CN101099031A - 缸内喷射型火花点火式内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种缸内喷射型火花点火式内燃机，其中，在活塞(6)的顶面上设置有底面(32)向排气侧朝下方倾斜、并具有从中央部起向吸气侧的壁面隆起的凸部(32a)的凹腔(30)，利用该凹腔，将从喷射器(12)喷射、穿过火花塞(14)的电极部(14a)附近后的燃料喷雾(15)作为混合气(15a)再次引向火花塞的电极部附近。

Description

缸内喷射型火花点火式内燃机
技术领域
本发明涉及一种缸内喷射型火花点火式内燃机，尤其涉及混合气的形成方法。
背景技术
在向燃烧室内直接喷射燃料的缸内喷射型火花点火式内燃机中，已知有所谓的喷雾引导方式的技术：将喷射器配设在燃烧室上壁的中央部，并将火花塞以电极部位于燃料喷射区域或燃料喷射区域附近的形态配设，对从喷射器喷射的燃料一部分气化形成的燃料喷雾直接点火，从而进行分层燃烧。
在这种喷雾引导方式的分层稀薄燃烧中，由于在燃料喷射期间进行点火，因此燃烧在进行燃料喷射的压缩行程中开始。这样，若燃烧在燃料喷射中或刚喷射后开始，则会在燃料喷雾内局部地形成过浓的混合气，从而此处的燃烧变为高温，NOx的生成量增加。
另外，在喷雾引导方式中，燃料喷雾以从火花塞离开的形态前进，由火花塞点燃后的火焰以跟着燃料喷雾的形态传播而向燃烧室内扩散，因此燃烧较为缓慢。这样，若燃烧缓慢，则EGR(废气再循环)气体导入量的许用极限降低，从而很难使NOx减少。
另外，若燃烧缓慢，则存在燃料进行气化、混合气过于扩散时火焰跟不上而熄灭，从而产生未燃烧HC的问题。
另外，尤其是在低负载时的分层燃烧中，燃料喷射量少，因此喷射期间也短，在喷雾引导方式中可点火的时间局限于较短的期间。因此，在低负载时，稳定燃烧区域狭窄，存在燃烧的稳定性不足的问题。
因此，在这种缸内喷射型火花点火式内燃机中，为了形成稳定的分层燃烧，开发了下述技术：利用在活塞顶面上形成的凹腔使从吸气口流入的吸入空气作为翻转流上升、使燃料向该翻转流的上升侧喷射(参照日本专利特开平11-210472号公报)。
然而，在上述公报公开的技术中，由吸入空气形成的翻转流的流动势头较弱，实际上很难利用该翻转流来引导燃料喷雾以使分层燃烧稳定。
发明的公开
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种可充分提高分层燃烧的稳定性、且可减少NOx和HC的生成的缸内喷射型火花点火式内燃机。
为了实现上述目的，在本发明的缸内喷射型火花点火式内燃机中，包括：由气缸盖的下表面、气缸及活塞的上表面形成的燃烧室；凹陷设置在所述活塞的顶面上、底面从一个边缘部起向另一个边缘部朝下方倾斜、且在该底面的周缘上形成有向上方倾斜的壁面的凹腔；设在所述气缸盖下表面的所述一个边缘部侧、向所述燃烧室内直接喷射燃料的喷射器；以及设在所述气缸盖下表面的所述另一个边缘部侧、电极部位于从所述喷射器喷射的燃料喷射区域中或该燃料喷射区域附近的火花塞。
由此，从喷射器喷射的燃料穿过火花塞的电极部附近而进入凹腔内，在因凹腔底面的倾斜而引向火花塞侧的壁面后，沿着该壁面向上方卷起，再次集中到电极部周围。
由此，从喷射器喷射的燃料不仅在燃料喷射中、在燃料喷射后也作为进行了气化的混合气存在于火花塞的附近，因此实现分层燃烧的点火时间的范围扩大很多，从而即使在低负载状态、燃料喷射量少、燃料喷射期间短时，也可提高燃烧的稳定性。
另外，若在燃料喷射中进行点火，则火焰跟着燃料喷雾传播，另一方面，燃料喷雾的前端被凹腔卷起、作为进行了气化的混合气而朝着所述火焰而来，因此燃烧变得急速，可提高EGR气体导入量的许用极限，可通过导入大量的EGR气体来减少NOx。
另外，在燃料喷射后对被凹腔卷起、集中到电极部周围的混合气进行点火时，燃烧可在上死点附近产生，因此热效率提高，可有效地产生转矩。
此时，最好所述喷射器以朝着所述火花塞的电极部侧及所述凹腔喷射燃料的形态定向，另外，最好使从所述喷射器喷射的燃料向所述火花塞侧偏倚。
另外，最好所述喷射器构成为使从该喷射器喷射的燃料引入所述凹腔并向所述火花塞供给。
由此，从喷射器喷射的燃料容易穿过火花塞的电极部附近，且容易被凹腔引向火花塞的电极部周围，因此混合气可良好地引向火花塞的电极部周围。
另外，在燃料喷射后混合气朝着所述火焰而来，并使从喷射器喷射的燃料向火花塞侧偏倚，因此尤其是在低负载时，可防止混合气过于扩散，从而抑制未燃烧HC的生成。
另外，最好所述喷射器设置在形成所述燃烧室的所述气缸盖下表面的大致中央部上，所述火花塞在所述燃烧室的所述气缸盖下表面的大致中央部上与所述喷射器相邻地设置。
另外，最好从所述底面的中央部起向所述一个边缘部形成比周围隆起的凸部。
由此，从凹腔底面的中央部起向喷射器的配设侧设置有凸部，在底面的周缘上形成有倾斜的壁面，因此燃料喷雾在因所述凸部而靠近底面周缘的状态下沿着壁面作为混合气向斜上方卷起，从而可抑制混合气的中央部分进而是火花塞的电极部附近的混合气变得过浓，可防止电极部熏黑。
另外，最好所述凸部形成为使该凸部以外的所述底面的凹部分俯视呈大致U字形状。
由此，可使利用凹腔卷起的混合气的形状最佳，可防止电极部的熏黑，并可充分提高分层燃烧的稳定性。
另外，最好所述凹腔的开口面积朝着所述火花塞侧变窄。
由此，燃料更容易引向火花塞的电极部周围，可将混合气更好地引向火花塞的电极部周围。
附图说明
图1是本发明的缸内喷射型火花点火式内燃机的燃烧室的纵剖视图。
图2是沿图1的A-A线的剖视图。
图3是图1的活塞的俯视图。
图4是表示本发明的缸内喷射型火花点火式内燃机在燃料喷射中的燃料喷雾状态的燃烧室的剖视图。
图5是沿图4的B-B线的剖视图。
图6是表示本发明的缸内喷射型火花点火式内燃机在燃料喷射后燃料进行了气化的混合气状态的燃烧室的剖视图。
图7是沿图6的C-C线的剖视图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施形态进行说明。
图1表示的是本发明的缸内喷射型火花点火式内燃机的燃烧室的纵剖视图，图2表示的是沿图1的A-A线的剖视图，图3表示的是图1的活塞的俯视图。下面参照图1～图3进行说明。
如图1所示，燃烧室1由在气缸体2上形成的圆筒状的气缸4、可上下自由滑动地嵌合插入在该气缸4中的活塞6的顶面、以及载放在气缸体2上的气缸盖8的下表面包围而形成。
形成燃烧室1的上壁的气缸盖8的下表面呈两个斜面10a、10b钝角相向的所谓的单坡屋顶形状。
另外，在燃烧室1的上壁的中央部，在一侧的斜面10a上设置有喷射器12，在另一侧的斜面10b上设置有火花塞14。
喷射器12以朝着比正下方稍靠火花塞14的电极部14a侧喷射燃料的形态定向地配设。另外，喷射器12构成为从该喷射器12喷射的燃料向火花塞14侧偏倚。
火花塞14也以朝着比正下方稍靠喷射器12侧放电的形态定向。另外，火花塞14以电极部14a位于从喷射器12喷射的燃料的喷射区域、即燃料喷雾15中或其附近的形态配设。
另外，在一侧的斜面10a上，位于喷射器12两侧地分别设置有两个吸气阀16a、16b，在另一侧的斜面10b上，位于火花塞14两侧地分别设置有两个排气阀18a、18b。
这些吸气阀16a、16b及排气阀18a、18b通过上下滑动来进行分别在气缸盖8内形成的吸气口20及排气口22与燃烧室1的连通和隔断。
下面，在燃烧室1中将包含喷射器12的前端和火花塞14的前端在内的平面作为平面P、将设有喷射器12和吸气阀16a、16b的斜面10a侧作为吸气侧、将设有火花塞14和排气阀18a、18b的斜面10b侧作为排气侧进行说明。
在形成燃烧室1的底面的活塞6的顶面上形成有凹腔30。
该凹腔30呈由底面32和壁面34构成的凹陷形状。
具体地，凹腔30的底面32整体向排气侧朝着下方倾斜。另外，在底面32上形成有凸部32a，该凸部32a从该底面32的中央部起沿着平面P一直延伸到吸气侧的壁面34并比周围隆起。由此，以包围该凸部32a的形态形成有凹部32b，该凹部32b俯视呈大致U字形状。
另外，如图3所示，在所述凹腔30中，周缘越朝排气侧越靠近平面P，即开口面积越朝排气侧变得越狭窄。
另外，凹腔30的壁面34呈从底面32的周缘起平滑地向上方倾斜的形状。
下面对这样构成的本发明的缸内喷射型火花点火式内燃机的作用进行说明。
图4是表示本发明的缸内喷射型火花点火式内燃机在燃料喷射中的燃料喷雾状态的燃烧室的剖视图，图5是沿图4的B-B线的剖视图，图6与图4同样，用剖视图来表示本发明的缸内喷射型火花点火式内燃机在燃料喷射后燃料进行了气化的混合气状态，图7是沿图6的C-C线的剖视图，下面参照图4～图7进行说明。
如图4、图5所示，在活塞6处于压缩行程后半时，燃料从喷射器12的前端向火花塞14侧偏倚地喷射。另外，喷射的燃料成为燃料喷雾15，穿过火花塞14的电极部14a的附近，主要进入活塞6顶面的凹腔30内的排气侧。在此，来自喷射器12的燃料喷射形成的燃料喷雾15的形状最好为中空状，例如为中空的锥状，但并不局限于此。
由于凹腔30的底面32向排气侧朝下方倾斜，且进入凹腔30内的燃料喷雾15向火花塞14侧偏倚，因此若该燃料喷雾15与凹腔30的底面32相撞，则会被良好地引向排气侧而进行气化。另外，若燃料喷雾15与在底面32上形成的凸部32a相撞，则会向该凸部32a的两侧或排气侧分散。
另外，如图6、图7所示，燃料喷雾15沿着底面32的形状被引导、朝向排气侧的壁面34，并沿着壁面34被朝上方引导，且伴随引导而进行气化，作为混合气15a从凹腔30内脱离。
这样，脱离了凹腔30内的混合气15a以包围火花塞14的电极部14a周围的形态卷起。由此，在电极部14a的周围存在较浓的混合气。
在实际中，燃料喷雾15为中空状态，并被凹腔30的底面32的凸部32a向两侧分散，靠近底面32的周缘，在燃烧室1中卷起，因此形成的混合气15a在中央部分燃料变少。由此，在电极部14a部分，混合气15a不会成为过浓状态。
若像上面那样从喷射器12喷射燃料，则作为点火时间，可考虑下述两种情况：对如图4、图5所示的燃烧喷射中的燃料喷雾15进行直接点火的所谓的喷雾引导方式；以及对如图6、图7所示的从凹腔30脱离而集中到电极部14a周围的混合气15a点火的所谓的壁引导方式。
例如，在喷雾引导方式中，在燃料喷射中的后半进行点火。若这样，则火焰从燃料喷雾15的后端侧跟着燃料喷雾15地传播，另一方面，燃料喷雾15的前端侧被凹腔30引导，成为混合气15a，再次集中到电极部14a周围，从而混合气15a与传播来的火焰相撞，燃烧变得急速。
这样，若燃烧变得急速，则EGR气体的导入量的许用极限变高，通过导入大量的EGR气体，可减少NOx。
另外，除了混合气15a与传播来的火焰相撞之外，在此还使燃料喷雾15向火花塞14侧偏倚，因此尤其在低负载时，可防止混合气过于扩散，可抑制未燃烧HC的生成。
另一方面，在壁引导方式中，对在燃料喷射后集中到电极部14a周围的混合气15a进行点火。若这样，则可使燃烧在上死点附近产生，可有效地产生转矩。
另外，此时，通过在凹腔30的底面32上形成的凸部32a的上述作用，电极部14a部分的混合气15a不会成为过浓状态，因此可避免电极部14a的熏黑。
另外，即使在喷雾引导方式下无法点燃时、或在喷雾引导方式下点燃后火焰传播在途中中断时，也可在之后用壁引导方式点火并结束燃烧。
即，在本发明的缸内喷射型火花点火式内燃机中，点火时间不仅可以是燃料喷射中，也可以是燃料喷射后，因此例如可进行喷雾引导方式和壁引导方式两次点火，可检测喷雾引导方式下的熄火，在检测到该熄火时进行壁引导方式下的点火。由此，除了上述NOx的减少和未燃烧HC的抑制等各效果之外，还可扩大稳定燃烧区域，例如，即使在内燃机在低负载状态下、燃料喷射量少、燃料喷射期间短时，也可提高分层燃烧的稳定性。
对本发明的缸内喷射型火花点火式内燃机的实施形态的说明到此为止，但实施形态并不局限于上述实施形态。
例如，在上述实施形态中，凹腔30的凹部32b俯视呈大致U字形状，但只要是使燃料喷雾15朝着火花塞14侧、且能分散混合气15a以使混合气不在中央部分变得过浓的形状即可。
另外，在上述实施形态中，燃烧室1上壁的形状为单坡屋顶形状，但并不局限于此，也可以是其它形状的上壁。
另外，在上述实施形态中，活塞6的顶面例如为平坦形状，但并不局限于此，例如，也可对应燃烧室1上壁的单坡屋顶形状用圆锥状的锥面等来构成活塞6的周缘。
另外，在上述实施形态中，在喷射器12的两侧设置吸气阀16a、16b，在火花塞14的两侧设置排气阀18a、18b，但并不局限于该结构，例如，也可夹着平面P，在一侧设置吸气阀16a、16b，在另一侧设置排气阀18a、18b。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种缸内喷射型火花点火式内燃机，其特征在于，包括：
燃烧室，由气缸盖的下表面、气缸及活塞的上表面形成；
凹腔，凹陷设置在所述活塞的顶面上，底面从一个边缘部起向另一个边缘部朝下方倾斜，且在该底面的周缘上形成有向上方倾斜的壁面；
喷射器，设在所述气缸盖下表面的所述一个边缘部侧，向所述燃烧室内直接喷射燃料；以及
火花塞，设在所述气缸盖下表面的所述另一个边缘部侧，电极部位于从所述喷射器喷射的燃料喷射区域中或该燃料喷射区域附近，
从所述底面的中央部起向所述一个边缘部形成有比周围隆起的凸部。
2.如权利要求1所述的缸内喷射型火花点火式内燃机，其特征在于，所述喷射器以朝着所述火花塞的电极部侧及所述凹腔喷射燃料的形态定向，且使从所述喷射器喷射的燃料向所述火花塞侧偏倚。
3.如权利要求2所述的缸内喷射型火花点火式内燃机，其特征在于，所述喷射器构成为使从该喷射器喷射的燃料引入所述凹腔并向所述火花塞供给。
4.如权利要求1～3中任一项所述的缸内喷射型火花点火式内燃机，其特征在于，所述喷射器设置在形成所述燃烧室的所述气缸盖下表面的大致中央部上，所述火花塞在所述燃烧室的所述气缸盖下表面的大致中央部上与所述喷射器相邻地设置。
5.如权利要求1所述的缸内喷射型火花点火式内燃机，其特征在于，所述凸部形成为使该凸部以外的所述底面的凹部分俯视呈大致U字形状。
6.如权利要求1或5所述的缸内喷射型火花点火式内燃机，其特征在于，所述凹腔的开口面积从所述喷射器侧朝着所述火花塞侧变窄。

Claims (7)

1.一种缸内喷射型火花点火式内燃机，其特征在于，包括：
燃烧室，由气缸盖的下表面、气缸及活塞的上表面形成；
凹腔，凹陷设置在所述活塞的顶面上，底面从一个边缘部起向另一个边缘部朝下方倾斜，且在该底面的周缘上形成有向上方倾斜的壁面；
喷射器，设在所述气缸盖下表面的所述一个边缘部侧，向所述燃烧室内直接喷射燃料；以及
火花塞，设在所述气缸盖下表面的所述另一个边缘部侧，电极部位于从所述喷射器喷射的燃料喷射区域中或该燃料喷射区域附近。
2.如权利要求1所述的缸内喷射型火花点火式内燃机，其特征在于，所述喷射器以朝着所述火花塞的电极部侧及所述凹腔喷射燃料的形态定向，且使从所述喷射器喷射的燃料向所述火花塞侧偏倚。
3.如权利要求2所述的缸内喷射型火花点火式内燃机，其特征在于，所述喷射器构成为使从该喷射器喷射的燃料引入所述凹腔并向所述火花塞供给。
4.如权利要求1～3中任一项所述的缸内喷射型火花点火式内燃机，其特征在于，所述喷射器设置在形成所述燃烧室的所述气缸盖下表面的大致中央部上，所述火花塞在所述燃烧室的所述气缸盖下表面的大致中央部上与所述喷射器相邻地设置。
5.如权利要求1所述的缸内喷射型火花点火式内燃机，其特征在于，从所述底面的中央部起向所述一个边缘部形成有比周围隆起的凸部。
6.如权利要求5所述的缸内喷射型火花点火式内燃机，其特征在于，所述凸部形成为使该凸部以外的所述底面的凹部分俯视呈大致U字形状。
7.如权利要求1、5及6中任一项所述的缸内喷射型火花点火式内燃机，其特征在于，所述凹腔的开口面积从所述底面的中央部起朝着所述另一个边缘部变窄。
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