火花点火式内燃发动机的燃烧室结构

摘要

一种用于火花点火式内燃发动机的燃烧室结构包括燃烧室、火花塞和引导部。所述燃烧室构造成产生在气缸的轴向上回旋的翻滚流。所述火花塞配置在所述燃烧室的上壁的中央部中。所述引导部从所述燃烧室的上壁突出，并且构造成沿所述燃烧室的进排气方向引导从所述燃烧室的所述中央部通过的气流、同时使所述气流分散在所述引导部周围。

说明书

技术领域

本发明涉及火花点火式内燃发动机的燃烧室结构。

背景技术

本领域中已知在燃烧室内产生翻滚流并且该翻滚流被导向火花塞附近的火花点火式内燃发动机。例如，在如日本专利申请公报2013-113126(JP2013-113126 A)中记载的内燃发动机的该类型的燃烧室结构中，设置在火花塞孔周围的火花塞区域以及设置在两个进气口和两个排气口周围的四个开口区域借助于脊部被彼此界定或分离，并且火花塞区域和四个开口区域各自都呈在燃烧室内向上凹进的大致半球形形状形成。对于该燃烧室结构，在压缩上死点附近崩塌的翻滚流会在火花塞附近集中。相应地，能提高点火性能，并且能提高燃烧效率。

发明内容

同时，当发动机转速改变时，翻滚流的流速改变。如果翻滚流的速度随着发动机转速的升高而升高，则翻滚流在压缩冲程中崩塌的可能性高。如果翻滚流崩塌，则翻滚流在安装火花塞的部位附近的流速过度下降，并且点火性能可能下降。此外，如果翻滚流崩塌，则空燃混合物紧接在点火之前不均匀或非均质地分布，这可能导致点火之后的不均匀或不均质的火焰传播。

本发明提供了一种在燃烧室中产生翻滚流的火花点火式内燃发动机的燃烧室结构，其中翻滚流不太可能或不可能崩塌。

根据本发明的一方面的用于火花点火式内燃发动机的燃烧室结构包括 构造成产生在气缸的轴向上回旋的翻滚流的燃烧室、配置在所述燃烧室的上壁的中央部中的火花塞、和从所述燃烧室的上壁突出的引导部。所述引导部构造成沿所述燃烧室的进排气方向引导从所述燃烧室的所述中央部通过的气流、同时使所述气流分散在所述引导部周围。

对于上述布置结构，从燃烧室的上壁突出的引导部使得可以抑制翻滚流在压缩冲程中崩塌，该崩塌否则会由于翻滚流的速度升高而产生。此外，引导部能消除紧接在点火之前的空燃混合物的分布的不均匀。相应地，能有利地抑制点火之后的不均匀或不均质的火焰传播。

在根据本发明的上述方面的燃烧室结构中，所述引导部可设置在安装所述火花塞的位置处。此外，所述燃烧室的上壁可具有两个进气口和两个排气口，并且所述引导部可具有起始于所述两个进气口之间的一点的外周缘，所述外周缘沿各进气口的气门座的外缘延伸，所述外周缘在位于所述进气口和所述排气口之间的点弯曲成导向所述两个排气口之间，并且所述外周缘终止于所述两个排气口之间的一点。

引导部可设置在燃烧室的进气侧。然而，如果引导部设置在燃烧室的进气侧，它可能阻碍进气流入燃烧室中。如果引导部如上所述设置在安装火花塞的位置处，则允许进气平顺地流入燃烧室内。此外，在两个进气口和两个排气口设置在燃烧室的上壁中的情况下，引导部的外周缘优选如上所述地成形。

附图说明

下面将参照附图说明本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中：

图1是根据本发明的一个实施方式的内燃发动机的燃烧室的示意性剖视图；

图2是从活塞侧观察时的燃烧室的透视图；

图3是从活塞侧观察时的燃烧室的平面图；

图4是图3的IV-IV剖视图；

图5是图3的V-V剖视图；

图6是示出压缩TDC前后的气体流速的变化的视图；

图7是示出用于比较的燃烧室内的压缩TDC处的气流分布的视图；

图8是示出用于比较的燃烧室内的压缩TDC处的气流的速度分布的视图；

图9是示出用于比较的燃烧室内随着时间经过的火焰传播的视图；

图10是示出本发明的实施方式的燃烧室内的压缩TDC处的气流分布的视图。

图11是示出实施方式的燃烧室内的压缩TDC处的气流的速度分布的视图；

图12是示出突部的突出量和塞部流速之间的关系的视图；

图13A是突部的示意图；

图13B是突部的剖视图；

图14是示出压缩TDC前后的气流的扰动的变化的视图；以及

图15是示出本发明的实施方式的一个修改例的视图。

具体实施方式

将参照附图说明根据本发明的一个实施方式的内燃发动机的燃烧室结构。

图1是根据本发明实施方式的内燃发动机的燃烧室的示意性剖视图。如图1所示，活塞14在发动机10的气缸12内设置成使得活塞14能与气缸12滑动接触地在气缸12内往复运动。在气缸12上装设有气缸盖16。燃烧室18由气缸12的孔壁、活塞14的顶面和气缸盖16的底部限定。

在气缸盖16中设置有用于将燃料直接喷射到燃烧室18内的燃料喷射阀20。在气缸盖16中还设置有用于点燃燃烧室18内的空燃混合物的火花塞22。即，内燃发动机10是缸内或直喷型火花点火式发动机。发动机10可以是进气口喷射型火花点火式发动机。

在气缸盖16的下表面中形成有进气口24和排气口26。燃烧室18经 由进气口24与进气通路28连通，并经由排气口26与排气通路30连通。进气口24以促进作为沿在图1中用箭头t表示的方向回旋的竖直流的进气翻滚流的产生的形状形成。在进气通路28中可设置有用于有效地产生翻滚流的气流控制阀。在各进气口24中设置有进气门32。在各排气口26中设置有排气门34。

图2是从活塞14侧观察时的燃烧室18的透视图。如图2所示，在气缸盖16中形成有两个进气口24和两个排气口26。气门座36嵌埋在各进气口24的开口端中。气门座38嵌埋在各排气口26的开口端中。各气门座36、38的内周面限定出直径朝燃烧室18扩大的锥形孔。当图1的进气门32靠置在相应锥形孔的壁上时，进气口24关闭。当进气门32移动离开锥形孔的壁时，进气口24打开。排气口26以与进气口24相同的方式开闭。

如图2所示，从气缸盖16的下表面突出到燃烧室18中的突部40形成在四个口的开口端的大致中间位置(即，燃烧室18的上壁的大致中央部)处。将参照图3至图5详细说明突部40的形状。火花塞22插入并嵌合在形成于突部40的大致中心处的塞孔42中，并且塞22的远侧电极部露出在燃烧室18的内部。

图3是从活塞14侧观察时的燃烧室18的平面图。如图3所示，突部40成形为截面像银杏叶，且其起始于两个进气口24之间的一点的外周缘沿相应气门座36的外缘延伸，在位于进气口24和排气口26之间的点弯曲成被导向两个排气口26之间，并终止于排气口26之间的一点。突部40的宽度在其位于进气口24和排气口26之间的部分处最大，并朝其位于两个进气口24之间的部分或其位于两个排气口26之间的部分减小。

图4是图3的IV-IV剖视图。在将塞孔42的开口端的截面线42a视为基准线的情况下，将关于在气缸的轴向上测定的两个距离来理解下文。即，突部40的更靠近进气口24的外缘40a和截面线42a之间的距离D1比突部40的更靠近排气口26的外缘40b和截面线42a之间的距离D2短。即，突部40成形为在进气口24侧与排气口26侧相比以更大的程度突出到燃烧室18内。此外，将关于在与气缸的轴线垂直的方向上测定的两个距离来理 解下文。即，从塞孔42的开口端42b到外缘40a的距离D3比从塞孔42的开口端42c到外缘40b的距离D4长。即，突部40在进气口24侧与排气口26侧相比以更大的程度延伸。该形状从图3也显而易见。

图5是图3的V-V剖视图。在将与图4的截面线42a平行的截面线40c视为基准线的情况下，将关于在与气缸轴线垂直的方向上测定的两个距离来理解下文。即，从突部40的位于进气口24侧的外缘40d到截面线40c的一端40e的距离D5比从突部40的位于排气口26侧的外缘40f到截面线40c的另一端40g的距离D6短。即，突部40在进气口24侧从气门座36的外缘附近沿该外缘突出到燃烧室18内。

参照图6至图11，将说明基于燃烧室18的结构的效果。图6示出压缩TDC前后的气体流速的变化。图6的曲线图是通过在发动机转速为4000rpm且节气门全开(WOT：全开节气门)的运转条件下使用插入塞孔中的测量仪器测量燃烧室内的气体流速(塞部流速)而绘制的。在图6中，纵轴表示气体流速的测量值。更具体地，测量值在气体从进气侧流向排气侧的情况下为正(+)值，而在气体从排气侧流向进气侧的情况下为负(-)值。

图6中标示为“基本”的曲线表示在不具有突部40的用于比较的燃烧室内测定的塞部流速。更具体地，塞部流速在压缩TDC之前很久为正值，但随着曲柄角接近压缩TDC而下降并为负值。即，在用于比较的燃烧室内，气体的流动方向在压缩TDC之前反转。图6中标示为“有突部”的曲线表示具有突部40的燃烧室18内的塞部流速。更具体地，塞部流速随着曲柄角接近压缩TDC而下降，但即使是在压缩TDC附近也仍为正值。即，在本实施方式的燃烧室18内，抑制或防止了在用于比较的燃烧室内观察到的气体的反转。

在用于比较的燃烧室内气流方向反转，这是因为产生了ω翻滚流。将参照图7至图9说明ω翻滚流。图7示出用于比较的燃烧室内的压缩TDC处的气流分布。如图7所示，在用于比较的燃烧室44内形成有具有两个旋转轴线的旋流。如图7的下部中的A-A剖视图所示，上述气流的中心(翻滚中心TC)形成在火花塞附近。

如上所述的气流由于以下原因而形成。即，在进气冲程中从两个进气口流来的两股进气流在流入燃烧室44之后立即一起结合成一股大的翻滚流，并且该翻滚流在燃烧室44内在气缸的轴向(竖直方向)上回旋。如果发动机转速低，则竖直旋流的形状得以维持。然而，随着发动机转速升高，竖直旋流的速度增大，并且燃烧室44的中心附近在进排气方向上的气流变强。结果，竖直旋流在压缩冲程中崩塌，并且转变成具有两个旋转轴线的旋流。由于竖直流所变成的旋流的轨迹在从燃烧室44上方看去时呈ω(omega)形状，所以该旋流在本说明书中叫做“ω翻滚流”。

图8示出燃烧室44内的压缩TDC处的气流的速度分布。如图8所示，在燃烧室44的中央部中，在进排气方向上气流速度V以相对宽的间隔分布。另一方面，在燃烧室44的周边部中气流速度V以相对窄的间隔分布。这是因为气流在燃烧室44的中央部附近集中，并彼此干涉，使得在与进排气方向垂直的方向上产生气流成分。

如果在燃烧室中形成ω翻滚流，则点火之后的火焰传播偏离，即在点火之后火焰不均匀地传播。图9示出燃烧室44内随着时间经过的火焰传播。在图9的示例中，点火正时被设定为压缩TDC。如图9所示，在燃烧室44的中央部发生的火焰在大小扩大的同时朝向燃烧室44的侧壁(即，气缸孔的壁)传播。然而，如果形成ω翻滚流，则气体从排气侧流向进气侧，因此，火焰不是呈正圆形的形状形成，而是发生变形。这可能导致爆震的发生或燃料的燃烧延迟。

在这方面，根据具有突部40的燃烧室18的结构，不太可能或不可能形成ω翻滚流。图10示出燃烧室18内的压缩TDC处的气流分布。如图10所示，燃烧室18内的气流沿进排气方向分布。未观察到形成在燃烧室44内并具有两个旋转轴线的旋流。这是因为从燃烧室18的中央部通过的气流由突部40分散成在突部40周围行进。如图10的下部中的A-A剖视图所示，气流的中心(翻滚中心)形成为离燃烧室18的中央比离火花塞22的末端更近。这是因为气流形成为避开突部40，如图10中的箭头所示。

图11示出燃烧室18内的压缩TDC处的气流的速度分布。如图11所 示，气流速度V在燃烧室18内以大致相等的间隔分布。原因与如上文参照图10所述的原因相似。

参照图12至图14，将说明突部40的突出量。图12示出突部40的突出量和塞部流速之间的关系。图12是通过与图6相似的方法绘制的。图12中标示为“无突部”的曲线表示在不具有突部40的用于比较的燃烧室中测定的塞部流速，与图6中标示为“基本”的曲线相似。这种情况下，气流方向在压缩TDC之前反转。如果突出量从“无突出”增大，则在突出量等于VD1、VD2时仍观察到气流方向的反转，但在突出量等于VD3、VD4时不发生气流方向的反转。因而，如果突出量VD增大，则消除了气流方向的反转。

图12的突出量由图13A和图13B限定。图13A是突部40的示意图，而图13B是其剖视图。如图13B的C-C截面和D-D截面所示，在气缸的轴向上测得的塞孔42的开口端的截面线42a和位于排气口26侧的突部40的外缘40b之间的距离被定义为突出量VD。

图14是示出压缩TDC前后的气流的扰动的变化的视图。如图14所示，燃烧室内的气流的扰动随着突出量VD增大而减小。如果气流的扰动小，则气流不均匀或不均质地分布在燃烧室内，并且火焰传播受不均匀的气流分布的影响。因此，并非始终希望单纯地增大突部40的突出量VD。从该观点看，优选将突部40的突出量设定为能消除燃烧室中的气流方向的反转但不减小气流扰动的值。

如上所述，根据燃烧室18的结构，燃烧室内不太可能或不可能形成ω翻滚流。因此，能修正燃烧室中的火焰的变形，并且能有利地抑制爆震的发生。此外，能抑制燃料燃烧速度的下降。因此，即使在可燃性比新空气低的EGR气体被导入燃烧室内的情况下，也不太可能或不可能发生诸如失火的问题。因此，当内燃发动机10配备有EGR系统时，能将更大量的EGR气体导入发动机10中。

虽然在上述实施方式中突部40设置成包围塞孔42，但突部40形成的位置不限于该位置。图15示出上述实施方式的一个修改例。在图15所示 的燃烧室46内，突部48形成在比塞孔42更靠近进气口24的位置处。突部48用作使从燃烧室46的中央部通过的气流分散在突部48周围的隔壁。因而，该突部可以形成在任何部位或者可以呈各种形状形成，只要该突部能在使气流分散在突部周围的同时将从燃烧室46的中央部通过的气流导向排气口26即可。

在上述实施方式中，突部40对应于根据本发明的“引导部”。