DE69838352T2

DE69838352T2 - Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung und Funkenzündung

Info

Publication number: DE69838352T2
Application number: DE69838352T
Authority: DE
Inventors: Nobuhisa Sagamihara-shi Jingu
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2018-12-12
Also published as: US6196185B1; EP0924422A2; EP1464820A2; EP1464820B1; JPH11182330A; EP0924422A3; DE69838352D1; EP1464820A3

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen Brennkraftmaschinen und noch genauer Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung und Funkenzündung, die ein System zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer und ein Zünden des Luft-/Kraftstoff- Gemischs in der Kammer unter Verwendung eines durch die Zündkerze erzeugten Funkens vorsieht. Noch genauer, die vorliegende Erfindung ist in eine Anordnung von Einlassöffnungen einbezogen, die in einem Zylinderkopf von in solchen Motoren gebildet sind.
2. Beschreibunq des Standes der Technik
Beim Vorsehen eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine mit zwei Einlassöffnungen für jede Brennkammer ist es üblicherweise angewendet worden, dass infolge der inhärenten Trennung von einem einzelnen Einlasskanal, die zwei Einlassöffnungen angeordnet sind, um sich parallel zu erstrecken, oder um sich zu erstrecken, während sich ein Abstand dazwischen, wie sich die Brennkammer nähert, erhöht.
Insbesondere in den Brennkraftmaschinen der zuvor erwähnten Art ist es üblicherweise angewendet worden, dass ein Kraftstoffeinspritzer unter und zwischen den zwei Einlassöffnungen angeordnet ist, d. h., an einer Umfangsseite der Brennkammer. Diese Anordnung ist z. B. in der ersten vorläufigen Japanischen Patentveröffentlichung 9-119344 gezeigt.
In dieser Veröffentlichung ist auch ein Kühlwasserkanal gezeigt, der in einem Zylinderkopf in der Nähe des unteren Abschnittes einer Kraftstoffeinspritzer-Montagebohrung gebildet ist. Dadurch wird ein in der Montagebohrung installierter Kraftstoffeinspritzer und in den Kraftstoffeinspritzer zugeführter Kraftstoff während des Betriebs des Motors gekühlt.
Außerdem ist in der ersten vorläufigen Japanischen Patentveröffentlichung 6-101 588 ein System zum Unterdrücken des Überhitzens von durch den Kraftstoffeinspritzer direkt eingespritzten Kraftstoff gezeigt. D. h., in dem System wird ein Kraftstoffrückführungspfad von dem Kraftstoffeinspritzer in Übereinstimmung mit der Temperatur des zu dem Kraftstoffeinspritzer zugeführten Kraftstoffes gesteuert.
Das Dokument DE 197 13 030 entsprechend des Oberbegriffs von Anspruch 1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung und Funkenzündung, die eine Brennkammer und ein Paar von Einlassöffnungen, die sich zu der Brennkammer erstrecken, aufweist. Die Einlassöffnungen vermindern einen Abstand dazwischen, wie sich die Brennkammer nähert. Jede der Einlassöffnungen hat eine axiale Mittellinie, die geneigt ist um einen Winkel relativ zu einer ersten gedachten Ebene, die eine Mittellinie eines zugehörigen Kraftstoffeinspritzers enthält und sich parallel mit der Mittellinie des zugehörigen Kolbens erstreckt. Der Kraftstoffeinspritzer ist auf der Mittellinie des zugehörigen Kolbens angeordnet.
Zusammenfassung der Erfindung
Jedoch sind die Anordnungen, die in den zuvor erwähnten Veröffentlichungen gezeigt sind, nicht ausreichend, infolge der nachstehenden gründe befriedigende Leistungen zu zeigen.
D. h., die zuvor erwähnte parallele und/oder nicht-parallele Anordnung der zwei Einlassöffnungen tendiert dazu, eine Luftströmungsverteilung in der Brennkammer hervorzurufen. In diesem Fall ist es schwierig eine befriedigende Fall-Luftströmung in der Mitte des Zylinders zu erzeugen, so dass ein Kraftstoff, der von dem Kraftstoffeinspritzer in den Verdichtungshub während einer geschichteten Ladungsverbrennung eingespritzt wird, nicht sicher zu der Zündkerze befördert wird und überdies der Kraftstoff, der von dem Kraftstoffeinspritzer in dem Einlasshub während einer homogenen Ladungsverbrennung eingespritzt wird, versagt, um infolge der inadäquaten Kollision gegen die Fallströmung eine ausreichend homogene Ladung zu erzeugen.
Außerdem haben die Kühlmaßnahme und das –system, die durch die Veröffentlichung gezeigt sind, versagt, da sie infolge ihrer inhärenten Konstruktionen keine ausreichende Leistung zeigen. D. h., in der Kühlmaßnahme, die in der Veröffentlichung 9-119344 gezeigt ist, wird kein ausreichendes Kühlen des Kraftstoffes erreicht. In dem Kühlsystem der Veröffentlichung 6-101588 werden ein Kraftstoff- Temperatursensor und eine komplizierte Steuereinheit benötigt, was eine Erhöhung in den Kosten des Systems verursacht.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine einfach aufgebaute Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung und Funkenzündung mit guten Verbrennungskapazitäten zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Weitere Verbesserungen sind in den Unteransprüchen niedergelegt. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine horizontale Schnittdarstellung eines Zylinderkopfes, der in einer Brennkraftmaschine entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
2 ist eine Schnittdarstellung, die entlang der Linie II-II der 1 genommen worden ist;
3 ist eine Schnittdarstellung, die entlang der Linie III-III der 1 genommen worden ist;
4 ist eine Schnittdarstellung, die entlang der Linie IV-IV der 2 genommen worden ist;
5 ist ein Diagramm, das einen angemessenen Bereich eines Winkels „θ" jeder Einlassöffnung relativ zu einer gedachten Ebene zeigt;
6 ist ein Diagramm, das einen angemessenen Bereich einer Schnittfläche eines gegebenen Teils der ersten und zweiten Kühlkanäle zeigt; und
7 ist eine Ansicht, die zu der 1 ähnlich ist, aber einen modifizierten Zylinderkopf zeigt, der in dem Motor der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In Bezug auf die 1 bis 6, insbesondere auf die 1 und 2, ist ein Zylinderkopf 1 gezeigt, der in einer Brennkraftmaschine entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Der Motor ist von der Kraftstoffdirekteinspritzungs- und Funkenzündungs- Art, die ein System zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer und ein Zünden des Luft-/Kraftstoff- Gemischs in der Kammer unter Verwendung eines Funkens, der durch eine Zündkerze erzeugt wird, vorsieht.
Wie aus der 2 gesehen, ist der Zylinderkopf 1 an seiner unteren Oberfläche mit einer Aussparung versehen, durch die ein Teil der Brennkammer 2 gebildet ist. Der Zylinderkopf 1 ist auf einer oberen Oberfläche eines Zylinderblocks 50 montiert. Der Zylinderblock 50 hat einen Zylinder 52, in dem ein Kolben 54 betrieblich installiert ist. Durch das Bezugszeichen „CSA" ist eine axiale Linie (oder eine Achse) einer zugehörigen Kurbelwelle bezeichnet.
Der Zylinderkopf 1 ist mit einer Zündkerzen-Montagebohrung 3 gebildet, die einen im Wesentlichen Mittelteil der Brennkammer 2 durchdringt. Obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt ist eine Zündkerze fest in der Bohrung 3 angeordnet, die ihren Funkenerzeugungspunkt in die Brennkammer 2 ausgesetzt hat.
Wie in der 1 gesehen, ist der Zylinderkopf 1 mit zwei Einlassöffnungen 4a und 4b und zwei Auslassöffnungen 5a und 5b versehen, die sich jeweils in die Richtung zu der Brennkammer 2 oder von der Brennkammer 2 weg erstrecken. Die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen 4a, 4b, 5a und 5b haben jeweilige Öffnungen (keine Ziffern), die in die Brennkammer 2 freigelegt sind und die Zündkerzen-Montagebohrung 3 umgeben. Obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, sind die Einlass- und die Auslassventile betrieblich jeweils in den Einlassöffnungen und Auslassöffnungen 4a, 4b, 5a und 5b montiert.
In der 3 sind jeweilige Montagebohrungen 6 und 7 für die Einlass- und für die Auslassventile gezeigt.
Wie aus den 1 und 2 gezeigt, ist der Zylinderkopf 1 unter und zwischen den zwei Einlassöffnungen 4a und 4b mit einer Kraftstoffeinspritzer-Montagebohrung 8 gebildet, die ein Umfangsende der Brennkammer 2 durchdringt. Wie aus der 2 gesehen, ist ein Kraftstoffeinspritzer 8a, der seine Düse in die Brennkammer 2 freigelegt hat, fest in der Bohrung 8 angeordnet. D. h., der Kraftstoff wird direkt in die Brennkammer 2 eingespritzt.
Wie aus der 1 in der vorliegenden Erfindung gesehen, sind die zwei Einlassöffnungen 4a und 4b angeordnet, um den folgenden geometrischen Bedingungen zu genügen.
D. h., mit der Verminderung des Abstandes von der Brennkammer 2 vermindert eine axiale Mittellinie „IPCL-a oder IPCL-b" jeder Einlassöffnung 4a und 4b allmählich einen Abstand von einer gedachten Ebene „IMP", die eine Mittellinie „PCL" enthält (siehe die 2 und 3) des zugehörigen Kolbens (nicht gezeigt) und ist zu der axialen Linie „CSA" der zugehörigen Kurbelwelle rechtwinklig. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Mittellinie „FICL" des Kraftstoffeinspritzers 8a in der gedachten Ebene „IMP" enthalten. Die Mittellinie „FICL" geht durch die Düse des Kraftstoffeinspritzers 8a.
In der 1 ist ein Winkel, der zwischen der axialen Mittellinie „IPCL-a oder IPCL-b" und der gedachten Ebene „IMP" gebildet ist, durch das Bezugszeichen „θ" bezeichnet. Wie nachstehend im Detail beschrieben wird, ist der Winkel „θ" größer als 0 (Null) Grad und nicht größer als 15 Grad, vorzugsweise nicht kleiner als 5 Grad und nicht größer als 10 Grad. D. h., ungleich „0° < θ < 15°, wird vorzugsweise „5° ≤ θ ≤ 10°" begründet.
Bei der zuvor erwähnten konvergierten Anordnung der zwei Einlassöffnungen 4a und 4b kann Luft, die in den Einlassöffnungen 4a und 4b strömt, direkt zu einem zentralen Abschnitt des Zylinders gerichtet werden und die Fall- Luftströmung kann verstärkt werden. Demzufolge kann während der geschichteten Ladungsverbrennung, wobei die Kraftstoffeinspritzung in dem Verdichtungshub ausgeführt wird, der von dem Kraftstoffeinspritzer 8a eingespritzte Kraftstoff sicher zu der Zündkerze befördert werden und während der homogenen Ladungsverbrennung, wobei die Kraftstoffeinspritzung in dem Einlasshub ausgeführt wird, kann der von dem Kraftstoffeinspritzer 8a eingespritzte Kraftstoff eine ausreichende homogene Ladung infolge der angemessenen Kollision gegen die Fall- Luftströmung erzeugt werden.
Infolge der winkligen Anordnung zwischen den zwei Einlassöffnungen 4a und 4b kann die Kraftstoffeinspritzer-Montagebohrung 8 in dem Zylinderkopf 1 leicht geschaffen werden. Wie nachstehend beschrieben werden wird, können aus demselben Grund verschiedene Kühlwasserkanäle für den Kraftstoffeinspritzer 8a in dem Zylinderkopf 1 leicht geschaffen werden.
Im Folgenden wird im Detail des Winkels „θ" zwischen der axialen Mittellinie „IPCL-a oder ICPL-b" und der gedachten Ebene „IMP" in Bezug auf die 5 beschrieben.
Die 5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung (die durchgehende Kurve) zwischen dem Winkel „θ" und einem Luftströmungskoeffizient „Cv" und eine Beziehung zwischen dem Winkel „θ" und einer Fallströmungsintensität „TR" zeigt. Wie aus diesem Diagramm gesehen, erhöht sich die Fallströmungsintensität „TR" mit der Erhöhung des Winkels „θ", während sich der Luftströmungskoeffizient „Cv" mit der Erhöhung des Winkels „θ" vermindert. Wenn jedoch der Winkel θ" dem „0° < θ ≤ 15°" genügt (vorzugsweise „5° ≤ θ ≤ 10°") zeigen sowohl der Luftströmungskoeffizient „Cv" (nämlich die Luftladungseffektivität) und die Fallströmungsintensität „TR" ausreichend Werte.
Vom Gesichtspunkt der Aerodynamik wird es bevorzugt, den Winkel „θ" zwischen der axialen Mittellinie „IPCL-a und der gedachten Ebene „IMP" mit dem Winkels „θ" zwischen der axialen Mittellinie ICPL-b" und der gedachten Ebene „IMP" auszugleichen. Wenn es jedoch gewünscht wird, d. h., wenn eine unterschiedliche Art von Luftströmung in der Brennkammer 2 notwendig ist, können die zwei Winkel „θ" und „θ" in Abhängigkeit, um der Bedingung von „θ° < θ ≤ 15°" zu genügen, voneinander verschieden sein.
Wie aus der 2 gesehen, ist der Zylinderkopf 1 nahe der Kraftstoffeinspritzer-Montagebohrung 8 mit einer Mehrzahl von Kühlwasserkanälen gebildet, die ein oberer Kühlwasserkanal 9, ein erster unterer Kühlwasserkanal 11 und ein zweiter unterer Kühlwasserkanal 12 sind. Infolge des Vorsehens dieser Kanäle 9, 11 und 12 wird der Kraftstoffeinspritzer 8a, der in der Kraftstoffeinspritzer-Montagebohrung 8 montiert ist, während des Betriebs des Motors effektiv gekühlt. Diese Kanäle können infolge der zuvor erwähnten winkligen Anordnung der zwei Einlassöffnungen 4a und 4b leicht in dem Zylinderkopf 1 vorgesehen werden.
Wie aus der 4 gesehen, hat der obere Kühlwasserkanal 9 einen verlängerten Teil 10, der zwischen und oberhalb der zwei Einlassöffnungen 4a und 4b platziert ist. D. h., der Teil 10 ist in der Nähe der Kraftstoffeinspritzer-Montagebohrung 8 positioniert, um den Kraftstoffeinspritzer 8a zu kühlen. Der Teil 10 wird durch Versehen eines Kernsandes für den Zylinder 1 mit einem Abschnitt, der dem Teil 10 entspricht, hergestellt.
Die ersten und zweiten Kühlwasserkanäle 11 und 12 sind unter der Kraftstoffeinspritzer-Montagebohrung 8 positioniert. Noch genauer, der erste untere Kanal 11 erstreckt sich axial (d. h., in einer Richtung parallel mit der axialen Linie „CSA" der Kurbelwelle) in der Nähe des unteren Abschnittes der Kraftstoffeinspritzer-Montagebohrung 8. Dieser Kanal 11 wird durch Versehen eines Kemsandes mit einem weiteren Abschnitt, der dem Kanal 11 entspricht, hergestellt.
Der zweite untere Kühlwasserkanal 12 wird auf einer unteren Oberfläche des Zylinderkopfes 1 gebildet, der sich axial in der Nähe des unteren Abschnittes der Kraftstoffeinspritzer-Montagebohrung 8 erstreckt. Dieser zweite untere Kanal 12 wird durch Vorsehen einer Sandform für den Zylinderkopf 1 mit einem Abschnitt, der dem Kanal 12 entspricht, hergestellt.
Im Folgenden werden die oberen und unteren Kühlwasserkanäle 11 und 12 in Bezug auf die 6 beschrieben.
Jeder der Kanäle 11 und 12 hat an einer Position unmittelbar unter der Kraftstoffeinspritzer-Montagebohrung 8 eine minimale Querschnittsfläche, die von 0,1 cm² bis 2,5 cm² reicht. Noch genauer, jeder Kanal 11 oder 12 hat solch eine minimale Querschnittsfläche an einem gegebenen Abschnitt, durch den die zuvor erwähnte gedachte Ebene „IMP" hindurchgeht. Mit anderen Worten, die Abschnitte der Kanäle 11 und 12, die tatsächlich durch die 2 dargestellt sind, haben solch minimale Querschnittsflächen.
6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung (die durchgehende Kurve) zwischen der Schnittfläche „S" und dem Wasserströmungswiderstand „R" und eine Beziehung (die gepunktete Kurve) zwischen der Schnittfläche „S" und der tatsächlichen Wassergeschwindigkeit „V" zeigt. Wie aus diesem Diagramm gesehen, vermindert sich der Wasserströmungswiderstand „R" mit der Erhöhung der Querschnittsfläche „S", während sich die tatsächliche Wassergeschwindigkeit „V" erhöht, wie sich die Querschnittsfläche „S" auf ungefähr 1,3 cm² erhöht, aber sich danach vermindert. Wenn jedoch die Querschnittsfläche „S" innerhalb des Bereiches von 0,1 cm² bis 2,5 cm² ist, zeigen sowohl der Wasserströmungswiderstand „R", als auch die tatsächliche Wassergeschwindigkeit „V" befriedigende Werte. D. h., innerhalb des Bereiches wird eine ausreichende Strömung von Kühlwasser in den Kanälen 11 und 12 erhalten.
Infolge der vorteilhaften Auslegung, die durch den ersten Kühlwasserkanal 11 eingenommen wird, kann die Querschnittsfläche des gegebenen Abschnittes dieses Wasserströmungskanals 11 von 0,5 cm² bis 2,5 cm² reichen. Während infolge der inhärenten nachteiligen Anordnung, die durch den zweiten Wasserkanal 12 eingenommen wird, die Querschnittsfläche des gegebenen Abschnittes dieses Kanal 12 von 0,1 cm² bis 1,0 cm² reichen kann.
Innerhalb der Kühlwasserkanäle 10, 11 und 12 wird der Kraftstoffeinspritzer 8a, der in der Kraftstoffeinspritzer- Montagebohrung 8 installiert ist, effektiv gekühlt und somit wird eine Leistungsverminderung des Kraftstoffeinspritzers 8a, die durch ein Überhitzen verursacht würde, sicher unterdrückt wird.
In Bezug auf die 7 ist ein modifizierte Zylinderkopf 1' gezeigt, der in der Brennkraftmaschine entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
In der Modifikation ist die Mittellinie „FICL" des Kraftstoffeinspritzers 108a nicht in der gedachten Ebene „IMP" enthalten, d. h., die Mittellinie „FICL" ist relativ zu der gedachten Ebene „IMP" um einen Winkel „α" geneigt. Überdies vermindert mit der Verminderung eines Abstandes von der Brennkammer 2 die axiale Mittellinie „IPCL-a' oder IPCL-b'" von jeder Einlassöffnung 4a' und 4b' allmählich einen Abstand von einer gedachten Ebne „FIIMP", die die Einspritzermittellinie „FICL" enthält und relativ zu der gedachten Ebene um den Winkel „α" geneigt ist. Jede axiale Mittellinie „IPCL-a' oder IPCL-b'" ist somit um „θ„ relativ zu der gedachten Ebene „FIIMP" geneigt. Es ist herausgefunden worden, dass auch in dieser Modifikation eine befriedigende Leistung, ähnlich der in der zuvor erwähnten Anordnung, erhalten wird.
Falls es gewünscht wird, können die zwei Winkel „θ' und „θ", in Abhängigkeit, der Beziehung von „0° < θ ≤ 15°" zu genügen, voneinander verschieden sein.

Claims

Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung und Funkenzündung, aufweisend: eine Brennkammer (2); und ein Paar von Einlassöffnungen (4a', 4b'), die sich zu der Brennkammer (2) erstrecken, wobei ein Abstandshalter der Einlassöffnungen (4a', 4b') voneinander sich zu der Brennkammer (2) hin vermindert, wobei jede der Einlassöffnungen (4a', 4b') eine axiale Mittellinie hat, die um einen Winkel „θ" relativ zu einer ersten gedachten Ebene, die eine Mittellinie eines zugehörigen Kraftstoffeinspritzers (108a) enthält und sich parallel mit eine Mittellinie des verbundenen Kolbens erstreckt, geneigt ist dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel „θ" der Ungleichung von „0°" < θ ≤ 15°" genügt, der Kraftstoffeinspritzer (108a) von der Mittellinie des zugehörigen Kolbens beabstandet ist, und die erste gedachte Ebene um einen Winkel „α" zu einer zweiten gedachten Ebene geneigt ist, die die Mittellinie des zugehörigen Kolbens enthält und rechtwinklig ist zu einer axialen Linie einer zugehörigen Kurbelwelle.
Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung und Funkenzündung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel „θ" der Ungleichung von „5° ≤ θ ≤ 10°" genügt.
Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung und Funkenzündung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen ersten unteren Kühlwasserkanal (11) und einen zweiten unteren Kühlwasserkanal (12), die in der Nähe einer Kraftstoffeinspritzer-Montagebohrung (8), die den zugehörigen Kraftstoffeinspritzer (108a) enthält, angeordnet sind.
Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung und Funkenzündung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste untere Kühlwasserkanal (11) unterhalb der Kraftstoffeinspritzer-Montagebohrung (8) positioniert ist und sich in eine Richtung zu der axialen Linie der zugehörigen Kurbelwelle erstreckt und in der der zweite untere Kühlwasserkanal (11) unter dem Kraftstoffeinspritzer (108a) positioniert ist und sich in eine Richtung parallel zu der axialen Linie der zugehörigen Kurbelwelle erstreckt, wobei der zweite untere Kühlwasserkanal (12) an einer unteren Oberfläche des Zylinderkopfs (1) gebildet ist, mit dem eine obere Oberfläche eines Zylinderblocks verbunden ist.
Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung und Funkenzündung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer von dem ersten unteren Kühlwasserkanal (11) oder dem zweiten unteren Kühlwasserkanal (12) eine Querschnittsfläche zwischen 0,1 cm² und 2,5 cm² hat.
Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung und Funkenzündung nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste untere Kühlwasserkanal (11) an einer Position unmittelbar unter der Kraftstoffeinspritzer- Montagebohrung (8) eine Querschnittsfläche zwischen 0,5 cm² und 2,5 cm² hat.
Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung und Funkenzündung nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite untere Kühlwasserkanal (12) eine Querschnittsfläche zwischen 0,1 cm² und 1,0 cm² hat.