DE19705023B4

DE19705023B4 - Brennraum eines Kraftstoff direkt in einen Zylinder einspritzenden Motors

Info

Publication number: DE19705023B4
Application number: DE19705023A
Authority: DE
Inventors: Akira Musashino Akimoto
Original assignee: Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1997-02-10
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2017-02-11
Also published as: DE19705023A1; GB2310003A; GB2310003B; JPH09209762A; JP3681080B2; GB9702648D0

Abstract

Brennraum eines Kraftstoff direkt in einen Zylinder einspritzenden Motors mit Fremdzündung mit:
einer dachförmigen Zylinderkopfunterseite mit zwei zueinander geneigten Dachflächen für die Einlassventilseite bzw. die Auslassventilseite;
einem Kraftstoff-Einspritzventil (15) zwischen den beiden zueinander geneigten Dachflächen der Eilassventilseite und der Auslassventilseite, wobei das Einspritzventil (15) um einen Winkel α geringfügig zur Auslassventilseite hin geneigt ist;
einem Einlasskanal, der an der einlasskanalseitigen Dachfläche in einem spitzen Winkel γ einschließlich 0° zu einer verlängerten Linie (L_EX) von einer auslassseitigen Dachfläche so vorgesehen ist, dass eine Wirbelströmung von Ansaugluft an der auslassseitigen Dachfläche entlang erzeugt wird;
einer Kolbenmulde mit einer gekrümmten Oberfläche, die auf der Oberseite eines Kolbens so ausgebildet ist, dass Kraftstoffnebel, der aus einem Kraftstoff-Einspritzventil eingespritzt wird, zusammen mit der Wirbelströmung in Richtung der einlassseitigen Dachfläche zurückgeworfen wird; und
einer Elektrode einer Zündkerze, die von der einlassseitigen oder auslassseitigen Dachfläche so vorragt, dass sie gerade mit der...

Description

Die Erfindung betrifft einen Aufbau eines Brennraums für einen Kraftstoff direkt in einen Zylinder einspritzenden Motor mit Fremdzündung bzw. Ottomotor mit Direkteinspritzung und insbesondere einen Aufbau eines Zylinderkopfs und eines Kolbens, um leicht eine Taumel- bzw. Wirbelströmung zu erzeugen, sowie eine Anordnung einer Zündkerze und eines (Kraftstoff-)Einspritzventils, um die Verbrennung von Kraftstoff zu optimieren, der aus einem Einspritzventil versprüht wird.

Im allgemeinen kann bei diesem Motortyp die Verbrernungsstrategie selektiv auf eine von zwei Verbrennungsstrategien umgeschaltet werden: Schichtladeverbrennung und homogene Verbrennung. Die Schichtladeverbrennung ergibt sich durch Realisieren von Ladungsschichtung im späteren Stadium des Verdichtungstakts und Bilden zündfähiger Gemischgase an der Zündkerze, und die homogene Ladeverbrennung wird durch Mischen von während des Ansaugtakts eingespritztem Kraftstoff mit Ansaugluft erreicht.

Als Beispeil für die Technologie des Brennraums, die für sowohl Schichtladeverbrennung als auch homogene Ladeverbrennung geeignet ist, wurde vom Erfinder der vorliegenden Erfindung die JP-A-6-42352 vorgeschlagen, bei der ein Einspritz ventil in einer senkrechten Position oben in der Mitte des Brennraums angeordnet und eine Mulde auf der Oberseite des Kolbens in Gegenrichtung zur Einspritzrichtung des Einspritzventils ausgebildet ist. Ferner ist in dieser Erfindung eine Elektrode der Zündkerze in der Nähe der Düse des Einspritzventils angeordnet.

Bei dieser Brennraumstruktur wird in der Schichtladeverbrennung ein Endanteil von Kraftstoff, dessen Einspritzung unmittelbar vor der Zündeinstellung abgeschlossen ist, durch die Zündkerze gezündet, oder es werden auf die Mulde des Kolbens auftreffende und durch sie zurückgeworfene Kraftstoff-Luft-Gemische genau zu dieser Zündeinstellung gezündet, wodurch Verbrennungsstabilität gewährleistet wird. Andererseits lassen sich in der homogenen Ladeverbrennung homogene Kraftstoff-Luft-Gemische erhalten, da die Kraftstoffeinspritzung in einem relativ frühen Stadium des Ansaugtakts beginnt. Da ferner bei diesem Brennraum das Einspritzventil in einer senkrechten Position oben in der Mitte des Brennraums vorgesehen ist, wird verhindert, daß versprühter Kraftstoff an den Zylinderwandflächen haftet, wodurch ein für die Verbrennung nachteiliger Effekt infolge von sogenanntem "Quench" bzw. Löschen von Kraftstoff unterbunden wird.

Um eine stabile Verbrennung durch Bilden zündfähiger Kraftstoff-Luft-Gemische zum Zündzeitpunkt der Zündkerze zu erhalten, hat eine "günstigste Abschlußeinstellung der Kraftstoffeinspritzung" (abgekürzt: BITI), bei der die Zündung am günstigsten wird, eine in 13 durch eine Strichlinie dargestellte Kennlinie. Wie aus der Kennlinie hervorgeht, zeigt die günstigste Einstellung der Kraftstoffeinspritzung eine sehr schwache Korrelation gegenüber der Kraftstoffeinspritzmenge (oder Motorlast), und folglich wird davon ausgegangen, daß die Abschlußeinstellung der Kraftstoffeinspritzung gegenüber der Zündeinstellung konstant gehalten werden kann.

Verlagert sich allerdings gemäß 14 die Einstellung der Kraftstoffeinspritzung gegenüber der Zündeinstellung nach vorn (in Richtung "früh"), kommt es aufgrund der stärkeren Vormischung von eingespritztem Kraftstoff mit Luft zu stärke ren HC- und NOx-Emissionen bis zu einem bestimmten Zündwinkel, wonach sie allmählich abnehmen. Verlagert sich dagegen die Einstellung der Kraftstoffeinspritzung gegenüber der Zündeinstellung nach hinten (in Richtung "spät"), kommt es aufgrund einer tröpfchenweisen Verbrennung von eingespritztem Kraftstoff zu einem Rußemissionsanstieg infolge der mangelnden Kraftstoffverdampfung. Ferner kommt es mit zunehmender Kraftstoffeinspritzmenge tendenziell zu einem frühen Zeitpunkt der Rußerzeugung. Folglich ist es bei einer Steuerung der "günstigsten Einspritzeinstellung" (abgekürzt: BITE) im Hinblick auf Emissionen (Ruß,. CO, HC und NOx) notwendig, mit zunehmender Kraftstoffeinspritzmenge (Motorlast) den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung in Richtung früh zu verlagern.

Als Ergebnis ist bei der Schichtladeverbrennung eindeutig klar, daß die BITI-Steuerung mit Schwerpunkt auf Zündfähigkeit einen anderen Steuerbereich als die BITE-Steuerung mit Schwerpunkt auf emissionsverhindernden Maßnahmen hat.

Wird allerdings im Fall eines Brennraums, in dem eine flache Mulde 1a auf der Kolbenoberseite gemäß 15 ausgebildet ist, der (Abschluß-)Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung früh festgelegt, verteilt sich aus dem Einspritzventil 2 versprühter Kraftstoff nach Auftreffen auf die Mulde ringsum. Als Ergebnis erreicht Kraftstoffnebel nicht die Umgebung der Elektrode 3a der Zündkerze 3, und zündfähige Kraftstoff-Luft-Gemische können sich nicht an der Elektrode 3a bilden, was zu Fehlzündungen oder unvollständiger Verbrennung führt. Daher ist es bei einem Motor mit derartiger Kolbenkonfiguration erforderlich, die Einstellung des Einspritzabschlusses der Zündeinstellung anzunähern und eine Endteilmenge von versprühtem Kraftstoff zu zünden. Das heißt, es wird davon ausgegangen, daß es eine Grenze für die Vorverlegung des (Abschluß-)Zeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung entsprechend der Kraftstoffeinspritzmenge gibt.

Zur Lösung dieses Problems besteht ein Gedanke darin, die flache Mulde 1a auf der Kolbenoberseite so zu einer Krümmung abzuwandeln, daß sich aus dem Einspritzventil einge spritzter Kraftstoff an der gekrümmten Muldenoberfläche entlang spiralförmig nach oben bewegt. Mit diesem Gedanken kann ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch an der Elektrode der Zündkerze gebildet und die Kraftstoffeinspritzeinstellung bis zu einem gewissen Grad in Richtung "früh" verstellt werden. Allerdings reicht allein dieses Verfahren unter Rückgriff auf die Konfiguration des Kraftstoffnebels noch nicht aus, zündfähige Kraftstoff-Luft-Gemische an der Zündkerze zu gewährleisten, wenn die Einstellung der Kraftstoffeinspritzung weiter vorverlegt wird.

Im allgemeinen werden bei Schichtladeverbrennung Kraftstoff-Luft-Gemische an der Elektrode der Zündkerze zu stark angereichert oder bewirken eine mangelnde Verdampfung, wenn ein mageres Kraftstoff-Luft-Verhältnis dem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis nahekommt, d. h., die Einspritzmenge erhöht sich, was zur Erzeugung von Ruß-, CO- und HC-Emissionen führt. Dies bedeutet, daß es eine bestimmte "fette" Grenze im mittleren Kraftstoff-Luft-Gemisch bei Schichtladeverbrennung gibt. Da andererseits bei homogener Ladeverbrennung die gesamten Gemischgase homogenisiert sind, gibt es auch eine bestimmte "magere" Grenze, unter der Zündung unmöglich ist.

Bekanntlich eignet sich die Schichtladeverbrennung zum Betrieb bei niedriger und mittlerer Last und die homogene Ladeverbrennung zum Betrieb bei hoher Last. Im Betrieb ändern sich Motorlasten kontinuierlich. Ferner werden beim Motor mit Direkteinspritzung Kraftstoff-Luft-Gemische variabel je nach wechselnden Motorlasten festgelegt. Befindet sich daher die fette Grenze der Schichtladeverbrennung auf einer magereren Seite als die magere Grenze homogener Ladeverbrennung, wird bei jeder Änderung des Motorbetriebsbereichs das Kraftstoff-Luft-Verhältnis diskontinuierlich geändert, d. h., beim Wechsel von Schichtladeverbrennung zu homogener Ladeverbrennung kommt es zu einer raschen Änderung in die fette Richtung des Kraftstoff-Luft-Gemischs, und beim Wechsel von homogener Ladeverbrennung zu Schichtladeverbrennung kommt es zu einer schnellen Änderung zur mageren Seite.

Folglich zieht die Sachlage, daß sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch bei jedem Wandel der Verbrennungsstrategie diskontinuierlich ändert, schlechtere Emissionen und inakzeptables Fahrverhalten nach sich. Diese Situation wird anhand von 13 beschrieben.

Wird zur Beibehaltung der Kontinuität des Kraftstoff-Luft-Gemischs (unter Annahme konstanter Ansaugluftmenge) die Einspritzmenge bei Schichtladeverbrennung mit dem gleichen Wert P₁ wie die magere Grenze P₃ homogener Ladeverbrennung festgelegt, kommt es zu Nachteilen, z. B. Erzeugung von Rußemissionen und Anstieg von CO-Emissionen am Punkt P₁. Wird dagegen die Einspritzmenge an der fetten Grenze P₂ festgelegt, um diese Nachteile beim Wechsel von Schichtladeverbrennung auf homogene Ladeverbrennung zu vermeiden, steigt die Einspritzmenge von P₂ zu P₃ abrupt, was Diskontinuität der Motorausgangsleistung gegenüber Motorlast bewirkt.

Daher beabsichtigt die Erfindung, die Nachteile der bekannten Ansätze zu vermeiden.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Aufbau eines Brennraums für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung bereitzustellen, der den breiten Bereich der Einstellung des Einspritzabschlusses bei Schichtladeverbrennung entsprechend der Kraftstoffeinspritzmenge herstellen kann, ohne negative Auswirkung auf Emissionen zu haben und stets eine stabile Zündleistung zu erhalten.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Aufbau eines Brennraums bereitzustellen, der eine Motorlastkontinuität beim Wechsel von Schichtladeverbrennung auf homogene Ladeverbrennung gewährleisten kann, um ein gutes Fahrverhalten zu erhalten.

Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Zeichnung eines Brennraums eines Ottomotors mit Direkteinspritzung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Seitenansicht eines Aufbaus des Brennraums gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Draufsicht auf den Brennraum gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Seitenansicht eines Zustands eines Kraftstoffnebels unmittelbar vor Zündeinstellung;
5 eine Seitenansicht eines Zustands des Kraftstoffnebels, der auf eine Kolbenmulde auftrifft;
6 eine Seitenansicht eines Zustands des Kraftstoffnebels, wenn keine Wirbelströmung bei Beschleunigung vorliegt;
7 eine Seitenansicht eines Zustands des Kraftstoffnebels, wenn Wirbelströmung bei Beschleunigung auftritt;
8 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen Verbrennungsstabilität und Einspritzeinstellung;
9 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen Fahrverhaltenszone und günstigster Einspritzeinstellung;
10a eine grafische Darstellung eines Vergleichs der Verbrennungsschwankungsrate zwischen einem Kolben mit flacher Oberseite und einem Kolben mit gekrümmter Mulde;
10b eine grafische Darstellung eines Vergleichs der Rußdichte zwischen einem Kolben mit flacher Oberseite und einem Kolben mit gekrümmter Mulde;
10c eine grafische Darstellung eines Vergleichs von NOx-Emissionen zwischen einem Kolben mit flacher Oberseite und einem Kolben mit gekrümmter Mulde;
10d eine grafische Darstellung eines Vergleichs von HC-Emissionen zwischen einem Kolben mit flacher Oberseite und einem Kolben mit gekrümmter Mulde;
11a eine grafische Darstellung eines Vergleichs der Verbrennungsschwankungsrate gemäß Drehrichtung der Wirbelströmung und Wirbelrate;
11b eine grafische Darstellung eines Vergleichs der Rußdichte gemäß Drehrichtung der Wirbelströmung und Wirbelrate;
11c eine grafische Darstellung eines Vergleichs von NOx-Emissionen gemäß Drehrichtung der Wirbelströmung und Wirbelrate;
11d eine grafische Darstellung eines Vergleichs von HC-Emissionen gemäß Drehrichtung der Wirbelströmung und Wirbelrate;
12 eine schematische Zeichnung eines Brennraums gemäß einer zweiten Ausführungsform die Merkmale der Erfindung illustriert aber keine Ausführungsform gemäß Anspruch 1 darstellt;
13 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen Abschlußeinstellung der Kraftstoffeinspritzung und Kraftstoffeinspritzmenge gemäß dem Stand der Technik;
14 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen Emissionsmenge und Einstellung der Kraftstoffeinspritzung; und
15 eine schematische Zeichnung eines Brennraums eines Ottomotors mit Direkteinspritzung gemäß dem Stand der Technik.
Ein Beispiel für einen Brennraum eines Ottomotors mit
Direkteinspritzung ist in 1 bis 7 gezeigt. Dieses Beispiel zeigt einen Brennraum eines Vierventil-Doppelnockenwellenmotors. In diesen Zeichnungen bezeichnet die Zahl 11 einen Zylinder, 12 einen Zylinderkopf, 13 einen Kolben und 14 einen Brennraum, der durch eine Oberseite 13a des am oberen Totpunkt positionierten Kolbens 13, eine Innenwand der Zylinders 11 und eine Unterseite des Zylinderkopfs 12 gebildet ist.
An der Unterseite des Zylinderkopfs 12 ist eine Konkavität 12a ausgebildet. Die Konkavität 12a gehört zu einem sogenannten Pultdach in dieser Ausführungsform. Ein oberer Abschnitt 12b ist oben an der Konkavität 12a etwas versetzt zur Zylindermitte (Linie A) ausgebildet. Ein Einspritzventil 15 ist nahe der Mitte des oberen Abschnitts 12b angeordnet, wobei seine Düse 15a zum Brennraum 14 weist. Ein Einlaßkanal 16 ist am einlaßseitigen Pultdach 12c der Konkavität 12a jeweils auf beiden Seiten des Einspritzventils 15 vorgesehen, und ein Auslaßkanal 17 ist an einem auslaßseitigen Pultdach 12d der Konkavität 12a jeweils auf beiden Seiten des Einspritzventils 15 vorgesehen. Ferner ist eine Quetschkante 18 unten an den beiden Pultdächern 12c, 12d ausgebildet.
Außerdem sind ein Einlaßventil 21 und ein Auslaßventil 22 im Einlaßkanal 16 bzw. Auslaßkanal 17 vorgesehen. Das Einlaßventil 21 wird durch eine Einlaßnocke 19 angesteuert, und das Auslaßventil 22 wird durch eine Auslaßnocke 20 angesteuert. Gemäß 1 hat der Einlaßkanal 16 eine gerade Form und ist parallel zu einer verlängerten Linie L_EX des auslaßseitigen Pultdachs 12d oder in einem spitzen Winkel γ (positiv im Gegenuhrzeigersinn in der Zeichnung) zur verlängerten Linie L_EX geneigt. Vorzugsweise ist dieser spitze Winkel γ im Bereich von 0 bis 15°. Ansaugluft wird durch den so gebildeten Einlaßkanal 16 geführt und Strömt in den Brennraum 14 am auslaßseitigen Pultdach 12d entlang, was eine Wirbelströmung im Gegenuhrzeigersinn im Brennraum 14 verursacht (siehe 1). Ferner ist in dieser Ausführungsform das Einspritzventil 15 (mit der Mittellinie B) zum Auslaßkanal 17 in einem Neigungswinkel α (positiv im Gegenuhrzeigersinn in der Zeichung) zur Achse des Zylinders 11 geneigt, um einen wirksameren Kraftstoffnebel zu erhalten. Dieser Winkel α ist vorzugsweise im Bereich von +20° bis -5°.
Eine Mulde 13b mit einer gekrümmten Oberfläche ist auf der Oberseite 13a des Kolbens 13 ausgebildet. Die Mulde 13b hat eine solche Form und Lage, daß sie die Wirbelströmung an der gekrümmten Oberfläche entlang führen und sie zum einlaßseitigen Pultdach 12c gleichmäßig ablenken kann. Gemäß der Darstellung durch die strichpunktierte Linie in 3 befindet sich die Mulde 13b direkt unter dem Einspritzventil 15 und an einer Position, die geringfügig zur Seite des Auslaßkanals 17 versetzt ist.
Eine Elektrode 23a einer Zündkerze 23 ragt vom einlaßseitigen Pultdach 12c zwischen den Einlaßkanälen 16 und 16 so vor, daß sie mit der durch die Mulde 13b zurückgeworfenen Wirbelströmung kollidiert und Kraftstoffnebel ausgesetzt ist, wenn Kraftstoff eingespritzt wird.
Allgemein gilt als technischer Fachbegriff die Wirbelgeschwindigkeit bzw. -rate, um eine Wirbelströmungsstärke zah lenmäßig auszudrücken. Definitionsgemäß ist die Wirbelrate eine Anzahl von Ansaugluftumdrehungen je Kurbelwellendrehung und richtet sich nach diversen Faktoren, z. B. Neigungswinkel des Einlaßkanals 16, Konfiguration des Brennraums 14, Konfiguration des Kolbens 13 u. ä. In dieser Ausführungsform ist die Wirbelrate primär durch den Neigungswinkel des Einlaßkanals 16 sowie die Position und Krümmung der Mulde 13b des Kolbens 13 bestimmt. Experimentell wurde vom Erfinder festgestellt, daß Wirbelraten im Bereich von 0,5 bis 1,7 günstigste Ergebnisse liefern. Das heißt, bei einer Wirbelrate unter 0,5 zerflattert die Wirbelströmung vor dem Verdichtungstakt, wodurch kein gutes Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird. Andererseits ist bei einer Wirbelrate über 1,7 die Wirbelströmung so stark, daß von der Mulde 13b des Kolbens 13 zurückgeworfene Ansaugluft ringsum zur Zylinderwand verteilt wird, wodurch versprühter Kraftstoff in den Strom der zerflatternden Wirbelströmung verteilt wird und sich kein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch an der Elektrode 23a der Zündkerze 23 bildet. Folglich ist es wünschenswert, die Wirbelrate innerhalb eines Bereichs von 0,5 bis 1,7 einzustellen.
Ferner ist aus Experimenten des Erfinders bekannt, daß die Kombination aus Neigungswinkel α im Bereich von 20° bis -5° und spitzem Winkel γ im Bereich von 0° bis 15° den günstigsten Effekt für die Wirbelströmungsbildung hat. Zudem ist für die Größe und Lage der Mulde 13b bekannt, daß ihr Durchmesser d (Millimeter) in der Berechnung gemäß nachfolgender Formel günstigste Ergebnisse hat: d = D × 0,5 – k,worin D (Millimeter) ein Kolbendurchmesser und k eine Konstante (Millimeter) im Bereich von 0 bis 5 Millimetern ist. Ferner sollten ihre Tiefe e und ihr Versatzbetrag s von der Zylinderachse Werte im Bereich von 5 bis 10 Millimetern bzw. 0 bis 5 Millimetern annehmen.
Als nächstes wird ein Betrieb des so aufgebauten Brennraums beschrieben.
Bei Schichtladeverbrennung bei extrem niedriger Last wird der Motor mit der BITI-Steuerung betrieben, wodurch eine stabile Verbrennung erhalten wird. Da in diesem Fall der günstigste Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung nahe dem Zündzeitpunkt eingestellt ist, bildet der versprühte Kraftstoff selbst ein Kraftstoff-Luft-Gemischgas an der Elektrode 23a der Zündkerze 23, und dieses Gemischgas wird zum Zündzeitpunkt gezündet. Bei extrem niedriger Last ist die Gasgeschwindigkeit sehr gering, weshalb das Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht durch die Konfiguration der Kolbenmulde 13b beeinflußt wird.
Ferner ist bei der BITE-Steuerung als Äquivalent einer Fahrt mit konstanter Drehzahl (Fett/Mager-Last) gemäß 8 die Kraftstoffeinspritzung früher als bei BITI-Steuerung abgeschlossen, weshalb der Kraftstoffnebel am Einspritzende auf die Kolbenmulde 13b auftrifft und sich eine Strömung des Kraftstoffnebels aus ihr spiralförmig nach oben dreht. Dadurch bildet sich gemäß 5 ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch an der Elektrode 23a der Zündkerze 23. Eine strichpunktierte Linie (b) in 8 stellt eine Zündfähigkeit von eingespritztem Kraftstoff zum gleichen Zeitpunkt wie im Fall einer Kolbenmulde mit flacher Oberseite dar (siehe 15). Bei einem Kolben mit flacher Oberseite wird der Kraftstoffnebel ringsum zur Zylinderbohrung verteilt, ohne nach oben zurückgeworfen zu werden, wodurch sich kein zündfähiges Gemischgas an der Elektrode 23a der Zündkerze 23 bildet. Daher kann in diesem Fall infolge schlechter Verbrennung keine BITE-Steuerung erfolgen.
Ferner verlagert sich bei der BITE-Steuerung als Äquivalent einer Beschleunigungslast der Abschlußzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung gemäß 8 in Richtung früh. In diesem Fall fördert eine frühe Einspritzeinstellung die Verteilung oder Verdampfung von versprühtem Kraftstoff. 6 zeigt ein Beispiel für den Brennraum, in dem Kraftstoff-Luft-Gemische über der gesamten Oberfläche der Kolbenmulde 13b liegen. Kommt es in diesem Zustand zu einer Wirbelströmung, bewegen sich diese Kraftstoff-Luft-Gemische spiralförmig nach oben zur Elektrode 23a der Zündkerze 23 und bilden ein zündfähiges Gemischgas an der Elektrode 23 genau dann, wenn eine Zündung erfolgt. Damit steht gemäß 8 die BITE-Steuerung auch dann zur Verfügung, wenn die Zündung frühzeitig während der Beschleunigungsäquivalenz erfolgt. Folglich kann gemäß dieser Ausführungsform die Verbrennung über einen breiten Bereich stabil gehalten werden, der von der Fehlzündungsgrenze (a) auf der späten Seite bis zur Fehlzündungsgrenze (d) auf der frühen Seite reicht. Die Fehlzündungsgrenze (a) ist eine Grenzlinie, deren linker Bereich einen Bereich bezeichnet, der zu Fehlzündung infolge des nahe beieinanderliegenden Einspritzzeitpunkts und Zündzeitpunkts führt, d. h., infolge der Unterbrechung von Entladungsstrecken der Zündkerze 23 durch Kraftstoffnebel.
10a bis 10d zeigen Beispiele für Vergleichsdaten der Verbrennungs- oder Emissionskennwerte zwischen einem Kolben mit flacher Oberseite und einem Kolben mit gekrümmter Mulde.
wie aus diesen Vergleichsdaten hervorgeht, hat bei einem Kolben mit gekrümmter Mulde eine frühe Festlegung des Abschlußzeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung bis zu einer relativ frühen Einstellung keine negative Auswirkung auf die Verbrennung. In diesem Fall läßt sich die Einspritzeinstellung in einem breiten Bereich festlegen. Dagegen führt bei einem Kolben mit flacher Oberseite eine frühe Festlegung des Abschlußzeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung zu schlechter Verbrennung oder Fehlzündung, da sich kein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemischgas an der Elektrode der Zündkerze bildet. Folglich ist in diesem Fall der wählbare Bereich für den Abschlußzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung sehr schmal.
In 11a bis 11d sind Unterschiede der Verbrennungs- und Emissionskennwerte im Hinblick auf Drehrichtung der Wirbelströmung und Wirbelrate dargestellt.
Im Vergleich der in die Richtung dieser Ausführungsform drehenden Wirbelströmung mit der in umgekehrte Richtung drehenden zeigt sich, daß die Wirbelströmung mit umgekehrter Drehrichtung für die Zündfähigkeit schlechter ist, da die umgekehrte Wirbelströmung den Kraftstoffnebel in Gegenrichtung zur Zündkerzenelektrode bläst. Diese Tendenz wird mit zuneh mend früherer Einstellung der Kraftstoffeinspritzung ausgeprägter. Im Hinblick auf den Effekt der Wirbelrate erweist sich, daß es einen bestimmten Optimalwert der Wirbelrate gibt. Vom Erfinder wurde experimentell nachgewiesen, daß der Optimalwert der Wirbelrate 1,0 für Brennraum- und Kolbenkonfigurationen gemäß dieser Ausführungsform beträgt. Ferner wurde nachgewiesen, daß eine stabile Zündung in einem Bereich von 0,5 bis 1,7 für die Wirbelrate erreicht werden kann. Das heißt, bei einer Wirbelrate unter 0,5 verschlechtert sich nachweislich die Wirbelströmung vor Einsetzen des Verdichtungstakts und hat keinerlei Nutzen für die Bildung des Kraftstoff-Luft-Gemischs. Übersteigt zudem die Wirbelrate 2,0, ist die Wirbelströmung nachweislich so stark, daß Kraftstoffnebel zerstreut wird, weshalb sich kein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch an der Elektrode der Zündkerze bildet.
9 zeigt mit Schräglinien einen Bereich ordnungsgemäßen Fahrverhaltens für Kraftstoff-Luft-Verhältnisse gegenüber der Einstellung der Kraftstoffeinspritzung bei Durchführung der BITE-Steuerung. Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis und der Abschlußzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung in jedem Fahrbereich sind anhand diverser Grenzwerte bestimmt, z. B. Unterbrechung des Entladungswegs durch Kraftstoffnebel, Rußerzeugung, Verbrennungsschwankung usw. Liegen gemäß dieser Darstellung das Kraftstoff-Luft-Verhältnis und die Einspritzeinstellung innerhalb dieses ordnungsgemäßen Fahrverhaltensbereichs, können die BITE-Steuerung beibehalten und das Kraftstoff-Luft-Verhältnis kontinuierlich geändert werden, und zwar im Bereich von Schichtladeverbrennung zu homogener Ladeverbrennung, ohne einen negativen Effekt auf die Zündfähigkeit und das Brennvermögen des Motors zu haben.
12 zeigt eine zweite Ausführungsform die Merkmale der Erfindung illustriert.
In der zweiten Ausführungsform ist die Zündkerze 23 von der Einlaßkanalseite zur Auslaßkanalseite 17 verlagert, und ihre Elektrode 23a ragt in den Brennraum 14 zwischen den beiden Auslaßventilen 22 und 22 vor. Da in diesem Fall Neigungs winkel θ (positiv im Uhrzeigersinn in der Zeichnung) des Einlaßkanals 16 gegenüber der Achse des Zylinders so gestaltet ist, daß er kleiner als der in der ersten Ausführungsform ist, wird darstellungsgemäß die Wirbelströmung im Uhrzeigersinn, d.h. entgegengesetzt zur Wirbelrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erzeugt. Vorzugsweise beträgt dieser Winkel θ von 0° bis 20°. Das heißt, die durch das Einlaßventil 21 eingeleitete Ansaugluft trifft zunächst auf die Oberseite 13a des Kolbens 13, und anschließend wird die Wirbelströmung durch die Kolbenmulde 13b des Kolbens 13 erzeugt. Aus der Kolbenmulde 13b dreht sich die Wirbelströmung spiralförmig nach oben in Richtung des Pultdachs 12d auf der Auslaßseite. Der aus dem Einspritzventil 15 eingespritzte Kraftstoffnebel kollidiert mit der Wirbelströmung und bildet dort Kraftstoff-Luft-Gemische. In dieser Ausführungsform ist das Einspritzventil etwas zum Einlaßkanal 16 hin mit einem Neigungswinkel α zur Achse A des Zylinders 11 geneigt, um einen wirksameren Kraftstoffnebel zu erhalten. Dadurch bildet sich zündfähiges Gemischgas an der Elektrode 23a der Zündkerze 23. Bei dieser Ausführungsform beträgt der Neigungswinkel α (positiv im Gegenuhrzeigersinn) des Einspritzventils 15 vorzugsweise von 5° bis -20°.
Vorteilhaft in dieser Anordnung der Zündkerze 23 auf der Auslaßkanalseite ist, daß der Durchmesser des Einlaßventils gegenüber der ersten Ausführungsform vergrößert werden kann. Auch in dieser Ausführungsform ist es wünschenswert, die Wirbelrate auf einen Wert im Bereich von 0,5 bis 1,7 einzustellen.
Zusammenfassend wird gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung in den Brennraum eingeleitete Ansaugluft am Pultdach auf der Auslaßkanalseite entlang geführt, und nachdem sie mit der gekrümmten Kolbenmulde auf der Kolbenoberseite kollidiert, bewegt sich die Wirbelströmung spiralförmig nach oben in die Nähe der Elektrode der Zündkerze. Andererseits wird gemäß der zweiten Ausführungsform Ansaugluft in den Brennraum eingeleitet und trifft direkt auf die gekrümmte Kolbenmulde, wonach sich die Wirbelströmung spiralförmig nach oben in die Nähe der Elektrode der Zündkerze dreht. Liegt der Einspritzzeitpunkt relativ spät. d. h., relativ nahe am Zündzeitpunkt (Bereich der Schichtladeverbrennung), bildet sich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Nähe der Elektrode der Zündkerze durch den versprühten Kraftstoff selbst, und dieses Gemischgas wird durch die Zündkerze gezündet. Liegt der Einspritzzeitpunkt relativ früh, d. h., relativ entfernt vom Zündzeitpunkt (Bereich der Schichtladeverbrennung), wird versprühter Kraftstoff durch die Kolbenmulde zurückgeworfen, und der zurückgeworfene Kraftstoffnebel bildet Gemischgas an der Elektrode der Zündkerze. Danach wird das Gemischgas zum festgelegten Zündzeitpunkt gezündet. Liegt der Einspritzzeitpunkt noch früher (in diesem Bereich kommt es zur Schichtladeverbrennung im Frühstadium und zur homogenen Ladeverbrennung im späteren Stadium), wird versprühter Kraftstoff durch die Kolbenmulde eingefangen, der eingefangene Kraftstoff wird mit der aufsteigenden Wirbelströmung gemischt, und das Gemischgas erreicht die Umgebung der Elektrode der Zündkerze. Danach wird das Gemischgas zum festgelegten Zündzeitpunkt gezündet. Der Übergang von Schichtladeverbrennung zu homogener Ladeverbrennung erfolgt kontinuierlich. Dadurch können unter allen Betriebsbedingungen des Motors stabile Zündfähigkeit und stabile Brennleistung gewährleistet werden. Die stabile Verbrennung führt zur Unterdrückung inakzeptabler HC-, CO-, NOx- und Rußemissionen, und der reibungslose Übergang von Schichtladeverbrennung zu homogener Verbrennung trägt zu gutem Fahrverhalten bei.
Zudem wird durch Herstellen einer Umdrehungszahl der Wirbelströmung je Motorumdrehung zwischen 0,5 und 1,7 ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch an der Zündkerze gewährleistet, um die Wirbelströmung beim Verdichtungstakt nicht zu verschlechtern und außerdem keinen Kraftstoff ringum zu verteilen.

Claims

Brennraum eines Kraftstoff direkt in einen Zylinder einspritzenden Motors mit Fremdzündung mit: einer dachförmigen Zylinderkopfunterseite mit zwei zueinander geneigten Dachflächen für die Einlassventilseite bzw. die Auslassventilseite; einem Kraftstoff-Einspritzventil (15) zwischen den beiden zueinander geneigten Dachflächen der Eilassventilseite und der Auslassventilseite, wobei das Einspritzventil (15) um einen Winkel α geringfügig zur Auslassventilseite hin geneigt ist; einem Einlasskanal, der an der einlasskanalseitigen Dachfläche in einem spitzen Winkel γ einschließlich 0° zu einer verlängerten Linie (L_EX) von einer auslassseitigen Dachfläche so vorgesehen ist, dass eine Wirbelströmung von Ansaugluft an der auslassseitigen Dachfläche entlang erzeugt wird; einer Kolbenmulde mit einer gekrümmten Oberfläche, die auf der Oberseite eines Kolbens so ausgebildet ist, dass Kraftstoffnebel, der aus einem Kraftstoff-Einspritzventil eingespritzt wird, zusammen mit der Wirbelströmung in Richtung der einlassseitigen Dachfläche zurückgeworfen wird; und einer Elektrode einer Zündkerze, die von der einlassseitigen oder auslassseitigen Dachfläche so vorragt, dass sie gerade mit der Wirbelströmung mit Kraftstoffnebel kollidiert.
Brennraum nach Anspruch 1, wobei in der einlassseitigen Dachfläche (12c) ein Einlassventil zum Einleiten von Ansaugluft und in der auslassseitigen Dachfläche (12d) ein Auslassventil zum Abgeben von Abgas angeordnet ist.
Brennraum nach Anspruch 2, wobei die Elektrode (23a) der Zündkerze (23) von dem einlassseitigen Dach (12d) so vorragt, dass sie der Wirbelströmung und dem durch die Kolbenmulde (13b) zurückgeworfenen Kraftstoffnebel ausgesetzt ist.
Brennraum nach Anspruch 2, wobei die Elektrode (23a) der Zündkerze (23) von dem auslassseitigen Dach (12d) so vorragt, dass sie der Wirbelströmung und dem durch die Kolbenmulde (13b) zurückgeworfenen Kraftstoffnebel ausgesetzt ist.
Brennraum nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der spitze Winkel (γ) so gewählt ist, dass eine Wirbelströmung der Ansaugluft an dem auslassseitigen Dach (12d) entlang erzeugt wird.
Brennraum nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der spitze Winkel (γ) 0° beträgt.
Brennraum nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der spitze Winkel (α) in einem Bereich von 20° bis -5° liegt.
Brennraum nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der spitze Winkel (γ) in einem Bereich von 0° bis 15° liegt.
Brennraum nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Wirbelströmung mit einem Drehwert in einem Bereich von 0,5 bis 1,7 je Umdrehung des Motors gedreht wird.