CN100439660C

CN100439660C - 燃料喷射型内燃机和设置有该内燃机的车辆

Info

Publication number: CN100439660C
Application number: CNB2006101089304A
Authority: CN
Inventors: 河部秀明; 大久保明彦; 二口顺夫
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2026-07-28
Also published as: EP1749997B1; US7047934B1; CN1916373A; EP1749997A3; EP1749997A2

Abstract

本发明公开了一种内燃机，包括：发动机主体，该发动机主体包括界定了燃烧室的气缸、面向燃烧室的进气口、和通过进气口与燃烧室连通的进气通道；设置在气缸中的活塞；打开和关闭进气口的进气门；设置在进气通道中的节气门；和喷射器，该喷射器在进气通道中的节气门与进气口之间喷射燃料。从进气通道中的节气门延伸到进气口的一部分的容积与气缸的排量的比最大约为0.61。在怠速运行期间来自喷射器的燃料喷射结束时的时间在一个进气冲程已经结束之后且下一个进气冲程开始之前的时间段内。

Description

燃料喷射型内燃机和设置有该内燃机的车辆

技术领域

本发明涉及燃料喷射型内燃机和设置有该内燃机的车辆。

背景技术

常规地，为了用三元催化剂净化排气，已经进行控制以使得内燃机的空燃比成为理论空燃比。但是，在进行这种控制的情况下，引起了如下问题，即使能够在高速旋转区域中稳定运行的发动机也易于在诸如怠速等的低速旋转区域中变得不稳定。

所期望的是，发动机即使在低速旋转区域中也能够以理论空燃比稳定地进行运行。为满足此要求，已经提出了这样的发动机，在该发动机中基于气门重叠周期来设定进气通道中节气门下游的容积Q与排量V的比(容积比)ε＝Q/V(见美国专利No.6,131,554)。但是，在某些情况下所期望的是根据发动机类型来设定参数等，而不因容积比和气门重叠周期的约束受到限制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的优选实施例提供了一种新的内燃机，该内燃机即使在低速旋转区域中也能够以理论空燃比稳定地进行运行。

根据本发明优选实施例的内燃机包括：发动机主体，所述发动机主体具有界定了燃烧室的气缸、面向所述燃烧室的进气口、以及通过所述进气口与所述燃烧室连通的进气通道；设置在所述气缸中的活塞；打开和关闭所述进气口的进气门；设置在所述进气通道中的节气门；和喷射器，所述喷射器在所述进气通道中的所述节气门与所述进气口之间喷射燃料，其中进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程以此顺序重复进行；从所述进气通道中的所述节气门延伸到所述进气口的一部分的容积与所述气缸的排量的比值最大约为0.61；并且在怠速运行期间来自所述喷射器的燃料喷射结束的正时被设定在当前的进气冲程结束之后且下一个进气冲程开始之前的时间段内。

利用根据本发明优选实施例的内燃机，由于喷射器在节气门的下游喷射燃料、进气通道在节气门下游的容积较小、以及燃料喷射结束的正时不发生在进气冲程期间的综合效应，进气通道中的燃料在进气冲程开始之前可以被充分雾化并变得均匀。由于在进气冲程期间均匀的空气燃料混合物被引入燃烧室，所以在低速旋转的区域中也可以在理论空燃比下稳定地进行运行。

从参考附图对优选实施例的以下详细说明中，本发明的其它特征、要素、特性和优点将变得清楚。

附图说明

图1是示出摩托车的侧视图；

图2是示出发动机构造的视图；

图3是示出发动机主要部件的剖视图；

图4是示出气缸盖的仰视图；

图5是沿着图4的线V-V所取的剖视图；

图6是示出用于发动机的控制设备构造的视图；

图7是示意性地示出从进气通道中的节气门延伸到进气口的一部分的视图；

图8是解释容积比与稀气极限空燃比之间关系的曲线图；

图9是示出根据修改方案的发动机的局部剖视图；

图10是沿着图9的线X-X所取的剖视图；且

图11是沿着图9的线XI-XI所取的剖视图。

具体实施方式

如图1所示，根据优选实施例的车辆优选地是例如摩托车1。但是，根据本发明的车辆不限于摩托车1。根据本发明的车辆可以是其它的跨乘式车辆或非跨乘式车辆的车辆。除所谓机动自行车之外，术语“摩托车”还包括小型摩托车等。

摩托车1包括车体2、安装到车体2上的前轮3和后轮4、以及通过驱动链条(未示出)驱动后轮4的发动机5。在本优选实施例中，发动机5优选地包括单缸四冲程内燃机。但是，发动机5在气缸的数量等上不受限制。

如图2所示，发动机5包括发动机主体10、进气通道11和排气通道12。发动机主体10包括容纳曲轴42(见图3)等的曲轴箱21、与曲轴箱21结合的气缸22、以及安装到气缸22上的气缸盖23。此外，根据本优选实施例，曲轴箱21和气缸22结合在一起形成气缸体。但是，曲轴箱21和气缸22可以分离地形成并互相组装在一起。

进气通道11包括连接到空气滤清器(未示出)的进气管15、节气门体16和形成在气缸盖23中的进气孔54。进气管15的下游端连接到节气门体16的上游端，且节气门体16的下游端连接到气缸盖23。节气门13设置在节气门体16内。喷射器14安装到气缸盖23。即，喷射器14布置在进气通道11中节气门13的下游。因此，喷射器14在节气门13与如下所述的进气口52(见图3)之间喷射燃料。

排气通道12包括形成于气缸盖23上的排气孔55、连接到气缸盖23的排气管17、设置在排气管17上的催化剂箱18、和设置在排气管17的末端处的消音器19。三元催化剂7容纳在催化剂箱18中。

如图3所示，气缸内表面31在气缸22内界定了柱状气缸室32，而活塞40容纳在气缸室32中。活塞40连接到连杆41，连杆41连接到曲轴42。水套34形成在气缸22的上表面上，即形成在与气缸盖23相对的相对表面33上。水套34布置为从气缸22的纵向(图3的竖直方向)观察时围绕气缸室32的周界。

单坡屋顶式凹部51布置在气缸盖23的下表面上，即布置在气缸盖内表面60上。但是，凹部51在形状上不受限制，而可以是例如半球形或多球形。由凹部51、气缸内表面31和活塞40的上表面界定了燃烧室44。

如图4所示，凹部51优选地包括两个进气口52和两个排气口53。进气口52优选地布置在车体2的后侧(图4中的左侧)上以布置在车体2的左右方向(图4中的竖直方向)上。排气口53优选地布置在车体2的前侧(图4中的右侧)上以布置在车体2的左右方向上。进气口52和排气口53位于从气缸轴线CL偏移的位置中，并布置为围绕气缸轴线CL。此外，进气口52具有比排气口53更大的开口面积。

如图3所示，气缸盖23形成有通过各个进气口52与燃烧室44连通的进气孔54、以及通过各个排气口53与燃烧室44连通的排气孔55。如图4所示，进气孔54接合在一起而与节气门体16连通。而且，排气孔55接合在一起而与排气管17连通。

如图3所示，气缸盖23设置有打开和关闭进气口52的进气门56、以及打开和关闭排气口53的排气门57。进气门56和排气门57分别在其中关闭进气口52和排气口53的方向上被偏压。而且，气缸盖23设置有分别周期性地打开和关闭进气门56和排气门57的摇臂58、59。但是，打开和关闭进气门56和排气门57的门操作机构不受限制。

水套61形成在气缸盖23的内表面60上。水套61设置在与气缸22中的水套34对应的位置处。垫圈62插入在气缸盖23与气缸22之间。垫圈62形成有多个孔(未示出)，这些孔在气缸盖23中的水套61与气缸22中的水套34之间提供连通。

如图5所示，进气孔54优选地包括所谓滚流孔(tumble port)。更具体地，进气孔54产生的流动通道使得通过进气口52引入到燃烧室44中的空气燃料混合物在燃烧室44中产生纵向涡流(滚流)。而且，进气孔54形成为使得空气燃料混合物在进气口52中向着气缸轴线CL漂移。这里，与排气孔55相比，进气孔54形成为在远离燃烧室44的区域(上游区域)中相对比较直，而在靠近燃烧室44的区域(下游区域)中相对比较尖锐地弯曲。

但是，本优选实施例中的进气孔54优选包括的流动通道易于在燃烧室44中产生涡流，而进气孔54在具体构造上不受限制。进气孔54可以包括在燃烧室44内形成横向涡流(即，漩涡流)的流动通道。

此外，此处“气缸轴线CL”表示除了气缸内表面31附近之外的区域，并表示相对较宽的区域。因此，例如对于图4中左上方的进气口52，此处提及的“向着气缸轴线CL漂移”不仅包括使得空气燃料混合物在图4中向右并斜向下漂移，而且还包括使得空气燃料混合物向右(向着排气口53)漂移并使得空气燃料混合物向下(向着另一个进气口52)漂移。

如图5所示，进气门56包括轴56a和设置在轴56a的末端处的伞状部分56b。此外，排气门57优选地具有与进气门56相同的构造。

如图5所示，当进气门56打开时，在气缸盖23的凹部51与进气门56(更具体地，进气门56的伞状部分56b)之间形成间隙。空气燃料混合物从进气孔54通过这些间隙流动到燃烧室44中。在间隙优选地设置在进气门56的伞状部分56b周围的情况下，间隙优选在气缸内表面31的附近最小。

在本优选实施例中，当进气门56打开时，进气门56与凹部51之间的最小间隙A变得等于或大于进气门56与气缸内表面31之间在燃烧室44的径向(即，气缸22的径向)上的间隙B(换言之，当从气缸的轴向观察时进气门56与气缸内表面31之间的间隙)。这样，根据本优选实施例，当从气缸的轴向观察时，进气门56设置在靠近气缸内表面31的位置上，而进气口52位于靠近气缸内表面31的位置处。因此，在气缸盖23的凹部51的中央区域中产生了与进气门56和进气口52靠近气缸内表面31的量对应的多余空间。此外，虽然间隙A和间隙B的值不受具体限制，但是这些值优选是例如约2mm至约5mm。间隙A和间隙B还可以是例如约3mm至约4mm。

气缸盖23设置有火花塞63。火花塞63包括塞体66、设置在塞体66的末端处的中央电极64、和侧向电极65。中央电极64和侧向电极65从气缸盖23的凹部51向着燃烧室44突出。火花塞63优选地位于从气缸轴线CL向着排气口53偏移的位置处。更具体地，火花塞64的中央电极64从气缸轴线CL向着排气口53偏移。

如上所述，进气孔52设置在靠近气缸内表面31的位置处。因此，与常规发动机相比，可以在发动机5中使得火花塞63的位置向着进气口52偏移一定的量，该量为进气口52向着气缸内表面31偏移的量。因此，可以使得火花塞63的位置接近气缸轴线CL。

火花塞从气缸轴线CL的偏移Δd优选地在气缸22的孔径D的约5％内，并尤其优选地在约3％内。孔径D可以是例如约50mm至约60mm。偏移Δd小于例如约3mm，并可以等于或小于约1.5mm。而且，偏移Δd可以是约1mm至约2mm。通过使偏移Δd较小，可以甚至在例如理论空燃比或稀气区域中的燃烧下有效地防止爆燃并使之最小。此外，偏移Δd可以是0。即，火花塞63可以布置在气缸轴线CL上。

如图6所示，检测进气通道11中温度的温度传感器72、检测进气通道11中压力的压力传感器73、和检测节气门13开度的节气门位置传感器76优选设置在发动机5的进气通道11中。此外，压力传感器73设置在节气门13的下游。O₂传感器74设置在排气通道12中。曲轴箱21设置有检测曲轴角度的曲轴角度传感器75。传感器72至76连接到发动机控制单元(ECU)70。此外，ECU 70通过点火线圈71连接到火花塞63以控制火花塞63的点火正时。而且，ECU 70还连接到喷射器14以控制喷射器14的燃料喷射正时。

对于发动机5，从进气通道11中的节气门13延伸到进气口52的该部分(具体地，如图7中的交叉阴影线所指示的，从处于最小开度位置的节气门13的门片13a的下游外表面到处于关闭状态的进气门56的伞状部分56b的上表面的部分)的容积Q与气缸的排量V(孔径D ×活塞40的行程)的容积比ε＝ Q/V优选地设定为最大约0.61。

本申请的发明人已经进行了实验和模拟来检验容积比ε与稀气极限空燃比AF₀之间的关系。此外，稀气极限空燃比表示最高(即，燃料最稀薄)的空燃比，其中稳定的怠速运行是可能的。表1指出了该结果。图8示出了表示容积比ε与稀气极限空燃比AF₀之间关系的特性曲线(具体地，直线)，该曲线是基于实验以及模拟的结果发现的。此外，在实验和模拟中，容积Q为约51.5cc至约81.6cc。

表1

从图8可以看出，容积比ε越小，在怠速运行期间的稀气极限空燃比AF₀越大，且当稀气极限空燃比AF₀为14.7(理论空燃比)时，容积比ε为0.61。因此，通过使容积比ε最大为约0.61，可以稳定地进行理论空燃比状态下的怠速运行。此外，当使容积比ε最大为约0.51时，稀气极限空燃比AF₀成为约15.7或更大，因此可以在有余量的情况下进行理论空燃比状态下的运行。

对于发动机5，通过气缸22中活塞40的往复移动，进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程以此顺序重复进行。这里，本申请的发明人已经注意到，当喷射器14的燃料喷射正时在怠速运行期间改变时，稀气极限空燃比也改变。

表2指出了由本申请的发明人进行的实验结果。表2表示燃料喷射正时(具体地，燃料喷射结束的正时)与稀气极限空燃比之间的关系。此外，该表中的曲轴角度假定以活塞40位于排气的上止点时为基准值(曲轴角度＝0)。

表2

从表2可以看出，在燃料喷射正时在进气冲程期间不发生，即在压缩冲程、膨胀冲程或排气冲程期间发生的情况下，与在进气冲程期间喷射燃料的情况相比，稀气极限空燃比增大。此原因根据下述方式来考虑。

当进气门56打开时，从喷射器14喷射的燃料通过进气口52流动到燃烧室44中。因此，当进气门56关闭时从喷射器14喷射的燃料保留在进气通道11中，直到进气门56打开。对于发动机5，喷射器14设置在节气门13的下游，如上所述容积比ε最大为约0.61，且进气通道11的位于节气门13下游的区域容积较小。因此，在进气门56打开时喷射燃料的情况下，燃料立刻流动到燃烧室44中，而在进气门56关闭时喷射燃料的情况下，燃料被充分雾化并均匀地散布在进气通道11的位于节气门13下游的区域中，直到进气门56打开。因此，当随后进气门56打开时，充分雾化并均匀的空气燃料混合物被引入到燃烧室44中。因此，可以认为稀气极限空燃比增大。

此外，对于发动机5，进气通道11的位于节气门13下游的区域容积较小，因此在进气门56关闭之后直到该区域中的压力恢复到大气压的时间段相对较短。因此，难以使内部EGR发生。这也被认为是使稀气极限空燃比增大的原因之一。

对于发动机5，基于实验的结果，ECU 70在怠速运行时在当前的进气冲程结束之后和下一个进气冲程开始之前的时间段中使得从喷射器14喷射燃料。即，在怠速运行期间燃料喷射正时(具体地，燃料喷射结束的正时)被设定为在压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程中的任一个期间发生。

而且，ECU 70还控制节气门13或喷射器14，使得不仅在行驶期间而且在怠速运行期间，空燃比都达到约14.7(理论空燃比)。例如，ECU 70调节进气量或燃料喷射量以由此将怠速运行时的空燃比控制为约14.2到约15.2。这样，通过使空燃比基本等于理论空燃比，可以在怠速运行时也有效地利用排气通道12中的三元催化剂7。

如上所述，对于发动机5，因为喷射器14设置在节气门13的下游，从进气通道11中的节气门13延伸到进气口52的该部分的容积Q与气缸22的排量V的比ε＝Q/V为最大约0.61，且将喷射器14的燃料喷射正时设定为在除进气冲程之外的时间发生，所以可以将充分雾化且均匀的空气燃料混合物供应到燃烧室44中。因此，即使诸如怠速运行之类的低速旋转的区域中的运行也能以理论空燃比稳定地进行。

而且，对于发动机5，火花塞63布置在气缸轴线CL的附近，从而可以防止燃烧室44中燃烧火焰的传播距离的分散，并实现防爆性的提高。因此，可以进一步稳定理论空燃比下的运行。此外，对于发动机5，将充分雾化和均匀的空气燃料混合物引入燃烧室44中，因此即使当火花塞63从气缸轴线CL的偏移较小时，也不会实际引起任何问题。

而且，对于发动机5，进气孔54优选地包括滚流孔，并在燃烧室44内形成涡流。因此，可以加速燃烧室44中的燃烧以在理论空燃比下稳定地进行运行。而且，相对简单的构造使得可以在不增加部件数量的情况下在燃烧室44中形成涡流。

如上所述，对于发动机5，当进气门56打开时，进气门56与气缸盖23的凹部51之间的最小间隙A变得等于或大于进气门56与气缸内表面31在气缸22的径向上的间隙B。因此，对于发动机5，进气口52定位为靠近气缸内表面31，从而可以确保气缸轴线CL附近的多余空间。因此，容易将火花塞63布置在气缸轴线CL的附近。

但是，对于根据本优选实施例的发动机5，当进气口56打开时，间隙A可以变得比间隙B更小。间隙A与间隙B之间的关系不受限制。

对于发动机5，火花塞63的位置从气缸轴线CL偏移并特别向着排气口53偏移。因此，与火花塞63向着进气口52偏移的情况相比，进气口52在开口面积上可以增大。但是，根据进气口52和排气口53的数量和布置，即使当火花塞63向着进气口52偏移时，也可以在某些情况下充分确保进气口52的开口面积。在这种情况下，火花塞63可以向着进气口52偏移。

如上所述，在本优选实施例中，进气孔54优选地包括滚流孔。但是，进气孔54可以是其它类型，它使得空气燃料混合物向着气缸轴线CL漂移并在燃烧室44中产生涡流。进气孔54可以包括漩涡孔以在燃烧室44内产生横向涡流。例如，进气孔54可以包括这样的孔，这些孔使得空气燃料混合物在与燃烧室44的气缸内表面31相切的方向上引入。

而且，不要求涡流产生机构仅由进气孔54构成。涡流产生机构在具体构造上不受限制。例如，涡流产生机构可以包括在进气孔54中部分地堵塞流动通道的闭合构件(例如，突起等)。

而且，涡流产生机构可以包括阀门，例如在进气孔54中部分地堵塞流动通道的阀门。涡流产生机构可以包括例如美国专利No.5,359,972的说明书和附图中描述的控制阀或节气门。美国专利No.5,359,972的说明书和附图在此引用作为参考。

此后，将参考图9至11描述包括产生涡流的阀门的另一个优选实施例。如图9所示，根据此优选实施例，另一个节气门体101设置在气缸盖23与节气门体16之间。气缸盖23形成有在垂直于或基本垂直于进气孔54的方向上延伸的孔102。改变进气孔54的流动通道面积的控制阀103可转动地布置在孔102中。在控制阀103的末端设置连接件105，驱动线缆等连接到该控制阀。控制阀103从驱动线缆等接收驱动力以进行转动，从而改变进气孔54的流动通道面积。

如图10所示，凹部104形成在控制阀103的布置在进气孔54中的那些部分上。当控制阀103转动时，凹部104的位置改变，因此进气孔54的流动通道面积改变。例如，当控制阀103转动到部分地关闭进气孔54的下流动通道部分时，仅进气孔的上部打开，导致流动通道面积的减小。从而，在燃烧室44中易于形成滚流。

如图9所示，节气门体101设置有节气门110。节气门110包括延伸通过节气门体101的门轴112、螺栓紧固到门轴112的门片113、和设置在门轴112的末端处的连接件114。驱动线缆等连接到连接件114，而且节气门体101从驱动线缆等接收驱动力以转动。

如图11所示，门片113的与进气孔54之一对应的一部分形成有凹口115。因此，当节气门110转动时，在两个进气孔54都打开的打开状态和一个进气孔54打开而另一个关闭的关闭状态(图11所示的状态)之间进行切换。在关闭状态下，空气燃料混合物仅通过进气口52之一流动到燃烧室44中，因此在燃烧室44中形成漩涡流。

此外，根据本优选实施例，控制阀103和节气门110可以在燃烧室44中单独产生滚流或漩涡流，并还可以产生其中滚流和漩涡流互相混合的涡流。

根据本优选实施例，进气口52和排气口53分别优选地布置为2乘2。但是，进气口52和排气口53在数量和布置上不受限制。而且，进气口52和排气口53可以在数量上互相不同。类似地，进气门56和排气门57在数量和布置上也不受限制。

本发明不限于上述优选实施例，而可以进行各种变化和修改而不偏离本发明的范围。现在公开的优选实施例因此在所有方面都应该被认为是解释性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而非前述说明来表示，且落在权利要求的等同方案的含义和范围内的所有改变都将包括在内。

Claims

1.一种内燃机，包括：

发动机主体，所述发动机主体包括界定了燃烧室的气缸、面向所述燃烧室的进气口、以及通过所述进气口与所述燃烧室连通的进气通道；

设置在所述气缸中的活塞；

打开和关闭所述进气口的进气门；

设置在所述进气通道中的节气门；和

喷射器，所述喷射器布置为在所述进气通道中的所述节气门与所述进气口之间喷射燃料，其中进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程以此顺序重复进行；其中

从所述进气通道中的所述节气门延伸到所述进气口的这一部分的容积与所述气缸的排量的比值最大约为0.61；且

在怠速运行期间来自所述喷射器的燃料喷射结束时的时间在进气冲程结束之后且后继的进气冲程开始之前的时间段内。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述比值最大约为0.51。

3.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机还包括火花塞，所述火花塞的轴线布置在距所述气缸的轴线在所述气缸的孔径的约5％的距离内的位置处。

4.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述发动机主体包括涡流产生机构，所述涡流产生机构使得通过所述进气通道流动到所述燃烧室中的进气在所述燃烧室中产生涡流。

5.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述发动机主体包括进气孔，所述进气孔界定了所述进气通道的至少一部分并在所述燃烧室中产生涡流。

6.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述发动机主体包括滚流孔，所述滚流孔界定了所述进气通道的至少一部分并在所述燃烧室中产生纵向涡流。

7.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，在所述怠速运行期间来自所述喷射器的燃料喷射结束时的所述时间发生在所述排气冲程期间。

8.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，在所述怠速运行期间来自所述喷射器的燃料喷射结束时的所述时间发生在所述膨胀冲程期间。

9.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，在所述怠速运行期间来自所述喷射器的燃料喷射结束时的所述时间发生在所述压缩冲程期间。

10.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，在所述怠速运行期间的空燃比是约14.2到约15.2。

11.一种车辆，包括：

车体；

安装到所述车体的车轮；和

驱动所述车轮的内燃机，其中所述内燃机包括：

设置在所述气缸中的活塞；

打开和关闭所述进气口的进气门；

设置在所述进气通道中的节气门；和