DE60115841T2 - Direkteingespritzte brennkraftmaschine - Google Patents

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Kiyomi Nakakita
Takayuki Fuyuto
Kazuhisa Inagaki
Yoshihiro Hotta
Kazuhiro Akihama
Minaji Inayoshi
Ichiro Toyota-shi Sakata
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schichten einer Einlassgasladung innerhalb eines Brennraumes einer Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart und bezieht sich weiter auf eine Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart. Die Erfindung bezieht sich speziell auf Techniken zum Schichten der Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes.
  • Stand der Technik
  • Erster Stand der Technik (JP-A-11-148429)
  • Dieser Stand der Technik schlägt eine Technik zum Schichten einer Einlassgasladung innerhalb eines Brennraumes einer Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart vor, die mit einer Abgasrückführungs-(EGR)-Vorrichtung versehen ist, so dass die Menge an schädlichen in dem Abgas verbliebenen Substanzen durch die Schichtung der Einlassgasladung reduziert wird.
  • Der Brennraum ist mit zwei Einlassöffnungen versehen, durch welche jeweils zueinander konzentrische Wirbelströmungen in gleicher Richtung ausgebildet werden. Die stromaufwärts der Wirbelströmungen befindliche Einlassöffnung ist vorgesehen, eine Wirbelströmung mit einem kleinen Durchmesser in einem zentralen Bereich der Brennkammer zu bilden, während die stromabwärts der Wirbelströmungen gelegene Einlassöffnung vorgesehen ist, die Wirbelströmung eines großen Durchmessers in einem Umfangsbereich des Brennraumes zu bilden.
  • Ein rückgeführtes Abgas wird mit dem Einlassgas, das durch die stromaufwärtige Einlassöffnung strömt, vermischt, wird aber nicht mit dem Einlassgas, das durch die stromabwärtige Einlassöffnung strömt, vermischt, so dass das Einlassgas, das in einem zylindrischen Bereich in dem zentralen Bereich des Brennraumes vorhanden ist, das rückgeführte Abgas enthält, während das Einlassgas, das in einem ringförmigen Bereich in dem Umfangsteil des Brennraumes vorhanden ist, kein rückgeführtes Abgas enthält.
  • Dieser Stand der Technik besagt, dass die Wirbelströmungen eines kleinen und eines großen Durchmessers in jeweiligen radial inneren und äußeren Teilen des Brennraumes gebildet werden. Die Wirbelströmung weist jedoch eine Zentrifugalkraft auf, die ihren Durchmesser vergrößert. Die Wirbelströmung des kleinen Durchmessers dehnt sich mit einer Vergrößerung ihres Durchmessers radial auswärts aufgrund ihrer Zentrifugalkraft aus, und kollidiert und vermischt sich eventuell mit der Wirbelströmung des großen Durchmessers, dessen Vergrößerung durch die zylindrische Wand des Brennraumes verhindert wird. Dementsprechend ist es schwierig, die Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes so zu schichten, dass das Einlassgas, das das rückgeführte Abgas enthält, in dem zentralen zylindrischen Bereich vorhanden ist, während das Einlassgas, das kein rückgeführtes Abgas enthält, in dem kreisförmigen Umfangsbereich vorhanden ist.
  • Auch wenn die Wirbelströmungen des kleinen und des großen Durchmessers in den jeweiligen radial inneren und äußeren Teilen des Brennraumes im Einlass- bzw. Ausgangshub gebildet werden, wird eine Quetschströmung des Einlassgases in einem Quetschbereich über dem Umfangsteil der Oberfläche des Kolbens in einen Hohlraum in einem zentralen Teil der Oberfläche des Kolbens in dem nachfolgenden Kompressionshub entstehen. Die Wirbelströmung mit großem Durchmesser in dem Umfangsteil des Brennraumes wird durch die Quetschströmung in den zentralen Teil der Brennkammer gebracht, und kollidiert und vermischt sich mit der Wirbelströmung mit dem kleinen Durchmesser in dem zentralen Teil der Brennkammer. Dadurch ist es schwierig, bis zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubes den radialen Schichtungszustand, welcher in dem Einlasshub erzeugt wurde und in welchem die Einlassgasladung aus dem inneren zylindrischen Wirbelstrom und dem äußeren ringförmigen Wirbelstrom besteht, aufrecht zu erhalten.
  • Folglich garantiert die Anordnung des vorliegenden Standes der Technik nicht, dass zu einem Zeitpunkt der Endperiode des Kompressionshubes, an dem die Verbrennung des Kraftstoffes, der in den Brennraum einspritzt wird, eingeleitet wird, der zentrale zylindrische Bereich und der kreisförmige Umfangsbereich des Brennraumes jeweils mit dem Einlassgas, das das rückgeführte Abgas enthält und mit dem Einlassgas, das das rückgeführte Abgas nicht enthält, beladen sind, oder mit den Einlassgasen, die hohe oder niedrige Konzentrationswerte der rückgeführten Abgase aufweisen, nämlich mit den zwei Einlassgasen verschiedener Zusammenset zung. Es ist auch nicht klar, ob die Mengen schädlicher Substanzen, die in dem Abgas enthalten sind, reduziert werden.
  • Die Verbrennung des Kraftstoffes innerhalb des Brennraumes kann nicht wie gewünscht kontrolliert werden, wenn die Einlassgasladung innerhalb der Brennkammer zu einem Zeitpunkt am Anfang der Kraftstoffverbrennung nicht, so wie notwendig, geschichtet ist.
  • Zweiter Stand der Technik (16)
  • Eine Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart einer vormischenden Bauart hat einen herkömmlichen Kraftstoffinjektor 2, der in einem zentralen Teil der oberen Oberfläche eines Brennraumes 1 angeordnet ist, und eine Mehrzahl von vormischenden Kraftstoffinjektoren 31, welche in jeweiligen Positionen in einem Umfangsteil der oberen Oberfläche der Brennkammer 1 angeordnet sind, und wobei jeder so angeordnet ist, dass er Kraftstoff in einer Richtung eingespritzt, die leicht bezüglich der oberen Oberfläche der Brennkammer nach unten geneigt ist. Die Mehrzahl von vormischenden Kraftstoffinjektoren 31 wird zu einem Kraftstoffvormischungseinspritzzeitpunkt vor 30° vor OT während des Einlasshubes oder des Kompressionshubes betrieben, um einen Teil einer geforderten Menge Kraftstoff einzuspritzen. Und der herkömmliche Kraftstoffinjektor 2 wird zum Einspritzen des verbleibenden Teiles der geforderten Menge an Kraftstoff zu einem normalen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt während der Endperiode des Kompressionshubes betrieben.
  • Dieser Stand der Technik macht es möglich, die Menge eines Teils des Kraftstoffes, der von den Vormischungskraftstoffinjektoren 31 zu einem Kraftstoffvormischungszeitpunkt eingespritzt wird, zu reduzieren, welcher Teil an den Wandoberflächen des Hohlraumes der Brennkammer 1 haften bleibt. Es ist daher möglich, die Mengen von HC (Kohlenwasserstoffen), SOF (lösbarer organischer Anteil) und weißem Rauch aufgrund von Abschrecken in der Nähe der Wandoberfläche des Hohlraumes zu reduzieren.
  • Auch wenn die Menge von HC und ähnlichem, das produziert wird, aufgrund der Haftung des vorgemischten Kraftstoffes an den Wandoberflächen des Hohlraumes des Brennraumes reduziert wird, wird die Menge von HC und ähnlichem, was produziert wird, aufgrund des Kraft stoffes, der in dem Quetschbereich des Brennraumes vorhanden ist, nicht reduziert. Folglich ist der Stand der Technik nicht so effektiv, um die Menge von HC und ähnlichem, das in dem Abgas verbleibt, zu reduzieren.
  • Der vorliegende Stand der Technik erfordert eine Vielzahl von Vormischungsinjektoren, die in einem Umfangsteil der oberen Oberfläche des Brennraumes angeordnet sind, zusätzlich zu dem herkömmlichen Kraftstoffinjektor, der in dem zentralen Teil der oberen Oberfläche angeordnet ist. Dementsprechend ist die Konstruktion der Maschine kompliziert.
  • Dritter Stand der Technik (JP-B-2906932)
  • Eine mager verbrennende Verbrennungsmaschine der funkenzündenden Bauart benutzt eine Vielzahl von Einlassöffnungen, durch welche zwei oder drei Walzenströmungen (Tumble-Strömungen) des Einlassgases in der gleichen Richtung in jeweils rechten und linken Teilen oder jeweils rechten, linken und zentralen Teilen des Brennraumes während eines Einlasshubes ausgebildet werden. Ein Kraftstoff wird nur in die Einlassöffnung zum Formen der Walzenströmung eingespritzt, welche eine Zündkerze, die an der oberen Oberfläche des Brennraumes angeordnet ist, passiert.
  • In diesem Stand der Technik passiert die Walzenströmung des Einlassgases, welches den Kraftstoff enthält, nicht den ganzen Quetschbereich des Brennraumes, sondern passiert nur einen Teil des Quetschbereiches, so dass die Menge des Kraftstoffes, der in dem Quetschbereich des Brennraumes vorhanden ist, reduziert wird, wobei die Menge der Produktion von HC und ähnlichem durch Abschrecken in dem Quetschbereich reduziert wird.
  • Auch wenn der Kraftstoff nicht in einem Teil des Quetschbereiches vorhanden ist, den die Walzenströmung des Einlassgases, welches keinen Kraftstoff enthält, passiert, ist Kraftstoff in einem Teil des Quetschbereiches vorhanden, welchen die Walzenströmung des Einlassgases, welches Kraftstoff enthält, passiert. Insofern ist der vorliegende Stand der Technik nicht effektiv genug, die Menge an Kraftstoff, die in dem Quetschbereich des Brennraumes vorhanden ist, zu reduzieren und ist daher nicht effektiv genug, die Menge der Produktion an HC und ähnlichem aufgrund von Abschrecken in dem Quetschbereich zu reduzieren.
  • Weiterer Stand der Technik:
  • US 5,906,183 , welche die Basis für den Oberbegriff der anhängenden Ansprüche 1 bis 10 ist, beschreibt eine Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart, wobei ein Verbrennungsluftstrom jedem Zylinder durch z.B. zwei Einlassdurchlässe tangential zu der Zylinderwand zugeführt werden, so dass eine Drehströmung (spin flow) um die Zylinderachse in dem Brennraum ausgebildet wird. Die Drehströmung kann durch zumindest eine zusätzliche Fluidströmung verstärkt werden, welche dem Verbrennungsluftstrom in dem Einlassdurchlass auf der Seite des Einlassdurchlasses gegen die Richtung der Drehströmung in der Brennkammer hinzugefügt wird. Die Luftströmung, die durch die zwei tangentialen Einlassdurchlässe erzeugt wird, wird direkt zueinander ohne jegliche vertikale Separation zwischen den beiden Strömungen hinzugefügt. Weiterhin wird Kraftstoff durch einen Injektor injiziert, was einen Kraftstoffstrahl koaxial mit der Zylinderachse erzeugt.
  • GB 2 327 983 A beschreibt eine funkengezündete Brennkraftmaschine, welche ihr Einlassgas durch zwei Einlassdurchlässe ansaugt. In dem ersten Durchlass ist eine schraubenförmige Wirbelöffnung ausgebildet. Ein zweiter Durchlass, welcher eine Drossel enthält, ist ein nichttangentialer gerade nach vorne gerichteter Durchlass, welcher einen Wirbelstrom um die Achse des Brennraumes mit einer Drehrichtung gegen die Drehrichtung des Wirbels, der von dem ersten Durchlass erzeugt wird, erzeugt. Ein Rohr öffnet sich schräg zu der Längsrichtung der Öffnung in den Öffnungsteil des zweiten Durchlasses und ist in Richtung des Öffnungsteils des ersten Durchlasses gerichtet, so dass verdampfter Kraftstoff, der durch das Rohr angesaugt wurde, speziell wenn die Drossel geschlossen ist, der Wirbelströmung, die durch den ersten Durchlass angesaugt wurde, hinzugefügt wird.
  • JP-06-147023 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einer Einleitungsöffnung für Abgas, die an einem Durchgangsloch eines Zylinderkopfes, in das eine Ventilstange eines Saugventils eingesetzt ist, ausgebildet ist. Das bedeutet, dass Abgas in die Innenseite in Durchmesserrichtung der Brennkammer zwischen der Ventilstange und dem Durchgangsloch eingeleitet wird. Weiter ist eine Ansaugöffnung für Frischluft an dem Zylinderkopf ausgebildet und so gestaltet, dass eine schraubenförmige Öffnung sich spiralförmig in den Umfang des Ansaugventils biegt.
  • Folglich wird frische Luft kreisförmig in die Außenseite in Durchmesserrichtung des Brennraumes eingeleitet, und zur Zeit des Ansaughubes und des Kompressionshubes werden eine rohrförmige Frischluftschicht und eine zylindrische Abgasschicht jeweils in der Außenseite und der Innenseite in Durchmesserrichtung der Brennkammer erzeugt.
  • JP-11-343854 beschreibt eine funkengezündete Maschine mit Einspritzung in den Zylinder, bei der Einlassluft von einer Unteröffnung während der geschichteten Ladungsverbrennung auf eine hohe Temperatur durch einen zweiten Einlassluftkollektor erwärmt wird, der auf einem Abgaskrümmer vorgesehen ist, und dann in die Brennkammer strömt, um eine stark reversive Walzenströmung zu erzeugen, und heizt eine Innenoberfläche einer Innenbrennkammer, wie z.B. die Kopffläche eines Kolbens oder Ähnliches. Kraftstoffstrahlen von einem Einspritzventil, während eines Kompressionshubes eingespritzt, werden durch die hohe Temperatur der reversierten Walzenströmung zum Vergasen gebracht, und werden zu der Zündkerze eines zentralen Teils eines Brennraumes transportiert, während Kraftstoffstrahlen, die an der Kopffläche des Kolbens haften, schnell vergast werden, wodurch eine stabile geschichtete Ladungsverbrennung erfolgt, unverbrannter HC reduziert werden und so Abgasemissionen verbessert werden.
  • JP-11-002158 beschreibt eine Abgasrückführungsvorrichtung für geschichtete Verbrennungsmaschinen, bei der ein Wirbelsteuerventil in einem Einlassrohr angebracht ist. Weiter sind eine EGR-Rohranlage und ein EGR-Ventil vorgesehen. Das EGR-Ventil ist so gesteuert, dass der Teil des Abgases von dem Abgasrohr in das Einlassrohr eingeleitet wird. Dadurch ist ein Einleitungsteil zum Einleiten des zirkulierten Abgases von der EGR-Rohranlage in das Einlassrohr an einer Abströmseite des Wirbelsteuerventils an einer Position angebracht, das der Einlassöffnung zugewandt ist. Das Einlassrohr ist in zwei Einlassöffnungen verzweigt, und Nutenteile sind in den oberen und unteren Bereichen eines Teiles der Einlassöffnungsseite ausgebildet. Der Einlass ist in einer Richtung des Einlassteiles durch die Nutenteile geführt, um eine Wirbelströmung innerhalb des Brennraumes in einem Zustand, in dem das Wirbelsteuerungsventil komplett geschlossen ist, zu erzeugen.
  • US 6,073,690 beschreibt eine geschichtete Ladungsverbrennungsmaschine, die zumindest einen Zylinder mit zumindest einem Einlassventil pro Zylinder und zwei Krümmer mit Verteilern aufweist, die erste und zweite Gasströme an zumindest ein Einlassventil eines jeden Zylin ders führen. Die beiden Ströme treten in den Zylinder separat durch verschiedene Bereiche des Ventils ein, so dass eine Sandwich-Schichtung innerhalb des Zylinders erzeugt wird, wobei sich eine Schicht parallel zu der Achse des Zylinders sandwichartig zwischen Außenschichten erstreckt. Hier gibt es keine Schichtung bezüglich der Richtung der Achse des Zylinders.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart derart zu verbessern, dass z.B. schädliche Substanzen, die in dem Abgas der Maschine verbleiben, reduziert werden.
  • Eine erste Lösung dieser Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß des neuen Anspruchs 1 erreicht.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in einer Endperiode des Kompressionshubes, in welchem die Verbrennung eingeleitet wird, ist ein Einlassgas einer ersten Zusammensetzung hauptsächlich in einem Bereich innerhalb einer insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche vorhanden, welche ihr Zentrum an einer Position der Injektion des Kraftstoffes in den Brennraum hat, während ein Einlassgas einer zweiten Zusammensetzung hauptsächlich in einem Bereich außerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt der flach halbkugeligen Ebene vorhanden ist. Daher gibt es eine vertikale Schichtung des Einlassgases zu Beginn der Verbrennung, was eine verbesserte Einstellung der thermodynamischen Bedingungen innerhalb der Brennkammer entsprechend den jeweiligen Erfordernissen, wie z.B. das Reduzieren schädlicher Substanzen, die in dem Abgas der Maschine, die z.B. in den 11 und 12 gezeigt ist, verbleiben, ermöglicht.
  • Die Unteransprüche 3 bis 9 sind auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet, wobei Anspruch 8 weitere Einzelheiten eines Beispiels hierfür zum Erreichen einer vertikalen Schichtung spezifiziert.
  • Anspruch 10 kennzeichnet eine Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart, mit der eine Lösung der Aufgabe der Erfindung erreicht wird.
  • Die Unteransprüche 11 bis 21 sind auf vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart gerichtet.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Untersuchung bezüglich der Schichtung von Einlassgasladungen innerhalb eines Brennraumes.
    • 1) In einer kompressionszündenden Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart bewirkt ein Kraftstoffstrahl, der von einem Kraftstoffinjektor in einen Lufteinlass innerhalb des Brennraumes in den Einlasshub eingespritzt wurde, dass Luft, die einen Wurzelbereich umgibt, d.h. der kraftstoffinjektorseitige Teil des Kraftstoffstrahles, teilweise mit dem Inneren des Kraftstoffstrahles mitgerissen und teilweise mit dem Äußeren des Kraftstoffstrahles mitgetragen wird, wobei eine Luftströmung, die den Kraftstoffstrahl begleitet, induziert wird.
  • Der Kraftstoff, der in den Lufteinlass innerhalb des Brennraumes eingespritzt wird, strömt mit einer hohen Geschwindigkeit und bricht in feine Tröpfchen auf, welche eventuell im Endbereich des Kraftstoffstrahles verdampft oder verbrannt werden, um eine Flamme zu erzeugen. Während der Kraftstoffstrahl zum Erzeugen einer Flamme am Wurzelbereich verbrannt werden kann, wird der Kraftstoffstrahl zum Erzeugen einer Hochtemperaturflamme in einem großen Ausmaß am Endbereich verbrannt.
  • Während der Kraftstoff eingespritzt und verbrannt wird, wird in dem Brennraum ein Kraftstoffluftgemischbildungsbereich in der Nähe des Wurzelbereichs des Kraftstoffstrahls gebildet, indem ein Kraftstoffluftgemisch durch Mischen von Kraftstoff und Luft ausgebildet wird. Ebenfalls wird in dem Brennraum ein Flammenerzeugungsbereich in der Nähe des Endbereichs des Kraftstoffstrahles gebildet, in welchem der Kraftstoff heftig zum Erzeugen einer Hochtemperaturflamme in großem Ausmaß verbrannt wird. Folglich ist das Innere des Brennraumes grob in den Kraftstoffluftmischungsbildungsbereich und den Flammenerzeugungsbereich geteilt.
  • Die Zusammensetzung des Kraftstoffluftgemisches, das in dem Kraftstoffluftmischungsbildungsbereich des Brennraumes gebildet ist, wird durch die Zusammensetzung des Einlassgases, das in dem Kraftstoffluftgemischbildungsbereich vorhanden ist, bei der Einspritzung des Kraftstoffes oder bei Beginn der Kraftstoffverbrennung beeinflusst.
  • Das Kraftstoffluftgemisch, das in dem Kraftstoffluftgemischbildungsbereich des Brennraumes gebildet wurde, wird durch den Kraftstoffstrahl oder die Kraftstoffmischungsströmung in den Flammenerzeugungsbereich des Brennraumes befördert. In dem Flammenerzeugungsbereich existiert das gerade aus dem Kraftstoffluftmischungsbildungsbereich geförderte Kraftstoffluftgemisch und die Einlassluft, welche in dem Flammenerzeugungsbereich seit einem Punkt vor Beginn der Kraftstoffverbrennung vorhanden war, und das verbrannte Gas, das als Ergebnis der Verbrennung des Kraftstoffes in dem Flammenerzeugungsbereich erzeugt wurde. Die Verbrennung des Kraftstoffes in dem Flammenerzeugungsbereich findet in Anwesenheit von Kraftstoffluftgemisch, Einlassluft und verbrannter Luft statt. Der Zustand der Verbrennung des Kraftstoffes in dem Brennraum wird durch die Zusammensetzung des Gases, das in dem Flammenerzeugungsbereich am Anfang der Verbrennung vorhanden ist, beeinflusst.
  • In anderen Worten kann der Zustand der Kraftstoffverbrennung innerhalb des Brennraumes wie gewünscht kontrolliert werden durch Kontrolle der Zusammensetzung des Gases in dem Kraftstoffluftmischungsbildungsbereich bei Einspritzung des Kraftstoffes am Anfang der Kraftstoffverbrennung, so dass die Zusammensetzung geeignet ist, ein gewünschtes Kraftstoffluftgemisch zu erzeugen, und durch Kontrolle der Zusammensetzung des Gases, das in dem Flammenerzeugungsbereich am Anfang der Kraftstoffverbrennung vorhanden ist, so dass die Zusammensetzung dieses Gases geeignet ist, den gewünschten Kraftstoffverbrennungszustand zu bilden.
  • Der Kraftstoffverbrennungszustand innerhalb der Brennkammer kann nämlich durch die Schichtung der Einlassgasladung innerhalb der Brennkammer derart kontrolliert werden, dass die Ladung aus dem Einlassgas, das in dem Kraftstoffluftmischungsbildungsbereich vorhanden ist, und dem Gas, das in dem Flammenerzeugungsbereich vorhanden ist, besteht.
    • 2) Ein Abstand zwischen den Düsenöffnungen des Kraftstoffinjektors und einer Position, an der der Kraftstoffstrahl anfängt, in kleine Tröpfchen aufzubrechen, wird als „Sprüh-Aufbruchlänge" des Kraftstoffstrahls bezeichnet. Die Position, an der die Erzeugung einer Hochtemperaturflamme eines großen Ausmaßes im Endbereich des Kraftstoffstrahls beginnt, ist von der Position der Düsenöffnung des Kraftstoffinjektors durch einen Abstand, der 1–1,5 mal die Sprüh-Aufbruchlänge ist, was gleich zu 15,8 (Kraftstoffdichte/Luftdichte)½·(Durchmesser der Düsenöffnung des Kraftstoffinjektors) ist, beabstandet.
  • Der Kraftstoffinjektor hat eine Vielzahl von Düsenöffnungen, die in einem Zentralbereich der oberen Oberfläche des Brennraumes, welche der oberen Fläche des Kolbens gegenüberliegend ist, angeordnet. Der Kraftstoff wird von diesen vielen Düsenöffnungen in entsprechend viele radiale Richtungen, welche relativ zu der nominalen radialen Richtung des Brennraumes geneigt sind, in Richtung der oberen Fläche des Kolbens eingespritzt, so dass der Kraftstoff in Richtung eines Umfangsteiles eines Hohlraumes, der in einem zentralen Bereich der oberen Fläche des Kolbens ausgebildet ist, injiziert wird, zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubes.
  • Dementsprechend ist der Flammenerzeugungsbereich des Brennraumes ein äußerer Bereich und ist von der Position der Düsenöffnungen des Kraftstoffinjektors in jede radiale Kraftstoffeinspritzungsrichtung durch einen Abstand nicht kleiner als 1–1,5 mal die Sprüh-Aufbruchlänge des Kraftstoffstrahles beabstandet, und ist im wesentlichen symmetrisch bezüglich der Mittelachse der Brennkammer. Der Kraftstoffluftgemischbildungsbereich ist ein innerer Bereich und ist von der Position der Düsenöffnungen in jede radiale Kraftstoffeinspritzungsrichtung durch einen Abstand nicht größer als 1–1,5 mal die Sprüh-Aufbruchlänge beabstandet, und ist im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Mittelachse des Brennraumes.
  • Dies versteht man aus der nachfolgenden Analyse. Wenn die Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubes derart geschichtet werden kann, dass in zwei Bereichen, die jeweils innerhalb und außerhalb einer insgesamt halbkugeligen oder einer insgesamt flachen halbkugeligen Fläche, welche ihr Zentrum im zentralen Teil der oberen Oberfläche des Brennraumes, von dem der Kraftstoff eingespritzt wird, geschichtet werden kann, kann der Zustand der Verbrennung des Kraftstoffes durch Bil den der gewünschten Zusammensetzung der zwei Einlassgase, die jeweils in dem inneren und dem äußeren Bereich vorhanden sind, kontrolliert werden.
    • 3) Die Einlassgasladung innerhalb der Brennkammer kann in einer kompressionszündenden Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart geschichtet werden, welche eine Mehrzahl von Einlassöffnungen aufweist, die vorgesehen sind, eine Mehrzahl von Wirbelströmungen des Einlassgases in der gleichen Richtung in dem Brennraum zu bilden, und welche Brennkraftmaschine so angepasst ist, dass ein Kraftstoff von einem zentralen Bereich der oberen Oberfläche des Brennraumes in Richtung des Umfangsbereiches eines Hohlraumes, der in einem zentralen Teil der oberen Fläche des Kolbens ausgebildet ist, eingespritzt wird. Die Einlassgasladung kann durch eine Einlassschichtungsvorrichtung geschichtet werden, welche die Konfiguration des Brennraumes und der Einlassöffnungen enthält, welche geeigneterweise so bestimmt sind, dass die gewünschten dynamischen Charakteristika einer Quetschströmung und der Wirbelströmungen der Einlassgase, wie unten beschrieben, gebildet wird.
  • In einem Einlasshub ist eine Einlassöffnung 3, die sich stromabwärts der Wirbelströmung befindet, so angeordnet, dass eine Wirbelströmung eines ersten Einlassgases 11 in einem oberen Teil des Brennraumes 1 längs seiner zylindrischen Wand gebildet wird, während eine Einlassöffnung 4, die sich stromaufwärts der Wirbelströmung befindet, so angeordnet ist, dass eine Wirbelströmung eines zweiten Einlassgases 12 in einem unteren Teil des Brennraumes 1 längs der zylindrischen Wand, wie in 2 gezeigt, gebildet wird. Ein Zustand der vertikal geschichteten Gasladung, bestehend aus den Wirbelströmungen des ersten und des zweiten Einlassgases 11, 12 mit verschiedenen Zusammensetzungen wird, wie in den 4 und 5 beispielsweise dargestellt, in dem Brennraum 1 bis zu einem Zeitpunkt in einer Zwischenperiode des Kompressionshubes aufrechterhalten.
  • In der letzten Hälfte des Kompressionshubes, in welchem eine Quetschströmung erzeugt wird, wird die Wirbelströmung im Umfangbereich der oberen Fläche des Kolbens durch die Quetschströmung in den Hohlraum im zentralen Teil der oberen Fläche des Kolbens gebracht. In Anwesenheit einer Zentrifugalkraft, die durch eine Erhöhung der Geschwindigkeit in Richtung der Wirbelströmung mit einer Abnahme des Durchmessers der Wirbelströmung erzeugt wird, wird die Wirbelströmung gehindert, in Richtung des zentralen Teiles des Hohlraumes gelenkt zu werden, sondern die Wirbelströmung wird gezwungen, längs der Umfangswand des Hohlraumes zu strömen und wird in Richtung der Bodenoberfläche des Hohlraumes gelenkt. Bevor die Quetschströmung erzeugt wird, ist das zweite Einlassgas in dem gesamten Teil des Hohlraumes vorhanden. Nachdem die Quetschströmung erzeugt ist, strömt das erste Einlassgas 11 in den zentralen Bereich des Hohlraumes, und das zweite Einlassgas 12 ist eventuell nur in den Umfangs- oder Bodenbereichen des Hohlraumes vorhanden, wie in den 6(a), 6(b) und 6(c) im Zeitverlauf dargestellt ist.
  • Zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubes, zu welchem die Verbrennung des Kraftstoffes beginnt, ist das erste Einlassgas 11 hauptsächlich innerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 vorhanden, welche ihr Zentrum an der zentralen Position der oberen Oberfläche des Brennraumes 1 hat, von welcher der Kraftstoff eingespritzt wird, während das zweite Einlassgas 12 hauptsächlich außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 vorhanden ist, wie in 1 gezeigt. Die Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes 1 ist so geschichtet, dass die Einlassgase 11, 12 verschiedener Zusammensetzung innerhalb und außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 zu einer Zeit des Beginns der Kraftstoffverbrennung sind.
    • 3-1) Wenn das rückgeführte Abgas nicht mit dem ersten Einlassgas 11 vermischt wird, während das rückgeführte Abgas mit dem zweiten Einlassgas 12 vermischt wird, wird die Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes zu Beginn der Kraftstoffverbrennung so geschichtet, dass das Einlassgas, das kein rückgeführtes Abgas oder eine geringe Konzentration des rückgeführten Abgases enthält, in einem Bereich innerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 vorhanden ist, welche ihr Zentrum an der Stelle der Kraftstoffeinspritzung hat, während das Einlassgas, das rückgeführtes Abgas oder eine hohe Konzentration des rückgeführten Abgases enthält, in einem Bereich außerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 vorhanden ist.
  • Im umgekehrten Fall, d.h. wenn das rückgeführte Abgas mit dem ersten Einlassgas 11 vermischt wird, während das rückgeführte Abgas nicht mit dem zweiten Einlassgas 12 vermischt wird, wird die Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes 1 zu Beginn der Kraftstoffverbrennung so geschichtet, dass das Einlassgas, welches das rückgeführte Abgas oder eine hohe Konzentration des rückgeführten Abgases enthält, in einem Bereich innerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 vorhanden ist, welche ihr Zentrum an einer Stelle der Kraftstoffeinspritzung hat, während das Einlassgas, das kein rückgeführtes Abgas oder eine niedrige Konzentration des rückgeführten Abgases enthält, in dem Bereich außerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 vorhanden ist.
    • 3-2) Das Schichtungsmuster der Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes 1 wird durch Mischen einer spezifischen Komponente, wie z.B. das rückgeführte Abgas, und dem Kraftstoff mit dem ersten Einlassgas 11 und dem zweiten Einlassgas 12 geändert, und durch Erhöhen oder Reduzieren der Menge der spezifischen Komponente, die mit dem ersten Einlassgas 11 und dem zweiten Einlassgas 12 gemischt werden soll. Das Schichtungsmuster kann nämlich zu: einem normalen Schichtungsmuster in dem die Konzentration der spezifischen Komponente in dem Bereich des Brennraumes 1 innerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 geringer ist als in dem Bereich außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13; einem umgekehrten Schichtungsmuster, in dem die Konzentration der spezifischen Komponente in dem Bereich des Brennraumes 1 innerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 höher ist als in dem Bereich außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13; und einem homogenen Muster, in dem die Konzentrationen der spezifischen Komponente in den Bereichen des Brennraumes 1 innerhalb und außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 zueinander gleich sind, geändert werden.
  • Durch Erhöhen oder Verringern der Menge der spezifischen Komponente, die mit dem ersten Einlassgas 11 und dem zweiten Einlassgas 12 gemischt werden soll, kann der Grad der Schichtung der Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes 1 geändert werden. Der Grad der Schichtung, d.h. das Verhältnis der Konzentration der spezifischen Komponente außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 zu der Konzentration der spezifischen Komponente innerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 wird erhöht und verringert.
  • Untersuchung bezüglich der Schichtung von Einlassgasladungen, die rückgeführtes Abgas enthalten
    • 4) Gemäß einer Untersuchung einer kompressionsgezündeten Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart durch die Erfinder wird ein Hochtemperaturbereich, in welchem der Kraftstoffstrahl, der durch den Kraftstoffinjektor eingespritzt wird, verbrennt, in dem Quetschbereich und in dem Umfangsteil des Hohlraumes gebildet, was in den 11(a) und 12(a) beispielhaft gezeigt ist.
  • In diesem Hochtemperaturverbrennungsbereich wird NOx (Stickstoffoxide) in einem kraftstoffarmen Bereich produziert, in dem das Kraftstoffluftverhältnis in der Nähe eines stöchiometrischen Wertes ist, so wie dies in den 11(b), 11(c), 12(b) und 12(c) beispielsweise gezeigt ist. Wenn der Quetschbereich und der Umfangsbereich des Hohlraumes des Brennraumes während der Verbrennungsperiode mit Einlassgas beladen werden, das rückgeführtes Abgas enthält, wird die Sauerstoffkonzentration und die Verbrennungstemperatur in dem Hochtemperaturverbrennungsbereich herabgesetzt, mit einem Ergebnis der Verringerung der Menge des produzierten NOx.
  • Wie in den 11(b), 11(d), 12(b) und 12(d) beispielsweise gezeigt ist, wird Ruß in einem kraftstoffreichen Bereich oder sauerstoffarmen Verbrennungsbereich des Hochtemperaturverbrennungsbereiches produziert, in welchem das Kraftstoffluftverhältnis geringer ist als der stöchiometrische Wert, d.h. in dem Endbereich des Strahles des Kraftstoffes, der durch den Kraftstoffinjektor injiziert wurde, oder in dem vertieften Teil des Hohlraumes. Um die Menge der Rußbildung zu reduzieren, ist es effektiv, Sauerstoff an den Endbereich des Kraftstoffstrahles, in dem die Kraftstoffverbrennung mit einem Mangel an Sauerstoff stattfindet, zu führen, d.h. den Mangel an Sauerstoff am Ende des Kraftstoffstrahles zu beseitigen. Wenn ein Umfang des Wurzelbereiches des Kraftstoffstrahles, der von dem Kraftstoffinjektor eingespritzt wird, kein rückgeführtes Abgas zugeführt wird, sondern frische Luft während der Kraftstoffverbrennungsperiode zugeführt wird, wird die frische Luft durch den Kraftstoffstrahl oder die Kraftstoffluftgemischströmung an den Endbereich des Kraftstoffstrahles oder an den vertieften Teil des Hohlraumes gefördert oder zugeführt, in dem die Kraftstoffverbrennung unter Sauerstoffmangel stattfindet, so dass die Menge produzierten Rußes reduziert wird. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Erhöhung von NOx verhindert, indem die Sauerstoffkonzentration so kontrolliert wird, dass verhindert wird, dass das Niveau der Produktion von NOx ansteigt.
  • Dementsprechend können die Mengen der Produktion von NOx und Ruß beide durch Schichten der Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes zum Zeitpunkt der Kraftstoffverbrennung derart reduziert werden, dass das Einlassgas, das kein rückgeführtes Abgas enthält oder eine geringe Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist, in dem Kraftstoffluftgemischbildungsbereich vorhanden ist, der den Wurzelbereich des Kraftstoffstrahles, der von dem Kraftstoffinjektor eingespritzt wird, enthält, während das Einlassgas, das rückgeführtes Abgas enthält oder eine hohe Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist, in dem Flammenerzeugungsbereich, der außerhalb des Kraftstoffluftgemischbildungsbereiches liegt, vorhanden ist.
    • 5) Wenn die Brennkraftmaschine unter hoher Last betrieben wird und der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung spät ist, oder wenn die Maschine mit hoher Geschwindigkeit betrieben wird und eine starke reversive Quetschströmung erzeugt wird, tendiert die Menge des Kraftstoffes, der aus dem Hohlraum des Brennraumes fließt, größer zu werden, so dass die Kraftstoffverbrennung außerhalb des Hohlraumes unter Sauerstoffmangel stattfindet, während die Kraftstoffverbrennung innerhalb des Hohlraumes mit einer übermäßigen Menge an Sauerstoff stattfindet. In diesem Fall wird der Ruß hauptsächlich außerhalb des Hohlraumes produziert, während das NOx hauptsächlich innerhalb des Hohlraumes produziert wird.
  • In dem oben genannten Fall wird das normale Schichtungsmuster innerhalb des Brennraumes zu dem umgekehrten Schichtungsmuster geändert, in welchem das Einlassgas, das das rückgeführte Abgas enthält oder eine hohe Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist, in dem zentralen Teil des Brennraumes vorhanden ist, welcher die Position der Kraftstoffeinspritzung enthält, während das Einlassgas, das kein rückgeführtes Abgas enthält oder eine geringe Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist, in einem äußeren Umfangsteil des Brennraumes vorhanden ist. In dem umgekehrten Schichtungsmuster ist die Sauerstoffkonzentration außerhalb des Hohlraumes und in dem Quetschbereich des Brennraumes erhöht, so dass nicht nur die Menge des produzierten Rußes verringer wird, sondern auch die Oxidation des Rußes gefördert wird, die die Menge des Rußes reduziert. Zu diesem Zeitpunkt wird jedoch eine Erhöhung des NOx durch Kontrollieren der Sauerstoffkonzentration derart verhindert, dass sie eine Erhöhung des Niveaus der Produktion von NOx verhindert.
  • Die Menge der Produktion von NOx und Ruß kann effektiv durch Steuerung des Schichtungsmusters der Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes 1 verringert werden, abhängig von den Betriebszuständen von der Brennkraftmaschine.
    • 6) Wenn das Einlassgas, das rückgeführtes Abgas enthält oder eine hohe Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist, in dem Bereich außerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche vorhanden ist, welche ihr Zentrum an der Position der Kraftstoffeinspritzung hat, steigt der Radius der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flach halbkugeligen Fläche mit der Erhöhung der Konzentration des rückgeführten Abgases außerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche, wo die Menge des rückgeführten Abgases, das in dem Einlassgas enthalten ist, konstant gehalten wird.
  • Wenn der Bereich der Produktion von NOx breit genug zum Überdecken eines Teiles des Bereiches innerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche ist, kann die Menge der Produktion an NOx über den breiten Bereich durch Reduzieren der Konzentration des rückgeführten Abgases außerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche vermindert werden, um dabei den Radius der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche zu verringern. Wenn der Bereich der Produktion von NOx schmal ist, kann andererseits die Menge der Produktion von NOx mit einer Erhöhung der Konzentration des rückgeführten Abgases durch Erhöhung der Konzentration außerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche verringert werden, um dabei den Radius der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche zu erhöhen.
  • Folglich können die Mengen der Produktion an NOx und Ruß effektiver durch Änderung der Konzentration des rückgeführten Abgases innerhalb oder außerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche, abhängig von dem Bereich der Produktion des NOx, d.h. den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, verringert werden.
  • Studie bezüglich der Schichtung von Einlassgasladungen, die Kraftstoff enthalten
    • 7) Bei den Brennkraftmaschinen gemäß dem zweiten und dritten Stand der Technik können die Mengen an schädlichen Substanzen, wie z.B. HC, feste organische Anteile und weißer Rauch, die in dem Abgas bleiben, nicht ausreichend in der Anwesenheit des Kraftstoffes in dem Quetschbereich nahe den Wandoberflächen des Hohlraumes des Brennraumes reduziert werden, welche dazu neigen, unter einem Temperaturabfall oder einem Abschrecken zu leiden. Es wurde als effektiv erachtet, die Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes zu Beginn der Kraftstoffverbrennung zu schichten, so dass das Einlassgas, das den Kraftstoff nicht enthält oder eine geringe Konzentration des Kraftstoffgases aufweist, in dem Quetschbereich und in der Nähe der Wandoberflächen des Hohlraumes in dem Umfangsteil des Brennraumes vorhanden ist, während das Einlassgas, das den Kraftstoff enthält oder eine hohe Konzentration des Kraftstoffes aufweist, in dem zentralen Bereich des Brennraumes vorhanden ist.
  • Die so geschichtete Einlassgasladung verhindert die Anwesenheit von Kraftstoff oder verringert die Menge an Kraftstoff in dem Quetschbereich und in der Nähe der Wandoberflächen des Hohlraumes der Brennkammer zu Beginn der Kraftstoffverbrennung, so dass die Menge des anwesenden Kraftstoffes in dem Bereich, welcher zur Verschlechterung durch Abschrecken tendiert, verringert wird. Weiter ermöglicht die oben angegebene Schichtung die Kraftstoffverbrennung hauptsächlich in dem zentralen Bereich des Brennraumes, wobei sie eine Erhöhung der Kraftstoffverbrennungstemperatur ermöglicht und konsequenterweise das Nicht-Verbrennungsverhältnis des Kraftstoffes reduziert. Als Ergebnis wird die Menge an etlichen Substanzen, wie HC, lösliche organische Bestandteile und weißer Rauch, die in dem Abgas enthalten sind, effektiver verringert.
    • 8) Eine Brennkraftmaschine weist eine Eigenschaft auf, dass die Temperaturen in den zentralen und Umfangsteilen des Brennraumes beide höher sind, wenn die Last der Brennkraftmaschine hoch ist, als wenn die Last niedrig ist. Wenn die Last hoch ist, wird das Verhältnis des Kraftstoffmischungsverhältnisses des Einlassgases, das zu Beginn der Kraftstoffverbrennung in dem Umfangsteil des Brennraumes vorhanden ist, zu dem Einlassgas, das in dem zentralen Bereich des Brennraumes, welcher zentrale Bereich den zentralen Teil der oberen Oberfläche des Brennraumes beinhaltet, größer gemacht wird bei geringer Last gering ist. Als ein Ergebnis wird die Kraftstoffkonzentration in dem zentralen Bereich des Brennraumes reduziert, was einen übermäßigen Anstieg der Verbrennungstemperatur und dadurch eine Verringerung der Menge der Erhöhung des NOx verhindert. In dem Umfangsteil des Brennraumes ist andererseits die Kraftstoffkonzentration hoch, aber die Erhöhung der Menge von HC aufgrund einer hohen Temperatur in dem Umfangsteil wird verhindert. Es wird eher ein Verhältnis des Kraftstoffes zum Sauerstoff in dem Umfangsteil erhöht, so dass der Sauerstoff effektiver genutzt werden kann.
  • Die Mengen der schädlichen Substanzen, die in dem Abgas bleiben, können effektiver durch die Kontrolle des Verhältnisses des Kraftstoffes des Einlassgases, welches zu Beginn der Kraftstoffverbrennung in dem Umfangsbereich des Brennraumes vorhanden ist, zu dem in dem zentralen Bereich des Brennraumes, enthalten den zentralen Teil der oberen Oberfläche des Brennraumes abhängig von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine kontrolliert werden.
  • Aspekte der Erfindung
  • Schichten einer Einlassgasladung in einer Brennkammer
    • 1) Verfahren zum Schichten einer Einlassgasladung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart, wobei ein Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, wobei die Einlassgasladung so geschichtet wird, dass eine radiale und vertikale Ladungsschichtung erreicht wird und Einlassgase verschiedener Zusammensetzung in einem zentralen Teil des Brennraumes, der die Stelle der Kraftstoffeinspritzung enthält, und in einem Umfangsteil des Brennraumes zu Beginn der Kraftstoffverbrennung zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubes vorhanden sind. Die „Einlassgase verschiedener Zusammensetzung" können z.B. „Einlassgase mit unterschiedlicher Konzentration mit darin enthaltener spezifischer Komponente, wie z.B. ein rückgeführtes Gas oder ein Kraftstoff" sein.
    • 2) Ein Verfahren gemäß dem obigen Schichtungsverfahren, wobei ein Schichtungsmuster der Einlassgasladung in dem Brennraum abhängig von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine geändert wird zu einem ausgewählten von: einem normalen Schichtungsmuster, in dem die Konzentration der spezifischen Komponente des Einlassgases in dem zentralen Teil gerin ger ist als die des Einlassgases in dem Umfangsteil; einem homogenen Schichtungsmuster, in dem die Konzentration der spezifischen Komponente des Einlassgases in dem zentralen Teil höher ist als die des Einlassgases in dem Umfangsteil; und einem umgekehrten Schichtungsmuster, in dem die Konzentration der spezifischen Komponente des Einlassgases in dem zentralen Teil gleich der des Einlassgases in dem Umfangsteil ist.
    • 3) Ein Verfahren gemäß obigem Schichtungsverfahren, wobei ein Grad einer Schichtung, d.h. ein Verhältnis der Konzentration der spezifischen Komponente des Einlassgases in dem Umfangsbereich zu der des Einlassgases in dem zentralen Bereich abhängig von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine geändert wird.
    • 4) Eine Vorrichtung zum Schichten einer Einlassgasladung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart, in der eine Mehrzahl von Einlassöffnungen vorgesehen ist, um eine Mehrzahl von Wirbelströmungen des Einlassgases in einer gleichen Richtung in dem Brennraum zu bilden, und in welcher ein Kraftstoff in dem Brennraum von einem zentralen Teil einer oberen Oberfläche des Brennraumes, die einer oberen Fläche eines Kolbens gegenüberliegt, in Richtung eines Umfangsteiles eines Hohlraumes, der in einem zentralen Teil der oberen Fläche eines Kolbens ausgebildet ist, eingespritzt wird, wobei die Vorrichtung enthält: eine Anordnung zum Ausbilden, in einem Einlasshub, einer Wirbelströmung eines ersten Einlassgases in einem oberen Teil des Brennraumes längs einer zylindrischen Wand des Brennraumes und einer Wirbelströmung eines zweiten Einlassgases, das eine unterschiedliche Zusammensetzung von der des ersten Einlassgases hat, in einen unteren Teil des Brennraumes längs der zylindrischen Wand des Brennraumes und zum Aufrechterhalten eines Zustandes vertikaler Schichtung der Einlassgasladung, die aus den Wirbelströmungen des ersten und zweiten Einlassgases innerhalb des Brennraumes besteht bis zu einem Zeitpunkt innerhalb einer Zwischenperiode des Kompressionshubes; eine Anordnung zum Bewirken, dass das erste Einlassgas in einen zentralen Bereich des Hohlraumes in dem zentralen Teil der oberen Fläche des Kolbens strömt, während das zweite Einlassgas in einem Umfangsbereich und einem Bodenbereich des Hohlraumes in einer letzten Hälfte eines Kompressionshubes, in dem eine Quetschströmung erzeugt wird, verbleibt; und eine Anordnung zur Schichtung der Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes zu einem Zeitpunkt nahe einer Endperiode des Kompressionshubes, in dem die Verbrennung des Kraftstoffes beginnt, derart, dass das erste Einlassgas hauptsächlich in einem Bereich innerhalb einer insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche, die ihr Zentrum an einer Stelle der Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum hat, während das zweite Einlassgas hauptsächlich in einem Bereich außerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche vorhanden ist.
    • 5) Vorrichtung gemäß der obigen Schichtungsvorrichtung, wobei die insgesamt halbkugelige oder insgesamt flache halbkugelige Fläche von der Position der Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum in einer Richtung der Kraftstoffeinspritzung in einem Abstand von 1–1,5 mal einer Sprüh-Aufbruchlänge des eingespritzten Kraftstoffes entfernt ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine vertikale schematische Querschnittsansicht einer Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart, die in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Einlassschichtungsvorrichtung versehen ist;
  • 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Brennraumes einer Brennkraftmaschine in einer Zwischenperiode seines Einlasshubes;
  • 3 ist eine schematische Draufsicht des Brennraumes der Brennkraftmaschine;
  • 4 ist eine schematische perspektivische Ansicht des Brennraumes der Brennkraftmaschine in einer Endperiode des Einlasshubes;
  • 5 ist eine schematische Perspektive des Brennraumes der Brennkraftmaschine in einer Zwischenperiode seines Kompressionshubes;
  • 6(a), 6(b) und 6(c) sind schematische vertikale Querschnittsansichten, die die Strömungen von Einlassgasen innerhalb des Brennraumes der Brennkraftmaschine in der Nähe der Endperiode des Kompressionshubes zeigen;
  • 7(a) und 7(b) sind vertikale schematische Querschnittsansichten, die Strömungen der Einlassgase innerhalb des Brennraumes der Brennkraftmaschine in einer Endperiode des Kompressionshubes zeigen;
  • 8(a) und 8(b) sind schematische Ansichten, die Schichtungszustände der Einlassgase in der Endperiode des Kompressionshubes in einem Simulationsbeispieltest der ersten Ausführungsformen der Erfindung zeigen;
  • 9 ist ein Ventilerhebungsdiagramm von Einlassventilen einer Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart, welche in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer Einlassschichtungsvorrichtung versehen ist;
  • 10 ist eine schematische Draufsicht eines Brennraumes einer Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart, die in einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit einer Einlassschichtungsvorrichtung versehen ist;
  • 11(a), 11(b), 11(c) und 11(d) sind Ansichten, die die Verteilung der Temperatur und der Mengen an Kraftstoffdampf, NO und Ruß in einem Beispiel eines Simulationstests bei 10° nach OT in einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigen;
  • 12(a), 12(b), 12(c) und 12(d) sind Ansichten ähnlich zu denen der 11(a), 11(b), 11(c) und 11(d), bei 20° nach OT;
  • 13 ist eine schematische Ansicht eines Einlassdurchlassteiles einer Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart in einer achten Ausführungsform der Erfindung;
  • 14 ist ein Betriebsdatenblatt der Brennkraftmaschine der 13;
  • 15 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Brennkraftmaschine in einer Zwischenperiode des Kompressionshubes der Brennkraftmaschine in einer zehnten Ausführung der Erfindung; und
  • 16 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Brennkraftmaschine der vormischenden Bauart gemäß dem zweiten Stand der Technik.
  • Beste Art zum Ausführen der Erfindung
  • [Erste Ausführungsform (1–8)]
  • Wie in der 1 gezeigt, enthält die kompressionszündende Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart, die mit einer Einlassschichtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform versehen ist: einen Kraftstoffinjektor 2 mit einer Vielzahl von Düsenöffnungen, die in einem zentralen Teil einer oberen Oberfläche eines Brennraumes 1 angeordnet sind, zwei Einlassöffnungen 3, 4 und zwei Einlassventile 5, 6, welche auf einer Seite der oberen Oberfläche des Brennraumes 1 angeordnet sind, und zwei Auslassöffnungen 7 und zwei Auslassventile 8, welche auf der anderen Seite der oberen Oberfläche angeordnet sind. In einem zentralen Bereich der oberen Fläche des Kolbens ist konzentrisch ein achsensymmetrischer Hohlraum 9 ausgebildet. Der Hohlraum 9 weist eine Bodenoberfläche, welche einen zentralen Teil enthält, der einen Scheitel 10 definiert, und einen Umfangsteil, welcher den Scheitel 10 umgibt und teilweise einen vertieften Teil definiert, auf. Der Kraftstoffinjektor 2 ist so angeordnet, dass ein Kraftstoff von seinen vielen Düsenöffnungen in einer radialen Richtung in den Umfangsteil des Hohlraumes 9 zu einem Zeitpunkt nahe einer Endperiode des Kompressionshubes eingespritzt wird.
  • Die zwei Einlassöffnungen 3, 4 sind vorgesehen zum Bilden von Wirbelströmungen 11, 12 des Einlassgases innerhalb des Brennraumes 1 in der gleichen Drehrichtung während eines Einlasshubes, wie in 2 gezeigt. Wie in 2 und 3 gezeigt, ist die Einlassöffnung 3, welche stromabwärts der Wirbelströmung angeordnet ist, eine schrauben- bzw. schneckenförmige Öffnung, die so gestaltet ist, dass das erste Einlassgas fast entlang der oberen Oberfläche des Brennraumes 1 eingeleitet wird und die starke Wirbelströmung 11 in einem oberen Teil des Brennraumes 1, der sich auf der Seite dessen oberen Oberfläche befindet, und längs der zylindrischen Wand des Brennraumes 1 ausgebildet, wird während die Einlassöffnung 4, welche stromabwärts der Wirbelströmungen angeordnet ist, eine tangentiale Öffnung ist, welche so gestaltet ist, dass das zweite Einlassgas in einer schrägen nach unten gerichteten Richtung derart eingeleitet wird, dass eine Kollision des zweiten Einlassgases mit der Wirbelströmung 11 des ersten Einlassgases vermieden wird und die Wirbelströmung 12 des zweiten Einlassgases in einem unteren Teil der Brennkammer 11, der auf der Seite der oberen Fläche des Kolbens angeordnet ist, ausgebildet wird.
  • In der Einlassschichtungsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform, sind beide Wirbelströmungen 11 und 12 der jeweiligen ersten und zweiten Einlassgase längs der zylindrischen Wand des Brennraumes in den jeweiligen oberen und unteren Teilen des Brennraumes 1 in dem Einlasshub ausgebildet, wie in 2 gezeigt. In einer Endperiode des Einlasshubes wird die Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes 1 vertikal als die Wirbelströmung 11 des ersten Einlassgases und als die Wirbelströmung 12 des zweiten Einlassgases, wie in 4 gezeigt, geschichtet. In der Endperiode des Einlasshubes ist ein nachlaufender Teil der zweiten Einlassgasströmung 12 an der stromaufwärtigen Einlassöffnung 4 in dem oberen Teil des Brennraumes 1 vorhanden, so dass eine Zwischenfläche 13 zwischen der ersten Einlassgasströmung 11 und der zweiten Einlassgasströmung 12 nicht parallel zu der oberen Fläche des Kolbens ist, sondern eine geneigte konkave oder konvexe Kurve ist.
  • Die ersten und zweiten Einlassgasströmungen 11, 12 innerhalb der Brennkammer 1 haben verschiedene Zusammensetzungen und vermischen sich miteinander mit Ablauf der Zeit, so dass eine Komponente, die nur in einer der Strömungen 11, 12 enthalten ist, auch in der anderen Strömung 11, 12 vorhanden sein wird, so dass die Konzentration dieser Komponente innerhalb des Brennraumes 1 sich kontinuierlich ändert, wobei der mittlere Konzentrationswert nahezu auf der Zwischenfläche 13 zwischen der ersten und der zweiten Einlassgasströmung 11, 12 liegt.
  • Wenn der Kompressionshub eingeleitet wird, hat sich der nachlaufende Teil der zweiten Einlassgasströmung 12 in den unteren Teil des Brennraumes 1 bewegt, und die Mischung der ersten und zweiten Einlassgasströmungen 11, 12 dauert an. In einer Zwischenperiode des Kom pressionshubes wird die Zwischenfläche 13 zwischen den ersten und zweiten Einlassgasströmungen 11, 12 nahezu parallel zu der oberen Fläche des Kolbens, sowie in 5 gezeigt. Ein Zustand der vertikalen Einlassgasladungsschichtung, die aus den Wirbelströmungen 11, 12 des ersten und zweiten Einlassgases besteht, wird in der Brennkammer 1 bis zu einem Zeitpunkt innerhalb einer Zwischenperiode des Kompressionshubes aufrecht erhalten.
  • In einer letzten Hälfte des Kompressionshubes, in welchem eine Quetschströmung erzeugt wird, wird die Wirbelströmung in dem Umfangsteil der oberen Fläche des Kolbens durch die Quetschströmung in den Hohlraum 9 in dem zentralen Teil der oberen Fläche des Kolbens gebracht. In Anwesenheit einer Zentrifugalkraft, die durch eine Erhöhung der Geschwindigkeit in der Richtung der Wirbelströmung mit einer Durchmesserabnahme der Wirbelströmung erzeugt wird, wird die Wirbelströmung gehindert, in Richtung des zentralen Teils des Hohlraumes 9 abgelenkt zu werden, sondern das Einlassgas der Wirbelströmung wird gezwungen, längs der Umfangswand des Hohlraumes 9 zu strömen und wird Richtung der Bodenoberfläche des Hohlraumes 9 gelenkt. Wie in den 6(a), 6(b) und 6(c) in zeitlicher Abfolge gezeigt ist, ändert sich der Zustand der Einlassgasladung innerhalb des Hohlraumes 9 in einem Zustand, in dem der Hohlraum 9 mit dem zweiten Einlassgas 12 in dem unteren Teil des Brennraumes 1 gefüllt ist, zu einem Zustand, in welchem das zweite Einlassgas nur in dem Umfangs- und Bodenbereich des Hohlraumes 9 als ein Ergebnis einer Strömung des ersten Einlassgases 11 von dem oberen Teil des Brennraumes 1 in den zentralen Bereich des Hohlraumes 9, verbleibt.
  • Zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubes, an dem die Verbrennung des Kraftstoffes, der durch den Kraftstoffinjektor 2 eingespritzt wurde, beginnt, ist das erste Einlassgas 11 hauptsächlich innerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 vorhanden, welche ein Zentrum in dem zentralen Teil der oberen Oberfläche des Brennraumes 1 hat, von welchem der Kraftstoff eingespritzt wird, wenn das zweite Einlassgas 12 hauptsächlich außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 vorhanden ist, wie in 1 gezeigt. Zum Zeitpunkt des Beginns der Verbrennung des Kraftstoffes ist die Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes 1 so geschichtet, dass die Einlassgase 11, 12 sich innerhalb und außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 befinden.
  • Wo der Radius der oben beschriebenen insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13, gemessen in der Richtung der Einspritzung des Kraftstoffes, etwa 1–1,5 mal die Sprüh-Aufbruchlänge des eingespritzten Kraftstoffes ist, ist die Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes 1 als das Einlassgas 11, 12 in einem Kraftstoffluftgemischbildungsbereich und in einem Flammenerzeugungsbereich des Brennraumes 1 jeweils vorhanden.
  • Wenn die Wirbelströmung des ersten Einlassgases 11 zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubes zu stark ist, nimmt das erste Einlassgas 11, das von der Quetschströmung in Richtung der Bodenoberfläche des Hohlraumes 9 gelenkt wird, die Form einer umgekehrten Ringkern- bzw. Toroidströmung längs der Umfangswand des Hohlraumes 9 in Abwärtsrichtung zu der Bodenoberfläche an, während es das zweite Einlassgas 12, welches längs der Umfangswand und der Bodenoberfläche des Hohlraumes 9 vorhanden war, verschiebt, so dass das zweite Einlassgas 12 eventuell in den zentralen Teil des Hohlraumes 9 gezwungen wird, wie in 7(a) dargestellt.
  • In der vorliegenden Ausführungsform, in welcher die Wirbelströmungen der Einlassgase 11, 12 und die Quetschströmung optimal eingestellt sind, nimmt das Einlassgas 11 die Form einer Toroidströmung längs eines Zwischenteils zwischen dem Scheitel 10 und der Umfangswand des Hohlraumes 9 in Abwärtsrichtung an, so dass das zweite Einlassgas 12, welches längs des oben beschriebenen Zwischenteils vorhanden war, in die Umfangs- und Bodenbereiche des Hohlraumes 9 gezwungen wird, wobei die Einlassgasladung in Form der Einlassgase 11, 12 geschichtet wird, die an der Innenseite und der Außenseite der im wesentlichen flachen halbkugeligen Fläche 13, dessen Zentrum an der Stelle der Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum angeordnet ist, vorhanden sind.
  • In der vorliegenden Einlassschichtungsvorrichtung ist die Anordnung des Brennraumes 1 und der Einlassöffnungen 3, 4, welche die Bewegungscharakteristika der Quetschströmung und der Wirbelströmungen der Einlassgase 11, 12 bestimmen, so festgelegt, dass die Einlassgase 11, 12 ein geschichtetes Muster, wie oben beschrieben, bilden. Der Grad der Schichtung der Einlassgase 11, 12 und die Gestalt und die Abmessungen der Zwischenfläche 13 können durch diese Anordnungen kontrolliert werden.
  • Die oben genannten Anordnungen enthalten die Gestalt des Hohlraumes 9 des Brennraumes 1, den Abstand zwischen dem Umfangsbereich des Kolbens und dem Umfangsbereich der oberen Oberfläche des Brennraumes 1 und das Ausmaß der Vertiefungen auf der unteren Fläche der Einlassventile 5, 6 an der oberen Oberfläche des Brennraumes 1.
  • Beispiel für einen Simulationstest
  • In der vorliegenden Einlassschichtungsvorrichtung wurde die Verteilung der Konzentration eines rückgeführten Abgases innerhalb des Brennraumes 1 in der Endperiode des Kompressionshubes durch numerische Berechnung erhalten, wobei das erste Einlassgas 11, das in den Brennraum 1 durch die stromabwärtige Einlassöffnung 3 eingeleitet wird, 100% Frischluft ist, während das zweite Einlassgas 12, das durch die stromaufwärtige Einlassöffnung 4 eingeleitet wird, aus 50% frischer Luft und 50% rückgeführtem Abgas besteht.
  • Die Helligkeitsverteilung in 8(b) kennzeichnet eine Verteilung der Konzentration des rückgeführten Abgases (EGR-Rate) in einer zentralen vertikalen Querschnittsebene, die sich zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Einlassöffnung 3, 4 erstreckt, während die der 8(a) eine Verteilung der Konzentration in einer zentralen vertikalen Querschnittsebene senkrecht zu der der 8(b) kennzeichnet.
  • Aus den 8(a) und 8(b) ist ersichtlich, dass die Konzentration des rückgeführten Abgases in dem Brennraum 1 in der Endperiode des Kompressionshubes gleichwertige Bereiche in der Form einer insgesamt flachen halbkugeligen Ebene aufweist, welche ihr Zentrum an der Stelle der Kraftstoffeinspritzung haben, so dass die Konzentration des rückgeführten Abgases in Richtung der Position der Kraftstoffeinspritzung abnimmt und die Verteilung der Konzentration symmetrisch bezüglich der Achse des Brennraumes 1 ist. Das bedeutet, dass die Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes geschichtet ist, da die Einlassgase 11, 12 innerhalb und außerhalb der insgesamt flachen hemisphärischen Ebene vorhanden sind, dessen Zentrum an der Position der Kraftstoffeinspritzung liegt.
  • [Zweite Ausführungsform (9)]
  • Eine Einlassschichtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist unterschiedlich zu der der ersten Ausführungsform, indem die Einlassventile 5, 6 in den jeweiligen stromaufwärtigen und stromabwärtigen Einlassöffnungen 3, 4 zu jeweils verschiedenen Zeitpunkten geöffnet werden und für jeweils verschiedene Zeitdauern geöffnet gehalten werden, um den Grad der Schichtung der Einlassgasladung in der vorliegenden zweiten Ausführungsform zu erhöhen.
  • Die Zeitpunkte des Öffnens und des Schließens des Einlassventils 5 in der stromabwärtigen Einlassöffnung 3, durch welche das erste Einlassgas 11 in den oberen Teil des Brennraumes eingeleitet wird, werden verzögert, wie 9 zeigt. Das Einlassventil 6 in der stromaufwärtigen Einlassöffnung 4, durch welche das zweite Einlassgas 12 in den unteren Teil des Brennraumes 1 eingeleitet wird, wird an Zeitpunkten vor den Momenten des Öffnens und Schließens des Einlassventils 5 geöffnet und geschlossen.
  • In einer frühen Periode des Einlasshubes wird nur das Einlassventil 6 in der stromaufwärtigen Einlassöffnung 4 geöffnet, so dass nur das zweite Einlassgas 12 in den unteren Bereich des Brennraumes 1 eingeleitet wird. In einer Zwischenperiode des Einlasshubes werden beide Einlassventile 5, 6 in den beiden Einlassöffnungen 3, 4 offen gehalten, um den ersten und zweiten Einlassgasen 11, 12 zu ermöglichen, in den Brennraum 1 eingeleitet zu werden. In einer Endperiode des Einlasshubes wird nur das Einlassventil 5 der stromaufwärtigen Einlassöffnung 3 geöffnet, so dass nur das erste Einlassgas 11 in den oberen Teil des Brennraumes 1 eingeleitet wird.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird der Grad der vertikalen Schichtung des ersten und des zweiten Einlassgases 11, 12 in der Endperiode des Einlasshubes höher gemacht als in der ersten Ausführungsform, in welcher die Einlassventile 5, 6 in den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Einlassöffnungen 3, 4 für die gleiche Zeitperiode offen gehalten wurde. Dementsprechend wird der Grad der Schichtung der Einlassgase 11, 12 innerhalb und außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Ebene 13, die das Zentrum an der Position der Kraftstoffeinspritzung hat, in der Endperiode des Kompressionshubes erhöht.
  • In anderen Aspekten ist die zweite Ausführungsform die gleiche wie die erste Ausführungsform.
  • [Dritte Ausführungsform (10)]
  • Eine Einlassschichtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der der ersten Ausführungsform indem das zweite Einlassgas 12 in den Brennraum 1 durch nur eine von zwei Hälften der stromaufwärtigen Einlassöffnung 4 zum Erhöhen des Grades der Schichtung der Einlassgasladung eingeleitet wird.
  • Die stromaufwärtige Öffnung 4 ist so angeordnet, dass das Einlassgas in schräg nach unten gerichteter Richtung eingeleitet wird, so dass das eingeleitete Einlassgas schräg mit der zylindrischen Wand des Brennraumes 1 kollidiert, um so die Wirbelströmung längs des unteren Teils der zylindrischen Wand des Brennraumes 1 zu bilden. Das Einlassgas, das durch einen wandseitigen Teil der Einlassöffnung 4 der tangentialen Bauart, welches ein Teil auf der Seite der zylindrischen Wand des Brennraumes 1 ist, geleitet wurde, hat eine kürzere Strömungsstrecke zum Kollidieren mit der zylindrischen Wand und wird leichter in den unteren Teil des Brennraumes eingeleitet, als das, das durch einen zentralen Seitenteil der Einlassöffnung 4 eingeleitet wird, welches ein Teil auf der Seite des Zentrums des Brennraumes 1 ist.
  • Angesichts des oben Genannten ist die stromaufwärtige Einlassöffnung 4 mit einer Trennwand 21 für deren Teilung in zwei Abschnitte versehen, d.h. ein wandseitiger Abschnitt und ein zentrumsseitiger Abschnitt, die jeweils auf der Seite der zylindrischen Wand und des Zentrums des Brennraumes 1 sind, wie in 10 gezeigt. Das zweite Einlassgas 12, das eine hohe Konzentration einer spezifischen Komponente, wie die des rückgeführten Abgases, aufweist, wird durch den wandseitigen Abschnitt der Einlassöffnung 4, der auf der Seite der zylindrischen Wand des Brennraumes ist, in den unteren Teil des Brennraumes 1 eingeleitet. Das erste Einlassgas 11 wird in den Brennraum 1 durch den zentrumsseitigen Abschnitt der Einlassöffnung 4, die auf der Seite des Zentrums des Brennraumes 1 ist, sowie durch die stromabwärtige Einlassöffnung 3 eingeleitet.
  • Das zweite Einlassgas 12, das in den Brennraum 1 durch den wandseitigen Abschnitt der Einlassöffnung 4 eingeleitet wurde, hat eine relativ enge Strömung, welche weniger dazu neigt, sich mit dem ersten Einlassgas 11 zu vermischen.
  • Der Grad der vertikalen Schichtung des ersten und zweiten Einlassgases 11, 12 in der Endperiode des Einlasshubes wird in der vorliegenden Ausführungsform höher gemacht als in der ersten Ausführungsform, in welcher das zweite Einlassgas durch die gesamte stromaufwärtige Einlassöffnung 4 eingeleitet wurde. Dementsprechend wird der Grad der Schichtung der Einlassgase 11, 12 innerhalb und außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13, die ihr Zentrum an der Stelle der Kraftstoffeinspritzung hat, in der Endperiode des Kompressionshubes erhöht.
  • In anderen Aspekten ist die dritte Ausführungsform die gleiche wie die erste Ausführungsform.
  • [Vierte Ausführungsform]
  • Eine Einlassschichtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der der ersten Ausführungsform, dahingehend, dass der Brennraum 1 in seinem oberen und unteren Teil mit einer Unter-Öffnung versehen ist, welche eine einfache Einleitung des Einlassgases zum Erhöhen des Grades der Schichtung der Einlassgasladung ermöglicht.
  • Diese Unter-Öffnung ist eine Hilfseinlassöffnung, ähnlich zu dem wandseitigen Abschnitt der Einlassöffnung 4 in der dritten Ausführungsform, welche eine einfache Einleitung des Einlassgases in den unteren Bereich des Brennraumes 1 ermöglicht. Das zweite Einlassgas 12, welches eine hohe Konzentration der spezifischen Komponente aufweist, wird durch die Hilfseinlassöffnung in den unteren Teil des Brennraumes 1 eingeleitet.
  • [Fünfte Ausführungsform (11 und 12)]
  • Eine kompressionszündende Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der der ersten Ausführungsform darin, dass die vorliegende Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführungsvorrichtung versehen ist, die so angeordnet ist, dass ein Teil des durch die Auslassöffnungen 7 strömenden Abgases rückgeführt wird, so dass dieser Teil des Abgases mit der zweiten Einlassluft 12, die durch die stromaufwärtige Einlassöffnung 4 strömt, vermischt wird. Das rückgeführte Abgas wird nicht mit der ersten Einlassluft 11, die durch die stromaufwärtige Einlassöffnung 3 strömt, gemischt.
  • Zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubes, an dem die Verbrennung des Kraftstoffes, der von dem Kraftstoffinjektor 2 eingespritzt wird, beginnt, ist das erste Einlassgas 11 hauptsächlich innerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13, die ihr Zentrum in einem zentralen Teil der oberen Oberfläche des Brennraumes hat, von dem der Kraftstoff eingespritzt wird, vorhanden, während das zweite Einlassgas hauptsächlich außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13, wie in 1 gezeigt, vorhanden ist. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Verbrennung beginnt, besteht die Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes 1 aus dem Einlassgas 11, das sich innerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 befindet und eine niedrige Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist, und dem Einlassgas 12, das sich außerhalb der Fläche 13 befindet und eine hohe Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist.
  • Dort, wo der Radius der oben genannten insgesamt flachen halbkugeligen Fläche, gemessen in Richtung der Einspritzung des Kraftstoffes etwa 1–1,5 mal die Sprüh-Aufbruchlänge des eingespritzten Kraftstoffes aufweist, wird die Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes 1 geschichtet, da das Einlassgas 11, 12 in dem Kraftstoffluftgemischbildungsbereich und in dem Flammenerzeugungsbereich der Brennkammer 1 jeweils vorhanden ist. Bis zum Beginn der Kraftstoffverbrennung ist das Einlassgas 12, das eine hohe Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist, in dem flammenerzeugenden Bereich, der den Quetschbereich und den Umfangsteil des Hohlraumes des Brennraumes 1 beinhaltet, vorhanden, so dass die Verbrennungstemperatur abgesenkt wird, mit einem Ergebnis der Abnahme der Menge der Produktion von NOx. Zur selben Zeit ist das Einlassgas 11, das eine geringe Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist, in dem Kraftstoffluftgemischbildungsbereich des Brennraumes 1 vorhanden, so dass dieses Einlassgas 11, das eine hohe Konzentration an Sauerstoff aufweist, durch einen Strahl des Kraftstoffes zum Endbereich des Kraftstoffstrahles gefördert wird, dabei den Mangel an Sauerstoff in dem Endbereich des Strahles des verbrennenden Kraftstoffes oder in dem Hohlraum reduziert, wobei die Menge der Produktion an Ruß verringert wird.
  • In anderen Aspekten ist die fünfte Ausführungsform die gleiche wie die erste Ausführungsform.
  • Beispiel eines Simulationstests
  • In einer Brennkraftmaschine, deren Anordnung kein Abgas rückführt, wurden die Temperaturverteilungen und Mengen des Kraftstoffdampfes, des NO (Stickstoffmonoxid) und des Rußes in dem Brennraum durch numerische Berechnung bei den folgenden Betriebsbedingungen erhalten: Motordrehzahl = 1800 U/min, Anzahl der Düsenöffnungen des Kraftstoffinjektors = 5, Durchmesser jeder Düsenöffnung = 0,18 mm, eingespritzte Kraftstoffmenge = 35 mm3, Kraftstoffeinspritzdruck = 55 MPa, und Kraftstoffeinspritzperiode = 0–12,5° nach OT.
  • 11(a) bis 11(d) zeigen die Verteilungen mit der Kraftstoffeinspritzperiode bei 10° nach OT, während die 12(a) bis 12(d) die Verteilungen bei der Einspritzperiode 20° nach OT zeigen. Die 11(a) und 12(a) zeigen die Temperaturverteilungen. Die 11(b) und 12(b) zeigen die Verteilungen der Menge des Kraftstoffdampfes. Die 11(c) und 12(c) zeigen die Verteilungen der Menge an NO. Die 11(d) und 12(d) zeigen die Verteilungen der Menge an Ruß.
  • Wie in den 11(a) und 12(a) gezeigt, weist der Brennraum 1 einen Hochtemperaturbereich auf, in welchem der Kraftstoffstrahl, der durch den Kraftstoffinjektor eingespritzt wird, in dem Quetschbereich und in dem Umfangsteil des Hohlraumes brennt.
  • Wie in den 11(b), 11(c), 12(b) und 12(c) gezeigt, wird NO in einem kraftstoffarmen Bereich des Hochtemperaturbereiches, in welchem das Kraftstoffluftverhältnis in der Nähe des stöchiometrischen Wertes ist, erzeugt. Es wird verstanden, dass, wenn der flammenerzeugende Bereich, der den Quetschbereich und den Umfangsbereich des Hohlraumes des Brennraumes beinhaltet, mit Einlassgas, das einen hohe Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist, während der Verbrennungsperiode beschickt wird, die Verbrennungstemperatur gesenkt wird, mit einem Ergebnis der Abnahme der Menge an Produktion von NO.
  • Wie in den 11(b), 11(d), 12(b) und 12(d) gezeigt ist, wird Ruß in einem kraftstoffreichen Bereich oder sauerstoffarmen Brennbereich des Hochtemperaturbereiches, in welchem das Kraftstoffluftverhältnis niedriger ist als der stöchiometrische Wert, d.h. in dem Endteil des Strahles des Kraftstoffes, der durch den Kraftstoffinjektor eingespritzt wird, oder in dem vertieften Teil des Hohlraumes erzeugt wird. Es wird verstanden, dass, wenn der Kraftstoffluftgemischbildungsbereich, der den Wurzelbereich des Kraftstoffstrahles enthält, mit dem Einlassgas, das eine niedrige Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist, bis zum Beginn der Kraftstoffverbrennung beschickt wird, dass dieses Einlassgas durch den Kraftstoffstrahl oder die Kraftstoffluftmischungsströmung zum Endbereich des Kraftstoffstrahles gefördert wird, wodurch ein Mangel an Sauerstoff in dem Endbereich des Kraftstoffstrahles oder in dem vertieften Bereich des Hohlraumes reduziert wird, wobei die Menge der Produktion an Ruß verringert wird. Zu dieser Zeit wird jedoch eine Erhöhung des NOx durch die Kontrolle der Sauerstoffkonzentration verhindert, so dass seine Erhöhung auf einem Level der Produktion von NOx verhindert wird.
  • [Sechste Ausführungsform]
  • Eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der fünften Ausführungsform darin, dass die Einlassventile 5, 6 in den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Einlassöffnungen 3 und 4 für jeweils verschiedene Perioden, so wie in der zweiten Ausführungsform, zum Erhöhen des Grades der Schichtung der Einlassgasladung, die rückgeführtes Abgas enthält, offen gehalten werden.
  • Die vorliegende Ausführungsform hat einen größeren Unterschied zwischen den Konzentrationswerten des rückgeführten Abgases in die Einlassgase, welche innerhalb und außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche, die ihr Zentrum an der Position der Kraftstoffeinspritzung aufweist, in der Endperiode des Kompressionshubes vorliegen, als die in der fünften Ausführungsform, in welcher die Einlassventile 5, 6 zum selben Zeitpunkt geöffnet werden und für dieselbe Zeitperiode offen gehalten werden. Dementsprechend können die Mengen an NOx und Ruß beide effektiv in dieser Ausführungsform reduziert werden.
  • Die anderen Aspekte der sechsten Ausführungsform sind dieselben wie die der fünften Ausführungsform.
  • [Siebte Ausführungsform]
  • Eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der fünften Ausführungsform darin, dass das zweite Einlassgas 12 in den Brennraum 1 durch nur eine der beiden Abschnitte der stromaufwärtigen Einlassöffnung 4 wie in der dritten Ausführungsform, zum Erhöhen des Grades der Schichtung der Einlassgasladung, die rückgeführtes Abgas enthält, eingeleitet wird.
  • Die vorliegende Ausführungsform hat einen größeren Unterschied zwischen den Konzentrationswerten des rückgeführten Abgases in den Einlassgasen, die innerhalb und außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche, die ihr Zentrum an der Stelle der Kraftstoffeinspritzung aufweist, in der Endperiode des Kompressionshubes vorhanden sind, als die in der fünften Ausführungsform, in welcher das zweite Einlassgas 12 in dem Brennraum 1 durch die gesamte stromaufwärtige Einlassöffnung 4 eingeleitet wird. Dementsprechend können die Mengen an NOx und Ruß effektiv durch die vorliegende Ausführungsform reduziert werden.
  • In anderen Aspekten ist die siebte Ausführungsform dieselbe wie die fünfte Ausführungsform.
  • [Achte Ausführungsform (13 und 14)]
  • Eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die vorliegende Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführungsvorrichtung versehen ist und zum Ändern des Musters und des Grades der Einlassgasladung in dem Brennraum 1 abhängig von den Betriebszuständen der Maschine gesteuert wird.
  • Dazu wird die Brennkraftmaschine der ersten Ausführungsform so geändert, dass ein erster Einlassdurchlass 23, der mit der stromabwärtigen Einlassöffnung 3 verbunden ist, mit einem ersten Abgasrückführungsdurchlass 25 über ein erstes Strömungssteuerventil 24 verbunden ist, während ein zweiter Einlassdurchlass 26, der mit der stromaufwärtigen Einlassöffnung 4 ver bunden ist, mit einem zweiten Abgasrückführungsdurchlass 28 über ein zweites Strömungssteuerventil 27 verbunden ist, so wie in 13 gezeigt. Eine Vorrichtung 29 ist für die Kontrolle der Öffnungsgrößen des ersten und zweiten Strömungssteuerventils 24, 27, in Abhängigkeit der Betriebszustände, vorgesehen.
  • Durch die Kontrolle der Öffnungsgrößen des ersten und zweiten Strömungssteuerventils 24, 27 abhängig von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine werden die Mengen des rückgeführten Abgases, das mit der ersten Einlassluft, die durch die stromabwärtige Öffnung 3 fließt, und die Menge des rückgeführten Abgases, das mit der zweiten Einlassluft vermischt wird, die durch die stromaufwärtige Einlassöffnung 4 fließt, erhöht und verringert, so dass das Muster der Schichtung der Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes 1 einem von folgenden Mustern geändert wird: einem normalen Schichtungsmuster, in dem die Konzentration des rückgeführten Abgases in dem Bereich des Brennraumes innerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 geringer ist, als die in dem Bereich außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13; zu einem umgekehrten Schichtungsmuster, in dem die Konzentration des rückgeführten Abgases in dem Bereich innerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche höher ist als die in dem Bereich außerhalb der insgesamt flachen, halbkugeligen Fläche; und einem homogenen Muster, in dem die Konzentrationen in den Bereichen in dem Brennraum innerhalb und außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche zueinander gleich sind.
  • Das normale und das umgekehrte Schichtungsmuster, sowie das homogene Muster werden selektiv gemäß einem Betriebskenndatenblatt, das in 14 gezeigt ist, erhalten.
  • Das normale Schichtungsmuster wird in dem Brennraum 1 erzeugt, wenn die Brennkraftmaschine unter geringer Last und bei niedriger Geschwindigkeit betrieben wird. Das normale Schichtungsmuster wird zum homogenen Muster geändert, wenn die Last und die Umdrehungszahl erhöht werden, und wird zum umgedrehten Schichtungsmuster geändert, wenn die Last und die Umdrehungszahl weiter erhöht werden.
  • Der Grad der Schichtung wird durch die Steuerung der Öffnung des ersten und zweiten Strömungssteuerventils 24, 27 in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine geändert. Der Grad der Schichtung, d.h. das Verhältnis der Konzentration des rückgeführten Abgases außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 zu der Konzentration innerhalb der insgesamt halbkugeligen Fläche 13, spezieller das Verhältnis der Konzentration des rückgeführten Abgases in dem Umfangsbodenteil des Hohlraumes außerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 zu der Konzentration an der Stelle der Kraftstoffeinspritzung innerhalb der insgesamt flachen halbkugeligen Fläche 13 wird erhöht oder verringert.
  • [Neunte Ausführungsform]
  • Eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der der ersten Ausführungsform darin, dass die vorliegende Brennkraftmaschine der vormischenden Bauart ist, geeignet zum Einspritzen eines Kraftstoffes zu einem Kraftstoffvormischungszeitpunkt während eines Einlasshubes.
  • Die Brennkraftmaschine der ersten Ausführungsform ist nämlich so modifiziert, dass, nachdem die Wirbelströmung 11 des ersten Einlassgases und die Wirbelströmung 12 des zweiten Einlassgases längs der zylindrischen Wand des Brennraumes 1 und jeweils in den oberen und unteren Teilen des Brennraumes 1 ausgebildet wurden, der Kraftstoffinjektor 2 zu einem Kraftstoffvormischungszeitpunkt während des Einlasshubes betätigt wird, um einen Teil oder die Gesamtheit einer erforderlichen Menge an Kraftstoff, entsprechend der Last, die momentan auf die Maschine wirkt, einzuspritzen, d.h. eine geeignete Vormischungsmenge an Kraftstoff von seinen vielfachen Düsenöffnungen in radiale Richtung in Richtung der Wirbelströmung 11 des ersten Einlassgases, so dass der gesprühte Kraftstoff sich mit der Wirbelströmung 11 des ersten Einlassgases vermischt und im Wesentlichen keine Vermischung des gesprühten Kraftstoffes mit der Wirbelströmung 12 des zweiten Einlassgases stattfindet.
  • Zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubes ist das erste Einlassgas 11 hauptsächlich innerhalb des zentralen Bereiches 13 des Brennraumes 1, der einen zentralen Teil der oberen Oberfläche des Brennraumes 1, an dem der Kraftstoff eingespritzt wird, beinhaltet, vorhanden, während das zweite Einlassgas hauptsächlich in dem Bereich außerhalb des zentralen Bereiches 13 vorhanden ist. Bis zum Beginn der Kraftstoffverbrennung ist das Einlassgas 11, das eine hohe Kraftstoffkonzentration aufweist, in achsensymmetrischen zentralen Teilen 13 vorhanden, während das Einlassgas 12, das eine niedrige Kraftstoffkonzentration aufweist, in dem Umfangsteil des Brennraumes 1, wie z.B. dem Quetschbereich und nahe der Umfangs- und Bodenoberfläche des Hohlraumes 9, d.h. nahe der Wandoberflächen des Hohlraumes 9 vorhanden ist.
  • Bis zum Beginn der Kraftstoffverbrennung ist die Kraftstoffkonzentration in dem Umfangsteil des Brennraumes 1 des Quetschbereiches und nahe den Wandoberflächen des Hohlraumes 9 gering, so dass es unwahrscheinlich ist, dass Abschrecken in dem Quetschbereich und in der Nähe der Wandoberflächen des Hohlraumes 9 auftritt. Weiter findet die Kraftstoffverbrennung hauptsächlich innerhalb des zentralen Teiles 13 des Brennraumes 1, in welchem die Kraftstoffkonzentration hoch ist, statt. Dementsprechend werden die Kraftstofftemperatur und konsequenterweise die Verbrennungsrate in dem zentralen Bereich 13 des Brennraumes 1 erhöht. Als ein Ergebnis können die Mengen an HC, an gelösten organischen Anteilen und an weißem Rauch, die in dem Abgas bleiben, effektiv reduziert werden.
  • Die vorliegende Ausführungsform hat einen anderen Vorteil dahingehend, dass die Vormischungsverbrennung eines Teils oder der Gesamtheit der erforderlichen Kraftstoffmenge entsprechend der momentanen Maschinenlast es ermöglicht, dass ein Abgabedrehmoment der Maschine im Volllastbetrieb erhöht wird, während die Mengen an NOx und Rauch, die in dem Abgas bleiben, verringert werden.
  • [Zehnte Ausführungsform (15)]
  • Eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der neunten Ausführungsform darin, dass die Einlassöffnung 3, die sich stromaufwärts der Wirbelströmung befindet, mit einem Vormischungskraftstoffinjektor 20, wie in 15 gezeigt ist, zusätzlich zu dem herkömmlichen Kraftstoffinjektor, der in dem zentralen Teil der oberen Oberfläche des Brennraumes 1 vorgesehen ist, vorgesehen ist.
  • In dem Einlasshub werden die erste Wirbelströmung 11 des ersten Einlassgases und die Wirbelströmung 12 des zweiten Einlassgases längs der zylindrischen Wand des Brennraumes 1 und in jeweils den oberen und der unteren Teilen des Brennraumes 1, wie in der neunten Ausführungsform, gebildet. Der Vormischungskraftstoffinjektor 20 wird zu einem Kraftstoffvormi schungszeitpunkt betätigt, um einen Teil einer erforderlichen Kraftstoffmenge, entsprechend der momentanen Maschinenlast, d.h. eine geeignete Kraftstoffvormischungsmenge in das erste Einlassgas, das durch die stromaufwärtige Einlassöffnung 3 strömt, einzuspritzen, so dass die Wirbelströmung 11 des ersten Einlassgases, das von der stromaufwärtigen Öffnung 3 in den Brennraum 1 injiziert wird, Kraftstoff enthält, wobei im Wesentlichen keine Vermischung des Kraftstoffes mit der Wirbelströmung 12 des zweiten Einlassgases, das von der stromaufwärtigen Einlassöffnung 4 in den Brennraum 1 eingespritzt wurde, stattfindet.
  • Zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubes ist das Einlassgas 11, das eine hohe Konzentration an Kraftstoff aufweist, in dem achsensymmetrischen zentralen Teil 13 des Brennraumes 1 vorhanden, während das zweite Einlassgas 12, das eine niedrige Kraftstoffkonzentration aufweist, in dem Umfangsteil des Brennraumes 1 in dem Quetschbereich und in der Nähe der Wandoberflächen des Hohlraumes 9, wie in der neunten Ausführungsform, vorhanden. Am normalen Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubes wird der herkömmliche Kraftstoffinjektor 2 betätigt, um die verbleibende Menge des erforderlichen Kraftstoffes in das Einlassgas 11, welches in dem zentralen Teil 13 des Brennraumes 1 vorhanden ist und welches eine hohe Kraftstoffkonzentration aufweist, einzuspritzen.
  • Bei Beginn der Kraftstoffverbrennung wird der Grad der Schichtung innerhalb des Brennraumes 1, welche aus dem Einlassgas, welches die hohe Kraftstoffkonzentration in dem zentralen Teil 13 aufweist, und dem Einlassgas, welches die niedrige Kraftstoffkonzentration in dem Umfangsteil, Quetschbereich und nahe der Wandoberflächen des Hohlraumes 9 aufweist, erhöht. Dementsprechend ist die vorliegende Ausführungsform effektiv, um das Abschrecken in dem Quetschbereich des Brennraumes 1 und nahe der Wandoberflächen des Hohlraumes 2 zu verhindern und ist ebenfalls effektiv, um die Mengen an HC und gelösten organischen Teilen, die in dem Abgas zurückbleiben, und der Menge an weißem Rauch, der während des Betriebes der Maschine in einem kalten Zustand erzeugt wird, zu reduzieren.
  • Der Vormischungskraftstoffinjektor 20 ist einzeln und ist für einen Brennraum 1 vorgesehen. Es ist nämlich nicht notwendig, eine Vielzahl von Vormischungsinjektoren 20 für einen Brennraum vorzusehen. In einer mehrzylindrischen Maschine, die eine Mehrzahl von Brennräumen aufweist, kann ein Vormischungskraftstoffinjektor 20 in einer gemeinsamen Einlasspassage, welche mit der Einlassöffnung 3 eines jeden Brennraumes in Verbindung steht, vorgesehen werden.
  • In anderen Aspekten ist die zehnte Ausführungsform die gleiche wie die neunte Ausführungsform.
  • [Elfte Ausführungsform]
  • Eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der neunten Ausführungsform darin, dass der Kraftstoffinjektor 2, der in dem zentralen Teil der oberen Oberfläche des Brennraumes 1 vorgesehen ist, in seinen Kraftstoffeinspritzungscharakteristika, wie z.B. der Einspritzrichtung, Winkels des Kraftstoffspritzens und der Durchdringungskraft des Kraftstoffes, variabel ist.
  • Die Kraftstoffeinspritzungscharakteristika des Kraftstoffinjektors 2 der variablen Bauart werden so kontrolliert, dass ein Teil der erforderlichen Kraftstoffmenge, die der aktuellen Maschinenlast einspricht, kontrolliert, d.h. eine geeignete Vormischungsmenge des Kraftstoffes wird zu einem Kraftstoffvormischungszeitpunkt vor 30° vor OT während des Einlasshubes oder des Kompressionshubes in die Wirbelströmung 11 des ersten Einlassgases, welches hauptsächlich in dem zentralen Teil 13 des Brennraumes 1 bis zum Zeitpunkt der Kraftstoffverbrennung vorhanden ist, mit geeigneten Kraftstoffeinspritzungscharakteristika eingespritzt wird, so dass die größte Menge des gesprühten Kraftstoffes mit der Wirbelströmung 11 vermischt wird. Der verbleibende Teil der erforderlichen Menge an Kraftstoff wird zum normalen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubes mit Kraftstoffeinspritzcharakteristika, geeignet für die normale Kraftstoffeinspritzung, eingespritzt.
  • Bis zum Beginn der Kraftstoffverbrennung wird der Grad der Schichtung innerhalb des Brennraumes, welche aus dem Einlassgas, das eine hohe Kraftstoffkonzentration in dem achsensymmetrischen zentralen Teil 13 aufweist, und dem Einlassgas, das eine niedrige Kraftstoffkonzentration in dem Umfangsteil des Brennraumes 1, dem Quetschbereich und nahe den Wandoberflächen des Hohlraumes 9 aufweist, besteht, erhöht. Dementsprechend ist die vorliegende Ausführungsform effektiv, das Abschrecken in dem Quetschbereich des Brennraumes 1 und nahe der Wandoberflächen 9 zu reduzieren.
  • In anderen Aspekten ist die elfte Ausführungsform dieselbe wie die neunte Ausführungsform.
  • Ein Effekt, dass eine geeignete Vormischungsmenge an Kraftstoff mit einer spezifischen Einlasswirbelströmung nur durch Einbringung einer Vielzahl von Vormischungskraftstoffvorgängen erhöht wird, die einen Kraftstoffinjektor der variablen oder nicht-variablen Bauart verwenden, mit einer reduzierten Menge der Kraftstoffeinspritzung und/oder einer reduzierten Kraftstoffdurchdringungskraft bei jedem Kraftstoffvormischungsvorgang oder mit der Einstellung der Richtung der Kraftstoffinjektion und/oder des Kraftstoffsprühwinkels erhöht wird.
  • [Zwölfte Ausführungsform]
  • Eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der zehnten Ausführungsform darin, dass die Einlassöffnungen 5, 6 in den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Einlassöffnungen 3, 4 für jeweils unterschiedliche Perioden, wie in der zweiten Ausführungsform, offen gehalten werden, für die Steuerung des Grades der Schichtung der Einlassgasladung, welche Kraftstoff enthält.
  • Der Grad der vertikalen Schichtung des ersten und zweiten Einlassgases 11, 12 in der Endperiode des Einlasshubes wird verbessert mit einer größeren Differenz zwischen den Konzentrationswerten von Kraftstoff in den Einlassgasen, welche innerhalb und außerhalb des zentralen Bereiches 13 des Brennraumes bei Beginn der Kraftstoffverbrennung in der Endperiode des Kompressionshubes vorhanden sind, als die der zehnten Ausführungsform, in welcher die Einlassventile 5, 6 zum selben Zeitpunkt geöffnet sind und für dieselbe Zeitperiode geöffnet gehalten wurden.
  • Weiter ist eine Ventilzeitänderungsvorrichtung zum Ändern der Zeiten, zu denen das Einlassventil 5 in der stromabwärtigen Einlassöffnung 3 geöffnet und geschlossen wird, und der Zeiten, zu denen das Einlassventil 6 in der stromabwärtigen Einlassöffnung 4 geöffnet und geschlossen wird, vorgesehen. Diese Ventilzeiten werden abhängig von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine geändert. Bis zum Beginn der Kraftstoffverbrennung wird die Kraftstoffkonzentration des Einlassgases, das außerhalb des zentralen Teiles 13 des Brennraumes 1 vorhanden ist, bezüglich der Kraftstoffkonzentration des Einlassgases, das innerhalb des zentralen Bereiches 13 vorhanden ist, in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Maschine geändert.
  • Zusätzlich ist eine Wirbelstärkenänderungsvorrichtung zum Ändern der Stärke der Wirbelströmung 11 des ersten Einlassgases und der Stärke der Wirbelströmung 12 des zweiten Einlassgases in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, vorgesehen. Bis zum Beginn der Kraftstoffverbrennung wird die Kraftstoffkonzentration des Einlassgases, das außerhalb des zentralen Bereiches 13 des Brennraumes 1 vorhanden ist, bezüglich der Kraftstoffkonzentration des Einlassgases, das innerhalb des zentralen Bereiches 13 vorhanden ist, in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Maschine geändert.
  • In anderen Aspekten ist die zwölfte Ausführungsform die gleiche wie die zehnte Ausführungsform.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Die Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart der vorliegenden Erfindung kann als Antriebskraftquelle für Automobile, Flugzeuge, Schiffe usw. angewendet werden.

Claims (21)

  1. Verfahren zum Schichten einer Einlassgasladung innerhalb eines Brennraums einer Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart, wobei Einlassgase unterschiedlicher Zusammensetzung zum Erzielen einer Ladungsschichtung innerhalb des Brennraums in den Brennraum eingebracht werden und ein Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassgase derart in den Brennraum eingebracht werden, dass eine radiale und vertikale Ladungsschichtung, bei der die Einlassgase in einem zentralen Teil eines Brennraums, welcher ein Bereich innerhalb einer insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche ist, die ein Zentrum an der Stelle der Kraftstoffeinspritzung hat, eine von den Einlassgasen in einem Umfangsteil des Brennraums unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen, der ein Bereich ist, der außerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche ist, am Anfang der Verbrennung des Kraftstoffs zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode eines Kompressionshubs erreicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei der die Einlassgase unterschiedlicher Zusammensetzungen Einlassgase sind, die unterschiedliche Konzentrationen einer spezifischen in ihnen enthaltenen Komponente haben.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei der eine spezifische Komponente, die in dem Einlassgas enthalten ist, ein rückgeführtes Abgas ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein Schichtungsmuster der Einlassgasladung innerhalb des Brennraumes in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zu einem Ausgewählten von geändert wird: einem normalen Schichtungsmuster, in dem die Konzentration der spezifischen Komponente des Einlassgases in dem zentralen Teil geringer ist als die des Einlassgases in dem Umfangsteil; einem umgekehrten Schichtungsmuster, in dem die Konzentration der spezifischen Komponente des Einlassgases in dem zentralen Teil höher ist als die des Einlassgases in dem Umfangsteil; und einem homogenen Muster, in dem die Konzentration der spezifischen Komponente des Einlassgases in diesem zentralen Teil gleich der des Einlassgases in dem Umfangsteil ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein Verhältnis der Konzentration der spezifischen Komponente des Einlassgases in dem Umfangsteil zu der des Einlassgases in dem zentralen Teil abhängig von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine geändert wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine eine Kompressionszündungs-Brennkraftmaschine ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Schichtung der Einlassgasladung derart ausgeführt wird, dass die insgesamt halbkugelige oder insgesamt flache halbkugelige Fläche von der Stelle der Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum in einer Richtung der Kraftstoffeinspritzung in einem Abstand von 1–1,5 mal einer Sprüh-Aufbruchlänge des eingespritzten Kraftstoffs entfernt ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welches die Schritte aufweist – Ausbilden, in einem Einlasshub, einer Wirbelströmung eines ersten Einlassgases in einem oberen Teil des Brennraums (1) längs der zylindrischen Wand des Brennraums und einer Wirbelströmung eines zweiten Einlassgases in einem unteren Teil des Brennraums in einer gleichen Drehrichtung wie die der Wirbelströmung des ersten Einlassgases längs der zylindrischen Wand des Brennraums und Aufrechterhalten eines Zustands vertikaler Schichtung der Einlassgasladung, die aus den Wirbelströmungen des ersten und des zweiten Einlassgases innerhalb des Brennraums besteht, bis zu einem Zeitpunkt innerhalb einer Zwischenperiode eines Kompressionshubs; – Bewirken, dass das erste Einlassgas in einen zentralen Bereich eines Hohlraums in dem zentralen Teil der oberen Fläche des Kolbens strömt, während das zweite Einlassgas in einem Umfangsbereich und einem Bodenbereich des Hohlraumes in einer letzten Hälfte eines Kompressionshubs, in dem eine Quetschströmung erzeugt wird, verbleibt, und – Schichtung der Einlassgasladung innerhalb des Brennraums zu einem Zeitpunkt nahe einer Endperiode des Kompressionshubs, in dem die Verbrennung des Kraftstoffs beginnt, derart, dass das erste Einlassgas hauptsächlich in einem Bereich innerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche, die ihr Zentrum an einer Stelle der Kraftstoffeinspritzung in dem Brennraum hat, vorhanden ist, während das zweite Einlassgas hauptsächlich in einem Bereich außerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche vorhanden ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei der der Kraftstoff in den Brennraum von einem zentralen Teil einer oberen Oberfläche des Brennraums (1), die der oberen Fläche eines Kolbens gegenüber liegt, zu einem Umfangsteil eines Hohlraumes (9), der in einem zentralen Teil der oberen Fläche des Kolbens ausgebildet ist, eingespritzt wird.
  10. Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart, in der eine Mehrzahl von Einlassöffnungen (3, 4) vorgesehen sind, um eine Mehrzahl von Wirbelströmungen der Einlassgase in einer gleichen Drehrichtung längs einer zylindrischen Wand eines Brennraums auszubilden, und in der ein Kraftstoff in den Brennraum von einem zentralen Teil einer oberen Oberfläche des Brennraums (1), die einer oberen Fläche des Kolbens gegenüberliegt, welche mit einem Hohlraum (9) in einem zentralen Teil seiner oberen Fläche ausgebildet ist, eingespritzt wird, gekennzeichnet durch – eine Anordnung (3, 4, 5, 6) zum Ausbilden, in einem Einlasshub, einer Wirbelströmung eines ersten Einlassgases in einem oberen Teil des Brennraums (1) längs der zylindrischen Wand des Brennraums, und einer Wirbelströmung eines zweiten Einlassgases, das eine unterschiedliche Zusammensetzung von der des ersten Einlassgases hat, in einen unteren Teil des Brennraums längs der zylindrischen Wand des Brennraums und zum Aufrechterhalten eines Zustands vertikaler Schichtung der Einlassgasladung, die aus den Wirbelströmungen des ersten und des zweiten Einlassgases innerhalb des Brennraums besteht, bis zu einem Zeitpunkt innerhalb einer Zwischenperiode eines Kompressionshubs, – eine Anordnung (9, 10) zum Bewirken, dass das erste Einlassgas in einen zentralen Bereich eines Hohlraums in dem zentralen Teil der oberen Fläche des Kolbens strömt, während das zweite Einlassgas in einem Umfangsbereich und einem Bodenbereich des Hohlraumes in einer letzten Hälfte eines Kompressionshubs, in dem eine Quetschströmung erzeugt wird, verbleibt, – eine Anordnung (9, 10) zur Schichtung der Einlassgasladung innerhalb des Brennraums zu einem Zeitpunkt nahe einer Endperiode des Kompressionshubs, in dem die Verbrennung des Kraftstoffs beginnt, derart, dass das erste Einlassgas hauptsächlich in einem Bereich innerhalb einer insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche, die ihr Zentrum an einer Stelle der Kraftstoffeinspritzung in dem Brennraum hat, vorhanden ist, während das zweite Einlassgas hauptsächlich in einem Bereich außerhalb der insgesamt halbkugeligen oder insgesamt flachen halbkugeligen Fläche vorhanden ist, und – eine Anordnung zum Einspritzen des Kraftstoffs in Richtung auf einen Umfangsteil des Hohlraums (9).
  11. Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart nach Anspruch 10, bei der die insgesamt halbkugelige oder insgesamt flache halbkugelige Fläche von der Stelle der Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum in einer Richtung der Kraftstoffeinspritzung in einem Abstand von 1–1,5 mal einer Sprüh-Aufbruchslänge des eingespritzten Kraftstoffs entfernt ist.
  12. Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart nach Anspruch 10 oder 11, bei der die Anordnung (3, 4, 5, 6) zum Ausbilden der Wirbelströmungen in einem Einlasshub ein erstes Einlassventil (5) in der Einlassöffnung (3) zum Ausbilden der Wirbelströmung des ersten Einlassgases in dem oberen Teil des Brennraums und ein zweites Einlassventil (6) in der Einlassöffnung (4) zum Ausbilden der Wirbelströmung des zweiten Einlassgases in dem unteren Teil des Brennraumes aufweist, welche ersten und zweiten Einlassventile für entsprechend unterschiedliche Perioden geöffnet sind, so dass nur das zweite Einlassventil geöffnet ist, um nur dem zweiten Einlassgas zu erlauben in den Brennraum zu einer Anfangsperiode des Einlasshubs zu strömen, so dass das erste und das zweite Einlassventil geöffnet sind, um dem ersten und dem zweiten Einlassgas zu erlauben, in den Brennraum in einer Zwischenperiode des Einlasshubs zu strömen, und so dass nur das erste Einlassventil geöffnet ist, um nur dem ersten Einlassgas zu erlauben in den Brennraum in einer Endperiode des Einlasshubs zu strömen.
  13. Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der ein Einlassgas, das kein rückgeführtes Abgas enthält, oder eine geringe Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist, in einem eines zentralen Teiles des Brennraums vorhanden ist, der eine Stelle der Kraftstoffeinspritzung und einen Umfangsteil des Brennraums enthält, während ein Einlassgas, das das rückgeführte Abgas enthält, oder eine hohe Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist, in dem anderen des zentralen Teils und des Umfangsteils des Brennraums am Anfang der Verbrennung des Kraftstoffs zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubs vorhanden ist.
  14. Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassgas, das das rückgeführte Abgas enthält, oder die hohe Konzentration des rückgeführten Abgases aufweist, in dem zentralen Teil des Brennraums vorhanden ist, während das Einlassgas, das das rückgeführte Abgas nicht enthält, oder eine geringe Konzentration davon aufweist, in diesem Umfangsteil am Anfang der Verbrennung des Kraftstoffs zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubs vorhanden ist, wenn die Brennkraftmaschine unter einer hohen Last, oder bei hoher Drehzahl, betrieben wird.
  15. Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Konzentration des rückgeführten Abgases in diesem Umfangsteil der Konzentration des rückgeführten Abgases in dem zentralen Teil abhängig von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine geändert wird.
  16. Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine eine kompressionszündende Brennkraftmaschine ist.
  17. Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart der kompressionszündenden oder funkenzündenden Bauart, nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei der ein Kraftstoff in ein Einlassgas innerhalb eines Brennraums, oder zu dem Einlassgas innerhalb des Brennraums, und einem Einlassgas innerhalb der Einlasspassage eingespritzt wird, so dass ein Einlassgas, das einen Kraftstoff enthält, oder eine hohe Konzentration des Kraftstoffs aufweist, in einem zentralen Teil des Brennraums, der einen zentralen Teil einer oberen Oberfläche des Brennraums enthält, vorhanden ist, während ein Einlassgas, das keinen Kraftstoff enthält, oder eine niedrige Konzentration des Kraftstoffs aufweist, in einem Umfangsteil des Brennraums, wie z.B. einem Quetschbereich, und in der Nähe von Wandoberflächen eines Hohlraums, am Anfang der Verbrennung des Kraftstoffs vorhanden ist.
  18. Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Konzentration des Kraftstoffs in dem Einlassgas, die am Anfang der Verbrennung des Kraftstoffs in dem Umfangsteil des Brennraumes vorhanden ist, zu der Konzentration des Kraftstoffs in dem Einlassgas, die in dem zentralen Teil des Brennraumes, der den zentralen Teil der oberen Oberfläche enthält, vorhanden ist, in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine geändert wird.
  19. Brennkraftmaschine der direkt einspritzenden Bauart der kompressionszündenden oder funkenzündenden Bauart nach einem der Ansprüche 10 bis 18, bei der eine vormischende Menge eines Kraftstoffs in den Brennraum oder die Einlasspassage zu einem Kraftstoffvormischeinspritzzeitpunkt, der vor 30° vor OT in einen Einlass- oder Kompressionshub liegt, eingespritzt wird.
  20. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 19, bei der die vormischende Menge des Kraftstoffs in eine Wirbelströmung eines spezifischen Einlassgases innerhalb des Brennraumes (1), oder in ein Einlassgas in einer spezifischen Einlassöffnung (3, 4), oder in eine Einlasspassage, die die spezifische Einlassöffnung enthält, eingespritzt wird, so dass ein Einlassgas, das den Kraftstoff enthält, oder eine hohe Konzentration des Kraftstoffs aufweist, in einem zentralen Teil des Brennraumes, der einen zentralen Teil einer oberen Oberfläche des Brennraumes enthält, vorhanden ist, während ein Einlassgas, das den Kraftstoff nicht enthält, oder eine niedrige Konzentration des Kraftstoffs aufweist, in einem Umfangsteil des Brennraumes, wie z.B. einem Quetschbereich, und in der Nähe von Wandoberflächen eines Hohlraums, vorhanden ist.
  21. Direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil einer notwendigen Kraftstoffmenge, die einer Last entspricht, die derzeit auf die Brennkraftmaschine wirkt, von einem Kraftstoffinjektor, der an einer oberen Oberfläche des Brennraums angeordnet ist, in ein Einlassgas innerhalb des Brennraums zu einem Kraftstoffvormischeinspritzzeitpunkt, der vor 30° vor OT in einem Einlass- oder Kompressionshub liegt, eingespritzt wird, und ein verbleibender Teil der notwendigen Menge zu einem normalen Kraftstoff einspritzzeitpunkt nahe einer Endperiode des Kompressionshubs eingespritzt wird, wobei die Verbrennung des Kraftstoffs zu einem Zeitpunkt nahe der Endperiode des Kompressionshubs beginnt, wobei der Kraftstoffinjektor ein Kraftstoffinjektor der variablen Bauart ist, der in seinen Kraftstoffeinspritzungscharakteristika, wie z.B. einer Einspritzrichtung des Kraftstoffs, einem Sprühwinkel des Kraftstoffs und einer Durchdringungskraft des Kraftstoffs variabel ist, und die Kraftstoffeinspritzcharakteristika gesteuert werden, um geeignet zu sein zu erlauben, dass ein größter Teil des Kraftstoffs, der an dem Kraftstoffvormischeinspritzzeitpunkt eingespritzt wird, nur mit der Wirbelströmung des Einlassgases gemischt wird, welche am Anfang der Verbrennung des Kraftstoffs hauptsächlich in einem zentralen Teil des Brennraums vorhanden ist, der einen zentralen Teil einer oberen Oberfläche des Brennraumes enthält.
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