CN1068170A - 直接喷射式压缩点火内燃机 - Google Patents

Abstract

一种直接喷射式压缩点火内燃机，在其活塞(2) 的顶部形成的凹槽(7)内形成有碰撞面(13)，从燃料 喷射阀(15)向碰撞面(13)以连续液体流的形态喷射 燃料。从燃料喷射阀(15)的燃料喷射开始时间设定 在压缩上死点附近，使初期燃烧在凹槽(7)内进行。 由在压缩上死点后活塞(2)下降时发生的逆挤气流将 在碰撞面(13)碰撞后的燃料引入挤气区(23)，继续初 期燃烧的大部分燃烧在压缩上死点后在挤气区(23) 内进行。

Description

本发明是有关直接喷射式压缩点火内燃机的。

在活塞顶部上形成的凹槽的中心部形成碰撞面，使从燃料喷射阀喷射来的燃料在碰撞面碰撞，碰撞后的燃料从碰撞面向凹槽的周边方向飞散，继而使飞散的燃料由火花塞或热线点火塞点火的内燃机，已经由本申请人提出申请（参照特开昭63-120815号公报）。这个内燃机是用火花塞或热线点火塞给燃料点火的，其后经过研究，把利用这种碰撞作用的燃料喷雾的形成方法，运用到压缩点火内燃机，则点火延迟时间极短，从而可得到压力缓和上升的燃烧。对于这样的压缩点火内燃机也已由本申请人提出申请（参照PCT/JP90/00718）。这种压缩点火内燃机与一般的压缩点火内燃机同样，其实质是使全部的喷射燃料在活塞顶部上形成的凹槽内燃烧。

然而在活塞顶部上形成的凹槽，为使全部喷射燃料能够燃烧，本来就具有能收容足够量空气的容积。所以如能够将凹槽内的空气全部利用于燃烧，则如上所述，将全部喷射燃料在活塞的凹槽内燃烧，也能够得到良好的燃烧。然而为使凹槽内的全部空气利用于燃烧，必须使喷射燃料在凹槽内全部均匀地分布着，可是像这样使喷射燃料均匀地分布在凹槽内，不用说一般的压缩点火内燃机，即使是使喷射燃料在碰撞面碰撞的压缩点火内燃机也比较困难。所以实际上，使喷射燃料在活塞的凹槽内全部燃烧，会造成空气利用率不充分，有发生大量未燃HC（碳氢化合物）和烟雾的问题。

本发明的目的是在于提供使用新的燃烧方法，大幅度地抑制有害成分和烟雾的发生，同时并能大幅度地提高热效率的压缩点火内燃机。

按照本发明，在活塞顶部上形成凹槽的同时，在凹槽中心部上方汽缸盖内壁面上配置燃料喷射阀，在燃料喷射阀的下方设置具有碰撞面的碰撞部，使从燃料喷射阀喷射来的燃料与碰撞面相碰撞，碰撞后的喷射燃料从碰撞面向凹槽的半径方向飞散的直接喷射式内燃机上，提供一种将燃料喷射开始时间设定在压缩上死点附近，使初期燃烧在凹槽内进行的同时，使继续初期燃烧的剩余的大部分燃烧在凹槽周围的活塞顶部与汽缸盖内壁面之间进行的直接喷射式压缩点火内燃机。

下面参照附图，通过对本发明实施例的描述来进一步说明本发明。

图1是直接喷射式压缩点火内燃机的侧面断面图，图2是活塞的平面图，图3是汽缸盖的底面图，图4是燃料喷射阀端部的放大侧面断面图，图5是图4沿着Ⅴ-Ⅴ线看的断面图，图6是表示燃料喷射时间的图，图7是表示燃料喷射开始后不久的内燃机的侧面断面图，图8是表示燃料喷射完了前不久的内燃机的侧面断面图，图9是表示喷雾模态的活塞凹槽平面图，图10是表示直接喷射式压缩点火内燃机的另一实施例的侧面断面图，图11是一般的直接喷射式压缩点火内燃机的侧面断面图，图12是图11所示活塞的平面图。

图中：

2-活塞

3-汽缸盖

4-燃烧室

7-凹槽

13-碰撞面

14-第二凹槽

15-燃料喷射阀

23-挤气区

参照图1到图3，1是汽缸体、2是在汽缸体1内往复运动的活塞、3是在汽缸体1上安装的汽缸盖、4是在活塞2和汽缸盖3之间形成的燃烧室、5是一对吸气阀、6是一对排气阀。在活塞2的平坦的顶部2a的中央形成凹槽7、在凹槽7的周壁上方部形成向内侧突出的唇部8。由于这个唇部8，形成了具有断面积比凹槽7中间部的断面积小的凹槽上部开口9。在这个凹槽上部开口9的周缘部，形成具有成等角度间隔的圆弧状的凹部10。

在凹槽7的底壁面中央部成整体地形成向上方突出的支撑部件11，在这个支撑部件11的顶部，成整体地形成碰撞部件12，在这个碰撞部件12的顶部形成有略呈平坦的碰撞面13。在汽缸盖3的平坦内壁面3a的中央部形成有覆盖着全部凹槽7的上部开口9的第2凹槽14，在碰撞面13上方的第2凹槽14的中央部配置有燃料喷射阀15。

在从图1到图3所示的实施例中，如图4及图5所示，燃料喷射阀15具备有成圆筒状的喷咀16和控制喷咀16开闭的针阀17。针阀17与喷咀16同轴，且具有比喷咀16略小些的小径的端部18，在这个端部18的外周面上有由成等角度间隔的四个平坦面形成的缺口19。其次，在针阀17的受压面20周围形成的燃料贮槽21上，连结有与针阀17的轴线相对的点对称地配置着的几个燃料供给通路22。从燃料泵（图未示出）吐出的高压燃料通过各燃料供给通路22供给燃料槽21，燃料槽21内的燃料压力超过一定压力时，针阀17则上升，燃料从喷咀16喷出。

从燃料喷射阀15向着碰撞面13的中央部进行燃料喷射，这个燃料喷射的实际喷射时间表示在图6。在图6中，θS是表示喷射开始时间，θE表示喷射终了时间。此外，在图6中，横轴是表示内燃机的负荷。从图6可以知道，在内燃机低负荷运转时，是在压缩上死点TDC后燃料开始喷射，从而在这时全部喷射燃料是在压缩上死点TDC后被喷射出来。另一方面喷射开始时间θS随着内燃机负荷增高而被提前，内燃机负荷增高后，燃料喷射则在比压缩上死点TDC稍前的时间开始。像这样，喷射开始时间θS虽被提前，但压缩上死点TDC后的喷射期间仍比压缩上死点TDC前的喷射期间长很多，所以可以看出大部分的喷射燃料是在压缩上死点TDC后被燃烧的。

图7是表示燃料喷射开始后不久的情况，图8是表示燃料喷射终了之前不久的情况。图9是表示燃料与碰撞面13碰撞时扩散的情况。

如图7所示，活塞2靠近上死点TDC时，在活塞顶部2a的周边部和汽缸盖内壁面3a的周边部之间形成挤气区23，从这个挤气区23出来的挤气流如箭头S所示，向凹槽7内喷出。

活塞2到达上死点附近时，如在图7中以下所示的那样从燃料喷射阀15，燃料以连续液体流的形态，向着碰撞面13的中央部喷射，这个喷射燃料F是在碰撞面13的中央部以连续液体流的形态碰撞。此时，一部分喷射燃料由于碰撞能量作用立刻雾化，残余的燃料则以液膜流的形态向碰撞面13的周缘部四方流散。紧接着这个液膜流在碰撞面13的周缘部分裂成燃料微粒，这个燃料微粒从碰撞面13向四方飞散。这样，如图9所示，在凹槽7内从碰撞面13向凹槽7的周边部形成燃料喷雾。由于与碰撞部13的碰撞立刻雾化的燃料没有贯穿力，所以这个雾化的燃料就集合于碰撞面13的周围。因为燃料喷射是在压缩上死点TDC的附近进行，所以进行燃料喷射时，燃烧室4内的压力和温度都变得相当高。从而与碰撞面13碰撞的燃料，不论雾化与否都被点火，所以点火延迟时间可以很短。其次，最先被点火的燃料是集中于碰撞面13周围的雾化了的燃料，所以燃料点火就是从凹槽7的中心部开始的。接着，点火的火焰从碰撞面13的周围向凹槽7的周边部四方传播，在凹槽7内进行初期燃烧。从图6上可以看出，在内燃机低负荷运转时这个初期燃烧是在压缩上死点TDC后进行，在内燃机高负荷运转时这个初期燃烧是在压缩上死点TDC附近进行。

接着，活塞2开始下降时，如图8上用R表示的那样，产生了将凹槽7内的可燃气引入挤气区23内的逆挤气流。还有，凹槽7内的燃料喷雾G进行初期燃烧时，凹槽7内的可燃气膨胀，其结果是凹槽7内的燃气及空气，通过凹槽7的上部开口9从凹槽7内流出。从而凹槽7内的燃气及空气，由于逆挤气流R及凹槽7内的燃气的膨胀作用，被送入挤气区23内。此时与碰撞面13碰撞向四方飞散的燃料喷雾G及点火火焰，由于从凹槽7内流向挤气区23内的燃气及空气的作用，顺次地被导入挤气区23内，被送入挤气区23内的燃料喷雾G则在挤气区23内顺次地被燃烧。

所以，本发明中，是在凹槽7内进行初期燃烧后的压缩上死点TDC后，在挤气区23内进行后期燃烧。从图6可以看出，即使内燃机高负荷运转时，大部分的燃料也在压缩上死点TDC后喷射，所以大部分的喷射燃料就是在压缩上死点TDC后，在挤气区23内被燃烧的。这样，在压缩上死点TDC后进行大部分的燃烧时，燃烧能量的大部分可有效地转换为输出力矩，于是就可以提高热效率。

然而，在本发明中，像这样能使大部分的喷射燃料在压缩上死点TDC后良好地燃烧，是因为使喷射燃料与碰撞面13碰撞成为微粒化燃料，并从碰撞面13向四方飞散，并使之在挤气区23内燃烧而做到的。即，将这样微粒化的燃料从碰撞面13向四方飞散使之雾化，在发生逆挤气流R时，被顺次喷射的燃料大部分被吸入挤气区23内，并且此时被顺次喷射的燃料在挤气区23内的全区域内比较均匀地分散着。还有，在凹槽7内虽然进行了初期燃烧，在凹槽7仍存在大量未参与燃烧的空气，所以由于初期燃烧在凹槽7内的可燃气膨胀作用以及由逆挤气流R将凹槽7内的可燃气送入挤气区23内时，在这个可燃气中含有的大量空气可以和燃料喷雾G充分地混合。其结果是即使在压缩上死点TDC后也能够得到良好的燃烧。

此外，如上所述，为了在压缩上死点TDC后能够得到良好的燃烧，就有必要将与碰撞面13碰撞的燃料从碰撞面13使之向四方飞散。为此，必须从燃料喷射阀15将燃料以连续液体流的形态喷射，使这个喷射燃料以未被雾化的液体形态在碰撞面13上碰撞。在这种情况下，不用说，阻止从燃料喷射阀15喷射出来的全部燃料雾化是不可能的，所以实际上从燃料喷射阀15喷射出来的燃料中的一部分是以未被雾化的液体形态在碰撞面13上碰撞的，此时，燃料有以连续液体流的形态在碰撞面13上与之碰撞的情况，也有以喷射后分裂的液体块状形态在碰撞面13上与之碰撞的情况。无论哪种情况在本发明中，因为是通过将喷射燃料与碰撞面13碰撞而将其雾化，所以将喷射燃料以尽可能的高速度与碰撞面13碰撞是有必要的，为此燃料从燃料喷射阀15以连续液体流的形态喷射。即，因为以连续液体流的形态喷射出来的燃料具有很大的贯穿力，所以在与碰撞面碰撞之前几乎不减速。所以以燃料喷射阀15喷射出来的燃料，即使燃料喷射压为100-150kg/Cm²左右的低压，也能将喷射燃料以高速度与碰撞面13碰撞。其结果是碰撞的燃料从碰撞面13向四方飞散，这样，在压缩上死点TDC后大部分燃料就能在挤气区23内得到良好地燃烧。

其次，如前所述，将喷射燃料在碰撞面13碰撞，点火延迟时间就会缩短，并且最初的点火是在碰撞面13周围凹槽7的中心部进行。紧接着凹槽7内的可燃气膨胀、发生逆挤气流R时，燃料喷雾G一面向四方扩布，一面向挤气区23内扩散。换句话说，燃料喷雾G是一面在空气中分散一面扩展出去。此时因为火焰像追赶着在空气中分散并扩展着的燃料喷雾G似的传播开去，所以挤气区23内的燃料喷雾G是在各燃料微粒子的周围有充足的空气存在的状态下燃烧的，于是能得到不产生未燃烧的HC、也不产生煤烟的良好燃烧。另外，从凹槽7内向挤气区23内扩散的可燃气中含有燃气，这个燃气对在挤气区23内的后期燃烧可完成内部EGR（排气循环）作用。所以，由于适度地抑制了燃烧速度，最高燃烧温度就变低，于是就可以抑制发生NO_X。这就是本发明的基本的燃烧方法。

如前所述，如果在压缩上死点TDC后进行大部分的燃烧，则大部分的燃烧能量可有效地转换为输出力矩，所以能够提高热效率。这是周知的。但是，这种热效率的提高是在压缩上死点TDC后能够进行良好的燃烧的情况下得到的。然而在一般的直接喷射式压缩点火内燃机中，当大部分燃烧在压缩上死点TDC后进行时，燃烧会恶化，提高热效率是不可能的。以下参照图11及图12对这个问题加以说明。

图11及图12表示的是有4个孔的喷咀的燃料喷射阀a，从各喷咀孔将燃料F向着活塞b的凹槽C的内周壁面喷射的压缩点火内燃机。在这种压缩点火内燃机上，如图12上箭头S所示的涡流，使之在凹槽C内发生，由这个涡流S将喷射燃料F在凹槽C内扩散。然而在这种压缩点火内燃机上，例如也将喷射开始时间定在上死点附近，从燃料喷射阀a将燃料F喷射出来时，从凹槽C向着挤气区d发生逆挤气流。但是，像这样在从各喷咀孔向凹槽C的内周壁面喷射燃料时，各喷射燃料F的贯穿力很强，从而被涡流S扩散的极少一部分燃料，被逆挤气流导入挤气区d内，但各喷射燃料F的主流并未被导入挤气区d而流向凹槽C的内周壁面。即，在这样的压缩点火内燃机上，即使将燃料在压缩上死点TDC后喷射，大部分的喷射燃料也是被供给到凹槽C内，就在凹槽C内被燃烧。

然而像这样大部分的喷射燃料在凹槽C内燃烧的情况下，因为不能充分利用凹槽C内的空气，所以不能得到良好的燃烧，于是就像前边开始时所说的会发生大量的未燃HC（碳氢化合物）和烟雾。这种情况，即使使用具有4个以上的多孔喷咀的燃料喷射阀也是同样。从而只要是从各喷咀孔向凹槽C的内周壁面喷射燃料，并在压缩上死点TDC后喷射燃料，燃烧就恶化，这样不用说提高热效率，相反是要降低热效率的。所以像这种压缩点火内燃机，其热效率是存在着不能逾越的上限的。本发明是使用在凹槽7内进行初期燃烧，在压缩上死点TDC后大部分燃烧在挤气区23内进行的新的燃烧方法，逾越了在一般的压缩点火内燃机不能逾越的热效率壁垒，同时能够大幅度地减低在一般的压缩点火内燃机不能低减到一定限度以下的未燃HC、NO_X、烟雾等的发生量，因此可以说该新的燃烧方法带来的效果是很大的。

从图6可以知道，按照本发明的实施例，在内燃机低负荷运转时，于压缩上死点TDC后开始喷射燃料，在凹槽7内的初期燃烧及在挤气区23内的后期燃烧，双方都在压缩上死点TDC后进行。对此，在内燃机高负荷运转时与内燃机低负荷运转时相比，燃料喷射开始时间θS被提前，这样就使在凹槽7内燃烧的燃料量被增大。在凹槽7燃烧的燃料量被增大后，在凹槽7内由初期燃烧造成的可燃气的膨胀作用加强，从而在内燃机高负荷运转时即使喷射时间延长，由于凹槽7内的可燃气的强大膨胀作用，也能够将凹槽7内的空气良好地送给挤气区23内。

其次，在凹槽7内被燃烧的燃料量被增大后，由初期燃烧在凹槽内生成的燃气量增大，从而送入挤气区23内的燃气量也增大。因此，在内燃机高负荷运转时，即使燃料喷射量增大、发热量增大，但由于燃气的作用，使内部EGR（排气循环）作用被强化，也抑制了NO_X的发生。

此外，如前所述，燃料喷射开始时间θS如被提前，在凹槽7内被燃烧的燃料量增大，从而在凹槽7内的初期燃烧和在挤气区23内的后期燃烧的比例，通过改变燃料喷射时间θS可以自由地进行调整。在这种情况下，燃料喷射开始时间θS可考虑热效率及有害成分的发生量予以设定，根据情况。即使在内燃机高负荷运转时，有时也希望在压缩上死点TDC后开始燃料喷射。不论哪种情况，大部分的燃料都是在挤气区23内燃烧的。

可是，如在本发明的前面所述，凹槽7内的空气被导入挤气区23内，用这个空气使导入挤气区域23内的燃料燃烧。此时，为使在挤气区23内的燃烧进行得更好，就要求向挤气区23内导入更多的空气，为此，如图1所示，最好在汽缸盖内壁面3a的中央部形成第2凹槽14。设置这样的第2凹槽14，在发生逆挤气流R时，如在图8的箭头X所示，第2凹槽14内的空气被引入挤气区23内，于是在挤气区23内就被供给多量的空气。其结果是在挤气区23内能得到更加良好的后期燃烧。

其次，本发明的另一重要内容，是在于将与碰撞面13碰撞的燃料分散在全部凹槽7内的同时，最初的点火是在凹槽7的中心部进行。为此，最好采用如图4和图5所示的燃料喷射阀15。即，使用如图4和图5所示的能够看到缺口19的针阀17，从喷咀孔16喷出的燃料分为4个主喷流，其结果如图9所示，与碰撞面13碰撞的燃料分别以同样的喷雾模态向四方对称地扩散。在这种情况下，在各喷雾模态的中心部因为存在具有很大贯穿力的粗的燃料粒子，这些粗的燃料粒子飞散到凹槽7的内周壁面近处，所以就能将喷射燃料分配到凹槽7内的角角落落。与此相反，在碰撞面13的周围集中有几乎没有贯穿力的燃料微粒子，这个燃料微粒子最先被点火。从而，使用如图4和图5所示的针阀17时，能使与碰撞面13碰撞的燃料在全凹槽7内分散的同时，也使最先的点火在凹槽7的中心部进行。

其次，按照本发明的实施例，在唇部8形成有很多的凹部10。由于这些凹部10的作用，使得通过收缩部9的可燃气被强力地紊流。其结果是促进了在挤气区23内的燃料喷雾G和空气的混合，所以就能得到更加良好的燃烧。另外，在本发明实施例中，如图1所示，为了使从收缩部9流出的可燃气的流速尽可能不被减速，在碰撞部件12的外周壁面形成有向上方扩开的圆锥面。

图10表示另一个实施例。在这个实施例中，汽缸盖3内嵌着燃料喷射阀座24，燃料喷射阀15被支撑在该燃料喷射阀座24内。此外，在这个实施例中，具有碰撞面13的碰撞部件12通过支撑部件25被燃料喷射阀座24支撑着。在这个实施例中，如图10所示，当活塞2到达上死点时，碰撞面13位于凹槽7内。

在图1及图10所示的任何一个实施例中，不用说柴油，诸如甲醇、煤油、重油、多种合成燃料、植物油等液态燃料都可以使用。还有，在任何一个实施例中，因为在燃烧室4内没有使之发生涡流的必要，所以给气阻力小，于是就能够得到高的给气效率。并且在任何一个实施例中，如前所述点火延迟时间缩短很多，压力上升率及最高燃烧温度都被抑制，所以燃烧噪音降低，NO_X的发生量也大幅度地减少。因为提高了空气利用率，烟雾的发生也受抑制。并且在燃烧室4的内壁面不会附着喷射燃料，所以未燃HC（碳氢化合物）的发生量也大幅度地减少。还有，从整体上因为提高了热效率，CO₂的发生量也减少了。更有不必提高燃料喷射压这个优点。

如上所述，根据本发明可以大幅度减少未燃HC（碳氢化合物）NO_X等有害成分和烟雾的发生，并能够大幅度地提高热效率。

Claims (15)

1、一种直接喷射式压缩点火内燃机，在活塞顶部上形成有凹槽，在凹槽中心部上方的汽缸盖内壁面上配置燃料喷射阀，在燃料喷射阀的下方设置具有碰撞面的碰撞部，从燃料喷射阀喷射出来的燃料与该碰撞面碰撞，碰撞后的喷射燃料从碰撞面向凹槽的半径方向飞散；其特征在于将燃料喷射开始时间设定在压缩上死点附近，使初期燃烧在凹槽内进行的同时，使继续该初期燃烧剩余的大部分燃烧在凹槽周围的活塞顶部与汽缸盖内壁面间进行。

2、按照权利要求1记载的直接喷射式压缩点火内燃机，其特征在于该碰撞部由活塞支撑着，该碰撞面位于凹槽内。

3、按照权利要求1记载的直接喷射式压缩点火内燃机，其特征在于该碰撞部由汽缸盖支撑着，活塞到达上死点时，该碰撞面位于凹槽内。

4、按照权利要求1记载的直接喷射式压缩点火内燃机，其特征在于该碰撞面是略呈平坦形。

5、按照权利要求1记载的直接喷射式压缩点火内燃机，其特征在于从燃料喷射阀的喷咀口向该碰撞面以连续液体流的形态喷射燃料的同时，该燃料以未形成雾化的液体形态与该碰撞面碰撞。

6、按照权利要求1记载的直接喷射式压缩点火内燃机，其特征在于凹槽周围的活塞顶部由平坦面形成，活塞到达压缩上死点时，在凹槽周围的平坦的活塞顶部与汽缸盖内壁面间形成挤气区，活塞从压缩上死点开始下降时发生的逆挤气流将从碰撞面飞散的燃料导入该挤气区内，使继续初期燃烧的剩余的大部分燃烧在挤气区内进行。

7、按照权利要求6记载的直接喷射式压缩点火内燃机，其特征在于与该碰撞面碰撞的燃料向挤气区的方向飞散。

8、按照权利要求6记载的直接喷射式压缩点火内燃机，其特征在于在其凹槽上方的汽缸盖内壁面上，形成有覆盖该凹槽的第2凹槽。

9、按照权利要求1记载的直接喷射式压缩点火内燃机，其特征在于在内燃机低负荷运转时，燃料喷射是在压缩上死点后开始。

10、按照权利要求9记载的直接喷射式压缩点火内燃机，其特征在于随着内燃低负荷的增高，燃料喷射开始时间提前。

11、按照权利要求10记载的直接喷射式压缩点火内燃机，其特征在于在内燃机高负荷运转时，燃料喷射是在压缩上死点前开始。

12、按照权利要求11记载的直接喷射式压缩内燃机，其特征在于在内燃机高负荷运转时，压缩上死点后的喷射时间比压缩上死点前的喷射时间长。

13、按照权利要求1记载的直接喷射式压缩点火内燃机，其特征在于通过与碰撞面碰撞而在碰撞面周围的凹槽中心部形成的燃料微粒子最先被点火。

14、按照权利要求13记载的直接喷射式压缩点火内燃机，其特征在于其燃料喷射阀具备有喷咀孔和针阀，该针阀在喷咀孔内与喷咀孔同轴配置，且有比喷咀孔径小的端部，在该端部的外周面上形成有等角度间隔的缺口。

15、按照权利要求1记载的直接喷射式压缩点火内燃机，其特征在于在其凹槽的内周壁面上方部，形成有向内方突出的唇部，在该唇部上等角度间隔地形成几个凹部。

Images