CN1611752A - 内燃机的燃烧室结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种内燃机中的燃烧室结构，其中在燃烧室的外圆周部分，位于汽缸盖下表面和活塞上表面之间的间隙在进气－进气和排气－排气区域内较小，并且朝向进气－排气区域逐渐增大。根据这样的设计，燃烧室外圆周部分的混合物能够平滑地沿汽缸的外圆周表面从进气－进气和排气－排气区域朝向进气－排气区域流动。从进气－进气区域而来的空气－燃油混合物流与从排气－排气区域而来的空气－燃油混合物流在进气－排气区域中心碰撞，然后汇合流体流过活塞上表面的锥形部分后猛烈地进入其中心凹进部分。由此，就有可能用简单的构型充分地混合空气和燃油混合物。

Description

内燃机的燃烧室结构
                            技术领域
本发明涉及一种内燃机的燃烧室结构，更具体地说涉及一种促进空气燃油混合物在燃烧室中流动的工艺技术。
                            背景技术
众所周知，内燃机燃烧室中的空气燃油混合物如果能够充分混合以在点火时产生湍流，则燃烧的速度一般会增加，从而燃烧效率也因此而会提高。在此方面，提出过一种工艺技术，包括分别形成在活塞上表面的外圆周边缘和汽缸盖下表面的外圆周边缘的上凸起和下凸起。在压缩冲程的最后阶段，当活塞上升时使下凸起靠近上凸起，在该处形成一个间隙，即所谓的挤压区域。被从挤压区域推出的混合物充当了挤压气体，所以混合物就能够在燃烧室中混合(例如参考日本未审专利公开公报2001-59422)。
从混合物被混合的观点来看，挤压区域应该理想地均匀形成在燃烧室的整个周围。然而，在整个周围设置挤压区域以达到稳定的性能必须解决一个问题，即必须对汽缸盖和活塞的尺寸公差进行严格的控制。
当尝试在整个周围设置挤压区域时，必须给汽缸盖内的进气和排气阀提供保护套，这也就碰到一个问题，难以保证足够的进气量。
如日本未审专利公开公报2001-59422中所述，活塞一般在其上表面设有阀门凹进用以避免活塞与进气和排气阀之间的干扰。然而为了提供上述的凹进，挤压区域就必须被部分移除。这就给在整个外圆周设置挤压区域提出了更加困难的问题。
                            发明内容
本发明的目的就是提供一种内燃机的燃烧室结构，该燃烧室结构在结构上简单并且在保证足够进气量的同时能够使油气混合物充分混合，从而提高燃烧效率。
根据本发明提供一种内燃机的燃烧室结构，该结构有一个通过汽缸盖的下表面和安装在汽缸内的活塞的上表面垂直限定的燃烧室，并且汽缸盖的下表面保持基本圆形的平面形状。燃烧室结构包括至少一个相对于一条其两端和限定汽缸盖下表面的平面形状的曲线相交的预先确定的弦设置在汽缸盖一侧的进气阀；至少一个相对于该预先确定的弦设置在汽缸盖另一侧的排气阀；一个形成在活塞上表面的外圆周部分的基本为圆锥型的锥形部分；和一个形成在靠近活塞上表面中心的凹进部分，其中在所述活塞上表面的锥形部分和与其相对的汽缸盖下表面的外圆周部分之间形成一个间隙，该间隙朝向弦的附近增大。
                            附图说明
通过下文给出的详尽的描述和仅仅为了例证而非限制本发明所给出的附图，本发明能够更全面地被理解。其中：
图1是根据本发明的第一实施例，从汽缸盖看的内燃机中的燃烧室结构的平面图；
图2是沿图1中A-A线的剖面图；
图3是沿图1中B-B线的剖面图；
图4是根据本发明的第一实施例的燃烧室结构的透视图；
图5是从图1的C方向看的燃烧室的内部空间的示意图；
图6是显示根据本发明的第二实施例的燃烧室结构的活塞上表面的形状的示意图；
图7是显示图6的活塞与进气排气阀的平面图；
图8是活塞的沿图7中D-D线的剖面图；
图9是活塞的沿图7中E-E线的剖面图；
图10是从图7中的F箭头方向看的活塞的侧视图；
图11是从进气阀看的活塞的透视图；
图12是从图11中的H箭头方向看的活塞的透视图；
图13是图12中的排气阀被省略，活塞的透视图；
图14是与图12相似的显示了活塞与一个进气阀和一个排气阀的透视图；
图15是显示了燃烧室中活塞和挤压气流的透视图。
                          具体实施方式
下面参考图1-5详细描述根据本发明的第一实施例的内燃机的燃烧室结构。
如图1-3所示，本实施例中的燃烧室结构适用于四阀门汽油发动机，其中汽缸盖1设置在缸体2上，缸体2内形成圆柱型的汽缸3，活塞4安装在汽缸1中做垂直的滑动运动。燃烧室30由汽缸盖1的下表面，活塞4的上表面以及汽缸3的外圆周表面垂直、圆周向地限定。
如图4所示，汽缸盖1的下表面有一个恰好位于汽缸3上面的中心区域。该汽缸盖下表面的中心区域10(以下简称汽缸盖下表面10)的平面形状基本上是圆形的，并且在竖直的横截面上形成倒V形(斜坡屋顶状)。汽缸盖下表面10具有由弦G形成的顶脊，该弦G的两端和限定汽缸盖下表面10的平面形状的封闭曲线相交(本实施例中，弦G穿过限定汽缸盖下表面圆形平面形状的圆的直径的中心并且沿该圆的直径延伸)。汽缸盖下表面10还设有一对进气阀13a和13b，燃烧室30通过该两个阀与进气口11连通或者断开；和一对排气阀14a和14b，燃烧室30通过该两个阀与排气口12连通或者断开。点火塞15设置在汽缸盖下表面10的中心部位。
活塞4有一个在其外圆周部分形成锥形凸起的锥形部分21，其中心部分形成被锥形部分21所环绕的凹进部分22的上表面。通过切割掉锥形部件21上分别对应于进气阀13a，13b和排气阀14a，14b的部分，在锥形部分21上形成进气阀凹进23a，23b和排气阀凹进24a，24b。
观察活塞4上表面的锥形部分21和与其相对的汽缸盖下表面10的外圆周部分之间限定的空间，即燃烧室30的外圆周部分，特别是图5中阴影所示的外圆周面X，在汽缸盖下表面10和活塞4上表面之间存在一个间隙。由于形成一个平滑表面的汽缸盖下表面10在燃烧室30的外圆周面X和形成圆柱形表面的汽缸3的外圆周面相交，所以在汽缸盖下表面10和活塞4上表面之间的间隙在设置在汽缸盖下表面10进气侧的进气阀13a、13b之间的区域(下文有时被称为进气-进气区域)的中间位置达到最小。换句话说，该间隙被形成为在弦G的垂直等分线上达到最小。该间隙在沿汽缸3的外圆周面的两个方向上逐渐平滑地增加，并且在进气阀13a或13b与排气阀14a或14b之间的区域(下文有时被称为进气-排气区域)的中间位置达到最大。换句话说，间隙被构型成在弦G的附近达到最大。
尽管图5中没有显示，同进气侧的情况一样，在排气侧的汽缸盖下表面10和活塞4的上表面之间也有一个间隙。该间隙被构型成在设置在汽缸盖下表面10的排气侧的排气阀14a和14b之间的区域(下文有时被称为排气-排气区域)的中间位置达到最小，沿汽缸3的外圆周的两个方向逐渐平滑增大，并且在进气-排气区域达到最大。
下面将解释根据本实施例的内燃机的燃烧室结构的功能。
使位于进气-排气区域的间隙比位于进气-进气区域的间隙大，因此，当进气阀13a，13b在进气冲程中打开使空气燃油混合物从进气口11被吸入燃烧室30时，主要进气流被平稳地导入燃烧室中，从而保证足够量的进气。在后继的压缩冲程中，提升活塞4以压缩空气燃油混合物。如上所述，在燃烧室30的外圆周部分处，汽缸盖下表面10和活塞4上表面之间的间隙在进气-进气区域和排气-排气区域中小，并逐步向进气-排气区域扩大。因此，在压缩冲程中活塞4升起直至如图4中的单点连线所示的上死点的过程中，燃烧室30外圆周部分中的空气燃油混合物平稳地沿燃烧室30的外圆周面从进气-进气区域和排气-排气区域流向进气-排气区域中，如图4中白色空心箭头所示。当来自进气-进气区域的空气-燃油混合物流和来自排气-排气区域的空气-燃油混合物流在进气-排气区域的中间位置(靠近弦G的位置)相互碰撞时，空气-燃油混合物流越过锥形的锥形部分21，强劲地并有效地流入中心凹进部分22，从而使燃烧室30中的空气-燃油混合物混合得更加充分。
如上所述，根据本实施例的内燃机的燃烧室结构能够控制空气-燃油混合物的流动并具有简单的构造，该构造包括形成为斜坡屋顶状的汽缸盖下表面10，和形成在活塞4上表面中的锥形部分21和凹进部分22，而替代应用提供一个需对尺寸公差严格控制的挤压区域的先有技术。这就使燃烧室30中的空气燃油混合物能混合得更充分，并在空气燃油混合物中产生足够强的湍流。而且，这种构造不用设置围绕汽缸盖阀门的保护罩，这就能防止进气量因为存在围绕阀门的保护罩而减少。由于这些功能，不用代价高的防范措施就可以促进燃烧室的燃烧，提高燃烧效率。
以上描述了第一实施例，该实施例可以有各种修改。
例如，第一实施例以这样的方式构型，汽缸盖下表面10和活塞4的上表面之间的间隙在进气-进气和排气-排气区域中小，在进气-排气区域中大。或者，间隙可以做成只在进气-进气区域中小，在进气-排气区域中大。
尽管汽缸盖下表面10的进气侧区域和出气侧区域在第一实施例中被形成为平坦面，但只要汽缸盖下表面10和活塞4上表面之间的间隙在进气-进气区域和排气-排气区域小，在进气-排气区域大，该进气侧区域和出气侧区域可以不必一定要形成为平坦面。
第一实施例中描述了一个配备一对进气阀13a，13b和一对排气阀14a，14b的四阀门汽油发动机。然而，本发明同样适用于具有一个进气阀和一个排气阀的两阀门汽油发动机。
尽管第一实施例中使用的弦G通过限定汽缸盖下表面的圆平面形状的圆周的中心，但并没有限制弦G要有如上所述的位置，弦G可以不通过该圆周的中心。
接着，将参照图6-15描述根据本发明的第二实施例的内燃机的燃烧室结构。
如图6所示的活塞101适用于四阀门汽油发动机并具有圆柱形的外形。活塞101在其上表面上形成一个凹进部分102，一个锥形部分103，一个第一挤压锥形部分104，一个第二挤压锥形部分105，一个排气阀凹进106和一个进气阀凹进107。
如图8和9中所示，应用活塞101的发动机包括一个由汽缸盖108的下表面120和活塞101的上表面垂直限定的燃烧室110。
汽缸盖108的下表面120形成为斜坡屋顶状，包括一个形成为向一侧111倾斜的第一下表面120a和向另一侧112倾斜的第二下表面120b。火花塞115设置于汽缸盖108下表面中心附近(即靠近燃烧室110中心)。
两个进气阀113设置于构成燃烧室110上表面的汽缸盖108的第一下表面120a上，这样进气口118可以打开或关闭，而两个排气阀114设置于汽缸盖的第二下表面120b上，这样排气口119可以打开或关闭。
如图11-14所示，进气阀113是一种提升阀，由阀杆113a和端片113b构成，同样，排气阀114也是一种提升阀，由阀杆114a和端片114b构成。进气阀113的端片113b做得大于排气阀114的端片114b。
如图9中所示，汽缸盖108置于其上的的汽缸体形成为圆柱形的汽缸117，其中的活塞101设置成可以作滑动运动。
活塞101有一个锥形部分103，其被形成为具有一个从活塞101的外圆周测量的预定的宽度(图6中由符号W1显示)。锥形部分103被形成为从其外圆周靠近活塞中心C1(燃烧室110的中心)的同时向汽缸盖108逐渐升高。
在相对于锥形部分103内圆周边缘103a更靠近活塞中心C1的位置，一个凹进部分102被形成为从锥形部分103内圆周围边缘103a挖空，呈平滑的圆弧形，并形成为具有一个基本上水平的底部102a。
如图6中所示，排气阀114侧上的活塞101上表面形成一个由第一锥形体104a和第一锥形延伸体104b构成的第一挤压锥形部分104。进气阀113侧上的活塞101上表面上形成的第二挤压锥形部分105由第二锥形体105a和第二锥形延伸体105b构成。
第一挤压锥形部分104的第一锥形体104a和第二挤压锥形部分105的第二锥形体105a被形成为当其从活塞101外圆周向活塞中心C1靠近时在高度上向汽缸盖108升高。结果，当活塞101被提升到靠近上死点时，第一挤压锥形部分104的第一锥形体104a和汽缸盖108的下表面108a之间，以及第二挤压锥形部分105的第二锥形体105a和汽缸盖108的下表面108b之间形成了局部的挤压区域，从而在燃烧室110中产生一种挤压气流。至于第一挤压锥形部分104的第一延伸体104b和第二挤压锥形部分105的第二延伸体105b，后面会有相应的描述。
排气阀凹进106为一个凹口，该形成的凹口即便在当活塞101被提升到靠近上死点排气阀114打开时也可以避免第一挤压锥形部分104的上表面和排气阀114之间的相互干扰。相应地，第一挤压锥形部分104形成的两个排气阀凹进106的位置分别对应两个排气阀114。
同样，进气阀凹进107为一个凹口，该形成的凹口即便在当活塞101被提升到靠近上死点进气阀113打开时也可以避免第二挤压锥形部分105的上表面和进气阀113之间的相互干扰。第二挤压锥形部分105形成的两个进气阀凹进107的位置分别对应两个进气阀113。
如图10中阴影线部分所示，在燃烧室110的外圆周面X上，活塞101的上表面和相对的汽缸盖108的下表面120之间形成的间隙在两个进气阀113之间的中间位置C2处达到最小，在图10中用符号SMIN表示。
燃烧室110以这样的方式形成，活塞101的上表面和汽缸盖的下表面120之间的间隙当位置从两个进气阀113的中间位置C2沿燃烧室110圆周方向向两边离开时逐步扩大，一直到汽缸盖108斜坡屋顶状的下表面120的顶脊(弦)G附近达到最大。
尽管图10中省略了图示，就像在进气阀113侧一样，在排气阀114侧，燃烧室110也以这样的方式形成，活塞101的上表面和汽缸盖108的下表面之间的间隙在排气阀114之间的中间位置处达到最小，该间隙当位置从两个排气阀114的中间位置沿燃烧室110的圆周方向向两边离开时逐步扩大，一直到汽缸盖108斜坡屋顶状的下表面120的顶脊G附近达到最大。
第一挤压锥形部分104的第一锥形延伸体104b被形成为从两个排气阀凹进106之间向活塞中心C1一直延伸到凹进部分102，第二挤压锥形部分105的第二锥形延伸体105b也形成为从两个进气阀凹进107之间向活塞中心C1一直延伸到凹进部分102。
在两个锥形延伸体中，如图7和9中所示，从平面图中看，第一锥形延伸体104b以这样的方式形成，其远端位置和其距离关闭状态的排气阀114的中心位置C3相比更加靠近活塞的中心C1(就是图7中的下侧)。这里假定排气阀114的中心位置C3为排气阀114的阀杆114a的轴线(未图示)和排气阀的端片114b的下表面相交之处的位置。
如图7的平面图所示，第二锥形延伸体105以这样的方式形成，其远端位置和其距离关闭状态的进气阀113的中心位置C4相比更加靠近活塞的中心C1。这里，进气阀113中心位置C4为进气阀113的阀杆113a的轴线(未图示)和排气阀的端片113b的下表面相交之处的位置。
如图13和14的透视图所示，第一锥形延伸体104b具有一个被形成为从第一锥形延伸体104b的上端不陡峭地向下倾斜至凹进部分102的底部102a的斜面104c。同样，所形成的第二锥形延伸体105b具有一个被形成为从其上端不陡峭地向下倾斜至凹进部分102的底部102a的斜面105c。
如上所述构造的根据本实施例的燃烧室结构能达到下文所提及的功能和优点。
在进气冲程中，进气阀113打开，空气燃油混合物从进气口118被吸入燃烧室110中。
如图15中所示，压缩冲程中当活塞101被提升至上死点时，从排气阀114之间沿燃烧室110的外圆周面注向燃烧室110的上端(即斜坡屋顶状的顶脊G附近)的空气燃油混合物流(图15中箭头F1所示的挤压流)与从进气阀113之间沿燃烧室110的外圆周面向燃烧室110上端流动的空气燃油混合物流(图15中箭头F2所示的挤压流)在燃烧室110中心处碰撞，从而空气燃油混合物在燃烧室110中得到充分混合。
如上参考图9和10所述，这是因为汽缸盖108的下表面120被形成为呈斜坡屋顶状，活塞101的上表面形成第一和第二挤压锥形部分104，105，因此燃烧室110被形成为，汽缸盖108的下表面120和活塞101的上表面之间在燃烧室110的外圆周面上的间隙在进气阀113之间和排气阀114之间的位置上变小(参考图10中的符号SMIN，而在燃烧室110上端处(即在斜坡屋顶状的顶脊G处)达到最大(参考图10中的符号SMAX)。
除了挤压流F1和F2之外，活塞101还可以形成从排气阀114之间经由第一锥形延伸体104b向燃烧室110中心C1流动的挤压流(参考图15中的箭头F3)，从进气阀113之间经由第二锥形延伸体105b向燃烧室110中心C1流动的挤压流。结果，燃烧室110中的空气燃油混合物的混合被进一步加强。
尤其是，因为火花塞115设置于燃烧室110中心处，当活塞101被提升到靠近上死点时，使第一和第二锥形延伸体104b，105b形成的挤压流F3，F4在火花塞115附近相互碰撞，从而能保证湍流的产生。
结果，从火花塞115点火到空气燃油混合物完全燃烧的时间周期(即燃烧时间周期)可以缩短。这样，即使发动机的压缩比做得较大，内燃机爆震的发生还是可以被可靠抑制。
在许多尾气被循环使用(就是说，空气燃油混合物中含有的EGR气体比率做得较大)的情况下，燃烧时间周期通常被延长，因此有可能发生燃烧变化而降低燃烧效率。相反，根据本实施例，燃烧时间周期可以缩短，就有可能阻止燃烧变化，从而大大增加燃烧效率。这就有可能增加空气燃油混合物中的EGR气体的比率，进一步改进燃油的消耗。
如上所述，根据本实施例，第一挤压锥形部分104的第一锥形延伸体104b和第二挤压锥形部分105的第二锥形延伸体105b可以形成从进气阀凹进107之间和排气阀凹进108之间向活塞中心C1(即燃烧室110的中心)流动的挤压流F3，F4，这就有可能使燃烧室110中的空气燃油混合物的混合更加充分，从而提高燃烧效率。
因为锥形延伸体104b，105b分别形成于进气阀凹进107之间和排气阀凹进108之间，因此进气阀凹进107之间形成的锥形延伸体105b所产生的挤压流F4与排气阀凹进108之间形成的锥形延伸体104b所产生的挤压流F3在燃烧室110的中心部位碰撞，从而这些挤压流体相互混合，更进一步提高了燃烧效率。
而且，如平面图中所示，因为锥形延伸体104b，105b的远端到活塞101中心C1的距离比到关闭状态的进气阀113的中心位置的距离更靠近，到活塞101中心C1的距离比到关闭状态的排气阀114的中心位置的距离更靠近，因此可以保证挤压流F3和F4能到达燃烧室110的中心部位，从而进一步提高燃烧效率。
因为火花塞115设置于燃烧室110中心，所以在锥形延伸体104b，105b形成的挤压流F3，F4中，火花塞115周围会形成湍流。这就有可能缩短燃烧时间周期，提高燃烧效率，改进燃油的消耗。
而且，因为可以通过缩短燃烧时间周期阻止燃烧变化的发生，因此可以增加空气燃油混合物中的EGR气体比率，进一步改进燃油的消耗。
对于前述的第二实施例可以有各种改进。例如，在第二实施例中，通过实例描述了设置两个进气阀113和两个排气阀114的情况。本发明同样可以应用于包括三个或三个以上的进气阀和三个或三个以上的排气阀的发动机。在这种情况下，进气阀凹进之间和/或排气阀凹进之间可以形成多个锥形延伸体，设置的数量与进气阀和/或排气阀的数量相对应。
另一方面，本发明不限于第一和第二实施例中的描述，可以通过在本发明的范围内实现各种修改而实施。

Claims (8)

1.一种内燃机的燃烧室结构，该燃烧室结构具有由汽缸盖(1，108)的下表面和安装在汽缸中的活塞(4，101)的上表面垂直限定的燃烧室(30，110)，并且汽缸盖的下表面保持基本圆形的平面形状，该燃烧室结构包括：
至少一个相对于一条其两端和限定汽缸盖下表面(10，120)的平面形状的曲线相交的预先确定的弦设置在汽缸盖一侧的进气阀(13a，13b，113a，113b)；
至少一个相对于该预先确定的弦设置在汽缸盖另一侧的排气阀(14a，14b，114a，114b)；
一个形成在活塞上表面的外圆周部分的基本为圆锥形的锥形部分(21，104，105)；和
一个形成在靠近活塞上表面中心的凹进部分(22，102)，
其中，在所述锥形部分和与其相对的汽缸盖下表面的外圆周部分之间形成一个间隙，该间隙朝向所述弦的附近增大。
2.根据权利要求1所述的燃烧室结构，其特征在于，所述间隙至少在汽缸盖一侧，被形成在靠近所述弦的位置处大于靠近所述弦的垂直等分线的位置处。
3.根据权利要求1所述的燃烧室结构，其特征在于，所述汽缸盖相对于所述弦，在其一侧形成一对进气阀，另一侧形成一对排气阀，和
所述被形成的间隙在靠近弦的位置处大于靠近该对进气阀之间的垂直等分线的位置处。
4.根据权利要求2或3所述的燃烧室结构，其特征在于，所述被形成的间隙在垂直等分线处达到最小，并且其沿汽缸的圆周面朝所述弦逐渐增大。
5.根据权利要求1所述的燃烧室结构，其特征在于，进一步包括：
形成在所述锥形部分上和一对进气阀相对应的两个进气阀凹进(107)；
形成在所述锥形部分上和一对排气阀相对应的两个排气阀凹进(106)；以及
一个通过将所述锥形部分的位于所述两个进气阀凹进或者所述两个排气阀凹进之间的部分朝向活塞的中心一直延伸到所述凹进部分而形成的延伸体(104b、105b)。
6.根据权利要求5所述的燃烧室结构，其特征在于，所述延伸体具有一个从延伸体的上端向凹进部分的底部倾斜的斜面(104c，105c)。
7.根据权利要求5或6所述的燃烧室结构，其特征在于，所述延伸体形成于所述锥形部分的位于两个进气阀凹进或者两个排气阀凹进之间的一部分中。
8.根据权利要求7所述的燃烧室结构，其特征在于，所述延伸体形成于两个进气阀凹进之间和两个排气阀凹进之间，每个延伸体具有一个远端，该远端的位置到活塞的中心比到一对进气阀之间的中心位置或者一对排气阀之间的中心位置更靠近。
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