DE60320166T2

DE60320166T2 - Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung

Info

Publication number: DE60320166T2
Application number: DE60320166T
Authority: DE
Inventors: Toshimi Toyota-shi Aichi-ken Kashiwagura; Masaharu Toyota-shi Aichi-ken Ichise; Mutsumi Toyota-shi Aichi-ken Kanda; Takashi Toyota-shi Aichi-ken Hashima; Hiroshi Toyota-shi Aichi-ken Nomura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-02-19
Also published as: EP1832741B1; EP1832741A3; JP2003254216A; EP1342914B1; DE60335048D1; EP1342914A2; EP1342914B8; EP1832741A2; JP3937874B2; US20030164151A1; KR20030072253A; KR100579065B1; DE60320166D1; EP1342914A3; US6935302B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine vom Typ mit Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder bzw. mit Direkteinspritzung, welche Kraftstoff direkt in jeden Zylinder einspritzt und noch genauer auf eine Zündzeitpunktssteuerung einer solchen Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung.
2. Erläuterung des Stands der Technik
In herkömmlichen Brennkraftmaschinen vom Typ mit Einspritzung in einen Anschluss bzw. ein Saugrohr wird Kraftstoff zunächst in der Form eines Sprays in ein Saugrohr eingespritzt, und das Kraftstoffspray wird dann während eines Ansaughubs in jede Brennkammer eingeführt. Daher ist die Luft-Kraftstoff-Mischung in der Brennkammer gleich verteilt und wird anschließend durch eine Zündkerze gezündet, und zwar wird eine sogenannte „homogene Verbrennung" durchgeführt. In diesem Fall hängt die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches nicht stark von der Position der Zündkerze ab. Während der homogenen Verbrennung wird jedoch die Verdünnung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches begrenzt, weil die Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemisches im gesamten Gebiet der Brennkammer nahezu konstant erzeugt wird. Um dem entgegenzuwirken, wurde in letzter Zeit eine Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung praktisch eingesetzt (die nachstehend einfach als eine „direkteinspritzende Brennkraftmaschine" bezeichnet wird, wenn dies geeignet erscheint), die Kraftstoff direkt in Zylinder (Brennkammern) einspritzt. Da eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine im Allgemeinen die Fähigkeit besitzt, Kraftstoff zu einem bestimmten Zeitpunkt in eine Brennkammer zuzuführen (einzuspritzen), führt sie eine sogenannte "Schichtladungsverbrennung" durch, in welcher Kraftstoff in einer zweiten Hälfte eines jeden Kompressionshubs so eingespritzt wird, dass ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das eine brennbare Konzentration aufweist, um die Zündkerze erzeugt wird, wodurch ein sogenannter "magerer Verbrennungsbetrieb der Brennkraftmaschine" durchgeführt wird.
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem gesamten Bereich der Brennkammer neigt während der Schichtladungsverbrennung jedoch dazu, viel geringer als das stöchiometrische Kraftstoffverhältnis zu werden, was ein zündbares Gebiet der Luft-Kraftstoff-Mischung in der Brennkammer einschränkt, weil die Luft-Kraftstoff-Mischung mit einer zündbaren Konzentration nur um die Zündkerze erzeugt wird. Insbesondere ist es schwierig, einen Bereich einer Luft-Kraftstoff-Mischung zu schaffen, der sowohl dann geeignet ist, wenn die von der Brennkraftmaschine verlangte Last niedrig ist, als auch, wenn diese Last hoch ist (nachstehend wird ein Brennkraftmaschinenbetrieb, der durchgeführt wird, wenn die von der Brennkraftmaschine verlangte Last bzw. abgeforderte Leistung niedrig ist, als "ein Brennkraftmaschinenbetrieb niedriger Last" bezeichnet, und ein Brennkraftmaschinenbetrieb, der durchgeführt wird, wenn diese Belastung hoch ist, wird als "Brennkraftmaschinenbetrieb hoher Last" bezeichnet, wenn dies geeignet erscheint). Weil beispielsweise nur eine kleine Kraftstoffmenge eingespritzt wird und ein brennbarer Bereich eines Luft-Kraftstoff-Gemisches daher während des Brennkraftmaschinenbetriebs niedriger Last eng ist, ist es notwendig, die Luft-Kraftstoff-Mischung um die Zündkerze zu erzeugen. Während des Brennkraftmaschinenbetriebs hoher Last wird dagegen eine große Kraftstoffmenge eingespritzt. Wenn hier derselbe Zündzeitpunkt wie jener verwendet wird, der während des Brennkraftmaschinenbetriebs niedriger Last verwendet wird, zündet die Zündkerze ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einer außergewöhnlich großen in ihrer Umgebung erzeugten Konzentration, was zu einer Verringerung der Verbrennungseffizienz führt. Außerdem kann es in dem Fall, in dem die direkt einspritzende Brennkraftmaschine dazu angepasst ist, das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu zünden, nachdem es innerhalb der Brennkammer während des Brennkraftmaschinenbetriebs hoher Last ausreichend verteilt wurde, geschehen, dass der zündbare Bereich des Luft-Kraftstoff-Gemisches sich bereits vor dem Zündzeitpunkt von der Zündkerze weg bewegt hat, und die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches kann daher fehlschlagen.
Außerdem kann es vorkommen, dass aufgrund von Variationen in der Konzentration eines Luft-Kraftstoff-Gemisches zwischen unterschiedlichen Bereichen der Brennkammer keine ausreichende Stabilität bei der Verbrennung von Luft-Kraftstoff-Gemischen erreicht wird, wenn eine Schichtladungsverbrennung durchgeführt wird. In Anbetracht dieser Tatsachen wird während des Brennkraftmaschinenbetriebs niedriger Last eine Schichtladungsverbrennung durch Erzeugen eines Luft-Kraftstoff-Gemisches und Festlegen der Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in einer Weise durchgeführt, die hauptsächlich für den Brennkraftmaschinenbetrieb niedriger Last geeignet ist. Während des Brennkraftmaschinenbetriebs hoher Last wird dagegen eine teilweise Schichtladungsverbrennung oder eine homogene Verbrennung durchgeführt.
Die EP 1 130 240 A2 diskutiert eine Brennkraftmaschine mit einer Zündung durch zwei Zündkerzen um eine schnelle Verbrennung zu realisieren. Dieses Dokument konzentriert sich hauptsächlich auf den Einspritzzeitpunkt, diskutiert jedoch auch den Zündzeitpunkt der zwei Zündkerzen während der Schichtladungsverbrennung und der homogenen Verbrennung. Noch genauer wird während der Schichtladungsverbrennung eine Zündkerze gezündet, während bei der homogenen Verbrennung beide Zündkerzen gemeinsam verwendet werden.
Die JP-2000-179 441 lehrt, Zündkerzen in einer Brennkammer während einer Schichtladungsverbrennung mit einer Zeitverzögerung abhängig von den Fahrbedingungen zu zünden.
Folglich ist es eindeutig wünschenswert, dass eine Schichtladungsverbrennung sowohl während des Brennkraftmaschinenbetriebs niedriger Last als auch hoher Last in einem weiten Bereich durchgeführt wird. Insbesondere verbessert sich die Kraftstoffökonomie, wenn eine Schichtladungsverbrennung auch während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit hoher Last durchgeführt werden kann.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht der vorstehenden Probleme wurde die Erfindung erarbeitet, um eine Brennkraftmaschine vom Typ mit direkter Einspritzung zu schaffen, die eine Vergrößerung einer Region für die Schichtladungsverbrennung erlaubt und eine stabile Verbrennung von Luft-Kraftstoffgemischen während der Schichtladungsverbrennung erreicht.
Um diese Aufgabe zu lösen, umfasst eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach einem ersten Aspekt der Erfindung einen Zylinderblock, einen Zylinderkopf, einen Kolben; eine Brennkammer, die durch den Zylinderblock, den Zylinderkopf und den Kolben definiert ist; eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung zum Einspritzen eines Kraftstoffs direkt in die Brennkammer, die den Kraftstoff so einspritzt, dass in der Brennkammer während einer Schichtladungsverbrennung Abschnitte hoher und niedriger Konzentration eines Luft-Kraftstoffgemisches gebildet werden; eine Vielzahl von Zündern bzw. Zündkerzen, die innerhalb des Zylinderkopfs jeweils zugehörig zu den Abschnitten hoher und niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches angeordnet sind; eine Lasterfassungseinrichtung, um eine Last bzw. Leistung zu erfassen, die von der Brennkraftmaschine mit Einspritzung in den Zylinder verlangt bzw. abgefordert wird; und eine Zündsteuereinrichtung, welche einen Zündzeitpunkt des Zünders, der in der Nähe des Abschnitts hoher Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches angeordnet ist, im Vergleich zu einem Zündzeitpunkt des anderen Zünders, der in der Nähe des Abschnitts niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches angeordnet ist, nach vorne verschiebt, wenn während der Schichtladungsverbrennung eine von der Lasterfassungseinrichtung erfasste Last niedrig ist.
Nach diesem Aufbau ist die Vielzahl von Zündern bzw. Zündkerzen zugehörig zu den Abschnitten hoher und niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches angeordnet, und der Zündzeitpunkt der Zündkerze, die zugehörig zu dem Abschnitt hoher Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches angeordnet ist, ist im Vergleich zum Zündzeitpunkt der Zündkerze, die in der Nähe des Abschnitts niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches angeordnet ist, nach vorn verschoben, wenn die benötigte Last während der Schichtladungsverbrennung niedrig ist. Daher wird ein Bereich eines Luft-Kraftstoffgemisches mit einer hohen Konzentration gezündet und eine komplementäre Zündung des Luft-Kraftstoffgemisches wird so durchgeführt, dass eine bessere Stabilität bei dem Zünden der Luft-Kraftstoffgemische während der Schichtladungsverbrennung erreicht werden kann.
In der Brennkraftmaschine mit Direktabspritzung nach dem ersten Aspekt der Erfindung ist es zu bevorzugen, dass die Zündsteuereinrichtung den Zündzeitpunkt des Zünders, der in der Nähe des Abschnitts hoher Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches angeordnet ist, gegenüber dem Zündzeitpunkt des anderen Zünders, der in der Nähe des Abschnitts des Luft-Kraftstoffgemisches mit niedriger Konzentration angeordnet ist, nach hinten verschiebt, wenn während der Schichtladungsverbrennung die von der Lasterfassungseinrichtung erfasste Last hoch ist. Wenn die von der Brennkraftmaschine verlangte Last während der Schichtladungsverbrennung hoch ist, kann der Abschnitt des Luft-Kraftstoffgemisches mit niedriger Konzentration ausreichend zündfähig sein, während der Abschnitt hoher Konzentration zu fett sein kann. Mit der vorstehend erörterten Anordnung wird daher zuerst der Abschnitt niedriger Konzentration, der ausreichend zündfähig ist, durch die Zündkerze gezündet, die zugehörig zu dem Abschnitt niedriger Konzentration angeordnet ist, und der Abschnitt hoher Konzentration, der sich ausreichend verteilt hat und daher die Konzentration verringert hat, wird danach durch die Zündkerze gezündet, die zugehörig zu dem Abschnitt hoher Konzentration angeordnet ist. Als ein Ergebnis kann das Gebiet der Schichtladungsverbrennung vergrößert werden.
In der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung bzw. mit Einspritzung in den Zylinder nach dem ersten Aspekt der Erfindung ist es zu bevorzugen, dass die Vielzahl von Zündkerzen eine erste Zündkerze umfasst, die in einem Abschnitt des Zylinderkopfs angeordnet ist, welcher zu dem Abschnitt hoher Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches gehört, das in der Brennkammer gebildet wird, und eine zweite Zündkerze, die innerhalb des Zylinderkopfs in einem Abschnitt angeordnet ist, welcher zu dem Abschnitt niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches gehört, das in der Brennkammer gebildet wird, und dass die Zündsteuereinrichtung den Zündzeitpunkt der ersten Zündkerze gegenüber dem Zündzeitpunkt der zweiten Zündkerze vorverlegt, wenn die von der Lasterfassungseinrichtung erfasste Last während der Schichtladungsverbrennung niedrig ist.
Nach diesem Aufbau verlegt die Zündsteuereinrichtung den Zündzeitpunkt der ersten Zündkerze gegenüber dem Zündzeitpunkt der zweiten Zündkerze nach vorn, wenn die verlangte Last während der Schichtladungsverbrennung niedrig ist, wenn die erste Zündkerze zugehörig zu dem Abschnitt hoher Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches angeordnet ist und die zweite Zündkerze zugehörig zu dem Abschnitt niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches angeordnet ist. Daher wird ein Bereich eines Luft-Kraftstoffgemisches mit einer hohen Konzentration gezündet und eine komplementäre Zündung des Luft-Kraftstoffgemisches wird so durchgeführt, dass eine verbesserte Stabilität der Zündung von Luft-Kraftstoffgemischen während der Schichtladungsverbrennung erreicht werden kann.
In der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach dem ersten Aspekt der Erfindung ist es außerdem zu bevorzugen, dass die Zündsteuereinrichtung den Zündzeitpunkt der ersten Zündkerze gegenüber dem Zündzeitpunkt der zweiten Zündkerze verzögert, wenn die von der Lasterfassungseinrichtung erfasste Last während der Schichtladungsverbrennung hoch ist. Wenn die verlangte Last während der Schichtladungsverbrennung hoch ist, kann der Abschnitt niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches ausreichend zündfähig werden, während der Abschnitt hoher Konzentration mit einem Anstieg der Menge des eingespritzten Kraftstoffes zu fett werden kann. Mit der vorstehend erläuterten Anordnung wird daher die zweite Zündkerze in einem solchen Fall vor der ersten Zündkerze gezündet. Genauer gesagt wird zuerst der Abschnitt niedriger Konzentration durch die zweite Zündkerze gezündet, der ausreichend zündfähig wurde, und der Abschnitt hoher Konzentration, der ausreichend verteilt wurde und der daher eine verringerte Konzentration aufweist, wird dann durch die erste Zündkerze gezündet. Als ein Ergebnis kann das Gebiet der Schichtladungsverbrennung vergrößert werden.
In der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung in den Zylinder nach dem ersten Aspekt der Erfindung ist es außerdem zu bevorzugen, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung in einem Randbereich der Brennkammer angeordnet ist und so angepasst ist, dass sie einen Kraftstoff an dem Randbereich der Brennkammer hin zu einem mittleren Bereich der Brennkammer so einspritzt, dass unmittelbar nach der Einspritzung des Kraftstoffs der Abschnitt hoher Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches in dem mittleren Bereich der Brennkammer gebildet wird und der Abschnitt niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches in einem Randbereich der Brennkammer gebildet wird. Zudem ist es auch zu bevorzugen, dass die erste Zündkerze in einem Abschnitt des Zylinderkopfs angeordnet ist, der zu dem mittleren Bereich der Brennkammer gehört, und dass die zweite Zündkerze in einem Abschnitt des Zylinderkopfs angeordnet ist, der zu dem Randbereich der Brennkammer gehört. Nach diesem Aufbau wird der Abschnitt hoher Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches, der in dem mittleren Bereich der Brennkammer gebildet wird, zuerst durch die erste Zündkerze gezündet, wenn die verlangte Last niedrig ist, während der Abschnitt niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches, der zündfähig ist und in dem Randbereich der Brennkammer gebildet wird, zuerst von der zweiten Zündkerze gezündet wird, wenn die verlangte Last hoch ist.
In der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach dem ersten Aspekt der Erfindung ist es außerdem zu bevorzugen, dass die Brennkammer eine Form aufweist, die dazu geeignet ist, das Luft-Kraftstoffgemisch, das aus dem Kraftstoff gebildet wird, der von der Kraftstoffeinrichtung eingespritzt wird, so zu leiten und von dem Randbereich zu dem mittleren Bereich der Brennkammer zu bewegen, dass es von dem mittleren Bereich entlang des Zylinderkopfs zu dem Randbereich der Brennkammer strömt, und dass die ersten und zweiten Zündkerzen innerhalb des Zylinderkopfs so angeordnet sind, dass sie in einer Linie mit dem Fluss des Luft-Kraftstoffgemisches angeordnet sind. Nach diesem Aufbau wird ein Luft-Kraftstoffgemisch so geleitet, dass es sich entlang der ersten und zweiten Zündkerzen bewegt. Wenn die verlangte Last niedrig ist, wird daher die erste Zündkerze gezündet, um das Luft-Kraftstoffgemisch mit einer hohen Konzentration zu zünden, bevor es sich verteilt und die zweite Zündkerze wird gezündet, um dasselbe Luft-Kraftstoffgemisch selbst dann zu zünden, wenn es durch die erste Zündkerze nicht gezündet wird. Wenn die verlangte Last hoch ist, wird dagegen ein Luft-Kraftstoffgemisch, das sich ausreichend verteilt hat und daher eine reduzierte Konzentration aufweist, durch die erste Zündkerze gezündet. Auf diese Weise kann das Gebiet der Schichtladungsverbrennung vergrößert werden.
In der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach dem ersten Aspekt der Erfindung ist es außerdem zu bevorzugen, dass der Kolben einen Hohlraum aufweist, der an einer oberen Oberfläche des Kolbens gebildet wird, um das Luft-Kraftstoffgemisch, das aus dem von der Kraftstoffeinspritzung eingespritzten Kraftstoffs gebildet wird und sich von dem Randbereich zu dem mittleren Bereich der Brennkammer bewegt, so zu leiten, dass es entlang des Zylinderkopfs von dem Randbereich zu dem mittleren Bereich der Brennkammer fließt, und dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung am Randbereich der Brennkammer angeordnet ist und so angepasst ist, dass sie einen Kraftstoff hin zu dem Hohlraum in dem Kolben einspritzt, und dass die erste Zündkerze in einem Abschnitt des Zylinderkopfs angeordnet ist, der dem Hohlraum des Kolbens gegenüber liegt, während die zweite Zündkerze in einem Abschnitt des Zylinderkopfs angeordnet ist, der in der Nähe der Kraftstoffeinspritzeinrichtung angeordnet ist. Nach diesem Aufbau wird ein Luft-Kraftstoffgemisch von dem mittleren Bereich zu dem Randbereich der Brennkammer hin bewegt. Daher können die vorstehend beschriebenen Effekte und Vorteile erzielt werden.
Als Nächstes umfasst eine Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach einem zweiten Aspekt einen Zylinderblock; einen Zylinderkopf; einen Kolben; eine Brennkammer, die durch den Zylinderblock, den Zylinderkopf und den Kolben definiert ist; eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, um Kraftstoff direkt in die Brennkammer einzuspritzen, die an einem Randbereich der Brennkammer angeordnet ist und so angepasst ist, dass sie den Kraftstoff so einspritzt, dass während der Schichtladungsverbrennung Abschnitte hoher und niedriger Konzentration eines Luft-Kraftstoffgemisches in der Brennkammer gebildet werden; einen Hohlraum, der auf einer oberen Oberfläche des Kolbens gebildet wird und das Luft-Kraftstoffgemisch leitet, das aus dem Kraftstoff gebildet wird, der von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingespritzt ist und sich von einem Randbereich zu einem mittleren Bereich der Brennkammer bewegt, um entlang des Zylinderkopfs von dem Randbereich zu dem mittleren Bereich der Brennkammer zu fließen; eine erste Zündkerze, die in einem Abschnitt des Zylinderkopfs angeordnet ist, der dem Hohlraum gegenüber liegt; eine zweite Zündkerze, die in einem Abschnitt des Zylinderkopfs angeordnet ist, der sich in der Nachbarschaft der Kraftstoffeinspritzeinrichtung befindet; und eine Zündsteuereinrichtung, die dazu angepasst ist, die ersten und zweiten Zündkerzen zur gleichen Zeit zu zünden.
Nach diesem Aufbau können selbst dann, wenn ein Luft-Kraftstoffgemisch, das sich von dem mittleren Bereich zu dem Randbereich der Brennkammer bewegt, in zwei Luft-Kraftstoffgemische in den mittleren und Randbereichen der Brennkammer getrennt wird, diese Gemische jeweils durch die erste Zündkerze, die in dem Abschnitt des Zylinderkopfs angeordnet ist, der dem Hohlraum gegenüberliegt, und der zweiten Zündkerze, die in dem Abschnitt des Zylinderkopfs angeordnet ist, der in der Nähe der Kraftstoffeinspritzeinrichtung liegt, gezündet werden. Daher kann während der Schichtladungsverbrennung eine weitere Stabilität beim Zünden von Luft-Kraftstoffgemischen erreicht werden.
Als Nächstes umfasst eine Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach einem dritten Aspekt einen Zylinderblock; einen Zylinderkopf; einen Kolben; eine Brennkammer, die durch den Zylinderblock, den Zylinderkopf und den Kolben definiert ist; eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, um Kraftstoff direkt in die Brennkammer einzuspritzen, die den Kraftstoff so einspritzt, dass während der Schichtladungsverbrennung in der Brennkammer Bereiche hoher und niedriger Konzentration eines Luft-Kraftstoffgemisches gebildet werden; und eine Vielzahl von Zündkerzen, die jeweils eine unterschiedliche Länge eines Abschnitts aufweisen, der aus dem Zylinderkopf vorsteht.
Nach diesem Aufbau können Luft-Kraftstoffgemische gezündet werden, die in verschiedenen Abständen von dem Zylinderkopf gebildet werden.
In der Brennkraftmaschine vom Typ mit Einspritzung in den Zylinder nach einem dritten Aspekt ist es zu bevorzugen, dass die Vielzahl von Zündkerzen eine erste Zündkerze umfasst, die einen Abschnitt aufweist, der von dem Zylinderkopf mit einer kurzen Länge vorsteht, und eine zweite Zündkerze, die einen zweiten Abschnitt aufweist, der mit einer Länge aus dem Zylinderkopf vorsteht, die länger als die Länge des Abschnitts der ersten Zündkerze ist und dass die Brennkraftmaschine vom Typ mit Einspritzung in den Zylinder weiterhin eine Einrichtung zur Erfassung der Brennkraftmaschinendrehzahl aufweist, um eine Brennkraftmaschinendrehzahl der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung zu erfassen, und eine Zündsteuereinrichtung, welche die erste Zündkerze zündet, wenn die von der Einrichtung zur Erfassung der Brennkraftmaschinendrehzahl erfasste Brennkraftmaschinendrehzahl niedrig ist, und dazu angepasst ist, die zweite Zündkerze zu zünden, wenn die von der Einrichtung zur Erfassung der Brennkraftmaschinendrehzahl erfasste Brennkraftmaschinendrehzahl während der Schichtladungsverbrennung hoch ist.
Nach diesem Aufbau wird die erste Zündkerze gezündet, die den Abschnitt aufweist, der mit einer kurzen Länge aus dem Zylinderkopf vorsteht, um ein Luft-Kraftstoffgemisch zu zünden, das in einem geringen Abstand von dem Zylinderkopf gebildet wird, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine niedrig ist, während die zweite Zündkerze, deren aus dem Zylinderkopf vorstehender Abschnitt eine lange Länge aufweist, gezündet wird, um ein Luft-Kraftstoffgemisch zu zünden, das in einem größeren Abstand von dem Zylinderkopf gebildet wird, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine hoch ist. Folglich kann das Gebiet der Schichtladungsverbrennung vergrößert werden, und eine weitere Stabilität kann bei der Zündung von Luft-Kraftstoffgemischen während der Schichtladungsverbrennung erzielt werden.
Als Nächstes umfasst eine Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach einem vierten Aspekt einen Zylinderblock; einen Zylinderkopf; einen Kolben; eine Brennkammer, die durch den Zylinderblock, den Zylinderkopf und dem Kolben definiert ist; eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, um Kraftstoff direkt hin zu einem mittleren Bereich der Brennkammer einzuspritzen, die den Kraftstoff während der Schichtladungsverbrennung so einspritzt, dass Abschnitte hoher und niedriger Konzentration eines Luft-Kraftstoffgemisches in der Brennkammer gebildet werden; einen Hohlraum, der an einer oberen Oberfläche des Kolbens gebildet ist und einen Wandabschnitt umfasst, um das Luft-Kraftstoffgemisch zu verteilen, das aus dem Kraftstoff gebildet wird, der von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung hin zu einem Randbereich der Brennkammer eingespritzt wird; und eine Vielzahl von Zündkerzen, die innerhalb des Zylinderkopfs so angeordnet sind, dass sie zu dem Wandabschnitt ausgerichtet angeordnet sind.
Nach diesem Aufbau kann ein Luft-Kraftstoffgemisch, das sich entlang des Wandabschnitts hin zum Randbereich der Brennkammer verteilt, durch die Vielzahl von Zündkerzen gezündet werden, die zu dem Wandabschnitt ausgerichtet angeordnet sind. Folglich kann eine weitere Stabilität beim Zünden von Luft-Kraftstoffgemischen während der Schichtladungsverbrennung erzielt werden.
Als Nächstes umfasst eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach einem fünften Aspekt einen Zylinderblock; einen Zylinderkopf; einen Kolben; eine Brennkammer, die durch den Zylinderblock, den Zylinderkopf und den Kolben definiert ist; eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, um Kraftstoff direkt hin zu einem mittleren Bereich der Brennkammer einzuspritzen, welche den Kraftstoff so einspritzt, das Abschnitte hoher und niedriger Konzentration eines Luft-Kraftstoffgemisches in der Brennkammer während einer Schichtladungsverbrennung gebildet werden; einen Hohlraum, der an einer oberen Oberfläche des Kolbens gebildet wird und einen Wandabschnitt umfasst, um das Luft-Kraftstoffgemisch, das aus dem Kraftstoff gebildet wird, der von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingespritzt wird, von einem ersten Randbereich zu einem zweiten Randbereich der Brennkammer zu verteilen; eine Vielzahl von Zündkerzen, die innerhalb des Zylinderkopfs so angeordnet sind, dass sie ausgerichtet zu dem Wandabschnitt angeordnet sind; eine Lasterfassungseinrichtung zum Erfassen einer Last, die von der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung abverlangt wird; und eine Zündsteuereinrichtung, die eine Zündkerze unter der Vielzahl von Zündkerzen zündet, die in der Nähe des ersten Randbereichs der Brennkammer angeordnet ist, wenn eine von der Lasterfassungseinrichtung erfasste Last niedrig ist, und die eine andere Zündkerze unter der Vielzahl von Zündkerzen zündet, die in der Nähe des zweiten Randbereichs der Brennkammer angeordnet ist, wenn die von der Lasterfassungseinrichtung erfasste Last während der Schichtladungsverbrennung hoch ist.
Nach diesem Aufbau wird der Abschnitt hoher Konzentration des in dem ersten Randbereich der Brennkammer gebildeten Luft-Kraftstoffgemisches dann gezündet, wenn die verlangte Last niedrig ist, während der Abschnitt niedriger Konzentration des in dem zweiten Randbereich der Brennkammer gebildeten Luft-Kraftstoffgemisches gezündet wird, wenn die verlangte Last hoch ist. Folglich kann das Gebiet der Schichtladungsverbrennung vergrößert werden.
Als Nächstes umfasst eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach einem sechsten Aspekt einen Zylinderblock; einen Zylinderkopf; einen Kolben; eine Brennkammer, die durch den Zylinderblock, den Zylinderkopf und den Kolben definiert ist; eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, um einen Kraftstoff direkt hin zu einem mittleren Bereich der Brennkammer einzuspritzen, die den Kraftstoff während der Schichtladungsverbrennung so einspritzt, dass Abschnitte hoher und niedriger Konzentration eines Luft-Kraftstoffgemisches in der Brennkammer gebildet werden; einen Hohlraum, der an einer oberen Oberfläche des Kolbens gebildet wird und einen Wandabschnitt umfasst, um das Luft-Kraftstoffgemisch, das aus dem Kraftstoff gebildet wird, der von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingespritzt wird, von einem ersten Randbereich zu einem zweiten Randbereich der Brennkammer zu verteilen; eine Vielzahl von Zündkerzen, die innerhalb des Zylinderkopfs so angeordnet sind, dass sie zu dem Wandabschnitt ausgerichtet sind; eine Lasterfassungseinrichtung zur Erfassung einer Last, die von der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung abverlangt wird; und eine Zündsteuereinrichtung, welche die Vielzahl von Zündkerzen zu einem Zündzeitpunkt einer unter der Vielzahl von Zündkerzen zündet, die in der Nähe des ersten Randbereichs der Brennkammer angeordnet ist, wenn eine Last, die von der Lasterfassungseinrichtung erfasst wird, niedrig ist, und welche die Vielzahl von Zündkerzen zu einem Zündzeitpunkt einer anderen Zündkerze unter der Vielzahl von Zündkerzen zündet, die in der Nähe des zweiten Randbereichs der Brennkammer angeordnet ist, wenn die Last, die von der Lasterfassungseinrichtung erfasst wird, während der Schichtladungsverbrennung hoch ist.
Nach diesem Aufbau wird ein Luft-Kraftstoffgemisch zu einem Zeitpunkt gezündet, zu dem der Abschnitt hoher Konzentration des Luft-Kraftstoffgemischs in dem ersten Randbereich der Brennkammer gebildet wird, wenn die verlangte Last niedrig ist, während das Luft-Kraftstoffgemisch zu einer Zeit gezündet wird, zu welcher der Abschnitt niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches, der sich verteilt hat und daher eine geeignete Konzentration aufweist, in dem zweiten Randbereich der Brennkammer gebildet wird, wenn die verlangte Last hoch ist. Folglich kann der Bereich der Schichtladungsverbrennung vergrößert werden.
Als Nächstes umfasst eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzen nach einem siebten Aspekt einen Zylinderblock; einen Zylinderkopf; einen Kolben; ein Brennkammer, die durch den Zylinderblock, den Zylinderkopf und den Kolben definiert ist; eine Einspritzeinrichtung, um einen Kraftstoff direkt hin zu einem mittleren Bereich der Brennkammer einzuspritzen, die den Kraftstoff so einspritzt, dass Abschnitte hoher und niedriger Konzentration eines Luft-Kraftstoffgemisches in der Brennkammer während der Schichtladungsverbrennung gebildet werden, einen Hohlraum, der an einer oberen Oberfläche des Kolbens gebildet wird und einen Wandabschnitt umfasst, um das Luft-Kraftstoffgemisch zu verteilen, das aus dem Kraftstoff gebildet wird, der von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung von einem ersten Randbereich zu einem zweiten Randbereich der Brennkammer eingespritzt wird; eine Vielzahl von Zündkerzen, die innerhalb des Zylinderkopfs so angeordnet sind, dass sie mit dem Wandabschnitt ausgerichtet sind; eine Lasterfassungseinrichtung, um eine Last zu erfassen, die von der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung abverlangt wird, und eine Zündsteuereinrichtung, welche die Vielzahl von Zündkerzen während der Schichtladungsverbrennung in einer Reihenfolge von der Seite des ersten Randbereichs zu der Seite des zweiten Randbereichs der Brennkammer zündet, wenn eine Last niedrig ist, die von der Lasterfassungseinrichtung erfasst wird, und welche die Vielzahl von Zündkerzen in einer Reihenfolge von der Seite des zweiten Randbereichs zu der Seite des ersten Randbereichs der Brennkammer zündet, wenn die Last hoch ist, die von der Lasterfassungseinrichtung erfasst wird.
Wenn die geforderte Last niedrig ist, wird nach diesem Aufbau ein Luft-Kraftstoffgemisch mit hoher Konzentration gezündet, das in dem ersten Randbereich der Brennkammer gebildet wird, und das Luft-Kraftstoffgemisch, das sich in dem zweiten Randbereich verteilt hat, wird ebenfalls gezündet. Wenn die geforderte Last hoch ist, wird dagegen ein Luft-Kraftstoffgemisch, das in dem zweiten Randbereich gebildet wird, das sich verteilt hat und daher eine geeignete Konzentration aufweist, gezündet, und das Luft-Kraftstoffgemisch, das in dem ersten Randbereich verbleibt, wird eben falls gezündet. Folglich kann der Bereich der Schichtladungsverbrennung vergrößert werden und eine weitere Stabilität kann beim Zünden von Luft-Kraftstoffgemisch während der Schichtladungsverbrennung erreicht werden.
Als Nächstes umfasst eine Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach einem achten Aspekt einen Zylinderblock; einen Zylinderkopf; einen Kolben; eine Brennkammer, die durch den Zylinderblock, den Zylinderkopf und den Kolben definiert ist; eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, um einen Kraftstoff direkt hin zu einem mittleren Bereich der Brennkammer einzuspritzen, welche den Kraftstoff während der Schichtladungsverbrennung so einspritzt, dass Abschnitte hoher und niedriger Konzentration eines Luft-Kraftstoffgemisches in der Brennkammer gebildet werden; und eine Vielzahl von Zündkerzen, die jeweils einen Isolator umfassen, der eine Stromlinienform aufweist, die zu einem Fluss des Luft-Kraftstoffgemisches passt, das aus dem Kraftstoff gebildet wird, der von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingespritzt wird.
Nach diesem Aufbau wird eine Vielzahl von Zündkerzen vorgesehen, die jeweils eine Stromlinienform aufweisen, die zu dem Fluss des Luft-Kraftstoffgemisches passen, das aus dem Kraftstoff gebildet wird, der aus der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingespritzt wird. Daher kann verhindert werden, dass Verwirbelungen, die innerhalb der Brennkammer erzeugt werden, irregulär werden. Folglich kann eine weitere Stabilität beim Zünden von Luft-Kraftstoffgemischen während der Schichtladungsverbrennung erreicht werden.
Außerdem können die Brennkraftmaschinen vom Typ mit Direkteinspritzung wie folgt modifiziert werden. Beispielsweise ist es bei der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach dem vierten Aspekt der Erfindung zu bevorzugen, dass sich der Wandabschnitt senkrecht zu einer Richtung erstreckt, in welcher das Luft-Kraftstoffgemisch, das aus dem Kraftstoff gebildet wird, der von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingespritzt wird, hin zum Hohlraum fließt. Nach diesem Aufbau kann die Verteilung des Luft-Kraftstoffgemisches weiter gefördert werden. Daher wird die Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches selbst dann nicht außergewöhnlich hoch, wenn die verlangte Last hoch ist und eine große Kraftstoffmenge eingespritzt wird, wodurch das Gebiet der Schichtladungsverbrennung vergrößert werden kann.
Weiterhin ist es in der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach dem fünften und siebten Aspekt zu bevorzugen, dass die Kraftstoffeinspritzeinrichtung den Kraftstoff hin zu einem Abschnitt des Randabschnitts einspritzt, der näher an dem ersten Randbereich der Brennkammer liegt. In diesem Fall kann das Luft-Kraftstoffge misch sich mit größerer Verlässlichkeit von dem ersten Randbereich zu dem zweiten Randbereich verteilen. Außerdem ist es zu bevorzugen, dass sich ein Abstand zwischen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und dem Wandabschnitt von der Seite des ersten Randbereichs zu dem zweiten Randbereich der Brennkammer vergrößert. Mit dieser Anordnung kann sich das Luft-Kraftstoffgemisch leicht von dem ersten Randbereich zu dem zweiten Randbereich der Brennkammer verteilen. Außerdem ist es zu bevorzugen, das der Wandabschnitt einen ersten Wandabschnitt umfasst, der auf der Seite des ersten Randbereichs der Brennkammer angeordnet ist und die Form eines Bogens aufweist, der einen ersten Radius hat, und einen zweiten Wandabschnitt, der auf der Seite des zweiten Randbereichs der Brennkammer angeordnet ist und die Form eines Bogens mit einem zweiten Radius aufweist, der größer als der erste Radius ist. Mit dieser Anordnung wird ein Luft-Kraftstoffgemisch hoher Konzentration in dem ersten Randbereich gebildet, während ein Luft-Kraftstoffgemisch mit einer Konzentration, die niedriger als jene des Luft-Kraftstoffgemisches ist, das in dem ersten Randbereich gebildet wird, in dem zweiten Randbereich gebildet wird. Daher wird das Luft-Kraftstoffgemisch mit hoher Konzentration, das in dem ersten Randbereich gebildet wird, gezündet, wenn die von der Brennkraftmaschine abverlangte Last niedrig ist, und die Menge des eingespritzten Kraftstoffs dadurch klein ist, während das Luft-Kraftstoffgemisch mit niedriger Konzentration das in dem zweiten Randbereich gebildet wird, gezündet wird, wenn die von der Brennkraftmaschine abverlangte Last hoch ist und die Menge des eingespritzten Kraftstoffs dadurch groß ist. Folglich kann das Gebiet der Schichtladungsverbrennung vergrößert werden, und eine weitere Stabilität kann beim Zünden von Luft-Kraftstoffmischungen während der Schichtladungsverbrennung erzielt werden.
Zudem ist es bei der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach dem achten Aspekt zu bevorzugen, dass ein Montageabschnitt zur Montage jeder Kraftstoffeinspritzeinrichtung in dem Zylinderkopf in einem oberen Abschnitt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorgesehen ist. Diese Anordnung ermöglicht es, dass jede Zündkerze im Zylinderkopf so montiert werden kann, dass der Isolator mit einer Stromlinienform in die Brennkammer ragt.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die vorstehenden und/oder weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Bezug auf die beigefügten Figuren deutlicher, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um ähnliche Elemente wiederzugeben und in denen:
1 eine längs geschnittene Ansicht ist, die schematisch den Aufbau eines Zylinderkopfs und seiner Umgebung in einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, in der relative Positionen eines Luft-Kraftstoffgemischflusses und der Zündkerzen angezeigt werden;
2 eine perspektivische Ansicht ist, welche die relativen Positionen des Luft-Kraftstoffgemischflusses und der Zündkerzen von der Seite einer Brennkammer in der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
3 ein Blockschaubild ist, das schematisch einen Entwurf eines Steuersystems der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 ein Ablaufplan eines Steuerprogramms ist, das in der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung zum Steuern des Zündzeitpunkts vom ersten und zweiten Zündkerzen ausgeführt wird;
5 eine Ansicht ist, welche den Zustand eines Luft-Kraftstoffgemisches veranschaulicht, wenn Kraftstoff von einem Kraftstoffeinspritzventil hin zu einem Hohlraum in der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung eingespritzt wurde;
6 eine Ansicht ist, welche den Zustand des Luft-Kraftstoffgemisches veranschaulicht, wenn sich ein Kolben während eines Kompressionshubs in der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach der ersten Ausführungsform der Erfindung hin zum oberen Totpunkt bewegt hat;
7 eine Längsschnittsansicht ist, die schematisch den Aufbau des Zylinderkopfs und seiner Umgebung in einer Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach einer zweiten Ausführungsform zeigt, wobei relative Positionen des Luft-Kraftstoffgemisches und der Zündkerzen angezeigt werden, wenn die Brennkraftmaschine mit einer niedrigen Drehzahl arbeitet;
8 eine Längsschnittsansicht ist, die schematisch den Aufbau des Zylinderkopfs und seiner Peripherie in der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach der zweiten Ausführungsform zeigt, wobei die relativen Positionen des Luft-Kraft stoffgemischflusses und der Zündkerzen angezeigt werden, wenn die Brennkraftmaschine mit einer hohen Brennkraftmaschinendrehzahl arbeitet;
9 eine perspektivische Ansicht ist, welche die relativen Positionen des Luft-Kraftstoffgemischflusses und der Zündkerzen in einer Ansicht von der Seite der Brennkammer der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach der zweiten Ausführungsform veranschaulicht;
10 ein Ablaufplan eines Steuerprogramms ist, das in der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird, um den Zündzeitpunkt der ersten und der zweiten Zündkerzen zu steuern;
11 eine Längsschnittansicht ist, die schematisch den Aufbau des Zylinderkopfs und seiner Peripherie in einer Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach einer dritten Ausführungsform zeigt, wobei die relativen Positionen der Zündkerzen gezeigt werden;
12 eine perspektivische Ansicht ist, welche die relativen Positionen der Zündkerzen in einer Ansicht von der Seite der Brennkammer in der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der dritten Ausführungsform veranschaulicht;
13 eine Ansicht ist, welche den verteilten bzw. dispergierten Zustand des Luft-Kraftstoffgemisches zeigt, das in einen herkömmlichen Hohlraum eingeführt ist, wenn die Belastung niedrig ist, die von der Brennkraftmaschine verlangt wird, und jenen, der in einem Hohlraum der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach der dritten Ausführungsform eingeführt ist, wenn die von der Brennkraftmaschine verlangte Last niedrig ist, um diese vergleichen zu können;
14 eine Ansicht ist, welche den verteilten Zustand des Luft-Kraftstoffgemisches veranschaulicht, das innerhalb des herkömmlichen Hohlraums eingeführt ist, wenn die Last hoch ist, die von der Brennkraftmaschine abverlangt wird, und jenen, der in dem Hohlraum der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach der dritten Ausführungsform eingeführt wird, wenn die von der Brennkraftmaschine abverlangte Last hoch ist, um diese vergleichen zu können;
15 eine Längsschnittansicht ist, die schematisch den Aufbau des Zylinderkopfs und seiner Peripherie in einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach einer vierten Ausführungsform zeigt, wobei die relativen Positionen der Zündkerzen gezeigt werden;
16 eine perspektivische Ansicht ist, welche die relativen Positionen der Zündkerzen von der Seite der Brennkammer in der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der vierten Ausführungsform zeigt;
17 eine Ansicht ist, welche den verteilten Zustand eines Luft-Kraftstoffgemisches veranschaulicht, wenn die von der Brennkraftmaschine abverlangte Last in der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach der vierten Ausführungsform niedrig ist;
18 eine Ansicht ist, welche den verteilten Zustand eines Luft-Kraftstoffgemisches veranschaulicht, wenn die von der Brennkraftmaschine abverlangte Last in der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach der vierten Ausführungsform hoch ist;
19 ein Ablaufplan eines Steuerprogramms ist, dass in der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der vierten Ausführungsform ausgeführt wird, um die Zündzeitpunkte der ersten und zweiten Zündkerzen zu steuern;
20 eine Ansicht ist, die schematisch ein erstes Modifikationsbeispiel der vierten Ausführungsform zeigt;
21 eine Ansicht ist, die schematisch ein zweites Modifikationsbeispiel der vierten Ausführungsform zeigt;
22 eine Ansicht ist, die schematisch ein drittes Modifikationsbeispiel der vierten Ausführungsform zeigt;
23 eine Ansicht einer Zündkerze einer Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach einer fünften Ausführungsform von oben ist;
24 eine Vorderansicht der Zündkerze der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach der fünften Ausführungsform ist;
25 eine Ansicht der Zündkerze der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach der fünften Ausführungsform von unten ist;
26 ein Schaubild ist, um einen Vergleich der Ansauggrößen, wenn die Zündkerze der Brennkraftmaschine vom Typ mit Direkteinspritzung nach der fünften Ausführungsform verwendet wird, mit dem Fall durchzuführen, wenn eine herkömmliche Zündkerze verwendet wird.
GENAUE ERLÄUTERUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
Zu Beginn wird eine Brennkraftmaschine vom Typ mit Einspritzung in den Zylinder (die nachstehend einfach als eine „direkt einspritzende Brennkraftmaschine" oder „eine Brennkraftmaschine" bezeichnet wird, wenn dies geeignet erscheint) nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben. 1 ist eine Längsschnittansicht, die schematisch den Aufbau eines Zylinderkopfs und seiner Umgebung der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der ersten Ausführungsform zeigt, in der relative Positionen eines Luft-Kraftstoffgemischflusses zu Zündkerzen gezeigt werden. 2 ist eine perspektivische Ansicht, welche die relativen Positionen des Luft-Kraftstoffgemischflusses und der Zündkerzen von der Seite einer Brennkammer gesehen veranschaulicht. 3 ist ein Blockschaubild, das schematisch einen Entwurf eines Steuersystems der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der ersten Ausführungsform zeigt. 4 ist ein Ablaufplan eines Steuerprogramms zum Steuern des Zündzeitpunkts von ersten und zweiten Zündkerzen der gleichen direkt einspritzenden Brennkraftmaschine.
Eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine 10 nach der ersten Ausführungsform umfasst einen Zylinderblock 11, einen Zylinderkopf 12 und einen Kolben 13, die zusammen eine Brennkammer 20 definieren. Ein Einlass- bzw. Ansauganschluss 121 und ein Auslass- bzw. Abgasanschluss 122 werden innerhalb des Zylinderkopfs 12 gebildet. Ein Einlassventil 123 zum Öffnen/Schließen des Einlassanschlusses 121 hin zu der Brennkammer 20 ist in dem Einlassanschluss 121 angeordnet, während ein Auslassventil 124 zum Öffnen/Schließen des Auslassanschlusses 122 hin zu der Brennkammer 20 in dem Auslassanschluss 122 angeordnet ist.
Außerdem wird ein Kraftstoffeinspritzventil 14 in einem Abschnitt des Zylinderkopfs 12 in der Nähe des Einlassanschlusses 121 so angeordnet, dass das Kraftstoffeinspritzventil 14 am Randbereich der Brennkammer 20 angeordnet ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 14 ist von einem so genannten „Hochdrucktyp" und ist dazu angepasst, Kraftstoff, der durch eine (nicht gezeigte) Hochdruckkraftstoffpumpe auf ungefähr 8 bis 13 MPa unter Druck gesetzt wurde, in die Brennkammer 20 einzuspritzen.
Weiterhin wird eine erste Zündkerze 30 in einem Abschnitt des Zylinderkopfs 12 angeordnet, die einem Zentralbereich der Brennkammer 20 gegenüberliegt, während eine zweite Zündkerze 31 in einem Abschnitt des Zylinderkopfs 12 angeordnet ist, der einem Randbereich der Brennkammer 20 gegenüberliegt und der in der Nähe des Kraftstoffeinspritzventils 14 angeordnet ist. Der Zündzeitpunkt dieser Zündkerzen 30, 31 wird durch eine Brennkraftmaschinensteuereinheit 40 (die nachstehend als „eine ECU" bezeichnet wird) gesteuert.
Ein Hohlraum 131 wird an der oberen Oberfläche des Kolbens 13 gebildet. Während der Schichtladungsverbrennung nimmt der Hohlraum 131 den Kraftstoff auf, der von dem Kraftstoffeinspritzventil 14 eingespritzt wird, und erzeugt ein Luft-Kraftstoffgemisch. Weil der Kraftstoff während der Schichtladungsverbrennung normalerweise von dem Kraftstoffeinspritzventil 14 in einer zweiten Hälfte jedes Kompressionshubs eingespritzt wird, ist es notwendig, den eingespritzten Kraftstoff durch Verteilen bzw. Dispergieren in ein Luft-Kraftstoffgemisch umzuwandeln und einen brennbaren Abschnitt des erzeugten Luft-Kraftstoffgemisches vor dem Zündzeitpunkt um die Zündkerze zu konzentrieren. Zu diesem Zweck wird der Hohlraum 131 auf der oberen Oberfläche des Kolbens 13 so gebildet, dass er als eine kleine Brennkammer wirkt, um diese Forderungen der Schichtladungsverbrennung zu erfüllen.
Noch genauer wird der Hohlraum 131 wie in 2 gezeigt auf der oberen Oberfläche des Kolbens 13 so gebildet, dass er in einer Richtung hin zum Kraftstoffeinspritzventil 14 versetzt ist und der Hohlraum 131 eine flügelartige Form aufweist, deren Breite von der Seite der ersten Zündkerze 30 zu der Seite der zweiten Zündkerze 31 hin größer wird. In 2 wird der Hohlraum 131 durch eine gepunktete Linie zur Anzeige seiner Position relativ zu der Position der Zündkerzen 30, 31 von der Seite der unteren Oberfläche des Kolbens 13 umrissen. Wie in 1 gezeigt umfasst der Hohlraum 131 einen Wandabschnitt 132, der eine gekrümmte Form aufweist. Wenn Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 14 eingespritzt wurde, bewegt sich das Luft-Kraftstoffgemisch von einem Randbereich der Brennkammer 20 hin zum mittleren Bereich derselben, während er in ein Luft-Kraftstoffgemisch umgewandelt wird. Dann wird das Luft-Kraftstoffgemisch von dem Randabschnitt 132 so geleitet, dass es entlang einer inneren Oberfläche des Zylinderkopfs 12 vom mittleren Bereich der Brennkammer 20 zurück zum Randbereich fließt.
Wenn daher Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 14 eingespritzt wurde, konzentriert sich ein Luft-Kraftstoffgemisch, das durch den eingespritzten Kraftstoff gebildet wird, zuerst um die erste Zündkerze 30 und verteilt sich hin zur zweiten Zündkerze 31. Auf diese Weise wird eine Abschnitt hoher Konzentration (d. h. ein fetter Abschnitt) des Luft-Kraftstoffgemisches um die erste Zündkerze 30 geschaffen, während ein Abschnitt niedriger Konzentration (d. h. ein magerer Abschnitt) des Luft-Kraftstoffgemisches um die zweite Zündkerze 31 erzeugt wird.
Die direkt einspritzende Brennkraftmaschine 10 wird von der in 3 gezeigten ECU 40 gesteuert, die mit verschiedenen Sensoren verbunden ist, um die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 10 mit Direkteinspritzung zu erfassen, wie einem Gaspedalpositionssensor 41, um den Betrag des Niederdrückens eines Gaspedals zu erfassen, einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 42, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu erfassen, und einem Kurbelwellenpositionssensor 23, um die Brennkraftmaschinendrehzahl zu erfassen. Außerdem ist die ECU 40 mit dem Kraftstoffeinspritzventil 14 und über einen Zünder bzw. Zündverteiler 44 mit den Zündkerzen 30, 31 verbunden.
Als Nächstes wird die Zündzeitpunktsteuerung der Brennkraftmaschine 10 mit Direkteinspritzung mit Bezug auf 4 beschrieben. 4 ist ein Ablaufplan, der ein Steuerprogramm dieser Steuerung zeigt. Das Steuerprogramm wird wiederholt in vorab bestimmten Intervallen durchgeführt. Wie in 4 gezeigt bestimmt die ECU 40 auf der Grundlage der Signale, die von den Gaspedalpositionssensor 41 und dem Kurvenwellenpositionssensor 43 eingegeben werden zuerst (Schritt S 100), ob der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 mit Direkteinspritzung in einem Gebiet der Schichtladungsverbrennung ist. Wenn es bestimmt wird, dass der Betriebszustand derzeit in dem Gebiet der Schichtladungsverbrennung ist (Schritt S 100: JA), legt die ECU 40 den Zündzeitpunkt der ersten und zweiten Zündkerzen 30, 31 auf der Grundlage der Brennkraftmaschinendrehzahl und der verlangten Last unter Verwendung einer Abbildung fest (Schritt S 110).
Noch genauer neigt ein Luft-Kraftstoffgemisch dazu, sich in dem mittleren Bereich der Brennkammer 20 zu konzentrieren, und es ist wahrscheinlich, das ein zündfähiger Abschnitt des Luft-Kraftstoffgemisches in der Nähe der ersten Zündkerze 30 geschaf fen wird, weil nur eine kleine Menge von Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt wird, wenn die von der Brennkraftmaschine 10 verlangte Last niedrig ist. In diesem Fall zündet die ECU 40 daher zuerst die erste Zündkerze 30, um den brennbaren Abschnitt des Luft-Kraftstoffgemisches zu zünden; der in dem mittleren Bereich erzeugt wird, und zündet danach die zweite Zündkerze 31. Das bedeutet, dass selbst dann, wenn die Zündung des brennbaren Bereichs des Kraftstoffgemisches durch die erste Zündkerze 30 versagt, anschließend die zweite Zündkerze 31 gezündet wird, um den zündbaren Abschnitt zu zünden, wenn er sich zum Randbereich der Brennkammer 20 hin bewegt hat. Auf diese Weise kann bei der Verbrennung von Luft-Kraftstoffgemischen während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit niedriger Last eine verbesserte Stabilität erzielt werden.
Wenn dagegen die verlangte Last hoch ist, spritzt das Kraftstoffeinspritzventil 14 eine große Kraftstoffmenge ein. Daher wird die Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches, die in dem mittleren Bereich der Brennkammer 20 konzentriert ist, zu hoch. Wenn ein solches fettes Luft-Kraftstoffgemisch hier durch die erste Zündkerze 30 gezündet wird, kann es zu einem erhöhtem Kraftstoffverbrauch führen, nämlich zu einer Verringerung der Verbrennungseffizienz. In diesem Fall zündet die ECU 40 daher zuerst die zweite Zündkerze 31, um einen Abschnitt des Luft-Kraftstoffgemischs zu zünden, der in dem Randbereich der Brennkammer 20 vorgesehen ist, der aus dem mittleren Bereich dispergiert wurde und daher eine geeignete Konzentration aufweist, und danach zündet die ECU 40 die erste Zündkerze 31, um einen Abschnitt des Luft-Kraftstoffgemisches zu zünden, der in dem mittleren Bereich der Brennkammer 20 verblieben ist. Diese Steuerung erlaubt eine Ausweitung des Bereichs der Schichtladungsverbrennung für den Betrieb der Brennkraftmaschine bei hoher Last, was schwierig zu erreichen war, sowie eine Verbesserung der Verbrennungseffizienz während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit hoher Last. In dem Fall dagegen, in dem nur eine einzelne Zündkerze verwendet wird, die in dem Abschnitt des Zylinderkopfs 12 angeordnet ist, der dem mittleren Abschnitt der Brennkammer 20 gegenüberliegt, kann es geschehen, dass zur Zeit des Zündens fast kein Luft-Kraftstoffgemisch um die Zündkerze verbleibt und die Zündung des Luft-Kraftstoffgemisches daher versagt, wenn ein Luft-Kraftstoffgemisch gezündet wird, nachdem es ausreichend verteilt wurde.
Geht man zu der Bestimmung im Schritt S 100 zurück, zündet die ECU 40 nur die erste Zündkerze 30 oder zündet gleichzeitig die ersten und zweiten Zündkerzen 30, 31 zu einem vorab bestimmten Zeitpunkt (Schritt S120), wonach das Programm endet, wenn es bestimmt wird, dass der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 mit Direkteinspritzung nicht in dem Bereich der Schichtladungsverbrennung ist (Schritt S100: NEIN). Das bedeutet, dass ein Luft-Kraftstoffgemisch bereits vor dem Zündzeitpunkt gleichmäßig innerhalb der Brennkammer 20 verteilt wurde, weil bei der homogenen Verbrennung während jedes Einlasshubs Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 14 eingespritzt wird. Während der homogenen Verbrennung können daher Luft-Kraftstoffgemische stabil gezündet und verbrannt werden, ohne die ersten und zweiten Zündkerzen 30,31 zu verschiedenen Zeitpunkten zu zünden.
Nachstehend werden weitere Effekte und Vorteile, die in der Brennkraftmaschine 10 mit Direkteinspritzung nach der ersten Ausführungsform erzielt werden, mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben. 5 ist eine Ansicht, welche den Zustand eines Luft-Kraftstoffgemisches veranschaulicht, wenn Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 14 hin zu dem Hohlraum 131 eingespritzt wurde. 6 ist eine Ansicht, die den Zustand des Luft-Kraftstoffgemisches veranschaulicht, wenn sich der Kolben 13 während eines Kompressionshubs zum oberen Totpunkt hin bewegt hat.
Während der Schichtladungsverbrennung bewegt sich der Kraftstoff durch seine Durchschlagskraft entlang des Randabschnitts 132 hin zur ersten Zündkerze 30, wodurch ein Luft-Kraftstoffgemisch in der Nähe der ersten Zündkerze 30 gebildet wird. Hier wird dieses Luft-Kraftstoffgemisch ein „Haupt-Luft-Kraftstoffgemisch" genannt. Zu dieser Zeit trifft ein Teil des Kraftstoffs gegen einen Bodenabschnitt 133 des Hohlraums 131 und bewegt sich in einer Richtung entgegen dem Fluss des Haupt-Luft-Kraftstoffgemisches hin zum Rand der Brennkammer 20, wodurch ein anderes Luft-Kraftstoffgemisch in einem Randbereich der Brennkammer 20 gebildet wird. Hier wird dieses Luft-Kraftstoffgemisch ein „sekundäres Luft-Kraftstoffgemisch" genannt. Wenn eine große Menge von Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 13 eingespritzt wird, werden die Haupt- und sekundären Luft-Kraftstoffgemische als eine Serie von Luft-Kraftstoffgemischen gebildet. Wenn eine kleine Menge von Kraftstoff eingespritzt wird, können sie jedoch voneinander getrennt gebildet werden. In den Fall, in dem nur eine einzelne Zündkerze verwendet wird und an dem Abschnitt des Zylinderkopfs 12 angeordnet ist, der dem mittleren Bereich der Brennkammer 20 gegenüberliegt, expandiert das Kraftstoffgas und verengt dadurch den Raum zwischen diesen Luft-Kraftstoffgemischen, selbst wenn das Haupt- und das sekundäre Luft-Kraftstoffgemisch wie vorstehend beschrieben voneinander getrennt gebildet werden. Zum Zündzeitpunkt kann daher die Flamme des Haupt-Luft-Kraftstoffgemisches das sekundäre Luft-Kraftstoffgemisch erreichen und zünden. Wenn sich jedoch die Menge des Kraftstoffes verringert, der von dem Kraftstoffeinspritzventil 14 eingespritzt wird, vergrößert sich der Raum zwischen dem Haupt- und dem sekundären Luft-Kraftstoffgemisch, was es immer schwieriger für die Flamme des Haupt-Luft-Kraftstoffgemisches macht, das se kundäre Luft-Kraftstoffgemisch zum Zündzeitpunkt zu erreichen. Wenn das sekundäre Luft-Kraftstoffgemisch nicht gezündet wird, wird es als unverbrannter Kraftstoff von der Brennkammer 20 ausgestoßen.
Das vorstehend aufgezeigte Problem kann gelöst werden, indem man verhindert, dass das Haupt- und das sekundäre Luft-Kraftstoffgemisch voneinander getrennt werden. In Anbetracht der Tatsache, dass diese Trennung sich aus der Durchschlagskraft des eingespritzten Kraftstoffes ergibt, kann es jedoch ziemlich schwierig oder unmöglich werden, das Haupt-Luft-Kraftstoffgemisch in einer geeigneten Weise zu bilden, wenn die Durchschlagskraft des Kraftstoffs verringert wird.
In Anbetracht dessen wird die direkteinspritzende Brennkraftmaschine 10 mit der zweiten Zündkerze 31 versehen, die in dem Abschnitt des Zylinderkopfs 12 angeordnet ist, der dem Randbereich der Brennkammer 20 wie vorstehend beschrieben gegenüberliegt. Mit der zweiten Zündkerze 31 können die Haupt- und sekundären Luft-Kraftstoffgemische jeweils durch die erste Zündkerze 30 und die zweite Zündkerze 31 gezündet werden, selbst wenn sie getrennt voneinander gebildet werden. Folglich verbessert sich die Verbrennungseffizienz und die Menge von unverbranntem Kraftstoff, der in dem Abgas enthalten ist, verringert sich.
(Zweite Ausführungsform)
Als Nächstes wird eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung nachstehend mit Bezug auf die 7 bis 10 beschrieben. 7 ist eine Längsschnittansicht, die schematisch den Aufbau des Zylinderkopfs und seiner Umgebung in der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der zweiten Ausführungsform zeigt, wobei die relativen Positionen eines Luft-Kraftstoffgemischflusses und der Zündkerzen angezeigt werden, wenn die Brennkraftmaschine mit einer niedrigen Drehzahl arbeitet. 8 ist eine Längsschnittansicht, die schematisch den Aufbau des Zylinderkopfs und seiner Peripherie bei derselben Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung zeigt, wobei die relativen Positionen des Luft-Kraftstoffgemischflusses und der Zündkerzen gezeigt werden, wenn die Brennkraftmaschine mit einer hohen Brennkraftmaschinendrehzahl arbeitet. 9 ist eine perspektivische Ansicht, welche die relative Positionen des Luft-Kraftstoffgemischflusses und der Zündkerzen von der Seite der Brennkammer zeigt. 10 ist ein Ablaufplan eines Steuerprogramms zum Steuern des Zündzeitpunkts der ersten und zweiten Zündkerzen der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der zweiten Ausführungsform.
Hier ist zu bemerken, dass eine Brennkraftmaschine 100 mit Direkteinspritzung nach der zweiten Ausführungsform mit Ausnahme der Anordnung der ersten und zweiten Zündkerzen denselben Aufbau wie jenen der Brennkraftmaschine 10 mit Direkteinspritzung der ersten Ausführungsform aufweist. Daher werden die selben Elemente wie jene, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wurden, mit den selben Bezugszeichen und Buchstaben bezeichnet, und eine Erläuterung derselben wird in der nachstehenden Beschreibung ausgelassen.
In der Brennkraftmaschine 100 mit Direkteinspritzung sind eine erste Zündkerze 33 und eine zweite Zündkerze 34 in dem Abschnitt des Zylinderkopfs 12 angeordnet, der dem mittleren Bereich der Brennkammer 20 so gegenüberliegt, dass sie in einer Linie mit dem Wandabschnitt 132 des Hohlraums 131 liegen. Die erste Zündkerze 33 ist in dem Zylinderkopf 12 so angeordnet, dass ihre Vorstehlänge, die die Länge eines Abschnitts jeder Zündkerze ist, die hin zur Innenseite der Brennkammer 20 aus dem Zylinderkopf vorsteht, beispielsweise im Wesentlichen gleich dem Wert wird, der normalerweise als die Vorstehlänge von Zündkerzen verwendet wird. Andererseits wird die zweite Zündkerze 34 in dem Zylinderkopf 12 so angeordnet, dass ihre Vorstehlänge länger als jene der ersten Zündkerze 33 ist. Die Vorstehlängen dieser Zündkerzen 33, 34 können als der Abstand der inneren Oberfläche des Zylinderkopfs 12 zu einer Erdelektrode jeder Zündkerze definiert sein. In 9 wird der Hohlraum 131 durch eine gestrichelte Linie zur Anzeige einer Position relativ zu den Positionen der Zündkerzen 33,34 von der Seite der Bodenoberfläche des Kolbens 13 gesehen skizziert.
Als Nächstes wird die Zündzeitpunktssteuerung der Brennkraftmaschine 100 in Bezug auf 10 beschrieben. 10 ist ein Ablaufplan, der ein Steuerprogramm zur Steuerung des Zündzeitpunkts zeigt. Dieses Steuerprogramm wird wiederholt in vorab bestimmten Intervallen durchgeführt. Wie in 10 gezeigt bestimmt die ECU 40 zuerst auf der Grundlage der Signale, die von dem Gaspedalpositionssensor 41 und dem Kurvenwellenpositionssensor 43 eingegeben werden (Schritt S 200), ob der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 100 derzeit im Bereich der Schichtladungsverbrennung ist. Wenn es bestimmt wird, dass der Betriebszustand derzeit in dem Bereich der Schichtladungsverbrennung ist (Schritt S 200: JA), legt die ECU 40 dann den Zündzeitpunkt der ersten und der zweiten Zündkerzen 33, 34 auf der Grundlage der Drehzahl der Brennkraftmaschine unter Verwendung einer Abbildung fest (Schritt S 210).
Noch genauer bewegt sich der Kolben 13 mit einer Geschwindigkeit, die niedriger als die Geschwindigkeit ist, mit welcher sich das Luft-Kraftstoffgemisch bewegt, das aus dem Kraftstoff gebildet wird, der von 14 eingespritzt wird, wenn die Brennkraftmaschine 100 mit einer niedrigen Brennkraftmaschinendrehzahl arbeitet. Daher ist der brennbare Abschnitt des Luft-Kraftstoffgemisches zum Zündzeitpunkt bereits in dem oberen mittleren Bereich der Brennkammer 20. In diesem Fall zündet daher die ECU 40 die erste Zündkerze 33, um den brennbaren Bereich des Luft-Kraftstoffgemisches in dem oberen mittleren Bereich der Brennkammer 20 zu zünden.
Wenn die Brennkraftmaschine 100 mit Direkteinspritzung mit einer hohen Brennkraftmaschinendrehzahl arbeitet, bewegt sich dagegen der Kolben 13 mit einer Geschwindigkeit, die höher als die Geschwindigkeit ist, mit welcher sich das Luft-Kraftstoffgemisch bewegt. Daher befindet sich der brennbare Abschnitt des Luft-Kraftstoffgemisches zum Zündzeitpunkt noch in dem Hohlraum 131. In diesem Fall zündet daher die ECU 40 die zweite Zündkerze 34, um den brennbaren Abschnitt des Luft-Kraftstoffgemisches zu zünden, der in der Nähe des Bodenabschnitts 133 des Hohlraums 131 vorgesehen ist.
Wenn die Brennkraftmaschinendrehzahl weiter steigt, kann das Verhalten des Luft-Kraftstoffgemisches innerhalb der Brennkammer 20 in einem Ausmaß irregulär werden, dass es nicht in die vorstehenden zwei Arten von Verhalten klassifiziert werden kann. In diesem Fall zündet die ECU 40 sowohl die erste als auch die zweite Zündkerze 33, 34. Auf diese Weise kann das Luft-Kraftstoffgemisch durch mindestens eine dieser Zündkerzen 33, 34 gezündet werden, selbst wenn das Luft-Kraftstoffgemisch sich innerhalb der Brennkammer 20 in einer irregulären Weise bewegt.
Wenn die Vorstehlänge der Zündkerzen kurz ist, ist es schwierig, den brennbaren Bereich des Luft-Kraftstoffgemisches zu zünden, der in der Nähe des Bodenabschnitts des Hohlraums gebildet wird, weil sich der Kolben mit einer höheren Geschwindigkeit bewegt, was zu einer Fehlzündung oder etwas Ähnlichem führen kann. Daher können Luft-Kraftstoffgemische nicht stabil verbrannt werden. Nach der Brennkraftmaschine 100 mit Direkteinspritzung nach der zweiten Ausführungsform kann jedoch eine Schichtladungsverbrennung wie vorstehend beschrieben selbst mit einer hohen Brennkraftmaschinendrehzahl durchgeführt werden, wodurch das Gebiet der Schichtladungsverbrennung vergrößert werden kann.
Geht man zurück zu der Bestimmung im Schritt S 200, zündet die ECU 40 nur die erste Zündkerze 33 (Schritt S 220) wenn es bestimmt wird, dass der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 100 nicht in dem Bereich der Schichtladungsverbrennung ist (Schritt S 200: NEIN), wonach das Programm endet. Das bedeutet, dass das Luft-Kraftstoffgemisch vor dem Zündzeitpunkt bereits gleichmäßig innerhalb der Brennkammer 20 verteilt wurde, weil bei der homogenen Ladungsverbrennung Kraftstoff während jedes Einlasshubs von dem Kraftstoffeinspritzventil 40 eingespritzt wird. Auf diese Weise können Luft-Kraftstoffgemische selbst dann stabil verbrannt werden, wenn nur die erste Zündkerze 33 gezündet wird.
Als Nächstes wird eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die 11 bis 14 beschrieben. 11 ist eine Längsschnittansicht, die schematisch den Aufbau des Zylinderkopfs und seiner Umgebung in der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der dritten Ausführungsform zeigt, in der die relativen Positionen der Zündkerzen angezeigt sind. 12 ist eine perspektivische Ansicht, welche die relativen Positionen der Zündkerzen von der Seite der Brennkammer zeigt. 13 ist eine Ansicht, welche den dispergierten Zustand eines Luft-Kraftstoffgemisches zeigt, der während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit niedriger Last in einen herkömmlichen Hohlraum eingerichtet ist, und den dispergierten Zustand, der während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit niedriger Last in einen Hohlraum in der dritten Ausführungsform eingerichtet ist, um diese zu vergleichen. 14 ist eine Ansicht, welche den dispergierten Zustand des Luft-Kraftstoffgemisches veranschaulicht, der innerhalb des herkömmlichen Hohlraums während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit hoher Last eingerichtet ist, und den dispergierten Zustand, der innerhalb des Hohlraums in der dritten Ausführungsform während des Betriebes der Brennkraftmaschine mit hoher Last eingerichtet ist, um diese zu vergleichen.
Es ist hier zu bemerken, dass eine Brennkraftmaschine 200 mit Direkteinspritzung nach der dritten Ausführungsform denselben Aufbau wie jene der Brennkraftmaschine 10 mit Direkteinspritzung der ersten Ausführungsform aufweist, mit der Ausnahme, dass die ersten und zweiten Zündkerzen anders angeordnet und die Form des Hohlraums geändert ist. Daher werden dieselben Elemente wie jene, die in der ersten Ausführungsform beschrieben werden, mit denselben Bezugszeichen und Buchstaben bezeichnet, und ihre Erläuterung wird in der nachstehenden Beschreibung ausgelassen.
In der Brennkraftmaschine 200 vom Typ mit Direkteinspritzung werden wie in 11 und 12 gezeigt eine erste Zündkerze 35 und eine zweite Zündkerze 36 in dem Abschnitt des Zylinderkopfs 12, der dem mittleren Bereich der Brennkammer 20 gegenüberliegt, so disponiert, dass sie in einer Linie mit einem Wandabschnitt 211 eines Hohlraums 210 angeordnet sind. Die ersten und zweiten Zündkerzen 35, 36 weisen eine gleiche Vorstehlänge auf. Hier ist es zu bevorzugen, dass die Zündkerzen 35 36, ausreichend voneinander beabstandet sind. In 9 wird der Hohlraum 210 durch eine gepunktete Linie skizziert, um seine Position relativ zu den Zündkerzen 35, 36 von der Seite der Bodenoberfläche des Kolbens 13 her gesehen anzuzeigen.
In 13, 14 wird ein verteilter Zustand eines Luft-Kraftstoffgemisches, das in einem herkömmlichem Hohlraum 600 eingerichtet wird, in der oberen Hälfte jeder Figur gezeigt, während der verteilte Zustand eines Luft-Kraftstoffgemisches, das mit dem Hohlraum 210 in der dritten Ausführungsform eingerichtet wird, in der unteren Hälfte gezeigt ist. In den 13, 14 werden die Hohlräume 210, 600 durch eine gestrichelte Linie zum Anzeigen ihrer Positionen relativ zu den Positionen der Zündkerzen 35, 36 skizziert, wenn diese von der Seite der Bodenoberfläche des Kolbens 13 gesehen werden. In Bezug auf die 13, 14 umfasst der Hohlraum 600 einen Randabschnitt 602, dessen Abstand zum Ende des Kraftstoffeinspritzventils 14 sich allmählich von der Seite des mittleren Bereichs der Brennkammer 20 zur Seite des Randbereichs derselben verringert. Der Hohlraum 600 wird nämlich in der Form eines Bogens gebildet, dessen Krümmungsradius sich über dem Ende des Kraftstoffeinspritzventils 14 allmählich von der Seite des mittleren Bereichs der Brennkammer 20 zu der Seite des Randbereichs derselben verringert. Daher hat der Hohlraum 600 eine „konzentrierende Form", die eine Form ist, die dazu geeignet ist, den eingespritzten Kraftstoff hin zum mittleren Bereich der Brennkammer 20 zu konzentrieren.
Andererseits umfasst der Hohlraum 210 in der dritten Ausführungsform den Randabschnitt 211, dessen Abstand zu dem Ende des Kraftstoffeinspritzventils 14 im Wesentlichen an jedem Abschnitt desselben konstant ist. Der Randabschnitt 211 wird nämlich in der Form eines Bogens geformt, dessen Krümmungsradius um das Ende des Kraftstoffeinspritzventils 14 im Wesentlichen an jedem Abschnitt desselben konstant ist. Daher weist der Hohlraum 210 eine „verteilende Form" auf, die eine Form ist, die dazu geeignet ist, den Kraftstoff, der von der Kraftstoffeinspritzung eingespritzt wird, breit zu verteilen. Genauer gesagt wird der Kraftstoff (das Luft-Kraftstoffgemisch) von dem mittleren Bereich der Brennkammer 20 hin zu ihrer Peripherie verteilt, wenn sich der Kraftstoff entlang des Wandabschnitts 211 des Hohlraums 210 bewegt. Währenddessen werden die ersten und die zweiten Zündkerzen 35, 36 zur gleichen Zeit gezündet.
Weil die Form des herkömmlichen Hohlraums 600 im Wesentlichen geeignet zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches unter Verwendung einer einzelnen Zündkerze hergestellt wird, wenn Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzung 14 eingespritzt wird, konzentriert sich das Luft-Kraftstoffgemisch aufgrund des Hohlraums 600 in dem mittleren Bereich der Brennkammer 20. Daher kann es in dem Fall, in dem eine Vielzahl von Zündkerzen mit Bezug auf einen solchen herkömmlichen Hohlraum vorgesehen sind, geschehen, dass beinahe kein Luft-Kraftstoffgemisch in der Nähe dieser Zündkerzen erzeugt wird. Insbesondere kann das Luft-Kraftstoffgemisch, das in der Nähe der Elektroden der Zündkerzen 35, 36 erzeugt wird, wie in 13 gezeigt nicht ausreichend werden, weshalb das Luft-Kraftstoffgemisch nicht stabil gezündet und verbrannt werden kann. Insbesondere kann während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit geringer Last, wenn nur eine kleine Menge von Kraftstoff eingespritzt wird, das Luft-Kraftstoffgemisch wie in 13 gezeigt ungenügend werden, wodurch das Luft-Kraftstoffgemisch nicht stabil gezündet und verbrannt werden kann. Außerdem kann wie in 14 gezeigt in Anbetracht der Tatsache, dass sich das Luft-Kraftstoffgemisch innerhalb der Brennkammer 20 irregulär bewegen kann, selbst während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit hoher Last nicht immer eine ausreichende Menge des Luft-Kraftstoffgemisches in der Nähe der Elektroden der Zündkerzen 35, 36 bereitgestellt werden.
Währenddessen weist der Hohlraum 210 in der dritten Ausführungsform wie in den 13, 14 gezeigt die verteilende Form auf, um das Luft-Kraftstoffgemisch, das aus dem Kraftstoff gebildet wird, der durch das Kraftstoffeinspritzventil 14 eingespritzt wird, von dem mittleren Bereich zu dem Randbereich der Brennkammer 20 zu verteilen. Daher kann eine ausreichende Menge von Luft-Kraftstoffgemisch in der Nähe der Elektroden der Zündkerzen 35, 36 bereitgestellt werden, die ausgerichtet zu dem Wandabschnitt 211 angeordnet sind. Mit dem Hohlraum 210 kann nämlich der brennbare Bereich innerhalb der Brennkammer 20 vergrößert werden. Nebenbei involviert der herkömmliche Hohlraum 600 wie vorstehend beschrieben das Problem, das die Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches in der Nähe der Zündkerze während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit hoher Last außergewöhnlich groß wird. Nach der dritten Ausführungsform wird dagegen die Konzentration des Luft-Kraftstoffgemisches geeignet hergestellt, weil es ausreichend über den Hohlraum 210 verteilt wird. Als ein Ergebnis wird die Verbrennungseffizienz auf einem hohen Pegel beibehalten und die Menge von unverbranntem Kraftstoff wird verringert, wodurch der Bereich der Schichtladungsverbrennung für den Betrieb der Brennkraftmaschine mit hoher Last vergrößert werden kann.
(Vierte Ausführungsform)
Als Nächstes wird eine Brennkraftmaschine 300 mit Direkteinspritzung nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die 15 bis 18 beschrieben. 15 ist eine Längsschnittansicht, die schematisch den Aufbau des Zylinderkopfs und seiner Peripherie in der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der vierten Ausführungsform zeigt, wobei die relativen Positionen der Zündkerzen angezeigt sind. 16 ist eine perspektivische Ansicht, welche die relativen Positionen der Zündkerzen von der Seite der Brennkammer gesehen veranschaulicht. 17 ist eine Ansicht, welche den verteilten bzw. dispergierten Zustand eines Luft-Kraftstoffgemisches während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit niedriger Last in der Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der vierten Ausführungsform veranschaulicht. 18 ist eine Ansicht, welche den verteilten Zustand eines Luft-Kraftstoffgemisches während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit hoher Last in derselben Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung veranschaulicht.
Hier ist zu bemerken, dass ein Brennkraftmaschine 300 mit Direkteinspritzung nach der vierten Ausführungsform mit der Ausnahme der Anordnung der ersten und zweiten Zündkerzen und der Form des Hohlraums denselben Aufbau wie jenen der Brennkraftmaschine 10 mit Direkteinspritzung nach der ersten Ausführungsform aufweist. Daher werden dieselben Elemente wie jene, die in der ersten Ausführungsform beschrieben sind, mit denselben Bezugszeichen und Buchstaben bezeichnet, und eine Erläuterung derselben wird in der nachstehenden Beschreibung ausgelassen. In den 16 bis 18 wird ein Hohlraum 210 durch eine gepunktete bzw. gestrichelte Linie skizziert, um seine Position relativ zu Zündkerzen 37,38 anzuzeigen, wie sie von der Seite des Bodenabschnitts des Kolbens 13 gesehen wird.
In der Brennkraftmaschine 300 mit Direkteinspritzung sind die erste Zündkerze 37 und die zweite Zündkerze 38 in dem Abschnitt des Zylinderkopfs 12 angeordnet, der dem mittleren Bereich der Brennkammer 20 so gegenüberliegt, dass er im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung ist, in die Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 14 eingespritzt wird, nämlich so, dass sie im Wesentlichen in einer Linie mit einem Wandabschnitt 311 des Hohlraums 310 angeordnet sind. Die ersten und die zweiten Zündkerzen 37,38 weisen eine gleiche Vorstehlänge auf. Außerdem ist es zu bevorzugen, dass die Zündkerzen 37,38 geeignet voneinander beabstandet sind.
In der vierten Ausführungsform umfasst der Hohlraum 310 den Wandabschnitt 311, um das Luft-Kraftstoffgemisch zu verteilen, das aus dem Kraftstoff gebildet wird, der von dem Kraftstoffeinspritzventil 14 von der Seite eines Randbereichs 13a zu der Seite eines Randbereichs 13b der Brennkammer 20 eingespritzt wird. Der Wandabschnitt 311 ist exzentrisch mit Bezug auf das Kraftstoffeinspritzventil 14 angeordnet. Noch genauer wird der Wandabschnitt 311 so gebildet, dass der Abstand von dem Wandabschnitt 311 zu dem Ende des Kraftstoffeinspritzventils 14 sich allmählich von der Seite des Randbereichs 13a zu der Seite des Randbereichs 13b vergrößert. In anderen Worten wird der Wandabschnitt 311 in der Form eines Bogens gebildet, dessen Krümmungsradius um das Ende des Kraftstoffeinspritzventils 14 sich allmählich von der Seite des Randbereichs 13a zu der Seite des Randbereichs 13b erhöht. Wenn der Wandabschnitt 311 so gebildet ist, stagniert das Luft-Kraftstoffgemisch zunächst in dem Randbereich 13a, der in der Nähe des Kraftstoffeinspritzventils 14 ist, wenn Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 14 eingespritzt wird. Anschließend verteilt sich das Luft-Kraftstoffgemisch, während es sich hin zum Randbereich 13b bewegt, an dem das Volumen des Raums über dem Hohlraum 310 vergleichsweise groß ist, weil das Volumen des Raums oberhalb des Hohlraums 310 von der Seite des Randbereichs 31a zu der Seite des Randbereichs 13b ansteigt. Dabei ist die erste Zündkerze 37 in der Nähe des Randbereichs 13a angeordnet, während die zweite Zündkerze 38 in der Nähe des Randbereichs 13b angeordnet ist.
In der Brennkraftmaschine 300 mit Direkteinspritzung wird der Kraftstoffeinspritzwinkel des Kraftstoffeinspritzventils 14 auf einen engen Winkel festgelegt, so dass sich ein Luft-Kraftstoffgemisch verlässlich von der Seite des Randbereichs 13a zu der Seite des Randbereichs 13b verteilen kann.
Als Nächstes wird die Zündzeitpunktssteuerung der Brennkraftmaschine 300 mit Direkteinspritzung nachstehend mit Bezug auf 19 beschrieben. 19 ist ein Ablaufplan, der ein Steuerprogramm der Zündzeitpunktssteuerung zeigt. Dieses Steuerprogramm wird wiederholt in vorab bestimmten Intervallen durchgeführt. Wie in 19 gezeigt bestimmt die ECU 40 zuerst auf der Grundlage der Signale, die von dem Gaspedalpositionssensor 41 und dem Kurvenwellenpositionssensor 43 eingegeben werden (Schritt S 300), ob der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 300 mit Direkteinspritzung derzeit in dem Gebiet der Schichtladungsverbrennung ist. Wenn es bestimmt wird, dass der Betriebszustand derzeit in dem Gebiet der Schichtladungsverbrennung ist (Schritt S 300: JA), bestimmt die ECU 40 dann auf der Grundlage der abverlangten Last unter Verwendung einer Abbildung (Schritt S 310), welche der ersten und zweiten Zündkerzen 37,38 gezündet wird.
Noch genauer neigt das Luft-Kraftstoffgemisch dazu, sich in einem Abschnitt des Hohlraums 310 zu konzentrieren, der näher bei der Seite des Randbereichs 13a liegt, weil nur eine kleine Menge von Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt wird, wenn die verlangte Last niedrig ist, wodurch ein brennbarer Bereich des Luft-Kraftstoffgemisches in der nähe der ersten Zündkerze 37 vorgesehen ist. In diese Fall zündet daher die ECU 40 die erste Zündkerze 37 in Übereinstimmung mit einer Abbildung zur Steuerung des Zündzeitpunkts, um den brennbaren Bereich des Luft-Kraftstoffgemisches zu zünden, der innerhalb des Abschnitts des Hohlraums 310 vorgesehen ist, der näher bei der Seite des Randbereichs 13a liegt (Schritt S 320). Auf diese Weise können Luft-Kraftstoffgemische selbst während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit niedriger Last stabil gezündet und verbrannt werden.
Wenn die verlangte Last hoch ist, wird dagegen eine große Kraftstoffmenge von dem Kraftstoffeinspritzventil 14 eingespritzt. Daher wird die Konzentration des Abschnitts von Luft-Kraftstoffgemischen, die in dem Abschnitt des Hohlraums 310 konzentriert ist, der näher bei der Seite des Randbereichs 13a liegt, außergewöhnlich hoch. Wenn hier das Luft-Kraftstoffgemisch durch die erste Zündkerze 37 gezündet wird, kann es zu einer Verringerung der Verbrennungseffizienz (das bedeutet einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs) und einer Erhöhung des nicht verbrannten Kraftstoffs führen. In diesem Fall zündet daher die ECU 40 die zweite Zündkerze 38 in Übereinstimmung mit einer Steuerabbildung für den Zündzeitpunkt, um einen Abschnitt des Luft-Kraftstoffgemisches zu zünden, der sich von der Seite des Randbereichs 13a zu der Seite des Randbereichs 13b verteilt hat und daher eine geeignete Konzentration aufweist. Diese Steuerung erreicht eine Vergrößerung des Bereichs der Schichtladungsverbrennung für den Betrieb der Brennkraftmaschine mit hoher Last, der schwierig zu erreichen war, sowie eine Verbesserung der Verbrennungseffizienz während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit hoher Last.
Wenn es im Rückblick auf die Bestimmung in dem Schritt S 300 bestimmt wird, dass der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 300 mit Direkteinspritzung nicht in dem Bereich der Schichtladungsverbrennung ist (Schritt S 300: NEIN), zündet die ECU 40 eine der beiden Zündkerzen 37,38 oder zündet simultan beide zu einem vorab bestimmten Zeitpunkt (Schritt S 320) wonach das Programm endet. Weil das Kraftstoffeinspritzventil während jedes Ansaughubs bei der homogenen Verbrennung Kraftstoff einspritzt, wurde nämlich vor dem Zündzeitpunkt ein Luft-Kraftstoffgemisch gleichmäßig innerhalb der Brennkammer verteilt. Auf diese Weise können Luft-Kraftstoffgemische stabil gezündet und verbrannt werden, ohne die ersten und die zweiten Zündkerzen 37,38 zu verschiedenen Zeitpunkten zu zünden.
In herkömmlichen Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung wird eine solche Steuerung der Verteilung von Luft-Kraftstoffgemischen durch Erzeugen von Wirbeln beispielsweise durch die Ventilantriebssteuerung durchgeführt. Mit der Brennkraftmaschine 300 mit Direkteinspritzung wird andererseits die Verteilung von Luft-Kraftstoffgemischen durch die Form des Hohlraums 310 und die Anordnung der Zündkerzen 37,38 wie vorstehend beschrieben gesteuert. Das bedeutet, dass es nach der vierten Ausführungsform nicht notwendig ist, das Öffnen/Schließen der Ventile zu steuern, um die Verteilung der Luft-Kraftstoffgemische zu steuern. Man bemerke außerdem, dass Luft-Kraftstoffgemische während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit hoher Last ausreichend verteilt werden können, indem der Abstand zwischen der ersten Zündkerze 37 und der zweiten Zündkerze 38 weiter vergrößert wird.
Außerdem können die Zündkerzen in der vierten Ausführungsform wie in der ersten Ausführungsform durch die ECU 40 gezündet werden. Sie können nämlich während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit niedriger Last in der Reihenfolge der ersten Zündkerze 37 vor der zweiten Zündkerze 38 und während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit hoher Last in der Reihenfolge der zweiten Zündkerze 38 vor der ersten Zündkerze 37 gezündet werden. In dieser Anordnung können Fehlzündungen während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit niedriger Last vermieden werden, wodurch eine weitere Stabilität beim Zünden und Verbrennen von Luft-Kraftstoffgemischen erzielt werden kann, während eine Verringerung der Verbrennungseffizienz während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit hoher Last verhindert wird.
Als Nächstes werden Modifikationsbeispiele der Brennkraftmaschine 300 mit Direkteinspritzung nach der dritten Ausführungsform nachstehend mit Bezug auf 20 bis 22 beschrieben. Erste, zweite und dritte Modifikationsbeispiele werden jeweils in den 20, 21 und 22 gezeigt. In jeder FIG. wird der Hohlraum 310 durch eine gestrichelte Linie skizziert, um seine Position relativ zu den Zündkerzen 37,38 von der Seite der Bodenoberfläche des Kolbens 13 her gesehen anzuzeigen.
Zu Beginn wird das erste Modifizierungsbeispiel erläutert. Mit Bezug auf 20 wird die Kraftstoffeinspritzrichtung des Kraftstoffeinspritzventils 14 hin zu der Seite des Randbereichs 13a versetzt. Diese Anordnung fördert die Bewegung oder Verteilung eines Luft-Kraftstoffgemisches von dem Randbereich 13a zu dem Randbereich 13b weiter.
Als Nächstes wird das zweite Modifikationsbeispiel mit Bezug auf 21 erläutert. In diesem Beispiel werden zusätzlich die Ventile angetrieben, um Wirbel zu erzeugen. Diese Anordnung fordert die Bewegung oder Verteilung eines Luft-Kraftstoffgemisches von dem Randbereich 13a zu dem Randbereich 13b noch weiter. Insbesondere kann sich ein Luft-Kraftstoffgemisch schnell verteilen, wenn eine große Kraftstoffmenge eingespritzt wird.
Als Nächstes wird das dritte Modifikationsbeispiel erläutert. Mit Bezug auf 22 wird der Kraftstoffeinspritzwinkel des Kraftstoffeinspritzventils 14 auf einen breiten Winkel festgelegt, und ein vorstehendes Teil 312, das die Bewegung des Luft-Kraftstoffgemisches von dem Randbereich 13a zu dem Randbereich 13b behindert, ist an dem Wandabschnitt 311 des Hohlraums 310 vorgesehen. Mit dieser Anordnung wird ein Bereich, welcher als eine Brennkammer vom Konzentrationstyp wirkt, in der sich das Luft-Kraftstoffgemisch konzentriert, in einem Abschnitt des Hohlraums 310 eingerichtet, der näher zu der Seite des Randbereichs 13a liegt, während ein anderer Bereich, der als eine Brennkammer vom Verteilungstyp wirkt, in der sich das Luft-Kraftstoffgemisch verteilt, in einem Abschnitt des Hohlraums 310 gebildet wird, der näher zu der Seite des Randbereichs 13b liegt. Daher wird die erste Zündkerze 37 gezündet, um das Luft-Kraftstoffgemisch während eines Betrieb der Brennkraftmaschine mit niedriger Last, wenn nur eine kleine Menge von Kraftstoff eingespritzt wird, in dem ersteren Bereich zu zünden, während die zweite Zündkerze 38 gezündet wird, um während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit hoher Last das Luft-Kraftstoffgemisch in dem letzteren Bereich zu zünden, wenn eine große Menge von Kraftstoff eingespritzt wird. Auf diese Weise kann der Bereich der Schichtladungsverbrennung für den Betrieb der Brennkraftmaschine mit hoher Last vergrößert werden.
(Fünfte Ausführungsform)
Als Nächstes wird eine Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In der nachstehenden Beschreibung werden Zündkerzen, die in dieser Ausführungsform verwendet werden, hauptsächlich mit Bezug auf die 23 bis 26 beschrieben. Die 23, 24 und 25 zeigen eine Zündkerze 39 der fünften Ausführungsform jeweils von oben, von vorn und von unten gesehen. 26 ist ein Schaubild, um einen Vergleich der Einlassgröße durchzuführen, wenn die Zündkerze 39 verwendet wird, und wenn eine herkömmliche Zündkerze verwendet wird.
Weil die Zündkerze 39 in den Brennkraftmaschinen 10, 100, 200 und 300 der ersten bis vierten wie vorstehend beschriebenen Ausführungsformen mit Direkteinspritzung verwendet werden kann, wird der Aufbau einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, in der die Zündkerzen 39 verwendet werden kann, in der nachstehenden Beschreibung nicht erläutert.
Wie vorstehend in den ersten bis vierten Ausführungsformen erwähnt ist die Verwendung einer Vielzahl von Zündkerzen effektiv, um den Bereich der Schichtladungsverbrennung zu erweitern und die Verbrennungsstabilität in Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung zu verbessern. Wenn jedoch eine Vielzahl von Zündkerzen verwendet wird, steht eine Vielzahl von Elektroden der Zündkerzen in die Brennkammer vor, was einen Ansaugluftfluss weiter stört. Wenn der Ansaugluftfluss gestört wird, verringert dies die Flussrate der Ansaugluft und schwächt einen Wirbelfluss (einen Fluss in der senkrechten Richtung) innerhalb der Brennkammer 20 ab, was verhindern kann, dass Kraftstoff und Luft geeignet gemischt werden und dadurch eine Verringerung der Verbrennungseffizienz und eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs verursachen kann. Der Grad einer solchen Störung eines Ansaugluftflusses kann inzwischen zwar durch Verwendung von Zündkerzen mit einer dünneren Form verringert werden. Zur Sicherstellung einer notwenigen Stärke der Isolatoren können die Zündkerzen jedoch nicht über eine bestimmte Grenze hinaus dünn hergestellt werden.
In dieser Ausführungsform weist die Zündkerze 39 daher einen Isolator 391 auf, der in einer Stromlinienform gebildet ist, und jede Zündkerze 39 ist in dem Zylinderkopf 12 so angeordnet, dass die stromlinienförmigen Oberflächen des Isolators 391 entlang der Richtung des Ansaugluftflusses orientiert sind. Die Dimension des Isolators 391 in der Hauptachsenrichtung ist nämlich im Wesentlichen gleich jener eines Isolators einer herkömmlichen Zündkerze, während die Dimension des Isolators 391 in der Richtung der kleineren Achse desselben kleiner als die desselben herkömmlichen Isolators ist. In einer solchen Form gebildet weist der Isolator 391 die notwendige Dicke auf, während der ersten Ansaugluft erlaubt wird, ungestört durchzufließen. Zur Montage jeder Zündkerze in einem Zylinderkopf wird allgemein ein Gehäuse mit einem Gewindeabschnitt in seinem Umfang an dem unteren Abschnitt der Zündkerze befestigt, und die Zündkerze wird in dem Zylinderkopf über den Abschnitt des Gehäuses mit dem Gewinde montiert. In dieser Ausführungsform kann jedoch die Zündkerze 39 nicht unter Verwendung eines solchen Gewindes in dem Zylinderkopf 12 eingebaut werden, weil der Isolator 391 mit einer Stromlinienform wie vorstehend beschrieben in die Brennkammer 20 hervorstehen muss. Daher wird ein Gewindeabschnitt 393 im oberen Abschnitt der Zündkerze 39 vorgesehen, der einen Sechskantabschnitt 392 aufweist, und die Zündkerze 39 ist in dem Zylinderkopf 12 über den Gewindeabschnitt 393 eingebaut. Durch Bilden eines entsprechenden Zündkerzeneinbaulochs in dem Zylinderkopf 12 in einer Form, die zu der Stromlinienform des unteren Abschnitts der Zündkerzen 39 passt, kann die Zündkerze 39 in dem Zylinderkopf 12 so eingebaut sein, dass die Hauptachsenrichtung der Zündkerze 39 zur Richtung des Ansaugluftflusses passt.
Als Nächstes wird ein Effekt, der unter Verwendung der Zündkerze 39 erzielt wird, anschließend mit Bezug auf 26 beschrieben. 26 ist ein Schaubild, das Beziehungen zwischen der Größe des Ventilhubs und der Ansaugmenge zeigt. In dem Schaubild gibt die durchgezogene Linie eine Beziehung zwischen der Größe des Ventilhubs und der Ansaugmenge wieder, wenn die Zündkerze 39 in der fünften Ausführungsform verwendet wird, während die gestrichelte Linie dieselbe Beziehung wiedergibt, wenn eine herkömmliche Zündkerze mit einem runden Isolator verwendet wird. Wie aus dem Schaubild deutlich wird, kann eine größere Menge von Einlassluft erhalten werden, wenn die Größe des Ventilhubs steigt, sofern die Zündkerzen 39 verwendet werden. Das bedeutet, das nach der Ausführungsform durch Verringerung des Ansaugwiderstands, der durch den vorstehenden Abschnitt der Zündkerze geschaffen wird, eine größere Menge von Einlassluft in die Brennkraftmaschine 20 eingeführt werden kann, was die Leistung der Brennkraftmaschine erhöht.
Zudem ist es in direkt einspritzenden Brennkraftmaschinen während einer Schichtladungsverbrennung notwendig, einen brennbaren Abschnitt eines Luft-Kraftstoffgemisches um eine Zündkerze zu schaffen. Aus diesem Grund muss ein Einlassluftfluss so stabilisiert werden, dass der brennbare Abschnitt des Luft-Kraftstoffgemisches verlässlich zu der Umgebung der Zündkerze geführt werden kann. Nach der Ausführungsform wird die Richtung des Einlassluftflusses innerhalb der Brennkammer 20 durch die Zündkerze 39 stabilisiert. Als ein Ergebnis kann der Wirbelfluss intensiviert werden und die Mischung von Kraftstoff und Ansaugluft kann gefördert werden, wodurch eine verbesserte Verbrennungseffizienz und Kraftstoffökonomie erreicht wird.
Während die Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen derselben beschrieben wurde, ist es zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen oder Aufbauten begrenzt ist. Im Gegenteil ist beabsichtigt, dass die Erfindung verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdeckt. Zudem liegen andere Kombinationen und Konfigurationen, die mehr, weniger oder ein einzelnes Element aufweisen, ebenfalls im Gebiet der Erfindung, wie es in den Ansprüchen beschrieben wird, obwohl die verschiedenen Elemente der bevorzugten Aus führungsformen in verschiedenen Kombinationen und Aufbauten gezeigt werden, die beispielhaft sind.
Beispielsweise kann eine größere Anzahl von Zündkerzen wie drei, vier oder fünf Zündkerzen verwendet werden, während in den ersten bis vierten Ausführungsformen zwei Zündkerzen verwendet werden. Optional kann eine Zündkerze mit einer Vielzahl von Elektroden verwendet werden. In einem solchen Fall erhält man die selben Effekte und Vorteile wie jene, die man erhält, wenn eine Vielzahl von Zündkerzen verwendet wird, sofern ein geeigneter Abstand zwischen den Elektroden vorgesehen ist.

Claims

Eine Brennkraftmaschine mit Einspritzung in den Zylinder, die einen Zylinderblock (11), einen Zylinderkopf (12), einen Kolben (13) und einen Brennkammer (20) aufweist, die durch den Zylinderblock (11), den Zylinderkopf (12) und den Kolben (13) definiert ist; wobei die Brennkraftmaschine mit Einspritzung in den Zylinder weiterhin Folgendes aufweist: eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (14) zum Einspritzen eines Kraftstoffs direkt in die Brennkammer (20), die den Kraftstoff während einer Schichtladungsverbrennung so einspritzt, dass in der Brennkammer (20) Abschnitte hoher und niedriger Konzentration eines Luft-Kraftstoff-Gemisches gebildet werden; eine Vielzahl von Zündern (30, 31), die innerhalb des Zylinderkopfs (12) jeweils zugehörig zu den Abschnitten hoher und niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemisches angeordnet sind; eine Lasterfassungseinrichtung, um eine Last zu erfassen, die von der Brennkraftmaschine (10) mit Einspritzung in den Zylinder verlangt wird; und eine Zündsteuereinrichtung (40), welche einen Zündzeitpunkt eines Zünders (30), der in der Nähe des Abschnitts hoher Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemisches angeordnet ist, im Vergleich zu einem Zündzeitpunkt eines anderen Zünders (31), der in der Nähe des Abschnitts niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemisches angeordnet ist, nach vorne verschiebt, wenn während der Schichtladungsverbrennung eine von der Lasterfassungseinrichtung erfasste Last niedrig ist, dadurch gekennzeichnet, dass: die Zündsteuereinrichtung (40) den Zündzeitpunkt des Zünders (30), der in der Nähe des Abschnitts hoher Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemisches angeordnet ist, gegenüber dem Zündzeitpunkt des anderen Zünders (31), der in der Nähe des Abschnitts des Luft-Kraftstoff-Gemisches mit niedriger Konzentration angeordnet ist, nach hinten verschiebt, wenn während der Schichtladungsverbrennung die von der Lasterfassungseinrichtung erfasste Last hoch ist.
Die Brennkraftmaschine mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Vielzahl von Zündern (30, 31) einen ersten Zünder (30) umfasst, der in einem Abschnitt des Zylinderkopfs (12) angeordnet ist, welcher zu dem Abschnitt hoher Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemisches gehört, das in der Brennkammer (20) gebildet ist, und dass ein zweiter Zünder (31) in einem Abschnitt des Zylinderkopfs (12) ange ordnet ist, welcher zu dem Abschnitt niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemisches gehört, das in der Brennkammer (20) gebildet wird; und die Zündsteuereinrichtung (40) den Zündzeitpunkt des ersten Zünders (30) gegenüber dem Zündzeitpunkt des zweiten Zünders (31) vorverlegt, wenn die von der Lasterfassungseinrichtung erfasste Last während der Schichtladungsverbrennung niedrig ist.
Die Brennkraftmaschine mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass: die Zündsteuereinrichtung (40) den Zündzeitpunkt des ersten Zünders (30) gegenüber dem Zündzeitpunkt des zweiten Zünders (31) verzögert, wenn die von der Lasterfassungseinrichtung erfasste Last während der Schichtladungsverbrennung hoch ist.
Die Brennkraftmaschine mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass: die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (14) in einem Randbereich der Brennkammer (20) angeordnet ist und so angepasst ist, dass sie einen Kraftstoff von dem Randbereich der Brennkammer (20) hin zu einem mittleren Bereich der Brennkammer (20) so einspritzt, dass unmittelbar nach der Einspritzung des Kraftstoffs der Abschnitt hoher Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemischs in dem mittleren Bereich der Brennkammer (20) gebildet wird und der Abschnitt niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Randbereich der Brennkammer (20) gebildet wird; der erste Zünder (30) in einem Abschnitt des Zylinderkopfs (12) angeordnet ist, welcher dem mittleren Bereich der Brennkammer (20) entspricht; und der zweite Zünder (31) in einem Abschnitt des Zylinderkopfs (12) angeordnet ist, welcher dem Randbereich der Brennkammer (20) entspricht.
Die Brennkraftmaschine vom Typ mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass: die Brennkammer (20) eine Form aufweist, die geeignet ist, das Luft-Kraftstoffgemisch, das aus dem Kraftstoff gebildet wird, der von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (14) eingespritzt wird, zu leiten und so von dem mittleren Bereich zu dem Randbereich der Brennkammer (20) zu bewegen, dass er von dem mittleren Bereich entlang des Zylinderkopfs (12) zu dem Randbereich der Brennkammer (20) strömt, und die ersten und zweiten Zünder (30, 31) innerhalb des Zylinderkopfs (12) so angeordnet sind, dass sie in der Richtung des strömenden Luft-Kraftstoff-Gemisches angeordnet sind.
Die Brennkraftmaschine vom Typ mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass: der Kolben (13) einen Hohlraum (131) aufweist, der an einer oberen Oberfläche des Kolbens (13) gebildet wird, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das aus dem von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (14) eingespritzten Kraftstoff gebildet wird, zu leiten und von dem Randbereich zu dem mittleren Bereich der Brennkammer (20) zu bewegen, so dass es entlang des Zylinderkopfs (12) von dem Randbereich zu dem mittleren Bereich der Brennkammer (20) strömt; wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (14) am Rand der Brennkammer (20) angeordnet ist und so angepasst ist, dass sie einen Kraftstoff hin zu dem Hohlraum (131) des Kolbens (13) einspritzt; wobei der erste Zünder (30) in einem Abschnitt des Zylinderkopfs (12) angeordnet ist, welcher dem Hohlraum (131) des Kolbens (13) gegenüber liegt; und wobei der zweite Zünder (31) in einem Abschnitt des Zylinderkopfs (12) angeordnet ist, der in der Nähe der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (14) liegt.
Ein Verfahren zur Steuerung der Zündung einer Brennkraftmaschine (10) mit Einspritzung in den Zylinder, die Folgendes aufweist: eine Brennkammer (20), die durch einen Zylinderblock (11), einen Zylinderkopf (12) und einen Kolben (13) definiert ist; eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (14) zum Einspritzen eines Kraftstoffs direkt in die Brennkammer (20), welche den Kraftstoff während einer Schichtladungsverbrennung so einspritzt, dass Abschnitte hoher und niedriger Konzentration eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Brennkammer (20) gebildet werden; eine Vielzahl von Zündern (30, 31), die innerhalb des Zylinderkopfs (12) jeweils zugehörig zu den Abschnitten hoher und niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemisches angeordnet sind; und eine Lasterfassungseinrichtung, um eine Last zu erfassen, die von der Brennkraftmaschine (10) vom Typ mit Einspritzung in den Zylinder verlangt wird, wobei das Zündsteuerverfahren folgende Schritte aufweist: Bestimmen, ob eine Schichtladungsverbrennung durchgeführt wird; Erfassen einer Last, die von der Brennkraftmaschine (10) mit Einspritzung in den Zylinder verlangt wird, wenn bestimmt wird, dass Schichtladungsverbrennung durchgeführt wird; und Vorverlagerung eines Zündzeitpunkts eines Zünders (30), der in einem Abschnitt des Zylinderkopfs (12) angeordnet ist, welcher dem Abschnitt hoher Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemisches zugeordnet ist, gegenüber dem Zündzeitpunkt eines ande ren Zünders (31), der in einem Abschnitt des Zylinderkopfs (12) angeordnet ist, welcher dem Abschnitt niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemisches zugeordnet ist, wenn die Last, die von der Lasterfassungseinrichtung erfasst wird, während der Schichtladungsverbrennung niedrig ist, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin folgenden Schritt aufweist: Verzögern des Zündzeitpunkts des Zünders (30), der zugehörig zu dem Abschnitt hoher Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemisches angeordnet ist, im Vergleich zu dem Zündzeitpunkt des anderen Zünders (31), der zugehörig zu dem Abschnitt niedriger Konzentration des Luft-Kraftstoff-Gemisches angeordnet ist, wenn die Last, die von der Lasterfassungseinrichtung erfasst wird, während der Schichtladungsverbrennung hoch ist.