DE69615130T2 - Brennkraftmaschine des direkteinspritzung - Google Patents

Brennkraftmaschine des direkteinspritzung

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Description

    Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder, bei dem Kraftstoff direkt in einen Verbrennungsraum eingespritzt wird, und insbesondere eine Verbrennungsraumkonstruktion eines Verbrennungsmotors, wobei die Konstruktion ausgelegt, ist, um ein Luft-Kraftstoff- Gemisch, das als Ganzes mager ist, in einem stabilen Zustand zu verbrennen, und ferner, um eine Leistungsabgabe zu verbessern, wenn ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das fetter als das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch ist (z. B. entsprechend einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis), verbrannt wird.
    • Stand der Technik
  • Wie wohlbekannt ist, führt unter Verbrennungsmotoren ein Benzinmotor von einem Einspritzer Kraftstoff in eine Einlassbohrung in einer Menge zu, die einer Ansaugluftmenge entspricht, die man während eines Ansaughubs in einen Zylinder einströmen lässt, wodurch in einem Verbrennungsraum ein Luft- Kraftstoff-Gemisch gebildet wird.
  • Das so dem Verbrennungsraum zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch wird durch eine Zündkerze in einem späteren Stadium eines Kompressionshubs gezündet und wird folglich zur Verbrennung gebracht, so dass Verbrennungsenergie erzeugt wird. Mittels eines Kolbens, einer Verbindungsstange und einer Kurbelwelle wird diese Energie in Drehenergie umgewandelt, um eine Leistungsabgabe zu erhalten.
  • Unter den Verbrennungsmotoren spritzt ein Dieselmotor, der in erster Linie Kerosin oder dergleichen als Kraftstoff verwendet, direkt Kraftstoff durch ein dem Verbrennungsraum zugewandt angeordnetes Einspritzventil in einer einem Hub eines Beschleunigungspedals entsprechenden Menge in hochkomprimierte Luft in einem Verbrennungsmotor ein, so dass der resultierende zerstäubte Kraftstoff durch Selbstentzündung im Verbrennungsraum zur Verbrennung gebracht wird, um Verbrennungsenergie zu erzeugen. Wie beim Benzinmotor wird diese Verbrennungsenergie in Drehenergie umgewandelt, um eine Leistungsabgabe zu erhalten.
  • Bei solchen wie vorstehend beschriebenen Benzinmotoren sind Benzinmotoren von dem Typ vorgeschlagen worden, dass ein Ansaugluftstrom, den man in den Verbrennungsraum hat einströmen lassen, in einen geschichteten vertikalen Wirbel von Kraftstoff und Luft gebildet wird und eine Magerverbrennung mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch durchgeführt wird, das als Ganzes magerer als ein stöchiometrisches Luft- Kraftstoff-Verhältnis ist, so dass der spezifische Kraftstoffverbrauch des Motors verbessert wird und das Auftreten von Abgasen, wie z. B. NOx, HC und CO, reduziert werden kann.
  • Um eine Taumelströmung als eine von solchen vertikalen Wirbeln zu bilden, kann man z. B. auf die japanische Patentanmeldungs- Offenlegungsschrift (Kokai) No. HEI 5-240045 Bezug nehmen.
  • Gemäß der in der vorstehenden Veröffentlichung offenbarten Technik wird eine Konstruktion vorgeschlagen, um einen Ansaugluftstrom auf eine solche Weise zu entwickeln, dass ein Ansaugluftstrom durch eine Einlassbohrung eines Zylinderkopfs eines Motors in Richtung so parallel wie möglich zu einer unteren Wand des Zylinderkopfs zugeführt wird, entlang einem Innenwandteil eines Zylinders eines Verbrennungsraums auf einer Seite eines Auslassventils nach unten zugeführt wird, durch einen vertieften Teil, der in einer oberen Wand eines im Zylinder gleitenden Kolbens ausgebildet ist, zur Richtungsumkehr veranlasst wird und man ihn dann von der oberen Wand des Kolbens entlang der Innenwand des Zylinders auf der Seite eines Einlassventils nach oben strömen lässt (diese Strömung wird im Folgenden als "normale Taumelströmung" bezeichnet).
  • Übrigens gibt es im Gegensatz zur normalen Taumelströmung eine Strömung, die als "Umkehrtaumelströmung" bezeichnet wird. D. h. ein Ansaugluftstrom von der Einlassbohrung wird entlang der Innenwand des Zylinders auf der Seite des Einlassventils nach unten zugeführt, wird durch den in der oberen Wand des Kolbens ausgebildeten vertieften Teil zur Richtungsumkehr veranlasst, und man lässt ihn dann von der oberen Wand des Kolbens entlang der Innenwand des Zylinders auf der Seite des Auslassventils nach oben strömen.
  • Bei solchen wie vorstehend beschriebenen Benzinmotoren sind auch Verbrennungsmotoren mit Einspritzung in den Zylinder von dem Typ vorgeschlagen worden, dass Kraftstoff direkt in einen Verbrennungsraum eingeführt wird, um den spezifischen Kraftstoffverbrauch durch Magerverbrennung zu verbessern.
  • Um die normale Taumelströmung unter Verwendung einer solchen Konstruktion zu erzeugen, wie in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift (Kokai) No. HEI 5-240045 offenbart, ist es jedoch notwendig, die Einlassbohrung in einer Richtung so parallel wie möglich zur unteren Wand des Zylinderkopfs anzuordnen. In einem Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder kann jedoch kein ausreichender Raum für die Anordnung eines Einspritzers erhalten werden.
  • Als Konstruktion eines Ansaugluftführungskanals, die vermutlich eine Anordnung eines Einspritzers ermöglicht, während es andererseits ermöglicht wird, die vorstehend erwähnte Umkehrtaumelströmung zu erzeugen, gibt es z. B. die Technik, die in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift (Kokai) No. HEI 4-166612 offenbart ist.
  • Gemäß der in dieser Veröffentlichung offenbarten Technik ist, wie in Fig. 14 veranschaulicht, ein Paar Einlassventile 6 in einer Seite von Innenwandteilen des Zylinderkopfs angeordnet, ein Paar Auslassventile 7 ist in der anderen Seite eines Innenwandteils des Zylinderkopfs angeordnet, und eine Einlassbohrung ist auch gebildet, wobei sich ein Ende durch eine Seitenwand eines Zylinders öffnet und ein entgegengesetztes Ende mit einer Einlassöffnung in etwas vertikaler Richtung verbunden ist.
  • Die Konstruktion gemäß der in der Veröffentlichung offenbarten Technik, dass sich die Einlassbohrung, die sich von der Einlassöffnung erstreckt, durch die Seitenwand des Zylinders öffnet, kann keinerlei ausreichenden Raum für die Anordnung eines Einspritzers bereitstellen, wenn die Kühlungsleistungsfähigkeit für einen Einspritzerhauptkörper 14 und diejenige für durch den Einspritzer zuzuführenden Kraftstoff berücksichtigt werden.
  • Gemäß der in der Veröffentlichung offenbarten Technik ist eine Vertiefung 15, die sich von einer Stelle unter einer Zündkerze 10 bis zu einer anderen Stelle unter einem freien Endteil des Kraftstoffeinspritzventils 14 erstreckt, in der oberen Wand des Kolbens 2 ausgebildet, wie in Fig. 14 und Fig. 15 dargestellt.
  • Diese Vertiefung 15 ist in Form einer im Wesentlichen sphärischen Oberfläche ausgebildet, die in Bezug zu einer vertikalen Ebene symmetrisch ist, in der die Zündkerze 10 und das Kraftstoffeinspritzventil 14 für die Vertiefung 15 enthalten sind. In einer Innenwand der Vertiefung 15 unter der Zündkerze 10 ist eine Kraftstoffführungsnut 16 ausgebildet, die sich in Form eines Bogens von einem Bodenteil der Vertiefung 15 in Richtung auf die Zündkerze 10 erstreckt.
  • Als Folge wird es ermöglicht, dass vom Kraftstoffeinspritzventil 14 eingespritzter Kraftstoff auf den Bodenteil der Vertiefung 15 auftrifft, und er wird dann vom Bodenteil der Vertiefung 15 durch die Kraftstoffführungsnut 16 zur und um die Zündkerze 10 geführt. Dies ermöglicht es, ein fettes Luft- Kraftstoff-Gemisch um die Zündkerze 10 zu bilden, was zu einer Verbesserung der Zündbarkeit führt.
  • Als weiterer Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder ist auch ein solcher Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder vorgeschlagen worden, dass, wie in Fig. 16 und Fig. 17 wiedergegeben, eine obere Wand b eines Kolbens a mit einem vertieften Teil c z. B. in Form eines sphärischen Segments versehen ist, um eine Schichttaumelströmung eines fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs und eines supermageren Luft-Kraftstoff-Gemischs zu verbrennen, so dass eine Magerverbrennung mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis durchgeführt werden kann, das als Ganzes mager ist.
  • Um eine ausreichende Zündbarkeit während einer Magerverbrennung zu gewährleisten, ist es auch bekannt gewesen, z. B. die Vertiefung 15 und die Kraftstoffführungsnut 16 zur Führung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs zur und um die Zündkerze zu bilden, wie in Fig. 14 und Fig. 15 dargestellt, oder den vertieften Teil c in Form des sphärischen Segments zur Bildung einer Taumelströmung eines fetten Luft-Kraftstoff- Gemischs in der Nähe der Zündkerze zu bilden, wie in Fig. 16 und Fig. 17 veranschaulicht.
  • Die Bildung der Vertiefung 15 und Kraftstoffführungsnut 16 oder des vertieften Teils c in der oberen Wand des Kolbens, wie in Fig. 14 und Fig. 15 oder in Fig. 16 und Fig. 17 dargestellt, führt jedoch zur Bildung einer Kante entlang dem Umfangsrand der Öffnung.
  • Wie z. B. in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift (Kokai) No. HEI 6-146886 offenbart, ist übrigens eine Technik bekannt gewesen, dass z. B. in einem Bereich kleiner Last und niedrigtouriger Drehung Kraftstoff in einem späteren Stadium eines Kompressionshubs eingespritzt wird, um ein Luft- Kraftstoff-Gemisch um eine Zündkerze konzentriert vorliegen zu haben, aber in einem Bereich großer Last und hochtouriger Drehung Kraftstoff von einem Vorstadium eines Ansaughubs eingespritzt wird, um ein gleichförmiges Luft-Kraftstoff- Gemisch in einem Verbrennungsraum zu bilden.
  • Durch Forschung von den Erfindern der vorliegenden Erfindung wurde jedoch gefunden, dass die in der oberen Wand des Kolbens erforderliche Vertiefung die folgenden Probleme beim Bilden einer Schichttaumelströmung und Gewährleisten einer ausreichenden Zündbarkeit während einer Magerverbrennung durch Einspritzen von Kraftstoff nahe der Zündkerze in einem späteren Stadium eines Kompressionshubs mit sich bringt, um eine Taumelströmung eines fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs um die Zündkerze und eine Taumelströmung eines supermageren Luft- Kraftstoff-Gemischs in einem von der Zündkerze entfernten Bereich zu bilden.
  • Dies wird unter Verwendung von Fig. 16 und Fig. 17 erläutert, auf die im Vorstehenden Bezug genommen worden ist. Um eine ausreichende Zündbarkeit während einer Magerverbrennung unter Benutzung von Schichttaumelströmungen zu gewährleisten, muss man den vertieften Teil c in der oberen Wand des Kolbens und auch eine solche scharfe Kante d bilden, wie durch einen durchgezogenen Kreis entlang dem Umfangsrand der Öffnung angezeigt, wo eine Innenwand des vertieften Teils c in Form des Umfangssegments und die obere Wand des Kolbens einander treffen.
  • Wenn im Bereich kleiner Last und niedrigtouriger Drehung Kraftstoff in einem späteren Stadium eines Kompressionshubs eingespritzt wird, kann diese Kante d eine Ablösung der Umkehrtaumelströmung vom vertieften Teil c bei ihrem Abgang von der Innenwand des vertieften Teils c im Verbrennungsraum erleichtern, so dass die Umkehrtaumelströmung so unversehrt wie möglich gehalten wird und durch die Schichttaumelströmungen eine Schichtverbrennung stabilisiert werden kann.
  • In einem Bereich großer Last oder einem Bereich hochtouriger Drehung wird andererseits Kraftstoff von einem Ansaughub bis zu einem Vorstadium eines Kompressionshubs eingespritzt, so dass ein Luft-Kraftstoff-Gemisch (z. B. entsprechend einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis), das fetter als dasjenige ist, das während einer Magerverbrennung verwendet wird, gleichförmig im Verbrennungsraum gebildet wird, um eine große Leistungsabgabe zu erzeugen.
  • In diesem Fall ist die obere Wand des Kolbes wegen des Vorhandenseins des vertieften Teils c mit einem größeren Flächeninhalt versehen. Weiter hat man auch gefunden, dass die Kante d des Umfangsrandes der Öffnung über den ganzen Umfang sehr heiß wird, was zu einem großen Wärmeverlust und folglich zu einem Ausgangsleistungsverlust führt.
  • Man kann folglich erwägen, die Kante d entlang dem ganzen Umfang des vertieften Teils c abzuschneiden, die Kante, die besonders heiß wird, so dass z. B. ein gerundetes Teilstück f auf und entlang dem ganzen Umfang der Kante d gebildet wird, wie durch einen Zweipunkt-Strich-Kreis um den vertieften Teil c in Fig. 16 und Fig. 17 dargestellt, um einen Wärmeverlust an der oberen Wand des Kolbens selbst dann zu vermeiden, wenn ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das fetter ist, als dasjenige, das während einer Magerverbrennung verwendet wird, zur Verbrennung gebracht wird.
  • Als Folge wird die Höhe des gerundeten Teilstücks f tiefer als die Kante d, wie in Fig. 16 dargestellt, so dass der Flächeninhalt des Kolbens gleichzeitig reduziert ist. Der vorstehend beschriebene Wärmeverlust kann deshalb reduziert werden, und die Leistungsabgabe des Motors kann verbessert werden. Man hat jedoch gefunden, dass bei einer Schichtverbrennung im Bereich kleiner Last und niedertouriger Drehung ermöglicht wird, dass die Umkehrtaumelströmung, d. h. das komprimierte Fluid im vertieften Teil c, aus dem vertieften Teil c wegen der Bildung des gerundeten Teilstücks f auf und entlang dem ganzen Umfangsrand des vertieften Teils c herausleckt, wodurch die Aufrechterhaltung der Umkehrtaumelströmung gehemmt wird und sich die Magerverbrennung nicht stabilisieren kann.
  • In Anbetracht der vorstehenden Probleme weist die vorliegende Erfindung als Ziel die Bereitstellung eines Verbrennungsmotors mit Einspritzung in den Zylinder von hohem Wirkungsgrad auf, dass ein vertiefter Teil in einer oberen Wand eines Kolbens ausgebildet ist, um einen in einen Verbrennungsraum des Motors zugeführten Ansaugluftstrom von einer unteren Wand eines Zylinderkopfs in Richtung auf die obere Wand des Kolbens und dann von der oberen Wand des Kolbens zurück in Richtung auf die untere Wand des Zylinderkopfs zu lenken, d. h. um eine Bildung eines vertikalen Wirbels zu fördern, und dass der vertiefte Teil stumpfer an seinem Eckteil auf einer Einlassseite des vertikalen Wirbels ausgebildet ist als an seinem Eckteil auf einer Auslassseite des vertikalen Wirbels, um einen starken vertikalen Wirbel im Verbrennungsraum zu bilden, und der Motor folglich selbst während einer Magerverbrennung von Schichttaumelströmungen stabil betrieben werden kann, die jeweils aus einem fetten Luft-Kraftstoff- Gemisch und einem supermageren Luft-Kraftstoff-Gemisch bestehen, um eine Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs zu erzielen, und der Wärmeverlust auch reduziert ist, um eine Erhöhung der Leistungsabgabe zu erzielen, selbst wenn ein Luft-Kraftstoff-Gemisch (z. B. entsprechend einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis) zur Verbrennung gebracht wird, das fetter ist, als dasjenige, das während einer Magerverbrennung verwendet wird.
  • Das Schriftstück JP 05-179957 offenbart einen Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder, der versehen ist mit: einem Verbrennungsraum (16), der durch eine untere Zylinderkopfwand und eine obere Wand eines - passgenau in einen Zylinder (1) eingesetzten Kolbens (2) gebildet ist, einem Einlassventil (6), das in der unteren Zylinderkopfwand des Verbrennungsraums angeordnet ist, einem Auslassventil (7), das in der unteren Zylinderkopfwand des Verbrennungsraums angeordnet ist, einer Einlassbohrung, die an ihrem unteren Ende durch das Einlassventil (6) mit dem Verbrennungsraum in Verbindung steht, so dass in dem Verbrennungsraum (16) ein longitudinaler Ansaugluftwirbel gebildet wird, einer Auslassbohrung, die an ihrem unteren Ende durch das Auslassventil (7) mit dem Verbrennungsraum in Verbindung steht, so dass Verbrennungsgas in dem Verbrennungsraum abgeführt wird, einer Zündkerze (10), die auf der unteren Zylinderkopfwand des Verbrennungsraums angeordnet ist, und einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (14) zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum, wobei der Kolben (2) einen vertieften Teil (15) aufweist, der in der oberen Wand des Kolbens (2) angeordnet ist, um die Bildung des longitudinalen Wirbels mit durch das Einlassventil (6) in den Verbrennungsraum zugeführter Ansaugluft zu fördern, und ein Umfangsrand des vertieften Teils (siehe den rechten Teil des Kolbens in den Fig. 7 und 9) stumpfer an einem Eckteil auf einer Einlassseite des vertikalen Wirbels ausgebildet ist als auf einem anderen Eckteil auf einer Auslassseite des vertikalen Wirbels.
  • Die JP 04-224231 offenbart einen Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gekennzeichnet.
  • Wegen dieser Konstruktion fließt in einem Ansaughub des Verbrennungsmotors von jeder Einlassbohrung durch ihre Einlassöffnung ein Ansaugluftstrom in den Verbrennungsraum.
  • Dann wird mit einer geeigneten Zeitsteuerung Kraftstoff durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit ihrer Einspritzdüse eingespritzt, die dem Verbrennungsraum zugewandt angeordnet ist, und wird mit entsprechend der Zeitsteuerung der Einspritzung angesaugter Luft gemischt, wodurch ein geschichtetes Luft-Kraftstoff-Gemisch oder ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch gebildet wird.
  • Der vertikale Wirbel, den man von einem oberen Teil des Verbrennungsraums in Richtung auf seinen unteren Teil hat einströmen lassen, rückt auf einer Innenwand des vertieften Teils von der Einlassseite des Umfangsrandes der Vertiefung vor, strömt entlang einer gewölbten Oberfläche auf der Innenwand des vertieften Teils, wird wirkungsvoll durch den auslassseitigen Eckteil des Umfangsrandes des vertieften Teils abgelöst und wird in einen in Richtung auf einen oberen Teil des Verbrennungsraums gelenkten vertikalen Wirbel umgewandelt. Es ist deshalb möglich, einen Verbrennungsmotor mit hohem Wirkungsgrad zu erhalten, der das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu einer Schichtverbrennung in einem stabilisierten Zustand bringt, um eine Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs zu erzielen, selbst wenn er mit einem Luft- Kräft stoff-Gemisch betrieben wird, das fetter ist als dasjenige, das während einer Magerverbrennung verwendet wird, den Wärmeverlust auf der oberen Wand des Kolbens reduzieren kann und eine Verbesserung der Leistungsabgabe erzielen kann.
  • Der Eckteil auf der Einlassseite des vertikalen Wirbels kann durch das schräge Teilstück so ausgebildet sein, dass ein Flächeninhalt der oberen Wand des Kolbens reduziert ist.
  • Der Umfangsrand des vertieften Teils kann an der Einlassseite des vertikalen Wirbels als ein solches schräges Teilstück ausgebildet sein, dass der durch die obere Wand des Kolbens und eine Innenwand des vertieften Teils ausgebildete Eckteil von der oberen Wand des Kolbens in Richtung auf den vertieften Teil geneigt sein kann.
  • Weiter kann das schräge Teilstück in einer Form ausgebildet sein, die von einer Seite der oberen Wand des Kolbens in Richtung auf eine Seite der Innenwand des vertieften Teils sanft gerundet ist.
  • Als Alternative kann das schräge Teilstück als eine schräge Oberfläche ausgebildet sein, die von einer Seite der oberen Wand des Kolbens in Richtung auf eine Seite der Innenwand des vertieften Teils linear geneigt ist.
  • Wegen dieser Konstruktionen wird während kleiner Last und niedertouriger Drehung der vertikale Wirbel wirkungsvoll durch den auslassseitigen Eckteil des vertieften Teils abgelöst, um durch Schichtverbrennung eine Magerverbrennung zu ermöglichen, und während eines Betriebs unter großer Last oder hochtouriger Drehung ist ein Wärmeverlust reduziert, um eine Verbesserung der Leistungsabgabe durch ein schräges Teilstück zu erzielen, wie z. B. die sanft gerundete oder linear schräge Oberfläche auf der Auslassseite des vertieften Teils.
  • Weiter kann das schräge Teilstück so ausgebildet sein, dass sich der einlassseitige Umfangsrand des vertieften Teils, an seinen entgegengesetzten Endteilen in Richtung einer Achse einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, in Richtung auf die Auslassseite des vertikalen Wirbels erstrecken kann.
  • In dieser Konstruktion sind die entgegengesetzten Endteile des schrägen Teilstücks so ausgebildet, dass sie sich in Richtung auf die Auslassseite des vertikalen Wirbels erstrecken. Demgemäß kann der Flächeninhalt so viel wie möglich reduziert werden, so dass in einem Bereich großer Last oder Bereich hochtouriger Drehung ein Wärmeverlust reduziert ist, um eine Verbesserung der Leistungsabgabe zu erzielen. Gleichzeitig kann in einem Bereich kleiner Last und niedertouriger Drehung das Luft-Kraftstoff-Gemisch wirkungsvoll durch den auslassseitigen Eckteil des Umfangsrandes des vertieften Teils abgelöst werden, um zu ermöglichen, dass das Luft-Kraftstoff- Gemisch eine Schichtverbrennung erfährt, wodurch eine Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs erzielt wird.
  • Das schräge Teilstück kann so ausgebildet sein, dass die Größe des schrägen Teilstücks allmählich von einem einlassseitigen Mittelteil des Umfangsrandes des vertieften Teils in Richtung auf die entgegengesetzten Endteile verringert wird.
  • In dieser Konstruktion sind die Teile mit allmählich reduzierter Größe so ausgebildet, dass die Größe des schrägen Teilstücks von der Einlassseite des vertikalen Wirbels in Richtung auf die Auslassseite des vertikalen Wirbels allmählich kleiner wird. Es ist deshalb möglich, einen Hitzestellenbereich, der am Eckteil des Umfangsrandes des vertieften Teils auftreten kann, wesentlich zu reduzieren. Ein Wärmeverlust kann reduziert werden, um eine Verbesserung der Leistungsabgabe zu erzielen.
  • Weiter kann der Umfangsrand des vertieften Teils auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels so ausgebildet sein, dass der durch die obere Wand des Kolbens und eine Innenwand des vertieften Teils gebildete Eckteil in Form eines Kantenteils vorliegen kann.
  • In dieser Konstruktion ist der vertiefte Teil auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels in Form des Kantenteils ausgebildet. Eine Ablösewirkung kann deshalb für den vertikalen Wirbel gewährleistet werden, wodurch es ermöglicht wird, durch Schichtverbrennung eine stabile Magerverbrennung zu erhalten.
  • Der auslassseitige Eckteil des vertieften Teils kann als winkelförmiger Kantenteil ausgebildet sein.
  • In dieser Konstruktion ist der vertiefte Teil auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels in Form des winkelförmigen Kantenteils ausgebildet. Eine Ablösewirkung kann deshalb für den vertikalen Wirbel gewährleistet werden, wodurch es ermöglicht wird, durch Schichtverbrennung eine stabile Magerverbrennung zu erhalten.
  • Außerdem kann der Umfangsrand des vertieften Teils auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels im Wesentlichen parallel zu einer gedachten Ebene ausgebildet sein, in der eine Achse einer Kurbelwelle und eine Achse des Zylinders des Verbrennungsmotors enthalten sind.
  • In dieser Konstruktion ist der vertiefte Teil auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels im Wesentlichen parallel zu der gedachten Ebene und in Form des Kantenteils ausgebildet. Eine Ablösewirkung kann deshalb für den vertikalen Wirbel gewährleistet werden, und es wird verhindert, dass der vertikale Wirbel in Richtung auf eine Abgasseite leckt, wodurch es ermöglicht wird, durch Schichtverbrennung eine stabile Magerverbrennung zu erhalten.
  • Außerdem kann das Einlaßventil auf einer Seite des Verbrennungsraums angeordnet sein, und der vertiefte Teil kann versetzt von einer Mitte der oberen Wand des Kolbens in Richtung auf die eine Seite angeordnet sein, so dass der vertiefte Teil zumindest dem Einlassventil zugewandt angeordnet sein kann.
  • Wegen dieser Konstruktion wird es ermöglicht, dass der vertikale Wirbel, den man von einem oberen Teil des Verbrennungsraums in Richtung auf seinen unteren Teil hat einströmen lassen, leicht von der oberen Wand des Kolbens und der Einlassseite des vertieften Teils einströmt, an einer gewölbten Oberfläche auf der Innenwand des vertieften Teils entlangströmt, seine Richtung umkehrt und wirkungsvoll durch den Eckteil auf der Auslassseite des Umfangsrandes des vertieften Teils in einen vertikalen Wirbel abgelöst wird, dessen Richtung in Richtung auf einen oberen Teil des Verbrennungsraums geändert worden ist. Es ist deshalb möglich, zu ermöglichen, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch eine Schichtverbrennung in einem stabilen Zustand erfährt, wodurch eine Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs erzielt wird.
  • Der vertiefte Teil kann so ausgebildet sein, dass eine in Strömungsrichtung des vertikale Wirbels aufgenommene Querschnittsform in Form eines Kreisbogens vorliegen kann.
  • Wegen der vorstehenden Konstruktion kann der vertikale Wirbel, den man von einem oberen Teil des Verbrennungsraums in Richtung auf seinen unteren Teil hat einströmen lassen, entlang einer inneren Umfangsoberfläche des vertieften Teils in Form des Kreisbogens eine ruhige Richtungsumkehr erfahren. Durch den auslassseitigen Eckteil des Umfangsrandes des vertieften Teils kann der vertikale Wirbel deshalb wirkungsvoll in einen vertikalen Wirbel abgelöst werden, dessen Richtung in Richtung auf einen oberen Teil des Verbrennungsraums geändert worden ist, wodurch das Luft- Kraftstoff-Gemisch eine Schichtverbrennung in einem stabilen Zustand erfahren kann, um eine Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs zu erzielen.
  • Als Alternative kann der vertiefte Teil in Form einer sphärischen Oberfläche ausgebildet sein.
  • Wegen der vorstehenden Konstruktion kann der vertikale Wirbel, den man von einem oberen Teil des Verbrennungsraums in Richtung auf seinen unteren Teil hat einströmen lassen, entlang einer inneren Umfangsoberfläche des vertieften Teils in Form der sphärischen Oberfläche eine ruhige Richtungsumkehr erfahren. Durch den auslassseitigen Eckteil des Umfangsrandes des vertieften Teils kann der vertikale Wirbel deshalb wirkungsvoll in einen vertikalen Wirbel abgelöst werden, dessen Richtung in Richtung auf einen oberen Teil des Verbrennungsraums geändert worden ist, wodurch es ermöglicht wird, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch eine Schichtverbrennung in einem stabilen Zustand erfährt, um eine Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs zu erzielen.
  • Weiter kann die untere Zylinderkopfwand in Form eines Pultdachs ausgebildet sein, das aus einer auf der einen Seite gebildeten einlassventilseitigen geneigten unteren Wand und einer auf der entgegengesetzten Seite gebildeten auslassventilseitigen geneigten unteren Wand besteht, und die obere Wand des Kolbens kann in Form des Pultdachs ausgebildet sein, das eine einlassventilseitige geneigte obere Wand und eine auslassventilseitige geneigte obere Wand aufweist, die entsprechend der einlassventilseitigen geneigten unteren Wand bzw. der auslassventilseitigen geneigten unteren Wand ausgebildet sind.
  • Wegen der vorstehenden Konstruktion wird der vertikale Wirbel, den man von einem oberen Teil des Verbrennungsraums in Richtung auf seinen unteren Teil hat einströmen lassen, durch das einlassseitige schräge Teilstück des Umfangsrandes des vertieften Teils geführt, rückt auf der Innenwand des vertieften Teils vor, strömt entlang einer gewölbten Oberfläche der Innenwand des vertieften Teils und wird wirkungsvoll durch den auslassseitigen Eckteil des Umfangsrandes des vertieften Teils in einen vertikalen Wirbel abgelöst, dessen Richtung in Richtung auf einen oberen Teil des Verbrennungsraums geändert worden ist. Durch die Pultdachformen wird es ermöglicht, dass der vertikale Wirbel eine Schichtverbrennung in einem stabilen Zustand erfährt, wodurch eine Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs erzielt wird.
  • Weiter kann der vertiefte Teil in der einlassventilseitigen geneigten oberen Wand ausgebildet sein, und der vertieften Teil kann auch auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels höher ausgebildet sein als auf der Einlassseite des vertikalen Wirbels.
  • Wegen der vorstehenden Konstruktion wird es ermöglicht, dass der vertikale Wirbel, den man von einem oberen Teil des Verbrennungsraums in Richtung auf seinen unteren Teil hat einströmen lassen, wirkungsvoll in den vertieften Teil an seiner Einlassseite einströmt, um seine Richtung umzukehren und um einen vertikalen Wirbel zu bilden, dessen Richtung in Richtung auf einen oberen Teil des Verbrennungsraums geändert worden ist. Es wird deshalb ermöglicht, dass der vertikale Wirbel eine Schichtverbrennung in einem stabilen, Zustand erfährt, wodurch eine Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs erzielt wird.
  • Als Alternative kann der vertiefte Teil so ausgebildet sein, dass er sich über die einlassventilseitige geneigte obere Wand und die auslassventilseitige geneigte obere Wand erstreckt.
  • Wegen der vorstehenden Konstruktion wird der vertikale Wirbel, den man von einem oberen Teil des Verbrennungsraums in Richtung auf seinen unteren Teil hat einströmen lassen, durch das einlassseitige schräge Teilstück des Umfangsrandes des vertieften Teils geführt, rückt auf der Innenwand des vertieften Teils vor, strömt entlang einer gewölbten Oberfläche der Innenwand des vertieften Teils und wird wirkungsvoll durch den auslassseitigen Eckteil des Umfangsrandes des vertieften Teils in einen vertikalen Wirbel abgelöst, dessen Richtung in Richtung auf einen oberen Teil des Verbrennungsraums geändert worden ist. Es wird deshalb ermöglicht, dass der vertikale Wirbel eine Schichtverbrennung in einem stabilen Zustand erfährt, wodurch eine Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs erzielt wird.
  • Weiter kann der durch die obere Wand des Kolbens und eine Innenwand des vertieften Teils gebildete Eckteil als Umfangsrand des vertieften Teils an der Auslassseite des vertikalen Wirbels in Form eines Kantenteils ausgebildet sein.
  • Bei der vorstehenden Konstruktion ist der vertiefte Teil auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels in Form des winkelförmigen Kantenteils ausgebildet. Eine Ablösewirkung kann deshalb für den vertikalen Wirbel gewährleistet werden, wodurch es ermöglicht wird, durch Schichtverbrennung eine stabile Schichtverbrennung zu erhalten.
  • Außerdem kann die Einlassbohrung auf einer Seite der gedachten Ebene angeordnet sein und kann so ausgebildet sein, dass sie sich vertikal längsseits der gedachten Ebene durch den Zylinderkopf erstreckt.
  • Wegen der vorstehenden Konstruktion strömt ein Ansaugluftstrom, der von der Einlassbohrung in den Verbrennungsraum zugeführt worden ist, längsseits einer Zylinderachse nach unten ein und wird dann durch den vertieften Teil in der oberen Wand des Kolbens umgekehrt, wodurch es ermöglicht wird, einen vertikalen Wirbel zu bilden, der längsseits der Zylinderachse nach oben strömt. Es wird deshalb ermöglicht, dass der vertikale Wirbel eine Schichtverbrennung in einem stabilen Zustand erfährt, wodurch eine Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs erzielt wird.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die schematisch ein Inneres eines Verbrennungsmotors mit Einspritzung in den Zylinder gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Fig. 2 ist eine schematische Perspektivansicht, die die Gesamtkonstruktion des. Innern des Verbrennungsmotors mit Einspritzung in den Zylinder gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die einen Querschnitt des Verbrennungsmotors mit Einspritzung in den Zylinder gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wie durch eine Ebene aufgenommen, die sich entlang einer Linie III-III von Fig. 2 erstreckt.
  • Fig. 4 ist eine Ansicht des Verbrennungsmotors mit Einspritzung in den Zylinder gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei Betrachtung in Richtung des Pfeils A von Fig. 1.
  • Fig. 5 ist eine Veranschaulichung, die einen Ansaughergang von Fig. 1 im Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Fig. 6 ist eine Veranschaulichung, die einen Antriebstakt des 4-Takt-Motors im Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Fig. 7 ist eine Veranschaulichung, die einen Antriebstakt darstellt, wenn der Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für einen 2-Takt-Motor verwendet wurde.
  • Fig. 8(A) ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie VIII-VIII von Fig. 3, und ist eine Querschnittsansicht, die einen Fall zeigt, bei dem eine Einlassseite eines vertieften Teils ein gerundetes Teilstück M1 ist.
  • Fig. 8(B) ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, aufgenommen entlang der Linie VIII-VIII von Fig. 3, und ist eine Querschnittsansicht, die einen Fall zeigt, bei dem eine Einlassseite eines vertieften Teils ein abgeschrägtes Teilstück M1 ist.
  • Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht entsprechend Fig. 3 und stellt eine Konstruktionsmodifikation des Verbrennungsmotors mit Einspritzung in den Zylinder gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
  • Fig. 10 entspricht Fig. 3 und ist eine Querschnittsansicht eines Verbrennungsmotors mit Einspritzung in den Zylinder gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden- Erfindung.
  • Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht entsprechend Fig. 3 und stellt eine Konstruktionsmodifikation des Verbrennungsmotors mit Einspritzung in den Zylinder gemäß der zweiten Ausführungsfom der vorliegenden Erfindung dar.
  • Fig. 12 ist eine grafische Darstellung, die Vollgasmerkmale, die auf eine Kantenbeseitigung in Kolben (a), (b) und (c) zurückzuführen sind, als Vorteil eines Verbrennungsmotors mit Einspritzung in den Zylinder gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Fig. 13(A) stellt Merkmaie von spezifischem Kraftstoffverbrauch nach Einspritzung in Kompressionshübe dar und veranschaulicht Versuchsergebnisse des Kolbens (a).
  • Fig. 13(B) stellt Merkmale von spezifischem Kraftstoffverbrauch nach Einspritzung in Kompressionshübe dar und veranschaulicht Versuchsergebnisse des Kolbens (b).
  • Fig. 13(C) stellt Merkmale von spezifischem Kraftstoffverbrauch nach Einspritzung in Kompressionshübe dar und veranschaulicht Versuchsergebnisse des Kolbens (c).
  • Fig. 14 ist eine vereinfachte vertikale Querschnittsansicht, die eine Innenkonstruktion eines Verbrennungsmotors mit Einspritzung in den Zylinder darstellt, gemäß einem herkömmlichen Beispiel.
  • Fig. 15 ist eine vereinfachte Draufsicht, die eine obere Wand eines Kolbens von Fig. 14 darstellt.
  • Fig. 16 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Inneres eines Verbrennungsmotors mit Einspritzung in den Zylinder schematisch darstellt, der bei einer Vorgehensweise in Betracht gezogen wurde, die zur vorliegenden Erfindung führte.
  • Fig. 17 ist eine vereinfachte Draufsicht, die eine obere Wand eines Kolbens von Fig. 16 darstellt.
    • Beste Formen zur Ausführung der Erfindung
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beschrieben.
  • Mit Bezug zuerst auf Fig. 1 bis Fig. 8 wird eine Beschreibung in Bezug auf den Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgenommen.
  • Wie in Fig. 1 veranschaulicht, besteht in der Konstruktion eines Verbrennungsraums dieses Verbrennungsmotors mit Einspritzung in den Zylinder ein Motorhauptkörper aus einem Zylinderkopf 21 und einem Zylinderblock 23, und ein Kolben 22 ist passgenau in einen Zylinder 23A des Zylinderblocks 23 eingesetzt.
  • Der Zylinderkopf 21 des Verbrennungsmotors ist als 4-Ventil- Verbrennungsmotor konstruiert, bei dem jeder Zylinder an einer Seite seiner unteren Wand mit zwei Einlassventilen und an einer entgegengesetzten Seite derselben Wand mit zwei Auslassventilen versehen ist.
  • Zwischen einer oberen Wand des Kolbens 22 und der unteren Wand 21A des Zylinderkopfs 21 ist der Verbrennungsraum 27 ausgebildet.
  • Durch die untere Wand 21A des Zylinderkopfs stehen eine Einlassbohrung 24 und eine Auslassbohrung 25 über eine Einlassöffnung 24A bzw. eine Auslassöffnung 25A mit dem Verbrennungsraum 27 in Verbindung.
  • In den Einlass- und Auslassöffnungen 24A, 25A von dieser Einlassbohrung 24 und Auslassbohrung 25 sind nicht veranschaulichte Einlass- bzw. Auslassventile angeordnet, so dass die Einlass- und Auslassöffnungen 24A, 25A durch diese Einlass- und Auslassventile geöffnet oder geschlossen werden.
  • Dieser Verbrennungsraum 27 ist wie in Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 4 dargestellt ausgebildet. Zentrisch um eine solche, eine Mittelachse 42 des Zylinders 24A und eine Achse einer nicht veranschaulichten Kurbelwelle enthaltende gedachte Ebene 40 ist die untere Wand 21A des Zylinderkopfs in Form eines Pultdachs ausgebildet, das aus einer auf einer Seite der gedachten Ebene 40 gebildeten einlassventilseitigen geneigten unteren Wand und einer auf einer entgegengesetzten Seite der gedachten Ebene 40 gebildeten auslassventilseitigen geneigten unteren Wand besteht. Weiter ist die obere Wand des Kolbens 22 in Form eines Pultdachs mit einer auf der einen Seite der gedachten Ebene 40 gebildeten einlassventilseitigen geneigten oberen Wand und einer auf der entgegengesetzten Seite der gedachten Ebene 40 gebildeten auslassventilseitigen geneigten oberen Wand ausgebildet, so dass sie der einlassventilseitigen geneigten unteren Wand bzw. der auslassventilseitigen geneigten unteren Wand entsprechen.
  • Im Zylinderkopf 21 sind die beiden Einlassbohrungen 24 auf der einen Seite der gedachten Ebene 40 angeordnet, wohingegen die beiden Auslassbohrungen 25 auf der entgegengesetzten Seite der gedachten Ebene 40 angeordnet sind.
  • Weiter ist, wie in Fig. 1 und Fig. 4 wiedergegeben, eine Zündkerze 30 mittig in einem oberen Teil des Verbrennungsraums 27 d. h. in oder nahe der gedachten Ebene 40 angeordnet.
  • Die beiden Einlassbohrungen 24 sind so angeordnet, dass sie sich im Wesentlichen aufrecht im Zylinderkopf 21 erstrecken, und die Einlassöffnungen 24A der Einlassbohrungen 24 sind so angeordnet, dass sie in der Nähe der gedachten Ebene 40 nach unten gewandt sind.
  • Zur Zufuhr von Kraftstoff in den Verbrennungsraum 27 ist ein Einspritzer 28 als Kraftstoffeinspritzeinrichtung H in einer Seitenwand des Zylinderkopfs 21 auf einer Seite der Einlassbohrung 24 angeordnet.
  • Dieser Einspritzer 28 ist so angeordnet, dass eine Einspritzdüse 28A, die an seinem freien Ende ausgebildet ist, dem Verbrennungsraum 27 durch die Seitenwand des Zylinderkopfs 21 zugewandt ist, wodurch Kraftstoff direkt in den Verbrennungsraum 27 eingespritzt wird.
  • Der Einspritzer 28 ist so ausgelegt, dass er z. B. durch eine nicht veranschaulichte Steuereinrichtung gesteuert wird, so dass Kraftstoff in einer vorbestimmten Menge mit einer vorbestimmten Einspritzzeitsteuerung eingespritzt wird.
  • Wie anschließend hierin in Einzelheit beschrieben wird, führt die Steuereinrichtung die Steuerung durch, so dass zumindest in einem Bereich kleiner Last und niedertouriger Drehung Kraftstoff in einem späteren Stadium eines Kompressionshubs eingespritzt wird, um eine Umkehrtaumelströmung eines fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs um die Zündkerze zu bilden, aber in einem Bereich großer Last und in einem Bereich hochtouriger Drehung Kraftstoff von einem Anfangsstadium eines Ansaughubs eingespritzt wird, um ein gleichförmiges Luft-Kraftstoff- Gemisch im Verbrennungsraum zu bilden.
  • Nun wird eine Beschreibung in Bezug auf einen Anbringteil für den Einspritzer 28 vorgenommen. Die beiden Einlassbohrungen 24 sind so angeordnet, dass sie sich vom Zylinderkopf 21 im Wesentlichen aufrecht erstrecken, wie vorstehend beschrieben, so dass ein ausreichender Raum um die Öffnungen 24A der Einlassbohrungen 24 zum Anbringen des Einspritzers 28 zurückbehalten werden kann.
  • Die Anordnung der Zündkerze 30 in der oder um die gedachte Ebene 40 hat auch eine wesentliche Freiheit zur Festlegung der Anordnungsposition des Einspritzers 28 zur Folge, wodurch es ermöglicht wird, den Einspritzer 28 an einer für die Einspritzung von Kraftstoff optimalen Position anzuordnen. Obwohl es in keiner Zeichnung veranschaulicht ist, ist es möglich, Kraftstoff wirkungsvoll zu kühlen, der in den Einspritzer 28 und den Verbrennungsraum 27 eingespritzt werden soll, indem ein Kühlmittelkanal um den im Zylinderkopf angebrachten Einspritzer 28 angeordnet wird.
  • Wie vorstehend beschrieben worden ist, ist der Kolben 22 passgenau in den Zylinder 23A eingesetzt. Wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, begrenzt dieser Kolben 22 einen vertieften Teil 22A, der in einem Pultdach-förmigen erhöhten Teil 22B ausgebildet ist, der aus der einlassventilseitigen geneigten oberen Wand und der auslassventilseitigen geneigten oberen Wand auf einem oberen Teil des Kolbens gebildet ist.
  • Dieser vertiefte Teil 22A ist im oberen Teil des Kolbens 22 an einem Teil desselben angeordnet, der unter den Einlassöffnungen 24A angeordnet ist, und ist durch eine nach unten konvexe gekrümmte Oberfläche so gebildet, dass die geneigten Wände des erhöhten Teils 22B nach unten abgeschnitten sind.
  • D. h. dieser vertiefte Teil 22A ist an einer von der gedachten Ebene 40 in Richtung auf die Seite der Einlassöffnungen 24A außermittigen Position angeordnet und ist, wie anhand eines Beispiels in Fig. 2 dargestellt, in einer sphärischen Form ausgebildet, die in einer nach unten konvexen Form gekrümmt ist.
  • Wenn der Kolben 22 das Ende eines Kompressionshubs erreicht hat, ist als Folge ein kompakter Verbrennungsraum 27A in einer Form begrenzt, die durch den vertieften Teil 22A des Kolbens 22, eine Innenwand des Zylinders 23A und die untere Wand des Zylinderkopfs 21 umgeben ist, wie in Fig. 5 veranschaulicht.
  • Wie in Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellt, ist eine Einlassseite eines Umfangsrandes des vertieften Teils 22A für einen vertikalen Wirbel in einem durch einen Pfeil angezeigten Bereich in einem sanft gerundeten Teilstück M1 als geneigtes Teilstück ausgebildet, und ein Eckteil, bei dem sich die geneigte Wand des erhöhten Teils 22B auf der Seite der Auslassöffnungen 25A und die Innenwand des vertieften Teils 22A treffen, wobei der Eckteil als Auslassseite des Umfangsrandes des vertieften Teils für den vertikalen Wirbel dient, ist in einem durch einen Pfeil angezeigten Bereich in einem winkelförmigen Kantenteil M2 ausgebildet.
  • Der Eckteil des vertieften Teils 22A auf der Einlassseite für den vertikalen Wirbel ist deshalb stumpfer ausgebildet als der Eckteil auf der Auslassseite für den vertikalen Wirbel.
  • Weiter ist, wie in Fig. 5 veranschaulicht, eine Quetschzone 22C zwischen dem erhöhten Teil 22B der oberen Wand des Kolbens 22 und der Seite der Auslassöffnungen 25A über dem Verbrennungsraum 27 ausgebildet.
  • Wie in Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 5 dargestellt, strömt als Folge ein Ansaugluftstrom, den man durch die Einlassbohrung 24 hat einströmen lassen, in Richtung auf den Kolben 22, der in einem unteren Teil des Inneren des Zylinders 23A angeordnet ist. Der Ansaugluftstrom rückt von der Seite des gerundeten Teilstücks M1 auf der Einlassseite für den vertikalen Wirbel in den vertieften Teil 22A des Kolbens 22 vor und wird dann entlang der Innenwand des vertieften Teils 22A geführt. Durch den winkelförmigen Kantenteil M2 auf der Auslassseite für den vertikalen Wirbel wird dann der vertikale Wirbel wirkungsvoll abgelöst, und es wird ermöglicht, dass er nach oben strömt, so dass eine Umkehrtaumelströmung TF, die ein vertikaler Wirbel ist, gebildet wird.
  • Im Verbrennungsraum 27 fördert deshalb der Ansaugluftstrom die Bildung der Umkehrtaumelströmung TF entlang dem vertieften Teil 22A.
  • Der Einspritzer 28 wird durch eine nicht veranschaulichte Steuereinrichtung gesteuert, so dass Kraftstoff in einer vorbestimmten Menge mit einer vorbestimmten Zeitsteuerung eingespritzt wird.
  • In einem solchen Verbrennungsmotor wird z. B. im Fall eines 4-Takt-Motors ein Einlassventil vor TDC (eine Abkürzung für Oberer Totpunkt [Top Dead Center]), d. h. 0º, geöffnet, und nach Eintritt in einen Ansaughub wird ein Auslassventil hinter TDC, d. h. 0º, geschlossen, um den Auspuffhub des vorhergehenden Taktes zu beenden, wie in Fig. 6 dargestellt. Der Kolben 22 bewegt sich danach hinsichtlich eines Kurbelwinkels bis zu 180º abwärts, während dessen die Umkehrtaumelströmung TF gebildet wird, wie in Fig. 1 und Fig. 5 dargestellt. In diese Umkehrtaumelströmung TF wird vom Einspritzer 28 mit einer vorbestimmten Einspritzzeitsteuerung Kraftstoff eingespritzt, wie z. B. in einem Ansaughub oder in einem späteren Stadium eines Kompressionshubs.
  • Wenn dann ein vorbestimmter Zündzeitpunkt vor TDC, d. h. 360º, erreicht ist, wird ein nicht veranschaulichter Zündschaltkreis angesteuert, um einen Zündablauf (dargestellt durch eine Δ-Markierung in Fig. 6) durch die Zündkerze 30 einzuleiten. Durch diesen Zündablauf wird eingespritzter Kraftstoff gezündet, um zu verbrennen, so dass der Zylinderinnendruck des Verbrennungsraums 27 ansteigt. Der Kolben 22 wird deshalb nach unten gedrückt, um eine Ausgangsleistung zu erzeugen, und ein Verbrennungshub wird bis in die Nähe von 540º hinsichtlich eines Kurbelwinkels, d. h. BDC (eine Abkürzung für Unterer Totpunkt (Bottom Dead Center]), durchgeführt.
  • Nahe einem Kurbelwinkel von 480º wird das Auslassventil geöffnet, und ein Auspuffhub wird fortgesetzt, bis der Kurbelwinkel 720º übersteigt, wodurch ein Öffnungsvorgang des Einlassventils für den nächsten Ansaughub durchgeführt wird, um die 4 Takte zu vervollständigen.
  • Die Einspritzzeitsteuerung für den Einspritzer 28 des 4-Takt- Motors wird so gesteuert, dass in einem in Fig. 6 dargestellten Beispiel der Einspritzer getrieben wird, um eine Einspritzung mit einer vorbestimmten Einspritzzeitspanne PH in einem Anfangsstadium eines Ansaughubs durchzuführen, wenn sich der Motor in einem Bereich großer Last oder in einem Bereich hochtouriger Drehung befindet, aber getrieben wird, um eine Einspritzung mit einer vorbestimmten Einspritzzeitspanne PL in einem späteren Stadium des Kompressionshubs durchzuführen, wenn sich der Motor in einem Bereich kleiner Last, niedertouriger Drehung befindet.
  • Hier ist es möglich, eine Homogenisierung einer Kraftstoffmischung zu fördern und folglich eine Verwirklichung einer ruhigen und unverzüglichen Verbrennung in einem Bereich großer Last und während hochtouriger Drehung sicherzustellen, indem ein Mischen von Kraftstoff mit Luft in Form der Umkehrtaumelströmung TF in einem Anfangsstadium in Gang gesetzt wird und auch eine heftige Bewegung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs infolge eines Zusammenbruchs der Taumelströmung im späteren Stadium des Kompressionshubs gesteigert wird.
  • Während kleiner Last und niedertouriger Drehung wird andererseits die Einspritzung von Kraftstoff z. B. bis zu einem späteren Stadium des Kompressionshubs verzögert, um die Bildung des kompakten Verbrennungsraums 27A abzuwarten. Hier wird eine Einspritzung von Kraftstoff in Richtung auf den vertieften Teil 22A durchgeführt, so dass der Kraftstoff zu der und um die Zündkerze 30 geführt wird. Eine Umkehrtaumelströmung eines fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs wird deshalb um die Zündkerze 30 gebildet, wodurch es ermöglicht wird, wegen einer Schichtverbrennung eine stabile Zündung ausreichend zu gewährleisten.
  • Die Beschreibung ist in Bezug auf den 4-Takt-Motor vorgenommen worden. Die vorliegende Erfindung kann auch für einen 2-Takt- Benzinmotor statt den 4-Takt-Motor verwendet werden.
  • In diesem Fall kann als Konstruktion eines Hauptkörpers des Motors eine Konstruktion verwendet werden, die derjenigen ähnelt, die vorstehend beschrieben wurde.
  • Im Fall des 2-Takt-Motors wird, wie in Fig. 7 dargestellt, ein vorhergehender Verbrennungshub von TDC, d. h. 0º, durchgeführt, ein nicht veranschaulichtes Auslassventil wird nahe einem Kurbelwinkel von 90º geöffnet, um in einen Auspuffhub einzutreten, und wenn der Takt nahe einem Kurbelwinkel von 120º anlangt, wird ein nicht veranschaulichtes Einlassventil geöffnet, um auch in einen Einlass(Spül)hub einzutreten.
  • Weiter wird nach BDC das Auslassventil kurz vor einem Kurbelwinkel von 230º oder nahe diesem Punkt geschlossen, und das Einlassventil wird kurz vor einem Kurbelwinkel von 270º oder nahe diesem Punkt geschlossen, um in einen Kompressionshub einzutreten. Dann wird der Einspritzer 28 betrieben, um Kraftstoff mit einer vorbestimmten Einspritzzeitsteuerung in einem Ansaughub oder einem Kompressionshub einzuspritzen.
  • Wenn ein vorbestimmter Zündzeitpunkt vor TDC erreicht ist, wird ein nicht veranschaulichter Zündschaltkreis angesteuert, um einen Zündablauf (dargestellt durch eine A-Markierung in Fig. 7) durch die Zündkerze 30 einzuleiten. Durch diesen Zündablauf wird eingespritzter Kraftstoff gezündet, um zu verbrennen, so dass der Zylinderinnendruck des Verbrennungsraums 27 ansteigt. Der Kolben 22 wird deshalb nach unten gedrückt, um eine Ausgangsleistung zu erzeugen.
  • Hier wird der Einspritzer 28 so gesteuert, dass er z. B. getrieben wird, um eine Einspritzung nur für eine vorbestimmte Einspritzzeitspanne PH durchzuführen, wenn sich der Motor unter einer großen Last oder bei hochtouriger Drehung befindet, aber getrieben wird, um eine Einspritzung nur für eine vorbestimmte Einspritzzeitspanne PL durchzuführen, wenn sich der Motor bei kleiner Last und niedertouriger Drehung befindet.
  • Dies ermöglicht es, eine Homogenisierung einer Kraftstoffmischung zu fördern und folglich eine Verwirklichung einer ruhigen und unverzüglichen Verbrennung während einer großen Last und während einer hochtourigen Drehung sicherzustellen, indem ein Mischen von Kraftstoff mit Luft in Form der Umkehrtaumelströmung TF in einem Anfangsstadium in Gang gesetzt wird und auch eine heftige Bewegung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs infolge eines Zusammenbruchs der Taumelströmung im späteren Stadium des Kompressionshubs gesteigert wird.
  • Während kleiner Last und niedertouriger Drehung wird andererseits die Einspritzung von Kraftstoff verzögert, um die Bildung des kompakten Verbrennungsraums 27A abzuwarten. Hier wird eine Einspritzung von Kraftstoff in Richtung auf den vertieften Teil 22A durchgeführt, so dass der Kraftstoff zu der und um die Zündkerze 30 geführt wird. Eine Umkehrtaumelströmung eines fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs wird deshalb um die Zündkerze 30 gebildet, wodurch es ermöglicht wird, wegen einer Schichtverbrennung eine stabile Zündung ausreichend zu gewährleisten.
  • Da der Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors mit Einspritzung in den Zylinder gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie vorstehend beschrieben konstruiert ist, tritt ein Ansaugluftstrom in den Verbrennungsraum 27 von jeder Einlassbohrung 24 durch ihre entsprechende Einlassöffnung 24A in einem Ansaughub des Motors ein.
  • Da der Einspritzer 28 mit seiner Einspritzdüse 28A dem Verbrennungsraum 27 zugewandt angeordnet ist und durch die nicht veranschaulichte Steuereinrichtung gesteuert wird, wird Kraftstoff mit einer geeigneten Zeitsteuerung eingespritzt und wird dann mit Ansaugluft entsprechend der Zeitsteuerung der Einspritzung gemischt, wodurch ein geschichtetes Luft-Kraftstoff- Gemisch oder ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch gebildet wird.
  • Ein vertikaler Wirbel, den man von einem oberen Teil in Richtung auf einen unteren Teil des Verbrennungsraums 27 hat einströmen lassen, rückt zu einer Innenwand des vertieften Teils 22A durch das sanft gerundete Teilstück M1 vor, das auf der oberen Wand des Kolbens 22 und auf der Einlassseite des vertieften Teils 22A angeordnet ist, strömt entlang einer gewölbten Oberfläche der Innenwand des vertieften Teils 22A und vorbei an dem winkelförmigen Kantenteil M2 am Eckteil der geneigten Wand des erhöhten Teils 22B, kann sich wirkungsvoll von dem erhöhten Teil 22B ablösen, wodurch der vertikale Wirbel seine Richtung in Richtung auf den oberen Teil des Verbrennungsraums 27 ändert.
  • Mit anderen Worten sind die Einlassöffnungen 24A auf der einen Seite des Zylinderkopfs 21 in Bezug zur gedachten Ebene 40 angeordnet, und der vertiefte Teil 22A ist unter den Einlassöffnungen 24A angeordnet, so dass sie einander zugewandt sind. Ein Ansaugluftstrom strömt deshalb in Richtung auf die Wand des Zylinders 23A auf der Seite der Einlassöffnungen 24A ein, d. h. den vertieften Teil 22A, wird durch die gekrümmte Oberfläche des vertieften Teils 22A und weiter durch die gewölbte Oberfläche des vertieften Teils 22A geführt und wird ein aufwärts gerichteter Strom, der in Richtung auf den Mittelteil der unteren Wand 21A des Zylinderkopfs oder dessen Nachbarzone gerichtet ist.
  • Weil die untere Wand 21A des Zylinderkopfs in der Pultdachform ausgebildet ist, strömt der vertikale Wirbel der Ansaugluft wieder in Richtung auf die Wand des Zylinders 23A auf der Seite der Einlassöffnungen 24A und rückt in Richtung auf den vertieften Teil 22A vor, wodurch eine starke Umkehrtaumelströmung TF gebildet wird.
  • Da sich die Einlassbohrungen 24 längsseits der gedachten Ebene 40 auf der einen Seite des Zylinderkopfs 21 in vertikaler Richtung erstrecken, wird erleichtert, dass der von der Einlassbohrung 24 in den Verbrennungsraum 27 strömende Ansaugluftstrom entlang der Zylinderwand 23A auf der Seite der Einlassöffnungen 24A nach unten einströmt und auch als auf einen unteren Teil gerichteter starker Ansaugluftstrom (in Richtung auf den Kolben 22) zugeführt wird. Die Bildung eines starken vertikalen Wirbels wird deshalb erleichtert.
  • Weiter ist der vertiefte Teil 22A zumindest an seiner Einlassseite für einen vertikalen Wirbel in das sanft gerundete Teilstück M1 und zumindest an seiner Auslassseite für den vertikalen Wirbel in dem winkelförmigen Kantenteil M2 ausgebildet.
  • Infolgedessen ermöglicht die Bildung der Auslassseite für den vertikalen Wirbel in die Kantenform M2 eine leichte Ablösung des Ansaugluftstroms vom vertieften Teil 22A und eine Umkehrung des Ansaugluftstroms entlang der gewölbten Oberfläche im vertieften Teil 22A. Die Strömungsgeschwindigkeit wird erhöht, so dass die Umkehrtaumelströmung bis zu einem späteren Stadium eines Kompressionshubs aufrechterhalten werden kann.
  • Wenn Kraftstoff in den im späteren Stadium des Kompressionshubs gebildeten kompakten Verbrennungsraum 27A zugeführt wird, genauer gesagt in den vertieften Teil 22A, z. B. während kleiner Last und niedertouriger Drehung, so dass es ermöglicht wird, dass der Kraftstoff in Richtung auf die Zündkerze 30 strömt, bleibt als Folge der eingespritzte Kraftstoff als Umkehrtaumelströmung eines verhältnismäßig fetten Luft-Kraftstoff-Gemischs um die Zündkerze 30 im vertieften Teil 22A, während ein Strömen des Kraftstoffs in die Quetschzone 22C minimiert wird, und eine geschichtete Umkehrtaumelströmung wird auch durch eine Umkehrtaumelströmung eines abseits von der Zündkerze 30 befindlichen supermageren Luft-Kraftstoff-Gemischs gebildet. Indem man eine Schichtverbrennung durchführt, wird eine stabile Verbrennung erzielt, ungeachtet dessen, dass sie als Ganzes ein mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch ist, und infolgedessen wird der spezifische Kraftstoffverbrauch verbessert.
  • Es ist deshalb möglich, eine solche Unannehmlichkeit zu vermeiden, dass der eingespritzte Kraftstoff zur Seite der Quetschzone 22C strömen kann und dann als unverbranntes Gas abgeführt werden kann und demgemäß der spezifische Kraftstoffverbrauch verschlechtert wird oder das Abgas verschlechtert wird.
  • Wegen der Bildung der Einlassseite für den vertikalen Wirbel in das sanft gerundete Teilstück M1 wirkt die Verbrennungswärme zumindest auf den Eckteil am sich öffnenden Kantenteil auf der Seite des Einlasses für den vertikalen Wirbel nicht auf eine konzentrierte Weise, so dass keine Hitzestelle gebildet wird. Weiter kann durch die Bildung des Eckteils in der sanft gerundeten Form der Flächeninhalt der oberen Wand des Kolbens reduziert werden. Der Wärmeverlust, der bis auf den heutigen Tag als Unbequemlichkeit zurückgeblieben ist, wie vorstehend beschrieben, kann reduziert werden, wodurch es ermöglicht wird, Motoren mit einer größeren Ausgangsleistung zu liefern.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wurde die Beschreibung in Bezug auf die Konstruktion vorgenommen, dass das geneigte Teilstück in dem sanft gerundeten Teilstück M1 ausgebildet war, wie in Fig. 8(A) dargestellt. Das geneigte Teilstück ist jedoch nicht auf eine solche Konstruktion beschränkt. Ähnliche Vorteile wie die vorstehend beschriebene Ausführungsform können noch gezeigt werden, insoweit als der Eckteil auf der Einlassseite für den vertikalen Wirbel des vertieften Teils 22A, wobei der Eckteil dazu tendiert, eine Hitzestelle zu werden, entfernt wird und das geneigte Teilstück in eine solche Form gebildet wird, wie: Reduzieren des Flächeninhalts der oberen Wand des Kolbens 22, z. B. indem man das geneigte Teilstück entlang einer Ebene abschneidet und abschrägt, um eine einzige geneigte Wand zu bilden, wie in Fig. 8(B) dargestellt, Bilden des geneigten Teilstücks in mehrere geneigte Wände, die in Strömungsrichtung des vertikale Wirbels angeordnet sind, oder Kombinieren der geneigten Wand mit einer gerundeten Form.
  • In den Zeichnungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform war das sanft gerundete Teilstück M1 als geneigtes Teilstück so augebildet, dass seine Größe an der Einlassseite des Umfangsrandes des vertieften Teils in Richtung der Achse der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Richtung auf seine entgegengesetzten Enden allmählich kleiner wurde. Das sanft gerundete Teilstück M1 kann jedoch überall dort gleich groß ausgebildet sein. In diesem Fall können ähnliche Vorteile wie diejenigen der vorstehend beschriebenen Ausführungsforn auch zustande gebracht werden.
  • Fig. 9 veranschaulicht die Modifikation der Konstruktion des vertieften Teils 22A in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Umfangsrand ist auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels in einer solchen Form ausgebildet, dass er sich im Wesentlichen parallel zur gedachten Ebene 40 erstreckt.
  • In diesem Fall ist die Innenwand des vertieften Teils 22A als Wand mit einem zusammengesetzten Krümmungsradius konstruiert, so dass die Innenwand aus einer ebenen Wand und einer gekrümmten Wand besteht, und diese ebene und gekrümmte Wand erstrecken sich an einer Grenze dazwischen in einer stetigen Fortsetzung.
  • Wie in der ersten Ausführungsform ist der Eckteil des Umfangsrandes des vertieften Teils 22A auf der Einlassseite des vertikalen Wirbels als sanft gerundetes Teilstück M1 und auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels als Kantenteil M2 ausgebildet, wo sich die auslassseitige geneigte obere Wand hinter dem First des pultdachförmigen erhöhten Teils 22B und die Innenwand des vertieften Teils 22A treffen. Demgemäß zeigt diese Modifikation ähnliche Wirkungen wie die erste Ausführungsform.
  • Als Nächstes wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Fig. 10 und Fig. 11 beschrieben.
  • Die zweite Ausführungsform wird beschrieben, indem man im Wesentlichen dieselben Teile wie in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
  • Fig. 10 ist eine schematische Veranschaulichung, die die Form eines vertieften Teils auf einem oberen Teil eines Kolbens darstellt. Ein sanft gerundetes Teilstück M1, mit dem der vertiefte Teil 22A versehen ist, ist so ausgebildet, dass sich das sanft gerundete Teilstück an seinen entgegengesetzten Enden zu einem Kantenteil M2 auf einer Auslassseite eines vertikalen Wirbels erstreckt, und ist mit verjüngten Teilen M3, M4 versehen, deren Größe vom gerundeten Teilstück M1 in Richtung auf den Kantenteil M2 auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels allmählich reduziert ist.
  • Diese verjüngten Teile M3, M4 sind so ausgebildet, dass die Größe des gerundeten Teilstücks von einer Einlassseite des vertikalen Wirbels in Richtung auf die Auslassseite des vertikalen Wirbels allmählich kleiner wird. Es ist deshalb möglich, eine Hitzestellenzone, die an einem Eckteil eines Umfangsrandes des vertieften Teils auftreten kann, wesentlich zu reduzieren. Ein Wärmeverlust kann reduziert werden, um eine Verbesserung der Leistungsabgabe zu erzielen.
  • Weiter ist auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels der Umfangsrand des vertieften Teils 22A so geformt, dass ein winkelförmiger Kantenteil M2 wie in der ersten Ausführungsform ausgebildet ist. Eine Ablösewirkung kann deshalb für den vertikalen Wirbel gewährleistet werden, wodurch es ermöglicht wird, eine Umkehrtaumelströmung in einem kompakten Verbrennungsraum 27A beizubehalten und folglich durch Schichtverbrennung eine stabile Magerverbrennung zu erhalten.
  • Fig. 11 stellt eine Konstruktionsmodifikation des vertieften Teils 22A in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Eine Innenwand des vertieften Teils 22A ist als Wand mit einem zusammengesetzten Krümmungsradius konstruiert, so dass auf einer Auslassseite eines vertikalen Wirbels die Innenwand im wesentlichen parallel zu einer gedachten Ebene 40 verläuft. Weiter ist eine auslassventilseitige geneigte obere Wand auf einer Seite der Auslassventilöffnung 25A, d. h. auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels, in Form eines winkelförmigen Kantenteils M2 ausgebildet, der im Wesentlichen parallel zu einem First eines erhöhten Teils 22B ist, und ein auf einer Einlassseite des vertikalen Wirbels angeordnetes sanft gerundetes Teilstück M1 ist so geformt, dass das sanft gerundete Teilstück verjüngte Teile M3, M4 aufweist, deren Größe von dem gerundeten Teilstück M1 in Richtung auf die entgegengesetzten Enden des Kantenteils M2 über den First des erhöhten Teils 22B hinaus allmählich reduziert ist.
  • Weiter ist ein Eckteil eines Umfangsrandes des vertieften Teils 22A auf der Einlassseite des vertikalen Wirbels als sanft gerundetes Teilstück M1, dessen verjüngte Teile M3, M4 allmählich in der Größe in Richtung auf den Kantenteil M2 reduziert sind, und auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels als im Wesentlichen zur gedachten Ebene 40 paralleler winkelförmiger Kantenteil M2 ausgebildet. Diese Konstruktionsmodifikation kann deshalb im Wesentlichen dieselben Wirkungen zeigen wie die zweite Ausführungsform.
  • In der zweiten Ausführungsform wurde die Beschreibung auch wie bei der ersten Ausführungsform in Bezug auf die Konstruktion vorgenommen, bei der das sanft gerundete Teilstück M1 als schräges Teilstück ausgebildet war. Jedoch ist die zweite Ausführungsforn auf diese Konstruktion beschränkt, und das schräge Teilstück kann als einzelne schräge Wand oder als durch sukzessives Aufteilen des schrägen Teilstücks in Richtung eines Eintritts des vertikalen Wirbels gebildete mehrere schräge Wände oder als solche Form ausgebildet sein, dass der Eckteil des vertieften Teils 22A auf der Einlassseite des vertikalen Wirbels, wobei der Eckteil dazu tendiert, eine Hitzestelle zu werden, entfernt worden ist, um den Flächeninhalt der oberen Wand des Kolbens 22 zu reduzieren, z. B. eine Kombination aus einer schrägen Wand und einem gerundeten Teilstück.
  • Weiter war das sanft gerundete Teilstück M1 als schräges Teilstück so ausgebildet, dass seine Größe allmählich in Richtung auf seine entgegengesetzten Endteile kleiner wurde. Das sanft gerundete Teilstück M1 kann jedoch über seine Gesamtheit in derselben Größe ausgebildet sein. In solchen Fällen ist es auch möglich, dieselben Wirkungen zu erhalten wie die zweite Ausführungsform.
  • Fig. 12, Fig. 13(A), Fig. 13(B) und Fig. 13(C) stellen die Ergebnisse von Versuchen dar, bei denen ein Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung und die im Stadium einer Untersuchung über die vorliegende Erfindung vorgeschlagenen Strukturen verglichen wurden, wenn sie unter solchen Bedingungen betrieben wurden, wie im folgenden beschrieben wird.
  • Fig. 12 stellt Vollgasmerkmale infolge Kantenbeseitigung dar und veranschaulicht Drehmomente, wenn die Verbrennungsmotoren unter solchen Bedingungen betrieben wurden, dass die Kraftstoffmenge als Antwort auf eine Ansaugluftzunahme eingestellt wurde, um ein vorbestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erhalten, das geringfügig fetter war als ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis, wobei ihre Drosselventile voll geöffnet gehalten wurden, und auch, dass eine Kraftstoffeinspritzung in jeden Ansaughub durchgeführt wurde.
  • Genauer gesagt entsprechen die -Markierungen in Fig. 12 einem Kolben (b), der eine Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und einen vertieften Teil auf einem oberen Teil des Kolbens aufweist. Der vertiefte Teil ist mit dem sanft gerundeten Teilstück M1 auf der Einlassseite des vertikalen Wirbels, wobei sich die verjüngten Teile M3, M4 entlang dem vertikalen Wirbel zwischen der Einlassseite und der Auslassseite und mit allmählich reduzierter Größe erstrecken, und dem Kantenteil M2 auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels versehen.
  • Die O-Markierungen in Fig. 12 entsprechen einem Kolben (a), der den ringsherum verlaufenden Rand entlang dem Umfangsrand der Öffnung des vertieften Teils auf dem oberen Teil des Kolbens aufweist.
  • Andererseits entsprechen die Δ-Markierungen in Fig. 12 einem Kolben (c), bei dem die Kante des Umfangsrandes der Öffnung des vertieften Teils auf dem oberen Teil des Kolbens entlang dem gesamten Umfang in eine runde Form abgeschnitten worden ist.
  • Aus den vorstehenden Versuchsergebnissen versteht es sich, dass die Kolben (b), (c) mit den gerundeten Formen an den Ecken der vertieften Teile während einer solchen Hochlastzeitspanne wie Einspritzen von Kraftstoff in jedem Ansaughub im Wesentlichen das gleiche Drehmoment bereitstellen und im Wesentlichen über den ganzen Drehbereich von niedertouriger Drehung bis zu hochtouriger Drehung im Drehmoment gegenüber dem Kolben (a), der die Kante an der Ecke des vertieften Teils aufweist, verbessert sind.
  • D. h. es wird als sicher angenommen, dass während großer Last Ausgangsdrehmoment-verbessernde Wirkungen, die gleich denjenigen sind, die bei dem Kolben vorhanden sind, dessen Umfangsrand entlang seinem ganzen Umfang in das gerundete Teilstück abgeschnitten worden ist, selbst von dem Kolben dieser Erfindung erhalten werden können, bei dem der Kantenteil M2 auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels ausgebildet ist.
  • Fig. 13(A) veranschaulicht Merkmale für spezifischen Kraftstoffverbrauch bei Einspritzung in jedem Kompressionshub und gibt Versuchsergebnisse des Kolbens (a) wieder, Fig. 13(B) stellt Versuchsergebnisse des Kolbens (b) gemäß der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, und Fig. 13(C) stellt Versuchsergebnisse des Kolbens (c) dar.
  • Jede dieser grafischen Darstellungen stellt Variationen beim spezifischen Kraftstoffverbrauch und Fehlzündungszonen (Betriebszonen, in denen eine Fehlzündung auftritt) dar, wenn der Verbrennungsmotor unter Bedingungen betrieben wurde, so dass die zum Verbrennungsmotor zuzuführende Kraftstoffmenge fest war, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis variiert wurde, indem die Drosselventilöffnung (die zuzuführende Luftmenge) schrittweise in einen Bereich erhöht oder verringert wurde, wo ein als Ganzes mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch gebildet wird, die Zeitsteuerung einer Kraftstoffeinspritzung mit einzelnen Luft/Kraftstoff-Verhältnissen geändert wurde und eine Kraftstoffeinspritzung in einem späteren Stadium jedes Kompressionshubs durchgeführt wurde.
  • Aus den Versuchsergebnissen ist es ersichtlich, dass während einer solchen kleinen Last und niedertourigen Drehung, so dass Kraftstoff in einem späteren Stadium jedes Kompressionshubs eingespritzt wird, die Kolben (a), (b) mit einem Kantenteil zumindest auf einer Vertikalwirbel-Auslassseite eines vertieften Teils im Wesentlichen denselben spezifischen Kraftstoffverbrauch bereitstellen können, und, verglichen mit einem Kolben (c) mit einem gerundeten Teilstück über den ganzen Umfang eines gerundeten Teilstücks einschließlich der Auslassseite des vertikalen Wirbels, beim spezifischen Kraftstoffverbrauch über die gesamten Versuchsbedingungen verbessert sind und einen kleineren Fehlzündungsbereich aufweisen (ist beständiger gegen eine Fehlzündung, selbst wenn Betriebsbedingungen variieren).
  • Mit anderen Worten, es wird als sicher angenommen, dass während kleiner Last und niedertouriger Drehung ein Kolben mit dem Kantenteil M2 auf einer Auslassseite eines vertikalen Wirbels wie in der vorliegenden Erfindung eine gute Ablösung einer Umkehrtaumelströmung ermöglicht, die Umkehrtaumelströmung in einem kompakten Verbrennungsraum hält, verhindert, dass Kraftstoff zu einer Quetschzone ausströmt, und folglich einen spezifischen Kraftstoffverbrauch bereitstellt, der im Wesentlichen gleich demjenigen ist, der bei einem Kolben mit einem ringsherum verlaufenden Rand entlang dem Umfang einer Öffnung eines vertieften Teils vorhanden ist. Hinsichtlich der Fehlzündungszone weist übrigens der Kolben (b) eine geringfügig breitere Fehlzündungszone auf als der Kolben (a).
  • Wegen der vorstehenden Versuchsergebnisse von Fig. 12, Fig. 13(A), Fig. 13(B) und Fig. 13(C) ermöglicht es die Kolbenkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung, die Ablösung eines vertikalen Wirbels bei Schichtverbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs zu erleichtern, das als Ganzes mager ist, so dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem stabilen Zustand verbrennen kann und eine Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs erzielt wird. Gleichzeitig ermöglicht sie es auch, einen Wärmeverlust zu vermeiden und folglich eine Verbesserung der Leistungsabgabe zu erzielen, selbst wenn ein Luft-Kraftstoff-Gemisch (ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, das einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht), das fetter ist als dasjenige, das bei einer Magerverbrennung verwendet wird, zur Verbrennung gebracht wird.
  • In jeder von den Ausführungsformen wurde die Beschreibung in Bezug auf den Fall vorgenommen, dass ein Ansaugluftstrom vom Einlasskanal 24 von der Zylinderwand auf einer Seite der gedachten Ebene 40 in Richtung auf die Zylinderwand auf der entgegengesetzten Seite strömt, während er durch den vertieften Teil 22A auf dem oberen Teil des Kolbens umgekehrt wird, d. h. eine sogenannte Umkehrtaumelströmung gebildet wird. Jedoch können dieselben Wirkungen wie diejenigen, die bei beiden vorstehenden Ausführungsformen vorhanden sind, auch erhalten werden, wenn die vorliegende Erfindung auf eine sogenannte normale Taumelströmung angewandt wird, dass der Ansaugluftstrom unter einem Winkel in Bezug zur Zylinderachse einströmt, von der einen Seite der gedachten Ebene 40 vorrückt, entlang der unteren Wand des Zylinderkopfs 21 auf der entgegengesetzten Seite strömt und von der Zylinderwand auf der entgegengesetzten Seite in Richtung auf die Zylinderwand auf der einen Seite strömt, während er auf dem vertieften Teil 22A auf dem oberen Teil des Kolbens umgekehrt wird.
  • Mit anderen Worten können dieselben Wirkungen wie diejenigen, die bei beiden vorstehenden Ausführungsformen vorhanden sind, auch erhalten werden, wenn die vorliegende Erfindung auf einen vertieften Teil in einer oberen Wand eines Kolbens angewandt wird, dass ein Ansaugluftstrom - den man durch eine Einlassbohrung in einen Verbrennungsraum zuführte und dann entlang einer Zylinderachse einströmen ließ - durch den vertieften Teil in der oberen Wand des Kolbens in einen vertikalen Wirbel umgekehrt wird, der entlang der Zylinderachse nach oben strömt.
  • Die Ausführungsformen wurden jeweils durch Verwenden der vorliegenden Erfindung für einen 4-Ventil-Verbrennungsmotor beschrieben, der mit den zwei Einlassventilen und den zwei Auslassventilen ausgerüstet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf 4-Ventil-Verbrennungsmotoren beschränkt, sondern kann auch z. B. für 3-Ventil-Verbrennungsmotoren mit 2 Einlassventilen und 1 Auslassventil und verschiedene andere Verbrennungsmotoren verwendet werden.
    • Verwertbarkeit in der Industrie
  • Wie vorstehend beschrieben worden ist, ist in einem Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder gemäß der vorliegenden Erfindung ein vertiefter Teil in einer oberen Wand eines Kolbens ausgebildet, um eine Bildung eines vertikalen Wirbels zu fördern, so dass ein in einen Verbrennungsraum des Motors zugeführter Ansaugluftstrom veranlasst wird, von einer unteren Wand eines Zylinderkopfs in Richtung auf die obere Wand des Kolbens vorzurücken und dann zurück von der oberen Wand des Kolbens in Richtung auf die untere Wand des Zylinderkopfs vorzurücken. Eine Ecke des vertieften Teils ist an einer Einlassseite des vertikalen Wirbels stumpfer ausgebildet als an einer Auslassseite des vertikalen Wirbels, wodurch der starke vertikale Wirbel im Verbrennungsraum gebildet wird. Der Motor kann deshalb stabil betrieben werden, selbst durch Magerverbrennung einer Schichttaumelströmung, die aus einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch und einem supermageren Luft-Kraftstoff-Gemisch besteht, wodurch eine Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs erzielt wird. Wenn ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, dass fetter ist als dasjenige, das bei Magerverbrennung verwendet wird, zur Verbrennung gebracht wird, kann weiter ein Wärmeverlust auch reduziert werden. Die vorliegende Erfindung kann deshalb signifikant zu Verbesserungen des Wirkungsgrads und der Leistungsabgabe eines Verbrennungsmotors beitragen.

Claims (15)

1. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder, versehen mit:
einem Verbrennungsraum (27), der durch eine untere Zylinderkopfwand (21A) und eine obere Wand eines passgenau in einen Zylinder eingesetzten Kolbens gebildet ist,
einer Einlassöffnung (24A), die in der unteren Zylinderkopfwand (21A) des Verbrennungsraums (27) so angeordnet ist, dass die Einlassöffnung durch ein Einlassventil geöffnet oder geschlossen werden kann,
einer Auslassöffnung (25A), die in der unteren Zylinderkopfwand (21A) des Verbrennungsraums (27) so angeordnet ist, dass die Auslassöffnung durch ein Auslassventil geöffnet oder geschlossen werden kann,
einer Einlassbohrung (24), die an ihrem unteren Ende durch die Einlassöffnung mit dem Verbrennungsraum (27) in Verbindung steht, so dass in dem Verbrennungsraum (27) ein vertikaler Ansaugluftwirbel gebildet wird,
einer Auslassbohrung (25), die an ihrem unteren Ende durch die Auslassöffnung mit dem Verbrennungsraum (27) in Verbindung steht, so dass Verbrennungsgas in dem Verbrennungsraum (27) abgeführt wird,
einer Zündkerze (30), die auf der unteren Zylinderkopfwand (21A) des Verbrennungsraums (27) angeordnet ist, und
einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (H) zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in den Verbrennungsraum (27), dadurch gekennzeichnet, dass:
die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (H) so angeordnet ist, dass der Kraftstoff in einen Kompressionshub eingespritzt wird, um eine geschichtete Verbrennung durchzuführen, wenn der Verbrennungsmotor unter geringer Last ist, oder in einen Ansaughub, um eine gleichförmige Verbrennung durchzuführen, wenn der Verbrennungsmotor unter großer Last ist;
der Kolben (22) einen vertieften Teil (22A) aufweist, der in der oberen Wand des Kolbens (22) angeordnet ist, um die Bildung des vertikalen Wirbels mit durch die Einlassöffnung in den Verbrennungsraum (27) zugeführter Ansaugluft zu fördern, und
der vertiefte Teil (22A) an und entlang von einer Schnittlinie zwischen einer Innenwand des vertieften Teils (22A) und der oberen Wand des Kolbens (22) und auf einer Einlassseite des vertikalen Wirbels einen Umfangsrand aufweist, wobei der Umfangsrand des vertieften Teils so zu einem Eckteil (M1) ausgebildet ist, so dass sich der Eckteil von der oberen Wand des Kolbens (22) aus in Richtung auf die Innenwand des vertieften Teils (22A) als schräges Teilstück neigt, über das die obere Wand des Kolbens und die Innenwand des vertieften Teils miteinander verbunden sind, wobei das schräge Teilstück in Form eines sanften gerundeten Teilstücks und/oder eines oder mehrerer linear geneigter Teilstücke vorliegt.
2. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 1, bei dem der Eckteil (M1) auf der Einlassseite des vertikalen Wirbels so durch das schräge Teilstück gebildet wird, dass ein Flächeninhalt der oberen Wand des Kolbens (22) verkleinert wird.
3. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 1, bei dem das schräge Teilstück (M1) so ausgebildet ist, dass der einlassseitige Umfangsrand des vertieften Teils an seinen in Richtung einer Achse einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors entgegengesetzten Endteilen in Richtung auf die Auslassseite des vertikalen Wirbels verläuft.
4. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem das schräge Teilstück (M1) so ausgebildet ist, dass die Größe des schrägen Teilstücks von einem einlassseitigen Mittelteil des Umfangsrandes des vertieften Teils in Richtung auf die entgegengesetzten Endteile allmählich kleiner wird.
5. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 1, bei dem der Umfangsrand des vertieften Teils auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels ausgebildet ist, so dass der von der oberen Wand des Kolbens (22) und einer Innenwand des vertieften Teils (22A) gebildete Eckteil in Form eines Kantenteils (M2) vorliegt.
6. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 5, bei dem der auslassseitige Eckteil des vertieften Teils als winkliger Kantenteil (M2) ausgebildet ist.
7. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 5, bei dem der Umfangsrand des vertieften Teils auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels im Wesentlichen parallel zu einer gedachten Ebene (40) ausgebildet ist, in der eine Achse einer Kurbelwelle und eine Achse des Zylinders des Verbrennungsmotors enthalten sind.
8. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 1, bei dem das Einlassventil auf einer Seite des Verbrennungsraums (27) angeordnet ist und der vertiefte Teil (22A) aus einer Mitte der oberen Wand des Kolbens (22) in Richtung auf die besagte eine Seite versetzt angeordnet ist, so dass der vertiefte Teil mindestens dem Einlassventil zugewandt angeordnet ist.
9. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 8, bei dem der vertiefte Teil (22A) so ausgebildet ist, dass eine in Strömungsrichtung des vertikalen Wirbels genommene Querschnittsform in Form eines Kreisbogens vorliegt.
10. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 8, bei dem der vertiefte Teil (22A) in Form einer sphärischen Oberfläche ausgebildet ist.
11. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 1, bei dem die untere Zylinderkopfwand (21A) in Form eines Pultdachs ausgebildet ist, das aus einer einlassventilseitigen geneigten unteren Wand, die auf der einen Seite ausgebildet ist, und einer auslassventilseitigen geneigten unteren Wand, die auf der gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist, besteht, und die obere Wand des Kolbens (22) in Form des Pultdachs ausgebildet ist, das eine einlassventilseitige geneigte obere Wand und eine auslassventilseitige geneigte obere Wand aufweist, die entsprechend der einlassventilseitigen geneigten unteren Wand bzw. der auslassventilseitigen geneigten unteren Wand ausgebildet sind.
12. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 11, bei dem der vertiefte Teil (22A) in der einlassventilseitigen geneigten oberen Wand ausgebildet ist und der vertiefte Teil (22A) auf der Auslassseite des vertikalen Wirbels auch höher ausgebildet ist als auf der Einlassseite des vertikalen Wirbels.
13. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 11, bei dem der vertiefte Teil (22A) über die einlassventilseitige geneigte obere Wand und die auslassventilseitige geneigte obere Wand verlaufend ausgebildet ist.
14. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 13, bei dem der durch die auslassventilseitige geneigte obere Wand und eine Innenwand des vertieften Teils (22A) gebildete Eckteil in Form eines Kantenteils (M2) als der Umfangsrand des vertieften Teils an der Auslassseite des vertikalen Wirbels ausgebildet ist.
15. Verbrennungsmotor mit Einspritzung in den Zylinder nach Anspruch 1, bei dem die Einlassbohrung (24) auf einer Seite der gedachten Ebene (40) angeordnet ist und sich längsseits der gedachten Ebene (40) vertikal durch den Zylinderkopf (21) erstreckt.
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