CN1093597C - 缸内喷射火花点燃式内燃机的气缸盖 - Google Patents

Abstract

一种缸内喷射火花点燃式内燃机的气缸盖形成有一使燃料喷射阀与燃烧室相通的喷射通道，它在燃料喷射阀侧和燃烧室侧分别具有第一和第二通路部分。第一通路部分例如可形成锥台形或直圆柱形，其横截面积朝燃料喷射阀侧方向递减或在整个长度上保持恒定。第二通路部分的横截面积朝燃烧室侧方向递增。喷射阀喷入的燃料通过横截面积渐大的喷射通道进入燃烧室，因而防止因气流突然扩散所造成的燃料喷雾束的紊流，进而提高燃料的燃烧效率。

Description

缸内喷射火花点燃式内燃机的气缸盖

本发明涉及一种用于安装在汽车等动力机械上面的缸内喷射火花点燃式内燃机的气缸盖，尤其是涉及一种可防止燃料喷雾束紊流的气缸盖。

在安装于汽车等动力机械上面的缸内喷射火花点燃式内燃机中，因从减少有毒废气和提高燃烧效率等方面考虑内燃机的运转状况，而使供给于内燃机的混合气变得非常稀。然而，在传统的进气管燃料喷射式内燃机(下面称作进气管喷射汽油发动机)中，混合气的稀度有个限度。例如，混合气太稀会有碍发动机运转的稳定性。为避免这一问题，产生了适于直接向燃烧室内喷射燃料的各种类型的缸内喷射式内燃机(下面称作缸内喷射汽油发动机)。在揭示于未审查的日本专利公布No.7-102976的一种缸内喷射汽油发动机中，燃料是从一燃料喷射阀喷射到一个位于活塞顶部的腔(或类似体)内，因而在点火时于火花塞周围产生了一种空燃比近似等于理论完全燃烧空燃比的混合气。因此，就整体而论即使混合气是稀的情况下，也能点燃，这样，CO和HC的排出量就可因发动机保持稳定运转而减少，发动机在怠速或低负荷下运转时燃烧效率可大大提高。另外，燃料喷射量的增减由于不会受到进气歧管中流动延迟的影响，因而使该缸内喷射汽油发动机具有灵敏的加速/减速反应。

但是，上述的缸内喷射汽油发动机的问题在于：燃料喷雾束形态会因在气缸盖上安装燃料喷射阀而受扰；需要对气缸盖进行压力泄漏检测；发动机总装后很难对燃料系统进行泄漏检测。下面来描述这些问题。

通常，在传统的缸内喷射汽油发动机中，如图8所示，燃料喷射阀4安装于气缸盖2′上，使其喷射口50对着燃烧室室5。在气缸盖2′上，有一个喷射阀安装孔80′，里面安装燃料喷射阀4。从燃料喷射阀4的喷射口50喷入的燃料喷雾束51通过喷射阀安装孔80′处于喷射口50下游的那部分而流入燃烧室室5。喷射阀安装孔80′的下游部分长度较短(孔80′恰位于气缸6内周面上的那部分长度为零)，其横截面积与燃烧室室5相比也很小。换句话说，燃料喷雾束51通路的横截面积在喷射口50的下游处突然增大。因此，气流的突然扩散(分离)使燃料喷雾束51产生紊流(燃料喷雾束形态变差)，因而容易产生燃料的不完全燃烧等，造成排出的有害废气成分增加，燃烧效率下降，等等。图8没有详细地示出燃料喷雾束51因突然扩散而造成的紊流。

而且，在某些缸内喷射汽油发动机中，燃烧室由于从开口于气缸盖底面上的径向偏离于缸盖中心的直立进气道13吸入空气，可产生一逆向旋流52，用以提高燃烧效率。然而，当燃料喷雾的形态变差时，气缸内的气流诸如逆向旋流52会受阻碍，因而有时会产生燃烧效率下降等问题。

若缸内喷射汽油发动机的气缸盖2′的内表面，尤其是气缸盖2′上喷射阀安装孔80′的内表面上存在细微裂缝或缩孔的话，燃烧室5内的高压气体会作用于这些细微裂缝或缩孔上，产生气缸盖2′使用寿命下降等问题。为了检查是否存在细微裂缝或缩孔，需要对气缸盖2′进行压力泄漏检测。为进行压力泄漏检测，必须密封喷射阀安装孔80′在气缸盖底面侧的开口。然而，对传统的气缸盖2′来说，很难完全密封孔80′的开口，因而压力泄漏检测的可靠度很低。

同样，在该缸内喷射汽油发动机中，由于其燃料压力远高于进气管喷射汽油发动机，因而燃料系统很容易泄漏燃料。因此，除了检测燃料喷射阀4是否有燃料泄漏外，对总装后的发动机进行燃料系统的测漏也是必不可少的。为了进行这一燃料泄漏检测，装于气缸盖2′上的燃料喷射阀4的喷射口50必须密封。但是，对于传统的气缸盖来说，很难完全密封喷射口50，因而，燃料泄漏检测的可靠度很低。本发明的一个目的是提供一种缸内喷射火花点燃式内燃机的气缸盖，它可防止燃料喷雾束因突然扩散而发生紊流，因而有利提高废气排放特性和发动机燃烧效率特性。

本发明的另一个目的是提供一种缸内喷射火花点燃式内燃机的气缸盖，它可使气缸盖的压力泄漏检测和燃料系统的泄漏检测更为方便、可靠性更高。

本发明的还有一个目的是提供一种缸内喷射火花点燃式内燃机的气缸盖，它可同时实现防止燃料喷雾束因突然扩散而发生紊流，并便于气缸盖压力泄漏检测和燃料系统泄漏检测的进行及其可靠度的提高。

本发明提供了一种缸内喷射火花点燃式内燃机的气缸盖，包括：一燃烧室，它由一气缸的内表面、可滑动地设置在气缸内的一活塞的顶面和气缸盖的底面所形成，燃烧室呈一由活塞的顶面和气缸盖的底面形成的单坡屋顶形状；一连接于两个打开于气缸盖底面的进气开口的进气道，进气道使吸入空气向下流到燃烧室而在燃烧室内形成一由燃烧室的单坡屋顶形状增强的垂直翻滚气流；一安装一燃料喷射阀的喷射阀安装孔，喷射阀安装孔设置在燃烧室的外周边处；一点火装置安装孔，它将一点火装置安装于基本与燃烧室的上部中心部分相邻处；以及一具有一第一端和一第二端的喷射通道，第一端连接于喷射阀安装孔，第二端连接于燃烧室的周边部分并位于两个进气开口之间，喷射通道在第一端一侧的横截面积等于或大于喷射阀安装孔邻接于喷射通道部分的横截面积，喷射通道在第二端一侧的横截面积大于在第一端一侧的横截面积，使得在燃料喷射阀喷射燃料时，喷射通道防止燃烧室的上表面扰乱沿倾斜向下方向朝气缸中心线所在的一假想平面喷射的燃料流。

本发明的气缸盖的优点在于，由于在燃料喷射阀的喷射口与燃烧室之间具有喷射通道，该通道在燃料喷射阀侧的横截面积等于或大于喷射阀安装孔的横截面积，在燃烧室侧的横截面积大于其在燃料喷射阀侧的横截面积，因而可防止由气流因突然扩散而导致燃料喷雾束产生紊流，进而防止由于燃料喷雾束紊流所造成的有毒废气排放量的增加和燃烧效率下降等问题。

喷射通道最好形成其横截面积从第一端侧朝第二端侧递增的形状。或者，喷射通道形成其第一端侧横截面积的变化率小于第二端侧横截面积变化率的形状。这些较佳实施例的优点在于，利用较为适当地使喷射通道的横截面积从燃料喷射阀侧一端朝燃烧室侧一端递增，从而使燃料喷雾形态更为合适，因此内燃机的废气排放特性和燃烧效率特性得到改进。

喷射通道最好在其内表面上于第一端侧形成有一密封贴合面。更好是将该密封贴合面形成锥形。

这些较佳实施例的优点在于提供了密封贴合面，该密封贴合面在气缸盖的压力泄漏检测和燃料系统的燃料泄漏检测中可与一密封夹具紧密接触起来。具体地说，利用密封夹具与该密封贴合面紧密贴合，就可使喷射通道，进而使喷射阀安装孔在喷射通道侧的开口密封，因此能可靠而方便地进行一有效的压力泄漏检测。同样，可以利用燃料测漏用的密封夹具同燃料喷射阀的喷射口与密封贴合面相紧密贴合来关闭喷射口，因此能可靠而方便地进行一有效的燃料泄漏检测。按照具有锥形贴合面的较佳实施例气缸盖，可以更有效地进行气缸盖压力泄漏检测和燃料系统燃料泄漏检测。

气缸盖最好是装有一立式的进气道，该进气道在气缸盖底面上位于气缸中心线所在假想面的一侧具有一进气开口。喷射通道的第二端开口于气缸盖底面上邻近于进气道的进气口的位置。

该较佳实施例的优点在于，燃烧室内可产生吸入空气(混合气)的逆向旋流，因而可提高燃料燃烧效率。

图1是装有本发明气缸盖的一缸内喷射汽油发动机的纵向剖面图；

图2是图1所示气缸盖及其周围部件的纵向剖面图；

图3是装有火花塞和燃料喷射阀的气缸盖的底面图；

图4是装有燃料喷射阀的气缸盖的局部放大剖面图；

图5表示图2所示气缸盖在压力泄漏检测中的密封过程；

图6表示在燃料系统泄漏检测中的密封过程，其中包括有安装在图2所示气缸盖上的燃料喷射阀；

图7表示按本发明作变型过气缸盖在压力泄漏检测中的密封过程；

图8是传统的气缸盖及其周围部件的纵向剖面图。

下面将参照附图详细描述一种具有本发明一个实施例的气缸盖的缸内喷射汽油发动机。

图1中，标号1表示直列四缸发动机主体(以下简单称作发动机)，它装有专门设计用于缸内喷射式发动机的燃烧室、进气机构、废气再循环(EGR)装置等。发动机1具有一气缸体，它包括四个气缸6、连接于气缸体上端面的气缸盖2和各滑动安装在相应气缸6内的活塞。例如，燃烧室5呈一种单坡屋顶形，它由气缸盖2的底面2a、气缸6的内周面6a和活塞7的顶面7a所形成。

发动机1每个气缸的气缸盖2装有一电磁燃料喷射阀4和一火花塞3，燃料可直接从喷射阀4喷入燃烧室5。在活塞7的顶面7a上形成有一个半球腔8，它位于当燃料于压缩冲程后期从燃料喷射阀4喷入时燃料喷雾束所能达到的位置。该发动机1的理论压缩比(此实施例中约为12)高于进气管喷射汽油发动机的值。其气门机构是顶置双凸轮轴(DOHC)式的。在气缸盖2的上部装有一进气凸轮轴11和一排气凸轮轴12，分别用来驱动进气门9和排气门10。

气缸盖2装有一立式进气道13，它穿过凸轮轴11与12之间。进气道13在气缸盖2底面2a上位于气缸6中心线所在假想面(图3)的一侧具有一进气开口13a(图3)，因而流过进气开口13a的吸入空气在相应的燃烧室5内形成一逆向旋流52。排气道14基本形成于常规发动机中的水平方向上，它分出一个直径较大的废气再循环通道(未示出)并向下倾斜延伸。在图1中，标号16表示一检测冷却水温度T_W用的水温传感器，17表示一输出曲柄角信号SGT用的叶片式曲轴转角传感器。

装有节气门体23等部件的一进气管(未示出)，通过一进气歧管21同进气道13相连。节气门体23具有一蝶型的、用于打开/关闭进气通道的节气门28、一用于检测节气门28开度θ_TH的节气门传感器29和一用于检测节气门28是否处于全闭状态的怠速开关30。另一方面，装有三元催化净化器42和消声器(未示出)等部件的一排气管43通过一排气歧管41同排气道14相连，该排气歧管41装有一用于检测废气中氧气浓度的氧传感器。同样，废气再循环通道通过一装有步进电机式废气再循环阀45的大直径废气再循环管44同进气歧管21的上游侧部分相连。图中标号46表示高压燃料泵，它由排气凸轮轴12驱动，在发动机1怠速时，它可提供50-60kg/cm²甚至更高的输油压力。

下面参照图2到图4进一步描述气缸盖2及其周围的部件。

气缸盖2在从中心沿径向偏移的位置上形成有一喷射阀安装孔80，用于安装燃料喷射阀4。该喷射阀安装孔80相对于气缸6的中心线倾斜地延伸。喷射阀安装孔80具有一用于容纳燃料喷射阀4主体4a的大直径部分、一用于容纳喷嘴部4b大部分的中等直径部分和一用于容纳喷嘴部4b前端部分的小直径部分。在喷射阀安装孔80的大直径部分与中等直径部分之间的阶梯部分形成有一密封贴合面80a，燃料喷射阀主体4a的前端面紧贴在该贴合面上。喷射阀安装孔的密封贴合面80a与喷射阀主体4a的前端面之间设有一密封垫圈81，以防止燃料和高压气体通过燃料喷射阀4与喷射阀安装孔80之间的间隙而发生泄漏。

气缸盖2形成有一喷射通道60(图4)，用以使燃料喷射阀4与燃烧室5之间相通，并防止从燃料喷射阀4的喷射口50喷入的燃料喷雾束51发生紊流。喷射通道60延伸于喷射阀安装孔80的同一方向上。喷射通道60在其位于喷射阀安装孔侧一端(第一端)与喷射阀安装孔80相通，在其位于燃烧室侧一端(第二端)打开于气缸盖2的底面2a。如图3所示，喷射通道60的开口60a设于相邻的两个进气道13的进气开口13a之间。喷射通道60开口60b的外缘沿两个进气开口13a的外缘延伸。

该实施例的喷射通道60具有其横截面积从燃料喷射阀4的喷射口50侧向燃烧室5侧逐渐增大的形状。具体地说，喷射通道60包括第一通路部分62和第二通路部分63(图4)，它们横截面积的增大率互不相同。邻接于喷射阀安装孔80的第一通路部分62的内表面62a利用切削工艺形成一锥形的密封表面62a，该表面最好能围出一个呈锥台形的空间。邻接于燃烧室50的第二通路部分63的内表面63a形成锥状，该表面最好也能围出一个与斜切锥台相对应的空间。通路部分的每个内表面62a和63a最好构成锥面的一部分。第一通路部分62横截面积的增大率小于第二通路部分(横截面积陡增部分)63。换句话说，通路部分的每个内表面62a和63a构成锥面的一部分，由第一通路部分内表面62a假想延伸所形成的锥顶角小于由第二通路部分内表面63a假想延伸所形成的锥顶角。喷射通道60的内表面除了密封贴合面62外不作机加工(保持铸造表面)。

下面将描述该实施例的气缸盖2及其压力泄漏检测和燃料系统燃料泄漏检测的工作情况。

当燃料喷射阀4在预定时间启动时，从燃料喷射阀的喷射口50喷出的燃料喷雾束51先流入横截面积增大率相对较小的第一通路部分62，然后经过横截面积增大率相对较大的横截面积陡增部分(第二通路部分)63流入燃烧室5。因此，燃料喷雾束51是逐渐流入较大空间，因而可消除因气流突然扩散(分离)所造成的紊流。这样，燃料的不完全燃烧等现象的产生可能就得以减小，进而消除了有毒废气成分排放量上升、燃烧效率降低等存在于传统结构中的问题。此外，气缸内诸如逆向旋流52之类的气流不会受扰，因而可防止燃烧效率下降等问题。

该实施例的气缸盖2的压力泄漏检测是用一模拟喷射阀90和一密封夹具70来进行的。

该模拟喷射阀90由聚氨酯橡胶制成，它包括一与燃料喷射阀4主体4a(图4)相对应的第一半部90a和一与喷射阀4喷嘴部分4b的大部分(除了喷嘴部分的前端部)相对应的第二半部90b。模拟喷射阀90的第一半部90a的外径近似等于或稍大于喷射阀安装孔80大直径部分的直径，其第二半部90b的外径稍小于喷射阀安装孔80小直径部分的直径。模拟喷射阀90在其中心线上形成有一空气导入孔91，并在第一半部90a的前端面处具有一密封部分92。

密封夹具70为一聚氨酯橡胶制成的圆柱体，它在其前端部分具有一锥形密封面71。该密封面71适于同喷射通道60的密封贴合面62相配合。

气缸盖2的压力泄漏检测过程如下。

将气缸盖2放入一压力泄漏检测设备(未示出)中后，模拟喷射阀90先插入并固定于喷射阀安装孔80，如图5所示。然后，将密封夹具70装于一致动器(例如气缸)的推杆上，并使推杆72如图5中箭头所示方向运作，将密封夹具70的密封面71压靠在喷射通道60的密封贴合面62a上。因此，密封夹具70的位置离模拟喷射阀90有一定距离S，如图5中双点虚线所示。

来自压缩空气源(未示出)的压缩空气通过模拟喷射阀90中的空气导入孔91而导入由密封夹具70的前端面、模拟喷射阀90的前端面和喷射阀安装孔80的内周面所形成的空间中。导入该空间的压缩空气流入喷射阀安装孔80的内周面与模拟喷射阀90第二半部的外周面之间。利用模拟喷射阀90的密封部分92，可防止压缩空气通过喷射阀安装孔80的内周面与模拟喷射阀90第一半部的外周面之间的间隙而泄漏。由于密封夹具70的密封面71是与喷射通道60的密封贴合面62a相气密接触，因此压缩空气不会从喷射通道60的内周面与密封夹具70的外周面之间泄漏。即使密封夹具70的中心线略微偏离喷射通道60的中心线，密封夹具70也会发生弹性变形来调整这一偏差，因而充分地保持压力泄漏检测中所需的气密度。这样，由密封夹具70的前端面、模拟喷射阀90的外表面和喷射阀安装孔80的内周面所形成的、位于喷射通道60的密封贴合面62与喷射阀安装孔80的密封贴合面80a之间的空间就充满了压缩空气。如果气缸盖2在喷射阀安装孔80周围存在细微裂缝或缩孔的话，压缩空气将从上述的空间泄漏出去，因而空气压力会下降。

因此，从完成压缩空气导入后经过一预定时间再对空气压力进行测量。如果测量结果低于预定值，就可判断出“泄漏存在”。反之，即可得出“泄漏不存在”。

在此实施例中，燃料系统的泄漏检测是按下述过程进行的。把安装有燃料喷射阀4、高压燃料泵46、燃料管道等部件的气缸盖2放入一泄漏检测机(未示出)中后，将一密封夹具100压靠在燃料喷射阀4的前端面上，如图6所示，并在燃料系统上施加一预定燃料压力的同时检测燃料系统各部分的燃料泄漏量。

密封夹具100是一聚氨酯橡胶的圆柱体，其前端面形成有一密封面101。该密封面101的直径稍大于燃料喷射阀4喷嘴部分4b的前端面的直径，并近似等于或稍小于喷射通道60第一通路部分62的平均内径。密封夹具100由致动器的推杆72保持沿箭头所示的方向运动。当密封夹具100压靠在燃料喷射阀4上时，密封面101紧靠在燃料喷射阀4的前端面上，因而可防止燃料从喷射口50泄漏。此时，即使密封夹具100的中心线略微偏移喷射通道的中心线，密封夹具100会发生弹性变形使密封面101同燃料喷射阀4的前端面贴合起来，因而充分保持燃料泄漏检测所需的液密性。

如上所述，该实施例的气缸盖2具有可使燃料喷射阀4的喷射口50与燃烧室5之间相通的、其横截面积从喷射口50侧朝燃烧室5侧递增的喷射通道60，并且适于在喷射通道60于喷射口50侧的内表面上形成密封贴合面62a。因此，可扼制因燃料喷雾束的紊流所造成的有毒废气排放量增加、燃烧效率降低等等，并可避免压缩空气从喷射阀安装孔80和在气缸盖2的压力泄漏检测中从喷射通道60泄漏的不利影响、以及在燃料系统的泄漏检测中燃料从燃料喷射阀4泄漏的不利影响。

以上仅说明了本发明的一个较佳实施例，但本发明并不局限于该实施例。例如，在该实施例中，本发明是实施于直列式四气缸缸内喷射汽油发动机，但它也可以实施于具有不同气缸数或不同气缸配置的发动机如单缸发动机和V型六缸发动机，或者实施于使用其它燃料如甲醇的发动机。同样，在该实施例中，锥形密封贴合面是形成在喷射通道于燃料喷射阀侧的内表面上，但在喷射通道60′于燃料喷射阀4侧的端面上也可形成例如由直圆柱面构成的一密封贴合面62′a，如图7所示。在这种情况下，进行压力泄漏检测时就使用一种前端面的形状与密封贴合面62′形状互补(例如为直圆柱形)的密封夹具70′。图7中，标号62′、63′和71′分别表示与上述的部件62、63和71相对应的部件。

本发明的喷射通道60可以为任何类型，只要其在燃料喷射阀侧的端部(第一端)处的横截面积等于或大于喷射阀安装孔与第一端相邻部分的横截面积，其在燃烧室侧的端部(第二端)处的横截面积大于第一端处的横截面积。如图7所示的变型例，喷射通道的通道区域的横截面积可以沿朝下游侧的方向而保持恒定，但逐渐减小是不利的。虽然上述实施例和变型例的喷射通道60、60′均由两个通路部分构成，但喷射通道也可由三个或更多个具有不同横截面积增大率的通路部分构成。或者，喷射通道可以由一个通路部分构成，它的横截面积是连续增大的。

另外，装置的具体构成、喷射通道的形状，等等，都可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作各种变化。

Claims (8)

1.一种缸内喷射火花点燃式内燃机的气缸盖，包括：

一燃烧室，它由一气缸的内表面、可滑动地设置在所述气缸内的一活塞的顶面和所述气缸盖的底面所形成，所述燃烧室呈一由所述活塞的顶面和所述气缸盖的底面形成的单坡屋顶形状；

一连接于两个打开于所述气缸盖底面的进气开口的进气道，所述进气道使吸入空气向下流到所述燃烧室而在所述燃烧室内形成一由所述燃烧室的单坡屋顶形状增强的垂直翻滚气流；

一安装一燃料喷射阀的喷射阀安装孔，所述喷射阀安装孔设置在所述燃烧室的外周边处；

一点火装置安装孔，它将一点火装置安装于基本与所述燃烧室的上部中心部分相邻处；以及

一具有一第一端和一第二端的喷射通道，所述第一端连接于所述喷射阀安装孔，所述第二端连接于所述燃烧室的周边部分并位于所述两个进气开口之间，所述喷射通道在所述第一端一侧的横截面积等于或大于所述喷射阀安装孔邻接于所述喷射通道部分的横截面积，所述喷射通道在所述第二端一侧的横截面积大于在所述第一端一侧的横截面积，使得在燃料喷射阀喷射燃料时，所述喷射通道防止所述燃烧室的上表面扰乱沿倾斜向下方向朝气缸中心线所在的一假想平面喷射的燃料流。

2.如权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，所述喷射通道横截面积从第一端侧向第二端侧递增。

3.如权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，第一端侧横截面积的变化率小于第二端侧横截面积的变化率。

4.如权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，所述喷射通道的内表面在第一端侧形成有一密封贴合面。

5.如权利要求4所述的气缸盖，其特征在于，所述密封贴合面形成锥形。

6.如权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，所述进气道是立式的并从所述两个进气开口延伸出来，所述两个进气开口位于该假想平面的一侧，所述喷射通道的所述第二端与所述两个进气开口相邻。

7.如权利要求3所述的气缸盖，其特征在于，所述喷射通道包括一位于第一端侧的第一通路部分和一位于第二端侧的第二通路部分，所述第一通路部分的横截面积朝第一端方向递减，所述第二通路部分的横截面积朝第二端方向递增，所述第一通路部分的内表面上形成有一锥形密封贴合面。

8.如权利要求1所述的气缸盖，其特征在于，所述喷射通道包括一位于第一端侧的第一通路部分和一位于第二端侧的第二通路部分，所述第一通路部分在其整个长度上具有恒定的横截面积，所述第二通路部分具有朝第二端方向递增的横截面积，所述第一通路部分的内表面上形成有一密封贴合面。

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