CN110431292B - 火花点火式内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种火花点火式内燃机，在活塞(5)的冠面(10)上设有包含进气侧倾斜面(34)及排气侧倾斜面(35)的隆起部(31)，并且在隆起部(31)中与火花塞对应的位置设有腔室(40)，进气侧倾斜面(34)和排气侧倾斜面(35)以如下的方式形成：正交于气缸的轴心的正交面与排气侧倾斜面(35)所成的角度小于所述正交面与排气门的伞部底面所成的角度，而且排气侧倾斜面(35)与排气门的伞部底面的倾斜角度差大于进气侧倾斜面(34)与进气门的伞部底面的倾斜角度差3度以上。

Description

火花点火式内燃机
技术领域
本发明涉及火花点火式内燃机，尤其涉及如下的火花点火式内燃机：在活塞的冠面上设 有隆起部并且在该隆起部中与火花塞对应的位置设有腔室。
背景技术
已知有如下的技术：在搭载在汽车等车辆中的具有屋脊型燃烧室的火花点火式内燃机 中，在活塞的冠面上设置隆起部以提高几何压缩比，并且在隆起部的中央且与火花塞对应的 位置设置向下方凹陷的腔室。采用这种内燃机，能够推迟火花塞点火后的初期火焰峰与活塞 冠面干涉的时期。由此，来提高火焰传播性，提高燃料经济性。
例如专利文献1中公开了一种如图12所示的火花点火式内燃机。图12所示的内燃机 100具有屋脊型的燃烧室101、形成在规定燃烧室101的顶面102的气缸盖中的进气道103及排气道104、安装在气缸盖上的火花塞105及燃料喷射阀106。火花塞105设置在顶面102的中央部(进气道103和排气道104之间)。燃料喷射阀106设置在相对于顶面102的中央部而偏置于进气侧的位置。
专利文献1的内燃机100中，在规定燃烧室101的底面的活塞107的冠面108上形成有隆起部111，隆起部111具有沿燃烧室101的顶面102的进气侧倾斜面109和排气侧倾斜 面110。在隆起部111的中央且与火花塞105对应的位置形成有向下方凹陷的腔室112。由 此，即使在几何压缩比为13以上的情况下，也能够提高火焰传播性，提高燃料经济性。
火花点火式内燃机中有时会将能够在燃烧室内生成滚流(纵涡流)的所谓的螺旋式气道用 作进气道。在采用了螺旋式气道的火花点火式内燃机中，随着活塞接近压缩上止点(亦即随着 燃烧室缩小)而溃散的滚流产生紊流，从而促进燃烧，提高燃料经济性。如图12中箭头113 所示那样，滚流在从进气道103向下方且排气侧流动后，沿着气缸的内周面变换方向，并且 沿着活塞107的冠面108从排气侧流往进气侧。而且，滚流在进气侧沿着气缸的内周面向上 方变换方向后，沿着燃烧室的顶面102从进气侧流往排气侧。
然而，在采用了具有上述专利文献1那样的隆起部及腔室的活塞的火花点火式内燃机中 存在如下的问题：在滚流沿着活塞的冠面从排气侧往进气侧流动时，滚流会被隆起部妨碍， 导致滚流容易减速。滚流的减速会使基于滚流溃散而产生的紊流能减少，降低燃烧促进效果， 因此，在燃料经济性这一方面并不理想。
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2010-14081号
发明内容
本发明的目的在于：针对在活塞的冠面上设有隆起部并且在该隆起部中与火花塞对应的 位置设有腔室的火花点火式内燃机，减轻活塞的冠面上的滚流减速作用，由此来提高燃料经 济性。
为了实现上述目的的本发明的火花点火式内燃机包括：气缸；活塞，能够往复移动地设 置在所述气缸内；气缸盖，设置在所述气缸上，并且与所述气缸的内周面及所述活塞的冠面 一起形成屋脊型的燃烧室；火花塞，以面临所述燃烧室的方式设置于所述气缸盖；进气道和 排气道，以在所述燃烧室的顶面上开口的方式形成在所述气缸盖中；进气门，以能够开闭所 述进气道的方式设置在所述气缸盖上；以及排气门，以能够开闭所述排气道的方式设置在所 述气缸盖上；其中，所述活塞的冠面上设有隆起部，所述隆起部具有：沿所述燃烧室的进气 侧的顶面及所述进气门的伞部底面倾斜的进气侧倾斜面；以及沿所述燃烧室的排气侧的顶面 及所述排气门的伞部底面倾斜的排气侧倾斜面，在所述隆起部中与所述火花塞对应的位置设 有向下方凹陷的腔室，所述进气道具有能够在所述燃烧室内生成滚流的形状，所述进气侧倾 斜面和所述排气侧倾斜面以如下的方式形成：正交于所述气缸的轴心的正交面与所述排气侧 倾斜面所成的角度小于所述正交面与所述排气门的伞部底面所成的角度，而且所述排气侧倾 斜面与所述排气门的伞部底面的倾斜角度差大于所述进气侧倾斜面与所述进气门的伞部底面 的倾斜角度差3度以上。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的火花点火式内燃机的结构的简略图。
图2是表示所述内燃机的活塞、燃料喷射阀及火花塞的立体图。
图3是表示燃料喷射阀的远端面的立体图。
图4是表示燃料喷射时期的时间图。
图5是用于说明从燃料喷射阀喷射的燃料的喷雾的说明图。
图6是活塞的立体图。
图7是活塞的俯视图。
图8是沿图7的Y8-Y8线的活塞的剖视图。
图9是沿图7的Y9-Y9线的活塞的剖视图。
图10是用于说明隆起部中所设的腔室的形状的说明图。
图11是表示隆起部的排气侧倾斜面的倾斜角度与燃烧期间之间的关系的图形。
图12是表示以往的火花点火式内燃机的图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的火花点火式内燃机的结构的简略图。图2是表示 所述内燃机的活塞、燃料喷射阀及火花塞的立体图。如图1及图2所示，作为本发明的实施 方式所涉及的火花点火式内燃机的发动机1是多个气缸2呈列状布置的多缸汽油发动机，被 搭载于汽车等车辆上。发动机1具备：内部形成有气缸2的气缸体3；以从上方封盖气缸2 的方式而被设置在气缸体3上的气缸盖4。图1及图2中，以“IN”表示进气侧，以“EX” 表示排气侧(这在其它图中也同样)。
气缸2内设置有能够往复移动的活塞5。活塞5经由连杆7而连结于在气缸体3的下部 转动自如地被支撑的曲轴6，活塞5的往返运动被转换为曲轴6的转动运动。
在活塞5的上方形成有由气缸2的内周面9、活塞5的冠面10、气缸盖4的下表面11围成的屋脊型的燃烧室8。气缸盖4的下表面11中覆盖燃烧室8的部分为顶面12，其被形 成为屋脊形状(三角屋顶形状)，并且在进气侧及排气侧分别具有倾斜的进气侧倾斜面13及排气侧倾斜面14。进气侧倾斜面13以其与正交于气缸2的轴心2a的正交面所构成的角度为 23度的方式而被形成，排气侧倾斜面14以其与正交于气缸2的轴心2a的正交面所构成的 角度为22度的方式而被形成。
气缸盖4中形成有分别在顶面12的进气侧倾斜面13及排气侧倾斜面14上开口的进气 道15及排气道16。每个气缸2设有两个进气道15及两个排气道16，两个进气道15及两 个排气道16在与气缸2的轴心2a正交的方向(曲轴6的轴向)上离开间隔地设置。
供应空气给燃烧室8的进气通道17连接于进气道15，排出来自燃烧室8的燃烧气体(排 气气体)的排气通道18连接于排气道16。排气通道18上设有具备用于净化排气气体的催化 剂的催化装置(未图示)。
进气道15以从燃烧室8向斜上方呈直线状延伸的状态而在燃烧室8的顶面12上开口， 以便在燃烧室8内生成滚流(tumble flow)。随着进气从进气道15被导入，在燃烧室8内生 成如图2的箭头19所示的滚流。滚流从进气道15向下方且排气侧流动后，沿着气缸2的内周面9变换方向，并且沿着活塞5的冠面10从排气侧流往进气侧。而且，滚流在进气侧沿 着气缸2的内周面9向上方变换方向后，沿着燃烧室8的顶面12从进气侧流往排气侧。
气缸盖4上设置有分别对进气道15及排气道16进行开闭的进气门20及排气门21。进 气门20通过连动地连结于曲轴6的进气凸轮轴22而被驱动，按指定的时期开闭进气道15， 以便在进气冲程中使空气导入到燃烧室8。排气门21通过连动地连结于曲轴6的排气凸轮轴 23而被驱动，按指定的时期开闭排气道16，以便在排气冲程中从燃烧室8排出排气气体。
在气缸盖4上设置有未图示的可变配气机构。可变配气机构变更进气门20及排气门21 开闭进气道15及排气道16的时期。可变配气机构有时会在排气冲程中使进气门20及排气 门21双方打开。这是为了利用来自进气道15的进气来排出残留排气气体。
进气门20具有气门杆部20a和形成在其下端部的伞部20b。伞部20b的底面亦即伞部 底面20c以与气门杆部20a的轴心亦即气门轴线20d正交且与顶面12的进气侧倾斜面13平行的方式而被形成。即，进气门20的伞部底面20c以其与正交于气缸2的轴心2a的正交 面所构成的角度(后述的图10的θ3)成为23度的方式而被形成。
排气门21具有气门杆部21a和形成在其下端部的伞部21b。伞部21b的底面亦即伞部 底面21c以与气门杆部21a的轴心亦即气门轴线21d正交且与顶面12的排气侧倾斜面14平行的方式而被形成。即，排气门21的伞部底面21c以其与正交于气缸2的轴心2a的正交 面所构成的角度(后述的图10的θ4)成为22度的方式而被形成。
气缸盖4上设置有：将燃料喷射到燃烧室8内的燃料喷射阀24；对基于该喷射而形成在 燃烧室8内的包含燃料和空气的混合气进行点火的火花塞25。燃料喷射阀24以在顶面12 的进气侧的周缘部处面临燃烧室8的方式设置。火花塞25以在顶面12的中央部处面临燃烧 室8的方式设置。
火花塞25以其远端部的电极25a露出在燃烧室8内的方式安装于气缸盖4。设置在气 缸盖4上部的点火线圈单元26连接于火花塞25。点火线圈单元26在指定的时期使火花塞25的电极25a产生火花，以对燃烧室8内的混合气进行点火。
燃料供应管28连接于燃料喷射阀24，该燃料供应管28中流通有从包含燃料箱和燃料 泵等的燃料供应系统(未图示)被压力输送来的燃料。燃料喷射阀24没置在两个进气道15之 间，并且具有露出在燃烧室8的远端面27。燃料喷射阀24以远端面27朝向斜下方的方式 设置，并且在指定的时期将燃料从远端面27朝着活塞5的冠面10喷射。
图3是表示燃料喷射阀24的详细情况的立体图。如图3所示，燃料喷射阀24是在其远 端面27具有多个喷口的多孔型喷射阀。远端面27具有多个相对于沿上下方向延伸的轴心 27a左右对称地设置的喷口24a、24b、24c、24d。具体而言，远端面27具有一个位于上部中央的第一喷口24a、两个位于中间部靠上位置的第二喷口24b、两个位于中间部靠下位置的第三喷口24c、一个位于下部中央的第四喷口24d。第一喷口24a和第四喷口24d均设置 在轴心27a上。第二喷口24b隔着轴心27a而设置在左右两处。第三喷口24c隔着轴心27a 而设置在左右两处，且位于比第二喷口24b更离开轴心27a的位置。从各个喷口24a、24b、 24c、24d喷射出的燃料分别形成圆锥状的喷雾且在燃烧室8内飞翔，而且在燃烧室8内均 等地扩散。
如上所述，本实施方式的发动机1中，作为进气道15而采用了能够在燃烧室8内生成 滚流的进气道(螺旋式气道(tumble port))。滚流起到了如下的作用：不仅促进燃料与空气的 混合，而且还促进包含燃料和空气的混合气的燃烧。即，随着活塞5接近压缩上止点(亦即随 着燃烧室8缩小)而滚流溃散时，基于该溃散而在燃烧室8中生成紊流，基于该所生成的紊流 而促进混合气的燃烧。滚流的流速越大则紊流的能越增大，混合气的燃烧得以促进。在本说 明书中，紊流的能增大意味着紊流所具有的动能增大。例如在紊流的流速增大或紊流的数量 增大时，紊流的能增大。
图4是表示燃料喷射时期的时间图。如图4所示，在发动机1的通常运转时，从燃料喷 射阀24进行的燃料喷射分为在进气冲程中和压缩冲程中的两次来进行。即，燃料喷射阀24 在进气冲程的前半段执行第一喷射，并且在压缩冲程的后半段执行第二喷射。第一喷射例如 在曲柄角度为80度时结束，第二喷射例如在曲柄角度为325度时结束。此处所说的曲柄角 度是以进气上止点为0度时的曲柄角度(以下同样)。
进气冲程的前半段所被执行的第一喷射在压缩上止点的近傍在燃烧室8内形成均匀的混 合气(燃料和空气均匀地混合而成的混合气)。压缩冲程的后半段所被执行的第二喷射在压缩 上止点的近傍在火花塞25周围形成燃料的浓度相对较浓(亦即容易燃烧)的混合气。第二喷射 在活塞5较接近上止点后被执行。因此，第二喷射被执行时的燃烧室8的容积小于第一喷射 被执行时的燃烧室8的容积。
图5是用于说明从燃料喷射阀24喷射出的燃料的喷雾的说明图。具体而言，图5中表 示了燃料喷射阀24执行上述的第二喷射时的燃料的喷雾。如图5所示，基于第二喷射而从 第一喷口24a喷射出的燃料的喷雾F1朝着活塞5的冠面10上所设的腔室40(详细后述)飞翔。此外，基于第二喷射而从第二喷口24b及第三喷口24c喷射出的燃料的喷雾F2、F3朝 着活塞5的冠面10上所设的隆起部31的进气侧倾斜面34(详细后述)飞翔。
随着第二喷射被执行，来自第一喷口24a的喷雾F1被腔室40的周面部42引导向上方， 而朝火花塞25移动，来自第二喷口24b及第三喷口24c的喷雾F2、F3与进气侧倾斜面34碰撞后朝火花塞25移动。由此，形成在火花塞25的周围(燃烧室8的中心部位)的混合气的燃料浓度浓于其余部分(燃烧室8的外周部)的混合气。
第二喷射后，在压缩冲程的后半段且压缩上止点的近傍，由火花塞25执行点火(火花点 火)，使混合气燃烧。火花点火例如在曲柄角度为340度时被执行。本实施方式的发动机1 中，分两次喷射燃料，在火花点火的时刻在火花塞25的周围形成燃料浓度相对较浓的混合 气，因此，燃烧稳定性得到充分的提高。
如上所述的在压缩冲程的后半段(例如在曲柄角度为340度时)的火花点火在暖机完成后 的通常运转时进行。另一方面，在冷机启动时，为了提高催化剂的温度以使催化剂活化，推 迟火花点火的时期(点火时期)以提高排气气体温度。点火时期被推迟时，有效膨胀比下降从 而抑制排气气体的温度下降，因此，排出到催化剂的排气气体被维持高温。即使在如此推迟 点火时期的冷机运转时，通过采用在火花塞25周围形成相对较浓的混合气的上述的喷射模 式，也能够确保良好的燃烧稳定性。
虽未图示，但发动机1具备控制单元，该控制单元控制发动机1和与该发动机1相关的 构件。控制单元根据从传感器等所获得的各种信息来控制燃料喷射阀24、火花塞25、可变 配气机构等各者。
其次，说明本实施方式所涉及的发动机1的活塞5。
图6是活塞5的立体图，图7是活塞5的俯视图，图8沿图7的Y8-Y8线的活塞5的 剖视图，图9是沿图7的Y9-Y9线的活塞5的剖视图，图10是将图8的活塞5与气缸盖4、 进、排气门20、21、及火花塞25一并表示的剖视图。
本实施方式所涉及的发动机1的在活塞5处于上止点时的燃烧室8的容积和在活塞5处 于下止点时的燃烧室8的容积之比亦即几何压缩比被设定为12以上。如图6至图10所示， 活塞5的冠面10具有与气缸2的轴心2a正交的基面30和相对于基面30向上方(气缸盖4侧)隆起的隆起部31。隆起部31沿燃烧室8的顶面12以越往活塞5中央侧而高度越高的方 式隆起。在隆起部31的中央且与火花塞25对应的位置形成有向下方凹陷的腔室40。
基面30具有相对于隆起部31而位于进气侧的进气侧水平面32和相对于隆起部31而位 于排气侧的排气侧水平面33。进气侧水平面32及排气侧水平面33以与活塞5的轴心(气缸2的轴心2a)正交的方式而被设置。进气侧水平面32上与进气门20对应的位置设有为了避 免与进气门20接触而向下方凹陷的进气门凹坑32a。
隆起部31沿燃烧室8的顶面12而形成为屋脊形状。即，隆起部31具有沿顶面12的进气侧倾斜面13(越往进气侧而高度越低地)倾斜的进气侧倾斜面34和沿顶面12的排气侧倾 斜面14(越往排气侧而高度越低地)倾斜的排气侧倾斜面35。进气侧倾斜面34及排气侧倾斜 面35分别形成为平面状。
在隆起部31的排气侧倾斜面35上与排气门21对应的位置设有为了避免与排气门21 接触而向下方凹陷的排气门凹坑35a。排气门凹坑35a以其底面与排气门21的伞部底面21c 平行的方式而被形成。
隆起部31在进气侧倾斜面34和排气侧倾斜面35之间具有：沿腔室40周缘的呈环状的 上表面36；以及从上表面36向活塞5的外周侧倾斜地延伸的一对侧表面37。一对侧表面37在腔室40的排气侧彼此相连续。上表面36在活塞的中央部(腔室40的周围)形成为与 基面30平行的平面状。一对侧面37形成为圆锥面形状。
一对侧表面37分别具有：设置在活塞5的中央侧并且从上表面36向活塞5的外周侧倾 斜地延伸的第一倾斜面37a；相对于第一倾斜面37a而设置在活塞5的外周侧并且以比第一 倾斜面37a大的倾斜角度向下方倾斜的第二倾斜面37b。第一倾斜面37a及第二倾斜面37b 分别形成为圆锥面形状。
本实施方式的发动机1中，在活塞5的冠面10上设有隆起部31，假若在隆起部31上不形成腔室40时，以火花塞25的点火为契机而燃烧扩散的初期火焰的外周面亦即初期火焰峰便与活塞5的冠面10发生早期干涉。对此，本实施方式中，由于在隆起部31中与火花塞 25对应的位置设有腔室40，因此，能够推迟初期火焰峰与活塞5的干涉。
如图10所示，腔室40以推迟其与假设球面25c的干涉的方式而被形成，该假设球面25c是模仿了从火花塞25的电极25a之间的中央的点火点25b呈球状增长的火焰的球面。 具体而言，腔室40具有圆形平面状的底面部41和从底面部41的周缘向上方立起的大致圆 筒状的周面部42。周面部42基于下部形成为剖视下的曲面状，从而圆滑地连接于底面部41。此外，腔室40的周面部42也可以形成为与假设球面25c的至少局部相一致的形状。
如图5至图8所示，在活塞5的进气侧倾斜面34的上端部，换言之在腔室40的周缘部中进气侧的局部设有凹口部34a。第二喷射时从燃料喷射阀24的第一喷口24a被喷射出的燃料的喷雾F1通过凹口部34a而与腔室40的排气侧的周面部42碰撞。与周面部42碰撞 后的喷雾F1被周面部42引导向上方而朝火花塞25的电极25a移动。
如上所述，本实施方式的发动机1中，基于在活塞5的冠面10上设置隆起部31，能够提高几何压缩比，并且基于在隆起部31中与火花塞25对应的位置设置腔室40，能够推迟 初期火焰峰与活塞5的干涉，能够提高火焰传播性。
如图10所示，隆起部31的进气侧倾斜面34是与进气门20的伞部底面20c(以及平行于该伞部底面20c的顶面12的进气侧倾斜面13)平行的面。本实施方式中，如上所述，进 气门20的伞部底面20c以其与正交于气缸2的轴心2a的正交面所成的角度θ3成为23度 的方式而被形成。因此，隆起部31的进气侧倾斜面34也以其与正交于气缸2的轴心2a的 正交面所成的角度θ1(图8)成为23度的方式而被形成。
另一方面，隆起部31的排气侧倾斜面35是与排气门21的伞部底面21c(以及平行于该伞部底面21c的顶面12的排气侧倾斜面14)非平行的面。具体而言，隆起部31的排气 侧倾斜面35以其与正交于气缸2的轴心2a的正交面所成的角度小于排气门21的伞部底面 21c与所述正交面所成的角度的方式而被形成。本实施方式中，如上所述，排气门21的伞部 底面21c以其与正交于气缸2的轴心2a的正交面所成的角度θ4成为22度的方式而被形成。 因此，隆起部31的排气侧倾斜面35便以其与正交于气缸2的轴心2a的正交面所成的角度 θ2(图8)成为小于22度的方式而被形成。
换言之，本实施方式中，隆起部31的进气侧倾斜面34和排气侧倾斜面35以如下的方 式而被形成：排气侧倾斜面35与排气门21的伞部底面21c的倾斜角度差(θ4-θ2)大于进气侧倾斜面34与进气门20的伞部底面20c的倾斜角度差(θ3-θ1)。更具体而言，本实施方 式中，前者的倾斜角度差与后者的倾斜角度差之差被设定为3度以上。
例如，正交于气缸2的轴心2a的正交面与隆起部31的排气侧倾斜面35所成的角度θ2， 换言之排气侧倾斜面35的相对于基面30的倾斜角度θ2被设定为15.1度。另一方面，如上所述，正交于气缸2的轴心2a的正交面与排气门21的伞部底面21c所成的角度θ4为22 度。此情况下，排气侧倾斜面35与排气门21的伞部底面21c的倾斜角度差(θ4-θ2)便为 6.9度。
对此，如上所述，正交于气缸2的轴心2a的正交面与隆起部31的进气侧倾斜面34所成的角度θ1，换言之进气侧倾斜面34的相对于基面30的倾斜角度θ1、以及正交于气缸2 的轴心2a的正交面与进气门20的伞部底面20c所成的角度θ3均为23度。即，上述实施 方式中，进气侧倾斜面34与进气门20的伞部底面20c的倾斜角度差(θ3-θ1)为0度。
因此，若如上述那样将排气侧倾斜面35的相对于基面30的倾斜角度θ2设定为15.1度 时，排气侧倾斜面35与排气门21的伞部底面21c的倾斜角度差(θ4-θ2)和进气侧倾斜面34与进气门20的伞部底面20c的倾斜角度差(θ3-θ1)之差，亦即[(θ4-θ2)-(θ3-θ1)] 便为6.9度。
此外，隆起部31的进气侧倾斜面34及排气侧倾斜面35以排气侧倾斜面35的相对于基 面30的倾斜角度θ2小于进气侧倾斜面34的相对于基面30的倾斜角度θ1的方式而被形成， 并且以进气侧倾斜面34与排气侧倾斜面35的倾斜角度差(θ1-θ2)为4度以上的方式而被形 成。例如，通过将进气侧倾斜面34的倾斜角度θ1设定为23度并且将排气侧倾斜面35的倾 斜角度θ2设定为15.1度，从而将两者的倾斜角度差(θ1-θ2)设定为7.9度。
如上所述，本实施方式中，进气侧倾斜面34与排气侧倾斜面35的倾斜角度差(θ1-θ2) 被设定为4度以上，并且排气侧倾斜面35与排气门21的伞部底面21c的倾斜角度差(θ4-θ2) 和进气侧倾斜面34与进气门20的伞部底面20c的倾斜角度差(θ3-θ1)之差，亦即[(θ4-θ2) ·(θ3-θ1)]被设定为3度以上。由此，既能够将排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2设定得相对较小，又能够形成为了实现高压缩比所需要的具有充分体积的隆起部31。排气侧倾斜面35是从进气道15流到排气侧的滚流(参照图2的箭头19)沿着活塞5的冠面10从排气侧返 回到进气侧时该滚流所接触的面。因此，排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2小，便有助于减轻 滚流因隆起部31而被减速(阻碍)的作用。
此外，在使隆起部31的体积维持在同等程度的情况下而将进气侧倾斜面34与排气侧倾 斜面35的倾斜角度差(θ1-θ2)设定得过大时，则隆起部31的高度进而腔室40的深度H1(周 面部42的高度)便变得过小，导致第二喷射时腔室40的周面部42引导燃料的作用亦即使燃 料朝着火花塞25的周围往上方移动的作用下降。为了充分地发挥这样的燃料引导作用，有 必要充分地确保周面部42的高度，为此，较为理想的是将进气侧倾斜面34与排气侧倾斜面 35的倾斜角度差设为11度以下。
如图7及图8所示，隆起部31上所设的腔室40以腔室40的深度H1与腔室40的直径D1的比例(H1/D1)为0.3以下的方式而被形成。例如，腔室40的深度H1与腔室40的直径 D1的比例(H1/D1)被设定为0.26。此外，腔室40的直径D1是腔室40的上端部处的直径， 更详细而言是腔室40的周面部42中去除了其上端的圆角部(倒角部)的部分的上端位置处的 直径。
上述比例(H1/D1)为0.3以下时意味着腔室40比较扁平(浅底)。若腔室40为扁平，则在 腔室40内的流动便难以下降。由此，能够减轻因腔室40而产生的往下方(往底面部41侧) 的吸引作用，因此，在滚流流过活塞5的冠面10的中央部分时，能够抑制该滚流往腔室40 的底面部41侧的移动，能够使该滚流圆滑地从排气侧倾斜面35朝着进气侧倾斜面34移动。
此外，在使隆起部31的体积维持在同等程度的情况下而将腔室40的深度H1与腔室40 的直径D1的比例(H1/D1)设定得过小时，则腔室40的深度H1(周面部42的高度)便变得过小，导致第二喷射时腔室40的周面部42引导燃料的作用亦即使燃料朝着火花塞25的周围往上方移动的作用下降。为了充分地发挥这样的燃料引导作用，较为理想的是将上述的比例 (H1/D1)设为0.16以上。
如图8所示，隆起部31的进气侧倾斜面34及排气侧倾斜面35在通过活塞5的轴心且与曲柄轴线6a(曲轴6的轴向)正交的剖面上，以排气侧倾斜面35的长度L2与进气侧倾斜面34的长度L1的比例(L2/L1)为1.25以上的方式而被形成。例如，排气侧倾斜面35的长度 L2与进气侧倾斜面34的长度L1的比例(L2/L1)被设定为1.48。此外，如图7所示，进气侧 倾斜面34的长度L1是进气侧倾斜面34和进气侧水平面32的交界缘部与进气侧倾斜面34 和上表面36的交界缘部之间的长度。此外，排气侧倾斜面35的长度L2是排气侧倾斜面35 和排气侧水平面33的交界缘部与排气侧倾斜面35和第一倾斜面37a的交界缘部之间的长 度。
由此，在排气侧倾斜面35上流动的滚流的流路便变得较长，因而能够有效地发挥排气 侧倾斜面35所起到的滚流引导作用。其结果，能够减轻隆起部31对滚流的减速作用，使滚 流维持高速。
此外，在使隆起部31的体积维持在同等程度的情况下而将排气侧倾斜面35的长度L2 与进气侧倾斜面34的长度L1的比例(L2/L1)设定得过大时，则隆起部31的高度进而腔室40的深度H1(周面部42的高度)便变得过小，导致第二喷射时腔室40的周面部42引导燃 料的作用亦即使燃料朝着火花塞25的周围往上方移动的作用下降。为了充分地发挥这样的燃料引导作用，有必要充分地确保周面部42的高度，为此，较为理想的是将上述比例(L2/L1) 设为1.9以下。
如图8所示，隆起部31以隆起部31的高度H2与气缸2的内径D2的比例(H2/D2)为0.08以下的方式而被形成。隆起部31的高度H2是从活塞5的冠面10的基面30(进气侧水 平面32及排气侧水平面33)至上表面36的高度。例如，隆起部31的高度H2与气缸2的内 径D2的比例(H2/D2)被设定为0.06。
由此，既能够形成实现高压缩比所必须的具有充分体积的隆起部31，又能够抑制其高度 H2的增大。其结果，在滚流沿着活塞5的冠面10从排气侧流往进气侧时，能够抑制因隆起 部31而使该滚流减速的情况。
此外，在使隆起部31的体积维持在同等程度的情况下而将隆起部31的高度H2与气缸2的内径D2的比例(H2/D2)设定得过小时，则隆起部31的高度进而腔室40的深度H1(周 面部42的高度)便变得过小，导致第二喷射时腔室40的周面部42引导燃料的作用亦即使燃 料朝着火花塞25的周围往上方移动的作用下降。为了充分地发挥这样的燃料引导作用，有 必要充分地确保周面部42的高度，为此，较为理想的是将上述比例(H2/D2)设为0.056以上。
活塞5在图9所示的径向剖视下，以上表面36的长度L3与第二倾斜面37b的长度L4的比例(L3/L4)为0.8以下的方式而被形成。例如，上表面36的长度L3与第二倾斜面37b 的长度L4的比例(L3/L4)被设定为0.24。
这样，在位于活塞5外周侧的第二倾斜面37b被设定为长于活塞5的中央部的上表面 36时，在它们之间延伸的第一倾斜面37a的倾斜角度便变得较小。由此，既能够使侧表面37中位于活塞5中央侧的第一倾斜面37a平缓地倾斜，又能够在该第一倾斜面37a的外周 侧形成倾斜角度大(级差大)的第二倾斜面37b。这在为了实现高压缩比而需要形成具有充分体积的隆起部31方面上有利。此外，由于滚流在流量多的活塞5中央侧处容易流动，因此，总的来说能够抑制因隆起部31引起的滚流的减速。
此外，在使隆起部31的体积维持在同等程度的情况下而将上表面36的长度L3与第二 倾斜面37b的长度L4的比例(L3/L4)设定得过小时，则隆起部31的高度H2便变得较小，并且腔室40的深度H1(周面部42的高度)便变得过小，导致第二喷射时周面部42引导燃料的作用亦即使燃料朝着火花塞25的周围往上方移动的作用下降。
如上所述，本实施方式所涉及的发动机(火花点火式内燃机)1中，在活塞5的冠面10上 设有包含进气侧倾斜面34及排气侧倾斜面35的隆起部31，在隆起部31中与火花塞25对 应的位置设有腔室40，并且在气缸盖4中设有能够生成滚流的进气道15。而且，进气侧倾斜面34和排气侧倾斜面35以如下的方式形成：正交于气缸2的轴心2a的正交面与排气侧 倾斜面35所成的角度θ2小于所述正交面与排气门21的伞部底面21c所成的角度θ4，而且， 排气侧倾斜面35与排气门21的伞部底面21c的倾斜角度差(θ4-θ2)大于进气侧倾斜面34 与进气门20的伞部底面20c的倾斜角度差(θ3-θ1)3度以上。
根据该结构，由于在活塞5的冠面10上设有隆起部31，因此，燃烧室8的容积基于该隆起部31而缩小，从而能够提高几何压缩比。此外，由于在隆起部31中与火花塞25对应 的位置设有腔室40，因此，能够推迟活塞5与火焰的干涉，能够提高火焰传播性。
此外，由于排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2相对较小，因此，既能够确保实现高压缩比 所需的充分的隆起部31的体积，又能够减轻因该隆起部31而导致的滚流减速作用，能够提 高燃料经济性。
即，由于排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2小于排气门21的伞部底面21c的倾斜角度θ4， 而且两者的倾斜角度之差(θ4-θ2)大于进气侧倾斜面34与进气门20的伞部底面21c的倾斜角度之差(θ3-θ1)3度以上，换言之，(i)θ2＜θ4这一关系和(ii)[(θ4-θ2)-(θ3-θ1)] ＞3这一关系双方均成立，因此，能够使排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2相对于排气门21 的伞部底面21c的倾斜角度θ4充分地小。由于排气侧倾斜面35是滚流沿着活塞5的冠面 10从排气侧往进气侧流动时该滚流所接触的面，因此，该排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2 小有助于减轻滚流因隆起部31而被减速(阻碍)的作用。由此，能够使滚流的流速维持高速， 因而能够增大因滚流的溃散而产生的紊流能。所增大的紊流能能够促进混合气的燃烧，因此， 能够缩短燃烧期间，从而能够提高燃料经济性。
此外，进气侧倾斜面34和排气侧倾斜面35以排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2小于进气 侧倾斜面34的倾斜角度θ1的方式而被形成。根据该结构，与将排气侧倾斜面35的倾斜角度设定为与进气侧倾斜面34的倾斜角度大致相等的情形相比，能够减轻因隆起部31而产生的滚流减速作用亦即减轻使沿着活塞5的冠面10从进气侧往排气侧流动的滚流(参照图6的箭头F10)减速的作用。由此，能够增大紊流能，从而能够进一步提高燃料经济性。
本发明并不限于所例示的实施方式，其是可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种 的改良及设计上的变更的。
实施例
使活塞5的隆起部31的排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2作各种变更，准备了具备该活 塞5的多种发动机1(以下，称作试验用发动机)，并且实施了对该试验用发动机的性能进行 调查的实机评价。具体而言，作为试验用发动机，准备了具备如下的活塞5的多种发动机1， 该活塞5是在使隆起部31的体积维持在同等程度的情况下而使排气侧倾斜面35的倾斜角度 θ2作各种变更，从而将排气侧倾斜面35与排气门21的伞部底面21c的倾斜角度差(θ4-θ2) 和进气侧倾斜面34与进气门20的伞部底面20c的倾斜角度差(θ3-θ1)之差作出了各种变 更的活塞，并且在相同的运转条件下(节气阀完全打开且发动机转速为2000rpm)运转该试验 用发动机1，对运转中的燃烧期间进行了分析。此外，将燃烧期间定义为从点火时期至产生 了所发生的总热量的一半的时期为止的曲柄角度。
图11是根据上述实机评价而得到的图形，表示了隆起部31的排气侧倾斜面35的倾斜 角度θ2与燃烧期间之间的关系。
作为以往技术的例子，采用了具备以往的活塞亦即进、排气门20、21的伞部底面20c、 21c、进气侧倾斜面34及排气侧倾斜面35的各倾斜角度被设定为大致相等的活塞的发动机， 作为实施例，采用了排气侧倾斜面35与排气门21的伞部底面21c的倾斜角度差(θ4-θ2)大 于进气侧倾斜面34与进气门20的伞部底面20c的倾斜角度差(θ3-θ1)3度以上的本实施方式 所涉及的发动机。
具体而言，如图11所示，作为以往例子，准备了具备如下的活塞的发动机，该活塞的 排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2及排气门21的伞部底面21c的倾斜角度θ4分别被设定为22度，而且，进气侧倾斜面34的倾斜角度θ1及进气门20的伞部底面20c的倾斜角度θ3 分别被设定为23度，换言之，排气侧倾斜面35与排气门21的伞部底面21c的倾斜角度差 (θ4-θ2)和进气侧倾斜面34与进气门20的伞部底面20c的倾斜角度差(θ3-θ1)之差被设 定为0度。
另一方面，作为实施例，准备了具备如下的活塞的发动机，该活塞的排气侧倾斜面35 的倾斜角度θ2被设定为15.1度，排气门21的伞部底面21c的倾斜角度θ4被设定为22度，进气侧倾斜面34的倾斜角度θ1及进气门20的伞部底面20c的倾斜角度θ3分别被设定为 23度，换言之，排气侧倾斜面35与排气门21的伞部底面21c的倾斜角度差(θ4-θ2)和进 气侧倾斜面34与进气门20的伞部底面20c的倾斜角度差(θ3-θ1)之差被设定为6.9度。
而且，以黑四角形的图示来表示了对以往技术的例子的发动机进行运转且进行评价后所 得到的结果，并且以白四角形的图示来表示了对实施例的发动机进行运转且进行评价后所得 到的结果，从而得出了图11的图形。此外，图11中，根据以往技术的例子及实施例的各图 示，一并表示了表示排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2与燃烧期间之间的关系的线Z。
如图11的线Z所示，随着排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2减小，燃烧期间变短。此外，该倾斜角度θ2减小至19附近时，与倾斜角度θ4为22度的以往技术的例子的发动机相比， 燃烧期间至少缩短了10％。因此可知如下情况：通过将排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2设 定为19度以下(参照图11的虚线)，换言之，通过使排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2相对于 排气门21的伞部底面21c的倾斜角度θ4(22度)小3度以上，能够减轻滚流减速作用，从而 能够有效地增大紊流能(由此能够缩短燃烧期间)。
此外，由于进气侧倾斜面34的倾斜角度θ1与进气门20的伞部底面20c的倾斜角度θ3 的倾斜角度差(θ3-θ1)为0度，因此，上述那样的角度设定意味着：排气侧倾斜面35d的倾斜 角度θ2与排气门21的伞部底面21c的倾斜角度θ4的倾斜角度差(θ4-θ2)被设定为大于进气 侧倾斜面34的倾斜角度θ1与进气门20的伞部底面20c的倾斜角度θ3的倾斜角度差 (θ3-θ1)3度以上。
<实施方式的总结>
上述实施方式总结如下。
火花点火式内燃机包括：气缸；活塞，能够往复移动地设置在所述气缸内；气缸盖，设 置在所述气缸上，并且与所述气缸的内周面及所述活塞的冠面一起形成屋脊型的燃烧室；火 花塞，以面临所述燃烧室的方式设置于所述气缸盖；进气道和排气道，以在所述燃烧室的顶 面上开口的方式形成在所述气缸盖中；进气门，以能够开闭所述进气道的方式设置在所述气 缸盖上；以及排气门，以能够开闭所述排气道的方式设置在所述气缸盖上。所述活塞的冠面 上设有隆起部，所述隆起部具有：沿所述燃烧室的进气侧的顶面及所述进气门的伞部底面倾 斜的进气侧倾斜面；以及沿所述燃烧室的排气侧的顶面及所述排气门的伞部底面倾斜的排气 侧倾斜面。在所述隆起部中与所述火花塞对应的位置设有向下方凹陷的腔室。所述进气道具 有能够在所述燃烧室内生成滚流的形状。所述进气侧倾斜面和所述排气侧倾斜面以如下的方 式形成：正交于所述气缸的轴心的正交面与所述排气侧倾斜面所成的角度小于所述正交面与 所述排气门的伞部底面所成的角度，而且所述排气侧倾斜面与所述排气门的伞部底面的倾斜 角度差大于所述进气侧倾斜面与所述进气门的伞部底面的倾斜角度差3度以上。
根据该结构，由于在活塞的冠面上设有隆起部，因此，燃烧室的容积基于该隆起部而缩 小，从而能够提高几何压缩比。此外，由于在隆起部中与火花塞对应的位置设有腔室，因此， 能够推迟活塞与火焰的干涉，能够提高火焰传播性。
此外，由于排气侧倾斜面的倾斜角度相对较小，因此，既能够确保实现高压缩比所需的 充分的隆起部的体积，又能够减轻因该隆起部而导致的滚流减速作用，能够提高燃料经济性。
即，由于排气侧倾斜面的倾斜角度小于排气门的伞部底面的倾斜角度，而且两者的倾斜 角度差大于进气侧倾斜面与进气门的伞部底面的倾斜角度差3度以上，因此，能够使排气侧 倾斜面的倾斜角度相对于排气门的伞部底面的倾斜角度充分地小。由于排气侧倾斜面是滚流 沿着活塞的冠面从排气侧往进气侧流动时该滚流所接触的面，因此，该排气侧倾斜面的倾斜 角度小有助于减轻因隆起部而产生的滚流减速作用。由此，能够使滚流维持高速，因此能够 增大因滚流的溃散而产生的紊流能。所增大的紊流能能够促进混合气的燃烧，因此，能够缩 短燃烧期间，从而能够提高燃料经济性。
较为理想的是，所述进气侧倾斜面和所述排气侧倾斜面以所述排气侧倾斜面的倾斜角度 小于所述进气侧倾斜面的倾斜角度的方式形成。
根据该结构，与进气侧倾斜面的倾斜角度和排气侧倾斜面的倾斜角度大致相等的情形相 比，能够减轻因隆起部而产生的滚流减速作用亦即减轻使沿着活塞的冠面而从排气侧往进气 侧流动的滚流减速的作用。由此，来增大紊流能，从而能够进一步提高燃料经济性。
能够产生上述效果的所述各结构可以提高气缸的几何压缩比。因此，气缸的几何压缩比 可以设定为例如12以上。
产业上的可利用性
如上所述，根据本发明，针对在活塞的冠面上设有隆起部并且在该隆起部中与火花塞对 应的位置设有腔室的火花点火式内燃机，能够减轻因隆起部而导致的滚流减速作用，从而能 够提高燃料经济性，因此，本发明在搭载有这种火花点火式内燃机的车辆等的制造技术领域 中具有良好的可利用性。

Claims (2)

1.一种火花点火式内燃机，其特征在于包括：
气缸；
活塞，能够往复移动地设置在所述气缸内；
气缸盖，设置在所述气缸上，并且与所述气缸的内周面及所述活塞的冠面一起形成屋脊型的燃烧室；
火花塞，以面临所述燃烧室的方式设置于所述气缸盖；
进气道和排气道，以在所述燃烧室的顶面上开口的方式形成在所述气缸盖中；
进气门，以能够开闭所述进气道的方式设置在所述气缸盖上；以及
排气门，以能够开闭所述排气道的方式设置在所述气缸盖上；其中，
所述活塞的冠面上设有隆起部，
所述隆起部具有：沿所述燃烧室的进气侧的顶面及所述进气门的伞部底面倾斜的进气侧倾斜面；以及沿所述燃烧室的排气侧的顶面及所述排气门的伞部底面倾斜的排气侧倾斜面，
在所述隆起部中与所述火花塞对应的位置设有向下方凹陷的腔室，
所述进气道具有能够在所述燃烧室内生成滚流的形状，
所述进气侧倾斜面和所述排气侧倾斜面以如下的方式形成：正交于所述气缸的轴心的正交面与所述排气侧倾斜面所成的角度小于所述正交面与所述排气门的伞部底面所成的角度，而且所述排气侧倾斜面与所述排气门的伞部底面的倾斜角度差大于所述进气侧倾斜面与所述进气门的伞部底面的倾斜角度差3度以上，
在所述排气侧倾斜面上与所述排气门对应的位置设有向下方凹陷且底面与所述排气门的伞部底面平行的排气门凹坑，
所述进气侧倾斜面和所述排气侧倾斜面以所述排气侧倾斜面的倾斜角度小于所述进气侧倾斜面的倾斜角度的方式形成。
2.根据权利要求1所述的火花点火式内燃机，其特征在于：
所述气缸的几何压缩比为12以上。
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