomitteldruck) über die
Zykluszahl während
des Motorstarts. Die Motorbetriebsbedingung entspricht einer Motorlast
von 270 kPa NMEP und einer Drehzahl von 1000 U/min unter Verwendung
einer Aufteilungskraftstoffeinspritzung mit 2 mg vor dem Ansaugtakt
(EOI_1 = 400 Grad vor OT) und 9 mg während des späten Verdichtungstaktes
(EOI_2 = 67 Grad vor OT). Es ist aus der Figur deutlich, dass, sobald
der Motor gestartet hat, eine konstante Motorlast innerhalb weniger
Motorzyklen erreicht wurde. Darüber
hinaus ist der Startprozess recht gut wiederholbar, wie es ebenfalls
in 10 demonstriert wurde, wobei die Ergebnisse an
unterschiedlichen Tagen erhalten wurden.
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Als
Randbemerkung ist sowohl bei Ottomotoren als auch Dieselmotoren
die Temperatur verbrannten Gases innerhalb des Gemisches stark heterogen
mit lokal sehr hohen Temperaturen, was hohe NOx-Emissionen erzeugt.
Mit der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Aufteilungseinspritzung
mit der zweiten Einspritzung während
des späten
Verdichtungstaktes könnte
die Ladungsheterogenität
potentiell zunehmen und die NOx-Emissionen zunehmen. Mit der vorliegenden
Erfindung jedoch haben wir Zündungs-
und Einspritzmöglichkeiten,
die breit genug sind (siehe 8 und 9),
so dass NOx-Emissionen durch einfaches Neuoptimieren des Zündzeitpunktes,
des sekundären
Kraftstoffeinspritzzeitpunktes und der Kraftstoffmasse gesteuert
werden können.
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Obwohl
die Erfindung durch Bezugnahme auf verschiedene bevorzugte Ausführungsformen beschrieben
worden ist, ist zu verstehen, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Gedankens
und Umfangs des beschriebenen erfinderischen Konzepts vorgenommen
werden könnten.
Dementsprechend soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsfor men
beschränkt
sein, sondern soll den vollen Umfang haben, der durch den Wortlaut der
folgenden Ansprüche
zugelassen ist.
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Zusammenfassung
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Eine
Brennkammer für
einen Verbrennungsmotor umfasst einen Zylinder mit einem geschlossenen
Ende, der eine Achse aufweist. Ein Kolben ist in dem Zylinder hin-
und herbeweglich und umfasst einen im Allgemeinen flachen Rand,
der eine Innenkante aufweist, die eine vertiefte Schale umgibt,
in die Kraftstoff primär
eingespritzt wird, wobei die Schale einen Boden und eine umgebende
Seite aufweist, die eine gekrümmte
Fläche
bildet, die sich tangential mit dem Boden verbindet und sich bis
zu der Innenkante des Randes erstreckt. Eine Zündkerze weist eine Mittellinie
durch den Funkenspalt auf und ist zu einer Seite der Zylinderachse
verschoben, wobei sich der Funkenspalt in die Brennkammer in Richtung
der Achse erstreckt. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist zu
einer entgegengesetzten Seite der Achse verschoben, wobei die Sprühstrahlspitze
derart zielt, dass ein im Allgemeinen konischer Kraftstoffsprühstrahl
in die Kolbenschale gelenkt wird, wobei ein Teil des Kraftstoffsprühstrahls
nahe bei dem Funkenspalt vorbeitritt. Es sind verschiedene Abmessungseigenschaften
offenbart.