CN110446835A - 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)，腔室(40)具有底面部(41)和圆筒状的周面部(42)，并且以腔室(40)的深度相对于腔室(40)的直径之比例为0.3以下的方式形成。

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17所示的火花点火式内燃机。图17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17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(腔室)妨碍，导致滚流容易减速。
具体而言，由于腔室内部的混合气的流动性比腔室外部低，因此，基于该流动性的差异而会产生负压。该负压会产生从腔室外部往内部吸引混合气的作用。因此，当滚流在活塞的冠面的中央部分上从排气侧倾斜面往进气侧倾斜面流动时，该滚流容易被吸引向腔室的内部。该引入的作用较强时，滚流的流线便会大幅度往腔室底面部侧弯曲，导致滚流减速。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；以及火花塞，以面临所述燃烧室的方式设置于所述气缸盖；其中，所述活塞的冠面上设有隆起部，该隆起部具有沿所述燃烧室的顶面的进气侧倾斜面及排气侧倾斜面，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，所述气缸盖中设有能够在所述燃烧室内生成滚流的进气道，所述腔室具有底面部和从该底面部的周缘向上方立起的圆筒状的周面部，并且以所述腔室的深度相对于所述腔室的直径之比例为0.3以下的方式形成。
附图说明
图1是表示本发明的第一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是沿图7的Y10-Y10线的活塞的剖视图。
图11是用于说明隆起部中所设的腔室的形状的说明图。
图12是本发明的第二实施方式所涉及的火花点火式内燃机的活塞的立体图。
图13是所述内燃机的活塞的俯视图。
图14是沿图13的Y14-Y14线的活塞的剖视图。
图15是沿图13的Y15-Y15线的活塞的剖视图。
图16是表示腔室的深度与腔室的直径之比例和紊流能之间的关系的图形。
图17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。
[第一实施方式]
图1是表示本发明的第一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，作为本发明的第一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17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成为17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。发置在气缸盖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设置在两个进气道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(燃料和混合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是沿图7的Y10-Y10线的活塞5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)隆起的降起部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形成为与进气门20的气门轴线20d正交的平面状，排气侧倾斜面35形成为与排气门21的气门轴线21d正交的平面状。
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和从上表面36向活塞5的外周侧倾斜地延伸的一对侧表面37。上表面36在活塞5的中央部(腔室40的周围)形成为与基面30平行的平面状。一对侧表面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。
图11是用于说明隆起部31上所设的腔室40的形状的说明图。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11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。
本实施方式中，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以排气侧倾斜面35相对于基面30的倾斜角度θ2小于进气侧倾斜面34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17度，从而将两者的倾斜角度差(θ1-θ2)设定为6度。
由此，既能够将排气侧倾斜面35的倾斜角度θ2设定得较小，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。
此外，如图10所示，进气侧倾斜面34及排气侧倾斜面35以排气侧倾斜面35和侧表面37所成的角度θ4大于进气侧倾斜面34和侧表面37所成的角度θ3的方式而被形成，并且以排气侧倾斜面35和侧表面37所成的角度θ4与进气侧倾斜面34和侧表面37所成的角度θ3的角度差(θ4-θ3)为5度以上的方式而被形成。例如，通过将进气侧倾斜面34和侧表面37所成的角度θ3设定为162.4度并且将排气侧倾斜面35和侧表面37所成的角度θ4设定为169.8度，从而将两者的角度差(θ4-θ3)设定为7.4度。
由此，使排气侧倾斜面35和侧表面37之间的角度变化变得平缓，因此，在滚流流过活塞5的冠面10的外周侧部分时，能够将该滚流圆滑地从排气侧倾斜面35引导往一对侧表面37，并且能够抑制该滚流从冠面10分离的情况。
如图7所示，假定在活塞5处于上止点时正交面6b与进气侧倾斜面34和侧表面37之间的棱线S1的交点为P2，所述正交面6b是通过进气门20的气门轴线20d与进气侧倾斜面34的交点P1且与曲柄轴线6a(曲轴6的轴向)正交的面。上述的进气侧倾斜面34和侧表面37所成的角度θ3是在该交点P2处进气侧倾斜面34与侧表面37相交的角度。更具体而言，如图10所示，角度θ3是在交点P2处与侧表面37相接且与正交面6b(与曲柄轴线6a正交的面)平行的切线T1和进气侧倾斜面34所成的角度。
同样地，假定在活塞5处于上止点时正交面6c与排气侧倾斜面35和侧表面37之间的棱线S2的交点为P4，所述正交面6c是通过排气门21的气门轴线21d与排气侧倾斜面35的交点P3且与曲柄轴线6a(曲轴6的轴向)正交的面。上述的排气侧倾斜面35和侧表面37所成的角度θ4是在该交点P4处排气侧倾斜面35与侧表面37相交的角度。更具体而言，如图10所示，角度θ4是在交点P4处与侧表面37相接且与正交面6b(与曲柄轴线6a正交的面)平行的切线T2和排气侧倾斜面35所成的角度。
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0.25至0.29。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9所示，隆起部31的侧表面37以其倾斜角度θ5详细而言为侧表面37相对于第一倾斜面37a的基面30的倾斜角度θ5为10度以下的方式而被形成。例如，第一倾斜面37a的倾斜角度θ5被设定为8度至9.2度。
由此，既能够使表面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的中央侧处容易流动，因此，总的来说能够减轻因隆起部31引起的滚流减速作用。
如图7及图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1.33。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。同样地，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和上表面36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0.066至0.078。
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0.34至0.57。
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。腔室40具有底面部41和圆筒状的周面部42，并且以腔室40的深度H1与腔室40的直径D1之比例(H1/D1)为0.3以下的方式而被形成。
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，由于腔室40的深度H1与腔室40的直径D1之比例(H1/D1)被设定为0.3以下而较小，因此，能够减轻因该隆起部31而产生的滚流减速作用，能够提高燃料经济性。
即，基于上述比例(H1/D1)被设定为0.3以下，腔室40便较为扁平(浅底)，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(腔室40的上方)时，能够抑制该滚流往腔室40的底面部41侧的移动(滚流的流线往下方大幅度弯曲)，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。其结果，能够减轻因隆起部31而产生的滚流减速作用，增大因滚流的溃散而产生的紊流能，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。
此外，进气侧倾斜面34以与进气门20的气门轴线20d正交的方式而被设置，排气侧倾斜面35以与排气门21的气门轴线21d正交的方式而被设置。由此，进气侧倾斜面34便与进气门20的伞部底面20c彼此平行，排气侧倾斜面35便与排气门21的伞部底面21c彼此平行，因此，能够确保从进气道15流往排气道16的吹流(blowing stream)的流路高度在大致规定值。即，基于发动机1的运转条件，有时为了排出残留在燃烧室8中的排气气体(残留排气气体)，而会在排气冲程中使进气门20及排气门21双方打开，以形成从进气道15流往排气道16的吹流。此时，若如上述那样使各倾斜面34、35与伞部底面20c、21c相互平行，则上述吹流的流路高度便能够成为大致规定值，因而难以阻碍吹流的发展。其结果，能够提高残留排气气体的扫气性，降低燃烧室8的温度，因此，能够防止因高压缩比而导致的异常燃烧的发生，能够提高燃料经济性。
[第二实施方式]
图12是本发明的第二实施方式所涉及的火花点火式内燃机的活塞的立体图，图13是所述内燃机的活塞的俯视图，图14是沿图13的Y14-Y14线的活塞的剖视图，图15是沿图13的Y15-Y15线的活塞的剖视图。作为本发明的第二实施方式所涉及的火花点火式内燃机的发动机51是活塞的冠面及燃烧室的顶面的形状有异于第一实施方式所涉及的发动机1的发动机，下面，对于与发动机1同样的结构附以相同的符号而省略其说明。
该第二实施方式所涉及的发动机51也与第一实施方式的发动机1同样地具备气缸2、能够往复移动地设置在气缸2内的活塞55、形成燃烧室8的顶面12的气缸盖4、以面临燃烧室8的方式设置于气缸盖4的燃料喷射阀24、以及以面临燃烧室8的方式设置于气缸盖4的火花塞25，气缸盖4中设置有能够在燃烧室8内生成滚流的进气道15。
发动机51的几何压缩比被设定为12以上，如图12至图15所示，活塞55的冠面60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61。隆起部61沿燃烧室8的顶面12以越往活塞55中央侧而高度越高的方式隆起。在隆起部61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具有进气侧水平面62及排气侧水平面63。在进气侧水平面62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62a。
隆起部61具有沿顶面12的进气侧倾斜面13倾斜的进气侧倾斜面64和沿顶面12的排气侧倾斜面14倾斜的排气侧倾斜面65。进气侧倾斜面64及排气侧倾斜面65分别形成为平面状。
隆起部61的进气侧倾斜面64以与顶面12的进气侧倾斜面13平行的方式设置。另一方面，隆起部61的排气侧倾斜面65以与顶面12的排气侧倾斜面14非平行的方式设置。具体而言，隆起部61的排气侧倾斜面65以其与正交于气缸2的轴心2a的正交面所构成的角度小于顶面12的排气侧倾斜面14与正交于气缸2的轴心2a的正交面所构成的角度的方式而被形成。
进气门20以其的伞部底面20c与顶面12的进气侧倾斜面13平行的方式而被设置，排气门21以其的伞部底面21c与顶面12的排气侧倾斜面14平行的方式而被设置。具体而言，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为23度的方式而被形成，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为22度的方式而被形成。
在隆起部61的排气侧倾斜面65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65a。排气门凹坑65a以其的底面与排气门21的伞部底面21c平行的方式而被形成。
隆起部61在进气侧倾斜面64和排气侧倾斜面65之间具有沿腔室40周缘的呈环状的上表面66和从上表面66向活塞55的外周侧倾斜地延伸的一对侧表面67。但是，本第二实施方式中，与第一实施方式不同的是，一对侧表面67未被腔室40分割而在腔室40的排气侧相连续。上表面66在活塞55的中央部(腔室40的周围)形成为与基面30平行的平面状。一对侧表面67形成为圆锥面形状。
一对侧表面67分别具有：设置在活塞55的中央侧并且从上表面66向活塞55的外周侧朝下方倾斜地延伸的第一倾斜面67a；相对于第一倾斜面67a而设置在活塞55的外周侧并且以比第一倾斜面67a大的倾斜角度向下方倾斜的第二倾斜面67b。第一倾斜面67a及第二倾斜面67b分别形成为圆锥面形状。
如上所述，本实施方式的发动机51中，通过在活塞55的冠面60上设置隆起部61来提高几何压缩比，通过在隆起部61中与火花塞25对应的位置设置腔室40来推迟初期火焰峰与活塞55的干涉，以提高火焰传播性。
本实施方式中，如图14所示，隆起部61的进气侧倾斜面64及排气侧倾斜面65以排气侧倾斜面65相对于基面30的倾斜角度θ2小于进气侧倾斜面64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64与排气侧倾斜面65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64的倾斜角度θ1设定为23度并且将排气侧倾斜面65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。
如图13及图14所示，隆起部61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。
如图13及图14所示，隆起部61的进气侧倾斜面64及排气侧倾斜面65在通过活塞55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65的长度L2与进气侧倾斜面64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65的长度L2与进气侧倾斜面64的长度L1的比例(L2/L1)被设定为1.48。
如图14所示，隆起部61以该隆起部61的高度H2与气缸2的内径D2之比例(H2/D2)为0.08以下的方式而被形成。例如，隆起部61的高度H2与气缸2的内径D2之比例(H2/D2)被设定为0.06。
活塞55在图15所示的径向剖面中以上表面66的长度L3与第二倾斜面67b的长度L4之比例(L3/L4)为0.8以下的方式而被形成。例如，上表面66的长度L3与第二倾斜面67b的长度L4之比例(L3/L4)被设定为0.24。
如上所述，本实施方式所涉及的发动机(火花点火式内燃机)51中，在活塞55的冠面60上设有包含进气侧倾斜面64及排气侧倾斜面65的隆起部61，并且在隆起部61中与火花塞25对应的位置设有腔室40，且在气缸盖4中设有能够生成滚流的进气道15。腔室40具有底面部41和圆筒状的周面部42，并且以腔室40的深度H1与腔室40的直径D1之比例(H1/D1)为0.3以下的方式而被形成。
根据该结构，基于形成在活塞55的冠面60上的隆起部61能够提高几何压缩比，并且基于形成在隆起部61中的腔室40能够提高火焰传播性。
此外，由于腔室40的深度H1与腔室40的直径D1之比例(H1/D1)被设定为0.3以下而较小，因此，能够减轻因该隆起部61导致的滚流减速作用，从而能够提高燃料经济性。
即，基于上述比例(H1/D1)被设定为0.3以下，腔室40便较为扁平(浅底)，在腔室40内的流动便难下降。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55的冠面60的中央部分(腔室40的上方)时，能够抑制该滚流往腔室40的底面部41侧的移动(滚流的流线往下方大幅度弯曲)，能够使该滚流圆滑地从排气侧倾斜面65朝着进气侧倾斜面64移动。其结果，能够减轻因隆起部61而产生的滚流减速作用，增大因滚流的溃散而产生的紊流能，因此，能够缩短燃烧期间，从而能够提高燃料经济性。
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的腔室40的深度H1与腔室40的直径D1之比例作各种变更，对具备该活塞5的发动机1实施了模拟分析。具体而言，在使活塞5的隆起部31的体积维持在同等程度的情况下而使腔室40的深度H1与腔室40的直径D1之比例(H1/D1)作各种变更，在相同的运转条件下对具备该活塞5的发动机1进行了模拟分析，调查了在活塞5的上止点处的燃烧室8内的混合气的紊流能。
图16是根据上述模拟分析而得到的图形，表示了腔室40的深度H1与腔室40的直径D1之比例(H1/D1)和活塞5的上止点处的燃烧室8内的混合气的紊流能之间的关系。
作为以往技术的例子，采用了具备以往的活塞亦即具备腔室40的深度H1与腔室40的直径D1之比例(H1/D1)超过0.3的活塞的发动机，作为实施例，采用了具备本实施方式所涉及的活塞亦即具备所述比例(H1/D1)为0.3以上的活塞5的发动机。具体而言，图16中，以黑四角形的图示来表示了作为以往技术的例子而腔室40的深度H1与腔室40的直径D1之比例(H1/D1)被设定为0.36时所得到的结果。此外，以白四角形的图示来表示了作为实施例而所述比例(H1/D1)被设定为0.25及0.29时所得到的结果。而且，根据上述各图示，一并表示了表示腔室40的深度H1与腔室40的直径D1之比例(H1/D1)和紊流能之间的关系的线Z。
如图16的线Z所示，随着腔室40的深度H1与腔室40的直径D1之比例(H1/D1)减小，而紊流能增大。此外，线Z在该比例(H1/D1)为0.3附近的位置具有拐点，在该拐点处，紊流能相对于以往技术的例子的发动机至少增大了10％。从该结果可知，通过将腔室40的深度H1与腔室40的直径D1之比例(H1/D1)设定为0.3以下(参照图16的虚线)，能够减轻滚流减速作用，能够有效地增大紊流能。
<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；以及火花塞，以面临所述燃烧室的方式设置于所述气缸盖。所述活塞的冠面上设有隆起部，该隆起部具有沿所述燃烧室的顶面的进气侧倾斜面及排气侧倾斜面，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，所述气缸盖中设有能够在所述燃烧室内生成滚流的进气道，所述腔室具有底面部和从该底面部的周缘向上方立起的圆筒状的周面部，并且以所述腔室的深度相对于所述腔室的直径之比例为0.3以下的方式形成。
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，由于腔室的深度与腔室的直径之比例被设定为0.3以下而较小，因此，能够减轻因该隆起部而产生的滚流减速作用，能够提高燃料经济性。
即，基于上述比例被设定为0.3以下，腔室便较为扁平(浅底)，在腔室内的流动便难以下降。由此，能够减轻因腔室而产生的往下方(往底面部侧)的吸引作用，因此，在滚流流过活塞的冠面的中央部分(腔室的上方)时，能够抑制该滚流往腔室底面部侧的移动(滚流的流线往下方大幅度弯曲)，能够使该滚流圆滑地从排气侧倾斜面朝着进气侧倾斜面移动。其结果，能够减轻因隆起部而产生的滚流减速作用，能够增大因滚流的溃散而产生的紊流能，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。
较为理想的是，所述进气侧倾斜面以与进气门的气门轴线正交的方式设置，所述排气侧倾斜面以与排气门的气门轴线正交的方式设置。
根据该结构，进气侧倾斜面便与进气门的伞部底面彼此平行，排气侧倾斜面便与排气门的伞部底面彼此平行，因此，能够确保从进气道流往排气道的吹流的流路高度在大致规定值。即，基于内燃机的运转条件，有时为了排出残留在燃烧室中的排气气体(残留排气气体)，而会在排气冲程中使进气门及排气门双方打开，以形成从进气道流往排气道的吹流。此时，若如上述那样使各倾斜面与伞部底面相互平行，则上述吹流的流路高度便能够成为大致规定值，因而难以阻碍吹流的发展。其结果，能够提高残留排气气体的扫气性，降低燃烧室的温度，因此，能够防止因高压缩比而导致的异常燃烧的发生，能够提高燃料经济性。
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 (4)

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；以及
火花塞，以面临所述燃烧室的方式设置于所述气缸盖；其中，
所述活塞的冠面上设有隆起部，该隆起部具有沿所述燃烧室的顶面的进气侧倾斜面及排气侧倾斜面，
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，
所述气缸盖中设有能够在所述燃烧室内生成滚流的进气道，
所述腔室具有底面部和从该底面部的周缘向上方立起的圆筒状的周面部，并且以所述腔室的深度相对于所述腔室的直径之比例为0.3以下的方式形成。
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。
3.根据权利要求1或2所述的火花点火式内燃机，其特征在于：
所述进气侧倾斜面以与进气门的气门轴线正交的方式设置，所述排气侧倾斜面以与排气门的气门轴线正交的方式设置。
4.根据权利要求1至3中任一项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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