CN104583556B - 发动机的燃烧室结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发动机的燃烧室结构，其中，进气门的轴线倾斜，而且进气门的头部的下表面中的至少靠近曲轴轴线侧的部分的区域与活塞的顶面之间的间隙越靠近曲轴轴线越宽。位于进气门与隔着曲轴轴线而和该进气门相对的排气门之间的气缸盖的下表面、与位于上止点的活塞的顶面之间的最小间隙设为G1，进气门及排气门均被打开的气门重叠期间的中间点时的进气门的头部的下表面与活塞的顶面的间隙中最靠近曲轴轴线的位置的间隙设为G2时，G2＞G1的关系成立。

Description

发动机的燃烧室结构
技术领域
本发明涉及进行压缩自点火的发动机的燃烧室结构。
背景技术
在使用以汽油为主成分的燃料的发动机中，一般采用利用火花塞强制性地使混合气体点火的火花点火方式。另一方面，最近，为了大幅改善燃耗而有以下的提案：在利用以汽油为主成分的燃料的情况下，将发动机的几何压缩比设为15以上的高压缩比，从而使混合气体压缩自点火(预混合压缩自点火)。
下述的专利文献1公开了一种火花点火式发动机，该发动机虽然并不是压缩自点火式发动机但其几何压缩比被设为13以上的高压缩比，而且其燃烧室采用了屋脊型的燃烧室。并且，燃烧室等各部分的形状以如下方式设定：当以与进气门的往复直线运动方向平行且通过进气门的头部的相互平行的多个假想截面中的燃烧室的各截面积作为Si1，以上述头部与气门座之间的有效开口面积(帘区域面积)作为Si2时，在进气门和排气门均被打开的气门重叠期间的中间点，任一假想截面中均满足Si1≥Si2。由此，从头部的周缘部供应到燃烧室的进气能够顺畅地通过头部的下表面，因此能够提高扫气性及填充效率。
下述的专利文献2公开了一种两冲程柴油发动机，其中，通过使进气门的轴线相对于气缸轴线倾斜等，从而使来自进气门的进气形成为沿着气缸内壁面流动的环流。
此外，为了进行压缩自点火，较为理想的是在气缸内尽可能形成均匀的混合气体，因此，较为理想的是将燃料喷射阀设置在气缸的中央，以使燃料从该燃料喷射阀均匀地喷射到整个气缸内。
但是，在上述般的几何压缩比极大的发动机的气缸内形成足量的均匀的混合气体并不容易。其理由是：在几何压缩比高的发动机中，在活塞的上止点位置及其附近位置，气缸盖下表面与活塞顶面之间的间隙极小，进气门与排气门均被打开的重叠期间中的扫气性恶化。尤其，在活塞顶面上设置有腔部的情况下，该腔部内的扫气会变得不够充分，从而难以对腔内供应足够的进气。这成为导致填充效率下降、甚而输出下降的主要原因。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开公报特开2009-162154号
专利文献2：日本专利公开公报特开平05-113120号
发明内容
本发明鉴于如上所述的情况而作，其目的在于提供一种燃烧室结构，在几何压缩比为15以上的高压缩比发动机中，能够对形成在活塞顶面中央部的腔内充分扫气。
为了实现所述目的，本发明中，为了将供应到燃烧室的进气，尤其是将从远离气缸轴线侧的进气门的头部周缘供应到燃烧室的进气顺畅地导入腔部内，采用了如下的燃烧室结构。
即，本发明的燃烧室结构应用于如下发动机，该发动机包括具有一个以上的气缸的气缸体、从气缸轴线方向的一侧覆盖所述气缸的气缸盖、能够往复运动地插入于所述气缸的活塞、在隔着曲轴轴线的两个区域中的一侧以每一气缸设有两个的方式设置的进气门、在隔着曲轴轴线的两个区域中的另一侧以每一气缸设有两个的方式设置的排气门，至少在低负荷区域进行压缩自点火。所述气缸的几何压缩比被设定为15以上，在所述活塞的顶面的中央部形成有腔部。沿气缸轴线方向观察时，所述各进气门的头部的一部分与所述腔部重叠。用于防止所述各进气门的头部与活塞干涉的气门凹坑以与所述腔部相连的方式形成于所述活塞的顶面。沿曲轴轴线方向观察时，所述进气门的轴线以随着远离所述头部而逐渐离开气缸轴线的方式倾斜，而且，所述头部的下表面中的至少靠近所述曲轴轴线侧的部分的区域与所述活塞的顶面之间的间隙越靠近所述曲轴轴线越宽。位于所述进气门与隔着曲轴轴线而和该进气门相对的排气门之间的所述气缸盖的下表面、与位于上止点的所述活塞的顶面之间的最小间隙设为G1，所述进气门及排气门均被打开的气门重叠期间的中间点时的所述进气门的头部的下表面与活塞的顶面的间隙中最靠近曲轴轴线的位置的间隙设为G2时，G2＞G1的关系成立。
根据本发明，具有下述等优点：在进行压缩自点火的高压缩比发动机中，通过充分进行腔部内的扫气，能够有效提高填充效率。
附图说明
图1是表示应用本发明的燃烧室结构的发动机的具体例的概略剖视图。
图2表示本发明的第一实施方式，是从气缸轴线方向的一侧(上方侧)观察一个气缸时的概略俯视图。
图3是表示第一实施方式中所用的活塞的具体形状的立体图。
图4是从曲轴方向的一侧观察图3的活塞时的侧视图。
图5是从上方观察图3的活塞时的俯视图。
图6是表示进排气门与腔部的位置关系的概略俯视图。
图7是与图2的VII-VII线相当的剖视图。
图8是与图2的VIII-VIII线相当的剖视图。
图9是与图5的IX-IX线相当的剖视图。
图10是与图5的X-X线相当的剖视图。
图11是与图2的XI-XI线相当的剖视图。
图12是表示进排气门的重叠期间的设定例的特性图。
图13是表示用于规定进气门的帘区域面积和进气门的头部下方的间隙面积的假想截面的位置(截切位置)的俯视图。
图14是同时表示帘区域面积和头部下方的间隙面积的截面立体图。
图15是表示帘区域面积和头部下方的间隙面积的具体设定例的特性图。
图16是表示截面位置S-12下的帘区域面积范围的要部俯视图。
图17是表示截面位置S-8下的帘区域面积范围的要部俯视图。
图18是表示截面位置S-4下的帘区域面积范围的要部俯视图。
图19是表示截面位置S0下的帘区域面积范围的要部俯视图。
图20是表示截面位置S4下的帘区域面积范围的要部俯视图。
图21是表示截面位置S8下的帘区域面积范围的要部俯视图。
图22是表示截面位置S0下的头部下方的间隙面积的要部剖视图。
图23是表示截面位置S8下的头部下方的间隙面积的要部剖视图。
图24表示第二实施方式中所用的活塞，是与图5对应的俯视图。
图25表示第二实施方式中所用的活塞，是与图3对应的立体图。
图26表示第二实施方式，是与图11对应的剖视图。
图27表示第三实施方式中所用的活塞，是与图5对应的俯视图。
图28表示第三实施方式，是与图11对应的剖视图。
具体实施方式
图1是表示应用了本发明的第一实施方式所涉及的燃烧室结构的发动机的概略结构的图。该图所示的发动机是搭载于汽车中的直列多缸型的汽油发动机，包括：气缸体20，具有沿与纸面正交的方向排列的多个气缸5(图1中仅示出其中的一个)；气缸盖30，以从上表面覆盖各气缸5的方式安装于气缸体20；活塞10，可往复运动地插入于各气缸5内。在活塞10的上方，形成有容积视活塞10的上下位置而变化的燃烧室。活塞10经由连杆8而与曲轴9连结，对应于活塞10的往复运动，曲轴9绕轴旋转。
各气缸5的几何压缩比，即活塞10位于上止点时的燃烧室容积与活塞10位于下死点时的燃烧室容积之比被设定为15以上。几何压缩比只要为15以上，便能采用适当的值，作为更理想的值，例如能够将几何压缩比设为18。
图2是以俯视的方式表示一个气缸5的图。在该图2及之前的图1中，标号J表示气缸5的中心线即气缸轴线，标号K表示曲轴9的中心线即曲轴轴线。气缸轴线J与曲轴轴线K相互正交。
在气缸盖30上，对每一个气缸5设置有两个进气门1A、1B及两个排气门2A、2B。进气门1A、1B分别具有可封闭气缸盖30上所设的进气口6的圆板状的头部1a、及从头部1a朝上方延伸的阀轴1b。同样，排气门2A、2B分别具有可封闭气缸盖30上所设的排气口7的圆板状的头部2a、及从头部2a朝上方延伸的阀轴2b。
当从气缸轴线J的一侧(上方侧)观察时，进气门1A、1B以沿着曲轴轴线K排列的方式设置在通过曲轴轴线K将气缸5一分为二时的一侧(图1的左侧)的区域中。同样，排气门2A、2B以沿着曲轴轴线K排列的方式设置在通过曲轴轴线K将气缸5一分为二时的另一侧(图1的右侧)的区域中。进气门1A隔着曲轴轴线K而与排气门2A相对，进气门1B隔着曲轴轴线K而与排气门2B相对。
如图12所示，进气门1A、1B与排气门2A、2B在夹着压缩上止点的指定的重叠期间T内同时打开。如此般设置进排气门同时打开的重叠期间T的一个理由是为了排出来自燃烧室的已燃气体(即扫气)。另外，图中的标号Tc表示重叠期间T的中间点。图12的例子中，该重叠期间的中间点Tc被设定在活塞的上止点的稍许提前侧。
在气缸盖30上，对于每一个气缸5设置有一个燃料喷射阀3及两个火花塞(第一、第二火花塞)4A、4B。燃料喷射阀3在各气缸5中，以沿与气缸轴线J一致的方向延伸的方式设置。第一火花塞4A在各气缸5中被设置在两个进气门1A、1B之间，第二火花塞4B在各气缸5中被设置在两个排气门2A、2B之间。
从燃料喷射阀3，与通常的火花点火式发动机同样地喷射以汽油为主成分的燃料。另外，“以汽油为主成分的燃料”表示也可使用含有汽油以外的副成分的燃料。即，本实施方式的发动机中所用的燃料既可为汽油为100％的燃料，也可为在汽油以外含有乙醇等副成分的燃料。
在如上所述的发动机中，在其低负荷区域，进行基于压缩自点火的燃烧，更详细而言，进行基于被称作HCCI(Homogenneous-Charge Compression-Ignition)的预混合压缩自点火的燃烧。
具体而言，在进行压缩自点火的低负荷区域，在远在压缩上止点之前的时间点从燃料喷射阀3喷射燃料。所喷射的燃料一边与被供应到燃烧室的进气混合，一边在活塞10的压缩作用下受热，在活塞10移动到压缩上止点附近的时间点达到自点火。另外，这样的基于压缩自点火的燃烧是在以G/F表示的气体空燃比达到20以上的稀薄环境下进行。此处，G为新空气及EGR气体的合计气体量(重量)，F为燃料量(重量)。
另一方面，在除了进行压缩自点火的运转区域以外的其他运转区域(即发动机的高负荷区域)，进行通过来自火花塞4A、4B的火花点火来使混合气体强制燃烧的火花点火燃烧。具体而言，在发动机的高负荷区域，在即将到压缩上止点之前从燃料喷射阀3喷射燃料，随后，从两个火花塞4A、4B分别供应火花点火的点火能量。进行这样的火花点火时的空燃比是比进行压缩自点火时的空燃比充分富油的值，更详细而言，采用理论空燃比或与其接近的稀薄空燃比。
另外，作为进行火花点火燃烧的运转区域与进行压缩自点火燃烧的运转区域的交界的负荷被设定为，发动机转速越高，则该负荷越靠低负荷侧。
图3～图5是表示活塞10的形状的图。如这些图所示，在活塞10的顶面(上表面)的中央部，形成朝下方(与气缸盖30为相反侧)凹陷的腔部11。腔部11沿气缸轴线方向观察时呈大致圆形，在其中央部形成有山形的突起部11a。
在活塞10的顶面中的除了腔部11以外的部分，形成有沿着与气缸轴线J正交的面扩展的平坦面10a、10b、10c、10d，并且形成有凹陷得比腔部11浅的气门凹坑15A、15B、16A、16B及凹部12A、12B。
具体而言，本实施方式中，在与进气门1A、1B的各头部1a相向的部分的活塞10的顶面上形成有气门凹坑15A、15B，并且在与排气门2A、2B的各头部2a相向的部分的活塞10的顶面上形成有气门凹坑16A、16B。而且，在与第一、第二火花塞4A、4B相向的部分的活塞10的顶面上，以与腔部11相连的方式形成有凹部12A、12B。另外，以下，在区分开来描述上述四个气门凹坑15A、15B、16A、16B的情况下，有时将进气门1A用的气门凹 坑15A称作“第一气门凹坑”，将进气门1B用的气门凹坑15B称作“第二气门凹坑”，将排气门2A用的气门凹坑16A称作“第三气门凹坑”，将排气门2B用的气门凹坑16B称作“第四气门凹坑”。
活塞10的顶面中的除了上述腔部11、气门凹坑15A、15B、16A、16B及凹部12A、12B以外的部分全部为平坦面(10a～10d)。本实施方式中，将位于进气门1A用的第一气门凹坑15A与进气门1B用的第二气门凹坑15B之间的平坦面设为10a，将位于排气门2A用的第三气门凹坑16A与排气门2B用的第四气门凹坑16B之间的平坦面设为10b，将位于进气门1A用的第一气门凹坑15A与排气门2A用的第三气门凹坑16A之间的平坦面设为10c，将位于进气门1B用的第二气门凹坑15B与排气门2B用的第四气门凹坑16B之间的平坦面设为10d。这些平坦面10a、10b、10c、10d的高度被设定为比腔部11的底面、气门凹坑15A、15B、16A、16B的底面及凹部12A、12B的底面都高且全部为同一高度。
如图6所示，进气门1A、1B及排气门2A、2B被设置为，在沿气缸轴线方向观察时，其头部1a、2a的一部分与活塞10的腔部11重叠。
如图7、图8所示，燃料喷射阀3以位于腔部11的突起部11a的正上方的方式设置。而且，如图7所示，第一火花塞4A以其远端(电极部)被收容在凹部12A内的方式设置，第二火花塞4B以其远端(电极部)被收容在凹部12B内的方式设置。
如图7、图8所示，气缸盖30的下表面中的与活塞10的平坦面10a、10b、10c、10d相向的面为沿着与气缸轴线J正交的面扩展的平坦面。由此，上止点时的活塞的平坦面10a～10d与气缸盖30的间隙一样小，因此促进几何压缩比的上升(高压缩比化)与挤流(从燃烧室的周缘部往中心的气流)的形成。而且，如上所述，平坦面10a～10d上方的燃烧室间隙小，因此活塞10位于上止点时的燃烧室容积的大部分便被腔部11占据。
在图3、图5、图11中，标号R1表示进气门1A、1B用的第一、第二气门凹坑15A、15B与和其相邻的平坦面10c、10d的边界位置。该边界位置R1以与曲轴轴线K平行地延伸的方式设定在与进气门1A、1B的各头部1a的中心对应(沿气缸轴线方向观察时与头部1a的中心大致一致)的位置。第一、第二气门凹坑15A、15B形成在与进气门1A、1B的各头部1a相向的部分的活塞10的顶面中的离曲轴轴线K比上述边界位置R1远的一侧的区域中。该第一、第二气门凹坑15A、15B的底面尤其如图11所示，为以随着远离曲轴轴线K而高度逐渐变低的方式倾斜的倾斜面。
比边界位置R1靠近曲轴轴线K的一侧的活塞10的顶面为上述的平坦面10c、10d。即，第一、第二气门凹坑15A、15B在边界位置R1处，与活塞10的平坦面10c、10d无阶差地相连。
如上所述的结构，在排气门2A、2B用的第三、第四气门凹坑16A、16B中也同样。即，当假定了与排气门2A、2B的各头部2a的中心对应且与曲轴轴线K平行的边界位置R2时，第三、第四气门凹坑16A、16B形成在与排气门2A、2B的各头部2a相向的部分的活塞10的顶面中的离曲轴轴线K比上述边界位置R2远的一侧的区域中。该第三、第四气门凹坑16A、16B的底面为以随着远离曲轴轴线K而高度逐渐变低的方式倾斜的倾斜面。
比边界位置R2靠近曲轴轴线K的一侧的活塞10的顶面为上述的平坦面10c、10d。即，第三、第四气门凹坑16A、16B在边界位置R2处，与活塞10的平坦面10c、10d无阶差地相连。
如上所述，本实施方式中，在位于边界位置R1与R2之间的活塞10的顶面上，形成有沿着与曲轴轴线K正交的面扩展的相对较大面积的平坦面10c、10d。若在活塞10的周缘部形成有这样的大面积的平坦面10c、10d，则基于该平坦面10c、10d在活塞10上升时接近气缸盖30，便能在大范围获得良好的挤流。而且，在平坦面10c、10d上难以引起沿周方向流动的进气的气流，因此可抑制从进气门1A侧往排气门2A侧的进气的气流，并且可抑制从进气门1B侧往排气门2B侧的进气的气流。
接下来，参照图11来说明进气门1A与第一气门凹坑15A的关系。进气门1A的阀轴1b沿着与曲轴轴线K正交的平面上设置，另一方面，以相对于气缸轴线J倾斜指定角度θ(此处为5度)的方式设置。具体而言，阀轴1b的中心线以沿曲轴轴线方向观察时，随着远离进气门1A的头部1a(随着往上方)而逐渐离开气缸轴线J的方式倾斜。图11中，以标号J1表示与气缸轴线J平行的假想轴线，该假想轴线J1与阀轴1b的中心线所成的角度表示为上述θ。
第一气门凹坑15A的底面的倾斜角度也设为与上述阀轴1b的倾斜角度θ对应的角度。即，进气门1A的头部1a的下表面与第一气门凹坑15A的底面相互平行。其中，第一气门凹坑15A的边界位置R1位于头部1a的大致中心，因此在比边界位置R1靠近曲轴轴线K的一侧，头部1a的下表面与活塞10的平坦面10c的间隙被设定为，越靠近曲轴轴线K越宽。即，从图11中位于左端的头部1a的周缘部(图2中，尤其是后述的头部1a的第三象限A的周缘部)供应到燃烧室的进气在通过头部1a的下表面时，可顺畅地通过因上述倾斜角度θ的设定而逐渐扩大的上述间隙。尤其，本实施方式中，如图5所示，第一气门凹坑15A的一部分(与相邻的第二气门凹坑15B靠近的部分)与腔部11相连，因此顺畅地流经上述头部1a的下表面的进气被容易地导入腔部11内。
而且，本实施方式中，在第一气门凹坑15A与第三气门凹坑16A之间，形成有相对较大面积的平坦面10c，这也促进进气往上述腔部11内的导入。更具体而言，本实施方式中，位于进气门1A与隔着曲轴轴线K而和该进气门1A相对的排气门2A之间的气缸盖30的下表面、与和该下表面相向的上述活塞10的平坦面10c之间的最小间隙在气门重叠期间的中间点Tc时，为图11所示的值G1。与此相对，若将同样在气门重叠期间的中间点Tc时的进气门1A的头部1a的下表面与平坦面10c的间隙的最大值亦即头部1a中的最靠近曲轴轴线K侧的周缘部(图11的右侧端部)与平坦面10c的间隙设为G2，则该最大间隙G2与上述最小间隙G1的关系为G2＞G1。由此，从进气门1A侧流往排气门2A侧的进气的气流被阻碍，因此进一步促进进气往上述腔部11内的导入。
此处，将沿气缸轴线方向观察时所见的进气门1A的头部1a假想地分为四个区域(象限)。具体而言，如图2所示，将通过进气门1A的头部1a的中心且与曲轴轴线K正交的方向设为X轴，将通过进气门1A的头部1a的中心且与曲轴轴线K平行地延伸的方向设为Y轴。将以该X轴与Y轴将头部1a分成的四个区域中的离气缸轴线J最远的区域设为第三象限A。并且，将在X轴方向上与该第三象限A相邻的区域设为第四象限B，将在Y轴方向上与第三象限A相邻的区域设为第二象限C，将在X轴方向上与第二象限C相邻的区域设为第一象限D。
从头部1a的第三象限A及第四象限B的周缘部供应到燃烧室的进气因上述结构(通过设定倾斜角度θ使间隙G2扩大)而主要往腔部11流动，从而形成在图2中以箭头α所示的气流。另一方面，图2中，将从第三、第四象限A、B往排气门2A侧流动的进气的气流表示为箭头β。但是，该箭头β所示的进气的气流被上述结构(间隙G1的狭小化)阻碍，因此相应地，往箭头α的方向的气流得以强化。通过如此般强化沿箭头α的方向流动的进气的气流，从而促进进气往腔部11内的导入，使腔部11内可充分扫气。
此外，本实施方式中，为了进一步强化箭头α方向的气流，对于进气门1A采用如下结构。
首先，如图13所示，在沿气缸轴线方向观察下，假定连结气缸轴线J与进气门1A的头部1a的中心的虚拟线Z。而且，假定沿着与该虚拟线Z正交且与进气门1A的轴线(阀轴1b的中心线)平行的任意截面截切头部1a，将此时的各截面位置设为Si。另外，该截面位置Si的“i”表示在虚拟线Z上，从头部1a的中心(阀中心)往气缸轴线J侧的离开距离(mm)。因此， 上述“i”在截面位置通过阀中心时为0，在截面位置相对于阀中心朝气缸5的径向外侧(气缸套侧)远离时为负的数值，在截面位置相对于阀中心朝气缸5的径向内侧(气缸轴线J侧)时为正的数值。图13中，作为遵照这样的法则的截面位置的一例，图示了S-12、S-8、S-4、S0、S4、S8。例如，S-12是朝径向外侧离阀中心为-12mm的截面位置，S0是通过阀中心的截面位置，S8是朝径向内侧离阀中心为8mm的截面位置。
此外，本实施方式中，作为上述任意截面位置Si下的进气门1A的特性值，规定图14所示的头部1a的帘区域面积Si＾1与头部1a下方的间隙面积Si＾2。例如，截面位置S-12下的帘区域面积为S-12＾1，截面位置S0下的帘区域面积为S0＾1，截面位置S8下的帘区域面积为S8＾1。而且，截面位置S-12下的头部1a下方的间隙面积为S-12＾2，截面位置S0下的头部1a下方的间隙面积为S0＾2，截面位置S8下的头部1a下方的间隙面积为S8＾2。
此处，“截面位置Si下的帘区域面积Si＾1”是指如图14及图16～图21所示，由气门重叠期间的中间点Tc时的气门座面与落座该气门座面的头部1a之间的最短距离d(图14)、和基于截面位置Si而定的周方向的长度W(图16～图21)所划定的面积，更详细而言，是在上述周方向的长度W的范围对上述最短距离d进行积分所得的值。而且，此处所述的周方向的长度W相当于比截面位置Si更远离气缸轴线J的一侧的区域与头部1a的第三象限A及第四象限B重叠的重叠部分的周缘部的长度。另外，图16～图21中，将帘区域面积Si＾1表示为圆弧状的空心区域。
另一方面，“截面位置Si下的头部1a下方的间隙面积Si＾2”是指如图14所示，由在截面位置Si截切处于重叠期间的中间点Tc的头部1a时的头部1a的截切面的底边的长度L、和从该底边到与该底边相向的活塞10的顶面的间距h所划定的面积，更详细而言，是在上述底边的长度L的范围对上述间距h进行积分所得的值。
图15是表示上述帘区域面积Si＾1与头部1a下方的间隙面积Si＾2的具体的数值例的图形。如该图所示，本实施方式中，在S-12～S8中的任一截面位置下，头部1a下方的间隙面积Si＾2均大于帘区域面积Si＾1，换言之，在所有的截面位置Si下，Si＾2≥Si＾1的关系成立。
另外，如上述实施方式般，仅着眼于头部1a的第三象限A及第四象限B来规定帘区域面积Si＾1是基于如下理由。从头部1a的第三、第四象限A、B以外的区域，即从头部1a的第一象限D或第二象限C的周缘部供应到燃烧室的进气被认为几乎不会绕到头部1a的下方，而是通过第一、第二象限C、D外侧的燃烧室间隙而较顺畅地被导入腔部11内。与此 相对，从头部1a的第三、第四象限A、B的周缘部供应到燃烧室的进气若不通过头部1a的下方就无法顺畅地进入腔部11内。因此，为了使来自上述第三、第四象限A、B的进气容易地绕过头部1a的下方，而满足上述Si^2≥Si^1的关系。
以上，对进气门1A与第一气门凹坑15A的关系及进气门1A的帘区域面积Si^1与头部1a下方的间隙面积Si^2的关系等进行了说明，而另一进气门1B也同样采用这样的与进气门1A相关的结构。
即，进气门1B的轴线相对于气缸轴线J倾斜指定角度θ(此处为5度)。在比与进气门1B对应的气门凹坑15B的边界位置R1更靠近曲轴轴线K的一侧，头部1a的下表面与活塞10的平坦面10d的间隙以越靠近曲轴轴线K则逐渐变得越宽的方式设定。而且，该间隙的最大值(相当于图11的G2)大于平坦面10d上方的最大间隙(相当于图11的G1)。此外，在与连结进气门1B的头部1a的中心与气缸轴线J的虚拟线正交且与进气门1B的轴线平行的任意截面位置下，进气门1B的头部1a下方的间隙面积(相当于图14的Si^2)被设定为帘区域面积(相当于图14的Si^1)以上的值。
而且，排气门2A、2B也同样采用如上所述的与进气门1A、1B相关的结构。
图24～图26表示本发明的第二实施方式。此处，对于与上述实施方式相同的构成要素标注相同的标号并省略其重复说明。
第二实施方式中，气门凹坑15A、15B，16A、16B均以能够全部收纳进排气门的各头部1a、2a的大部分，更详细而言，均以能够全部收纳头部1a、2a中的除了与腔部11重叠的重叠部分以外的部分的方式形成。具体而言，各气门凹坑15A、15B、16A、16B的底面全部是平坦地形成，其高度整体上比活塞10的顶面上的平坦面10a～10d稍(例如1mm)低。
图26表示进气门1A及与其对应的第一气门凹坑15A的截面形状。由该图26可明确的是，进气门1A的头部1a以将第一气门凹坑15A整体地覆盖的方式设置，这些头部1a的下表面与第一气门凹坑15A的间隙整体上越靠近曲轴轴线K则越大。在第一气门凹坑15A与位于比该气门凹坑更靠排气门2A侧的平坦面10c之间形成有阶差P。另外，另一进气门1B与气门凹坑15B的关系及排气门2A、2B与气门凹坑16A、16B的关系也是与此同样地设定。
根据这样的结构，通过平坦面10c(101)上而往排气门2A、2B侧的进气的气流被阶差P阻碍，因此进气往腔部11内的导入得到进一步促进。而且，气门凹坑15A(15B、16A、16B)的形成变得容易。
图27、图28表示本发明的第三实施方式(上述第二实施方式的变形例)。该第三实施方式中，与图24～图26所示的第二实施方式同样，各气门凹坑15A、15B、16A、16B的底面的高度被设定为整体上低于活塞10的平坦面10a、10b、10c、10d。但是，第三实施方式中，不同于上述第二实施方式，气门凹坑15A、15B、16A、16B的底面的一部分为倾斜面。
具体而言，气门凹坑15A(15B、16A、16B)的底面以与头部1a的中心对应的边界位置R1’(R2’、R3’、R4’)为界被分为平坦面与倾斜面。例如，对于气门凹坑15A而言，如图28所示，在比边界位置R1’更远离曲轴轴线K的一侧的区域，形成有越远离曲轴轴线K则高度越低的倾斜面。与此相对，比边界位置R1’更靠近曲轴轴线K的一侧的区域为平坦面。在该气门凹坑15A的平坦面与位于比平坦面更靠排气门2A侧的活塞10的平坦面10c之间形成有阶差P。
以上，对本发明的理想实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述各实施方式，其能够在发明内容所记载的范围内进行适当的变更。
例如，也可仅使进气门1A、1B的轴线(阀轴1b的中心线)相对于气缸轴线J倾斜，而另一方面，将排气门2的轴线设定为与气缸轴线J平行。由此，能够获得更平坦的形状的燃烧室。另外，也可使进气门1A、1B的轴线向在沿气缸轴线方向观察时连结进气门1的头部1a的中心与气缸轴线J的虚拟线的方向(图24中以箭头δ所示的方向)倾斜。此时，气门凹坑15A、15B的底面以越往气缸5的径向外侧则高度越低的方式形成。
此外，上述实施方式中，对将本发明的燃烧室结构应用于搭载在汽车中的直列多缸发动机(沿着曲轴轴线K排列有多个气缸5的发动机)的例子进行了说明，但本发明的燃烧室结构并不限于汽车用发动机，其也能够在适当用途的发动机中被采用。而且，发动机的气缸数及气缸的排列形式并无特别限定。因此，本发明的燃烧室结构能够适用于例如V型多气缸发动机或单气缸发动机等适当形式的发动机。
另外，上述实施方式中，对将本发明的燃烧室结构应用于仅在低负荷区域进行压缩自点火的发动机的例子进行了说明，但本发明的燃烧室结构对于在低负荷区域以外的运转区域也能够进行压缩自点火的发动机，例如在负荷方向的整个区域能够进行压缩自点火的发动机，也能够良好地予以应用。
<实施方式的总结>
最后，对上述实施方式中公开的特征结构及基于该特征结构的作用效果进行总结说明。
上述实施方式的燃烧室结构应用于如下发动机，该发动机包括具有一个以上的气缸的气缸体、从气缸轴线方向的一侧覆盖所述气缸的气缸盖、能够往复运动地插入于所述气缸的活塞、在隔着曲轴轴线的两个区域中的一侧以每一气缸设有两个的方式设置的进气门、在隔着曲轴轴线的两个区域中的另一侧以每一气缸设有两个的方式设置的排气门，至少在低负荷区 域进行压缩自点火。所述气缸的几何压缩比被设定为15以上，在所述活塞的顶面的中央部形成有腔部。沿气缸轴线方向观察时，所述各进气门的头部的一部分与所述腔部重叠。用于防止所述各进气门的头部与活塞干涉的气门凹坑以与所述腔部相连的方式形成于所述活塞的顶面。沿曲轴轴线方向观察时，所述进气门的轴线以随着远离所述头部而逐渐离开气缸轴线的方式倾斜，而且，所述头部的下表面中的至少靠近所述曲轴轴线侧的部分的区域与所述活塞的顶面之间的间隙越靠近所述曲轴轴线越宽。位于所述进气门与隔着曲轴轴线而和该进气门相对的排气门之间的所述气缸盖的下表面、与位于上止点的所述活塞的顶面之间的最小间隙设为G1，所述进气门及排气门均被打开的气门重叠期间的中间点时的所述进气门的头部的下表面与活塞的顶面的间隙中最靠近曲轴轴线的位置的间隙设为G2时，G2＞G1的关系成立。
根据该结构，从进气门的头部中的远离气缸轴线的一侧的区域的周缘部供应到燃烧室的进气通过倾斜的进气门的头部下方而被导入到腔部内，因此能够促进进气往腔部内的导入，从而能够充分进行腔部内的扫气。
所述燃烧室结构中较为理想的是，所述气门凹坑是对应于所述两个进气门而分别设置的第一气门凹坑及第二气门凹坑，在位于该第一、第二气门凹坑之间的活塞顶面的周缘部，形成有高度比两气门凹坑的底面高的平坦面。
根据该结构，既能充分实现几何压缩比的上升(高压缩比化)，又能进一步促进腔部内的扫气。
所述燃烧室结构中较为理想的是，假定由与连结气缸轴线和进气门的头部中心的虚拟线正交且与所述进气门的轴线平行的任意截面来截切所述头部时的各截面位置为Si，截面位置Si下的进气门的帘区域面积为Si＾1，截面位置Si下的所述头部下方的间隙面积为Si＾2时，Si＾2≥Si＾1的关系成立。此处，“截面位置Si下的帘区域面积Si＾1”是指由所述气门重叠期间的中间点时的气门座面与落座该气门座面的所述头部之间的最短距离、和比所述截面位置Si更远离气缸轴线的一侧的区域与所述头部的第三象限及第四象限重叠的重叠部分的周方向的长度所划定的面积，“截面位置Si下的头部下方的间隙面积Si＾2”是指由在截面位置Si截切处于所述重叠期间的中间点的所述头部时的头部的截切面的底边的长度、和从该底边到与该底边相向的活塞顶面的间距所划定的面积，“头部的第三象限”是指在沿气缸轴线方向观察的情况下，由通过所述进气门的头部中心且与曲轴轴线正交的X轴、和通过所述进气门的头部中心且与曲轴轴线平行的Y轴将所述头部分为四个区域时，位于离气缸轴线最远处的区域，“头部的第四象限”是指在所述X轴方向上与所述第三象限相邻的区域。
根据该结构，从进气门的头部的周缘部供应到燃烧室的进气在通过头部的下表面时不会受到大的阻力，而可顺畅地流向腔部，因此能够进一步促进上述的腔部内的扫气。
所述燃烧室结构中较为理想的是，所述活塞顶面中的除了所述气门凹坑及所述腔部以外的大部分的部位为沿着与气缸轴线正交的面扩展的平坦面，所述气缸盖下表面中的与所述活塞顶面的所述平坦面相向的部分为沿着与气缸轴线正交的面扩展的平坦面。
根据该结构，能够在活塞的周缘部的大部分确保大面积的平坦面，因此能够形成均匀的挤流，从而能够实现均匀的燃烧。
所述结构中更为理想的是，所述气门凹坑的底面在比与所述进气门的头部中心对应的边界位置更远离曲轴轴线的一侧的区域，具有随着远离曲轴轴线而高度逐渐变低的倾斜面，所述进气门的头部的下表面与所述气门凹坑的倾斜面被设定为平行。
该结构中，气门凹坑的底面的至少一部分为与进气门的头部的下表面平行的倾斜面。这样，有助于获得高的几何压缩比。
所述结构中更为理想的是，所述气门凹坑在与所述进气门的头部中心对应的边界位置，与所述活塞顶面的平坦面无阶差地相连。
这样的结构既有助充分确保挤流区域，又有助于获得高的几何压缩比。
作为与该结构不同的技术方案，也可采用如下结构：所述活塞顶面中的与位于所述进气门与隔着曲轴轴线而和该进气门相对的排气门之间的气缸盖的下表面相向的部分为平坦面，所述气门凹坑的底面的高度整体上低于该平坦面。
根据该结构，由于在气门凹坑与平坦面之间形成阶差，因此能够有效抑制从进气门的头部周缘供应到燃烧室的进气直接流向排气门侧的状况。
所述燃烧室结构中较为理想的是，在所述两个进气门之间设置有火花塞。
在如此般在两个进气门之间设置有火花塞的情况下，例如在发动机的高负荷区域进行基于火花点火的强制燃烧的情况下，能够加快燃烧速度。
所述结构中更为理想的是，在所述两个排气门之间也设置有火花塞。
根据该结构，能够进一步加快上述火花点火燃烧时的燃烧速度。
所述结构中更为理想的是，在所述活塞顶面中的位于设置在所述两个进气门之间的火花塞下方的位置、及位于设置在所述两个排气门之间的火花塞下方的位置，分别形成有与所述腔部相连的凹部。
根据该结构，从两个进气门的头部周缘供应到燃烧室的进气容易通过火花塞用的凹部而被导入到腔部内，从而能够进一步促进上述腔部内的扫气。
产业上的可利用性
本发明在例如汽车用发动机的领域中尤其具有较佳的可利用性。

Claims (10)

1.一种发动机的燃烧室结构，其特征在于，
所述发动机包括具有一个以上的气缸的气缸体、从气缸轴线方向的一侧覆盖所述气缸的气缸盖、能够往复运动地插入于所述气缸的活塞、在隔着曲轴轴线的两个区域中的一侧以每一气缸设有两个的方式设置的进气门、在隔着曲轴轴线的两个区域中的另一侧以每一气缸设有两个的方式设置的排气门，至少在低负荷区域进行压缩自点火，所述燃烧室结构中，
所述气缸的几何压缩比被设定为15以上，
在所述活塞的顶面的中央部形成有腔部，
沿气缸轴线方向观察时，所述各进气门的头部的一部分与所述腔部重叠，
用于防止所述各进气门的头部与活塞干涉的气门凹坑以与所述腔部相连的方式形成于所述活塞的顶面，
沿曲轴轴线方向观察时，所述进气门的轴线以随着远离所述头部而逐渐离开气缸轴线的方式倾斜，而且，所述头部的下表面中的至少靠近所述曲轴轴线侧的部分的区域与所述活塞的顶面之间的间隙越靠近所述曲轴轴线越宽，
位于所述进气门与隔着曲轴轴线而和该进气门相对的排气门之间的所述气缸盖的下表面、与位于上止点的所述活塞的顶面之间的最小间隙设为G1，所述进气门及排气门均被打开的气门重叠期间的中间点时的所述进气门的头部的下表面与活塞的顶面的间隙中最靠近曲轴轴线的位置的间隙设为G2时，G2＞G1的关系成立。
2.根据权利要求1所述的发动机的燃烧室结构，其特征在于：
所述气门凹坑是对应于所述两个进气门而分别设置的第一气门凹坑及第二气门凹坑，在位于该第一、第二气门凹坑之间的活塞顶面的周缘部，形成有高度比两气门凹坑的底面高的平坦面。
3.根据权利要求1或2所述的发动机的燃烧室结构，其特征在于：
假定由与连结气缸轴线和进气门的头部中心的虚拟线正交且与所述进气门的轴线平行的任意截面来截切所述头部时的各截面位置为Si，截面位置Si下的进气门的帘区域面积为Si＾1，截面位置Si下的所述头部下方的间隙面积为Si＾2时，Si＾2≥Si＾1的关系成立，其中，
截面位置Si下的帘区域面积Si＾1是指由所述气门重叠期间的中间点时的气门座面与落座该气门座面的所述头部之间的最短距离、和比所述截面位置Si更远离气缸轴线的一侧的区域与所述头部的第三象限及第四象限重叠的重叠部分的周方向的长度所划定的面积，
截面位置Si下的头部下方的间隙面积Si＾2是指由在截面位置Si截切处于所述重叠期间的中间点的所述头部时的头部的截切面的底边的长度、和从该底边到与该底边相向的活塞顶面的间距所划定的面积，
头部的第三象限是指在沿气缸轴线方向观察的情况下，由通过所述进气门的头部中心且与曲轴轴线正交的X轴、和通过所述进气门的头部中心且与曲轴轴线平行的Y轴将所述头部分为四个区域时，位于离气缸轴线最远处的区域，
头部的第四象限是指在所述X轴方向上与所述第三象限相邻的区域。
4.根据权利要求1或2所述的发动机的燃烧室结构，其特征在于：
所述活塞顶面中的除了所述气门凹坑及所述腔部以外的大部分的部位为沿着与气缸轴线正交的面扩展的平坦面，
所述气缸盖下表面中的与所述活塞顶面的所述平坦面相向的部分为沿着与气缸轴线正交的面扩展的平坦面。
5.根据权利要求4所述的发动机的燃烧室结构，其特征在于：
所述气门凹坑的底面在比边界位置更远离曲轴轴线的一侧的区域，具有随着远离曲轴轴线而高度逐渐变低的倾斜面，在沿气缸轴线方向观察时，所述边界位置以与曲轴轴线平行地延伸的方式设定在与所述进气门的头部中心一致的位置，
所述进气门的头部的下表面与所述气门凹坑的倾斜面被设定为平行。
6.根据权利要求5所述的发动机的燃烧室结构，其特征在于：
所述气门凹坑在与所述进气门的头部中心对应的边界位置，与所述活塞顶面的平坦面无阶差地相连。
7.根据权利要求4所述的发动机的燃烧室结构，其特征在于：
所述活塞顶面中的与位于所述进气门与隔着曲轴轴线而和该进气门相对的排气门之间的气缸盖的下表面相向的部分为平坦面，所述气门凹坑的底面的高度整体上低于该平坦面。
8.根据权利要求1或2所述的发动机的燃烧室结构，其特征在于：
在所述两个进气门之间设置有火花塞。
9.根据权利要求8所述的发动机的燃烧室结构，其特征在于：
在所述两个排气门之间也设置有火花塞。
10.根据权利要求9所述的发动机的燃烧室结构，其特征在于：
在所述活塞顶面中的位于设置在所述两个进气门之间的火花塞下方的位置、及位于设置在所述两个排气门之间的火花塞下方的位置，分别形成有与所述腔部相连的凹部。
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