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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Direkteinspritzungsmotor mit
Zündfunkenzündung, der eine
Brennkammer aufweist, gebildet durch eine Zylinderwand eines Zylinderblocks,
der einen Zylinder hat, eine Bodenfläche eines Zylinderkopfes, montiert auf
dem Zylinderblock und eine Kolbenkrone eines Kolbens, vorgesehen
in dem Zylinder, einen Zündkerze,
platziert im wesentlichen in der Mitte der Brennkammer, ein Einlasssystem
für das
Einleiten der Einlassluft in die Brennkammer und Erzeugen einer
normalen Fallströmung
der Einlassluft in der Brennkammer, wobei das Einlasssystem zwei
Einlassöffnungen
zu der Brennkammer enthält
und ein Teil- Abschaltventil, das im Wesentlichen die untere Hälfte jeder
der zwei Einlassöffnungen
verschließt;
ein Kraftstoffeinsritzerventil, vorgesehen an einem Seitenwandabschnitt
der Brennkammer und angeordnet zwischen den Öffnungsenden der zwei Einlassöffnungen
für das
direkte Einspritzen des Kraftstoffes in die Brennkammer bei einem
Verdichtungshub; und ein Kolbenschüsselhohlraum, gebildet in der
Kolbenkrone und der die normale Fallströmung aufrecht erhält.
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Auf
solch einen Direkteinspritzungsmotor mit Zündfunkenzündung wird z. B. in dem JP
8-296 463A Bezug genommen.
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Außerdem sind
verschiedene fremdgezündete
Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung vorgeschlagen und entwickelt
worden, in die Kraftstoff direkt in die Motorzylinder eingespritzt
worden ist. Im Allgemeinen ist bei solchen fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
mit Direkteinspritzung einer Verbrennungsart zwischen einer homogenen
Verbrennungsart (einem Verbrennungsbetrieb mit Früheinspritzung),
bei dem die Kraftstoff-Einspritzung früh in den Ansaughub erfolgt
und ein homogenes Luft/Kraftstoff-Gemisch erzeugt, und einem geschichteten
Ladungsverbrennungsmotors umschaltbar (einem Verbrennungsbetrieb
mit später
Einspritzung), bei dem eine späte
Kraftstoff-Einspritzung
diesen Moment bis nahe des Endes des Verdichtungshubes verzögert, um
ein geschichtetes Luft/Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen. Wie allgemein
bekannt ist, wird das Umschalten zwischen diesen beiden Verbrennungsarten
in Abhängigkeit
von den Motorbetriebsbedingungen bestimmt, wie z.B. Motordrehzahl
und -last. Solcher Schichtladungs- oder geschichtete Verbrennungsbetrieb
ist unter Betriebsbedingungen niedriger Motorlast wirksam, wo die
Menge des eingespritzten Kraftstoffes verhältnismäßig niedrig ist. Im Gegensatz
dazu besteht während
des Betriebes unter hohen Motorlastbedingungen, wo die Kraftstoffmenge,
die herausgesprüht
wird, infolge der Anforderungen für größere Motorleistung und größeres Motorausgangsdrehmoment
verhältnismäßig groß ist, eine
geringere Anforderung für
eine geschichtete Ladung und statt dessen ist es erforderlich, gleichmäßigere Luft/Kraftstoff-Gemischschichten
zu bilden, insbesondere, um zu vermeiden, dass der Motor klopft.
Eine solche fremdgezündete
Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung ist in der vorläufigen japanischen
Patentveröffentlichung
Nr. 8-35429 oder
in der vorläufigen
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 6-81651 gezeigt. Die vorläufige
japanische Patentveröffentlichung
Nr. 8-35429 lehrt die Verwendung eines Wirbelsteuerungsventils,
das eine Wirbelströmung
durch Modulation der in den Zylinder geführten Gasbewegung erzeugt und
den Bildungsbereich des Luft-/Kraftstoff-Gemisches moduliert. Andererseits lehrt
die japanische vorläufige
Patentveröffentlichung
Nr. 6-81651 die Verwendung von aufrechten, geraden Einlassöffnungen,
die dazu dienen, wirksam die Ansaugluft, die in die Verbrennungskammer
angesaugt wird, in eine Richtung einer gekrümmten Kolbenkopfoberseite zu
lenken und den Ansaugluftstrom in eine strenge Umkehr-Fallströmung für eine stabile
Verbrennung umzulenken.
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Außerdem lehrt
die
DE 196 19 782
A1 das Vorsehen einer Düse
innerhalb einer Einlassöffnung für die Beeinflussung
des Einlassluftstromes.
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In
der fremdgezündeten
Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung nach den japanischen
vorläufigen
Patentveröffentlichungen
Nr. 8-35429 und 6-81651 ist ein tiefe Kolben-Schüsselhohlraumverbrennungskammer
in einer Kolbenoberseite (oder einem Kolbenkopf) ausgebildet. Die
Kraftstoff-Einspritzung wird während
des Verdichtungshubes ausgeführt,
um die vorerwähnte
Fallströmung
oder Gegenfallströmung
im Zylinder beizubehalten und anschließend trägt die Wirbelströmung (oder
die Fallströmung)
das Luft/Kraftstoff-Gemisch in die Nähe der Zündkerze. Im Ergebnis wird das
fette Gemisch (ein leicht zündbares
Gemisch) rund um die Zündkerze konzentriert
und die Konzentration des fetten Gemisches wird während des
Verdichtungshubes zuerst gezündet.
Als zweites werden die umgebenden Luftschichten (magere oder ultra-magere
Gemischschichten eines Luft/Kraftstoff- Verhältnisses nahe einer Mager-Fehlzündungsgrenze)
gezündet,
die wenig Kraftstoff enthalten. Um eine gute geschichtete Verbrennung
zu sichern (oder um wirksam das leicht zündbare Gemisch in der Nähe der Zündkerze
zu konzentrieren), wird es nicht bevorzugt, die Kraftstoff-Einspritzung,
eingespritzt von der Kraftstoff-Einspritzdüse während des Verdichtungshubes,
inner halb der Verbrennungskammer während einer bestimmten Zeitdauer
weit zu verteilen, während
der Kraftstoff-Sprühnebel,
der eingespritzt wird, in der Nähe
der Zündkerze
getragen wird. Aus den vorerwähnten
Gründen
ist in herkömmlichen
fremdgezündeten
Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung die Kolben-Schüsselhohlraumverbrennungskammer in
der Kolbenkrone so ausgebildet, dass die Mittelachse des Kolben-Schüsselhohlraumes
weit gegenüber der Mittelachse des Kolbens in Richtung zu
dem Einlassventil versetzt ist, derart, dass der Kolben-Schüsselhohlraum
als ein verhältnismäßig tiefer und
großer
Hohlraum ausgebildet ist. Außerdem
ist in den Motoren des Standes der Technik, gezeigt in den japanischen
vorläufigen
Patentveröffentlichungen
Nr. 8-35429 und 6-81651, ein Sprühwinkel
des Kraftstoffes, der durch das Einspritzventil eingespritzt wird, eng
oder kleiner. Infolge solch eines kleinen Kraftstoff-Sprühwinkels
neigt der Schwerpunkt des eingesprühten Kraftstoffes dazu, seitlich
konzentriert zu sein, so dass eine unerwünscht erhöhte Sprühbenetzung (Sprühversatz)
auftritt. Infolge der übermäßig erhöhten Sprühpenetrierung
kann der Kraftstoff, der auf den Kolbenkopf auftrifft oder mit diesem
zusammenstößt (d.h.
mit der Kolben-Schüsselhohlraum-Verbrennungskammerwandung
oder der Wand der Schüsselhohlraumverbrennungskammer)
und der von dieser reflektiert wird, sekundär auf der Zylinderwand während der
homogenen Verbrennungsart beim Einlasshub auftreffen. Infolge solchen
Auftreffens der Kraftstoff-Einspritzung mit engem Winkel auf dem
Kolben-Schüsselhohlraum,
besteht eine erhöhte
Neigung für
den ankommenden Kraftstoff, an der Wandung der Kolben-Schüsselhohlraumverbrennungskammer
in Form eines Kraftstoff-Filmes anzuhaften und im Ergebnis könnte eine
schnelle Karbonisation auftreten, so dass die Abgasemissions-Steuerleistung
durch erhöhte
Abgasemissionen, wie z.B. Rauch und teilchenförmiges Material und durch die Bildung
von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) beeinträchtigt werden
kann. Es besteht die Möglichkeit,
dass die erhöhten
Sprühpenetration
zu unerwünschten
Ablagerungen im Motor führt.
Die tiefe und große
Kolben-Schüsselhohlraumverbrennungskammer
führt zu
einer Zunahme in der Gesamtoberfläche der Verbrennungskammer
und somit zu erhöhten
thermischen Verlusten. Außerdem
beeinträchtigt
der außermittige
Kolben-Schüsselhohlraum eine
Kolbenbalance des Kolbens vom Typ mit offener Verbrennung. Insbesondere
während
des Kaltstartvorganges besteht eine große Differenz zwischen einer
thermischen Ausdehnungseffizienz des Motorzylinders und einer thermischen
Ausdehnungseffizienz des Kolbens und somit leidet der Kolben häufig unter einer
unerwünschten
Klemmbewegung. Die Klemmbewegung des Kolbens, die während des
Kaltstartvorganges auftritt, kann Geräusche und einen unsymmetrischen
Kolbenverschleiß verursachen.
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Bezüglich solch
eines Direkteinspritzungsmotors mit Zündfunkenzündung ist es ein Ziel der Erfindung
eine stabile geschichtete Verbrennungsstabilität solch eines Motors zu verbessern
und dadurch die Motorleistung zu verstärken.
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Für einen
Motor der oben vorgestellten Art wird diese Aufgabe in einer erfinderischen
Weise dadurch gelöst,
dass ein Kraftstoffnebel, eingesprüht von dem Kraftstoffeinspritzerventil
während
des Verdichtungshubes, in der normalen Fallströmung ausgeführt und in die Nähe einer
Spitze der Zündkerze durch
die normale Fallströmung
zugeführt
wird, und das die Kolbenschüssel
zwei gegenüberliegende
flache Seitenwände
hat und einen gekrümmten,
gerundeten Bodenwandabschnitt, gebildet entlang der Stromlinien
der normalen Fallströmung,
so dass relativ starke normale Fallströmungsmassen innerhalb einer
steuerbaren Fallströmungs-
Fläche
zwischen den beiden gegenüberliegenden
Seitenwänden
gebildet werden.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele sind
in den Unteransprüchen
niedergelegt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung in größerer Ausführlichkeit mittels Bezug auf
die beigefügten Zeichnungen
erläutert,
wobei:
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1 ist
eine Längsschnittdarstellung,
die einen Zylinder der fremdgezündeten
Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung zeigt, die einen Kolben aufweist,
der mit einem kugelförmigen,
schüsselartigen
Kolbenhohlraum (der keinen Teil der Erfindung bildet) versehen ist;
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2 ist
eine Draufsicht des Kolbens des Motors der 1, der eine
verbesserte kugelförmige, schüsselartig
im Kolben ausgebildete Verbrennungskammeranordnung hat;
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3 ist
eine perspektivische Darstellung, die den Kolbenkopfabschnitt des
Motors nach der 1 zeigt;
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4 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Verbrennungsstabilität und einem Verhältnis (d/D)
eines Innendurchmessers (d) der kreisförmigen Öffnung des Kolben- Schüsselhohlraumes
zu einer Zylinderbohrung (D) zeigt;
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5 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Stärke der
Fallströmung
nahe des oberen Todpunktes (d.h. eine Fallströmungs-Aufrechterhaltungsleistung)
und ein Verhältnis
(R/D) des Krümmungsradius
(R) des gekrümmten, ausgesparten
Abschnittes des Kolben-Schüsselhohlraumes
zur Zylinderbohrung (D) zeigt:
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6 ist
ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Verbrennungsstabilität und einem Sprühwinkel
eines kegelförmigen
Kraftstoff- Strahles, der eingespritzt wird, zeigt:
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7 ist
eine Längsschnittdarstellung,
die ein Ausführungsbeispiel
einer fremdgezündete Brennkraftmaschine
mit Direkteinspritzung zeigt, die einen Kolben aufweist, der mit
einem scheibenfedernutartigen Kolben-Schüsselhohlraum entsprechend der
Erfindung versehen ist versehen ist;
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8 ist
eine Draufsicht eines Kolbens des Motors des Ausführungsbeispieles,
der eine verbesserte scheibenfedernutartige, im Kolben schüsselartig
ausgebildete Verbrennungskammerstruktur aufweist.
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9 ist
eine perspektivische Darstellung, die den Kolbenkopfabschnitt des
Motors des Ausführungsbeispiels
zeigt.
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10 ist
eine perspektivische Darstellung, die eine Modifikation einer Fallströmungs-Verstärkungsvorrichtung
oder -mechanismus zeigt.
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Bezug
nehmend nunmehr auf die Zeichnungen, insbesondere auf die 1 bis 3,
wird die fremdgezündete
Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung nach der Erfindung anhand
einer Vierventil-zündkerzengezündeten Benzinmotors
dargestellt. Wie in der 1 gezeigt ist, ist bei der fremdgezündeten Brennkraftmaschine
mit Direkteinspritzung, der keinen Teil der Erfindung bildet, ist
die Zündkerze 11 im
Wesentlichen in der Mitte der Verbrennungskammer 4 angeordnet.
Der Zylinderkopf 2 ist auf einem Zylinderblock 1,
der einen Motorzylinder enthält, montiert.
Ein Kolben 3 ist in dem Zylinder aufgenommen, um entlang
eines Hubes in dem Zylinder bewegbar zu sein. Die Verbrennungskammer 4 wird durch
die Zylinderwandung des Zylinderblocks 1, die Bodenfläche des
Zylinderkopfes 2 und die Oberseite (oder die Kolbenkrone
oder den Kolbenkopf) des Kolbens 3 begrenzt. Der Motor
ist mit zwei Einlassöffnungen
(7, 7) ausgerüstet,
die gegenüber
der axialen Mittellinie des Zylinders, der in den Zylinderblock 1 gebohrt
ist, versetzt ist. Wie deutlich in 2 zu sehen
ist, ist der Zylinderkopf 2 mit zwei Einlassventilöffnungen
(7, 7) ausgerüstet,
die gegenüber
der axialen Mittellinie des Zylinders, der in einem Zylinderblock 1 ausgebildet
ist, versetzt sind, und mit zwei Gasventilöffnungen (8, 8),
die gegenüber
der axialen Mittellinie des Zylinders in der entgegengesetzten oder
gegenüberliegenden
Richtung zu den Positionen der Einlassöffnungen versetzt sind. Wie
aus in 1 und 2 ersichtlich ist, hat der Motor
sogenannte Kreuzströmungs-Öffnungsanordnung. Zwei Einlassventile
(5, 5) sind in den jeweiligen Einlassöffnungen
(7, 7) angeordnet, um diese zu öffnen und
zu schließen,
während
zwei Auslassventile (6, 6) in den jeweiligen Auslassöffnungen
(8, 8) angeordnet sind, um diese zu öffnen und
zu schließen.
Jede der Einlassöffnungen
(7, 7) ist so konturiert, dass sie leicht eine
ausreichende turbulente Wirkung bewirken kann, d.h. eine starke
Fallströmung
dem Luft/Kraftstoff-Gemisch verleihen kann, und zwar in der Form einer
vertikalen Wirbel-Fallströmung (Fallströmung im
Zylinder) und zwar innerhalb der Verbrennungskammer 4,
wie in dem Pfeil a in 1 angegeben. Wie in dem Motor
gezeigt ist, ist eine Fallströmungs-Verstärkungseinrichtung
oder ein Fallströmungs-Verstärkungsmechanismus 9 auch
in jedem der Einlassöffnungen
(7, 7), die in dem Ansaugsystem enthalten sind,
vorgesehen, zum Zwecke der zwangsweisen Einführung einer starken Fallwirkung (tumbling
action) auf das Luft/Kraftstoff-Gemisch, insbesondere während eines
Verbrennungsbetriebes mit geschichteter Ladung (einem Verbrennungsbetrieb
mit später
Einspritzung), bei dem eine späte Kraftstoff-Einspritzung
das Ereignis bis nahe des Endes des Verdichtungshubes verzögert, um
ein geschichtetes Luft/Kraftstoff-Gemisch zu erzeugen und die Verbrennungsflamme
in einer kleinen sehr fetten Luft/Kraftstoff-Gemischschicht rund um die Spitze der
Zündkerze 11 beginnt
und nach der Zündung
sich zu dem magereren Gemisch, das den Rest der Verbrennungskammer 4 ausfüllt, ausbreitet.
Wie aus den 1 und 2 ersichtlich
ist (ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird später
vollständig
beschrieben) und aus den 7 und 8 (ein zweites Ausführungsbeispiel),
das vollständig
später
erläutert wird),
wird ein Teil-Verschließventil 10 als
der Fallströmungs-Verstärkungsmechanismus 9 verwendet. Das
Teil-Sperrventil 10 wird in seine geschlossene Stellung
bewegt, um im Wesentlichen die untere Hälfte jeder der Einlassöffnungen
(7, 7) während
des geschichteten Verbrennungsmodus abzusperren, um eine starke
Fallströmung
in der Verbrennungskammer zu erzeugen. Das Teil-Absperrventil 10 wird
in seine geöffnete
Stellung bewegt, um eine vollständige
Strömungsverbindung
durch dieses hindurch während
eines homogenen Verbrennungsmodus (einem Verbrennungsmodus mit früher Einspritzung)
sicherzustellen, wobei die Kraftstoff-Einspritzung frühzeitig
in den Ansaughub ein homogenes Luft/Kraftstoff-Gemisch erzeugt und anschließend dann
das Gemisch gleichmäßig auf
ein Luft-/Kraftstoff-Verhältnis
gemischt wird, so nahe wie möglich
an dem stöchiometrischen
(14,6 : 1 Luft-/Kraftstoff- Verhältnis (AFR)).
Ein Kraftstoff- Einspritzventil 12 ist in einem Seiten wandabschnitt
der Verbrennungskammer 4 und in der Nähe des im Wesentlichen mittleren
Abschnittes der beiden stromabseitigen Öffnungsenden der Einlassöffnungen
(7, 7) angeordnet, um so Kraftstoff direkt in
die Verbrennungskammer 4 einzuspritzen oder auszusprühen.
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Eine
kugelförmige,
schüsselartige
Kolben- Schüsselhohlraum-
Verbrennungskammer (oder eine kugelförmige, tassenförmige Kolben-Schüsselhohlraum-Verbrennungskammer) 13 ist
in dem Mittelabschnitt des Kolbenkopfes 3 ausgebildet.
Der kugelförmige,
schüsselartige
Kolbenhohlraum 13 ist in dem Mittelabschnitt des Kolbenkopfes
ausgebildet, so dass die maximale Tassentiefe des Hohlraumes 13 in
der Mitte des Hohlraumes erhalten wird, so dass der zentrale tiefste
Punkt des Hohlraumes mit der Mittelachse des Kolbens 3 übereinstimmt
und der kugelförmige,
tassenartige Hohlraum 13 ist koaxial in Bezug auf die Mittelachse
des Kolbens 3 angeordnet. Außerdem ist eine kugelförmig gekrümmte, ausgesparte
innere, konkave Umfangswandfläche
(oder eine konkave Bodenwandoberfläche) des Hohlraumes 13 so
dimensioniert oder konturiert, dass die ausgesparte innere Umfangswandoberfläche des Hohlraumes 13 in
einer Richtung einer Strömungslinie
der vorerläuterten
Fallströmung
gekrümmt
oder gerundet ist, angegeben durch den Pfeil a in 1. In
dem Kolbenaufbau des Motors, wie am besten aus 3 ersichtlich,
ist die Kolben-Schüsselhohlraumverbrennungskammer 13 als
ein kugelförmig
ausgesparter, schüsselförmiger Hohlraum
ausgebildet. Aus den Gründen,
die nachfolgend unter Bezugnahme auf die 4 und 5 erläutert werden,
ist das oberste Ende der kreisförmigen Öffnung (einfach
die kreisförmige Öffnung)
der kugelförmig-ausgesparten, schüsselartigen
Verbrennungsraumkammer 13 so dimensioniert, dass das Verhältnis (d/D)
des Innendurchmessers (d) der kreisförmigen Öffnung der schüsselartigen
Hohlraumverbrennungskarnmer 13 zur Zylinderbohrung (D)
innerhalb eines Bereiches 40 % bis 80 % (siehe 4)
festgelegt, und derart, dass das Verhältnis (R/D) des Krümmungsradius
(R) zu der Zylinderbohrung (D) innerhalb eines Bereiches von 20
% bis 65 % liegt. Zusätzlich
zu dem Vorerwähnten
wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
eine Weitwinkel-Einspritzdüse
als eine Kraftstoff- Einspritzdüse 12a des
Einspritzventils 12 verwendet, um einen weiten Kraftstoff-
Sprühwinkel
sicherzustellen, der von 70 Grad bis 90 Grad reicht und, um entsprechend
die Sprühcharakteristika
zu verbessern, z.B. die Spitzen-Durchdringung (Kraftstoff-Sprüh-Penetration),
das Sprüh-Wandungs-Auftreffen,
das Luft-/Kraftstoff-Vermischens und die Bildung einer gesteuerten
Luft-/Kraftstoff-Gemischschicht.
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Wie
aus dem Vorerwähnten
deutlich ist, ist bei dem Motor die sphärische, schüsselartige Kolben-Schüsselhohlraumverbrennungskammer 13, zentral
in dem Mittelabschnitt der Kolbenkrone ausgebildet, so geformt,
dass sie den am tiefsten ausgesparten, inneren Umfangswandabschnitt
in der Mitte der Kolbenkrone hat und auch ist die sphärisch, ausgesparte,
innere Umfangswandoberfläche
des Hohlraumes so konturiert, dass die kugelförmig ausgesparte, innere Umfangswandoberfläche im Wesentlichen
entlang einer Strömungslinie
der Fallströmung (siehe
den Pfeil a von 1) der angesaugten Luft gekrümmt ist.
Dies unterdrückt
oder vermeidet das Auftreten einer unerwünschten Störung in der Fallströmung. Im
Ergebnis dessen kann eine Fallströmungs-Aufrechterhaltungsleistung erhöht werden. Daher
kann der Kraftstoffstrahl (bezeichnet durch F in den 1 und 2)
der von dem Einspritzer 12 in dem Verdichtungshub während der
geschichteten Ladungs-Verbrennungsart sicher und zuverlässig durch
die Fallströmung
getragen und in die Nähe
der Spitze der Zündkerze 11 zugeführt werden,
um eine fettere Luft/Kraftstoff-Gemischschicht rund um die Zündkerze
zur leichten Zündung
zu bilden. Entsprechend kann die Verbrennungsstabilität bei geschichteter
Verbrennung stark erhöht
werden. Wie vorerläutert,
ist die Form der Anordnung (Ausbildung) des kugelförmigen,
schüsselartigen
Kolben-Hohlraumes 13 wirksam, um eine starke Fallströmung zu
erzeugen und eine unerwünschte
Störung
bezüglich
der Fallströmung
zu unterdrücken.
Außerdem
beseitigt das richtige Festlegen der Verhältnisse d/D und R/D die Notwendigkeit
für einen übermäßig und
unbegründet tiefen
Kolben-Schüsselhohlraum.
Daher ist es möglich,
die Kolben-Schüsselhohlraum-
Verbrennungskammer 13 so klein wie möglich auszubilden. Im Ergebnis
dessen kann der gesamte Oberflächenbereich
der Verbrennungskammer 4 vermindert werden, so dass hierdurch
wirksam thermische Verluste vermindert werden und wodurch die Motorausgangsleistung
während
der homogenen Verbrennungsart ebenso wie während der geschichteten Verbrennungsart
erhöht
werden können.
Infolge der hohen Fallströmungs-Aufrechterhaltungsleistung,
erhalten durch die einzigartige Form und Anordnung der sphärischen,
schüsselartigen
Kolben-Hohlraumverbrennungskammer 13 kann der Kraftstoff,
der durch die Einspritzdüse 12a eingespritzt
und in der gesamten Verbrennungskammer 4 verteilt wird,
wirksam durch das volle Zusammenwirken der gesteuerten starken Fallströmung (siehe
den Pfeil a von 1) und die begründet-gekrümmte, ausgesparte
innere Umfangswandfläche
des Hohlraumes 13 aufgeworfen werden und gleichzeitig trägt die starke
Fallströmung zu
einer zwangsweisen Trennung des Kraftstoff-Filmes, der an der Innenwandung des
Hohlraumes 13 anhaftet, bei. Dies vermeidet, dass infolge
des Kraftstoff-Filmes eine unerwünschte
Karbonisation auftritt und erhöht
auch eine Gesamtverbrennungsstabilität (einschließlich einer
Stabilität
einer homogenen Verbrennung ebenso wie einer Stabilität einer
geschichteten Verbrennung) mit bemerkenswerter Verminderung der
Abgasemissionen, wie z.B. Rauch, teilchenförmiges Material (PM), unverbrannter
Kohlenwasserstoff (HCs) und der Unterdrückung der Bildung von Ablagerungen.
Außerdem
wird der kugelförmige, schüsselartige
Kolben-Hohlraum 13 im Wesentlichen im Mittelabschnitt der
Kolbenkrone ausgebildet und somit ist eine Balance des Kolbens 3,
der sich aufwärts
und abwärts
bewegt, gut. Die gute dynamische Kolben- Balance, die aus dem zentral
ausgebildeten, sphärischen,
schüsselartigen
Hohlraum 13 entsteht, beseitigt oder vermindert Geräusche und
unsymmetrischen Kolben-Verschleiß während der
Arbeitsweise des Motors und verlängert
hierdurch die Lebensdauer des Motors. Im einzelnen ist die Kolben-Schüsselhohlraumverbrennungskammer 13 als
ein kugelförmig
ausgesparter, tassenförmiger
Abschnitt ausgebildet und somit ist die gesamte Aufrechterhaltungsleistung
für die
Fallströmungs-Komponenten
in allen Fluidströmungsrichtungen,
die in der angesaugten Luftströmung
enthalten sind (oder der Ansaugluftströmung, die durch die Einlassöffnung hineinkommt) erhöht. Diese
verbesserte Gesamt-Fallströmungs-Aufrechterhaltungsleistung
realisiert eine stabilere Verbrennung während des Verbrennungsmodus
mit geschichteter Ladung. Auch ist in der Einlassöffnung 7 der
Fallströmungs-Verstärkungsmechanismus 9 (z.B.
das Teil-Schließventil 16 in
dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel)
vorgesehen. Wie oben erwähnt,
dient der Fallströmungs-Verstärkungsmechanismus 9 dazu,
zwangsweise eine starke Fallströmung
zu schaffen und dem Luft/Kraftstoff-Gemisch eine starke Fallwirkung
zu verleihen. Die Schaffung des Fallströmungs-Verstärkungsmechanismus 9 erhöht einen
Betriebsbereich für
die Verbrennung mit geschichteter Ladung. Wie in den 1 und 7 gezeigt,
wird das Teil-Verschließventil 10 als
die Fallströmungs-Verstärkungsvorrichtung 9 verwendet,
so dass das Teil-Schließventil 10 schließt, um die
untere Hälfte
des Strömungskanal-Querschnittes
der Einlassöffnung 7 während der geschichteten
Verbrennung zu verschließen
und öffnet
vollständig,
um eine vollständige
Strömungsverbindung
der Einlassöffnung 7 während der
homogenen Verbrennung zu etablieren. Das Teil-Verschlussventil 10 ist
im Aufbau einfach und leicht in der Einlassöffnung 7 zu installieren,
so dass ein Fallströmungs-Verstärkungsmechanismus
mit niedrigen Kosten geschaffen wird.
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Bezug
nehmend nunmehr auf die 4 und 5 sind in
diesen Variationen hinsichtlich einer Stabilität der geschichteten Verbrennung
gezeigt, beeinflusst durch die Größe eines Bereiches der kreisförmigen Öffnung der
kugelförmig-ausgesparten, schüsselartigen
Hohlraumverbrennungskammer 13 und die Tiefe des Hohlraumes 13.
Die Testdaten, die in den 4 und 5 gezeigt
sind, sind experimentell durch die Erfinder der Erfindung sichergestellt. Wie
aus 4 ersichtlich ist, wenn das Verhältnis d/D
des Durchmessers (d) der kreisförmigen Öffnung zu
demjenigen der Zylinderbohrung (D) auf 60 % festgelegt wird, zeigt
der Motor die höchste
Verbrennungsstabilität
der geschichteten Verbrennung. Wenn das Verhältnis (d/D) auf nahe 30 % festgelegt wird,
wird der Öffnungsbereich
des sphärischen, schüsselartigen
Kolben-Schüsselhohlraumes 13 übermäßig eng
und die übermäßig enge
Hohlraumöffnung
hat die Schwierigkeit, den eingespritzten Kraftstoff-Strahl aufzunehmen
oder einzufangen. Dies gestattet es dem Kraftstoff-Einsprühstrahl,
sich unerwünscht
zu verteilen oder innerhalb der Verbrennungskammer 4 zu
diffundieren, so dass hieraus eine instabile Verbrennung resultiert.
Im Gegensatz dazu, wenn der Eröffnungsbereich
des kugelförmigen,
tassenartigen Kolben-Schüsselhohlraumes übermäßig groß ist, z.
B., wenn der Öffnungsbereich
des Hohlraumes auf nahezu 90 % festgelegt wird, neigt der Kraftstoff-Einsprühstrahl
dazu, leicht innerhalb der Hohlraumverbrennungskammer 13 verteilt
zu werden, infolge der übermäßig großen Hohlraumöffnung. Außerdem,
wie aus der Kennlinie, gezeigt in 5 ersichtlich
ist, ändert
sich die Stärke
der Fallströmung (oder
die Fallströmungs-
Aufrechterhaltungsleistung) in Abhängigkeit von dem Verhältnis (R/D)
des Krümmungsradius
R des gekrümmten,
ausgesparten Abschnittes des kugelförmigen, tassenartigen Kolben-Schüsselhohlraumes 13 zu
demjenigen der Zylinderbohrung D. Wie aus 5 ersichtlich
ist, wenn das Verhältnis
R/D auf ungefähr
40 % festgelegt wird, kann die höchste
Fallströmungs-Aufrechterhaltungsleistung
erhalten werden. Die Fallströmungs-Aufrechterhaltungsleistung
wird auf einem verhältnismäßig hohen
Niveau gehalten, wenn das Verhältnis
R/D innerhalb des Bereiches von 20 % bis 65 % liegt. Im Gegensatz
dazu, wenn das Verhältnis
R/D kleiner als 20 % ist, oder wenn das Verhältnis R/D über 70 % beträgt, besteht
eine Neigung dahingehend, dass die Fallströmungs-Aufrechterhaltungsleistung
abnimmt. Auf der Grundlage der Testergebnisse, die in den 4 und 5 dargestellt
sind, wird der Durchmesser D der kreisförmigen Öffnung des sphärischen, tassenartigen
Kolben-Schüsselhohlraumes
so festgelegt, dass er dem Verhältnis
d/D in einem Bereich von 40 % bis 80 % entspricht, wobei der Krümmungsradius
R des sphärischen,
tassenartigen Kolben- Schüsselhohlraumes 13 festgelegt
wird, das er dem Verhältnis
R/D in einem Bereich von 20 % bis 65 % genügt und wodurch die Motorausgangsleistung
infolge sowohl der erhöhten
Stabilität
beschichteter Verbrennung, als auch der erhöhten Fallströmungs-Aufrechterhaltungsleistung
erhöht
wird.
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Bezug
nehmend nunmehr auf die 6 ist in dieser die Sprühwinkel/Verbrennungsstabilitäts-Kennlinienkurve
dargestellt. Wie aus 6 ersichtlich ist, wenn der
Kraftstoff-Sprühwinkel
unterhalb von 70 Grad liegt, besteht eine Neigung dazu, dass der
Aufwurf oder Einbringungseffekt für das Luft-/Kraftstoff-Gemisch,
der durch die starke Fallströmung
erzeugt wird, während
des Verbrennungsmodus mit geschichteter Ladung, abnimmt. Außerdem führt ein
verhältnismäßig enger
Sprühwinkel (unter
70 Grad) zu einer verminderten Luft/Kraftstoff-Gemischhomogenisierung
infolge der erhöhten Sprühdurch dringung
während
des Verbrennungsmodus mit homogener Verbrennung (während des
Betriebes mit früher
Kraftstoff- Einspritzung in den Ansaughub) und führt auch zu einer Anhaftung
des Kraftstoff-Filmes an der Kolbenkrone. Mit einem Sprühwinkel
unterhalb von 70 Grad neigt sowohl die Verbrennungsstabilität während der
homogenen Verbrennung ebenso wie während der geschichteten Verbrennung
dazu, sich zu vermindern. Im Gegensatz dazu, steht dann, wenn der
Sprühwinkel
so festgelegt wird, dass er größer als
90 Grad ist, eine Neigung dazu, dass der Kraftstoff-Einspritzsprühstrahl sich übermäßig innerhalb
der Verbrennungskammer dispergiert, und zwar infolge des übermäßig weiten Sprühwinkels
(oberhalb 90 Grad). Solch ein weit dispergierter Kraftstoff-Sprühstrahl
resultiert in einer unerwünschten
Anhaftung des Kraftstoff-Filmes an der Zündkerze und verursacht rußige Kohlenstoffablagerungen
an dem Isolator rund um die Elektrode der Zündkerze 11. Dies verschlechtert
die Stabilität
der geschichteten Verbrennung. Um sowohl hinsichtlich einer beschichteten
Verbrennung als auch einer homogenen Verbrennung stabilere Verbrennungscharakteristika
zu erhalten, wird der Sprühwinkel
innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereiches von 70 bis 90 Grad
festgelegt. Um den vorbestimmten Sprühwinkel im Bereich von 70 bis
90 Grad einzustellen, verwendet die fremdgezündete Brennkraftmaschine mit
Direkteinspritzung nach dem Ausführungsbeispiel
eine Weitwinkel-Einspritzdüse.
Daher kann eine Stabilität
der geschichteten Verbrennung in größerem Maße erhöht werden. Außerdem ist
die Verwendung der Weitwinkel-Einspritzdüse, die in der Lage ist, einen
Sprühwinkelbereich
von 70 bis 90 Grad zu realisieren, wirksam, um die Homogenisierung
des Gemisches während
des Modus mit homogener Verbrennung zu fördern und unterdrückt somit die
Bildung von Rauch, unverbrannten Kohlenwasserstoffen, rußigen Kohlenstoffablagerungen.
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Bezug
nehmend auf die 7 bis 9 ist in
diesen der Motoraufbau nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Der Motoraufbau des Ausführungsbeispieles der 7 bis 9 ist ähnlich demjenigen
des Motors nach den 1 bis 3 mit der
Ausnahme dessen. dass die Form des Kolben-Schüsselhohlraumes des Ausführungsbeispiels
der Erfindung von derjenigen des Motors, beschrieben in Verbindung
mit den 1 – 3 verschieden
ist.
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Wie
am besten aus 9 ersichtlich, ist der erfindungsgemäße Motor
von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
nur darin geringfügig
von dem Motor der 1 – 3 unterschiedlich,
dass der Kolben, der in dem Motor nach dem Ausführungsbeispiel verwendet wird,
mit einem scheibenfedernutförmigen
Kolben-Schüsselhohlraum 113 versehen
ist. Somit werden dieselben Bezugszeichen, die verwendet worden
sind, um die Elemente in dem Motor nach dem Ausführungsbeispiel, gezeigt in
den 1 bis 3, zu bezeichnen, auch auf die
entsprechenden Elemente angewandt, die in dem Motor des Ausführungsbeispieles,
gezeigt in den 7 bis 9, verwendet
sind, zum Zwecke des Vergleichs.
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Nur
die Kolben- Struktur, die den scheibenfedernutartigen Kolben-Schüsselhohlraum 113 aufweist,
wird nachfolgend im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert, während eine
detaillierte Beschreibung der anderen Elemente hier weggelassen
wird, da die vorerwähnte Beschreibung
derselben mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel selbst erläuternd erscheint.
Wie aus den 7 bis 9 deutlich
ist, wird der scheibenfedernutartige Kolben-Schüsselhohlraum 113 durch
zwei gegenüberliegende,
parallele Seitenwandabschnitte und einen abgerundeten Bodenwandabschnitt
definiert. Die vorerwähnten
zweieckigen überliegenden
parallelen im Wesentlichen sichelförmigen flachen Seitenwände des
Hohlraumes 113 sind in solch einer Weise ausgebildet, dass
sie sich entlang der Fallströmung
erstrecken, wie durch dien Fall a gezeigt in 7 angedeutet
ist und sich im Wesentlichen parallel zur Richtung der Fallströmung, angegeben
durch den Pfeil A erstrecken. Der vorerwähnte abgerundete Bodenwandabschnitt
des Hohlraumes 113 ist in Richtung der Fallströmung, angegeben
durch den Pfeil a, rund ausgebildet. Der Krümmungsradius R des scheibenfedernutartigen Kolben-
Schüsselhohlraumes 113 ist
durch eine Ebene parallel zu den vorerwähnten zwei gegenüberliegenden
flachen Seitenwänden
geschnitten. Wie aus den 7 bis 9 ersichtlich
ist, hat der gerundete Bodenwandabschnitt des Hohlraumes 113 denselben
Krümmungsradius
in der Richtung senkrecht zu den zwei gegenüberliegenden parallelen, im
Wesentlichen sichelförmigen
Seitenwandungen des Hohlraumes 113. Eine quadratische Öffnung (eine
im Wesentlichen regelmäßige quadratische Öffnung)
des scheibenfedernutartigen Kolben-Schüsselhohlraumes 113 wird
durch die zwei parallelen, stumpfwinklig kantenbegrenzten Abschnitte
des gerundeten Bodenwandabschnittes und die zwei parallelen, rechtwinklig
kantenbegrenzten Abschnitte der zwei gegenüberliegenden flachen Seitenwandungen
begrenzt. In derselben Weise, wie der Hohlraum 13 des ersten
Ausführungsbeispiels
ist, um eine stabile Stabilität
der geschichteten Verbrennung zu schaffen, die Länge d jede der vier Seiten
der quadratischen Öffnung
des scheibenfedernutartigen Kolben- Schüsselhohlraumes 113 so
dimensioniert, dass das Verhältnis
(d/D) zu dem Durchmesser der Zylinderbohrung innerhalb von 40 %
bis 80 % liegt. Außerdem,
um die Fallströmungs-
Aufrechterhaltungsleistung zu erhöhen, ist der Krümmungsradius
R des gerundeten Bodenwandabschnittes des Hohlraumes 113 so
dimensioniert, dass das Verhältnis
(R/D) des Krümmungsradius
R des gerundeten Bodenwandabschnittes zu demjenigen der Zylinderbohrung D
innerhalb des Bereichs von 20 % bis 65 % liegt. Somit kann der Motor
nach dem zweiten Ausführungs beispiel
dieselben Wirkungen wie diejenigen bei dem ersten Ausführungsbeispiel
herbeiführen.
Außerdem ist
der gerundete Bodenwandabschnitt des Hohlraumes 113 entlang
der Richtung (oder der Strömungslinie)
der Fallströmung
(siehe den Pfeil a, gezeigt in 7) wirksam
ausgespart und außerdem
sind die zwei gegenüberliegenden
flachen Seitenwände
des Hohlraumes 113 im Wesentlichen parallel zu der Strömungslinie
der Fallströmung
ausgebildet. Somit sichern die zwei gegenüberliegenden flachen Seitenwände und
der glatt gekrümmte,
gerundete Bodenwandabschnitt des Hohlraumes 113 eine gute
Konvergenzwirkung und eine erhöhte
Strömungs-Begradigungswirkung
auf die Fallströmung.
Im Ergebnis kann die Fallströmungs-Aufrechterhaltungsleistung in
höherem
Maße erhöht und vergrößert werden.
Entsprechend kann die Stabilität
der geschichteten Verbrennung weiter erhöht werden.
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Bezug
nehmend auf 10 ist darin die Modifikation
des Fallströmungs-Verstärkungsmechanismus 9 gezeigt.
In den vorbeschriebenen ersten und zweiten Ausführungsbeispielen wird als ein
Beispiel des Fallströmungs-Verstärkungsmechanismus
das Teil-Schließventil 10 verwendet.
Im Gegensatz dazu wird in der Modifikation nach 10 ein
Fallströmungs-Verstärkungsmittel
mit dem Einlassventil 5 selbst verbunden. Wie in 10 gezeigt
ist, weist das Einlassventil 5 einen Ventilkopf 5a und
einen Ventilschaftabschnitt 5b auf. Das freie Ende des
Ventilschaftes 5b ist mit einem geschlitzten Abschnitt
versehen, der mit einem Vorsprungsabschnitt eines Steuerarmes 14 zur
Verhinderung einer Drehbewegung des Ventilschaftes 5b gekuppelt
ist. Ein gekrümmter,
eine Fallströmungswirkung
erzeugender, teilweise kragenförmig
ausgebildeter, aufrechter Wandabschnitt 15 ist auf der
Rückseite
des Ventilkopfabschnittes 5a mit diesem so verbunden, dass
er sich in Umfangsrichtung über
die untere Hälfte
des Ventilkopfabschnittes 5a erstreckt. Daher kann die Fallströmung durch
Absperren der angesaugten Luftströmung, die durch den Öffnungsraum
der unteren Halbseite des Einlassventils 5 strömt, verstärkt werden.
In solch einem Fall kann die Fallströmungs-Verstärkungseinrichtung oder -vorrichtung
nur durch die bauliche Änderung
im Ventilkopfabschnitt des Einlassventils 5 erreicht werden.
Um eine Fallströmungs-Verstärkungseinrichtung
oder -vorrichtung mit niedrigen Herstellungskosten zu schaffen,
ist es vorteilhaft, den die Fallströmungswirkung erzeugenden, kragenförmigen Wandabschnitt 15 einstückig mit
dem Einlassventil 5 auszuführen oder einstückig mit
diesem zu verbinden. Wie oben ausgeführt, kann dann, wenn die Fallströmungs-Verstärkungseinrichtung
oder -vorrichtung 9 vorgesehen ist, eine Betriebsweise
von geschichteter Verbrennung leicht erweitert werden. In den gezeigten
Ausführungsbeispielen
ist das grundsätzliche
Konzept (Hauptmerkmal) der Erfindung beispielhaft als die solitäre Kolben-Schüsselhohlraumstruktur
verdeutlicht, die ordnungsgemäße Fallströmung erzeugt
(die vertikale Wirbel- Luftströmungsbewegung,
die in der vertikalen Richtung erzeugt wird, wie dies durch den
Pfeil a in den 1 und 7 dargestellt
ist). Wie deutlich ist, kann das Konzept der Erfindung auch auf
eine Kolben-Schüsselhohlraumstruktur
angewandt werden, die eine sogenannte Umkehr-Fallströmung erzeugt (vertikale
Wirbelströmungsbewegung,
die in der entgegengesetzten Fallströmungsrichtung in Bezug auf die
Richtung, wie sie durch den Pfeil a angegeben ist, erzeugt).
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Wie
bereits oben erläutert,
kann die schüsselartig
im Kolben ausgebildete Verbrennungskammeranordnung einen scheibenfedernutartigen
Hohlraum aufweisen, der eine quadratische Öffnung und den tiefsten Abschnitt
in einer Hohlraummitte derselben hat.
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Der
scheibenfedernutartige Hohlraum ist durch zwei gegenüberliegende,
parallele, im Wesentlichen halbkreisförmige flache Seitenwandabschnitte und
einem abgerundeten Bodenwandabschnitt gebildet.
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Vorzugsweise
wird das Verhältnis
der Länge jeder
der vier Seiten der quadratischen Öffnung des scheibenfedernutartigen
Hohlraums zu der Zylinderbohrung innerhalb eines Bereiches von 40%
bis 80% festgelegt, und auch das Verhältnis eines Krümmungsradius
des abgerundeten Bodenwandabschnittes des scheibenfedernutartigen
Hohlraums zu der Zylinderbohrung wird innerhalb eines Bereiches
von 20% bis 65% festgelegt. Noch genauer, der Direkteinspritzungsmotor
mit Zündfunkenzündung kann
außerdem
eine Fallströmungs-Verstärkungsvorrichtung
aufweisen, dass in einem Einleitungssystem vorgesehen ist. Die Fallströmungs- Verstärkungsvorrichtung
kann ein teilabschaltbares Ventil aufweisen, das in eine geschlossene
Position bewegbar ist, um eine untere Hälfte der Einlassöffnung während des
geschichteten Ladungsverbrennungsmodus abzuschalten, und in eine
offene Position, um die vollständige
Fluid- Verbindung dort hindurch während des homogenen Verbrennungsmodus
zu sichern.
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In
diesem Modus erzeugt die Kraftstoffeinspritzung früh in einem
Einlasshub ein homogenes Luft- Kraftstoff- Gemisch.
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Alternativ
kann die Fallströmungs-
Verstärkungsvorrichtung
einen kragenartigen Wandabschnitt, verbunden mit der Rückseite
des Ventilkopfabschnittes des Einlassventiles, so dass sich der
kragenartige Wandabschnitt in Umfangsrichtung über die untere Hälfte des
Ventilkopfabschnittes erstreckt. Überdies, um die verschiedenen Sprühmerkmale
zu verstärken,
nämlich
die Spitzen-Penetration (die Kraftstoff- Sprühnebel- Penetration), das Sprühnebel-/Wand-Anstoßen, das Luft-/Kraftstoffmischen
und die Bildung einer gesteuerten Luft-/Kraftstoff- Gemischschicht,
wird es bevorzugt, dass das Kraft stoffeinspritzventil eine breitwinklige
Einspritzdüse
eines Kraftstoffsprühwinkels
hat, der von 70° bis
90° reicht.
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Nochmals,
der Direkteinspritzungsmotor mit Zündfunkenzündung, der zwischen einem geschichteten
Ladungsverbrennungsmodus, wo die Kraftstoffeinspritzung in einem
Verdichtungshub ausgeführt wird,
während
des Einleitens einer vertikalen Wirbel-Fallströmung in eine eingeleitete Luft,
die in die Brennkammer durch eine Einlassöffnung einsogen ist, und einem
homogenen Verbrennungsmodus, wo die Kraftstoffeinspritzung früh in dem
Einlasshub ein homogenes Luft- Kraftstoff- Gemisch erzeugt, weist auf
einen Zylinderblock, der einen Zylinder hat, einen Kolben, bewegbar
durch einen Hub in dem Zylinder, und der eine mittig-gebildeten
schüsselartig
im Kolben ausgebildete Verbrennungskammeranordnung in seinem Kolbenkopf
hat, einen Zylinderkopf, montiert auf dem Zylinderblock, eine mittig
angeordnete Zündkerze
und ein Kraftstoff- Einspritzventil, das in der Nähe des Einlassventiles
für das
direkte Einspritzen des Kraftstoffes in die Brennkammer vorgesehen ist.
Die schüsselartig
im Kolben ausgebildete Verbrennungskammer ist so gebildet, dass
der tiefste Abschnitt der schüsselartig
im Kolben ausgebildeten Verbrennungskammer in der Mitte des Kolbenkopfes erhalten
wird, und die konkave Innenwandoberfläche der Hohlraumbrennkammer
ist ausgebildet, um in einer Richtung einer Strömungslinie der vertikalen Wirbelfallströmung gekrümmt zu sein.