專利名稱：缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景技術(shù)本發(fā)明涉及一種缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)。
缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)通常布置成借助于使用燃燒室內(nèi)的缸內(nèi)流體流把噴射出來的燃料輸送到火花塞的附近來進(jìn)行燃燒，在預(yù)定的發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)分層充氣燃燒。已公開的日本專利申請(Kokai)No.2000-87750公開了這種直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明的概述在發(fā)動(dòng)機(jī)的低速、小負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，進(jìn)氣量是如此小，以致燃燒室內(nèi)的翻滾太弱從而不能把噴射出來的燃料充分地?cái)y帶到火花塞附近，并且不能滿意地實(shí)現(xiàn)分層充氣燃燒。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)即使在低速、小負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)也可以提供穩(wěn)定的分層充氣燃燒。
根據(jù)本發(fā)明，缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)包括缸體，它包括氣缸；缸蓋，它包括凹口，該凹口限制出燃燒室的上部內(nèi)表面；火花塞，它從燃燒室的上表面突出；活塞，它安裝在氣缸內(nèi)，從而在氣缸內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該活塞包括活塞頂，該活塞頂與缸蓋的凹口一起形成了燃燒室，該活塞頂形成有腔；第一和第二進(jìn)氣口，這些進(jìn)氣口打開在燃燒室的上表面上，并且設(shè)計(jì)成朝著活塞加入進(jìn)氣，從而與腔配合形成翻滾；缸內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)控制裝置，它工作在第一發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)，從而在燃燒室內(nèi)引起翻滾，因此借助于翻滾把所噴射出來的燃料輸送到火花塞中；及燃料噴射器，它設(shè)置在第一和第二進(jìn)氣口之間的這樣位置上，該位置低于第一和第二進(jìn)氣口，該噴射器布置成在壓縮沖程中，朝著燃燒室的中心把燃料直接噴射到燃燒中，并且在低速、小負(fù)荷區(qū)域的第二發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)形成穿透火花塞附近的燃料束。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)包括發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體(如缸體和缸蓋的組件)，它包括氣缸和凹口，該凹口限制出燃燒室的上部內(nèi)表面；火花塞，它設(shè)置在上部內(nèi)表面的中心區(qū)域內(nèi)并且進(jìn)入燃燒室；活塞，它包括圓柱形部分和活塞頂，它在氣缸內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該活塞頂形成有腔；至少一個(gè)進(jìn)氣口，它打開在燃燒室的上部內(nèi)表面的中間區(qū)域內(nèi)，該中間區(qū)域徑向地位于燃燒室的上部內(nèi)表面的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域之間，并且該至少一個(gè)進(jìn)氣口設(shè)計(jì)成朝著活塞加入進(jìn)氣，從而與腔配合形成翻滾；翻滾控制閥，它設(shè)置在所述一個(gè)進(jìn)氣口內(nèi)，并且布置成在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，工作狀態(tài)可以在燃燒室內(nèi)引起翻滾，從而借助于翻滾把噴射出來的燃料輸送到火花塞中，從而實(shí)現(xiàn)第一分層充氣燃燒模式，而非工作狀態(tài)抑制燃燒室內(nèi)的翻滾，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)的低速、小負(fù)荷工作區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)第二分層充氣燃燒模式；及燃料噴射器，它設(shè)置在燃燒室的上部內(nèi)表面的邊緣區(qū)域上，并且在第二分層充氣燃燒模式中成形來形成以錐形的形式進(jìn)行擴(kuò)散的燃料束，該錐形限制在指向活塞頂?shù)那坏淖钕戮€和指向火花塞的最上線之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)包括點(diǎn)火裝置，當(dāng)空氣燃料混合物霧(mixture cloud)到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的點(diǎn)火區(qū)域時(shí)，它點(diǎn)燃可點(diǎn)燃的空氣燃料混合物霧；翻滾形成裝置，在第一分層充氣燃燒模式中，通過把進(jìn)氣加入到燃燒室中，該翻滾形成裝置在燃燒室內(nèi)形成翻滾，并且在第二分層充氣燃燒模式中抑制翻滾；及噴射裝置，它沿著避免干擾點(diǎn)火區(qū)域的方向把燃料噴射到燃燒室中，因此形成了這樣的燃料束，該燃料束包括上部線段(upper segment)，而該上部線段在第二分層充氣燃燒模式中到達(dá)了點(diǎn)火區(qū)域。
參照附圖，從下面的描述中可以理解本發(fā)明的其它目的和特征。
附圖的簡短描述

圖1A和1B示意性地示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的缸內(nèi)直接燃料噴射式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)。圖1A是剖視圖，而圖1B是從活塞的側(cè)部到缸蓋所看去的視圖2A和2B示出了用于圖1A和1B所示的發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞。圖2A是平面視圖，而圖2B是垂直剖視圖。
圖3A和3B是剖視圖，它們示出了由圖1A和1B所示出的發(fā)動(dòng)機(jī)所執(zhí)行的兩個(gè)不同的分層充氣燃燒模式。
圖4是示意圖，它示出了分層充氣燃燒的兩個(gè)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域及由圖1A和1B的發(fā)動(dòng)機(jī)所執(zhí)行的均勻燃燒的一個(gè)區(qū)域。
圖5是方框圖，它示出了圖1A和1B的發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器。
本發(fā)明的詳細(xì)描述圖1A和1B示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、缸內(nèi)直接燃料噴射的火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)1。盡管這個(gè)例子的發(fā)動(dòng)機(jī)1是多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，但是圖1A和1B只示出了一個(gè)氣缸，從而有利于解釋。從根本上講，這個(gè)例子的發(fā)動(dòng)機(jī)1是空氣導(dǎo)入型直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)進(jìn)氣口和活塞腔(piston cavity)，它們被構(gòu)造成可以形成翻滾的缸內(nèi)空氣流，從而把噴射到燃燒室中的燃料攜帶到火花塞的附近，而該火花塞設(shè)置在燃燒室的頂部上。如圖1A所示一樣，活塞13上下滑動(dòng)。盡管發(fā)動(dòng)機(jī)可以水平或者傾斜地安裝在汽車上，但是，例如壓縮燃燒室內(nèi)的氣體的活塞運(yùn)動(dòng)方向被稱為向上的方向。
缸蓋2形成有凹口，該凹口面對形成于缸體4中的氣缸5。該凹口從缸蓋2的下表面2a中凹入，并且由第一和第二傾斜表面3a和3b及圓柱形表面3c限制出，而這些傾斜表面沿著兩個(gè)相對方向從脊線3d向下傾斜。第一和第二傾斜內(nèi)表面3a和3b形成了燃燒室的頂表面或者上部內(nèi)表面。第一和第二傾斜內(nèi)表面3a和3b基本上是雙向?qū)ΨQ的。燃燒室的圓柱形內(nèi)表面3c從第一和第二傾斜表面3a和3b的下端部向下延伸。
屋脊形燃燒室6由傾斜內(nèi)表面3a和3b、圓柱形內(nèi)表面3c、氣缸5和活塞13形成，而活塞13通過活塞環(huán)而在氣缸5內(nèi)進(jìn)行滑動(dòng)。燃燒室6的幾何結(jié)構(gòu)由氣缸5的孔徑(內(nèi)徑)、活塞13的活塞頂?shù)男螤?、缸蓋2的頂高H(即從缸蓋2的下表面2a到燃燒室6的上部內(nèi)表面的脊線3d的高度)及閘閥間的角度θ1來確定，而角度θ1形成于進(jìn)氣閥和排氣閥的桿(或者中心軸線)之間。大約在脊線3d的中部(第一和第二傾斜表面3a和3b沿著該中部相遇)設(shè)置有火花塞7，該火花塞包括突出部分，該突出部分伸出到燃燒室6中，并且具有中心電極7a和外部電極7b。在這個(gè)實(shí)施例中，火花塞7b基本上設(shè)置在燃燒室6的頂部中心，如圖1B所示一樣。
兩個(gè)進(jìn)氣口8a和8b在圖1A和1B看去的右側(cè)的第一傾斜內(nèi)表面3a中向下打開，而兩個(gè)排氣口9a和9b在左側(cè)的第二傾斜表面3b上向下打開。進(jìn)氣口8a和8b設(shè)計(jì)成借助下面方法在燃燒室6內(nèi)形成翻滾(如圖1A中所看到的垂直渦流)沿著朝向活塞頂?shù)姆较?即避免與火花塞7干擾的方向)加入進(jìn)氣，并且使進(jìn)氣流撞擊活塞頂。為了形成翻滾，與預(yù)混合燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口設(shè)計(jì)相比，進(jìn)氣口8a和8b是直立的。即，流入角度θ2更大，如圖1A所示一樣。在這個(gè)實(shí)施例中，流入角度θ2定義為缸蓋2的下部平表面(或者下側(cè))2a與進(jìn)氣口8a和8b中的每一個(gè)的直的中心線之間的角度?；钊?3在頂部形成有淺的腔14，該腔14設(shè)置成形成翻滾運(yùn)動(dòng)。
圖2A和2B示出了活塞13的形狀?；钊敯ōh(huán)繞著腔14的升高邊緣(外部)。升高邊緣包括進(jìn)氣側(cè)斜面15、排氣側(cè)斜面16、中心脊線部分17(它在兩個(gè)斜面15和16之間進(jìn)行延伸)及錐形外表面18，該外表面18環(huán)繞著斜面15和16及中心脊線部分17。中心脊線部分具有平的水平上表面，腔14把該表面分成兩個(gè)相等的半部。在圖2A和2B中，活塞13的左、右側(cè)是相反的，因此進(jìn)氣側(cè)斜面15位于圖2A和2B的左側(cè)上，而該進(jìn)氣側(cè)位于圖1A和1B的右側(cè)上。(日本專利申請No.2000-306511公開了類似活塞的設(shè)計(jì))高壓燃料噴射器21設(shè)置在缸蓋2的進(jìn)氣側(cè)傾斜內(nèi)表面3a上，并且布置成把燃料直接噴射到燃燒室6中。燃料噴射器21在進(jìn)氣口8a和8b的開口之間沿著圓周方向設(shè)置在徑向向外的位置上，該位置的高度小于進(jìn)氣口8a和8b的開口位置的高度，并且該位置靠近圓柱形表面3c或者靠近傾斜表面3a的下端。因此，燃料噴射器2設(shè)置成并且取向成如此噴射燃料，以致翻滾可以攜帶燃料。燃燒噴射器21包括噴嘴21a，它沿著傾斜向下的方向朝著下面這樣的位置而通過噴射孔21b噴射燃料該位置剛好低于火花塞7的火花位置7c，而該噴射孔21b形成于噴嘴21a的頂部。進(jìn)氣閥10a和10b各自設(shè)置成打開和關(guān)閉第一和第二進(jìn)氣口8a和8b的開口。排氣閥11a和11b各自設(shè)置成打開和關(guān)閉第一和第二排氣閥9a和9b的開口中。
翻滾控制閥25設(shè)置在通到燃燒室6中的上游位置上的每個(gè)進(jìn)氣口8a和8b上。翻滾控制閥25起著缸內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)控制裝置的作用，從而在燃燒室6引起翻滾26。當(dāng)每個(gè)翻滾控制閥25關(guān)閉時(shí)，進(jìn)氣口8a和8b的流體通道部分的下半部關(guān)閉了，并且進(jìn)氣流只通過上半部加入。因此，在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，翻滾控制閥25通過下面方法加強(qiáng)了燃燒室6內(nèi)的翻滾26提高進(jìn)氣流的流動(dòng)速度，如圖3A所示一樣。翻滾26聚集并且把從燃料噴射器21中噴射出來的燃料束攜帶到火花塞7中，因此形成了濃的可點(diǎn)燃混合物霧(mixture cloud)24。當(dāng)混合物霧到達(dá)點(diǎn)火位置7c時(shí)，火花塞7可以點(diǎn)燃混合物霧24，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的分層充氣燃燒性能。點(diǎn)火位置7c基本上形成于火花塞7的中心電極7a和外電極7b之間。
在分層充氣燃燒區(qū)域內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)中速、中等負(fù)荷工作區(qū)域內(nèi)時(shí)，翻滾控制閥25被關(guān)閉。分層充氣燃燒區(qū)域具有一定范圍的寬度，并且因此最佳燃料噴射正時(shí)和最佳點(diǎn)火正時(shí)根據(jù)分層充氣燃燒區(qū)域內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)速度和/或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷進(jìn)行改變。因此，在整個(gè)分層充氣燃燒區(qū)域內(nèi)，在最佳時(shí)間時(shí)，需要翻滾把混合物霧攜帶到點(diǎn)火位置7c的周圍區(qū)域。因此，進(jìn)氣口a和8b的流入角度θ2、進(jìn)氣閥和排氣閥的軸線之間的閘閥間的角度θ1(如圖1所示)及活塞13的活塞頂形狀被構(gòu)造成結(jié)合起來得到較強(qiáng)的翻滾。
在分層充氣燃燒區(qū)域之外的區(qū)域內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)1進(jìn)行工作從而得到均勻的充氣燃燒，這種燃燒的主要目的是實(shí)現(xiàn)理論空氣燃料比。在這種均勻充氣燃燒區(qū)域內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)速度和/或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大于分層充氣燃燒區(qū)域的范圍，即使在翻滾控制閥25打開時(shí)，足量的進(jìn)氣流可以在燃燒室6內(nèi)形成強(qiáng)烈的翻滾。在這個(gè)實(shí)施例中，因此，翻滾控制閥25在均勻充氣燃燒模式時(shí)保持打開，并且在翻滾狀態(tài)的進(jìn)氣行程時(shí)，燃料噴射器21被驅(qū)動(dòng)來噴射燃料，從而在整個(gè)燃燒室6內(nèi)得到均勻的混合物，從而實(shí)現(xiàn)均勻充氣燃燒。
包括發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工作在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)的低速、小負(fù)荷工作區(qū)域是分層充氣燃燒區(qū)域的子區(qū)域。在該低速、小負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，進(jìn)氣流太小，以致不能得到充分的翻滾。因此，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，從燃料噴射器21中噴射燃料，從而只借助于燃料噴射的力可以到達(dá)火花塞7的點(diǎn)火位置7c的周圍區(qū)域。下面是實(shí)現(xiàn)這個(gè)的兩個(gè)基本要求。
首先，燃料束以錐形的形式離開燃料噴射器21的噴射孔21b，該錐形具有錐形表面，該表面包括這樣的線段(最上部的線31a)該線段最靠近火花塞21的點(diǎn)火位置7c，并且通過點(diǎn)火位置7c。
第二，燃料噴射器21的燃料束的穿透深度L1大于從燃料噴射噴嘴21a的頂部處的噴射孔位置21b到火花塞7的點(diǎn)火位7c的距離L2。穿透深度L1是燃料束可以通過的范圍或者距離。
燃料束通常是錐形的并且繞著燃料噴射器21的噴嘴21a的中心軸線21c是對稱的，如圖1B所示一樣。如果錐形燃料束整體上是對稱的并且它的最下部線在長度上等于最上部線，那么燃料束的下端部分撞擊活塞腔14的表面并且使該腔表面變濕，并且這種燃料弄濕在低速的小負(fù)荷區(qū)域內(nèi)提高了HC排放物。而且，如果燃料束的穿透深度L1是如此的長以致允許所噴射出的燃料到達(dá)排氣側(cè)傾斜內(nèi)表面3b，那么HC排放物的量增加了，如實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的一樣。相應(yīng)地，應(yīng)該滿足下面兩個(gè)補(bǔ)充要求來限制由于燃料撞擊活塞頂和排氣側(cè)傾斜內(nèi)表面3b而引起的HC排放物增加。
第三，與沿著朝向活塞13的方向相比，燃料束沿著朝向火花塞7的方向延伸得更長。
第四，燃料束的穿透深度L1不是如此長，以致可以到達(dá)排氣側(cè)上內(nèi)部傾斜表面3b。
圖1A的截面上所示出的燃料束具有這樣的形狀，該形狀滿足所有的兩個(gè)基本要求和兩個(gè)補(bǔ)充要求。錐形燃料束31的最上部的邊(或者最上部的直線段)通過點(diǎn)火位置7c，但是在到達(dá)排氣口9a和9b的開口位置之前終止。另一方面，錐形燃料束31的最下部的邊(或者最下部的直線段)31b短于最上部的邊31a，并且沒有到達(dá)活塞腔14內(nèi)的表面。燃料束31的前端31c在最上部的線31a和最下部的線31b之間進(jìn)行延伸，該前端31c沒有到達(dá)活塞腔14，也沒有到達(dá)排氣側(cè)傾斜表面8b。
在這個(gè)實(shí)施例中，如此確定下面的幾何因素，以致可以滿足所有的上述四個(gè)要求。即，如此確定在燃料噴射孔位置21b和點(diǎn)火位置7c之間的相對位置關(guān)系、燃料束角度α、燃料束的偏離角度β及燃料噴射器21的安裝角度γ，以致可以滿足所有的四個(gè)要求。在圖1A的截面圖中，燃料束角度α是形成于燃料束31的最上部的邊31a和最下部的邊31b之間的角度，該燃料束31從噴射孔位置21a擴(kuò)散開來。偏離角度β是位于燃料噴射器噴嘴21a的中心線21c和燃料束31的最上部的邊31a之間的角度。安裝角度γ是位于燃料噴射器噴嘴21a的中心線21c和橫截面平面(或者缸蓋下表面1a)之間的角度，而氣缸5的軸線垂直于該平面。
實(shí)際上，火花塞7的安裝位置、燃料噴射器21的安裝位置和安裝角度、頂高H和氣缸5的缸徑涉及到由于制造過程所引起的元件對元件的變量。實(shí)驗(yàn)表明關(guān)于偏離角度δ的下面結(jié)論，該角度δ定義為錐形燃料束31的最上部的邊31a相對于直線35所形成的角度，而直線35使燃料噴射孔位置21b與點(diǎn)火位置7c連接起來。當(dāng)偏離角度δ處于±5度的范圍內(nèi)時(shí)，只借助于燃料束的沖量可以使處于背壓下所噴射出來的燃料到達(dá)火花塞7的點(diǎn)火位置7c的附近，并且得到穩(wěn)定的、最佳的分層充氣燃燒。背壓是壓縮沖程后期的缸內(nèi)壓力。
在下面情況下在包括怠速工作區(qū)域在內(nèi)的低速小負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，只借助于燃料束的力使燃料束傾向于到達(dá)點(diǎn)火位置的附近，翻滾可以擾亂燃料束并且引起熄火。相應(yīng)地，翻滾控制閥25保持全部打開狀態(tài)，從而在包括怠速工作區(qū)域在內(nèi)的低速小負(fù)荷工作區(qū)域內(nèi)，使缸內(nèi)的翻滾流大小最小化。盡管完全消除翻滾是理想目標(biāo)，但是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)，較弱的翻滾36也不會(huì)對分層充氣燃燒產(chǎn)生不良的影響。
圖4示出了控制曲線圖，該曲線圖用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制器111中，而該控制器111用來控制翻滾控制閥25。在圖4中，翻滾控制閥25簡寫為TCV?？刂茀^(qū)域被分成分層充氣燃料區(qū)域和均勻充氣燃燒區(qū)域，在分層充氣燃燒區(qū)域內(nèi)，執(zhí)行分層充氣燃燒，而在均勻充氣燃燒區(qū)域內(nèi)，執(zhí)行均勻充氣燃燒。均勻燃燒區(qū)域是這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域在該工作區(qū)域內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)速度高于分層充氣燃燒區(qū)域的范圍，和/或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大于分層充氣燃燒區(qū)域的范圍。在這個(gè)例子中，分層充氣燃燒區(qū)域由2500rpm的發(fā)動(dòng)機(jī)速度極限和400Kpa的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷極限來定界，如圖4的點(diǎn)劃線所示一樣。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)速度大于2500rpm的中等速度大小時(shí)，或者當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大于400KPA的中等負(fù)荷大小時(shí)，執(zhí)行均勻充氣燃燒。而且，分層充氣燃燒區(qū)域被分成低速小負(fù)荷工作區(qū)域(或者子區(qū)域)和剩余區(qū)域(或者子區(qū)域)，在該剩余區(qū)域內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)速度高于低速小負(fù)荷區(qū)域的發(fā)動(dòng)機(jī)速度范圍，和/或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大于低速小負(fù)荷區(qū)域的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷范圍。
根據(jù)傳感器部分112所收集到的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器111通過包括翻滾控制閥25在內(nèi)的致動(dòng)器部分13來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作?？刂破?11通過監(jiān)控傳感器部分112所探測到的當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷而從三個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域中選擇一個(gè)，并且根據(jù)所選擇的工作區(qū)域來控制翻滾控制閥15。如果當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷所確定的當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)位于均勻充氣燃燒區(qū)域，那么發(fā)動(dòng)機(jī)控制器111使翻滾控制閥25保持打開狀態(tài)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)入分層充氣燃燒區(qū)域時(shí)，那么發(fā)動(dòng)機(jī)控制器111關(guān)閉翻滾控制閥25，從而提高燃燒室內(nèi)的翻滾。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)速度和/或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷進(jìn)一步減少而進(jìn)入到低速小負(fù)荷區(qū)域時(shí)，那么發(fā)動(dòng)機(jī)控制器111打開翻滾控制閥25。
這個(gè)例子的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器111計(jì)算適合于分層充氣燃燒或者均勻充氣燃燒的理想的燃料噴射量和理想的燃料噴射正時(shí)，并且根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制實(shí)際燃料噴射量和燃料噴射正時(shí)。而且，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器111計(jì)算適合于分層充氣燃燒或者均勻充氣燃燒的理想點(diǎn)火正時(shí)，并且根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制實(shí)際點(diǎn)火正時(shí)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器111包括作為主要零件的至少一個(gè)處理器。
圖3B示出了在低速小負(fù)荷區(qū)域內(nèi)(例如在怠速時(shí))的發(fā)動(dòng)機(jī)1的工作。只通過燃料束的力使在背壓下所噴射出來的燃料到達(dá)火花塞7的點(diǎn)火位置7c。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)1可以執(zhí)行穩(wěn)定的分層充氣燃燒，從而在低速小負(fù)荷區(qū)域內(nèi)(在該區(qū)域內(nèi)不能得到足夠的翻滾)提供最佳性能。
與沿著朝向火花塞7的方向相比，燃料束沿著朝向活塞13的方向形成得更弱，從而防止燃料撞擊活塞頂?shù)谋砻?。而且，燃料束的穿透深度是這樣決定的，以致燃料束不能到達(dá)排氣側(cè)傾斜內(nèi)表面3b。這種設(shè)計(jì)可以防止燃料粘到活塞頂和排氣側(cè)傾斜內(nèi)表面3b上，因此抑制了不良的HC排放物的增加。
在這種低速小負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，翻滾控制閥25處于完全打開狀態(tài)從而使翻滾達(dá)到最小。因此，可以防止燃料束受到翻滾的干擾，并且可以減少熄火。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷從這個(gè)狀態(tài)開始增加并且背壓變得更大時(shí)，燃料束的尺寸大小傾向于變得更小，并且從燃料噴射到點(diǎn)火的時(shí)間間隙隨著速度增加而變得更短。因此，如果在這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)只借助于燃料束的穿透力把燃料輸送到火花塞7中，那么所噴射出來的燃料不能在最佳點(diǎn)火正時(shí)的時(shí)間內(nèi)到達(dá)火花塞7。因此，在這個(gè)工作區(qū)域內(nèi)，控制器111關(guān)閉了翻滾控制閥25，如圖3A所示一樣，從而在燃燒室6內(nèi)形成了強(qiáng)烈的翻滾26。在分層充氣燃燒區(qū)域內(nèi)的低速小負(fù)荷區(qū)域外部的區(qū)域內(nèi)，沿著干擾這種強(qiáng)烈翻滾26的方向噴射燃料，并且該燃料借助于強(qiáng)烈翻滾26攜帶到火花塞7的附近中。因此，借助于翻滾來執(zhí)行分層充氣燃燒。
在這種方法中，借助于使用適合于中速中負(fù)荷區(qū)域的第一模式和適合于低速小負(fù)荷區(qū)域的第二模式，本發(fā)明這個(gè)實(shí)施例的直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)在低速小負(fù)荷區(qū)域和剩余區(qū)域(或者中速中負(fù)荷區(qū)域)可以充分地執(zhí)行分層充氣燃燒，因此在整個(gè)廣大的分層充氣燃燒區(qū)域內(nèi)可以改善燃料經(jīng)濟(jì)性。
在確定低速小負(fù)荷區(qū)域的燃料束的形狀時(shí)，翻滾不再是考慮的因素，并且剩余的主要因素是關(guān)于基本要求的、在燃料噴射器21和火花塞7之間的相對位置關(guān)系。在低速小負(fù)荷區(qū)域外的分層充氣燃燒區(qū)域內(nèi)，通過控制翻滾可以實(shí)現(xiàn)最佳性能，因此，燃料束的形狀所采用的要求被簡化了。因此，本發(fā)明易于應(yīng)用到不同尺寸大小的燃燒室中，從而由于具有較好的彈性和多產(chǎn)性而減少了制造費(fèi)用。
在圖示的實(shí)施例中，火花塞7起著用來點(diǎn)燃可點(diǎn)燃的空氣燃料混合物霧的點(diǎn)火裝置的作用，并且燃料噴射器21起著用來把燃料噴射到燃料室中的噴射裝置的作用。進(jìn)氣口8a和8b、活塞腔14和翻滾控制閥25可以起著翻滾形成裝置的作用，從而在第一分層充氣燃燒模式時(shí)借助于把進(jìn)氣加入到燃燒室中而在燃燒室內(nèi)形成翻滾，并且在第二分層充氣燃燒模式時(shí)抑制翻滾。
本申請是以日本的在先申請No.2000-00367為基礎(chǔ)的。申請日為2001年1月5日的日本專利申請No.2000-00367的整個(gè)內(nèi)容在這里引入以作參考。
盡管參照本發(fā)明的某個(gè)實(shí)施例在上面描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例。根據(jù)上面教導(dǎo)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以對上述實(shí)施例進(jìn)行改進(jìn)和改變。參照下面的權(quán)利要求來限定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，它包括缸體，它限制出氣缸；缸蓋，它包括凹口，該凹口限制出燃燒室的上部內(nèi)表面；火花塞，它從燃燒室的上表面突出；活塞，它安裝在氣缸內(nèi)，從而在氣缸內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該活塞包括活塞頂，該活塞頂與缸蓋的凹口一起形成了燃燒室，該活塞頂形成有腔；第一和第二進(jìn)氣口，這些進(jìn)氣口打開在燃燒室的上表面上，并且設(shè)計(jì)成朝著活塞導(dǎo)入進(jìn)氣，從而與腔配合形成翻滾；缸內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)控制裝置，它工作在第一發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)，從而在燃燒室內(nèi)引起翻滾，因此借助于翻滾把所噴射出來的燃料輸送到火花塞中；及燃料噴射器，它設(shè)置在第一和第二進(jìn)氣口之間的位置上，該位置低于第一和第二進(jìn)氣口，該噴射器布置成在壓縮沖程中，朝著燃燒室的中心把燃料直接噴射到燃燒室中，該燃料噴射器在低速、小負(fù)荷區(qū)域的第二發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)形成穿透火花塞附近的燃料束。
2.如權(quán)利要求1所述的缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，燃燒室的上表面包括第一和第二傾斜區(qū)域，這些傾斜區(qū)域成形成屋脊形(pentroof)燃燒室；火花塞設(shè)置在第一和第二傾斜區(qū)域之間；第一和第二進(jìn)氣口打開在第一傾斜區(qū)域的中間部分中；第一和第二進(jìn)氣口打開于其中的第一傾斜區(qū)域的中間部分設(shè)置在火花塞和燃料噴射器之間；及燃料噴射器成形成能形成這樣的燃料束，該燃料束具有通過火花塞附近的錐形表面。
3.如權(quán)利要求2所述的缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，第一發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域是這樣的區(qū)域該區(qū)域在發(fā)動(dòng)機(jī)速度和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷中的至少一個(gè)上大于第二發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域；第一和第二進(jìn)氣口及活塞頂?shù)那怀尚纬尚纬煞瓭L，從而在第一發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)把所噴射出來的燃料輸送到火花塞的附近；及燃料噴射器成形成在第二發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)，在沒有翻滾的幫助下，借助于燃料束的穿透力把所噴射出的燃料直接輸送到火花塞的附近。
4.如權(quán)利要求3所述的缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，火花塞設(shè)置在燃燒室的上表面的中心區(qū)域內(nèi)，燃料噴射器設(shè)置在靠近第一傾斜區(qū)域的下端處的第一傾斜區(qū)域內(nèi)；燃料噴射器成形成形成這樣的燃料束，在第二發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)，該燃料束具有通過火花塞的點(diǎn)火位置的錐形表面；及，在第二發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)燃料噴射器所噴射出的燃料束的穿透距離大于火花塞的點(diǎn)火位置和燃料噴射器的燃料噴孔之間的距離。
5.如權(quán)利要求3所述的缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，火花塞設(shè)置在燃燒室的上表面的中心區(qū)域內(nèi)，燃料噴射器設(shè)置在靠近第一傾斜區(qū)域的下端處的第一傾斜區(qū)域內(nèi)，并且燃料噴射器成形成形成這樣的燃料束，該燃料束具有錐形表面，在第二發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)，該錐形表面的最上線與連接燃料噴射器的燃料噴射位置和火花塞的點(diǎn)火位置的線形成了±5度的大小范圍的角度，該最上線是最靠近點(diǎn)火位置的錐形表面的線。
6.如權(quán)利要求2所述的缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，燃料噴射器成形成可以形成具有穿透力的燃料束，該穿透力沿著朝向活塞的方向弱于沿著朝向火花塞的方向，因此燃料束不能到達(dá)活塞頂。
7.如權(quán)利要求2所述的缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，燃料噴射器成形成可以形成這樣的燃料束，該燃料束具有這樣的穿透深度，該穿透深度不能到達(dá)燃燒室的上部內(nèi)表面的第二傾斜區(qū)域。
8.如權(quán)利要求1所述的缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，在第二發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)翻滾形成得最弱。
9.如權(quán)利要求1所述的缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，發(fā)動(dòng)機(jī)還包括控制器，從而控制燃料噴射器，從而在第三發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻充氣燃燒，并且在第一和第二發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)分層充氣燃燒模式，并且在第一發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)使缸內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)控制裝置處于工作狀態(tài)，從而增加燃燒室內(nèi)的翻滾程度，而在第三發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)，缸內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)控制裝置保持處于非工作狀態(tài)，從而進(jìn)行均勻充氣燃燒模式，該控制器成形成在第二發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)時(shí)，使缸內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)控制裝置處于非工作狀態(tài)，從而減少翻滾的程度。
10.一種缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，它包括發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體，它包括氣缸和凹口，該凹口限制出燃燒室的上部內(nèi)表面；火花塞，它設(shè)置在燃燒室的上部內(nèi)表面的中心區(qū)域內(nèi)；活塞，它包括圓柱形部分和活塞頂，它在氣缸內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該活塞頂形成有腔；至少一個(gè)進(jìn)氣口，它打開在燃燒室的上部內(nèi)表面的中間區(qū)域內(nèi)，并且設(shè)計(jì)成朝著活塞導(dǎo)入進(jìn)氣，從而與腔配合形成翻滾，中間區(qū)域沿著徑向設(shè)置在燃燒室的上部內(nèi)表面的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域之間；翻滾控制閥，它設(shè)置在所述一個(gè)進(jìn)氣口內(nèi)，并且布置成在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，工作狀態(tài)可以在燃燒室內(nèi)引起翻滾，從而借助于翻滾把噴射出來的燃料輸送到火花塞中，從而實(shí)現(xiàn)第一分層充氣燃燒模式，而非工作狀態(tài)抑制燃燒室內(nèi)的翻滾，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)的低速、小負(fù)荷工作區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)第二分層充氣燃燒模式；及燃料噴射器，它設(shè)置在燃燒室的上部內(nèi)表面的邊緣區(qū)域上，并且在第二分層充氣燃燒模式中成形來形成以錐形的形式進(jìn)行擴(kuò)散的燃料束，該錐形限制在指向活塞頂?shù)那坏淖钕戮€和指向火花塞的最上線之間。
11.一種缸內(nèi)直噴式火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)，它包括點(diǎn)火裝置，當(dāng)空氣燃料混合物霧到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的點(diǎn)火區(qū)域時(shí)，它點(diǎn)燃可點(diǎn)燃的空氣燃料混合物霧；翻滾形成裝置，在第一分層充氣燃燒模式中，通過把進(jìn)氣導(dǎo)入到燃燒室中，該翻滾形成裝置在燃燒室內(nèi)形成翻滾，并且在第二分層充氣燃燒模式中抑制翻滾；及噴射裝置，它沿著避免干擾點(diǎn)火區(qū)域的方向把燃料噴射到燃燒室中，因此形成了這樣的燃料束，該燃料束包括上部線段，而該上部線段在第二分層充氣燃燒模式中到達(dá)了點(diǎn)火區(qū)域。
全文摘要
一種直接燃料噴射發(fā)動(dòng)機(jī)包括燃料噴射器，該噴射器定位成和取向成可以形成燃料束，在發(fā)動(dòng)機(jī)的低速、小負(fù)荷工作區(qū)域內(nèi)，借助于燃料束的穿透力使該燃料束的上部線段到達(dá)火花塞的附近，從而實(shí)現(xiàn)分層充氣燃燒，而不需要翻滾的幫助。翻滾控制閥進(jìn)行工作從而增強(qiáng)燃燒室內(nèi)的翻滾，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)速度和/或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較高的發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域內(nèi)，借助于翻滾實(shí)現(xiàn)分層充氣燃燒。
文檔編號F02B31/00GK1404546SQ01805447
公開日2003年3月19日 申請日期2001年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月5日
發(fā)明者福住雅洋 申請人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社