CN1198506A - 直接燃料喷射点燃式发动机 - Google Patents

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Abstract

一种直接喷射点燃式发动机,包括一顶表面具有一空腔的活塞,一位于燃烧室的周边部分面对燃烧室用于将燃料直接喷入燃烧室的喷射器,一凸出于燃烧室中用于点燃导入燃烧室内的燃料的火花塞,一与燃烧室相连用于将空气导入燃烧室的进气通道,和布置在进气通道内,用于控制进气空气流的进气流控制阀门及驱动所述阀门的致动器,用于检测发动机载荷的发动机载荷检测传感器,用于检测发动机转速的发动机转速检测传感器,及燃料供给控制器。

Description

直接燃料喷射点 燃式发动机
本发明涉及一种直接燃料喷射点燃式发动机，其中在活塞的顶部形成一个空腔，并且一个将燃料直接喷入发动机的燃烧室的燃料喷射器布置在点燃室的周边部分上。
如在日本专利申请未审查公报No 7-286520中所公开的那样，其中公开了一种传统的直接燃料喷射点燃式发动机，在该发动机中一个火花塞布置在一燃烧室的中部，并且一喷射器布置在燃烧室的周边部分，以便直接将燃料喷入燃烧室。在这种类型的发动机中，喷射器被布置在燃烧室的周边部分以便倾斜地向下朝活塞的顶部喷射燃料。当在一压缩冲程中喷射燃料时，从活塞的顶表面上弹回的燃料被提供到火花塞的附近以实现一分层燃烧，当在一进气冲程中喷射燃料时，空气与燃料的燃烧气体在整个燃烧室内扩散以实现一均匀燃烧。
已知的控制方式为根据运行状态改变燃料喷射方式。例如，在低发动机载荷和低发动机转速状态下通过一压缩冲程喷射实现一分层燃烧，其中压缩冲程喷射是在发动机的压缩冲程中进行燃料喷射。当运行状态为高发动机载荷和/或高发动机转速时，在进气冲程过程中进行燃料喷射。另外，根据燃料喷射方式控制进行空气燃料比的控制。例如，当执行分层燃烧时，控制空气燃料比以提供一稀的空气燃料混合气。在一低发动机载荷状态下，控制空气燃料比以提供一稀的空气燃料混合气，在此情形下，可建立均匀燃烧，而在一高发动机载荷状态下，控制空气燃料比以提供一浓的空气燃料混合气。
在活塞的顶部形成一空腔的建议是为了便于分层，以便在压缩冲程中喷射出的燃料借此空腔被导向火花塞。
然而，在传统的发动机中，存在的一个问题是当喷射器与垂直于气缸孔的轴的一平面间所成的倾斜角太小时，从喷射器喷射出的燃料的大部分没有汇集在空腔内并在活塞的顶表面上的空腔的外部散开，导致燃料燃烧效率和燃烧稳定性的降低。另外，当在进气冲程喷射中执行均匀燃烧时，附着在气缸壁面上的燃料量增加了，进而使排出的碳氢化合物的量增加了，并导致使润滑油稀释。
如果增加喷射器的倾斜角，就可以消除上述问题。然而，如果倾斜角增加了，那么由于与喷射器间的相互干扰，形成一合适的进气口将会很困难。因此，由于上述问题，在布置方式中实现喷射器的倾斜角的增加是不可能的。
为解决上述问题，在燃烧室内形成一卷流将会是有效的。该卷流将使来自喷射器的雾状物向下流动，以便在分层燃烧的过程中有利于喷射出的燃料向空腔的汇集。而且，附着在气缸壁面上的燃料量也可以减少。但是，卷流不足以将汇集的空气燃料混合气导向火花塞，进而使火花塞附近的空气燃料混合气的空气燃料比变得不稳定。另外，卷流成分很容易减弱并消耗掉。其结果是，在燃料喷射量相当大的发动机的中度载荷状态下的分层燃烧中，空气燃料混合气不能够合适地分散，进而导致燃料消耗效率的降低。
另一方面，会提出构造进气系统以利于产生一涡流的建议。但是，仅有涡流形成可能会产生一相反的分层状态，在该状态中，空气燃料混合气聚集在燃烧室的周边部分附近而不是围绕火花塞。因而，不能提高燃烧性能。
因此，本发明的一个目的是提供一直接喷射点燃式发动机，它可以在分层燃烧和均匀燃烧状态下，当空气燃料比提供一稀的空气燃料混合气时，利用进气流动提高燃烧性能。
本发明的上述目的和其它目的可以由一直接喷射点燃式发动机来实现，该发动机包括，一个顶表面具有一空腔的活塞，一位于燃烧室的周边部分且面对燃烧室，用于将燃料直接喷入燃烧室的喷射器，一设置得凸出于燃烧室用于点燃导入燃烧室内的燃料的火花塞，一与燃烧室相连用于将进气空气导入燃烧室的进气通道，布置在进气通道内，用于控制包括在燃烧室内产生的一卷流成分和一涡流成分的倾斜涡旋的进气空气流的进气流控制装置，用于检测发动机载荷的发动机载荷检测装置，用于检测发动机转速的发动机转速检测装置，燃料供给控制装置，该装置用于在一压缩冲程中根据发动机载荷和转速，从喷射器将燃料喷射到该空腔，以实现一分层燃烧状态，在该分层燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气，在一第一运行状态中聚集在火花塞附近，该装置还用于在一进气冲程中将燃料从喷射器喷射到该空腔，以实现一均匀燃烧状态，在该均匀燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气，在一第二运行状态中均匀地且完全地在燃烧室内扩散。第一运行状态至少是低发动机载荷和低发动机转速的状态。第二运行状态至少是对于发动机载荷和发动机转速来讲除所述的低发动机载荷和发动机转速的状态之外的状态。进气流动控制装置在从分层燃烧状态到均匀燃烧状态的运行状态中，在空气燃料比提供稀的空气燃料混合气时产生空气燃料混合气的倾斜涡旋并控制进气流，以使至少在提供稀的空气燃料混合气的均匀燃烧状态下，均匀燃烧状态的卷流比率大于涡流比率。
在此情形下，最好进气流动控制装置在燃烧室内产生的倾斜涡旋处于喷射器的燃料喷射方向的下方。
最好在空气燃料比提供一稀的空气燃料混合气的均匀燃烧状态下，进气流动控制装置产生的倾斜涡旋与垂直于气缸孔的中心线的平面所成的角度大于45°。
在一最佳实施例中，燃烧室具有一单坡屋顶式的顶板形状，其中活塞的顶表面是一个与燃烧室的顶板的形状互补的形状，空腔形成在从顶表面的中心向喷射器偏置的位置，并且火花塞对应于空腔的圆周边缘布置，在一涡流方向上引导从喷射器喷射出的燃料的一垂直壁，形成在空腔的圆周表面的上游部分，该空腔由活塞的顶表面的一升高部分来限定。
空腔的底部在大体垂直于气缸孔的中心线的方向上可以是一平面。
在另一实施例中，空腔的底部相对于一垂直于气缸孔的中心线的平面在一基本上垂直于气缸孔的中心线的方向，从一圆周部分朝一活塞的顶表面的中心向上倾斜。
最好进气流动控制装置包括一个设置在进气口之一内并用于打开和关闭该进气口的控制阀门，其特征为即使当控制阀门完全打开时，也产生卷流，并且当控制阀门关闭时，涡流增强，并且进气口的形状要使得从一完全关闭状态到一完全打开状态，使卷流比率大于涡流比率。
在一分层燃烧状态下当发动机载荷增加时，进气流动控制装置控制进气流以增强一涡流成分。
在此最佳实施例中，在分层燃烧状态下，随着发动机的载荷的增加，控制阀门的开启程度降低，并且在均匀燃烧状态下，控制阀门完全关闭，同时空气燃料比提供一稀的空气燃料混合气。
根据在一横向方向上，从距气缸体和气缸盖的接合表面的距离为气缸孔的直径的1.75倍的距离处的进气的角速度，利用一预定的公式，可以得到涡流比率。
根据在一管内的进气流的角速度，利用所述的预定的公式，可以得到卷流比率。
上述管的直径大体与气缸孔的直径相同，并沿接合表面布置，这样管的中心线位于距接合表面为气缸的直径加上20mm的距离处。通过气缸盖供入管中的进气当进气撞击管的壁面上时产生卷流。卷流强度在距气缸孔的中心大约为气缸孔的直径的3.5倍的距离的两相对端处进行测量。
一般，进气通道是一进气口。最好，燃烧室由气缸孔的一个壁面、活塞的顶表面和气缸盖的底表面来限定。
本发明的另一特性中，一直接喷射点燃式发动机包括一顶表面具有一空腔的活塞，一位于燃烧室的周边部分并面对燃烧室用于将燃料直接喷入燃烧室的喷射器，一设置得凸出于燃烧室中并用于点燃式导入燃烧室内的燃料的火花塞，一与燃烧室相连用于将进气空气导入燃烧室的进气通道，布置在进气通道内，用于控制包括有在燃烧室内产生的一卷流成分和一涡流成分的倾斜涡旋的进气空气流的进气流动控制装置，用于检测发动机载荷的发动机载荷检测装置，用于检测发动机转速的发动机转速检测装置，燃料供给控制装置，该装置用于在一压缩冲程中将燃料从喷射器喷射到该空腔，以实现一分层燃烧状态，在该分层燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气，在一第一运行状态中聚集在火花塞附近，该装置还用于在一进气冲程中将燃料从喷射器喷射到该空腔，以实现一均匀燃烧状态，在该均匀燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气，在一第二运行状态中均匀地且完全地在燃烧室内扩散，并且所述进气流动控制装置在从分层燃烧状态到均匀燃烧状态的一运行状态中，在空气燃料比提供稀的空气燃料混合气时产生空气燃料混合气的倾斜涡旋并控制进气流，以使倾斜涡旋在燃烧室内被导向喷射器的燃料喷射方向的下方。
在本发明的另一方面中，一直接喷射点燃式发动机包括一顶表面具有一空腔的活塞，一位于燃烧室的周边部分并面对燃烧室用于将燃料直接喷入燃烧室的喷射器，一设置得凸出于燃烧室中且用于点燃导入燃烧室内的燃料的火花塞，一与燃烧室相连用于将进气空气导入燃烧室的进气通道，布置在进气通道内，用于控制包括有在燃烧室内产生的一卷流成分和一涡流成分的倾斜涡旋的进气空气流的进气流控制阀门，一用于驱动该控制阀门的致动器，用于检测发动机载荷的发动机载荷检测传感器，用于检测发动机转速的发动机转速检测传感器，燃料供给控制器，该控制器根据来自发动机载荷检测传感器和发动机转速检测传感器的输出信号产生喷射器控制信号，该控制信号包括在一压缩冲程中用于实现一分层燃烧状态的燃料喷射量和燃料喷射定时，在该分层燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气，在一第一运行状态中聚集在火花塞附近；该控制信号还包括在一进气冲程中用于实现一均匀燃烧状态的燃料喷射量和燃料喷射定时，在该均匀燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气，在一第二运行状态中均匀地且完全地在燃烧室内扩散，该燃料供给控制器还产生控制致动器的控制信号，以便在从分层燃烧状态到均匀燃烧状态的一运行状态中，在空气燃料比提供稀的空气燃料混合气时产生空气燃料混合气的倾斜涡旋并提供控制阀门的一控制量，以使至少在提供稀的空气燃料混合气的均匀燃烧状态下，均匀燃烧状态的卷流比率大于涡流比率。
根据本发明的另一个实施例，一直接喷射点燃式发动机包括一顶表面具有一空腔的活塞，一位于燃烧室的周边部分并面对燃烧室用于将燃料直接喷入燃烧室的喷射器，一设置得凸出于燃烧室用于点燃导入燃烧室内的燃料的火花塞，一与燃烧室相连用于将进气空气导入燃烧室的进气通道，布置在进气通道内，用于控制包括有在燃烧室内产生的一卷流成分和一涡流成分的倾斜涡旋的进气空气流的进气流控制阀门，一用于驱动该控制阀门的致动器，用于检测发动机载荷的发动机载荷检测传感器，用于检测发动机转速的发动机转速检测传感器，燃料供给控制器，该控制器根据来自发动机载荷检测传感器和发动机转速检测传感器的输出信号产生喷射器控制信号，该控制信号包括在一压缩冲程中用于实现一分层燃烧状态的燃料喷射量和燃料喷射定时，在该分层燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气，在一第一运行状态中聚集在火花塞附近；该控制信号还包括在一进气冲程中用于实现一均匀燃烧状态的燃料喷射量和燃料喷射定时，在该均匀燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气，在一第二运行状态中均匀地且完全地在燃烧室内扩散，该燃料供给控制器还产生控制致动器的控制信号，以便在从分层燃烧状态到均匀燃烧状态的一运行状态中，在空气燃料比提供稀的空气燃料混合气时产生空气燃料混合气的倾斜涡旋并提供控制阀门的一控制量，以使至少在空气燃料比提供一稀的空气燃料混合气的均匀燃烧状态下，在燃烧室内倾斜的涡旋导向喷射器的燃料喷射方向的下方。
本发明的其它目的、特性和优点从下面的根据附图对最佳实施例的详细描述中可以看得很清楚。
图1是一个本发明的一个直接喷射点燃式发动机的机体的剖面图；
图2是一燃烧室和进气系统的示意平面图；
图3是一个本发明发动机的燃烧室的剖面图；
图4是一个活塞的顶表面的平面图；
图5是一个沿图1中线A-A所作的进气口的剖面图；
图6是一个示出了沿进气流线的不同位置处的进气口的剖面形状的视图；
图7示出了一个倾斜涡旋；
图8是控制系统的方框图；
图9是一燃料喷射方式和空气燃料比的控制图；
图10是根据发动机载荷的进气流控制图；
图11是根据发动机转速的进气流控制图；
图12是一个测量卷流比率的装置的示意图；
图13是一个测量涡流比率的装置的示意图；
图14分别示出了在卷流和倾斜涡旋的情况下燃料消耗率根据发动机载荷变化的情况；
图15示出了在不同的涡旋倾斜角下涡旋强度与10-90度燃烧持续时间之间的相互关系；
图16是控制阀门的控制流程图；
图17是燃料供给控制的流程图；
图18是形成在活塞的顶表面上的空腔的各种改进形式(a)-(e)的平面图；
图19是空腔的各种改进形式的剖面图；
图20是活塞的顶部的改进形式(a)和(b)的剖面图；
图21是空腔的另一个改进形式的剖面图。
下面将参照附图详细地描述本发明。图1和2示出了一个直接喷射点燃式发动机的燃烧室的结构，该发动机是一个汽油机，因而与柴油机不同。图1中示出的发动机具有一个由一个气缸体2、一个气缸盖3等构成的发动机机体1。该发动机机体具有多个其内分别设置有活塞4的气缸。在气缸的一个顶表面和气缸盖3的一个下部表面之间形成有一个燃烧室5。在活塞的顶表面上形成一空腔6。在气缸盖3上有一对进气口7A、7B和一对排气口8A、8B。在气缸盖3上还设置有一对进气阀9和一对排气阀10用于打开和关闭口7A、7B和8A、8B、以及在发动机的纵向延伸并用于驱动进气阀9和排气阀10的凸轮轴9a，9b、和一个火花塞11及喷射器12。另外，喷射器12布置得便于将燃料直接喷入燃烧室5。火花塞11位于燃烧室5的中部。
气缸盖3的下部表面或燃烧室5的顶面是单坡屋顶式的。活塞的顶表面在中心部位凸起以形成一个对应于气缸盖3的单坡屋顶式燃烧室。活塞4的顶表面局部凹入以形成如图3和4所示的空腔6。该空腔6与喷射器12相邻。该空腔6形成在一个从与喷射器12相邻的周边部分延伸到该顶表面的中心部位的区域内。火花塞11在该顶表面的中心部位指向空腔6。在此实施例中，该空腔6如图4中所示其平面图是一矩形结构。如图3中的剖面图所示，该空腔6的底表面是水平(与气缸孔的轴向相垂直的方向)延伸的，该空腔6的周边壁面沿垂直方向(与气缸孔的轴向相同的方向)延伸。
如图1中的剖面图所示，进气口7A、7B分别地构成，包括一个向下延伸的上游端直线部分71、一个接在部分71后面的具有减小了的倾斜度的中间部分72和一个接在部分72后面的下游端部分73。部分73包括一个与开口相连的喉部。下游部分73的倾斜度逐渐增加以便在燃烧室5中打开。进气口7A、7B的断面形状是彼此对称的。直线部分71是一非对称结构，或基本上是三角形的，具有一个离开气缸盖的底表面的上边部分74、一个与另一个口相对的外侧边部分75和一个在口7A、7B之间在一内侧边内向下向外延伸的斜边部分76。在上边74和斜边76之间有一短的内侧边部分77，一短的下斜边部分78形成在外侧边部分75和斜边部分76之间，因此口7A和7B是五边形的。一个中心O确定为口7A和7B在横向上的最大宽度线与其在垂直方向上的最大长度线的交点。中心线Lx和Ly分别在横向和纵向上延伸并通过中心点O。设定一个具有中心O和以最大宽度为直径的参考圆C(当各口是圆柱形的时，等于其断面形状)。与参考圆C相比，实际的各口的横断面在横向中心线Ly的上部和垂直中心线Lx的外部都增加了。这意味着虽然上边部分74和外侧边部分75基本上与参考圆C相对准，但是中心线Ly和上边部分74的交点的两侧及中心线Lx与外侧边部分75的交点的两侧都在参考圆C的径向上向外扩展。具有这种结构，在进气口7A、7B的上部和外侧部分空气流量增加了，这样就增强了卷流和涡流。斜边76自参考圆C朝向中心O向内凹入。
如图6中所示，在直线部分71上该口的断面形状基本上是恒定不变的三角形。在下游部分73，该口的断面形状是圆形。因此，在部分72上，该口的断面形状逐渐从部分71的大体上为三角形的形状改变为部分73的圆形形状。
喷射器12安装在位于进气口7A和7B下方的喷射器安装孔13中，以便从燃烧室5的周边将燃料倾斜地向下喷入燃烧室5。
一个用于可滑动地支撑进气阀9的气阀轴的气阀导管14安装在气缸盖3上，处于口7A和7B的倾斜度减小了的部分72的一上部壁面上。两个进气口7A和7B的位置都不会与喷射器12、进气阀9和气阀导管14干扰。特别是口7A和7B的形状小于参考圆C。因此在两个进气口7A和7B的下面均可得到一个足以设置喷射器12的空间。
一个进气歧管15与发动机机体1的一侧相连。进气歧管15包括位于一调压箱16的下游的管状部分17。一对与进气口7A和7B相通的进气通道17A、17B形成在管状部分17内。为了控制进气口7A和7B的进气流量，一个控制阀门18设置在通道17A内，以便流到通道17A的空气流可以由阀门18的操作来打开和关闭。阀门18由一个致动器19，如一个步进电机来驱动。
一个具有涡流成分和卷流成分的倾斜涡旋可以由进气口7A和7B和控制阀门18产生，并且各个成分可以控制。
当阀门18被完全关闭或部分地打开以限制通过进气口7A的进气流并因此增加进气口7B的进气流量时，在燃烧室5内就可以产生一个增强的涡流(水平成分)。直线部分71和下游部分73的倾斜度相对较大，倾斜度减小的部分72相对较短，这样进气涡旋流就包括有卷流成分(垂直成分)。因此，当控制阀门18被完全关闭或部分地打开时，可以同时得到涡流成分和卷流成分，即在燃烧室5内产生倾斜涡旋S。
当控制阀门18被完全关闭时，涡旋达到最大。最好，将进气口设计成卷流比率大于涡流比率，换言之，可以产生大于45度的涡旋的倾斜角θ(与垂直于气缸孔的中心轴的水平面之间的角度)。倾斜角θ是倾斜涡旋的一个角动量的水平成分Ωy与其角动量的垂直成分Ωx之间的角度，角θ可以表示如下：
θ＝Tan-1(Ωy/Ωx)
随着阀门18从完全关闭的位置逐渐打开，由于来自进气口7A和7B的进气流的碰撞，涡流成分逐渐减弱。当阀门18完全打开时，涡流成分基本上变为零。然而，还保留有卷流成分。
图8示出了一个发动机的控制系统，包括一个微机的电子控制单元(ECU)20以一预定间隔检测根据曲柄轴的转动产生的曲柄角度信号，并接收来自发动机转速传感器的信号，以用于在该曲柄转角信号基础上检测发动机转速，及来自用于检测加速开度或加速器的冲程的加速传感器22的和来自用于检测进气空气量的空气流量计23等的信号。
ECU 20包括一个含有一个燃料喷射控制器25和空气燃料比控制器26的燃料供给控制器26a和进气流量控制器27。燃料喷射控制器25根据运行状态在一压缩冲程喷射和一进气冲程喷射之间改变来自喷射器12的燃料喷射方式，在一压缩冲程喷射中，燃料在压缩冲程的后期喷射一个预定间隔，以建立分层燃烧，在进气冲程喷射中，燃料在进气冲程喷射一个预定间隔，以建立均匀燃烧。
空气燃料比控制器26通过燃料喷射控制器25控制燃料喷射量，从而根据工作状态控制空气燃料比，并控制诸如电动节气门之类的空气进气量控制器28，其中节气门由一电致动器等装置进行电控制。
进气流控制器27通过一个致动器19控制控制阀门18来根据工作状态改变进气流状态。图9给出了一控制图，图中显示了燃料喷射方式和空气燃料比，其中发动机载荷(如在进气量的基础上得到的平均有效压力Pe)作为纵坐标，发动机转速作为横坐标。一个分层燃烧区A限定为当发动机的载荷低于一预定值并且发动机转速也低于一预定值时的区域。在该区域A内执行的是压缩冲程喷射，并且空气燃料比被控制在一较大的数值，如A/F＝40，是一稀的空气燃料混合气。一个均匀燃烧区B限定为当发动机的载荷大于预定值并且发动机转速也大于预定值时的区域。在该区域B内执行进气冲程喷射。在该区域B内，在发动机转速和发动机载荷相对较低并接近区域A的部分限定了一区域B1。空气燃料比大于理论值(λ＝1)并取其值为如A/F＝20。另一方面，空气燃料比A/F取一个较小的值(λ≤1)，如A/F＝13-14.7或使在一区域B2内的混合气更浓，在区域B2发动机载荷和发动机转速与区域B相比相对较高。
随着空气进气流的控制，在分层燃烧区A和均匀燃烧区B内产生倾斜涡旋。在区域B1内卷流比率大于涡流比率。在此情形下，产生了朝着喷射器12的燃料喷射方向的更下部的倾斜涡旋。特别是，由于布置条件的限制，例如与进气口7A、7B的干扰，喷射器12与水平面之间的安装角α＝35±10°。由喷射器12喷射出的燃料形成了一个绕一喷射线的圆锥形状。在均匀燃烧区B1内，涡流S的倾斜角θ大于喷射器12的安装角α，在该区域内，空气燃料比控制得可以提供一稀的空气燃料混合气。
本实施例的进气口7A和7B的结构使得当控制阀门18完全关闭以致于倾斜角θ大于45°时，卷流比率大于涡流比率。在这种结构下，根据工作状态控制进气流。
图10示出了在发动机低速(＝M)运转时，根据发动机的载荷在各个运行区域内的进气流控制。在分层燃料区A内，控制阀门18部分打开，并在发动机的更低载荷时逐渐增加开启。随着发动机载荷的增加，阀门18的开启度降低以便适当地使空气燃料混合气扩散，使得涡流比率SRi和卷流Tri增加。在空气燃料比控制得可提供稀的空气燃料混合气的均匀燃烧区B的区域B1内，控制阀门18完全关闭，使得涡流比率SR和卷流比率TR达到最大。在空气燃料比控制得可提供浓的空气燃料混合气的燃烧区B的区域B2内，控制阀门18被完全打开，使得涡流比率SR变为零。
图11示出了当发动机在低载荷(＝N)下运行时，根据发动机转速在各个运行区域内的进气流控制特性。在分层燃烧区A内，控制阀门18部分打开。随着发动机转速的增加，控制阀门18的开启度增加，以降低涡流比率SR和卷流比率TR。与图10所示的根据发动机载荷进行控制的情况相似，阀门18在区B1内完全关闭，但在区B2内完全打开。
下面将描述涡流比率和卷流比率的定义及其测量方法。
测量进气在垂直方向上的角速度并求积分，积分后所得的值再除以发动机的曲柄转角的角速度。其结果值被定义为卷流比率TR。进气在垂直方向上的角速度由如图12所示的测量装置进行测量。在图12中，气缸盖3布置的方式是可使进气口7A和7B朝向水平方向。一个空气供给装置31与进气口7的上游端相连。对应于气缸孔的卷流测量管32，在凸轮轴的方向上在燃烧室侧通过一短的连接部分与气缸盖3相连，沿该凸轮轴方向，进气的卷流流(tumble folw)撞击在一个与气缸盖的下部表面相平行并面对进气口的开口的假想(hypethetical)壁面上以形成一空气旋涡。一个具有一蜂窝状的转子33的冲量计或扭矩传感器34a(Tsukasa Sokken公司出售型号为ISM-2的冲量涡流计)与管32的一端相连。类似地，具有一蜂窝状的转子35的另一个冲量计34b与管32的另一端相连。
利用此装置，借助于进气供给可在管32内产生卷流。由该卷流引起并作用在蜂窝状的转子33上的扭矩由冲量计34测量，以便得到在管32的横断面方向上的进气角速度。而后，由此计算在垂直方向上的进气角速度。在此情形下，管32的直径D与气缸孔的直径相同，而管32的长度与其直径相比大得足够得到测量的精确度和稳定性。例如，管32的长度可以是直径D的七倍。而且从进气口到在相对端的各蜂窝状转子33和35的长度最好是相同的。从进气口到管32的中心的距离设置为(D/2+20)mm，其中直径D为50-100mm。
可以由下面的公式(I)得到卷流比率。G值作为冲量计34a和34b的输出总和被引入到公式(I)中。
SR＝ηv[DS∫(cfNfdα)]/[nd2(∫cf-dα)2]......(I)
Nr＝8G/(MDV0)..............................(II)
其中，SR＝涡流比率
      ηv＝容积效率
       D＝气缸孔直径
       S＝冲程
       n＝进气阀数量
       d＝喉部直径
       cf＝当气阀移动时在各气阀升程处的流量系数
       Nr＝当气阀移动时在各气阀升程处的无量纲控制(rig)涡流值
       α＝曲柄转角
       G＝冲量涡流计扭矩
       Vo＝速度头
公式(II)可按如下方式得到：
       G＝Iωr......(1)
       I＝MD2/8......(2)将公式(2)的I值代入公式(1)，
       G＝MD2ωr/8......(3)
因此，Dωr＝8G/(MD)......(4)
      Nr＝DωrV0......(5)将公式(4)代入公式(5)，
      Nr＝8G/(MDV0)
其中，ωr＝控制(rig)涡流值
      I＝在下死点处气缸中的空气的卷流惯量
      Vo＝(2Δp/ρ)1/2
      Δp＝口两端的总压降(＝800mmAg)
      ρ＝空气密度
(有关公式(I)和(II)，参见Honda R&D技术期刊，1989年第一期)
对水平方向上的进气角速度进行测量并求积分，该积分所得值除以发动机的曲柄转角的角速度。其结果值定义为涡流比率SRi。水平方向上的进气角速度由图13中所示的测量装置来测量。在图13中，气缸盖3设置在一基座上，其上表面朝下。进气口与进气供给装置(未示出)相连。一气缸36布置在气缸盖3上。一带有一蜂窝状转子37的冲量计38与气缸36相连。冲量计34的下表面设置得距气缸盖3和气缸体之间的接合表面的距离为1.75D，其中D为气缸孔的直径。在此情形下，涡流比率在公式(I)中由冲量计38的输出作为值G来得到。
因空气进气供给在气缸36内产生的涡流而作用在蜂窝状转子37上的扭矩由冲量计38来测量。在横向方向上的进气流的角速度依据测得的扭矩得到。
接下来，将描述此最佳实施例的发动机的运行。
在分层燃烧区内，在发动机低载荷低转速工况下，燃料由喷射器12喷射出，喷射器12布置在压缩冲程中的燃烧室5的周边部分上。空气燃料混合气分层地向火花塞11汇集。结果是，带有极大空气燃料比值的极稀空气燃料混合气可以被点燃并燃烧。发动机的高载荷和高转速工况构成了均匀燃烧区B。在该均匀燃烧区B内，燃料在进气冲程中被喷射出，使空气燃料混合气在整个燃烧室内扩散。在区B内的发动机载荷相对较低和/或发动机转速相对较低的区域B1内，空气燃料比控制得可提供一较稀的空气燃料混合气，以便在区B1内的燃料消耗率也可得以改善。
燃烧方式和空气燃料比根据运行状态加以改变。控制进气流量以便从分层燃烧区A到均匀燃烧区随着燃烧方式和空气燃料比的变化而产生倾斜涡旋。结果是，可以在使用稀的空气燃料混合气均匀燃烧及分层燃烧的情况下提高燃烧性能。
特别是，当执行分层燃烧时，包括有卷流成分的倾斜涡旋保持直到压缩冲程的一半为止。因而，由于倾斜涡旋的卷流成分的存在，由喷射器12以倾斜的方向喷射出的燃料被强制地导向下方，这样喷射出的大量燃料都汇集在空腔6内。因此，汇集性能增强了。在只产生有卷流的情形下，虽然卷流有利于提高雾化的喷射燃料的汇集性能，但它还不足以将燃料从空腔导向火花塞。其结果是，空气燃料混合气的空气燃料比绕火花塞11倾向于产生不稳定的变化。相反，根据本发明的最佳实施例，在喷射出的燃料在空腔6内汇集之后，随着活塞在压缩冲程的后期接近其上死点，倾斜涡旋的卷流成分被活塞4的顶部外面的凸出部分破坏掉，但涡流成分的主要部分仍然存在，并沿其周边表面朝向燃烧室5的中间部位流动，并朝向上方，最终导向火花塞11。因此，根据本发明的结构，可有效地将空气燃料混合气导入使之围绕火花塞11。
另外，如图10中所示，对控制阀门18进行控制，以便在发动机载荷增大时强化涡流和卷流。其结果是，在分层燃烧区A的发动机中等载荷工况下空气燃料混合气可进行适当的扩散，在该燃烧区内，相当大量的燃料被喷射。适当保持火花塞11附近的空气燃料混合气的空气燃料比，以提高燃烧性能。将仅产生卷流的进气系统与本发明的产生倾斜涡旋的进气系统相比，如图14中所示，就燃料消耗率BSFC(制动比油耗)相比，在仅有卷流产生的系统中，卷流在压缩冲程的后期逐渐减弱并消失，结果，在分层燃烧区的相对较高的发动机载荷状态下，由于空气燃料混合气没有被适当分散，因而如图中虚线所示燃料消耗率恶化，尽管如此，还是增加燃料喷射量。另一方面，在产生有倾斜涡旋的系统中，如上所述，空气燃料混合气被适当分散。因此，在发动机的中等载荷状态下，可以改善燃料消耗率，如图中实线所示。在均匀燃烧状态下，当空气燃料比控制得以便提供一稀的空气燃料混合气时，控制阀门18完全关闭以增强涡流和卷流成分。在此情形下，能够产生具有一相对较大的倾斜角θ的倾斜涡旋，从而可得到合乎需要的均匀燃烧状态，在该相对较大的倾斜角θ的倾斜涡旋中，卷流成分要强于涡流成分。如前所述，喷射器12与垂直于气缸孔的中心轴的平面之间所成的角度相对较小，以避免对进气口7A和7B的干扰。因此，由于喷射器12的布置，燃料也可按一相对小的角度喷射到燃烧室5中。相应地，如果在燃烧室5内的气体流动较弱，那么喷射出的燃料将不合乎需要地粘附到与喷射器12相对的气缸壁上。
然而，根据此最佳实施例，产生了倾斜涡旋。特别是，本发明的倾斜涡旋指向喷射器12的喷射方向的下方。其结果是，喷射出的燃料由于倾斜涡旋被迫导向下方，这样就可以防止喷射出的燃料粘附到气缸壁上，并使得喷射出的燃料在整个燃烧室5内分散。进而提高了燃烧性能。
在图15中，示出了当倾斜角θ变化时在均匀燃烧状态下的涡旋强度与10-90度燃烧持续时间之间的相互关系。当倾斜角较小比如θ＝12°或θ＝38°时，在燃烧室5的周边部分，燃烧气体的浓度增加，进而导致一反向的分层状态，在该状态下空气燃料混合气难于均匀分散。该种恶化的空气燃料混合气的分配会阻止涡流促进适当的燃烧。其结果是，即使涡旋强度增加了，燃烧时间也不会降低。另一方面，当涡旋倾斜角θ增加，比如在此实施例中θ＝52°时，反向的分层状态被消除了，从而燃烧气体在整个燃烧室5内均匀分散。其结果是，由于分散性能的提高和空气燃料混合气涡流的增强的共同作用，燃烧性能大幅度地提高，因此涡旋强度增加，燃烧时间降低。
当空气燃料比控制得可提供一稀的空气燃料混合气时，在均匀燃烧状态下，上述的燃烧性能的提高可以通过增加与涡流比率相对比的卷流比率来有效地得到，这样就可以产生涡旋倾斜角θ大于45°的倾斜涡旋。
另外，在高发动机载荷和高发动机转速状态下，其中空气燃料比控制得具有一λ≤1的值，并可因此提供一浓的空气燃料混合气，当进行均匀燃烧时，控制阀门18完全打开以增加进气口的打开面积。其结果是，涡流成分消除了，而卷流成分保留下来，从而便于空气燃料混合气的扩散，提高燃烧性能。
接下来，将描述控制阀门的工作和燃料喷射控制。
图16是控制阀门的工作的流程图。该流程在一预定的间隔被执行。
ECU在步骤S1中读出发动机转速和发动机载荷。接下来，在步骤S2中，ECU根据发动机转速和发动机载荷依图来确定阀门的开启，以便阀门18的开启性能如图10和11中所示的进行改变。在步骤S3中，控制致动器19以提供在步骤S2中所确定的阀门的开启。
图17是燃料供给控制的流程图。该程序在一预定的曲柄转角(进气冲程上死点60°，即BTDC 60°)处开始，以便执行燃料喷射。
ECU读出发动机转速Ne、进气量Qa和加速冲程α。在步骤S12中，节气门开启程度在发动机转速Ne和加速冲程α的基础上确定。在步骤S13中，驱动节气门。在此情形，在发动机低速和中速状态下，并且在发动机低载荷和中等载荷状态下确定节气门开启程度，节气门开启程度被设置在一相对较大的程度上，或大约一半。在步骤S14中，根据图9中所示的曲线图在发动机转速和发动机载荷的基础上确定燃烧区。如果在步骤S15中确定了分层燃烧，那么在步骤S16中燃料喷射定时被确定在压缩冲程的后期中一预定间隔中。而后，执行步骤S17。如果在步骤S15中判断的燃烧区不是分层燃烧区，那么就在步骤S18中将喷射间隔设置在进气冲程中的一预定时期处。然后，执行步骤S19。在步骤S17和S19中，确定用于分层燃烧区或均匀燃烧区的燃料喷射量。在步骤S20中，判断是否要进行喷射。如果判断的结果为：是，那么驱动燃料喷射器12使之进行预定间隔的燃料喷射。
具有空腔6的活塞4的顶表面的结构可以作各种修改。
图18是示出了空腔的各种结构形式的平面图。图(a)是具有一长圆形的空腔的基本实施例。在这种结构形式下，喷射燃料倾向于汇集在涡流方向的一上游位置，如箭头所示。考虑到这一点，空腔可以是如图(b)所示的形状，其中的空腔与图(a)中的结构相比，在涡流方向的下游侧缩小了。因此图(b)中的空腔61是朝涡流方向的上游侧偏移的。相反地，一个空腔可以在下游侧扩展(未示出)。另外，一个空腔62可以朝活塞4的圆周边缘扩展，如图(c)中所示。而且，如图(d)中所示，图(c)中的空腔62作了修改，从而形成一个其下游侧在涡流方向被缩小了的空腔63。可以提供一心形空腔64，用于依靠涡流沿空腔的圆周表面朝燃烧室5的中心部分使燃烧气体的流速增加，从而将空气燃料混合气导向火花塞周围。虽然空腔的圆周部分的壁面如在主要的最佳实施例(参见图3)中所示可以是垂直的，但是空腔的壁面在燃烧室5的中心侧可以有一尖角。就象本发明的主要实施例的一个单坡屋顶式燃烧室那样，活塞4的顶表面的一个外置部分的形状有利于减弱卷流成分。该外置部分可以是如图20(a)中所示的形状，其中凸出部分的顶表面是一平面71，或可以是一部分的球形表面72。图20(a)中所示的凸出部分的结构有利于在压缩冲程的后期减弱卷流成分。然而，如果这样的结构被实施了而不降低压缩比，那么该结构将会是比较复杂的。考虑到这一点，主要实施例中的单坡屋顶式结构可以得到合乎需要的压缩比，同时该结构也相对简单并可以在压缩冲程的后期有效地减弱卷流。
还有，空腔66的底表面可以是倾斜的，以便朝向活塞4的顶表面的中心升高。该结构便于在压缩冲程的后期在空腔66内使朝着活塞的圆周部分的卷流成分减弱。另外，具有图21所示的结构，朝空腔66的中心喷射出的燃料被导向朝上方，因而朝上抬高直到火花塞11处。然而应该指出被雾化的空气燃料混合气气体的汇集性能是在主要实施例的结构即单坡屋顶式结构中而不是在图21所示的结构中得到了提高。
虽然已经参照一个特定的最佳实施例对本发明进行了描述，然而本领域的普通技术人员可以发现在本发明宗旨和范围内可以对本发明作出各种修改和改进。本发明范围仅由所附的权利要求来限定。

Claims (19)

1.一种直接喷射点燃式发动机，包括：
一个顶表面具有一空腔的活塞；
一位于燃烧室的周边部分并面对燃烧室，用于将燃料直接喷入燃烧室的喷射器；
一设置得凸出于燃烧室中并用于点燃导入燃烧室内的燃料的火花塞；
一与燃烧室相连用于将进气空气导入燃烧室的进气通道；
布置在进气通道内，用于控制包括有在燃烧室内产生的一卷流成分和一涡流成分的倾斜涡旋的进气空气流的进气流动控制装置；
用于检测发动机载荷的发动机载荷检测装置；
用于检测发动机转速的发动机转速检测装置；
燃料供给控制装置，该装置用于在一压缩冲程中根据发动机载荷和转速从喷射器将燃料喷射到所述空腔，以实现一分层燃烧状态，在该分层燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气，在一第一运行状态中聚集在火花塞附近，该燃料供给控制装置还用于在一进气冲程中将燃料从喷射器喷射到该空腔，以实现一均匀燃烧状态，在该均匀燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气，在一第二运行状态中均均地完全地在燃烧室内扩散；和
所述进气流动控制装置，该装置在从分层燃烧状态到均匀燃烧状态的一运行状态中，在空气燃料比提供一稀的空气燃料混合气时产生空气燃料混合气的倾斜涡旋并控制进气流，以使至少在提供稀的空气燃料混合气的均匀燃烧状态下，均匀燃烧状态的卷流比率大于涡流比率。
2.如权利要求1所述的直接喷射点燃式发动机，其特征在于所述第一运行状态至少是低发动机载荷和低发动机转速的状态，所述第二运行状态至少是对于发动机载荷和发动机转速来讲除所述的低发动机载荷和低发动机转速的状态之外的状态。
3.如权利要求1所述的直接喷射点燃式发动机，其特征在于所述进气流动控制装置在燃烧室内产生的倾斜涡旋处于喷射器的燃料喷射方向的下方。
4.如权利要求1所述的直接喷射点燃式发动机，其特征在于在空气燃料比提供一稀的空气燃料混合气的均匀燃烧状态下，所述进气流控制装置产生的倾斜涡旋与垂直于气缸孔中心线的平面所成的角度大于45°。
5.如权利要求1至4中的任一所述的直接喷射点燃式发动机，其特征在于所述燃烧室具有一单坡屋顶式燃烧室的顶板形，其中所述活塞的顶表面是一个与所述燃烧室的顶板的形状互补的形状，所述空腔形成在从顶表面的中心向所述喷射器偏置的位置，并且所述火花塞对应于空腔的圆周边缘布置，在一涡流方向上引导从所述喷射器喷射出的燃料的一垂直壁，形成在所述空腔的圆周表面的一上游部分，该空腔由所述活塞的顶表面的一升高部分来限定。
6.如权利要求5所述的直接喷射点燃式发动机，其特征在于所述空腔的底部在大体垂直于所述气缸孔的中心线的方向上是一平面。
7.如权利要求5所述的直接喷射点燃式发动机，其特征在于所述空腔的底部相对于一垂直于所述气缸孔的中心线的平面，在一基本上垂直于所述气缸孔的中心线的方向，从所述活塞的顶表面的圆周部分朝中心向上倾斜。
8.如权利要求1至7中的任一个所述的直接喷射点燃式发动机，其特征在于所述进气流控制装置包括一个设置在所述进气口之一内并用于打开和关闭所述进气口的控制阀门，其中即使当控制阀门完全打开时，也产生卷流，并且当控制阀门关闭时，涡流增强，所述进气口的形状要使得控制阀门从一完全关闭状态到一完全打开状态时，使卷流比率大于涡流比率。
9.如权利要求1至8中的任一个所述的直接喷射点燃式发动机，其特征在于在一分层燃烧状态下当发动机载荷增加时，所述进气流控制装置控制进气流以增强一涡流成分。
10.如权利要求8所述的直接喷射点燃式发动机，其特征在于在分层燃烧状态下随着发动机的载荷的增加，所述控制阀门的开启程度降低，并且在均匀燃烧状态下，控制阀门完全关闭，同时空气燃料比提供一稀的空气燃料混合气。
11.如权利要求1所述的直接喷射点燃式发动机，其特征在于利用一预定的公式，根据在一横向方向，从距一气缸体和气缸盖的接合面的距离为一气缸孔直径的1.75倍的距离处的进气的角速度，得到所述涡流比率；
根据在一管内的进气流的角速度，利用所述的预定的公式，得到所述卷流比率；
上述管的直径大体与所述气缸孔的直径相同，并沿接合表面布置，这样，所述管的中心线位于距所述接合表面为所述气缸的直径加上20mm的距离处，
进气通过所述气缸盖供入所述管中，当进气撞击所述管的壁面时产生卷流，
卷流的强度在距所述气缸孔的中心大约为所述气缸孔的直径的3.5倍的距离处的两相对端处进行测量。
12.如权利要求1所述的直接喷射点燃式发动机，其特征在于所述进气通道是一进气口。
13.如权利要求1所述的直接喷射点燃式发动机，其特征在于所述燃烧室由一气缸孔的一个壁面、所述活塞的顶表面和所述气缸盖的一底表面来限定。
14.一直接喷射点燃式发动机，包括：
一个顶表面具有一空腔的活塞；
一位于燃烧室的周边部分并面对燃烧室用于将燃料直接喷入燃烧室的喷射器，
一设置得凸出于燃烧室中并用于点燃导入燃烧室内的燃料的火花塞，
一与燃烧室相连用于将进气空气导入燃烧室的进气通道，
布置在进气通道内，用于控制包括有在燃烧室内产生的一卷流成分和一涡流成分的倾斜涡旋的进气空气流的进气流动控制装置；
用于检测发动机载荷的发动机载荷检测装置，
用于检测发动机转速的发动机转速检测装置，
燃料供给控制装置，该装置用于在一压缩冲程中将燃料从喷射器喷射到该空腔，以实现一分层燃烧状态，在该分层燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气，在一第一运行状态中聚集在火花塞附近，该燃料供给控制装置还用于在一进气冲程中将燃料从喷射器喷射到该空腔，以实现一均匀燃烧状态，在该均匀燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气，在一第二运行状态中均匀地且完全地在燃烧室内扩散，和
所述进气流动控制装置在从分层燃烧状态到均匀燃烧状态的一运行状态中，在空气燃料比提供稀的空气燃料混合气时产生空气燃料混合气的倾斜涡旋并控制进气流，以使倾斜涡旋在燃烧室内被导向喷射器的燃料喷射方向的下方。
15.如权利要求14所述的直接喷射点燃式发动机，其特征在于所述第一运行状态至少是低发动机载荷和低发动机转速的状态，所述第二运行状态至少是对于发动机载荷和发动机转速来讲除所述的低发动机载荷和低发动机转速的状态之外的状态。
16.一直接喷射点燃式发动机，包括：
一个顶表面具有一空腔的活塞；
一位于燃烧室的周边部分并面对燃烧室用于将燃料直接喷入燃烧室的喷射器，
一设置得凸出于燃烧室中并用于点燃导入燃烧室内的燃料的火花塞，
一与燃烧室相连用于将进气空气导入燃烧室的进气通道，
布置在进气通道内，用于控制包括有在燃烧室内产生的一卷流成分和一涡流成分的倾斜涡旋的进气空气流的进气流控制阀门，
一用于驱动该控制阀门的致动器，
用于检测发动机载荷的发动机载荷检测传感器，
用于检测发动机转速的发动机转速检测传感器，
燃料供给控制器，该控制器根据来自发动机载荷检测传感器和发动机转速检测传感器的输出信号产生喷射器控制信号，该控制信号包括在一压缩冲程中用于实现一分层燃烧状态的燃料喷射量和燃料喷射定时，在该分层燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气在一第一运行状态中聚集在火花塞附近，和
该控制信号还包括在一进气冲程中用于实现一均匀燃烧状态的燃料喷射量和燃料喷射定时，在该均匀燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气在一第二运行状态中均匀地完全地在燃烧室内扩散，
该燃料供给控制器还产生控制致动器的控制信号，以便在从所述分层燃烧状态到所述均匀燃烧状态的所述运行状态中，在空气燃料比提供一稀的空气燃料混合气时产生空气燃料混合气的倾斜涡旋并提供控制阀门的一控制量，以使至少在提供稀的空气燃料混合气的均匀燃烧状态下，均匀燃烧状态的卷流比率大于涡流比率。
17.如权利要求16所述的一种直接喷射点燃式发动机，其特征在于所述第一运行状态至少是低发动机载荷和低发动机转速的状态，所述第二运行状态至少是对于发动机载荷和发动机转速来讲除所述的低发动机载荷和发动机转速的状态之外的状态。
18.一直接喷射点燃式发动机，包括：
一个顶表面具有一空腔的活塞，
一位于燃烧室的周边部分并面对燃烧室，用于将燃料直接喷入燃烧室的喷射器，
一设置得凸出于燃烧室中并用于点燃导入燃烧室内的燃料的火花塞，
一与燃烧室相连用于将进气空气导入燃烧室的进气通道，
布置在进气通道内，用于控制包括有在燃烧室内产生的一卷流成分和一涡流成分的倾斜涡旋的进气空气流的进气流控制阀门，
一用于驱动该控制阀门的致动器，
用于检测发动机载荷的发动机载荷检测传感器，
用于检测发动机转速的发动机转速检测传感器，
燃料供给控制器，该控制器根据来自发动机载荷检测传感器和发动机转速检测传感器的输出信号产生喷射器控制信号，该控制信号包括在一压缩冲程中用于实现一分层燃烧状态的燃料喷射量和燃料喷射定时，在该分层燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气在一第一运行状态中聚集在火花塞附近，和
该控制信号还包括在一进气冲程中用于实现一均匀燃烧状态的燃料喷射量和燃料喷射定时，在该均匀燃烧状态中，空气燃料比大于理论值的空气燃料混合气，在一第二运行状态中均匀地完全地在燃烧室内扩散，和
该燃料供给控制器还产生控制致动器的控制信号，以便在从所述分层燃烧状态到所述均匀燃烧状态的所述运行状态中，在空气燃料比提供一稀的空气燃料混合气时产生空气燃料混合气的倾斜涡旋并提供控制阀门的一控制量，以使至少在空气燃料比提供一稀的空气燃料混合气的均匀燃烧状态下，在燃烧室内倾斜涡旋导向喷射器的燃料喷射方向的下方。
19.如权利要求18所述的一种直接喷射点燃式发动机，其特征在于所述第一运行状态至少是低发动机载荷和低发动机转速的状态，所述第二运行状态至少是对于发动机载荷和发动机转速来讲除所述的低发动机载荷和低发动机转速的状态之外的状态。
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