CN101107432A - 缸内喷射式火花点火内燃机 - Google Patents

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Abstract

在实施较稀薄的空燃比下的均质燃烧时，利用在进气行程末期由燃料喷射阀向气缸筒的排气门侧喷射的燃料，加强以在气缸筒内的排气门侧下降而在气缸筒内的进气门侧上升的方式在气缸内旋转的滚动气流。

Description

缸内喷射式火花点火内燃机
技术领域
本发明涉及缸内喷射式火花点火内燃机。
背景技术
在气缸内形成均质混合气、使该均质混合气在压缩行程末期的点火时间着火燃烧的均质燃烧中，如果利用向气缸内提供的进气在气缸内形成滚动气流，通过使该滚动气流持续到压缩行程末期的点火时间，从而在点火时间，在气缸内存在由滚动气流形成的紊流，利用该紊流提高均质混合气的燃烧速度，就可以实现良好的均质燃烧。
因此提出了缸内喷射式火花点火内燃机的方案，即，为了使滚动气流持续到压缩行程末期的点火时间，在进气口内配置进气流控制阀，由该进气流控制阀使进气沿着进气口上壁向气缸内供给，由此在气缸内形成较强的滚动气流(例如，参照特开2005-180247，特开2004-190548，以及特开2002-227651)。
在所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，当由进气流控制阀使进气沿着进气口上壁向气缸内供给时，进气口便被进气流控制阀缩小。由此，在所需进气量较少时，可以在气缸内形成较强的滚动气流，这基本没有问题，但是在所需进气量较多时，一旦由进气流控制阀缩小进气口，就会发生进气不足，因此便不能通过进气流控制阀在气缸内形成较强的滚动气流。
在使均质混合气的空燃比比理论空燃比稀薄的均质燃烧中，所需进气量较多，这时，如果不能在气缸内形成较强的滚动气流，燃烧速度变得非常缓慢，从而便很难得到所需的内燃机输出。
另外，即便均质混合气的空燃比是理论空燃比或是浓空燃比，也希望利用气缸内的紊流提高燃烧速度，如果不用设置进气流控制阀就可以在气缸内形成用于提高燃烧速度的较强的滚动气流，就能够防止内燃机进气系统复杂化。
发明内容
因而，本发明的目的在于提供当实施比理论空燃比稀的空燃比下的均质燃烧时，可以在气缸内形成持续到点火时间的较强的滚动气流的缸内喷射式火花点火内燃机，另外，提供不需要进气流控制阀而能够在气缸内形成较强的滚动气流的缸内喷射式火花点火内燃机。
本发明的第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，具备配置在气缸上部大致中心的燃料喷射阀和配置在气缸上部的火花塞，当实施比理论空燃比稀的空燃比下的均质燃烧时，利用在进气行程末期由所述燃料喷射阀向气缸筒的排气门侧喷射的燃料，加强以在气缸筒内的排气门侧下降而在气缸筒内的进气门侧上升的方式在气缸内旋转的滚动气流。
本发明的第2项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，所述火花塞配置在比所述燃料喷射阀靠近进气门侧。
本发明的第3项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，所述燃料喷射阀，向平行于和所述滚动气流平行地通过气缸中心轴线的纵平面、且位于两个进气门之间的空间内喷射燃料。
本发明的第4项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，所述火花塞配置成所述火花塞的板状电极的宽度方向与所述滚动气流大致平行。
本发明的第5项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，点火时间的所述滚动气流的强度越强，越增大所述火花塞的点火能量。
本发明的第6项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，所述燃料喷射阀将所需燃料量分成多次喷射。
本发明的第7项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，在活塞的顶面上，设有使沿着活塞顶面行进的所述滚动气流以在气缸筒内的进气门侧上升的方式偏转的突起部。
本发明的第8项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，在活塞的顶面上，形成有用于抑制所述滚动气流的衰减的凹槽。
本发明的第9项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第8项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，所述火花塞配置在比所述燃料喷射阀靠近排气门侧，所述凹槽向活塞顶面的排气门侧偏移，在点火时间，所述火花塞的点火间隙位于所述凹槽的中心轴线的附近。
本发明的第10项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第8项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，所述凹槽，以抑制经由两个进气门在气缸内分别形成的两个所述滚动气流的衰减的方式分别与所述滚动气流相对应地形成，在活塞顶面的两个所述凹槽之间形成隆起部，以点火间隙与所述隆起部的顶面相对的方式配置所述火花塞，利用在进气行程末期由一个或多个所述燃料喷射阀向气缸筒的排气门侧喷射的燃料，分别加强以在气缸筒内的排气门侧下降而在气缸筒内的进气门侧上升的方式在气缸内旋转的两个所述滚动气流。
本发明的第11项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第8项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，在活塞顶面的所述凹槽的两侧形成隆起部，两个所述火花塞配置成点火间隙与两个所述隆起部的各自的顶面相对。
本发明的第12项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，具备配置在气缸上部大致中心的燃料喷射阀和配置在气缸上部的火花塞，为了利用在进气行程末期由所述燃料喷射阀向气缸筒的排气门侧喷射的燃料，来加强以在气缸筒内的排气门侧下降而在气缸筒内的进气门侧上升的方式在气缸内旋转的滚动气流，使喷射燃料的大部分朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁的下侧1/5的部分。
本发明的第13项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第12项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，所述燃料喷射阀具有部分圆弧形状的狭缝喷孔，从所述燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，是相对于平行于所述滚动气流的旋转方向的气缸中心垂直面大致对称、并且向气缸筒的内侧方向弯曲的部分圆弧形状。
本发明的第14项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第13项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，所述部分圆弧形状是半圆弧形状。
本发明的第15项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第12项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，所述燃料喷射阀具有折线形状的狭缝喷孔，从所述燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，是相对于平行于所述滚动气流的旋转方向的气缸中心垂直面大致对称、并且在气缸筒的内侧方向上具有小于180°的夹角的折线形状。
本发明的第16项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第12项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，所述燃料喷射阀具有多个圆孔喷孔，从所述燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，是相对于平行于所述滚动气流的旋转方向的气缸中心垂直面大致对称、并且排列成向气缸筒的内侧方向弯曲的部分圆弧状的多个大致圆形状。
本发明的第17项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第12项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，所述燃料喷射阀具有多个圆孔喷孔，从所述燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，是相对于平行于所述滚动气流的旋转方向的气缸中心垂直面大致对称、并且排列成朝气缸筒的内侧方向具有小于180°的夹角的折线状的多个大致圆形状。
本发明的第18项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第12项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，从所述燃料喷射阀喷射的燃料，具有从喷射开始1ms之后的燃料前端距离所述燃料喷射阀的喷孔达到大于等于60mm的穿透力，从喷射开始2ms之后，在距离所述燃料喷射阀的喷孔60mm的位置处的索特平均直径为小于等于15μm。
本发明的第19项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在第18项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，从所述燃料喷射阀喷射的燃料，具有从喷射开始1ms之后的燃料前端距离所述燃料喷射阀的喷孔达到大于等于100mm的穿透力，从喷射开始到2ms之后，在距离所述燃料喷射阀的喷孔100mm的位置上的索特平均直径为小于等于9μm。
根据本发明的第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，当实施比理论空燃比稀的空燃比下的均质燃烧时，利用在进气行程末期由配置在气缸上部大致中心的燃料喷射阀向气缸筒的排气门侧喷射的燃料，加强以在气缸筒内的排气门侧下降而在气缸筒内的进气门侧上升的方式在气缸内旋转的滚动气流。由此，当实施比理论空燃比稀的空燃比下的均质燃烧时，能够可靠地使滚动气流持续到点火时间，从而在气缸内存在紊流，由于燃烧速度变得较快，因此能够可靠地得到所需的内燃机输出。
根据本发明的第2项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，由于在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，火花塞配置在比向气缸筒的排气门侧喷射燃料的燃料喷射阀靠近进气门侧，因此由燃料喷射阀喷射的燃料便不会直接冲撞火花塞。由此，便不会有火花塞被燃料打湿而阻碍了电弧的产生的情况。
根据本发明的第3项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，燃料喷射阀向平行于和所述滚动气流平行地通过气缸中心轴线的纵平面、并且位于两个进气门之间的空间内喷射燃料，这样喷射的燃料，在和滚动气流一起在气缸内旋转时，主要在两个进气门之间的空间内移动，从而便很难附着在开放中的进气门上。由此，可以抑制由沉积物堆积到进气门上导致的进气量减少的情况。
根据本发明的第4项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，以火花塞的板状电极的宽度方向与滚动气流大致平行的方式配置火花塞，由此，可以抑制火花塞的板状电极使滚动气流衰减的情况，能够可靠地使滚动气流持续到点火时间。
根据本发明的第5项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，点火时间的滚动气流的强度越强，越增大火花塞的点火能量，由此，便没有点火时间所存在的紊流被滚动气流增加地过强，从而吹灭电弧，或者电弧被滚动气流拉长而中断的情况。
根据本发明的第6项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，燃料喷射阀将所需燃料量分成多次喷射，可以调节进气行程末期的燃料喷射量，从而使加强滚动气流的程度发生变化。
根据本发明的第7项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，由于在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，在活塞的顶面上，设有使沿着活塞顶面行进的滚动气流以在气缸筒内的进气门侧上升的方式偏转的突起部，因此可以抑制滚动气流的衰减，从而很容易地使滚动气流持续到点火时间。
根据本发明的第8项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，由于在第1项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，在活塞的顶面上，形成有用于抑制滚动气流的衰减的凹槽，因此便很容易使滚动气流持续到点火时间。
根据本发明的第9项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，在第8项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，火花塞配置在比燃料喷射阀更靠近排气门的一侧，用于抑制滚动气流的衰减的凹槽向活塞顶面的排气门侧偏移，在点火时间，火花塞的点火间隙位于凹槽的中心轴线的附近。由此，通过凹槽，便很容易使滚动气流持续到点火时间，同时通过在火花塞的点火间隙产生的电弧，凹槽内的混合气从中心附近开始燃烧，其火焰向外周附近成放射状地传播，最后外周附近各部分大致同时燃烧，因此到燃烧结束时的火焰传播距离变得较短，从而可以加速燃烧速度。
根据本发明的第10项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，在第8项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，凹槽以抑制经由两个进气门在气缸内分别形成的两个滚动气流的衰减的方式分别与滚动气流相对应地形成，另外，两个滚动气流由进气行程末期的喷射燃料分别加强，可以使两个滚动气流持续到点火时间。另外，在活塞顶面的两个凹槽之间形成隆起部，以点火间隙与隆起部的顶面相对的方式配置有火花塞。由此，通过隆起部，可以提高压缩比，同时气缸内混合气通过在火花塞的点火间隙上产生的电弧，从火花塞和隆起部的顶面之间的比较狭窄的空间开始缓慢地燃烧，其火焰向隆起部的两侧的凹槽内传播，最后变成急速的燃烧，因此很难发生爆燃。
根据本发明的第11项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，由于在第8项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，在活塞顶面的凹槽的两侧形成隆起部，以点火间隙与两个隆起部的各自的顶面相对的方式配置有两个火花塞，因此通过两个隆起部，可以提高压缩比，同时气缸内混合气通过在两个火花塞的点火间隙上产生的电弧，从各火花塞和各隆起部的顶面之间的比较狭窄的两个空间同时开始缓慢地燃烧，这两个火焰从两侧向两个隆起部之间的凹槽内传播，最后变成非常急速的燃烧，因此可以加速燃烧速度，同时很难发生爆燃。
根据本发明的第12项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，为了利用在进气行程末期由配置在气缸上部大致中心的燃料喷射阀向气缸筒的排气门侧喷射的燃料，加强以在气缸筒内的排气门侧下降而在气缸筒内的进气门侧上升的方式在气缸内旋转的滚动气流，使喷射燃料的大部分朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁的下侧1/5的部分。如果由配置在气缸上部大致中心的燃料喷射阀向气缸筒的排气门侧向斜下方喷射燃料，喷射燃料的穿透力加强沿着屋脊型气缸盖的排气门侧向斜下方移动的滚动气流，同时喷射燃料的穿透力的垂直方向分量加强沿着气缸筒向垂直方向下降的滚动气流。如果像这样使向斜下方喷射的燃料的大部分朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁的下侧1/5的部分，在到达气缸筒壁为止的较长的距离中，喷射燃料可以很好地加强滚动气流。另外，喷射燃料因较长的距离的行进，从而在到达气缸筒壁之前就气化，基本不会附着到气缸筒壁上。由此，基本不会稀释发动机油，另外，也基本不会引起由附着燃料的气化导致的废气中的未燃燃料的增加。
根据本发明的第13项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，在第12项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，燃料喷射阀具有部分圆弧形状的狭缝喷孔，从燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，被设为相对于平行于滚动气流的旋转方向的气缸中心垂直面大致对称，并且向气缸筒的内侧方向弯曲的部分圆弧形状。具有这样的剖面形状的喷射燃料，可以很容易地使其大部分朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁的下侧1/5的部分，另外，在以气缸中心垂直面为中心的规定宽度上，也可以很好地加强滚动气流。
根据本发明的第14项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，在第13项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，部分圆弧形状被设为半圆弧形状。由此，通过喷射燃料，在整个宽度上都可以很好地加强滚动气流。
根据本发明的第15项所述的缸内喷射式火花点火内燃机，在第12项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，燃料喷射阀具有折线形状的狭缝喷孔，从燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，被设为相对于平行于滚动气流的旋转方向的气缸中心垂直面大致对称，并且在气缸筒的内侧方向上具有小于180°的夹角的折线形状。具有这样的剖面形状的喷射燃料，可以很容易地使其大部分朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁的下侧1/5的部分，另外，在以气缸中心垂直面为中心的规定宽度上，也可以很好地加强滚动气流。
根据本发明的第16项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，在第12项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，燃料喷射阀具有多个圆孔喷孔，从燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，被设为相对于平行于滚动气流的旋转方向的气缸中心垂直面大致对称，并且排列成向气缸筒的内侧方向弯曲的部分圆弧状的多个大致圆形状。具有这样的剖面形状的喷射燃料，可以很容易地使其大部分朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁的下侧1/5的部分，另外，在以气缸中心垂直面为中心的规定宽度中的多个部分上，也可以很好地加强滚动气流。
根据本发明的第17项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，在第12项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，燃料喷射阀具有多个圆孔喷孔，从燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，被设为相对于平行于滚动气流的旋转方向的气缸中心垂直面大致对称，并且排列成在气缸筒的内侧方向上具有小于180°的夹角的折线状的多个略圆形状。具有这样的剖面形状的喷射燃料，可以很容易地使其大部分朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁的下侧1/5的部分，另外，在以气缸中心垂直面为中心的规定宽度中的多个部分上，也可以很好地加强滚动气流。
根据本发明的第18项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，在第12项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，从燃料喷射阀喷射的燃料，被设为具有从喷射开始到1ms之后的燃料前端距离燃料喷射阀的喷孔达到大于等于60mm的穿透力，从喷射开始到2ms之后，在距离燃料喷射阀的喷孔60mm的位置上的索特平均直径为小于等于15μm。由此，通过像这样细微地分离、从而滚动气流的挤压面积增大的较强的穿透力的喷射燃料，可以很好地加强滚动气流。
根据本发明的第19项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机，在第18项发明所述的缸内喷射式火花点火内燃机中，从燃料喷射阀喷射的燃料，被设为具有从喷射开始到1ms之后的燃料前端距离燃料喷射阀的喷孔达到大于等于100mm的穿透力，从喷射开始到2ms之后，在距离燃料喷射阀的喷孔100mm的位置上的索特平均直径为小于等于9μm。由此，通过像这样细微地分离、从而滚动气流的挤压面积增大的较强的穿透力的喷射燃料，可以更好地加强滚动气流。
附图说明
图1是展示本发明的缸内喷射式火花点火内燃机的实施形态的概略纵剖面图；
图2是图1的气缸盖的仰视图；
图3是图2的火花塞的放大图；
图4是展示图1的实施形态的变形例的进气行程末期的概略剖面图；
图5是展示本发明的缸内喷射式火花点火内燃机的又一个实施形态的、进气行程末期的概略纵剖面图；
图6是图5的实施形态的点火时间的概略纵剖面图；
图7是展示本发明的缸内喷射式火花点火内燃机的再一个实施形态的点火时间的概略纵剖面图；
图8是图7的A-A剖面图；
图9是展示本发明的缸内喷射式火花点火内燃机的再一个实施形态的、点火时间的概略纵剖面图；
图10是图9的B-B剖面图；
图11是展示本发明的缸内喷射式火花点火内燃机的再一个实施形态的进气行程末期的概略纵剖面图；
图12是图11的D-D剖面图；
图13是展示图11以及图12的喷射燃料形状的变形例的图；
图14是图11的又一个D-D剖面图；
图15是展示图14的喷射燃料形状的变形例的图；
图16是展示相对于燃料喷射方向的内燃机输出的变化的曲线图；
图17是展示相对于燃料喷射方向的HC排出量的变化的曲线图。
具体实施方式
图1是展示本发明的缸内喷射式火花点火内燃机的实施形态的概略纵剖面图。图2是图1的缸内喷射式火花点火内燃机的气缸盖的仰视图。在这些图中，1是配置在气缸上部大致中心位置，从而用于直接向气缸内喷射燃料的燃料喷射阀，2是配置在燃料喷射阀1的附近的火花塞。3是活塞，4是一对进气门，5是一对排气门。
本缸内喷射式火花点火内燃机，是在气缸内形成比理论空燃比稀的均质混合气，实施由火花塞2使该混合气着火燃烧的均质燃烧的内燃机。在需要高输出的高旋转高负荷等时，也可以实施理论空燃比或浓空燃比下的均质燃烧。特别是稀空燃比下的均质燃烧，如果在点火时间在气缸内存在紊流而不能加速燃烧速度，就不能得到所需的内燃机输出。由此，最好在进气行程中，利用向气缸内提供的进气，在气缸内形成在气缸筒内的排气门侧下降而在进气门侧上升的滚动气流T，并使该滚动气流T持续到压缩行程末期的点火时间，从而在点火时间，在气缸内存在紊流。
但是，只要不加厚气缸盖从而在进气口的形状配置上花心思，或者不在进气口内设置进气流控制阀等，一般在气缸内形成的滚动气流，就不会那么强，即便如本实施形态这样，在活塞3的顶面上形成有用于抑制滚动气流的衰减的部分圆弧剖面的凹槽3a，仅靠这一点，由于压缩行程中的衰减，到点火时间之前也很容易熄灭，在点火时间，不会因滚动气流而在气缸内存在紊流。由此，在本实施形态中，利用在进气行程末期由燃料喷射阀1向气缸筒的排气门侧喷射的燃料F的穿透力，加强在进气行程中在气缸内形成的不那么强的滚动气流T。以这种方式被加强的滚动气流，可以很好地持续到压缩行程末期的点火时间，从而在气缸内存在紊流。
由于火花塞2配置在比向气缸筒的排气门侧喷射燃料的燃料喷射阀1更靠近进气门的一侧，因此由燃料喷射阀1喷射的燃料不会直接冲击火花塞2。由此，不会存在火花塞2被燃料打湿而妨碍电弧的产生的情况。
在本实施形态中，燃料喷射阀1具有狭缝状的喷孔，从而将燃料喷射成厚度较薄的大致扇形，并使燃料喷雾F的厚度中心平面，与和滚动气流T平行地通过气缸中心轴线的纵平面P大致相一致。这样，燃料F便被喷射在两个进气门3之间的、平行于纵平面P的空间S内，最初，在和滚动气流T一起在气缸内旋转时，主要在两个进气门3之间的空间S内移动，从而很难附着在开放中的进气门3上。如果，燃料一旦附着在进气门3上，沉积物便堆积在进气门3上，就会导致进气量的减少等，但可以利用像这样向空间S内的燃料喷射来抑制沉积物向进气门3的堆积。
图3是图2的火花塞2的放大图。如该图所示，火花塞2具有中心电极2a，和L字形的板状电极2b。在本实施形态中，以板状电极2b的宽度方向与滚动气流大致平行的方式配置火花塞2。由此，可以抑制板状电极2b的宽度方向与滚动气流T相对的情况下(相对于图3的火花塞配置使其向左旋转或向右旋转90度的火花塞配置的情况)，滚动气流与板状电极2b冲突从而衰减的情况。
在本火花塞配置中，虽然板状电极2b的厚度方向与滚动气流T相对，但由于板状电极2b的厚度较薄，因此基本不会使滚动气流T衰减。当然，不只是图3的火花塞配置，即便是使其旋转180度的火花塞配置，也能够得到同样的效果。另外，根据火花塞的不同，也有具有彼此相对的两个板状电极的情况，在这种情况下，最好也使两个板状电极的厚度方向与滚动气流T相对，使宽度方向与滚动气流大致平行。
通过所述火花塞2的配置，在点火时间在两个电极2a、2b之间产生的电弧，很容易被滚动气流T向滚动气流的下游方向延伸，并很容易使气缸内的均质混合气着火。另一方面，点火时间的气缸内的滚动气流的强度越强，电弧被延伸得越长，从而电弧便很容易中断。由此，点火时间的气缸内的滚动气流的强度越强，即，由进气行程末期的燃料喷射加强的滚动气流T的强度越强，最好越增大点火能量，从而使得即便电弧被延伸，也不会中断。另外，点火时间的气缸内的滚动气流的强度越强，便越容易吹灭电弧，为了抑制这一点，增大点火能量是有效的。
为了实施所需空燃比的均质燃烧，燃料喷射阀1便要在进气行程末期(例如，以将燃料喷射结束曲轴转角设为进气下死点附近的方式根据燃料喷射量设定燃料喷射开始曲轴转角，或者，与燃料喷射量无关地在进气行程后半时期设定燃料喷射开始曲轴转角。)喷射所需量的燃料。这样，所需燃料量越多，滚动气流T便越被增强。
但是，一旦滚动气流被过度地加强，不只是燃烧速度变得过快，还必须将点火能量增加得非常大，以使得电弧不会被吹灭，或者电弧不会中断，因此将滚动气流加强到所需以上，是不理想的。由此，当所需燃料量较多时，也可以在进气行程中期或初期喷射一部分的燃料(也可以分多次喷射)，从而将在进气行程末期喷射的燃料量调节得较少，以不会过度地加强滚动气流T的方式控制加强滚动气流T的程度。
本实施形态的缸内喷射式火花点火内燃机，是利用直接向气缸内喷射的燃料实施均质燃烧的内燃机，因此能够可靠地向气缸内提供所需量的燃料，可以不需要像向进气口喷射燃料的情况那样考虑燃料附着到进气口壁面上的情况而喷射所需量以上的燃料。另外，本缸内喷射式火花点火内燃机，例如，在内燃机低负荷等时候，也可以实施在压缩行程后半时期喷射燃料，从而只在火花塞2附近形成混合气的成层燃烧。这时，只要使形成在活塞3的顶面上的凹槽3a向排气门4侧偏移，从而通过该凹槽使喷射燃料向火花塞2的附近集合即可。
在本实施形态中，虽然燃料喷射阀1设为将燃料喷射成厚度较薄的大致扇形的部件，当然这并不是限定本发明的。燃料喷雾的形状可以任意地设定，例如，也可以设为中实或中空圆锥形状，或者中实圆柱形状。另外，也可以通过圆弧状狭缝喷孔、多个直线狭缝喷孔的组合，设为厚度较薄的圆弧状剖面或折线状剖面的燃料喷雾。无论是哪一种，只要燃料喷雾具有较大的穿透力，以使得气缸内的滚动气流加速即可。另外，优选只要向两个进气门之间的所述空间内喷射燃料即可。
图4是展示图1的实施形态的变形例的概略纵剖面图。以下只说明与图1的实施形态的不同点。在本变形例中，在活塞3’的顶面上没有形成凹槽，而在进气门侧形成有突起部3a’。由此，可以提高压缩比。在突起部3a’的排气门侧，形成有与活塞3’的顶面平滑地连接的偏转面3b’。图4所示的偏转面3b’的剖面是部分圆弧形状，但也可以设为直线形状。通过这样的偏转面3b’，在气缸筒内的排气门侧下降而沿着活塞3’的顶面行进的滚动气流T，以沿着气缸筒内的进气门侧上升的方式被偏转。由此，与图1的实施形态同样地，可以抑制滚动气流T的衰减，从而很容易地使滚动气流持续到点火时间。
图5是展示本发明的缸内喷射式火花点火内燃机的又一个实施形态的概略纵剖面图。以下只说明与图1的实施形态的不同点。在本实施形态中，将用于直接向气缸内喷射燃料的燃料喷射阀10也配置在气缸上部大致中心处，利用如图5所示在进气行程末期由燃料喷射阀10向气缸筒的排气门侧喷射的燃料F’的穿透力，加强在进气行程中在气缸内形成的不那么强的滚动气流T。以这种方式被加强的滚动气流可以很好地持续到压缩行程末期的点火时间，从而在气缸内存在紊流。
火花塞20配置在比燃料喷射阀10靠近排气门侧，用于抑制滚动气流的衰减的凹槽30a偏靠形成在活塞30的顶面的排气门侧。凹槽30a的排气门侧通过圆角30b与活塞顶面平滑地连接，将滚动气流流入凹槽30a内时的衰减降到最小限。优选在其他的实施形态中，在滚动气流流入的凹槽的排气门侧也形成这样的圆角。
图6是本实施形态的点火时间的概略剖面图。如该图所示，在点火时间，火花塞20的点火间隙g位于凹槽30a的中心轴线c(不限于平行于气缸筒的中心轴线，在本实施形态中，相对于气缸筒的中心轴线倾斜)附近。由此，利用在火花塞20的点火间隙g产生的电弧，凹槽30a内的混合气从中心附近开始燃烧，其火焰向外周附近成放射状地传播，最后外周附近各部分大致同时燃烧结束，因此可以缩短到燃烧结束为止的二维的火焰传播距离，从而加速燃烧速度。
凹槽30a的形状，只要是抑制滚动气流的衰减的圆滑的剖面形状(例如，部分圆弧剖面形状)，可以任意地选择，但优选设为在点火时间，使火花塞20的点火间隙g位于大致中心的大致部分球形状。由此，在火花塞20的点火间隙g产生的电弧向凹槽30a内的混合气成三维放射状地传播，最后凹槽30a的壁面附近各部分同时燃烧结束，因此可以缩短到燃烧结束为止的接近于实际三维的火焰传播距离，从而进一步加速燃烧速度。
图7是展示本发明的缸内喷射式火花点火内燃机的再一个实施形态的点火时间的概略纵剖面图，图8是图7的A-A剖面图。以下只说明与图1的实施形态的不同点。本实施形态与图1的实施形态同样是进气两阀式，这时，在气缸内，最初经由两个进气门生成相互平行的两个滚动气流。
在图1的实施形态中，这两个滚动气流立即合并成一个滚动气流。但是，在本实施形态中，利用在进气行程末期由燃料喷射阀1’向气缸筒的排气门侧沿着两个方向喷射的燃料，分别加强以在气缸筒内的排气门侧下降而在气缸筒内的进气门侧上升的方式在气缸内相互平行地旋转的两个滚动气流，同时在活塞31的顶面上，分别与滚动气流相对应地形成有部分圆弧剖面的两个凹槽31a以及31b，因此两个滚动气流持续到点火时间，从而在各个凹槽31a以及31b内以及各个凹槽31a以及31b的上方空间内存在紊流。在利用进气行程末期的燃料喷射加强两个滚动气流时，如图8中单点划线所示，也可以将两个燃料喷射阀1”分别配置在气缸上部周围的进气门和排气门之间，然后利用在进气行程末期由各燃料喷射阀1”与各个滚动气流相对应地向气缸筒的排气门侧喷射的燃料，分别加强两个滚动气流。
在本实施形态中，在活塞31的顶面上，在两个凹槽31a以及31b之间形成隆起部31c，配置在气缸上部大致中心的火花塞2的点火间隙g，与隆起部31c的顶面31d相对。由此，通过隆起部31c可以提高压缩比，从而提高内燃机输出，同时气缸内混合气通过在火花塞2的点火间隙g产生的电弧，从火花塞2和隆起部31c的顶面31d之间的比较狭窄的空间开始缓慢的燃烧，其火焰向隆起部31c的两侧的凹槽31a以及31b传播，最后变成急速的燃烧，因此很难发生爆燃。
图9是展示本发明的缸内喷射式火花点火内燃机的再一个实施形态的点火时间的概略纵剖面图，图10是图9的B-B剖面图。以下只说明与图1的实施形态的不同点。本实施形态与图1的实施形态同样地，利用在进气行程末期由燃料喷射阀1向气缸筒的排气门侧喷射的燃料，加强在气缸筒内的排气门侧下降而在气缸筒内的进气门侧上升的一个滚动气流，同时通过形成在活塞32的顶面上的部分圆弧剖面的凹槽32a抑制滚动气流的衰减，使滚动气流持续到点火时间，从而在气缸内存在紊流。
在本实施形态中，在活塞32的顶面上，在凹槽32a的两侧形成有隆起部32b以及32c。另外，在本实施形态中，两个火花塞21以及22分别被配置在气缸上部周围的进气门和排气阀之间，两个火花塞21以及22各自的点火间隙g与两个隆起部32b以及32c各自的顶面32d以及32e相对。由此，通过两个隆起部32b以及32c可以提高压缩比，从而提高内燃机输出，同时气缸内混合气，通过在两个火花塞21以及22各自的点火间隙g产生的电弧，从各火花塞21以及22和各隆起部32b以及32c的顶面32d以及32e之间的比较狭窄的两个空间同时开始缓慢的燃烧，这两个火焰从两侧向两个隆起部32b以及32c之间的凹槽32a内传播，最后变成非常急速的燃烧，因此可以加速燃烧速度，同时很难发生爆燃。
可是，由滚动气流形成的气缸内的紊流，不只是较稀的空燃比，即便在理论空燃比或较浓的空燃比的均质燃烧中，也可以设为加速燃烧速度而使燃料良好。因此，如果如所述那样利用喷射燃料加强滚动气流，就不需要进气流控制阀，并且也没有内燃机进气系统复杂化的情况。图11是展示本发明的缸内喷射式火花点火内燃机的再一个实施形态的进气行程末期的概略纵剖面图。在该图中，100是配置在气缸上部大致中心的燃料喷射阀，2是在燃料喷射阀100的进气门侧附近以与所述实施形态同样的朝向配置的火花塞。6是经由一对进气门(图未示)通向气缸内的进气口，7是经由一对排气门(图未示)通向气缸内的出气口。300是活塞。
图12是图11的D-D剖面图。如图11以及12所示，为了抑制以沿着气缸筒的排气门侧下降而沿着进气门侧上升的方式在气缸内沿着纵向旋转的滚动气流T的衰减，在活塞300的顶面上，形成有在与滚动气流T的旋转方向平行的各剖面上具有圆弧剖面形状的凹槽300a。在图12中，Ic表示燃料喷射阀100的中心位置。
燃料喷射阀100具有部分圆弧形状的狭缝喷孔，在进气行程末期从燃料喷射阀100喷射的燃料f的水平剖面形状，如在图12中用实线所示，设为相对于平行于滚动气流T的旋转方向的、通过气缸中心轴线的气缸中心垂直面P大致对称，并且向气缸筒的内侧方向弯曲的部分圆弧形状。图12的单点划线表示比图11的D-D剖面更靠近燃料喷射阀侧的喷射燃料f的水平剖面形状，正如在图11中也展示的那样，喷射燃料f离燃料喷射阀100越远，厚度逐渐变得越厚。在此，所谓的水平，是相对于气缸轴线垂直的方向，所谓的垂直是相对于气缸轴线平行的方向。在本实施形态中，作为部分圆弧形状特别设为半圆弧形状。具有这样的剖面形状的喷射燃料f，可以使其大部分很容易地朝向排气门侧的气缸筒壁的特定的高度位置范围。
包括所述的实施形态在内，由配置在气缸上部大致中心的燃料喷射阀，向气缸筒的排气门侧向斜下方喷射的燃料，通过穿透力，可以加强沿着屋脊型气缸盖的排气门侧向斜下方移动的滚动气流T，同时通过穿透力的垂直方向分量，可以加强沿着气缸筒向垂直方向下降的滚动气流。
图16是展示使具有本实施形态的半圆弧形状剖面的喷射燃料的喷射方向变化时的内燃机输出的变化的图。在该图中，a是将喷射方向朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁附近的活塞顶面的情况，b是将喷射方向朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁高度H的下侧1/5的部分的情况，c是将喷射方向朝向除去进气行程末期的排气门侧气缸筒壁高度H的下侧1/5的部分的、下侧1/3的部分(即，从下侧H/5到下侧H/3的范围)的情况，d是将喷射方向朝向除去进气行程末期的排气门侧气缸筒的下侧1/3的部分的、下侧4.5/10的部分(即，从下侧H/3到下侧4.5H/10的范围)的情况。
虽然各喷射方向的喷射燃料的穿透力是相同的，但如图16所示，在各喷射方向上能够得到的内燃机输出却产生了差，喷射方向b能够得到最高的内燃机输出。即，可以认为是喷射方向b最有效地加强了滚动气流T。为了利用喷射燃料有效地加强滚动气流，优选喷射燃料在气缸内移动较长的距离，从而在此期间内持续加强滚动气流T。与此相对，在喷射方向d上，由于喷射燃料较早地冲撞气缸筒，因此不能有效地加强滚动气流T。另外，在喷射方向a上，虽然喷射燃料可以在气缸内移动较长的距离，但由于喷射燃料离开气缸筒，从而有一部分通过滚动气流T的内侧的滞留空间E或滞留空间E附近，因此不能有效地加强滚动气流T。
另外，图17是展示相对于各喷射方向的HC排出量的变化的图表。如该图所示，在喷射方向a以及b上，由于喷射燃料可以在气缸内移动较长的距离，因此在到达活塞顶面或气缸筒之前气化，基本不会附着在活塞顶面或气缸筒上，也基本没有这样的附着燃料在膨胀行程中气化而使未燃HC的排出量增大的情况。与此相对，在喷射方向d上，由于喷射燃料在气缸内移动比较短的距离时就到达气缸筒，因此没有气化而附着到气缸筒上的燃料较多，该附着燃料在膨胀行程中气化，从而使未燃HC的排出量增大。另外，在喷射方向c上，虽然可以移动比喷射方向d长的距离，但只能移动比喷射方向b短的距离，也存在某种程度上的向气缸筒的附着燃料，因此还是使未燃HC的排出量增大。
这样，如图11所示，如果使从燃料喷射阀100喷射的燃料的大部分朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁的下侧1/5(H/5)的范围的带状部分(气缸筒壁的下侧1/5的圆筒带状部分的比燃料喷射阀100靠近排气门侧的带状部分)，就可以很好地加强滚动气流T，同时也可以抑制喷射燃料对于气缸筒的燃料附着，基本不会稀释发动机油，另外，也基本不会引起由附着燃料的气化导致的废气中的未燃燃料的增加。
另外，在本实施形态中，由于将从配置在气缸上部大致中心的燃料喷射阀100喷射的燃料的水平剖面形状，设为相对于气缸中心垂直面P大致对称的部分圆弧形状，因此在以气缸中心垂直面P为中心的规定宽度上，可以很好地加强滚动气流T。另外，由于将部分圆弧形状设为半圆弧形状，因此在整个宽度上都可以很好地加强滚动气流T。
图13是展示图11以及图12所示的喷射燃料形状的变形例的水平方向剖面图。在本变形例中，燃料喷射阀具有多个圆孔喷孔，从燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，如图13所示，被设为相对于平行于滚动气流的旋转方向的气缸中心垂直面P大致对称的部分圆弧状，并且是排列成向气缸筒的内侧方向弯曲的部分圆弧状的多个大致圆形状。从各圆孔喷孔喷射的燃料f，成朝向斜下方的稍微有点前端扩展的中实圆锥形状，因此在水平剖面上，便斜向切断该中实圆锥形状，各大致圆形状，严格地说，是从燃料喷射阀的中心Ic成放射状地具有长轴的椭圆形状。
通过这样的喷射燃料，与具有部分圆弧形状剖面的喷射燃料同样地，可以很容易地使其大部分朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁的下侧1/5的部分，另外，在以气缸中心垂直面为中心的规定宽度中的多个部分上，也可以很好地加强滚动气流T。
另外，图14是展示又一种喷射燃料形状的相当于图12的剖面图。喷射该形状的燃料的燃料喷射阀，具有折线形状的狭缝喷孔，喷射燃料的水平剖面形状，被设为相对于气缸中心垂直面P大致对称，并且在气缸筒的内侧方向上具有小于180°的夹角TH的折线形状。即便是具有这样的剖面形状的喷射燃料，也可以很容易地使其大部分朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁的下侧1/5的部分，另外，在以气缸中心垂直面P为中心的规定宽度上，也可以很好地加强滚动气流T。
另外，图15是展示图14所示的喷射燃料形状的变形例的水平方向剖面图。在本变形例中，燃料喷射阀具有多个圆孔喷孔，从燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，如图15所示，被设为相对于气缸中心垂直面P大致对称的折线状，并且是排列成在气缸筒的内侧方向上具有小于180°的夹角TH的折线状的多个大致圆形状(与所述内容同样，严格地说是椭圆形状)。即便是具有这样的剖面形状的喷射燃料，也可以很容易地使其大部分朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁的下侧1/5的部分，另外，在以气缸中心垂直面为中心的规定宽度中的多个部分上，也可以很好地加强滚动气流T。
可是，如所述内容，为了很好地利用喷射燃料加强滚动气流T，喷射燃料的穿透力越强越好，另外，优选喷射燃料在行进中充分地微粒化，从而对于滚动气流T的挤压面积增大。用于很好地加强滚动气流T的喷射燃料，优选至少设为从喷射开始到1ms后的燃料前端距离燃料喷射阀的喷孔达到大于等于60mm的穿透力，从喷射开始到2ms之后，在距离燃料喷射阀的喷孔60mm的位置上的索特(ザゥタ一)平均直径为小于等于15μm。
另外，用于更好地加强滚动气流T的喷射燃料，设为具有从喷射开始1ms后的燃料前端距离燃料喷射阀的喷孔达到大于等于100mm的穿透力，从喷射开始2ms后，在距离燃料喷射阀的喷孔100mm的位置上的索特平均直径为小于等于9μm。

Claims (19)

1.一种缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，具备配置在气缸上部大致中心位置的燃料喷射阀和配置在气缸上部的火花塞，当实施比理论空燃比稀的空燃比下的均质燃烧时，利用在进气行程末期由所述燃料喷射阀向气缸筒的排气门侧喷射的燃料，加强以在气缸筒内的排气门侧下降而在气缸筒内的进气门侧上升的方式在气缸内旋转的滚动气流。
2.如权利要求1所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，所述火花塞配置在比所述燃料喷射阀更靠近进气门的一侧。
3.如权利要求1所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，所述燃料喷射阀，向平行于和所述滚动气流平行地通过气缸中心轴线的纵平面、且位于两个进气门之间的空间内喷射燃料。
4.如权利要求1所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，所述火花塞配置成所述火花塞的板状电极的宽度方向与所述滚动气流大致平行。
5.如权利要求1所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，点火时间的所述滚动气流的强度越强，越增大所述火花塞的点火能量。
6.如权利要求1所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，所述燃料喷射阀将所需燃料量分成多次喷射。
7.如权利要求1所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在活塞的顶面上，设有使沿着活塞顶面行进的所述滚动气流以在气缸筒内的进气门侧上升的方式偏转的突起部。
8.如权利要求1所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在活塞的顶面上，形成有用于抑制所述滚动气流的衰减的凹槽。
9.如权利要求8所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，所述火花塞配置在比所述燃料喷射阀更靠近排气门的一侧，所述凹槽向活塞顶面的排气门侧偏移，在点火时间，所述火花塞的点火间隙位于所述凹槽的中心轴线的附近。
10.如权利要求8所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，所述凹槽，以抑制经由两个进气门在气缸内分别形成的两个所述滚动气流的衰减的方式分别与所述滚动气流相对应地形成，在活塞顶面的两个所述凹槽之间形成隆起部，以点火间隙与所述隆起部的顶面相对的方式配置所述火花塞，利用在进气行程末期由一个或多个所述燃料喷射阀向气缸筒的排气门侧喷射的燃料，分别加强以在气缸筒内的排气门侧下降而在气缸筒内的进气门侧上升的方式在气缸内旋转的两个所述滚动气流。
11.如权利要求8所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，在活塞顶面的所述凹槽的两侧形成隆起部，两个所述火花塞配置成点火间隙与两个所述隆起部的各自的顶面相对。
12.一种缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，具备配置在气缸上部大致中心位置的燃料喷射阀和配置在气缸上部的火花塞，为了利用在进气行程末期由所述燃料喷射阀向气缸筒的排气门侧喷射的燃料，来加强以在气缸筒内的排气门侧下降而在气缸筒内的进气门侧上升的方式在气缸内旋转的滚动气流，使喷射燃料的大部分朝向进气行程末期的排气门侧气缸筒壁的下侧1/5的部分。
13.如权利要求12所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，所述燃料喷射阀具有部分圆弧形状的狭缝喷孔，从所述燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，是相对于平行于所述滚动气流的旋转方向的气缸中心垂直面大致对称、并且向气缸筒的内侧方向弯曲的部分圆弧形状。
14.如权利要求13所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，所述部分圆弧形状是半圆弧形状。
15.如权利要求12所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，所述燃料喷射阀具有折线形状的狭缝喷孔，从所述燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，是相对于平行于所述滚动气流的旋转方向的气缸中心垂直面大致对称、并且朝气缸筒的内侧方向具有小于180°的夹角的折线形状。
16.如权利要求12所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，所述燃料喷射阀具有多个圆孔喷孔，从所述燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，是相对于平行于所述滚动气流的旋转方向的气缸中心垂直面大致对称、并且排列成向气缸筒的内侧方向弯曲的部分圆弧状的多个近圆形的形状。
17.如权利要求12所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，所述燃料喷射阀具有多个圆孔喷孔，从所述燃料喷射阀喷射的燃料的水平剖面形状，是相对于平行于所述滚动气流的旋转方向的气缸中心垂直面大致对称、并且排列成朝气缸筒的内侧方向具有小于180°的夹角的折线状的多个近圆形的形状。
18.如权利要求12所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，从所述燃料喷射阀喷射的燃料，具有从喷射开始1ms之后的燃料前端距离所述燃料喷射阀的喷孔达到大于等于60mm的穿透力，从喷射开始2ms之后，在距离所述燃料喷射阀的喷孔60mm的位置上的索特平均直径为小于等于15μm。
19.如权利要求18所述的缸内喷射式火花点火内燃机，其特征在于，从所述燃料喷射阀喷射的燃料，具有从喷射开始1ms之后的燃料前端距离所述燃料喷射阀的喷孔达到大于等于100mm的穿透力，从喷射开始到2ms之后，在距离所述燃料喷射阀的喷孔100mm的位置上的索特平均直径为小于等于9μm。
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