DE19705023A1 - Brennraum eines Kraftstoff direkt in einen Zylinder einspritzenden Motors - Google Patents

Description

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

Im allgemeinen kann bei diesem Motortyp die Verbren­ nungsstrategie selektiv auf eine von zwei Verbrennungsstrate­ gien umgeschaltet werden: Schichtladeverbrennung und homogene Verbrennung. Die Schichtladeverbrennung ergibt sich durch Re­ alisieren von Ladungsschichtung im späteren Stadium des Ver­ dichtungstakts und Bilden zündfähiger Gemischgase an der Zündkerze, und die homogene Ladeverbrennung wird durch Mi­ schen von während des Ansaugtakts eingespritztem Kraftstoff mit Ansaugluft erreicht.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Daher beabsichtigt die Erfindung, die Nachteile der be­ kannten Ansätze zu vermeiden.

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

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Aufbau eines Brennraums bereitzustellen, der eine Motorlast­ kontinuität beim Wechsel von Schichtladeverbrennung auf homo­ gene Ladeverbrennung gewährleisten kann, um ein gutes Fahr­ verhalten zu erhalten.

Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines Brennraums eines Ottomotors mit Direkteinspritzung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Aufbaus des Brennraums gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Brennraum gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Zustands eines Kraft­ stoffnebels unmittelbar vor Zündeinstellung;

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Zustands des Kraftstoff­ nebels, der auf eine Kolbenmulde auftrifft;

Fig. 6 eine Seitenansicht eines Zustands des Kraftstoff­ nebels, wenn keine Wirbelströmung bei Beschleunigung vor­ liegt;

Fig. 7 eine Seitenansicht eines Zustands des Kraftstoff­ nebels, wenn Wirbelströmung bei Beschleunigung auftritt;

Fig. 8 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwi­ schen Verbrennungsstabilität und Einspritzeinstellung;

Fig. 9 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwi­ schen Fahrverhaltenszone und günstigster Einspritzeinstel­ lung;

Fig. 10a eine grafische Darstellung eines Vergleichs der Verbrennungsschwankungsrate zwischen einem Kolben mit flacher Oberseite und einem Kolben mit gekrümmter Mulde;

Fig. 10b eine grafische Darstellung eines Vergleichs der Rußdichte zwischen einem Kolben mit flacher Oberseite und einem Kolben mit gekrümmter Mulde;

Fig. 10c eine grafische Darstellung eines Vergleichs von NOx-Emissionen zwischen einem Kolben mit flacher Oberseite und einem Kolben mit gekrümmter Mulde;

Fig. 10d eine grafische Darstellung eines Vergleichs von HC-Emissionen zwischen einem Kolben mit flacher Oberseite und einem Kolben mit gekrümmter Mulde;

Fig. 11a eine grafische Darstellung eines Vergleichs der Verbrennungsschwankungsrate gemäß Drehrichtung der Wirbel­ strömung und Wirbelrate;

Fig. 11b eine grafische Darstellung eines Vergleichs der Rußdichte gemäß Drehrichtung der Wirbelströmung und Wirbel­ rate;

Fig. 11c eine grafische Darstellung eines Vergleichs von NOx-Emissionen gemäß Drehrichtung der Wirbelströmung und Wir­ belrate;

Fig. 11d eine grafische Darstellung eines Vergleichs von HC-Emissionen gemäß Drehrichtung der Wirbelströmung und Wir­ belrate;

Fig. 12 eine schematische Zeichnung eines Brennraums ge­ mäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwi­ schen Abschlußeinstellung der Kraftstoffeinspritzung und Kraftstoffeinspritzmenge gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 14 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwi­ schen Emissionsmenge und Einstellung der Kraftstoffeinsprit­ zung; und

Fig. 15 eine schematische Zeichnung eines Brennraums eines Ottomotors mit Direkteinspritzung gemäß dem Stand der Technik.

Ein Beispiel für einen Brennraum eines Ottomotors mit Direkteinspritzung ist in Fig. 1 bis 7 gezeigt. Dieses Bei­ spiel zeigt einen Brennraum eines Vierventil-Doppelnockenwel­ lenmotors. In diesen Zeichnungen bezeichnet die Zahl 11 einen Zylinder, 12 einen Zylinderkopf, 13 einen Kolben und 14 einen Brennraum, der durch eine Oberseite 13a des am oberen Tot­ punkt positionierten Kolbens 13, eine Innenwand der Zylinders 11 und eine Unterseite des Zylinderkopfs 12 gebildet ist.

An der Unterseite des Zylinderkopfs 12 ist eine Konkavi­ tät 12a ausgebildet. Die Konkavität 12a gehört zu einem soge­ nannten Pultdach in dieser Ausführungsform. Ein oberer Ab­ schnitt 12b ist oben an der Konkavität 12a etwas versetzt zur Zylindermitte (Linie A) ausgebildet. Ein Einspritzventil 15 ist nahe der Mitte des oberen Abschnitts 12b angeordnet, wo­ bei seine Düse 15a zum Brennraum 14 weist. Ein Einlaßkanal 16 ist am einlaßseitigen Pultdach 12c der Konkavität 12a jeweils auf beiden Seiten des Einspritzventils 15 vorgesehen, und ein Auslaßkanal 17 ist an einem auslaßseitigen Pultdach 12d der Konkavität 12a jeweils auf beiden Seiten des Einspritzventils 15 vorgesehen. Ferner ist eine Quetschkante 18 unten an den beiden Pultdächern 12c, 12d ausgebildet.

Außerdem sind ein Einlaßventil 21 und ein Auslaßventil 22 im Einlaßkanal 16 bzw. Auslaßkanal 17 vorgesehen. Das Einlaß­ ventil 21 wird durch eine Einlaßnocke 19 angesteuert, und das Auslaßventil 22 wird durch eine Auslaßnocke 20 angesteuert. Gemäß Fig. 1 hat der Einlaßkanal 16 eine gerade Form und ist parallel zu einer verlängerten Linie L_EX des auslaßseitigen Pultdachs 12d oder in einem spitzen Winkel γ (positiv im Ge­ genuhrzeigersinn in der Zeichnung) zur verlängerten Linie L_EX geneigt. Vorzugsweise ist dieser spitze Winkel γ im Bereich von 0 bis 15°. Ansaugluft wird durch den so gebildeten Ein­ laßkanal 16 geführt und strömt in den Brennraum 14 am auslaß­ seitigen Pultdach 12d entlang, was eine Wirbelströmung im Ge­ genuhrzeigersinn im Brennraum 14 verursacht (siehe Fig. 1).

Ferner ist in dieser Ausführungsform das Einspritzventil 15 (mit der Mittellinie B) zum Auslaßkanal 17 in einem Nei­ gungswinkel α (positiv im Gegenuhrzeigersinn in der Zeichnung) zur Achse des Zylinders 11 geneigt, um einen wirksameren Kraftstoffnebel zu erhalten. Dieser Winkel α ist vorzugsweise im Bereich von +20° bis -5°.

Eine Mulde 13b mit einer gekrümmten Oberfläche ist auf der Oberseite 13a des Kolbens 13 ausgebildet. Die Mulde 13b hat eine solche Form und Lage, daß sie die Wirbelströmung an der gekrümmten Oberfläche entlang führen und sie zum einlaß­ seitigen Pultdach 12c gleichmäßig ablenken kann. Gemäß der Darstellung durch die strichpunktierte Linie in Fig. 3 befin­ det sich die Mulde 13b direkt unter dem Einspritzventil 15 und an einer Position, die geringfügig zur Seite des Auslaß­ kanals 17 versetzt ist.

Eine Elektrode 23a einer Zündkerze 23 ragt vom einlaß­ seitigen Pultdach 12c zwischen den Einlaßkanälen 16 und 16 so vor, daß sie mit der durch die Mulde 13b zurückgeworfenen Wirbelströmung kollidiert und Kraftstoffnebel ausgesetzt ist, wenn Kraftstoff eingespritzt wird.

Allgemein gilt als technischer Fachbegriff die Wirbelge­ schwindigkeit bzw. -rate, um eine Wirbelströmungsstärke zah­ lenmäßig auszudrücken. Definitionsgemäß ist die Wirbelrate eine Anzahl von Ansaugluftumdrehungen je Kurbelwellendrehung und richtet sich nach diversen Faktoren, z. B. Neigungswinkel des Einlaßkanals 16, Konfiguration des Brennraums 14, Konfi­ guration des Kolbens 13 u.ä. In dieser Ausführungsform ist die Wirbelrate primär durch den Neigungswinkel des Einlaßka­ nals 16 sowie die Position und Krümmung der Mulde 13b des Kolbens 13 bestimmt. Experimentell wurde vom Erfinder festge­ stellt, daß Wirbelraten im Bereich von 0,5 bis 1,7 günstigste Ergebnisse liefern. Das heißt, bei einer Wirbelrate unter 0,5 zerflattert die Wirbelströmung vor dem Verdichtungstakt, wo­ durch kein gutes Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird. Ande­ rerseits ist bei einer Wirbelrate über 1,7 die Wirbelströmung so stark, daß von der Mulde 13b des Kolbens 13 zurückgewor­ fene Ansaugluft ringsum zur Zylinderwand verteilt wird, wo­ durch versprühter Kraftstoff in den Strom der zerflatternden Wirbelströmung verteilt wird und sich kein zündfähiges Kraft­ stoff-Luft-Gemisch an der Elektrode 23a der Zündkerze 23 bil­ det. Folglich ist es wünschenswert, die Wirbelrate innerhalb eines Bereichs von 0,5 bis 1,7 einzustellen.

Ferner ist aus Experimenten des Erfinders bekannt, daß die Kombination aus Neigungswinkel α im Bereich von 20° bis -5° und spitzem Winkel γ im Bereich von 0° bis 15° den gün­ stigsten Effekt für die Wirbelströmungsbildung hat. Zudem ist für die Größe und Lage der Mulde 13b bekannt, daß ihr Durch­ messer d (Millimeter) in der Berechnung gemäß nachfolgender Formel günstigste Ergebnisse hat:

d = D × 0,5-k,

worin D (Millimeter) ein Kolbendurchmesser und k eine Kon­ stante (Millimeter) im Bereich von 0 bis 5 Millimetern ist. Ferner sollten ihre Tiefe e und ihr Versatzbetrag s von der Zylinderachse Werte im Bereich von 5 bis 10 Millimetern bzw. 0 bis 5 Millimetern annehmen.

Als nächstes wird ein Betrieb des so aufgebauten Brenn­ raums beschrieben.

Bei Schichtladeverbrennung bei extrem niedriger Last wird der Motor mit der BITI-Steuerung betrieben, wodurch eine stabile Verbrennung erhalten wird. Da in diesem Fall der gün­ stigste Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung nahe dem Zünd­ zeitpunkt eingestellt ist, bildet der versprühte Kraftstoff selbst ein Kraftstoff-Luft-Gemischgas an der Elektrode 23a der Zündkerze 23, und dieses Gemischgas wird zum Zündzeit­ punkt gezündet. Bei extrem niedriger Last ist die Gasge­ schwindigkeit sehr gering, weshalb das Kraftstoff-Luft-Ge­ misch nicht durch die Konfiguration der Kolbenmulde 13b be­ einflußt wird.

Ferner ist bei der BITE-Steuerung als Äquivalent einer Fahrt mit konstanter Drehzahl (Fett/Mager-Last) gemäß Fig. 8 die Kraftstoffeinspritzung früher als bei BITI-Steuerung ab­ geschlossen, weshalb der Kraftstoffnebel am Einspritzende auf die Kolbenmulde 13b auftrifft und sich eine Strömung des Kraftstoffnebels aus ihr spiralförmig nach oben dreht. Da­ durch bildet sich gemäß Fig. 5 ein zündfähiges Kraftstoff- Luft-Gemisch an der Elektrode 23a der Zündkerze 23. Eine strichpunktierte Linie (b) in Fig. 8 stellt eine Zündfähig­ keit von eingespritztem Kraftstoff zum gleichen Zeitpunkt wie im Fall einer Kolbenmulde mit flacher Oberseite dar (siehe Fig. 15). Bei einem Kolben mit flacher Oberseite wird der Kraftstoffnebel ringsum zur Zylinderbohrung verteilt, ohne nach oben zurückgeworfen zu werden, wodurch sich kein zündfä­ higes Gemischgas an der Elektrode 23a der Zündkerze 23 bil­ det. Daher kann in diesem Fall infolge schlechter Verbrennung keine BITE-Steuerung erfolgen.

Ferner verlagert sich bei der BITE-Steuerung als Äquiva­ lent einer Beschleunigungslast der Abschlußzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung gemäß Fig. 8 in Richtung früh. In die­ sem Fall fördert eine frühe Einspritzeinstellung die Vertei­ lung oder Verdampfung von versprühtem Kraftstoff. Fig. 6 zeigt ein Beispiel für den Brennraum, in dem Kraftstoff-Luft-Gemische über der gesamten Oberfläche der Kolbenmulde 13b liegen. Kommt es in diesem Zustand zu einer Wirbelströmung, bewegen sich diese Kraftstoff-Luft-Gemische spiralförmig nach oben zur Elektrode 23a der Zündkerze 23 und bilden ein zünd­ fähiges Gemischgas an der Elektrode 23 genau dann, wenn eine Zündung erfolgt. Damit steht gemäß Fig. 8 die BITE-Steuerung auch dann zur Verfügung, wenn die Zündung frühzeitig während der Beschleunigungsäquivalenz erfolgt. Folglich kann gemäß dieser Ausführungsform die Verbrennung über einen breiten Be­ reich stabil gehalten werden, der von der Fehlzündungsgrenze (a) auf der späten Seite bis zur Fehlzündungsgrenze (d) auf der frühen Seite reicht. Die Fehlzündungsgrenze (a) ist eine Grenzlinie, deren linker Bereich einen Bereich bezeichnet, der zu Fehlzündung infolge des nahe beieinanderliegenden Ein­ spritzzeitpunkts und Zündzeitpunkts führt, d. h., infolge der Unterbrechung von Entladungsstrecken der Zündkerze 23 durch Kraftstoffnebel.

Fig. 10a bis 10d zeigen Beispiele für Vergleichsdaten der Verbrennungs- oder Emissionskennwerte zwischen einem Kol­ ben mit flacher Oberseite und einem Kolben mit gekrümmter Mulde.

Wie aus diesen Vergleichsdaten hervorgeht, hat bei einem Kolben mit gekrümmter Mulde eine frühe Festlegung des Ab­ schlußzeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung bis zu einer re­ lativ frühen Einstellung keine negative Auswirkung auf die Verbrennung. In diesem Fall läßt sich die Einspritzeinstel­ lung in einem breiten Bereich festlegen. Dagegen führt bei einem Kolben mit flacher Oberseite eine frühe Festlegung des Abschlußzeitpunkts der Kraftstoffeinspritzung zu schlechter Verbrennung oder Fehlzündung, da sich kein zündfähiges Kraft­ stoff-Luft-Gemischgas an der Elektrode der Zündkerze bildet. Folglich ist in diesem Fall der wählbare Bereich für den Ab­ schlußzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung sehr schmal.

In Fig. 11a bis 11d sind Unterschiede der Verbrennungs- und Emissionskennwerte im Hinblick auf Drehrichtung der Wir­ belströmung und Wirbelrate dargestellt.

Im Vergleich der in die Richtung dieser Ausführungsform drehenden Wirbelströmung mit der in umgekehrte Richtung dre­ henden zeigt sich, daß die Wirbelströmung mit umgekehrter Drehrichtung für die Zündfähigkeit schlechter ist, da die um­ gekehrte Wirbelströmung den Kraftstoffnebel in Gegenrichtung zur Zündkerzenelektrode bläst. Diese Tendenz wird mit zuneh­ mend früherer Einstellung der Kraftstoffeinspritzung ausge­ prägter. Im Hinblick auf den Effekt der Wirbelrate erweist sich, daß es einen bestimmten Optimalwert der Wirbelrate gibt. Vom Erfinder wurde experimentell nachgewiesen, daß der Optimalwert der Wirbelrate 1,0 für Brennraum- und Kolbenkon­ figurationen gemäß dieser Ausführungsform beträgt. Ferner wurde nachgewiesen, daß eine stabile Zündung in einem Bereich von 0,5 bis 1,7 für die Wirbelrate erreicht werden kann. Das heißt, bei einer Wirbelrate unter 0,5 verschlechtert sich nachweislich die Wirbelströmung vor Einsetzen des Verdich­ tungstakts und hat keinerlei Nutzen für die Bildung des Kraftstoff-Luft-Gemischs. Übersteigt zudem die Wirbelrate 2,0, ist die Wirbelströmung nachweislich so stark, daß Kraft­ stoffnebel zerstreut wird, weshalb sich kein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch an der Elektrode der Zündkerze bil­ det.

Fig. 9 zeigt mit Schräglinien einen Bereich ordnungsge­ mäßen Fahrverhaltens für Kraftstoff-Luft-Verhältnisse gegen­ über der Einstellung der Kraftstoffeinspritzung bei Durchfüh­ rung der BITE-Steuerung. Das Kraftstoff-Luft-Verhältnis und der Abschlußzeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung in jedem Fahrbereich sind anhand diverser Grenzwerte bestimmt, z. B. Unterbrechung des Entladungswegs durch Kraftstoffnebel, Rußerzeugung, Verbrennungsschwankung usw. Liegen gemäß dieser Darstellung das Kraftstoff-Luft-Verhältnis und die Ein­ spritzeinstellung innerhalb dieses ordnungsgemäßen Fahrver­ haltensbereichs, können die BITE-Steuerung beibehalten und das Kraftstoff-Luft-Verhältnis kontinuierlich geändert wer­ den, und zwar im Bereich von Schichtladeverbrennung zu homo­ gener Ladeverbrennung, ohne einen negativen Effekt auf die Zündfähigkeit und das Brennvermögen des Motors zu haben.

Fig. 12 zeigt eine zweite Ausführungsform gemäß der Er­ findung.

In der zweiten Ausführungsform ist die Zündkerze 23 von der Einlaßkanalseite zur Auslaßkanalseite 17 verlagert, und ihre Elektrode 23a ragt in den Brennraum 14 zwischen den bei­ den Auslaßventilen 22 und 22 vor. Da in diesem Fall Neigungs­ winkel θ (positiv im Uhrzeigersinn in der Zeichnung) des Ein­ laßkanals 16 gegenüber der Achse des Zylinders so gestaltet ist, daß er kleiner als der in der ersten Ausführungsform ist, wird darstellungsgemäß die Wirbelströmung im Uhrzeiger­ sinn, d. h. entgegengesetzt zur Wirbelrichtung gemäß der er­ sten Ausführungsform erzeugt. Vorzugsweise beträgt dieser Winkel θ von 0° bis 20°. Das heißt, die durch das Einlaßven­ til 21 eingeleitete Ansaugluft trifft zunächst auf die Ober­ seite 13a des Kolbens 13, und anschließend wird die Wirbel­ strömung durch die Kolbenmulde 13b des Kolbens 13 erzeugt. Aus der Kolbenmulde 13b dreht sich die Wirbelströmung spiral­ förmig nach oben in Richtung des Pultdachs 12d auf der Aus­ laßseite. Der aus dem Einspritzventil 15 eingespritzte Kraft­ stoffnebel kollidiert mit der Wirbelströmung und bildet dort Kraftstoff-Luft-Gemische. In dieser Ausführungsform ist das Einspritzventil etwas zum Einlaßkanal 16 hin mit einem Nei­ gungswinkel α zur Achse A des Zylinders 11 geneigt, um einen wirksameren Kraftstoffnebel zu erhalten. Dadurch bildet sich zündfähiges Gemischgas an der Elektrode 23a der Zündkerze 23. Bei dieser Ausführungsform beträgt der Neigungswinkel α (po­ sitiv im Gegenuhrzeigersinn) des Einspritzventils 15 vorzugs­ weise von 5° bis -20°.

Vorteilhaft in dieser Anordnung der Zündkerze 23 auf der Auslaßkanalseite ist, daß der Durchmesser des Einlaßventils gegenüber der ersten Ausführungsform vergrößert werden kann. Auch in dieser Ausführungsform ist es wünschenswert, die Wir­ belrate auf einen Wert im Bereich von 0,5 bis 1,7 einzustel­ len.

Zusammenfassend wird gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung in den Brennraum eingeleitete Ansaugluft am Pultdach auf der Auslaßkanalseite entlang geführt, und nach­ dem sie mit der gekrümmten Kolbenmulde auf der Kolbenober­ seite kollidiert, bewegt sich die Wirbelströmung spiralförmig nach oben in die Nähe der Elektrode der Zündkerze. Anderer­ seits wird gemäß der zweiten Ausführungsform Ansaugluft in den Brennraum eingeleitet und trifft direkt auf die gekrümmte Kolbenmulde, wonach sich die Wirbelströmung spiralförmig nach oben in die Nähe der Elektrode der Zündkerze dreht. Liegt der Einspritzzeitpunkt relativ spät, d. h., relativ nahe am Zünd­ zeitpunkt (Bereich der Schichtladeverbrennung), bildet sich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Nähe der Elektrode der Zündkerze durch den versprühten Kraftstoff selbst, und dieses Gemischgas wird durch die Zündkerze gezündet. Liegt der Ein­ spritzzeitpunkt relativ früh, d. h., relativ entfernt vom Zündzeitpunkt (Bereich der Schichtladeverbrennung), wird ver­ sprühter Kraftstoff durch die Kolbenmulde zurückgeworfen, und der zurückgeworfene Kraftstoffnebel bildet Gemischgas an der Elektrode der Zündkerze. Danach wird das Gemischgas zum fest­ gelegten Zündzeitpunkt gezündet. Liegt der Einspritzzeitpunkt noch früher (in diesem Bereich kommt es zur Schichtladever­ brennung im Frühstadium und zur homogenen Ladeverbrennung im späteren Stadium), wird versprühter Kraftstoff durch die Kol­ benmulde eingefangen, der eingefangene Kraftstoff wird mit der aufsteigenden Wirbelströmung gemischt, und das Gemischgas erreicht die Umgebung der Elektrode der Zündkerze. Danach wird das Gemischgas zum festgelegten Zündzeitpunkt gezündet. Der Übergang von Schichtladeverbrennung zu homogener Ladever­ brennung erfolgt kontinuierlich. Dadurch können unter allen Betriebsbedingungen des Motors stabile Zündfähigkeit und sta­ bile Brennleistung gewährleistet werden. Die stabile Verbren­ nung führt zur Unterdrückung inakzeptabler HC-, CO-, NOx- und Rußemissionen, und der reibungslose Übergang von Schichtlade­ verbrennung zu homogener Verbrennung trägt zu gutem Fahrver­ halten bei.

Zudem wird durch Herstellen einer Umdrehungszahl der Wir­ belströmung je Motorumdrehung zwischen 0,5 und 1,7 ein zünd­ fähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch an der Zündkerze gewährlei­ stet, um die Wirbelströmung beim Verdichtungstakt nicht zu verschlechtern und außerdem keinen Kraftstoff ringsum zu ver­ teilen.

Claims (8)

1. Brennraum eines Kraftstoff direkt in einen Zylinder ein­ spritzenden Motors mit Fremdzündung mit:
einem Kraftstoff-Einspritzventil (15) zwischen einem Dach der Einlaßventilseite und einem Dach der Auslaßventil­ seite, wobei das Einspritzventil (15) geringfügig zur Auslaßventilseite hin geneigt ist;
einem Einlaßkanal, der an einem einlaßkanalseitigen Dach in einem spitzen Winkel einschließlich 0° zu einer ver­ längerten Linie von einem auslaßseitigen Dach so vorgese­ hen ist, daß eine Wirbelströmung von Ansaugluft an dem auslaßseitigen Dach entlang erzeugt wird;
einer Kolbenmulde mit einer gekrümmten Oberfläche, die auf der Oberseite eines Kolbens so ausgebildet ist, daß Kraftstoffnebel, der aus einem Kraftstoff-Einspritzventil eingespritzt wird, zusammen mit der Wirbelströmung in Richtung des einlaßseitigen Dachs zurückgeworfen wird; und
einer Elektrode einer Zündkerze, die von dem einlaßseiti­ gen oder auslaßseitigen Dach so vorragt, daß sie gerade mit der Wirbelströmung mit Kraftstoffnebel kollidiert.

2. Brennraum eines Kraftstoff direkt in einen Zylinder ein­ spritzenden Motors mit Fremdzündung mit einem Dach auf der Einlaßventilseite, einem Dach auf der Auslaßventil­ seite, einem in dem einlaßventilseitigen Dach vorgese­ henen Einlaßventil zum Einleiten von Ansaugluft, einem in dem auslaßventilseitigen Dach vorgesehenen Auslaßventil zum Abgeben von Abgas, einem Kolben, einem Zylinder und einer Zündkerze, der aufweist:
ein Kraftstoff-Einspritzventil (15), das zwischen dem einlaßventilseitigen Dach und dem auslaßventilseitigen Dach angeordnet und in einem ersten Neigungswinkel (α) zu einer Achse (A) des Zylinders zur Auslaßventilseite hin geneigt ist;
einen Einlaßkanal, der an dem einlaßventilseitigen Dach in einem spitzen Winkel (γ) einschließlich 0° und mehr zu einer verlängerten Linie (L_EX) von dem auslaßventilseiti­ gen Dach so vorgesehen ist, daß eine Wirbelströmung der Ansaugluft an dem auslaßventilseitigen Dach entlang er­ zeugt wird;
eine Kolbenmulde (13b) mit einer gekrümmten Oberfläche, die auf der Oberseite des Kolbens (13) so ausgebildet ist, daß ein Kraftstoffnebel, der aus dem Kraftstoff-Ein­ spritzventil eingespritzt wird, zusammen mit der Wirbel­ strömung der Ansaugluft in Richtung des einlaßventilsei­ tigen Dachs zurückgeworfen wird; und
eine Elektrode (23a) der Zündkerze (23), die von dem ein­ laßventilseitigen Dach so vorragt, daß sie der Wirbel­ strömung und dem durch die Kolbenmulde zurückgeworfenen Kraftstoffnebel ausgesetzt ist.

3. Brennraum eines Kraftstoff direkt in einen Zylinder ein­ spritzenden Motors mit Fremdzündung mit einem Dach auf der Einlaßventilseite, einem Dach auf der Auslaßventil­ seite, einem in dem einlaßventilseitigen Dach vorgese­ henen Einlaßventil zum Einleiten von Ansaugluft, einem in dem auslaßventilseitigen Dach vorgesehenen Auslaßventil zum Abgeben von Abgas, einem Kolben, einem Zylinder und einer Zündkerze, der aufweist:
ein Kraftstoff-Einspritzventil, das zwischen dem einlaß­ ventilseitigen Dach und dem auslaßventilseitigen Dach an­ geordnet und in einem ersten Neigungswinkel (α) zu einer Achse (A) des Zylinders zur Einlaßventilseite hin geneigt ist;
einen Einlaßkanal, der an dem einlaßventilseitigen Dach in einem zweiten Neigungswinkel (θ) zu einer Achse des Zylinders so angeordnet ist, daß die Ansaugluft direkt auf den Kolben geworfen und eine Wirbelströmung der An­ saugluft gebildet wird;
eine Kolbenmulde (13b) mit einer gekrümmten Oberfläche, die auf der Oberseite des Kolbens (13) so ausgebildet ist, daß ein Kraftstoffnebel, der aus der Kraftstoff-Ein­ spritzventil eingespritzt wird, zusammen mit der Wirbel­ strömung der Ansaugluft in Richtung des auslaßventilsei­ tigen Dachs zurückgeworfen wird; und
eine Elektrode (23a) der Zündkerze (23), die von dem aus­ laßventilseitigen Dach so vorragt, daß sie der Wirbel­ strömung und dem durch die Kolbenmulde zurückgeworfenen Kraftstoffnebel ausgesetzt ist.

4. Brennraum nach Anspruch 2, wobei der erste Neigungswinkel (α) in einem Bereich von 20° bis -5° liegt.

5. Brennraum nach einem der Ansprüche 2 oder 4, wobei der spitze Winkel (γ) in einem Bereich von 0° bis 15° liegt.

6. Brennraum nach Anspruch 3, wobei der erste Neigungswinkel (α) in einem Bereich von 5° bis -20° liegt.

7. Brennraum nach einem der Ansprüche 3 oder 6, wobei der zweite Neigungswinkel (θ) in einem Bereich von 0° bis 20° liegt.

8. Brennraum nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Wirbelströmung mit einem Drehwert in einem Bereich von 0,5 bis 1,7 je Umdrehung des Motors gedreht wird.