DE19923251A1 - Kolben für eine Direkteinspritzbrennkammer eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Verbrennungsmotor mit Kraftstoffdirekteinspritzung, mit einer Brennkammer (10), die von einem Zylinderkopf, der eine Zündkerze (40) aufweist, einer Kraftstoffeinspritzdüse (20) und einem Lufteinlaßmittel (110b) mit einem Drallsteuerventil (200), einer Zylinderwand, und einem Kolbenboden (9) mit einem Verdampfungsabschnitt (16) gebildet wird, wobei der Kolbenboden (9) aufweist: eine Bodenfläche (11) mit vorbestimmter Tiefe und vorbestimmten Gradient, eine bogenförmige erste Wand (12), die mit der Bodenfläche (11) verbunden ist und an der Auslaßseite ausgebildet ist, eine bogenförmige zweite Wand (14), die mit der Bodenfläche (11) verbunden ist und parallel zu der ertsen Wand (12) ausgebildet ist, einen vorstehenden Abschnitt (13), der zwischen der ersten Wand (12) und der zweiten Wand (14) ausgebildet ist, und eine bogenförmige dritte Wand (15), die mit der Bodenfläche (11) verbunden ist und an der Einlaßseite ausgebildet ist, wobei, wenn eine erste und eine zweite imaginäre Linie über den Kolbenboden (9) gezogen werden, die einander kreuzen und den Kolbenboden (9) in vier gleiche Abschnitte teilen, wobei die erste Linie zwischen einer ersten Einlaßöffnung (80a) und einer zweiten Einlaßöffnung (80b) positioniert ist, und Abstandslinien parallel zu der zweiten imaginären Linie gezogen werden, und wenn ein erster Abstand (a) zwischen der zweiten imaginären Linie und einer ersten Abstandslinie, ein zweiter Abstand (b) zwischen der zweiten imaginären Linie und einer zweiten ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, bei dem eine magere Verbrennung realisiert wird.

Im allgemeinen werden Verbrennungsmotoren durch Zuführen eines Kraftstoff/Luft-Gemisches in einen Zylinder und Verdichten und Zünden des Gemisches betrieben. Ein Verfahren zum Erzeugen von Leistung in Verbrennungsmotoren zum Antrieb eines Fahrzeuges weist die folgenden Schritte auf: Zuführen von Luft über ein Luftzuführsystem, Einspritzen von Kraftstoff derart, daß er sich mit der Luft während eines Einlaßhubs vermischen kann, Sprühen des Kraftstoff/Luft-Gemisches in einen Verdampfungsabschnitt, Zünden des Gemisches unter Verwendung einer Zündkerze, und Auslassen des verbrannten Gases über ein Auslaßsystem.

In letzter Zeit wurden viele Versuche und Entwicklungen zum Verbessern des Kraftstoffverbrauchs und zum Verringern der Schadstoffemission bei Verbrennungsmotoren mit Direkt­ einspritzung durchgeführt.

Ein derartiger Verbrennungsmotor, der ein Kraftstoff- Direkteinspritzsystem mit zwei Einlaßöffnungen aufweist, von denen eine ein Drallsteuerventil zum Regulieren der Verwirbelung des Kraftstoffes in der Brennkammer aufweist, wurde zum Erhöhen der Effizienz der Flammenausbreitung eingeführt.

Ein Beispiel eines derartigen Motors ist in dem US-Patent Nr. 5,553,588 offenbart. Die Fig. 1 und 2 zeigen eine geschnittene Vorderansicht bzw. eine Draufsicht eines Teils des Verbrennungsmotors nach dem US-Patent Nr. 5,553,588.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Brennkammer, das Bezugszeichen 30 bezeichnet einen Kolben und das Bezugszeichen 50 bezeichnet einen Verdampfungsabschnitt, der an einer oberen Fläche des Kolbens 30 ausgebildet ist. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Kraftstoffeinspritzdüse, welche Kraftstoff direkt in die Brennkammer 10 einspritzt, und das Bezugszeichen 40 bezeichnet eine Zündkerze. Ferner bezeichnen die Bezugszeichen 70a und 70b, und 90a und 90b (nur 70a und 90a sind in Fig. 1 gezeigt) Einlaßventile bzw. Auslaßventile. Bei einem solchen herkömmlichen Motor ist, da jeder Zylinder zwei Einlaßventile und zwei Auslaßventile aufweist, dieser Aufbau als Vierventilkammer bekannt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind Ansaugkanäle 110a und 110b zum Zuführen von Luft in die Brennkammer 10 vorgesehen. Die Ansaugkanäle 110a und 110b sind jeweils mit einer Einlaßöffnung 80a bzw. 80b verbunden. Die Einlaßöffnung 80a weist einen spiralförmigen Aufbau auf, der den Ansaugluftstrom in Spiralrichtung führt, und dient als sogenannte Drallöffnung. Im Gegensatz zu der Einlaßöffnung 80a ist die Einlaßöffnung 80b eine geradeauslaufende Öffnung, über die Ansaugluft linear in die Brennkammer 10 strömt. Der Ansaugkanal 110b, der mit der Einlaßöffnung 80b, d. h. mit der geradeauslaufenden Öffnung verbunden ist, ist mit einem Drallsteuerventil 200 versehen.

Mit Bezug auf Fig. 3 weist der Verdampfungsabschnitt 50, der in der oberen Fläche des Kolbens 30 ausgebildet ist, eine erste Wand 50a, eine zweite Wand 50b und eine dritte Wand 50c auf. Die erste Wand 50a und die dritte Wand 50c sind bogen­ förmig ausgebildet und derart angeordnet, daß sie in Richtung der Wirbelströmung einander gegenüberliegen. Die erste Wand 50a und die dritte Wand 50c sind an einer der Kraftstoff­ einspritzdüse 20 gegenüberliegenden Seite über die zweite Wand 50b miteinander verbunden.

Aus Fig. 4 ist ein anderes Beispiel des Kolbens 30 ersichtlich, der in dem US-Patent Nr. 5,553,588 offenbart ist, wobei eine Auswölbung 50d in einem Bereich des Verdampfungs­ abschnitts 50 in der Nähe der Verbindung der zweiten Wand 50b mit der dritten Wand 50c ausgebildet ist. Die Auswölbung 50d erweitert das Aufnahmevermögen im Bereich der dritten Wand 50c.

Aus Fig. 5 ist noch ein anderes Beispiel des Kolbens 30 gezeigt, wobei ein Teil 50e der zweiten Wand 50b, welcher bezüglich der Zündkerze 40 auf der Seite in Richtung der Wirbelströmung positioniert ist, nach innen zur Zündkerze 40 hin ausgebildet ist, so daß ein konstanter Abstand zwischen der Zündkerze 40 und dieser Fläche des Verdampfungsabschnitts 50 gehalten wird.

Die Fig. 3, 4, und 5 stellen Hauptstufen dar, in denen Kraftstoff in den Verdampfungsabschnitt 50 eingespritzt wird.

Der Vorgang der Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisches gemäß dem oben beschriebenen Motor mit einer Direkteinspritzbrennkammer wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.

Beim Ansaughub bewegt sich der Kolben 30 über eine Kurbel­ welle und eine Pleuelstange (nicht gezeigt) auf den unteren Totpunkt der Brennkammer 10 zu. Während des Ansaughubes wird das Einlaßventil 70a durch die Nockenwelle (nicht gezeigt) offen gehalten. Wenn sich der Kolben 30 von der Brennkammer nach unten bewegt, wird ein Unterdruck erzeugt, so daß die Luft über das Einlaßventil 70a in die Brennkammer 10 hineingesaugt wird.

Wenn sich der Kolben 30 über die Kurbelwelle vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt hin bewegt, schließt sich das Einlaßventil 70a. Die Luft wird in die Brennkammer 10 eingeschlossen und daher durch den sich nach oben bewegenden Kolben verdichtet. Wenn der Kolben in die Nähe des oberen Totpunktes gelangt, wird eine vorbestimmte Kraftstoffmenge aus der Kraftstoffeinspritzdüse 20 in die Brennkammer 10 eingespritzt. Der Kraftstoff wird in dem ausgehöhlten Verdampfungsabschnitt 50 versprüht und verdampft, so daß das Kraftstoff/Luft-Gemisch an den Wänden des Verdampfungs­ abschnitts 50 um die Zündkerze 40 herum konzentriert wird.

Nachfolgend wird das Verhalten des in die Brennkammer 10 des Direkteinspritzmotors nach dem Stand der Technik eingespritzten Kraftstoffs ausführlicher erläutert.

Der in den Verdampfungsabschnitt 50 eingespritzte Kraftstoff trifft auf die Bodenfläche des Verdampfungs­ abschnitts 50 auf, um eine Kraftstoffnebelwolke zu bilden. Dieser Kraftstoffnebel wird von dem Wirbel getragen und strömt entlang der bogenförmigen ersten Wand 50a. Während der Kraftstoffnebel entlang der ersten Warid 50a strömt, werden die Kraftstoffteilchen zerstäubt und verdampfen, um ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch zu bilden, welches die zweite Wand 50b erreicht. Da die zweite Wand 50b eine annähernd gerade Linie bildet, strömt das zündfähige Kraftstoff/Luft-Gemisch schnell entlang der zweiten Wand 50b, um die Zündkerze 40 zu passieren, wonach das Kraftstoff/Luft-Gemisch zur dritten Wand 50c hin strömt. Da das Aufnahmevermögen im Bereich der dritten Wand 50c des Verdampfungsabschnitts 50 größer als das Aufnahmevermögen im Bereich der ersten Wand 50a des Verdampfungsabschnitts 50 ist, wird jedoch selbst bei einer großen Menge an ein­ gespritztem Kraftstoff eine Anhäufung von eingespritztem Kraftstoff in der Nähe der Zündkerze 40 verhindert. Daher wird in der Nähe der Zündkerze 40 keine ausreichende Konzentration des Kraftstoff/Luft-Gemisches gebildet.

In dem oben genannten Zustand wird das Kraftstoff/Luft- Gemisch durch einen Funken aus der Zündkerze 40 gezündet und die Ausdehnung des brennenden Gemisches bewirkt ein schnelles Anwachsen des Druckes. Dieser erhöhte Druck drückt den Kolben im Leistungshub nach unten, wodurch die Kurbelwelle gedreht wird. Am Ende des Leistungshubes öffnet die Nockenwelle (nicht gezeigt) das Auslaßventil 90a und der Auslaßhub beginnt. Der in der Brennkammer 10 verbleibende Druck und die Bewegung des Kolbens 30 nach oben drückt die Endgase aus der Brennkammer 10 heraus. Bei dem herkömmlichen Motor mit Kraftstoffdirekt­ einspritzung kann jedoch, da die Einspritzdüse 20 in Richtung der Mitte des Kolbens 30 ausgerichtet ist, um den Kraftstoff an die erste Wand 50a des Verdampfungsabschnitts 50 zu sprühen, der am Ende des Verdichtungshubes eingespritzte Kraftstoff durch den Sprühdruck aus dem Verdamfungsabschnitt 50 herausströmen. Dies bewirkt andererseits eine unregelmäßige Zündung, so daß es unmöglich ist, eine gleichmäßige Expansionsleistung zu erreichen.

Ferner ergeben sich wegen der Adhäsionswirkung, bei der eine Adhäsion von Kraftstoff an der Wand des Verdampfungs­ abschnitts 50 während des Passierens des Kraftstoffs entlang der zweiten Wand 50b auftritt, Probleme, wie Alterung der Kraftstoffschicht und Realisieren von nur teilweiser Ver­ dampfung. Dementsprechend wird der Kolben überhitzt, wodurch das Kraftstoff/Luft-Verhältnis geringer als das ideale Verhältnis ist.

Mit der Erfindung wird ein Kolben für eine Direkt­ einspritzbrennkammer geschaffen, der einen ausgehöhlten Verdampfungsabschnitt zum Verhindern des Herausströmens des eingespritzten Kraftstoffs aufweist und ein Kraftstoff/Luft- Gemisch ermöglicht, das in der Nähe der Zündkerze angehäuft werden kann, so daß die Verbrennung mit einem mageren Kraftstoff/Luft-Gemisch möglich ist.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch einen Kolben mit einem Verdampfungsabschnitt, der an der oberen Fläche des Kolbens ausgebildet ist, wobei der Verdampfungsabschnitt eine Bodenfläche, die in einem vorbestimmten Winkel abgeschrägt ist, eine bogenförmige erste Wand, die an einer Auslaßseite ausgebildet ist, eine bogenförmige zweite Wand, die parallel zu der ersten Wand ausgebildet ist, einen vorstehenden Bereich, der zwischen der ersten und der zweiten Wand und in der Nähe der Mitte des Kolbens ausgebildet ist, und eine bogenförmige dritte Wand aufweist, die an der Einlaßseite gegenüber der ersten und der zweiten Wand ausgebildet ist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Vorderansicht eines herkömmlichen Benzinmotors mit Kraftstoffdirekteinspritzung;

Fig. 2 eine Draufsicht eines Kolbens aus Fig. 1 mit benachbarten Bauteilen:

Fig. 3 eine Draufsicht des Kolbens aus Fig. 1 nach einer ersten Ausführungsform in einem Zustand, in dem Kraftstoff in einen Verdampfungsabschnitt eingespritzt wird;

Fig. 4 eine Draufsicht des Kolbens aus Fig. 1 nach einer zweiten Ausführungsform in einem Zustand, in dem Kraftstoff in einen Verdampfungsabschnitt eingespritzt wird;

Fig. 5 eine Draufsicht des Kolbens aus Fig. 1 nach einer dritten Ausführungsform in einem Zustand, in dem Kraftstoff in einen Verdampfungsabschnitt eingespritzt wird;

Fig. 6 eine Draufsicht eines Kolbens und benachbarter Bauteile nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 eine schematische Ansicht des Kolbens aus Fig. 6;

Fig. 8 eine geschnittene Vorderansicht eines Teils des Kolbens aus Fig. 6; und

Fig. 9a, 9b und 9c je eine Draufsicht des Kolbens aus Fig. 6, wobei die Bewegung des eingespritzten Kraftstoffs dar­ gestellt ist.

Mit Bezug auf die Zeichnung wird nachfolgend ein Kolben für eine Direkteinspritzbrennkammer eines Verbrennungsmotors nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Mit Bezug auf Fig. 6 sind in einem Zylinderkopf (nicht gezeigt) eines Motors ein erster Ansaugkanal 110a und ein zweiter Ansaugkanal 110b zum Zuführen von Luft in eine Brennkammer 10 vorgesehen. Der erste Ansaugkanal 110a und der zweite Ansaugkanal 110b sind mit einer ersten Einlaßöffnung 80a bzw. einer zweiten Einlaßöffnung 80b verbunden. Die erste Einlaßöffnung 80a weist einen spiralförmigen Aufbau auf, der den Ansaugluftstrom in Drehrichtung führt, und dient als sogenannte Drallöffnung. Im Gegensatz dazu ist die zweite Einlaßöffnung 80b eine geradeauslaufende Öffnung, so daß darüber Luft linear in die Brennkammer 10 strömt. Der zweite Ansaugkanal 110b, welcher mit der zweiten Einlaßöffnung 80b verbunden ist, ist mit einem Drallsteuerventil 200 versehen. Eine Zündspitze einer Zündkerze 40 ragt in die Brennkammer 10 im wesentlichen auf die Mitte eines Kolbens 30 gerichtet hinein.

Mit Bezug auf Fig. 7 ist auf einem Kolbenboden 9 des Kolbens 30 eine Plattform 8 ausgebildet. Ferner ist ein ausgehöhlter Verdampfungsabschnitt 16 in der Plattform 8 zum Verbessern der Kraftstoffverbrennung ausgebildet. Der ausgehöhlte Verdampfungsabschnitt 16 weist eine schräge Bodenfläche 11, eine erste Wand 12, eine zweite Wand 14, eine dritte Wand 15 und einen vorstehenden Abschnitt 13 auf, der zwischen der ersten Wand 12 und der zweiten Wand 14 ausgebildet ist. Die Bodenfläche 11, die Wände 12, 14 und 15 und der vorstehende Abschnitt 13 sind einstückig geformt, so daß der Verdampfungsabschnitt 16 eine große Querschnittsfläche aufweist.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die erste Wand 12 und die zweite Wand 14 derart angeordnet, daß sie in Richtung der Wirbelströmung einander gegenüberliegen, wobei die beiden Wände 12 und 14 bogenförmig ausgebildet sind. Die erste Wand 12 und die zweite Wand 14 sind an einer der Kraftstoffeinspritz­ düse 20 gegenüberliegenden Seite miteinander verbunden, so daß der vorstehende Abschnitt 13 in einem Bereich ausgebildet ist, in dem die beiden Wände 12 und 14 miteinander verbunden sind. Die erste Wand 12 und die zweite Wand 14 sind auch an der dem vorstehenden Abschnitt 13 gegenüberliegenden Seite über die dritte Wand 15 miteinander verbunden, welche bogenförmig ausgebildet ist und einen relativ großen Radius aufweist.

Wie aus Fig. 8 ersichtlich, ist die Bodenfläche 11 des Verdampfungsabschnitts 16 in einer Richtung von der Kraftstoffeinspritzdüse 20 weg ausgebildet, so daß sich der in den Verdampfungsabschnitt 16 eingespritzte Kraftstoff in der Nähe der Zündkerze 40 anhäufen kann. Die dritte Wand 15 ist unterhalb der Stelle ausgebildet, an der die Kraftstoff­ einspritzdüse 20 in die Brennkammer 10 hineinragt, und dient zum Sammeln von Kraftstofftröpfchen, nachdem das Einspritzen des Kraftstoffs beendet ist. Dieser Aufbau des Verdampfungs­ abschnitts 16 verhindert, daß übermäßig eingespritzter Kraftstoff unvollständig verbrannt wird.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, können, wenn eine erste und eine zweite imaginäre Linie über den Boden des Kolbens 30 gezogen werden, die einander kreuzen und den Boden des Kolbens 30 in vier gleiche Abschnitte teilen, wobei die erste Linie zwischen der ersten Einlaßöffnung 80a und der zweiten Einlaßöffnung 80b positioniert ist, imaginäre senkrechte Linien parallel zu der zweiten imaginären Linie gezogen werden. Das heißt, eine erste Abstandslinie ist parallel zu der zweiten imaginären Linie ausgebildet und markiert eine Begrenzung des vorstehenden Abschnitts 13 nach innen (bezüglich des Verdampfungsabschnitts 16), eine zweite Abstandslinie ist parallel zu der zweiten imaginären Linie ausgebildet und markiert eine Begrenzung der zweiten Wand 14 nach außen (bezüglich des Verdampfungsabschnitts 16), und eine dritte Abstandslinie ist parallel zu der zweiten imaginären Linie ausgebildet und markiert eine Begrenzung der ersten Wand 12 nach außen (bezüglich des Verdampfungsabschnitts 16).

Durch die wie oben gezogenen imaginären Abstandslinien ergeben sich ein erster Abstand (a) zwischen der zweiten imaginären Linie und der ersten Abstandslinie, ein zweiter Abstand (b) zwischen der zweiten imaginären Linie und der zweiten Abstandslinie, und ein dritter Abstand (c) zwischen der zweiten imaginären Linie und der dritten Abstandslinie, wobei die Beziehung a < b < c bevorzugt wird und der erste Abstand (a) vorzugsweise 10 bis l7 mm beträgt.

Die Kraftstoffeinspritzdüse 20 ist in einem Winkel zwischen 10 und 20° relativ zur Mitte des Kolbens ausgerichtet, so daß der Kraftstoff in eine Auswölbung eingespritzt wird, die durch die bogenförmige erste Wand 12 definiert ist, wodurch ein Kraftstoffnebel gebildet wird. Der Kraftstoffnebel wird von dem Wirbel getragen und strömt entlang der bogenförmigen ersten Wand 12. Während der Kraftstoffnebel entlang der ersten Wand 12 strömt, werden die Kraftstoffteilchen zerstäubt und verdampfen, um ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch zu bilden. Folglich bewegt sich das zündfähige Kraftstoff/Luft-Gemisch wegen des vorstehenden Abschnittes 13, der zwischen der ersten Wand 12 und der zweiten Wand 14 ausgebildet ist, von der ersten Wand 12 weg, so daß die Geschwindigkeit, mit welcher das Kraftstoff/Luft-Gemisch strömt, verringert wird. Dementsprechend kann das Kraftstoff/Luft-Gemisch in der Nähe der Zündkerze 40 konzentriert werden. Gleichzeitig strömt Kraftstoff, der den vorstehenden Abschnitt 13 ohne unterbrochene Verdampfung passiert, zu der zweiten Wand 14 hin und trifft auf diese auf, um zu verdampfen.

Durch Versuche wurde herausgefunden, daß ohne das Vorhandensein des vorstehenden Abschnitts 13 die Zündung in einem Bereich von 57-59° Kurbelwinkel vor dem Ende des Verdichtungshubs durchgeführt wurde, während bei vorhandenem vorstehenden Abschnitt 13 die Zündung in einem Bereich von 64-­ 67° Kurbelwinkel vor dem Ende des Verdichtungshubs durchgeführt wurde, um Zeit für den verdampften Kraftstoff zu schaffen, um bei etwa 7-8° zu expandieren.

Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse eines Effizienzversuchs zweier Kolben, die jeweils Verdampfungsabschnitte aufweisen, jedoch mit unterschiedlichen Formen. Das heißt, als erster Gegenstand wurde ein in einen Motor mit Kraftstoffdirekteinspritzung eingebauter Toyota-Kolben getestet, und als zweiter Gegenstand wurde der erfindungsgemäße Kolben 30 mit dem Verdampfungsabschnitt 16 mit vorstehendem Abschnitt 13 getestet.

Die Versuchsbedingungen waren wie folgt: eine Kraftstoffeinspritzdüse wurde in einem Winkel von 10° relativ zur Mitte des Kolbens ausgerichtet, die Drehzahl des Motors wurde auf 1800 U/min gehalten, und der Verbrennungsdruck war 2 bar. Die getesteten Punkte waren das Kraftstoff/Luft- Verhältnis, die Menge der gesamten Kohlenwasserstoffe, und die Fehlzündungsgrenze bei magerem Gemisch.

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, erbrachte der Kolben nach der Erfindung im Vergleich zu dem herkömmlichen Kolben eine überragende Leistung bezüglich des Kraftstoff/Luft- Verhältnisses und der Menge der gesamten Kohlenwasserstoffe. Eine Verbesserung von etwa 1,6% wurde beim Kraftstoff/Luft- Verhältnis des Motors mit dem erfindungsgemäßen Kolben im Vergleich zum herkömmlichen Kolben realisiert, und die Menge der gesamten Kohlenwasserstoffe im Abgas des Motors mit dem Kolben gemäß der Erfindung lag um etwa 650 ppm unter der des Motors mit dem Toyota-Kolben. Auch die Fehlzündungsgrenze bei magerem Gemisch des Motors mit dem Kolben nach der Erfindung war höher als die des Motors mit dem herkömmlichen Kolben. Der Vorgang der Verbrennung des Kraftstoff/Luft-Gemisches in dem Motor mit dem Kolben gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 9a, 9b und 9c beschrieben.

Wie aus Fig. 9a ersichtlich, wird der Kraftstoff an die erste Wand 12 des Verdampfungsabschnitts 16 in einer relativ späten Stufe des Verdichtungshubs eingespritzt. Dieser Kraftstoff bildet eine Kraftstoffnebelwolke und dieser Kraftstoffnebel wird von dem Wirbel getragen und strömt entlang der bogenförmigen ersten Wand 12. Während der Kraftstoffnebel entlang der ersten Wand 12 strömt, werden die Kraftstoffteilchen zerstäubt und verdampfen, um ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch zu bilden, und wenn das Kraftstoff/Luft-Gemisch den vorstehenden Abschnitt 13 erreicht, bewegt es sich von der ersten Wand 12 weg und konzentriert sich in der Nähe der Zündkerze 40 (siehe Fig. 9b). Das Kraftstoff/Luft-Gemisch, das sich im Abstand von der ersten Wand 12 befindet, bleibt für einen relativ langen Zeitraum in der Nähe der Zündkerze 40 (siehe Fig. 9c). Während das Kraftstoff/Luft-Gemisch in der Nähe der Zündkerze 40 bleibt, zündet die Zündkerze 440 dieses Gemisch.

Da die Kraftstoffeinspritzung bei 64-67° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs durchgeführt wurde, kann der Kraftstoff ausreichend verdampfen.

Um die Effizienz des Motors mit Kraftstoffdirekt­ einspritzung und mit dem Kolben 30 gemäß der Erfindung zu analysieren, wurden Motoreffizienzversuche mit mehreren Messungen durchgeführt. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Effizienzversuche.

Bei diesem Versuch wurden verschiedene Messungen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, bei verschiedenen Drehzahlen von 1300, 1500, 1800 und 2400 U/min durchgeführt.

Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, war das Kraftstoff/Luft- Verhältnis bei einer Drehzahl von 1300 U/min und einem Verbrennungsdruck von 1,5 bar am höchsten, und die Menge an gesamten Kohlenwasserstoffen war bei 1500 U/min und 2,0 bar am geringsten.

Claims (12)

1. Verbrennungsmotor mit Kraftstoffdirekteinspritzung, mit eine Brennkammer (10), die von einem Zylinderkopf, der eine Zündkerze (40) aufweist, einer Kraftstoffeinspritzdüse (20) und einem Lufteinlaßmittel (110b) mit einem Drallsteuerventil (200), einer Zylinderwand, und einem Kolbenboden (9) mit einem Verdampfungsabschnitt (16) gebildet wird, wobei der Kolbenboden (9) aufweist: eine Bodenfläche (11) mit vorbestimmter Tiefe und vorbestimmtem Gradient, eine bogenförmige erste Wand (12), die mit der Bodenfläche (11) verbunden ist und an der Auslaßseite ausgebildet ist, eine bogenförmige zweite Wand (14), die mit der Bodenfläche (11) verbunden ist und parallel zu der ersten Wand (12) ausgebildet ist, einen vorstehenden Abschnitt (13), der zwischen der ersten Wand (12) und der zweiten Wand (14) ausgebildet ist, und eine bogenförmige dritte Wand (15), die mit der Bodenfläche (11) verbunden ist und an der Einlaßseite ausgebildet ist, wobei, wenn eine erste und eine zweite imaginäre Linie über den Kolbenboden (9) gezogen werden, die einander kreuzen und den Kolbenboden (9) in vier gleiche Abschnitte teilen, wobei die erste Linie zwischen einer ersten Einlaßöffnung (80a) und einer zweiten Einlaßöffnung (80b) positioniert ist, und Abstandslinien parallel zu der zweiten imaginären Linie gezogen werden, und wenn ein erster Abstand (a) zwischen der zweiten imaginären Linie und einer ersten Abstandslinie, ein zweiter Abstand (b) zwischen der zweiten imaginären Linie und einer zweiten Abstandslinie, und ein dritter Abstand (c) zwischen der zweiten imaginären Linie und einer dritten Abstandslinie definiert sind, die Beziehung a < b < c besteht.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der vorstehende Abschnitt (13) an einer der Kraftstoffeinspritzdüse (20) gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist und zur zweiten Wand (14) hin leicht abgeschrägt ist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Bodenfläche (11) des Verdampfungsabschnitts (16) in einem vorbestimmten Winkel zu der der Kraftstoffeinspritzdüse (20) gegenüberliegenden Seite hin abgeschrägt ist.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Kraftstoffeinspritzdüse (20) im Winkel von 10-20° in Richtung einer horizontalen Linie ausgerichtet ist, die durch die Kraftstoffeinspritzdüse (20) und die Mitte des Kolbenbodens (9) hindurchführt.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Kraftstoffeinspritzdüse (20) zu der ersten Wand (12) hin zum Versprühen des Kraftstoffs ausgerichtet ist.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Verdampfungsabschnitt (16) an dem Kolbenboden (9) derart ausgebildet ist, daß der Kraftstoff im Uhrzeigersinn strömt.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der erste Abstand (a) zwischen der zweiten imaginären Linie und der ersten Abstandslinie zwischen 10 und 17 mm liegt.

8. Kolben für einen Verbrennungsmotor mit Kraftstoff­ direkteinspritzung, mit einer Brennkammer (10), die von einem Zylinderkopf, der eine Zündkerze (40) aufweist, einer Kraftstoffeinspritzdüse (20) und einem Lufteinlaßmittel (110b) mit einem Drallsteuerventil (200), einer Zylinderwand, und einem Kolbenboden (9) mit einem Verdampfungsabschnitt (16) gebildet wird, wobei der Verdampfungsabschnitt (16) aufweist: eine Bodenfläche (11) mit vorbestimmter Tiefe und vorbestimmtem Gradient, eine bogenförmige erste Wand (12), die mit der Bodenfläche (11) verbunden ist und zu der Auslaßseite hin entlang einer Kraftstoffströmung ausgebildet ist, eine bogenförmige zweite Wand (14), die mit der Bodenfläche (11) verbunden ist und von der ersten Wand (12) her verläuft, einen vorstehenden Abschnitt (13), der zwischen der ersten Wand (12) und der zweiten Wand (14) ausgebildet ist, und eine bogenförmige dritte Wand (15), die mit der Bodenfläche (11) verbunden ist und an der Einlaßseite ausgebildet ist, wobei, wenn eine erste und eine zweite imaginäre Linie über den Kolbenboden (9) gezogen werden, die einander kreuzen und den Kolbenboden (9) in vier gleiche Abschnitte teilen, wobei die erste Linie zwischen einer ersten Einlaßöffnung (80a) und einer zweiten Einlaßöffnung (80b) positioniert ist, und Abstands­ linien parallel zu der zweiten imaginären Linie gezogen werden, und wenn ein erster Abstand (a) zwischen der zweiten imaginären Linie und einer ersten Abstandslinie, ein zweiter Abstand (b) zwischen der zweiten imaginären Linie und einer zweiten Abstandslinie, und ein dritter Abstand (c) zwischen der zweiten imaginären Linie und einer dritten Abstandslinie definiert sind, die Beziehung a < b < c besteht.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, wobei der vorstehende Abschnitt (13) an einer der Kraftstoffeinspritzdüse (20) gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist und zur zweiten Wand (14) hin leicht abgeschrägt ist.

10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, wobei die Bodenfläche (11) des Verdampfungsabschnitts (16) in einem vorbestimmten Winkel zu der der Kraftstoffeinspritzdüse (20) gegenüberliegenden Seite hin abgeschrägt ist.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, wobei der Verdampfungsabschnitt (16) an dem Kolbenboden (9) derart ausgebildet ist, daß der Kraftstoff in Uhrzeigerrichtung fließt.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, wobei der erste Abstand (a) zwischen der zweiten imaginären Linie und der ersten Abstandslinie zwischen 10 und 17 mm liegt.