缸内直喷式火花点火发动机

摘要

一种直接燃料喷射发动机包括燃料喷射器，该喷射器定位成和取向成可以形成燃料束，在发动机的低速、小负荷工作区域内，借助于燃料束的穿透力使该燃料束的上部线段到达火花塞的附近，从而实现分层充气燃烧，而不需要翻滚的帮助。翻滚控制阀进行工作从而增强燃烧室内的翻滚，从而在发动机速度和/或发动机负荷较高的发动机工作区域内，借助于翻滚实现分层充气燃烧。

说明书

本发明的背景技术

本发明涉及一种缸内直喷式火花点火发动机。

缸内直喷式火花点火发动机通常布置成：借助于使用燃烧室内的缸内流体流把喷射出来的燃料输送到火花塞的附近来进行燃烧，在预定的发动机工作区域内实现分层充气燃烧。已公开的日本专利申请(Kokai)No.2000-87750公开了这种直喷式发动机。

本发明的概述

在发动机的低速、小负荷区域内，进气量是如此小，以致燃烧室内的翻滚太弱从而不能把喷射出来的燃料充分地携带到火花塞附近，并且不能满意地实现分层充气燃烧。

因此，本发明的目的是提供一种直喷式火花点火发动机，该发动机即使在低速、小负荷的发动机工作区域内也可以提供稳定的分层充气燃烧。

根据本发明，缸内直喷式火花点火发动机包括：缸体，它包括气缸；缸盖，它包括凹口，该凹口限制出燃烧室的上部内表面；火花塞，它从燃烧室的上表面突出；活塞，它安装在气缸内，从而在气缸内进行往复运动，该活塞包括活塞顶，该活塞顶与缸盖的凹口一起形成了燃烧室，该活塞顶形成有腔；第一和第二进气口，这些进气口打开在燃烧室的上表面上，并且设计成朝着活塞加入进气，从而与腔配合形成翻滚；缸内流体运动控制装置，它工作在第一发动机工作区域内，从而在燃烧室内引起翻滚，因此借助于翻滚把所喷射出来的燃料输送到火花塞中；及燃料喷射器，它设置在第一和第二进气口之间的这样位置上，该位置低于第一和第二进气口，该喷射器布置成：在压缩冲程中，朝着燃烧室的中心把燃料直接喷射到燃烧中，并且在低速、小负荷区域的第二发动机工作区域内形成穿透火花塞附近的燃料束。

根据本发明的另一个方面，缸内直喷式火花点火发动机包括：发动机气缸体(如缸体和缸盖的组件)，它包括气缸和凹口，该凹口限制出燃烧室的上部内表面；火花塞，它设置在上部内表面的中心区域内并且进入燃烧室；活塞，它包括圆柱形部分和活塞顶，它在气缸内进行往复运动，该活塞顶形成有腔；至少一个进气口，它打开在燃烧室的上部内表面的中间区域内，该中间区域径向地位于燃烧室的上部内表面的中心区域和边缘区域之间，并且该至少一个进气口设计成朝着活塞加入进气，从而与腔配合形成翻滚；翻滚控制阀，它设置在所述一个进气口内，并且布置成在工作状态和非工作状态之间进行运动，工作状态可以在燃烧室内引起翻滚，从而借助于翻滚把喷射出来的燃料输送到火花塞中，从而实现第一分层充气燃烧模式，而非工作状态抑制燃烧室内的翻滚，从而在发动机的低速、小负荷工作区域内实现第二分层充气燃烧模式；及燃料喷射器，它设置在燃烧室的上部内表面的边缘区域上，并且在第二分层充气燃烧模式中成形来形成以锥形的形式进行扩散的燃料束，该锥形限制在指向活塞顶的腔的最下线和指向火花塞的最上线之间。

根据本发明的另一个方面，缸内直喷式火花点火发动机包括：点火装置，当空气燃料混合物雾(mixture cloud)到达发动机燃烧室的点火区域时，它点燃可点燃的空气燃料混合物雾；翻滚形成装置，在第一分层充气燃烧模式中，通过把进气加入到燃烧室中，该翻滚形成装置在燃烧室内形成翻滚，并且在第二分层充气燃烧模式中抑制翻滚；及喷射装置，它沿着避免干扰点火区域的方向把燃料喷射到燃烧室中，因此形成了这样的燃料束，该燃料束包括上部线段(upper segment)，而该上部线段在第二分层充气燃烧模式中到达了点火区域。

参照附图，从下面的描述中可以理解本发明的其它目的和特征。

附图的简短描述

图1A和1B示意性地示出了本发明的一个实施例的缸内直接燃料喷射式火花点火发动机。图1A是剖视图，而图1B是从活塞的侧部到缸盖所看去的视图；

图2A和2B示出了用于图1A和1B所示的发动机中的活塞。图2A是平面视图，而图2B是垂直剖视图。

图3A和3B是剖视图，它们示出了由图1A和1B所示出的发动机所执行的两个不同的分层充气燃烧模式。

图4是示意图，它示出了分层充气燃烧的两个不同的发动机工作区域及由图1A和1B的发动机所执行的均匀燃烧的一个区域。

图5是方框图，它示出了图1A和1B的发动机的发动机控制器。

本发明的详细描述

图1A和1B示出了本发明的一个实施例的、缸内直接燃料喷射的火花点火式发动机1。尽管这个例子的发动机1是多缸发动机，但是图1A和1B只示出了一个气缸，从而有利于解释。从根本上讲，这个例子的发动机1是空气导入型直喷式发动机，该发动机包括至少一个进气口和活塞腔(piston cavity)，它们被构造成可以形成翻滚的缸内空气流，从而把喷射到燃烧室中的燃料携带到火花塞的附近，而该火花塞设置在燃烧室的顶部上。如图1A所示一样，活塞13上下滑动。尽管发动机可以水平或者倾斜地安装在汽车上，但是，例如压缩燃烧室内的气体的活塞运动方向被称为向上的方向。

缸盖2形成有凹口，该凹口面对形成于缸体4中的气缸5。该凹口从缸盖2的下表面2a中凹入，并且由第一和第二倾斜表面3a和3b及圆柱形表面3c限制出，而这些倾斜表面沿着两个相对方向从脊线3d向下倾斜。第一和第二倾斜内表面3a和3b形成了燃烧室的顶表面或者上部内表面。第一和第二倾斜内表面3a和3b基本上是双向对称的。燃烧室的圆柱形内表面3c从第一和第二倾斜表面3a和3b的下端部向下延伸。

屋脊形燃烧室6由倾斜内表面3a和3b、圆柱形内表面3c、气缸5和活塞13形成，而活塞13通过活塞环而在气缸5内进行滑动。燃烧室6的几何结构由气缸5的孔径(内径)、活塞13的活塞顶的形状、缸盖2的顶高H(即从缸盖2的下表面2a到燃烧室6的上部内表面的脊线3d的高度)及闸阀间的角度θ1来确定，而角度θ1形成于进气阀和排气阀的杆(或者中心轴线)之间。大约在脊线3d的中部(第一和第二倾斜表面3a和3b沿着该中部相遇)设置有火花塞7，该火花塞包括突出部分，该突出部分伸出到燃烧室6中，并且具有中心电极7a和外部电极7b。在这个实施例中，火花塞7b基本上设置在燃烧室6的顶部中心，如图1B所示一样。

两个进气口8a和8b在图1A和1B看去的右侧的第一倾斜内表面3a中向下打开，而两个排气口9a和9b在左侧的第二倾斜表面3b上向下打开。进气口8a和8b设计成借助下面方法在燃烧室6内形成翻滚(如图1A中所看到的垂直涡流)：沿着朝向活塞顶的方向(即避免与火花塞7干扰的方向)加入进气，并且使进气流撞击活塞顶。为了形成翻滚，与预混合燃烧的发动机的进气口设计相比，进气口8a和8b是直立的。即，流入角度θ2更大，如图1A所示一样。在这个实施例中，流入角度θ2定义为缸盖2的下部平表面(或者下侧)2a与进气口8a和8b中的每一个的直的中心线之间的角度。活塞13在顶部形成有浅的腔14，该腔14设置成形成翻滚运动。

图2A和2B示出了活塞13的形状。活塞顶包括环绕着腔14的升高边缘(外部)。升高边缘包括进气侧斜面15、排气侧斜面16、中心脊线部分17(它在两个斜面15和16之间进行延伸)及锥形外表面18，该外表面18环绕着斜面15和16及中心脊线部分17。中心脊线部分具有平的水平上表面，腔14把该表面分成两个相等的半部。在图2A和2B中，活塞13的左、右侧是相反的，因此进气侧斜面15位于图2A和2B的左侧上，而该进气侧位于图1A和1B的右侧上。(日本专利申请No.2000-306511公开了类似活塞的设计)

高压燃料喷射器21设置在缸盖2的进气侧倾斜内表面3a上，并且布置成把燃料直接喷射到燃烧室6中。燃料喷射器21在进气口8a和8b的开口之间沿着圆周方向设置在径向向外的位置上，该位置的高度小于进气口8a和8b的开口位置的高度，并且该位置靠近圆柱形表面3c或者靠近倾斜表面3a的下端。因此，燃料喷射器2设置成并且取向成如此喷射燃料，以致翻滚可以携带燃料。燃烧喷射器21包括喷嘴21a，它沿着倾斜向下的方向朝着下面这样的位置而通过喷射孔21b喷射燃料：该位置刚好低于火花塞7的火花位置7c，而该喷射孔21b形成于喷嘴21a的顶部。进气阀10a和10b各自设置成打开和关闭第一和第二进气口8a和8b的开口。排气阀11a和11b各自设置成打开和关闭第一和第二排气阀9a和9b的开口中。

翻滚控制阀25设置在通到燃烧室6中的上游位置上的每个进气口8a和8b上。翻滚控制阀25起着缸内流体运动控制装置的作用，从而在燃烧室6引起翻滚26。当每个翻滚控制阀25关闭时，进气口8a和8b的流体通道部分的下半部关闭了，并且进气流只通过上半部加入。因此，在关闭状态时，翻滚控制阀25通过下面方法加强了燃烧室6内的翻滚26：提高进气流的流动速度，如图3A所示一样。翻滚26聚集并且把从燃料喷射器21中喷射出来的燃料束携带到火花塞7中，因此形成了浓的可点燃混合物雾(mixture cloud)24。当混合物雾到达点火位置7c时，火花塞7可以点燃混合物雾24，从而实现稳定的分层充气燃烧性能。点火位置7c基本上形成于火花塞7的中心电极7a和外电极7b之间。

在分层充气燃烧区域内的发动机中速、中等负荷工作区域内时，翻滚控制阀25被关闭。分层充气燃烧区域具有一定范围的宽度，并且因此最佳燃料喷射正时和最佳点火正时根据分层充气燃烧区域内的发动机速度和/或发动机负荷进行改变。因此，在整个分层充气燃烧区域内，在最佳时间时，需要翻滚把混合物雾携带到点火位置7c的周围区域。因此，进气口a和8b的流入角度θ2、进气阀和排气阀的轴线之间的闸阀间的角度θ1(如图1所示)及活塞13的活塞顶形状被构造成结合起来得到较强的翻滚。

在分层充气燃烧区域之外的区域内，发动机1进行工作从而得到均匀的充气燃烧，这种燃烧的主要目的是实现理论空气燃料比。在这种均匀充气燃烧区域内：发动机速度和/或发动机负荷大于分层充气燃烧区域的范围，即使在翻滚控制阀25打开时，足量的进气流可以在燃烧室6内形成强烈的翻滚。在这个实施例中，因此，翻滚控制阀25在均匀充气燃烧模式时保持打开，并且在翻滚状态的进气行程时，燃料喷射器21被驱动来喷射燃料，从而在整个燃烧室6内得到均匀的混合物，从而实现均匀充气燃烧。

包括发动机怠速工作在内的发动机的低速、小负荷工作区域是分层充气燃烧区域的子区域。在该低速、小负荷区域内，进气流太小，以致不能得到充分的翻滚。因此，在这个区域内，从燃料喷射器21中喷射燃料，从而只借助于燃料喷射的力可以到达火花塞7的点火位置7c的周围区域。下面是实现这个的两个基本要求。

首先，燃料束以锥形的形式离开燃料喷射器21的喷射孔21b，该锥形具有锥形表面，该表面包括这样的线段(最上部的线31a)：该线段最靠近火花塞21的点火位置7c，并且通过点火位置7c。

第二，燃料喷射器21的燃料束的穿透深度L1大于从燃料喷射喷嘴21a的顶部处的喷射孔位置21b到火花塞7的点火位7c的距离L2。穿透深度L1是燃料束可以通过的范围或者距离。

燃料束通常是锥形的并且绕着燃料喷射器21的喷嘴21a的中心轴线21c是对称的，如图1B所示一样。如果锥形燃料束整体上是对称的并且它的最下部线在长度上等于最上部线，那么燃料束的下端部分撞击活塞腔14的表面并且使该腔表面变湿，并且这种燃料弄湿在低速的小负荷区域内提高了HC排放物。而且，如果燃料束的穿透深度L1是如此的长以致允许所喷射出的燃料到达排气侧倾斜内表面3b，那么HC排放物的量增加了，如实验所证实的一样。相应地，应该满足下面两个补充要求来限制由于燃料撞击活塞顶和排气侧倾斜内表面3b而引起的HC排放物增加。

第三，与沿着朝向活塞13的方向相比，燃料束沿着朝向火花塞7的方向延伸得更长。

第四，燃料束的穿透深度L1不是如此长，以致可以到达排气侧上内部倾斜表面3b。

图1A的截面上所示出的燃料束具有这样的形状，该形状满足所有的两个基本要求和两个补充要求。锥形燃料束31的最上部的边(或者最上部的直线段)通过点火位置7c，但是在到达排气口9a和9b的开口位置之前终止。另一方面，锥形燃料束31的最下部的边(或者最下部的直线段)31b短于最上部的边31a，并且没有到达活塞腔14内的表面。燃料束31的前端31c在最上部的线31a和最下部的线31b之间进行延伸，该前端31c没有到达活塞腔14，也没有到达排气侧倾斜表面8b。

在这个实施例中，如此确定下面的几何因素，以致可以满足所有的上述四个要求。即，如此确定在燃料喷射孔位置21b和点火位置7c之间的相对位置关系、燃料束角度α、燃料束的偏离角度β及燃料喷射器21的安装角度γ，以致可以满足所有的四个要求。在图1A的截面图中，燃料束角度α是形成于燃料束31的最上部的边31a和最下部的边31b之间的角度，该燃料束31从喷射孔位置21a扩散开来。偏离角度β是位于燃料喷射器喷嘴21a的中心线21c和燃料束31的最上部的边31a之间的角度。安装角度γ是位于燃料喷射器喷嘴21a的中心线21c和横截面平面(或者缸盖下表面1a)之间的角度，而气缸5的轴线垂直于该平面。

实际上，火花塞7的安装位置、燃料喷射器21的安装位置和安装角度、顶高H和气缸5的缸径涉及到由于制造过程所引起的元件对元件的变量。实验表明关于偏离角度δ的下面结论，该角度δ定义为锥形燃料束31的最上部的边31a相对于直线35所形成的角度，而直线35使燃料喷射孔位置21b与点火位置7c连接起来。当偏离角度δ处于±5度的范围内时，只借助于燃料束的冲量可以使处于背压下所喷射出来的燃料到达火花塞7的点火位置7c的附近，并且得到稳定的、最佳的分层充气燃烧。背压是压缩冲程后期的缸内压力。

在下面情况下：在包括怠速工作区域在内的低速小负荷区域内，只借助于燃料束的力使燃料束倾向于到达点火位置的附近，翻滚可以扰乱燃料束并且引起熄火。相应地，翻滚控制阀25保持全部打开状态，从而在包括怠速工作区域在内的低速小负荷工作区域内，使缸内的翻滚流大小最小化。尽管完全消除翻滚是理想目标，但是根据实验结果，在发动机工作区域内，较弱的翻滚36也不会对分层充气燃烧产生不良的影响。

图4示出了控制曲线图，该曲线图用于发动机控制器111中，而该控制器111用来控制翻滚控制阀25。在图4中，翻滚控制阀25简写为TCV。控制区域被分成分层充气燃料区域和均匀充气燃烧区域，在分层充气燃烧区域内，执行分层充气燃烧，而在均匀充气燃烧区域内，执行均匀充气燃烧。均匀燃烧区域是这样的发动机工作区域：在该工作区域内，发动机速度高于分层充气燃烧区域的范围，和/或发动机负荷大于分层充气燃烧区域的范围。在这个例子中，分层充气燃烧区域由2500rpm的发动机速度极限和400Kpa的发动机负荷极限来定界，如图4的点划线所示一样。当发动机速度大于2500rpm的中等速度大小时，或者当发动机负荷大于400KPA的中等负荷大小时，执行均匀充气燃烧。而且，分层充气燃烧区域被分成低速小负荷工作区域(或者子区域)和剩余区域(或者子区域)，在该剩余区域内，发动机速度高于低速小负荷区域的发动机速度范围，和/或发动机负荷大于低速小负荷区域的发动机负荷范围。

根据传感器部分112所收集到的发动机工作条件，发动机控制器111通过包括翻滚控制阀25在内的致动器部分13来控制发动机的工作。控制器111通过监控传感器部分112所探测到的当前发动机速度和负荷而从三个发动机工作区域中选择一个，并且根据所选择的工作区域来控制翻滚控制阀15。如果当前发动机速度和负荷所确定的当前发动机工作点位于均匀充气燃烧区域，那么发动机控制器111使翻滚控制阀25保持打开状态。当发动机工作点进入分层充气燃烧区域时，那么发动机控制器111关闭翻滚控制阀25，从而提高燃烧室内的翻滚。当发动机速度和/或发动机负荷进一步减少而进入到低速小负荷区域时，那么发动机控制器111打开翻滚控制阀25。

这个例子的发动机控制器111计算适合于分层充气燃烧或者均匀充气燃烧的理想的燃料喷射量和理想的燃料喷射正时，并且根据计算结果控制实际燃料喷射量和燃料喷射正时。而且，发动机控制器111计算适合于分层充气燃烧或者均匀充气燃烧的理想点火正时，并且根据计算结果控制实际点火正时。发动机控制器111包括作为主要零件的至少一个处理器。

图3B示出了在低速小负荷区域内(例如在怠速时)的发动机1的工作。只通过燃料束的力使在背压下所喷射出来的燃料到达火花塞7的点火位置7c。因此，发动机1可以执行稳定的分层充气燃烧，从而在低速小负荷区域内(在该区域内不能得到足够的翻滚)提供最佳性能。

与沿着朝向火花塞7的方向相比，燃料束沿着朝向活塞13的方向形成得更弱，从而防止燃料撞击活塞顶的表面。而且，燃料束的穿透深度是这样决定的，以致燃料束不能到达排气侧倾斜内表面3b。这种设计可以防止燃料粘到活塞顶和排气侧倾斜内表面3b上，因此抑制了不良的HC排放物的增加。

在这种低速小负荷区域内，翻滚控制阀25处于完全打开状态从而使翻滚达到最小。因此，可以防止燃料束受到翻滚的干扰，并且可以减少熄火。

当发动机负荷从这个状态开始增加并且背压变得更大时，燃料束的尺寸大小倾向于变得更小，并且从燃料喷射到点火的时间间隙随着速度增加而变得更短。因此，如果在这个发动机工作区域内只借助于燃料束的穿透力把燃料输送到火花塞7中，那么所喷射出来的燃料不能在最佳点火正时的时间内到达火花塞7。因此，在这个工作区域内，控制器111关闭了翻滚控制阀25，如图3A所示一样，从而在燃烧室6内形成了强烈的翻滚26。在分层充气燃烧区域内的低速小负荷区域外部的区域内，沿着干扰这种强烈翻滚26的方向喷射燃料，并且该燃料借助于强烈翻滚26携带到火花塞7的附近中。因此，借助于翻滚来执行分层充气燃烧。

在这种方法中，借助于使用适合于中速中负荷区域的第一模式和适合于低速小负荷区域的第二模式，本发明这个实施例的直喷式发动机在低速小负荷区域和剩余区域(或者中速中负荷区域)可以充分地执行分层充气燃烧，因此在整个广大的分层充气燃烧区域内可以改善燃料经济性。

在确定低速小负荷区域的燃料束的形状时，翻滚不再是考虑的因素，并且剩余的主要因素是关于基本要求的、在燃料喷射器21和火花塞7之间的相对位置关系。在低速小负荷区域外的分层充气燃烧区域内，通过控制翻滚可以实现最佳性能，因此，燃料束的形状所采用的要求被简化了。因此，本发明易于应用到不同尺寸大小的燃烧室中，从而由于具有较好的弹性和多产性而减少了制造费用。

在图示的实施例中，火花塞7起着用来点燃可点燃的空气燃料混合物雾的点火装置的作用，并且燃料喷射器21起着用来把燃料喷射到燃料室中的喷射装置的作用。进气口8a和8b、活塞腔14和翻滚控制阀25可以起着翻滚形成装置的作用，从而在第一分层充气燃烧模式时借助于把进气加入到燃烧室中而在燃烧室内形成翻滚，并且在第二分层充气燃烧模式时抑制翻滚。

本申请是以日本的在先申请No.2000-00367为基础的。申请日为2001年1月5日的日本专利申请No.2000-00367的整个内容在这里引入以作参考。

尽管参照本发明的某个实施例在上面描述了本发明，但是本发明不局限于上述实施例。根据上面教导，本领域普通技术人员可以对上述实施例进行改进和改变。参照下面的权利要求来限定本发明的范围。