CN101482052B - 内燃发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明的内燃发动机，几何压缩比设定为13.0以上，当设该内燃发动机的活塞(30)位于上止点时的燃烧室(4)的容积为V1(mm3)、设以上述火花塞(3)的点火点(CP)为中心的半径为r的假想球体(IS)中的、上述活塞(30)位于上止点时不与上述燃烧室(4)内壁干涉的非干涉部分的容积为V2(mm3)、设上述活塞(30)位于上止点时上述假想球体(IS)与上述燃烧室(4)内壁干涉的干涉面的面积为S(mm2)的情况下，以满足V2＝0.15×V1的关系来设定了上述半径r时，以满足S/V2≤0.12(mm-1)的关系来形成上述燃烧室(4)。由此，可以更切实地改善燃耗。

Description

内燃发动机
技术领域
本发明涉及往复式内燃发动机，特别涉及几何压缩比为13.0以上的内燃发动机。 
背景技术
往复式内燃发动机领域中，有通过燃烧室形状来提高火焰传播性的技术方案。例如，日本专利公开公报特开2007-154827号中，提出了通过在活塞上表面形成球形的凹处来实现火焰传播的均匀性以提高燃烧效率的技术方案。 
另一方面，作为改善燃耗的方法，有通过将几何压缩比设定得较高来提高热效率的方案。但是，仅仅提高几何压缩比有时并不能改善燃耗，而且还容易发生爆震的情况。 
上述问题的原因之一被认为在于火焰传播性。即，若排气量相同则几何压缩比设定得越高，燃烧室的容积越小，其结果，火焰过早地干涉到活塞上表面等燃烧室内壁，发生因其冷却损失造成热效率下降的情况，或者发生异常燃烧的情况。为了提高火焰传播性，也可以考虑如上述专利文献所记载的那样在活塞上表面设置凹处的做法，不过，如果仅仅设计凹处则几何压缩比下降，燃耗改善不充分。 
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种更切实地改善燃耗的内燃发动机。 
为实现上述目的，本发明的内燃发动机，是包括气缸、在气缸内进行往复运动的活塞、在与上述气缸及上述活塞之间形成燃烧室的气缸盖、以及安装在气缸盖上的火花塞的内燃发动机，其特征在于：几何压缩比被设定为13.0以上，当设上述活塞位于上止点时的燃烧室的容积为V1mm3、设以上述火花塞的点火点为中心的半径为r的假想球体中的、上述活塞位于上止点时不与燃烧室内壁干涉的非干涉部分的容积为V2mm3、设上述活塞位于上止点时上述假想球体与上述燃烧室内壁干涉的干涉面的面积为Smm2的情况下，以满足V2＝0.15×V1的关系来设定了上述半径r时，以满足S/V2≤0.12mm-1的关系来形成上述燃烧室。 
采用本发明，通过以上述半径r和上述容积V2以及上述面积S的关系作为燃耗改善的评价指标，以满足上述式子的条件来形成燃烧室，可以更切实地改善燃耗。 
本发明中，较为理想的是，在以满足V2＝0.15×V1的关系来设定了上述半径r的情况下，以上述假想球体不与活塞干涉地来形成上述活塞。采用该结构，可以促进向作为活塞的运动方向的下方向的火焰传播，提高发动机的热效率。 
本发明中，较为理想的是，在上述活塞的上表面设置凹部。采用该结构，可以提高火焰传播性，提高发动机的热效率。 
更为理想的是，将上述凹部设置在上述点火点的下方。采用该结构，可以进一步提高火焰传播性，提高发动机的热效率。 
本发明中，较为理想的是，上述汽缸盖中，在与上述活塞的中心轴正交的方向上依次设置有进气门、上述火花塞、以及排气门，上述活塞的上表面，具有从上述进气门侧以及排气门侧越靠近活塞的中央越向上方隆起的隆起部。采用该结构，由于火焰传播性得到改善，所以容易将几何压缩比设定得更高。 
在这种情况下，作为优选例子，对每一燃烧室设置两个上述进气门和两个上述排气门。 
本发明的内燃发动机，较为理想的是，具有向上述燃烧室内直接喷射燃料的喷射器。采用该结构，由于直接喷射到气缸内的燃料的汽化潜热使空气与燃料的混合气被冷却，因此，即使在几何压缩高的情况下，也能防止爆震等异常燃烧的发生，能够稳定燃烧状态并能改善燃耗。 
本发明中，更为理想的是，在以满足V2＝0.15×V1的关系来设定了上述半径r的情况下，以满足S/V2≤0.10mm-1的关系来形成上述燃烧室。采用该结构，能进一步改善燃耗。 
另外，本发明中的几何压缩比，更为理想的是，为14.0以上，或者为14.5以上。通过提高几何压缩比，可以进一步改善燃耗。 
附图说明
图1A是表示本发明一实施方式所涉及的内燃发动机A的燃烧室4附近的结构的图，图1B是活塞30的立体图。 
图2是假想球体IS的说明图。 
图3是容积V2和干涉面积S的说明图。 
图4A是表示就用于实验的部分活塞运算出的容积V2/容积V1、与干涉面积S/容积V2的关系的图，图4B是表示以燃耗改善率与干涉面积S/容积V2的关系综括测量结果后的数据的一部分的图。 
图5A和图5B是表示用于实验的活塞的形状例子的图。 
图6是表示容积V2/容积V1的值为15％时的燃耗改善率与干涉面积S/容积V2的关系的图。 
图7是表示以半径r和容积V2以及面积S的关系作为燃耗改善的评价指标的情况下的计算机所执行的处理的例子的流程图。 
具体实施方式
图1A是表示本发明一实施方式所涉及的内燃发动机A(internal combustion engine)的燃烧室4附近的结构的图，图1B是活塞30的立体图。此处，发动机A被设想为四冲程的直列多气缸汽油发动机，不过本发明也能适用于其他形式的往复式发动机(reciprocating engine)。图中，Z表示活塞30的往复直线运动的方向，Y表示气缸列的方向，X表示垂直于气缸列方向的方向，ZYX相互正交。CL表示活塞30的中心轴线，与Z方向为相同方向。 
发动机A具有气缸盖10。气缸盖10具有每一个气缸两个的进气口11及排气口12，进气口11上设置有进气门1，排气口12上设置有排气门2，通过设置在气缸盖10上的未图示的配气机构的作用来开闭这些气门。另外，气缸盖10在形成燃烧室4的部位向Z方向凹陷，在该凹处的中央附近具有火花塞3。火花塞3对燃烧室4内的混合气体进行火花点火，从而开始其燃烧。本实施方式中，在垂直于活塞30的中心轴CL的方向(X方向)上依次设置有进气门1、火花塞3以及排气门2。 
气缸盖10上还设置有向燃烧室4喷射燃料的喷射器5。本实施方式中，被设想为所谓的直喷方式，不过本发明也能适用于进气口喷射方式的往复式发动机。 
发动机A具有气缸体20。气缸体20的气缸21内设置有活塞30，活塞30随着燃烧室4内混合气体的燃烧在Z方向上进行往复直线运动。活塞30的往复直线运动转换为未图示的曲轴的旋转运动。 
活塞30的上表面31具有向Z方向隆起的隆起部32。通过设置隆起部32可以将发动机A的几何压缩比设定得更高。本实施方式中，如上所述，气缸盖10中形成燃烧室4的部位向Z方向凹陷，其中，位于燃烧室4的中央的部位，比进气门1侧和排气门2侧的部 位凹陷得更大。因此，对应于这样的气缸盖10的形状，隆起部32形成为从进气门1侧和排气门2侧越靠近活塞30的中央越向上方隆起。通过如此形成隆起部32，可以将燃烧室4的Z方向的厚度设置得更均匀，从而可以防止火焰传播性的大幅恶化。 
活塞30的上表面31也具有凹部33。通过设置凹部33，能够促进活塞30的运动方向亦即Z方向上的火焰传播，也就是说，能促进从火花塞3向下方的火焰传播，提高发动机的热效率。本实施方式中，凹部33设置在火花塞3产生火花点火的点火点CP(图2)的下方。所谓的点火点CP，如图2所示，是指火花塞3先端(下端)的电极间间隙(点火间隙)的中央。通过在这样的点火点CP的下方设置上述活塞30的凹部33，能够进一步提高火焰传播性，提高发动机A的热效率。本实施方式中，凹部33呈碗形，不过凹部33的形状并不受限制。 
本实施方式中，将几何压缩比设定为13.0以上。通过将几何压缩比设定得较高，能够提高热效率，改善燃耗。此处，所谓的几何压缩比，如众知，若设活塞30位于上止点时的燃烧室的容积为V1、设排气量(行程容积)为V0，则以(V0+V1)/V1来表示。 
容积V1为所谓的压缩容积，是当活塞30位于上止点时，以面对燃烧室4的气缸盖10的内壁、安装在气缸盖10上的部件(进气门1以及排气门2(气门关闭时)、火花塞3、喷射器5)的表面、气缸体20的气缸21内壁、活塞30的上表面以及气缸盖10与气缸体20间的间隙所划定的燃烧室4的容积，本实施方式中该容积的单位为mm3。此外，将这样的划定燃烧室4的部分统称为燃烧室内壁。 
通过将几何压缩比设定得较高，有望提高热效率，改善燃耗，但是仅仅提高几何压缩比，有时燃耗不会得到改善。这是由于，若将几何压缩比设定得较高，则相同排气量时容积V1便相对减小，火焰容易过早地干涉燃烧室内壁，从而造成火焰传播性恶化。因此，只要知道燃耗改善与火焰传播性的因果关系，就能实现高效率的发动机设计。 
本实施方式中，首先，假设图2所示的假想球体IS。图2是假想球体IS的说明图。假想球体IS是以点火点CP为中心的半径为r的球体。由于火焰呈放射状传播，所以假想球体IS是将火焰传播范围形式地模型化的假想球体。另外，半径r表示火焰传播的进行程度。即，若半径r相对地设定得越小，则假想球体IS表示点火后的经过时间越短时的传播范围，若半径r相对地设定得越大，则假想球体IS表示点火后的经过时间越长时的传播范围。 
如逐渐增大半径r，则假想球体IS与燃烧室内壁的干涉部分便增加。本实施方式中，设当活塞30位于上止点时，假想球体IS中的不与燃烧室内壁干涉的非干涉部分的容积为 V2(单位：mm3)。另外，设当活塞30位于上止点时，假想球体IS与燃烧室内壁干涉的干涉面的面积为干涉面积S(单位：mm2)。 
图3是容积V2和干涉面积S的说明图。该图中的例子，模式化地表示在设定某一半径r的情况下的假想球体IS、容积V2、干涉面积S，并且表示假想球体IS与气缸盖10、进气门1、排气门2以及火花塞3干涉，而不与活塞30干涉的情况。容积V2是从假想球体IS中去除其与燃烧室内壁的干涉部分之后的立体的容积，干涉面积S是干涉部分的面积。 
而且，本实施方式，以半径r和容积V2以及面积S的关系作为燃耗改善的评价指标，在以满足V2＝0.15×V1的关系来设定了半径r的情况下，通过以满足S/V2≤0.12(mm-1)的关系设计燃烧室4的形状，来改善燃耗。达致这样的结论是基于下述的实验结果。 
在该实验中，针对缸径为87.5mm、冲程为83.1mm的往复式发动机，制作出形状不同的多种活塞，将这些活塞进行替换，以相同条件测量它们各自的燃耗。图4A是表示就用于实验的部分活塞运算出的容积V2/容积V1、与干涉面积S/容积V2的关系的图，是通过对假想球体的半径r设定多个不同值而获得的。 
容积V2/容积V1的值与半径r相关。容积V2/容积V1的值相对较小表示火焰传播的初期，相对较大表示火焰传播的后期。由于容积V2假想地相当于火焰传播范围的容积，因此干涉面积S/容积V2，便为火焰传播范围为某一容积的情况下的干涉面积与该容积的比例。 
线L0，如图5A所示，是关于上表面基本平坦的活塞的运算结果，几何压缩比为11.2。线L1，如图5A所示，是关于上表面基本平坦的活塞的运算结果，几何压缩比为15.0。与线L0相比，在火焰传播的初期，火焰与燃烧室内壁的干涉开始。 
线L31～线L34是关于如图1B所示那样的在上表面设置有碗形的凹部的活塞的运算结果，它们是改变凹部的大小或凹部以外的活塞上表面的形状的结果。几何压缩比在14.0～15.0的范围内。在使用这些活塞的情况下，与线L1表示的活塞相比，伴随火焰传播的、火焰与燃烧室内壁的干涉程度徐缓。而且，通过设置凹部，在容积V2/容积V1的值为10％～20％的范围，干涉面积S/容积V2的值较小。 
线L4是关于如图5B所示那样的在上表面设置有隆起部32′以及角形的凹部33′的活塞的运算结果。几何压缩比在14.0～15.0的范围内。与线L1表示的活塞相比，伴随火焰传播的、火焰与燃烧室内壁的干涉程度徐缓。但是，与线L31～L34的活塞相比，设置凹 部引起的干涉面积S/容积V2的值的影响小。这意味着火焰与凹部内壁的干涉，比线L31～线L34的活塞发生得还早。 
接下来，对燃耗的测量结果进行说明。如上所述，燃耗的测量是依次替换用于实验的多种活塞，在同一条件下进行的。并且，针对多种的容积V2/容积V1中的每一个，以燃耗改善率和干涉面积S/容积V2的关系，对测量结果进行了综括。燃耗改善率是以任意一个活塞作为基准模型，并以其燃耗为基准算出的。在几何压缩比与基础模型不相同的情况下，根据其几何压缩比对燃耗改善率进行修正运算，以作为几何压缩比相同的情况下的燃耗改善率(推定值)。 
图4B表示以燃耗改善率与干涉面积S/容积V2的关系综括测量结果后的数据的一部分的图，是容积V2/容积V1的值为某一值时的数据。点P1和点P2是几何压缩比与基础模型的几何压缩比相同的活塞的燃耗改善率。点P3是几何压缩比与基础模型的几何压缩比不相同的活塞的燃耗改善率，该活塞的燃耗改善率为点P3′，点P3是对其进行修正运算而得到的。 
另外，当对图4B所示的表示燃耗改善率与干涉面积S/容积V2的关系的数据，在容积V2/容积V1的值为0～40％的范围，进行多个种类的综括时，能够看出燃耗改善率与干涉面积S/容积V2之间有相关关系的，是容积V2/容积V1的值为15％的时候。图6是表示容积V2/容积V1的值为15％时的燃耗改善率与干涉面积S/容积V2的关系的图。 
如图6所示，随着干涉面积S/容积V2的值小于约0.12(mm-1)，燃耗改善率急剧上升，在0.10(mm-1)以下时尤为显著。因此，在满足V2＝0.15×V1的关系来设定了半径r的情况下，通过以满足S/V2≤0.12(mm-1)的关系来设计燃烧室4的形状，可以更切实地改善燃耗，特别是在满足S/V2≤0.10(mm-1)的关系时，能够更加切实地改善燃耗。 
图6所示的相关关系，是在几何压缩比为14.0至15.0的条件下通过实验得到的。因此，在几何压缩比为14.0以上，或者14.5以上的高压缩比的发动机中，可以说以满足S/V2≤0.12(mm-1)的关系来设计燃烧室4的形状，对改善燃耗是有效的。另外，若几何压缩比下降，燃烧室容积便相对地增大从而火焰传播性改善，因此，可以说在几何压缩比小于14.0的发动机中也存在上述相关关系，不过，为兼顾由高压缩比带来的热效率提高，几何压缩比应该至少设定为13.0以上。 
另外，如几何压缩高，则担心爆震等异常燃烧，但如上述实施方式那样，在设置向燃烧室4内直接喷射燃料的喷射器5的情况下，由于燃烧室4内的温度基于燃料的汽化潜热 而冷却，所以即使在几何压缩比高的情况下，也能防止爆震等异常燃烧的发生，能够稳定燃烧状态并能实现燃耗的改善。 
另外，作为将容积V2/容积V1的值为15％的情况下的干涉面积设定得较小的方法，例如有以火焰不与活塞30干涉地来形成活塞30的方法。为此，在以满足V2＝0.15×V1的关系来设定了半径r的情况下，以假想球体IS不与活塞30的上表面31干涉地来形成活塞30即可。由此可以促进向活塞30的运动方向亦即Z方向的下方向的火焰传播，提高发动机的热效率。这样的方案，例如可以通过适宜设计上述活塞30的凹部33的形状来实现。 
接下来，对以半径r和容积V2以及面积S的关系作为燃耗改善的评价指标在计算机上设计发动机时的步骤的例子进行说明。图7是表示以半径r和容积V2以及面积S的关系作为燃耗改善的评价指标的情况下的计算机所执行的处理的例子的流程图。 
在Q1中，读入规定燃烧室4的发动机构成部件的设计数据。各构成部件，例如以三维的固体模型来定义。在Q2中，基于在Q1中读入的设计数据运算容积V1。在Q3中对假想球体IS的半径r设定初始值。初始值既可以预先设定在程序中，也可以由用户设定。在Q4中基于在Q3中设定的半径r运算假想球体IS的容积。在Q5中，算出假想球体IS与构成燃烧室4的构成部件的干涉部分，计算其容积。 
在Q6中，通过从在Q4中运算出的假想球体IS的容积中减去在Q5中运算出的干涉部分的容积来运算容积V2。在Q7中判定在Q6中运算出的容积V2是否为在Q2中运算出的容积V1的15％。若是“是”则进入Q9，若是“否”则进入Q8。在Q8中，改变半径r的值并返回Q4，重复进行Q4～Q8的处理，直到在Q7中容积V2为容积V1的15％。进行Q8中的半径r变更时，例如可以以每次增加或减少规定值的量来进行。 
在Q9中，对容积V2为容积V1的15％时的面积S进行运算。在Q10中，运算S/V2，并输出运算结果。设计人员根据运算结果可以判断改变或接受构成部件的设计。若运算结果例如超过0.12(mm-1)则设计人员需重新设计构成部件。作为重新设计的构成部件的对象，可以是限定燃烧室4的任意构成部件，但从设计自由度的角度出发，活塞30较为方便。 
通过在计算机上进行这样的处理，设计人员即使不重复进行制作试验品→实机试验→重新设计这些步骤，也可以预想一定程度的燃耗改善，从而可进行高效率的设计。 

Claims (10)

1.一种内燃发动机，包括气缸、在汽缸内进行往复运动的活塞、在与所述气缸及所述活塞之间形成燃烧室的汽缸盖、以及安装在汽缸盖上的火花塞，其特征在于：
几何压缩比被设定为13.0以上，
当设所述活塞位于上止点时的燃烧室的容积为V1mm3、设以所述火花塞的点火点为中心的半径为r的假想球体中的、所述活塞位于上止点时不与燃烧室内壁干涉的非干涉部分的容积为V2mm3、设所述活塞位于上止点时所述假想球体与所述燃烧室内壁干涉的干涉面的面积为Smm2的情况下，
以满足V2＝0.15×V1的关系来设定了所述半径r时，
以满足S/V2≤0.12mm-1的关系来形成所述燃烧室。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于：
在以满足V2＝0.15×V1的关系来设定了所述半径r的情况下，
以所述假想球体不与活塞干涉地来形成所述活塞。
3.根据权利要求2所述的内燃发动机，其特征在于：
在所述活塞的上表面设置凹部。
4.根据权利要求3所述的内燃发动机，其特征在于：
将所述凹部设置在所述点火点的下方。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃发动机，其特征在于：
所述汽缸盖中，在与所述活塞的中心轴正交的方向上依次设置有进气门、所述火花塞、以及排气门，
所述活塞的上表面，具有从所述进气门侧以及排气门侧越靠近活塞的中央越向上方隆起的隆起部。
6.根据权利要求5所述的内燃发动机，其特征在于：
每一燃烧室设置有两个所述进气门和两个所述排气门。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃发动机，其特征在于：
具有向所述燃烧室内直接喷射燃料的喷射器。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃发动机，其特征在于：
在以满足V2＝0.15×V1的关系来设定了所述半径r的情况下，
以满足S/V2≤0.10mm-1的关系来形成所述燃烧室。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃发动机，其特征在于：
几何压缩比为14.0以上。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃发动机，其特征在于：
几何压缩比为14.5以上。
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