專利名稱：內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
為了改進(jìn)燃料經(jīng)濟(jì)性和減少排放，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了直接噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其形成并燃燒燃料和進(jìn)氣的均質(zhì)空氣-燃料混合物。在這種直接噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，噴射的燃料噴霧可能與進(jìn)氣門干涉，燃料可能附著至進(jìn)氣門。結(jié)果，未燃燒所需量的燃料，所以發(fā)動(dòng)機(jī)輸出可能降低。于是，描述了一種通過(guò)判定燃料噴射方向使得來(lái)自燃料噴射裝置的燃料噴霧的中心軸線與在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)進(jìn)氣門之間通過(guò)的豎直平面相符來(lái)避免燃料附著至進(jìn)氣門的技術(shù)(例如，見(jiàn)日本專利申請(qǐng)公告No. 2004-218603 (JP 2004-218603A))。JP2004-218603A進(jìn)一步描述了，在該技術(shù)中，進(jìn)一步使在進(jìn)氣行程中生成的翻轉(zhuǎn)流(豎直渦流)與燃料噴霧碰撞，由此便利燃料噴霧的霧化。借此，獲得氣缸內(nèi)的空氣-燃料混合物的均質(zhì)化。此外，當(dāng)在直接噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中適當(dāng)?shù)厣煞D(zhuǎn)流時(shí)，可以進(jìn)一步便利空氣-燃料混合物的均質(zhì)化。于是，公開(kāi)有一種用于即使當(dāng)流入氣缸的進(jìn)氣方向變化時(shí)也能使充足的翻轉(zhuǎn)流與燃料噴霧同步的技術(shù)(例如，見(jiàn)日本專利申請(qǐng)公告No. 2008-255833 (JP2008-255833A))。在此技術(shù)中，從燃料噴射裝置噴射的燃料的方向被構(gòu)造為是可變的，并且所噴射的燃料的方向沿流入氣缸的進(jìn)氣的方向調(diào)整。在直接噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，迄今已經(jīng)在利用翻轉(zhuǎn)流以使空氣-燃料混合物均質(zhì)化。然而，當(dāng)燃料噴霧從燃料噴射裝置沿與氣缸中生成的翻轉(zhuǎn)流碰撞的方向噴射時(shí)，燃料的燃燒正時(shí)在翻轉(zhuǎn)流被減弱并且燃料不在氣缸中均質(zhì)地?cái)U(kuò)散而是不均勻地分布的狀態(tài)下到來(lái)。結(jié)果，改進(jìn)燃料經(jīng)濟(jì)性以及通過(guò)空氣-燃料混合物的均質(zhì)化降低排放難以進(jìn)行。此外，燃料噴射裝置一般安裝在直接噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的進(jìn)氣口側(cè)；然而，在此情況下，噴射的燃料噴霧可能與進(jìn)氣門干涉。當(dāng)燃料附著至進(jìn)氣門時(shí)，未將所需量的燃料供給至氣缸內(nèi)，故而可能發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的降低、由燃料的汽化熱導(dǎo)致的冷卻效果降低、排放劣化等等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種直接噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其適當(dāng)?shù)乩梅D(zhuǎn)流以在氣缸內(nèi)形成進(jìn)一步均質(zhì)的空氣-燃料混合物。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，從燃料噴射裝置噴射的燃料噴霧的方向被設(shè)定為使得燃料噴霧相對(duì)于在氣缸內(nèi)生成的翻轉(zhuǎn)流的渦流中心以預(yù)定比率到達(dá)上側(cè)上的位置。通過(guò)采用這種構(gòu)造，可以避免噴射的燃料與翻轉(zhuǎn)流的碰撞，并且噴射的燃料與翻轉(zhuǎn)流被有效地同步化，由此使得有可能在不減弱翻轉(zhuǎn)流的情況下使空氣-燃料混合物均質(zhì)化。更具體地，本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括燃料噴射裝置，所述燃料噴射裝置設(shè)置在進(jìn)氣門附近并且將燃料直接噴射至氣缸內(nèi)；和翻轉(zhuǎn)流生成機(jī)構(gòu)，所述翻轉(zhuǎn)流生成機(jī)構(gòu)打開(kāi)或者關(guān)閉所述進(jìn)氣門以便在所述氣缸內(nèi)沿縱向方向生成翻轉(zhuǎn)流。另外，對(duì)于在所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中在進(jìn)氣行程的預(yù)定正時(shí)由所述翻轉(zhuǎn)流生成機(jī)構(gòu)在所述氣缸內(nèi)生成的所述翻轉(zhuǎn)流而言，通過(guò)將所述翻轉(zhuǎn)流的假定渦流中心連接至所述燃料噴射裝置的噴射口形成的假想渦流中心線與沿所述氣缸的徑向方向延伸的基準(zhǔn)平面之間形成的角度定義為渦流中心角，并且從所述燃料噴射裝置噴射的燃料噴霧的在所述氣缸的縱向方向上的展布的中心線與所述基準(zhǔn)平面之間形成的角度定義為噴射角。于是，所述燃料噴射裝置在所述氣缸內(nèi)相對(duì)于所述基準(zhǔn)平面向下噴射燃料，并且所述噴射角與所述渦流中心角的比率設(shè)定為小于或等于O. 7。根據(jù)本發(fā)明的所述方面的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)是將燃料從燃料噴射裝置直接噴入氣缸的直接噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣，該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括翻轉(zhuǎn)流生成機(jī)構(gòu)。因此，有可能在進(jìn)氣行程中的預(yù)定正時(shí)在氣缸內(nèi)生成翻轉(zhuǎn)流。使用翻轉(zhuǎn)流生成機(jī)構(gòu)生成翻轉(zhuǎn)流可以采用各種已知的生成技術(shù)，而且已知例如設(shè)想出了連接至氣缸的進(jìn)氣口的形狀或者調(diào)整進(jìn)入氣缸的進(jìn)氣流，由此使得有可能生成翻轉(zhuǎn)流。此處，在氣缸內(nèi)生成的翻轉(zhuǎn)流沿排氣門側(cè)氣缸內(nèi)壁下降，并且經(jīng)由活塞的頂部沿進(jìn)氣門側(cè)氣缸內(nèi)壁上升，從而形成所謂的縱向渦流。來(lái)自燃料噴射裝置的燃料噴霧與翻轉(zhuǎn)流同步化以便在氣缸內(nèi)有效地?cái)U(kuò)散燃料，借此形成均質(zhì)的空氣-燃料混合物。然而，在燃料沿逆翻轉(zhuǎn)流方向的方向噴射時(shí)，翻轉(zhuǎn)流的流動(dòng)速率被減弱并且氣·缸內(nèi)的均質(zhì)的空氣-燃料混合物的形成被削弱，故而擔(dān)憂燃料經(jīng)濟(jì)性的劣化以及排放的劣化。這樣，在根據(jù)本發(fā)明所述方面的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，當(dāng)渦流中心角和噴射角如上所述地定義時(shí)，將噴射角比率即噴射角與渦流中心角的比率設(shè)定為低于或等于O. 7。渦流中心角被定義為假想渦流中心線與基準(zhǔn)平面之間形成的角。假想渦流中心線通過(guò)將在氣缸內(nèi)由翻轉(zhuǎn)流生成機(jī)構(gòu)生成的翻轉(zhuǎn)流的假定渦流中心連接至燃料噴射裝置的噴射口而形成?；鶞?zhǔn)平面沿氣缸的徑向方向延伸。實(shí)際上，在氣缸內(nèi)生成的翻轉(zhuǎn)流包括湍流，湍流并非完全的縱向渦流，并且湍流根據(jù)氣缸和活塞頂部的形狀、流入氣缸的進(jìn)氣的流動(dòng)速率和方向之類而呈規(guī)則的或不規(guī)則的。考慮到這一點(diǎn)，本發(fā)明的該方面中的翻轉(zhuǎn)流的假定渦流中心是如下位置該位置被識(shí)別為當(dāng)渦流可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員使用已知技術(shù)獲得時(shí)氣缸內(nèi)的翻轉(zhuǎn)流的渦流中心。這樣，渦流中心的識(shí)別可以是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的視覺(jué)識(shí)別，或者當(dāng)使用計(jì)算裝置例如計(jì)算機(jī)計(jì)算渦流時(shí)，渦流中心的識(shí)別可以考慮關(guān)于計(jì)算的渦流的參數(shù)(位置和流動(dòng)速率之間的相關(guān)性之類)進(jìn)行。具體地，基于使用計(jì)算機(jī)之類的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD )的計(jì)算方法或者其他現(xiàn)有可視化技術(shù)可以用于視覺(jué)地或者數(shù)字地獲得氣缸內(nèi)的翻轉(zhuǎn)流，并且可以將所獲得的渦流的中心設(shè)定為翻轉(zhuǎn)流的假定渦流中心。因此，翻轉(zhuǎn)流的假定渦流中心不必局限于嚴(yán)格意義上的唯一渦流中心，而是包括由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)合理地計(jì)算的潤(rùn)流中心。另一方面，噴射角被定義為來(lái)自燃料噴射裝置的燃料噴霧的中心線與基準(zhǔn)平面之間形成的角度。這樣，噴射角比率即噴射角與渦流中心角的比率意味著在O到I的范圍內(nèi)，隨著該值接近1，燃料噴霧靠近翻轉(zhuǎn)流的渦流中心。然而，一般而言，燃料噴霧沿其縱向方向(氣缸的軸向方向)具有一定厚度，并且，例如，當(dāng)從燃料噴射裝置噴射的燃料噴霧具有逐漸變寬的扇形形狀時(shí)，燃料噴霧具有相對(duì)較大的厚度。因此，燃料噴霧的下側(cè)相對(duì)于其中心軸線接近翻轉(zhuǎn)流的渦流中心，并且在某些情況下，燃料噴霧進(jìn)一步向下定位超過(guò)假想渦流中心線，該假想渦流中心線穿過(guò)氣缸內(nèi)的渦流中心。另一方面，翻轉(zhuǎn)流的方向在假想渦流中心線的上側(cè)和下側(cè)之間顛倒，所以，如果燃料噴霧的下側(cè)如上所述相對(duì)于假想渦流中心線位于下方，則燃料噴霧的一部分逆著翻轉(zhuǎn)流噴射，由此減弱翻轉(zhuǎn)流。結(jié)果，削弱了均質(zhì)的空氣-燃料混合物的形成。此外，即使當(dāng)燃料噴霧不超過(guò)假想渦流中心線時(shí)，但是當(dāng)燃料噴霧恰存在于翻轉(zhuǎn)流的渦流中心附近時(shí)，渦流中心附近的翻轉(zhuǎn)流的流動(dòng)速率低于外圍部分的翻轉(zhuǎn)流的流動(dòng)速率，所以難以有效地使燃料噴霧與翻轉(zhuǎn)流同步化。這樣，在根據(jù)本發(fā)明的該方面的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，從燃料噴射裝置噴射的燃料相對(duì)于基準(zhǔn)平面向下噴射，即鄰近翻轉(zhuǎn)流的渦流中心，并且將噴射角比率設(shè)定為低于或者等于O. 7。通過(guò)將噴射角比率設(shè)定為低于或等于O. 7，有可能使整個(gè)燃料、包括燃料噴霧的下側(cè)部分同步化，所以可以避免翻轉(zhuǎn)流的減弱。結(jié)果，例如，可以抑制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的降低。注意，當(dāng)噴射角比率被極大地減小時(shí)，附著至氣缸內(nèi)壁的燃料噴霧量可以根據(jù)氣缸的尺寸、燃料的噴射壓力之類而增大。因此，燃料噴射裝置的噴射方向期望地被設(shè)定為使得噴射角比率接近于O. 7。就在氣缸內(nèi)形成均質(zhì)的空氣-燃料混合物而言，期望地在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣行程中的進(jìn)氣下止點(diǎn)附近的正時(shí)噴射燃料，借此生成相對(duì)較大的翻轉(zhuǎn)流，并且在燃料噴霧與翻·轉(zhuǎn)流同步化后，通過(guò)在壓縮行程中的翻轉(zhuǎn)流的湍流能夠便利燃料與進(jìn)氣的混合。因此，上述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的預(yù)定正時(shí)可以是在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣行程的進(jìn)氣下止點(diǎn)附近的正時(shí)。借此，燃料噴射裝置的噴射方向被期望地設(shè)定為使得在進(jìn)氣下止點(diǎn)附近的正時(shí)處噴射角比率低于或等于O. 7。此外，在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣行程的進(jìn)氣下止點(diǎn)附近的正時(shí)可以是上止點(diǎn)前(BTDC) 220。至 180。的正時(shí)。此外，從燃料噴射裝置噴射的燃料噴霧可以是以扇形形狀展開(kāi)的噴霧。在燃料噴霧具有扇形形狀的情況下，當(dāng)在進(jìn)氣門被打開(kāi)至完全提升的狀態(tài)下從燃料噴射裝置噴射的燃料噴霧與進(jìn)氣門干涉時(shí)，噴霧干涉率低于或等于O. 7，噴霧干涉率被定義為當(dāng)燃料噴霧與進(jìn)氣門存在干涉時(shí)燃料噴霧與進(jìn)氣門相干涉的干涉噴霧寬度與在燃料噴霧與進(jìn)氣門之間不存在干涉的情況下的燃料噴霧的噴霧寬度的比率。當(dāng)噴射角比率被設(shè)定為低于或者等于O. 7時(shí)，位于燃料噴射裝置附近的進(jìn)氣門可能與燃料噴霧干涉。當(dāng)燃料由于干涉附著至進(jìn)氣門或者進(jìn)氣門附近時(shí)，擔(dān)憂發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的降低、排放的劣化之類。這樣，通過(guò)如上所述地將噴射角比率設(shè)定為低于或者等于O. 7、并且進(jìn)一步地將噴射干涉率設(shè)定為低于或等于O. 7，有可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)形成均質(zhì)的空氣-燃料混合物以及避免燃料附著至進(jìn)氣門之類。只要上述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)是直接噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，則其可以是火花點(diǎn)火式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)或者壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。例如，在火花點(diǎn)火式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，從燃料噴射裝置噴射的燃料噴霧只需在氣缸內(nèi)均質(zhì)化并且用火花塞點(diǎn)火以燃燒。替代性地，在壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，初步的空氣-燃料混合物只需在氣缸內(nèi)均質(zhì)地形成，然后利用壓縮上止點(diǎn)附近噴射的燃料作為引火炭而燃燒。在任何內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了在氣缸內(nèi)形成均質(zhì)的空氣-燃料混合物(初步的空氣-燃料混合物)，期望地將噴射角比率設(shè)定為低于或等于O. 7，如上所述。根據(jù)上述方面，有可能提供直接噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其適當(dāng)?shù)乩梅D(zhuǎn)流在氣缸內(nèi)形成進(jìn)一步均質(zhì)的空氣-燃料混合物。


下文將參照附圖描述本發(fā)明示例性實(shí)施方式的特征、優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)及工業(yè)意義，附圖中相同的附圖標(biāo)記指代相同的元件，附圖中圖I的視圖示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性構(gòu)造；圖2的視圖示出了圖I所示內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸內(nèi)的燃料噴霧狀態(tài)；
圖3的圖表示出了圖I所示內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的排氣中的一氧化碳濃度與噴射角比率之間的相關(guān)性；圖4A的視圖示出了圖I所示內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸內(nèi)的燃料噴霧的擴(kuò)散狀況；圖4B的視圖示出了現(xiàn)有內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸內(nèi)的燃料噴霧的擴(kuò)散狀況；圖5的圖表示出了圖I所示內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的行程/缸徑比與渦流中心角之間的相關(guān)性以及行程/缸徑比與噴射角之間的相關(guān)性；圖6的圖表示出了圖I所示內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的噴射起始正時(shí)與排氣中所含的PM顆粒的數(shù)量之間的相關(guān)性；圖7A和圖7B的視圖不出了圖I所不內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料噴霧與進(jìn)氣門之間的干涉狀態(tài)；和圖8A和圖8B的圖表不出了，在氣缸的容積效率的提聞空間以及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩的提高空間方面，圖I所示內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)與現(xiàn)有的端口噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)之間的比較。
具體實(shí)施例方式下文將參照附圖描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。除非另行指定，否則本實(shí)施方式中描述的部件的尺寸、材料、形狀、相對(duì)布置之類無(wú)意于限制本發(fā)明的技術(shù)范圍。[實(shí)施方式]將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。圖I的縱向截面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是燃料噴射裝置附近的一部分，的示意性構(gòu)造。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I是用于驅(qū)動(dòng)車輛的直接噴射火花點(diǎn)火式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I中，進(jìn)氣口 2和排氣口 3連接至氣缸8。進(jìn)氣口 2通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉進(jìn)氣門4而將進(jìn)氣給送至氣缸8。排氣口 3通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉排氣門5而將燃燒氣體之類作為排氣排出至內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I的排氣系統(tǒng)。注意，圖I所示截面圖僅圖示了進(jìn)氣門4和排氣門5各者中的一個(gè)；然而實(shí)際上，相互平行地設(shè)置有兩個(gè)進(jìn)氣門4和兩個(gè)排氣門5。此外，氣缸8中設(shè)置有活塞10。在氣缸8的頂部設(shè)置有火花塞6，火花塞6面對(duì)活塞10，從而能夠點(diǎn)燃?xì)飧?中的空氣-燃料混合物。此外，在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I中，在進(jìn)氣口 2下方在兩個(gè)進(jìn)氣門4之間的附近位置處(即，設(shè)置有進(jìn)氣口 2的缸蓋中的鄰近缸體的位置處)設(shè)置有燃料噴射裝置7。這樣，燃料噴射裝置7的噴射方向粗略地設(shè)定為在氣缸8內(nèi)斜向向下。注意，燃料噴射方向的細(xì)節(jié)將稍后描述。另外，從燃料噴射裝置7噴射的燃料噴霧7a具有如圖7B中所示的逐漸變寬的扇形形狀(稍后描述)，并且如圖I中所示沿其豎直方向還具有一定厚度，等等。燃料噴霧7a的厚度朝向燃料噴霧7a的遠(yuǎn)端增大。此外，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I的各個(gè)進(jìn)氣口 2中形成有翻轉(zhuǎn)流生成機(jī)構(gòu)，并且該翻轉(zhuǎn)流生成機(jī)構(gòu)由分隔壁Ila和關(guān)閉閥Ilb形成。每個(gè)翻轉(zhuǎn)流生成機(jī)構(gòu)均生成翻轉(zhuǎn)流9，該翻轉(zhuǎn)流9是借助于在進(jìn)氣行程中引入氣缸8的進(jìn)氣生成的沿氣缸8的鄰近排氣口 3的內(nèi)壁下降并且沿氣缸8的鄰近進(jìn)氣口 2即燃料噴射裝置7的內(nèi)壁上升的豎直渦流。每個(gè)分隔壁Ila均在進(jìn)氣門4附近沿進(jìn)氣口 2的延伸方向上下地分割進(jìn)氣口 2，關(guān)閉閥IIb設(shè)置在所分割出的進(jìn)氣口部的下進(jìn)氣口部中。關(guān)閉閥Ilb能夠根據(jù)來(lái)自諸如ECU (未示出)的控制單元的指令阻塞或減弱下進(jìn)氣口部中的流動(dòng)。當(dāng)下進(jìn)氣口部中的進(jìn)氣的流動(dòng)由關(guān)閉閥Ilb以此方式減弱或者阻塞時(shí)，經(jīng)由未設(shè)置有關(guān)閉閥Ilb的上進(jìn)氣口部供給入氣缸8的進(jìn)氣的流動(dòng)速率增大。結(jié)果，進(jìn)氣沿進(jìn)氣口 2的上壁供給入氣缸8，所以能夠在氣缸8中生成有效的翻轉(zhuǎn)流9。注意，當(dāng)需要大量進(jìn)氣時(shí)，例如需要內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I的更大發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的情況，需要借助于打開(kāi)關(guān)閉閥Ilb以便將進(jìn)氣經(jīng)由上進(jìn)氣口部和下進(jìn)氣口部?jī)烧吖┙o入氣缸8來(lái)消除進(jìn)氣不足。通過(guò)以此方式在氣缸8內(nèi)生成翻轉(zhuǎn)流9，可以使從燃料噴射裝置7噴射的燃料噴霧7a與進(jìn)氣有效地混合以形成均質(zhì)空氣-燃料混合物。為了便利空氣-燃料混合物的形成，不期望氣缸8內(nèi)的翻轉(zhuǎn)流9被減弱。這樣，為了減少在翻轉(zhuǎn)流9沿活塞10的頂面前進(jìn)時(shí)的通道阻力，在活塞10的頂部處形成有空腔，所述空腔具有以沿著翻轉(zhuǎn)流的周向方向的圓弧形狀形成的圓弧形底壁，如圖I所示。如上所述，由于為內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I設(shè)置有兩個(gè)進(jìn)氣門4，
所以經(jīng)由這兩個(gè)進(jìn)氣門4在氣缸8內(nèi)相互平行地生成的兩個(gè)翻轉(zhuǎn)流9在氣缸8內(nèi)相互合流并且形成渦流。使空腔的寬度充分增大以抑制此時(shí)的減弱。此處，當(dāng)利用翻轉(zhuǎn)流9形成均質(zhì)空氣-燃料混合物時(shí)，不期望翻轉(zhuǎn)流9被從燃料噴射裝置7噴射的燃料噴霧7a減弱。如圖I所示，翻轉(zhuǎn)流9在氣缸8內(nèi)沿著鄰近排氣門5的氣缸內(nèi)壁向下流動(dòng)，并且沿著鄰近進(jìn)氣門4的氣缸內(nèi)壁向上流動(dòng)。因此，在氣缸8內(nèi)廣泛地形成燃料噴霧7a和進(jìn)氣的均質(zhì)空氣-燃料混合物。如果翻轉(zhuǎn)流9的流動(dòng)例如被燃料噴霧7a減弱，則空氣-燃料混合物在氣缸8內(nèi)不均勻地分布，無(wú)法形成均質(zhì)擴(kuò)散狀態(tài)，故而擔(dān)憂燃料經(jīng)濟(jì)性的劣化以及排放的劣化。這樣，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I中，考慮燃料噴霧7a和氣缸8內(nèi)形成的翻轉(zhuǎn)流9之間的相關(guān)性而確定燃料噴射裝置7的燃料噴射方向。將參照?qǐng)D2的縱向截面圖描述燃料噴射裝置7的燃料噴射方向的細(xì)節(jié)。圖2與圖I 一樣是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I的縱向截面圖，而且該視圖特別示意性地示出了來(lái)自燃料噴射裝置7的燃料噴霧7a與氣缸8內(nèi)生成的翻轉(zhuǎn)流9之間的相關(guān)性。首先，在圖2中，沿氣缸8的徑向方向延伸穿過(guò)燃料噴射裝置7的噴射口的平面由基準(zhǔn)平面LO指示。當(dāng)豎直地設(shè)置氣缸8時(shí)，基準(zhǔn)平面LO變?yōu)樗狡矫?；而?dāng)在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I內(nèi)斜向布置氣缸8時(shí)，基準(zhǔn)平面LO變?yōu)檠卮怪庇跉飧?的軸向方向的方向延伸的平面。隨后，關(guān)于氣缸8內(nèi)形成的翻轉(zhuǎn)流9，翻轉(zhuǎn)流9的假定渦流中心由Pl指代，并且將燃料噴射裝置7的噴射口連接至渦流中心Pl的線被定義為假想渦流中心線LI?！凹俣u流中心”在此還包括在氣缸8內(nèi)實(shí)際生成的翻轉(zhuǎn)流9的渦流中心，并且還包括預(yù)先利用計(jì)算機(jī)之類基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)計(jì)算并假定的渦流中心、以及利用其他現(xiàn)有可視化技術(shù)為氣缸8內(nèi)生成的翻轉(zhuǎn)流9所假定的渦流中心。即，本實(shí)施方式中的“假定渦流中心”的意思是在可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在考慮到氣缸8內(nèi)生成的翻轉(zhuǎn)流9的嚴(yán)格渦流中心并非恒定地穩(wěn)定的情況下假定的范圍內(nèi)的翻轉(zhuǎn)流9的渦流中心。此外，關(guān)于由“假定渦流中心”所意指的翻轉(zhuǎn)流9，在進(jìn)氣行程中進(jìn)氣門4打開(kāi)并且活塞10下降，由此在氣缸8內(nèi)生成翻轉(zhuǎn)流9 ;然而，考慮到進(jìn)氣與來(lái)自燃料噴射裝置7的燃料噴霧7a的混合，在進(jìn)氣行程中的進(jìn)氣下止點(diǎn)附近的預(yù)定正時(shí)在氣缸8內(nèi)生成的翻轉(zhuǎn)流9理想地設(shè)定為進(jìn)一步有助于混合的翻轉(zhuǎn)流9。例如，將內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I內(nèi)的上止點(diǎn)前220°至180° (220° BTDC至180° BTDC)曲軸轉(zhuǎn)角處在氣缸8內(nèi)生成的翻轉(zhuǎn)流9的假定渦流中心指示為點(diǎn)P1。隨后，如上所述，來(lái)自燃料噴射裝置7的燃料噴霧7a具有逐漸變寬的扇形形狀。這樣，如圖2所示，將穿過(guò)燃料噴霧7a的沿厚度方向(豎直方向)的中心的中心軸線定義為噴霧中心線L2。這樣，當(dāng)燃料噴霧7a沿其厚度方向具有噴霧角C時(shí)，噴霧中心線L2等分噴霧角C。當(dāng)以此方式設(shè)定基準(zhǔn)平面L0、假想渦流中心線LI和噴霧中心線L2時(shí)，在本實(shí)施方式的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I中，噴射角V與渦流中心角Vl的比率，S卩，由V/V1表示的比率(下文稱為“噴射角比率”)被設(shè)定為大致低于或等于O. 7。噴射角度V是基準(zhǔn)平面LO和噴霧中心線L2之間形成的角。渦流中心角Vl是基準(zhǔn)平面LO與假想渦流中心LI之間形成的角。在此，再一次地，翻轉(zhuǎn)流9示意性地為如下的進(jìn)氣渦流其在氣缸8內(nèi)沿著鄰近排氣門5的氣缸內(nèi)壁向下流動(dòng)、沿著活塞10的頂部流動(dòng)、然后沿著鄰近進(jìn)氣門4的氣缸內(nèi)壁向上流動(dòng)。如果燃料從燃料噴射裝置7相對(duì)于翻轉(zhuǎn)流9的渦流中心Pl向下噴射，則燃料逆著翻轉(zhuǎn)流9噴射，所以燃料噴霧7a削弱翻轉(zhuǎn)流9的流動(dòng)。結(jié)果,翻轉(zhuǎn)流9被減弱。當(dāng)翻轉(zhuǎn)流9被減弱時(shí),翻轉(zhuǎn)流9的攪拌作用在壓縮行程的最后階段減小，所以氣缸8內(nèi)的空氣-燃料混合物的均質(zhì)·化減小，并且空氣-燃料混合物的不均勻分布相當(dāng)顯著。此外，即使燃料從燃料噴射裝置7相對(duì)于翻轉(zhuǎn)流9的渦流中心Pl向上噴射，并且當(dāng)由于燃料噴霧7a具有一定厚度而使燃料噴霧7a的下側(cè)逆著翻轉(zhuǎn)流9噴射時(shí)，也會(huì)發(fā)生局部地翻轉(zhuǎn)流9的減弱，并且空氣-燃料混合物的理想均質(zhì)化會(huì)困難。因此，為了從燃料噴射裝置7噴射燃料，就均質(zhì)的空氣-燃料混合物的形成而言，期望燃料以一定比率從燃料噴射裝置7相對(duì)于翻轉(zhuǎn)流9的渦流中心Pl向上噴射。借此，燃料噴霧7a與氣缸8內(nèi)的翻轉(zhuǎn)流9同步化，從而將翻轉(zhuǎn)流9疊加至燃料噴霧7a的流動(dòng)上，由此使得能夠更加有效地均質(zhì)化空氣-燃料混合物。這樣，本發(fā)明人通過(guò)在包括具有I. O的行程/缸徑比(行程/缸徑)的氣缸的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)改變渦流中心角Vl與噴射角V之間的相關(guān)性得出了渦流中心角Vl和噴射角V兩者與空氣-燃料混合物的均質(zhì)化之間的關(guān)聯(lián)性。一般地講，當(dāng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)以氣缸8內(nèi)的空燃比為化學(xué)計(jì)量的狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，排氣中的一氧化碳濃度被認(rèn)為是指示空氣-燃料混合物的均質(zhì)化的指標(biāo)。這樣，如圖3所示，當(dāng)在具有I. O的行程/缸徑比(行程/缸徑)的氣缸的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)將空燃比設(shè)定為化學(xué)計(jì)量空燃比的狀態(tài)下，測(cè)量了噴射角比率(=V/VI)與排氣中的一氧化碳(CO)濃度之間的相關(guān)度。這樣，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)排氣中的一氧化碳濃度隨著噴射角比率的減小而減小的趨勢(shì)，并且當(dāng)噴射角比率低于或等于O. 7時(shí)，排氣中的一氧化碳濃度幾乎恒定。為此，將燃料噴射裝置7的燃料噴射方向理想地設(shè)定為使得噴射角比率大致低于或等于O. 7。圖4A示出了在將噴射角比率設(shè)定為O. 7的情況下使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)得出的燃料噴霧7a在氣缸8內(nèi)的流動(dòng)。圖4B示出了在將噴射角比率大致設(shè)定為I的情況下使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)得出的燃料噴霧7a在氣缸8內(nèi)的流動(dòng)。如由這些附圖所理解的，當(dāng)噴射角比率大并且約為I時(shí)，燃料噴霧7a傾向于在氣缸8內(nèi)淤積，而當(dāng)噴射角比率被設(shè)定為O. 7時(shí)，來(lái)自燃料噴射裝置7的燃料噴霧7a在氣缸8內(nèi)均質(zhì)地?cái)U(kuò)散。注意，當(dāng)噴射角比率被極大地減小時(shí)，來(lái)自燃料噴射裝置7的燃料噴霧7a非常有可能附著于氣缸8的內(nèi)壁表面。因此，考慮到當(dāng)噴射角比率大致低于或等于O. 7時(shí)空氣-燃料混合物的均質(zhì)化中不存在大的差異的傾向，故而理想地使噴射角比率在大致低于或等于
O.7的范圍內(nèi)不過(guò)度減小。借此，能夠抑制燃料附著至氣缸8的內(nèi)壁表面。此處，當(dāng)氣缸8的行程/缸徑比增大時(shí)，渦流中心Pl的位置相對(duì)于燃料噴射裝置7的噴射口向下推移，使得渦流中心角Vl增大。這樣，如圖5所示，就空氣-燃料混合物的均質(zhì)化而言，理想地將噴射角V設(shè)定為當(dāng)氣缸8的行程/缸徑比增大時(shí)而增大，并且理想地將噴射角比率設(shè)定為低于或等于O. 7，無(wú)論行程/缸徑比如何。如上所述，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當(dāng)在直接噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I中燃料噴射裝置7的噴射角比率被設(shè)定為低于或等于O. 7時(shí)，在氣缸8內(nèi)形成均質(zhì)的空氣-燃料混合物。然而，根據(jù)如圖I所示的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I的結(jié)構(gòu)，燃料噴射裝置7設(shè)置在進(jìn)氣口 2下方。當(dāng)燃料噴霧7a與從每個(gè)進(jìn)氣口 2進(jìn)入氣缸8的進(jìn)氣同步化時(shí)，這是極為有效的布置；然而，為此，進(jìn)氣門4存在于燃料噴射裝置7的噴射方向上。特別是，當(dāng)進(jìn)氣門4完全提升時(shí)，進(jìn)氣門4傾向于與
燃料噴霧7a干涉，所以燃料可能附著于進(jìn)氣門4或者缸蓋。燃料的這種附著減小了進(jìn)行燃燒的燃料量，所以不僅期望的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出無(wú)法實(shí)現(xiàn)，并且還如圖6所示由于脫離正時(shí)控制的燃燒導(dǎo)致煙氣的產(chǎn)生、排氣中的PM (顆粒物)顆粒的數(shù)量增加之類。結(jié)果，難以由燃料噴射裝置7執(zhí)行理想燃料噴射。圖6是示出了從燃料噴射裝置7噴射燃料的正時(shí)與排氣中PM顆粒的數(shù)量之間的相關(guān)性的圖表，其中L3線指示在進(jìn)氣門4與燃料噴霧7a之間存在干涉的情況下的相關(guān)性，L4線指示不存在這種干涉的情況下的相關(guān)性。以此方式，當(dāng)存在所述干涉時(shí)，排氣中的PM顆粒的數(shù)量在從燃料噴射裝置7噴射燃料的正時(shí)的很寬的范圍上都是增大的，故而難以確定理想的燃料噴射正時(shí)。此外，在直接噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I中，燃料被直接噴射至氣缸8內(nèi)以利用燃料的汽化熱而冷卻氣缸8，從而改進(jìn)來(lái)自進(jìn)氣口 2的進(jìn)氣的容積效率(ην)，由此使得有可能例如提高節(jié)氣門全開(kāi)(WOT)性能。然而，當(dāng)燃料噴霧7a如上所述與進(jìn)氣門4干涉時(shí)，在氣缸8內(nèi)蒸發(fā)的燃料量減少，故而無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣缸8內(nèi)的充分冷卻，因此難以提高進(jìn)氣的容積效率(nv)0當(dāng)如上所述就空氣-燃料混合物的均質(zhì)化而言將噴射角比率設(shè)定為低于或等于O. 7時(shí)，簡(jiǎn)言之，當(dāng)燃料噴射裝置7的噴射方向被設(shè)定于相對(duì)上側(cè)時(shí)，由此自然地，如圖7A中所示，在氣缸8的縱向截面中位于燃料噴射裝置7的前方處的進(jìn)氣門4容易與燃料噴霧7a干涉。這樣，在根據(jù)本實(shí)施方式的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I中，通過(guò)將來(lái)自燃料噴射裝置7的燃料噴霧7a與進(jìn)氣門4之間的噴霧干涉率設(shè)定為低于或等于預(yù)定值，有可能實(shí)現(xiàn)空氣-燃料混合物的均質(zhì)化，以及抑制由燃料噴霧干涉造成的進(jìn)氣容積效率的減小。具體地，如圖7B中所示，噴霧干涉率根據(jù)如下數(shù)學(xué)表達(dá)式(I)來(lái)計(jì)算噴霧干涉率=(a-b)/a (I)變量a是在進(jìn)氣門4與燃料噴霧7a之間不存在干涉的情況下的燃料噴霧7a的展寬。變量b是在進(jìn)氣門4與燃料噴霧7a之間存在干涉的情況下的燃料噴霧7a的展寬。注意，如圖7B所示，燃料噴霧7a的展寬指示燃料噴霧7a的在燃料噴霧7a被認(rèn)為在一對(duì)進(jìn)氣門4的相對(duì)于燃料噴射裝置7的相反側(cè)上保持扇形形狀展布的位置處的寬度，并且上述展寬a和b每一個(gè)均為燃料噴霧7在同一位置處的寬度。當(dāng)以此方式設(shè)定噴霧干涉率時(shí)，隨著噴霧干涉率增大，來(lái)自燃料噴射裝置7的燃料噴霧7a與進(jìn)氣門4干涉并且例如附著的百分比增大。這樣，在根據(jù)本實(shí)施方式的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I中，通過(guò)將噴霧干涉率設(shè)定為低于或等于O. 7，發(fā)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)空氣-燃料混合物的均質(zhì)化以及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I的容積效率和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的改進(jìn)兩者。圖8A示出了現(xiàn)有進(jìn)氣口噴射內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率的提高空間(由圖表中的L5線指示)以及根據(jù)本實(shí)施方式的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I的容積效率的提高空間(由圖表中的L6線指示)。此外，圖8B示出了現(xiàn)有進(jìn)氣口噴射內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩的提高空間(由圖表中的L7線指示)以及根據(jù)本實(shí)施方式的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I的扭矩的提聞空間(由圖表中的L8線指不)。如上所述，在根據(jù)本實(shí)施方式的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I中，將噴射角比率設(shè)定為低于或等于O. 7，由此改進(jìn)氣缸8內(nèi)的空氣-燃料混合物的均質(zhì)化，并且將噴霧干涉率設(shè)定為低于或等于O. 7，由此抑制進(jìn)氣門4與燃料噴霧7a之 間的干涉。結(jié)果，如圖8A和圖SB中所示，就發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的幾乎整個(gè)范圍上的容積效率的提高空間以及扭矩的提高空間而言，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)I相對(duì)于現(xiàn)有進(jìn)氣口噴射內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)能夠具有優(yōu)越性。[替代性實(shí)施方式]在本發(fā)明的上述實(shí)施方式中，在具有火花塞的直接噴射火花點(diǎn)火式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中，噴射角比率被設(shè)定為低于或等于O. 7，由此改進(jìn)空氣-燃料混合物的均質(zhì)化，此外，噴霧干涉率被設(shè)定為低于或等于預(yù)定值，由此改進(jìn)氣缸8內(nèi)的進(jìn)氣的容積效率。此處，本發(fā)明的該方面也可以應(yīng)用于直接噴射壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。一般而言，壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)具有將燃料直接噴入氣缸的燃料噴射裝置，并且可以利用該燃料噴射裝置將燃料從該燃料噴射裝置噴射入氣缸，以便在處于壓縮行程的上止點(diǎn)附近時(shí)在燃料噴射之前的正時(shí)在氣缸內(nèi)形成初步的空氣-燃料混合物。在這種情況下，可以應(yīng)用本發(fā)明的上述方面，以便在氣缸內(nèi)形成翻轉(zhuǎn)流，并且使燃料噴霧與翻轉(zhuǎn)流適當(dāng)?shù)赝交?。此外，可以?yīng)用本發(fā)明的上述方面以盡可能多地抑制進(jìn)氣門與燃料噴霧之間的干涉。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其特征在于，所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)包括 燃料噴射裝置(7)，所述燃料噴射裝置(7)設(shè)置在進(jìn)氣門(4)附近并且將燃料直接噴射至氣缸(8)內(nèi)；和 翻轉(zhuǎn)流生成機(jī)構(gòu)(11a，11b)，所述翻轉(zhuǎn)流生成機(jī)構(gòu)(11a，Ilb)打開(kāi)或者關(guān)閉所述進(jìn)氣門(4)以便在所述氣缸(8)內(nèi)沿縱向方向生成翻轉(zhuǎn)流(9)，其中， 對(duì)于在所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)中在進(jìn)氣行程的預(yù)定正時(shí)由所述翻轉(zhuǎn)流生成機(jī)構(gòu)(11a，lib)在所述氣缸(8)內(nèi)生成的所述翻轉(zhuǎn)流(9)而言，通過(guò)將所述翻轉(zhuǎn)流(9)的假定渦流中心連接至所述燃料噴射裝置(7)的噴射口形成的假想渦流中心線(LI)與沿所述氣缸(8)的徑向方向延伸的基準(zhǔn)平面(LO)之間形成的角度定義為渦流中心角(VI)，并且從所述燃料噴射裝置(7)噴射的燃料噴霧(7a)的在所述氣缸(8)的縱向方向上的展布的中心線(L2)與所述基準(zhǔn)平面(LO)之間形成的角度定義為噴射角(V)， 所述燃料噴射裝置(7)在所述氣缸(8)內(nèi)相對(duì)于所述基準(zhǔn)平面(LO)向下噴射燃料，并且 所述噴射角(V)與所述渦流中心角(Vl)的比率設(shè)定為小于或等于O. 7。
2.如權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述預(yù)定正時(shí)是所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)的進(jìn)氣行程中的進(jìn)氣下止點(diǎn)附近的正時(shí)。
3.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)的進(jìn)氣行程中的所述進(jìn)氣下止點(diǎn)附近的正時(shí)是上止點(diǎn)前220°至180°處的正時(shí)。
4.如權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，從所述燃料噴射裝置(7)噴射的燃料噴霧(7a)是以扇形形狀展布開(kāi)的噴霧。
5.如權(quán)利要求4所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)，其中，當(dāng)在所述進(jìn)氣門(4)被打開(kāi)至完全提升的狀態(tài)下從所述燃料噴射裝置(7)噴射的所述燃料噴霧(7a)與所述進(jìn)氣門(4)干涉時(shí)，噴霧干涉率小于或等于O. 7，所述噴霧干涉率定義為當(dāng)所述燃料噴霧(7a)與所述進(jìn)氣門(4)之間存在干涉時(shí)所述燃料噴霧(7a)與所述進(jìn)氣門(4)相干涉的干涉噴霧寬度與假定所述燃料噴霧(7a)與所述進(jìn)氣門(4)之間不存在干涉時(shí)所述燃料噴霧(7a)的噴霧寬度的比率。
6.如權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，其中，所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(I)是火花點(diǎn)火式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的任一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于在直接噴射式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中在進(jìn)氣行程的預(yù)定正時(shí)在氣缸(8)內(nèi)生成的翻轉(zhuǎn)流(9)而言，在由將翻轉(zhuǎn)流的假定渦流中心(P1)連接至燃料噴射裝置(7)的噴射口形成的假想渦流中心線(L1)與沿氣缸的徑向方向延伸的基準(zhǔn)平面(L0)之間形成的角度被定義為渦流中心角(V1)，在從燃料噴射裝置噴射的燃料噴霧(7a)的沿氣缸的縱向方向的展布的中心線(L2)與基準(zhǔn)平面之間形成的角度被定義為噴射角(V)。這樣，燃料噴射裝置在氣缸內(nèi)相對(duì)于基準(zhǔn)平面向下噴射燃料，并且噴射角與渦流中心角的比率被設(shè)定為低于或等于0.7。
文檔編號(hào)F02M61/16GK102877996SQ20121024508
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者村瀨榮二 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社