CN1274951C - 燃料直喷发动机 - Google Patents

Abstract

燃料直喷火花点燃发动机包括燃料喷射阀和活塞，前者配置在燃烧室上部的上表面大体中心部分，而后者的顶面上具有凹部，使得从燃料喷射阀喷出的大体圆锥燃料气流的中心轴基本上与活塞的中心轴重合。在低负载分层燃烧区域中进行火花点燃时，增加喷射角，由此在燃料流体冲击活塞顶表面凹部之前形成第一可燃的空气燃料混合物。在高负载分层燃烧区域中，降低燃料喷射角，以便在燃料气流冲击活塞顶表面凹部之后形成第二可燃空气燃料混合物。

Description

燃料直喷发动机

技术领域

本发明一般涉及火花点燃的燃料直喷的发动机。本发明具体涉及一种火花点燃的燃料直喷发动机，这种发动机可以改进分层燃烧期间燃料的燃烧性。

发明背景

燃料直喷火花点燃发动机形成和装配成可以直接进行高度贫燃油燃烧，方法是直接将燃料从燃料喷射阀喷射到气缸中，并在火花点燃燃烧期间在气缸中形成分层的空气燃料混合物。因此采用燃料喷射发动机，可以显著降低燃料的消耗，特别是在发动机工作在低负载和中等负载时。

为了稳定地点燃和燃烧燃料直喷发动机中空气燃料混合物，重要的是在气缸中可靠地使燃料空气混合物气团形成为分层状态，该气团按照发动机的速度和负载具有适当的大小和适当的空气燃料比。

通过在活塞上形成碗状的凹部，使燃料喷射阀喷出的燃料气流碰撞在碗形凹部底表面上，并使燃料气流沿碗形凹部底表面流动，便可以在气缸中形成恰当分层的空气燃料混合物。例如，日本公开专利公告No.11-82028公开一种燃料直喷的火花点燃发动机，该发动机通过将燃料喷射阀配置在凹部正上面附近，使燃料气流冲击凹部外周壁表面，由此使燃料气流流向凹部中心位置，这样，便在气缸中形成适当分层的燃料空气混合物。

如上所述，技术人员从上述专利可以明显看出，还需要改进燃料直喷的火花点燃发动机。本发明满足了这种技术要求以及技术人员从上述专利中可以明显看出的其它的要求。

发明内容

采用这种燃料直喷火花点燃发动机时，为了在发动机的各种负载状态下使空气燃料混合物的空气燃料比保持在所所谓的理想空气燃料比或者化学计量空气燃料比，重要的是控制空气燃料混合物气团的大小。然而，在使用上述主要利用凹部来形成分层空气燃料混合物的上述燃料直喷火花点燃发动机的情况下，很难按照不同的负载改变凹部的体积。因此，采用常规燃料直喷火花点燃发动机时，在发动机工作在低负载状态时，空气燃料混合物气团的燃料空气比变得太贫，而在发动机工作在高负载状态时又变得太富。

本发明研究了上述问题，本发明的目的是按照发动机的操作状态在凹部具有固定体积的燃烧室中形成具有恰当空气燃料比和大小的空气燃料混合物气团。

为了达到上述目的，提供一种燃料直喷发动机，该发动机主要包括燃烧室、火花塞、燃料喷射阀、活塞和控制器。该火花塞配置在燃烧室的上表面上。该燃料喷射阀配置在燃烧室上表面的大体中心部分。该燃料喷射阀设置成可以将燃料气流直接喷射到燃料室内。该活塞具有导流底表面，该底表面设置成可以导流燃料喷射阀喷出的燃料气流。该控制器设置成可以控制火花塞和燃料喷射阀的操作。该控制器还设置成可以在燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域时，在大部分燃料气流由活塞的导流底表面导流之前，点燃在燃料气流刚刚从燃料喷射阀喷之后形成的第一空气燃料混合物。该控制器还设置成可以在燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域时，点燃在大部分燃料气流由活塞的导流壁表面导流到燃烧室上部分之后形成的第二空气燃料混合物。

技术人员从以下结合附图的详细说明，可以明显看出本发明的这些和其它的目的、特征、方法和优点，下面的说明公开本发明的优选

实施例。

附图说明

下面说明构成本原始说明一部分的附图：

图1是局部横截面图，示出本发明第一实施例的燃料直喷火花点燃发动机的喷射部分；

图2是局部横截面图，示出本发明第一实施例的燃料喷射角可控的燃料喷射阀的一个例子；

图3是局部横截面图，示出本发明第一实施例的燃料喷射角可控的燃料喷射阀的另一个例子；

图4(a)是示意曲线图，示出本发明第一实施例中发动机工作负载和燃料气流喷射角之间的关系；

图4(b)是燃烧室的示意横截面图，示出在图4(a)中表示为“A”的低负载分层燃烧区域状态下燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图4(c)是燃烧室的示意横截面图，示出在图4(a)中表示为“B”的高负载分层燃烧区域状态下燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图4(d)是燃烧室的示意横截面图，示出在图4(a)中表示为“C”的均匀燃烧区域状态下燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图5(a)是本发明第一实施例燃料直喷发动机控制器执行的控制流程图；

图5(b)是本发明第一实施例燃料直喷发动机控制器执行的另一种控制流程图；

图6是局部横截面图，示出本发明第二实施例的燃料直喷火花点燃发动机的喷射部分；

图7(a)是示意曲线图，示出本发明第二实施例中发动机工作负载和喷出的燃料空气质量比之间的关系；

图7(b)是燃烧室的示意横截面图，示出在图7(a)中表示为“A”的低负载分层燃烧区域状态下燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图7(c)是燃烧室的示意横截面图，示出在图7(a)中表示为“B”的高负载分层燃烧区域状态下燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图7(d)是燃烧室的示意横截面图，示出在图7(a)中表示为“C”的均匀燃烧区域状态下燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图8是本发明第二实施例燃料直喷发动机控制器执行的控制流程图；

图9(a)是示意曲线图，示出本发明第三实施例的发动机工作负载和进气气门关闭时刻之间关系的一个例子；

图9(b)是燃烧室的示意横截面图，示出在图9(a)中表示为“A”的低负载分层燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图9(c)是燃烧室的示意横截面图，示出在图9(a)中表示为“B1”的高负载分层燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图9(d)是燃烧室的示意横截面图，示出在图9(a)中表示为“B2”的高负载分层燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图9(e)是燃烧室的示意横截面图，示出在图9(a)中表示为“C”的均匀燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图10(a)是示意曲线图，示出本发明第三实施例中发动机工作负载和进气气门关闭时时刻之间关系的另一例子；

图10(b)是燃料室的示意横截面图，示出在图10(a)表示为“A”的低负载分层燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图10(c)是燃料室的示意横截面图，示出在图10(a)表示为“B”的高负载分层燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图10(d)是燃料室的示意横截面图，示出在图10(a)表示为“C”的均匀燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图11是本发明第三实施例的燃料直喷发动机控制器执行的控制流程图；

图12(a)是示意曲线图，示出本发明第四实施例中发动机工作负载和燃料压力之间关系的一个例子；

图12(b)是燃烧室的示意横截面图，示出在图12(a)中表示为“A”的低负载分层燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图12(c)是燃烧室的示意横截面图，示出在图12(a)中表示为“B”的高负载分层燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图12(d)是燃烧室的示意横截面图，示出在图12(a)中表示为“C”的均匀燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图13是本发明第四实施例的燃料直喷发动机控制器执行的控制流程图；

图14(a)示意曲线图，示出本发明第四实施例发动机工作负载和燃料喷射压力之间关系的另一例子；

图14(b)是燃烧室的示意横截面图，示出在图14(a)中表示为“A”的低负载分层燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图14(c)是燃烧室的示意横截面图，示出在图14(a)中表示为“B1′”的高负载分层燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图14(d)是燃烧室的示意横截面图，示出在图14(a)中表示为“B2′”的均匀燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图14(e)是燃烧室的示意横截面图，示出在图14(a)中表示为“C”的均匀燃烧区域状态下在燃烧室中空气燃料混合物的分布；

图15(a)是燃烧室的示意图，示出在燃料喷射阀邻近形成扩孔时空气燃料混合物的分布；

图15(b)是燃烧室的示意图，示出在燃料喷射阀邻近没有扩孔时空气燃料混合物的分布。

具体实施方式

下面参考附图说明本发明的选择实施例。从这些说明中技术人员可以明显看出，以下本发明实施例的说明仅仅是例示性的，没有限制本发明的目的，本发明由所附的权利要求和其等价说明确定。

首先参考图1，图中示出本发明第一实施例的燃料直喷火花点燃发动机(以后简称为“燃料直喷发动机”)。图1是第一实施例燃料直喷发动机喷射部分的局部横截面图。如图1所示，该燃料直喷发动机的喷射部分包括气缸盖1、气缸座2、活塞3、至少一个进气门5、至少一个排气门6、至少一个进气口7、至少一个排气口8、燃料喷射阀11和火花塞12。燃烧室4基本上由气缸盖1、气缸座2和活塞3形成。新鲜空气经进气门5从进气口7进入燃烧室4，而废气经排气气门6排出废气口8。燃料泵9配置在驱动进气气门5的凸轮轴的端部。由此说明，技术人员当然可以看出，燃料泵9可以配置成由分开配置的电马达驱动。另外，最好采用可变气门正时机构5a来控制进气凸轮的气门正时。可变气门正时机构在这种技术中是周知的，因此在本文中不再详细说明或者示出可变阀门正时机构5a。

如图1所示，燃料喷射阀11基本上位于燃烧室4上表面的中心部分。换言之，燃料喷射阀11最好定中或者基本上居中在活塞3的中心纵轴上。燃料喷射阀11作成和装配成可以喷射燃料，该燃料由燃料泵9加压，并经燃料管10输送到燃烧室4中。该燃料喷射阀11最好这样配置，使得从燃料喷射阀11喷射的燃料气流在燃烧室4中扩散成大体锥形。另外，在本发明的第一实施例中，该燃料喷射阀11作成和装配成可以以至少两种不同的燃料喷射角即以不同的锥形燃料气流顶角喷射燃料气流，这两种不同的喷射角是通过改变燃料喷射阀11针阀的高度得到的。

在日本公开专利公告No.H8-177684中公开一个利用针阀的燃料喷射阀11的例子。如图2所示，该燃料喷射阀11包括针阀11A和针阀11A插入的阀体11B。该阀体11B还包括喷孔11C。在阀体11B中形成燃料通道11a。该燃料通道11a的下端被分支成下侧的大角度喷口11b和小角度喷口11c。小角度喷口11c是倾斜的，向下对着喷孔11C。采用图2所示的燃料喷射阀11时，当针阀11A的上升较小时，仅有大角度喷口11b打开，因此，从大角度喷口11b喷出的燃料在阀体11B内针阀11A移动的空间中形成很强的旋流，并从该喷孔11C以基本上成锥形形状喷入燃烧室4中。另一方面，当针阀11A的上升量大时，大角度喷口11b和小角度喷口11c均被打开。由于从向下倾斜的小角度喷口11c喷向喷孔11C的燃料气流力的作用，使得从大角度喷11b喷出的燃料旋流减弱。因此，当针阀11A的上升量大时，从燃料喷射阀11喷出的燃料气流的燃料喷射角小于在针阀11A的上升量小时，从燃料喷射阀11喷出的燃料气流的燃料喷射角。因此，在针阀11A的上升量较小，只打开大角度喷口11b时，从喷孔11C喷出的圆锥形扩散燃料气流的喷射角显著增加，而在针阀11A的上升量很大，使得大角度喷口11b和小角度喷口11c二者均打开时，该喷射角显著降低。

或者可以用第一实施例燃料直喷发动机中的燃料喷射阀11代替燃料喷射阀11′。具体是，如日本公开专利公告No.2000-303036所公开的，可以形成和配置燃料喷射阀11′。如图3所示，该燃料喷射阀11′主要包括针阀11D和阀体11E，在针阀11D中形成T形的燃料通道11d。在阀体11E中形成上部小角度喷口11e和下部大角度喷口11f该上部小角度喷口11e具有较大的向下倾斜喷射角，而下部大角度喷口11f具有较小的向下倾斜喷射角。当针阀11D的上升量较小时，只有大角度喷口11f打开。因此燃料以较小的向下倾斜喷射角从大角度喷口11f喷到燃料室4中。当针阀11D的上升量较大时，大角度喷口11f和小角度喷口11e均被打开。因此，燃料受到从小角度喷口11e喷出燃料的向下喷力的作用，因而从燃料喷射阀11′喷出的燃料喷射角相对较小。因此，在采用燃料喷射阀11′时，在针阀11D的上长量较小，只打开大角度喷口11f时，该喷射角相对较大，而当针阀11D的上升量较大，使大角度喷口11f和小角度喷口11e均被打开时，该喷射角相对较小。

从此说明中，技术人员当然可以明显看出，燃料喷射阀11的结构不限于上述例子。可以采用任何结构的燃料喷射阀11，只要该燃料喷射阀11适合于实现本发明的同样功能。具体是，在本发明的第一实施例中，可以利用燃料喷射阀11的任何结构，只要该燃料喷射阀可以配置成以至少两种不同的燃料喷射角将燃料喷射到燃烧室4中。

如图1所示，燃料直喷发动机的活塞3包括在活塞顶面上的碗形凹部3a，该凹部的位置对着燃料喷射阀11。当燃料直喷发动机工作在高负载分层燃料区域时，从燃料喷射阀11中喷射的燃料主要在该凹部3a和该凹部3a的上部空间中形成分层的空气燃料混合物气团。该凹部3a由导流壁表面形成，该壁表面包括底表面和外周壁表面，该外周壁表面从凹部3a的底表面向上弯曲，在外周壁表面的上端部分向内倾斜，对着活塞3的中心轴。因此，凹部3a的底表面和外周壁表面被成形为使得冲击在该凹部3a上的燃料气流基本上射向燃料室4的中央部分，该中央部分包括火花塞12。具体是，凹部3a的外周壁表面的形状一般是曲面，对着燃料喷射阀11，使得边缘外周壁表面的取向角形成在气缸轴线和从燃料喷射阀11喷出的燃料气流的近似方向之间。因此，冲击在凹部3a上的燃料气流将从燃料喷射阀11向外扩散到凹部3a的外面，超过原来燃料气流的外边缘，并且这种扩散的气流聚集在凹部3a上面空间的大约内侧，因此形成分层的可燃烧空气燃料混合物，因为限制了空气燃料混合物的过分扩散。

火花塞12被作成和装配成可以点燃和燃烧空气燃料混合物。如图1所示，火花塞12配置在燃烧室4的上表面上，靠近燃料喷射阀11。

利用控制器或者发动机控制单元(ECU)13将以综合方式控制本发明的燃料直喷发动机。另外，本发明的燃料直喷发动机包括各种用监测车辆工作的传感器，例如曲轴转角传感器、冷却水温度传感器、油门开度传感器。具体是，曲轴转角传感器信号、冷却水温度信号和油门开度信号输入到ECU13，该ECU13作成为可以根据上述输入信号执行上述各种控制功能，例如控制燃料喷射阀11的针阀11A和控制火花塞12。

该ECU13最好包括具有控制程序的微计算机，该程序按下面说明控制燃料直喷发动机。该ECU13还包括其它常规部件例如输入界面电路、输出界面电路和存贮装置例如ROM装置(只读存贮器)和RAM装置(随机存贮器)。ECU13的微计算机可以程序控制燃料直喷发动机。存贮电路贮存处理结果和处理器电路运行的控制程序。该ECU13在操作上以常规方式连接于燃料直喷发动机的各个部件。ECU13的内部RAM贮存操作旗码的状态和各种控制数据。该ECU13能够按照控制程序选择性控制控制系统的任何部件。从本说明技术人员可以明显看出，ECU13的精确结构和算法可以是执行本发明功能的硬件和软件的任何组合。换言之，用在本说明和权利要求书中的“装置与功能”语句应当包含可以用来执行“装置和功能”语句功能的任何结构或硬件，和/或算法或者软件。

本发明的燃料直喷发动机作成和装配成可以根据燃料直喷发动机的操作状态以分层燃烧模式或者均匀燃烧模式进行空气燃料混合物的燃烧。在分层燃烧模式中，在压缩冲程期间(具体在压缩冲程的后半期间)引入相当少量的燃料，形成分层燃料空气混合物气团，从而通过贫燃油运行节省燃料。因为分层的燃料空气混合物在燃烧室4中的四周区域由空气占据，所以即使在燃料的量相当小时也能达到稳定的燃烧。另一方面，在均匀燃烧模式中，在进气冲程(具体在进气冲程的前半程)期间喷射燃料，进行化学计量运行(化学计量空气燃料比运行)。因此，在燃烧室4中整个形成均匀的燃料空气混合物。因为空气和燃料在燃烧发生之前便完全混合，所以在均匀燃烧模式中可以得到很高的动力输出。

图4(a)是示意曲线图，示出操作状态(负载)和从燃料喷射阀11喷出燃料气流的燃料喷射角之间的关系。图4(b)-4(d)示出在图4(a)所示的各种不同操作负载下燃烧室4中空气燃料混合物的分布。

工作负载一般分成在图4(a)中表示为“A”的低负载分层燃烧区域、在图4(a)中表示为“B”的高负载分层燃烧区域和在图4(a)中表示为“C”的均匀燃烧区域。一般说来，在低负载分层燃烧区域A期间喷射的燃油量较小。如果将燃料喷射角调节到相当小，使喷射的燃料气流冲击凹部3a的底表面，则燃料气流将完全扩散到凹部3a中和凹部3a的上面。然而，因为在低负载分层燃烧区域A工作时喷出的燃料量较小，所以形成贫燃料的空气燃料混合物，如果在燃料气流冲击凹部3a之后该燃料气流扩散，则这种贫燃料空气燃料混合物不容易点燃，而且燃烧不稳定。因此在本发明的第一实施例中，在低负载分层燃烧区域A运行时，燃料喷射阀11被形成和装配成这样调节燃料喷射角，使得在燃料气流冲击凹部3a之前，在燃烧室4中形成可燃烧的空气燃料混合物。具体是，燃料喷射阀11作成和装配成可以在如图4(a)所示的低负载分层燃烧区域A运行条件下，将燃料气流的喷射角调节到相当大的角度。因此，在配置火花塞12的燃烧室4上部中心位置中，在燃料气流冲击凹部3a的底表面之前，便形成接近于化学计量状态的第一空气燃料混合物，如图4(b)所示。按照本文的用法，第一空气燃料混合物是可燃烧的空气燃料混合物，该混合物在燃料气流从燃料喷射阀11喷出之后紧接着在燃烧室4中形成，接近于化学计量比状态。该第一空气燃料混合物在低负载分层燃烧区域A运行时具有极好的点燃性和燃烧稳定性。换言之，在本发明的第一实施例中，在低负载分层燃烧区域A运行时，从燃料喷射阀11喷出的燃料气流可以直接到达火花塞12的火花塞隙，并在燃烧室4的上部区域形成第一空气燃料混合物。因此，在燃料直喷发动机运行在低负载分层燃烧区域A时，该火花塞12作成和装配可以在燃料从燃料喷射阀门11喷出的紧后便点燃该第一空气燃料混合物。

另一方面，在高负载分层区域B运行时，从燃料喷射阀喷出的燃料量大于在低负载分层燃烧区域A运行时喷射的燃料量。在这种条件下，如果喷出的燃料气流直接通向火花塞12塞隙的附近，则在燃烧室的上部分形成过量富燃料的空气燃料混合物，并弄脏火花塞12或者使火花塞结污。因此，如图4(a)所示，在高负载分层燃烧区域B运行条件下，燃料喷射角设定的相当小。因此，燃料气流冲击凹部3a的底表面，并高度分散到凹部3a中和凹部3a的上部空间中，如图4(c)所示，因此在高负载分层燃烧区域B运行时，在燃料气流冲击凹部3a之后形成接近于化学计量状态的第二空气燃料混合物。按照本文的用法，第二空气燃料混合物是一种接近于化学计量状态的可燃空气燃料混合物，该混合物是在燃料喷射阀11喷射的燃料气流冲击凹部3a，并导流到燃烧室4的上部分之后形成的。因此，该第二空气燃料混合物形成在凹部3a中以及配置火花塞12的凹部上面空间中，具有极好的点燃性和稳定的燃烧性。换言之，在本发明的第一实施例中，从燃料喷射阀11喷出的燃料气流可以射到火花塞12，并在燃料气流冲击凹部3a，流向燃料室4的上部分之后形成第二空气燃料混合物。因此，在发动机运行于高负载分层燃烧区域B时，该火花塞12被形成和装配成可以在燃料气流冲击凹部3a的底表面，并由凹部3a的底表面导流到燃料室4的上部分之后点燃第二空气燃料混合物。因为燃料气流在从燃料喷射阀11喷射之后不直接流向火花塞12，所以可以防止弄脏火花塞12，或者使火花塞12结污。

在均匀燃烧区域C运行时，均匀的空气燃料混合物充满整个燃烧室4，如图4(d)所示。在本发明的第一实施例中，均匀燃料模式的燃料喷射角最好设定在相当大，如图4(a)所示。然而从本说明，技术人员可以明显看出，在均匀燃烧区域C的燃料喷射角不限于图4(a)所示的喷射角。相反，可以将均匀燃烧区域C的燃料喷射角设定在任何角度，只要在燃烧室4中可以形成达到均匀燃烧的空气燃料混合物，以实施本发明，如图4(d)所示。

如上所述，可以根据燃料直喷发动机的负载控制从燃料喷射阀11喷出燃料气流的燃料喷射角。当负载相对低时，在燃料气流冲击凹部3a的底表面之前，形成可燃烧的第一空气燃料混合物，由此可以限制燃料气流的扩散，并形成相当小的空气燃料混合物气团。另一方面，当负载相对高时，使燃料气流冲击凹部3a的底表面并导流到该凹部3a的上部空间中，由此促进燃料气流的扩散和混合。因此，从凹部3a的内部到外部形成相当大的第二空气燃料混合物气团。这种燃料可以在很宽的发动机运行状态范围内进行有效燃烧。图5(a)示出本发明第一实施例中由ECU13执行的控制流程。第一实施例的燃料直喷发动机基本上作成和装配成可以控制燃料气流的喷射角和控制燃烧室4中的空气燃料混合物气团的大小，使得在低负载分层燃烧区域A运行时，可以在燃料从燃料喷射阀11喷出之后，紧接着由火花塞12点燃该第一空气燃料混合物，而在高负载分层燃烧区域B运行时，则在燃料气流由凹部3a导流到燃烧室上部分之后，火花塞12点燃该第二空气燃料混合物。

在图5(a)的程序步S1中，该ECU13装配成可以根据从曲轴转角传感器、油门开度传感器等的输入信号检测燃料直喷发动机的转速和负载。

在程序步S2中，该ECU13作成可以根据由步骤S1产生的信号决定的燃料直喷发动机的操作状态，确定是执行分层燃烧模式还是执行均匀燃烧模式。根据先前贮存的表确定燃烧模式，该表包括用经验法确定的转速和负载分别与燃烧模式之间关系得出的数值。如果在程序步S2中确定执行均匀燃烧模式，则程序进到程序步S6。

另一方面，如果在程序步S2中确定进行分层燃烧模式，则程序进到程序步S3。在程序步S3中，该ECU13作成为可以确定燃料直喷发动机的负载是大于还是等于规定的负载。具体是，该规定的负载是用来决定发动机是工作在低负载分层燃烧区域A，还是工作在高负载分层燃烧区域B的阈值。该规定负载最好是经验值，并贮存在ECU13中。因此，ECU13可以根据燃料直喷发动机的负载选择是在燃料气流冲击活塞顶表面上凹部3a之前形成可燃的第一空气燃料混合物，还是在燃料气流冲击活塞顶表面凹部3a之后形成可燃的第二空气燃料混合物。换言之，如上所述，在低负载分层燃烧区域A运行时(负载低于规定负载时)，在燃料气流冲击凹部3a之前形成可燃的空气燃料混合物。此时燃料喷射角调节到相对较大。而在高负载分层燃烧区域B运行时(负载大于规定负载时)，在燃料冲击活塞顶表面之后形成可燃的空气燃料混合物，此时燃料喷射角设定在相对较小。因此，如果在程序步S3中发动机负载大于或者等于规定负载，则程序进到程序步S4。如果在程序步S3中发动机负载小于规定负载，则程序进到程序步S6。

在程序步S4中，ECU13作成选择相当小的燃料喷射角。程序然后进到程序步S5，在此程序步中，ECU13作成选择较大地升高针阀11A，以达到相对小的燃料喷射角。

另一方面，在程序S6中，ECU13作成为选择相对较大的燃料喷射角。程序随后进到程序步S7，在程序步S7中ECU13可以作成为选择较小的升高针阀11A，以达到相对大的燃料喷射角。

随后在程序S8中，ECU13作成为可以根据在程序步S5或者S7中确定的喷射参数，输出一个信号，控制燃料喷射角，该信号使针阀11A升高预定量。从此说明中，技术人员当然可以看出，在程序步S8中可以作成为输出一个信号，控制其它的燃料喷射参数，包括(但不限于)输出一个驱动燃料泵9的信号，该燃料泵输送规定的燃料压力。

或者如图5(b)所示，可以通过查表实现对本发明燃料直喷发动机的控制，该表包括燃料喷射时刻、燃料喷射量和燃料喷射角，该表是对各种操作状态预先制定的。这些表最好预先用经验方法形成。

具体是，在图5(b)的程序步S1′中，ECU13作成可以根据曲轴转角传感器、油门开度传感器等的信号测定燃料直喷发动机的转速和负载。

接着在程序步S2′中，ECU13作成可以读这些表。这些表中预先贮存基于发动机运行状态的燃料喷射时刻、燃料喷射量和燃料喷射角。根据在表中的数值，该ECU13作成为可以根据发动机负载，选择是将燃料气流直接喷向火花塞间隙的附近，还是选择在先冲击活塞顶表面，后形成可燃的空气燃料混合物。具体是，ECU13作成为在使燃料气流直接喷向火花塞间隙附近时，增加燃料喷射角，而在燃料气流冲击活塞顶表面凹部3a之后形成可燃烧第二空气燃料混合物时，减小燃料喷射角。

在程序步S3′中，该ECU13作成可以按照前面步骤决定的喷射参数，至少输出一个信号，控制燃料的喷射，该信号可以驱动燃料喷射阀11的针阀11A和燃料泵9，该燃料泵输送规定的燃料压力。

因此，采用第一实施例的燃料直喷发动机时，可以在低负载分层燃烧区域A形成密集第一空气燃料混合物气团，而在高负载分层燃烧区域B运行时，能够形成相当大的第二空气燃料混合物气团。因此，本发明的燃料直喷发动机能够在很宽的负载范围内进行稳定燃烧。另外，因为在低负载分层燃烧区域A运行时，燃料不冲击在活塞顶表面上的凹部3a，所以可以降低未燃烧的碳氢化合物量和冷却损耗。因而可以改进燃料的消耗，并减小有害气体的排放。

第二实施例

下面参照图6和7说明本发明第二实施例的燃料直喷火花点燃发动机。由于在第一和第二实施例之间具有相同性，所以与第一实施例部件完全相同的第二实施例部件用与第一实施例部件相同的参考编号表示。另外，为简便起见，省去与第一实施例部件完全相同的第二实施例部件的说明。

图6是局部横截面图，示出第二实施例燃料直喷发动机的喷射部分。第二实施例的燃料直喷发动机基本上与图1所示的第一实施例相同，只是在进气凸轮轴的端部装有空气泵14，并用双流体燃料喷射阀11″作燃料喷射阀11。由空气泵14加压的空气经空管15输送到双流体燃料喷射阀11″并与双流体燃料喷射阀11″喷射的燃料一起喷射到燃烧室4中。该双流体燃料喷射阀11″作成和装配成通过控制双流体燃料喷射阀11″针阀的上升量将燃料和空气以预定的比单独地喷射到燃烧室4中。当针阀的上升量小时，空气喷口的开口面积很小，或者基本上为零(换言之，是关闭的)，该空气喷口连接于空气泵14，面向双流体燃料喷射阀11″。因此，在喷入到燃烧室4的空气和燃料之间空气的质量与燃料的质量之比较小。当针阀的上升量较大时，空气喷口的打开面积较大。因此，空气的质量与燃料的质量之比增加。因而，通过改变从双流体燃料喷射阀11″喷出的空气量便可以容易改变从双流体燃料喷射阀11″喷出的燃料和空气之间的燃料空气质量比。双流体燃料喷射阀是众所周知的常规部件。因为双流体燃料喷射阀是这种技术中周知的，所以在下面的说明中不再说明这种构件。

图7(a)是示意图，示出本发明第二实施例中发动机工作负载和喷射的燃料空气质量比之间的关系。图7(b)-7(d)是燃烧室4的示意横截面图，示出在图7(a)所示各种发动机运行区域的运行条件下，燃料空气混合物在燃烧室4中的分布。

如图7(a)所示，燃料直喷发动机作成和装配成在燃料直喷发动机运行在低负载分层燃烧区域A时，可以增加喷射燃料和空气的质量比。增加燃料与空气的质量比时，增加燃料喷射角。因此如图7(b)所示，在燃料气流冲击活塞的凹部3a之前，可以在燃烧室4的配置火花塞12的上部中心位置形成具有很好点燃性和燃烧稳定性的第一空气燃料混合物。

另一方面，如图7(b)所示燃料直喷发动机作成和装配成可以在燃料直喷发动机运行在高负载分层燃烧区域B时，增加喷射到燃烧室4中的燃料和空气的质量比。当燃料和空气的质量比增加时，燃料喷射角变得较小。因此，如图7(c)所示，在燃料气流冲击凹部3a的底表面促使燃料流体扩散和混合之后，从凹部3a的里面到外面形成相当大的第二空气燃料混合物气团。如上所述，从双流体喷射阀11″喷出的燃料和空气之间的燃料空气质量比可以通过改变喷入的空气量容易地改变。

在均匀燃烧区域C中，均匀的空气燃料混合物充满燃烧室4，如图7(d)所示。在本发明的第二实施例中，均匀燃烧模式的燃料和空气质量比最好设定在如图7(a)所示的较大比值，以达到相当大的燃料喷射角。然而，从本发明，技术人员可以明显看出，在均匀燃烧区域C中的燃料空气质量比不限于图7(a)所示的质量比。相反，均匀燃烧区域C的燃料空气质量比可以设定在任何值，只要在燃烧室中形成达到均匀燃烧的空气燃料混合物，以实施本发明，如图7(d)所示。

图8是本发明第二实施例燃料直喷发动机的ECU13执行的控制流程图。图8中的程序步S21-S23基本上与图5(a)所示的第一实施例的程序步S1-S3完全相同。在程序步S22中确定执行均匀燃烧时，或者在程序步S23中确定负载小于规定负载时(燃料直喷发动机运行在低负载分层燃烧区域A时)，ECU13作成可以在程序步S26中将燃料喷射角设定在相对较大的角度。因此，在程序步S27中，降低双流体燃料喷射阀11″的针阀的高度，从而减少从流体燃料喷射阀11″喷出的空气量，增加燃料的质量比，从而达到相对较大的燃料喷射角。当在步骤S24中确定负载大于规定负载时(燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域B时)，ECU13作成可以在程序步S24中将燃料喷射角设定在相对较小的角度。因此，在程序步S25中增加双流体燃料喷射阀11″的针阀高度，从而增加从双流体燃料喷射阀11″喷射的空气量和降低喷射燃料的质量比，由此达到较小的燃料喷射角。

因此在本发明的第二实施例中，可以用双流体燃料喷射阀11″作燃料喷射阀，并通过增加和降低喷出的液体空气质量比(燃料质量比)来控制燃料喷射角。因此，只需控制双流体燃料喷射阀11″便可以改变燃料喷射角，不会增加喷射阀结构的复杂性。

第三实施例

下面参考图9-11说明本发明第三实施例的燃料直喷火花点燃发动机。由于第一和第三实施例之间具有相似性，所以与第一实施例部件完全相同的第三实施例的部件用与第一实施例部件编号相同的编号表示。另外，为简便起见，省去了与第一实施例部件完全相同的第三

实施例部件的说明。

第三实施例的燃料直喷发动机基本上与第一实施例的燃料直喷发动机相同，只是通过控制喷射燃料气流时的反压力(在燃烧室4中的压力)来改变燃料喷射角，控制该反压力的方法是可变地调节进气凸轮的气门定，例如用示意示于图1的可变气门定时机构5a。利用可变气门定时机构5a可以可变地控制进气凸轮的气门定时，例如通过改变凸轮的位相或者在许多凸轮之间进行切换来进行控制。从本发明技术人员当然可以看出，如何可变地控制进气凸轮气门定时的结构不限于上述结构。相反，为了实施本发明的第三实施例，可以采用任何能够随意改变气门定时的任何结构。另外，在本发明的第三实施例中，可以采用任何类型的燃料喷射阀，例如涡旋式喷射阀或者双流体燃料喷射阀作燃料喷射阀11，只要从燃料喷射阀11喷射的燃料气流的燃料喷射角随反压力(燃烧室4中的压力)的降低而增加。

图9(a)是示意曲线图，示出本发明第三实施例中发动机工作负载和进气气门5关闭时刻之间的关系。图9(b)-9(e)是燃烧室4示意横截面图，示出在图9(a)所示的各种发动机操作区域条件下燃烧室4中空气燃料混合物的分布，

如图9(a)所示，当燃料直喷发动机工作在低负载分层燃料区域A时，使进气气门5的关闭时刻进一步推迟，在推迟进气气门5的关闭时刻时，在喷射燃料的压缩冲程期间反压力(燃烧室4中的压力)便减小。因此，燃料喷射角增加到相当大的角度，并在气流冲击活塞顶表面的凹部3a之前形成可燃的空气燃料混合物。因此，在低负载分层燃烧区域A运行时，通过推迟进气气门5的关闭时刻便可以形成具有极好点燃性和燃烧稳定性的空气燃料混合物，如图9(b)。

如图9(b)所示，在高负载分层燃烧区域B运行时，进气气门5的关闭时刻比低负载分层燃烧区域A运行时提前。当提前进气气门5的关闭时刻时，反压力(燃烧室4中的压力)增加。因此燃料喷射角降低到相对小的角度，使得燃料气流冲击活塞顶表面的凹部3a，促使燃料气流的混合。因此，从凹部3a的里面到外面形成相当大的第二空气燃料混合物气团，如图9(c)和9(d)。

另外，在本发明的第三实施例中，当负载在高负载分层燃烧区域B(在图9(a)中表示为“B1”)相对低时，将进气气门5的关闭时刻调节到相对后延，使得燃料喷射角设定在相对较大。在这种情况下，燃料流体先冲击凹部3a的外周表面，而后流向该凹部3a的中心轴，此时形成第二可燃空气燃料混合物，如图9(c)所示。从凹部周底表面流向中心轴线的燃料流体继续流向火花塞12的塞隙附近，从而形成相对小的分层燃料混合物。因此在高负载分层燃烧区域B中负载相对低时可以进行更稳定的燃烧。

另外，当在高负载分层燃烧区域B(在图9(a)中表示为“B2”)中负载相对较大时，进气气门5的关闭时刻可以相对提前，使得燃料喷射角达到相对较小。在这种情况下，燃料气流首先冲击靠近凹部3a中心轴的凹部3a底表面，然后流向凹部3a的外周表面时，形成第二空气燃料混合物，如图9(d)所示。从中心轴附近流向外周底表面的燃料气流继续流向火花塞12的塞隙附近，由此形成相当大的分层空气燃料混合物气团。因此，在高负载分层燃烧区域B中负载相对较高时，可以达到稳定燃烧。

在均匀区域C中，均匀的空气燃料混合物充满燃烧室4，如图9(e)所示。因为在均匀燃烧模式中，在油门大量加油时，需要大量空气，所以最好提前进气气门5的关闭时刻，比高负载分层燃烧区域更提前。

或者，在高负载分层燃烧区域B运行时，可以将进气气门5的关闭时刻设定在一个单一的值，如图10(a)所示。在这种情况下，可以相对提前进气气门5的关闭时刻，使得燃料喷射角相对较小。在这种情况下，燃料气流首先冲击凹部中心轴附近的凹部3a的底表面，然后流向凹部3a的外周表面时，形成第二空气燃料混合物，如图10(c)所示。从中心轴附近流向外周壁表面的燃料气流继续流向火花塞12塞隙附近，形成相对较大的分层空气燃料混合物气团。

图11是第三实施例燃料直喷发动机的ECU13执行的控制流程图。

在程序步S31中，ECU13作成可以检测燃料直喷发动机的转速和负载。在程序步S32中，ECU13作成可以根据在程序步S31得到的燃料直喷发动机的操作状态，确定是执行分层燃烧，还是执行均匀燃烧。当ECU13在程序步S32中确定执行均匀燃烧时，则程序进到程序步S34。在程序步S34中，该ECU13作成可以确定发动机负载是大于还是等于规定的负载TB2。因为要执行均匀燃烧，所以发动机工作在比规定负载TB2大的高负载状态下。因此，当要执行均匀燃烧时，在程序步S34中确定负载是大于TB2，还是等于TB2，然后在程序步S35中将燃料喷射角设定在最小角，同时程序进到程序步S36。在程序步S36中，该ECU13作成使进气气门5的关闭时刻尽量提前，以便减小燃料喷射期间的反压力(燃烧室4中的压力)，使得燃料喷射角被调节到最小角θ1。进气气门5的关闭时刻最好提前，比高负载分层燃烧区域B运行时更提前，因为均匀燃烧的负载高于分层燃烧区域的负载，需要更多的空气。

当ECU13在程序步S32中确定执行分层燃烧时，程序进到程序步S33。在程序步S33中，ECU13作成可以确定负载是大于还是等于规定的负载TB1。当负载大于或者等于TB1时，便确定燃料直喷发动机操作在高负载分层燃烧区域B。因此燃料气流首先冲击活塞顶表面的凹部3a，然后形成可燃的第二空气燃料混合物。当负载小于TB1时，便确定燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域A。因此，在燃料气流冲击活塞顶表面的凹部3a之前，便形成可燃的第一空气燃料混合物。如上所述，为了在燃料气流冲击活塞顶表面凹部3a之前形成第一空气燃料混合物，可将燃料喷射角调节到相对较大。为了在燃料气流首先冲击活塞顶表面的凹部3a之后形成第二空气燃料混合物，可将燃料喷射角调节到相对较小。

另外，当ECU13在程序步S33中确定负载大于或等于TB1时，程序进到程序步S34，ECU13在该程序步中作成可以确定发动机负载是大于还是等于规定的负载TB2。规定的负载TB2大于规定的负载TB1。在程序步S34中确定负载大于或等于TB2时，在程序步S35中将燃料喷射角设定在最小角，同时程序进到程序S36。在程序步S36中，ECU13作成可以提前进气气门5的关闭时间，从而尽量减小燃料喷射期间的反压力(燃烧室4中的压力)，使得燃料喷射角被调节到最小角θ1。

当程序步S34中确定负载小于TB2时，则在程序步S37中将燃料喷射角调到规定角θ2，该规定角大于最小角θ1。规定角θ2被设定在较小角度，小于在低负载分层燃烧区域A中所用的燃料喷射角。随后在程序步S38中调节进气气门5的关闭时刻，使得燃料喷射角达到规定的角度θ2。换言之，进气气门5的关闭时刻比负载大于或等于规定负载TB2时所用关闭时刻更延迟。在程序步S38中设定的关闭时刻比低负载分层燃烧区域A中所用的关闭时刻更提前。

当程序步S33中确定负载低于规定负载TB1时，在程序步S39中将燃料喷射角设定在相对较大的角度。然后在程序步S40中，延迟进气气门5的关闭时刻，使得反压力(燃烧室4中的压力)增加，从而达到大的燃料喷射角。

在程序步S41中ECU13作成可以控制燃料喷射角，方法是，输出一个信号，该信号将进气气门驱动到按先前程序步骤确定的燃料喷射角设定的关闭时刻。

因此在本发明的第三实施例中，可以通过控制进气气门5的关闭时刻改变反压力，由此可以改变燃料喷射角。因此可以增加或降低燃料喷射角，而不会使燃料喷射阀的结构复杂化。另外，可以在各种控制区域中容易地改变喷射角，从而可以产生适合于特定负载条件的空气燃料混合物。

第四实施例

下面参照图12和13说明第四实施例的燃料直喷火花点燃发动机。由于第一和第四实施例之间的类似性，所以与第一实施例部件完全相同的第四实施例部件用与第一实施例部件编号相同的编号表示。另外，为简便起见，省去与第一实施例部件完全相同的第四实施例部件的说明。

第四实施例燃料直喷发动机的构成基本上与图1所示第一实施例的构成相同，只是燃料泵9被作成和装配成可以可变地控制燃料压力。另外，燃料泵9装配成具有可以执行燃料压力反馈控制的燃料压力传感器。另外，在本发明的第四实施例中，燃料喷射阀11这样形成和装配，使得通过降低燃料压力可以降低燃料气流的穿透力。因此，第四实施例的燃料直喷发动机作成和装配成可以改变燃料流体的穿透力，由此控制第一和第二空气燃料混合物的形成。具体是，当燃料气流的穿透力较小时，燃料气流在冲击活塞的凹部3a之前，形成第一空气燃料混合物。当燃料气流穿透力较大时，燃料气流在冲击活塞的凹部3a之后，形成第二空气燃料混合物。因此在本发明的第四实施例中，在低负载分层燃烧区域A运行时，燃料压力被设定在相对较小，由此形成第一空气燃料混合物，而在高负载分层区域B运行时，燃料压力被设定得相对较大，从而形成第二空气燃料混合物。从本发明，技术人员当然应当看出，可以应用任何类型的燃料喷射阀例如涡流型喷射阀和双流体燃料喷射阀作燃料喷射阀11，只要燃料喷射阀11作成和装配成在降低燃料压力时可以减小燃料气流的穿透力。

图12(a)是示意曲线图，示出本发明第三实施例中发动机工作负载和燃料压力之间的关系的一例子。图12(b)-12(d)是燃烧室4的示意横截面图，示出在图12(a)所示各种发动机操作负载条件下燃烧室4中空气燃料混合物的分布。

如图12(a)所示，当燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域A时，将燃料压力设定得相对较低，从而减小燃料气流的穿透力。因此，在燃料气流冲击活塞顶表面的凹部3a之前便在燃烧室4的上部中心区域中形成点燃性极好燃烧稳定的第一空气燃料混合物，如图12(b)所示。

当燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域B时，燃料压力设定得相当高，从而增加燃料气流的穿透力。因此，从燃料喷射阀11喷出的燃料气流冲击活塞的凹部3a，促使燃料气流的扩散和混合，由此在凹部3a的内部到外部形成相当大的第二空气燃料混合物气团，如图12(c)所示。

在均匀燃烧区域C中，均匀的空气燃料混合物充满燃烧室4，如图12(d)所示。在本发明的第四实施例中，均匀燃烧模式的燃料压力最好设定在相对较小的角度，如图12(a)所示，以便得到相对较小的燃料气流穿透力。然而从本说明技术人员应当看出，在均匀燃烧区域C中的燃料压力不限于图4(a)所示的燃料压力。相反，在均匀燃烧区域C中可以将燃料压力设定在任何值，只要在燃烧室4中能够形成达到均匀燃烧的空气燃料混合物，以实施本发明，如图12(d)所示。

图13是本发明第四实施例燃料直喷发动机的ECU13执行的控制流程图。

图13的程序步S61-S63与图5(a)所示第一实施例的程序步S1-S3相同。当在程序步S62中确定执行均匀燃烧时，或者在程序步S63中确定负载不大于或者等于规定负载时(燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域A时)，ECU13作成可以在程序步S66中将燃料气流穿透力设定得相对较小。当燃料气流穿透力设定得相对较小时，在燃烧室4中，在燃料气流冲击活塞顶表面的凹部3a之前便形成可燃的第一空气燃料混合物。因此在程序步S67中，ECU13作成可以将燃料压力调节到相对较低，从而达到在程序步S66中设定相对较小的燃料气流穿透力。另一方面，当在程序步S63中确定负载大于或等于规定负载时(燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域B时)，ECU13作成可以在程序步S64中将燃料气流穿透力设定得相当大。当燃料气流穿透力相当大时，燃料流体首先冲击活塞顶表面的凹部3a，然后形成可燃第二空气燃料混合物。因此在程序步S65中ECU13作成为可以将燃料压力设定在相对较低，以便达到在程序步S64设定的相对较大的燃料气流穿透力。

在程序步S68中，ECU13作成可以控制燃料气流穿透力，方法是输出一个信号，该信号按照在前面程序步中对各个区域设定的燃料气流穿透力，将燃料喷射压力驱动到规定压力。

因此，在本发明的第四实施例中，通过改变燃料压力便可以容易改变燃料气流的穿透力。

或者，为了降低燃料气流的穿透力，还可以采用一种能降低喷口横截面积的装置。在这种情况下，也容易改变燃料气流的穿透力。另外，在减小喷口的横截面时还可以改进燃料微滴的原子化。

另外，为了降低燃料气流的穿透力还可以增强燃烧室4中的涡旋流。在这种情况下，也容易改变燃料气流的穿透力。在增强燃烧室4中的涡旋流时，可进一步促使空气燃料混合物的混合。

第五实施例

下面参考图14(a)-14(e)说明第五实施例的燃料直喷火花点燃发动机。由于第四和第五实施例之间具有相似性，所以与第四实施例部件完全相同的第五实施例部件用与第四实施例部件编号相同的编号表示。另外，为简明起见，省去与第四实施例部件完全相同的第五实施例部件的说明。

第五实施例燃料直喷发动机的组成基本上与第四实施例相同，只是燃料喷射阀11是涡流式喷射阀，并且燃料泵9作成为可以控制燃料喷射压力，从而改变从燃料喷射阀11喷出的燃料流体的燃料喷射角。由于采用涡流式燃料喷射阀11，所以在燃料喷射压力增加时，燃料喷射角增加，而在燃料喷射压力降低时，燃料喷射角降低。因此在低负载分层燃烧区域A中可以增加燃料喷射压力来增加燃料喷射角，并形成可燃的第一空气燃料混合物，该混合物在燃料气流冲击凹部3a之前便发生燃烧。而在高负载分层燃烧区域B中，可以通过降低燃料喷射压力来减小燃料喷射角，因此形成第二空气燃料混合物，这种混合物在燃料流体冲击凹部3a和流到燃烧室4的上部分之后才开始燃烧。

图14(a)是示意曲线图，示出本发明第四实施例中发动机工作负载和燃料喷射压力之间关系的另一例子。图14(b)-14(e)是燃烧室4的示意横截面图，示出在图14(a)中所示各种发动机工作负载条件下在燃烧室中空气燃料混合物的分布。

如图14(a)所示，燃料喷射压力最好按照发动机工作负载连续改变。具体是，在低负载分层燃烧区域A，燃料喷射压力被设定为相当大，并且燃料喷射压力随负载的增加而降低。因此，低负载分层燃烧区域A的燃料喷射角相当大，而且燃料喷射角随负载的增加而减小。因此，在低负载分层燃烧区域A期间，在燃料流体冲击凹部3a之前便形成第一空气燃料混合物。当负载在高负载分层燃烧区域B(在图14(a)表示为“B1”)条件下相对较低时，该燃料喷射压力被设定为可以达到这样一个燃料喷射角，在此燃料喷射角时，燃料气流首先冲击凹部3a的外周表面，然后流向凹部3a的中心轴，此时形成第二可燃的空气燃料混合物，如图14(c)所示。从凹部外周壁表面流向活塞3中心轴的燃料流体继续流到火花塞12的塞隙，由此形成相当小的分层空气燃料混合物，因此，当在高负载分层燃烧区域B的负载相对低时，可以获得更稳定的燃烧。

另一方面，当在高负载分层燃烧区域B(在图14(a)表示为“B2”)中负载相当对较时，可以将燃料喷射压力设定在达到这样一个燃料喷射角，在此燃料喷射角时，燃料流体首先冲击靠近凹部中心轴的凹部3a底表面，然后射向凹部3a的外周表面，由此形成第二空气燃料混合物，如图14(d)所示。从活塞中心轴附近流向凹部3a外周表面的燃料流体继续流到火花塞12的塞隙附近，由此形成相对较大的分层空气燃料混合物气团。因此，在高负载分层燃烧区域B的负载相当高时，可以达到稳定燃烧。

因此，本发明的第五实施例采用涡流式喷射阀作燃料喷射阀11，并且可以通过改变燃料压力(燃料喷射压力)改变燃料喷射角，而不会使喷射阀11的结构变复杂。

另外，当在高负载分层燃烧区域B的负载相对低时，可以形成相对较小的第二分层空气燃料混合物，因为燃料气流从凹部3a的外周底表面流向活塞的中心轴。另一方面，当在高负载分层燃烧区域B的负载相对较大时，可以形成相对较大的第二分层空气燃料混合物，因为燃料气流从活塞的中心轴流向凹部3a的外周底表面。因此，可以形成更适合于特定发动机工作负载的第二空气燃料混合物。所以可以提高燃烧稳定和效率。

替代形状的燃烧室4

在上述的第一至第五实施例中，燃烧室4可以作成为具有如图15(a)所示的替代形状。具体是，燃烧室4的替代形状具有圆锥形的导流壁(扩孔)，该导流壁围绕喷射阀11或者其喷头的外周，如图15(a)所示。这样成形该导流壁(扩孔)，使得在燃料喷射角度小时(低燃料压力、低燃料比、高反压力时)，燃料气流几乎不表现出任何附壁效应，而在燃料喷射角大时(高燃料压力、高燃料比、低反压力时)，则表现出较大的附壁效应。当存在较大的附壁效应时，更多的燃料流体靠近燃烧室4的导流壁和上部壁表面。因此可以围绕燃料喷射阀的外周面形成近似圆锥形的扩孔，以及有效利用由此形成的附壁效应，可以更容易地改变燃料喷射角。由于采用燃烧室4的替代形状，所以与不具有图15(b)所示导流壁的燃烧室4的形状相比，除通过控制燃料压力、燃料空气质量比或者反压力控制流体喷射角而外，本发明的燃料直喷发动机可以通过形成导流壁(扩孔)，更有效改变燃料喷射角。特别是，因为导流壁(扩孔)近似于圆锥形，所以可利用围燃料气流的外边缘的附壁效应，更有效地改变燃料喷射角。

按照本发明的用法，以下的方向性术语“前面、后面、上面、下面、垂直、水平、在下面和横向”以及任何其它类似的方向性术语是指装有本发明的车辆的那些方向。因此，这些术语在用来说明本发明时，应当理解为是相对于装有本发明的车辆而言。

本文用来描述装置的一个元件或者一部分的术语“成形为”包括为实现要求功能而制造和/或编有程序的硬件和/或软件。

另外，在权利要求书中表示为“装置和功能”的术语应当包括任何构件，可以应用该构件来实施本发明那部分的功能。

按照本发明的用法，表示程度的术语例如“大体”、“约”和“近似”是指所修饰术语的适当偏差量，使得最后结果不会显著变化。例如这些术语可以被解释为包含所修饰术语的至少±5％的偏差，只要这种偏差不会否定所修饰词的意义。

本申请要求日本专利申请No.2002-374874和2003-25914的先有权。该日本专利申请No.2002-374874和2003-25914的全部内容已作为参考包含本文中。

尽管只根据选出的实施例来说明本发明，但是从本发明中，技术人员可以明显看出，可以进行各种改变和变型而不超出权利要求书确定的本发明的范围。另外，本发明实施例的上述说明仅仅是例示性的，没有限制本发明的目的，本发明只由所附的权利要求和其等价说明确定。因此，本发明的范围不限于公开的实施例。

Claims (16)

1.一种燃料直喷发动机，包括：

燃烧室；

配置在燃烧室上表面上的火花塞；

燃料喷射阀，配置在燃烧室上表面的大体中心部分，该燃料喷射阀设置成能将燃料流直接喷射到燃烧室内；

活塞，具有导流壁表面，该导流壁表面设置成引导从燃料喷射阀喷射喷出的燃料流；

控制器，设置成可以控制火花塞和燃料喷射阀的操作：

该控制器还设置成，当燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域时，点燃由刚刚从燃料喷射阀喷射出来且其主流未经活塞导流壁表面导流的燃料流所形成的第一空气燃料混合物；

该控制器还设置成当燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域时，点燃在大部分燃料流由活塞的导流壁表面导流到燃烧室的上部分之后形成的第二空气燃料混合物。

2.如权利要求1所述的燃料直喷发动机，其特征在于，该控制器还设置成在燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域时，在燃料喷射阀喷出的燃料流的前端达到活塞之前可以点燃第一空气燃料混合物。

3.如权利要求1所述的燃料直喷发动机，其特征在于，该活塞包括由导流壁表面形成的凹部，该凹部的横截面形状大体呈圆形，该凹部基本上与燃料喷射阀喷出的燃料流同心。

4.如权利要求3所述的燃料直喷发动机，其特征在于，该导流壁表面包括凹部底表面和凹部外周壁表面，该外周壁表面从凹部底表面伸出，该凹部外周壁表面的取向角形成在活塞轴线和从燃料喷射阀喷射的燃料流的近似方向之间。

5.如权利要求4所述的燃料直喷发动机，其特征在于，该控制器还设置成在燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域时，可以控制燃料喷射阀，使得从燃料喷射阀喷出的燃料流先冲击凹部的底表面，然后由凹部外周壁表面导流，流向燃烧室的上部分，形成第二空气燃料混合物。

6.如权利要求4所述的燃料直喷发动机，其特征在于，该控制器还设置成在燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域时，可以控制燃料喷射阀，使得从燃料喷射阀喷出的燃料流首先冲击凹部外周壁表面，然后由凹部底表面导流，流向燃烧室的上部分，由此形成第二空气燃料混合物。

7.如权利要求1所述的燃料直喷发动机，其特征在于，该控制器还设置成可以改变控制参数，以便改变从燃料喷射阀喷出的燃料流的穿透力，并且，该控制器还设置成可以调节控制参数，使得在燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域时的燃料流的穿透力小于在燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域时的燃料流的穿透力。

8.如权利要求7所述的燃料直喷发动机，其特征在于，该控制器还设置成可以设定燃料压力，使得燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域时的燃料压力小于燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域时的燃料压力。

9.如权利要求1所述的燃料直喷发动机，其特征在于，控制器还设置成可以改变控制参数，从而控制从燃料喷射阀喷出的燃料流，并且，燃料控制器还设置成可以调节控制参数，使得在燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域时，在燃料流从燃料喷射阀喷出之后，该燃料流便直接射到火花塞的附近，而在燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域时，在燃料流由导流壁表面导流之后，该燃料流才流到火花塞的附近。

10.如权利要求9所述的燃料直喷发动机，其特征在于，燃料喷射阀被设置成可以喷射燃料流，使得燃料流形成圆锥形，并且，该控制器还设置成可以调节控制参数，使得在燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域的燃料气流的燃料流喷射角大于燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域时的燃料流的燃料喷射角。

11.如权利要求10所述的燃料直喷发动机，其特征在于，该控制器还设置成可以调节燃料压力，使得燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域时的燃料压力大于燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域时的燃料压力。

12.如权利要求10所述的燃料直喷发动机，其特征在于，该控制器还设置成可以调节燃烧室内的压力，使得燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域时，喷射燃料时的燃烧室内部的压力小于在燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域时喷射燃料时的燃烧室内部的压力。

13.如权利要求10所述的燃料直喷发动机，其特征在于，该燃料喷射阀是双流体燃料喷射阀，该喷射阀按预定比值喷射燃料和空气，并且，控制器还设置成可以调节燃料空气比，使得在燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域时的燃料空气比大于燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域时的燃料空气比。

14.如权利要求10所述的燃料直喷发动机，其特征在于，还包括燃烧室导流壁表面，该壁表面大体为圆锥形，靠近燃料喷射阀的顶端。

15.一种燃料直喷发动机，包括：

用于形成燃烧室的装置；

点燃装置，用于点燃在燃烧室内形成的第一和第二空气燃料混合物；

燃料喷射装置，用于直接将燃料流喷射到燃烧室中；

燃料流导流装置，用于使从燃料喷射阀喷出的燃料流流到点燃装置的附近；

控制装置，用于控制点燃装置和燃料喷射装置，以便在燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域时，点燃由刚刚从燃料喷射装置喷射出来且其主流未经导流装置导流的燃料流所形成的第一空气燃料混合物，并在燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域时，点燃在大部分燃料流由燃料流导流装置导流到燃烧室上部分以后形成的第二空气燃料混合物。

16.一种运行燃料直喷发动机的方法，该方法包括：

将燃料流直接喷入燃烧室中；

选择性地将燃料流导向火花塞；

在燃料直喷发动机工作在低负载分层燃烧区域时，选择性地点燃由刚刚喷入燃烧室且其主流未被向后导流到火花塞的燃料流所形成的第一空气燃料混合物；

在燃料直喷发动机工作在高负载分层燃烧区域时，选择性地点燃在大部分燃料流导流到火花塞之后形成的第二空气燃料混合物。

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