DE19816743A1 - Kolben für einen Motor mit Zylindereinspritzung - Google Patents
Kolben für einen Motor mit ZylindereinspritzungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Ottomotor mit
Zylindereinspritzung, also mit Einspritzung von Kraftstoff
unmittelbar in eine Verbrennungskammer.
Verbrennungsmotoren mit Kraftstoffeinspritzung in einen Zy
linder werden im allgemeinen in solche mit Zylindereinsprit
zung und solche mit Direkteinspritzung eingeteilt, und der
artige Dieselmotoren sind in weitem Umfang bekannt. Jedoch
wurden in den letzten Jahren auch Ottomotoren mit Zylinder
einspritzung bekannt (da Ottomotoren im allgemeinen mit Ben
zin betrieben werden, werden sie auch als "Benzinmotoren"
bezeichnet).
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer Verbrennungskammer und
deren Umgebung innerhalb eines typischen Motors mit Zylin
dereinspritzung.
Beim in Fig. 6 dargestellten Motor ist ein Zylinderkopf 13
über eine Zylinderkopfdichtung 12 und unter Verwendung nicht
dargestellter Schrauben fest an einem Zylinderblock 11 ange
bracht. In einem Zylinder 14 innerhalb des Zylinderblocks 11
ist ein Kolben 15 so untergebracht, daß er in vertikaler
Richtung beweglich ist. Der Zylinderblock 11, der Zylinder
kopf 13 und der Kolben 15 bilden eine Verbrennungskammer 16,
mit der eine Einlaßöffnung 17 und eine Auslaßöffnung 18
verbunden sind. Der untere Endabschnitt eines Einlaßventils
19 sitzt in der Einlaßöffnung 17, während der untere Endab
schnitt eines Auslaßventils 20 in der Auslaßöffnung 18
sitzt. Einlaß- und Auslaßnocken, die nicht dargestellt
sind, stehen in Eingriff mit den jeweiligen oberen Endab
schnitten des Einlaßventils 19 und des Auslaßventils 20.
Wenn die Einlaß- und Auslaßnocken angetrieben werden, wer
den das Einlaßventil 19 und das Auslaßventil 20 so betrie
ben, daß sie eine Fluidverbindung zwischen der Verbren
nungskammer 16 und den Öffnungen 17 und 18 herstellen und
wieder unterbrechen.
Auch ist ein Kraftstoff-Einspritzventil 21 zum Einspritzen
von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 16 so am Zylinder
kopf 13 angebracht, daß das untere Ende des Einspritzven
tils 21 der Verbrennungskammer 16 zugewandt ist. Das Ein
spritzventil 21 erhält von einer nicht dargestellten Kraft
stoffpumpe unter Druck gesetzten Kraftstoff, und es inji
ziert diesen unter Druck gesetzten Kraftstoff in die Ver
brennungskammer 16. Ferner ist eine Zündkerze 22 so am Zy
linderkopf 13 befestigt, daß ihr Vorderende der Verbren
nungskammer 16 zugewandt ist. Die Zündkerze 22 zündet den
vom Einspritzventil 21 in die Verbrennungskammer 16 einge
spritzten Kraftstoffnebel.
Demgemäß läuft der Kolben 15, wenn sich eine nicht darge
stellte Kurbelwelle dreht, innerhalb des Zylinders 14 über
ein Pleuel hin und her. Indessen wird die drehende Antriebs
kraft der Kurbelwelle an die nicht dargestellte Nockenwelle
in solcher Weise übertragen, daß sich diese synchron mit
der Drehung der Kurbelwelle dreht. So werden das Einlaßven
til 19 und das Auslaßventil 20 durch den Einlaß- und den
Auslaßnocken geöffnet und geschlossen. Dabei wird Luft von
der Einlaßöffnung 17 in die Verbrennungskammer 16 aufgenom
men, und Kraftstoff wird vom Einspritzventil 21 in sie ein
gespritzt. So wird eine Verwirbelungsströmung des Kraft
stoffnebels erzeugt und durch die Zündkerze 22 gezündet, so
daß ein Zyklus aus einem Einlaßhub, einem Kompressionshub,
einem Kraft- oder Expansionshub und einem Auslaßhub wieder
holt wird.
Bei einem derartigen Motor mit Zylindereinspritzung ist in
der Fläche des Kolbens 15 ein Hohlraum (eine Vertiefung)
ausgebildet, damit das Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb der
Verbrennungskammer 16 verwirbeln kann, um wirkungsvoll zu
verbrennen, wenn es durch die Zündkerze 22 gezündet wird.
Ein Kolben mit einem Hohlraum in seiner Oberseite ist z. B.
in der japanischen Gebrauchsmusteranmeldungs-Veröffentli
chung 5-21132 offenbart. Jedoch ist bei dem in dieser Veröf
fentlichung offenbarten Kolben die Tiefe des Hohlraums auf
der Seite des Auslaßventils vergrößert, und demgemäß ist
nicht dafür gesorgt, daß der Kraftstoffnebel verwirbelt,
weswegen er nicht zur Zündkerze geführt wird. Daher ist die
Form des Hohlraums für einen Motor mit Zylindereinspritzung
nicht geeignet. Um das obige Problem zu überwinden, meldete
die Anmelderin eine Patentanmeldung (japanische Patentanmel
dung Nr. 7-233129) auf eine Erfindung betreffend die Form
eines Kolbens mit Hohlraum an.
Jede der Fig. 7A, 7B und 7C zeigt schematisch einen Kolben
mit einem Hohlraum, wofür die Anmelderin eine Patentanmel
dung einreichte.
Beim in Fig. 7A dargestellten Kolben 101 ist auf der Seite,
auf der das Einlaßventil liegt, eine einlaßseitige, schrä
ge Oberseite 102 so ausgebildet, daß sie nach oben hin
schräg zum mittleren Teil des Kolbens zeigt, und auf der
Seite, an der das Auslaßventil liegt, ist eine auslaßsei
tige, schräge Oberseite 103 so ausgebildet, daß sie schräg
nach oben zum mittleren Teil des Kolbens läuft. So verfügt
die Oberseite des Kolbens 101 über eine satteldachähnliche
Form. In der einlaßseitigen, schrägen Oberseite 102 ist ein
Hohlraum 104 so ausgebildet, daß seine Unterseite Teil ei
ner virtuellen Kugelfläche ist, die zentrisch zu einem Punkt
über dem nicht dargestellten Einlaßventil liegt. Demgemäß
kehrt der Hohlraum 104 des Kolbens 101 den in die Verbren
nungskammer eintretenden Luftstrom zur Oberseite des Kolbens
101 um, um dafür zu sorgen, daß die Luft zur Unterseite des
Zylinderkopfs strömt. So wird die Erzeugung einer Saltoströ
mung (vertikale Verwirbelung) unterstützt. Der in die Ver
brennungskammer eingespritzte Kraftstoff wird in den Hohl
raum 104 geführt und dann durch die Saltoströmung vom Rand
der Verbrennungskammer zu ihrem mittleren Teil transpor
tiert.
Im in Fig. 7B dargestellten Kolben 201 ist auf der Seite,
auf der das Einlaßventil angeordnet ist, eine einlaßseiti
ge, schräge Oberseite 202 ausgebildet, und auf der Seite,
auf der das Auslaßventil angeordnet ist, ist eine auslaß
seitige, schräge Oberseite 203 ausgebildet. So verfügt die
Oberseite des Kolbens 201 über eine satteldachähnliche Form.
In der einlaßseitigen, schrägen Oberseite 203 ist ein Hohl
raum 204 ausgebildet, der aus einem Strömungseintrittsab
schnitt 205, einem ansteigenden Abschnitt 206 und einem Ver
bindungsabschnitt 207 besteht. Die in die Verbrennungskammer
zur Oberseite des Kolbens 201 hin eintretende Luftströmung
wird umgekehrt, um dafür zu sorgen, daß die Luft zur Unter
seite des Zylinderkopfs strömt. So wird die Erzeugung einer
Saltoströmung (vertikale Verwirbelung) unterstützt. Der in
die Verbrennungskammer eingespritzte Kraftstoff wird zum
Hohlraum 204 geleitet und dann durch die Saltoströmung vom
Rand der Verbrennungskammer zu deren Mitte transportiert.
Beim in Fig. 7C dargestellten Kolben 301 sind eine einlaß
seitige, schräge Oberseite 302 sowie eine auslaßseitige
schräge Oberseite 203 wie beim Kolben 101 von Fig. 7A ausge
bildet, so daß die Oberseite desselben eine satteldachähn
liche Form aufweist. In der einlaßseitigen, schrägen Ober
seite 302 ist ein Hohlraum 304 ausgebildet. Der Hohlraum 304
ist durch zwei virtuelle Kugelflächen 305 und 306, die zen
trisch zu Positionen über dem Einlaßventil liegen, und eine
Verbindungsfläche 307 gebildet, die die virtuellen Kugelflä
chen 305 und 306 verbindet. Demgemäß kehrt der Hohlraum 304
des Kolbens 301 die in die Verbrennungskammer zur Oberseite
des Kolbens 301 eintretende Luftströmung um, um dafür zu
sorgen, daß die Luft zur Unterseite des Zylinderkopfs
strömt. So wird die Erzeugung einer Saltoströmung (vertikale
Verwirbelung) unterstützt. Der in die Verbrennungskammer
eingespritzte Kraftstoff wird zum Hohlraum 304 geleitet und
dann durch die Saltoströmung vom Rand der Verbrennungskammer
zu deren Mitte transportiert.
Ferner offenbart das Dokument US-A-5,127,379 den Aufbau ei
nes Motors mit Zylindereinspritzung, bei dem eine Zündkerze
im mittleren Teil der Verbrennungskammer angeordnet ist; ein
Einspritzventil am Rand der Verbrennungskammer angeordnet
ist; in der Oberseite des Kolbens eine Vertiefung so ausge
bildet ist, daß sie sich von einem Punkt unter der Zündker
ze zu einem Punkt unter dem Einspritzventil erstreckt, und
eine Kraftstoff-Führungsnut, die schmaler als die Vertiefung
ist, an der Innenwandfläche derselben an einem Ort unter der
Zündkerze ausgebildet ist, so daß sich diese Kraft
stoff-Führungsnut vom Seitenteil der Vertiefung zur Zündkerze er
streckt.
Beim in der obenangegebenen japanischen Patentanmeldung Nr.
7-233129 beschriebenen Motor mit Zylindereinspritzung vari
iert der Zylinderdurchmesser oder der Kolbendurchmesser ab
hängig vom Hubraum des Motors und der Zylinderanzahl. Wenn
ein Kolben mit einem bestimmten Durchmesser so konzipiert
wird, daß er die Form des obenbeschriebenen Kolbens 101,
201 oder 301 aufweist, wird die Größe des Hohlraums 104, 204
bzw. 304 Proportional zum Durchmesser des Kolbens erhöht
oder erniedrigt. Wenn jedoch die Größe des Hohlraums 104,
204 oder 304 einhergehend mit dem Durchmesser des Kolbens
erhöht wird, nimmt die Krümmung des Hohlraums 104, 204 oder
304 ab, und das Volumen desselben nimmt zu. Im Ergebnis wird
das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Nähe der Zündkerze mage
rer, wodurch die Gefahr besteht, daß keine geschichtete
Verbrennung auftritt.
Der im Dokument US-A-5,127,379 offenbarte Motor mit Zylin
dereinspritzung ist ebenfalls auf solche Weise aufgebaut,
daß in der Luft, die vom Einlaßteil in die Verbrennungs
kammer strömt, eine vertikale Verwirbelungsströmung erzeugt
wird. Die Erzeugung der vertikalen Verwirbelungsströmung,
die bei einem Einlaßhub beginnt, endet mit Abschluß dieses
Einlaßhubs, und im anschließenden Kompressionshub wird die
se Verwirbelungsströmung nur durch die Trägheit derselben
beibehalten. Wie es in diesem US-Patent beschrieben ist,
existiert, da die in der Oberseite dieses Kolbens ausgebil
dete Kraftstoff-Führungsnut schmaler als die Vertiefung ist,
ein Wendepunkt (Eckabschnitt), in dem sich die Krümmung
drastisch ändert, im Verbindungsabschnitt zwischen der Ver
tiefung und der Kraftstoff-Führungsnut, wie von oben gese
hen. Daher bewirkt die während des Einlaßhubs erzeugte ver
tikale Verwirbelungsströmung eine Turbulenz am Umlenkpunkt,
so daß die vertikale Verwirbelungsströmung nicht bis zur
hinteren Hälfte des Kompressionshubs beibehalten werden
kann. Demgemäß kann Kraftstoff nicht durch eine vertikale
Verwirbelungsströmung geführt werden, und der Betriebsbe
reich, in dem zuverlässige Zündung und stabile Verbrennung
möglich sind, ist beschränkt, und es kann keine geschichtete
Verbrennung erzielt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für
einen Motor mit Zylindereinspritzung zu schaffen, der für
genaue Strömung von Kraftstoff innerhalb einer Verbrennungs
kammer sorgt, um dadurch den Verbrennungs-Wirkungsgrad zu
verbessern.
Diese Aufgabe ist durch den Kolben gemäß dem beigefügten An
spruch 1 gelöst. Dieser Kolben sorgt dafür, daß vom Ein
spritzventil in die Verbrennungskammer eingespritzter Kraft
stoff durch die Luft von der Einlaßöffnung dazu veranlaßt
wird, die Vertiefung in der Oberseite des Kolbens zu errei
chen, und er durch die aus mehreren gekrümmten Flächen mit
verschiedenen Krümmungen gebildete Vertiefungsfläche geführt
wird, so daß der Kraftstoff in Form einer Verwirbelungs
strömung zur Zündkerze strömt. So können zuverlässige Zün
dung und Verbrennung erzielt werden. Außerdem wird, da die
Vertiefung ein geeignetes Volumen aufweist, eine geschichte
te Verbrennung erzielt, was zu verbessertem Verbrennungs-Wir
kungsgrad führt. Ferner gewährleistet die zweite gekrümm
te Fläche mit kleinerer Krümmung ein ausreichend großes Vo
lumen innerhalb der Vertiefung, während die erste gekrümmte
Fläche mit größerer Krümmung Kraftstoffnebel wirkungsvoll
sammelt und dafür sorgt, daß der so gesammelte Kraftstoff
zur Zündkerze strömt. So wird geschichtete Verbrennung er
möglicht.
Beim Kolben gemäß Anspruch 2 ist durch die zweite gekrümmte
Fläche für ein ausreichend großes Volumen innerhalb der Ver
tiefung gesorgt, und zwischen dem Einspritzventil und dieser
gekrümmten Fläche ist für einen ausreichend großen Abstand
gesorgt. So strömt der aus dem Einspritzventil eingespritzte
Kraftstoff ein, ohne daß er an der Wandfläche des Kolbens
anhaftet. Ferner ist der Abstand zwischen der Zündkerze und
der gekrümmten Fläche der Vertiefung durch die erste ge
krümmte Fläche, die höher als die zweite gekrümmte Fläche
liegt, verringert, und es kann dafür gesorgt werden, daß
Kraftstoffnebel zuverlässig zur Zündkerze strömt, was eine
stabile Verbrennung ermöglicht.
Beim Kolben gemäß Anspruch 3 ist die Stabilität der Verbren
nung verbessert, da die Strömung von Kraftstoffnebel zur
Zündkerze zuverlässiger erzeugt werden kann.
Mit dem Kolben gemäß Anspruch 4 kann in gut ausgewogener
Weise für niedrigen Kraftstoffverbrauch und hohe Ausgangs
leistung des Motors gesorgt werden, da für ein geeignetes
Vertiefungsvolumen gesorgt ist.
Beim Kolben gemäß Anspruch 5 wird vom Einspritzventil in die
Verbrennungskammer eingespritzter Kraftstoff durch Luft von
der Einlaßöffnung so geführt, daß er vom einspritzseitigen
Teil mit größerem Volumen zum zündkerzenseitigen Teil mit
kleinerem Volumen strömt. So strömt der Kraftstoff wirkungs
voll zur Zündkerze, so daß zuverlässige Zündung und Ver
brennung erzielbar sind.
Im Fall des Kolbens gemäß Anspruch 6 wird der vom Einspritz
ventil in die Verbrennungskammer eingespritzte Kraftstoff
durch Luft von der Einlaßöffnung so geführt, daß er auf
die Seite der Zündkerze fließt, wo die Vertiefung eingeengte
Breite aufweist. So können zuverlässige Zündung und Verbren
nung erzielt werden.
Beim Kolben gemäß Anspruch 7 ist dafür gesorgt, daß der vom
Einspritzventil in die Verbrennungskammer eingespritzte
Kraftstoff durch Luft von der Einlaßöffnung entlang der
glatten Umfangskante von der Seite des Einspritzventils zur
Seite der Zündkerze strömt. So können zuverlässige Zündung
und Verbrennung erzielt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren ver
anschaulichten Ausführungsbeispielen, die für die Erfindung
nicht beschränkend sind, näher beschrieben.
Fig. 1A ist eine schematische Ansicht einer Verbrennungskam
mer und deren Umgebung, und sie zeigt einen Kolben für einen
Motor mit Zylindereinspritzung gemäß einem ersten Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 1B ist eine Draufsicht des in Fig. 1A dargestellten
Kolbens;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht zum Beschreiben des Zu
stands eines Hohlraums im Kolben gemäß dem ersten Ausfüh
rungsbeispiel;
Fig. 3A ist eine schematische Ansicht einer Verbrennungskam
mer und deren Umgebung, und sie zeigt einen Kolben für einen
Motor mit Zylindereinspritzung gemäß einem zweiten Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3B ist eine Draufsicht des in Fig. 3A dargestellten
Kolbens;
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht zum Beschreiben des Zu
stands eines Hohlraums im Kolben gemäß dem zweiten Ausfüh
rungsbeispiel;
Fig. 5A und 5B sind Kurvenbilder, die stabile Verbrennungs
bereiche bei Leerlaufbetrieb zeigen;
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht einer Verbrennungskammer
und deren Umgebung bei einem typischen Motor mit Zylinder
einspritzung; und
Fig. 7A-7C sind schematische Ansichten herkömmlicher Kol
ben mit jeweils einem Hohlraum.
Wie es in Fig. 1A dargestellt ist, ist beim Motor mit Zylin
dereinspritzung mit einem Kolben gemäß dem vorliegenden Aus
führungsbeispiel ein Zylinderkopf 13 fest an einem Zylinder
block 11 angebracht. In einem Zylinder 14 innerhalb des Zy
linderblocks 11 ist ein Kolben 31 so angeordnet, daß er in
vertikaler Richtung beweglich ist. Der Zylinderblock 11, der
Zylinderkopf 13 und der Kolben 31 bilden eine Verbrennungs
kammer 16, mit der eine Einlaßöffnung 17 und eine Auslaß
öffnung 18 verbunden ist. Die Einlaßöffnung 17 wird durch
ein Einlaßventil 19 geöffnet und geschlossen, während die
Auslaßöffnung 18 durch ein Auslaßventil 20 geöffnet und
geschlossen wird. Auch ist am Zylinderkopf 13 in der Nähe
der Einlaßöffnung 17 ein Kraftstoff-Einspritzventil 21 zum
Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer 16 be
festigt. Ferner ist am Zylinder 13 im Zentrum des oberen
Teils der Verbrennungskammer 16 eine Zündkerze 22 zum Zünden
von Kraftstoffnebel angeordnet, wie er vom Einspritzventil
21 in die Verbrennungskammer 16 eingespritzt wurde.
Beim Motor mit Zylindereinspritzung mit dem obigen Aufbau
verfügt der Kolben 31 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbei
spiel über einen Hohlraum 32, der in seiner Oberseite ausge
bildet ist und als Vertiefung dient. Im Hohlraum 32 besteht
eine gekrümmte Fläche, die eine gekrümmte Fläche des Hohl
raums 32, die im wesentlichen unter der Zündkerze 22 liegt,
und eine gekrümmte Fläche des Hohlraums 32 verbindet, die im
wesentlichen unter dem Einspritzventil 21 liegt, aus mehre
ren gekrümmten Flächen mit verschiedenen Krümmungen, um die
zugehörige Länge zu minimieren.
D. h., daß, wie es in den Fig. 1A, 1B und 2 dargestellt
ist, im Hohlraum 32 des Kolbens 31 eine gekrümmte Fläche
32a, die im wesentlichen unter dem Einspritzventil 21 liegt,
eine Kugelfläche B1 zentrisch zu einem Punkt O1 mit einem
Krümmungsradius ρ1 ist. Auch ist eine gekrümmte Fläche 32b,
die im wesentlichen unter der Zündkerze 22 liegt, eine Ku
gelfläche B2 zentrisch zu einem Punkt O2 mit einem Krüm
mungsradius ρ2. Die gekrümmten Flächen 32a und 32b sind über
eine gekrümmte Verbindungsfläche 32c glatt miteinander ver
bunden, wobei der Abstand zwischen den gekrümmten Flächen
32a und 32b minimiert ist. Der Krümmungsradius ρ1 der ge
krümmten Fläche 32a sowie der Krümmungsradius ρ2 der ge
krümmten Fläche 32b erfüllen die Beziehung ρ1<ρ2, d. h.,
daß die Krümmung κ1 der gekrümmten Fläche 32a und die Krüm
mung κ2 der gekrümmten Fläche 32b die Beziehung κ1<κ2 er
füllen. Ferner erstreckt sich der durch die zusammenhängen
den gekrümmten Flächen 32a, 32b und 32c erzeugte Hohlraum 32
geringfügig in Querrichtung (in der vertikalen Richtung in
Fig. 1B), wie von der Oberseite dieses Hohlraums 32 her ge
sehen.
Das Volumen des Hohlraums 32 beeinflußt das Funktionsvermö
gen des Motors stark. Wenn z. B. das Verhältnis aus dem Vo
lumen des Hohlraums 32 zum Gesamtvolumen der Verbrennungs
kammer 16 übermäßig groß ist, nimmt die Fläche zu, was zu
erhöhten Wärmeverlusten führt, obwohl diese Vergrößerung für
geschichtete Verbrennung von Vorteil ist. Demgegenüber kann,
wenn das Verhältnis aus dem Volumen des Hohlraums 32 zum
Gesamtvolumen der Verbrennungskammer 16 übermäßig klein ist,
die Erzeugung einer Saltoströmung (Verwirbelungsströmung)
nicht ausreichend unterstützt werden, was das Erzielen ge
schichteter Verbrennung unmöglich macht, wobei jedoch die
Ausgangsleistung zunimmt. Um diese Mängel zu überwinden,
wird beim Motor mit Zylinderverbrennung gemäß dem vorliegen
den Ausführungsbeispiel das Volumen des Hohlraums 32 so ein
gestellt, daß eine Saltoströmung (Verwirbelungsströmung)
erzeugt wird, um dadurch geschichtete Verbrennung zu ermög
lichen, während für ausreichende Ausgangsleistung gesorgt
ist.
D. h., daß dann, wenn, wie es in Fig. 2 dargestellt ist,
das Volumen des Hohlraums 32 durch Va repräsentiert wird,
das Volumen eines Raums, wie er über dem Hohlraum 32 erzeugt
ist, wenn sich der Kolben 31 im oberen Totpunkt befindet,
durch Vb repräsentiert wird, und das Volumen eines über dem
Kolben 31 ausgebildeten Raums, außer dem Raum, wie er über
dem Hohlraum 32 ausgebildet ist, wenn sich der Kolben 31 im
oberen Totpunkt befindet, durch Vc repräsentiert wird, der
Volumenanteil des Hohlraums 32 durch die folgende Gleichung
ausgedrückt ist:
Volumenanteil des Hohlraums = (Va + Vb)/(Va + Vb + Vc).
Der optimale Wert für den Volumenanteil des Hohlraums be
trägt ungefähr 0,5. Jedoch kann der Volumenanteil des Hohl
raums im Bereich von 0,3-0,7 eingestellt werden. Wenn die
ser Anteil so eingestellt wird, daß er in diesen Bereich
fällt, werden eine Verringerung des Energieverbrauchs und
die Sicherstellung der Ausgangsleistung auf gut ausgewogene
Weise erzielt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann,
da die Oberseite des Kolbens über satteldachähnliche Form
verfügt, die vom Kolben 31 und vom Zylinderkopf 13 im oberen
Totpunkt umschlossene Fläche verringert werden, so daß der
Volumenanteil des Hohlraums 32 zum Gesamtvolumen der Ver
brennungskammer 16 erhöht werden kann. Demgemäß kann die
Ausgangsleistung durch eine Vergrößerung des Kompressions
verhältnisses des Motors erhöht werden.
Wie oben beschrieben, ist beim vorliegenden Ausführungsbei
spiel der Volumenanteil des Hohlraums entsprechend der oben
angegebenen Gleichung eingestellt; die unter dem Einspritz
ventil 21 liegende gekrümmte Fläche 32a sowie die unter der
Zündkerze 22 liegende gekrümmte Fläche 32b sind über die ge
krümmte Verbindungsfläche 32c gleichmäßig verbunden; außer
dem sind die Krümmung κ1 der gekrümmten Fläche 32a und die
Krümmung κ2 der gekrümmten Fläche 32b so eingestellt, daß
sie der Beziehung κ1<κ2 genügen. Daher wird die von der
Einlaßöffnung 17 in die Verbrennungskammer 16 fließende
Luft durch den Hohlraum 32 dahingehend unterstützt, daß sie
eine Saltoströmung (vertikale Verwirbelungsströmung) er
zeugt. D. h., daß sie in die Verbrennungskammer 16 entlang
der Zylinderwand angrenzend an die Einlaßöffnung 17 nach
unten zur Oberseite des Kolbens 31 strömt und durch die ge
krümmte Fläche 32a des Hohlraums 32 in den mittleren Teil
der Verbrennungskammer 16 geleitet wird. Ferner wird die
Luftströmung durch die gekrümmte Fläche 32b umgekehrt, um
dafür zu sorgen, daß die Luft zur Unterseite des Zylinder
kopfs 13 strömt. Wenn der Motor im unteren/mittleren Lastbe
reich betrieben wird, wird Kraftstoff während der mittleren
oder abschließenden Periode des Kompressionshubs vom Ein
spritzventil 21 in die Verbrennungskammer 16 eingespritzt,
und der Kraftstoff trifft auf die Fläche des Hohlraums 32
und strömt entlang den gekrümmten Flächen 32a und 32b des
selben zur Zündkerze 22, zu der er durch eine Saltoströmung
geführt wird.
D. h., daß die gekrümmte Fläche 32a mit kleinerer Krümmung,
die auf der Seite liegt, auf der das Einspritzventil 21 an
geordnet ist, für ein ausreichendes Hohlraumvolumen sorgt
und den vom Einspritzventil 21 eingespritzten Kraftstoffne
bel wirkungsvoll führt, während die gekrümmte Fläche 32b mit
größerer Krümmung, die auf derjenigen Seite vorhanden ist,
auf der sich die Zündkerze 22 befindet, den Kraftstoffnebel
wirkungsvoll sammelt und ihn zuverlässig dazu veranlaßt,
zur Zündkerze 22 zu strömen. Demgemäß können innerhalb der
Verbrennungskammer 16 zuverlässige Zündung und Verbrennung
erzielt werden, und durch Bereitstellen des geeigneten Hohl
raumvolumens wird geschichtete Verbrennung möglich gemacht,
so daß der Verbrennungs-Wirkungsgrad verbessert werden
kann.
In den Fig. 3A-5B zum zweiten Ausführungsbeispiel sind
Elemente mit denselben Funktionen, wie sie beim ersten Aus
führungsbeispiel beschrieben sind, mit denselben Symbolen
gekennzeichnet, und zugehörige Beschreibungsteile werden
weggelassen.
Wie es in den Fig. 3A und 3B dargestellt ist, ist in einem
Kolben 41 für einen Motor mit Zylindereinspritzung gemäß dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Oberseite ein als
Vertiefung dienender Hohlraum 42 ausgebildet. Im Hohlraum 42
ist, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, eine gekrümmte Fläche
32a, die im wesentlichen unter dem Einspritzventil 21 liegt,
eine Kugelfläche B1 zentrisch zu einem Punkt O1 mit einem
Krümmungsradius ρ1. Auch ist eine gekrümmte Fläche 42b, die
im wesentlichen unter der Zündkerze 22 liegt, eine Kugelflä
che B2 zentrisch zu einem Punkt O2 und mit einem Krümmungs
radius ρ2. Die gekrümmten Flächen 42a und 42b sind über eine
gekrümmte Verbindungsfläche 42c gleichmäßig so verbunden,
daß der Abstand zwischen den gekrümmten Flächen 42a und 42b
minimiert ist. Der Krümmungsradius ρ1 der gekrümmten Fläche
42a sowie der Krümmungsradius ρ2 der gekrümmten Fläche 42b
erfüllen die Beziehung ρ1<ρ2, d. h., daß die Krümmung κ1
der gekrümmten Fläche 42a und die Krümmung κ2 der gekrümmten
Fläche 42b die Beziehung κ1<κ2 erfüllen.
Darüber hinaus ist der Hohlraum 42 beim vorliegenden Ausfüh
rungsbeispiel so konzipiert, daß die Höhe H1 des untersten
Teils der gekrümmten Fläche 42a, der im wesentlichen unter
dem Einspritzventil 21 liegt, kleiner als die Höhe H2 des
untersten Teils der gekrümmten Fläche 42b ist, die im we
sentlichen unter der Zündkerze 22 liegt. D. h., daß der Bo
den der gekrümmten Fläche 42b höher als der Boden der ge
krümmten Fläche 42a liegt und sich die gekrümmte Verbin
dungsfläche 42c schräg nach oben zur Mitte des Kolbens 41
erstreckt. Ferner erstreckt sich der durch die zusammenhän
gende, gekrümmte Fläche 42a, 42b und 42c erzeugte Hohlraum
42 leicht in Querrichtung (in vertikaler Richtung in Fig.
3B), wie von der Oberseite des Hohlraums 42 her gesehen.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Volumenanteil
des Hohlraums entsprechend der obenbeschriebenen Gleichung,
wie beim ersten Ausführungsbeispiel, eingestellt. Die unter
dem Einspritzventil 21 liegende gekrümmte Fläche 42a sowie
die unter der Zündkerze 22 liegende gekrümmte Fläche 42b
sind über die gekrümmte Verbindungsfläche 42c gleichmäßig
verbunden. Die Krümmung κ1 der gekrümmten Fläche 42a sowie
die Krümmung κ2 der gekrümmten Fläche 42b sind so einge
stellt, daß die Beziehung κ1<κ2 erfüllt ist. Außerdem ist
die Höhe H1 der gekrümmten Fläche 42a kleiner als die Höhe
H2 der gekrümmten Fläche 42b. Daher wird von der Einlaßöff
nung 17 in die Verbrennungskammer 16 einströmende Luft durch
den Hohlraum 42 so unterstützt, daß eine Saltoströmung
(vertikale Verwirbelungsströmung) erzeugt wird. D. h., daß
die in die Verbrennungskammer 16 strömende Luft entlang der
Zylinderwand angrenzend an die Einlaßöffnung 17 nach unten
zur Oberseite des Kolbens 41 läuft und durch die gekrümmte
Fläche 42a des Hohlraums 42 zum mittleren Teil der Verbren
nungskammer 16 geführt wird. Ferner wird die Strömung der
Luft durch die gekrümmte Flasche 42b des Hohlraums 42 umge
kehrt, um dafür zu sorgen, daß die Luft zur Unterseite des
Zylinderkopfs 13 strömt. Wenn der Motor im Bereich niedri
ger/mittlerer Last betrieben wird, wird Kraftstoff in der
mittleren oder abschließenden Periode des Kompressionshubs
vom Einspritzventil 21 in die Verbrennungskammer 16 einge
spritzt, und der Kraftstoff trifft auf die Oberseite des
Hohlraums 42 und strömt entlang den gekrümmten Flächen 42a
und 42b des Hohlraums 42 zur Zündkerze 22, zu der er durch
eine Saltoströmung geführt wird.
D. h., daß die gekrümmte Fläche 42a mit kleinerer Krümmung,
die auf derjenigen Seite vorhanden ist, auf der das Ein
spritzventil 21 liegt, für ein ausreichendes Hohlraumvolumen
sorgt und vom Einspritzventil 21 eingespritzten Kraftstoff
nebel wirkungsvoll führt, ohne daß Anhaftung des Kraft
stoffs an der Oberseite (gekrümmte Fläche 42a) des Kolbens
verursacht wird. Indessen stellt die gekrümmte Fläche 42b
mit größerer Krümmung, die näher an der Zündkerze 22 liegt,
den Abstand zwischen der Zündkerze 22 und der Wandfläche des
Hohlraums 42 auf einen gewünschten Wert ein, so daß der
Kraftstoffnebel wirkungsvoll gesammelt werden kann und dafür
gesorgt werden kann, daß er zuverlässig zur Zündkerze 22
strömt. Demgemäß können innerhalb der Verbrennungskammer 16
zuverlässige Zündung und Verbrennung erzielt werden, und
durch Bereitstellen eines geeigneten Hohlraumvolumens ist
geschichtete Verbrennung ermöglicht, so daß der Verbren
nungs-Wirkungsgrad verbessert werden kann.
Der Kolben 41 mit dem obenangegebenen Hohlraum 42 ist im
Leerlaufbetrieb des Motors mit Zylindereinspritzung wirksam.
D. h., daß, wie oben beschrieben, der vom Einspritzventil
21 in die Verbrennungskammer 16 eingespritzte Kraftstoffne
bel zum Hohlraum 42 des Kolbens 41 geführt wird. Dabei
trifft, wenn der Abstand zwischen dem Einspritzventil 21 und
der gekrümmten Fläche 42a auf der Seite des Einspritzventils
21 übermäßig klein ist, der Kraftstoffnebel auf die gekrümm
te Fläche 42a, an der er nach Verflüssigung anhaftet. Außer
dem ist auch, da sich der Motor im Leerlaufbetrieb im Be
reich niedriger Drehzahlen befindet, die Bewegungsgeschwin
digkeit des Kolbens gering, so daß die im Zylinder erzeugte
Saltoströmung gering ist. Jedoch befindet sich beim Kolben
41 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die gekrümmte
Fläche 42a des Hohlraums 42 auf der Seite des Einspritzven
tils 21 in einer vorbestimmten Entfernung vom Einspritzven
til 21, und sie weist eine kleine Krümmung auf. Daher wird
selbst dann, wenn keine ausreichend starke Saltoströmung er
zeugt wird, der Kraftstoffnebel vom Einspritzventil 21 durch
die gekrümmte Fläche 42a zur Mitte des Kolbens 41 geführt,
und dann wird durch die gekrümmte Fläche 42b dafür gesorgt,
daß er zur Zündkerze 22 strömt. Daher werden innerhalb der
Verbrennungskammer 16 zuverlässige Zündung und Verbrennung
erzielt.
Dies ist auch aus den in den Fig. 5A und 5B dargestellten
Kurvenverläufen erkennbar. Die Kurvenverläufe der Fig. 5A
und 5B zeigen Bereiche stabiler Verbrennung im Leerlaufbe
trieb. Das Kurvenbild von Fig. 5A gilt für einen Motor mit
Zylindereinspritzung unter Verwendung des Kolbens 31 gemäß
dem ersten Ausführungsbeispiel, während das Kurvenbild von
Fig. 5B für einen Motor mit Zylindereinspritzung mit dem
Kolben 41 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gilt. Wie es
in diesen Kurvenbildern dargestellt ist, erzielt der Kolben
41 im Leerlaufbetrieb einen größeren stabilen Verbrennungs
bereich als der Kolben 31. Durch die obenbeschriebene Struk
tur, bei der der Boden der gekrümmten Fläche 42a auf der
Seite des Einspritzventils 41 tiefer liegt als der Boden der
gekrümmten Fläche 42b auf der Seite der Zündkerze 22, kann
der Kraftstoffnebel vom Einspritzventil 21 zur Mitte des
Kolbens 41 geführt werden, ohne daß es zu einem Anhaften an
der gekrümmten Fläche 42a kommt, so daß innerhalb der Ver
brennungskammer 16 zuverlässige Zündung und Verbrennung er
zielt werden und die Stabilität der Verbrennung verbessert
ist.
Bei den obenbeschriebenen Ausführungsbeispielen besteht der
Hohlraum 42 aus den zwei gekrümmten Flächen 32a und 32b so
wie der sie verbindenden gekrümmten Verbindungsfläche 32c,
während der Hohlraum 42 aus den zwei gekrümmten Flächen 42a
und 42b und der sie verbindenden gekrümmten Verbindungsflä
che 42c besteht. Jedoch ist bei der Erfindung die Anzahl der
gekrümmten Flächen nicht auf diejenige bei den Ausführungs
beispielen beschränkt. Ferner ist der Typ des Motors mit
Zylindereinspritzung bei der Erfindung nicht auf den obenbe
schriebenen Typ beschränkt. Selbst wenn die Erfindung bei
einem Motor angewandt wird, bei dem die Einlaß- und die
Auslaßöffnung symmetrisch im Zylinderkopf vorhanden sind,
um Verwirbelungen innerhalb der Verbrennungskammer zu erzeu
gen, können Wirkungen und Effekte erzielt werden, die denen
bei den obenbeschriebenen Ausführungsbeispielen entsprechen.
Wie es bei den Ausführungsbeispielen speziell beschrieben
ist, ist bei einem erfindungsgemäßen Kolben für einen Motor
mit Zylindereinspritzung die Zündkerze näher am mittleren
Teil der Verbrennungskammer als das Einspritzventil angeord
net; in der Oberseite des Kolbens ist eine Vertiefung so
ausgebildet, daß sie dem Einspritzventil und der Zündkerze
zugewandt ist; eine gekrümmte Fläche der Vertiefung, die
eine im wesentlichen unter der Zündkerze liegende gekrümmte
Fläche mit einer im wesentlichen unter dem Einspritzventil
liegenden gekrümmten Fläche verbindet, weist mehrere Krüm
mungen auf, um ihre Länge zu minimieren. Demgemäß ist dafür
gesorgt, daß vom Einspritzventil in die Verbrennungskammer
eingespritzter Kraftstoff durch Luft, die von der Einlaß
öffnung in die Verbrennungskammer strömt, dazu gebracht
wird, die Vertiefung in der Oberseite des Kolbens zu errei
chen, und er durch die aus der gekrümmten Fläche mit mehre
ren Krümmungen bestehende Vertiefungsfläche geführt wird, so
daß dieser Kraftstoff in Form einer Verwirbelungsströmung
zur Zündkerze strömt. So können innerhalb der Verbrennungs
kammer zuverlässige Zündung und Verbrennung erzielt werden.
Außerdem kommt es zu geschichteter Verbrennung, da die Ver
tiefung das korrekte Volumen aufweist, was zu verbessertem
Verbrennungs-Wirkungsgrad führt.
Auch ist bei der Erfindung die Krümmung auf der Seite der
Zündkerze, unter den mehreren Krümmungen, größer als dieje
nige auf der Seite des Einspritzventils eingestellt. Daher
sorgt die gekrümmte Fläche auf der Seite des Einspritzven
tils mit kleinerer Krümmung für ein ausreichend großes Volu
men innerhalb der Vertiefung, während die gekrümmte Fläche
auf der Seite der Zündkerze mit größerer Krümmung den Kraft
stoffnebel wirkungsvoll sammelt und dafür sorgt, daß der so
gesammelte Kraftstoff zuverlässig zur Zündkerze strömt. So
ist geschichtete Verbrennung ermöglicht.
Ferner liegt bei der Erfindung der Boden der im wesentlichen
unter der Zündkerze liegenden gekrümmten Fläche höher als
der Boden der im wesentlichen unter dem Einspritzventil lie
genden gekrümmten Fläche. Daher ist zwischen dem Einspritz
ventil und der unter ihm liegenden gekrümmten Fläche für
einen ausreichend großen Abstand gesorgt, so daß innerhalb
der Vertiefung für ein ausreichend großes Volumen gesorgt
ist, wodurch dafür gesorgt werden kann, daß der vom Ein
spritzventil eingespritzte Kraftstoff ohne Anhaftung an der
gekrümmten Fläche der Vertiefung strömt. Ferner kann, da der
Abstand zwischen der Zündkerze und der gekrümmten Fläche der
Vertiefung dadurch verringert ist, daß die gekrümmte Fläche
auf der Seite der Zündkerze höher als die gekrümmte Fläche
auf der Seite des Einspritzventils liegt, Kraftstoffnebel
zuverlässig dazu veranlaßt werden, zur Zündkerze zu strö
men, so daß die Verbrennungsstabilität innerhalb der Ver
brennungskammer verbessert werden kann.
Darüber hinaus trifft bei der Erfindung vom Einspritzventil
eingespritzter Kraftstoff an einer Position, die im wesent
lichen unter der Zündkerze liegt, auf die Vertiefung des
Kolbens. Daher strömt der Kraftstoffnebel zuverlässiger zur
Zündkerze, so daß die Stabilität der Verbrennung verbessert
ist. Demgemäß kann eine vorteilhafte Wirkung insbesondere im
Bereich niedriger Motordrehzahlen, wie im Leerlaufbetrieb,
erzielt werden.
Nachdem die Erfindung auf diese Weise beschrieben wurde, ist
es ersichtlich, daß sie auf viele Arten variiert werden
kann. Derartige Variationen sollen nicht als Abweichung vom
Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung angesehen wer
den, sondern im Schutzumfang der folgenden Ansprüche sollen
alle Modifizierungen enthalten sein, wie sie für den Fach
mann erkennbar sind.
Claims (7)
1. Kolben für einen Motor mit Zylindereinspritzung mit
- - einer Verbrennungskammer (16), die durch die Unterseite eines Zylinderkopfs (13), eine Zylinderwand und die Obersei te eines Kolbens (31, 41) gebildet ist;
- - einem Einspritzventil (21), das in der Nähe einer Einlaß öffnung (17) des Motors angeordnet ist und so ausgebildet ist, daß es Kraftstoff in die Verbrennungskammer ein spritzt;
- - einer Zündkerze (22), die näher als das Einspritzventil am mittleren Teil der Verbrennungskammer angeordnet ist; und
- - einer Vertiefung (32, 42), die in der Oberseite des Kol
bens so ausgebildet ist, daß sie dem Einspritzventil und
der Zündkerze im wesentlichen zugewandt ist;
dadurch gekennzeichnet, daß - - die Vertiefung so ausgebildet ist, daß eine erste ge krümmte, im wesentlichen unter der Zündkerze liegenden Flä che (32b, 42b) und eine zweite gekrümmte, im wesentlichen unter dem Einspritzventil liegende Fläche (32a, 42a) erste Krümmungen, die voneinander verschieden sind, aufweisen;
- - wobei die Krümmung (κ1) der ersten gekrümmten Fläche grö ßer als diejenige (κ2) der zweiten gekrümmten Fläche ausge bildet ist; und
- - wobei die erste gekrümmte Fläche und die zweite gekrümmte Fläche über einen Verbindungsteil (32c, 42c) gleichmäßig verbunden sind.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vertiefung (42) auf solche Weise ausgebildet ist, daß
der Boden der ersten gekrümmten, im wesentlichen unter der
Zündkerze (22) liegenden Fläche (42b) höher als der Boden
der zweiten gekrümmten, im wesentlichen unter dem Einspritz
ventil (21) liegenden Fläche (42a) liegt.
3. Kolben nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß
der vom Einspritzventil (21) eingespritzte Kraftstoff an der
zweiten gekrümmten Fläche (42b), die im wesentlichen unter
der Zündkerze (22) liegt, auf die Vertiefung (42) des Kol
bens trifft.
4. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der durch die folgende Gleichung ausge
drückte Volumenanteil des Hohlraums innerhalb des Bereichs
von 0,3-0,7 liegt:
Volumenanteil des Hohlraums = (Va + Vb)/(Va + Vb + Vc),
wobei Va das Volumen der Vertiefung (32, 42) ist; Vb das Volumen eines Raums ist, wie er über der Vertiefung ausge bildet ist, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befin det; und Vc das Volumen eines über dem Kolben ausgebildeten Raums ist, ohne das Volumen des Raums, wie er über der Ver tiefung ausgebildet ist, wenn sich der Kolben im oberen Tot punkt befindet.
Volumenanteil des Hohlraums = (Va + Vb)/(Va + Vb + Vc),
wobei Va das Volumen der Vertiefung (32, 42) ist; Vb das Volumen eines Raums ist, wie er über der Vertiefung ausge bildet ist, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befin det; und Vc das Volumen eines über dem Kolben ausgebildeten Raums ist, ohne das Volumen des Raums, wie er über der Ver tiefung ausgebildet ist, wenn sich der Kolben im oberen Tot punkt befindet.
5. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vertiefung (32, 42) so ausgebildet
ist, daß das Volumen der Vertiefung auf der Seite der Zünd
kerze (22) hinsichtlich des Verbindungsabschnitts kleiner
als das Volumen der Vertiefung auf der Seite des Einspritz
ventils (21) hinsichtlich des Verbindungsabschnitts liegt.
6. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vertiefung (32, 42) auf solche Wei
se ausgebildet ist, daß ihre Breite in einer Richtung
rechtwinklig zu einer Linie die die Zündkerze (22) mit dem
Einspritzventil (21) verbindet, von einer Position aus, die
im wesentlichen unter der Zündkerze liegt, zu einer Position
zunimmt, die im wesentlichen unter dem Einspritzventil
liegt.
7. Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Umfangsrand der Vertiefung (32,
42), der auf der der Zündkerze (22) entsprechenden Seite
liegt, und der Umfangsrand der Vertiefung, der auf der dem
Einspritzventil (21) entsprechenden Seite liegt, gleichmäßig
miteinander verbunden sind.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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