CN100400853C - 缸内燃料喷射式内燃机 - Google Patents

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Abstract

在一内燃机(1)的气缸筒(4)的轴线(3)与一垂直线对齐的气缸(2)的侧视图中，一进气通道(15)形成于气缸盖(6)的一侧部中，而一排气通道(19)形成于另一侧部。提供了一燃料喷射阀(45)以便使得阀能够从气缸盖(6)的一侧部的外端将燃料(44)斜向下喷射至气缸筒(4)的内部。提供了一火花塞(47)，其具有一基本上沿着气缸筒(4)的轴线(3)位于气缸筒(4)中的放电部分(46)。当从上方观察气缸(2)时，由燃料喷射阀(45)喷射的燃料(44)形成一倒字母V形，而放电部分(46)位于字母的两条线之间，并且燃料(44)由燃料喷射阀(45)在一进气冲程期间喷射。根据以上结构，在内燃机(1)的轻负载条件等等之下，即使当气缸筒(4)中的空气燃料混合物具有大的总平均空燃比并且空气燃料混合物平均很贫油时，也能够更可靠地改进燃料消耗。

Description

缸内燃料喷射式内燃机
技术领域
本发明涉及一种直喷式内燃机，其中燃料从一燃料喷射阀直接喷射至一气缸筒中。
背景技术
一种上述类型的内燃机公开于专利JP-A-2000-345944中。
根据这个专利文献的内燃机具有一气缸盖、一燃料喷射阀和一火花塞，气缸盖具有一位于其一侧部中的进气通道和一位于其另一侧部中的排气通道，燃料喷射阀可从气缸盖的一侧部的外侧将燃料倾斜向下喷射至气缸筒中，而火花塞近似地位于气缸筒的轴线上并且具有一位于气缸筒中的放电部分。
当内燃机运行时，在一压缩冲程期间从燃料喷射阀喷射的燃料与活塞的上表面碰撞并且被引向放电部分，如所述专利文献中的图7和8中特别所示。换句话说，一富油空气燃料混合物层被引向放电部分以便在内燃机中实现可靠地点火。这被称作分层充气燃烧法。
当建立了分层充气燃烧时，可以按照以上所述可靠地实现点火，并且即使当气缸筒中的空气燃料混合物的平均空燃比很高时，换句话说，空气燃料混合物总体上很贫油时，例如在低负载运行过程中，可以实现更大的燃料效率。
在上述现有技术中，从燃料喷射阀喷射的燃料被引向气缸筒的轴线(中心)。这样，位于靠近气缸筒内表面的区域中的空气燃料混合物的空燃比就倾向于很高，即很贫油。因此，在火焰通过位于靠近气缸筒内表面的区域中的空气燃料混合物扩散之前，就要花费很多时间，而这可能在这个区域中产生爆震。为了避免产生爆震，压缩比不能太高。由于燃料效率降低，因此这样并不可取。
本发明鉴于以上情况而出现，因而本发明的一个目的是提供一种内燃机，其具有高压缩比，并且即使当气缸筒中的空气燃料混合物的平均空燃比很高时，换句话说，空气燃料混合物总体上很贫油时，例如在低负载运行过程中，其也在高燃料效率下运行。
发明内容
本发明提供了一种直喷式内燃机，其包括：一气缸、一气缸盖、一燃料喷射阀和一火花塞，其中气缸具有一气缸筒及一轴线；当在其中气缸筒的轴线与一垂直线重合的气缸侧视图中观察时，气缸盖具有一位于其一侧部中的进气通道和一位于其另一侧部中的排气通道；燃料喷射阀可从气缸盖的一侧部的外侧将燃料倾斜向下喷射至气缸筒中；而火花塞基本上位于气缸筒的轴线上并且具有一位于气缸筒中的放电部分，其中从燃料喷射阀喷射的燃料当在气缸的俯视图中观察时形成一放电部分位于其间的V形并且当在气缸的侧视图中观察时呈扇形形状扩散开，并且燃料喷射阀构制成用于在一进气冲程期间喷射燃料。
在以上发明中，内燃机可还包括一用于改变进气门和排气门中的至少一个的打开和关闭正时情况的可变气门正时装置和一用于改变进气门和排气门中的至少一个的升程的可变气门提升装置。或者，内燃机可包括上述装置中的至少一个。
附图说明
图1为一内燃机的局部剖视侧视图；
图2为一活塞的俯视图；以及
图3为燃料喷射阀的前视图。
具体实施方式
下文中将参照附图对本发明进行详细地描述。
在图中，参考数字1表示的是一安装于交通工具例如一摩托车或一汽车上的内燃机。内燃机1为一种平行式多气缸四冲程发动机。
内燃机1具有一由一固定构件如交通工具主体支承并且支承着一曲轴(未示出)的曲轴箱，以及从曲轴箱向上延伸的气缸2。
每个气缸2具有一气缸体5、一气缸盖6、一气缸盖罩7、一活塞8以及一连杆9，其中气缸体5具有一从曲轴箱向上延伸的气缸筒4并且具有一与一垂直线重合的轴线3，气缸盖6可拆地固定于气缸体5的上端以便关闭位于气缸筒4的上端处的开口，气缸盖罩7固定于气缸盖6的上表面上，活塞8插于气缸筒4中以便沿气缸筒4的轴向做滑动运动，而连杆9用于操作上连接着活塞8和曲轴。当活塞8处于上止点位置上时由气缸筒4的内表面、气缸盖6的下表面和活塞8的上表面10所限定的空间为一燃烧室11。
在此，在气缸2的侧视图(图1)中，一由箭头Fr指示的垂直于轴线3的水平方向指示的是内燃机的前方，并且参考的右方和左方为沿箭头Fr的方向观察所指。
如气缸2的侧视图(图1)中所示，气缸盖6具有一在其一侧(后)部中用于将气缸盖6的外部连通至燃烧室11的进气通道15。一对左右进气门16由气缸盖6所支承，它们可分别打开和关闭通往进气通道15的燃烧室11的左右开口15a。开口15a从进气通道15引出并且在气缸盖6中分支成左部和右部。每个进气门16具有一弹簧17，弹簧17用于沿一个方向弹性地推动进气门16以便从燃烧室11的侧部关闭相应的开口15a。
气缸盖6具有一在其另一侧(前)部中用于将燃烧室11连通至气缸盖6的外部的排气通道19。排气通道19具有一对通往燃烧室11的左右开口19a，并且一对左右排气门20由气缸盖6所支承，排气门20可分别打开和关闭左右开口19a。每个排气门20具有一弹簧21，弹簧21用于沿一个方向弹性地推动排气门20以便从燃烧室11的侧部关闭相应的开口19a。
内燃机1具有一气门机构23，气门机构23操作上连接于曲轴上以便在预定曲轴角处打开和关闭进气门16和排气门20。
气门机构23具有进气和排气凸轮轴26和27、轴承28和29、链条型动力传输装置30和锁定臂31和32，进气和排气凸轮轴26和27沿纵向设置并且分别具有沿侧向延伸的轴线24和25，轴承28和29用于将进气和排气凸轮轴26和27支承于气缸盖6上以便分别绕着轴线24和25转动，链条型动力传输装置30用于将进气和排气凸轮轴26和27操作上连接于曲轴上，而锁定臂31和32用于使进气和排气门16和20分别与进气和排气凸轮轴26和27接合。
当曲轴受到驱动时，进气和排气凸轮轴26和27由曲轴通过动力传输装置30转动。然后，分别通过锁定臂31和32与进气和排气凸轮轴26和27接合的进气和排气门16和20在预定曲轴角处打开和关闭。
为了提高内燃机1中的压缩比，位于气缸盖6的下表面与活塞8的上表面10之间的空间的容量很小。就是说，当活塞8处于上止点位置上时，气缸盖6的下表面与活塞8的上表面10彼此靠近。活塞8的上表面10具有浅凹槽33，当进气和排气门16和20打开和关闭时，浅凹槽33可容放着位于与其相对应的位置处的进气和排气门16和20的下端(气门元件)，以便使得进气和排气门16和20的下端不能与到达上止点位置的活塞8的上表面10形成接触。
气门机构23具有一已知类型的可变气门正时装置36，其用于改变进气门16打开和关闭的正时(曲轴角)。可变气门正时装置36具有一介于进气凸轮轴26与动力传输装置30之间的液压可变机构37，以及用于电子控制着液压可变机构37的控制装置38。当液压可变机构37由控制装置38操纵时，与进气凸轮轴26相接合的进气门16的打开和关闭正时则被提前或延迟。
气门机构23具有一已知类型的可变气门提升装置40，其用于改变进气门16的升程。可变气门提升装置40具有一用于改变进气门16与进气凸轮轴26之间的接合状态的可变机构41，以及用于电子控制着可变机构41的控制装置42。当可变机构41由控制装置42操纵时，与进气凸轮轴26相接合的进气门16的升程则被增大或减小。
提供了一燃料喷射阀45，其可从气缸盖6的一侧(后)部的外侧将燃料射流44倾斜向下喷射至气缸筒4中。燃料喷射阀45由气缸盖6支承。一火花塞47近似地位于气缸筒4的轴线3上并且带有一位于气缸筒4中的燃烧室11内的放电部分46。火花塞47也由气缸盖6支承。提供了一发动机控制装置(未示出)，用于电子控制着控制装置38和42、燃料喷射阀45以及火花塞47。
燃料喷射阀45具有一对用于喷射燃料44的左右喷射嘴49。每个喷射嘴49具有一呈垂直长矩形的开口。在气缸2的俯视图(图2)中观察时，从喷射嘴49喷射的一对燃料射流44形成一放电部分46位于其间的V形。换句话说，随着射流向下游前进，它们互相越离越远。喷射嘴49优选地具有100至200μm的宽度W。燃料射流44的中心线形成一约为35°的角度α。角度α的优选范围为30至50°。
由于如上所述，喷射嘴49的宽度W非常小，只有100至200μm，因此从喷射嘴49喷射的燃料44具有很高的喷射速度。这样，燃料44就首先被雾化并且易于点火。同样，燃料44在气缸筒4中沿一个方向朝着所需位置行进的能力也得以提高，因此燃料44能够更可靠地到达所需位置。
当在气缸2的侧视图(图1)中观察时，从燃料喷射阀45喷射的燃料射流44呈扇形形状扩散开。喷射的燃料44按照一约为75°的角度β伸展开。角度β的优选范围为60至80°。
当内燃机1运行时，进气和排气门16和20由曲轴通过气门机构23打开和关闭。然后，在根据各气门的打开和关闭情况的进气冲程期间，大气50通过进气通道15被吸入气缸筒4中并且燃料44从燃料喷射阀45被喷射至气缸筒4中以便产生一空气燃料混合物。空气燃料混合物在随着进气冲程之后的压缩冲程期间受到压缩。
然后，压缩的空气燃料混合物由火花塞47的放电部分46点火并且在燃烧室11中燃烧。由燃烧所产生的燃烧气体作为废气51通过排气通道19排出。由燃烧室11中的燃烧所产生的内燃机1的驱动力被传输至曲轴并用来驱动交通工具。
当内燃机1高速运行时，进气门16打开和关闭的正时(曲轴角)由可变气门正时装置36延迟以便增大发动机的输出。同样，进气门16的升程由可变气门提升装置40增大以便增加吸入气缸筒4中的空气50的数量。可为排气门20提供一可变气门正时装置和一气门提升装置来代替进气门16的可变气门正时装置36和可变气门提升装置40，或者除了进气门16的可变气门正时装置36和可变气门提升装置40之外，再为排气门20提供一可变气门正时装置和一气门提升装置。
现在将更详细地对内燃机1的运行进行描述。当在进气冲程期间，活塞8处于上止点位置上或者紧随活塞8开始从上止点位置下降之后，燃料喷射阀45开始将燃料44喷射至气缸筒4中的燃烧室11内(如图1和2中的实线所示)。燃料喷射阀45继续喷射燃料44一直到活塞8到达一位于上下死点位置之间的一个点为止。
如前所述，燃料喷射阀45从用于将空气50引入气缸筒4中的进气通道15的侧部将燃料44喷射至气缸筒4中，如气缸2的侧视图(图1)中所示。由于从喷射阀45喷射的燃料44不必顶着通过进气通道15流入气缸筒4中的空气50行进，因此燃料44不会被干扰并且沿其喷射方向行进而保持其形状不变。
同样，在内燃机1的进气冲程期间，从燃料喷射阀45喷射的燃料44形成一放电部分46位于其间的V形，并且活塞8从上止点位置向下运动。这样，活塞8运动的方向和燃料喷射阀45喷射燃料射流44的方向都是向下。
这样，从燃料喷射阀45喷射的燃料44就经过放电部分46的侧部并且防止与活塞8的上表面10碰撞。因此，燃料44就沿它们平稳喷射的方向行进(如图1和2中的点划线所示)。
当燃料射流44的尖端到达气缸筒4的内表面和活塞8的上表面10时，燃料44就由表面引导。然后，部分燃料44沿着气缸筒4的内表面流动并沿气缸筒4的内表面的圆周方向互相接近(如图2中的双点划线所示)。其它部分燃料44沿着气缸筒4的内表面流动并且沿着气缸筒4的内表面的圆周方向互相分开。
然后，在进气冲程和随后的压缩冲程期间，大多数喷射至气缸筒4中的燃料44聚集于靠近气缸筒4的内表面的区域中，以便使得燃料的汇集基本上沿着气缸筒4的内表面的圆周方向均匀进行。换句话说，在气缸筒4中形成了一绕着气缸筒4的轴线3呈环形的富油空气燃料混合物层52和一由富油空气燃料混合物层52包围并且位于放电部分46附近的贫油空气燃料混合物层53，如气缸2的俯视图(图2)中所示。
在压缩冲程的最后阶段，贫油空气燃料混合物层53由火花塞47的放电部分46点燃。由于贫油空气燃料混合物层53在进气冲程和压缩冲程期间跨过很大的曲轴角产生，换句话说，由于贫油空气燃料混合物层53的产生需要很长时间，因此防止了贫油空气燃料混合物层53的空燃比不能显著高于富油空气燃料混合物层52的情况。
这样，贫油空气燃料混合物层53就具有较低的空燃比并且能可靠地点火。当贫油空气燃料混合物层53点燃时，火焰立即通过包围着贫油空气燃料混合物层53并且具有比贫油空气燃料混合物层53的空燃比更低的空燃比的富油空气燃料混合物层52传播。
这样，就可以防止在富油空气燃料混合物层52中发生爆震，这与尾气相对应。因此，即使当气缸筒4中的空气燃料混合物的平均空燃比很高时，换句话说，空气燃料混合物总体上很贫油时，例如当内燃机1低负载运行时，也能够可靠地实现高燃料效率。
同样，内燃机1具有用于改变进气门16和排气门20中的至少任一个的打开和关闭正时情况的可变气门正时装置36和用于改变进气门16和排气门20中的至少任一个的升程的可变气门提升装置40。
或者，内燃机1具有装置36和40中的至少一个。
这样，当进气门16和排气门20的运动利用可变气门正时装置36或可变气门提升装置40来控制，以便使得在内燃机1正在运行的同时打开和关闭进气和排气门16和20时进气和排气门16和20的下端不能与活塞8的上表面10接触，形成于活塞8的上表面10中的凹槽33的深度可以更小并且活塞8的上表面10的形状可以更简单。
当活塞8的上表面10具有更简单并且更平的形状时，从燃料喷射阀45喷射的燃料射流44就可由活塞8的上表面10更精确地引导并且按照所需的环形形状形成富油空气燃料混合物层52。这样，就能够更可靠地防止发生爆震。相应地，压缩比可以更高并且燃料效率可以进一步提高。
此外，当凹槽33的深度可以更小时，凹槽33的容量就可以更小。这意味着在活塞8处于上止点位置上时燃烧室11的容量可以更小。这样，压缩比可以进一步增大并且燃料效率能够更可靠地提高。
如前所述，当在气缸2的侧视图(图1)中观察时，从燃料喷射阀45喷射的燃料射流44呈扇形形状扩散开。
这样，与仅形成锥形时的情况相比，从燃料喷射阀45喷射的燃料44就易于按照均匀的空燃比沿着气缸筒4的内表面的每一部分而行。
这样，富油空气燃料混合物层52就能够更可靠地形成所需的环形。因此，就能够更可靠地防止爆震的发生并且燃料效率能够更可靠地提高。
以上描述基于所示的实例进行。实际内燃机1的气缸2的轴线3可相对于垂直线倾斜。
本发明可通过组合上述组件而完成。

Claims (8)

1.一种直喷式内燃机，包括：一气缸(2)、一气缸盖(6)、一进气门(16)、一排气门(20)、一燃料喷射阀(45)和一火花塞(47)，气缸(2)具有一气缸筒(4)及一轴线(3)；当在其中气缸筒(4)的轴线(3)与一垂直线重合的气缸(2)的侧视图中观察时，气缸盖(6)具有一位于其一侧部中的进气通道(15)和一位于其另一侧部中的排气通道(19)；进气门(16)打开和关闭进气通道(15)；排气门(20)打开和关闭排气通道(19)；燃料喷射阀(45)可从气缸盖(6)的一侧部的外侧将燃料(44)倾斜向下喷射至气缸筒(4)中，并且燃料喷射阀(45)包括一对左、右喷射嘴(49)，每个喷射嘴(49)具有垂直的长矩形形状；而火花塞(47)位于气缸筒的轴线(3)上并且具有一位于气缸筒(4)中的放电部分(46)，
其中从燃料喷射阀(45)的左、右喷射嘴(49)的每个喷射的燃料(44)当在气缸(2)的俯视图中观察时形成一具有第一腿和第二腿的V形，放电部分(46)位于第一腿和第二腿之间，并且当在气缸(2)的侧视图中观察时燃料呈扇形形状扩散开，其中在俯视图中第一腿和第二腿中的每一个的角度小于喷射的燃料(44)在侧视图中观察时扩散开的角度(β)，并且其中燃料喷射阀(45)构制成用于在一进气冲程期间喷射燃料(44)。
2.根据权利要求1所述的直喷式内燃机，还包括一用于改变进气门(16)和排气门(20)中的至少一个的打开和关闭正时情况的可变气门正时装置(36)，以及一用于改变进气门(16)和排气门(20)中的至少一个的升程的可变气门提升装置(40)，或者所述可变气门正时装置(36)和所述可变气门提升装置(40)中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的直喷式内燃机，其中当在侧视图中观察时，在气缸盖(6)中，进气通道(15)相对于气缸筒(4)的轴线(3)的倾斜角小于排气通道(19)相对于气缸筒的轴线的倾斜角，并且当在侧视图中观察时，进气通道(15)在气缸筒(4)的侧部处的底表面弯曲成向上突出，并且朝向进气通道(15)的上游侧平滑地延伸。
4.根据权利要求1所述的直喷式内燃机，其中在气缸盖(6)的一个侧部的附近，进气通道(15)仅由气缸盖(6)的内表面和连接于气缸盖(6)上的进气管道的内表面所限定。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的直喷式内燃机，其中左、右喷射嘴中的每个具有的宽度(W)为100μm至200μm。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的直喷式内燃机，其中在俯视图中观察时，以V形形式喷射的燃料(44)的中心线构成的角度(α)为30°至50°。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的直喷式内燃机，其中喷射的燃料(44)当在俯视图中观察时形成一放电部分(46)位于其间的对称的V形。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的直喷式内燃机，其中当在侧视图中观察时角度(β)为60°至80°。
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