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CN101835965B - 直接喷射式内燃机 - Google Patents

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CN101835965B CN2008801128240A CN200880112824A CN101835965B CN 101835965 B CN101835965 B CN 101835965B CN 2008801128240 A CN2008801128240 A CN 2008801128240A CN 200880112824 A CN200880112824 A CN 200880112824A CN 101835965 B CN101835965 B CN 101835965B
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Abstract

本发明涉及直接喷射式内燃机，在形成在活塞(30)的顶部的腔(C)的底面的凸台部(31)的锥面，在俯视图中，多个凸部(31a)以等角度间隔形成为放射状。各凸部(31a)分别配置成其延伸方向沿对应的燃料喷雾的轴线X。由此，各燃料喷雾在对应的凸部(31a)和气缸盖部(20)的内壁之间的空间(凸部空间)沿对应的凸部(31a)的延伸方向前进。若在压缩行程的后半段进行燃料喷射，则随着活塞的压缩的进行，凸部空间的体积相对于其他部分的空间的体积的比例减小，由此引起：凸部空间的压力逐渐变得比其他部分的空间的压力高。由该压力差使得各燃料喷雾向周向扩散。

Description

直接喷射式内燃机
技术领域
本发明是涉及直接喷射式内燃机。
背景技术
自以往以来，作为具备向燃烧室内直接喷射燃料的燃料喷射阀的直接喷射式内燃机的、在压缩行程后半段进行燃料喷射的内燃机(柴油内燃机、火花点火式内燃机)已经广为人知。在该内燃机中，为了降低排气排出量，促进在燃烧室内的燃料和空气的混合是有效的。
因此，例如，在日本特开平7-208173号公报中记载的柴油内燃机中，在设置在活塞顶部的腔(凹部)的底面中央部设置凸台部(ランド部，landsection)(突出部)，在凸台部的顶面、沿与燃料喷雾的轴线正交(垂直)的方向延伸的多个凹凸形成为条纹状。在压缩行程的后半段朝向该凸台部的顶面的中央部喷射燃料。由此，如图8所示，使燃料喷雾的前端部与凸台部的顶面(形成了凹凸的面)积极碰撞。其结果，促进燃料喷雾的前端部向四面八方的扩散，从而可促进燃料与空气的混合。
发明内容
然而，在上述文献中记载的柴油内燃机中，一方面，能积极促进燃料喷雾的前端部的扩散，但另一方面，不能促进燃料喷雾的根部(即，燃料喷射阀的喷孔附近)的扩散(参照图8)。特别是，在燃料喷雾的根部、燃料密度高，由此引起：即使利用涡流也难以充分促进扩散(即、燃料与空气的混合)。
在此，在不能促进燃料喷雾的根部的扩散的情况下，例如，在冷起动时等，来自该根部的未燃HC的排出量可能增大。另外，在完全预热时等由于在该根部的不完全燃烧，会造成烟的排出量增大。
此外，如上述，使燃料喷雾的前端部与上述凸台部的顶面积极碰撞，因此，使得燃料容易以液滴的状态附着、残留在凸台部的顶面。由此，还可能与上述同样产生如下问题：在冷起动时等的未燃HC的排出量增大、在完全预热时等的烟的排出量的增大等
从以上的情况出发，认为：为了抑制上述的未燃HC和烟的排出量的增大，对难以促进扩散的燃料喷雾的根部不利用向壁面的碰撞而促进扩散是有效的。
从以上出发，本发明的目的在于提供一种：在压缩行程的后半段喷射燃料的直接喷射式内燃机中，可以对燃料喷雾的根部不利用向壁面的碰撞而促进扩散的内燃机。
本发明所涉及的直接喷射式内燃机具备：至少由气缸盖部和活塞的顶部区划、形成的燃烧室、和向所述燃烧室内直接喷射燃料的燃料喷射阀。
本发明所涉及的直接喷射式内燃机的特征在于，在所述活塞的顶部，形成有沿由从所述燃料喷射阀的燃料喷射形成的燃料喷雾的轴线的方向延伸的凸部，该凸部使所述燃料喷雾在所述凸部和所述气缸盖部的内壁之间的空间沿所述凸部的延伸方向前进。换句话说，在活塞顶部在凸部以外的部分形成有凹部。以下，将凸部和气缸盖部的内壁之间的空间称为“凸部空间”，将凹部和气缸盖部的内壁之间的空间称为“凹部空间”。优选是上述燃料喷射阀配置设定成上述燃料喷雾不与上述凸部直接接触。
优选是：在由从上述燃料喷射阀的燃料喷射在相互不同的方向形成多条上述燃料喷雾的情况下，相对于上述各燃料喷雾，上述凸部分别形成为：沿上述燃料喷雾的轴线的方向延伸、且上述燃料喷雾在上述凸部与上述气缸盖部的内壁之间的空间沿上述凸部的延伸方向前进。在这种情况下，在活塞顶部，凸部和凹部交互形成、排列。
若这样在活塞顶部形成凸部和凹部，则在压缩行程中随着活塞顶部接近气缸盖部的内壁，凸部空间的体积相对于凹部空间的体积的比例逐渐减小。其结果，相对于凹部空间的压力，凸部空间的压力逐渐变高。由该压力差，在自凸部空间向凹部空间的方向(即，与活塞的往复运动方向正交的方向、周向、横向)产生气体的流动。
因此，在上述构成中，若在压缩行程的后半段进行燃料喷射，则形成为在凸部空间沿凸部的延伸方向前进的燃料喷雾：利用上述的“从凸部空间向凹部空间的气体的流动”向与活塞的往复运动方向正交的方向(周向、横向)扩散。其结果，可积极地促进燃料喷雾(包含根部)的扩散。
即，采用上述构成，通过利用“从凸部空间向凹部空间的气体的流动”，对燃料喷雾(特别是，燃料喷雾的根部)不利用向壁面的碰撞就可以促进扩散。此外，可产生“从凸部空间向凹部空间的气体的流动”的急剧的速度变化，其结果，可促进气体的紊乱(包含燃料喷射阀的喷孔附近区域)。由此，燃料喷雾(包含根部)在纵向(活塞的往复运动方向)也进行扩散，因此，由此还可促进燃料喷雾的根部的扩散。
在上述本发明所涉及的直接喷射式内燃机中，优选是：在上述活塞的顶部形成有腔，在上述腔的底面形成有上述凸部。若采用该构成，由所谓的挤气(スキツシユ)效果，特别是在燃烧室的侧壁附近形成气体的流动(挤压流)。由此，特别是可积极地促进燃料喷雾的前端部的扩散。在上述腔的底面形成有凸台部(突出部)的情况下，也可在上述凸台部的顶部形成上述凸部(和上述凹部)。
另外，在上述本发明所涉及的直接喷射式内燃机中，优选是，上述凸部构成为：在所述凸部的第1位置的突出高度比在与所述第1位置相比距所述燃料喷射阀的喷孔远的所述凸部的第2位置的突出高度大(含有如此构成的部分)。换句话来说，在凸部含有如下部分：距燃料喷射阀的喷孔越远则凸部的突出高度越小的部分。
若采用上述构成，则可以：在燃料喷射阀的喷孔附近区域(即，与燃料喷雾的根部对应的区域)增大凸部的突出高度，并且，在距离燃料喷射阀的喷孔远的区域(即，与燃料喷射阀的前端部对应的区域、燃烧室的侧壁附近)减小凸部的突出高度(或去除凸部)。
在此，凸部的突出高度越大，则上述的“压力差”变得越大，从而“从凸部空间向凹部空间的气体的流动”变得越强。因此，若采用上述构成，则利用强的“从凸部空间向凹部空间的气体的流动”，可充分促进燃料喷雾的根部的扩散。另外，在燃烧室的侧壁附近形成涡流的情况下，凸部的突出高度越小，则抑制涡流的形成的程度越小。因此，采用上述构成，可以减小抑制涡流的形成的程度，其结果，利用强的涡流，可以充分促进燃料喷雾的前端部的扩散。即，采用上述构成，可以对整个燃料喷雾充分促进扩散。
另外，在上述本发明所涉及的直接喷射式内燃机中，优选是：所述凸部的顶部在所述凸部的延伸方向延伸呈R形状，所述凸部构成为：在所述凸部的第3位置的R形状的半径比在与所述第3位置相比距所述燃料喷射阀的喷孔远的所述凸部的第4位置的R形状的半径小。换句话来说，在凸部包含如下部分：距燃料喷射阀的喷孔越远，则R形状的半径越大的部分。
若采用上述构成，则可以：在燃料喷射阀的喷孔附近的区域(即、与燃料喷雾的根部对应的区域)减小R形状的半径，并且在距离燃料喷射阀的喷孔远的区域(即、与燃料喷雾的前端部对应的区域、燃烧室的侧壁附近)增大R形状的半径。
在此，R形状的半径越小，则越容易产生“从凸部空间向凹部空间的气体的流动”的急剧的速度变化。换句话来说，雷诺数变大。其结果，可进一步促进气体的紊乱(紊流的程度)。因此，若采用上述构成，则还可利用强的气体的紊乱、在纵向上也充分促进燃料喷雾的根部的扩散。另外，R形状的半径越大，则凸部的形成越容易。因此，若采用上述构成，则可以使得在凸部的距离燃料喷射阀的喷孔远的部分(即、与燃料喷雾的前端部对应的部分)的形成容易。
另外，在上述本发明所涉及的直接喷射式内燃机中，优选是：具备朝向上述燃烧室的中央部配置的直通式进气口(straight port)、和以在上述燃烧室的侧壁附近形成涡流的方式配置的螺旋式进气口(helical port)或切向进气口(tangential port)，来作为进气口(intake port，进气道)。
自以往以来，如下技术已为公众所知：使用2个螺旋式进气口或切向进气口作为进气口，将其一以在燃烧室的中央部形成涡流的方式配置，将另一以在燃烧室的侧壁附近形成涡流的方式配置。
对此，如上述，在本发明所涉及的直接喷射式的内燃机中，在燃料喷射阀的喷孔附近区域(即，与燃料喷雾的根部对应的区域)，可利用“从凸部空间向凹部空间的气体的流动”促进燃料喷雾的根部的扩散。因此，在燃料喷射阀的喷孔附近区域(即，燃烧室的中央部)，积极形成涡流的必要性低。因此，可以将朝向燃烧室的中央部配置的进气口做成进气阻力(泵送损失)小的直通式进气口。
上述构成基于该见解。若采用该构成，则与如上述使用2个螺旋式进气口或切向进气口的情况相比，可以减小作为整体的进气阻力。其结果，内燃机的燃料经济性提高。另外，可以增大在高负载时缸内吸入空气量，其结果，内燃机的最大输出也提高。
附图说明
图1：图1(a)是表示采用本发明的直接喷射式的内燃机的实施方式的燃烧室周围的概略构成的纵向剖视图；图1(b)是其活塞的俯视图(顶视图)。
图2是沿图1(b)的2-2线剖开凸台部的剖视图。
图3：图3(a)、(b)是表示由从燃料喷射阀的燃料喷射形成了燃料喷雾的状态的分别与图1(a)、(b)对应的图。
图4：图4(a)是放大了在图3(b)中的8个凸部中位于最下位置的凸部的周围的图；图4(b)是沿图4(a)的2-2线剖开了凸台部的剖视图。
图5：图5(a)(b)是表示从图4(a)(b)所示的状态经过短时间之后的状态(由活塞进行了压缩的状态)的分别与图4(a)(b)对应的图。
图6是表示使用了直通式进气口和螺旋式进气口或切向进气口这样的2个进气口作为进气口的状态的图。
图7是与采用本发明的直接喷射式内燃机的实施方式的变形例相关的与图3(b)对应的图。
图8是表示在以往的内燃机中、通过燃料喷雾的前端部与形成在活塞顶部的腔内的凸台部的顶面碰撞来进行燃料喷雾的前端部的扩散的情况的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明所涉及的直接喷射式内燃机(柴油内燃机)的实施方式进行说明。
图1(a)是表示该实施方式的燃烧室周围的概略构成的纵向剖视图。图1(b)是活塞的俯视图(顶视图)。在该内燃机中，由气缸10的内壁(圆筒面)、气缸盖部20的内壁(平面)和活塞30的顶部区划，形成有燃烧室R。
在气缸盖部20固定有从喷孔41向燃烧室R内直接喷射燃料的燃料喷射阀40。燃料喷射阀40配置成其轴线与气缸10(或、活塞30)的中心轴一致。
在活塞30的顶部与活塞30同轴地形成有腔C(凹部)，在腔C的底面与活塞30同轴地形成有圆锥台状的凸台部31(突出部)。
在凸台部31的锥面(圆锥面)，如图1(a)(b)和图2(沿图1(b)的2-2线剖切凸台部31的剖视图)所示，在俯视(顶视)中，在径向(半径R1～R3的范围)延伸的凸部31a各以45°等角度间隔地配置共计8个，形成为放射状。
以下，将在凸台部31的锥面中相邻的凸部31a、31a之间的部分称为“凹部31b”。即，可以说：在凸台部31的锥面上，在俯视图中，8个凸部31a和8个凹部31b交互(相互不同)形成为放射状。另外，如图2所示，将气缸盖部20的内壁和凸部31a之间的空间称为“凸部空间”，将气缸盖部20的内壁和凹部31b之间的空间称为“凹部空间”。
如图1(a)和图2所示，将从凸台部31的锥面起的凸部31a的纵向(与活塞30的中心轴平行的方向)的突出高度定义为“突出高度L”，则在半径R1～R2的范围内距离喷孔41越远，突出高度L就越大，在半径R2～R3的范围内距离喷孔41越远，突出高度L就越小。即，可以说各凸部31a构成为：凸部31a的在第1位置(半径R2～R3的范围中的靠半径R2侧)的突出高度L比与上述第1位置相比距离燃料喷射阀40的喷孔41远的凸部31a的在第2位置(半径R2～R3的范围中的靠半径R3侧)的突出高度L大。这样，各凸部31a在延伸方向的两端部之间具有突出高度L为最大的部分(与半径R2对应)。
另外，如图2所示，各凸部31a的顶部在凸部31a的延伸方向延伸(在半径R1～R3的范围延伸)呈R形状，如图1所示，半径R1～R2的范围的R形状的半径比半径R2～R3范围的R形状的半径小。即，可以说各凸部31a构成为：凸部31a的在第3位置(半径R1～R2的范围内)的R形状的半径比与上述第3位置相比距离燃料喷射阀40的喷孔41远的凸部31a的在第4位置(半径R2～R3的范围内)的R形状的半径小。
图3(a)(b)是表示由从燃料喷射阀40的燃料喷射形成了燃料喷雾的状态的、分别与图1(a)、(b)对应的图。图4(a)是放大了在图3(b)中的8个凸部31a中位于最下位置的凸部的周围的图；图4(b)是沿图4(a)的2-2线剖切凸台部31的剖视图。另外，如图3(b)所示，在本例中，通过进气口形状的调整等，使得在燃烧室R的侧壁(腔C的侧壁)附近向图示的方向(周向)形成涡流。
如图3和图4所示，在本例中，在活塞30上升中的压缩行程的后半段(具体来说，压缩上止点的跟前(紧前方))进行燃料喷射。在沿各凸部31a的延伸方向的方向各设置有1个燃料喷射阀40的喷孔41，共计8个。其结果，在俯视中，8条燃料喷雾形成为放射状，各燃料喷雾的轴线X分别形成在对应的凸部31a的延伸方向(沿凸台部31的锥面的方向)。由此，如图4(a)(b)所示，各燃料喷雾在对应的凸部空间沿对应的凸部31a的延伸方向前进。
以下，参照图5(a)(b)，对采用如上述构成的本发明的直接喷射式的内燃机(柴油内燃机)的实施方式的作用和效果进行说明。图5(a)(b)是表示从图4(a)、(b)所示的状态经过短时间之后的状态(由活塞30进行了压缩的状态)的、分别与图4(a)(b)对应的图。
如上述，在活塞30的顶部(更为具体来说，凸台部31的锥面)交互(彼此不同)地形成有凸部31a和凹部31b。由此，在压缩行程中，随着活塞30的顶部相对于气缸盖部20的内壁接近，凸部空间的体积相对于凹部空间的体积的比较逐渐减小。
其结果，相对于凹部空间的压力，凸部空间的压力逐渐变高。由该压力差，对于各凸部空间从凸部空间向相邻的2个凹部空间(即，周向、横向)产生气体的流动(参照图5(b)的箭头)。因此，若如上述在压缩行程的后半段进行燃料喷射，则图4中所示的各燃料喷雾通过上述的“从凸部空间向凹部空间的气体的流动”而向周向扩散(参照图5(a)(b)的箭头)。
在此，如上述，在燃料喷射阀40的喷孔41的附近区域(即，与燃料喷雾的根部对应的区域)，凸部31a的突出高度L大，并且，在距离喷孔41远的区域(即，与燃料喷雾的前端部对应的区域、燃烧室R的侧壁(腔C的侧壁)的附近)，凸部31a的突出高度L小。此外，凸部31a的突出高度L越大，则上述的“压力差”变得越大，从而“从凸部空间向凹部空间的气体的流动”变得越强。
因此，可使各燃料喷雾中的燃料密度高且难以促进扩散的根部特别是向周向积极地扩散。其结果，通过利用“从凸部空间向凹部空间的气体的流动”，可不利用向壁面的碰撞地积极地促进各燃料喷雾的根部的扩散。
另一方面，凸部31a的突出高度L越小，则抑制涡流的形成的程度越小。因此，采用上述构成，抑制燃烧室R的侧壁(腔C的侧壁)附近的涡流的形成的程度变小。其结果，可利用强的涡流充分促进各燃料喷雾的前端部的扩散(参照图5(a))。由以上，若采用上述构成，则可对各燃料喷雾整体充分促进扩散。
其结果，能抑制可因不能充分促进燃料喷雾的扩散而引发的、在冷起动时等的未燃HC的排出量的增大、以及在完全预热时等的烟的排出量的增大等。
此外，如上述，各凸部31a的顶部的R形状的半径在半径R1～R2的范围(即、与燃料喷雾的根部对应的区域)小。在此，R形状的半径越小，则越容易产生“从凸部空间向凹部空间的气体的流动”。换句话来说，特征长度(代表長さ)变大，则雷诺数变大。其结果，可进一步促进气体的紊乱(紊流的程度)。因此，采用上述构成，还可利用强的气体的紊乱，在纵方向也可充分促进燃料喷雾的根部的扩散。
另外，为了在燃烧室R的侧壁(腔C的侧壁)附近形成涡流，在该实施方式中，如图6所示，作为进气口，具备如下2个进气口：朝向燃烧室R的中央部配置的直通式进气口50(ストレ一トポ一ト)、和以在燃烧室R的侧壁附近形成涡流的方式配置的螺旋式进气口(ヘリカルポ一ト)或切向进气口60(タンジエンシヤルポ一ト)。
由该螺旋式进气口或切向进气口60的作用，在燃烧室R的侧壁(腔C的侧壁)形成上述涡流。由此，如上述，促进各燃料喷雾的前端部的扩散。
另一方面，在本例中，如上述，利用“从凸部空间向凹部空间的气体的流动”和“气体的紊乱”，可充分促进各燃料喷雾的根部的扩散。因此，在与各燃料喷雾的根部对应的燃烧室R的中央部，积极地形成涡流的必要性低。因此，在本例中，采用进气阻力(泵送损失，ポンピンぐロス)小的直通式进气口50作为朝向燃烧室R的中央部配置的进气口。
由此，与也采用螺旋式进气口或切向进气口作为朝向燃烧室R的中央部配置的进气口的情况相比，可以整体上降低进气阻力。其结果，内燃机的燃料经济性提高。另外，可以增大在高负载时在进气行程吸入到燃烧室R内的空气量，其结果，内燃机的最大输出(输出功率)也提高。
本发明不限于上述实施方式，在本发明的范围内可采用各种变形例。例如，在上述实施方式中，如图3(b)所示，在俯视中，分别将凸部31a以各燃料喷雾的轴线X与对应的凸部31a的延伸方向(径向)一致的方式配置(成放射状)，但也可以：在俯视中，分别将各凸部31a以各燃料喷雾的轴线X，从对应的凸部31a的延伸方向(径向)以规定角度(比0°大)向涡流的方向(周向)偏置的方式配置(成放射状)。
另外，在上述实施方式中，作为内燃机，采用柴油内燃机，但是，作为内燃机，也可采用作为使用了汽油(包含含有酒精(乙醇)成分的燃料)的火花点火式内燃机的在压缩行程的后半段进行燃料喷射的内燃机。
另外，在上述实施方式中，在形成于形成在活塞30的顶部的腔C的底面的凸台部31的锥面形成了凸部31a(和凹部31b)，但在活塞的顶面没有形成腔的情况下，也可在活塞的顶面(平面)形成凸部(和凹部)。另外，在活塞的顶面没有形成腔的情况下，也可在活塞的顶面(平面)同轴形成的圆锥台状的凸台部(突出部)的锥面形成凸部(和凹部)。
另外，在上述实施方式中，在俯视中，8条燃料喷雾形成为放射状，但也可：例如在俯视中仅形成轴线沿径向的1条燃料喷雾。在这种情况下，在俯视中，以该燃料喷雾的轴线与凸部的延伸方向(径向)一致的方式仅形成1个凸部。另外，燃料喷雾的条数也可以是8条、1条以外的数量。
另外，在上述实施方式中，构成为各凸部31a的突出高度L根据径向的位置(距喷孔的距离)而变化，但也可不管径向的位置将各凸部31a的突出高度L设为恒定。
此外，在上述实施方式中，构成为各凸部31a的顶部的R形状的半径根据径向的位置(距喷孔的距离)而变化，但也可不管径向的位置将各凸部31a的顶部的R形状的半径设为恒定。

Claims (5)

1.一种直接喷射式内燃机，具备至少由气缸盖部和活塞的顶部区划形成的燃烧室、和向所述燃烧室内直接喷射燃料的燃料喷射阀，其中，
在所述活塞的顶部，与所述活塞同轴地形成有向下方凹陷的腔，在所述腔的底面中央部，与所述活塞同轴地形成有向上方突出的凸台部，所述凸台部具有越向上侧则越靠近所述活塞的中心轴线的圆锥状的侧面，在所述凸台部的所述侧面，形成有俯视为以所述活塞的中心轴线为中心放射状地延伸的多个凸部；
所述燃料喷射阀具有位于所述燃烧室的上方的多个喷孔，所述多个喷孔配置成：从所述多个喷孔扩散开来的与该多个数目相同数目的燃料喷雾的各自的中心轴线，从对应的所述喷孔朝向所述腔而沿着所述凸台部的侧面，并且俯视为以所述活塞的中心轴线为中心放射状地扩展；
所述多个凸部与所述多个燃料喷雾的条数一致，并且，俯视为所述各凸部的延伸方向和对应的所述燃料喷雾的中心轴线的方向一致。
2.根据权利要求1所述的直接喷射式内燃机，其中，
所述各凸部构成为包含：在所述凸部的第1位置的突出高度比相对所述第1位置在下方的所述凸部的第2位置的突出高度大的部分，所述突出高度是指从所述凸台部的圆锥状的侧面算起的沿活塞中心轴方向的突出高度。
3.根据权利要求1或2所述的直接喷射式内燃机，其中，
所述各凸部的顶部在所述凸部的延伸方向延伸呈R形状，所述各凸部构成为包含：在所述凸部的第3位置的R形状的半径比相对所述第3位置在下方的所述凸部的第4位置的R形状的半径小的部分。
4.根据权利要求1或2所述的直接喷射式内燃机，其中，具备朝向所述燃烧室的中央部配置的直通式进气口和以在所述燃烧室的侧壁附近形成涡流的方式配置的螺旋式进气口或切向进气口，作为进气口。
5.根据权利要求3所述的直接喷射式内燃机，其中，具备朝向所述燃烧室的中央部配置的直通式进气口和以在所述燃烧室的侧壁附近形成涡流的方式配置的螺旋式进气口或切向进气口，作为进气口。
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