DE60217041T2

DE60217041T2 - Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung

Info

Publication number: DE60217041T2
Application number: DE60217041T
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Aki-gun Ohta; Hiroyuki Aki-gun Yoshida; Hiroyuki Aki-gun Yamashita
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: EP1298294B1; DE60217041D1; US20030075141A1; EP1298294A1; JP2003106153A; KR20030027663A

Description

Diese Erfindung betrifft einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung, die mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung ausgerüstet bzw. ausgestattet ist, die Kraftstoff direkt in eine Verbrennungskammer einspritzt, und eine Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung, die mit dem Kolben ausgerüstet ist.
Herkömmlicherweise war eine Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung bekannt, welche eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfaßt, die direkt Kraftstoff in eine Verbrennungskammer einspritzt, und die Kraftstoffeinspritzeinrichtung regelt bzw. steuert, um den Kraftstoff während eines Kompressionshubs einzuspritzen, um ein Gemisch in der Nähe einer Zündkerze zu konzentrieren und die geschichtete Verbrennung mit einem magereren Luft-Kraftstoff-Verhältnis des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Zustand niedriger Motorlast und niedriger Motordrehzahl zu verursachen bzw. zu bewirken, um eine Kraftstoffnutzleistung bzw. -effizienz zu verbessern. Die japanische Patentveröffentlichung Nr. H11-294307 offenbart eine derartige Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung, in welcher Kraftstoff in die Nähe der Zündkerze durch einen Taumel- bzw. Wirbelstrom befördert wird, nachdem er in die Verbrennungskammer von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung eingespritzt wurde, die an einer Umfangswand der Verbrennungskammer angeordnet ist, und die Menge des Her vorstehens der Zündkerze gemäß einem Motorbetriebszustand eingestellt wird.
In Übereinstimmung mit dem in der oben beschriebenen Patentveröffentlichung beschriebenen Aufbau werden die folgenden Vorteile erzielt:
In einem Zustand hoher Motorlast und hoher Motordrehzahl, wo der Motor auf dem Modus einer homogenen Verbrennung mit Einlaßhubeinspritzung arbeitet, wird die Menge des Hervorstehens der Zündkerze für eine große Menge des eingespritzten Kraftstoffs in dem Modus einer homogenen Verbrennung verringert, welches das Feuchtwerden der Zündkerze und die unvollständige Zündung verhindert, da die Zündkerze direkt dem Kraftstoffsprühnebel ausgesetzt ist, wodurch die homogene Verbrennung für eine hohe Motorausgabe bzw. -leistung und verbesserte Emissionsleistung stabilisiert wird.
Andererseits wird in der niedrigen und mittleren Motorlast und niedrigen und mittleren Motordrehzahl, wo der Motor an dem Modus einer geschichteten Verbrennung mit einer Kompressionshubeinspritzung arbeitet, die Menge des Hervorstehens der Zündkerze vergrößert, was sicherstellt, daß der Kraftstoff zur Nähe der Zündkerze gefördert wird, wodurch eine Motorausgabe und Emissionsleistung ohne irgendeine zusätzliche Struktur verbessert wird, um den Kraftstoffsprühnebel zu veranlassen, mit der oberen Oberfläche des Kolbens zu kollidieren.
In dem Aufbau wie oben, welcher das Hervorstehen bzw. -ragen der Zündkerze gemäß dem Motorbetriebszustand regelt bzw. steuert, ist jedoch ein vorragender bzw. ausfahrender Mechanismus für die Zündkerze am oberen Abschnitt der Verbrennungskammer erforderlich. Dies verkompliziert die Mo torstruktur und vergrößert unvermeidlich die Motorgröße. Außerdem bewirkt die vergrößerte Menge des Hervorstehens der Zündkerze in dem Modus einer geschichteten Verbrennung unvermeidlich, daß mehr Menge des Kraftstoffs an einer Elektrode in Form von Tröpfchen niedergeschlagen wird. Dies führt dazu, daß die Zündkerze wiederholt durch die Verdampfung der Tröpfchen gekühlt und durch die Zündung erwärmt bzw. erhitzt wird, was die Zündkerze an einer zuverlässigen Zündung hindern kann.
JP 11-223 127 offenbart eine Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung, umfassend einen Kolben. In diesem Kolben ist ein Hohlraum derart ausgebildet, daß ein Taumel- bzw. Wirbelstrom entlang einer Bodenoberfläche des Hohlraums fließen bzw. strömen kann. Weiterhin ist auch eine Stufe zum Führen des Wirbelstroms und des eingespritzten Kraftstoffs nach oben auch an der oberen Oberfläche des Kolbens ausgebildet. Der Kraftstoff wird an der Stufe zur gegenüberliegenden Seite in bezug auf die Zylinderachse eingespritzt und fließt bzw. strömt zusammen mit der Luft entlang der Bodenoberfläche des Hohlraums über die Stufe in Richtung zur Zündkerze.
EP-A-0 921 287 offenbart ein anderes Beispiel einer Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung, umfassend einen Kolben, in welchem ein Hohlraum ausgebildet ist. Insbesondere umfaßt dieser Kolben einen weiteren Hohlraum, der eine kleinere Breite als der erste Hohlraum aufweist und mit demselben verbunden ist. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist über dem weiteren Hohlraum angeordnet, so daß der Kraftstoffsprühnebel mit dem Taumelstrom kollidiert, der von dem weiteren Hohlraum in Richtung zur Zündkerze fließt bzw. strömt.
Es ist das Ziel bzw. der Gegenstand der Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung bereitzustellen, die eine günstige bzw. vorteilhafte Zündfähigkeit und Verbrennung eines geschichteten Gemischs in einem mageren Betriebsmodus des Motors aufweist, so daß die Kraftstoffnutzleistung bzw. -effizienz und Emissionen verbessert sind bzw. werden.
Dieses Ziel wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung vollbracht, die die in Anspruch 1 geoffenbarten Merkmale aufweist. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Unteransprüchen definiert.
Gemäß der Erfindung wird eine Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung bereitgestellt, in welcher ihr Einlaßsystem so konfiguriert ist, um einen Taumel- bzw. Wirbelstrom bzw. -fluß in einer Verbrennungskammer zu erzeugen, und umfassend eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, welche an oder nahe dem Umfangs- oder lateralen bzw. Seitenabschnitt eines Dachs oder oberen Abschnitts der Verbrennungskammer angeordnet ist, wobei ein Kolben mit einem Hohlraum ausgebildet ist, der eine Bodenoberfläche aufweist, entlang welcher der Taumelstrom fließen bzw. strömen kann, und welcher sich zu beiden Seiten der Zylinderachse an der oberen Oberfläche des Kolbens erstreckt; und eine Stufe oder einen abgestuften oder abgeschrägten Abschnitt, der an einer Kraftstoffeinspritzeinrichtungs-Seite (oder Einlaßventilseite) der Zylinderachse an der Bodenoberfläche des Hohlraums zum Führen des Taumelstroms nach oben vorgesehen bzw. zur Verfügung gestellt ist. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung spritzt Kraftstoff so ein, daß der eingespritzte Kraftstoff im wesentlichen gegen den Taumelstrom aufprallt bzw. diesem gegenüberliegt und/oder diesen unter einem stumpfen Winkel schneidet, der in der Verbrennungskammer in einer derartigen Weise erzeugt wird, daß die Mischung in der Nähe der Zündkerze konzentriert und gezündet ist bzw. wird.
Somit wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine einfache Kolbenstruktur für eine Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung bereitgestellt, welche die Mischung in der Nähe der Zündkerze in dem Vorgang einer geschichteten Verbrennung geeignet schichten kann, ohne die zuverlässige bzw. betriebssichere Zündung der Zündkerze zu verschlechtern bzw. zu beeinträchtigen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung bereitgestellt, in welcher ihr Einlaßsystem so konfiguriert ist, um einen Taumel- bzw. Wirbelstrom bzw. -fluß in einer Verbrennungskammer zu erzeugen, ein zentraler Abschnitt eines Dachs der Verbrennungskammer an dem höheren Niveau als ihr Umfangsabschnitt angeordnet ist, eine Zündkerze im zentralen Abschnitt angeordnet ist, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung am Umfangsabschnitt eines Dachs der Verbrennungskammer (beispielsweise der linken Seite des zentralen Abschnitts) angeordnet ist, und die Kraftstoffeinspritzeinrichtung Kraftstoff derart einspritzt, so daß eingespritzter Kraftstoff im wesentlichen gegen den Taumelstrom aufprallt bzw. diesem gegenüberliegt und/oder diesen unter einem stumpfen Winkel schneidet, der in der Verbrennungskammer in einer derartigen Weise erzeugt wird, daß die Mischung in der Nähe der Zündkerze konzentriert und gezündet ist bzw. wird, wobei der Kolben ausgebildet ist mit: einem Hohlraum, der eine Bodenoberfläche aufweist, entlang welcher der Taumelstrom fließt bzw. strömt, und welcher sich zu beiden Seiten der Zylinderachse an der oberen Oberfläche des Kolbens erstreckt; und einer Stufe, die an der linken Seite (Seite der Kraftstoffeinspritzeinrichtung oder des Einlaßventils) der Zylinderachse an der Bodenoberfläche des Hohlraums zum Führen des Taumelstroms nach oben vorgesehen bzw. zur Verfügung gestellt ist.
Demgemäß prallen, wenn der Motor an dem Modus einer geschichteten Verbrennung arbeitet, der Kraftstoffsprühnebel, der durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung während des Kompressionshubs eingespritzt ist bzw. wird, und der Taumelstrom, der entlang des Hohlraums an der oberen Oberfläche des Kolbens fließt bzw. strömt, gegeneinander. Somit wird der Kraftstoff unterstützt, zu zerstäuben und sich mit Luft zu mischen, und dann wird die Mischung nach oben bewegt, um in der Nähe der Zündkerze konzentriert zu werden.
Vorzugsweise kann ein Vorsprung bzw. Sockel vorgesehen sein, welcher sich von dem oberen Rand bzw. der oberen Kante der Stufe fortsetzt, welche auf der oberen Oberfläche des Kolbens ausgebildet ist, sich parallel zu der Bodenoberfläche des Hohlraums erstreckt, und unterhalb der Höhe bzw. des Niveaus des Öffnungsrands bzw. -grats des Hohlraums angeordnet ist.
Demgemäß wird, wenn die Verbrennungskraftmaschine bzw. der Motor an dem Modus einer geschichteten Verbrennung arbeitet, der Kraftstoff, der durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung während des Kompressionshubs eingespritzt wird, daran gehindert, an der Stufe und dem Sockel bzw. Vorsprung abgelagert zu werden, der an der oberen Ober fläche des Kolbens ausgebildet ist, ohne den Führungseffekt für den Taumelstrom mittels der Stufe zu verschlechtern bzw. zu beeinträchtigen, die an der oberen Oberfläche des Kolbens ausgebildet ist.
Vorzugsweise kann der obere Rand des Sockels unter dem Kraftstoffnebelbereich angeordnet sein, wenn sich der Kolben an der Stelle zum Startzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung in dem Betriebsmodus einer geschichteten Verbrennung befindet.
Demgemäß wird der Kraftstoff, der durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung während des Kompressionshubs eingespritzt wird, zuverlässig daran gehindert, an der oberen Oberfläche des Kolbens in dem Modus einer geschichteten Verbrennung abgelagert zu werden, ohne die Führungswirkung bzw. den Führungseffekt des Taumelstroms mittels der Stufe zu verschlechtern, die an der oberen Oberfläche des Kolbens ausgebildet ist.
Vorzugsweise kann der Abstand zwischen einem Öffnungsrand an der gegenüberliegenden Seite zu der Seite der Kraftstoffeinspritzeinrichtung des Hohlraums (beispielsweise einem rechten Öffnungsrand des Hohlraums an der oberen Oberfläche des Kolbens) und dem Umfang des Kolbens größer als der Abstand zwischen einem Öffnungsrand an der Seite der Kraftstoffeinspritzeinrichtung des Hohlraums (beispielsweise einem linken Öffnungsrand und dem Umfang des Kolbens) sein.
Demgemäß kann die Taumelschrägstellung wirksam daran gehindert werden, seitlich (beispielsweise nach links) während des Kompressionshubs im Querschnitt verschoben bzw. verlagert zu werden, und die Abschwächung des Taumelstroms wird unterdrückt.
Diese und andere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform bezüglich der begleitenden Zeichnungen ersichtlicher, in welchen:
1 ein schematisches Diagramm ist, das eine Kolbenstruktur einer Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ein Blockdiagramm ist, das eine detaillierte Struktur eines Kraftstofflieferungs- bzw. -zuleitungssystem zeigt.
3 ein Diagramm ist, das einen Kegelwinkel des Kraftstoffsprühnebels und der Sprühnebeldurchdringung zeigt.
4 eine Querschnittsansicht des bedeutsamen Abschnitts eines Hauptkörpers des Motors ist.
5 eine Querschnittsansicht ist, die die detaillierte Form des Kolbens zeigt.
6 eine Draufsicht ist, die die detaillierte Form des Kolbens zeigt.
7 eine Draufsicht ist, die den Aspekt der Kraftstoffeinspritzung zeigt.
8 eine graphische Darstellung ist, die eine Regel- bzw. Steuerkarte zeigt, die den Motorbetriebsbereich zeigt.
9 eine Ansicht ist, die graphisch die Änderung im Taumelfluß bzw. -strom im Vergleichsbeispiel zeigt.
10 eine Ansicht ist, die graphisch die Änderung im Taumelstrom in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 eine Ansicht ist, die graphisch die Änderung in der Mischung im Vergleichsbeispiel zeigt.
12 eine Ansicht ist, die graphisch die Änderung in der Mischung in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 eine graphische Darstellung ist, die die Änderung in der Kraftstoffeffizient hinsichtlich des Zündtimings bzw. -zeitpunkts zeigt.
14 eine graphische Darstellung ist, die die Änderung in einer Verbrennungsstabilität hinsichtlich des Zündzeitpunkts zeigt.
15 eine Ansicht ist, die die Änderung im Zentrum des Taumelstroms hinsichtlich der Position des Kolbens im Vergleichsbeispiel zeigt.
16 eine Ansicht ist, die die Änderung im Zentrum des Taumelstroms hinsichtlich der Position des Kolbens in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
1 illustriert eine Gesamtstruktur einer Verbrennungskraftmaschine 1 mit Benzindirekteinspritzung, die mit einem Kolben 5 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist. Wie in der Zeichnung illustriert, umfaßt ein Hauptkörper der Verbrennungskraftmaschine 1 einen Zylinderblock 3, der mit einer Mehrzahl von Zylindern 2 ausgebildet ist, einen Zylinderkopf 4, der auf dem Zylinderblock 3 montiert bzw. angeordnet ist, einen Kolben 5, der innerhalb jedes Zylinders 2 eingepaßt ist, um sich vorzugsweise im wesentlichen in der vertikalen Richtung hin- und herzubewegen. Eine Verbrennungskammer 6 ist zwischen dem Kolben 5 und dem Zylinderkopf 4 definiert. Der Kolben 5 ist mit einer Kurbelwelle 7 verbunden, die am unteren Abschnitt des Zylinderblocks 3 über eine Verbindungsstange 8 rotierbar abgestützt ist. An einem Ende der Kurbelwelle 7 ist ein elektromagnetischer Kurbelwinkelsensor 9 zum Detektieren eines Kurbel winkels (oder eines Drehungswinkels der Kurbelwelle) bereitgestellt.
Die Verbrennungskammer 6 jedes Zylinders 2 ist von einem sogenannten gebogenen Dachtyp, dessen Dach zwei geneigte bzw. schräge Flächen umfaßt, vorzugsweise im wesentlichen daraus besteht, die sich jede von dem im wesentlichen zentralen Abschnitt des Dachs zu der unteren Oberfläche des Zylinderkopfs 4 erstreckt. Zwei Einlaßöffnungen 10 und zwei Auslaßöffnungen 11 öffnen bzw. münden jeweils an den zwei schrägen Oberflächen des Dachs der Verbrennungskammer 6 (siehe 6). Ein Einlaßventil 12 und ein Auslaßventil 13 sind am Öffnungsrand der jeweiligen Öffnung 10 und 11 angeordnet. Das Einlaßventil 12 und das Auslaßventil 13 öffnen und schließen bei einem vorbestimmten Zeitpunkt für entsprechende Zylinder 2, angetrieben oder geregelt bzw. gesteuert durch einen ein Ventil antreibenden oder ein Ventil regelnden bzw. steuernden Mechanismus 14, der zwei Nockenwellen 14 umfaßt, die drehbar am oberen Abschnitt des Zylinderkopfs 4 abgestützt sind.
An dem zentralen oberen Abschnitt der Verbrennungskammer 6 ist eine Zündkerze 16 vorzugsweise so eingepaßt, um im wesentlichen durch die vier Ventile von zwei Einlaßventilen 12 und zwei Auslaßventilen 13 umgeben zu sein. Eine Spitze der Zündkerze 16 ragt in die Verbrennungskammer 6 vor. Die Zündkerze 16 ist elektrisch mit einer Zündungsschaltung 17 verbunden, welche die Zündkerze 16 bei einem vorbestimmten Zeitpunkt für die entsprechenden Zylinder 2 mit Energie versorgt bzw. erregt.
An einer Umfangswand des Zylinders 6 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 vorzugsweise zwischen den zwei Ein laßöffnungen 10 angeordnet. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 spritzt Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer 6 ein (siehe 7). Das proximale Ende der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 ist mit einem Kraftstoffverteilungsrohr 19 verbunden, welches Kraftstoff von hohem Druck, der von einem Kraftstoffliefer- bzw. -zuleitungssystem 20 geliefert wird, für oder an jeden Zylinder 2 verteilt.
Wie in 2 gezeigt, beinhaltet das Kraftstoffzufuhrsystem 20 einen Kraftstoffdurchtritt 22, welcher das Kraftstoffverteilungsrohr 19 mit einem Kraftstofftank 21 verbindet. Im Kraftstoffdurchtritt 22 sind eine Niederdruckpumpe 23, ein Niederdruckregulator 24, ein Kraftstoffilter 25 und eine Hochdruckpumpe 26 von der stromaufwärtigen Seite des Kraftstoffdurchtritts 22 angeordnet. Kraftstoff wird aus dem Kraftstofftank 21 durch die Niederdruckpumpe 23 angesaugt, sein Druck wird durch den Niederdruckregulator 24 geregelt, durch das Kraftstoffilter 25 gefiltert und dann in die Hochdruckpumpe 26 zugeführt. Die Hochdruckpumpe 26 ist ein Elektromagnetventil, welches beispielsweise weit bzw. breit die Menge des ausgebrachten Kraftstoffs einstellen kann. Durch ein Einstellen der Menge des Kraftstoffs, der in das Kraftstoffverteilungsrohr 19 ausgebracht wird, stellt die Hochdruckpumpe 26 einen gewünschten Sprühnebeldruck des Kraftstoffs bereit (der vorzugsweise ungefähr von 3 MPa bis 13 MPa, vorzugsweise beispielsweise 4 MPa bis 7 MPa reicht). Alternativ kann ein Hochdruckregulator zur Verfügung gestellt sein, welcher teilweise Kraftstoff, der durch die Hochdruckpumpe 26 mit Druck beaufschlagt ist, zum Kraftstofftank 21 durch einen Rückführungsdurchtritt zurückführt, um einen gewünschten Druck des Kraftstoffs bereitzustellen, der in das Kraftstoffverteilungsrohr 19 ausgebracht wird.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 umfaßt eine Einspritzdüse, welche einen Kraftstoffsprühnebel Fa mit einem Sprühkegelwinkel θ vorzugsweise gleich oder weniger als 70°, beispielsweise ungefähr 30° einspritzt. Der Sprühkegelwinkel θ variiert mit dem Druckzustand in der Verbrennungskammer 6. In dieser Ausführungsform werden jedoch zwei Punkte B und C bestimmt, an welchen eine angenommene Ebene durch die Sprühzentrumslinie F und das Profil des Kraftstoffsprühnebels Fa sich miteinander an einem stromabwärtigen Abschnitt von einer Einspritzungsbohrung A der Kraftstoffeinspritzeinrichtung um 20 mm verbinden, und LBAC ist als der Sprühkonuswinkel θ definiert, wie dies in 3(a) illustriert ist.
Zusätzlich sind, wie dies in 3(b) illustriert ist, in der angenommenen Ebene, die die Sprühzentrumslinie F beinhaltet, die vorderen Ränder bzw. Kanten des primären Sprühnebels (oder Kraftstofftröpfchenbereich) ausgenommen einen sogenannten vorzeitigen Sprühnebel (oder Anfangssprühnebel) als Punkt B1 bzw. Punkt C1 definiert, es sind der Abstand von der Einspritzungsbohrung A der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 zu dem Punkt B1 entlang der Kraftstoffzentrumslinie F und der Abstand von der Einspritzungsbohrung A der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 zum Punkt C1 entlang der Kraftstoffzentrumslinie F als L1 und L2 definiert, worauf die Sprühnebeldurchdringung L als ein Durchschnitt von L1 und L2 definiert ist (d.h. L = (L1 + L2)/2).
Zum tatsächlichen Messen des Sprühnebelkonuswinkels θ und der Sprühnebeldurchdringung L kann beispielsweise ein Laserblattverfahren verwendet werden. Spezifisch wird zuerst eine Probe eines trockenen Lösungsmittels, welches einem tatsächlichen Kraftstoff in seiner Eigenart oder seinen Eigenschaften ähnlich ist, als ein Fluid verwendet, das von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 einzuspritzen ist, und der Druck der Probe ist bzw. wird auf einen vorbestimmten Wert (beispielsweise 7 MPa) unter normalen Temperaturzuständen bzw. -bedingungen eingestellt. Weiterhin ist das Innere eines Druckbehälters, der mit einem für Laser durchlässigen Fenster und einem Meßfenster zum Filmen bzw. Filmbilden von Sprühnebel ausgestattet ist, beispielsweise auf 0,25 MPa mit Druck beaufschlagt, welches einem Umgebungsdruck zugewiesen ist. Dann wird unter normalen Temperaturbedingungen bzw. Bedingungen einer normalen Temperatur der Kraftstoff durch Eingeben von Auslöser- bzw. Triggerimpulssignalen bei einer vorbestimmten Pulsbreite an die Einspritzeinrichtung 18 so eingespritzt, daß die Menge des Sprühnebels pro Puls bzw. Impuls 9 mm³/Hub ist.
Danach wird ein 5 mm dickes Laserlichtblatt so bestrahlt, um die Sprühnebelzentrumslinie F des Kraftstoffsprühnebels Fa zu passieren, und Sprühnebelbilder werden von einer Richtung senkrecht zur Laserlichtblattebene durch eine Hochgeschwindigkeitskamera photographiert. Dann werden der Sprühnebelkegelwinkel θ und die Durchdringung L eines Sprühnebels in Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Definitionen bestimmt, basierend auf dem Bild, das 1,56 ms, nachdem das Triggerimpulssignal eingegeben worden ist, photographiert wurde. Das Sprühnebelprofil in dem photographierten Bild bezieht sich auf das Profil des Bereichs von Teilchen- bzw. Partikelproben in der Form eines Tröpfchens. Das Sprühnebelprofil kann von dem photographierten Bild als ein Abschnitt bestimmt werden, der sich in der Helligkeit unterscheidet, da das Laserblattlicht den Bereich von Teilchenproben beleuchtet.
Die Struktur des Hauptkörpers der Verbrennungskraftmaschine bzw. des Motors 1, oben beschrieben, wird nun in weiterem Detail unter Bezugnahme auf eine vergrößerte Querschnittsansicht beschrieben, die in 4 illustriert ist. Die Einlaßöffnung 10 erstreckt sich gerade und diagonal von der Verbrennungskammer 6 und mündet an einer Seitenoberfläche des Hauptkörpers der Verbrennungskraftmaschine 1 (oder an der linken Seitenoberfläche bzw. Oberfläche der linken Seite davon in 4). Zwei Einlaßöffnungen 10 (eine davon ist illustriert) sind individuell für einen Zylinder 2 bereitgestellt. Die Einlaßöffnungen 10 sind Teile von einen Taumel generierenden Mitteln, welche die Einlaßluft veranlassen, die in die Verbrennungskammer 6 durch die Einlaßöffnung 10 eingeführt wird, sich als ein Taumelstrom T zu verhalten. Wie in 4 illustriert, dreht sich der Taumelstrom T im Uhrzeigersinn (oder in der durch einen Pfeil in 4 angezeigten Richtung) in der Querschnittsansicht, welche die Einlaßöffnung 10 an der linken Seite und die Auslaßöffnung 11 an der rechten Seite in der Verbrennungskammer 6 darstellt.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 spritzt Kraftstoff in der Richtung unter einem von 0° verschiedenen Winkel, vorzugsweise im wesentlichen entgegengesetzt zum Taumelstrom T ein. D.h. in der Querschnittsansicht, wie sie in 4 illustriert ist, spritzt die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18, die an der linken Seite in der Verbrennungskammer 6 angeordnet ist, Kraftstoff in der Richtung nach rechts und nach unten ein, so daß der eingespritzte Kraftstoff sich gegen den Taumelstrom T über der oberen Oberfläche des Kolbens 5 richtet oder gegen diesen aufprallt und/oder den Taumelstrom T unter einem stumpfen Winkel (oder einem Winkel zwischen 90° und 180°) schneidet.
Der Neigungswinkel der zwei geneigten Flächen, die das Dach der Verbrennungskammer 6 bilden, ist so eingestellt, daß der Winkel zwischen den Achsen des Einlaßventils 12 und des Auslaßventils 13 (oder ein ein Ventil enthaltender Winkel) α ein relativ großer Winkel, beispielsweise gleich 35° oder mehr ist. Ein derartiger großer Winkel zwischen den schrägen Flächen hindert die Einlaßöffnung 10 und die Auslaßöffnung 11 daran, sich dicht bzw. eng zu biegen, um so den Strömungs- bzw. Flußwiderstand der Einlaßluft und des Abgases zu verringern.
Hier wird eine Komponente, die entlang des Dachs der Verbrennungskammer 6 strömt bzw. fließt, als eine erste Komponente Ts des Taumelstroms T (6) definiert, und eine Komponente, die entlang des Bodens der Verbrennungskammer 6 strömt bzw. fließt, wird als eine zweite Komponente Tm des Taumelstroms definiert (7). Wie in der Querschnittsansicht von 5 illustriert, ist die obere Oberfläche des Kolbens 5 mit einem Hohlraum 27 ausgebildet, welcher sich zu beiden Seiten der Zylinderachse Z erstreckt und eine ungefähr horizontale Bodenoberfläche beinhaltet, entlang welcher im wesentlichen die zweite Komponente Tm strömt. An der linken Seite (oder an der Seite der Kraftstoffeinspritzeinrichtung oder des Einlaßventils) der Zylinderachse Z im Hohlraum 27 ist eine Stufe oder ein abgestufter Abschnitt oder eine abgeschrägte Oberfläche 28 an der Bodenoberfläche des Hohlraums 27 zum Lenken der zweiten Komponente Tm nach oben oder in Richtung zur Zündkerze 16 bereitgestellt. Die Stufe 28 setzt sich zu einem Sockel oder erhöhten Abschnitt 29 fort, der sich vorzugsweise im wesentlichen parallel zur Bodenoberfläche des Hohlraums 27 erstreckt, oder sich ungefähr horizontal erstreckt. Der Sockel 29 ist (axial positioniert) unter dem Niveau bzw. der Höhe des Öffnungsrands bzw. -grats des Hohlraums 27, und ist unter dem Niveau von zusammenpassenden Oberflächen des Zylinderblocks 3 und des Zylinderkopfs 4 am oberen Totpunkt (TDC) des Kompressionshubs des Kolbens 5 angeordnet.
Zusätzlich ist, wenn sich der Kolben an der Stelle zum Startzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung in dem Betriebsmodus einer geschichteten Verbrennung befindet, der obere Rand des Sockels 29 unter dem Kraftstoffsprühnebelbereich angeordnet. Außerdem ist, wenn der Abstand h (5) als der Höhenunterschied zwischen der Oberseite des Dachs der Verbrennungskammer 6 und der Elektrode am unteren Ende der Zündkerze 16 definiert ist, die am Dach der Verbrennungskammer 6 angeordnet ist, und der Abstand d als der Höhenunterschied zwischen der Oberseite des Dachs der Verbrennungskammer 6 und dem Niveau der Bodenoberfläche des Hohlraums 27 im Kolben 5 am oberen Totpunkt des Kompressionshubs definiert ist, h vorzugsweise eine Hälfte von d oder weniger (h ≤ d/2). Weiterhin sind andere Abmessungen, wie beispielsweise die Menge des Hervorstehens der Zündkerze 16 und ein Kipp- bzw. Neigungswinkel γ der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18, so eingestellt (4), daß die Elektrode der Zündkerze 16 über dem Kraftstoffsprühnebelbereich angeordnet ist.
Der Hohlraum 27, der an der oberen Oberfläche des Kolbens 5 ausgebildet ist, ist so konfiguriert, daß der Abstand Ra zwischen einem rechten Öffnungsrand 27a und dem Umfang des Kolbens 5 größer ist als der Abstand Rb zwischen einem linken Öffnungsrand 27b und dem Umfang des Kolbens 5 in der Querschnittsansicht von 4 und 5 (oder in der Querschnittsansicht, in welcher sich der Taumelstrom T im Uhrzeigersinn dreht). Zusätzlich ist, wie in einer Draufsicht von 6 und 7 gezeigt, der Öffnungsrand 27A des Hohlraums 5a im allgemeinen oval oder im wesentlichen elliptisch in der Form, wobei eine Hauptachse im wesentlichen entlang der Richtung der Kraftstoffeinspritzung ausgerichtet bzw. orientiert ist und mit einer kleineren Achse im wesentlichen senkrecht zur Hauptachse. Weiterhin werden die zweite Komponente Tm und der Kraftstoffsprühnebel Fa in den Hohlraum 27a vorzugsweise von der im wesentlichen einander entgegengesetzten Richtung eingeführt, so daß der Taumelstrom T und der Kraftstoffsprühnebel Fa im wesentlichen aufeinander prallen und/oder einander unter einem stumpfen Winkel innerhalb des Hohlraums 27a schneiden.
Ein Umfang 5a außerhalb des Hohlraums 27 an der oberen Oberfläche des Kolbens 5 weist ein Profil im wesentlichen parallel zu und entsprechend den schrägen Flächen des Dachs der Verbrennungskammer 6 auf, welches dem Umfang 5a gegenüberliegt oder ihm entspricht. Ein Spalt zwischen einem Umfang 5a der oberen Oberfläche des Kolbens 5 und dem Dach der Verbrennungskammer 6 wird durch sie während einer Zeitdauer vor dem oberen Totpunkt (TDC) im Zylinder 2 gequetscht, beispielsweise einer Zeitdauer von BTDC 40° CA bis TDC. "TDC" und "BTDC" beziehen sich auf "oberen Totpunkt" bzw. "vor oberem Totpunkt", und "CA" bezieht sich auf "Kurbelwinkel".
Wiederum auf 1 bezugnehmend, ist ein Einlaßdurchtritt 31 mit einer Seitenoberfläche des Hauptkörpers der Verbrennungskraftmaschine 1 verbunden und kommuniziert bzw. steht in Verbindung mit der Einlaßöffnung 10 für den entspre chenden Zylinder 2. Andererseits ist ein Abgasdurchtritt 32 mit der anderen Seite des Hauptkörpers der Verbrennungskraftmaschine 1 verbunden und steht in Verbindung mit der Auslaßöffnung 11 für den entsprechenden Zylinder 2.
Der Einlaßluftdurchtritt 31 liefert Einlaßluft, die vorzugsweise durch einen Luftreiniger (nicht illustriert) gefiltert ist, in die Verbrennungskammer 6 des entsprechenden Zylinders 2 des Hauptkörpers 1. Von der stromaufwärtigen Seite eines Luftstroms sind ein Luftflußsensor 33 vom Heißdrahttyp zum Detektieren der Menge an Einlaßluft, ein vorzugsweise elektrisch geregeltes bzw. gesteuertes Drosselventil 34, das durch einen Elektromotor 35 angetrieben ist, um zu öffnen und zu schließen und ein Druckausgleichsbehälter 36 in dem Einlaßluftdurchtritt 31 angeordnet. Die stromabwärtige Seite des Druckausgleichsbehälters 36 des Einlaßluftdurchtritts 31 verzweigt sich in einzelne bzw. individuelle Einlaßluftdurchtritte für jeden Zylinder 2. Jeder einzelne Durchtritt ist weiterhin in zwei Durchtritte an seinem Ende verzweigt bzw. getrennt, um jeweils mit den zwei Einlaßöffnungen 10 zu kommunizieren.
In einem stromaufwärtigen Abschnitt jeder der zwei Einlaßöffnungen 10 ist ein Taumel-Regel- bzw. -Steuerventil 37 zum Einstellen der Stärke des Taumelflusses bzw. -stroms T in der Verbrennungskammer 6 bereitgestellt. Das Taumel-Regel- bzw. -Steuerventil 37 wird durch ein Betätigungs- bzw. Stellglied 38, wie beispielsweise einen Schrittmotor, betätigt, um zu öffnen und zu schließen. Das Taumel-Regel- bzw. -Steuerventil 37 ist von einer Scheibenform oder ein scheibenförmiges Drosselventil, das mit einer Kerbe ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Kerbe an einem unteren Abschnitt einer Rotationsachse des Ventils ausgebildet.
Wenn das Taumel-Regel- bzw. -Steuerventil 37 völlig geschlossen ist, tritt Einlaßluft durch die Kerbe durch, um einen starken Taumelstrom T in der Verbrennungskammer 6 zu generieren bzw. zu erzeugen. Der Taumelstrom T wird allmählich schwächer, wenn das Taumel-Regel- bzw. -Steuerventil 37 geöffnet wird.
Formen bzw. Gestalten der Einlaßöffnung 10 und des Taumel-Regel- bzw. -Steuerventils 37 sind nicht auf die oben beschriebenen beschränkt. Beispielsweise kann die Einlaßöffnung 10 von einem sogenannten gemeinsamen Öffnungstyp mit einem Verzweigungsabschnitt sein, an welchem der Durchtritt in jeweilige Öffnungen getrennt ist bzw. wird. In diesem Fall kann das Taumel-Regel- bzw. -Steuerventil 37 in eine Form ausgebildet sein, die an den Querschnitt der gemeinsamen Öffnung einpaßbar ist und teilweise gekerbt ist.
Andererseits trägt der Abgasdurchtritt 32 verbranntes Gas aus der Verbrennungskammer 6 zur Außenseite bzw. nach außen aus. Am stromaufwärtigen Ende des Abgasdurchtritts 32 ist ein Abgaskrümmer bzw. -verteiler 39 bereitgestellt, welcher mit der entsprechenden Auslaßöffnung 11 für jeden Zylinder 2 kommuniziert bzw. in Verbindung steht. In einem Sammelabschnitt des Abgaskrümmers bzw. -sammlers 39 ist ein linearer O₂-Sensor 40 zum Detektieren einer Sauerstoffkonzentration des Abgases bereitgestellt, welcher vorzugsweise eine lineare Ausgabe für die Sauerstoffkonzentration über den vorbestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Bereich generiert bzw. erzeugt, einschließlich des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Eine Sauerstoffkonzentration des Abgases, die durch den linearen O₂-Sensor 40 detektiert wird, wird zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verwendet.
Mit dem sammelnden bzw. Sammelabschnitt des Abgaskrümmers 39 ist das stromaufwärtige Ende eines Abgasrohrs 41 verbunden. Im stromabwärtigen Abschnitt des Abgasrohrs 41 sind ein NOx-Reinigungskatalysator 42 und ein Drei-Wege-Katalysator 43 zum Reinigen des Abgases bereitgestellt. Zwischen beiden Katalysatoren 42 und 43 ist ein Abgastemperatursensor 44 zum Detektieren der Temperatur des Abgases vorgesehen bzw. bereitgestellt. Mit dem stromaufwärtigen Abschnitt des Abgasrohrs 41 ist das stromaufwärtige Ende eines EGR-(oder Abgasrezirkulations-) Durchtritts 45 verbunden, welcher teilweise das Abgas von dem Abgasdurchtritt 32 zum Einlaßluftdurchtritt 31 zurückführt. Das stromabwärtige Ende des EGR-Durchtritts 45 ist mit dem Abschnitt zwischen dem elektrisch geregelten bzw. gesteuerten Drosselventil 34 und des Druckausgleichsbehälters 36 des Einlaßluftdurchtritts 31 verbunden. Am mittleren Abschnitt des EGR-Durchtritts 45 sind ein vorzugsweise elektrisch geregeltes bzw. gesteuertes EGR-Ventil 46 und ein EGR-Kühler 47 bereitgestellt. Das elektrisch geregelte bzw. gesteuerte EGR-Ventil 46 wird angetrieben zu öffnen und zu schließen, um die Menge des rückkehrenden Abgases einzustellen, und der EGR-Kühler 47 kühlt das Abgas.
Die Zündschaltung 17, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18, das Kraftstoffzufuhr- bzw. -zuleitungssystem 20, ein Elektromotor 35 zum Antreiben des elektrisch geregelten bzw. gesteuerten Drosselventils 34, das Stellglied 38 zum Antreiben des Taumel-Regel- bzw. -Steuerventils 37 und das elektrisch geregelte bzw. gesteuerte EGR-Ventil 46 werden durch eine Motor- bzw. Verbrennungskraftmaschinen-Regel- bzw. -Steuereinheit (erwähnt als ECU) 50 geregelt bzw. gesteuert. Die ECU 50 erhält bzw. empfängt Signale vom Kur belwinkelsensor 9, dem Luftstromsensor 33, dem O₂-Sensor 40, dem Abgastemperatursensor 44, einem Gaspedalpositionssensor 48 zum Detektieren einer Bewegung des Gaspedals (oder Betätigungsausmaß des Gaspedals) und/oder einem Drehzahlsensor 49 zum Detektieren der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine bzw. des Motors 1.
Basierend auf den Signalen von den Sensoren regelt bzw. steuert die ECU die Menge des eingespritzten Kraftstoffs, den Einspritzungszeitpunkt und den Kraftstoffsprühnebeldruck, der durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 zu erzielen ist, die Menge der Einlaßluft, indem die Drosselklappe bzw. das Drosselventil 34 eingestellt wird, die Stärke des Taumelstroms, indem das Taumel-Regel- bzw. -Steuerventil 37 eingestellt wird, und die Menge des rückkehrenden Abgases, indem das elektrisch geregelte bzw. gesteuerte EGR-Ventil 46 jeweils gemäß dem Motorbetriebszustand eingestellt wird.
Insbesondere arbeitet, wie in 8 illustriert, die eine Regel- bzw. Steuerkarte in einem warmgelaufenen bzw. aufgewärmten Zustand des Motors zeigt, während der Betriebszustand im Inneren des rechteckigen Bereichs (I) von niedriger Motorlast und niedriger Motordrehzahl ist, der durch fette Linien definiert ist, der Motor auf dem Modus geschichteter Verbrennung, spritzt nämlich die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 Kraftstoff innerhalb einer Periode während des Kompressionshubs des Zylinders 2 ein (beispielsweise innerhalb der Periode von ungefähr 40° bis ungefähr 140° vor dem oberen Totpunkt (BTDC), so daß sich die Mischung in der Nähe der Zündkerze 16 konzentriert und verbrennt. In diesem Modus geschichteter Verbrennung wird das Drosselventil 34 geregelt bzw. gesteuert, um in einem rela tiv weiten Modus zu öffnen, um ein magereres Luft-Kraftstoff-Verhältnis bereitzustellen und um einen Einlaßverlust zu verringern. Insbesondere ist zu dieser Zeit das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (beispielsweise A/F > 25) in der Verbrennungskammer 6.
Andererseits arbeitet, während der Betriebszustand in dem Bereich (II) außerhalb des Bereichs geschichteter Verbrennung ist, die Verbrennungskraftmaschine an dem homogenen Verbrennungsmodus bzw. Modus einer homogenen Verbrennung, es spritzt nämlich die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 Kraftstoff während des Einlaßhubs des Zylinders 2 ein, so daß sich der Kraftstoff völlig mit der Einlaßluft mischt und die resultierende homogene Mischung in der Verbrennungskammer 6 verbrennt. In diesem Modus homogener Verbrennung sind bzw. werden die Menge des eingespritzten Kraftstoffs und die Öffnung des Drosselventils 34 so geregelt bzw. gesteuert, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Mischung ungefähr das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (oder A/F = 14,7) im größten Teil des Bereichs ist. Im Vollastzustand wird jedoch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf reicher als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (beispielsweise A/F = 13) eingestellt, um eine hohe Ausgabe bzw. Leistung gemäß der hohen Last zu erzielen.
Im schraffierten Bereich von 8 im warmgelaufenen Zustand des Motors wird das elektrisch geregelte bzw. gesteuerte EGR-Ventil 46 zum Rückführen eines Teils des Abgases aus dem Abgasdurchtritt 45 zum Einlaßluftdurchtritt 31 geöffnet. Dann wird die Öffnung des EGR-Ventils 46 geregelt bzw. gesteuert, so daß ein Verhältnis des rück kehrenden Abgases (als das EGR-Verhältnis erwähnt bzw. bezeichnet) sich wenigstens für die höhere Last gemäß der Motorlast und der Motordrehzahl verringert. Dies verringert die NOx-Produktion, ohne die Verbrennungsstabilität der Verbrennungskraftmaschine 1 zu verschlechtern.
In einem kalten Zustand der Verbrennungskraftmaschine arbeitet die Verbrennungskraftmaschine 1 auf dem Modus der homogenen Verbrennung oder dem Zwischenmodus zwischen dem Modus der homogenen Verbrennung und dem Modus geschichteter Verbrennung, und das elektrisch geregelte bzw. gesteuerte EGR-Ventil 46 wird völlig geschlossen, um die Verbrennungsstabilität durch die höchste Priorität sicherzustellen. Das EGR-Verhältnis kann als das Verhältnis der Menge von rückkehrendem Abgas von dem EGR-Durchtritt 45 zum Einlaßluftdurchtritt 31 zu der Menge der Frischluft bestimmt werden. Hier betrifft bzw. bezeichnet "Frischluft" die in den Zylinder 2 eingeführte Luft, von welcher das rückkehrende Abgas und das Kraftstoffgas ausgenommen sind.
In Übereinstimmung mit der Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung in dieser oben beschriebenen Ausführungsform ist, während die Verbrennungskraftmaschine an dem Modus geschichteter Verbrennung arbeitet, das durchschnittliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis magerer als das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Verbrennungskammer 5 und die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 spritzt Kraftstoff bei der letzten Stufe des Kompressionshubs ein. Demgemäß wird das Gemisch in der Nähe der Zündkerze 16 konzentriert und gezündet, was die geschichtete Verbrennung bereitstellt.
In diesem Fall verhält sich die Luft, die durch die Einlaßöffnung 10 eingeführt wird, als der Taumelfluß bzw. -strom T in der Verbrennungskammer 6 und schichtet die Mischung in der Nähe der Zündkerze 16. Genauer fließt bzw. strömt, wie in der Querschnittsansicht von 4 und 5 illustriert, der Taumelstrom T von links (oder Einlaßventilseite) nach rechts (oder Auslaßventilseite) entlang der Dachoberfläche in dem oberen Bereich der Verbrennungskammer 6 und dreht sich nach unten in dem rechten Umfangsabschnitt der Verbrennungskammer. Der Taumelstrom T fließt bzw. strömt dann von rechts (oder Auslaßventilseite) nach links (oder Einlaßventilseite) entlang des Hohlraums 27 an der oberen Oberfläche des Kolbens 5 in dem Bodenbereich der Verbrennungskammer 6, dreht sich nach oben, geführt durch die Stufe 28, und strömt nach oben (oder in Richtung zur Dachoberfläche) entlang des linken Umfangsabschnitts der Verbrennungskammer 6.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 spritzt Kraftstoff so ein, daß der Kraftstoff gegen die zweite Taumelkomponente Tm prallt, die entlang des Hohlraums 27 auf der oberen Oberfläche des Kolbens 5 strömt. Als ein Ergebnis fließen bzw. strömen der Kraftstoffsprühnebel Fa und die zweite Komponente Tm im wesentlichen in Richtung gegeneinander und kollidieren miteinander innerhalb des Hohlraums 27. Dann wird der Kraftstoff unterstützt, um zu zerstäuben, und der Kraftstoffsprühnebel Fa verringert seine Geschwindigkeit nach einem Kollidieren mit der zweiten Taumelkomponente Tm und mischt sich ausreichend mit Luft, so daß das Gemisch nahe dem Zentrum der Verbrennungskammer 6 schwebt bzw. sich aufhält.
Danach wird die Mischung, die durch die Kollision des Kraftstoffsprühnebels Fa und der zweiten Komponente Tm erzeugt wird, nach oben bewegt und in der Nähe der Zündkerze 16 konzentriert, um richtig um die Zündkerze 16 geschichtet zu werden. Die Aufwärtsbewegung des Gemischs wird durch die Stufe 28 erzielt, die an der linken Seite der Zylinderachse Z ausgebildet ist, um die zweite Taumelkomponente Tm nach oben in der Querschnittsansicht zu drehen bzw. zu wenden, wo sich der Taumelstrom T im Uhrzeigersinn dreht.
Illustriert in 9(a) bis (f) und 10(a) bis (f) sind die Daten, die die Änderung im Taumelstrom T von 310° bis 360° CA nach TDC darstellen, für ein Vergleichsbeispiel mit nur einem Hohlraum 27 über der oberen Oberfläche des Kolbens, und für die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Stufe 28 an der oberen Oberfläche des Kolbens. Die Daten wurden durch Analyse durch CFD (oder computational fluid dynamics bzw. Berechnungsfluiddynamik) erhalten. Diese Daten bestätigen, daß im Vergleichsbeispiel ohne die Stufe 28 der Taumelstrom T eine Tendenz aufweist, breit in der Verbrennungskammer 6 diffundiert zu werden und zu verschwinden, wie dies in 9(a) bis (f) gezeigt ist, während andererseits in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Stufe 28 an der oberen Oberfläche des Kolbens 5 der Taumelstrom T um die Elektrode X der Zündkerze 16 über eine lange Periode drehend verbleibt, wie dies in 10(a) bis (f) gezeigt ist.
Zusätzlich sind in 11(a) bis (f) und 12(a) bis (f) die Daten illustriert, die die Änderung in dem Kraftstoffsprühnebel unter dem Einfluß des Taumelstroms T für das Vergleichsbeispiel und für die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Diese Daten bestätigen, daß im Vergleichsbeispiel ohne die Stufe 28 der Kraftstoffsprühnebel Fa früh, wie in 11(a) bis (f) gezeigt, diffundiert bzw. sich vermischt, während andererseits in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Stufe 28 an der oberen Oberfläche des Kolbens 5 die relativ reichere Mischung in der Nähe der Elektrode X der Zündkerze 16 über eine lange Periode verbleibt, wie dies in 12(a) bis (f) gezeigt ist.
Demgemäß behalten in einer Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung, in welcher der Kraftstoff so eingespritzt wird, um gegen den Taumelstrom T zu prallen, der in der Verbrennungskammer 6 erzeugt wird, und das Gemisch in der Nähe der Zündkerze 16 geschichtet wird und in dem Modus einer geschichteten Verbrennung gezündet wird, die Ausbildung des Hohlraums 27, der die Bodenoberfläche aufweist, entlang welcher der Taumelstrom T strömt bzw. fließt, und sich zu beiden Seiten der Zylinderachse Z an der oberen Oberfläche des Kolbens erstreckt, und die Ausbildung der Stufe 28 an der linken Seite der Zylinderachse Z an der Bodenoberfläche des Hohlraums 27 zum Führen des Taumelstroms T nach oben im Querschnitt, in welchem sich der Taumelstrom T im Uhrzeigersinn dreht, vorteilhafterweise die adäquate Zündfähigkeit bzw. Entzündbarkeit der Mischung bei und verbessern die Kraftstoffeffizienz ohne irgendeine Struktur, um den Kraftstoffsprühnebel Fa zu veranlassen, im wesentlichen mit der oberen Oberfläche des Kolbens 5 im Modus einer geschichteten Verbrennung mit einer Tendenz eines niedrigen Kraftstoffsprühnebeldrucks und des schwachen Taumelstroms T zu kollidieren.
D.h. in dem Modus einer geschichteten Verbrennung mit niedriger Motorlast und niedriger Motordrehzahl wird der Kraft stoffsprühnebeldruck aufgrund einer geringeren Menge der Kraftstoffeinspritzung verringert, und die Stärke des Taumelflusses bzw. -stroms T, die durch das Taumelverhältnis repräsentiert ist, wird aufgrund einer geringeren Menge der Einlaßluft verringert. Demgemäß ist der Bereich der Mischung mit ausreichender Kraftstoffkonzentration für die Zündkerze 16, um zu zünden, klein und die Mischung mit einer derartigen Konzentration tendiert dazu, für eine kurze Zeitperiode zu verbleiben, selbst wenn der Kraftstoffsprühnebel Fa und die zweite Taumelkomponente Tm angeordnet sind, um im wesentlichen in Richtung zueinander zu fließen und miteinander im Hohlraum 27 zu kollidieren. Hier wird das Taumelverhältnis als ein Wert definiert, der durch die folgende Berechnung erhalten wird:
Zuerst Messen der Geschwindigkeitsänderung in der vertikalen Komponente des Einlaßluftstroms im Zylinder 2 und Integrieren des gemessenen Werts. Dann Dividieren des integrierten Werts durch die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 7.
Herkömmlicherweise wird, um mit dem Obigen fertig zu werden, die Kraftstoffeinspritzung vor dem Zeitpunkt für die beste Kraftstoffnutzleistung bzw. -effizienz vorgestellt, oder die Menge bzw. das Ausmaß des Hervorstehens der Zündkerze 16 wird vergrößert, um die Zündfähigkeit in dem Modus einer geschichteten Verbrennung beizubehalten. Jedoch verringert die Kraftstoffeinspritzungsvorrückung die Kraftstoffeffizienz, und die Zunahme im Vorragen der Zündkerze 16 verschlechtert bzw. beeinträchtigt die Betriebssicherheit der Zündkerze 16 wegen der Kraftstofftröpfchen, die sich auf den Elektroden ablagern.
Im Gegensatz dazu ist in der vorliegenden Erfindung der Hohlraum 27, der die Bodenoberfläche aufweist, entlang welcher der Taumelstrom T strömt, und sich zu beiden Seiten der Zylinderachse Z erstreckt, an der oberen Oberfläche des Kolbens ausgebildet, und die Stufe 28 ist an der linken Seite der Zylinderachse Z an der Bodenoberfläche des Hohlraums 27 zum Führen des Taumelstroms T nach oben im Querschnitt ausgebildet, in welchen sich der Taumelstrom T im Uhrzeigersinn dreht bzw. wendet, so daß die Mischung, die durch die Kollision des Kraftstoffsprühnebels Fa und der zweiten Komponente Tm erzeugt wird, nach oben geführt wird, um sich in der Nähe der Zündkerze 16 zu konzentrieren. Demgemäß kann die Mischung in der Nähe der Zündkerze 16 geeignet über eine ausgedehnte Zeitperiode geschichtet werden, ohne die Menge des Vorstehens der Zündkerze 16 zu vergrößern. Als ein Ergebnis wird die adäquate Zündfähigkeit des Gemischs behalten und die Kraftstoffeffizienz wird ohne Probleme einer verschlechterten Kraftstoffeffizienz aufgrund der Kraftstoffeinspritzungsvorrückung oder des Ablagerns der Kraftstofftröpfchen auf der Elektrode der Zündkerze 16 aufgrund des vergrößerten Ausmaßes des Hervorstehens der Zündkerze 16 verbessert.
Um die Wirkung und den Effekt durch die Ausbildung der Stufe 28 an der linken Seite der Zylinderachse Z zum Führen des Taumelstroms T nach oben zu bestätigen, wurden Experimente durchgeführt, um den Unterschied in der Kraftstoffeffizienz und Verbrennungsstabilität zwischen dem. Vergleichsbeispiel mit nur einem Hohlraum 27 über der oberen Oberfläche des Kolbens 5 und der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Stufe 28 an der oberen Oberfläche des Kolbens aufzudecken. Die Ergebnisse des Experiments sind in 13 und 14 illustriert.
13 vergleicht die Änderung in der Kraftstoffeffizienz in bezug auf den Kurbelwinkel (CA) für den Zündungszeitpunkt über die vorbestimmte Zeitperiode vor dem oberen Totpunkt (BTDC) zwischen dem Vergleichsbeispiel und der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Figur zeigt die strichlierte bzw. unterbrochene Linie die Daten des Vergleichsbeispiels an und die volle bzw. durchgehende Linie zeigt die Daten der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an. Diese Daten bestätigen, daß die vorliegende Erfindung eine Kraftstoffeffizienz gegenüber dem Vergleichsbeispiel verbessern kann, indem der Zündungszeitpunkt nahe dem Zeitpunkt für eine beste Kraftstoffeffizienz eingestellt wird.
14 vergleicht die Änderung in der Verbrennungsstabilität in bezug auf den Zündzeitpunkt zwischen dem Vergleichsbeispiel und der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Figur zeigt die strichlierte Linie die Daten des Vergleichsbeispiels an und die durchgehende Linie zeigt die Daten der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an. Diese Daten bestätigen, daß in der vorliegenden Erfindung, welche geeignet die geschichtete Mischung in der Nähe der Zündkerze 16 erzielt, die Zeitperiode für eine adäquate Verbrennungsstabilität oder der zulässige Bereich des Zündungszeitpunkts a1, innerhalb welchem die Verbrennungsstabilität das Referenzniveau übersteigt, merklich breiter als der zulässige Bereich für den Zündzeitpunkt a2 des Vergleichsbeispiels ist.
Insbesondere wird in dem Fall, daß die zwei schrägen bzw. abgeschrägten Oberflächen, die das Dach der Verbrennungskammer 6 bilden, unter einem relativ größeren Winkel sind, so daß der Winkel zwischen den Achsen des Einlaßventils 12 und des Auslaßventils 13 (oder der im Ventil enthaltene Winkel) α 35° oder mehr für den Zweck eines Reduzierens des Biegens der Einlaßöffnung 10 und der Auslaßöffnung 11 ist, um den Widerstand der Einlaßluft und des Abgases zu verringern, der Vorteil durch den obigen Aufbau bemerkenswert erhalten, weil die Elektrode der Zündkerze 16 an dem oberen Bereich der Verbrennungskammer 6 angeordnet ist und die Zeitperiode für die adäquate Verbrennungsstabilität durch die Mischungsschicht, die in der Nähe der Elektrode geeignet ausgebildet ist, dazu neigt sich zu verkürzen.
D.h. in der vorliegenden Erfindung ist die Stufe 28 an der linken Seite der Zylinderachse Z an der Bodenoberfläche des Hohlraums 27 ausgebildet, um den Taumelstrom T nach oben im oben beschriebenen Querschnitt zu führen, so daß die Mischung, die durch die Kollision des Kraftstoffsprühnebels Fa und der zweiten Komponente Tm erzeugt wird, nach oben geführt wird. Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung den beachtlichen Vorteil eines wirksamen Verhinderns des Verkürzens der Zeitperiode für die adäquate Verbrennungsstabilität bereit, selbst wenn die Elektrode der Zündkerze 16 an dem oberen Bereich der Verbrennungskammer 6 angeordnet ist.
Außerdem ist in der oben beschriebenen Ausführungsform der Sockel 29 bereitgestellt, welcher sich vom oberen Rand der Stufe 28 fortsetzt, die an der oberen Oberfläche des Kolbens 5 ausgebildet ist, sich parallel zur Bodenoberfläche des Hohlraums 27 erstreckt, und unter dem Niveau bzw. der Höhe des Öffnungsrands des Hohlraums 27 im Querschnitt angeordnet ist, in welchem sich der Taumelstrom T im Uhrzeigersinn dreht. Demgemäß wird in dem Modus ge schichteter Verbrennung der durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 während des Kompressionshubs eingespritzte Kraftstoff daran gehindert, auf der Stufe 28 und dem Sockel 29 abgelagert zu werden, die auf der oberen Oberfläche des Kolbens ausgebildet sind, ohne daß die Führungswirkung für den Taumelstrom T mittels der Stufe 28 verschlechtert wird, die an der oberen Oberfläche des Kolbens ausgebildet ist. Als ein Ergebnis werden die Verringerungen in der Kraftstoffeffizienz und Emissionsleistung aufgrund der Kraftstofftröpfchen, die sich auf der oberen Oberfläche des Kolbens 5 ablagern, vermieden, ohne die Verbrennungsstabilität zu verschlechtern.
Außerdem wird in dem Fall, daß der obere Rand des Sockels 28 unter dem Kraftstoffsprühnebelbereich angeordnet ist, wenn sich der Kolben 5 an der Stelle zum Startzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung in dem Betriebsmodus einer geschichteten Verbrennung befindet, wie dies in der Ausführungsform beschrieben ist, der Kraftstoff, der durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 während des Kompressionshubs eingespritzt wird, wirkungsvoll bzw. effektiv daran gehindert, sich an der oberen Oberfläche des Kolbens 5 in dem Modus geschichteter Verbrennung abzulagern, ohne die Führungswirkung für den Taumelstrom T mittels der Stufe 28 zu verschlechtern bzw. zu beeinträchtigen, die an der oberen Oberfläche des Kolbens 5 ausgebildet ist. Als ein Ergebnis werden die Verringerungen in der Kraftstoffeffizienz und Emissionsleistung aufgrund der Kraftstofftröpfchen, die sich an der oberen Oberfläche des Kolbens ablagern, wirkungsvoll vermieden, ohne die Verbrennungsstabilität zu verschlechtern.
Weiterhin kann in einer Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung, in welcher der Kraftstoff eingespritzt wird, um im wesentlichen gegen den Taumelstrom T aufzuprallen (oder ihn unter einem stumpfen Winkel zu schneiden), der in der Verbrennungskammer 6 erzeugt wird, und die Mischung in der Nähe der Zündkerze 16 geschichtet wird und im Modus einer geschichteten Verbrennung gezündet wird, das Einstellen bzw. Festlegen des Abstands Ra zwischen dem rechten Öffnungsrand 27a des Hohlraums 27 an der oberen Oberfläche des Kolbens und dem Umfang des Kolbens, um größer als der Abstand Rb zwischen dem linken Öffnungsrand 27b und dem Umfang des Kolbens im Querschnitt zu sein, in welchem sich der Taumelstrom T im Uhrzeigersinn dreht, das Taumelzentrum daran hindern, sich nach rechts (oder weg von der Kraftstoffeinspritzeinrichtungs-Seite oder in Richtung zur Abgasventilseite) während des Kompressionshubs zu verlagern, was die Abschwächung des Taumelstroms T wirkungsvoll unterdrückt.
Insbesondere ist in dem Vergleichsbeispiel, wie es in 15 illustriert ist, in welchem der Abstand Ra zwischen dem rechten Öffnungsrand 27a des Hohlraums 27 an der oberen Oberfläche des Kolbens 5 und dem Umfang des Kolbens ungefähr gleich dem Abstand Rb zwischen dem linken Öffnungsrand 27b und dem Umfang des Kolbens ist, das Taumelzentrum Ct im wesentlichen an der Zylinderachse Z beim frühen Stadium des Kompressionshubs, während welchem der Kolben 5 nahe dem unteren Totpunkt ist. Dann sind die Stärke des Taumelstroms T, der nach unten an der rechten Seite der Achse fließt bzw. strömt, und die Stärke des Taumelstroms T, der an der linken Seite der Achse nach oben strömt, ungefähr einander gleich, wie dies in 15(a) gezeigt ist. Wenn der Kolben 5 ansteigt, wird der nach oben gerichtete Taumelstrom T an der linken Seite durch den Kolben 5 verstärkt, während andererseits der nach unten gerichtete Taumelstrom T an der rechten Seite durch den nach oben gerichteten Luftstrom blockiert wird, der durch den ansteigenden Kolben 5 in der Verbrennungskammer 6 bewirkt wird. Als ein Ergebnis verlagert sich das Taumelzentrum Ct allmählich nach rechts (oder Abgasventilseite), wie dies in 15(b) bis (c) illustriert ist.
Außerdem nimmt in dem Vergleichsbeispiel das Taumelverhältnis vom unteren Totpunkt bis zum mittleren Stadium des Kompressionshubs zu, aber verringert sich nach dem mittleren Stadium des Kompressionshubs, weil der nach unten gerichtete Taumelstrom T an dem rechten Bereich in der Verbrennungskammer 6 merklich abgeschwächt wird. Dann wird zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung das Taumelverhältnis merklich verringert und der Taumelstrom T nimmt stark ab.
Andererseits wird in der vorliegenden Erfindung, wie sie in 16 illustriert ist, in welcher der Abstand Ra zwischen dem rechten Öffnungsrand 27a des Hohlraums 27 an der oberen Oberfläche des Kolbens 5 und dem Umfang des Kolbens größer als der Abstand Rb zwischen dem linken Öffnungsrand 27b und dem Umfang des Kolbens im Querschnitt oben sein soll, das Taumelzentrum Ct an der linken Seite der Zylinderachse Z beim frühen Stadium des Kompressionshubs angeordnet, während welchem der Kolben 5 nahe dem unteren Totpunkt ist, wie dies in 16(a) gezeigt ist.
Wenn der Kolben 5 ansteigt, verlagert sich das Taumelzentrum Ct geringfügig nach rechts. Da die ursprüngliche bzw. Anfangsposition des Taumelzentrums Ct an der linken Seite (oder Abgasventilseite) ist, ist jedoch das Taumel zentrum Ct nicht sehr von der Zylinderachse Z entfernt. Danach wird, wenn der Kolben 5 nahe zum oberen Totpunkt gelangt, ein starker Quetschstrom S über dem rechten Abschnitt des Kolbens 5 erzeugt. Der Quetschstrom S hindert auch das Taumelzentrum Ct daran, sich nach rechts (oder Abgasventilseite) zu verlagern, so daß das Taumelzentrum Ct in der Nähe der Zylinderachse Z verbleibt, wie dies in 16(b) und (c) gezeigt ist.
Außerdem stärkt in der vorliegenden Erfindung der Quetschstrom S die zweite Taumelkomponente Tm, die entlang des Bodens der Verbrennungskammer 6 nach dem mittleren Stadium des Kompressionshubs strömt, so daß die Verringerung im Taumelverhältnis unterdrückt wird und der Taumelstrom T gänzlich bis zum Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt verbleibt. Dann wird, da das Taumelzentrum Ct nahe dem Zentrum des Zylinders 6 verbleibt, die kollidierende Stelle des Kraftstoffsprühnebels und des Taumelstroms T daran gehindert, sich zur Umfangsseite zu verlagern, und der Taumelstrom T verbleibt stark. Gemäß dem Taumelverhalten wird der erforderliche Kraftstoffsprühnebeldruck erhöht und die Kraftstoffeinspritzung mit dem erforderlichen erhöhten Druck durchgeführt. Demgemäß kollidieren der Kraftstoffsprühnebel Fa und der Taumelstrom T intensiv oder wirken aufeinander ein, welches vorteilhafterweise den Kraftstoff unterstützt zu zerstäuben, und adäquat die Mischung in der Nähe der Zündkerze 16 konzentriert.
Zusätzlich verkürzt die Zunahme im Kraftstoffsprühnebeldruck die Zeitperiode zum Einspritzen einer ausreichenden Menge des Kraftstoffs, so daß der Einspritzungszeitpunkt für die erforderliche Menge des Kraftstoffs verzögert werden kann. Diese Verzögerung des Einspritzungszeitpunkts un terdrückt die Diffusion des Kraftstoffs, was für die Schichtung der Mischung vorteilhaft ist.
Es sollte erkannt werden, daß die Konstitution bzw. der Aufbau, in welcher(m) der Abstand Ra zwischen dem rechten Öffnungsrand 27a des Hohlraums 27 an der oberen Oberfläche des Kolbens 5 und dem Umfang des Kolbens 5 größer sein soll als der Abstand Rb zwischen dem linken Öffnungsrand 27b und dem Umfang des Kolbens 5 im Querschnitt oben, und der Aufbau, in welchem die Stufe 28 an der linken Seite (Einlaßventilseite oder Kraftstoffeinspritzeinrichtungs-Seite) der Zylinderachse Z im Hohlraum 27 zum Führen des Taumelstroms T nach oben ausgebildet ist, wie dies in 5 gezeigt ist, vorzugsweise kombiniert werden können. Diese Kombination unterdrückt die Abschwächung des Taumelstroms T und behält sein Taumelzentrum Ct nahe dem Zentrum der Verbrennungskammer 6 bei, um die Mischung adäquat bzw. geeignet als ein Ergebnis der Kollision des Taumelstroms T und des Kraftstoffsprühnebels Fa zu schichten.
Wie oben beschrieben, wird in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit Benzindirekteinspritzung bereitgestellt, in welcher das Einlaßsystem so konfiguriert ist, um den Taumelstrom T in der Verbrennungskammer 6 zu erzeugen, der zentrale Abschnitt des Dachs der Verbrennungskammer 6 an dem höheren Niveau als sein Umfangsabschnitt angeordnet ist, die Zündkerze 16 im zentralen Abschnitt angeordnet ist, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 an der linken Seite des zentralen Abschnitts angeordnet ist, und die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 Kraftstoff derart einspritzt, daß der Kraftstoff im wesentlichen gegen den Taumelstrom T aufprallt oder diesen schneidet, der in der Verbrennungskammer 6 in einer derartigen Weise, daß die Mischung in der Nähe der Zündkerze 16 konzentriert und gezündet wird, in dem Querschnitt erzeugt wird, in welchem sich der Taumelstrom T im Uhrzeigersinn dreht, wobei der Hohlraum 27, der die Bodenoberfläche aufweist, entlang welcher der Taumelstrom T strömt bzw. fließt, und sich zu beiden Seiten der Zylinderachse erstreckt, an der oberen Oberfläche des Kolbens 5 ausgebildet ist, und die Stufe oder der abgestufte Abschnitt oder abgeschrägte Abschnitt 28 an der linken Seite (oder Kraftstoffeinspritzeinrichtungs-Seite) der Zylinderachse an der Bodenoberfläche des Hohlraums 27 zum Führen des Taumelstroms T nach oben oder in Richtung zur Zündkerze 16 im Querschnitt oben ausgebildet ist. Gemäß dem Aufbau wird eine einfache Kolbenstruktur für eine Verbrennungskraftmaschine 1 mit Benzindirekteinspritzung erzielt, welche geeignet die Mischung in der Nähe der Zündkerze 16 im Betrieb geschichteter Verbrennung schichten kann, ohne die zuverlässige bzw. betriebssichere Zündung der Zündkerze 16 zu verschlechtern bzw. zu beeinträchtigen.
Wie oben beschrieben, wird in Übereinstimmung mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Verbrennungskraftmaschine 1 mit Benzindirekteinspritzung zur Verfügung gestellt, in welcher das Einlaßsystem so konfiguriert ist, um den Taumelstrom T in der Verbrennungskammer 6 zu erzeugen, der zentrale Abschnitt des Dachs der Verbrennungskammer 6 an dem höheren Niveau als sein Umfangsabschnitt angeordnet ist, die Zündkerze 16 im wesentlichen im zentralen Abschnitt angeordnet ist, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 an der linken Seite (oder Einlaßventilseite) des zentralen Abschnitts angeordnet ist, und die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 18 Kraftstoff derart einspritzt, daß der Kraftstoff im wesentlichen gegen den Taumelstrom T aufprallt und/oder in oder unter einem stumpfen Winkel schneidet, der in der Verbrennungskammer 6 in einer derartigen Weise erzeugt wird, daß die Mischung in der Nähe der Zündkerze 16 in dem Querschnitt konzentriert und gezündet wird, in welchem sich der Taumelstrom T vorzugsweise im Uhrzeigersinn dreht, wobei der Abstand der Abstand zwischen dem rechten Öffnungsrand 27a des Hohlraums 27 an der oberen Oberfläche des Kolbens 5 und dem Umfang des Kolbens 3 größer ist als der Abstand zwischen dem linken Öffnungsrand 27b (oder Öffnungsrand an der Auslaßöffnungsseite oder gegenüberliegend der Kraftstoffeinspritzeinrichtungs-Seite) und dem Umfang des Kolbens 5 im Querschnitt oben. Gemäß dem Aufbau wird in dem Modus geschichteter Verbrennung das Zentrum des Taumelstroms T wirkungsvoll daran gehindert, sich nach rechts oder weg von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung im Querschnitt oben zu verlagern, und das Abschwächen des Taumelstroms T wird unterdrückt, so daß der starke Taumelstrom T mit seinem Taumelzentrum nahe dem Zentrum der Verbrennungskammer 6 bis zum Kraftstoffeinspritzungszeitpunkt verbleibt, wodurch die Mischung als ein Ergebnis der Kollision des Taumelstroms T und des Kraftstoffsprühnebels Fa adäquat geschichtet wird.

Claims

Verbrennungskraftmaschine (1) mit Benzindirekteinspritzung, umfassend einen Kolben (5), in welchem sein Einlaßsystem (10, 27, 28) so konfiguriert ist, um einen Taumel- bzw. Wirbelstrom bzw. -fluß (T) in einer Verbrennungskammer (6) zu erzeugen, und umfassend eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (18), welche an dem Umfangsabschnitt eines Dachs der Verbrennungskammer (6) angeordnet ist, wobei der Kolben (5) ausgebildet ist mit: einem Hohlraum (27), welcher eine Bodenfläche bzw. -oberfläche aufweist, entlang welche der Taumelstrom (T) fließen bzw. strömen kann, und welcher sich zu beiden Seiten der Zylinderachse (Z) an der oberen Fläche bzw. Oberfläche des Kolbens (5) erstreckt; und eine Stufe (28), welche an der Bodenfläche des Hohlraums (27) zum Führen des Taumelstroms (T) nach oben vorgesehen bzw. zur Verfügung gestellt ist; dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (28) an einer Seite der Kraftstoffeinspritzeinrichtung der Zylinderachse (Z) vorgesehen ist; und die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (18) Kraftstoff derart einspritzt, so daß eingespritzter Kraftstoff im wesentlichen gegen den Taumelstrom (T) aufprallt bzw. diesem gegenüberliegt und/oder diesen unter einem stumpfen Winkel schneidet, welcher entlang des Hohlraums (27) an der oberen Fläche des Kolbens (5) in einer derartigen Weise fließt bzw. strömt, daß die Mischung in der Nähe einer Zündkerze (16) konzentriert und gezündet ist bzw. wird.
Verbrennungskraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung nach Anspruch 1, wobei ein Vorsprung bzw. Sockel (29) an der oberen Fläche bzw. Oberfläche des Kolbens (5) vorgesehen ist, welcher sich von dem oberen Rand bzw. Kante der Stufe (28) fortsetzt, welche auf bzw. an der oberen Fläche des Kolbens (5) ausgebildet ist, und sich im wesentlichen parallel zu der Bodenfläche des Hohlraums (27) erstreckt.
Verbrennungskraftmaschine (1) mit Benzindirekteinspritzung nach Anspruch 2, wobei der obere Rand bzw. Kante des Sockels (29) unter dem Kraftstoffsprüh bzw. -nebelbereich angeordnet ist, wenn sich der Kolben (5) an der Stelle zum Startzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung in dem Betriebsmodus einer geschichteten Verbrennung der Verbrennungskraftmaschine (1) mit Benzindirekteinspritzung befindet.
Kolben (5) für eine Verbrennungskraftmaschine (1) mit Benzindirekteinspritzung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Sockel (29) unterhalb der Höhe bzw. des Niveaus des Öffnungsrands bzw. -grats (27a, 27b) des Hohlraums (27) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (1) mit Benzindirekteinspritzung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Abstand (Ra) zwischen einem Öffnungsrand bzw. -grat (27a) an der gegenüberliegenden bzw. entgegengesetzten Seite zu der Seite der Kraftstoffeinspritzeinrichtung des Hohlraums (27) und dem Umfang des Kolbens (5) größer als der Abstand (Rb) zwischen einem Öffnungsrand bzw. -grat (27b) an der Seite der Kraftstoffeinspritzeinrichtung des Hohlraums (27) und dem Umfang des Kolbens (5) ist.
Verbrennungskraftmaschine (1) mit Benzindirekteinspritzung nach Anspruch 1 bis 5, wobei ein zentraler Abschnitt eines Dachs der Verbrennungskammer (6) auf dem höheren Niveau als sein Umfangsabschnitt angeordnet ist, eine Zündkerze (16) in dem zentralen Abschnitt angeordnet ist und eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (18) an der seitlichen Seite des zentralen Abschnitts angeordnet ist.