CN1083527C - 缸内喷油式内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种缸内喷射式内燃发动机，它包括：一个具有上顶和下底的燃烧室；一个进气门；一个排气门；一个进气通道在其下端通过所述进气门与所述燃烧室相通，以便在所述燃烧室内使进入的空气形成纵向涡流；一个排气通道在其下端通过所述排气门与所述燃烧室相通，以便将燃烧室内的燃烧气体排出；一个火花塞，和一个喷油装置，本发明的特征是：上壁具有一个凹入部分，以使从所述进气门进入燃烧室内的空气形成纵向涡流，所述凹下部分的折角部在垂直涡流的进口端的角度钝于垂直涡流出口端折角部的角度。

Description

缸内喷油式内燃机
本发明涉及一种燃油直接喷射到燃烧室内的缸内喷油式内燃机，特别是涉及内燃机的一种特殊的燃烧室结构，所设计的结构用于空气-燃油混合气的燃烧，混合气整体在稳定状态下是稀的，当空气-燃油混合气浓于所燃烧的稀空气-燃油混合气(例如化学计量空燃比等效值)时，可提供改善的功率输出。
众所周知，在内燃机中的汽油喷射发动机上，喷油阀将燃油喷入进气通道，燃油的数量要和进气冲程期间进入气缸的空气量相匹配，并在燃烧室内形成空气-燃油混合气。
空气-燃油混合气喷入燃烧室后，在压缩冲程的后段火花塞点火，使混合气燃烧，产生出燃烧能量。此能量通过活塞、连杆和曲轴转换成机械旋转运动，从而输出功率。
内燃机中的柴油发动机主要使用柴油等燃料，燃油通过喷油阀直接喷入内燃机的燃烧室，喷入的燃油数量和加速踏板行程所对应的高压压缩空气量相匹配，雾化的燃油在燃烧室内自动点火燃烧，产生燃烧能量。和汽油发动机一样，柴油发动机的燃烧能也转换成旋转机械能，从而获得功率输出。
在上述汽油发动机中有一种类型的发动机，其空气进入燃烧室，在燃烧室内形成燃油和空气组成的层状垂直涡流并燃烧，而且其空气-燃油混合气是稀的，即其整体比化学计量空燃比更稀，从而降低了发动机的耗油量，并减少了有害气体如NOX，HC和CO等的排放量。
为了使所述的垂直涡流形成湍流，一些对比文件公开了相应的技术方案，例如日本特许公开HEI5-240045。
上述文件公开的技术方案，提供了一种将空气引入燃烧室的结构，空气通过发动机气缸盖内的进气通道进入燃烧室，其方向尽可能和气缸盖的下壁平行，并且空气向下沿气缸内壁部分进入排气门侧的燃烧室，然后在活塞顶壁上的凹下部分反转方向(活塞在气缸内滑动)，使气流又重新从活塞顶壁沿进气门侧的气缸内壁向上运动(这种气流运动方式下面称为“普通湍流”)。
一种和普通湍流方式不同的流动状态被称为“翻转湍流”。其工作方式是，从进气通道吸入的空气气流向下沿进气门侧的气缸内壁进入燃烧室，然后在活塞顶壁上的凹下部分处翻转方向，并从活塞顶壁沿排气门侧的气缸内壁向上运动。
在上述汽油发动机中也有缸内喷射式内燃机，其中燃油直接喷入燃烧室，目的在于在稀燃状态下降低耗油量。
然而利用日本特许公开HEI5-240045提供的结构产生普通湍流时，必须将进气通道尽量平行于气缸盖的下壁布置。在缸内喷射式内燃机中却没有足够的空间布置喷射阀。
另一方面，空气吸入通道的构造允许对喷油阀作适当的布置，以产生上述翻转湍流，例如日本特许公开HEI4-166612公开的技术方案。
上述文件的图14中，有一对进气门6布置在气缸盖内壁部分的一侧，一对排气门7布置在气缸盖内壁部分的另一侧，进气通道的形状为一端开口通入气缸的侧壁，另一端在垂直方向上开口与进气口相连通。
在上述文件公开的结构中，进气通道从进气口穿过气缸侧壁延伸，它不能提供足够的空间来布置喷油阀，否则喷油阀本体14和向喷油阀提供燃油的部件的冷却将会发生问题。
根据以上文件公开的结构，凹下部分15从火花塞10下面的一点开始延伸到喷油阀14的自由端下面的另一点，在活塞2的顶壁上形成下凹形状，见其图14和图15。
该下凹部分15基本上呈球面形状，它对称于火花塞10和喷油阀14构成的垂直平面。在下凹部分15的内壁上，火花塞10的下面是一个燃油导管16，此管呈弧形从下凹部分15的底部向上延伸到火花塞10。
其结果是，燃油从喷油阀14喷出，到达下凹部分15的底部，然后反向，从下凹部分15的底部经燃油导管16运动到火花塞10的周围。这种结构可以在火花塞10的周围形成浓的空气-燃油混合气，从而改善了点火性能。
另一种缸内喷射式内燃机类似于上述缸内喷射式内燃机，如图16和图17所示，其活塞a的顶壁b为一下凹部分c，其形状例如可以是球面的一部分，其作用是实现浓空气-燃油混合气和超稀空气-燃油混合气湍流的分层燃烧，因此能够在空燃比整体是稀的混合气状态下完成稀燃的目的。
为了在稀燃过程中实现令人满意的点火性能，公知的技术例如还包括，形成下凹部分15和燃油导管16，以引导空气-燃油混合气运动到火花塞周围，如图14和图15所示。或者形成一个球面状的下凹部分c，以产生浓空气-燃油混合气的湍流提供给火花塞，如图16和图17所示。
但是，图14、图15或图16、图17所示的下凹部分15和燃油导管16或者位于活塞顶壁的下凹部分c的形状在开口的外边形成了锐边形状。
已有技术所公开的结构例如还包括日本特许公开HEI6-146886，其中已知的技术方案例如是，在低负荷和低转速范围内，燃油在压缩冲程的后半段喷射，以便在火花塞周围产生浓的空气-燃油混合气；在高负荷和高转速范围内，燃油喷射发生在进气冲程的前半段，以便在燃烧室内产生均匀的空气-燃油混合气。
通过本发明发明人的研究发现，活塞顶壁虽然需要制出下凹部分，但是带来的问题是如何在稀燃过程中形成分层湍流和足够的点火稳定性，在火花塞附近喷射燃油的过程发生在压缩冲程的后半段，以形成围绕在火花塞附近的浓空气-燃油混合气的湍流和远离火花塞的超稀空气-燃油混合气的湍流。
此问题表现在上述对比文件的图16和图17中。为了在稀燃期间达到满意的点火性能，实现分层湍流，在活塞顶壁上需要制出下凹部分c，而且其尖锐的边缘d呈坚固的圆形沿开口的外边布置，此处的下凹部分c的内壁形状为球面的一部分，活塞的顶壁则将其连接在一起。
当燃油在低负荷和低转速期间，在压缩冲程后半段喷射时，上述尖锐的边缘可以将翻转湍流从下凹部分c上分离，使其离开下凹部分c的内壁进入燃烧室，这样翻转湍流可由于湍流的分层而产生稳定的分层燃烧。
然而，在高负荷范围或高转速范围内，燃油喷射从进气冲程转移到压缩冲程前半段进行，使空气-燃油混合气(例如相当于化学计量空燃比的混合气)浓于稀燃时的空燃比，在燃烧室内形成均匀的混合气，产生高的功率输出。
在这种情况下，活塞的顶壁具有较大的表面积，以便布置下凹部分c，此外其开口外边的尖锐边缘d在工作时会非常热，造成较大的热量损失和功率损失。
也可以完全取消下凹部分c外壁的尖锐边缘d，因为所述的边缘非常热，所以在整个边缘部分d的外周形成圆角f，例如图16和图17中所示的双圆角下凹部分c，以减少在活塞顶壁处的热损失，包括当空气-燃油混合气浓于稀燃期间的情况。
其结果是，圆折角部分f的高度小于边缘d，见图16，所以同时缩小了活塞的表面积。上述热损失问题可以相应地克服，并改善发动机的功率输出。在这种情况下的低负荷和低转速范围内的分层燃烧中，下凹部分c中的翻转湍流即压缩流体会从下凹部分中泄漏，其原因是下凹部分c的整个边缘是圆角f形状，这会影响翻转湍流的保持并使稀燃稳定性变差。
为了解决以上问题，本发明的目的在于提供一种高性能的缸内喷射式内燃机，其中包括位于活塞顶壁的下凹部分，直接吸入内燃机燃烧室的空气气流从气缸盖下壁流向活塞顶壁，然后从活塞顶壁返回气缸盖下壁，此结构促进了垂直涡流的形成，而且下凹部分在垂直涡流进气口上的折角部钝于垂直涡流出口侧折角部，以在燃烧室内形成强烈的垂直涡流，发动机可在分层湍流稀燃期间稳定工作，分层湍流由浓空气-燃油混合气和超稀空气-燃油混合气组成，此结构能降低耗油量和热损失，提高功率输出，即使所燃烧的空气-燃油混合气(例如相当于化学计量空燃比的混合气)浓于稀燃混合气，也能实现此效果。
为此，本发明提供了一种缸内喷射式内燃发动机，它包括：一个具有上顶和下底的燃烧室，其上顶由一个气缸盖的下壁构成，下底由一个安装在缸内的活塞的上壁构成；一个进气门，布置在所述燃烧室内的所述气缸盖的下壁上；一个排气门，布置在所述燃烧室内的所述气缸盖的下壁上；一个进气通道在其下端通过所述进气门与所述燃烧室相通，以便在所述燃烧室内使进入的空气形成纵向涡流；一个排气通道在其下端通过所述排气门与所述燃烧室相通，以便将所述燃烧室内的燃烧气体排出；一个火花塞，布置在所述燃烧室内的所述气缸盖的下壁上；和一个将燃油直接喷射到所述燃烧室内的喷油装置，本发明的特征是：所述活塞的上壁具有一个凹入部分，以使从所述进气门进入所述燃烧室内的空气形成所述纵向涡流，所述凹下部分的外边位于所述垂直涡流进口端的折角部，其角度钝于垂直涡流出口端折角部的角度。
由于采用了此结构，在内燃机的进气冲程，吸入的空气经各自的进气通道从其进气口进入燃烧室。
根据本发明，燃油则以适当的正时由喷油装置的喷嘴喷入燃烧室，与喷油正时吸入的空气相混合，生成分层空气-燃油混合气或均匀的空气-燃油混合气。
垂直涡流进入燃烧室后从燃烧室上部流向下部，并沿下凹部分的内壁，从下凹部分外边的进气侧流向下凹部分内壁的下表面，并在下凹部分外边出口侧的折角部有效地分层，然后转变成垂直涡流，朝上向燃烧室的上部运动。通过这种方式可以获得一种高效率的内燃机，其空气-燃油混合气是在稳定状态下分层燃烧的，可以降低耗油量，即使空气-燃油混合气浓于稀燃时的混合气，也能达到此效果，同时还能降低活塞顶壁处的热损失，改善输出特性。
凹下部分的外边位于所述垂直涡流的进口端，在所述活塞的顶壁构成所述折角部的倾斜部分，凹下部分的内壁从所述活塞的顶壁向所述凹下部分倾斜。
倾斜部分的形状是，自所述活塞的顶壁一端向所述凹下部分内壁的一端圆滑过渡。
倾斜部分的形状是，从所述活塞的顶壁一端向所述凹下部分内壁一端呈侧斜的表面。
由于采用了以上结构，在低负荷和低转速工作期间，垂直涡流在凹下部分的出口侧折角部能够有效地分层，所以能实现分层稀燃燃烧，在高负荷或高转速工作期间，可以降低热损失，改善功率输出，其原因是凹下部分出口侧的倾斜部分是圆滑或平直的斜面。
此外，倾斜部分的形状构成是，凹下部分位于进口端的外边的对面部分朝所述内燃机曲轴轴线方向延伸到所述垂直涡流的出口端。
在这种结构中，倾斜部分对面的一端是朝着垂直涡流的出口端延伸的。其表面积可以尽量缩小，从而在高负荷或高转速范围内减小热损失，改善功率输出。同时，在低负荷和低转速范围内，空气-燃油混合气可以在下凹部分外边的出口侧折角部有效分层，使空气-燃油混合气分层燃烧，从而降低了耗油量。
在另一个结构中，倾斜部分的形状是，所述倾斜部分的尺寸从所述凹下部分在进口端的外边中央部分朝对面的一端减小。
在这种结构中，尺寸平滑减小的部分形成后，使得倾斜部分的尺寸小于垂直涡流进口侧至垂直涡流出口侧的尺寸。这种结构可以明显减少热集中面积，即下凹部分外边折角部上产生的热量集中。还可以减少热损失，提供功率输出。
凹下部分的外边位于垂直涡流的出口端，使位于所述活塞顶壁的折角部和所述凹下部分的内壁构成一个锐边部分。
在这种结构中，下凹部分是由垂直涡流出口端的边缘部分形成的，所以可以对垂直涡流产生分层，以获得稳定的分层稀燃燃烧状态。
位于出口端的凹下部分的折角部呈一个角边部分。
在这种结构中，下凹部分是由垂直涡流出口端的角边部分形成的。所以能对垂直涡流产生分层效果，以获得稳定的分层稀燃效果。
此外，朝下部分的外边位于所述垂直涡流出口端，大致平行于假想平面，此平面上有所述内燃机的曲轴轴线和所述气缸的轴线。
在这种结构中，下凹部分是由垂直涡流出口端平行于假想平面以及边缘部分的形状构成的。此结构能对垂直涡流产生分层效果，防止垂直涡流朝排气侧泄漏，所以能获得稳定的分层稀燃效果。
另外一种结构是，进气门布置在燃烧室的一侧，所述凹下部分布置在所述活塞顶壁的偏心部位，并偏向一侧，使所述凹下部分至少面对一个进气门。
由于采用了这种结构，垂直涡流从燃烧室上部流向下部，并易于从活塞顶壁和下凹部分进口侧进入，沿下凹部分内壁的底面流动，然后翻转其方向，在下凹部分外边出口侧的折角部有效地分离，形成垂直涡流，其方向改变为朝向燃烧室上部。这种结构可使空气-燃油混合气的分层燃烧处于稳定状态，从而降低了耗油量。
根据本发明，凹下部分的形状可使所述垂直涡流的流动方向的横截面与圆形电弧的形状相吻合。
由于采用了以上结构，垂直涡流可以从燃烧室的上部流向下部，然后平滑地转向，沿下凹部分内表面进入圆形电孤区。在下凹部分外边出口侧的折角部，垂直涡流可以有效地分层，转变为垂直涡流，其方向变为朝向燃烧室上部，从而实现空气-燃油混合气稳定的分层燃烧，改善耗油性能。
所述凹下部分的形状可以是球面形。
由于采用了以上结构，垂直涡流可以从燃烧室的上部流向下部，然后平滑地转向，沿下凹部分内表面进入球面区。在下凹部分外边出口侧的折角部，垂直涡流可以有效地分层，转变为垂直涡流，其方向变为朝向燃烧室上部，从而实现空气-燃油混合气稳定的分层燃烧，改善耗油性能。
另外一种结构是，气缸盖下壁的形状是进气门一侧构成的屋脊形，下壁的一侧斜面位于排气门一端，下壁的另一侧斜面位于对面一端，所述活塞的顶壁位于所述屋脊形上，具有一个位于进气门侧的倾斜顶壁和一个位于排气门侧的倾斜顶壁，其形状与所述进气门侧的倾斜下壁和所述排气门侧倾斜下壁的形状相吻合。
由于采用了以上结构，垂直涡流可以从燃烧室的上部流向下部，然后平滑地转向，沿下凹部分内壁的底面流动，在下凹部分外边出口侧的折角部，垂直涡流可以有效地分层，转变为垂直涡流，其方向变为朝向燃烧室上部。在这种屋脊形状中，垂直涡流可实现空气-燃油混合气稳定的分层燃烧，改善耗油性能。
另外一种结构是，凹下部分的形状包括位于所述进气门侧的倾斜顶壁，并且所述凹下部分在所述垂直涡流出口端的形状高于所述垂直涡流进口端的形状。
由于采用了以上结构，垂直涡流可以从燃烧室的上部流向下部，然后有效地进入下凹部分的进口侧，其方向变为朝向燃烧室上部。垂直涡流可以实现空气-燃油混合气稳定的分层燃烧，改善耗油性能。
另外一种结构是，所述凹下部分的形状沿整个进气门侧倾斜顶壁和所述排气门侧倾斜顶壁延伸。
由于采用了以上结构，垂直涡流可以从燃烧室的上部流向下部，然后由下凹部分外边进气口侧的倾斜部分导向，进入下凹部分的内壁，沿下凹部分内壁的底面流动，在下凹部分外边出口侧的折角部，垂直涡流可以有效地分层，转变为垂直涡流，其方向变为朝向燃烧室上部，从而实现空气-燃油混合气稳定的分层燃烧，改善耗油性能。
另外一种结构是，所述折角部由活塞顶壁构成，所述凹下部分的内壁由边缘部分的形状构成，作为所述垂直涡流出口端的所述凹下部分的外壁。
在上述结构中，下凹部分是由垂直涡流出口侧折角部边缘的形状构成的。从而实现空气-燃油混合气稳定的分层燃烧，改善耗油性能。
另外一种结构是，所述进气通道布置在所述假想平面的一侧，并且沿所述假想平面垂直延伸，穿过所述气缸盖。
由于采用了以上结构，垂直涡流可以从燃烧室的上部流向下部，然后向下沿气缸轴线流动，在活塞顶壁的下凹部分处转向，从而沿气缸的轴线形成向上流动的垂直涡流。该垂直涡流可以实现空气-燃油混合气稳定的分层燃烧，改善耗油性能。
下面对附图进行简要说明：
图1是一个垂直剖视图，表示本发明所述缸内喷射式内燃机的第1个实例。
图2是一个立体图，表示本发明所述缸内喷射式内燃机的第1个实例的整体结构。
图3是一个局部剖视图，表示本发明所述缸内喷射式内燃机的第1个实例，沿图2中的III-III线做的剖视图。
图4表示本发明所述缸内喷射式内燃机的第1个实例沿图1中的箭头A的视图。
图5表示本发明所述缸内喷射式内燃机的第1个实例的内部结构。
图6表示本发明所述缸内喷射式内燃机的第1个实例的4冲程发动机的动力循环图。
图7表示本发明所述缸内喷射式内燃机的第1个实例的2冲程发动机的动力循环图。
图8(A)是一个放大部视图，沿图3的VIII-VIII做了剖视，表示下凹部分进气侧是圆角部分M1。
图8(B)是一个放大剖视图，沿图3的VIII-VIII做了剖视，表示下凹部分进气侧是一个倒角部分M1。
图9是一个图3所示实例的剖视图，表示本发明所述缸内喷射式内燃机的第1个实例的另一种结构。
图10是一个图3所示实例的剖视图，表示本发明所述缸内喷射式内燃机的第2个实例。
图11是一个图3所示实例的剖视图，表示本发明所述缸内喷射式内燃机的第2个实例的另一种结构。
图12是一个曲线图，表示在极限排放的条件下，活塞(A)、(B)和(C)在节气门全开时的特性曲线，显示了本发明所述缸内喷射式内燃机的优点。
图13(A)是一个在压缩冲程喷油的耗油量特性曲线图，表示活塞(A)的试验结果。
图13(B)是一个在压缩冲程喷油的耗油量特性曲线图，表示活塞(B)的试验结果。
图13(C)是一个在压缩冲程喷油的耗油量特性曲线图，表示活塞(C)的试验结果。
图14是一个垂直剖视图，表示常规缸内喷射式内燃机的一个实例的内部结构。
图15是一个简图，表示图14中的活塞顶壁。
图16是一个垂直剖视图，表示本发明所述缸内喷射式内燃机的内部结构。
图17是一个简图，表示图16中的活塞顶壁。
以下结合附图说明本发明的各个实例。
下面先对本发明的第一个实例所述的内喷射式内燃发动机加以说明。参见图1至图8。
如图1所示，在这个缸内喷射式内燃发动机燃烧室的结构上，发动的主体包括一个气缸盖21、一个气缸体23和活塞22，它们恰当地安装在气缸23A的气缸体23中。
内燃发动机的气缸盖21在结构上为一个4气门内燃发动机气缸盖，其中每一气缸的一侧具有两个位于气缸盖下壁上的进气门，与之相对的一侧则有两个排气门。
在活塞22的上壁与气缸盖21的下壁21A之间形成了燃烧室27。
通过气缸盖下壁21A上的进气开口24A和排气开口25A，以及燃烧室27，使一个进气通道24与一个排气道25相通，或通过关闭进气门和排气门断开。
燃烧室27的结构如图1、图2和图4所示。它具有一个假想的中心对称平面40，在这一平面中包含了气缸23A的中心轴线42和一个未加说明的曲轴中心轴线，气缸盖下壁21A是由成屋脊形的两下壁组成，其一是进气门侧倾斜下壁并位于假想平面40一侧，另一为排气门侧倾斜下壁位于假想平面40的另一侧。此外，活塞22是由成屋脊形的两上壁组成，一个是位于假想平面40一侧的进气门侧倾斜上壁，另一个是位于假想平面40另一侧的排气门侧倾斜上壁，因此，它们与进气门侧倾斜下壁和排气门侧倾斜下壁相分别对应。
在气缸盖21上，布置有二个位于假想平面40一侧的进气通道24，而假想平面40另一侧对称布置有二个排气道25。
此外，如图1和图4所示，火花塞30位于燃烧室27的中心的顶部，并且位于或靠近假想平面40。
两个进气通道24向气缸盖21右上方伸延，进气通道24的各个进气开口向下并位于假想平面40附近。
为了向燃烧室27提供燃油，一个作为喷射燃油装置H的喷射阀28位于气缸盖21侧壁上，并与进气通道24相邻。
喷射阀28的布置是为了使喷嘴开口端经气缸盖21正对燃烧室27，在此燃油可直接喷入燃烧室27。
喷射阀28设计成可控的，例如，在一个未说明的控制单元控制下，燃油可按预定的数量和时序喷射。
在此还须说明的是，用控制单元进行控制，以使在低负荷和低转速时，燃油喷射发生在压缩冲程的后一阶段，在火花塞周围形成一个浓混合气湍流，而当高负荷和高转速范围内，燃油是在进气冲程的初期喷入的，以便在燃烧室内形成一个均匀的空气-燃油的混合气。
现在对喷射阀28的安装部位加以说明，两个进气通道24是明显向气缸盖右上方伸延排列的，如上所述，以便在两进气通道24的开口24A周围具有充分的空间来安装喷射阀28。
将火花塞30布置在假想平面40上或附近，可带来足够的自由空间，以便调整喷射阀28的安装位置，因此，可使喷射阀28布置在一个能获得最佳燃油喷射的位置上。
虽然没有图纸说明，可通过在安装于气缸盖27上的喷射阀28周围设置冷却通道，以使将喷入喷射阀28及燃烧室27的燃油得到有效的冷却。
如上所述，活塞22安装在气缸体内。如图1和图2所示，此活塞22具有一个凹入部分22A，它位于屋脊形的升起部分22B上，此部分是由活塞顶部的进气门侧倾斜上壁和排气门侧倾斜上壁所组成。
这个凹入部分22A位于活塞22的顶部，其一部分处在进气开口24A的下方，它的形状是由向下凹进的弧面所成，因而使倾斜上壁的升起部分22B向下受到切削。
这个凹入部分22A位于偏于假想平面40的进气开口24A一侧，如图2的例子所示，其形状为一下凹的球面形。
结果是，当活塞22到达压缩冲程的末端，便形成了一个紧凑的燃烧室27A，它是由包围它的活塞22的凹入部分22A、气缸内壁23A和气缸盖下壁21所组成，如图5所示。
如图1到图3所示，一个垂直方向的涡流进口边，它是凹入部分22A的一段周边，其形状为一个倾斜的并略有弯曲的部分M1，其分布如箭头所示，排气开口25A一侧升起部分22B的倾斜壁和凹入部分22A两个面的相交在一个角落区域，所述角落区域做为垂直方向涡流在凹入部分出口的一段周边，其形状是一段锐边M2，如箭头所指。
凹入部分22A的垂直方向涡流的进口边这一角落区域比出口边的角落区域更尖锐。
此外，如图5所示，在活塞22上壁的升起部分22B和排气开口一侧燃烧室27的上方开成一挤压区域22C。
结果是，如图1、图2和图5所示，通过进气通道24吸入的空气，流向位于气缸23A内的较低位置的活塞22。在活塞22的凹入部分22A处，吸入的气流从竖直涡流入口边的弯曲的周边M1处进入活塞22的凹入部分22A，然后被引导沿凹入部分的内壁流动。通过垂直涡流出口边的具有一定角度的周边M2，垂直涡流有效地脱离，向上方流动，这就形成了湍流TF，它也是垂直方向的涡流。
在燃烧室27内，吸入的气流是沿凹入部分22A被驱使而形成湍流TF。
喷射阀28受控于一个未加说明的控制单元，以便燃油以一个预定的数量和时序喷出。
在一台内燃发动机中，例如在4冲程发动机中，进气门在TDC(上死点)前开启，即0°，然后进入进气冲程，在经TDC点时排气门关闭，也就是0°，在此之前完成的周期即压缩冲程，如图6所示。此后，活塞22下降直至180°其角度是对曲轴转角而言，在此过程中形成湍流TF，如图1和图5所示。燃油经喷射阀28，以预定的数量和喷射时序将燃油喷入湍流TF中，如喷射发生进气冲程中间或压缩冲程的后阶段。
当到达一个预定的点火时间在TDC即360°前，一个未加说明的点火电路被驱动，通过火花塞30，开始点火(图6中标记△所示)。通过这一点火过程，喷入的燃油被点燃，使得燃烧室27的缸内压力上升。活塞22因而被向下推压，产生动力输出，燃烧冲程进行至接近540°即BDC(下死点)，该角度是对曲轴转角而言的。
靠近曲轴转角480°时，排气门开启，排气冲程一直持续到曲轴转角超过720°，在此，进气门为下一个进气冲程再次开启，到此完成了4个冲程周期。
在图6中所示的一个实例中，控制4冲程发动机的喷射阀28的喷射时序，可使当发动机处于高负荷或高转速的范围时，喷射阀在一个预定的喷射时间PH，即进气冲程的初期，喷射燃油，而当发动机处于低负荷或低转速范围时，喷射阀在一个预定的喷射时间PL，即压缩冲程的后阶段，喷射燃油。
在高负荷范围和高转速时，通过提前开始在湍流中进行燃油与空气的混合，还通过在压缩冲程的后阶段破坏流动气流来激励空气-燃油的混合，以此促进燃油混合的均质化，而保证实现稳定而迅速的燃烧。
另一方面，在低负荷和低转速时，燃油喷射例如被推迟到压缩冲程的后阶段，以便等到形成紧凑的燃烧室27A时再喷油。这里，燃油的喷向凹入部分22A，以便燃油被引导分布在火花塞30周围。在火花塞30周围形成了一个加浓燃油湍流，这可得到分层燃烧，因而保证了正常点火。
在此已作了有关4冲程发动机的说明。除4冲程发动机外，还可将本发明用于2冲程汽油发动机。
这种情况，由于发动机本体的结构，一个与上述结构相似的结构可以被采用。
对于2冲程发动机，如图7所示，一个在前的压缩冲程开始于TDC，即0°，一个未加说明的排气门，在曲轴转角靠近90°时开启，从而进入排气冲程，当这一周期靠近曲轴转角为120°时，一个未加说明的进气门开启而进入进气(排出废气)冲程。
此外，BDC后，曲轴转角在230°稍前一些或邻近这点时，排气门关闭；当曲轴转角在270°稍前一些或邻近这点时，进气门关闭，进入压缩冲程。然后，喷射阀28被驱使，以一个预定的喷射时序，在进气冲程或压缩冲程喷射燃油。
当一个预定的点火时间在到达TDC之前，一个未加说明的点火被驱动，通过火花塞30，开始点火(图7中标记△所示)。通过这一点火过程，喷入的燃油被点燃，使得燃烧室27的缸内压力上升。活塞22因而被向下推压，产生动力输出。
一个被控制的喷射阀28，例如，可使发动机处于高负荷或高转速的范围时，喷射阀仅在一个预定的喷射时间PH，即进气冲程的初期，喷射燃油，而当发动机处于低负荷或低转速范围时，喷射阀仅在一个预定的喷射时间PL，即压缩冲程的后阶段，喷射燃油。
在高负荷范围和高转速时，通过在早期开始在湍流中进行燃油与空气的混合，还通过在压缩冲程的后阶段破坏流动气流来激励空气-燃油的混合，以此促进燃油混合的均质化，而保证实现稳定而迅速的燃烧。
另一方面，在低负荷和低转速时，燃油喷射被推迟到压缩冲程的后阶段，以便等到形成紧凑的燃烧室27A时再喷油。这里，燃油的喷向凹入部分22A，以便燃油被引导分布在火花塞30周围。在火花塞30周围形成了一个加浓燃油湍流，这可得到分层燃烧，因而保证了正常点火。
由于缸内喷射式内燃发动机的燃烧室在结构上是如本发明第一个实例所述的结构，如上所述，在发动机的进气冲程，空气是经过每个进气道24及与之相对应的进气开口24A，而进入燃烧室27的。
由于喷射阀28布置在使它的喷嘴28A正对燃烧室27的位置，并被一个未加说明的控制单元所控制，燃油可以一个合适的时序喷射，然后与相应的时序吸入的空气混合，因而，形成层状分布的空气-燃油的混合气或均质化的空气-燃油的混合气。
一个从燃烧室27上部流向下部的垂直涡流，经过位于活塞22的凹入部分22A的气流入口边的略有弯曲的周边M1，进入凹入部分22A的内壁，继续沿凹入部分的弓形内壁流动，通过位于倾斜上壁升起部分22B上的角落区域的角边M2，使气流有效地脱离升起部分22B，在此垂直涡流改变其流动方向，朝向了燃烧室27的上部。
换向话说，进气开口24A布置在气缸盖21上，并位于假想平面40的一侧，凹入部分处于进气开口的下方，使它们相互面对。进入的空气流向进气开口24A一侧的气缸壁23A，即凹入部分22A，被凹入部分22A的弧形表面所导向，而后继续在凹入部分22A的弓形表面引导下，变成了向上的气流，并指向了气缸盖下壁21A的中心线，或其附近区域。
因为气缸盖下壁21A为一屋脊形，垂直涡流再次流向进气开口24A一侧的气缸壁23A，而后朝向凹入部分22A，因此，就形成了一个很强的湍流TF。
由于气缸盖21另一侧上的位于假想平面40一侧的进气通道24，是垂直向上方伸延的，经过进气通道24进入燃烧室27的气流，被促使向下方并沿进气开口24A一侧的气缸壁23A流动，被引导成很强的向下部流动的气流(朝向活塞22)。这样可容易地形成强烈的垂直涡流。
此外，须形成一个凹入部分22A，至少存在垂直涡流入口侧的略弯曲的周边M1和垂直涡流的出口侧的尖锐的角边M2。
结果是，垂直涡流的出口侧尖锐周边M2的形成，有利于被引导的气流脱离凹入部分22A和沿凹入部分22A的弓形表面流动的气流翻转，气流速度被加强，以便翻转湍流能保持到压缩冲程的后阶段。
其结果是，当燃油提供给在压缩冲程形成的紧凑燃烧室27A时，例如，当处于低负荷和低转速时，尤其是进入凹入部分22A，以便燃油流向火花塞30，喷入的燃油保持在凹入部分，火花塞30周围是加浓湍流态混合气，而流入挤压区22C的混合气则是极稀的，在火花塞30周围之外的区域还形成了一个湍流，其特点为分层分布的极稀混合气。通过分层燃烧，尽管从整体看混合气极稀，但仍可实现稳定的燃烧。这就使耗油量得以改善。
因此可以避免这样一个不利情况，即燃油进入挤压区域22C一侧，然后作为燃烧不充分的废气排出，相应地使耗油性能变劣或排出气体的恶化。
由于形成了垂直涡流进入略弯曲周边M1的进口侧，虽有燃烧热量集中的倾向，但至少在垂直涡流进口侧开口边的角落区域不会如此，因而不会形成热量集中点。此外，角落区域的略弯曲的形状，可使活塞上壁的表面积减少。困扰至今的热量损失，如上所述得以减少，从而使发动机输出更高的功率。
在上述第一个实例中，对有关形成略弯曲的周边M1的倾斜部分加以说明，如图8(A)所示。然而，倾斜部分并不限制在这一结构。类似的有利因素，如上述的实例，仍可体现，在凹入部分22A的垂直气流的入口侧所成的角落区域，所述角落区域具有热量集中的倾向，去除这一角落，使这倾斜部分所变成的形状减少了活塞22上壁的表面积，例如，通过切削，对倾斜部分作倒角处理，使之成为单一的倾斜壁，如图8(B)所示，还可加工成，并分布在垂直涡流流动的方向上的多个倾斜壁，或用圆角连接该侧斜壁。
在以上所述实例的附图中，沿内燃发动机曲轴的轴心线方向看，在凹入部分气流入口侧周边的形状，为一尺寸由大到小逐渐过渡到相对端。然而，略弯曲周边也可加工成相等的过渡边。这种情况，可带来如上述实例相类似的有利因素。
图9表示本发明第1个实例中凹下部分22A的另一种结构。外边是在垂直涡流的出口侧形成的，其形状为大致平行于假想的平面40。
其中凹下部分22A的内壁是一个具有复合半径的壁，即内壁包括一段平面壁和一段曲面壁，此平面壁和曲面壁平滑地过渡连接。
在第1个实例中，凹下部分22A的外边的折角部在垂直涡流进口端的形状为一个平滑的圆形部分M1，在垂直涡流的出口端是一个边缘部分M2，此部分位于排气侧，处在顶壁屋脊形升起部分22B的后边缘，凹下部分22A的内壁相互连在一起。当然，这种结构产生的效果和第1个实例的相似。
下面对照图10和图11说明本发明的第2个实例。第2个实例的结构中与第1个实例相同的部分均采用相同的标号。
如图所示，活塞顶部形成一个凹下部分。凹下部分22A有一个大致呈圆形的部分M1，该大致呈圆形的部分的对面是一个位于垂直涡流的出口端的较平坦的部分M2，并且和过渡部分M3、M4相连接，其尺寸从圆形部分M1逐渐朝平坦部分M2收缩。
所述的过渡部分M3、M4的形状构成是，可使圆形部分的尺寸平滑地从垂直涡流的进口端向垂直涡流的出口端缩小。所以能够大大减小凹下部分外边折角部的热集中面积。还可以减少热损失，以改善功率输出特性。
此外，在垂直涡流出口端的凹下部分22A的外边形状中，角边部分M2与第1个实例上的相同。所以垂直涡流可以独立地运动，从而在紧凑的燃烧室27A内形成翻转的湍流，使分层燃烧能保持稳定的稀燃状态。
图11表示本发明的第2个实例中所述凹下部分22A的另一种结构。凹下部分22A的内壁是一个具有复合曲率半径的壁，它位于垂直涡流的出口端，内壁大致平行于假想平面40延伸。此外，在排气气门侧至排气气门顶壁有一个开口25A，它位于垂直涡流的出口端，其形状是一个角边部分M2，基本平行于升起部分22B的峰脊，还有一个大致圆形的部分M1位于垂直涡流的进口端，其形状构成为，大致圆形的部分与过渡部分M3、M4平滑连接，而且圆形部分M1的尺寸朝对面的升起部分22B峰脊后面的边缘部分M2收缩。
此外，凹下部分22A的外边折角部位于垂直涡流的进口端，是一个大致圆形的部分M1，它的过渡部分M3、M4平滑地朝边缘部分M2缩小，在垂直涡流的出口端折角部M2大致平行于假想平面40。这种改进的结构和第2个实例相比具有基本相同的效果。
在第2个实例中，以下结构和第1个实例中的相同，大致圆形的部分M1具有倾斜的形状。然而，第2实施例并不限于此结构，倾斜部分可以构成一个单独的倾斜壁或者若干个倾斜壁，这些倾斜壁是倾斜部分在垂直涡流进口的方向上分割出来的，也可以在垂直涡流进口端的凹下部分22A的折角部形成倾斜壁，所述的折角部虽然倾向于形成热集中，但可由于活塞22顶壁表面积的缩减而得到克服，例如将斜壁和圆形部分组合在一起。
此外，作为倾斜部分的大致圆形部分M1的形状构成是，其尺寸朝着对面部分连续地缩小。圆形部分M1的尺寸也可以和进口的尺寸相同。在这种情况下也可以得到与第2个实例相同的效果。
图12、图13(A)、图13(B)和图13(C)表示本发明所述内燃机的试验结果，内燃机的结构是在本发明开发阶段完成的，其试验条件见以下所述。
图12表示在极限排放情况下节气门全开特性曲线图，图中显示的扭矩是内燃机在以下操作条件中所测得的，燃油数量的调节根据稀进的空气量的增加而变化，以获得预定的空燃比，该空燃比浓于化学计量空燃比，节气门保持全开，燃油喷射发生在各个进气冲程。
图12中特别用口表出了活塞(b)的特性曲线，其结构是本发明的一个实例，其中的凹下部分位于活塞顶部。凹下部分有一个位于垂直涡流进口端的圆形部分M1，过渡部分M3、M4沿垂直涡流延伸，位于进口端和出口端之间，并连续地收缩尺寸，并且边缘部分M2位于垂直涡流的出口端。
图12中的○表示活塞(a)的特性曲线图，此活塞凹下部分开口的外壁具有整圆边缘，它位于活塞顶部。
图12中的△表示活塞(c)的特性曲线图，位于活塞顶部的凹下部分的开口外壁边缘为截圆形，截圆沿进口布置。
从以上试验结果可知，在高负荷工况下，燃油喷射发生在进气冲程，活塞(b)，(c)的凹下部分具有圆形的折角部，所以其扭矩图大致相同，所提供的扭矩大于活塞(a)，后者的凹下部分具有平面形的折角部，在从低转速到高转速的整个转速区内，其输出扭矩均小于前两者。
由此可知，在高负荷期间，输出扭矩的改善效果对于活塞外边呈截圆形的结构是等效的，它甚至比本发明所述活塞在垂直涡流出口端呈平面部分M2的结构更好。
图13(A)表示的耗油量曲线图，其喷油是发生在压缩冲程，该图是活塞(a)的试验结果，图13(B)表示本发明的一个实例所述活塞(b)的试验结果，图13(C)表示活塞(c)的试验结果。
以上每个曲线图都显示出内燃机按以下条件工作时耗油量和断火区(发生断火的工作区)的变化情况：提供给内燃机的喷油量是固定的，空燃比随节气门开度的增加或减小而变化(供给的空气量)，变化分级进行，空气-燃油混合气作为整体是稀的，燃油喷射正时根据各个空燃比而变化，燃油喷射发生在压缩冲程的后半段。
从图中的试验结果可知，在低负荷和低转速期间，燃油喷射发生在压缩冲程的后半段，活塞(a)，(b)由于至少在垂直涡流出口侧的凹下部分具有平面部分，所以能提供大致相同的耗油量，作为比较的活塞(c)具有位于进口端的圆形部分和位于垂直涡流出口端的圆形部分，在整个试验条件下提供的耗油量有了改善，而且断火区更小(在各种操作条件下有更高的抗断火性能)。
换句话说，在内燃机低负荷和低转速工作期间，其垂直涡流出口侧具有平面部分M2的活塞能提供良好的翻转湍流分离，在紧凑的燃烧室内维持翻转湍流状态，防止燃油喷溅到挤压区，所提供的耗油量大致与凹下部分开口的外壁具有整圆边缘的活塞的耗油量相等。至于断火区，活塞(b)的断火区显然宽于活塞(a)的。
从图12、图13(A)、图13(B)和图13(C)表示的本发明所述活塞结构的试验结果中可知，垂直涡流能达到令人满意的分离，空气-燃油混合气能维持分层燃烧，混合气整体是稀的，所以空气-燃油混合气能在稳定状态下燃烧，并改善了耗油量。同时，即使空气-燃油混合气浓于可燃性稀燃混合气(混合气具有化学计量空燃比)，也能减小热损失，改进功率输出特性。
在本发明的各个实例中，从进气通道24吸进的空气是从假想平面40一侧的气缸壁流向另一侧气缸壁的，其间气流在活塞顶部的凹下部分22A处翻转，形成所谓的翻转湍流。所述的两个实例均能达到同样的效果，即使本发明用于所谓的普通湍流也是如此，在普通湍流的结构中，吸进的空气流相对于气缸轴线有一个角度，从假想平面40的一侧沿气缸盖21的下壁流向另一侧，并从另一侧气缸壁流回原侧，在活塞顶部凹下部分22A处翻转。
换句话说，上述两个实例具有相同的效果，包括将本发明用于活塞顶壁有凹下部分的结构，此时吸入的空气流通过进气通道被引入燃烧室然后沿气缸轴线流动，在活塞顶壁的凹下部分处翻转，形成涡流沿气缸轴线向上运动。
本发明的以上实例是用在4气门内燃机上的，其中每个气缸具有两个进气门和两个排气门。当然本发明不限于用于4气门内燃机，例如也可用于3气门内燃机，此内燃机一般包括两个进气门和一个排气门。本发明也可用于其他类型的内燃机。
如上所述，本发明提供的缸内喷油式内燃机，其活塞顶壁具有凹下的部分，此结构能促进垂直涡流的生成，使吸进的空气流体在进入发动机燃烧室后，先从气缸盖的下壁流向活塞顶壁，然后从活塞顶壁又折返，流回气缸盖下壁。位于垂直涡流进口处的凹下部分的折角部比垂直涡流出口处的角度要大，所以在燃烧室形成了强烈的垂直涡流。发动机在分层湍流的稀燃状态下工作稳定，分层湍流由浓空气-燃油混合气和极稀的空气-燃油混合气组成，所以降低了耗油量。此外，当空气-燃油混合气浓于所使用的低燃混合气时也可以减少热损失。所以本发明能够明显地提高内燃机的效率和功率输出。

Claims (15)

1.一种缸内喷射式内燃发动机，包括：
一个具有上顶和下底的燃烧室(27)，其上顶由一个气缸盖(21A)的下壁构成，下底由一个安装在缸内的活塞的上壁构成；
一个进气门，布置在所述燃烧室(27)内的所述气缸盖(21A)的下壁上；
一个排气门，布置在所述燃烧室(27)内的所述气缸盖(21A)的下壁上；
一个进气通道(24)在其下端通过所述进气门与所述燃烧室(27)相通，以便在所述燃烧室(27)内使进入的空气形成纵向涡流；
一个排气通道(25)在其下端通过所述排气门与所述燃烧室(27)相通，以便将所述燃烧室(27)内的燃烧气体排出；
一个火花塞(30)，布置在所述燃烧室(27)内的所述气缸盖(21A)的下壁上；和
一个在压缩冲程将燃油直接喷射到所述燃烧室(27)内，以便在发动机处于低负荷状态下进行分层燃烧，或在进气冲程将燃油直接喷射到所述燃烧室内，以便在发动机处于高负荷状态下进行均匀燃烧的喷油装置(H)；本发明的特征是：
所述活塞(22)的上壁具有一个凹下部分(22A)，以使从所述进气门进入所述燃烧室(27)内的空气形成所述纵向涡流，
所述凹下部分的外边位于所述垂直涡流进口端的折角部(M1)，其角度钝于垂直涡流出口端折角部(M2)的角度，同时，该折角部(M1)在所述活塞的顶壁一端和所述凹下部分(22A)内壁的一端之间有过渡圆角，或者构成从所述活塞(22)的顶壁一端向所述凹下部分(22A)内壁一端侧斜的表面。
2.一种如权利要求1所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述凹下部分的外边位于所述垂直涡流的进口端，在所述活塞(22)的顶壁构成所述折角部(M1)的倾斜部分，凹下部分(22A)的内壁从所述活塞(22)的顶壁向所述凹下部分(22A)倾斜。
3.一种如权利要求2所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述倾斜部分(M1)的形状是，所述凹下部分位于进口端的外边的对面部分朝所述内燃机曲轴轴线方向延伸到所述垂直涡流的出口端。
4.一种如权利要求2或3所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述倾斜部分(M1)的形状是，所述倾斜部分的尺寸从所述凹下部分在进口端的外边中央部分朝对面的一端减小。
5.一种如权利要求1所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述凹下部分的外边位于垂直涡流的出口端，使位于所述活塞(22)顶壁的折角部和所述凹下部分(22A)的内壁构成一个锐边部分(M2)。
6.一种如权利要求5所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述位于出口端的凹下部分的折角部呈一个倒角部分(M2)。
7.一种如权利要求5所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述朝下部分的外边位于所述垂直涡流出口端，大致平行于假想平面(40)，此平面上有所述内燃机的曲轴轴线和所述气缸的轴线。
8.一种如权利要求1所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述进气门布置在燃烧室(27)的一侧，所述凹下部分(22A)布置在所述活塞(22)顶壁的偏心部位，并偏向一侧，使所述凹下部分至少面对一个进气门。
9.一种如权利要求8所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述凹下部分(22A)的形状可使所述垂直涡流的流动方向的横截面与圆形电弧的形状相吻合。
10.一种如权利要求8所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述凹下部分(22A)的形状是球面形。
11.一种如权利要求1所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述气缸盖下壁(21A)的形状是进气门一侧构成的屋脊形，下壁的一侧斜面位于排气门一端，下壁的另一侧斜面位于对面一端，所述的活塞(22)的顶壁位于所述屋脊形上，具有一个位于进气门侧的倾斜顶壁和一个位于排气门侧的倾斜顶壁，其形状与所述进气门侧的倾斜下壁和所述排气门侧倾斜下壁的形状相吻合。
12.一种如权利要求11所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述凹下部分(22A)的形状包括位于所述进气门侧的倾斜顶壁，并且所述凹下部分(22A)在所述垂直涡流出口端的形状高于所述垂直涡流进口端的形状。
13.一种如权利要求11所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述凹下部分(22A)的形状沿整个进气门侧倾斜顶壁和所述排气门侧倾斜顶壁延伸。
14.一种如权利要求13所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述折角部由所述排气门侧的倾斜顶壁构成，所述凹下部分(22A)的内壁由边缘部分(M2)的形状构成，作为所述垂直涡流出口端的所述凹下部分的外壁。
15.一种如权利要求1所述的缸内喷射式内燃发动机，其特征是，所述进气通道(24)布置在所述假想平面(40)的一侧，并且沿所述假想平面(40)垂直延伸，穿过所述气缸盖(21)。
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