DE69100552T2

DE69100552T2 - Fremdgezündeter Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung.

Info

Publication number: DE69100552T2
Application number: DE91106686T
Authority: DE
Inventors: Shizuo Sasaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1991-04-25
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2011-04-26
Also published as: EP0454117A1; EP0454117B1; US5109816A; DE69100552D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, bei dem Kraftstoff direkt in einen Zylinder des Motors auf eine Fläche einer tellerförmigen Ausnehmung gespritzt wird, die in einem oberen Abschnitt des Kolbens ausgebildet ist. Der an der Fläche des tellerförmigen Abschnittes haftende Kraftstoff wird verdampft, um ein brennbares Gas zu erzeugen, das durch eine Zündkerze gezündet wird.
Fremdgezündete Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung sind beispielsweise in der japanischen Gekrauchsmusterschrift SHO 61-173728 beschrieben. Diese Veröffentlichung bezieht sich auf eine Kolben/Zylinder-Anordnung mit einem tellerförmigen Abschnitt in Form einer tiefen Ausnehmung und einem tellerförmigen Abschnitt in Form einer flachen Ausnehmung, die in einem oberen Abschnitt des Kolbens ausgebildet sind. Bei diesem Motor fließt der bei niedrigen Motorlasten eingespritzte Kraftstoff nur in den tiefen tellerförmigen Abschnitt, während der bei hohen Motorlasten eingespritzte Kraftstoff sowohl in den tiefen als auch in den flachen tellerförmigen Abschnitt strömt.
Bei diesem Motor des Standes der Technik müssen jedoch die nachfolgenden Probleme gelöst werden:
(a) Bei mittleren Motorlasten wird ein relativ großer Teil des Kraftstoffs auf eine Fläche des flachen tellerförmigen Abschnittes gespritzt. Da dieser flache tellerförmige Abschnitt eine große Fläche besitzt, wird der auf die Fläche des flachen tellerförmigen Abschnitts gespritzte Kraftstoff so weit verteilt, daß das Kraftstoff-Luft-Gemisch im flachen tellerförmigen Abschnitt zu mager wird, um problemlos zu verbrennen. Das hat zur Folge, daß bei einem Betrieb mit mittlerer Motorlast die Verbrennung nicht in glatter Weise fortschreitet.
(b) Bei hohen Motorlasten strömt der in einem frühen Stadium einer Kraftstoffeinspritzperiode eingespritzte Kraftstoff auf die Oberfläche des flachen tellerförmigen Abschnittes. Da sich der Kolben noch nicht in seiner obersten Position befindet, ist die Verwirbelung noch schwach. Somit ist die Kraftstoffverdampfung an der Oberfläche des flachen tellerförmigen Abschnittes unzureichend, und es ist schwierig, eine perfekte Verbrennung bei hoher Motorlast zu erreichen.
(c) Bei niedrigen Motorlasten wird Kraftstoff auf die Oberfläche des tiefen tellerförmigen Abschnittes gespritzt, wo der Kraftstoff mit Hilfe einer Verwirbelung verdampft wird. Da der Motor des Standes der Technik keine spezielle Einrichtung besitzt, um den verdampften Kraftstoff zum Ort einer Zündkerze zu führen, ist eine Verbesserung der Zündung bei niedrigen Motorlasten wünschenswert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung ist in der DE-A-32 45 780 gezeigt. Hierbei wird Kraftstoff in einen schalenförmigen Abschnitt in den Kolben gespritzt, wobei dieser schalenförmige Abschnitt von einem Halsabschnitt umgeben ist. Abstromseitig (in Verwirbelungsrichtung) des Bereiches des schalenförmigen Abschnitts, in dem Kraftstoff auf die Wandung des schalenförmigen Abschnitts trifft, ist eine Zündkerzentasche im Halsabschnitt und einem Teil der Wand des schalenförmigen Abschnitts vorgesehen.
Ein Ziel (Hauptziel) der Erfindung besteht darin, einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung zu schaffen, mit dem selbst bei mittleren Motorlasten ein problemloses Fortschreiten der Verbrennung erreicht werden kann.
Ein weiteres Ziel (untergeordnetes Ziel) der Erfindung besteht in der Schaffung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, der eine gleichmäßige Kraftstoffverdampfung an einer Oberfläche eines flachen tellerförmigen Abschnittes bei hohen Motorlasten aufweist.
Ein weiteres Ziel (untergeordnetes Ziel) der Erfindung betrifft die Schaffung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung, mit dem eine glatte Verbrennung bei niedrigen Motorlasten erreicht wird.
Das vorstehend genannte Hauptziel kann durch einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit Direkteinsprizung gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden, der eine Kolben/Zylinder-Anordnung, eine Zündkerze und eine Kraftstoffeinspritzdüse gemäß Patentanspruch 1 aufweist.
Genauer gesagt umfaßt die Kolben/Zylinder-Anordnung einen Zylinder, einem im Zylinder hin- und herbeweglichen Kolben und einen über dem Zylinder angeordneten Zylinderkopf Der Zylinder, der Kolben und der Zylinderkopf bilden eine Verbrennungskammer, deren Achse mit der Zylinderachse zusammenfällt und die einen radial äußeren Abschnitt aufweist. Der Kolben besitzt einen tief ausgenommenen tellerförmigen Abschnitt (hiernach als tiefer tellerförmiger Abschnitt bezeichnet), einen ausgenommenen Umfangsabschnitt (hiernach als Umfangsabschnitt bezeichnet), der zumindest teilweise den tiefen tellerförmigen Abschnitt umgibt, einen flachen ausgenommenen tellerförmigen Abschnitt (hiernach als flacher tellerförmiger Abschnitt bezeichnet), der zumindest teilweise den Umfangsabschnitt umgibt, und eine Zündkerzentasche, die alle in einem oberen Abschnitt des Kolbens ausgebildet sind. Der Umfangsabschnitt besitzt eine Tiefe, die geringer ist als der tiefe tellerförmige Abschnitt und größer ist als der flache tellerförmige Abschnitt, und einen Durchmesser, der größer ist als der tiefe tellerförmige Abschnitt und kleiner ist als der flache tellerförmige Abschnitt. Der tiefe tellerförmige Abschnitt weist eine Seitenfläche auf, wo die Zündkerzentasche in den tiefen tellerförmigen Abschnitt mündet. Der tiefe tellerförmige Abschnitt besitzt eine Kraftstoffverdampfungsnut, die in der Seitenfläche aufstromseitig der Zündkerzentasche in Richtung eines Wirbels ausgebildet ist, der im tiefen tellerförmigen Abschnitt erzeugt wird, sowie einen Randabschnitt, der an einein oberen Ende der Kraftstoffverdampfungsnut ausgebildet ist, so daß die Kraftstoffverdampfungsnut über den Randabschnitt mit dem Umfangsabschnitt in Verbindung steht.
Die Zündkerze ist eng benachbart zur Achse der Verbrennungskammer angeordnet und weist einen in die Verbrennungskammer vorstehenden Zündabschnitt auf. Die Zündkerzentasche des Kolbens nimmt den Zündabschnitt der Zündkerze auf, wenn sich der Kolben in seine höchste Position bewegt.
Die Kraftstoffeinspritzdüse ist am radial äußeren Abschnitt der Verbrennungskammer angeordnet. Die zeitliche Abstimmung der Kraftstoffeinspritzung der Kraftstoffeinspritzdüse ist vorgegeben, so daß die Kraftstoffeinspritzdüse Kraftstoff in Richtung auf den Randabschnitt über der Kraftstoffverdampfungsnut bei mittleren Motorlasten spritzt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verbrennungsmotor trifft der von der Kraftstoffeinspritzdüse bei mittleren Motorlasten eingespritzte Kraftstoff auf den Randabschnitt und wird in zwei Teile unterteilt, d.h. einen ersten Teil, der entlang einer Fläche der Kraftstoffverdampfungsnut, die im tiefen tellerförmigen Abschnitt ausgebildet ist, fließt, und einen zweiten Teil, der entlang einer Bodenfläche des Umfangsabschnitts fließt. Der Kraftstoff des ersten Teiles wird mit Hilfe einer Verwirbelung nahezu perfekt verdampft, um ein brennbares Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, das durch die Kraftstoffverdampfungsnut zur Stelle einer Zündkerze geführt wird. Der Kraftstoff des zweiten Teiles wird durch eine aufwärts verlaufende Seitenfläche des Umfangsabschnitts daran gehindert, aus dem Umfangsabschnitt herauszufließen, und neigt dazu, im ausgenommenen Umfangsabschnitt zu verbleiben, um ein mäßig fettes Gemisch im Umfangsabschnitt zu erzeugen. Das mäßig fette Gemisch im Umfangsabschnitt trägt dazu bei, die Verbrennung vom tiefen tellerförmigen Abschnitt zu allen anderen Bereichen innerhalb des Zylinders einschließlich des flachen tellerförmigen Abschnittes hin zu verbreiten.
Das vorstehend genannte Hauptziel und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen derselben in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besonders deutlich. Es zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit Direkteinspritzung;
Figur 2 einen Schnitt durch den Motor entlang Linie II-II in Richtung der Pfeile in Figur 1;
Figur 3 eine Draufsicht auf eine Verbrennungskammer des Motors der Figur 1 in einem Zustand, in dem Kraftstoff in einen tiefen tellerförmigen Abschnitt eingespritzt wird;
Figur 4 einen Schnitt durch die Verbrennungskammer entlang Linie IV-IV in Richtung der Pfeile in Figur 3;
Figur 5 eine Draufsicht auf die Verbrennungskammer des Motors der Figur 1 in einem Zustand, in dem Kraftstoff in einen Umfangsabschnitt eingespritzt wird;
Figur 6 eine Schnittansicht der Verbrennungskammer entlang Linie VI-VI in Richtung der Pfeile in Figur 5;
Figur 7 eine Drauf sicht auf die Verbrennungskammer des Motors der Figur 1 in einem Zustand, in dem Kraftstoff in einem flachen tellerförmigen Abschnitt eingespritzt wird;
Figur 8 einen Schnitt durch die Verbrennungskammer der Figur 7 entlang Linie VIII-VIII in Richtung der Pfeile;
Figur 9 eine perspektivische Ansicht der Verbrennungskammer der Figur 3;
Figur 10 eine perspektivische Ansicht der Verbrennungskammer der Figur 5;
Figur 11 eine perspektivische Ansicht der Verbrennungskammer der Figur 7;
Figur 12 ein Diagramm, das die zeitliche Abstimmung der Kraftstoffeinspritzung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Figur 13 ein Diagramm, das die zeitliche Abstimmung einer Kraftstoffeinspritzung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
Figur 14 ein Diagramm, das die zeitliche Abstimmung einer Kraftstoffeinspritzung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Motoreinheiten, bei denen irgendeine Ausführungsform der Erfindung Anwendung finden kann, sind in den Figuren 1 und 2 gezeigt. Wie in diesen Figuren dargestellt ist, umfaßt ein erfindungsgemäß ausgebildeter fremdgezündeter Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung eine Kolben/ZylinderAnordnung, eine Zündkerze 6 und eine Kraftstoffeinspritzdüse 8. Die Kolben/Zylinder-Anordnung umfaßt einen Zylinder 1', einen Kolben 1, der hin- und herbeweglich im Zylinder ist, und einen über dem Zylinder angeordneten Zylinderkopf 7. Der Zylinder 1', der Kolben 1 und der Zylinderkopf 7 bilden eine Verbrennungskammer darin. Die Verbrennungskammer besitzt eine Achse, die mit einer Längsachse des Zylinders zusammenfällt, und einen radial äußeren Abschnitt. Die Zündkerze 6 ist eng benachbart zur Achse der Verbrennungskammer angeordnet, und die Kraftstoffeinspritzdüse 8 befindet sich am radial äußeren Abschnitt auf einer der Zündkerze gegenüberliegenden Seite der Kammer.
Der Kolben 1 enthält einen tiefen ausgenommenen tellerförmigen Abschnitt (tiefen tellerförmigen Abschnitt) 2, einen ausgenommenen Umfangsabschnitt (Umfangsabschnitt) 3', der den tiefen tellerförmigen Abschnitt teilweise umgibt, einen flachen ausgenommenen tellerförmigen Abschnitt (flachen tellerförmigen Abschnitt) 3, der den Umfangsabschnitt umgibt, und eine Zündkerzentasche 5, die alle in einem oberen Abschnitt des Kolbens 1 ausgebildet sind. Der Umfangsabschnitt 3' umfaßt eine Bodenfläche 12' und eine Seitenfläche 12, die sich von einem radial äußersten Abschnitt der Bodenfläche nach oben erstreckt. Der Umfangsabschnitt 3' besitzt eine Tiefe, die geringer ist als die des tiefen tellerförmigen Abschnitts 2 und größer ist als die des flachen tellerförmigen Abschnitts 3, und einen Durchmesser, der größer ist als der des tiefen tellerförmigen Abschnitts 2 und kleiner als der des flachen tellerförmigen Abschnitts 3.
Der tiefe tellerförmige Abschnitt 2 besitzt eine Seitenfläche 2', wo die Zündkerzentasche 5 in den tiefen tellerförmigen Abschnitt mündet. Der tiefe tellerförmige Abschnitt 2 umfaßt eine Kraftstoffverdampfungsnut 4 in der Seitenfläche aufstromseitig der Zündkerzentasche 5 in Richtung eines im tiefen tellerförmigen Abschnitts 2 erzeugten Wirbels 11. Die Kraftstoffverdampfungsnut 4 besitzt eine Schrägfläche. Der tiefe tellerförmige Abschnitt 2 umfaßt des weiteren einen Randabschnitt 4' an einem oberen Ende der Kraftstoffverdampfungsnut 4, über den die Kraftstoffverdampfungsnut 4 mit der Bodenfläche 12' des Umfangsabschnitts 3' verbunden ist.
Der tiefe tellerförmige Abschnitt 2 weist in der Draufsicht eine kreisförmige Kontur und eine sich parallel zur Achse der Verbrennungskammer erstreckende Achse auf. Die Achse des tiefen tellerförmigen Abschnitts 2 ist auf der gleichen Seite der Achse der Verbrennungskammer wie die Kraftstoffeinspritzdüse 8 angeordnet. Aufgrund dieser Lage des tiefen tellerförmigen Abschnitts 2 ist der Abschnitt 2 eng benachbart zur Kraftstoffeinspritzdüse 8 angeordnet, so daß ein gutes Ansprechvermögen bei niedrigen Motorlasten gegeben ist. Die Zündkerzentasche 5 ist auf einer Seite der Achse der Verbrennungskammer angeordnet, die von der Kraftstoffeinspritzdüse 8 weg, jedoch eng benachbart zur Achse der Verbrennungskammer liegt. Durch die Lage der Zündkerzentasche 5 in der Nähe der Achse der Verbrennungskammer wird die Ausgestaltung eines Vierventilmotors einfach. Die im Kolben 1 ausgebildete Zündkerzentasche 5 nimmt einen unteren Endabschnitt (einen Zündabschnitt) der Zündkerze 6 auf, wenn der Kolben 1 während seiner Hin- und Herbewegung seine höchste Position einnimmt.
Der Umfangsabschnitt 3' besitzt in der Draufsicht eine teilweise kreisförmige Kontur und eine Achse, die mit der Achse des tiefen tellerförmigen Abschnitts 2 zusammenfällt. Die Bodenfläche des Umfangsabschnitts 3' ist stufenweise mit der Bodenfläche des flachen tellerförmigen Abschnitts 3 über die Seitenfläche 12 des Umfangsabschnitts 3' verbunden, mit Ausnahme eines Abschnitts in der Nachbarschaft der Kraftstoffeinspritzdüse 8. In der Nachbarschaft der Kraftstoffeinspritzdtise 8 ist die Bodenfläche des Umfangsabschnitts 3' glatt und stufenlos mit einer Bodenfläche des flachen tellerförmigen Abschnitts 3 verbunden. Die Seitenfläche 12 verhindert, daß der auf die Bodenfläche des Umfangsabschnitts gespritzte Kraftstoff aus dem Umfangsabschnitt 3' herausströmt.
Der flache scheibenförmige Abschnitt 3 besitzt in der Draufsicht eine kreisförmige Kontur und eine Achse, die mit der Achse der Verbrennungskammer zusammenfällt. Sein Hauptabschnitt min großer Fläche liegt auf einer Seite der Achse der Verbrennungskammer von der Kraftstoffeinspritzdüse 8 entfernt.
Der flache tellerförmige Abschnitt 3 besitzt eine Bodenfläche und eine Seitenfläche 10, die sich von einem radial äußersten Abschnitt der Bodenfläche des flachen tellerförmigen Abschnitts nach oben erstreckt. Die Bodenfläche des flachen tellerförmigen Abschnitts 3 ist in Aufwärtsrichtung gekrümmt und konvex, so daß ein zwischen einer Kraftstoffeinspritzrichtung und der Bodenfläche des flachen tellerförmigen Abschnitts 3 gebildeter Winkel klein ist und der auf die Bodenfläche auftreffende Kraftstoff entlang der Bodenfläche des flachen tellerförmigen Abschnitts 3 weit verteilt wird. Die Seitenfläche 10 des flachen tellerförmigen Abschnitts 3 verhindert eine solche Verteilung des Kraftstoffs, daß dieser aus dem flachen tellerförmigen Abschnitt 3 heraus fließt und an einer Zylinderbohrungsfläche haftet.
Die Zündkerze 6 erstreckt sich parallel zur Achse der Verbrennungskammer. Sie ist in bezug auf die Kraftstoffeinspritzdüse 8 auf der gegenüberliegenden Seite der Achse der Verbrennungskammer und eng benachbart zur Achse der Kammer angeordnet. Sie weist an einem unteren Ende einen Zündabschnitt auf, der von einer unteren Fläche des Zylinderkopfes 7 in die Verbrennungskammer vorsteht. Die Zündkerze 6 ist unmittelbar über der Zündkerzentasche 5 angeordnet, so daß die Tasche den Zündabschnitt der Zündkerze 6 aufnimmt, wenn der Kolben 1 seine höchste Position erreicht.
Die Kraftstoffeinspritzdüse 8 besitzt ein Gehäuse, das sich vom radial äußeren Abschnitt der Verbrennungskammer schief in einer Richtung aufwärts und radial auswärts erstreckt. Die Düse 8 sieht mindestens eine Bahn zum Einspritzen des Kraftstoffs vor. Mit 9a, 9b und 9c sind Kraftstoffstrahlen bezeichnet, die durch die Einspritzbahnen der Kraftstoffeinspritzdüse 8 eingespritzt worden sind.
Die Figuren 3 bis 8 und 9 bis 11 zeigen verschiedene Arten der Kraftstoffeinspritzung.
Die Figuren 3, 4 und 9 zeigen einen Fall, bei dem die Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird, wenn sich der Kolben 1 in einer relativ hohen Position befindet. In diesem Fall wird Kraftstoff in den tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 eingespritzt, und ein Hauptteil der Einspritzstrahlen 9a, 9b und 9c trifft auf die Kraftstoffverdampfungsnut 4 und bleibt an dieser haften. Diese Kraftstoffeinspritzung ist typisch für niedrige Motorlasten einschließlich Leerlaufbetrieb.
Die Figuren 5, 6 und 10 zeigen einen Fall, bei dem die Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird, wenn sich der Kolben 1 in seiner mittleren Höhenlage befindet. In diesem Fall wird Kraftstoff in Richtung auf den Randabschnitt 4' eingespritzt und durch den Randabschnitt 4' in zwei Teile aufgeteilt, d.h. einen ersten Teil, der in den Umfangsabschnitt 3' strömt, und einen zweiten Teil, der in den tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 fließt. Diese Kraftstoffeinspritzung ist typisch für mittlere Motorlasten.
Die Figuren 7, 8 und 11 zeigen einen Fall, bei dem die Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wird, wenn sich der Kolben 1 in einer relativ niedrigen Position befindet. In diesem Fall wird Kraftstoff auf die Bodenfläche des flachen tellerförmigen Abschnitts 3 gespritzt. Diese Kraftstoffeinspritzung ist typisch für ein frühes Stadium einer Kraftstoffeinspritzperiode bei hohen Motorlasten.
Figur 12 zeigt die zeitliche Abstimmung bei einer Kraftstoffeinspritzung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Bei niedrigen Motorlasten unter der Last (I) beginnt die Kraftstoffeinspritzung, wenn der Kolben 1 eine relativ hohe Position (Position der Figuren 3, 4 und 9) erreicht hat, und die Kraftstoffeinspritzung endet, wenn der eingespritzte Kraftstoff auf die Bodenfläche des tiefen tellerförmigen Abschnittes 2 trifft. Bei mittleren Motorlasten zwischen der Last (I) und der Last (II) beginnt die Kraftstoffeinspritzung, wenn der Kolben eine mittelhohe Position (Position der Figuren 5, 6 und 10) erreicht hat, und die Kraftstoffeinspritzung endet, wenn Kraftstoff in den tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 eingespritzt wird. Bei hohen Motorlasten über der Last (II) beginnt die Kraftstoffeinspritzung, wenn der Kolben eine relativ niedrige Position (Position der Figuren 7, 8 und 11) einnimmt, und die Kraftstoffeinspritzung endet, wenn der Kolben in den Umfangsabschnitt 3' eingespritzt wird. Bei hohen Motorlasten und mittleren Motorlasten gilt der Grundsatz, daß je höher die Motorlast und je länger die Kraftstoffeinspritzperiode ist, desto früher die Kraftstoffeinspritzung beginnt.
Figur 13 zeigt die zeitliche Abstimmung der Kraftstoffeinspritzung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die zeitliche Abstimmung der Kraftstoffeinspritzung bei mittleren und niedrigen Motorlasten unterhalb der Last (II) entspricht der der ersten Ausführungsform. Bei hohen Motorlasten über der Last (II) ist die Kraftstoffeinspritzperiode in zwei Teile unterteilt: einen ersten Teil und einen zweiten Teil, die zeitlich voneinander getrennt sind. Der Zeitpunkt des Beginns der Kraftstoffeinspritzung im ersten Teil ist früher eingestellt als der Zeitpunkt des Beginns der Kraftstoffeinspritzung bei der ersten Ausführungsform, um eine längere Zeitdauer zur Verdampfung zur Verfügung zu stellen und auf diese Weise die Erzeugung von Rauch zu verhindern. Der Zeitpunkt des Beginns der Kraftstoffeinspritzung im zweiten Teil ist so festgelegt, daß der im zweiten Teil eingespritzte Kraftstoff mit der Oberfläche der Kraftstoffverdampfungsnut 4 kollidiert, wodurch eine gute Zündung erreicht wird.
Figur 14 zeigt die zeitliche Abstimmung einer Kraftstoffeinspritzung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Kraftstoffeinspritzperiode in zwei Teile unterteilt, d.h. einen ersten Teil und einen zweiten Teil bei hohen Motorlasten. Im Gegensatz zur zweiten Ausführungsform ist jedoch bei hohen Motorlasten zwischen der Last (III) und der Last (IV) der erste Teil in einem Ansaughub des Motors eingestellt, so daß eine ausreichend lange Zeit zur Verdampfung des im ersten Teil eingespritzten Kraftstoffs zur Verfügung steht. Der zweite Teil ist in einen Kompressionshub des Motors wie die zweite Ausführungsform eingestellt. Bei sehr hohen Motorlasten über der Last (IV) wird Kraftstoff in einer einzigen Kraftstoffeinspritzperiode eingespritzt, da das Luft/Kraftstoff- Verhältnis in der Verbrennungskammer ausreichend fett ist und die Kraftstoffeinspritzperiode bei solchen sehr hohen Motorlasten nicht unterteilt werden muß.
Es wird nunmehr die Funktionsweise des Motors, der den vorstehend beschriebenen Aufbau besitzt, erläutert.
Bei niedrigen Motorlasten wird Kraftstoff in den tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 eingespritzt (siehe Fiugren 3, 4 und 9). Der an der Oberfläche des tiefen tellerförmigen Abschnitts 2 haftende Kraftstoff wird durch die Oberfläche des tiefen tellerförmigen Abschnitts 2 und auch aus dem Gemisch aus Kraftstoff und Luft, dessen Temperatur infolge der Kompression ausreichend ansteigt, so daß der Kraftstoff verdampft werden kann, erhitzt. Die Kraftstoffverdampfung wird dürch einen im tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 erzeugten Wirbel 11 gefördert. Der verdampfte Kraftstoff wird mit Luft vermischt, die im tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 vorhanden ist, um ein fettes Gemisch zu erzeugen, und wird durch den Wirbel 11 zur Zündkerzentasche 5 geführt, wo das fette Gasgemisch von der Zündkerze 6 gezündet wird. Da die Kraftstoffverdampfungsnut 4 den verdampften Kraftstoff zur Position der Zündkerze führt, wird eine gute Zündung erhalten. Die Verbrennung schreitet zu dem verbleibenden Gasgemisch fort, das im tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 vorhanden ist.
Bei mittleren Motorlasten wird Kraftstoff in Richtung auf den Randabschnitt 4' (siehe die Figuren 5, 6 und 10) eingespritzt, wo der Kraftstoff in zwei Teile unterteilt wird, d.h. einen ersten Teil, der in den Umfangsabschnitt 3' fließt, und einen zweiten Teil, der in den tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 strömt. Der Kraftstoff des ersten Teiles wird entlang der Bodenfläche des Umfangsabschnittes 3' verteilt, so daß die Kraftstoffverdampfung gefördert wird. Der Kraftstoff des ersten Teiles-wird jedoch durch die Seitenfläche 12 des Umfangsabschnittes 3' daran gehindert, aus dem Umfangsabschnitt 3' herauszuströmen, so daß eine übermäßige Verteilung des Kraftstoffs verhindert und das Kraftstoff- Luft-Gemisch im Umfangsabschnitt 3' im mäßig fetten Zustand gehalten wird. Dieses mäßig fette Gemisch im Umfangsabschnitt 3' trägt dazu bei, die Verbrennung vom tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 in alle anderen Bereiche der Verbrennungskammer einschließlich des flachen tellerförmigen Abschnittes 3 fortschreiten zu lassen. Der Kraftstoff des zweiten Teiles, der in den tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 strömt, bildet eine Kraftstoffmembran entlang der Oberfläche der Kraftstoffverdampfungsnut 4, so daß die Kraftstoffverdampfung mit Hilfe eines Wirbels 11 gefördert wird. Danach wird der verdampfte Kraftstoff zur Zündkerzentasche 5 geführt, wo das den verdampften Kraftstoff enthaltende fette Gemisch durch die Zündkerze 6 gezündet wird. Auf diese Weise wird eine gute Zündung aufrechterhalten.
Bei hohen Motorlasten wird Kraftstoff in einem frühen Stadium der Kraftstoffeinspritzperiode (siehe Figuren 7, 8 und 11) in den flachen tellerförmigen Abschnitt 3 gespritzt und in einem späten Stadium der Kraftstoffeinspritzperiode in den Umfangsabschnitt 3' gespritzt. Der eingespritzte Kraftstoff trifft auf die Bodenfläche des flachen tellerförmigen Abschnitts 3 unter einem relativ kleinen Winkel θ, da die Bodenfläche des flachen tellerförmigen Abschnittes nach oben konvex ausgebildet ist. Wenn sich der Kolben 1 in einer niedrigen Position befindet, trifft der eingespritzte Kraftstoff auf einen radial äußeren Abschnitt des Kolbens unter einem kleinen Winkel θ'. Infolge dieser Kollision unter einem kleinen Winkel wird der Kraftstoff weit entlang der Oberfläche des flachen tellerförmigen Abschnittes 3 verteilt, so daß die Dicke der an der Oberfläche des flachen tellerförmigen Abschnitts 3 haftenden Kraftstoffmembran gering ist. Diese breite Verteilung und geringe Dicke der Kraftstoffmembran fördert die Kraftstoffverdampfung, und es werden nahezu sämtliche Teile des eingespritzten Kraftstoffs verdampft, selbst wenn sich der Kolben in einer niedrigen Position befindet und die Verwirbelung daher noch schwach ist. Der verdampfte Kraftstoff wird mit Hilfe einer Squish-Strömung und einer Verwirbelung, die in starkem Maße erzeugt werden, wenn sich der Kolben 1 seiner höchsten Position nähert, gut mit Luft vermischt. Folglich wird bei einem Betrieb mit hoher Motorlast eine gute Verbrennung erzielt. Des weiteren wird durch ein nahezu tangentiales Auftreffen des Kraftstoffs auf die Bodenfläche des flachen tellerförmigen Abschnitts 3 das Spritzen von Kraftstoff in einen Raum über der Oberfläche und ein entsprechendes Klopfen, das auf den durch ein solches Spritzen erzeugten schwimmenden Kraftstoff zurückzuführen ist, in wirksamer Weise unterdrückt.
Mit der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Vorteile erzielt.
Da der Umfangsabschnitt 3' zwischen dem tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 und dem flachen tellerförmigen Abschnitt 3 vorgesehen und die zeitliche Abstimmung der Kraftstoffeinspritzung so vorgegeben ist, daß Kraftstoff bei mittleren Motorlasten auf den Randabschnitt 4' gespritzt wird, wird der bei mittleren Motorlasten auf den Randabschnitt 4' gespritzte Kraftstoff in zwei Teile unterteilt, nämlich einen Teil des Kraftstoffs, der in den Umfangsabschnitt 3' strömt, und einen Teil des Kraftstoffs, der in den tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 strömt. Der in den Umfangsabschnitt 3' fließende Kraftstoff wird durch die Seitenfläche 12 des Umfangsabschnitts 3' daran gehindert, aus dem Umfangsabschnitt 3' herauszufließen, so daß ein mäßig fettes Gemisch im Umfangsabschnitt 3' erzeugt wird. Da dieses mäßig fette Gemisch dazu beiträgt, die Verbrennung vom tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 zum flachen tellerförmigen Abschnitt 3 fortzuplanzen, wird das Fortschreiten der Verbrennung in der Verbrennungskammer bei mittleren Motorlasten stark verbessert. Da andererseits der in den tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 strömende Kraftstoff im tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 verdampften Kraftstoff erzeugt, wird eine gute Zündung aufrechterhalten. Ein ausgezeichnetes Fortschreiten der Verbrennung sowie eine ausgezeichnete Verbrennung werden daher selbst bei mittleren Motorlasten erreicht.
Da die Bodenfläche des flachen tellerförmigen Abschnittes 3 konvex ausgebildet ist, ist der Winkel zwischen der Kraftstoffeinspritzrichtung und der konvexen Bodenfläche gering, so daß eine Verteilung des Kraftstoffs entlang der konvexen Bodenfläche und eine Kraftstoffverdampfung an der Oberfläche gefördert werden. Da die konvexe Bodenfläche verhindert, daß der Kraftstoff in die Verbrennungskammer spritzt, wird auch ein Klopfen unterdrückt. Folglich werden bei hohen Motorlasten eine gute Verbrennung und ein Unterdrücken des Klopfens erreicht.
Da die Seitenfläche des tiefen tellerförmigen Abschnitts 2 eine Kraftstoffverdampfungsnut 4 aufweist, wird verdampfter Kraftstoff in glatter Weise zur Zündkerzentasche 4 geführt, so daß eine glatte Zündung bei niedrigen Motorlasten möglich ist.
Ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung umfaßt eine Kolben/Zylinder-Anordnung einschließlich eines tiefen tellerförmigen Abschnittess 2, eines Umfangsabschnittes 3' und eines flachen tellerförmigen Abschnittes 3. Der Umfangsabschnitt 3' besitzt eine Tiefe, die geringer ist als die des tiefen tellerförmigen Abschnittes 2 und größer ist als die des flachen tellerförmigen Abschnittes 3 und einen Durchmesser, der größer ist als der des tiefen tellerförmigen Abschnittes 2 und kleiner als der des flachen tellerförmigen Abschnittes 3. Bei mittleren Motorlasten wird Kraftstoff in Richtung auf einen Randabschnitt 4', der zwischen dem tiefen tellerförmigen Abschnitt 2 und dem Umfangsabschnitt 3' gebildet ist, eingespritzt und vom Randabschnitt 4' in zwei Teile unterteilt. Ein Teil strömt in den Umfangsabschnitt 3' und wird verdampft, so daß ein mäßig fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt wird, das dazu beiträgt, die Verbrennung vom tiefen tellerförmigen Abschnitt in den restlichen Abschnitt einer Verbrennungskammer einschließlich des flachen telierförinigen Abschnittes 3 fortzubewegen.

Claims

1. Fremdgezündeter Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung mit

einer Kolben/Zylinder-Anordnung einschließlich eines Zylinders, eines im Zylinder (1') hin- und herbewegbaren Kolbens (1) und eines Zylinderkopfes (7), der über dem Zylinder (1') angeordnet ist, wobei der Kolben (1) und der Zylinderkopf (7) eine Verbrennungskammer, deren Achse mit der Längsachse des Zylinders zusammenfällt, und einen radial äußeren Abschnitt bilden,

wobei der Kolben (1) einen tiefen tellerförmigen Abschnitt (2), einen Umfangsabschnitt (3'), der zumindest teilweise den tiefen tellerförmigen Abschnitt (2) umgibt, einen flachen tellerförmigen Abschnitt (3), der zumindest teilweise den Umfangsabschnitt (3') umgibt, und eine Zündkerzentasche (5) aufweist, die alle in einem oberen Abschnitt des Kolbens (1) ausgebildet sind, wobei der Umfangsabschnitt (3') eine Tiefe, die geringer ist als die des tiefen tellerförmigen Abschnittes (2) und größer als die des flachen tellerförmigen Abschnittes (3) ist, und einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der des tiefen tellerförmigen Abschnittes (2) und kleiner als der des flachen tellerförmigen Abschnittes (3),

der tiefe tellerförmige Abschnitt (2) eine Seitenfläche besitzt, wo die Zündkerzentasche (5) in den tiefen tellerförmigen Abschnitt (2) mündet, und der tiefe tellerförmige Abschnitt (2) eine Kraftstoffverdampfungsnut (4), die in der Seitenfläche auf stromseitig der Zündkerzentasche (5) in der Richtung eines im tiefen tellerförmigen Abschnittes (2) ausgebildeten Wirbels (11) ausgebildet ist, und einen Randabschnitt (4') aufweist, der an einem oberen Ende der Kraftstoffverdampfungsnut (4) ausgebildet ist, so daß die Kraftstoffverdampfungsnut (4) über den Randabschnitt (4') mit dem Umfangsabschnitt (3') verbunden ist;

einer im Zylinderkopf (7) eng benachbart zur Achse der Verbrennungskammer angeordneten Zündkerze (6), die einen Zündabschnitt aufweist, der in die Verbrennungskammer vorsteht, wobei die Zündkerzentasche (5) des Kolbens (1) den Zündabschnitt der Zündkerze (6) aufnimmt, wenn sich der Kolben (1) in seine höchste Position bewegt; und

einer am radial äußeren Abschnitt der Verbrennungskammer angeordneten Kraftstoffeinspritzdüse (8), wobei die Abstimmung der Kraftstoffeinspritzung der Kraftstoffeinspritzdüse (8) so vorgegeben ist, daß die Kraftstoffeinspritzdüse (8) bei mittleren Motorlasten Kraftstoff in Richtung auf den Randabschnitt (4') über der Kraftstoffverdampfungsnut (4) einspritzt.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der tiefe tellerförmige Abschnitt (2) in der Drauf sicht eine kreisförmige Kontur und eine Achse besitzt, die auf der gleichen Seite der Achse der Verbrennungskammer wie die Kraftstoffeinspritzdüse (8) angeordnet ist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der Umfangsabschnitt (3') in der Draufsicht eine im wesentlichen kreisförmige Kontur und eine mit einer Achse des tiefen tellerförmigen Abschnitts (2) zusammenfallende Achse besitzt.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der flache tellerförmige Abschnitt (3) in der Draufsicht eine kreisförmige Kontur und eine mit der Achse der Verbrennungskammer zusammenfallende Achse besitzt.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem der flache tellerförmige Abschnitt (3) einen Hauptabschnitt mit einem großen Bereich auf einer Seite der Achse der Verbrennungskammer von der Kraftstoffeinspritzdüse (8) weg besitzt.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dein der flache tellerförmige Abschnitt (3) eine Bodenfläche aufweist, die in Aufwärtsrichtung konvex gekrümmt ist.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, bei dem der flache tellerförmige Abschnitt (3) eine Seitenfläche (10) besitzt, die sich von einem radial äußersten Abschnitt der Bodenfläche des flachen tellerförmigen Abschnitts (3) nach oben erstreckt.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem sich die Zündkerze (6) parallel zur Achse der Verbrennungskammer erstreckt.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die Kraftstoffeinspritzdüse (8) ein Gehäuse aufweist, das sich vom radial äußeren Abschnitt der Verbrennungskammer schief aufwärts und radial auswärts erstreckt.

10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei dem die Abstimmung der Kraftstoffeinspritzung der Kraftstoffeinspritzdüse (8) so vorgegeben ist, daß bei niedrigen Motorlasten Kraftstoff in Richtung auf den tiefen tellerförmigen Abschnitt (2), bei mittleren Motorlasten Kraftstoff in Richtung auf den Randabschnitt (4') und bei hohen Motorlasten Kraftstoff in Richtung auf den flachen tellerförmigen Abschnitt (3) eingespritzt wird.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, bei dem die Abstimmung der Kraftstoffeinspritzung so vorgegeben ist, daß die Kraftstoffeinspritzung bei hohen Motorlasten in eine erste Kraftstoffeinspritzung und eine zweite Kraftstoffeinspritzung, die zeitlich voneinander getrennt sind, unterteilt ist.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, bei dem die erste Kraftstoffeinspritzung und die zweite Kraftstoffeinspritzung in einem Kompressionshub des Verbrennungsmotors eingestellt sind.

13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, bei dem die erste Kraftstoffeinspritzung in einem Ansaughub des Verbrennungsmotors und die zweite Kraftstoffeinspritzung in einem Kompressionshub des Motors eingestellt sind.