CN100400818C - 直喷式发动机 - Google Patents

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Abstract

碗底面的排气阀侧部分与活塞的上表面以一个光滑曲面相连，从而使翻滚气流的分离最小化并将气流吸入碗中，从而使气流更强烈地翻滚。与气流混合的燃料也被吸入到碗部，从而可以防止由于燃料与油的接触而产生积碳。碗的排气阀侧部分的宽度大于碗进气阀侧部分的宽度，且碗侧壁是曲面。进气阀套形成为一单一的槽，可使积碳最小化，且使燃烧过程中的火焰易于传播。

Description

直喷式发动机
相互参考的相关专利
本申请要求于2003年12月30日提交的韩国申请No.10-2003-0100886的优先权，在此将结合其公开的内容作为参考。
技术领域
本发明涉及一种直喷式发动机，具体来说，涉及一种使进气流翻滚以增加燃烧效率以及在冷起动过程中减少有毒气体排放的直喷式发动机。
背景技术
直喷式汽油发动机是一种结合了汽油发动机和柴油发动机的优点的发动机，以满足提高燃油效率的要求。在这种直喷式汽油发动机中，燃料被直接喷射进燃烧室中。
在该直喷式汽油发动机中，进气流是决定发动机效率的一个非常重要因素。进气流是由进气口、燃烧室以及活塞的形状来决定的。人们一直在进行有关进气流特性的研究，以避免进气流的壁流(wall flow)的产生以及在最短时间内将进气流与燃料混合。
在现有技术中描述了多种此类型的发动机。例如，在本申请人的韩国专利申请No.10-2001-0059601中公开的直喷式汽油发动机。
如图8至10所示，上述申请中公开的直喷式汽油发动机包括：由汽缸盖2的下表面以及汽缸内活塞8的上表面限定的燃烧室26；分别设置在进气口10和排气口12内的进气阀14和排气阀16，其中进气口及排气口形成于汽缸盖2的两侧上；一个位于汽缸盖2下表面的中心部分上的火花塞46；和一个向燃烧室26内喷射燃油的燃油喷射器36。
燃烧室26位于汽缸盖2下表面与活塞8上表面之间，其中汽缸盖2具有一个进气阀侧的倾斜面28和一个排气阀侧的倾斜面30，活塞8具有一个单坡屋顶式的形状，其对应于进气阀侧的倾斜面28和排气阀侧的倾斜面30也具有一个进气阀侧的倾斜上表面32和一个排气阀侧的倾斜上表面34。
形成在进气阀侧的上表面32及排气阀侧的上表面34上的单坡屋顶形突起部分38上具有一个碗型凹腔40。该碗40的下表面42的形状使碗40的深度向进气侧逐渐加深。
在进气口10内设置一个分隔壁18，从而进气口被分为一个上部通道20和一个下部通道22，该上部通道用作为产生翻滚气流的通道。阀24通过发动机控制单元的控制来打开或关闭该下部通道22，阀24被置于下部通道22的入口处。
碗40从顶部看上去像一个梯形，且碗40排气阀侧部分的宽度大于其进气阀侧部分的宽度。碗40的下表面形成为一个曲面，从而使碗40的深度大致向进气阀侧部分逐渐加深，且碗40进气阀侧的斜面大致是垂直的。火花塞46被放置成可以从一个靠近进气口的部分上向着碗40上方的燃烧室喷射燃油。
因此，若活塞8向下移动以吸进气体，进气流穿过上部通道20以一种翻滚的状态进入燃烧室中。该翻滚气流在燃烧室中被增强。随后，活塞8向上移动来压缩空气-燃料混合物，当该混合物在碗40内流动时该翻滚气流被进一步增强。
当气流从碗40的较宽的排气阀侧部分吸入到碗40中较窄且较深的进气阀侧部分中时，气流的翻滚程度被增强了。气流与坡面44发生碰撞，随后气流快速上升，从而到达火花塞46。
在这个过程中，从燃料喷射器36喷射出的燃料与强翻滚气流汇合，从而使该喷射燃料在短时间内不会与活塞8的碗40的下表面42发生碰撞而是被雾化。该空气-燃料混合物随后到达火花塞46并被点燃。
然而，在这种传统结构中，在碗40的进气口部分形成有一个凸起50，从而形成一个分离现象，即一部分翻滚气流被分出来，而不是被送入碗40的进气阀侧部分。这种分离现象会损害燃烧稳定性，并且喷射燃料可能会接触油从而形成一积碳层。
此外，突起部分38的顶部形成为一个平的部分52，从而使一部分翻滚气流可能会越过碗40在该部分52周围的侧表面。这会破坏翻滚气流的整体性，同样也会消弱压碎气流(squish flow)，从而产生不完全燃烧。
不仅如此，阀套48由一个台阶部分54分隔开，从而可能会产生积碳。该台阶部分54会妨碍火的蔓延，从而可能会引起爆燃。
本发明背景技术部分中公开的信息仅仅是为了帮助理解本发明的发明背景，而不应被当作是承认了或暗示了这些信息已经构成了被本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种直喷式发动机，其中进气流高度翻滚以增加燃烧稳定性，从而改善了燃料的经济性以及发动机的功率。此外，本发明的一个实施例提供了一种在燃烧过程中火焰易于传播的直喷式发动机，从而进一步改善了燃烧特性。除此之外，本发明的一个实施例提供了一种可以使壁面浸湿的可能性最小化的直喷式发动机，从而使排出的碳氢化合物的量最少。
在本发明的一个优选实施例中，该直喷式发动机包括：一个燃烧室，其位于一单坡屋顶形的汽缸盖下表面与活塞头的上表面之间，该活塞头具有一个与该汽缸盖下表面形状对应的单坡屋顶形突起部分；一个进气阀和一个排气阀，其分别置于汽缸盖的进气口内和排气口内；一个置于汽缸盖内的火花塞；和一个将燃料直接喷射到燃烧室中的燃料喷射器。该活塞头的突起部分形成一种从汽缸中心轴线向排气阀侧偏离的状态。在该突起部分上沿垂直于曲轴轴线的方向上设置一个碗。该碗的排气阀侧部分是张开的，该碗的排气阀侧部分的宽度比其进气阀侧的宽度宽。碗的侧壁形成向外弯曲的曲面。该碗的底面是倾斜的，从而使碗的深度在靠近进气阀侧时加深，且该进气口形成为可使进气流朝着碗的排气阀侧部分移动。在汽缸突起部分的进气阀侧上倾斜表面上设有一个进气阀套，该进气阀套形成为一容纳整个进气阀的单一凹槽。
该碗优选形成在活塞头的突起部分内。
优选地，该碗的侧壁朝着外侧倾斜。
还优选地，该碗的侧壁在整体上形成为一曲线。
优选地，该碗的排气阀侧部分通过一个预定曲率的曲面在一个位置上与活塞的上表面(head surface)相连，该位置是从该突起部分的排气阀侧的上倾斜表面的起始位置朝着碗向前延伸一个特定距离的位置。
优选地，该碗的进气阀侧斜坡部分向外倾斜，并且该活塞头的突起部分的顶部形成一个曲面。
优选地，在进气口中设有一个分隔壁，从而可将进气口分为一个上通道和一个下通道，该上通道作为一个翻滚通道，且在下通道的进口处设置一个阀，以选择性地打开或关闭该下通道。
附图说明
包括在此以构成说明书一部分的附图示出了本发明的一个实施例，并与下文说明一起用于解释本发明的原理，其中：
图1是根据本发明实施例的直喷式发动机的剖面图；
图2是根据本发明实施例的发动机活塞的透视图；
图3是图2活塞的剖面图；
图4是图2活塞的俯视图；
图5示出了根据本发明实施例的发动机的一个压缩冲程状态；
图6示出了根据本发明实施例的发动机的燃料喷射过程；
图7示出了在根据本发明实施例的发动机的燃烧室中的空气-燃料混合流；
图8是现有技术的直喷式发动机的剖面图；
图9是图8所示发动机活塞的透视图；和
图10是图9活塞的剖面图。
具体实施方式
下文将参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
如图1所示，根据本发明实施例的发动机主体由一个气缸盖102和一个气缸体104组合而成。活塞8可在由气缸体104确定的气缸106内垂直滑动。
在气缸盖102上设有进气口110和排气口112，进气口110及排气口112的数量取决于进气阀114和排气阀116的数量。
在进气口110的下游处设置有一个分隔壁118，其将进气口110分成上通道120和下通道122。在该下通道122的入口部分设置一个阀124，其可选择性地打开和关闭该下部通道122。该阀124由一个驱动电动机(图中未示)操作，该驱动动电机由发动机控制单元(图中未示)控制。
根据发动机的运行条件，阀124的开合由发动机控制单元控制。当空气-燃料混合物少的时候，控制阀124闭合以将空气从上通道120中以翻滚的状态吸进到燃烧室126中。
如图1所示，燃烧室126由气缸盖102的下表面和活塞108的上表面形成。气缸盖102的下表面包括一个进气阀侧的倾斜面128和一个排气阀侧的倾斜面130，这两个斜面位于一个位置的两侧上，该位置从排气阀116侧(图1中的左侧)距假想平面CK一个特定距离λ，该假想平面CK包含气缸106的中心轴线CB和曲轴的轴线(图中未示)，从而该气缸盖102的下表面大致构成了一单坡屋顶形状。
活塞108的上表面也具有两个倾斜表面，即分别对应于进气阀侧的倾斜面128和排气阀侧的倾斜面130的一个进气阀侧倾斜上表面132和一个排气阀侧倾斜上表面134。也就是说，活塞108的上表面大致呈单坡屋顶式的形状。因此，在进气阀侧倾斜上表面132和排气阀侧倾斜上表面134以及气缸盖102的进气阀侧倾斜面128和排气阀侧倾斜面130之间形成了燃烧室126。
将燃料直接喷射进燃烧室126中的燃料喷射器136被设置在气缸盖102的进气口110所在的部分上，也就是说，该燃料喷射器136在气缸102中被布置成紧挨着进气口110。燃料喷射器136的喷射正时以及喷射持续的时间由发动机控制单元控制。
参考图2至图4，活塞108头部的形状是决定用以完全燃烧的燃烧室形状的重要因素，下面将对其进行详细解释。包括进气阀侧上倾斜表面132和排气阀侧上倾斜表面134的单坡屋顶形突起部分138的顶部形成为具有特定曲率的曲面，在该突起部分138的中心部分沿垂直于曲轴轴线的方向上设有一个碗140。
如从上文所看到的，该碗140具有一个近似椭圆的形状或者一个四边是曲线而不是直线的梯形形状，如图4所示，且该碗140的长轴垂直于曲轴的轴线。此外，为了使进气流平稳地进入碗140中，碗140的排气阀侧部分是张开的，同时碗140的排气阀侧部分的宽度比碗140的进气阀侧部分的宽度更宽。此外，如图4所示，碗140的宽度在远离排气阀侧部分端部的一段距离上是逐渐变宽的，然后靠近进气阀侧部分的端部时再逐渐变窄。
该碗140的底面142以一个预定角度(例如，大概12度)倾斜，越接近进气阀侧越低，且该底面142是从排气阀侧上倾斜表面134的起始点144向进气阀侧部分向前延伸一点(一个预定距离)处开始倾斜的。此时，底面142与活塞108的上表面146以具有一预定曲率的光滑曲面(例如，R45)相连。
由于碗140的这种构形，翻滚气流可以平稳地进入碗140中而不会产生分离，从而可以防止该气流流向气缸的排气阀侧的壁面，因而可以避免产生由于燃料与壁面上的油接触而产生的碳层。
碗140的侧壁是倾斜的，使碗140的宽度在靠近其顶部处变宽，且侧壁形成为朝向突起138缩进的曲面，因而可以防止流进碗140中的翻滚气流越过侧壁而被碗140分离。
形成碗140的进气阀侧端部的斜坡部分148优选为近似垂直的。在本发明的一个优选实施例中，该斜坡部分148以一个预定角度(例如，5度)略微倾斜，从而该碗部140在靠近其顶部时变宽。
该斜坡部分148位于从进气阀侧上倾斜表面132的起始点朝着排气阀侧部分向前延伸一点儿的位置处，在贯穿进气阀侧上倾斜表面132的端部上形成有进气阀套150。
该进气阀套150用于防止进气阀114与活塞108的上表面的重叠区域相碰撞。在本发明的一个实施例中，该进气阀套150形成一个单一的长槽，以容纳整个进气阀，而不是向现有技术中那样由一个台阶分隔开来，从而可以防止积碳。
在根据本发明实施例的发动机中，当活塞108项下移动以将空气吸进到燃烧室中时，穿过上通道120的空气被搅动从而形成大部分的翻滚气流。
当活塞108向上移动以压缩空气时，气流穿过碗部140而进一步翻滚，如图5所示。
也就是说，当气流从碗140中较宽的排气阀侧部分流到碗140中较窄的进气阀侧部分时，气流被大大地浓缩了。因而，当气流碰撞斜坡部分148后，气流向上移动从而使气流到达火花塞152。
当燃料在图6所示的时刻喷射进燃烧室时，该喷射燃料与翻滚气流混合。因而该燃料在一个相对短的时间内被汽化，而不接触碗140的底面142，从而空气-燃料混合物存在于火花塞152的周围。
随后，火花塞152向该空气-燃料混合物点火，然后该空气-燃料混合物被点燃。
在本发明中，由于碗部底面的排气阀侧部分与活塞的上表面以一个光滑的曲面相连，从而使翻滚气流的分离最小化并将气流吸入碗中，从而使气流更强烈地翻滚。此外，与气流混合的燃料也被吸入到碗部，从而可防止由于燃料与油的接触而产生积碳层。
此外，由于碗的排气阀侧部分的宽度大于碗进气阀侧部分的宽度，且碗侧壁形成为曲面，所以气流可以不分离地平稳流向进气阀侧部分，随后碰撞斜坡部分。因此，可以形成高度翻滚的气流，从而改善了燃烧特性。
此外，由于将进气阀套形成为单一的槽，积碳可以被最小化，且使燃烧过程中的火焰易于传播。因此进一步改善了燃烧特性。
除此之外，由于燃料喷射器喷射的燃料不与碗面碰撞就被汽化，因此可以使碳层以及壁面浸湿的产生最小化，从而使碳氢化合物的释放量最小化。
尽管上文详细讨论了本发明的优选实施例，但应该很清楚的理解，多种对于本领域技术人员来说显而易见的基本发明概念的变化及改型仍然落在由所附权利要求限定的本发明的保护范围及宗旨内。

Claims (8)

1.一种直喷式发动机，其包括：
燃烧室，其位于一单坡屋顶形的汽缸盖下表面与活塞头的上表面之间，该活塞头具有一个与该汽缸盖下表面形状对应的单坡屋顶形突起部分；
进气阀和排气阀，其分别置于汽缸盖的进气口内和排气口内；
置于汽缸盖内的火花塞；和
用于将燃料直接喷射到燃烧室中的燃料喷射器，
其中，该活塞头的突起部分形成从汽缸中心轴线向排气阀侧偏离的状态，在该突起部分上沿垂直于曲轴轴线的方向上设置一个碗，该碗的排气阀侧部分是张开的，该碗的排气阀侧部分的宽度比其进气阀侧的宽度宽，碗的侧壁形成向外弯曲的曲面，该碗的底面是倾斜的，从而使碗的深度在靠近进气阀侧时加深，且该进气口形成为可使进气流朝着碗的排气阀侧运动，在汽缸突起部分的进气阀侧上倾斜表面上设有一个进气阀套，该进气阀套形成为一容纳整个进气阀的单一凹槽。
2.如权利要求1所述的直喷式发动机，其中该碗形成在活塞头的突起部分内。
3.如权利要求1所述的直喷式发动机，其中该碗的侧壁朝着外侧倾斜。
4.如权利要求1所述的直喷式发动机，其中该碗的侧壁整体上形成一曲线。
5.如权利要求1所述的直喷式发动机，其中该碗的排气阀侧部分通过一预定曲率的曲面在一位置上与活塞的上表面相连，该位置是从该突起部分的排气阀侧上倾斜表面的起始位置朝着碗向前延伸一个特定距离的位置。
6.如权利要求1所述的直喷式发动机，其中该碗的进气阀侧斜坡部分向外倾斜。
7.如权利要求1所述的直喷式发动机，其中该活塞头的突起部分的顶部形成为一曲面。
8.如权利要求1所述的直喷式发动机，其中在进气口中设有一个分隔壁，从而可将进气口分为一个上通道和一个下通道，该上通道作为一个翻滚通道，且在下通道的进口处设置一个阀以选择性地打开或关闭该下通道。
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