CN1092283C - 直喷燃油式发动机 - Google Patents

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Abstract

一种在燃烧室一周边部分设置有喷油器的直喷式发动机，包括：活塞；火花塞，其点火间隙置于所述燃烧室的中央部分；构成所述燃烧室上部的顶部；喷油器，在进气道一侧设置在气缸盖的下部中并斜向下喷出燃油；形成于所述顶部内的向下延伸的斜面；形成在所述活塞顶面的凹槽，其沿喷射方向延伸并逐渐变深；在喷射方向上从所述喷油器的顶端到所述燃烧室与该喷油器顶端相对的壁的距离比喷出燃油从压缩冲程后期喷射开始到点火正时这段时间内的传播距离长；从喷油器顶端到燃烧室相对端的距离要比喷出的燃油从压缩冲程后期燃油喷射开始到点火正时这段时间内传播的距离长；及所述喷油器的顶端到所述点火间隙的距离比喷出燃油的所述传播距离短。

Description

直喷燃油式发动机
                          技术领域
本发明涉及一种发动机的燃油喷射系统，尤其涉及一种直喷燃油式发动机，在该发动机中，一个燃油喷油器被布置为，它的一个喷嘴直接插入燃烧室内，并至少在发动机低速低负荷工况时在压缩冲程后期喷射一股燃油。
                          背景技术
如1994年出版的日本未经审查专利第6-81651所公开的，一种已为公众所知的直喷式发动机装有一火花塞及一个用于至少是在发动机处于低速低负荷工况时在压缩冲程后期将一股燃油直喷射入燃烧室以实现分层燃烧进而降低燃油消耗率的喷油器。在此种发动机中，燃油直接喷入燃烧室的同时抑制燃油的扩散，以实现燃烧室内的进气分层。既然这样，就需要抑制燃油扩散但还要使燃油易于雾化并使一部分具有合适空燃比的可燃进气混合物处于火花塞周围。
为此，上述日本公开出版物中所公开的直喷式发动机中，活塞顶面上成形有一下凹的弯曲表面及一与该曲面相连的凸出部分。喷射过程被设置为，当活塞基本到达上止点时，向该下凹的弯曲表面喷出燃油。火花塞与凸出部分相对而置以使喷油器中喷出的燃油冲击活塞顶上的曲面使燃油扩散与空气相混和并驻留在火花塞附近。
日本未经审查专利第8-165975也公开了一种直喷燃油式发动机结构，在该发动机中，活塞顶面上设置有一凹槽或一空腔，其中喷射出的燃油流经点火间隙。
如前所述，在此种常用的直喷燃油式发动机中，从喷油器中喷出的燃油直接冲击燃烧室的壁面(如，活塞顶面)。照此方式，一部分燃油冲击壁面后附着在壁面上，并且留在原地而不扩散。这部分燃油很可能未完全燃烧就被排出。结果使排气中的碳氢混合物含量增加，这不仅导致排放性能恶化也使燃油消耗率增加。
                          发明内容
因此，本发明的目的是提供一种直喷式发动机，这种发动机可以改善着火性能及燃烧稳定性，并可降低燃油消耗率。
本发明的目的是这样实现的，即提供一种在燃烧室一周边部分设置有一喷油器的直喷式发动机，该喷油器在发动机低速低负荷工况下至少在一压缩冲程后期斜向下喷射燃油，其特征在于，包括：置于气缸体气缸内的活塞；火花塞，布置成其点火间隙置于所述燃烧室的中央部分；构成所述燃烧室上部的顶部，该顶部形成于气缸盖内，在气缸盖内从该气缸盖与所述气缸体的接合面向上延伸；喷油器，在进气道一侧设置在气缸盖的下部中；形成于所述顶部内在所述燃烧室排气道一侧向下延伸的斜面，其中燃烧室的剖面为梯形结构；形成在所述活塞顶面的凹槽；该凹槽沿喷射方向延伸并逐渐变深，而且在垂直喷油器喷射方向的方向上其尺寸比喷出燃油的尺寸大；在喷射方向上从所述喷油器的顶端到所述燃烧室与该喷油器顶端相对的壁的距离比喷出燃油从压缩冲程后期喷射开始到点火正时这段时间内的传播距离长；从喷油器顶端到燃烧室与该喷油器顶端相对的一端的距离要比喷出的燃油从压缩冲程后期燃油喷射开始到点火正时这段时间内传播的距离长；及所述喷油器的顶端到所述点火间隙的距离比喷出燃油的所述传播距离短。
优选的是，在所述活塞的所述顶面上设置有一个比所述凹槽更靠近一进气道的向上延伸的凸出部分。
优选的是，在所述活塞的所述顶面上在所述凸出部分与所述凹槽之间设置有一个搁板部分(shelf)。
优选的是，当喷射是在压缩冲程后期进行时，所述喷油器的喷射角度不大于约30度。
优选的是，当喷射是在发动机处于低速低负荷情况下在压缩冲程后期进行时，所述喷油器的喷射角度不大于约30度，当发动机处于高速大负荷时，喷射角度增加。
优选的是，当大气压力增加时，所述喷油器的喷射角度减小，所述喷油器的喷射定时由发动机的运转工况决定，以使发动机处于低速低负荷时在压缩冲程后期进行喷射，发动机处于高速大负荷时在进气冲程中进行喷射。
优选的是，当发动机处于中等负荷工况时，所述喷射在压缩冲程的前期及后期分两次进行。
优选的是，发动机还包括一个用于在压缩冲程中进行喷射时提高所述燃烧室内气体流动的气流控制装置。
优选的是，所述气流控制装置包括一个用于在压缩冲程后期进行喷射时产生一空气燃油混合物涡流以使发动机大负荷工况下的涡流比较发动机低负荷工况下的涡流比大的涡流发生装置。
优选的是，所述气流控制装置包括一个用于在压缩冲程后期进行喷射时产生一空气燃油混合物涡流以使发动机高速工况下的涡流比较发动机低速工况下的涡流比小的涡流发生装置。
优选的是，所述气流控制装置包括一个用于产生涡流的第一进气道，一个用于产生一卷流(tumble)的第二进气道，及一个用于打开和关闭第二进气道的涡流控制阀。
优选的是，所述涡流控制阀的开度可以增加以减小所述涡流比，也可减小以增加所述涡流比。
优选的是，发动机还包括：形成于气缸盖内通向所述燃烧室的进气道和排气道，用于开启和关闭所述进、排气道的进气门和排气门，所述进、排气门设置成进气门轴线相对于气缸中心线的倾斜度比排气门轴线的倾斜度小，所述进气道一侧和排气道一侧的所述燃烧室壁面分别垂直所述进气门和排气门轴线，所述进气道设置在喷油器与进气门轴线之间，从燃烧室倾斜向上延伸到气缸盖一侧部。
优选的是，所述进气道包括一个用于产生一进气涡流的第一进气道和一个用于产生一进气卷流(tumble)的第二进气道。
优选的是，通向燃烧室的第一与第二进气道在开口处的角度基本相同，但是，第二气道与上游部的第一气道相比更垂直一些延伸，及在第二气道内上游某处设置有一个门阀。
优选的是，发动机改进结构还包括一个顶置双凸轮轴形式的气门驱动机构，在该机构内，进、排气凸轮轴彼此平行，所述排气凸轮轴相对于气缸中心线处于所述进气凸轮轴下方，所述排气凸轮轴由一曲轴通过一传递装置驱动，及所述进气凸轮轴由所述排气凸轮轴通过一传输装置驱动。
优选的是，所述传输装置包括一对齿轮。
优选的是，发动机改进结构还包括一个顶置双凸轮轴形式的气门驱动机构，在该机构内，进、排气凸轮轴彼此平行，所述排气凸轮轴相对于气缸中心线处于所述进气凸轮轴下方，所述进气凸轮轴由一曲轴通过一传递装置驱动，所述排气凸轮轴由所述进气凸轮轴通过一传输装置驱动，该发动机如此布置使凸轮轴在一车辆内横向延伸，及在车辆的纵向所述进气凸轮轴处于所述排气凸轮轴之后。
优选的是，所述传输装置包括一对齿轮。
优选的是，所述燃烧室由置于由一气缸体构成的气缸内的一活塞的顶面与一气缸盖的下表面构成，第一和第二进气道并排延伸并通向所述燃烧室顶部，第一和第二排气道并排延伸并通向所述燃烧室顶部，第一和第二进气门与第一和第二排气门分别用于开启和关闭所述第一和第二进气道及第一和第二排气道，喷油器安装在气缸盖上用于直接将燃油喷入燃烧室，火花塞安装在气缸盖上，进、排气门按如此形式布置，进气门轴线相对气缸中心线倾斜的角度比排气门相对气缸中心线倾斜的角度要小，进气道一侧和排气道一侧的燃烧室壁面分别垂直进、排气门的轴线，所述燃烧室的外形结构是在其剖面上基本呈一梯形，所述喷油器置于所述气缸盖下部进气道一侧，所述第一进气道指向所述燃烧室的圆周方向，所述第一进气道与紧邻第一进气道的第一排气道间的燃烧室竖壁部分呈一与气缸壁面相一致的圆弧形，及在第一与第二进气道间以及第二进气道与紧邻该第二进气道的第二排气道间燃烧室竖壁部分从平面图上的相邻气门外边缘的外公切线向内延伸。
优选的是，所述第一与第二排气道间的燃烧室竖壁部分如此延伸以致与排气门边缘的外公切线一致。
优选的是，所述第一与第二排气道间的燃烧室竖壁部分呈一与气缸壁面相一致的圆弧形。
优选的是，一顶置双凸轮轴形式的气门驱动机构，在该机构内，进、排气凸轮轴彼此平行，其中之一凸轮轴由曲轴通过一传递装置驱动，该凸轮轴可与一对齿轮相连。
                          附图说明
下面参照附图所示最佳实施例对本发明作进一步的详细说明，附图中：
图1是本发明直喷式发动机的局部剖示图；
图2是沿图1中A-A线剖取的剖示图；
图3是燃烧室部位的示意性局部剖示图；
图4是燃烧室及其周围的示意性平面图；
图5是一种燃烧室结构的示意图；
图6是一种燃烧室及进、排气道布置方式的示意图；
图7是压缩冲程后期一高压喷油器进行燃油喷射时的燃油喷射扩张方式的解释图；
图8是进气冲程中一高压喷油器进行燃油喷射时的燃油喷射扩张方式的解释图；
图9是压缩冲程及进气冲程中燃油喷射工作区的解释图；
图10是随发动机负荷变动的涡流控制特性图；
图11是随发动机转速变动的涡流控制特性图；
图12是气缸盖的整体平面图；
图13是某一发动机气门驱动机构的示意性前视图；
图14是另一发动机气门驱动机构的示意性前视图；
图15是燃烧室结构另一实施例的示意性平面图；
图16是在压缩冲程中进行两次喷射时的喷射定时及喷射量的图；
图17是在压缩冲程中进行两次喷射时的喷出燃油分布的图；
图18是本发明另一实施例的剖示图；
图19是沿一垂直进气道轴线的直线剖取的剖示图。
                          具体实施方式
现在将参照附图对本发明详细描述。图1是本发明直喷式发动机一优选实施例的剖面图。图2是沿图1中的A-A线剖取的剖示图。图3是一幅示意图。图4也是一幅示意图。在各图中，图标1代表装在气缸体2上的气缸盖，图标3代表一置于气缸4内的活塞。活塞3的顶面与气缸盖1的下底面构成了一燃烧室5。该气缸盖的下底面上有一个凹槽结构或拱顶。气缸盖1上有一通向燃烧室5的进气道和一通向燃烧室5的排气道。在所示实施例中，设置有一对进气道6和7及一对排气道8、9。进气道6和7分别与进气门10相结合，排气道8和9分别与排气门11相结合。进、排气门10、11分别由进气凸轮轴12及排气凸轮轴13上的凸轮驱动。
此外，一个用于将燃油直喷入燃烧室5的喷油器15及一个火花塞16装在气缸盖1上。该喷油器的顶端或喷嘴部分置于燃烧室的周边部分。而火花塞16的顶端则基本置于燃烧室5顶部的中心部位。
气门10及11的轴线分别相对气缸中心线倾斜θ1度和θ2度。进气门10与排气门11布置为进气门的倾斜角θ1小于排气门的倾斜角θ2。进气口与排气口处的燃烧室5壁面垂直气门10和11的轴线。排气门11的气门轴线相对气缸中心线倾斜一较大的角度而进气门10的气门轴线则相对气缸中心线倾斜一较小的角度。
更具体地说，如图6所示，两进气道6和7并排设置在凸轮轴轴线方向上，并且在气缸盖1拱顶或底面的某一侧通向燃烧室5，两排气道8和9也并排设置在凸轮轴轴线方向上，但在气缸盖1底面的另一侧通向燃烧室5。
燃烧室5的拱顶是一斜面，该斜面在排气道一侧以一预定角度从中间向气缸下端或气缸盖与气缸体2的接合面延伸，同时在进气道一侧则基本是水平延伸或与沿气缸盖和气缸体的接合面延伸。在进气道一侧有一基本是垂直的壁部分18。因此，该拱顶沿一垂直凸轮轴12及13轴线方向的平面剖开，如图1和3所示，呈一梯形剖面结构。设置第一进气道6的目的是产生一进气涡流，设置第二进气道7的目的则是产生一进气卷流(tumble)。两进气道6和7在上游方向都向上延伸。如图3所示，第二进气道7在垂直方向上的倾斜度比第一进气道6的大。为将进气道6和7与进气总管20相连，分别设置了与进气道6及7相对应的进气管21和22。在第二进气道7或进气管22内设置有一个涡流控制阀23用于开启及关闭进气道7。该涡流控制阀23关闭后，会在进气道6内产生一股涡流或水平旋流。各缸都设置有这样的涡流控制阀，这些控制阀与一公共轴23a相连，一驱动器通过此轴驱动这些涡流控制阀。当该控制阀23开度增加时，涡流减弱，同时进气在进气道7内产生一卷流(tumble)或垂直涡流。
两进气道6和7在喷油器15与进气门轴线间都向上游方向延伸。进气管21和22将进气道6和7与进气总管20相连。
如图5、6所示，构成燃烧室5上部的气缸盖1周边竖壁31呈一与气缸周边及圆形壁一致的圆形结构。竖壁31上第一进气道6的开口6a与第二进气道7的开口7a间以及第二进气道7的开口7a与第二排气道9的开口9a间设置有从竖直周壁向内延伸的导流板(mask)32和34。
如图5所示的平面图中，导流板(mask)32、34的竖壁33和35是与相邻气门外廓线的切线一致的。
在所示实施例中，在第一排气道8的开口8a与第二排气道9的开口9a间设置有另一竖壁36。在此平面图中，该壁36是与第一和第二排气门外边缘的切线一致的。
在此布置中，如前所述，在燃烧室5内朝向排气道一侧形成有向下的斜面。因此，竖壁36比壁33和35低。
喷油器15装在气缸盖1上比燃烧室5一侧的进气道6和7低的位置。该喷油器15的顶端从竖壁部分18凸入燃烧室5。
该喷油器15是一种小角度的喷油器，其喷射角至少在压缩冲程后期喷射时不超过30度。在此实施例中，采用了一个带有一适于产生一喷射涡流的喷嘴结构的高压喷油器。此种高压喷油器的喷射角能够达到很小。因此，在压缩冲程(在此冲程中燃烧室内的压力增加)后期进行燃油喷射时，喷射角度减小至30度以下(如图7中所示)。当喷射在进气冲程(在此冲程中燃烧室内的压力相对压缩冲程后期的压力而言比较低)中进行时，喷射角度变宽(如图8中所示)。图标25表示从喷油器15喷出的雾化燃油形状。
如图1和3所示，该喷油器指向斜下方。如图1至3所示，活塞3顶面基本是一平面结构，其上有一凹槽26在气缸内沿喷油器15的轴线向排气道一侧延伸。
该凹槽在喷射方向上由后向前逐渐变深。在垂直喷射方向的方向上该凹槽的尺寸比喷射尺寸大。换句话说，喷油器15从缸盖与缸体的接合面指向斜下方。也就是，该凹槽沿喷射方向向前尺寸增加以涵盖从喷油器15喷出的雾化燃油25的膨胀量。该凹槽26会降低活塞3的压缩比。鉴于此，进气一侧的活塞3顶面上做出一个凸出部分27。在喷射方向上喷油器15顶端到燃烧室壁的距离要比雾化燃油从压缩冲程后期开始喷射至点火这段时间内传播的距离长。火花塞16被布置成其点火间隙处于燃油喷射面内。因此喷油器15顶端到点火间隙16a的距离要小于燃油的传播距离。
更具体地说，当活塞3处于压缩冲程末期上止点附近时，如图3所示，凹槽26的末端在喷射方向上构成与燃烧室5与喷油器15相对的一端。喷油器15的顶端到凹槽26的末端或燃烧室5实际末端的距离作为L。喷出的燃油从至少在发动机低速低负荷工况下在压缩冲程后期开始喷射到点火正时这段时间内所传播的距离作为L1。从喷油器15顶端到火花塞16的点火间隙16a的距离作为L2。喷油器15、火花塞16、凹槽26及其它部件的配置关系，及这些要素与开始喷射及点火正时之间的关系决定了L＞L1＞L2。
如图9所示，喷油器15的燃油喷射定时要根据发动机的工况来控制。图9中，剖面线区域A是运转工况的喷射区域，在此区域内在压缩冲程后期进行燃油喷射。区域B是另一点火区域，在该区域内在进气冲程中进行燃油喷射。如图9中区域A所示，当发动机负荷不大于一预定中等或低负荷时，当发动机的转速不超过一预定的中速或低速时，燃油喷射在压缩冲程后期进行。在区域A中，区域A1是发动机负荷较低的区域，在该区域内燃油喷射量相对比较少。因此，在此区域内只进行一次喷射。另一方面，发动机中等负荷区域A2内的燃油喷射量比区域A1内的大，因此进行两次喷射。当发动机的运转工况在某一区域，在此区域内发动机的负荷大于一预定值，或发动机的转速大于一预定值，这时燃油喷射在进气冲程中进行。
当燃油喷射在压缩冲程中进行时，如图10和11所示，要对涡流进行控制。当发动机负荷减小时，涡流控制阀开度增加以降低涡流比。另一方面，发动机负荷较高时涡流比增加，其中由于随发动机负荷增加涡流控制阀23的开度减小，燃油喷射仍在压缩冲程中进行。
如图11所示，当发动机转速降低时，涡流控制阀的开度增加以提高涡流比。另一方面，发动机转速增加后，涡流控制阀23的开度减小，使得燃油喷射在压缩冲程中进行的工况下涡流比减小。
同时，按照运转工况控制一节气门。通常，该节气门在所有运转工况中都是全开的，因为通过使燃油及进气混合物分层，可以保持一种理想的可燃性，甚至在发动机处于低速，进气量远超过燃油量的稀燃工况下也可以保持一种理想的可燃性。该节气门只在一有限的工况下关闭，如起动、热车阶段废气温度较低时，及其它类似情况下，以加热用于净化废气的催化剂。
如图12和13所示，气门驱动机构是一个双顶置凸轮轴(DOHC)，在该机构中，进、排气凸轮轴12和13相互平行地放置在气缸盖上。两气门杆的长度相等。但是，排气门杆的倾斜度比进气门杆的大。进气门10和排气门11如此布置后，排气凸轮轴13处于进气凸轮轴12下方。
排气凸轮轴13由曲轴30通过一传递装置驱动，而进气凸轮轴12则由排气凸轮轴13通过一连接装置驱动。
该传递装置设置有一位于曲轴30前端的曲轴皮带轮31、位于排气凸轮轴13前端的凸轮轴皮带轮32、环绕这些部件的定时带、惰轮34、张紧轮35及其它一些部件。通过此传递装置，曲轴30的转动力被传递给排气凸轮轴13。此时，凸轮轴皮带轮32的直径是曲轴皮带轮31的两倍，以使凸轮轴13以曲轴30一半的转速转动，轴12和13前端的齿轮36和37直径相等且相互啮合，从而使轴12和13以相反方向转动。
除皮带轮31外还设置有一个驱动皮带轮41用于通过一皮带42驱动发电机43、水泵44及其它一些部件。一分电器安装座45设置在排气凸轮轴13后端一侧。一分电器(图中未示)装在安装座45上，并可由凸轮轴13驱动。另一方面，油泵46设置在进气凸轮轴12后端一侧，由凸轮轴12通过一皮带47驱动。
喷油器15设置在进气道附近以避免受燃烧室5排气一侧的热的影响。在此，进气门10轴线的倾斜度比排气门11轴线的倾斜度小。燃烧室5上表面进气道一侧的部分基本是水平延伸的。沿气缸中心线剖取的燃烧室5的剖面成一梯形。燃烧室5进气道一侧有一竖壁部分18直达气缸盖底部。喷油器15穿过垂直壁18的表面安装以使喷油器15的顶端凸入燃烧室5内。这样的布置由于具有足够的空间因而可以恰当地设置喷油器。
喷油器15与进气门12的气门杆间的空间内设置有第一和第二进气道6和7。如前所述，进气门与排气门相比其气门杆相对于气缸中心线的倾斜角度较小。因此，进气门10的气门杆与喷油器间的空间相对扩大。因此可将进气道6和7做成流线型，以减小进气的压力损失。进气道6和7彼此隔开一定距离以便进气道不妨碍在进气道7内布置涡流控制阀23和控制轴23a。此外，进气道6和7基本是水平地与气缸盖1一侧的进气总管20相连。因此，如此布置后，可使机体前端的高度相对于日本未经审查专利所公开那种布置有所降低，在那种布置中，进气道与气缸盖上方的进气总管相连。
在所示实施例的另一方面中，进气和排气凸轮轴12和13设置在气缸盖1之上。其中之一轴由曲轴30通过一传递装置驱动，而且两轴相互连接以使其中一轴驱动另一轴。由于排气凸轮轴由曲轴30驱动，因此发动机整体高度得以降低。
如前所述，排气凸轮轴13位于进气凸轮轴12的下方。凸轮轴皮带轮32是装在曲轴30上的皮带轮的两倍大。按照所示实施例，这样大的皮带轮32只装在排气凸轮轴13上而不装在进气凸轮轴12上，而该进气凸轮轴12处于一比轴13高的位置上。因此，发动机的高度得以降低。
参考图14，该图示出了本发明另一实施例。在如图布置中，与图13布置所不同的是，进气凸轮轴由曲轴30通过一传递装置驱动。进气凸轮轴12上设置有皮带轮32通过定时皮带与曲轴皮带轮31相连。该发动机是一种横置发动机，其中凸轮轴在引擎罩50下的发动机室内横向延伸。对于此实施例，发动机的高度相对于前一实施例有所增加，但是，发动机横向放置，其进气一侧置于后面。此时，高度比进气一侧低的排气一侧置于发动机室的前面。因此，如果引擎罩50是向前下方倾斜的，那么此发动机就可沿倾斜的车体流线恰当地布置在发动机室内。另一方面，前一实施例的布置适用于发动机纵向布置或引擎罩流线相对较平的车辆。
在上述实施例基础上可以作出各种修改，例如，可以用一链条取代齿轮36和37，尽管这样会使轴12和13间的距离加大。定时带也可以是一根链条。
在工作中，当发动机处于一低速低负荷工况时，燃油从喷油器15喷入燃烧室5内以进行一种空气燃油混合物的分层燃烧。如前所述，从喷油器15顶端到燃烧室5另一侧的距离L设置为比雾化燃油从开始喷射到点火正时这段时间传播的距离L1长。因此可以避免雾化燃油到达并附着在燃烧室5的壁或喷油器15对面的凹槽26的末端上。此外，火花塞16顶端的点火间隙16a处于喷出的雾化燃油流经的区域内。换句话说，间隙16a处于某一与喷出的燃油所经路线干涉的位置。传播距离L1比喷油器15顶端到点火间隙16a的距离L2长以使在点火时雾化燃油滞留在点火间隙16a周围。因此可取得很好的着火稳定性，从而在空气燃油混合物分层的情况下实现高效的燃油燃烧。此外，由于可以有效地阻止喷出燃油附着在燃烧室5壁面上，因此碳氢化合物的排放得以减少，还可改善排放性能和燃油经济性。
这种有益的特征源于喷油器15独特的布置；燃烧室5、活塞3和火花塞6的结构及上述点火与喷射的控制。
更详细地说，喷油器15由一高压涡流喷油器构成，这种喷油器可以通过促进自身涡流比较容易地实现喷出燃油的雾化，从而改善点火性能。当燃油喷射在压缩冲程中进行时，喷射角小于30度。结果，雾化燃油的扩散得到抑制，从而防止了燃油附着在燃烧室5的壁面上。并且可在点火间隙16a周围获得一稳定的雾化燃油浓度从而改善点火稳定性。
燃烧室5从中间到排气道一侧有一基本是向下的斜面，进气道一侧有一基本为水平的面，从而在活塞冲程方向形成一个梯形剖面结构。喷油器15置于边缘部分并且倾斜向下指向排气道一侧。这样布置后，喷出并雾化的燃油流过点火间隙16a附近，同时阻止了燃油到达燃烧室5的壁面。
在这方面，通常存在如下问题，在一屋脊形结构的燃烧室中，进气和排气道分别位于各燃烧室上斜面上，点火间隙大体位于燃烧室中央顶端。一喷油器置于斜面的下部进气道一侧。在此布置中，喷嘴必须指向斜上方以使喷出的燃油流过点火间隙附近。但是，如果燃油向上喷射，那么这些喷出的燃油就可能达到并附着在燃烧室的斜面上。
根据本发明，如前所述，剖面为梯形结构的燃烧室，其壁面在排气一侧向下倾斜，而在进气一侧则水平延伸。喷油器15安装在燃烧室进气道一侧基本竖直的侧壁上。该喷油器指向斜下方，从而可以使雾化燃油流经点火间隙16a附近，同时，抑制了雾化燃油的附着。
此外，活塞3顶面上有一凹槽26。此凹槽26沿喷油器15喷出燃油的喷射方向延伸，并且在燃油喷射方向上向前逐渐加深。也就是说，该凹槽在进气一侧较浅而在排气一侧较深。如前所述限定了活塞3顶面的结构与发动机运转工况的关系(即L、L1和L2间的关系)，所说的这些运转工况包括燃油的喷射、点火正时、喷油器与点火间隙的布置以及燃烧室的结构，这种限定是为了阻止燃油附着在燃烧室壁面上。雾化燃油25有效地滞留在凹槽26及其上部空间内。结果，获得一种稳定的燃烧。
由于燃烧室5的结构在气缸4的轴线方向呈一梯形状，因此该燃烧室5的容积可能会增加从而导致压缩比不合乎需要地减小。所以燃烧室如此布置以后，再在相邻气道之间设置导流板(mask)32、34，这些导流板(mask)从相邻气道间的周壁部分向内延伸。结果燃烧室容积可以保持到尽可能小以避免所不愿要的一低压缩比。尤其是在两进气道6和7之间以及第二进气道7与第二排气道9之间的高壁部分上还分别设置导流板(mask)32和34。因此它们可以有效地减小燃烧室5的容积。
在这种情况下，尽管第一进气道6的开口6a与第一排气道8的开口8a之间的壁31比较高，但是在其上未设置导流板(mask)。而是将竖壁31做成一圆弧形结构以使进气从第一进气道6周边平滑导入。因此这种布置可以有效地产生涡流。另一方面，尽管两排气道开口8a和9a间的壁部分较低，因为燃烧室上表面靠近气缸盖1的下端，但是仍做出一个导流板(mask)以形成壁36，从而可以有效地减小燃烧室5的容积。但是，也可以将壁36做成一与气缸周壁一致的圆弧形结构。按此布置后，可以有效地形成进气混合物的涡流。
做为一种对导流板(mask)32及34的修改，如图15所示，导流板(mask)32′及34′被做成从气门边缘的切线向内凸出，在平面图内呈一圆弧线。如此布置后，可进一步减小燃烧室5的容积。
区域A中发动机负荷相对较低的区域A1内，只进行一次喷射。但是，在发动机负荷相对较高的区域A2内，要进行两次喷射以使分层燃烧易于实现。
如在区域A2内只进行一次喷射，那么喷出燃油就不能充分雾化，并过多地集中在间隙16a周围使点火性能及燃烧性能恶化。
另一方面，如果在压缩冲程的前期及后期分别进行第一和第二燃油喷射Ia和Ib，那么，尽管喷出燃油的一部分可能会到达燃烧室5壁面，并附着在其上，如图16所示，但是这些燃油会在点火之前蒸发并扩散并在点火间隙与燃烧室5壁面之间形成一合适的空燃混合物31。第二次喷射也要满足条件L＞L1，而且喷射量与发动机负荷相对较低工况下的喷射量相同，以便于喷出燃油在间隙16a周围形成一合适的空燃混合物32。如图17所示混合物32紧跟着混合物31。从而可以保持一种很好着火性和可燃性使燃油经济性与排放性能得到改善。
在这种情况下，如果在进气冲程中进行第一次燃油喷射，那么燃油的扩散会过分完全，使点火之前混合气过稀进而导致分层燃烧恶化。因此，最好将第一次喷射安排在压缩冲程中进行。
按照发动机的负荷与转速对涡流进行控制，如联系图10及11所做的说明。发动机处于低负荷工况时，涡流比减小以抑制过份扩散。当发动机负荷增加时，涡流比也增加以促进燃油雾化及空气与燃油混和。当发动机转速增加时，涡流比减小以抑制过份扩散和弯曲(curve)。
在发动机全速全负荷工况下，喷油器15的喷射在进气冲程中进行。燃油在整个燃烧室内均匀扩散并均匀燃烧从而提高发动机的功率特性。
在这种情况下，如果采用一高压喷油器，那么就能以一个较宽的喷射角度进行燃油喷射。喷出的燃油在点火之前可以充分扩散。从而，实现均匀燃烧。
凹槽26可以做成向一涡流方向少许倾斜，如图3中双点划线所示。
也可以，如图18中所示，在活塞3顶面凸出部分27与凹槽26之间做出一个搁板部分(shelf)28以使一部分燃油冲撞在该搁板部分(shelf)28上，并有效地导向火花塞16。在此布置中，喷油器15喷嘴的凸出量得以减小，这是一个优点。
参考图19，燃油泵46置于第一和第二进气道21和22旁边。按此种布置方式，燃油泵46紧靠喷油器15设置从而缩短了燃油供给线路。此外，泵46设置在进气道21与22的上方以利维修。
综上，本发明提供了一种在燃烧室周边部分设置有一个至少在发动机低速低负荷工况下至少在压缩冲程后期喷出燃油的喷油器的直喷式发动机来达到的，其中，从喷油器顶端到燃烧室与该喷油器顶端相对的一端的距离要比喷出的燃油从压缩冲程后期燃油开始喷射到点火正时这段时间内传播的距离长，其中，火花塞被布置成其点火间隙处于喷油器喷射范围内；及其中喷油器顶端到点火间隙的距离要比喷出的燃油的所述传播距离短。
在一优选实施例中，一直喷式发动机包括一个置于气缸体气缸内的活塞，气缸盖中有一构成燃烧室上部的顶部，该顶部从气缸盖与气缸体的接合面在气缸盖内向上延伸，在燃烧室排气道一侧在该顶部内有一向下延伸的斜面，在进气道一侧在该顶部内有一基本平行所述接合面延伸的平行面，从而由该顶部与活塞顶面形成一梯形剖面状的燃烧室结构，及喷油器设置成倾斜向下喷射。
最好，在活塞顶面上做出一凹槽。该凹槽沿喷射方向延伸并逐渐变深变宽。该凹槽在垂直喷油器喷射方向的方向上其尺寸比喷出燃油的尺寸大。
在喷射方向上从喷油器顶端到燃烧室另一壁面的距离比喷出的燃油从压缩冲程后期开始喷射至点火正时这段时间内的所述传播距离长。
在活塞顶面可以设置一个向上延伸的凸出部分，该部分比所述凹槽更靠近进气道。在此情况下，最好在活塞顶面凸出部分与凹槽间设置一个搁板部分(shelf)。在一优选实施例中，当喷射是在压缩冲程后期进行时，喷油器的喷射角度不应大于约30度。同样当喷射是在发动机低速低负荷工况下在压缩冲程后期进行时，喷油器的喷射角度也不应大于约30度。当发动机处于高速大负荷时喷射角度应有所增大。
再有，大气压增加后喷油器的喷射角度可以有所增加，同时根据发动机运转工况来决定喷油器的喷射定时，以使发动机处于低速低负荷时在压缩冲程的后期进行喷射，当发动机处于高速大负荷时在进气冲程中进行喷射。
当发动机处于中等负荷时，最好在压缩冲程的前期及后期进行两次喷射。在一优选实施例中，设置了一个气流控制装置用于当喷射在压缩冲程中进行时加快燃烧室内的气体流动。
该气流控制装置包括一个涡流发生装置用于在压缩冲程后期进行喷射时，生成一股空气燃料混合气涡流以提高发动机低负荷工况的涡流比。通常，该气流控制装置包括一用于产生涡流的第一进气道、一用于产生一卷流(tumble)的第二进气道，及一个用于开启和关闭第二进气道的涡流控制阀。
涡流控制阀开度增加可以减小涡流比，相反开度减小则可以增加涡流比。
在本发明另一方面内容中，一直喷式发动机包括一个由处于一气缸体气缸内的活塞的顶面和气缸盖底面形成的燃烧室、在气缸盖中形成的通向燃烧室的一进气道和一排气道、用于打开及关闭该进排气道的一进气门和一排气门、一安装在气缸盖上用于将燃油直接喷入燃烧室的喷油器，及一个安装在气缸盖上的火花塞。进排气门被布置为，进气门轴线相对于气缸中心线的倾斜度比排气门轴线的倾斜度小。
进气道一侧和排气道一侧的燃烧室壁面分别与进、排气门的轴线相垂直。喷油器处于气缸盖下部进气道一侧。进气道设置在喷油器与进气门轴线之间，并从燃烧室倾斜向上延伸到气缸盖一侧部。
此时，进气道包括一用于产生一进气涡流的第一进气道和一用于产生一进气卷流(tumble)的第二进气道。在开口处第一与第二进气道与燃烧室所成角度基本一致。而在上部，第二进气道要比第一进气道更直立一些。第二进气道内上游位置设置有一个阀门。
该发动机还包括一个双顶置凸轮轴(DOHC)式气门驱动机构，在该机构内一进气凸轮轴和一排气凸轮轴相互平行延伸。其中排气凸轮轴相对于气缸中心线处于进气凸轮轴下方。
该排气凸轮轴由一曲轴通过一传动装置驱动。进气凸轮轴则由排气凸轮轴通过一传输装置驱动，该传输装置最好包括一对齿轮。在另一方面，该发动机可以布置成凸轮轴在车内横向延伸，同时在车辆纵向进气凸轮轴位于排气凸轮轴之后。
最好是，第一与第二进气道并排延伸并且并排通向燃烧室顶部，第一与第二排气道并排延伸并且并排通向燃烧室顶部。
进、排气门布置为进气门轴线相对于气缸中心线的倾斜度比排气门轴线的倾斜度小。进气道一侧和排气道一侧的燃烧室壁面分别与进、排气门轴线相垂直。这种燃烧室结构的剖面基本呈一梯形。喷油器置于气缸盖下部进气道一侧。第一进气道指向燃烧室圆周方向。第一进气道与紧邻第一进气道的第一排气道间的一燃烧室竖壁部分是与气缸壁面一致的圆弧形。再有，从一平面图上看第一与第二进气道间以及第二进气道与紧邻第二进气道的第二排气道间的燃烧室竖壁部分都是从相邻气门外边缘的外公切线向内延伸。第一与第二排气道间的竖壁部分根据排气门边缘的外公切线延伸。
第一与第二排气道间的竖壁部分也可以是与气缸壁面一致的圆弧形。
尽管已参考一具体的优选实施例阐述了本发明，但是本领域普通技术人员应认识到在本发明精神与范围内可以对其做出各种修改和改进。本发明的保护范围只由后附的权利要求决定。

Claims (23)

1.一种在燃烧室一周边部分设置有一喷油器的直喷式发动机，该喷油器在发动机低速低负荷工况下至少在一压缩冲程后期斜向下喷射燃油，其特征在于，包括：
置于气缸体气缸内的活塞；
火花塞，布置成其点火间隙置于所述燃烧室的中央部分；
构成所述燃烧室上部的顶部，该顶部形成于气缸盖内，在气缸盖内从该气缸盖与所述气缸体的接合面向上延伸；
喷油器，在进气道一侧设置在气缸盖的下部中；
形成于所述顶部内在所述燃烧室排气道一侧向下延伸的斜面，其中燃烧室的剖面为梯形结构；
形成在所述活塞顶面的凹槽；
该凹槽沿喷射方向延伸并逐渐变深，而且在垂直喷油器喷射方向的方向上其尺寸比喷出燃油的尺寸大；
在喷射方向上从所述喷油器的顶端到所述燃烧室与该喷油器顶端相对的壁的距离比喷出燃油从压缩冲程后期喷射开始到点火正时这段时间内的传播距离长；
从喷油器顶端到燃烧室与该喷油器顶端相对的一端的距离要比喷出的燃油从压缩冲程后期燃油喷射开始到点火正时这段时间内传播的距离长；及
所述喷油器的顶端到所述点火间隙的距离比喷出燃油的所述传播距离短。
2.如权利要求1所述的直喷式发动机，其特征在于：在所述活塞的所述顶面上设置有一个比所述凹槽更靠近一进气道的向上延伸的凸出部分。
3.如权利要求2所述的直喷式发动机，其特征在于：在所述活塞的所述顶面上在所述凸出部分与所述凹槽之间设置有一个搁板部分。
4.如权利要求1所述的直喷式发动机，其特征在于：当喷射是在压缩冲程后期进行时，所述喷油器的喷射角度不大于约30度。
5.如权利要求1所述的直喷式发动机，其特征在于：当喷射是在发动机处于低速低负荷情况下在压缩冲程后期进行时，所述喷油器的喷射角度不大于约30度，当发动机处于高速大负荷时，喷射角度增加。
6.如权利要求2所述的直喷式发动机，其特征在于：当大气压力增加时，所述喷油器的喷射角度减小，所述喷油器的喷射定时由发动机的运转工况决定，以使发动机处于低速低负荷时在压缩冲程后期进行喷射，发动机处于高速大负荷时在进气冲程中进行喷射。
7.如权利要求1所述的直喷式发动机，其特征在于：当发动机处于中等负荷工况时，所述喷射在压缩冲程的前期及后期分两次进行。
8.如权利要求1所述的直喷式发动机，其还包括一个用于在压缩冲程中进行喷射时提高所述燃烧室内气体流动的气流控制装置。
9.如权利要求8所述的直喷式发动机，其特征在于：所述气流控制装置包括一个用于在压缩冲程后期进行喷射时产生一空气燃油混合物涡流以使发动机大负荷工况下的涡流比较发动机低负荷工况下的涡流比大的涡流发生装置。
10.如权利要求8所述的直喷式发动机，其特征在于：所述气流控制装置包括一个用于在压缩冲程后期进行喷射时产生一空气燃油混合物涡流以使发动机高速工况下的涡流比较发动机低速工况下的涡流比小的涡流发生装置。
11.如权利要求8所述的直喷式发动机，其特征在于：所述气流控制装置包括一个用于产生涡流的第一进气道，一个用于产生一卷流的第二进气道，及一个用于打开和关闭第二进气道的涡流控制阀。
12.如权利要求11所述的直喷式发动机，其特征在于：所述涡流控制阀的开度可以增加以减小所述涡流比，也可减小以增加所述涡流比。
13.如权利要求1所述的直喷式发动机，其特征在于，还包括：
形成于气缸盖内通向所述燃烧室的进气道和排气道，
用于开启和关闭所述进、排气道的进气门和排气门，
所述进、排气门设置成进气门轴线相对于气缸中心线的倾斜度比排气门轴线的倾斜度小，
所述进气道一侧和排气道一侧的所述燃烧室壁面分别垂直所述进气门和排气门轴线，
所述进气道设置在喷油器与进气门轴线之间，从燃烧室倾斜向上延伸到气缸盖一侧部。
14.如权利要求13所述的直喷式发动机，其特征在于：所述进气道包括一个用于产生一进气涡流的第一进气道和一个用于产生一进气卷流的第二进气道。
15.如权利要求14所述的直喷式发动机，其特征在于：通向燃烧室的第一与第二进气道在开口处的角度基本相同，
但是，第二气道与上游部的第一气道相比更垂直一些延伸，及
在第二气道内上游某处设置有一个门阀。
16.如权利要求13所述的直喷式发动机，其特征在于，其改进结构还包括一个顶置双凸轮轴形式的气门驱动机构，在该机构内，进、排气凸轮轴彼此平行，
所述排气凸轮轴相对于气缸中心线处于所述进气凸轮轴下方，
所述排气凸轮轴由一曲轴通过一传递装置驱动，及
所述进气凸轮轴由所述排气凸轮轴通过一传输装置驱动。
17.如权利要求16所述的直喷式发动机，其特征在于：所述传输装置包括一对齿轮。
18.如权利要求13所述的直喷式发动机，其特征在于，其改进结构还包括一个顶置双凸轮轴形式的气门驱动机构，在该机构内，进、排气凸轮轴彼此平行，
所述排气凸轮轴相对于气缸中心线处于所述进气凸轮轴下方，
所述进气凸轮轴由一曲轴通过一传递装置驱动，
所述排气凸轮轴由所述进气凸轮轴通过一传输装置驱动，
该发动机如此布置使凸轮轴在一车辆内横向延伸，及
在车辆的纵向所述进气凸轮轴处于所述排气凸轮轴之后。
19.如权利要求18所述的直喷式发动机，其特征在于：所述传输装置包括一对齿轮。
20.如权利要求1所述的直喷式发动机，其特征在于：所述燃烧室由置于由一气缸体构成的气缸内的一活塞的顶面与一气缸盖的下表面构成，
第一和第二进气道并排延伸并通向所述燃烧室顶部，
第一和第二排气道并排延伸并通向所述燃烧室顶部，
第一和第二进气门与第一和第二排气门分别用于开启和关闭所述第一和第二进气道及第一和第二排气道，
喷油器安装在气缸盖上用于直接将燃油喷入燃烧室，
火花塞安装在气缸盖上，
进、排气门按如此形式布置，进气门轴线相对气缸中心线倾斜的角度比排气门相对气缸中心线倾斜的角度要小，
进气道一侧和排气道一侧的燃烧室壁面分别垂直进、排气门的轴线，
所述燃烧室的外形结构是在其剖面上基本呈一梯形，
所述喷油器置于所述气缸盖下部进气道一侧，
所述第一进气道指向所述燃烧室的圆周方向，
所述第一进气道与紧邻第一进气道的第一排气道间的燃烧室竖壁部分呈一与气缸壁面相一致的圆弧形，及
在第一与第二进气道间以及第二进气道与紧邻该第二进气道的第二排气道间燃烧室竖壁部分从平面图上的相邻气门外边缘的外公切线向内延伸。
21.如权利要求20所述的直喷式发动机，其特征在于：所述第一与第二排气道间的燃烧室竖壁部分如此延伸以致与排气门边缘的外公切线一致。
22.如权利要求20所述的直喷式发动机，其特征在于：所述第一与第二排气道间的燃烧室竖壁部分呈一与气缸壁面相一致的圆弧形。
23.如权利要求20所述的直喷式发动机，其特征在于：一顶置双凸轮轴形式的气门驱动机构，在该机构内，进、排气凸轮轴彼此平行，
其中之一凸轮轴由曲轴通过一传递装置驱动，
该凸轮轴可与一对齿轮相连。
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