DE3904760C2

DE3904760C2 - Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung des Kraftstoffs

Info

Publication number: DE3904760C2
Application number: DE3904760A
Authority: DE
Inventors: Shizuo Sasaki; Yoshiyuki Tamaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1988-02-26
Filing date: 1989-02-16
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2009-02-17
Also published as: DE3904760A1; JPH01219311A; JPH0826772B2; US4920937A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung des Kraftstoffs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine gattungsgemäße Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung des Kraftstoffs ist aus der DE 36 26 757 A1 bekannt. Bei dieser herkömmlichen Otto-Brennkraftmaschine ist eine Quetschfläche zwischen Kolben und Zylinderkopf und eine Mulde im Kolbenboden vorgesehen. Der Kraftstoffstrahl einer Einspritzdüse ist auf eine Zündkerze gerichtet. Die Quetschfläche ragt bis in den Bereich der Brennraummitte, um das zu zündende Gemisch gezielt zur Zündkerze zu fördern.

Ferner beschäftigt sich die DE 36 01 458 A1 mit der Gestaltung von Quetschflächen, wobei die Zündkerze im wesentlich mittig im Brennraum liegt. Eine weitere ähnliche Brennraumgestaltung unter Verwendung einer Quetschfläche zeigt die DE 29 15 514 C2.

Die US 18 97 234 zeigt die Ausbildung von Führungsrillen im Kolbenboden oder im Zylinderkopf, um das zu zündende Gemisch in Richtung auf die Zündkerze zu fördern.

Weitere Otto-Brennkraftmaschinen mit direkter Kraftstoffeinsprit zung sind beispielsweise aus der JP-Patent-Veröffentlichung Nr. 62-82 222 und der JP-GM-Veröffentlichung Nr. 61-1 73 728 bekannt. Bei diesen Maschinen wird Kraftstoff direkt in einen Zylinder und auf eine Fläche eines Kolbens eingespritzt. Der an der Fläche des Kolbens haftende Kraft stoff wird dann durch die an dieser Fläche vorhandene Hitze verdampft, wobei die Kraftstoffverdampfung durch einen Wir bel unterstützt wird, worauf der verdampfte Kraftstoff mit tels einer Zündkerze gezündet wird.

Obwohl sich die JP-GM-Veröffentlichungen Nr. 55-59 136 und Nr. 56-92 717 nicht unmittelbar auf Otto-Brennkraft maschinen mit Direkteinspritzung beziehen, offenbaren diese einen Quetschbereich zur Bildung einer Quetschströmung, der sich bis zu einer einer Zündkerze nahen Stelle vergrößert. Die Quetschströmung resultiert aus einer Kompression der Luft und des Kraftstoffs zwischen einem Kolben und einem Zylinderkopf, während der Kolben sich aufwärts zu seinem oberen Totpunkt (OT) bewegt, wobei die Luft und der Kraftstoff in Richtung zum Zentrum des Zylinders strömt. Die Ver öffentlichung Nr. 55-59 136 zeigt auch eine Vertiefung, die an einer Begrenzungsfläche des Quetschbereichs ausge bildet ist. Ferner zeigt die JP-GM-Veröffentlichung Nr. 58- 1 42 326 eine in einem Kolben ausgebildete Kerzentasche, die einen unteren Endabschnitt einer Zündkerze aufnimmt, wenn der Kolben in die nahe dem OT gelegene Stellung bewegt wird.

Den oben beschriebenen Maschinen haften jedoch verschiede ne Probleme an, auf die im folgenden eingegangen wird.

(a) Eine Kraftstoffverdampfung an einer Fläche benötigt eine Luftströmung, um die Verdampfung zu fördern. Für die Erzeu gung einer derartigen Strömung in einem Zylinder verwenden Maschinen mit Direkteinspritzung des Kraftstoffs einen Wir belkanal, z.B. einen gedrallten Kanal. Auf Grund des Strö mungswiderstandes wird jedoch der volumetrische Wirkungs grad der Maschine in deren Betrieb mit hoher Geschwindig keit bzw. hohen Drehzahlen vermindert.

(b) Da die Strömungsgeschwindigkeit des Wirbels vergleichs weise langsam ist, ist auch die Flammenausbreitungsgeschwin digkeit in einem Zylinder gering. Deshalb verhindert, ins besondere in einem Betrieb der Maschine mit hoher Last, wobei das Einspritzen von Kraftstoff zu einem frühen Zeit punkt erfolgt und insofern der verdampfte Kraftstoff nahezu zu allen Teilen im Zylinder zerstreut oder verbreitet wird, bevor er gezündet wird, die niedrige oder langsame Flammen ausbreitung das Verbrennen der gesamten Menge des weiträumig verbreiteten verdampften Kraftstoffs. Dadurch wird die Leistung der Maschine vermindert und andererseits der Kohlenwasserstoffanteil im Abgas erhöht. Darüber hinaus neigt insbesondere im Teillastbetrieb der Maschine, wobei der Kraftstoff zu einem späten Zeitpunkt eingespritzt wird und insofern lediglich eine sehr kurze Zeitspanne vor dem Zünden gegeben ist, eine unzureichende Verdampfung des Kraftstoffs auf Grund der langsamen Wirbelströmung dazu, Fehlverhalten in der Zündung hervorzurufen.

(c) Um eine stabile Zündung bei einem Teillastbetrieb der Maschine zu erlangen, muß eine Mulde in einem Kolben ausgebildet werden, um darin verdampften Kraft stoff zu halten, wobei dieseMulde einen geringen Durch messer und eine große Tiefe hat. Der den Zünd- Spalt einer Zündkerze umfassende Teil muß in diese Mulde hineinragen. Das bedeutet, daß die Länge des dem Brennraum ausgesetzten Teils der Zündkerze groß ist und dadurch die Standzeit der Zündkerze verkürzt wird. Ferner geht mit der tiefen Mulde ein Anstieg in der Kompressionshöhe des Kol bens einher, so daß das Gewicht des Kolbens vergrößert wird.

(d) Obwohl die genannten Veröffentlichungen Nr. 55-59 136 und Nr. 56-92 717 vergrößerte Quetschbereiche offenba ren, ist es unmöglich, solche vergrößerten Quetschbe reiche mit der obigen, durch einen Wirbel unterstützten Ma schine zu kombinieren, weil die Quetschströmung nicht in die tiefe Mulde fließen und den an der Fläche der Mulde anhaftenden Kraftstoff verdampfen kann. Zusätzlich kann die Quetschströmung den in der Nähe der Zündkerze gebildeten Flam menkern ausblasen, weil diese Quetschströmung sehr viel stär ker als eine Wirbelströmung ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Otto- Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzubilden, daß bei niedriger Motorlast eine hohe Turbulenz im Brennraum erzeugt werden kann, ohne bei hoher Motorlast den Füllgrad zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.

Mit der erfindungsgemäßen Maschine werden Wirbel erzeugende Ansaugkanäle unnötig um dadurch den volumetrischen Wirkungsgrad sowie die Ausgangsleistung der Maschine, insbesondere bei Betrieb mit hoher Drehzahl, zu erhöhen.

Ferner ist eine Maschi ne geschaffen, bei der eine hohe Flammenausbreitungsge schwindigkeit im Vollastbetrieb und eine stabile Zün dung im Teillastbetrieb der Maschine erlangt werden.

Außerdem kann die Länge eines in einen Brennraum hineinragenden Teils einer Zündkerze so klein wie möglich gemacht werden.

Die erfindungsgemäße Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung umfaßt einen Zy linder, einen in diesem hin- und herbewegbaren Kolben sowie einen Zylinderkopf. Bei dieser Maschine wird Kraft stoff direkt in den Zylinder auf eine Fläche von entweder dem Kolben oder dem Zylinderkopf eingespritzt. Der an dieser Fläche haftende Kraftstoff wird dann durch die an der Flä che vorhandene Hitze verdampft, wobei diese Verdampfung durch eine im Zylinder erzeugte Luftströmung unterstützt wird.

Hierauf wird der verdampfte Kraftstoff gezündet. Die Ma schine umfaßt einen Quetschbereich, eine Kraft stoff-Einspritzdüse und eine Zündkerze. Der Quetschbereich wird zwischen zwei Begrenzungsflächen abgegrenzt, die am Kolbenboden des Kol bens und am Zylinderkopf dargestellt sind. Der Quetschbereich ist in der einen Hälf te des Querschnitts des Zylinders angeordnet und erzeugt eine Quetschströ mung als die die Kraftstoffverdampfung unterstützende Luft strömung, wenn der Kolben in die seinem OT nahe Stellung bewegt wird. Der Quetschbereich hat eine geschlossene Seite, die von einem Teil einer Innenfläche der Zylinderboh rung begrenzt wird, und eine offene Seite, die in Richtung zum Zentrum des Zylinders oder der Zylinderbohrung hin offen ist. Der Quetschbereich wird in einer zum Zentrum des Zylinders hin verlaufenden Richtung derart vergrößert oder erweitert, daß ein mittiger Teil der offenen Seite des Quetschbereichs sich nahe dem Zentrum des Zylinders befin det. Die Einspritzdüse ist benachbart zu einem zentralen Teil der geschlossenen Seite des Quetschbereichs angeordnet und so gerichtet, daß we nigstens ein Teil des Kraftstoffs auf die Quetschfläche gerichtet wird, so daß der an die ser Quetschfläche haftende Kraft stoff in seiner Verdampfung durch die Quetschströmung unter stützt wird. Die Zündkerze ist nahe dem Zentrum des Zylin ders angeordnet, so daß sie dem mittigen Teil der offenen Seite des Quetschbereichs gegenüberliegt und insofern den verdampften, zur Kerze hin geblasenen Kraftstoff zünden kann.

Gemäß der oben beschriebenen Maschine ist eine Luftströmung, die notwendig ist, um eine Kraftstoffverdampfung zu begün stigen und zu fördern, eine Quetschströmung. Da die Quetschströmung viel stärker als eine Wirbelströmung ist, kann diese Strömung wirksam die Verdampfung des an einer der Quetschfläche haftenden Kraftstoffs unterstützen, obwohl die Preßströmung lediglich dann erzeugt wird, wenn der Kolben sich nahe zum OT bewegt hat und dabei nur eine sehr kurze Zeitspanne vor dem Zünden des Kraftstoffs zur Verfügung steht.

Da gemäß der Erfindung nicht die Notwendigkeit für die Ver wendung eines einen Wirbel erzeugenden Ansaugkanals besteht, wird ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad gewährleistet, um dadurch insbesondere in einem Betrieb der Maschine mit hoher Drehzahl deren Ausgangsleistung zu erhöhen.

Die Geschwindigkeit der Quetschströmung ist im Vergleich zu einer Wirbelströmung sehr hoch, so daß die Quetschströmung die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit steigert und bewirkt, daß die gesamte Menge des verdampften, im Zylinder vorhande nen Kraftstoffs perfekt und vollständig in einer sehr kurzen Zeitspanne verbrannt wird. Das stellt einen Vorteil insbe sondere in einem Vollastbetrieb der Maschine, wobei ein Teil des Kraftstoffs in einem vergleichsweise frühen Zeit punkt eingespritzt und der verdampfte Kraftstoff zu allen Teilen im Zylinder hin verbreitet wird, dar. Weil darüber hinaus die den verdampften Kraftstoff enthaltende Quetschströ mung gegen die Zündkerze geblasen wird, wird in der Nachbar schaft der Kerze eine Schicht aus einem fetten Gasgemisch gebildet, um die Zündcharakteristik insbesondere in einem Teillastbetrieb der Maschine in hohem Maß zu verbessern. Die Schicht des fetten Gasgemischs bildet, wenn sie einmal durch die Zündkerze gezündet ist, einen Flammenkern, für den es höchst unwahrscheinlich ist, daß er ausgeblasen wird, wenn die Quetschströmung zu diesem hin gerichtet wird.

Da die Quetschströmung längs der unteren Fläche des Zylinder kopfes verläuft, ist es nicht erforderlich, daß die Zündker ze über eine größere Länge in den Brennraum hineinragt. Die ses kurze Hineinragen der Zündkerze in den Brennraum ver bessert deren Standzeit, wie dadurch auch die Kompressions höhe des Kolbens verkürzt wird.

Die Aufgabe, die genannten sowie Ziele und die Merk male sowie Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von bevor zugten Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes deut lich. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Kolben einer Otto-Brenn kraftmaschine mit Direkteinspritzung in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Axialschnitt eines einem Brennraum benachbar ten Teils der Maschine von Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen dem Brennraum nahen Teil der Maschine von Fig. 1 zur Darstellung eines Zustan des in einer sehr frühen Phase der Kraftstoffein spritzung;

Fig. 4 einen Axialschnitt zur Fig. 3;

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen dem Brennraum nahen Teil der Maschine von Fig. 1 zur Darstellung eines Zu standes in einer vergleichsweise frühen oder mitt leren Phase der Kraftstoffeinspritzung;

Fig. 6 den Axialschnitt zur Fig. 5;

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen dem Brennraum nahen Teil der Maschine von Fig. 1 zur Darstellung eines Zu standes in einer späten Phase der Kraftstoffein spritzung;

Fig. 8 den Axialschnitt zur Fig. 7;

Fig. 9 einen lotrechten Schnitt eines oberen Teils der Ma schine der ersten Ausführungsform;

Fig. 10 eine Draufsicht auf einen Kolben einer Otto-Brenn kraftmaschine mit Direkteinspritzung in einer zwei ten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 11 einen Axialschnitt eines einem Brennraum nahen Teils der Maschine von Fig. 12;

Fig. 12 ein Diagramm zum Einspritzen von Kraftstoff in einem Teillast- sowie Vollastbetrieb einer Maschine, das für irgendeiner Ausführungsform gemäß der Erfin dung entsprechende Maschinen kennzeichnend ist.

Es werden im folgenden zwei Ausführungsformen gemäß der Er findung erläutert, wobei sich die Fig. 1-9 auf eine erste Ausführungsform mit einem Einspritzen von Kraftstoff gegen einen Kolben und die Fig. 10 sowie 11 auf eine zweite Ausfüh rungsform mit einer Einspritzung von Kraftstoff gegen einen Zylinderkopf beziehen. Die Fig. 12 ist für beide Ausführungsformen gültig. In allen Figuren werden zu beiden Ausführungsformen gleich ausgebildete, gemeinsame Teile mit denselben Bezugszahlen bezeichnet.

Zuerst soll auf gemeinsame konstruktive Ausbildungen für bei de Ausführungsformen und auf durch diese Ausbildungen erhal tene Wirkungen unter Bezugnahme auf die Fig. 1-9 bzw. 12 eingegangen werden.

Nach den Fig. 1 und 2 umfaßt eine Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung gemäß der Erfindung einen Zylinder 2, einen in diesem hin- und herbewegbaren Kolben 4 und einen Zylinderkopf 6. Bei dieser Maschine wird Kraft stoff F direkt in den Zylinder 2 entweder auf eine Fläche des Kolbens 4 oder eine solche des Zylinderkopfes 6 gespritzt. Der an dieser Fläche haftende Kraftstoff wird dann durch die an dieser Fläche vorhandene Hitze verdampft, wobei die Ver dampfung durch eine im Zylinder 2 erzeugte Luftströmung unter stützt wird. Dann wird der verdampfte Kraftstoff Fe durch eine Zündkerze gezündet.

Im einzelnen umfaßt die Maschine einen Quetschbereich 14, eine Zündkerze 8 und eine Kraftstoff-Einspritzdüse 24. Der Quetschbereich 14 dient als Mittel zur Erzeugung einer gequetschten Strömung S als die Luftströmung, die die Kraftstoffverdampfung unter stützt, wenn der Kolben 4 sich nahe zum OT hin bewegt hat. Der Quetschbereich 14 wird von zwei Quetschflächen 10 und 12 bestimmt, die einen Teil oder Ab schnitt einer oberen Fläche (Kolbenboden) 16 des Kolbens 4 und einen Teil oder Abschnitt einer unteren Fläche 18 des Zylinderkopfes 6 einschließen. Der Quetschbereich 14 ist in einer Hälfte des Querschnitts des Zylinders 2 angeordnet und weist eine geschlossene Seite 20, die von einem Teil der Innenfläche 34 der Bohrung des Zylinders 2 abgegrenzt wird, sowie eine offene Seite 22, die sich in einer Richtung zum Inneren der Zylinderbohrung 2 hin öffnet, auf. In Richtung zum Inneren des Zylinders 2 hin ist der Quetschbereich 14 vergrößert oder erweitert, so daß ein mittiger Teil 22a der offenen Seite 22 dieses Bereichs 14 sich nahe dem Zen trum der Zylinderbohrung 2 befindet. Die Kraftstoff in den Zylinder 2 einspritzende Düse 24 ist benachbart zu einem zen tralen Teil 20a der geschlossenen Seite des Quetschbereichs 14 angeordnet und so gerichtet, daß wenigstens ein Teil des Kraftstoffs F, der in wenigstens einer späten Phase auf eine der Quetschflächen 10 und 12 gespritzt wird und dann an dieser einen der Quetschflächen 10 oder 12 haftet, in seiner Verdampfung durch die Quetschströmung S unterstützt wird. In der Quetschströmung S enthaltener verdampfter Kraft stoff Fe wird zu einem unteren Ende 8a der Zündkerze 8, die einen Zünd- oder Luftspalt aufweist, geblasen. Die Zündkerze 8 ist nahe der Mitte des Zylinders 2 so angeordnet, daß sie dem mittigen Teil 22a der offenen Seite 22 des Quetsch bereichs 14 gegenüberliegt. Die in den Brennraum hineinra gende Länge der Zündkerze 8 ist kürzer, als es bei einer her kömmlichen Maschine mit direkter Einspritzung des Kraftstoffs der Fall ist.

Da der Quetschbereich 14 die die Kraftstoffverdampfung begünstigende Luftströmung erzeugt, besteht keinerlei Notwen digkeit, wenigstens einen der Ansaugkanäle 40 und 42 (s. Fig. 10) in Gestalt eines einen Wirbel erzeugenden Kanals auszubilden. Dadurch wird der Strömungswiderstand der Ansaug kanäle 40 und 42 vermindert und der volumetrische Wirkungs grad der Maschine gesteigert. Insofern wird die Ausgangs leistung der Maschine, insbesondere in deren Betrieb mit hoher Drehzahl, erhöht. Die Quetschströmung S trägt dazu bei, eine Flamme mit hoher Geschwindigkeit in einer Richtung der Quetschströmung S von der Zündkerze 8 zu einem Hauptraum oder -teil des Brennraumes 36 hin fortzupflanzen. Dadurch wird eine sofortige und vollkommene Verbrennung des in dem Haupt teil des Brennraumes 36 vorhandenen verdampften Kraftstoffs Fe ermöglicht, wodurch die Ausgangsleistung der Maschine, insbesondere in deren Vollastbetrieb, verbessert wird.

Wie der Fig. 12 sowie den Fig. 3-8 zu entnehmen ist, fließt der in einer späten Phase Pl einer Kraftstoff-Einspritzperio de P_H im Vollastbetrieb der Maschine oder während einer gesamten Phase der Kraftstoff-Einspritzperiode P_L in einem Teillastbetrieb der Maschine eingespritzte Kraftstoff F auf eine der Quetschflächen 10 und 12. Der an dieser Fläche haftende Kraftstoff wird dann unter Unterstützung in seiner Verdampfung durch die Quetschströmung S in einer kurzen Zeitspanne verdampft. Hierauf wird der ver dampfte Kraftstoff Fe zur Zündkerze 8 hin geblasen, um um diese herum eine Schicht eines fetten Gasgemischs zu bilden, die eine stabile Zündung gewährleistet und, wenn sie durch die Kerze 8 entzündet worden ist, einen Flammenkern bildet, der kaum ausgeblasen werden kann, wenn die Quetschströmung S auftrifft. Die stabile Zündung bietet insbesondere in einem Teillastbetrieb der Maschine einen Vorteil im Vergleich zur herkömmlichen Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Ein spritzung, bei der es schwierig ist, auf Grund einer unzurei chenden Kraftstoffverdampfung, die auf die schwache Wirbel strömung zurückzuführen ist, eine stabile Zündung im Teil lastbetrieb zu erhalten. Da zusätzlich die Quetschströmung S längs der Quetschfläche 12, d.h. längs eines Teils der unteren Fläche 18 des Zylinderkopfes 6, fließt, kann die Länge des in den Brennraum hineinragenden Teils der Zündkerze 8 kurz gehalten werden, wodurch die Standzeit der Kerze 8 gesteigert wird. Darüber hinaus ist die Zündkerze nahe dem Zentrum des Zylinders 2 angeordnet, wodurch verhin dert wird, daß die Kerze 8 störend die Ansaugkanäle 40 sowie 42 und die Auspuffkanäle 44 sowie 46 (s. Fig. 10) beeinflußt. Des weiteren ist die Flammenausbreitungsstrecke kurz, so daß die Verbrennung verbessert wird. Auf Grund der erweiterten Ausbildung des Quetschbereichs 14 wird die Quetschströmung S verstärkt, und der verdampfte Kraftstoff Fe wird in einfa cher Weise so gelenkt, daß er in einer Richtung zur Zündkerze 8 hin fließt.

Wie den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, weist die eine der Quetschflächen 10 bzw. 12, auf die der Kraftstoff F gespritzt wird, eine Vertiefung 26 auf, die an einer Stelle oder an Stellen beginnt, wo der Kraftstoff F auf die jeweilige Quetschfläche 10 bzw. 12 trifft, und sich in einer Richtung zum mittigen Teil 22a der offenen Seite 22 des Quetschbereichs 14 erstreckt. Die eine Quetschfläche 10 oder 12 umfaßt eine Fläche der Vertie fung 26. Auf Grund der eingesenkten Ausbildung der Vertie fung 26 wird eine vom Quetschbereich 14 in die Vertiefung fließende Strömung erzeugt, wenn der Kolben 4 seinem OT nahe ist. Diese Strömung unterdrückt ein Ausströmen des an der Fläche der Vertiefung 26 erzeugten verdampften Kraftstoffs Fe aus der Vertiefung 26.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, liegen eine Mittellinie der einen Quetschfläche 10 oder 12, auf die der Kraftstoff 12 gespritzt wird, eine Mittellinie der Ver tiefung 26, ein unterer Endabschnitt der Kraftstoff-Ein spritzdüse 24 und die Achse der Zündkerze 8 in einer einzi gen, gemeinsamen Ebene, die die Achse des Kolbens 4 einschließt. Auf Grund dieser Anordnung kann die Düse 24 den Kraftstoff F im wesentlichen in der gleichen Richtung wie die Richtung der im Quetschbereich 14 erzeugten Quetschströmung S ein spritzen. Dadurch besteht die Möglichkeit, daß der verdampf te Kraftstoff Fe in der Richtung zum Inneren des Zylinders 2 hin strömt, und zwar insbesondere in Richtung zur Zündker ze 8 hin, wobei er durch die Vertiefung 26 geleitet wird.

Wie in Fig. 12 gezeigt ist, beginnt im Vollastbetrieb der Maschine das Einspritzen des Kraftstoffs F zu einem frühen Zeitpunkt, weshalb die Einspritzperiode P_H lang ist, wenn gleich der Kraftstoff F in dieser Periode P_H intermittierend eingespritzt werden kann. Die Fig. 12 zeigt eine kontinuier liche sowie eine intermittierende Einspritzung in der Periode P_H. Im Gegensatz hierzu beginnt in einem Teillastbetrieb der Maschine das Einspritzen des Kraftstoffs F in einem spä ten Zeitpunkt, so daß die Einspritzperiode P_L kurz ist.

Den Fig. 1 und 2 ist zu entnehmen, daß der Kolben 4 eine Kerzentasche 28 hat, die imstande ist, das untere Ende 8a der Zündkerze 8 aufzunehmen, wenn sich der Kolben 4 nahe dem OT befindet. Durch die Kerzentasche 28 wird ein Ansto ßen oder eine störende Beeinflussung zwischen dem unteren Ende 8a der Kerze 8 und dem Kolben 4 verhindert. Des weite ren wirkt die Kerzentasche 28 dahingehend, ein Stagnieren von verdampftem Kraftstoff Fe in dieser Tasche 28 herbeizu führen, wodurch der verdampfte Kraftstoff Fe in stabilerer Weise durch die Zündkerze 8 entzündet wird.

Ferner ist, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, der Kolben 4 mit einer konkaven Mulde 30, die eine Höhlung 32 mit einem vergleichsweise großen Volumen abgrenzt, an einer zur Kerzentasche 28 in der Richtung der Quetschströmung S, die im Quetschbereich 14 erzeugt wird, stromabwärtigen Seite versehen. Ein Umriß der konkaven Mulde 30 in einer zur Kolbenachse rechtwinkligen Ebene ist im wesentlichen ein Halb kreis, der durch Schneiden eines Kreises, dessen Zentrum auf der Achse des Kolbens 4 liegt, mit einer von der Kolbenachse zu der zur Einspritzdüse 24 näher liegenden Seite versetzten Linie gebildet wird. Die Kerzentasche 28 öffnet sich in die Höh lung 32 an einer Seitenfläche der konkaven Mulde 30. Eine Bodenfläche dieser Mulde 30 bildet einen tiefsten Teil des Kolbenbodens 16. Die Fläche der konkaven Mulde 30 wirkt dahingehend, den Kraftstoff F, wenn dieser in einer vergleichsweise frühen Phase Pe der Einspritzperiode P_H (s. Fig. 12) in einem Vollastbetrieb der Maschine eingespritzt wird, zu verdampfen. Wenngleich die Verdampfung des Kraft stoffs an der Fläche der konkaven Mulde 30 praktisch nicht durch die Quetschströmung S unterstützt wird, so kann der Kraftstoff F dennoch vollkommen verdampft werden, weil eine vergleichsweise lange Zeitspanne zur Verfügung steht, bevor der Kolben 4 seinem OT nahekommt und der verdampfte Kraft stoff Fe durch die Kerze 8 gezündet wird.

Wie die Fig. 9 zeigt, begrenzen die untere Fläche 18 des Zy linderkopfes 6, der Kolbenboden 16 und die Innenfläche 34 der Zylinderbohrung einen Brennraum 36, der die Höhlung 32 in der konkaven Mulde 30 des Kolbens 4, den in der Ker zentasche 28 des Kolbens gebildeten Raum und den Quetsch bereich 14 einschließlich eines in der Vertiefung 26 gebilde ten Raumes umfaßt. Die untere Fläche 18 des Zylinderkopfes 6 ist eingesenkt und im wesentlichen kegelförmig ausgebildet, wobei der Scheitel nahe der Zündkerze 8 liegt. Der Kolben 4 ist an seinem Kolbenboden 16 auf der einen Seite der Kolben achse, insbesondere auf der der Einspritzdüse 24 nahegelege nen Seite, mit einem Konvexteil 38 versehen. Eine obere Flä che des Konvexteils 38 verläuft im wesentlichen parallel zur unteren Kegelfläche 18 des Zylinderkopfes 6, um eine der Quetschflächen 10 bzw. 12 zu bestimmen. Die kegelige Ausbildung der unteren Fläche 18 des Zylinder kopfes 6 trägt dazu bei, daß das Ansauggas (die Ansaugluft) glatt in einer zur Höhlung 32 hin verlaufenden Richtung einge führt und glatt aus dieser Höhlung 32 ausgestoßen wird. Das Konvexteil 38 des Kolbens 4 nimmt den in den Brennraum 36 ragenden kurzen Teil der Zündkerze 8 auf.

Im folgenden werden für jede Ausführungsform spezifische konstruktive Ausbildungen erläutert.

Bei der ersten Ausführungsform ist, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, die Einspritzdüse 24 so gerichtet, daß sie Kraftstoff in einer Richtung zum Kolben 4 hin spritzt. Die Vertiefung 26 ist im Kolben 4 ausgebildet und hat eine Boden fläche 48 sowie Seitenflächen 50 und 52. Die Vertiefung 26 öffnet zur Kerzentasche 28 hin durch einen Raum, der ober halb der Bodenfläche 48 und zwischen den Seitenflächen 50 sowie 52 der Vertiefung 26 abgegrenzt ist. Ein Abstand zwi schen den Seitenflächen 50 und 52 in einer zur Mittellinie der Vertiefung 26 rechtwinkligen Richtung wird in der Nähe des offenen Endes der Vertiefung 26 vermindert, so daß, wenn die Quetschströmung S in der Vertiefung 26 erzeugt wird, der in dieser Vertiefung verdampfte Kraftstoff Fe aus der Vertie fung 26 in Richtung zur Zündkerze 8 hin strömt und durch die Seitenflächen 50 sowie 52 geführt wird.

Der Kolben 4 umfaßt, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, einen Einschnitt 54 an den Stellen, an denen ein Teil des von der Einspritzdüse 24 in einer sehr frühen Phase der Einspritzperiode P_H (s. Fig. 12) in einem Hochlastbetrieb der Maschine eingespritzten Kraftstoffs auf den Kolben 4 trifft. Der Einschnitt 54 hat eine Bodenfläche 56, deren Tiefe in einer vom Zentrum des Kolbens 4 weg verlau fenden Richtung allmählich zunimmt, und eine aufsteigende Wandfläche 58, die sich vom tiefen Ende der Bodenfläche 56 des Einschnitts 54 aufwärts zu einer ebenen Bodenfläche des Kolbens 4 unter einem steilen Neigungswinkel erstreckt. Die aufsteigende Wandfläche 58 verhindert, daß der auf die Boden fläche 56 des Einschnitts 54 gespritzte und an dieser haften de Kraftstoff weiter zur Innenfläche 54 der Zylinderbohrung fließt und an dieser haftet. Ein zu starkes Haften von Kraft stoff an der Innenfläche 34 der Zylinderbohrung ruft eine unvollkommene Verbrennung des Kraftstoffs wie auch ein momen tanes Hängenbleiben des Kolbens 4 am Zylinder 2 hervor.

Wie den Fig. 1, 2 sowie 9 zu entnehmen ist, sind die Vertie fung 26, die konkave Mulde 30 und der Einschnitt 54 in der angegebenen Reihenfolge in einer von der Einspritzdüse 24 weg verlaufenden Richtung angeordnet, woraus folgt: wenn Kraftstoff von der Einspritzdüse 24 in einem frühen Zeitpunkt, z.B. im Hochlastbetrieb der Maschine, eingespritzt wird, so wird ein Teil des in einer sehr frühen Phase der Einspritzperiode eingespritzten Kraftstoffs gegen den Kolben 4 am Einschnitt 54 treffen, wenn der Kolben vom OT entfernt ist (Fig. 4); ein anderer Teil des in einer vergleichsweise frühen und mittleren Phase Pe der Einspritzperiode P_H einge spritzten Kraftstoffs trifft gegen den Kolben 4 an der konka ven Mulde 30, wenn sich der Kolben zum OT hin bewegt (Fig. 6); der restliche Teil des in einer vergleichsweise späten Phase Pl der Einspritzperiode P_H (Fig. 12) eingespritz ten Kraftstoffs trifft an der Vertiefung 26 auf den Kolben 4, wenn dieser sich nahe dem OT (Fig. 8) befindet. Im Teillastbetrieb der Maschine trifft nahezu der gesamte, von der Düse 24 eingespritzte Kraftstoff an der Vertiefung 26 gegen den Kolben 4, weil das Einspritzen des Kraftstoffs zu einem späten Zeitpunkt beginnt.

Bei der zweiten Ausführungsform ist, wie die Fig. 10 und 11 zeigen, eine Kraftstoff-Einspritzdüse 24 am Zylinder 2 befe stigt und so gerichtet, daß sie den Kraftstoff in einer zum Zylinderkopf 6 hin verlaufenden Richtung einspritzt. Die Ver tiefung 26 ist im Zylinderkopf 6 zwischen den Enden der Ansaug kanäle 40 sowie 42 ausgebildet und beginnt an einer Stelle, an der der von der Düse 24 eingespritzte Kraftstoff F gegen die untere Fläche 18 des Zylinderkopfes 6 trifft. Die Vertie fung 26 erstreckt sich in einer Richtung zur Zündkerze 8 hin und endet an einer der Kerze 8 benachbarten Stelle, und sie weist eine Bodenfläche 60 sowie Seitenflächen 62 und 64 auf. Ein zur Zündkerze 8 nahegelegenes Endteil 60a der Vertiefung 60 ist sanft gekrümmt. Eine Tangente des gekrümmten Endteils 60a der Bodenfläche 60 ist so gerichtet, daß sie durch die konkave Mulde 30 des Kolbens 4 verläuft, ohne mit dem Zündspalt der Kerze 8 zusammenzutreffen, wenn der Kolben 4 sich nahe dem OT befindet. Die Seitenflächen 62 und 64 verlau fen im wesentlichen oder nahezu parallel zueinander. Wenn der Kolben 4 in einer niedrigen Stellung ist und eine starke Quetschströmung nicht erzeugt wird, dann fließt auf Grund dieser Ausbildung der auf die Bodenfläche 60 der Vertiefung 26 ge spritzte Kraftstoff F längs dieser Bodenfläche 60 in flüssi gem Zustand und weiter in die Mulde 30 des Kolbens 4, wobei er vom gekrümmten Endteil 60a geführt wird, ohne mit der Zündkerze 8 zusammenzutreffen. Wenn die Quetschströmung S erzeugt worden ist, dann verdampft sie den Kraftstoff F, und der verdampfte Kraftstoff Fe wird gegen den Zündspalt der Kerze 8 geblasen.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung erläutert.

Zuerst wird auf den Betrieb der Maschine in der Ausbildung gemäß der ersten Ausführungsform eingegangen.

Wie in den Fig. 3, 4 und 12 dargestellt ist, fließt der Kraft stoff F, wenn er in einem sehr frühen Zeitpunkt, insbesondere in einer sehr frühen Phase der Kraftstoff-Einspritzperiode P_H im Hochleistungsbetrieb der Maschine, eingespritzt wird, in einer Richtung zum Einschnitt 54 hin. Wegen der langen Fließstrecke verliert ein Teil des Kraftstoffs F sein Fließ- Beharrungsvermögen und wird im Brennraum 36 schweben. Der restliche Teil des strömenden Kraftstoffs F fließt zum Ein schnitt 54 hin und haftet an der Oberfläche dieses Ein schnitts, wo der Kraftstoff F verdampft wird.

Wird der Kraftstoff in einem vergleichsweise frühen Zeit punkt, insbesondere in einer vergleichsweise frühen Phase Pe der Einspritzperiode P_H im Hochlastbetrieb der Maschine, eingespritzt, so fließt er, wie in Fig. 5, 6 und 12 darge stellt ist, in einer Richtung zur konkaven Mulde 30 hin und haftet an deren Fläche, wo der Kraftstoff verdampft wird, um in der Höhlung 32 ein Gasgemisch zu bilden. Der an der Fläche haftende Kraftstoff F kann vollständig und perfekt verdampft werden, weil eine vergleichsweise lange Zeitspanne zur Verfügung steht, bis der Kolben 4 eine dem OT nahegele gene Stellung erreicht und der verdampfte Kraftstoff Fe durch die Kerze 8 gezündet wird.

Wird Kraftstoff in einem späten Zeitpunkt, insbesondere in einer späten Phase Pl der Einspritzperiode P_H im Hochlast betrieb oder in einer gesamten Phase der Einspritzperiode P_L im Schwachlastbetrieb der Maschine, eingespritzt, wie in Fig. 7, 8 und 12 gezeigt ist, so fließt der Kraftstoff F in einer Richtung zur Quetschfläche 10, wo der Kraftstoff F verdampft wird. Zusammen mit der Quetsch strömung S wird der verdampfte Kraftstoff Fe zur Zündker ze 9 hin geblasen. Obwohl in diesem Fall eine sehr kurze Zeit spanne zu Verfügung steht, bevor der Kolben 4 eine dem OT nahe Stellung erlangt und der verdampfte Kraftstoff Fe gezün det wird, wird der an der Quetschfläche 10 haftende Kraftstoff perfekt verdampft, weil die starke Quetschströmung S wirksam die Kraftstoffverdampfung fördert. Ein Teil des zur Zündkerze 8 geblasenen verdampften Kraft stoffs Fe bildet eine Schicht eines fetten Gasgemischs in der Nachbarschaft der Kerze 8, während der übrige Teil des verdampften Kraftstoffs Fe in die in der konkaven Mulde 30 ausgebildete Höhlung 32 fließt. Die Schicht des fetten Gasgemischs gewährleistet eine stabile Zündung und bildet darüber hinaus, wenn sie einmal gezündet ist, einen Flammen kern. Dieser Flammenkern unterliegt höchst unwahrscheinlich einem Erlöschen, selbst wenn die Quetschströmung S auftrifft. Die Flamme breitet sich rasch zum verdampften, in der Höh lung 32 schwebenden Kraftstoff Fe aus, wobei die Ausbreitung durch die Quetschströmung S begünstigt wird, um die gesamte Kraftstoffmenge, die im Zylinder 2 vorhanden ist, in einer sehr kurzen Zeitspanne vollständig zu ver brennen.

Bei der zweiten Ausführungsform wird, wie in Fig. 10 und 11 dargestellt ist, der Kraftstoff F auf die untere Fläche 18 des Zylinderkopfes 6 gespritzt.

Wird der Kraftstoff von der Einspritzdüse 24 in einem frühen Zeitpunkt, insbesondere in einer frühen Phase Pe der Ein spritzperiode P_H im Hochlastbetrieb der Maschine, eingespritzt, dann fließt der Kraftstoff F längs der Bodenfläche 60 der Vertiefung 26, wobei eine Verdampfung nahezu nicht auftritt, weil zu dieser Zeit nur eine kleine Quetschströmung erzeugt wird. Der flüssige Kraftstoff F tritt letztlich aus der Vertiefung 26 unter Führung durch die gekrümmte Fläche des Endteils 60a aus und fließt zur konkaven Mulde 30, ohne mit dem unte ren Endabschnitt 8a der Zündkerze 8 in Berührung zu kommen. Der an der Fläche der konkaven Mulde 30 haftende Kraft stoff F wird vollständig verdampft, weil eine erheblich lange Zeitspanne zur Verfügung steht, bevor der Kolben 4 eine dem OT nahe Stellung erreicht und der verdampfte Kraftstoff Fe durch die Kerze 8 gezündet wird.

Wird von der Düse 24 Kraftstoff in einem späten Zeitpunkt, insbesondere in einer späten Phase Pl der Einspritzperiode P_H im Hochlastbetrieb oder während der gesamten Phase der Einspritzperiode P_L im Teillastbetrieb der Maschine einge spritzt, so wird die Verdampfung von nahezu dem gesamten, auf die Fläche der Vertiefung 26 gespritzten Kraftstoff F durch die zu dieser Zeit erzeugte starke Quetschströmung S gefördert. Der verdampfte Kraftstoff Fe wird zusammen mit der Quetschströmung S zum Zündspalt der Kerze 8 hin geblasen, um eine Schicht eines fetten Gasgemischs für die Gewährlei stung einer stabilen Zündung zu bilden. Wenn die Zündung er folgt ist, bildet die Schicht des fetten Gasgemischs einen Flammenkern, dessen Ausblasen durch die Quetschströmung S äußerst unwahrscheinlich ist. Wegen der Quetschströmung S pflanzt sich die Flamme wirksam zum verdampften, in der Höhlung 32 schwe benden Kraftstoff Fe fort, um diesen in einer sehr kurzen Zeitspanne zu verbrennen.

Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, werden gemäß der Erfindung die folgenden Wirkungen und Vorteile erreicht.

Erstens ist es wegen des erweiterten oder vergrößerten Quetschbereichs 14 nicht erforderlich, einen einen Wirbel erzeugenden Kanal vorzusehen. Dadurch wird der volumetrische Wirkungsgrad der Maschine, und zwar insbesondere in einem Betrieb mit hoher Drehzahl, gesteigert.

Weil zweitens die Quetschströmung S sehr viel stärker als eine Wirbelströmung ist, kann sich die Flamme mit hohen Geschwin digkeiten ausbreiten, um eine perfekte Verbrennung des Kraft stoffs zu ermöglichen und dadurch die Ausgangsleistung der Maschine, insbesondere in deren Hochlastbetrieb, zu erhöhen.

Drittens wird wegen der durch die Quetschströmung S unterstütz ten Kraftstoffverdampfung eine Schicht eines fetten Gasge mischs in der Nähe der Zündkerze 8 gebildet. Das gewährlei stet eine stabile Zündung und bietet einen großen Vorteil insbesondere in einem Teillastbetrieb der Maschine.

Wegen der durch die Quetschströmung S unterstützten Kraftstoff verdampfung wird viertens die Länge eines in den Brennraum hineinragenden Teils der Zündkerze 8 verkürzt, wodurch die Lebensdauer der Zündkerze in vorteilhafter Weise verlängert wird.

Mit kurzen Worten gesagt, wird erfindungsgemäß bei einer Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung des Kraft stoffs die Verdampfung des Kraftstoffs durch eine Quetschströmung unterstützt. Die Maschine umfaßt einen Quetschbereich zur Erzeugung der Quetschströmung, eine nahe einem Zentrum eines Zylinders angeordnete Zündkerze und eine Kraftstoff- Einspritzdüse. Der Quetschbereich ist vergrößert, so daß er an einer offenen Seite von diesem dicht der Zündkerze ge genüberliegt. Die Einspritzdüse ist an einer geschlossenen Seite des Quetschbereichs angeordnet und spritzt wenig stens einen Teil des Kraftstoffs auf eine von zwei Quetschflächen, die den Quetschbereich zwischen sich bestimmen. Eine Verdampfung des auf diese eine Quetschfläche gespritzten und an die ser haftenden Kraftstoffs wird durch die Quetschströmung vor der Zündung des Kraftstoffs durch die Zündkerze gefördert und begünstigt.

Claims

1. Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einpritzung des Kraftstoffs in den Brennraum (36), mit einer Zündkerze (8) und mit einer Mulde (30) im Brennraum (36), wobei zwischen der Kolbenoberfläche (16) und der Wandung (18) des Zylinderkopfs (6) eine sich etwa bis zur Mitte des Brennraums (36) erstreckende Quetschfläche (14) ausgebildet und eine Einspritzdüse (24) vorhanden ist, deren Kraftstoffstrahl zur Zündkerze (8) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (8) im mittleren Quetschbereich (14) angeordnet ist, und daß im Quetschbereich (14) auf der Kolbenoberfläche (16) oder im Zylinderkopf (6) eine der Form der Strahlausbreitung angepaßte, flache Vertiefung (26) vorhanden ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quetschfläche (14) und die Vertiefung (26) symmetrisch bezüglich einer Längsachse ausgebildet sind, und daß die Einspritzdüse (24), die Zündkerze (8) sowie die Längsachse in einer die Kolbenachse einschließenden Ebene liegen.

3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) eine Tasche (28) aufweist, die einen unteren Endabschnitt (8a) der Zündkerze (8) in der dem oberen Totpunkt nahen Stellung des Kolbens (4) aufnimmt.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) mit einem vertieften Einschnitt (54) an jeder Stelle versehen ist, an der ein Teil des von der Einspritzdüse (24) eingespritzten Kraftstoffes (F) gegen den Kolben (4) in einer sehr frühen Phase einer Kraftstoff- Einspritzperiode (P_H) bei Hochlastbetrieb trifft, wobei der Einschnitt (54) eine in der Tiefe in der von der Mitte des Kolbens (4) weg verlaufenden Richtung allmählich zunehmende Bodenfläche (56) und eine von dieser Bodenfläche unter einem Neigungswinkel sich nach oben erstreckende steile Wandfläche (58) hat.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die flache Vertiefung (26) nur im Zylinderkopf (6) vorgesehen ist.

6. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eingespritzte Kraftstoff im Hochlastbetrieb zu Beginn der Kraftstoff-Einspritzperiode (P_H) auf den vertieften Einschnitt (54), weiterhin während der Kraftstoff- Einspritzperiode (P_H) auf die Mulde (30) und zum Ende der Kraftstoff-Einspritzperiode (P_H) auf die flache Vertiefung (26) auftrifft.

7. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der eingespritzte Kraftstoff im Teillastbetrieb nur auf die flache Vertiefung (26) auftrifft.