DE69801356T2

DE69801356T2 - Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung

Info

Publication number: DE69801356T2
Application number: DE69801356T
Authority: DE
Inventors: Hidetoshi Kudo; Masashi Marubara; Noriyuki Ota; Hiroyuki Yamashita
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2001-12-06
Anticipated expiration: 2018-11-14
Also published as: EP0916821B1; ES2159418T3; DE69801356D1; EP0916821A3; US6152103A; JPH11148355A; EP0916821A2; KR19990045298A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung, in welcher an einer Oberseite eines Kolbens ein Hohlraum ausgebildet ist, insbesondere eine Ausgestaltung des Hohlraums der Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung.

Stand der Technik

Herkömmlicherweise ist bekannt, dass bei einer Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung eine Zündkerze im Wesentlichen entlang einer Zylinderachsenlinie eines Brennraums angeordnet und ein Einspritzventil an einem Randbereich des Brennraums angeordnet ist, so dass Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird. Bei dieser Art von Motor wird beispielsweise Kraftstoff von dem Einspritzventil schräg nach unten hin zu der Kolbenoberseite bei einem Verdichtungshub eingespritzt, wenn der Motor sich in einem Betriebsbereich geringer Motorlast und Drehzahl befindet, um zur Verwirklichung einer Schichtverbrennung ein Verbrennungsgemisch um die Zündkerze zu konzentrieren. Dadurch wird ein mittleres Luft-/Kraftstoffverhältnis stark erhöht bzw. das Verbrennungsgemisch wird weitgehend mager gehalten.
Zur Erleichterung der Schichtverbrennung wird, wie zum Beispiel in der Gebrauchsmusterregistrierung Nr. 2527653 gezeigt, vorgeschlagen, dass ein Hohlraum auf der oberen Fläche des Kolbens zum Einspritzventil (oder Ansaugkanal) versetzt ausgebildet ist und ein hin zu einer unteren Fläche des Zylinderkopfs hervorstehender Teil nahe zur gegenüberliegenden Seite des Einspritzventils oder des Auslasskanals ausgebildet ist.
Bei diesem Aufbau wird der von dem Einspritzventil eingespritzte Kraftstoff durch den Hohlraum aufgefangen und seine Verdampfung wird mittels einer in dem Brennraum erzeugten und um die Zündkerze eingeführten Verwirbelung erleichtert, um somit eine wünschenswerte Schichtung des Brenngemisches zu verwirklichen.
Die herkömmliche Brennkraftmaschine weist jedoch den Nachteil auf, dass die wünschenswerte Schichtung nicht verwirklicht werden kann, wenn der Hohlraum nicht richtig ausgebildet ist.
Wenn zum Beispiel die Größe des Hohlraums in der Achsenrichtung des Zylinders zu klein ist, wird der eingespritzte Kraftstoff aufgrund der Verwirbelung in einem Betriebsbereich mit äußerst geringer Motorlast übermäßig gebogen, so dass der Großteil des eingespritzten Kraftstoffs außerhalb des Hohlraums abgelenkt wird und somit nicht durch den Hohlraum aufgefangen wird. Dadurch wird das Luft- /Kraftstoffgemisch um die Zündkerze herum unerwünscht erhöht bzw. es wird ein unerwünschtes mageres Brenngemisch um die Zündkerze herum erzeugt. Es ist notwendig, den Gemischzündungzeitpunkt in einen Betriebszustand einer relativ hohen Motorlast zu verschieben, bei welchem die Schichtverbrennung durchgeführt wird. In diesem Fall wird der Kraftstoff bei geringem Druck in dem Brennraum eingespritzt, so dass der eingespritzte Kraftstoff in seiner Einspritzkraft verbessert wird, um so gerade weitergeleitet zu werden, ohne von der Verwirbelung beeinflusst zu werden. Auf diese Weise wird der Großteil des eingespritzten Kraftstoffs von dem Hohlraum aufgefangen. Wenn die Größe des Hohlraums in der Achsenrichtung des Zylinders zu klein ist, wird der eingespritzte Kraftstoff in dem Hohlraum nicht ausreichend dispergiert. Daher ist das Luft-/Kraftstoffverhältnis um die Zündkerze herum unerwünscht klein bzw. das Verbrennungsgemisch wird unerwünscht fett gehalten.
Wenn die Tiefe des Hohlraums (die Höhe einer Seitenwand des Hohlraums gegenüber dem Einspritzventil) ferner zu gering ist, wird der eingespritzte Kraftstoff oben über die Seitenwand des Hohlraums hinaus getragen. Ferner wird die an einer Bodenfläche des Hohlraums anhaftende Kraftstoffmenge erhöht, so dass die Verdampfung des Kraftstoffs verschlechtert wird. Dadurch wird das Luft- /Kraftstoffverhältnis um die Zündkerze herum unerwünscht erhöht.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung zur Hand zu geben, welche einen Hohlraum an einer oberen Fläche des Kolbens ausbildet, so dass eine geeignete Schichtverbrennung verwirklicht wird.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine geeignete Ausgestaltung des an der oberen Fläche des Kolbens ausgebildeten Hohlraums zur Hand zu geben, um das Anhaften von Kraftstoff an der Bodenfläche des Hohlraums in einem relativ breiten Bereich des Motorbetriebszustands zu unterdrücken.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung zur Hand zu geben, welche einen für die Schichtverbrennung geeigneten Hohlraum aufweist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung zur Hand zu geben, welche die Auffangleistung des eingespritzten Kraftstoffs durch den Hohlraum verbessern kann, um somit den Kraftstoffverbrauch und die Verbrennungsleistung zu verbessern.
Zur Verwirklichung der obigen Aufgaben weist erfindungsgemäß ein Abstand (D1) zwischen der Kraftstoffeinspritzachsenlinie und einem Punkt (a) eines peripheren Wandteils des Hohlraums, wobei (a) ein Schnittpunkt eines peripheren Wandteils des Hohlraums mit der Hohlraummittellinie in Draufsicht auf die obere Fläche des Kolbens an einer Seite, an welche der eingespritzte Kraftstoff aufgrund der Verwirbelung abgelenkt wird, ist, einen Wert auf, der größer als ein vorbestimmter Wert ist. Die Höhe einer Hohlraumseitenwand gegenüber einer Seite des Einspritzventils weist einen Wert auf, der größer als ein vorbestimmter Wert ist. Im Einzelnen umfasst eine erfindungsgemäße Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung ein an einem peripheren Bereich eines mit Dachraum versehenen Brennraums angeordnetes Einspritzventil auf, mit einer zu einer Zylinderachsenlinie schrägen Kraftstoffeinspritz-Achsenlinie; mit einem Kolben mit einer oberen Fläche mit einer zur Dachwand des Brennraums komplementären Konfiguration; mit einem an der oberen Fläche des Kolbens ausgebildeten Hohlraum mit einer Hohlraummittellinie senkrecht zur Einspritzachsenlinie und in Draufsicht von einer Mitte des Kolbens hin zum Einspritzventil versetzt; mit einer an im Wesentlichen der Zylinderachse des Brennraums angeordneten Zündkerze; mit einem Wirbelgenerator, welcher eine Verwirbelung in dem Brennraum erzeugt, so dass der Kraftstoff von dem Einspritzventil zu dem Hohlraum hin eingespritzt wird, um ein Verbrennungsgemisch um die Zündkerze herum zu konzentrieren; mit einem Abstand (D1) zwischen der Kraftstoffeinspritzachsenlinie und einem Punkt (a) eines peripheren Wandteils des Hohlraums, welcher so festgelegt wird, dass er die folgende Beziehung erfüllt:
D1 ≥ L1 · tan(θ 0/2 + θ 1)
wobei:
(a) in Draufsicht auf die obere Fläche des Kolbens an einer Seite, an welche der eingespritzte Kraftstoff aufgrund der Verwirbelung abgelenkt wird, einen Schnittpunkt eines peripheren Wandteils des Hohlraums mit der Mittellinie des Hohlraums darstellt,
θ der Sprühwinkel des im Verdichtungshub eingespritzten Kraftstoffes ist,
θ1 der maximale Wert des Ablenkungswinkels des eingespritzten Kraftstoffes ist,
L1 der Abstand zwischen einer Düse des Einspritzventils und der Hohlraummittellinie ist;
eine Höhe H einer Seitenwand des Hohlraums so festgelegt wird, dass sie in einer Schnittansicht die Kraftstoffeinspritzachsenlinie und die Zylinderachse passierend die folgende Beziehung erfüllt:
H ≥ Hmin
wobei:
Hmin eine Länge entlang der Zylinderachsenlinie eines Abstands zwischen einem vorderen Endpunkt (c) und einem Schnittpunkt (d) ist,
(c) ein vorderer Endpunkt an der Seitenwand des Hohlraums ist, den die obere Sprühlinie passiert,
(d) ein Schnittpunkt der Kraftstoffeinspritzachsenlinie mit einer Linie rechtwinklig zur Kraftstoffeinspritzlinie ist und den vorderen Endpunkt (c) passiert, wenn eine obere Sprühgrenzlinie den vorderen Endpunkt (c) der Seitenwand des Hohlraums passiert.
Gemäß dem obigen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird der Abstand (D1) zwischen der Kraftstoffeinspritzachsenlinie und dem Punkt (a) eines peripheren Wandteils des Hohlraums an der Seite, zu welcher der eingespritzte Kraftstoff aufgrund der Verwirbelung abgelenkt wird, als Wert festgelegt, der größer als ein vorbestimmter Wert ist. Dadurch kann eingespritzter Kraftstoff trotz der Ablenkung des eingespritzten Kraftstoffs aufgrund der Verwirbelung im Wesentlichen vollständig in dem Hohlraum 6 aufgefangen werden und das Verbrennungsgemisch kann dank der Verwirbelung in dem Hohlraum hin zu der Zündkerze eingeleitet werden. Demgemäss kann verhindert werden, dass ein lokaler Wert des Luft- /Kraftstoffverhältnisses um die Zündkerze herum einen zu kleinen Wert erreicht. Zudem wird die Höhe H der Hohlraumseitenwand gegenüber dem Einspritzventil so festgelegt, dass sie einen Wert aufweist, der größer als ein vorbestimmter Wert ist. Daher wird durch Vorgeben einer entsprechenden Kraftstoffeinspritz-Startzeit im Wesentlichen verhindert, dass der eingespritzte Kraftstoff über die Seitenwand des Hohlraums an der Seite gegenüber dem Einspritzventil hinausgeht. Dadurch kann das Anhaften des eingespritzten Kraftstoffs an der Bodenfläche des Hohlraums 6 wirksam unterbunden werden. Zudem wird verhindert, dass der eingespritzte Kraftstoff aus dem Hohlraum herausfließt. Dadurch kann ein lokales Luft- /Kraftstoffverhältnis um die Zündkerze 19 auf einen geeigneten Brennwert in einem relativ breiten Bereich des Motorbetriebszustands geregelt werden, in welchem die Schichtverbrennung wünschenswert ist. Ferner kann ein verbesserter Schichtzustand erhalten werden und somit ist es möglich, die Verbrennungsleistung und den Kraftstoffverbrauch zu verbessern.
In einer bevorzugten Ausführung wird ein Abstand (D2) zwischen der Kraftstoffeinspritzachsenlinie und einem Punkt (b) an dem peripheren Wandteil des Hohlraums so festgelegt, dass die folgende Beziehung erfüllt wird:
D2≥D1
wobei:
(b) bei Draufsicht auf die obere Fläche des Kolbens an einer gegenüberliegenden Seite, an welche der eingespritzte Kraftstoff aufgrund der Verwirbelung abgelenkt wird, einen Schnittpunkt des peripheren Wandteils des Hohlraums mit der Hohlraummittellinie darstellt. Dank dieses Merkmals kann der eingespritzte Kraftstoff in dem Raum ohne die Verwirbelung effizient zerstäubt werden. Der lokale Luft- /Kraftstoffwert kann auf einen erwünschten Wert geregelt werden.
Bei einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird eine Höhe H einer Seitenwand des Hohlraums so festgelegt wird, dass sie in einer Schnittansicht die Kraftstoffeinspritzachsenlinie und die Zylinderachse passierend die folgende Beziehung erfüllt:
H≤Hmax
wobei:
Hmax eine Länge entlang der Zylinderachsenlinie eines Abstands zwischen dem vorderen Endpunkt (c) und einem Schnittpunkt (e) ist,
(c) der vordere Endpunkt an der Seitenwand des Hohlraums ist, den die obere Sprühlinie passiert,
(e) ein Schnittpunkt der Linie rechtwinklig zur Kraftstoffeinspritzlinie ist und den vorderen Endpunkt (c) mit einer unteren Sprühgrenzlinie passiert, wenn die obere Sprühgrenzlinie den vorderen Endpunkt (c) der Seitenwand des Hohlraums passiert.
Durch Festlegen der Einspritzstartzeit, so dass der an der oberen Grenzlinie eingespritzte Kraftstoff nicht über das vordere Ende der Seitenwand des Hohlraums hinausgeht, wird nach Möglichkeit verhindert, dass die Kraftstoffeinspritzachsenlinie auf die Bodenfläche des Hohlraums gerichtet ist. Ferner kann das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine bei einem geeigneten Wert gehalten werden, während verhindert wird, dass der eingespritzte Kraftstoff an der Bodenfläche des Hohlraums haftet und aus dem Hohlraum herausfließt.
Nach einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung weist der an der oberen Fläche ausgebildete Hohlraum eine Konfiguration eines länglichen Kreises auf, dessen Länge entlang der Hohlraummittellinie länger als die entlang der Kraftstoffeinspritzachsenlinie ist. Mit diesem Merkmal kann das Verbrennungsgemisch dank der Verwirbelung gleichmäßig rund um die Zündkerze eingebracht werden, um so den Schichtzustand zu erleichtern. Dies bedeutet, dass dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung verwirklicht wird, um eine für die Schichtverbrennung geeignete wünschenswerte Hohlraumausgestaltung zur Hand zu geben.
Bei einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Bodenfläche des Hohlraums im Wesentlichen flach.
Dadurch kann der aufgefangene Kraftstoff im Hohlraum stabil gehalten werden und fließt nicht aus diesem heraus. Zudem kann in dem Hohlraum ein starker Aufwärtsstrom erzeugt werden. Ferner wird die flache Bodenfläche des Hohlraums verwirklicht, um ein Taumeln (vertikaler Scheitel) entsprechend aufzuheben, selbst wenn das Taumeln in dem Einlasshub erzeugt wird. Somit kann ein Abwärtsstrom aufgrund des Taumelns in dem Verdichtungshub wirksam unterbunden werden. Dadurch kann das Verbrennungsgemisch gleichmäßig rund um die Zündkerze an einer oberen Stelle des Brennraums eingebracht werden, auch wenn der Hohlraum tief ist.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden eingehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungen unter Berücksichtigung der Begleitzeichnungen hervor.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines wesentlichen Teils des Aufbaus einer Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung entlang einer Achsenlinie eines Zylinders, welche erfindungsgemäß durch eine Kraftstoffeinspritzlinie läuft;
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die obere Fläche des Kolbens;
Fig. 3 ist eine schematische Draufsicht, welche eine Einlass- und Auslassanlage der Brennkraftmaschine zeigt;
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, welche eine Messvorrichtung für das Messen eines Wirbelverhältnisses des Einlasses zeigt;
Fig. 5 ist eine Fig. 2 ähnelnde Ansicht, welche zeigt, wie D1 min erhalten wird;
Fig. 6 ist eine Fig. 1 ähnelnde Ansicht, welche zeigt, wie Hmin erhalten wird;
Fig. 7 ist eine Fig. 2 ähnelnde Ansicht, welche zeigt, wie D1 max erhalten wird;
Fig. 8 ist eine Fig. 1 ähnelnde Ansicht, welche zeigt, wie Hmax erhalten wird;

EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen eingehend beschrieben. Fig. 1 zeigt einen wesentlichen Teil einer Direkteinspritzbrennkraftmaschine E mit Fremdzündung. Die Brennkraftmaschine ist mit einem Zylinderblock 2 versehen, welche eine Vielzahl von Zylinder trägt, wobei Zylinderkopf 3 auf dem Zylinderblock 2 angeordnet ist. In dem Zylinder 1 ist ein Kolben 5 so angeordnet, dass er entlang einer Achsenrichtung des Zylinders 1 hin- und herbewegt wird. Es sind ein Paar Nuten 7 auf einer Umfangsfläche ausgebildet, in welchen ein Paar Kolbenringe 8 vorgesehen sind.
Zwischen einer oberen Fläche des Kolbens 5 und einer unteren Fläche des Zylinderkopfes 3 ist ein Brennraum 10 ausgebildet, in welchem die untere Fläche des Zylinderkopfes 3 oder die obere Fläche des Brennraums 10 von Art eines Dach- Brennraums ist.
Wie in Fig. 3 gezeigt sind ein Paar Ansaugkanäle 12, 12 und ein Paar Auslasskanäle 13, 13 an dem Zylinderkopf 3 ausgebildet. In dem Zylinderkopf 3 sind ein Paar Einlassventile 14 und Auslassventile 15 zum Öffnen und Schließen der Kanäle 12 und 13, ein Einspritzventil 18 zum direkten Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum 10 und eine Zündkerze 19 vorgesehen. Die Zündkerze 19 ist im Wesentlichen an der Achslinie 25 des Zylinders angeordnet. Das Einspritzventil 18 ist zwischen den Ansaugkanälen 12, 12 in den peripheren Teilen des Brennraums angeordnet und eine Kraftstoffeinspritzachsenlinie 26 fällt mit der Achse des Einspritzventils 18 zusammen. Die Linie 26 schneidet die Zylinderachsenlinie 25 schräg. Wie in Fig. 2 gezeigt, läuft die Kraftstoffeinspritzlinie 26 nämlich durch eine Mitte der oberen Fläche des Kolbens 5, welche mit der Zylinderachsenlinie 25 übereinstimmt. Der Einspritzdruck des Einspritzventils 18 beträgt etwa 5-10 Mpa, so dass die Kraftstoffeinspritzung in dem Verdichtungshub durchgeführt werden kann. Der Kraftstoff wird so eingespritzt, dass er eine konischen Form bildet.
Die obere Fläche des Kolbens ist so gestaltet, dass sie einer Decke des Brennraums 10 entspricht. Der obere Teil des Kolbens 5 ist nämlich, aus einer Richtung der Zylinderachsenlinie gesehen, mit einem Paar horizontaler Flächen 5a, 5a versehen, die sich in einer durch die Mitte der oberen Fläche des Kolbens 5 verlaufenden · Richtung und senkrecht zur Kraftstoffeinspritzachsenlinie 26 erstrecken, so dass im Schnitt eine Dachkonfiguration an dem oberen Teil des Kolbens gebildet wird. Von den gegenüberliegenden Seiten der horizontalen Flächen 5a, 5a erstrecken sich jeweils die Fläche 5b, 5b nach unten geneigt. Ein horizontaler Flächenteil 5c ist an einem peripheren Teil der oberen Fläche des Kolbens ausgebildet. Die horizontalen Flächen 5a, 5a sind vorgesehen, um einen Wärmefleck in dem oberen Teil des Kolbens 5 zu verhindern.
Die obere Fläche des Kolbens 5 ist mit einer Ausnehmung bzw. einem Hohlraum 6 ausgebildet. Eine Bodenfläche des Hohlraums 6 ist im Wesentlichen flach und horizontal und eine umgebende Seitenwand des Hohlraums 6 ist im Wesentlichen senkrecht zur Bodenfläche. Die Seitenwand erstreckt sich nämlich im Wesentlichen in der Achsenrichtung 25 des Zylinders. Der Hohlraum 6 ist in Draufsicht ein länglicher Kreis mit einer Hohlraummittellinie 27, welche durch einen mittleren Teil der oberen Fläche des Kolbens 5 läuft. Der Hohlraum 6 ist in der Richtung der Linie 27, welche sich in einer Richtung senkrecht zur Kraftstoffeinspritzlinie 26 erstreckt, langgezogen. Die Hohlraummittellinie 27 ist von der Mitte der oberen Fläche des Kolbens 5 bzw. der Zylinderachse 25 hin zu dem Einspritzventil 18 versetzt, so dass ein unteres Ende der Zündkerze 19 gegenüber dem Einspritzventil in dem Hohlraum positioniert ist, wenn der Kolben 4 sich an dem oberen Totpunkt des Kolbens befindet.
Bei diesem Aufbau wird bei einem Verdichtungshub bei einem Zustand niedriger Motordrehzahl und Last die Kraftstoffeinspritzung durch eine Düse des Einspritzventils 18 hin zu dem Hohlraum 6 der oberen Fläche 5 durchgeführt, um das Verbrennungsgemisch um die Zündkerze 19 herum zu konzentrieren, so dass die Schichtverbrennung mittels der Zündung der Zündkerze 19 verwirklicht wird.
In einem der Ansaugkanäle 12, 12 ist ein Steuerventil 16 für das Öffnen und Schließen vorgesehen, um so entsprechend dem Betrieb des Ventils 16 den Ansauggasstrom zu steuern, wie dies in Fig. 3 gezeigt wird. Wenn der Ansauggassstrom in einem der Kanäle 12, 12 unterbrochen oder eingeschränkt wird, wird durch den Ansauggasstrom in den anderen Ansaugkanälen 12, 12 eine in Fig. 2 und 3 im Uhrzeigersinn drehende Verwirbelung (vertikale Komponente) in dem Brennraum 10 erzeugt. Somit sieht das Steuerventil 16 ein wirbelerzeugendes Mittel für das Erzeugen der Verwirbelung in dem Raum 10 vor. Wenn das Ventil völlig geschlossen ist, wird die Verwirbelung auf maximalen Wert erhöht, bis sie das maximale Wirbelverhältnis 4 erreicht.
Eine Winkelgeschwindigkeit des Ansauggases in horizontaler Richtung wird gemessen und integriert und der integrierte Wert wird durch eine Winkelgeschwindigkeit des Kurbelwinkels des Motors dividiert. Der sich ergebende Wert wird als Wirbelverhältnis definiert. Die Winkelgeschwindigkeit des Ansauggases in der horizontalen Richtung wird mit einem in Fig. 4 gezeigten Messgerät gemessen. Bei dem Messgerät 40 ist der Zylinderkopf 3 auf einem Unterteil 41 kopfüber angeordnet. Der Ansaugkanal ist mit der (nicht abgebildeten) Ansauggas- Zuführvorrichtung verbunden. Ein Zylinder 42 ist auf dem Zylinderkopf 3 angeordnet. Ein Impulsmessgerät 44 mit einem wabenförmigen Rotor 43 ist mit dem Zylinder 44 verbunden. Der Abstand zwischen einer unteren Fläche des Impulsmessgeräts 44 und der oberen Fläche des Zylinderkopfes wird bei einem Wert von 1,75D festgelegt, wobei D ein Durchmesser der Zylinderbohrung ist. In diesem Fall wird ein auf den Rotor 43 wirkendes, von der Verwirbelung erzeugtes Drehmoment durch das Impulsmessgerät 44 gemessen. Die Winkelgeschwindigkeit des Ansauggases in der horizontalen Richtung wird anhand des gemessenen Wertes erhalten.
In Draufsicht wird ein Abstand D1 zwischen der Einspritzlinie 26 und einem Punkt a in Fig. 2 definiert, wobei der Punkt a an einem Randbereich des Hohlraums 6 positioniert ist, zu dem der eingespritzte Kraftstoff aufgrund der Verwirbelung des Ansauggases abgelenkt wird. Der Abstand D1 wird wie folgt vorgegeben:
D1 ≥ L1 xtan(θ 0/2 + θ1) = D1 min
wobei:
θ 0 der Sprühwinkel
θ 1 der maximale Winkel, um den der eingespritzte Kraftstoff aufgrund der Verwirbelung abgelenkt wird,
L1 der Abstand zwischen der Einspritzdüse und der Hohlraummittellinie 27 ist.
Dmin wird in Fig. 5 gezeigt, welche eine Draufsicht auf den oberen Teil des Kolbens 5 ist. Der Sprühwinkel θ 0 des von dem Einspritzventil 18 eingespritzten Kraftstoffs wird in Fig. 5 durch die zwei gestrichelten Linien 28 und 29 gezeigt. Der Punkt a wird durch einen Schnittpunkt der Linie 28 und der Hohlraummittellinie 27 vorgegeben. Die Linie 28 wird so vorgegeben, dass sich der Punkt a an der inneren Seite des Hohlraums befindet, auch wenn der eingespritzte Kraftstoff maximal abgelenkt wird. In diesem Fall wird der Punkt a, wie bereits erwähnt, als Schnittpunkt der Linie 28 und der Linie 27 vorgegeben. Demgemäss wird Dmin so festgelegt, dass der Hohlraum 6 den eingespritzten Kraftstoff auffangen kann, auch wenn der eingespritzte Kraftstoff aufgrund der Verwirbelung maximal abgelenkt wird. Der Sprühwinkel θ 0 des eingespritzten Kraftstoffs wird auf etwa 50º ± 20º festgelegt. Der Abstand D1 wird so festgeiegt, dass die folgende Beziehung erfüllt wird:
D1 ≤ D1max.
D1 max ist ein Wert des Abstands D1 bei einem Zustand, da der Punkt a an einem Punkt an der peripheren Fläche des Hohlraums 6 entsprechend einer Bodenfläche der Nut 7 für den Kolbenring 8 in radialer Richtung des Kolbens 5 positioniert ist. Der Winkel θ 2 in Fig. 6 lässt sich wie folgt ausdrücken:
A 2 = sin&supmin;¹{(B0-B1)/B1}
wobei:
B0 der Radius des Kolben 5,
B1 der Radius der Bodenfläche der Ringnut 7 und
B0-B1 der Abstand zwischen der Linie 27 und der Mitte des Kolbens bzw. der Zylinderachsenlinie 25 ist.
Somit:
D1 max = B1 · cos θ 2 = B1 · cos [sin&supmin;¹{(B0-B1)/B0}]
Ein Abstand D2 zwischen der Kraftstoffeinspritzachsenlinie 26 aus dem Einspritzventil 18 und einem Punkt (b) auf der peripheren Fläche des Hohlraums 6 in Fig. 2 wird so festgelegt, dass folgende Bedingung erfüllt wird:
D2≥D1
wobei der Punkt b ein Schnittpunkt mit der Linie 27 an der peripheren Fläche des Hohlraums 6 in Fig. 2 ist. Der Punkt b wird gegenüber dem Punkt a, zu dem der eingespritzte Kraftstoff aufgrund der Verwirbelung umgeleitet wird, positioniert.
Wie in Fig. 1 gezeigt wird in Schnittansicht eine durch die Kraftstoffeinspritzlinie 26, die Höhe H der Seitenwand 6a des Hohlraums 6 bei einem Punkt gegenüber dem Einspritzventil 18 laufende Ebene so festgelegt, dass sie folgende Bedingung erfüllt:
Hmin ≤ H ≤ Hmax.
Hmin wird so festgelegt, dass es den gleichen Wert wie ein Abstand zwischen den Punkten c und d in Fig. 7 hat. Der Sprühwinkel θ 0 wird durch eine obere Linie 30 und eine untere Linie 31 in der Auf und Abwärtsrichtung in Fig. 7 bestimmt. Der Punkt c ist so vorgegeben, dass sich ein oberes Ende der Seitenwand 6a mit der Linie 30 kreuzt. Eine Linie 32 läuft durch den Punkt c und hat einen rechten Winkel zur Kraftstoffeinspritzachsenlinie 26. Der Punkt d ist als Schnittpunkt der Linie 32 mit der Kraftstoffeinspritzachsenlinie 26 vorgegeben. Hmin wird so festgelegt, dass es ein Abstand zwischen den Punkten c und d in einer Richtung entlang der Zylinderachse 25 ist, wie dies in Fig. 7 gezeigt wird.
Ein Abstand R0 ist als Abstand zwischen der Einspritzdüse 18 und dem oberen Punkt (c) der Seitenwand 6a des Hohlraums 6 entlang der Linie 30 vorgesehen, wie in Fig. 7 gezeigt wird. Der Abstand H1 zwischen den Punkten c und d sowie ein in Fig. 7 gezeigter Winkel werden wie folgt vorgegeben:
H1 = R0·sin(θ0/2)
θ 4 = π/2-θ 0/2.
Unter Berücksichtigung, dass ein Winkel 0 3 zwischen der Kraftstoffeinspritzachse 26 und einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse 25 etwa 40º beträgt und der Sprühwinkel θ 0 etwa 50º ± 20º beträgt, weist Hmin im Wesentlichen den gleichen Wert wie H1 · sin 0 4 auf. Somit:
Hmin = R0 · sin (θ 0/2) · sin (π/2-θ 0/2).
Der Wert Hmin wird kurz gesagt so festgelegt, dass der an der oberen Grenzlinie 30 eingespritzte Kraftstoff nicht über das obere Ende der Seitenwand 6a des Hohlraums 6 geht und dass der Kraftstoff mit einer relativ hohen Dichte an der Einspritzachsenlinie nicht zur Bodenfläche des Hohlraums 6 hin eingespritzt wird. Die Einspritzzeit wird unter Berücksichtigung des Werts Hmin festgelegt. Der Wert Hmin wird nämlich so festgelegt, dass ein Anhaften des eingespritzten Kraftstoffs an der Bodenfläche des Hohlraums 6 und ein Fließen aus dem Hohlraum 6 verhindert wird.
Ein Punkt (e) wird als Schnittpunkt der Linie 32 mit einer in Fig. 8 gezeigten unteren Sprühwinkellinie 31a vorgesehen. Der Wert Hmax ist der gleiche Wert wie der Abstand zwischen den Punkten c und e in der Richtung der Zylinderachse 25. In Fig. 8 können die Winkel 6 5, 8 6, 9 7, 88 wie folgt gezeigt werden:
θ5 = π/2-(θ3 + θ 0/2)
θ6 = π2-θ5 = θ3+θ0/2)
θ7 = π/2-θ0/2
θ8 = :- (06 + 07) = π/2-θ3
Da der Abstand zwischen den Punkten d und e gleich dem Abstand zwischen den Punkten c und d ist, wird der Wert Hmax wie folgt vorgegeben:
Hmax = 2 · H1 · sin θ8 = 2·R0xsin(θ0/2)·sin(π/2-θ3)
Die Höhe H der Seitenwand 6a des Hohlraums hat wünschenswerterweise einen großen Wert, um so das Anhaften des eingespritzten Kraftstoffs an der Bodenfläche des Hohlraums 6 zu unterbinden. Wenn die Höhe H jedoch größer als Hmax ist, muss der Kolben 5 lang sein, damit er nicht einen Kolbenbolzen beeinträchtigt. Ansonsten kann ein Verdichtungsverhältnis des Motors E nicht bei einem korrekten Wert gehalten werden. Daher wird die Höhe H der Seitenwand 6a bei einem kleineren Wert als Hmax festgelegt.
Zur Verwirklichung der Schichtverbrennung wird im Betrieb das Ventil 16 geschlossen bzw. leicht geöffnet, um den Ansauggasstrom in den Ansaugkanal 12 zu unterbinden bzw. zu verringern, um die Verwirbelung in dem Brennraum 10 in Fig. 2 im Uhrzeigersinn zu bilden. Die Verwirbelung wird im Verdichtungshub nicht aufgehoben.
Dann bewegt sich der Kolben 5 im Verdichtungshub nach oben. Das Einspritzventil 18 beginnt mit der Kraftstoffeinspritzung bei einem Zeitpunkt, da die Kraftstoffeinspritzung nicht über das obere Ende des Hohlraums erfolgt, insbesondere wird der eingespritzte Kraftstoff an der oberen Sprühgrenzlinie 30 nicht außerhalb des Hohlraums 6 in der in Fig. 8 gezeigten Schnittansicht eingespritzt. In diesem Fall wird der eingespritzte Kraftstoff aufgrund der Verwirbelung abgelenkt. Der Abstand D1 zwischen dem Punkt a und der Kraftstoffeinspritzachsenlinie 26 wird größer als der Wert D1 min festgelegt. Dadurch wird der gesamte eingespritzte Kraftstoff trotz der verwirbelungsbedingten Ablenkung des eingespritzten Kraftstoffs im Wesentlichen in dem Hohlraum 6 aufgefangen. In der in Fig. 8 gezeigten Schnittansicht wird die Höhe H der Hohlraum-Seitenwand 6a gegenüber dem Einspritzventil 18 zwischen den Werten Hmin und Hmax festgelegt, so dass der eingespritzte Kraftstoff im Wesentlichen daran gehindert wird, über die Seitenwand 6a des Hohlraums 6 an der Seite gegenüber dem Einspritzventil 18 zu gehen. Zudem kann das Anhaften des eingespritzten Kraftstoffs an der Bodenfläche des Hohlraums 6 wirksam unterbunden werden. Der von dem Hohlraum 6 aufgefangene eingespritzte Kraftstoff wird mit der Ansaugluft entsprechend gemischt und gleichmäßig hin zur Zündkerze 19 entlang der Seitenwand 6a des Hohlraums 6 eingeführt. Wenn der eingespritzte Kraftstoff nicht wesentlich von der Verwirbelung beeinflusst wird, wird der Abstand D2 zwischen dem Punkt b und der Einspritzachsenlinie 26 größer als der Wert D1 festgelegt, wie dies in Fig. 2 gezeigt wird, und der eingespritzte Kraftstoff wird in dem Hohlraum 6 korrekt zerstäubt. Die Bodenfläche des Hohlraums 6 ist von flacher Ausgestaltung, so dass der aufgefangene Kraftstoff eher in dem Hohlraum 6 bleibt und nicht aus diesem herausfließt. Ferner kann in der entgegengesetzten Seite des Einspritzventils in dem Hohlraum 6 ein starker Aufwärtsstrom erzeugt werden.
Die flache Bodenfläche des Hohlraums 6 wird verwirklicht, um ein Taumeln (vertikaler Scheitel) zu unterbinden, auch wenn das Taumeln in dem Ansaughub erzeugt wird. Somit kann in dem Verdichtungshub ein durch das Taumeln erzeugter Abwärtsstrom wirksam unterbunden werden. Dadurch kann das Verbrennungsgemisch an einer oberen Stelle des Brennraums 10 gleichmäßig um die Zündkerze 19 herum eingeführt werden, auch wenn der Hohlraum 6 tief ist.
Nach der obigen Ausführung kann ein lokales Luft-/Kraftstoffverhältnis rund um die Zündkerze 19 bei einem Verbrennungsbereich von 14-20 eingestellt werden und es ist möglich, einen Schichtzustand des Verbrennungsgemisches in dem Brennraum 10 zu verbessern.
Dadurch können die Schichtverbrennung und der Kraftstoffverbrauch wirksam verbessert werden.
In der obigen Ausführung ist die Bodenfläche des Hohlraums 6 im Wesentlichen flach und verläuft horizontal. Die Seitenwand 6a des Hohlraums 6 verläuft im Wesentlichen vertikal. Die Seitenwand 6a kann jedoch so ausgebildet werden, dass sie sich unter Berücksichtigung der Fertigungsleistung leicht nach oben ausdehnt. Die Bodenfläche des Hohlraums 6 kann schräg ausgebildet sein, so dass sie entlang einer geneigten Fläche 5b an der Seite des Einspritzventils 18 verläuft. In diesem Fall kann die Seitenwand 6a bezüglich der geneigten Bodenfläche des Hohlraums 6 vertikal ausgebildet sein, so dass das obere Ende der Seitenwand des Hohlraums 6 nahe der Zündkerze 19 an einer Seite gegenüber dem Einspritzventil 18 verläuft.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung unter Bezug auf eine spezifische bevorzugte Ausführung erläutert, doch wird ein gewöhnlicher Fachmann erkennen, dass im Rahmen des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung Abwandlungen und Verbesserungen vorgenommen werden können. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird allein durch die beigefügten Ansprüche bestimmt.

Claims

1. Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung, welche Folgendes umfasst:

- ein an einem peripheren Teil eines mit einer Dachwand versehenen Brennraums (10) angeordnetes Einspritzventil (18) mit einer zu einer Zylinderachsenlinie (25) schrägen Kraftstoffeinspritzachsenlinie (26),

- einen Kolben (5) mit einer oberen Fläche mit einer zur Dachwand des Brennraums (10) komplementären Konfiguration,

- einen an der oberen Fläche des Kolbens (5) ausgebildeten Hohlraum (6) mit einer Hohlraummittellinie (27) senkrecht zur Einspritzachsenlinie (26) und in Draufsicht von einer Mitte des Kolbens hin zur Einspritzdüse (18) versetzt,

- eine an im Wesentlichen der Zylinderachse (25) des Brennraums (10) angeordnete Zündkerze (19),

- einen Wirbelgenerator (16), welcher in dem Brennraum (10) einen Wirbel erzeugt, so dass der Kraftstoff von der Einspritzdüse (1ß) zu dem Hohlraum (6) hin eingespritzt wird, um eine konische Form zu bilden, um ein Verbrennungsgemisch um die Zündkerze (19) herum zu konzentrieren,

- einen Abstand (D1) zwischen der Kraftstoffeinspritzachsenlinie (26) und einem Punkt (a) eines peripheren Wandteils des Hohlraums (6), welcher so festgelegt wird, dass er die folgende Beziehung erfüllt:

D1 ≥ L1 · tan(θ0/2 + θ1)

wobei (a) in Draufsicht auf die obere Fläche des Kolbens (5) an einer Seite, an welche der eingespritzte Kraftstoff aufgrund des Wirbels umgeleitet wird, einen Kreuzungspunkt eines peripheren Wandteils des Hohlraums (6) mit der Mittellinie (27) des Hohlraums darstellt,

θ0; Sprühwinkel des im Verdichtungstakt eingespritzten Kraftstoffes,

θ1; der maximale Wert des Umleitungswinkels des eingespritzten Kraftstoffes aufgrund des Wirbels,

L1; Abstand zwischen einer Düse des Einspritzventils (18) und der Hohlraummittellinie (27),

- eine Höhe H einer Seitenwand (6a) des Hohlraums (6), welche so festgelegt wird, dass sie in einer Schnittansicht die Kraftstoffeinspritzachsenlinie (26) und der Zylinderachse (25) passierend die folgende Beziehung erfüllt:

H≥Hmin

wobei Hmin eine Länge entlang der Zylinderachsenlinie (25) eines Abstands zwischen einem vorderen Endpunkt (c) und einem Kreuzungspunkt (d) ist, wobei

(c) ein vorderer Endpunkt an der Seitenwand des Hohlraums (6) ist, den die obere Sprühlinie passiert,

(d) ein Kreuzungspunkt der Kraftstoffeinspritzachsenlinie (26) mit einer Linie rechtwinklig zur Kraftstoffainspritzlinie (26) ist und der vorderen Endpunkt (c) passiert, wenn eine obere Sprühgrenzlinie den vorderen Endpunkt (c) der Seitenwand des Hohlraums (6) passiert.

2. Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (D2) zwischen der Kraftstoffeinspritzachsenlinie (26) und einem Punkt (b) an dem peripheren Wandteil des Hohlraums (6) so festgelegt wird, dass er die folgende Beziehung erfüllt:

D2≥D1

wobei (b) bei Draufsicht auf die obere Fläche des Kolbens (5) an einer gegenüberliegenden Seite, an welche der eingespritzte Kraftstoff aufgrund des Wirbels umgeleitet wird, einen Kreuzungspunkt des peripheren Wandteils des Hohlraums (6) mit der Hohlraummittellinie (27) darstellt.

3. Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- eine Höhe H einer Seitenwand des Hohlraums (6) so festgelegt wird, dass sie in einer Schnittansicht die Kraftstoffeinspritzachsenlinie (26) und die Zylinderachse (25) passierend die folgende Beziehung erfüllt:

H≤Hmax

wobei Hmax eine Länge entlang der Zylinderachsenlinie (25) eines Abstands zwischen dem vorderen Endpunkt (c) und einem Kreuzungspunkt (e) ist, wobei

(c) der vordere Endpunkt an der Seitenwand des Hohlraums ist, den die obere Sprühlinie passiert,

(e) ein Kreuzungspunkt der Linie rechtwinklig zur Kraftstoffeinspritzlinie (26) ist und den vorderen Endpunkt (c) mit einer unteren Sprühgrenzlinie passiert, wenn die obere Sprühgrenzlinie den vorderen Endpunkt (c) der Seitenwand des Hohlraums (6) passiert.

4. Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der an der oberen Fläche ausgebildete Hohlraum (6) die Konfiguration eines länglichen Kreises aufweist, dessen Länge entlang der Hohlraummittellinie (25) länger als entlang der Kraftstoffeinspritzachsenlinie (26) ist.

5. Direkteinspritzbrennkraftmaschine mit Fremdzündung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine untere Fläche des Hohlraums (6) im Wesentlichen flach ist.